Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts werden Sie in der Lage sein:
- Listen Sie die Zielwirkung der von der Bauchspeicheldrüse produzierten Hormone auf und beschreiben Sie sie.
Das Pankreas ist ein langes, schlankes Organ, das zum größten Teil hinter der unteren Hälfte des Magens liegt (Abbildung 1). Obwohl es in erster Linie eine exokrine Drüse ist, die eine Vielzahl von Verdauungsenzymen absondert, hat die Bauchspeicheldrüse auch eine endokrine Funktion. Ihre Pankreasinseln – Zellhaufen, die früher als Langerhans-Inseln bekannt waren – sezernieren die Hormone Glukagon, Insulin, Somatostatin und Pankreaspolypeptid (PP).
Abbildung 1. Die exokrine Funktion der Bauchspeicheldrüse besteht darin, dass die Azinuszellen Verdauungsenzyme sezernieren, die über den Pankreasgang in den Dünndarm transportiert werden. Die endokrine Funktion beinhaltet die Sekretion von Insulin (produziert von den Beta-Zellen) und Glucagon (produziert von den Alpha-Zellen) innerhalb der Pankreasinseln. Diese beiden Hormone regulieren die Geschwindigkeit des Glukosestoffwechsels im Körper. Die mikroskopische Aufnahme zeigt Pankreasinseln. LM × 760. (Micrograph provided by the Regents of University of Michigan Medical School © 2012)
Zellen und Sekrete der Bauchspeicheldrüseninseln
Die Bauchspeicheldrüseninseln enthalten jeweils vier Arten von Zellen:
- Die Alpha-Zelle produziert das Hormon Glucagon und macht etwa 20 Prozent jeder Insel aus. Glukagon spielt eine wichtige Rolle bei der Blutzuckerregulation; niedrige Blutzuckerwerte stimulieren seine Freisetzung.
- Die Betazelle produziert das Hormon Insulin und macht etwa 75 Prozent jeder Insel aus. Erhöhte Blutzuckerwerte stimulieren die Freisetzung von Insulin.
- Die Deltazelle macht vier Prozent der Inselzellen aus und sezerniert das Peptidhormon Somatostatin. Zur Erinnerung: Somatostatin wird auch vom Hypothalamus (als GHIH) ausgeschüttet, und auch Magen und Darm sezernieren es. Als hemmendes Hormon hemmt Somatostatin die Freisetzung von Glukagon und Insulin.
- Die PP-Zelle macht etwa ein Prozent der Inselzellen aus und sezerniert das Pankreas-Polypeptidhormon. Es wird angenommen, dass sie eine Rolle beim Appetit sowie bei der Regulierung der exokrinen und endokrinen Sekretion des Pankreas spielt. Pankreatisches Polypeptid, das nach einer Mahlzeit freigesetzt wird, kann die weitere Nahrungsaufnahme reduzieren; es wird jedoch auch als Reaktion auf Fasten freigesetzt.
Regulation des Blutzuckerspiegels durch Insulin und Glukagon
Glukose wird für die Zellatmung benötigt und ist der bevorzugte Brennstoff für alle Körperzellen. Der Körper gewinnt die Glukose aus dem Abbau der kohlenhydrathaltigen Nahrungsmittel und Getränke, die wir zu uns nehmen. Glukose, die nicht sofort von den Zellen als Brennstoff aufgenommen wird, kann von der Leber und den Muskeln als Glykogen gespeichert oder in Triglyzeride umgewandelt und im Fettgewebe gespeichert werden. Hormone regulieren sowohl die Speicherung als auch die Verwertung von Glukose nach Bedarf. Rezeptoren in der Bauchspeicheldrüse nehmen den Blutzuckerspiegel wahr, woraufhin die Zellen der Bauchspeicheldrüse Glukagon oder Insulin ausschütten, um den normalen Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten.
Glukagon
Rezeptoren in der Bauchspeicheldrüse können den Abfall des Blutzuckerspiegels wahrnehmen, z. B. während Fastenperioden oder bei längerer Arbeit oder körperlicher Betätigung (Abbildung 2). Als Reaktion darauf schütten die Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse das Hormon Glucagon aus, das mehrere Wirkungen hat:
- Es regt die Leber an, ihre Glykogenspeicher wieder in Glukose umzuwandeln. Diese Reaktion wird als Glykogenolyse bezeichnet. Die Glukose wird dann in den Kreislauf zur Verwendung durch die Körperzellen freigesetzt.
- Es stimuliert die Leber, Aminosäuren aus dem Blut aufzunehmen und sie in Glukose umzuwandeln. Diese Reaktion ist als Gluconeogenese bekannt.
- Es stimuliert die Lipolyse, den Abbau von gespeicherten Triglyceriden in freie Fettsäuren und Glycerin. Ein Teil des in den Blutkreislauf freigesetzten freien Glycerins wandert zur Leber, die es in Glukose umwandelt. Dies ist auch eine Form der Gluconeogenese.
Zusammengenommen erhöhen diese Aktionen den Blutzuckerspiegel. Die Aktivität von Glucagon wird durch einen negativen Rückkopplungsmechanismus reguliert; steigende Blutzuckerwerte hemmen die weitere Produktion und Sekretion von Glucagon.
Abbildung 2. Die Blutzuckerkonzentration wird engmaschig zwischen 70 mg/dL und 110 mg/dL gehalten. Wenn die Blutzuckerkonzentration über diesen Bereich ansteigt, wird Insulin ausgeschüttet, das die Körperzellen anregt, Glukose aus dem Blut zu entfernen. Sinkt die Blutzuckerkonzentration unter diesen Bereich, wird Glukagon ausgeschüttet, das die Körperzellen anregt, Glukose ins Blut abzugeben.
Insulin
Die Hauptfunktion von Insulin ist es, die Aufnahme von Glukose in die Körperzellen zu erleichtern. Rote Blutkörperchen sowie Zellen des Gehirns, der Leber, der Nieren und der Dünndarmschleimhaut haben keine Insulinrezeptoren auf ihren Zellmembranen und benötigen kein Insulin zur Glukoseaufnahme. Obwohl alle anderen Körperzellen Insulin benötigen, wenn sie Glukose aus dem Blutstrom aufnehmen sollen, sind Skelettmuskelzellen und Fettzellen die primären Ziele von Insulin.
Das Vorhandensein von Nahrung im Darm löst die Freisetzung von Hormonen des Gastrointestinaltrakts aus, wie z. B. das glukoseabhängige insulinotrope Peptid (früher bekannt als gastrisches inhibitorisches Peptid). Dies wiederum ist der erste Auslöser für die Insulinproduktion und -sekretion durch die Betazellen der Bauchspeicheldrüse. Sobald die Nährstoffaufnahme erfolgt, stimuliert der resultierende Anstieg des Blutzuckerspiegels die Insulinsekretion weiter.
Wie genau Insulin die Glukoseaufnahme erleichtert, ist nicht ganz klar. Allerdings scheint Insulin einen Tyrosinkinase-Rezeptor zu aktivieren, der die Phosphorylierung vieler Substrate in der Zelle auslöst. Diese multiplen biochemischen Reaktionen konvergieren, um die Bewegung von intrazellulären Vesikeln, die erleichterte Glukosetransporter enthalten, zur Zellmembran zu unterstützen. In Abwesenheit von Insulin werden diese Transportproteine normalerweise langsam zwischen der Zellmembran und dem Zellinneren umgewälzt. Insulin löst die schnelle Bewegung eines Pools von Glukosetransporter-Vesikeln zur Zellmembran aus, wo sie fusionieren und die Glukosetransporter der extrazellulären Flüssigkeit aussetzen. Die Transporter transportieren dann Glukose durch erleichterte Diffusion in das Zellinnere.
Praxisfrage
Schauen Sie sich das Video an, um eine Animation zu sehen, die die Lage und Funktion des Pankreas beschreibt. Was läuft bei der Funktion von Insulin bei Typ-2-Diabetes schief?
Insulin senkt auch den Blutzuckerspiegel, indem es die Glykolyse anregt, den Stoffwechsel von Glukose zur Erzeugung von ATP. Außerdem regt es die Leber an, überschüssige Glukose in Glykogen zur Speicherung umzuwandeln, und es hemmt Enzyme, die an der Glykogenolyse und Glukoneogenese beteiligt sind. Schließlich fördert Insulin die Triglycerid- und Proteinsynthese. Die Sekretion von Insulin wird durch einen negativen Rückkopplungsmechanismus reguliert. Wenn der Blutzuckerspiegel sinkt, wird die weitere Insulinausschüttung gehemmt. Die Pankreashormone sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
| Tabelle 1. Hormone der Bauchspeicheldrüse | ||
|---|---|---|
| Assoziierte Hormone | Chemische Klasse | Wirkung |
| Insulin (Betazellen) | Protein | Senkt den Blutzuckerspiegel |
| Glukagon (Alphazellen) | Protein | Erhöht den Blutzuckerspiegel |
| Somatostatin (Delta-Zellen) | Protein | Hemmt die Insulin- und Glukagon-Freisetzung |
| Pankreatisches Polypeptid (PP-Zellen) | Protein | Rolle beim Appetit |
Störungen des endokrinen Systems
Diabetes mellitus
Störung der Insulinproduktion und -sekretion, sowie das Ansprechen der Zielzellen auf Insulin, können zu einem Zustand führen, der Diabetes mellitus genannt wird. Diabetes mellitus ist eine zunehmend verbreitete Krankheit, die bei mehr als 18 Millionen Erwachsenen in den USA und bei mehr als 200.000 Kindern diagnostiziert wurde. Es wird geschätzt, dass bis zu 7 Millionen weitere Erwachsene die Krankheit haben, aber nicht diagnostiziert worden sind. Darüber hinaus leiden schätzungsweise 79 Millionen Menschen in den USA an Prädiabetes, einem Zustand, bei dem der Blutzuckerspiegel abnormal hoch ist, aber noch nicht hoch genug, um als Diabetes eingestuft zu werden.
Es gibt zwei Hauptformen von Diabetes mellitus. Typ-1-Diabetes ist eine Autoimmunerkrankung, die die Betazellen der Bauchspeicheldrüse betrifft. Es ist bekannt, dass bestimmte Gene die Anfälligkeit erhöhen. Die Betazellen von Menschen mit Typ-1-Diabetes produzieren kein Insulin; daher muss synthetisches Insulin per Injektion oder Infusion verabreicht werden. Diese Form des Diabetes macht weniger als fünf Prozent aller Diabetesfälle aus.
Typ-2-Diabetes macht etwa 95 Prozent aller Fälle aus. Er wird erworben, und Lebensstilfaktoren wie schlechte Ernährung, Bewegungsmangel und das Vorhandensein von Prädiabetes erhöhen das Risiko einer Person erheblich. Etwa 80 bis 90 Prozent der Menschen mit Typ-2-Diabetes sind übergewichtig oder fettleibig. Bei Typ-2-Diabetes werden die Zellen resistent gegen die Wirkung von Insulin. Als Reaktion darauf erhöht die Bauchspeicheldrüse ihre Insulinausschüttung, aber mit der Zeit erschöpfen sich die Betazellen. In vielen Fällen kann Typ-2-Diabetes durch eine moderate Gewichtsabnahme, regelmäßige körperliche Aktivität und eine gesunde Ernährung rückgängig gemacht werden; wenn der Blutzuckerspiegel jedoch nicht kontrolliert werden kann, wird der Diabetiker schließlich Insulin benötigen.
Zwei der frühen Manifestationen von Diabetes sind übermäßiges Wasserlassen und übermäßiger Durst. Sie zeigen, wie sich der außer Kontrolle geratene Glukosespiegel im Blut auf die Nierenfunktion auswirkt. Die Nieren sind für die Filterung von Glukose aus dem Blut verantwortlich. Ein übermäßiger Blutzuckerspiegel zieht Wasser in den Urin, und infolgedessen scheidet die Person eine abnorm große Menge an süßem Urin aus. Die Verwendung von Körperwasser zur Verdünnung des Urins führt zu einer Dehydrierung des Körpers, so dass die Person ungewöhnlich und ständig durstig ist. Die Person kann auch anhaltenden Hunger verspüren, weil die Körperzellen nicht in der Lage sind, auf die Glukose im Blutkreislauf zuzugreifen.
Mit der Zeit schädigt der anhaltend hohe Glukosespiegel im Blut das Gewebe im ganzen Körper, insbesondere das der Blutgefäße und Nerven. Entzündungen und Verletzungen der Auskleidung von Arterien führen zu Atherosklerose und einem erhöhten Risiko für Herzinfarkt und Schlaganfall. Schäden an den mikroskopisch kleinen Blutgefäßen der Niere beeinträchtigen die Nierenfunktion und können zu Nierenversagen führen. Eine Schädigung der Blutgefäße, die die Augen versorgen, kann zur Erblindung führen. Blutgefäßschäden verringern auch die Durchblutung der Gliedmaßen, während Nervenschäden zu einem Gefühlsverlust, Neuropathie genannt, führen, insbesondere in den Händen und Füßen. Zusammengenommen erhöhen diese Veränderungen das Risiko von Verletzungen, Infektionen und Gewebetod (Nekrose) und tragen zu einer hohen Rate von Zehen-, Fuß- und Unterschenkelamputationen bei Menschen mit Diabetes bei. Unkontrollierter Diabetes kann auch zu einer gefährlichen Form der metabolischen Azidose, der Ketoazidose, führen. Ohne Glukose sind die Zellen zunehmend auf die Fettspeicher als Brennstoff angewiesen. In einem Glukose-Mangelzustand ist die Leber jedoch gezwungen, einen alternativen Fettstoffwechselweg zu nutzen, der zu einer erhöhten Produktion von Ketonkörpern (oder Ketonen) führt, die sauer sind. Die Anhäufung von Ketonen im Blut verursacht eine Ketoazidose, die – wenn sie unbehandelt bleibt – zu einem lebensbedrohlichen „diabetischen Koma“ führen kann. Zusammen machen diese Komplikationen Diabetes zur siebthäufigsten Todesursache in den Vereinigten Staaten.
Diabetes wird diagnostiziert, wenn Labortests zeigen, dass der Blutzuckerspiegel höher als normal ist, ein Zustand, der Hyperglykämie genannt wird. Die Behandlung von Diabetes hängt vom Typ, dem Schweregrad der Erkrankung und der Fähigkeit des Patienten ab, seinen Lebensstil zu ändern. Wie bereits erwähnt, können eine moderate Gewichtsabnahme, regelmäßige körperliche Aktivität und eine gesunde Ernährung den Blutzuckerspiegel senken. Einige Patienten mit Typ-2-Diabetes können ihre Krankheit mit diesen Änderungen des Lebensstils nicht kontrollieren und benötigen dann Medikamente. In der Vergangenheit war die Behandlung von Typ-2-Diabetes in erster Linie mit Insulin möglich. Fortschritte in der Forschung haben zu alternativen Optionen geführt, einschließlich Medikamenten, die die Funktion der Bauchspeicheldrüse verbessern.
Schauen Sie sich das Video an, um eine Animation zu sehen, die die Rolle von Insulin und der Bauchspeicheldrüse bei Diabetes beschreibt.
Kapitelübersicht
Die Bauchspeicheldrüse hat sowohl exokrine als auch endokrine Funktionen. Zu den Inselzelltypen der Bauchspeicheldrüse gehören Alphazellen, die Glukagon produzieren, Betazellen, die Insulin produzieren, Deltazellen, die Somatostatin produzieren, und PP-Zellen, die Pankreaspolypeptid produzieren. Insulin und Glukagon sind an der Regulation des Glukosestoffwechsels beteiligt. Insulin wird von den Betazellen als Reaktion auf einen hohen Blutzuckerspiegel produziert. Es fördert die Glukoseaufnahme und -verwertung durch die Zielzellen sowie die Speicherung von überschüssiger Glukose zur späteren Verwendung. Eine Störung der Insulinproduktion oder eine Resistenz der Zielzellen gegen die Wirkung von Insulin verursacht Diabetes mellitus, eine Erkrankung, die durch hohe Blutzuckerwerte gekennzeichnet ist. Das Hormon Glucagon wird von den Alphazellen der Bauchspeicheldrüse als Reaktion auf einen niedrigen Blutzuckerspiegel produziert und ausgeschüttet. Glucagon stimuliert Mechanismen, die den Blutzuckerspiegel erhöhen, wie z.B. den Abbau von Glykogen in Glukose.
Selbsttest
Beantworten Sie die folgende(n) Frage(n), um zu sehen, wie gut Sie die im vorherigen Abschnitt behandelten Themen verstehen.
Fragen zum kritischen Denken
- Was wäre die physiologische Folge einer Krankheit, die die Betazellen der Bauchspeicheldrüse zerstört?
- Warum ist die Fußpflege für Menschen mit Diabetes mellitus besonders wichtig?
Glossar
Alphazelle: Inselzelltyp der Bauchspeicheldrüse, der das Hormon Glukagon produziert
Beta-Zelle: Inselzelltyp der Bauchspeicheldrüse, der das Hormon Insulin produziert
Delta-Zelle: kleiner Zelltyp in der Bauchspeicheldrüse, der das Hormon Somatostatin sezerniert
Diabetes mellitus: Zustand, der durch Zerstörung oder Fehlfunktion der Betazellen der Bauchspeicheldrüse oder durch zelluläre Resistenz gegen Insulin verursacht wird und zu abnorm hohen Blutzuckerwerten führt
Glukagon: Hormon der Bauchspeicheldrüse, das den Abbau von Glykogen zu Glukose anregt und dadurch den Blutzuckerspiegel erhöht
Hyperglykämie: Abnorm hohe Blutzuckerwerte
Insulin: Hormon der Bauchspeicheldrüse, das die zelluläre Aufnahme und Verwertung von Glukose fördert und dadurch den Blutzuckerspiegel senkt
Pankreas: Organ mit exokrinen und endokrinen Funktionen, das hinter dem Magen liegt und für die Verdauung und die Regulierung des Blutzuckerspiegels wichtig ist
Pankreasinseln: spezialisierte Cluster von Pankreaszellen, die endokrine Funktionen haben; auch Langerhans-Inseln genannt
PP-Zelle: kleiner Zelltyp in der Bauchspeicheldrüse, der das Hormon Pankreas-Polypeptid sezerniert