Hungerstoffwechsel

Die Hungerreaktion bei Tieren (einschließlich Menschen) ist eine Reihe von adaptiven biochemischen und physiologischen Veränderungen, die durch Nahrungsmangel oder extremen Gewichtsverlust ausgelöst werden und bei denen der Körper versucht, Energie zu sparen, indem er die Menge der verbrannten Kalorien reduziert. ⓘ

Äquivalente oder eng verwandte Begriffe sind Hungerreaktion, Hungermodus, Hungermodus, Hungerresistenz, Hungertoleranz, adaptierter Hunger, adaptive Thermogenese, Fettadaptation und metabolische Adaptation. ⓘ

Bakterien werden sehr tolerant gegenüber Antibiotika, wenn die Nährstoffe begrenzt sind. Hungern trägt zur Antibiotikatoleranz während einer Infektion bei, da die Nährstoffe begrenzt werden, wenn sie von der Wirtsabwehr abgeschirmt und von den sich vermehrenden Bakterien verbraucht werden. Eine der wichtigsten Ursachen für die durch Hunger induzierte Toleranz in vivo ist das Biofilmwachstum, das bei vielen chronischen Infektionen auftritt. Das Aushungern in Biofilmen ist auf den Nährstoffverbrauch von Zellen an der Peripherie von Biofilmclustern und auf eine verminderte Diffusion von Substraten durch den Biofilm zurückzuführen. Biofilmbakterien zeigen eine extreme Toleranz gegenüber fast allen Antibiotikaklassen, und die Zufuhr limitierender Substrate kann die Empfindlichkeit wiederherstellen. ⓘ

Hungerstoffwechsel (in der Wissenschaft als „adaptive Thermogenese“ bekannt) wird die Umstellung des Stoffwechsels bei Nahrungsmangel bezeichnet, z. B. beim Fasten (mit der Extremform Null-Diät) oder bei Magersucht. Die Umstellung des Stoffwechsels bewirkt ein Absinken des Kalorienverbrauchs. Dieses Phänomen wird umgangssprachlich als „eingeschlafener Stoffwechsel“ bezeichnet. ⓘ

Beim Menschen

Normalerweise reagiert der Körper auf eine reduzierte Energiezufuhr mit der Verbrennung von Fettreserven und dem Verbrauch von Muskel- und anderen Geweben. Insbesondere verbrennt der Körper Fett, nachdem er zunächst den Inhalt des Verdauungstrakts und die in den Leberzellen gespeicherten Glykogenreserven aufgebraucht hat, sowie nach einem erheblichen Proteinverlust. Nach längeren Hungerperioden verwendet der Körper die Proteine im Muskelgewebe als Brennstoffquelle, was zu einem Verlust an Muskelmasse führt. ⓘ

Ausmaß und Zusammensetzung

Das Ausmaß und die Zusammensetzung der Hungerreaktion (d. h. der metabolischen Anpassung) wurden in einer Studie mit 8 Personen geschätzt, die zwei Jahre lang in der Biosphäre 2 isoliert lebten. Während ihrer Isolation verloren sie aufgrund der harten Bedingungen schrittweise durchschnittlich 15 % (Bereich: 9-24 %) ihres Körpergewichts. Nach Beendigung der Isolation wurden die acht isolierten Personen mit einer 152 Personen umfassenden Kontrollgruppe verglichen, die anfangs ähnliche körperliche Merkmale aufgewiesen hatte. Die Hungerreaktion der Personen nach der Isolation bestand im Durchschnitt in einer Verringerung des täglichen Gesamtenergieverbrauchs um 180 kCal. 60 kCal der Hungerreaktion wurden durch eine Verringerung der fettfreien Masse und der Fettmasse erklärt. Weitere 65 kCal wurden durch eine Verringerung des Zappelverhaltens erklärt. Die restlichen 55 kCal waren statistisch unbedeutend. ⓘ

Allgemein

Der Energiebedarf eines Körpers setzt sich aus dem Grundumsatz (BMR) und dem körperlichen Aktivitätsniveau (ERAT, exercise-related activity thermogenesis) zusammen. Dieser Kalorienbedarf kann mit Eiweiß, Fett, Kohlenhydraten oder einer Mischung aus diesen gedeckt werden. Glukose ist der allgemeine Stoffwechselbrennstoff, der von jeder Zelle verstoffwechselt werden kann. Fruktose und einige andere Nährstoffe können nur in der Leber verstoffwechselt werden, wo ihre Metaboliten entweder in Glukose umgewandelt werden, die als Glykogen in der Leber und in den Muskeln gespeichert wird, oder in Fettsäuren, die im Fettgewebe gespeichert werden. ⓘ

Aufgrund der Blut-Hirn-Schranke ist die Versorgung des menschlichen Gehirns mit Nährstoffen besonders abhängig von Molekülen, die diese Schranke passieren können. Das Gehirn selbst verbraucht etwa 18 % des Grundumsatzes: bei einer Gesamtzufuhr von 1800 kcal/Tag entspricht dies 324 kcal oder etwa 80 g Glukose. Etwa 25 % des gesamten Glukoseverbrauchs des Körpers entfallen auf das Gehirn. ⓘ

Glukose kann direkt aus Nahrungszucker und durch den Abbau anderer Kohlenhydrate gewonnen werden. In Ermangelung von Nahrungszucker und Kohlenhydraten wird Glukose durch den Abbau von gespeichertem Glykogen gewonnen. Glykogen ist eine leicht zugängliche Speicherform von Glukose, die in beträchtlichen Mengen in der Leber und den Skelettmuskeln gespeichert wird. ⓘ

Wenn die Glykogenreserven erschöpft sind, kann Glukose durch den Abbau von Fetten aus dem Fettgewebe gewonnen werden. Fette werden in Glycerin und freie Fettsäuren aufgespalten, wobei das Glycerin in der Leber über den Gluconeogeneseweg in Glukose umgewandelt wird. ⓘ

Wenn selbst die aus Glycerinreserven hergestellte Glukose abnimmt, beginnt die Leber mit der Produktion von Ketonkörpern. Ketonkörper sind kurzkettige Derivate der im vorigen Absatz erwähnten freien Fettsäuren und können die Blut-Hirn-Schranke überwinden, d. h. sie können vom Gehirn als alternativer Stoffwechselbrennstoff verwendet werden. Fettsäuren können von den meisten Geweben im Körper direkt als Energiequelle genutzt werden, sind aber selbst zu ionisiert, um die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. ⓘ

Zeitleiste

Nach Erschöpfung der Glykogenreserven und für die nächsten 2-3 Tage sind Fettsäuren der wichtigste Stoffwechselbrennstoff. Zunächst verwendet das Gehirn weiterhin Glukose, denn wenn ein Nicht-Hirngewebe Fettsäuren als Stoffwechselbrennstoff verwendet, wird die Verwendung von Glukose im selben Gewebe ausgeschaltet. Wenn also Fettsäuren zur Energiegewinnung abgebaut werden, wird die gesamte verbleibende Glukose dem Gehirn zur Verfügung gestellt. ⓘ

Nach 2 bis 3 Tagen Fasten beginnt die Leber mit der Synthese von Ketonkörpern aus Vorläufern, die beim Fettsäureabbau entstehen. Das Gehirn verwendet diese Ketonkörper als Brennstoff und senkt damit seinen Bedarf an Glukose. Nach 3 Tagen Fasten bezieht das Gehirn 30 % seiner Energie aus Ketonkörpern. Nach 4 Tagen erhöht sich dieser Anteil auf 75 %. ⓘ

Durch die Produktion von Ketonkörpern sinkt also der Glukosebedarf des Gehirns von 80 g pro Tag auf etwa 30 g pro Tag. Von den verbleibenden 30 g können 20 g pro Tag von der Leber aus Glycerin (selbst ein Produkt des Fettabbaus) hergestellt werden. Damit verbleibt immer noch ein Defizit von etwa 10 g Glukose pro Tag, das aus einer anderen Quelle stammen muss. Dieses Defizit wird durch Gluconeogenese aus dem Fettsäureabbau über Acetyl-CoA und körpereigene Proteine gedeckt. ⓘ

Nach mehrtägigem Fasten beginnen alle Zellen des Körpers mit dem Abbau von Eiweiß. Dadurch werden Aminosäuren in den Blutkreislauf freigesetzt, die von der Leber in Glukose umgewandelt werden können. Da ein Großteil der Muskelmasse des menschlichen Körpers aus Eiweiß besteht, ist dieses Phänomen für den beim Hungern zu beobachtenden Abbau von Muskelmasse verantwortlich. ⓘ

Der Körper kann jedoch selektiv entscheiden, welche Zellen Eiweiß abbauen und welche nicht. Etwa 2-3 g Eiweiß müssen abgebaut werden, um 1 g Glukose zu synthetisieren; etwa 20-30 g Eiweiß werden jeden Tag abgebaut, um 10 g Glukose zu erzeugen, die das Gehirn am Leben erhält. Um Eiweiß zu sparen, kann diese Zahl jedoch mit zunehmender Dauer des Fastens sinken. ⓘ

Wenn die Fettreserven vollständig aufgebraucht sind und dem Körper nur noch Eiweiß als Brennstoff zur Verfügung steht, kommt es zum Hungertod. Nach Hungerperioden beeinträchtigt der Verlust an Körpereiweiß die Funktion wichtiger Organe und führt zum Tod, auch wenn noch ungenutzte Fettreserven vorhanden sind. (Bei einem schlanken Menschen sind die Fettreserven früher erschöpft, der Eiweißabbau tritt früher ein, und daher tritt der Tod früher ein). ⓘ

Die letztendliche Todesursache ist in der Regel eine Herzrhythmusstörung oder ein Herzstillstand, der durch den Gewebeabbau und ein Elektrolyt-Ungleichgewicht verursacht wird. ⓘ

Bei sehr fettleibigen Personen können die Proteine nachweislich zuerst verbraucht werden, so dass der Hungertod vorhergesagt wird, bevor die Fettreserven aufgebraucht sind. ⓘ

Biochemie

Während des Hungertods stammt weniger als die Hälfte der vom Gehirn verbrauchten Energie aus verstoffwechselter Glukose. Da das menschliche Gehirn Ketonkörper als Hauptbrennstoffquelle nutzen kann, ist der Körper nicht gezwungen, die Skelettmuskulatur in hohem Maße abzubauen, wodurch sowohl die kognitiven Funktionen als auch die Mobilität bis zu mehreren Wochen erhalten bleiben. Diese Reaktion ist in der menschlichen Evolution von großer Bedeutung und hat es dem Menschen ermöglicht, auch nach längerem Hungertod noch effektiv Nahrung zu finden. ⓘ

Zunächst sinkt der Insulinspiegel im Blutkreislauf und die Werte von Glukagon, Adrenalin und Noradrenalin steigen an. Zu diesem Zeitpunkt kommt es zu einer Hochregulierung der Glykogenolyse, Glukoneogenese, Lipolyse und Ketogenese. Die körpereigenen Glykogenspeicher werden in etwa 24 Stunden aufgebraucht. Ein normaler 70 kg schwerer Erwachsener hat nur etwa 8.000 Kilojoule Glykogen im Körper gespeichert (hauptsächlich in den quergestreiften Muskeln). Der Körper betreibt auch eine Gluconeogenese, um Glycerin und glucogene Aminosäuren in Glucose für den Stoffwechsel umzuwandeln. Eine weitere Anpassung ist der Cori-Zyklus, bei dem aus Lipiden gewonnene Energie in Form von Glukose zu den peripheren glykolytischen Geweben transportiert wird, die ihrerseits das Laktat zur Resynthese von Glukose an die Leber zurückschicken. Aufgrund dieser Prozesse bleibt der Blutzuckerspiegel bei längerem Hungertod relativ stabil. ⓘ

Die Hauptenergiequelle bei längerem Hungertod sind jedoch die Triglyceride. Im Vergleich zu den 8 000 Kilojoule des gespeicherten Glykogens sind die Lipidbrennstoffe viel energiereicher, und ein 70 kg schwerer Erwachsener speichert über 400 000 Kilojoule an Triglyceriden (hauptsächlich im Fettgewebe). Triglyceride werden durch Lipolyse zu Fettsäuren abgebaut. Epinephrin löst die Lipolyse aus, indem es die Proteinkinase A aktiviert, die die hormonsensitive Lipase (HSL) und Perilipin phosphoryliert. Diese Enzyme bilden zusammen mit CGI-58 und der adipösen Triglyceridlipase (ATGL) einen Komplex an der Oberfläche der Lipidtröpfchen. Die konzertierte Aktion von ATGL und HSL setzt die ersten beiden Fettsäuren frei. Die zelluläre Monoacylglycerinlipase (MGL) setzt die letzte Fettsäure frei. Das verbleibende Glycerin geht in die Gluconeogenese ein. ⓘ

Fettsäuren können nicht direkt als Brennstoffquelle verwendet werden. Sie müssen zunächst in den Mitochondrien (hauptsächlich in Skelettmuskel-, Herzmuskel- und Leberzellen) einer Beta-Oxidation unterzogen werden. Fettsäuren werden durch das Enzym CAT-1 als Acyl-Carnitin in die Mitochondrien transportiert. Dieser Schritt steuert den metabolischen Fluss der Beta-Oxidation. Das entstehende Acetyl-CoA gelangt in den TCA-Zyklus und wird durch oxidative Phosphorylierung zu ATP umgewandelt. Der Körper investiert einen Teil dieses ATP in die Glukoneogenese, um mehr Glukose zu produzieren. ⓘ

Triglyceride und langkettige Fettsäuren sind zu hydrophob, um in die Gehirnzellen zu gelangen, daher muss die Leber sie durch Ketogenese in kurzkettige Fettsäuren und Ketonkörper umwandeln. Die dabei entstehenden Ketonkörper, Acetoacetat und β-Hydroxybutyrat, sind amphipathisch und können ins Gehirn (und in die Muskeln) transportiert und zur Verwendung im TCA-Zyklus zu Acetyl-CoA abgebaut werden. Acetoacetat wird spontan zu Aceton abgebaut, und das Aceton wird über den Urin und die Lunge freigesetzt, wodurch der "Aceton-Atem" entsteht, der mit längerem Fasten einhergeht. Auch das Gehirn verbraucht während des Hungerns Glukose, doch der größte Teil der Glukose im Körper wird den Skelettmuskeln und den roten Blutkörperchen zugeführt. Der Preis dafür, dass das Gehirn zu viel Glukose verbraucht, ist Muskelschwund. Würden sich Gehirn und Muskeln ausschließlich auf Glukose stützen, würde der Körper in 8-10 Tagen 50 % seines Stickstoffgehalts verlieren. ⓘ

Nach längerem Fasten beginnt der Körper, seine eigene Skelettmuskulatur abzubauen. Um die Funktionsfähigkeit des Gehirns aufrechtzuerhalten, wird durch Glukoneogenese weiterhin Glukose erzeugt, aber es werden auch glukogene Aminosäuren - vor allem Alanin - benötigt. Diese stammen aus der Skelettmuskulatur. Gegen Ende der Hungersnot, wenn der Ketonspiegel im Blut 5-7 mM erreicht, steigt der Ketonverbrauch im Gehirn an, während der Ketonverbrauch in den Muskeln sinkt. ⓘ

Die Autophagie tritt dann in beschleunigtem Tempo ein. Bei der Autophagie kannibalisieren die Zellen wichtige Moleküle, um Aminosäuren für die Gluconeogenese zu produzieren. Dieser Prozess verzerrt die Struktur der Zellen, und eine häufige Todesursache beim Verhungern ist das Versagen des Zwerchfells aufgrund der anhaltenden Autophagie. ⓘ

Siehe auch

• Kalorienrestriktion
• Fasten (Abschnitt Gesundheitliche Auswirkungen)
• Refeeding-Syndrom ⓘ

Ressourcen

• Wang, Tobias; Hung, Carrie; Randall, David (2006). "Die vergleichende Physiologie des Nahrungsentzugs: From Feast to Famine". Annual Review of Physiology. 68 (1): 223–251. doi:10.1146/annurev.physiol.68.040104.105739. PMID 16460272.
• Henry, C.J.K (1995). "7: Einfluss der Körperzusammensetzung auf den Protein- und Energiebedarf: einige neue Erkenntnisse". In P.S.W Davies; T.J. Cole (eds.). Body composition techniques in health and disease. Cambridge University Press. pp. 85-99. ISBN 978-0-521-46179-5.
• Dulloo, Abdul G; Jacquet, Jean (2001). "Eine fettgewebsspezifische Kontrolle der Thermogenese bei der Regulierung des Körpergewichts". Internationale Zeitschrift für Fettleibigkeit. 25: S22-S29. doi:10.1038/sj.ijo.0801907. PMID 11840210.
• Dulloo, Abdul G; Jacquet, Jean (1998). "Adaptive Reduktion des Grundumsatzes als Reaktion auf Nahrungsentzug beim Menschen: eine Rolle für Rückkopplungssignale aus den Fettspeichern" (PDF). American Journal of Clinical Nutrition. 68 (3): 599–606. doi:10.1093/ajcn/68.3.599. PMID 9734736.
• MacDonald IA, Webber J (März 1995). "Feeding, fasting and starvation: factors affecting fuel utilization". Proc Nutr Soc. 54 (1): 267–74. doi:10.1079/pns19950053. PMID 7568259.
• Elia, M. (Dezember 2000). "Hungerkrankheit". Clin Nutr. 19 (6): 379–86. doi:10.1054/clnu.2000.0157. PMID 11104587.
• Felig P, Marliss EB, Cahill GF (Februar 1971). "Metabolic response to human growth hormone during prolonged starvation". J. Clin. Invest. 50 (2): 411-21. doi:10.1172/JCI106508. PMC 291937. PMID 5540176.
• Wilson, DE; Zeikus, R; Chan, IF (Apr 1987). "Relationship of organ lipoprotein lipase activity and ketonuria to hypertriglyceridemia in starved and streptozocin-induced diabetic rats". Diabetes. 36 (4): 485–90. doi:10.2337/diabetes.36.4.485. PMID 3817303.
• Swaner, JC; Connor, WE (Aug 1975). "Hypercholesterinämie bei totaler Hungersnot: ihr Mechanismus über die Mobilisierung von Cholesterin im Gewebe". Amerikanisches Journal für Physiologie. 229 (2): 365–9. doi:10.1152/ajplegacy.1975.229.2.365. PMID 169705. ⓘ

Biochemie

Abbau der Kohlenhydrate

Zunächst werden die kurzfristig zur Verfügung stehenden Energiereserven des Menschen in Anspruch genommen. Dazu gehört das Glykogen der Leber, Nieren und der Muskeln, das in Glucose-Moleküle gespalten wird. Diese schnell zur Verfügung stehenden Energiereserven liegen bei zirka 6.700 Kilojoule (1.600 Kilokalorien) und sind innerhalb eines Tages verbraucht. Der Körper scheidet vermehrt Wasser über die Nieren aus. Das Körpergewicht reduziert sich anfangs stark, später weniger stark. ⓘ

Abbau der Proteine

Marasmus

Der Begriff Marasmus bezeichnet den schwersten Grad der Unterernährung mit Atrophien bei Kalorienmangel. Vor dem Tode zeigen sich schwere Durchfälle. Viele Verhungernde versterben an den Folgen ihrer durch Proteinmangel bedingten Infektionen. Es gibt auch Berichte über einen plötzlichen Herztod bei Hungernden (Vermutungen auf Herzrhythmusstörungen durch Kaliummangel). Wenn der Blutzuckerspiegel unter 10 mg/100 ml absinkt, kommt es zum Koma. Ab Werten unter etwa 30 mg/100 ml nimmt die Hirnleistung deutlich ab, es treten Verwirrtheit, Angst und Depression auf. Bei sehr niedrigen Glukosewerten kann es zu Spasmen und unkontrollierten Bewegungen kommen. ⓘ

Abbau der Lipide

Fette – hier hauptsächlich die Triglyceride – werden nach der ersten Woche nach Fastenbeginn vermehrt abgebaut, ebenso nimmt in der ersten Woche der Fettabbau (Lipolyse) und die Bildung der Ketonkörper Acetoacetat und Betahydroxybuttersäure zu. ⓘ

Frauen und Kinder

Aufgrund hormoneller Änderungen kommt es bei Frauen zu Veränderungen bei der Menstruation bis zum völligen Ausbleiben. Es konnte statistisch nachgewiesen werden, dass die Mehrheit der schwangeren muslimischen Frauen während des Ramadan zwischen Sonnenauf- und Sonnenuntergang fastet, obwohl das islamische Fastengebot für Schwangere und Kinder nicht gilt. Dadurch werden das Geburtsgewicht und die Länge der Schwangerschaft reduziert, körperliche und insbesondere geistige Behinderungen werden wahrscheinlicher. ⓘ