Insulin, Glukagon und negatives Feedback
Lena isst in der großen Pause ein Stück Kuchen. Kurz danach steigt ihr Blutzuckerspiegel stark an. Zwei Stunden später liegt er trotzdem wieder fast genau so hoch wie vor der Pause. Wie schafft der Körper das, ohne dass Lena etwas dafür tun muss?
Warum Glucose und warum konstant?
Glucose (Traubenzucker) ist der wichtigste Brennstoff des Körpers. Alle Zellen gewinnen daraus durch die Zellatmung Energie. Gehirn und rote Blutzellen sind besonders abhängig davon: Das Gehirn kann kurzfristig kaum andere Stoffe verwerten (erst bei längerem Hungern stellt es sich teilweise um). Außerdem dient Glucose als Baustoff, zum Beispiel für andere Zucker.
Der Blutzuckerspiegel gibt an, wie viel Glucose im Blut gelöst ist. Bei einem gesunden Menschen liegt er nüchtern bei etwa 80 bis 100 mg pro 100 mL Blut.
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Zu wenig Glucose (Unterzuckerung): Das Gehirn bekommt zu wenig Energie. Folgen sind Zittern, Schwitzen, Konzentrationsprobleme, im Extremfall Krampfanfälle und Bewusstlosigkeit.
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Zu viel Glucose: Auf Dauer schädigt sie Blutgefäße und Nerven.
Dabei schwankt die Zufuhr stark: Nach dem Essen strömt viel Glucose ins Blut, beim Sport oder in der Nacht wird sie verbraucht. Der Körper braucht also eine Regelung.
Der Blutzuckerspiegel eines gesunden Menschen liegt nüchtern bei etwa 80 bis 100 mg Glucose pro 100 mL Blut. a) Nenne zwei Gründe, warum Glucose für den Körper…
Der Blutzuckerspiegel eines gesunden Menschen liegt nüchtern bei etwa 80 bis 100 mg Glucose pro 100 mL Blut.
- a) Nenne zwei Gründe, warum Glucose für den Körper lebenswichtig ist.
- b) Nenne das Organ, in dem Insulin und Glukagon gebildet werden, und gib an, welches der beiden Hormone den Blutzuckerspiegel senkt.
Insulin und Glukagon: zwei Gegenspieler
Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) enthält Zellgruppen, die Hormone ins Blut abgeben. Hormone sind Botenstoffe, die mit dem Blut zu ihren Zielorganen gelangen.
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Insulin wird in den β-Zellen gebildet. Es senkt den Blutzuckerspiegel.
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Glukagon wird in den α-Zellen gebildet. Es erhöht den Blutzuckerspiegel.
Hormone, die entgegengesetzt wirken, nennt man Gegenspieler (Antagonisten). Wirkung auf die Zielorgane:
| Organ | Insulin (Blutzucker sinkt) | Glukagon (Blutzucker steigt) |
|---|---|---|
| Leber | baut Glucose zu Glykogen auf | baut Glykogen zu Glucose ab und gibt sie ans Blut ab |
| Muskeln | Aufnahme von Glucose, Speicherung als Glykogen | – |
| Fettgewebe | Aufnahme von Glucose, Umbau zu Fett | fördert die Freisetzung von Fettsäuren (Energie für andere Gewebe) |
Die Zellen von Muskeln und Fettgewebe nehmen Glucose nur auf, wenn Insulin an ihre Rezeptoren bindet. Das ist ein Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Hormon (Schlüssel) passt nur auf seinen Rezeptor (Schloss) und öffnet so den Weg für die Glucose.
Insulin und Glukagon werden als Gegenspieler (Antagonisten) bezeichnet. a) Erkläre diesen Begriff. b) Ordne jeweils zu, welches Hormon bei den folgenden Situationen…
Insulin und Glukagon werden als Gegenspieler (Antagonisten) bezeichnet.
- a) Erkläre diesen Begriff.
- b) Ordne jeweils zu, welches Hormon bei den folgenden Situationen vermehrt ausgeschüttet wird: nach einer Portion Nudeln; nach einem langen Fußballtraining ohne Essen.
Negatives Feedback: der Regelkreis
Beim negativen Feedback (negative Rückkopplung) wirkt das Ergebnis eines Vorgangs auf den Vorgang selbst zurück, und zwar abschwächend. Eine Abweichung vom Sollwert löst eine Gegenreaktion aus, die den Wert zurückführt. Alltagsbeispiel: Die Heizung mit Thermostat. Wird es im Zimmer zu warm, schaltet sie ab, wird es zu kalt, schaltet sie an.
Der Blutzucker ist so ein Regelkreis:
| Begriff der Regelung | Bei der Blutzuckerregulation |
|---|---|
| Sollwert | etwa 90 mg/100 mL |
| Regelgröße | Blutzuckerspiegel |
| Fühler (Sensor) | Zellen der Bauchspeicheldrüse, die die Glucosekonzentration messen |
| Regler | Bauchspeicheldrüse (dieselben Inselzellen sind Fühler und Regler) |
| Stellglied | Hormone Insulin und Glukagon |
| Zielorgane | Leber, Muskeln, Fettgewebe |
Erkläre, was man unter einem negativen Feedback (negativer Rückkopplung) versteht, und nenne ein Beispiel aus dem Alltag oder dem Körper, das nicht die…
Erkläre, was man unter einem negativen Feedback (negativer Rückkopplung) versteht, und nenne ein Beispiel aus dem Alltag oder dem Körper, das nicht die Blutzuckerregulation ist.
Lena (16 Jahre) isst in der großen Pause ein Stück Kuchen. Beschreibe in sechs Schritten, wie sich ihr Blutzuckerspiegel und die Hormonausschüttung in den folgenden zwei…
Lena (16 Jahre) isst in der großen Pause ein Stück Kuchen. Beschreibe in sechs Schritten, wie sich ihr Blutzuckerspiegel und die Hormonausschüttung in den folgenden zwei Stunden verändern, bis wieder der Normalwert erreicht ist. Gehe dabei auf Sensor, Stellglied und Zielorgane ein (Leber, Muskeln, Fettgewebe).
Auswerten: Kurven und Speicher
Messwerte nach einer Mahlzeit zeigen den Regelkreis in Aktion. Beispiel: nüchtern 85, nach dem Frühstück 140, eine Stunde später 105, nach weiteren 60 Minuten 88 mg/100 mL.
Zu lesen ist die Kurve so: Der Anstieg ist steil, weil die Glucose im Darm schnell ins Blut aufgenommen wird. Insulin wird mit etwas Verzögerung ausgeschüttet und wirkt dann Schritt für Schritt, deshalb fällt der Blutzucker langsamer wieder ab. Die Glukagonkonzentration verhält sich umgekehrt: Sie ist beim Anstieg niedrig und steigt erst an, wenn der Blutzucker unter den Sollwert zu sinken droht.
Speicher Glykogen: Die Leber und die Muskeln speichern überschüssige Glucose als Glykogen, ein großes verzweigtes Molekül aus vielen Glucose-Bausteinen. Insulin fördert den Aufbau, Glukagon in der Leber den Abbau. Der Grund für die Speicherung als Glykogen: Viele einzelne gelöste Glucose-Moleküle würden die Konzentration in den Zellen stark erhöhen. Wasser würde durch Osmose in die Zellen einströmen, und sie würden anschwellen. Ein einziges Glykogen-Molekül wirkt osmotisch dagegen nur wie ein Teilchen.
Reichen die Glykogenspeicher nicht, etwa bei sehr langer Belastung, werden Fettsäuren aus dem Fettgewebe verbrannt. Auch Adrenalin (Stresshormon) erhöht den Blutzucker, damit bei Gefahr oder Anstrengung schnell Energie bereitsteht.
Ein Messprotokoll zeigt bei einer gesunden Person folgende Blutzuckerwerte: | Zeit | Blutzucker in mg/100 mL | |---|---| | 8:00 Uhr (nüchtern) | 85 | | 8:30 Uhr (nach…
Ein Messprotokoll zeigt bei einer gesunden Person folgende Blutzuckerwerte:
| Zeit | Blutzucker in mg/100 mL |
|---|---|
| 8:00 Uhr (nüchtern) | 85 |
| 8:30 Uhr (nach Frühstück) | 140 |
| 9:30 Uhr | 105 |
| 10:30 Uhr | 88 |
- a) Beschreibe den Kurvenverlauf.
- b) Erkläre die Veränderungen zwischen 8:30 Uhr und 10:30 Uhr mithilfe der beteiligten Hormone.
- c) Skizziere in Worten, wie sich die Konzentration von Glukagon im gleichen Zeitraum verhält.
Nach dem Essen wird Glucose in der Leber zu Glykogen aufgebaut, beim Fasten wieder abgebaut. a) Erkläre, welches Hormon jeweils den Aufbau und den Abbau fördert. b)…
Nach dem Essen wird Glucose in der Leber zu Glykogen aufgebaut, beim Fasten wieder abgebaut.
- a) Erkläre, welches Hormon jeweils den Aufbau und den Abbau fördert.
- b) Begründe, warum der Körper Glucose als Glykogen und nicht als Glucose-Moleküle speichert (Berücksichtige dabei die osmotische Wirkung gelöster Teilchen.).
Bei einem Experiment erhält eine Versuchsperson eine Glucoselösung zu trinken. Die Konzentration von Insulin im Blut steigt nach 20 Minuten stark an, der Blutzucker…
Bei einem Experiment erhält eine Versuchsperson eine Glucoselösung zu trinken. Die Konzentration von Insulin im Blut steigt nach 20 Minuten stark an, der Blutzucker sinkt nach 60 Minuten wieder.
- a) Beschreibe in Worten ein Regelkreisschema mit Sollwert, Fühler, Regler, Stellglied und Regelgröße.
- b) Erkläre, warum eine Regelung mit zwei Antagonisten präziser ist als mit nur einem Hormon.
- c) Beurteile die Aussage: „Der Blutzuckerspiegel ist konstant."
Ein Sportler absolviert einen Marathon in 3 Stunden 30 Minuten. Er isst währenddessen nichts. a) Erkläre, wie sein Körper den Blutzuckerspiegel stabil hält. Gehe auf…
Ein Sportler absolviert einen Marathon in 3 Stunden 30 Minuten. Er isst währenddessen nichts.
- a) Erkläre, wie sein Körper den Blutzuckerspiegel stabil hält. Gehe auf Hormone, Leber und Fettgewebe ein.
- b) Erkläre, warum es bei langer Belastung trotzdem zu einer Unterzuckerung kommen kann.
- c) Auch Adrenalin erhöht den Blutzucker. Begründe, warum diese zusätzliche Regulation sinnvoll ist.
Ein Experiment mit Mäusen: Gruppe A erhält eine Injektion mit Insulin, Gruppe B eine Injektion mit Glucagon, Gruppe C eine Kochsalzlösung. a) Formuliere für jede Gruppe…
Ein Experiment mit Mäusen: Gruppe A erhält eine Injektion mit Insulin, Gruppe B eine Injektion mit Glucagon, Gruppe C eine Kochsalzlösung.
- a) Formuliere für jede Gruppe eine begründete Vorhersage für den Blutzuckerspiegel nach 30 Minuten.
- b) Erkläre, welche Funktion Gruppe C hat.
- c) Gruppe A zeigt Zittern und Krampfanfälle. Erkläre die Ursache aus der Funktion der Glucose im Gehirn.
Zurück zum Anfang: Lenas Blutzucker steigt nach dem Kuchen, die Bauchspeicheldrüse schüttet Insulin aus, die Zielorgane speichern Glucose, und das negative Feedback führt den Wert zum Sollwert zurück.