Hormone – Insulin

Insulin ist ein kugelförmiges (globuläres) Proteohormon, das heißt es ist wie andere Proteine aus einzelnen Eiweißbausteinen, den Aminosäuren, zusammengesetzt. Insgesamt umfasst das Hormon 51 dieser Aminosäuren. Auseinander gefaltet lassen sich zwei Ketten erkennen. Die A-Kette besteht aus 21 Aminosäuren, die B-Kette umfasst 30 dieser Bausteine. Beide Ketten sind über zwei Schwefel-zu-Schwefel-Bindungen (Disulfidbrücken) miteinander verknüpft. Die A-Kette enthält zusätzlich noch eine weitere dieser Brücken innerhalb der Kette.

Im Körper lagert sich das Hormon zu einem kugeligen Gebilde zusammen, welches sich in Abhängigkeit von Temperatur, Konzentration und pH-Wert zu größeren Komplexen zusammenschließt.

Biosynthese, Sekretion und Speicherung

In den Betazellen der Pankreas wird, nach dem im Insulingen codierten Bauplan, ein Proinsulinmolekül gebildet. Bei diesem sind A- und die B-Kette noch durch eine Zwischenkette, dem C-Peptid, verbunden. Proinsulin wird in kleinen, membranumhüllten Bläschen, den Granula, in der Zelle gespeichert. Erst bei Bedarf spalten spezielle Enzyme (Proinsulinkonvertasen) das C-Peptid ab, wodurch das aktive Insulin entsteht. Dieses gelangt anschließend in die Blutbahn.

Glukose wird über spezifische Transportproteine, den Glukosetransportern (GLUT), in Zellen eingeschleust. Einige von diesen benötigen Insulin für diese Aufgabe, andere funktionieren auch ohne das Hormon. Die mit der Nahrung aufgenommene Glukose gelangt mit dem Blut an die Betazellen der Pankreas und wird hier über den Glukosetransporter 2 (GLUT 2) aufgenommen. Dieser ist insulinunabhängig, schleust den Traubenzucker jedoch erst ab einer bestimmten Blutzuckerkonzentration (10 mmol/ l bzw. 180 mg/ dl) in die Pankreaszellen. So wird verhindert, dass auch im nüchternen Zustand große Mengen Insulin ausgeschüttet werden. Der normale, nüchterne Blutzuckerspiegel liegt zum Vergleich bei etwa 5 mmol/ l bzw. 90 mg/ dl.

Nach der Aufnahme phosphoryliert das Enzym Glukokinase Glukose zu Glukose-6-phosphat, welches weiter oxidativ über Glykolyse, Zitratzyklus und Atmungskette abgebaut wird. Dieser Prozess führt letztendlich zur Bildung von Adenosintriphosphat (ATP). Die ansteigende ATP-Konzentration verursacht eine Schließung ATP-abhängiger Kaliumkanäle in der Zellmembran, wodurch die Betazelle depolarisiert. In der Zelle liegen dann mehr negativ geladene als positiv geladene Ionen vor. Um die überschüssige negative Ladung auszugleichen, öffnet die Zelle spannungsabhängige Kalziumkanäle, wodurch Kalzium verstärkt einströmt. Der Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration löst schließlich die Insulinsekretion aus. Die insulinhaltigen Speichergranula fusionieren mit der Plasmamembran und setzen Insulin in den zellumgebenden Raum frei. Gleichzeitig werden vergleichbare Mengen C-Peptid freigesetzt. Diese können im Blut bestimmt werden und geben einen Hinweis über den quantitativen Umfang der Insulinfreisetzung.

Die Insulinsekretion erfolgt in zwei Phasen. Die erste Phase setzt nach der Nahrungsaufnahme ein. Hier kommt es zu einer pulsartigen Freisetzung von Insulin, um die schnell resorbierte Glukose zu verwerten und die hepatische Glukoseproduktion einzuschränken. In der zweiten Phase erfolgt eine länger anhaltende, allmähliche Bildung und Sekretion von Insulin, um die Glukose aus langsamer verdauten und resorbierten Kohlenhydraten zu verwerten.

Die biologische Halbwertszeit von Insulin beträgt etwa 7 bis 14 Minuten. Ein Teil des Insulins wird von den Zellen aufgenommen und im Innern abgebaut. In der Leber und in der Niere spaltet das Enzym Glutathion-Insulin-Transhydrogenase die Disulfidbrücken zwischen den beiden Ketten, wodurch das Hormon zerfällt. Die Überreste des inaktivierten Hormons werden anschließend über die Niere ausgeschieden.

Wirkungsweise

Die Hauptaufgabe des Insulins besteht in der Regulation des Blutzuckerspiegels. Dabei fördert es Prozesse, die zu einer Aufnahme der Glukose in die Zelle bzw. deren Verwertung führen und hemmt Mechanismen, bei denen der Zucker neu gebildet werden würde. Daneben wirkt Insulin noch auf eine ganze Reihe weiterer Stoffwechselwege, wie Fettaufbau und -speicherung.

Insulin bindet an einen spezifischen Insulinrezeptor in der Membran der Zielzelle. Dieser leitet das Hormonsignal in die Zelle, wo es über verschiedene Proteine bis zu den Zielenzymen übermittelt wird.

Muskulatur

Insulin fördert in erster Linie die Aufnahme von Glukose in den Muskel. Durch den hohen Anteil des Muskelgewebes am Gesamtkörper kann somit ein großer Teil des Zuckers aus dem Blut entfernt werden. Der Muskel baut einen kleinen Teil der Glukose für die eigene Energieversorgung sofort ab. Dieser Abbau (Glykolyse) wird ebenfalls durch Insulin angeregt. Ein weiterer Teil des Zuckers dient dem Aufbau des muskulären Glukosespeichers, dem Glykogen, welcher den Muskel zwischen den Mahlzeiten versorgt. Auch diesen Prozess unterstützt Insulin.

Gelangt mehr Glukose in den Muskel als der Glykogenspeicher fassen kann, wird der Zucker – ebenfalls durch Insulin begünstigt – zu Fett umgebaut (Lipidsynthese) und zwischen den Muskelfasern gespeichert.

Insulin unterstützt zudem die Aufnahme einiger Aminosäuren wie Alanin in den Muskel und fördert so die Neubildung von Eiweiß (Proteinsynthese).

Fettgewebe

Auch im Fettgewebe führt Insulin zu einer erhöhten Glukoseaufnahme. Zusammen mit dem Muskelgewebe bildet das Fettgewebe einen großen Gewebeanteil des Körpers, der nach Mahlzeiten in der Lage ist, große Mengen Zucker aufzunehmen und so den Blutzuckerspiegel schnell wieder zu normalisieren.

In der Fettzelle begünstigt Insulin sowohl den Abbau von Glukose, wie auch die Umwandlung zu Fett. Gleichzeitig fördert das Hormon auch die Aufnahme von freien Fettsäuren aus dem Blut und deren Speicherung im Fettgewebe. Der Abbau von Fett (Lipolyse) ist unter Insulineinwirkung hingegen gehemmt.

Insulin ist somit maßgeblich am Aufbau neuer Fettpolster beteiligt bzw. erschwert deren Abbau!

Leber

Im Gegensatz zu Muskel- und Fettgewebe verfügt die Leber über Glukosetransporter (GLUT 2), die den Zucker auch ohne Hormonstimulation in die Zellen schleusen. Dennoch wirkt Insulin auch hier förderlich auf die Neubildung von Glykogen, Fettsäuren und Triglyzeriden, sowie hemmend auf den Fettabbau.

Bei hohen Blutzuckerspiegeln begünstigt Insulin in der Leber den Abbau von Glukose zur Energiegewinnung (Glykolyse). Bei Unterzuckerung (Hypoglykämie) hingegen geben die Leberzellen Glukose an das Blut ab, unabhängig wie hoch der Plasmainsulinspiegel ist.

Blutgefäße

Insulin fördert die Stickstoffmonoxid (NO)-Produktion indem es das Enzym eNOS (endotheliale NO-Synthase) stimuliert. NO indes wirkt gefäßerweiternd (vasodilatatorisch) und hemmt die Anheftung von Zellen an die Gefäßwand (Zelladhäsion), die Zusammenlagerung von Blutplättchen (Thrombozytenaggregation) und die Teilung der glatten Muskelzellen. Insulin fördert demnach die Durchblutung der Peripherie und verbessert somit den Glukosetransport zum Muskel- bzw. Fettgewebe.

Kalium

Insulin fördert die Aufnahme von Kalium in die Muskel- und Fettzellen. Bei einem ernsten Kaliumüberschuss im Blut wird in der Praxis gerne Insulin (zusammen mit Glukose) injiziert. Im Gegensatz hierzu muss bei einer Insulintherapie auch auf den Kaliumspiegel geachtet werden, da Dosierungsfehler einen gefährlichen Mangel im Blut auslösen können.

Kohlenhydratstoffwechsel

Insulin hat allgemein eine blutzuckerspiegelsenkende Wirkung. Es fördert die Aufnahme von Glukose in die Zelle bzw. deren Verwertung und hemmt die Neubildung des Zuckers.

Lediglich Zellen die zum Großteil über den Glukosetransporter 4 (GLUT-4) verfügen sind auf das Insulinsignal angewiesen. Dies ist vor allem bei Muskel- und Fettzellen der Fall. Bei Abwesenheit von Insulin sind die GLUT-4 in kleinen Vesikeln (bläschenförmige Abkömmlinge der Zellmembran) im Zellinnern gespeichert. Erreicht ein Insulinsignal die Zellen verschmelzen die Vesikel mit der Zellmembran, so dass die GLUT-4 an die Zelloberfläche gelangen. Diese vermitteln nun die ATP-abhängige Diffusion der Glukose in die Zellen.

Durch die beschleunigte Aufnahme von Glukose in Muskel- und Fettgewebe sinkt der Blutzuckerspiegel. Auch andere Einfachzucker, welche an den ersten bis dritten C-Atomen die gleiche Struktur wie Glukose aufweisen (z.B. Galaktose) werden über diesen Mechanismus aufgenommen.

Insulin aktiviert das Enzym Glykogensynthase und fördert so die Bildung von Glykogen in Muskel und Leber. Durch die vermehrte Glukosespeicherung sinkt indirekt auch der Blutzuckerspiegel.

Insulin hemmt das Enzym Glykogen-Phosphorylase wodurch der Abbau des Glykogens beeinträchtigt und somit die Glukosefreisetzung vermindert wird.

Insulin begünstigt die Verwertung der Glukose, indem es drei wichtige Enzyme der Glykolyse (Glukokinase, Phospofruktokinase und Pyruvatkinase) aktiviert. Dieser Prozess senkt ebenfalls indirekt den Blutzuckerspiegel.

Insulin beeinträchtigt die Neubildung von Glukose in der Leber, indem es die Enzyme Pyruvatcarboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Fruktose-1,6-bisphosphatase und Glukose-6-phosphatase inaktiviert. Das Hormon wirkt so einer Abgabe von Glukose ins Blut entgegen.

Fettstoffwechsel

Insulin begünstigt den Aufbau von Fett und die Anlage neuer Fettspeicher. Gleichzeitigt ist der Fettabbau im Körper eingeschränkt.

Insulin stimuliert die Produktion des Enzyms Lipoproteinlipase und fördert so die Fettsäureaufnahme aus den Lipoproteinen des Blutes in die Zellen. Daraus resultierend sinkt der Fettsäuregehalt im Blut.

Durch die insulinvermittelte Anregung des Enzyms Pyruvat-Dehydrogenase wird mehr Azetyl-CoA gebildet. Dieses Zwischenprodukt des Nährstoffstoffwechsels dient als Ausgangssubstanz für die Fettsäure-Biosynthese. Auch bei dieser fördert Insulin die Aktivität eines entscheidenden Enzyms, der Azetyl-CoA-Carboxylase.

Insulin vermindert die Bildung des fettspaltenden Enzyms Lipase. Hieraus folgert ein reduzierter Fettabbau und somit eine vermehrte Speicherung von Triglyzeriden im Gewebe. Insulin hält somit das Fett in den Depots.

Eiweißstoffwechsel

Insulin verstärkt die Aufnahme von Aminosäuren in die Zellen und stimuliert hier die Proteinsynthese. Es übt dabei Effekte sowohl auf die Transkription spezifischer mRNA, wie auch auf die Translation von mRNA in Proteinen aus.

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Physiologie Hormone - Insulin  Miniposter Insulinkurve
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Physiologie Hormone - Insulin  Miniposter Kohlenhydrate und Blutzuckeranstieg
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