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

    
Energie- und Stoffwechsel

 Fettgewebe, Körpergewicht und Körperzusammensetzung
© H. Hinghofer-Szalkay

Bromid: βρῶμος = Gestank (bei Zimmertemperatur flüssig, verbreitet elementares Brom einen ätzenden Geruch)
Caliper: Nach Kaliber (calibre, calibro), von gr. καλόπους  = 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. Dann 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 Rezeptorausstattung).

 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. Glucocorticoide, 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 ß-Zellen im Pankreas überfordert, ist die Insulinbildung unzureichend und Diabetes tritt auf (metabolisches Syndrom).

Übersicht Körpergewicht, Flüssigkeitsvolumina, Verteilungsräume Körperzusammensetzung Muskel und Kreatininausscheidung   Body mass index Fettgewebe Adipokine

    Magermasse (LBM), Fettmasse

Praktische Aspekte       Core messages
  
Der Anteil an Fettgewebe beträgt bei ausgeglichenem Ernährungszustand 15-30% der Körpermasse (rund 10-20 kg), bei einem 37 kJ/g Energiegehalt ergibt das etwa 500 MJ (der Energieverbrauch des Körpers von bis zu 50 Tagen) an gespeicherter Energie. Neutralfette werden in Fetttröpfchen gespeichert, ohne Wasser (bei Glykogen beträgt das Massenverhältnis zu Wasser 1:3, ein beträchtliches Mehrgewicht; und der Brennwert des - sauerstoffreichen - Glykogens beträgt 17 kJ/g, bei Fett hingegen 37 kJ/g, mehr als doppelt so viel).

Fettgewebe ist bei weitem der größte Energiespeicher des Körpers. Es stellt für andere Abnehmer Fettsäuren zur Verfügung. Diese sind besonders energiereich (sie werden von Muskelgewebe gerne genutzt), und die Leber kann aus ihnen Ketonkörper erzeugen. Zur Glukoneogenese kann Glycerin (aus dem Abbau von Triglyceriden) herangezogen werden.

Lipide haben mehrere, deutlich unterschiedliche Aufgaben:
   Energiespeicherung. Fettzellen (Adipozyten) speichern Triglyzeride, Verbindungen mit besonders hoher Dichte verfügbarer (freier) Energie (mit 9,3 Cal/g mehr als doppelt so viel als in Kohlenhydraten oder Protein).
   Strukturkomponente. Lipide bauen Zellmembranen auf und für die Erhaltung derer strukturellen Integrität und Funktion unverzichtbar.
   Signalübermittlung. Mehrere Informationsträger - z.B. für Überleben und Wachstum von Zellen, Immunreaktionen - sind Lipide.
   Thermische Isolierung. Weißes Fettgewebe leitet Wärme nicht gut und hilft vor zu rascher Abkühlung des Körpers.
   Thermogenese. Braunes Fettgewebe kann mittels Thermogenin - einem Protein, das (vor allem bei Neugeborenen) die ATP-Synthese von der Elektronentransportkette / Protonenpumpe in den Mitochondrien abkoppelt - den Fettsäureabbau zur Wärmebildung verwenden ("zitterfreie" Wärmebildung).
   Beteiligung an der Fettresorption im Darm.
 
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 Triglyceriden erleichtern und so Hungerzeiten besser 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.)
 
 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.

     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)

 Zur Bestimmung des intrazellulären Flüssigkeitsvolumens s. auch dort

     Zur Ermittlung des extrazellulären Flüssigkeitsvolumens (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)

Zur Bestimmung des extrazellulären Flüssigkeitsvolumens s. auch dort
 
     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)

Zur Bestimmung des Blutvolumens s. dort
 
     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.
 
Zur Bestimmung des Gesamtkörperwasservolumens s. dort

 
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 des Körpers.

    Als Magermasse (LBM, lean body mass) bezeichnet man die Differenz Gesamtmasse (BW: body weight) minus Fettmasse (BF: body fat) des Körpers (LBM = BW - BF). Der Begriff Fettmasse bezieht sich nur auf das Fett in Adipozyten; die Zellmembranen im Körper werden der Magermasse zugeschlagen. Die fettfreie Körpermasse (FFM: fat free mass) schließt (im Gegensatz zur Magermasse) die Zellmembranen nicht ein, ihr Betrag liegt um 3-5% unter dem der Magermasse.

Zur Messung wird die Massendichte (Masse / Volumen) des Organismus mittels des archimedischen Prinzips herangezogen (Fett: spezifisches Gewicht 0,9; Magermasse: 1,1): Wägung des Körpers und Bestimmung des Körpervolumens (Untertauchen des Patienten, Bestimmen der verdrängten Wassermenge).

Diese Methode dient als Referenz für andere Messansätze: Röntgenbildauswertungen, (Nah-)Infrarotmessungen NIRS (Fettgewebe absorbiert ausgesendetes Licht, fettfreies Gewebe reflektiert es), oder Ultraschallanalysen (lokale Ermittlung der Dicke von Muskel- und Fettschichten) sowie das weiter unten ausführlich beschriebene MRT mit der Sicht auf subkutanes und viszerales Fett.


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 organische Säure Kreatin wird von Zellen in Leber (hauptsächlich), Nieren und Pankreas enzymatisch über eine Zwischenstufe (Guanidino-Essigsäure) und anschließende Methylierung aus den Aminosäuren Glycin und Arginin gebildet. Etwa 90% des im Körper vorhandenen Kreatins befinden sich in der quergestreiften Muskulatur, wo es als Kurzzeit-Energiereserve (Kreatinphosphat) dient. Sein Abbauprodukt ist das basische Lactam Kreatinin - eine metabolische Endstufe, die in weitgehend konstantem Zeitverlauf hauptsächlich aus Muskelzellen ausgeschwemmt wird (je größer die Muskelmasse, desto höher die anfallende Menge pro Zeit). In den Glomeruli der Nieren wird es filtriert, von den Tubuli kaum oder gar nicht rückresorbiert und (bei physiologischen Konzentrationswerten) auch kaum sezerniert - daher seine Eignung als Marker für die glomeruläre Filtrationsleistung der Nieren.
Kreatinin dient in phosphorylierter Form (Kreatinphosphat, CP) als Energiespeicher im Muskel. Bei Bedarf gibt Phosphokreatinin für 10-20 Sekunden sein Phosphat zwecks Phosphorylierung von ADP zu ATP ab (letzteres ist direkt für die Energieversorgung der Muskelzelle nutzbar). Kreatinphosphat kann die Zelle nicht verlassen - Kreatin schon, es wird über den Kreislauf aus den Muskeln abtransportiert und über die Nieren ausgeschieden.

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

1-2% des Muskelkreatins werden täglich zu Kreatinin abgebaut und renal ausgeschieden. Kreatinin ist vor allem ein Produkt des Muskelstoffwechsels, und die renale Kreatininausscheidung nimmt linear mit der Muskelmasse zu.

Die Abschätzung der mit der Muskelmasse direkt korrelierenden "Magermasse" (lean body mass LBM) des Körpers erfolgt über Formeln wie z.B. (LBM in kg, Kreatininausscheidung in mg/d)
 
LBM = 7,38 + (0,029 x Kreatininausscheidung)

(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.

Kreatinkinase (CK) findet sich in Muskel- und Gehirngewebe; bei Myokardinfarkt wird dieses Enzym aus beschädigten Herzmuskelzellen freigesetzt und dient als diagnostischer Marker (innerhalb von 4-8 Stunden nach Eintreten des Ereignisses steigt der CK2-Serumspiegel deutlich an).
 
Body mass index
 
     Der body mass index (BMI) ist außerordentlich bekannt, hat aber nur einigermaßen beschränkte medizinische Aussagekraft. Er korreliert einigermaßen mit dem Anteil des Fettgewebes am Körpergewicht und ist 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).

Fettzellen sind besonders reich an Insulinrezeptoren; Glycerin 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, Cortisol) Fett zu Glycerin und Fettsäuren abgebaut; die Leber kann daraus allenfalls Ketonkörper synthetisieren, was z.B. für den Energiestoffwechsel des Gehirns entscheidend werden kann.
 
Fettgewebe
 
Der Anteil des Fettgewebes kann zwischen 5 bis 50% des Körpergewichts betragen (Mittelwert 20%, Männer 10-25%, Frauen 15-30%, je nach Ernährungszustand). Die Aufgaben des Fettgewebes sind die Speicherung (als Neutralfette) und Abgabe chemischer Energie (als Fettsäuren), Produktion von Wärme (Oxidation von Fettsäuren), Freisetzung von Hormonen (Adipokinen), mechanische Polsterung, thermische Isolierung.

Man unterscheidet zwei Arten von Fettgewebe:

      Braunes Fettgewebe kommt nur bei Säugetieren vor; es hat hohe oxidative Kapazität und dient der Erzeugung von Wärme. Seine Adipozyten sind kleiner (20-40 µm), queroval, haben einen runden Zellkern und zahlreiche Mitochondrien mit großen Cristae. Die braune Farbe stammt von Zytochromen in den Mitochondrien. Braunes Fettgewebe ist stark vaskularisiert (dient dem O2-Antransport und der Wärmeabfuhr), was - zusammen mit dem Mitochondrienreichtum - zur braunen Färbung des Gewebes beiträgt. Es ist bei Kindern (insbesondere Neugeborenen) ausgeprägt vorhanden, bei erwachsenen Personen finden sich Restbestände im Bereich des oberen Thorax (Hals- bis Schulterregion). Der Bestand an braunem Fettgewebe ist saisonal unterschiedlich ausgeprägt (weniger im Sommer, mehr im Winter).

Der Mechanismus der Wärmegewinnung beruht auf dem Protonengradienten, den die Mitochondrien im Rahmen der oxidativen Phosphorylierung aufbauen. Das Besondere ist, dass Mitochondrien in ihre (innere) Membran neben der ATP-Synthase "Entkopplungsproteine" (Uncoupling proteins, UCP, UCP1 früher "Thermogenin") einlagern kann. Durch diese "Protonenkanäle" diffundieren Wasserstoffionen aus dem Intermembranraum kurzschlussartig wieder in die Mitochondrienmatrix zurück; die bei der Elektronenübertragung (Komplex I bis IV) gewonnene Energie geht der ATP-Synthese dadurch verloren und wird als Wärme frei.

UCPs finden sich in verschiedenen Geweben (UCP1: braunes Fettgewebe - Wärmebildung, UCP2 beim Fasten in zahlreichen Geweben hinaufreguliert, UCP3 in Muskelzellen - hinaufreguliert u.a. nach Muskelaktivität, UCP4 und UCP5 in Nervenzellen - Funktion unklar). UCPs transportieren wahrscheinlich auch Fettsäuren (in anionischer Form) aus der Mitochondrienmatrix und verhindern dadurch ihre Anreicherung im Mitochondrium; der Austausch gegen Protonen bewahrt so Elektroneutralität.

Braune Adipozyten werden durch Aktivität sympathischer Fasern zur Thermogenese angeregt (die Durchblutung des Gewebes nimmt dabei zu). Sie unterliegen weitgehend der Kontrolle durch energiestabilisierende Neuronen im Hypothalamus. Braunes Fettgewebe ist auch aktivierbar durch Irisin, ein Peptid, das von Adipozyten und aktivierten Skelettmuskelzellen gebildet wird, die Umwandlung weißer zu braunen Adipozyten anregt und die Glucoseutilisation stimuliert; die Bedeutung dieses Mechanismus beim Fettgewebe des Menschen ist unklar.
 
     Weiße 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, und enthalten Carotinoide (Vit. A) und Abbauprodukte des Hämoglobins (diese verstärken den Farbton). Etwa 50% des weißen Fettgewebes besteht auch Nicht-Adipozyten (u.a. Fibroblasten, Makrophagen, andere Immunzellen), bindegewebiger Matrix, Blutgefäßen und autonomen Nerven.
 
Der hauptsächliche Energiespeicher des Körpers sind Triglyceride in weißem Fettgewebe (white adipose tissue, WAT). Ein Kilogramm Neutralfett liefert 39 MJ Energie - ungefähr der Bedarf des Körpers einer erwachsenen Person für 4 Tage. Die Depotfettreserven machen normalerweise 12-15% des Körpergewichts aus; Fettgewebe hat eine Energiedichte von etwa 30 MJ/kg. Bei 12 kg energetisch nutzbarem Fettgewebe würde das also z.B. einen Energievorrat von ~360 MJ bedeuten, was für das Überstehen einer Hungerperiode von deutlich mehr als einem Monat (~40 Tage) reichen würde.

Fettspeicherung beginnt mit der Abspaltung und anschließenden Aufnahme von Fettsäuren, die im Blut als Triglyceride in Lipoproteinpartikeln vorliegen und in dieser Form die Kapillarschranke nicht passieren können. Sie stammen aus Neutralfetten in Lipoproteinpartikeln, die enzymatisch aufgeschlossen werden:
  

Abbildung: Triglyceridsynthese in Fettzellen
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Fettzellen nehmen aus Chylomikronen und VLDL-Lipoproteinpartikeln in ihrer Umgebung (bzw. dem Blutkreislauf) über Wirkung kapillärer Lipoproteinlipsase Fettsäuren auf.
  
Insulin regt die Aktivität der Lipoproteinlipsase an, wie auch die Glucoseaufnahme über GLUT4.
 
Die Synthese der Triglyceride erfolgt über mehrere Zwischenstufen - über folgende Enzyme:
   
1: Fettsäureacyl-CoA-Synthase
2: Glycerin-3-Phosphat- Acyltransferase
3: 1-Acylglycerol-3-Phosphat- Acyltransferase
4: Phosphatidat-Phosphatase (PAP)
5: DAG-Acyltransferase
 
Das Symbol bei Fettsäureacyl-CoA deutet an, dass es sich um die "aktivierte" Form von Fettsäure handelt (sie wurde von der Fettsäureacyl-CoA-Synthase an AcCoA gekoppelt)

Adipozyten sezernieren Lipoproteinlipase (LPL), die in Vesikeln gespeichert, bei Bedarf freigesetzt wird, zur endothelialen Glykokalix gelangt (LPL bindet an Heparansulfat) und so Fettsäuren abspaltet, die (vielleicht auch an Albumin gebunden) zu Adipozyten diffundieren und von diesen über einen Carriermechanismus aufgenommen werden. LPL bevorzugt große Partikel, sodass Chylomikronen bevorzugt "bearbeitet" (d.h. Fettsäuren aus Triglyceriden abgespaltet) werden; zwischen Chylomikronen und VLDL-Partikeln besteht ein Wettbewerb um Wirkungsstellen mit Lipoproteinlipase.
  Über Chylomikronen, VLDL, IDL und LDL s. auch dort

Anschließend entstehen durch Veresterung (Glycerinphosphat entsteht bei der Glykolyse) Triglyceride, eine Speicherform, die sich in den Zellen über Jahre aufbauen kann. Fettsäureacyl-CoA-Synthase regt die Anlagerung von Fettsäuren an CoA an, was die Hydrolyse von ATP erfordert (Enzym 1 in der Abbildung). Dann folgen weitere Schritte (Enzyme 2 bis 5), bis Triglyceride (Neutralfette) synthetisiert sind und in die Fettzelle eingelagert werden. Die Fettspeicherung wird durch Insulin gefördert.
 
Fettmobilisierung (Lipolyse) erfolgt durch Wirkung von Lipasen und wird durch Insulin gehemmt, durch Katecholamine (ß-adrenerg) und atriale natriuretische Peptide (ANP; Fettzellen exprimieren NPR-A) angeregt.

Fetttröpfchen tragen eine Hülle aus Perlipinmolekülen (Perlipin 1 bis 5), welche die Neutralfette vor Abbau schützen, indem sie den Zugriff von Lipasen verhindern - es sei denn, sie werden phosphoryliert, dann können Neutralfette aus den Lipidtröpfchen abgebaut werden:
Aus gespeichertem Triglycerid setzt hormonsensitive Lipase eine Fettsäure frei, es entsteht ein Diglycerid. Glucagon, Adrenalin, Noradrenalin, ANP regen ihre Aktivität und damit Lipolyse an; gehemmt wird sie durch Insulin (das die Lipolyse hemmt). Der Mechanismus: Hormonsensitive Lipase wird bei Phosphorylierung (durch Proteinkinase A) aktiver, bei Dephosphorylierung (durch Proteinphosphatase 1) weniger aktiv.
Lipoproteinlipase spaltet eine weitere Fettsäure ab, es entsteht ein Monoglycerid.
Aus diesem spaltet schließlich Monoglyceridlipase die letzte Fettsäure ab, freies Glycerin ist entstanden.

Fettsäuren (albumingebunden) und Glycerin gelangen in den Kreislauf und zu Abnehmern im Körper (z.B. Leber-, Herzmuskel- oder Skelettmuskelzellen). Dort werden sie für den Energiestoffwechsel verwertet. Fettsäuren mit einer Kettenlänge ab 14C müssen vorher aktiviert und in die jeweilige Mitochondrienmatrix transportiert werden.

 Weißes Fettgewebe ist endokrin aktiv - beispielsweise sezerniert es das Sättigungssignal Leptin - und verfügt über Rezeptoren für zahlreiche Signalstoffe. Leptin hat einen anregenden, Adiponektin einen dämpfenden Effekt auf die sympathische Aktivität. Im Vergleich zu "braunen" Adipozyten haben weiße Fettzellen kleine, wenig zahlreiche Mitochondrien, sie nutzen Glucose als Energiespender und haben nur sehr geringe Kapazität für Fettsäureoxidation. Postprandial speichern sie Energie in Form von Triglyceriden (Neutralfetten), bei Bedarf (Muskelarbeit, postdigestiv) geben sie diesen Speicher in Form von Fettsäuren wieder ab (Lipolyse / Fettmobilisierung; Abbildung).
  

  Abbildung: Fett- und Glucosestoffwechsel in weißem Fettgewebe
Nach einer Vorlage in Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019
Die Fettspeicherung (links) beginnt mit der Aufnahme von Fettsäuren via Lipoproteinlipase (LPL) und einen Carriermechanismus. Die diversen Schritte zur Fettspeicherung werden durch Insulin gefördert, wie auch die Aufnahme von Glucose.
 
Die Fettsäuremobilisierung (Lipolyse, rechts) erfolgt durch Wirkung von Lipasen und wird durch Insulin gehemmt, durch Adrenalin, Noradrenalin, Glucagon und atriale natriuretische Peptide (ANP) angeregt. Fettsäuren (albumingebunden) und Glycerin gelangen in den Kreislauf
 
GLUT4 s. dort, VLDL s. dort

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).

     Es gibt  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.
  
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 Glucose 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.
 
Regionale Unterschiede
 
Hormonrezeptoren werden in den verschiedenen Fettgeweben des Körpers ungleich intensiv exprimiert:.
 

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

     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 typischen 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 Cortisontherapie: Glucocorticoide steigern den Blutzuckerspiegel und dies erhöht die Insulinausschüttung.
 
Adipokine
 
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:
 

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, Cortisol).
  
Die Gewebematrix enthält vor allem Fibroblasten; Immunzellen (wie Makrophagen und T-Zellen) kommunizieren über Zytokine
     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 Glucoseaufnahme 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). Adiponektin wirkt vasodilatierend und entzündungshemmend. Es erhöht die Insulinsensitivität, die Glucoseaufnahme und ß-Oxidation sowie die Menge des Uncoupling Protein in Mitochondrien. Bei Adipositas und arterieller Hypertonie ist die Expression von Adinponektin verringert, sein Serumspiegel reduziert.

     Visfatin, auch Nicotinamid-Phosphoribosyltransferase, der Visfatinspiegel korreliert mit der Größe der Fettspeicher. Visfatin aktiviert Insulinrezeptoren (erhöhte Insulin-Sensitivität!) und hat insulinähnliche Effekte, wie eine Senkung des Blutzuckerspiegels.
Mehr zu Leptin, Adiponektin, Visfatin, Resistin s. dort

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 Glucoseaufnahme) 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 Vorlage bei magnet.fsu.edu (2013)
Die Körperzusammensetzung lässt sich u.a. mittels bildgebender Verfahren - wie der Magnetresonanztomographie - 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 Magnetresonanz-Tomographie, 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 Calciumgehalt 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 Calcium- und Phosphateinlagerung im Knochen ab, die Ausscheidung mit dem Harn zu.

       Elementare Zusammensetzung des menschlichen Körpers s. dort
 

 
      Das Körpergewicht (Muskeln, Knochen, Fettgewebe etc.) hängt von Körpergröße, Geschlecht, Alter, Fitness ab. Einer Volumenmessung (Volumen V) nicht direkt zugängliche Volumina werden über Indikatorverdünnung ermittelt. Indikatoren (Menge M) müssen sich im fraglichen Kompartiment möglichst gleichmäßig verteilen, eindeutig bestimmbar (Konzentration c) und ungiftig sein. Nach Äquilibrierung gilt V = M / c (je größer das Volumen, desto geringer die Konzentration des Indikators). Der Indikator wird meist während des Verteilungsprozesses teilweise ausgeschieden. Das extrazelluläre Flüssigkeitsvolumen bestimmt man mit Inulin, Sulfat, Natrium-, Chlorid-, Bromidionen ("Inulin-, Sulfatraum" etc); das Gesamtkörperwasser u.a. mit schwerem Wasser (D2O)
 
      Erwachsene bestehen zu ~60 Gewichtsprozent aus Wasser - Frauen 55-60, Männer / trainierte Personen bis 65; Adipöse ~50 (massive Adipositas bis 30%), Neugeborene 70-80% (mit zunehmendem Alter nimmt der Wasseranteil an der Körpermasse ab). Pro Cal metabolisierter Energie und Ausscheidung der Abbauprodukte benötigt man 1 ml Wasser (~2 l für einen Ruhe-Tagesumsatz von 2000 Cal). Der Intrazellulärraum bestreitet 2/3, der Extrazellulärraum (Interstitium, Knochen / Knorpel, Bindegewebe, Blutplasma, transzelluläre Raume) 1/3 des Körpergewichts (Neugeborene 1:1). Der Kaliumgehalt des Körpers korreliert mit dem intrazellulären Volumen. Der Großteil des intrazellulären Wassers befindet sich in der Muskulatur (je nach Trainingszustand 35-50% der Körpermasse). Änderungen des Plasmavolumens korrelieren in der Regel mit solchen des extrazellulären Volumens. Zur Messung des Blutvolumens markiert man Plasmaeiweiß (z.B. Cardiogreen; Umrechnung über den Hämatokrit) oder Erythrozyten (Chrom-51). Eine erwachsene Person (~70 kg) hat ~3 l Plasmavolumen und ~2 l Erythrozytenvolumen (~5 Liter Blutvolumen)
 
      Referenzmethode zur Bestimmung von Fett- und Magermasse (lean body mass) ist die Bestimmung des spezifischen Gewichts (Fettgewebe 0,9, Magermasse 1,1) des Körpers (Unterwasserwägung). Alle anderen Methoden erbringen in den meisten Fällen unverlässliche Resultate: Hautfaltendicke, Körperimpedanz, Röntgenbildauswertungen, (Nah-)Infrarotmessungen, Ultraschallanalysen u.a. Der body mass index (BMI) - definidert als Körpermasse M (in Kilogramm) dividiert durch das Quadrat der Körpergröße L (in Metern) - berücksichtigt weder Alter, Geschlecht,  Trainingszustand noch Gesundheitszustand. Die Kreatininausscheidung im Harn (~1-2 g/d) nimmt linear mit der Muskelmasse zu: Kreatinin ist ein Endprodukt des Muskelstoffwechsels und wird kontinuierlich renal eliminiert. Aufbautraining erhöht, Immobilisierung senkt die Kreatininausscheidung. Die Kreatininkonzentration dient als Bezugsgröße zur Beurteilung anderer Konzentrationswerte im Harn
 
      Der Anteil des Fettgewebes beträgt 5 bis 50% des Körpergewichts (Männer 10-25%, Frauen 15-30%), es beansprucht mit 10-20% des Körpergewichts ~10% des Herzzeitvolumens. Fettzellen sind reich an Insulinrezeptoren, postprandial werden Neutralfette aus Glycerin und Fettsäuren gebildet; Glukagon, Adrenalin, Cortisol bauen Fett zu Glycerin und Fettsäuren ab. Es gibt verschiedene Arten von Fettgewebe (Baufett, Speicherfett; subkutanes, viszerales, epikardiales, perivasales Fett), diese exprimieren Hormonrezeptoren unterschiedlich intensiv. Intraabdominelles (viszerales) Fettgewebe ist metabolisch und hormonell besonders aktiv (Adiponektin, Leptin etc, Zytokine). Mit steigender Fettmasse nimmt der Insulinspiegel zu
 
      Braune Fettzellen sind klein, haben eine runden Zellkern und zahlreiche Mitochondrien. Braunes Fettgewebe ist stark vaskularisiert, erzeugt Wärme und ist aktivierbar durch Irisin (bei Kindern ausgeprägt). Weiße Fettzellen sind größer , speichern Neutralfette in einem zentralen Fettropfen (Zellkern sichelförmig); ihre kleinen Mitochondrien sind lipolytisch aktiv (sympathisch / durch Muskelaktivität anregbar), es ist endokrin aktiv und verfügt über zahlreiche Rezeptoren. Es kommt subkutan (größerer Masseanteil) und viszeral (intraabdominell - in Omentum, Mesenterien) vor; Blut aus subkutanem Fett gelangt in den systemischen Kreislauf (freie Fettsäuren von Subkutis zur Muskulatur), aus viszeralem Fett zu Pfortadersystem und Leber. Weiße Adipozyten können sich in beige oder rosa Zellen verwandeln und thermogenetisch aktiv werden (verringertes Risiko für Diabetes 2); sie produzieren Leptin, das bei gestillten Babies die Neigung zu Fettsucht reduziert
 
      Der Leptinspiegel im Blut ist proportional zur Größe der Fettspeicher (Höchstwerte in der Nacht). Leptin hemmt den Hunger (hypothalamische Rezeptoren) und wirkt auf Fett-, kardiovaskuläres, Immun-, Reproduktions-, Nerven-, Knochengewebe. Der Leptinrezeptor gehört zur Zytokinrezeptor-Familie und funktioniert über den JAK-STAT- Mechanismus. Adiponektin wird von "leeren" Fettzellen gebildet, sein Blutspiegel verhält sich umgekehrt proportional zur Größe der Fettspeicher. Es wirkt vasodilatierend, entzündungshemmend, erhöht die Insulinsensitivität, die Glucoseaufnahme und vermittelt unmittelbare Wärmebildung durch Entkopplung der Atmungskette (UCP). Der Rezeptor ist heptahelikal (metabotrop). Der Visfatinspiegel korreliert mit der Größe der Fettspeicher. Visfatin aktiviert Insulinrezeptoren und senkt den Blutzuckerspiegel. - Fettzellen bilden weiters Stickstoffmonoxid (NO), Steroidhormone (Cortisol, Östradiol), Zytokine (IL-1, IL-6, TNFα), Prostaglandine, Histamin, Katecholamine
 

 




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