Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

4.3 Pankreas als
endokrine Drüse; Blutzuckerregulation
4.3.1 Anatomie
und Funktion
 

Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) hat als Drüse
doppelte Funktion:

  • Produktion wichtiger Verdauungssekrete
  • Produktion von Hormonen zur Blutzuckerregulation
    (endokrin)

Sie produziert im Innern Verdauungssäfte für
die Verarbeitung von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten, die durch einen
Ausfuhrgang in den Zwölffingerdarm entleert werden. Dieser Teil der
Bauchspeicheldrüse macht 90% der Zellmasse aus.

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Ca. 5% der Zellmasse (Langerhanssche Inseln, siehe unten)
wirken endokrin.

Mit dem Begriff Blutzuckerregulation ist die Regulation
des Blutglucosespiegels gemeint,
der beim gesunden Erwachsenen ca. 1g/l beträgt.

Glucose ist der wichtigste Nährstoff, alle Zellen
gewinnen aus ihm über die Atmungskette Energie in Form von ATP, selbst
die Abfallenergie aus seinem Abbau wird noch für die Körpertemperatur
genutzt. Neuronen ernähren sich sogar ausschließlich von Glucose.
Deshalb ist die Konstanthaltung der Glucosekonzentration im zentralen
Versorgungsleitsystem Blutkreislauf eine existentielle Angelegenheit.

M0qsbqkc - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

Diese Aufgabe wird durch 2 Hormone übernommen,
die durch Zellen der
Bauchspeicheldrüse
(Pankreas)
gebildet werden: die Langerhansschen
Inseln
. Diese sind überall über die Bauchspeicheldrüsenoberfläche
verstreut. Man unterscheidet 4 Zelltypen die endokrine Produkte haben:

Die Produkte der Alpha- bis Gamma-Zellen werden in nahegelegene
Blutkapillare ausgeschüttet.

Alle Hormone der Langerhansschen Inseln sind Peptide.
Die Struktur findet man im Biologiekurs Klasse
11
.

Insulin
wurde 1921 von Banting in Bauchspeicheldrüsen von Hunden entdeckt
(Nobelpreis
1923). Die Aminosäuresequenz des Insulins von Mensch und Säugetieren
unterscheidet sich an verschiedenen Positionen. 

Bis heute wird Insulin in der Medizin aus Pankreas von
Rindern und Schweinen verwendet. Da jedoch durch die leicht unterschiedliche
Sequenz einige Patienten Allergien bekamen, suchte man nach anderen Methoden.
Seit 1980 wird Human-Insulin gentechnisch produziert. Man hat das Insulin-Gen
kopiert und Bakterien in deren Erbinformation (DNA) integriert. Dadurch
kann heute hochreines, menschliches Insulin herstellen, ein sehr
positiver Aspekt der Gentechnik.

Insulin spielt im Intermediärstoffwechsel eine Schlüsselrolle.
Es hat tiefgreifende Wirkung auf den Kohlenhydrat-, Fett-, Protein- und
Mineralstoffwechsel. Folglich wirken sich Störungen meist im gesamten
Körper aus.

Skelettmuskel-, Herzmuskel- und Fettzellen besitzen Insulin-Rezeptoren
und nehmen über spezielle Glut4-Glucosetransportproteine Glucose
auf. Die Zellen anderer Organe wie Darm (SGlut1), Gehirn (Glut1 und Glut3),
Leber oder Niere (Glut2) besitzen andere Glucosetransporter.

Insulin
senkt also den Blutzuckerspiegel,
Glucagon
ist der Antagonist zu Insulin und hebt den
Blutzuckerspiegel an. Dies scheint auf den ersten Blick seltsam, betrachten
wir uns jedoch einmal die Blutglucosekonzentration im Verlauf eines Tages.

Üblicherweise wird Insulin nach einer Mahlzeit
ausgeschüttet, wenn der Blutglucosespiegel nach der Resorption ansteigt.
Normalerweise beträgt er zwischen 0,7 und 1,1 g/l. Konzentrationen
unterhalb dieses Wertes werden Hypoglykämie,
Konzentrationen oberhalb von 1,8 g/l Hyperglykämie
genannt.

Durch Essen steigt die Blut-Glucose-Konzentration kurzfristig
auf mehr als 1,1 g/l an, bleibt jedoch normalerweise immer unter 1,8 g/l.
Ergeben 2 Messungen nach Trinken von Glucose-Wasser Werte über 2
g/l diagnostiziert der Arzt Diabetes
(Zuckerkrankheit).

Fällt die Blutglucosekonzentration z. B. durch
übermäßige Insulinwirkung unter 0,35 g/l, löst dies
im Gehirn Stoffwechselstörungen aus, die zum hypoglykämischen
Schock
(Koma) führen.

 


Abb. 29
 

Lage der Bauchspeicheldrüse

 


_pancana - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 30
 

Langerhansche Inseln

 

 

 

 

 

 


Abb. 31
 

Pankreas als Hormondrüse

 


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Abb. 32
 

Frederick G. Banting

1891 – 1941

 

banting - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

Nobelpreis 1923

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 33
 

Blutzuckerspiegel

 

 
 

 

 

 

bluzg - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion
Skelettmuskel-, Herzmuskel- und Fettzellen
besitzen Insulin-Rezeptoren, an welche das ausgeschüttete Insulin
bindet. Dies löst in der Zelle eine Kaskade von Vorgängen aus,
die zur Produktion eines Glucose-Transporters (Glut4) führen, die
Glucose durch die Zellmembran schleusen. Dadurch sinkt der Blutglucosespiegel.
Ohne Insulin wird Glucose mit dem SGlut1-Transporter entlang des Gradienten
aufgenommen.

_sugar00 - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

In der Abb. 34 sind Fettzellen
stellvertretend für Muskel- und Herzzellen abgebildet, die Glucose
aus dem Blut aufnehmen. Insulin stimuliert die Fettzellen, Fett zu bilden
(Lipogenese), die Muskelzellen werden angeregt,
Aminosäuren aufzunehmen und Protein zu bilden und die Leber bildet
aus Glucose Glykogen (Glycogenese).

Sinkt der Glucosespiegel zwischen den Mahlzeiten oder
durch körperliche Aktivität zu stark, schütten die a-Zellen
der Langerhansschen Inseln Glucagon aus. Die meisten Zellen besitzen ebenfalls
Glucagon-Rezeptoren, jedoch die Leber reagiert neben den Muskelzellen
am meisten auf Glucagon.

Daraufhin setzen die Leber (und die Muskelzellen) die
als Glycogen gespeicherte Glucose frei (fördern die Glykogenolyse).
Dies erhöht den Blutglucosespiegel wieder. Eine weitere Wirkung von
Glucagon in der Leber ist die Gluconeogenese
aus z. B. Protein und der Fettabbau (Lipolyse).

Die wechselseitige Insulin-und
Glucagonsynthese führt schnell zu einer Normalisierung des Blutglucosespiegels.

Primärwirkung des Insulins; Insulinrezeptor

Die Primärwirkung von Insulin geschieht über
einen Insulinrezeptor an der Zellmembran bestimmter Zellen, dessen Wirkung
komplexe, intrazelluläre Reaktionsketten auslöst.

Der Insulinrezeptor der Zellen ist ein leicht modifizierter
Tyrosin- Kinase- Rezeptor.

Insrez2 - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

In Abb. 35 sind zwei wichtige
intrazelluläre Reaktions-Kaskaden des Insulin-Rezeptors dargestellt.

Die Bindung von Insulin an den Rezeptor bewirkt die Phosphorylierung verschiedener
intrazellulärer Proteine, zu Beginn ein Insulin Rezeptor Substrat-1,
(IRS-1).

Über dieses Protein werden nun mehrere intrazelluläre
Prozesse gesteuert:

  • Glucose-Aufnahme durch den Glucosetransporter
    Glut4
    (1)
    IRS-1 aktiviert das Enzym Phosphatidylinositol-3-Kinase zur Bildung
    von PIP3; PIP3 aktiviert die Proteininase B (PKB); PKB
    sorgt für die Membranverschmelzung von intrazellulären
    Glut4-Vesikeln
    und damit für Glucoseaufnahme; anschließend
    wandern die Vesikel wieder durch Endocytose ins Cytoplasma
  • Anregung der Glycogensynthese (2)
    PKB phosphoryliert (= inaktiviert) die Glycogensythase-Kinase 3
    (GSK3). Damit bleibt die Glycogensynthase aktiv.
  • Genaktivierung über
    die MAP-Kinase
    ( MAP-Kinase-Kaskade
    ,oben nicht dargestellt)
    Am Ende einer Reaktionskette phosphoryliert MAP-Kinase
    einen Transkriptions-Faktor (hier
    AP1), der im Zellkern verschiedene Gene aktiviert, die mit der Zellteilung
    zusammenhängen.

Die Primärwirkung
von Glucagon
läuft wie bei vielen wasserlöslichen Hormonen
ab: (cAMP als 2. Bote) (siehe oben).

Regelkreis der Blutzuckerregulation

Die Konstanthaltung der Blutglucose-Konzentration geschieht
bezüglich der Bauchspeicheldrüse ohne negative Rückkopplung
über eine hormonelle Steuerung durch die Hypophyse.

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Jedoch sind neben Insulin
und Glucagon weitere Hormone wie
Adrenalin und
Cortisol an der
Änderung des Blutglucosespiegels beteiligt. Diese bilden einen weiteren
Regelkreis mit negativer Rückkopplung zur Hypophyse.

Neben den links abgebildeten Regelgliedern wirken noch
andere Faktoren wie das Hypophysenhormon STH
auf den Blutglucosespiegel ein.

Als Regler fungieren im einen Regelkreis die Langerhansschen
Inseln der Bauchspeicheldrüsen, im anderen wirken die Hypophyse und
der Hypothalamus als Regler.

Diabetes mellitus

Diabetes mellitus (honigsüßer
Durchfluß) ist eine hormonabhängige Krankheit, gekennzeichnet
durch erhöhten Blutglukosespiegel (Hyperglykämie) mit vielen
Anzeichen und Symptomen. Besonders wichtig sind:

  • mangelhafte Glucose-Rückresorption,
    so daß Glucose im Urin erscheint
  • erhöhtes Urinvolumen wegen
    des osmotischen Effektes der Glucose
  • starker Durst
  • Gewichtsverlust
  • Sehstörungen
  • Hautinfektionen
  • Lethargie
  • Juckreiz am ganzen Körper

_diabeti - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

In Deutschland gab es 1996 über 4 Millionen Diabetiker.
Alle 15 Jahre verdoppelt sich deren Anzahl. Von einem klinisch manifesten
Diabetes mellitus spricht man beim Vorliegen von Nüchtern-Blutzuckerwerten
über 6,7 mmol/l (>1,2 g/l).

Die Krankheit kann Langzeitschäden an Nieren, Gefäßen,
Augen, Herz und Nerven verursachen. Ohne Behandlung führt sie zum
Tod.

Organschädigung, Gefäßschädigung

Durch hohen Blutzuckerspiegel werden die Blutgefäßwände
dauerhaft geschädigt. An aufgerissenen Stellen lagern sich Fette
und Cholesterin ab. Durch diese Ablagerungen werden die Gefäße
unflexibel und enger. Das typische Bild der Arteriosklerose
zeigt sich. Bluthochdruck, und die
Gefahr von Infarkt sind die
Folge. Auch kleine Blutgefäße tragen Folgeschäden:

Im Auge kann dies zu Sehverschlechterung und Blindheit
(Retinopathie, Glaukoma und Katarakt) führen, bei der Niere zum vollständigen
Ausfall und damit zur Notwendigkeit von Dialyse.

Nervenschädigung

Die Schädigung von Nerven beginnt meist an Füßen
und Beinen. Ameisenlaufen, Kribbeln und Schmerzen sind die ersten Anzeichen
von Polineuropathien. Im fortgeschrittenen
Stadium spürt der Patient nichts mehr an Füßen und Beinen.
Dies bedeutet, daß kleinere Verletzungen und Risse in der Haut nicht
mehr bemerkt werden. Infiziert sich die Wunde, und bilden sich Geschwüre,
so führt dies zum sogenannten diabetischen
Fuß
. Ständige Kontrolle, genaue Fußpflege und gutes
Schuhwerk sind für Diabetiker daher unerläßlich.

Diabetes
mellitus
unterscheidet sich von der ähnlich
lautende Krankheit
Diabetes
insipidus
. Beide führen zu einem
großen Urinvolumen (Diabetes), jedoch bei der D. mellitus ist
der Urin süß, bei D. insipidus (verursacht durch ein Mangel
an ADH) ist er es nicht. In den Zeiten vor den Labortests hat der
Arzt tatsächlich eine Geschmacksprobe gemacht, um die beiden
Krankheiten unterscheiden zu können.

Man kennt 2 Formen von Diabetes mellitus:

  1. Insulin-abhängige Diabetes Mellitus [auch “Typ
    1” Diabetes genannt] und
  • Nicht Insulin-abhängige Diabetes Mellitus
    [“Typ 2”]

    Typ 2 ist häufiger als Typ 1.

    1. Insulin-abhängige Diabetes Mellitus (Typ 1;
    Jugenddiabetes)

    • ist charakterisiert durch wenig oder kein zirkulierendes
      Insulin
  • Ketoazidose
    (durch Energiemangel in den Zellen werden Fette zu Acetyl-CoA abgebaut
    und daraus sog. Ketonkörper wie
    b-Hydroxy-Buttersäure
    gebildet, die das Blut ansäuern. Dies kann zum diabetischen
    Koma
    führen); Aceton im Atem
  • tritt meistens in der Kindheit auf
  • resultiert aus der Zerstörung der b-Zellen
    der Langerhansschen Inseln durch einen Autoimmun-Angriff. Dabei werden
    Antikörper gegen die b-Zellen gebildet und diese zerstört.
  • Die Ursache ist noch unbekannt,
    vielleicht wurde der Defekt durch eine Virusinfektion hervorgerufen
    (endogener Provirus, siehe Genetik).

    _endo040 - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

    In Abb. 37 ist der Bereich
    einer Langerhansschen Insel bei einem Diabetes Typ 1 entwicklenden Patienten
    abgebildet, in den gerade Lymphocyten (weiße Blutkörperchen,
    dunkel) eindringen. Die Abbildung zeigt einen gefärbten
    Schnitt.

    In Japan findet man nur 1% der
    Bevölkerung mit dieser Krankheit, in Teilen der USA bis 40%.

    Die Therapie erfolgt durch sorfältig
    regulierte Injektionen von Insulin (Insulin wird beim Essen verdaut, da
    es ein globuläres Peptid ist) und strenge Diät.

    Jahrelang hat man dazu Insulin
    von Rindern und Schweinen benutzt (Schweine-Insulin unterscheidet sich
    nur durch 1 Aminosäure vom Human-Insulin), heute wird es gentechnologisch
    von E.Coli oder Hefe hergestellt.

    Nicht Insulin-abhängige Diabetes
    Mellitus (Typ 2; Altersdiabetes)

    Viele Menschen mittleren Alters
    haben Diabetes mellitus ohne Abfallen der Insulinproduktion (zunächst).
    Dafür gibt es viele Ursachen:

    • eine vererbte Mutation im Insulin-Rezeptor
    • falsche Aktivierung der Rezeptoren
      oder Öffnen der Glucose Kanäle in der Membran der Zielzellen
    • Überernährung

    _endo033 - Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Anatomie & Funktion

    Diese Variante der Krankheit tritt oft bei Erwachsenen
    bzw. übergewichtigen Erwachsenen auf.

    Die Anzahl der Langerhansschen
    Inseln bei Typ 2 ist normel oder leicht reduziert (siehe links), gekennzeichnet
    durch Ablagerungen von Amylin
    Peptid
    und Fibrose (Verknorpelung).

    Therapie

    1. Übergewicht abbauen
    2. Blutzucker regelmäßig kontrollieren und
      bei Insulinpflicht entsprechend zielgenau spritzen
    3. Süßigkeiten, Backwaren und zuckerhaltige
      Getränke meiden
    4. Fruchtzucker und Zuckeraustauschstoffe in diabetikergeeigneten
      Lebensmitteln werden zwar langsamer resorbiert, sollten aber nicht Freifahrtschein
      für ungezügelten Genuß dieser Süßigkeiten
      sein.
    5. Tägliche Bewegung fördert nicht nur den
      Abbau von Übergewicht, sondern regt auch den Stoffwechsel und damit
      die Blutzuckersenkung an.

Abb. 34
 

Blutzuckerspiegelregelung

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 35
 

Primärwirkung des Insulins

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 36
 

Regelkreis der Blutzuckerregulation

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 37
 

Blutzucker bei Diabetes

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 37
 

Phagozytose der Langerhansschen Zellen

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 38
 

Amylin-Bildung in den Langerhansschen
Zellen

 

 
 

 

 

Weiterführende
Quellen:
Alles über Diabeteshttp://www.pharmacy.com.ph/Dalert/diabetes/diabetes_education.htm
Glucagon-Rezeptor
http://web.indstate.edu/thcme/mwking/signal-transduction.html
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/projects/shulte/phosphorylation/glyco_text.html
Insulin-Rezeptor
+ Primärwirkung von Insulin
http://www.bio.cam.ac.uk/~sa232/tex/MVSTIA_1-4_Shy/node35.html
http://www.kumc.edu/instruction/medicine/pathology/ed/keywords/kw_insulin1.html
http://www-biol.paisley.ac.uk/courses/stfunmac/glossary/receptor.html

http://arethusa.unh.edu/bchm752/ppthtml/mar28/march28/sld020.htm
Pankreas und Diabeteshttp://www.endocrineweb.com/diabetes/
Ernährungstips
für Diabetes Typ2
http://www.martens.de/fpi_202g.htm
Insulin-Regelkreishttp://www.uni-giessen.de/~gf1002/institut/software/autascii.htm
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