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

  
Integration der Organsysteme
 
  'Lifestyle'-Faktoren
© H. Hinghofer-Szalkay

 Adipositas: adeps = Fett
Endocannabinoide: ἔνδον = innen, cannabis sativa = Hanf
Energie: εν = innen, ἔργον = Wirken
Follistatin: Zuerst aus Follikelflüssigkeit isoliert
Irisin: Nach einer Göttin der griechischen Mythologie benannt (Ἶρις = Regenbogen)
Kreat(in)in: κρέας = Fleisch, Muskel
Myokine: μυς = ‚Muskel, κίνησις = Bewegung
Visfatin: Stammt vorwiegend aus viszeralem Fettgewebe (visceral fat) und  hat Insulineffekte
Ein wesentliches Element des "Lebensstils" ist regelmäßige körperliche Tätigkeit: Sie erhöht die Sauerstofftransportkapazität im Blut und stärkt das Bewegungssystem. Körperliches Training fördert nicht nur die Muskelfunktion, es senkt den Ruhepuls, erhöht das Blutvolumen, steigert die Ventilationsstärke, senkt den Blutzuckerspiegel, stärkt Knochen und Gelenke.

 Aktives Muskelgewebe ist nicht nur der größte Verbraucher an Durchblutung, Sauerstoff und Energieträgern, es produziert auch zahlreiche hormonartige Signalstoffe (Myokine). Myostatin bremst, Follistatin fördert das Muskelwachstum; Irisin regt die Produktion von Adipozyten in braunem Fettgewebe an (Wärmeabgabe); Visfatin erhöht die Insulinempfindlichkeit; Myonectin erhöht die Aufnahme freier Fettsäuren in Leber- und Muskelzellen.

 Hautfaltendicke, Bauchumfang oder Body mass index sind einfache Kriterien für das Gewebemuster im Körper. Die Kreatininausscheidung ist ein verlässliches Maß für die Muskelmasse des Körpers.

Fettgewebe produziert zahlreiche Adipokine, darunter Leptin (sein Blutspiegel korreliert mit der Fettmasse und bremst die Energieaufnahme) und das insulinsensibilisierende Adiponektin (körperliche Fitness und kalorienbewusste Ernährung erhöhen den Adiponektinspiegel).

Gesunde Ernährung bedeutet die Zufuhr ausreichender und ausgewogener Mengen notwendiger Nährstoffe, Mineralien, Spurenelemente und Vitamine - Substitution ist meist unnötig. Geringe Energiezufuhr bei hochwertiger Kost (Kalorienrestriktion) wirkt sich positiv auf die Lebenserwartung aus.
 

Überblick Muskelaktivität, Myokine, Gesundheit  Ernährung, Körpergewicht, Körperzusammensetzung  Muskelmasse, Kreatininausscheidung Fettmasse Knochenmasse

Praktische Aspekte       Core messages
    
Wie wirkt sich das, was man umgangssprachlich als "Lebensweise" (lifestyle) - auch Lebensart, Lebensstil - bezeichnet, auf Physiologie und Gesundheit des Menschen aus? Diese Frage hat zahlreiche Aspekte. Hier werden einige davon erwähnt - mit Fokus auf zu Grunde liegende physiologische Zusammenhänge.
 
 Lebensstil, Ausdauertraining und Gesundheit
  
Zum Lebensstil gehören Ernährungsgewohnheiten, körperliches Aktivitätsmuster, Stressmanagement, Schlafzeiten etc. Solche Faktoren wirken über physiologische Vorgänge im Organismus auf Widerstandkraft, physische und psychische Reserven, Immunfunktionen, kardiovaskuläres System usw. ein und beeinflussen dadurch Gesundheit, Fitness und Erkrankungsrisiko.
 
 
Abbildung: Auswirkungen akuten Ausdauertrainings
Nach Heinonen I, Kari K. Kalliokoski KK, Hannukainen JC, Duncker DJ, Nuutila P, Knuuti J. Organ-Specific Physiological Responses to Acute Physical Exercise and Long-Term Training in Humans. Physiology 2014; 29: 421-36
Trainingseffekte sind vielfältig und z.T. abhängig vom Belastungsmuster. Eindeutig ist die Erhöhung des Sauerstofftransports (rotes Blutbild, Respiration, Herz, Kreislauf) und die Stärkung des Bewegungsapparates (Knochen, Muskeln, Gelenke).
  
Der periphere Widerstand sinkt in der Skelettmuskluatur, bleibt in anderen Organen weitgehend unverändert. Die Aufnahme von Energieträgern nimmt zu, z.B. von Glucose in die Muskelzellen

Je nach Trainingszustand macht die Muskulatur 35-50% des Körpergewichts aus. Muskeltraining hat morphologische (Faserdurchmesser) und funktionelle Effekte:

      Erhöhte Kraft und Ausdauer
 
      Bessere neuromuskuläre Koordination
 
      Gesteigerte Kapillarisierung und damit Austausch von Atemgasen
 
      Zunehmende Zahl der Mitochondrien
 
      Effizientere Atemmechanik (optimierte Bewegungskoordination), das maximale Atemminutenvolumen verdoppelt sich bis auf ~200 l/min
 
      Bis zu Verdoppelung des maximalen Sauerstoffverbrauchs (bei konstantem Ruhewert)
 
      Bis zu Verdoppelung des Schlagvolumens und maximalen Herzminutenvolumens (bei unverändertem Ruhevolumen)
 
      Abnahme der Ruhefrequenz (Sportlerbradykardie) durch erhöhten Vagustonus
 
      Zunahme des Blut- und Plasmavolumens (letzteres intensiver, daher sinkender Hämatokrit), Volumenverluste durch Schwitzen besser tolerierbar
 
      Zunahme der Pufferkapazität des Blutes (besseres Abfangen von Lactatmaxima bei Hochleistung)
   
Leistungsparameter bei Untrainierten und Trainierten (Zahlen gerundet)

Nach Gekle / Wischmeyer / Gründer / Petersen / Schwab / Markwardt / Klöcker / Baumann / Marti, Taschenlehrbuch Physiologie 2010


UNTRAINIERT TRAINIERT
Ruhe
 		maximale Belastung
 		Ruhe
 		maximale Belastung
Herzgewicht (g) 300
 		500
Blutvolumen (l) 5,6 5,9
Herzfrequenz (bpm) 80
 		180
 		40
 		180-200
Schlagvolumen (ml) 70
 		100
 		140
 		190
Herzzeitvolumen (l/min) 5,6
 		15-20
 		5,6
 		25-30
Atemzeitvolumen (l/min) 8
 		100
 		8
 		200
O2-Aufnahme (l/min) 0,3
 		2,8
 		0,3
 		5,2
Blutdruck systolisch (mmHg)
 		120
 		200
 		120
 		200
Blutdruck diastolisch (mmHg)
 		80
 		80
 		80
 		80
 
Körperliches Training (regelmäßiger Ausdauersport) steigert Blutvolumen, Ruhe-Schlagvolumen, enddiastolisches Volumen und senkt die Ruhe-Pulsfrequenz

  Über die Verteilung des Energieaufgebotes auf verschiedene Körpersysteme s. dort
Der Muskel ist ein endokrin aktives Organ
 
Myostatin    Follistatin    Irisin    Visfatin    Myonectin / Erythroferron    Interleukine    BDNF
 
Körperliche Aktivität wirkt sich auf die Expression zahlreicher Komponenten des Genoms aus; dies optimiert den Stoffwechsel und schützt vor chronischen Erkrankungen. Beispielsweise wird die Endothelfunktion durch regelmäßige Muskeltätigkeit erhalten / verbessert und bremst den altersbedingten Verlust endothelabhängiger Vasodilatation (damit auch die Tendenz zu arterieller Hypertonie).

Auch eine mit dem Alter oft zu beobachtende Steigerung des Sympathikustonus kann durch körperliche Fitness hintangehalten werden (Muskeltraining erhöht den parasympathischen Einfluss auf die Herzaktivität, senkt den Ruhepuls und steigert die Herzfrequenzvariabilität).

Regelmäßige Belastung des Bewegungsapparates erweist sich insbesondere in einer industrialisierten Welt (mangelnde Bewegung, ungesunde Ernährung, unphysiologische Herausforderungen, chronischer Stress) als vorteilhaft.
  
  Je mobiler zu Fuß, desto größer der Gesundheitseffekt: So reduziert sich die Mortalität bei einer regelmäßig wöchentlich zurückgelegten Wegstrecke von 50 km um ~50%. Übrigens verbrennt man pro Kilometer zu Fuß etwa 70 Kalorien zusätzlich (N Engl J Med 314: 605)

Körperliche Belastung hat zahlreiche metabolische und endokrine Auswirkungen, z.B. steigt die Glucoseutilisation (damit sinkt der Blutzuckerspiegel), nimmt die Sekretion von Wachstumshormon zu usw.

Ausreichende Muskelaktivität führt zu einer umfassenden Veränderung im System von Botenstoffen, was u.a. durch die Bildung entzündungshemmender (wie IL-10) und Hemmung entzündungsfördernder Zytokine (TNF-α) insgesamt gesundheitsfördernde Wirkung hat.
 
 
Abbildung: Wirkung muskulärer Zytokine (=Myokine)
Nach Fiuza-Luces C et al, Exercise is the real polypill. Physiology 2013; 28: 330-58
Die Muskulatur emittiert zahlreiche hormonartige Substanzen (Myokine). Über Follistatin, Interleukine, Irisin, Myonectin, Myostatin, Visfatin s. Text

AMPK, AMP-aktivierte Proteinkinase, hemmt energieverbrauchende Enzyme und schützt die Muskelzelle vor ATP-Mangel   BDNF, brain-derived neurotropic factor ist ein Wachstumsfaktor, der vor allem im Gehirn, aber auch in der Peripherie (u.a. aktivierte Muskelzellen) gebildet wird, den Muskelaufbau anregt und u.a. mit trkB interagiert. Seine Bildung wird schon durch mäßige Muskelaktivität besonders stark angeregt, der Blutspiegel steigt dabei  akut an und sinkt danach rasch wieder auf Ruhewerte ab    Calprotectin, ein S-100-Protein    CREB, cAMP response- element- binding protein, ein Transkriptionsfaktor    C-X-C R2, C-X-C -Rezeptor 2, ein Interleukinrezeptor (IL-8)    FGF21, fibroblast growth factor 21, hemmt die Lipolyse-Aktivität und schützt vor Lipotoxizität bei chronisch erhöhten zellulären Fettsäurewerten    FNDC5, fibronectin type III domain- containing 5 protein (wird als Irisin sezerniert)    Fstl1, follistatin-like 1, ein extrazelluläres Glykoprotein auf Muskelzellen, das Endothelfunktion und Revaskularisierung anregt    IGF, insulin-like growth factor, ein Wachstumsfaktor, der auch (missbräuchlich) zum "Muskeldoping" eingesetzt wird    IL-1ra, IL-1-Rezeptor- Antagonist    IL, Interleukin    Insl6, Insulin-like 6 Wachstumsfaktor, aktiviert Myosatellitenzellen und fördert die Muskelregeneration    LIF, leukemia inhibitory factor, freigesetzt von intensiv arbeitenden Muskelzellen, fördert parakrin Wachstum und Satellitenzell-Proliferation    Musculin (auch Osteocrin) wird hauptsaächlich von Typ-II- (fast-twitch) Fasern gebildet, es hemmt die Glucoseaufnahme in Muskelzellen    NO, Stickstoffmonoxid, wirkt gefäßerweiternd und erhöht die Glucoseaufnahme in Muskelzellen    NOS, nitric oxide synthase, bildet NO    PGC-1α, Peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α, steuert Entwicklung und Energieutilisation in Muskelfasern    PI3K, Phosphatidylinositol 3-Kinase, beeinflusst u.a. Wachstum und Proliferation    SIRT1, Sirtuin 1, beteiligt sich an der Energie-Utilisation    SPARC, secreted protein acidic and rich in cysteine (=Osteonectin)    sTNF-R, soluble TNF receptors    trkB, tropomyosin receptor kinase    UCP1, uncoupling protein 1 (=Thermogenin)    VEGF, vascular endothelial growth factor

Myokine sind Hormone, die von Muskelzellen produziert werden; sie spielen in diesem Rahmen eine zentrale Rolle. Zahlreiche Zytokine und andere Faktoren werden durch (intensive) Muskelaktivität vermehrt gebildet:

    Myostatin (GDF-8, growth differentiation factor 8) war das erste Myokin, das entdeckt wurde. Es besteht aus zwei (jeweils 109 Aminosäuren langen) identen Peptiden und gehört zur TGFß-Proteinfamilie. Myostatin hemmt die Proteinkinase B (das sind drei Serin/Threonin-spezifische Kinasen, Sammelbezeichnung Akt) und damit das Muskelwachstum (Akt wirkt auf Transkription, Zellwachstum, Glukosestoffwechsel, Zellmigration, Apoptose in verschiedenen Zelltypen).

    Das Glykoprotein Follistatin (zuerst aus Follikelflüssigkeit isoliert) antagonisiert Myostatin, fördert daher das Muskelwachastum. Hemmung der Myostatinwirkung reduziert Adipositas , wirkt gegen Muskelschwäche und regt die Umwandlung von weißem zu braunem Fettgewebe an.

    Auch Irisin ist ein Zytokin, das von aktiven Muskelzellen in den Kreislauf abgegeben wird. Irisin regt die Produktion brauner Adipozyten in Fettdepots an ("browning"). Dadurch verlagert sich der Stoffwechsel von Energiespeicherung zu Wärmeproduktion. (Körperliche Arbeit steigert den Irisinspiegel und hilft bei der Bekämpfung von Adipositas.) Auch Herzmuskelzellen können Irisin bilden; aktives Muskelgewebe sendet also endokrine Signale an das Fettgewebe.

    Visfatin ist sowohl ein Adipo- als auch ein Myokin. Es hat mehrere Effekte, wie Steigerung der Insulinempfindlichkeit, Behebung biochemischer Schäden (z.B. von Radikalen), Mitochondrienvermehrung; es wirkt über den Sirtuin-Mechanismus: Sirtuine sind Enzyme, welche u.a. die Differenzierung von Muskelzellen bremsen und den Stoffwechsel auf Fettverbrennung umschalten.

    Myonectin stammt ebenfalls aus Muskelzellen; es stimuliert die Aufnahme freier Fettsäuren in Leber- und Muskelzellen ("Muskel- Leber- Fettgewebe- Crosstalk"). 2015 wurde gezeigt, dass Myonectin identisch ist mit dem von Erythroblasten synthetisierten Peptidhormon Erythroferron. Erythroblasten proliferieren unter der Wirkung von Eryrthropoetin, und in solchen Situationen wird mehr Eisen im Körper benötigt; Erythroferron hemmt die Bildung von Hepcidin und fördert damit die Verfügbarkeit von Eisen aus Darm und Körperspeichern (Leberzellen, Makrophagen).
    Muskelzellen bilden mehrere Interleukine:

    Interleukin 3 aktiviert Reservezellen und kann Muskelhypertrophie verursachen, IL-4 fördert die Reifung von Myotubuli und damit das Muskelwachstum.

    Interleukin 6 (IL-6) war das erste Zytokin, von dem nachgewiesen wurde, dass es von sich kontrahierenden Muskelfasern in die Blutbahn freigesetzt wird. Muskelarbeit erhöht - belastungsproportional - den IL-6-Spiegel im Blut. IL-6 hat leptinähnliche Wirkungen: Über Muskel- und Fettzellen erhöht es Glucoseaufnahme und Fettoxidation. IL-6 regt Lipolyse, Mobilisierung von Glucose aus der Leber, sowie Muskel- und Gefäßwachstum an. Vermutlich regt es bei Muskelarbeit die Freisetzung von Glucose aus der Leber an, vielleicht auch die Lipolyse im Fettgewebe.

  Über IL-6 und die endokrine Achse Muskel - Knochen - Muskel s. dort

    IL-7 steigert das Muskelwachstum, IL-8 fördert die Kapillarisierung, IL-13 erhöht Muskelwachstum und fördert die Heilung nach Muskeltraumen.

    Interleukin 15 stammt ebenfalls aus aktiven Muskelfasern, es bremst den Fetteinbau und wird mit der antiadipösen Wirkung körperlicher Arbeit in Zusammenhang gebracht. IL-15 fördert Muskelaufbau und wirkt gegen Muskelschwund bei chronischen Erkrankungen und im Alter.

    BDNF wird vor allem im Nervensystem, aber auch von aktivierten Muskelzellen gebildet. Es fördert den Muskelaufbau; schon durch mäßige Muskelaktivität stimuliert seine Freisetzung, der Blutspiegel steigt deutlich an, sinkt nach Belastung auch rasch wieder auf Ruhewerte ab.
 
  Resultat konsequenter Muskelaktivität ist eine verringerte Inzidenz von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Bluthochdruck, Schlaganfall, metabolischem Syndrom, Typ-2-Diabetes, Brustkrebs, Colonkarzinom, depressiver Verstimmung, Sturz- und Knochenbruchhäufigkeit. Regelmäßige Muskelbelastung verleiht höhere protektive Wirkung als z.B. Supplementierung mit mehrfach ungesättigten omega-3-Fettsäuren. Schon mäßige körperliche Belastung ergibt gesundheitsfördernde Effekte im kardiovaskulären (Kreislauffitness), respiratorischen (Atemleistung), Skelett- (Knochendichte) und Immunsystem (Abwehrkräfte). Die (insulinunabhängige) Glucoseutilisation durch Muskelaktivität nimmt zu, Diabetiker benötigen weniger Medikamente.

Zeitdimension: Faktoren wie Tageszeit (zirkadiane Rhythmen) und Wiederholungsfrequenz (Trainingsprogramm) beeinflussen die Effizienz gesundheitswirksamer Faktoren. Regelmäßige körperliche Belastung hat zahlreiche Auswirkungen: Stärkung des Herzmuskels, Reduktion der Ruhefrequenz; Senkung des Cholesterinspiegels im Blutserum; verringerte Blutgerinnungstendenz; Endorphinausschüttung im Gehirn; Gewichtsreduktion; Zunahme der Muskelmasse, Funktionssteigerung des Bewegungsapparats; bessere Stresskontrolle.
 
      Ein Metabolisches Äquivalent (MET) entspricht dem Energieumsatz, den eine Person in Ruhe aufweist (Ruheumsatz).

Als körperlich fit gilt, wer eine Belastung von >8 MET toleriert. Die Mortalitätsrate nimmt zu, je stärker die maximale Belastbarkeit der Muskulatur unter einen Pegel sinkt, der einem Sauerstoffverbrauch von ~34 ml / Minute / kg Körpergewicht entspricht (also z.B. ~2,4 l/min bei einem 70 kg schweren jungen Mann; Ruhewert ~0,3 l/min; 0,3 x 8 = 2,4). Ein geringerer Wert deutet auf eine unzureichende Fitness der Muskulatur, mit damit verbundenen Risikofaktoren. Der Ruheumsatz sollte um den Faktor 8 steigerbar sein.

 
Körpermasse und endokrine Faktoren
  
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.

 
Abbildung: Zusammensetzung des Körpers nach Wasser, Lipiden, Mineralstoffen und Eiweiß
Modifiziert nach einer Vorlage bei jawon.com
Da Frauen einen höheren Fettanteil am Körpergewicht haben, ist der Wasseranteil entsprechend geringer

Der Body mass index (BMI; Körpermasse in kg / Körpergröße in m zum Quadrat) sollte um einen Betrag zwischen etwa 19 und 25 liegen (Abbildung unten). Sowohl zu geringe als auch zu hohe Werte bedeuten erhöhtes gesundheitliches Risiko und steigende Mortalität (Prinzip der Optimalität als physiologischer Grundsatz).

Ähnliche Indices sind z.B.
  
      die Waist-to-Height-Ratio (WHtR) - Taillenumfang durch Körperhöhe, als tolerierbare Obergrenze gilt bis zu einem Alter von 40 Jahren ein Wert von 0,5, über 50 Jahren von 0,6
  
      die Waist-to-hip ratio (WHR), die bei normalgewichtigen Männern unter 0,9 und bei normalgewichtigen Frauen unter 0,8 beträgt
  
      der Body Adiposity Index (BAI), dieser errechnet sich aus Hüftumfang (H, in cm) und Körperlänge (L, in m) nach  H / L1,5 − 18.

Als "normalgewichtig" gelten Männer mit einem BMI zwischen 20 und 25, Frauen zwischen 19 und 24. Diese Zahl berücksichtigt allerdings weder Alter noch Geschlecht oder Körperzusammensetzung (Trainingszustand) und ist als "Gesundheitsmaß" nur bedingt aussagekräftig; zumindest sollte man zu seiner Interpretation Nomogramme heranziehen (alters- und geschlechtsabhängiger BMI).
  
      Frage: Körpergewicht 81 kg, Körpergröße 184 cm, BMI = ?  -  Antwort: 1,84 x 1,84 = 3,39; BMI = 81 / 3,39 = 23,9

 Endocannabinoide haben viele Wirkungen, darunter auf Herz, Kreislauf, Atmung, Schmerzempfinden und Verdauungssystem. Im Hypothalamus spielen sie wahrscheinlich eine Rolle u.a. bei der Motivation zu Nahrungsaufnahme und im weiteren Sinne auch bei der Regulierung des Körpergewichts.
  

Sind Energieaufnahme und Energieverbrauch im Gleichgewicht, äußert sich das u.a. in einem stabilen Körpergewicht. Ist dieses Gleichgewicht längerfristig gestört (rasche Änderungen des Körpergewichts deuten auf Ungleichgewicht im Flüssigkeitshaushalt hin), werden körpereigene Speicher

     entweder für den Energiestoffwechsel herangezogen (Gewichtsreduktion, z.B. Fettverlust)
 
     oder vermehrt angelegt (Gewichtszunahme, z.B. body building, Aufbau von Fettgewebe).
 
 
Abbildung: Zusammensetzung des Körpers nach Flüssigkeitsräumen
Modifiziert nach einer Vorlage in openstax College
Massenmäßige Verteilung des Körperwassers (total body water, 100%):
  
Intrazelluläre Flüssigkeit ~60%, extrazelluläre ~40%, bestehend aus: Interstitiell ~30%, Blutplasma 6-8%, transzellulär ('third space') 3-4%

Kurzfristige Veränderungen der Körpermasse sind vorwiegend durch veränderte Wasserbilanz erklärbar (intensives Schwitzen wie z.B. in der Sauna kann innerhalb von 15-30 Minuten ~1 Liter Wasserverlust bringen; Hitzearbeiter - z.B. am Hochofen - benötigen mehrere Liter Wasser pro Stunde).

      Das Gesamtkörperwasser wird mit schwerem Wasser (D2O) oder anderen Stoffen, welche die Zellwand ohne weiteres durchdringen, ermittelt.

      Zur Bestimmung des extrazellulären Volumens verwendet man Indikatorstoffe, die möglichst wenig in den Intrazellulärraum übertreten - z.B. Inulin, Sulfat, Natrium-, Chlorid-, Bromidionen. Der Verteilungsraum für jeden einzelnen Stoff ist unterschiedlich, man spricht daher vom “Inulinraum”, “Natriumraum” usw.

      Das intrazelluläre Flüssigkeitsvolumen wird als Differenz zwischen Ganzkörperwasser und extrazellulärem Flüssigkeitsvolumen errechnet. Der Großteil des intrazellulären Wassers befindet sich in der Muskulatur (diese macht, je nach Trainingszustand, 35-50% der Körpermasse aus).
 
 Der Wasser- bzw. Elektrolytgehalt in den Flüssigkeitsräumen des Körpers kann auch mit elektrischen Methoden (Widerstands- bzw. Leitfähigkeitsmessung) bestimmt werden. Diese Methoden sind nichtinvasiv und unbelastend, aber kaum verlässlich.

Die Bestimmung des spezifischen Gewichts des Körpers durch Unterwasserwägung erlaubt einen ziemlich genauen Aufschluss über den Anteil von Fett- und Magermasse. Dabei wird das spezifische Gewicht (Fett: 0,9; Magermasse: 1,1) mittels Wägung und Bestimmung des Körpervolumens (Untertauchen des Patienten, Messung der verdrängten Wassermenge) ermittelt. Störend wirken sich Gasvolumina (Dichte um ~3 Zehnerpotenzen geringer als die von Gewebe) aus, welche die Massendichte des Körpers deutlich verringern (Atemluft, Darmgase).
 
Muskelmasse und Kreatininausscheidung
  vgl. dort

Kreatin (kreas = Muskel) ist als Phosphat (CP) ein Energiebringer für die Muskelzelle.

Phosphat wird auf ADP übertragen, ATP entsteht und dient dem Kontraktionsmechanismus (Regenerierung des ATP-Speichers).

Kreatinphosphat liegt in der Muskelzelle mehrfach konzentrierter vor als ATP.
   Kreatinin (Serum / Plasma)
Männer <100 µM/l, Frauen <84 µM/l (erhöhte Werte bei Nierenversagen)
Kinder: 1-14 Tage <77, 2-12 Monate <34, 1-3 Jahre <31, 4-7 Jahre <42, 8-13 Jahre <47-68 µM/l
Ausscheidung mit dem Harn: Männer 1,5-2,5 g/d, Frauen 0,8-1,5 g/d (nimmt mit der Muskelmasse zu)

Biologische Halbwertszeit im Blut 2-3 Minuten
 
Kreatinin entsteht beim Abbau des CP und ist ein spezifisches Produkt des Muskelstoffwechsels ( Abbildung). Die Muskelmasse kann über die Kreatininausscheidung (1-2 Gramm pro Tag beim Erwachsenen) abgeschätzt werden.

1-2% des Muskelkreatins werden täglich zu Kreatinin abgebaut und renal ausgeschieden - die Kreatininausscheidung steht in direkter Proportionalität zur Muskelmasse.

Auch die fettfreie sogenannte "Magermasse" (lean body mass LBM) des Körpers korreliert direkt mit der Muskelmasse.
 
  Zur Kreatininclearance s. dort
 
 
Fettgewebe und Gesundheit
 
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.
 
 
Abbildung: Was eine Umstellung von aktiver zu inaktiver Lebensweise bewirkt
Nach Booth FW, Roberts CK, Thyfault JP, Ruegsegger GN, Toedebusch RG. Role of Inactivity in Chronic Diseases: Evolutionary Insight and Pathophysiological Mechanisms. Physiol Rev 2017; 97: 1351-402
Die Balance verschiebt sich zugunsten der Aufnahme von Glucose und Fettsäuren in die Adipozyten, die Muskelzellen nehmen weniger lipolytisch gewonnene Fettsäuren auf; weißes Fettgewebe nimmt zu, Muskelmasse ab

Das Fettgewebe hat verschiedene Aufgaben im Körper zu erfüllen:

      Baufett vermittelt als druckelastische Polsterung mechanischen Schutz, z.B. in Fußsohle, Nierenlager (capsula adipoas), Augenhöhle (corpus adiposum orbitae), Wange (Bichat-Fettpfropf), Gelenken (z.B. Kniegelenk), um Coronargefäße
  
      Depotfett (Speicherfett), vor allem intraabdominal (Peritoneum) und subkutan (Bauch, Gesäß) - nimmt z.B. bei körperlicher Inaktivität zu ( Abbildung)
  
      Isolierfett (Schutz vor Wärmeverlust, z.B. in kaltem Wasser - 2/3 subkutan, 1/3 intraabdominal)
  
      Stoffwechselorgan: Metabolisch und hormonell besonders aktiv ist das viszerale (intraabdominale, peritoneale) Fettgewebe, das hier die Organe - Verdauungssystem, Nieren - umhüllt (mesenterische, perirenale Fettdepots). Sein Volumen wird über den Bauchumfang abgeschätzt (2 Querfinger über dem Beckenkamm: Männer <94 cm, Frauen <80 cm)

Vor allem bei Männern kommt es bei Obesitas zu Vermehrung des viszeralen Fetts (männlicher Typ der Fettverteilung: Stammfettsucht, "Apfelform" - im Gegensatz zum weiblichen Typ mit Betonung der Hüft-, Gesäß- und Oberschenkelregion, "Birnenform"). Vermehrung des viszeralen Fetts ist ein Risikofaktor für koronare Herzkrankheit und Typ-2-Diabetes.
  
      Das Fettgewebe ist ein endokrin aktives Organ: Es erzeugt Zytokine (z.B. TNF-α und Interleukine), sowie diverse Adipokine.

Die Plasmakonzentration an Adiponektin ist mit 2-20 µg/ml ziemlich hoch; Frauen haben um ~40% höhere Blutwerte als Männer. Der Adiponektin-Serumspiegels verhält sich umgekehrt proportional zur Größe der Fettdepots, Adiponektin wird von fettarmen ("leeren") Adipozyten sezerniert.

Adiponektin hat insulinsensibilisierende und antiatherogene Wirkung; ein hoher Adiponektinspiegel ist vorteilhaft (und ergibt sich durch "Aushungern" der Fettzellen). Körperliche Fitness und kalorienbeschränkte Ernährung erhöhen den Adiponektinspiegel, dieser Effekt braucht allerdings Zeit.
 
  
Abbildung: Verhältnis Körpergewicht / Körpergröße (Body Mass Index: BMI)
Nach einer Vorlage bei wikipedia
Der grüne Bereich (normalgewichtig: BMI zwischen 18,5 und 25) ist im Allgemeinen mit den besten Aussichten auf lange Gesundheit korreliert

Die Menge des im Körper vorhandenen Fettgewebes hängt von der Energiebilanz (Verhältnis Energieaufnahme / Energieverbrauch) ab. Bei Ungleichgewicht verändert sich die 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): Adipositas bei Energieüberschuss, Abmagerung (bis Kachexie) bei Energiemangel.

Normalerweise wird diese Bilanz vom Hypothalamus austariert. Hier gibt es ein Hunger- und ein Sattheitszentrum; Anregung und wechselseitige Hemmung ihrer Aktivität wird aus dem nucl. arcuatus koordiniert. Dieser steht wiederum unter dem Einfluss verschiedener peripherer Faktoren, die kurzfristige (Ghrelin) bis langfristige Hinweise (Leptin, Insulin) auf vorhandene Energiereserven in Darm, Pankreas, Fettgewebe geben.

Bei Umstellung der Ernährungs- und 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.

Es bestehen Zusammenhänge zwischen Ernährung und Immunfunktionen (je vollwertiger die Ernährung, desto besser für das Immunsystem).
 
   
Abbildung: Ernährungspyramide
Nach einer Vorlage der Harvard School of Public Health, in: Willett WC & Skerrett PJ, Eat, drink, and be healthy. Free Press / Simon & Schuster 2005
An der Spitze stehen weitgehend verzichtbare Nahrungsmittel (z.B. Süßspeisen), an der Basis solche, die regelmäßig aufgenommen werden sollen (Getreideprodukte, Wurzeln, Obst, Gemüse). Fleisch, Eier, Milchprodukte stehen im Mittelfeld

In jedem Fall ist auf eine Nahrungszusammensetzung zu achten, welche eine ausreichende Versorgung mit hochwertigen / essentiellen Nahrungsbestandteilen garantiert ( Abbildung). Bei gleichzeitig geringer Kalorienzufuhr ergibt sich weiters ein bremsender Effekt auf Alterungsvorgänge; die Lebenserwartung steigt an.

Manche Patienten nehmen in den ersten Tagen einer Abmagerungskur nicht ab (Wassereinlagerung trotz Fettgewebsverlust), andere verlieren zu Beginn besonders viel Gewicht (vorwiegend Wasserverlust). Solche vorübergehenden Umverteilungen wirken sich stark auf das Körpergewicht aus. Eine valide Körperanalyse (z.B. Dichtemessung, bildgebende Verfahren) erlaubt die Differenzierung zwischen der Gewichtsentwicklung von Fett- und Magermasse.
 


Die Bedeutung des Knochenstatus
 
Größe und Calciumgehalt der Knochenmasse kann aufgrund der Knochendichte mit modernen bildgebenden Verfahren - z.B. Photonen-Absorptiometrie, Röntgen-Absorptiometrie, Neutronen-Aktivierungsanalyse - bestimmt werden. Bei ungenügender mechanischer Belastung (lange Bettlägerigkeit, Immobilisierung, Postmenopause) oder bei erhöhtem Verbrauch (Schwangerschaft) nimmt die Calcium- und Phosphateinlagerung im Knochen ab, die Ausscheidung mit dem Harn zu.
  
  Faktoren wie Ernährung, physische Aktivität und psychische Balance spielen eine wesentliche Rolle für die Stabilität physiologischer Regulationen und damit der Gesundheit. (Die Definition von "Gesundheit" ist ein offenes Diskussionsgebiet - die WHO-Definition erscheint kaum zielführend, weil "vollständiges körperliches, geistiges und soziales Wohlergehen" kaum zu erreichen ist und nicht die Normalität des Lebens beschreibt.) Eher kann "Gesundheit" als ein Zustand bzw. Prozess gesehen werden, der mit hoher Resilienz (Widerstands-, Anpassungsfähigkeit) einhergeht.
  
  
Abbildung: Mortalitätsrisiko und Ausdauerbelastbarkeit
Nach einer Vorlage in New Human Physiology
An einer Gruppe männlicher Probanden ermittelt. Grüner Bereich: Klinisch akzeptabel, minimale Mortalitätsrate

Gesundheitsfördernder Lebensstil mitigiert auch Faktoren, die typisch für zunehmendes Alter sind. Ein wichtiger Aspekt dabei ist der Energieumsatz: Versuchstiere, die mit hochwertigem, aber kalorienarmem Futter ernährt werden, zeigen eine Lebensverlängerung bis zu ~50% (Zurückhaltung beim Essen - s. auch dort).

Reaktionsfreudige Moleküle (Radikale) treten dann in geringerer Zahl auf, was Reparaturmechanismen entlastet und damit Morbidität und Mortalität reduziert.

Aus physiologischer Sicht ist ein hohes Anpassungs- und Widestandsvermögen ein Hauptfaktor der Gesundheit und des Wohlbefindens, d.h. die Systeme des Körpers sollen - bezüglich Art, Ausmaß und Zeitverlauf - optimal belastet werden, um dem Organismus angesichts wechselnder Herausforderungen die Möglichkeit zu geben, jeweils in angemessener und bestmöglicher Weise zu reagieren und sich mit den bestehenden Umgebungsfaktoren so abzustimmen, dass die Leistungsfähigkeit und individuelle Zufriedenheit (Wellness) auf längere Sicht gewährleistet bleiben können.



  
Bewegungsmangel, Fehlernährung, Disstress und der Missbrauch von Drogen (u.a. auch Tabak) gehören zu den wichtigsten Faktoren eines falschen Lebensstils, der die Entwicklung verschiedener Krankheiten fördert.


Entsprechende Verhaltensweisen können sich sowohl bei gesunden (präventiv) als auch kranken Personen (therapeutisch) günstig auswirken.

So führt regelmäßige sportliche Betätigung auch beim Diabetiker zu erhöhter Glucoseaufnahme in die Muskelzellen (insulin-unabhängig, durch Adrenalin begünstigt) und senkt den Blutzuckerspiegel.

Übergewicht kann durch regelmäßigen Sport reduziert werden; und es kommt zu einer Normalisierung der Cholesterinwerte. Dadurch sinkt das Risiko für Herz-Kreislauf-Komplikationen, und ein metabolisches Syndrom wird zurückgedrängt.

Hinter dem Auftreten einer Fettsucht stecken manchmal auch primär genetische Faktoren. Man kennt bisher etwa ein Dutzend Gene, deren Beschädigung zu Adipositas der betroffenen Personen führt. Dazu gehört das Gen für Leptin (s. oben). Allerdings sind solche Defekte selten, meist sind es Umwelt- und Lifestylefaktoren (falsche Ernährung, Bewegungsmangel), die Übergewicht zur Folge haben.
 

 
     Neben den Wirkungen auf Kreislauf (bessere Herzleistung, niedrigerer Ruheblutdruck, höhere Kapillarisierung), Atmung (gesteigerte Kapazität) und Motorik (erhöhte Mitochondrienzahl, optimierte neuromuskuläre Koordination) hat regelmäßige körperliche Aktivität Auswirkungen auf metabolische (bessere Utilisation von Glucose, Senkung des Blutzuckerspiegels) und endokrine Faktoren (Ausschüttung von Myokinen, Wachstumshormon)
 
      Zu Myokinen - von Muskelzellen gebildeten hormonartigen Substanzen - gehören Myostatin (fördert Adipositas, reduziert die Muskelleistung), Follistatin (fördert das Muskelwachstum), Irisin (regt die Produktion brauner Adipozyten an), Visfatin (steigert die Insulinempfindlichkeit, vermehrt Mitochondrien), Myonectin (regt die Aufnahme freier Fettsäuren in Leber- und Muskelzellen an)
 
      Interleukine wirken auf den Muskel: IL-3, IL-4, IL-7, IL-13 und IL-15 fördern das Muskelwachstum; IL-6 erhöht Glucoseaufnahme, Lipolyse, Mobilisierung von Glucose aus der Leber, und regt Muskel- und Gefäßwachstum an; IL-8 fördert die Kapillarisierung
 
      Der Betrag und die Verteilung der Körpermasse ist Ausgangspunkt für verschiedene Messungen und Interpretationen, z.B. die Messung des spezifischen Gewichts (genau, aber aufwändig) oder der elektrischen Impedanz (einfach, aber wenig aussagekräftig), des body mass index oder des Bauchumfanges
 
      Die Muskelmasse kann über die Kreatininausscheidung mit dem Harn ermittelt wderden, denn die Kreatininproduktion ist ziemlich konstant: 1-2% des Muskelkreatins werden täglich zu Kreatinin abgebaut
 
      Fettgewebe dient als Baufett (Polsterung), Depotfett (Energiespeicher) und Isolierfett (Schutz vor Wärmeverlust) und ist ein Stoffwechsel- und endokrin aktives Organ (Energiespeicher, Bildung von Adipokinen). Hormonell besonders aktiv ist das viszerale (intraabdominale) Fett (Peritoneum, Mesenterien, Nieren)
 
      (Regel-) mäßige Belastung des Bewegungssystems reduziert Übergewicht und normalisiert mehrere Laborwerte, wie Blutzucker- oder Cholesterinspiegel, senkt das Risiko für Herz-Kreislauf-Komplikationen und hilft gegen die Entwicklung eines metabolischen Syndroms
 

 




  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.