Die Glucosehomöostase ist die strenge hormonelle Regulation des Blutzuckerspiegels innerhalb eines engen physiologischen Bereichs, typischerweise zwischen 3,9 und 5,6 mmol/L im nüchternen Zustand. Das Gehirn und die roten Blutkörperchen sind obligate Glucoseverbraucher, was die Glucoregulation für das Überleben essenziell macht.

Der Fütterungszustand

Nach einer Mahlzeit steigt der Blutzucker an und löst die Insulinsekretion aus den pankreatischen Betazellen aus. Insulin fördert die Glucoseaufnahme in Muskel- und Fettgewebe, indem es die Translokation von GLUT4-Transportern zur Zelloberfläche stimuliert. In der Leber unterdrückt Insulin die Gluconeogenese und Glycogenolyse, während es die Glycogensynthese und Glykolyse stimuliert. Überschüssige Glucose wird in Fettsäuren umgewandelt und als Triglyceride im Fettgewebe gespeichert.

Der Nüchternzustand

Wenn der Blutzucker zwischen den Mahlzeiten sinkt, sezernieren die pankreatischen Alphazellen Glucagon. Glucagon wirkt hauptsächlich auf die Leber und stimuliert die Glycogenolyse, wodurch Glucose in den Blutkreislauf freigesetzt wird. Die hepatische Gluconeogenese wird aktiviert, um Glucose aus Laktat, Aminosäuren und Glycerin zu produzieren. Muskel- und Fettgewebe schalten von der Glucose- auf die Fettsäureoxidation um und schonen so die Glucose für das Gehirn.

Hormonelle Regulation

Insulin ist das primäre anabole Hormon, das den Blutzucker senkt, indem es Aufnahme, Speicherung und Verwertung fördert. Es wird als Reaktion auf erhöhten Blutzucker sezerniert, mit zusätzlichen Signalen von Inkretinhormonen wie GLP-1 und GIP. Die Insulinsignalisierung über den Insulinrezeptor aktiviert eine Kaskade von Phosphorylierungsereignissen, die die Aktivität metabolischer Enzyme und die Genexpression regulieren.

Glucagon ist das primäre gegenregulatorische Hormon, das den Blutzucker während des Fastens erhöht. Es bindet an den Glucagonrezeptor auf Hepatozyten, aktiviert die Adenylatcyclase und erhöht den cAMP-Spiegel. Dies aktiviert die Proteinkinase A, die die Glycogenphosphorylase phosphoryliert und aktiviert, während die Glycogensynthase gehemmt wird.

Adrenalin sorgt für eine schnelle Glucosemobilisierung bei Stress oder körperlicher Betätigung, indem es sowohl in der Leber als auch im Muskel die Glycogenolyse stimuliert. Cortisol fördert die Gluconeogenese und reduziert die Glucoseaufnahme mit längerfristigen Wirkungen. Das Wachstumshormon antagonisiert die Insulinwirkung und ist wichtig für die Aufrechterhaltung des Glucosespiegels während längerem Fasten.

Der Glucose-Insulin-Rückkopplungskreislauf

Die Blutglucosekonzentration wird durch einen klassischen negativen Rückkopplungskreislauf aufrechterhalten. Steigende Glucose stimuliert die Insulinsekretion, was die Glucose durch Förderung von Aufnahme und Speicherung senkt. Fallende Glucose hemmt die Insulinfreisetzung und stimuliert die Glucagonsekretion, was die Glucose durch Förderung der Produktion erhöht. Die Betazellen der Bauchspeicheldrüse erfassen die Glucosekonzentration direkt über GLUT2 und Glucokinase, die als Glucosesensor fungiert.

Hypoglykämie

Hypoglykämie, definiert als Blutzucker unter 3,9 mmol/L, kann durch übermäßiges Insulin oder insulinmimetische Medikamente, längeres Fasten oder insulinproduzierende Tumoren verursacht werden. Zu den Symptomen gehören autonome Reaktionen wie Schwitzen, Zittern und Herzklopfen, gefolgt von neuroglykopenischen Symptomen wie Verwirrtheit, Krampfanfällen und Koma, wenn unbehandelt. Der Körper reagiert mit der Freisetzung gegenregulatorischer Hormone, aber diese Reaktion kann bei Personen mit wiederkehrender Hypoglykämie beeinträchtigt sein.

Hyperglykämie und Diabetes

Chronische Hyperglykämie ist das Kennzeichen des Diabetes mellitus. Typ-1-Diabetes resultiert aus der autoimmune Zerstörung der pankreatischen Betazellen, was zu absolutem Insulinmangel führt. Typ-2-Diabetes beinhaltet Insulinresistenz in Kombination mit fortschreitender Betazelldysfunktion. Schwangerschaftsdiabetes tritt während der Schwangerschaft auf und klingt nach der Entbindung ab, erhöht aber das zukünftige Diabetesrisiko. Chronische Hyperglykämie verursacht mikrovaskuläre Komplikationen wie Retinopathie, Nephropathie und Neuropathie sowie beschleunigte makrovaskuläre Erkrankungen.