Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Energie- und Stoffwechsel

Regulation des Körpergewichts, Bestimmung der Körperzusammensetzung
© H. Hinghofer-Szalkay

Bromid: βρῶμος = Gestank (bei Zimmertemperatur flüssig, verbreitet elementares Brom einen ätzenden Geruch)
Caliper: Nach Kaliber (calibre, calibro), von gr. καλ
όπους  = Schusterleisten
Deuterium: δεύτερος = der Zweite (nach 1H - "protium")
Impedanz: impedire = hindern, hemmen (den Stromfluß)
Indikator: indicare = angeben, anzeigen
Leptin: λεπτός = dünn, schmal
thrifty = sparsam
viszerales Fettgewebe: viscera = Eingeweide


Das Körpergewicht kann sich durch veränderte Flüssigkeitsbilanz rasch ändern (Trinken; intensives Schwitzen, Entleeren der Blase). Wasser im Organismus verteilt sich auf den Intrazellulärraum (~65% des Körpergewichts) und den Extrazellulärraum (~35%) und macht etwa 2/3 der jeweiligen Masse aus (ein 70 kg schwerer Mensch hat z.B. ~45 Liter Wasser: ~30 l intra-, ~15 l extrazellulär).

Diese Volumina sind nicht direkt messbar, man kann aber Indikatorstoffe ("Marker") in den Körper einbringen, die sich in einem bestimmten Flüssigkeitsvolumen (Blutplasma, extrazelluläre Flüssigkeit oder Ganzkörperwasser) verteilen. D
ann ist ihre Konzentration (Menge / Volumen) umso geringer, je größer das betreffende Volumen ist (Indikatorverdünnungsprinzip). Indikatoren sollten sich idealerweise vollständig und gleichmäßig verteilen, sie tun das aber z.T. diffus oder langsam; und sie verbleiben auch nicht in "ihrem" Raum, sondern werden abgebaut und wieder ausgeschieden.

Die Körperzusammensetzung (wieviel Fettgewebe? Muskelmasse? ..) kann auf verschiedenen Wegen abgeschätzt werden; keine Methode ist perfekt. So können das spezifische Gewicht (nimmt mit dem Fettanteil ab) oder die Leitfähigkeit (steigt mit dem Flüssigkeitsanteil) ermittelt werden. Auch die Morphologie gibt Aufschluss (Hautfaltenmessung, Bauchumfang, bildgebende Verfahren).

Muskelgewebe bildet die muskelspezifische Markersubstanz Kreatinin. Je größer die Muskelmasse, umso mehr Kreatinin entsteht - seine renale Ausscheidung ist proportional der Muskelmasse.

Fettgewebe hat verschiedene Funktionen: Baufett benötigt der Körper für mechanische Stützfunktion (z.B. Nierenfett) oder thermische Isolation (Unterhautfett), viszerales ("Bauch-") Fett hingegen hat Speicheraufgaben (und eine andere Rezeptoraustattung).

Muskel- und Fettgewebe produzieren Myokine und Adipokine - hormonähnliche Substanzen, die sich in vielfacher Weise auf den Stoffwechsel auswirken. Das aus Lipozyten stammende Leptin hemmt das Hungerzentrum, und sein Blutspiegel ist proportional der Masse an Fettgewebe im Körper.

Umgekehrt beeinflussen viele Hormone (z.B. Glukokortikoide, Schilddrüsenhormone) den Metabolismus und damit auch den Fettanteil am Körper. Und sie reagieren auf die Größe der Energiespeicher: So nimmt der Insulinspiegel mit der Fettmasse zu, denn lipogene Signalsubstanzen erniedrigen die Insulinempfindlichkeit der Zielgewebe und steigern damit die Insulinmenge, die zur Regulierung des Blutzuckerspiegels notwendig ist. Sind die B-Zellen im Pankreas überfordert, ist die Insulinbildung unzureichend und Diabetes tritt auf (metabolisches Syndrom).

Körpergewicht, Flüssigkeitsvolumina, Verteilungsräume Körperzusammensetzung Kreatininausscheidung Fettgewebe Body mass index Adipokine
 
Wovon hängt die ideale Körperzusammensetzung ab?
 
"Thrifty genes" - energiesparende Erbanlagen - scheinen unseren Vorfahren einen Überlebensvorteil verliehen zu haben, indem sie eine sehr effiziente Speicherung von Energie in Form von Triglyzeriden erleichtern und so Hungerzeiten besser zu überstehen helfen. Dieser Mechanismus verwandelt sich in einer Überflussgesellschaft zu einem Nachteil und trägt zum Problem des Übergewichts bei ("Globesity": global obesity).

>Abbildung: Body mass index (BMI)-Tabelle (Mädchen / junge Frauen)
Nach einer Vorlage in safeteens.org

Grün: Normbereich, gelb: Übergangsbereich, rot: Übergewicht.
  
Die Sollwerte des BMI sind altersabhängig, ab dem Kleinkindesalter nehmen sie kontinuierlich zu.
  
Im hohen Alter (>80 Jahre) nehmen die BMI-Werte im Mittel wieder ab

Das Körpergewicht setzt sich aus dem Gewicht der einzelnen Kompartimente des Organismus zusammen (Fettgewebe, Muskelmasse, Knochen, Gewebsflüssigkeit). Aus dem Gewicht kann - bei gegebenen Werten für Körpergröße, Geschlecht, Alter, Fitness - nur unzureichend auf die Zusammensetzung des Körpers rückgeschlossen werden.

  Das Volumen von Gas- und Flüssigkeitsvolumina im Körper wird meist über das Indikatorverdünnungsprinzip ermittelt: In einen (nicht direkt der Volumenmessung zugänglichen) Verteilungsraum wird ein Indikatorstoff eingebracht. Dieser Indikator


     muss ungiftig und

     gut messbar sein;

     er sollte im Verteilungsraum nicht bereits (in nennenswerter Konzentration) vorhanden sein,

     sich in diesem gleichmäßig verteilen

     und ihn während der Messperiode möglichst nicht verlassen.

Da all diese Bedingungen meist schwer erfüllbar sind, werden zeitdynamische Rechenmodelle herangezogen (Berücksichtigung von Indikatorflussraten durch das Kompartiment), um sich dem einfachen Idealmodell (Abbildung) anzunähern:

 

<Abbildung: Schema des Indikatorverdünnungsprinzips

Volumen = Indikatormenge (beigefügt) dividiert durch Indikatorkonzentration (nach gleichmäßiger Durchmischung gemessen)


Ist eine vollständige Äquilibrierung erfolgt - je nach Kompartiment kann dies Sekunden (Lunge), Minuten (Kreislauf) oder Stunden dauern (Intrazellulärraum), ergibt sich das Verteilungsvolumen (V) aus der Konzentration (c) des Indikators, dessen Menge (M) man kennt, nach
 
V = M / c
 
(Je größer das Volumen, desto stärker wird der Indikatorstoff darin verdünnt → niedrige Konzentration des Indikators.)

  Das Gesamtkörperwasser kann unter Laborbedingungen mit schwerem Wasser (Deuteriumdioxid , D2O) oder anderen Stoffen, welche die Zellwand leicht passieren, ermittelt werden. In der Praxis orientiert man sich an klinischen Zeichen einer eventuellen Hyper- (Ödeme?) oder Hypohydration (trockene Schleimhäute, geringe Schweißproduktion).

Erwachsene bestehen zu etwa 60 Gewichtsprozent aus Wasser (Adipöse: ~50%; Frauen um die 55%; schlanke, trainierte Personen bis ~65%). Rasche Veränderungen des Wassergehalts des Körpers äußern sich in entsprechenden Schwankungen des Körpergewichts. Nimmt ein Patient rasch ab, deutet dies auf exzessiven Wasserverlust hin. (Beispiel: Gewichtsverlust von 1 kg nach einem einstündigen Saunaaufenthalt bedeutet, dass 1 l Schweiß abgesondert wurde. Normalerweise wird dieser Flüssigkeitsverlust über Aktivierung des Durstempfindens - Osmorezeptoren! - rasch wieder wettgemacht.)
  
  Faustregel: Zur Metabolisierung von 1 kCal Energie (und Ausscheidung der dabei auftretenden Abbauprodukte) benötigt der Körper 1 ml Wasser.


Für den Umsatz von 2000 Cal (~8,3 MJ - etwa der Ruhe-Tagesumsatz einer erwachsenen Person) ist demnach der Austausch von ~2 Liter H2O notwendig.
 
  Der Intrazellulärraum steuert bei erwachsenen Menschen ~65% (55-75%) zum Körpergewicht bei, der Extrazellulärraum ≈35% (25-45%). Diese Räume beinhalten insgesamt viel Wasser; mit zunehmendem Alter nimmt der Wasseranteil an der Körpermasse ab: Neugeborene bestehen zu 70-80% aus Wasser, Einjährige zu 60-65%.

Man unterscheidet extrazelluläre und intrazelluläre Flüssigkeit.
Das extrazelluläre Flüssigkeitsvolumen teilt sich auf das Blutplasma (1/4) einerseits (intravaskulärer Anteil), das interstitielle (im Gewebe zwischen Gefäßen und Zellen) sowie transzelluläre (in Hohlräumen gelegene) Volumen andererseits auf (3/4).

Bei erwachsenen Personen ist das intrazelluläre Flüssigkeitsvolumen etwa doppelt so groß wie das extrazelluläre; bei Neugeborenen sind diese beiden Volumina etwa gleich groß.

  Zur Ermittlung des extrazellulären Volumens (ECF: Extracellular fluid volume) verwendet man Indikatorstoffe, die möglichst wenig in den Intrazellulärraum übertreten - z.B. Inulin, Sulfat, Natrium-, Chlorid-, Bromidionen. Der Verteilungsraum für jeden einzelnen Stoff ist von der jeweiligen Kinetik abhängig und daher sehr unterschiedlich, man spricht vom “Inulinraum”, “Natriumraum” usw.

Änderungen des extrazellulären Volumens korrelieren in der Regel mit solchen des Plasmavolumens.

   Extrazelluläres Flüssigkeitsvolumen
Erwachsene ≈20%, Kinder ≈30% des Körpergewichts
(z.B. bei 70 kg → 14 Liter ECF)

  Ein Spezialfall ist die Messung des Blutvolumens (=intravasalen Flüssigkeitsvolumens): Die Verteilung des Indikators erfolgt wegen der Durchmischung im Kreislauf innerhalb weniger Minuten. Man verwendet

     Farbstoffe zur Markierung von Plasmaeiweiß (z.B. Indocyaningrün, Cardiogreen)

     oder das 51Chrom-Isotop zur Markierung von roten Blutkörperchen.

Eine erwachsene Person von ≈70 kg Körpergewicht hat ≈3 Liter Plasmavolumen und ≈2 Liter Erythrozytenvolumen im Kreislauf (Summe: ≈5 Liter Blutvolumen).

   Blutvolumen
Blutplasma ≈4%, Blutkörperchen ≈3% des Körpergewichts
(z.B. bei 70 kg → 5 Liter Blut: bei einem Hämatokrit von 0,4 → 3 l Plasma, 2 l Blutkörperchen)
 
  Das intrazelluläre Flüssigkeitsvolumen (ICF: Intracellular fluid volume) wird als Differenz zwischen Ganzkörperwasser und extrazellulärem Flüssigkeitsvolumen errechnet. Da sich Kalium (≈4-5 Gramm Kalium pro Liter Zellflüssigkeit) vorzugsweise im Intrazellulärraum anreichert, korreliert der Kaliumgehalt des Körpers mit der intrazellulären Masse, allerdings bestehen messtechnische Schwierigkeiten. Eine K40-Bestimmung kann zur (indirekten) Abschätzung des Fettanteils an der Körpermasse herangezogen werden (Fettzellen sind arm an Flüssigkeit und daher auch an Kalium).

   Intrazelluläres Flüssigkeitsvolumen
≈40% des Körpergewichts
(z.B. bei 70 kg
28 Liter ICF)


 
Dehydration (Flüssigkeitsmangel)
Hyperhydration (Flüssigkeitsüberschuss)
Starkes Schwitzen / chronischer Durst
Durchfälle, starkes Erbrechen
Verbrennungen, Blutverlust
Exzessives Trinken (vorübergehend)
Rechtsherzinsuffizient mit Ödemen
Niereninsuffizienz

 
Bestimmung der Körperzusammensetzung
 
Der Wasser- bzw. Elektrolytgehalt in den Flüssigkeitsräumen des Körpers kann mit elektrischen Methoden (Widerstands- bzw. Leitfähigkeitsmessung: Messung der "bioelektrischen" Impedanz ) bestimmt werden. Diese Methoden sind nichtinvasiv und unbelastend, aber kaum verlässlich.


>Abbildung: Gewebe-Massenverteilung
Nach einer Vorlage bewi publi.cz/books

Gemittelte Werte. Der weibliche Körper hat im Schnitt einen höheren Fett- und niedrigeren Muskel-/ Knochenanteil am Körpergewicht als der männliche


Üblicherweise misst man von einem Fuß zum anderen ("Fettwaage"), also im Wesentlichen die Impedanz der Beine (kaum des Rumpfes), und dies sagt wenig über Fettanteil und -verteilung des gesamten Körpers (insbesondere im Bauchbereich) aus. Auch bei Messung von Hand zu Fuß sind die Ergebnisse nur unwesentlich aussagekräftiger; Elektrodenpositionierung direkt am Bauch verbessert die Validität des Messergebnisses.
 
Die Bestimmung des spezifischen Gewichts (gemessene Dichte durch Wasserdichte bei gegebener Temperatur) des Körpers durch Unterwasserwägung erlaubt hingegen einen ziemlich genauen Aufschluss über den Anteil von Fett- und Magermasse (lean body mass: Gesamtmasse minus Fettmasse des Körpers). Dabei wird die Dichte (Fett: spezifisches Gewicht 0,9; Magermasse: 1,1) mittels Wägung des Körpers und Bestimmung des Körpervolumens (Untertauchen des Patienten, Messung der verdrängten Wassermenge: archimedisches Prinzip) ermittelt (Dichte = Masse / Volumen). Diese Methode kann als Referenz für andere Messansätze dienen.

Weitere Methoden sind z.B. Röntgenbildauswertungen, (Nah-)Infrarotmessungen NIRS (Fettgewebe absorbiert ausgesendetes Licht, fettfreies Gewebe reflektiert es), oder Ultraschallanalysen (lokale Ermittlung der Dicke von Muskel- und Fettschichten).





>Abbildung: Hautfaltenmessung mittels Caliper
Nach einer Vorlage in fettmessung.biz

Das Gerät ist auf einen definierten Auflagedruck (10 g/mm2) kalibriert. Daumen und Zeigefinger umfassen eine Hautfalte (≈6 mm dick) und legen das Gerät an; der Wert wird abgelesen bzw. elektronisch übertragen. Die Messung sollte mehrfach wiederholt und der Mittelwert herangezogen werden


Eine in der Praxis leicht verwendbare Methode ist die Messung an Hautfalten - mittels "Fettzange" (Caliper , >Abbildung) zur Abschätzung der Schichtdicke des Fettgewebes in der Subcutis (Calipometrie). Allerdings ist das Ausmaß dieses subkutanen Depots kein verlässlicher Indikator für die Menge des gesamten Körperfetts. Diese Einschränkung gilt auch für andere (z.B. optische) Methoden zur Abschätzung der (lokalen) subkutanen Fettmenge.

Man unterscheidet folgende Anteile der Körpermasse:

      Fettfreie Masse (FFM, fat-free body mass), bestehend aus
 
     Körperzellmasse (BBC, body cell mass, intrazelluläres Kompartiment) und
 
     Extrazellulärer Masse (ECM, extracellular body mass, extrazelluläres Kompartiment)

      Fettmasse (FM, fat mass).
  
Der Großteil des intrazellulären Wassers befindet sich in der Muskulatur; sie macht, je nach Trainingszustand, 35-50% der Körpermasse aus. Bei gesteigerter körperlicher Aktivität kommt es zu einer Erhöhung der Muskelmasse.

Der Wasseranteil des Körpers sinkt mit dem Fettanteil und kann bei massiver Adipositas bis auf ≈30% absinken.
 
Muskel und Kreatininausscheidung
  
Die Muskelmasse ist durch die Kreatininausscheidung im Harn (≈1-2 Gramm pro Tag beim Erwachsenen) gut abschätzbar:
  

<Abbildung: Die Kreatininausscheidung erlaubt eine Abschätzung der Muskelmasse
Nach einer Vorlage in medicinenet.com

Kreatinin - ein Endprodukt des Muskelstoffwechsels - wird kontinuierlich renal eliminiert


  < Kreatinin ist ein Produkt des Muskelstoffwechsels, und
die Kreatininausscheidung nimmt linear mit der Muskelmasse zu. 1-2% des Muskelkreatins (Kreatinphosphat: Energiequelle) werden täglich zu Kreatinin abgebaut und renal ausgeschieden.

Die Abschätzung der mit der Muskelmasse direkt korrelierenden "Magermasse" (
lean body mass LBM) des Körpers erfolgt über Formeln wie z.B.

 
LBM (kg) = 7,38 + (0,029 x Kreatininausscheidung in mg/d)
 

(Forbes & Bruining, Am J Clin Nutr 1976)

  
  Beispiel: Eine Person scheidet 1,2 g Kreatinin in 24 Stunden aus. Die LBM berechnet sich als 7,38 + (0,029 x 1200) = ≈42 kg

Aufbautraining erhöht die Muskelmasse und damit die tägliche Ausscheidung von Kreatinin. Immobilisierung führt zu Muskelschwund (z.B. längere Bettlägrigkeit), entsprechend nimmt die Synthese und Ausscheidung von Kreatinin ab. Aufgrund der geringeren Muskelmasse bei Frauen ist die Kreatininausscheidung
im Durchschnitt geringer als bei Männern.
 
Fettgewebe
 

>Abbildung: Fettgewebe bei einer adipösen (113 kg) und einer untergewichtigen Person (54 kg)
Unter Verwendung einer Abbildung in pulsefitnesscenterjax.com

Mittels Magnetresonanz-Imaging kann die Fettmasse und deren Verteilung abgeschätzt werden. Das viszerale Fett ist bei der übergewichtigen Person deutlich erkennbar


Der Anteil des Fettgewebes ist noch unterschiedlicher (5 bis 50% des Körpergewichts - Mittelwert 20%, Männer 10-25%, Frauen 15-30% - je nach Ernährungszustand). Ein Fettanteil über der Normgrenze wird als Adipositas bezeichnet. Fettgewebe ist wasserarm, seine Zunahme bedeutet deshalb eine relative Abnahme des Wasseranteils am Körpergewicht.
 
  
  Das Fettgewebe mit ≈10-20% des Körpergewichts beansprucht ≈10% des Herzzeitvolumens (je nach Anteil am Körpergewicht).

Hormone, Pharmaka usw. verteilen sich unterschiedlich rasch in diesem Kompartiment, und fettlösliche Stoffe (z.B. Steroide, Anästhetika, Benzodiazepine) können sich zu einem hohen Anteil im Fettgewebe einlagern.

Fettgewebe ist nicht nur als Energiespeicher, sondern auch als Hormon- und Zytokinproduzent (z.B. Adiponektin, Leptin) bedeutsam. Es gibt verschiedene Arten von Fettgewebe (Baufett, Speicherfett); insbesondere das intraabdominelle (viszerale) Fettgewebe (visceral fat) spielt eine wichtige Rolle: Es ist metabolisch und hormonell besonders aktiv.

Hypertrophiertes intraabdominelles Fettgewebe sezerniert Zytokine (IL-6, TNF-α), die auch bei Entzündungsreaktionen vermehrt gebildet werden und deren Signalübertragung mit derjeniger des Insulins interferiert. So scheint vermehrtes viszerales Fettgewebe eine führende Ursache für Insulinresistenz zu sein. Das hat erhöhte Serumspiegel an freien Fettsäuren zur Folge, was wiederum die Aufnahme von Glukose in die Muskulatur und über längere Zeit die Insulinsekretion hemmt.
 
   Vermehrung des viszeralen Fetts ist ein Risikofaktor für Insulinresistenz, Typ-2-Diabetes und koronare Herzkrankheit. Regelmäßige körperliche Betätigung ist der beste Schutz vor Vermehrung von Bauchfett. Dessen Volumen läßt sich am einfachsten über den Bauchumfang (2 Querfinger über dem Beckenkamm gemessen) abschätzen: Er sollte bei Männern nicht über 94, bei Frauen nicht über 80 cm betragen.
 
Body mass index
 
     Der body mass index (BMI) spiegelt den Anteil des Fettgewebes am Körpergewicht wider. Er ist definidert als Körpermasse M (in Kilogramm) dividiert durch das Quadrat der Körpergröße L (in Metern):
 
BMI = M / L2
 
Da der BMI an sich weder Alter noch Geschlecht, und auch nicht den Trainingszustand (Muskelmasse!) berücksichtigt, taugt er nur bedingt zur Abschätzung von Körperzusammensetzung bzw. Gesundheitszustand. Zumindest sollte man zur Interpretation der Werte Nomogramme heranziehen, z.B. für den BMI für Frauen als Funktion des Alters wie in der >Abbildung ganz oben gezeigt.

Die Bilanz des Fettgewebes hängt vom Verhältnis Energieaufnahme / Energieverbrauch ab. Bei einem Ungleichgewicht zwischen Energieaufnahme und Energieverbrauch kommt es zu einer entsprechenden Veränderung der Masse an Fettgewebe.

  Die Fettmasse kann zunehmen und Stoffwechselenergie speichern (wenn die Zufuhr an Energie größer ist als der Verbrauch),

  oder aber Stoffwechselenergie abgeben und sich verringern (wenn der Verbrauch an Energie größer ist als die Zufuhr).
 

<Abbildung: Periphere Hunger- und Sättigungssignale
Nach: Blackman S, The Enormity of Obesity. The Scientist May 2004

Neurale (vor allem über N. vagus) und endokrine Afferenzen (Blutweg) unterrichten das Gehirn über die Stoffwechsellage. Das Verdauungssystem produziert Hunger oder Sättigungsgefühl anregende Signalstoffe: Leptin, PYY, Insulin und CCK vermitteln Sättigungsgefühl, Ghrelin wirkt hingegen appetitsteigernd


Fettzellen sind besonders reich an Insulinrezeptoren; Glyzerin und Fettsäuren werden bei hohem Angebot an Energieträgern zu Neutralfetten umgewandelt und stellen einen bedeutenden Energiespeicher dar.

Umgekehrt wird aus dem Fettgewebe unter Einfluss "kontra-insulinärer" Hormone (wie Glukagon, Adrenalin, Kortisol) Fett zu Glyzerin und Fettsäuren abgebaut; die Leber kann daraus allenfalls Ketonkörper synthetisieren, was z.B. für den Energiestoffwechsel des Gehirns entscheidend werden kann.
 
Regionale Unterschiede
 
Hormonrezeptoren werden in den verschiedenen Fettgeweben des Körpers ungleich intensiv exprimiert:.

     So verfügen Adipozyten der Gesäß- und Oberschenkelregion bei Frauen über eine hohe Rezeptordichte für die (strukturverwandten) antilipolytischen Hormone PYY und NPY:

     Peptid YY (PYY) stammt hauptsächlich aus L-Zellen der Darmschleimhaut und wird von diesen u.a. fettinduziert freigesetzt (außer der fettaufbauenden Wirkung reduziert es Hungergefühl und hemmt die Magen-Darmmotorik);

   
  Neuropeptid Y (NPY) wird von Gehirn und autonomem Nervensystem produziert, vermehrt die Fetteinlagerung und trägt zur Ausbildung der für Frauen ntypischen Hüftform bei.

     Der lipogenetische Effekt ist an Fettzellen der Extremitäten weniger ausgeprägt als an Zellen des Körperstamms. Dies erklärt z.B. die Stammfettsucht beim metabolischen Syndrom oder einer Kortisontherapie: Glukokortikoide steigern den Blutzuckerspiegel und dies erhöht die Insulinausschüttung.
 
Adipokine
 

>Abbildung: Von Fettzellen sezernierte Faktoren
Nach einer Vorlage in Wilkinson / Brown, An Introduction to Neuroendocrinology, 2nd ed. 2015. Cambridge University Press

Adipozyten können zahlreiche Adipokine synthetisieren, wie Leptin, Adiponektin, Angiotensin, Visfatin, Adipsin (von Fettzellen sezernierte Serinprotease Komplementfaktor D) und Resistin; aber auch Steroide (Östradiol, Kortisol).
  
Die Gewebematrix enthält vor allem Fibroblasten; Immunzellen (wie Makrophagen und T-Zellen) kommunizieren über Zytokine

Man unterscheidet zwei Arten von Fettgewebe:

      Braune Adipozyten sind kleiner (20-40 µm), queroval, haben eine runden Zellkern und zahlreiche Mitochondrien mit großen Cristae. Braunes Fettgewebe ist stark vaskularisiert, was - zusammen mit dem Mitochondrienreichtum - die braune Farbe erklärt. Es ist bei Kindern ausgeprägt vorhanden, bei erwachsenen Personen finden sich Restbestände im supraklavikulären und im spinalen Bereich. Es erzeugt Wärme und ist aktivierbar durch Irisin.

      Weißes Fettgewebszellen sind größer (30-130 µm), rund, speichern Neutralfette in einem zentralen Fettropfen (bei Bedarf werden Fettsäuren zur Energiebildung herangezogen), der den Zellkern sichelförmig an den Rand drückt; ihre Mitochondrien sind weniger zahlreich und klein, sie beteiligen sich an der Lipolyse. Weißes Fettgewebe (white adipose tissue, WAT) wirkt isolierend und mechanisch schützend. Es ist endokrin aktiv - beispielsweise sezernieren sie das Sättigungssignal Leptin - und verfügt über Rezeptoren für zahlreiche Signalstoffe (>Abbildung). Leptin hat einen anregenden, Adiponektin einen dämpfenden Effekt auf die sympathische Aktivität.

Weißes Fettgewebe wird in subkutanes (größerer Masseanteil) und viszerales (intraabdominelles) Fett - in Omentum, Mesenterien - gegliedert. Die Anbindung an den Kreislauf ist in diesen beiden Kompartimenten unterschiedlich: Blut aus dem subkutanen Depot mündet direkt in den systemischen Kreislauf (freie Fettsäuren gelangen von der Subkutis direkt zur Muskulatur), während freie Fettsäuren aus viszeralem Fett - über das Pfortadersystem - zur Leber gelangen und hier "abgefangen" werden können. Auch die autonom-nervöse und endokrine Steuerung ist in subkutanem und viszeralem Fettgewebe unterschiedlich organisiert: So neigen Männer zu Fettanreicherung im Abdomen ("apfelförmige" Adipositas), während Frauen Fett eher im Gesäß- und Oberschenkelbereich deponieren ("birnenförmige" Adipositas).


Etwa 50% des weißen Fettgewebes besteht auch Nicht-Adipozyten (u.a. Fibroblasten, Makrophagen, andere Immunzellen), bindegewebiger Matrix, Blutgefäßen und autonomen Nerven.


Es gibt weiters Übergangsformen (beige Adipozyten, deren Funktion denen brauner Fettzellen ähnelt) sowie "rosa" Fettzellen in der laktierenden Brustdrüse. Weiße Adipozyten können sich in die beige Form verwandeln und thermogenetisch aktiv werden (vermehrte Expression von uncoupling protein 1, UCP-1,
welches die Atmungskette entkoppelt, indem es Protonen unter Umgehung der chemiosmotischen Kopplung durch die innere Mitochondrienmembran dringen läßt). Dieser Effekt ist günstig und verringert das Risiko, dass sich ein metabolisches Syndrom / Diabetes 2 entwickeln.

Auch "rosa" Fettzellen entwickeln sich aus (subkutanen) weißen Adipozyten; sie produzieren u.a. Leptin, das in die Milch sezerniert wird und beim gestillten Baby die Neigung zu Fettsucht reduziert. Nach der Laktationsperiode entwickeln sie sich zu weißen Adipozyten zurück.

Autonom-nervöser Einfluss auf Fettgewebe:
Sympathische Stimulation steigert die lipolytische Aktivität (ß3-Rezeptor-vermittelt); Anregung der NO-Produktion hat dabei einen vasodilatatorischen Effekt. Erhöhung des Körpergewichts steigert die Sympathikusaktivität sowohl bei Normalgewichtigen als auch bei adipösen Personen; bei Übergewichtigen ist die Regulation des lipolytischen Sympathikuseffekts gestört. Körperliche Belastung (sportliche Aktivitäten) steigert den Sympathikustonus und die lipolytische Aktivität des Fettgewebes.

Die unterschiedlichen Arten von Fettgewebe - subkutanes, viszerales, epikardiales, perivasales (dieses sezerniert u.a. vasoaktive Substanzen) etc - unterscheiden sich im Profil ihrer metabolischen und endokrinen Aktivitäten. So bilden Adipozyten Hormone,
die zusammen als Adipo(cyto)kine (mehr als 50 sind bekannt) bezeichnet werden. Beispiele:

  Leptin , das auch aus anderen Geweben stammen kann. Der Leptinspiegel im Blut ist proportional zur Größe der Fettspeicher und unterliegt einem zirkadianen Rhythmus, er ist in der Nacht am höchsten; vielleicht trägt das zur Unterdrückung von Hungen im Schlaf bei. Leptin hemmt den Hunger über komplexe Wirkung an hypothalamischen Rezeptoren, beteiligt sich an der Regulierung des Fettstoffwechsels und hat weitere Wirkungen auf zahlreiche Gewebe (kardiovaskuläres, Immun-, Reproduktions-, Nervensystem, Knochengewebe). Leptin wirkt vasoaktiv - über verschiedene Angriffspunkte kann es Gefäße kurzfristig dilatieren, längerfristig möglicherweise kontrahieren.

Der Leptinrezeptor gehört zur Zytokinrezeptor-Familie und funktioniert über den JAK-STAT-Mechanismus.
 


<Abbildung: Adiponektinrezeptor
Nach Rojas ER, Rodriguez DV, Bolli P, Velasco M. The Role of Adiponectin in Endothelial Dysfunction and Hypertension. Current Hypertens Rep 2014; 16: 463

Ein weiteres Beispiel eines heptahelikalen (metabotropen) Rezeptors. Seine Aktivierung erhöht die Glukoseaufnahme der Zelle und vermittelt unmittelbare Wärmebildung durch Entkopplung der Atmungskette


  Adiponektin wird von "leeren" Fettzellen gebildet, sein Blutspiegel - 2-20 μg/ml Serum - verhält sich umgekehrt proportional zur Größe der Fettspeicher. Der Rezeptor (<Abbildung) ist heptahelikal, ist also G-Protein-betrieben (metabotrop). Adipokin wirkt vasodilatierend und entzündungshemmend. Es erhöht die Insulinsensitivität, die Glukoseaufnahme und ß-Oxidation sowie die Menge des Uncoupling Protein in Mitochondrien. Bei Adipositas und arterieller Hypertonie ist die Expression von Adinpoektin verringert, sein Serumspiegel reduziert.

  Visfatin, auch Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase, der Visfatinspiegel korreliert mit der Größe der Fettspeicher. Es aktiviert Insulinrezeptoren (erhöhte Insulin-Sensitivität!) und hat insulinähnliche Effekte, wie eine Senkung des Blutzuckerspiegels.

Fettzellen bilden zahlreiche weitere Faktoren, wie

   Stickstoffmonoxid (NO)
  
   Steroidhormone (Kostisol, Östradiol)
  
   Zytokine (IL-1, IL-6, TNFα)
  
   Prostaglandine
  
   Vasoaktive Substanzen (Histamin, Dopamin, Noradrenalin..)
  
Welche Bedeutung hat viszerales Fett?
  

     Viszerales (intraabdominelles) Fett hüllt die Bauchorgane ein und ist anders mit Rezeptoren und Enzymen ausgestattet als z.B. Unterhautfett. Es speichert besonders rasch Energie und spielt bei Übergewicht (Adipositas) eine potentiell krankmachende Rolle (Diabetes, metabolisches Syndrom, kardiovaskuläre Komplikationen wie Arteriosklerose, Schlaganfall, Herzinfarkt).

Viszerales Fettgewebe produziert

       Adiponektin, das die Fettsäureoxidation fördert, entzündungshemmend wirkt, oxidativen Stress mindert und die Zellen stärkt.

       Leptin, das periphere Gewebe (Leber, Herz- und Skelettmuskeln, ß-Zellen) vor übermäßiger Fetteinlagerung bewahrt (Fette werden zu Adipozyten "umleitet") und deren Insulinempfindlichkeit (definiert als insulinabhängige Glukoseaufnahme) stärkt. Leptin signalisiert, dass der Körper über genügend Energie z.B. für Blutbildung und Reproduktion verfügt. Frauen mit Anorexia nervosa weisen extrem niedrige Leptinspiegel im Blut auf.

Viszerales Fettgewebe produziert mehr entzündungsfördernde (proinflammatorische) Zytokine (TNF-α, IL-6) als subkutanes Fett. Diese Zytokine reduzieren die Insulinwirkung auf mehreren Ebenen (am Insulinrezeptor und der intrazellulären Signalkette).

Die Menge an viszeralem Fett kann nur bedingt über den Bauchumfang abgeschätzt werden (erhöhtes Risiko bei Frauen ab 80 cm, bei Männern ab 94 cm).

Je größer das Fettdepot im Körper, desto mehr Signalstoffe setzt dieses frei. Das betrifft nicht nur (das appetitzügelnde) Leptin, sondern auch freie Fettsäuren, Interleukin 6 und Tumornekrosefaktor α. Letztere Substanzen erniedrigen (ähnlich wie Resistin) die Insulinempfindlichkeit entsprechender Zellen und erhöhen dadurch die zur Einstellung eines normalen Blutzuckerspiegels notwendige Insulinfreisetzung.
 
     Mit steigender Fettmasse nimmt auch der Insulinspiegel zu. Bei Erschöpfung der so dauernd überlasteten B-Zellen im Pankreas kommt es dann zu sekundärem Diabetes mellitus (Diabetes Typ II).




 

>Abbildung: MRI-Scanner (Magnetic resonance imaging)
Unter Verwendung einer Abbildung in magnet.fsu.edu (2013)

Die Körperzusammensetzung lässt sich u.a. mittels bildgebender Verfahren - wie der Magnetresonanztomografie - abschätzen


Bei Umstellung der Ernährungs- und/oder Lebensgewohnheiten kann sich der Wasseranteil des Körpers vorübergehend in schwer vorhersagbarer Weise ändern. Er hängt dann z.B. von der Salzzufuhr, den mechanischen Eigenschaften der Gewebe und der Funktion der Hormonsysteme ab.

Gewichtsverlust: Manche Patienten nehmen in den ersten Tagen einer Abmagerungskur nicht ab (Wassereinlagerung trotz Fettgewebsverlust), andere verlieren zu Beginn besonders viel Gewicht (vorwiegend Wasserverlust).

Nur eine geeignete (valide) Körperanalyse (z.B. mittels MRI, >Abbildung) erlaubt eine Differenzierung zwischen der Gewichtsentwicklung von Fett- und fettfreiem Anteil (Magermasse). Bestimmungen mittels Impedanzanalyse, die sehr verbreitet sind, haben sich als unzuverlässig erwiesen (die ermittelten Werte beruhen vor allem auf den einzugebenden biometrischen Daten wie Gewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht, aber kaum auf gemessenen Impedanzwerten).

Größe und Kalziumgehalt der Knochenmasse kann aufgrund der Knochendichte mit modernen bildgebenden Verfahren
bestimmt werden - z.B.

  Photonen-Absorptiometrie (Single photon absorptiometry SPA, Dual photon absorptiometry DPA),

  Röntgenanalyse: Absorptiometrie (DEXA), Radiogrammetrie (Röntgenstrahlen - DXR)

Bei fehlender mechanischer Belastung (lange Bettlägerigkeit, Immobilisierung - bed rest syndrome -, Postmenopause) oder bei erhöhtem Verbrauch (Schwangerschaft) nimmt die Kalzium- und Phosphateinlagerung im Knochen ab, die Ausscheidung mit dem Harn zu.

       Elementare Zusammensetzung des menschlichen Körpers s. dort






Eine Reise durch die Physiologie


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