Blutzucker-Sensorsystem

Seit langem ist bekannt, dass die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) auf die Blutzuckerkonzentration über die Ausschüttung der Peptidhormone Insulin und Glucagon einregelt (Homöostase). Insulin ist ein Produkt der β-Zellen, Glucagon der α-Zellen des Pankreas.

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Neueren Datums sind Kenntnisse über das Blutzuckersensorsystem des Pankreas, d. h. die Grundprinzipien nach denen Glucosekonzentrationen registriert werden und nachfolgend in eine Ausschüttung von Insulin (Glucosespiegel > 5 mmol/l bzw. 90 mg/dl) bzw. Glucagon (Hungersituation: Glucosespiegel < 5 mmol/l bzw. 90 mg/dl) umgesetzt werden. Das System der β-Zellen gilt heute als weitgehend bekannt, während für jenes der α-Zellen erst einige Komponenten ermittelt werden konnten.

Sensorsystem der pankreatischen β-Zellen

Glucose wird durch einen niederaffinen Glucosetransporter (Km = 5.5 mM) aufgenommen und über Glucokinase (GK) in den normalen Glycolyse-Weg eingeschleust. Dessen Endprodukt, Pyruvat, wird in den Mitochondrien über Citratzyklus und Atmungskette weiter verstoffwechselt und liefert ATP. ATP hat im folgenden die Funktion eines "second messenger", es leitet das Glucosesignal im Zellinneren weiter; die Zelle reagiert am Ende der Wirkungskette mit der Sezernierung von Insulin.

Die Bindeglieder in der Wirkungskette stellen sich wie folgt dar:

• ATP ist ein Inhibitor der ATP-regulierten Kaliumkanäle (K⁺_ATP-Typ). Diese “Kalium-Sickerkanäle” (= Sulfonylharnstoffrezeptor) sind eine der Komponenten, auf die das Membranpotenzial zurückgeht: das Zellinnere ist um -60 mV negativer eingestellt als die Umgebung;
  • Verlust von K⁺-Ionen aus dem Zellinneren ohne gleichzeitigen Verlust von Anionen führt zu negativen Überschussladungen im Zellinneren;
• Inhibition (Schließen) der Kaliumkanäle verringert das Membranpotenzial. Sobald ein Grenzwert von -40 mV erreicht ist, öffnen sich spannungsgesteuerte Ca⁺⁺-Kanäle;
• Calciumionen strömen von außen ein und bewirkt die Wanderung Insulin-haltiger Granula an die Zellmembran, dann die Exocytose von Insulin. Die Insulin-Freisetzung erfolgt in zwei Phasen, d. h. sie beinhaltet zwei Granula-Typen
  • den 'readily-released pool' der zu einer transienten Insulinspitze führt;
  • den 'reserve pool', der 90 % des Insulins gespeichert hat;

Bei Glucosemangelsituationen entfällt die Inhibition der Kaliumkanäle in β-Zellen; dafür wird in α-Zellen die komplementäre Situation eingestellt.

Abbildung : Blutzucker-Sensorsysteme in pankreatischen β-Zellen (linke Hälfte) bzw. α-Zellen (rechter Teil). Im Falle der β-Zellen sind die bekannten Komponenten gezeigt, insbesondere die Entstehung und Wirkung des ATP, das hier second messenger Funktionen innehat. Für α-Zellen ist bekannt, dass ATP-regulierte Kaliumkanäle keine entscheidende Rolle spielen. Vielmehr wird über den spannungsabhängigen Natriumkanal ein Aktionspotenzial ausgelöst, in dessen Folge das Hormon Glucagon sezerniert wird. In beiden Fällen wird Hormonausschüttung aus Granula durch ein Ca⁺⁺-Signal ausgelöst’‘

Sensorsystem der pankreatischen α-Zellen

Auch zum Membranpotenzial dieses Zelltyps tragen Kalium-Sickerkanäle bei, jedoch handelt es sich hier um Kanäle vom “K _A”-Typ. Diese unterliegen nicht der Regulation durch ATP.

Glucosetransport wird hier durch einen hochaffinen Transporter, GLUT1 (Km = 1 mM) bewirkt, der auf Glucoseschwankungen im unteren Konzentrationsbereich anspricht. Welche Signaltransduktionswege sich in diesem Zelltyp bei Glucoseüberschuss abspielen, ist im Einzelnen nicht bekannt. Jedoch gibt es auch hier Indizien für eine Schlüsselrolle der Glucokinase (GK).

In Glucose-Mangelsituationen wird ein Aktionspotenzial dadurch ausgelöst, dass das Ruhepotenzial sich vorübergehend erhöht (negativer wird). Dieses Signal führt zur Öffnung der Natriumkanäle und einem unmittelbar folgenden Zusammenbruch des Potenzials auf etwa -40 mV. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Situation jener, der in β-Zellen zur Hormonfreisetzung führt, jedoch ist das Hormon hier der Insulin-Antagonist Glucagon.