Wie gelangt Glukose in die Zelle?

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Die Zellbiologie ist ein faszinierendes Wissenschaftsgebiet. Aber die Moleküle, die in diesen Zellen arbeiten, machen es noch interessanter. 

Ein solches Molekül in unseren Zellen ist Glukose. Es ist die primäre Energiequelle unseres Körpers und treibt die Zellen an wie Benzin ein Auto. Unser Körper stellt jedoch keine Glukose selbst her. Es stammt hauptsächlich aus der Nahrung, die wir essen, und wird dann über das Blut zu den Zellen in unserem Körper transportiert. [1]

Der Eintritt von Glukose in Zellen ist ein weiterer faszinierender Vorgang. Wenn wir dies wissen, können wir besser verstehen, wie Zellen es in Energie umwandeln. Aber was wäre, wenn wir das Lernen etwas unterhaltsamer gestalten könnten? Lassen Sie uns untersuchen, wie Glukose in die Zellen gelangt, und sehen, ob wir der Zellbiologie etwas Schwung verleihen können!

Warum ist Glukose wichtig?

Glukose ist ein einfacher Zucker (Monosaccharid), der aus sechs Kohlenstoff-, zwölf Wasserstoff- und sechs Sauerstoffatomen (C6H12O6) besteht. Es speichert die chemische Energie der Nahrung in stabiler Form. Diese Energie wird in unser System freigesetzt, sobald die Zellen Glukose abbauen.

Glukose ist für das Zellleben fast aller Organismen unerlässlich. Die meisten Zellen in unserem Körper verwenden diesen einfachen Zucker zusammen mit Fetten und Proteinen als primäre Brennstoffquelle. Über die Zellatmung gewinnen sie daraus Energie, die Zucker in ATP (Adenosintriphosphat) umwandelt. [1-3]

In unserem Körper ist das Gehirn ein Organ, das am meisten Glukose benötigt. Tatsächlich ist es die einzige Energiequelle unseres Gehirns, um verschiedene Aktivitäten auszuführen. Die Neuronen und ihre chemischen Botenstoffe (Neurotransmitter) benötigen es, um Signale zu verarbeiten. 

Ohne Glukose kann unser Gehirn nicht richtig funktionieren. Ein Mangel daran hindert Neuronen daran, Neurotransmitter herzustellen. Am Ende kämpfen Neuronen darum, Signale an Zielzellen zu senden. [4]

Als Hauptbrennstoffquelle des Körpers hilft Glukose dabei, die Nahrungsmittel, die wir essen, zu verstoffwechseln. Es hilft in fast allen Stadien des Zellstoffwechsels, von der Energieerzeugung bis zur Herstellung von Hormonen und Enzymen. Sobald Glukose abgebaut wird, produzieren die Zellen das energietragende Molekül ATP. Dieses Molekül ist ein Energiespeicher und treibt nahezu jeden Stoffwechselvorgang in einer Zelle an. [2, 3]

Hinweis: Der Stoffwechsel ist der chemische Prozess, der es unseren Zellen ermöglicht, Nahrung in Energie umzuwandeln. 

Wie Glukose in die Zellen gelangt

Beim Essen gelangt die Nahrung über die Speiseröhre in unseren Magen. Der Magen beginnt dann, es mit Hilfe von Säuren und Enzymen in kleinere Stücke zu zerlegen. 

Während dieses Prozesses wandelt unser Körper Nahrungspartikel in Glukose um. Anschließend wandert es in den Darm. Von dort gelangt es in unseren Blutkreislauf. Danach übernimmt Insulin die Kontrolle und transportiert Glukose aus dem Blut in unsere Zellen. Wenn Glukose über das Blut wandert, nennen wir es oft Blutzucker. [5, 6]

Der Eintritt von Glukose in die Zellen ist jedoch nicht so einfach, wie es scheint. Die Lipiddoppelschicht der Zellen blockiert aufgrund ihrer polaren Natur das Eindringen. Es verwendet also spezifische Transportproteine, sogenannte Glukosetransporter, um in die Zellen einzudringen. 

GLUCOSE-METABOLISM

Abbildung 1. Glukosestoffwechsel in einer normalen Zelle
Quelle: Martel und Kollegen [16], CC-BY-4.0.

Trägerproteine transportieren je nach Zelltyp meist verschiedene Moleküle. Sie haben spezialisierte Rezeptoren, die darauf ausgelegt sind, bestimmte Moleküle wie Glukose zu identifizieren. Diese Proteine helfen dann, Glukose in unsere Zellen zu bringen, um sie als Energie zu verwenden oder zu speichern. Im Allgemeinen können die meisten Zellen mehrere Arten von Glukosetransportern exprimieren. [7, 8]

An der Glukoseaufnahme in unseren Zellen sind normalerweise zwei Arten von Transportproteinen beteiligt:

  • Natriumabhängige Transporter. Dieser Transportertyp bewegt Natrium durch aktiven Transport durch die Zellmembran. Das Natrium diffundiert dann nach unten, um ein Glukosemolekül in die Zelle zu transportieren. Dieser Prozess benötigt jedoch Zellenergie, um Glukose durch die Plasmamembran zu transportieren. [7]
  • Natriumunabhängige Transporter. Dieser Transportertyp ist nicht auf Natrium angewiesen, um Glukose in die und aus den Zellen zu transportieren. Es ermöglicht Glukose, durch einen Prozess, der als erleichterte Diffusion bezeichnet wird, in eine Zelle einzudringen. Während dieses Prozesses fungieren spezifische Proteine als Tor für Moleküle, um die Lipidbarriere zu überwinden. Dieser Prozess benötigt keine Energie aus der Zelle und transportiert Glukose mit geringem Aufwand hinein. Es ist, als ob nein EINTRAG in oder AUSFAHRT aus der Zelle passiert. [9]

Kurz gesagt, durch den Transport von Glukose geben diese Transportproteine unseren Zellen den Treibstoff, den sie brauchen. Sie stellen auch sicher, dass nur die richtigen Mengen an Glukose in die Zelle gelangen. Sonst hätten Glukose-Zuflüsse die Stoffwechselvorgänge in unseren Zellen behindert. Am Ende kann dies zu unerwünschten Nebenwirkungen wie Entzündungen oder Schwellungen führen. [7-9]

Einfach ausgedrückt regulieren Transportproteine Glukose, um die innere Stabilität unseres Körpers aufrechtzuerhalten.

Was macht Glukose in unserem Körper?

Wenn Glukose in unser System gelangt, wandert sie über den Blutkreislauf durch den ganzen Körper. Solange es im Blut verbleibt, nutzt es das Kreislaufsystem wie eine Benzinleitung. Die Glukose verlässt diese Pipeline, wenn der Blutzucker ansteigt oder wenn unsere Zellen ihre Brennstoffvorräte aufladen müssen.

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Unser Körper arbeitet so, dass er einen konstanten Blutzuckerspiegel aufrechterhält. Die Bauchspeicheldrüse spielt eine Schlüsselrolle dabei, wie unser Körper mit Blutzucker umgeht. Seine Betazellen überprüfen alle paar Sekunden den Glukosespiegel in unserem Blut. Diese Zellen setzen Insulin frei, wenn sie einen Anstieg des Zuckerspiegels feststellen. [8]

Glukose in unserem Blut kann nicht von alleine in die Zellen gelangen. Es braucht Hilfe, um den Blutkreislauf zu verlassen. Insulin übernimmt diese Aufgabe, indem es wie ein Schlüssel wirkt. Es weist die Zellen an, sich zu entsperren, damit Glukose in sie eindringen kann. Glucose wandert dann aus dem Blut und heftet sich an ein Transportprotein an Zelloberflächen. Sobald es die Lipidbarrieren passiert, verwenden oder speichern die Zellen es nach eigenem Ermessen. [8, 10]

Was passiert, wenn ich Diabetes habe?

Diabetes tritt auf, wenn unser Körper nicht genug Insulin produziert. Ein Mangel an Insulin bedeutet mehr Glukose in unserem Blut als gewöhnlich. Dieser hohe Blutzuckerspiegel führt im Laufe der Zeit zu einem Zustand namens Hyperglykämie. Dieser Zustand kann verändern, wie unser Körper Glukose verarbeitet und in unseren Zellen speichert.

Bei hyperglykämischen Menschen gelangt Glukose aufgrund des niedrigen Insulinspiegels langsamer als gewöhnlich in die Zellen. So bleibt es im Blutkreislauf hängen, anstatt in die Zellen einzudringen. Wenn Glukose dort lange verbleibt, kann sie die Blutgefäße schädigen, die Sauerstoff zu unseren Organen transportieren. [11, 12]

Darüber hinaus kann ein begrenzter Glukosezugang den Zellen den Brennstoff entziehen, den sie für eine gute Funktion benötigen. Die Zellen beginnen dann, Körperfett als Brennstoff zu verwenden. Im Laufe der Zeit kann diese Fettverbrennung zu einer lebensbedrohlichen gesundheitlichen Komplikation führen, die als diabetische Ketoazidose (hohe Säurewerte im Blut) bezeichnet wird. [13, 14]

Diabetiker sollten Medikamente einnehmen und ihren Lebensstil ändern, um ihren Blutzucker unter Kontrolle zu halten. Änderungen des Lebensstils, die sie vornehmen können, umfassen Folgendes:

  • Sich ausgewogen ernähren
  • Auswahl von Lebensmitteln mit einem niedrigen glykämischen Index (GI)
  • Essen Sie regelmäßig Mahlzeiten
  • Viel Wasser trinken
  • Vermeiden Sie Rauchen und Alkohol
  • Gewicht verlieren
  • Teilnahme an einem Trainingsprogramm

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Wo wird die überschüssige Glukose gespeichert?

Nachdem die Zellen ihren Energiebedarf wieder aufgefüllt haben, speichern sie die verbleibende Glukose in kleinen Bündeln, indem sie sie in Glykogen umwandeln. Das Glykogen wird in der Leber und den Muskeln gespeichert. Unser Körper kann genug Glykogen speichern, um uns etwa einen Tag lang mit Energie zu versorgen.

Wenn Glukose jedoch auch nach der Speicherung als Glykogen übrig bleibt, wandelt unser Körper sie in Fett um. Diese Umwandlung findet häufig in der Leber und im Fettgewebe statt. Und wenn unsere Kohlenhydrataufnahme regelmäßig die Glykogenspeichergrenzen überschreitet, häufen sich Fette an. Diese Fettansammlung erhöht das Risiko für verschiedene Erkrankungen, darunter Diabetes, Fettleber und Herzerkrankungen. [8, 10]

Wie werden Glukosemoleküle in Zellen verwendet?

Wenn Glukose an eine Zelloberfläche bindet, helfen ihr Transportproteine, ins Innere zu gelangen. Die Zelle verwendet oder speichert dann Glukose, wie sie es für richtig hält. Wenn die Zelle ihren Brennstoffvorrat auffüllen muss, baut sie Glukose ab, um ATP zu erzeugen (siehe Abbildung 1). 

Ein ATP-Molekül ist wie eine zelluläre Energiewährung. Die Zellen nutzen es, um fast alle Aktivitäten anzutreiben, einschließlich Stoffwechselreaktionen, kognitive Prozesse und Genexpression. [fünfzehn]

Ratschläge zur Kontrolle der Glukoseverdauungsgeschwindigkeit

Eine effektive Möglichkeit, den Blutzuckerspiegel unter Kontrolle zu halten, besteht darin, zu regulieren, wie schnell wir Glukose verdauen. Auf diese Weise können wir einen konstanten Blutzuckerspiegel aufrechterhalten und einen plötzlichen Anstieg vermeiden. Im Folgenden sind einige Techniken aufgeführt, die man anwenden kann, um die Verdauungsgeschwindigkeit zu regulieren:

  • Versuchen Sie, Lebensmittel mit einem niedrigen GI und einem hohen Ballaststoffgehalt zu essen. Diese Lebensmittelauswahl verlangsamt die Verdauungsrate, da diese Lebensmittel weniger verdauliche Kohlenhydrate enthalten.
  • Langsam essen. Wenn wir langsam essen, können wir besser überwachen, wie viel wir konsumieren. Diese Essgewohnheit kann sicherstellen, dass wir nicht zu viel essen.
  • Wählen Sie komplexe Mahlzeiten. Betrachten Sie komplexe Kohlenhydrate als einfachen Zucker für Mahlzeiten, um den Verdauungsprozess zu verlangsamen. Unser Körper nimmt einfachen Zucker wie weißen Reis oder Weißbrot schnell auf. Diese schnelle Verdauungsgeschwindigkeit kann einen plötzlichen Blutzuckerspiegel verursachen.

Abschließende Gedanken

Glukose ist die primäre Energiequelle für fast alle Zellen in unserem Körper. Wenn der Blutzuckerspiegel jedoch lange Zeit hoch bleibt, können verschiedene gesundheitliche Probleme auftreten.

Daher sollten Diabetiker verstehen, wie Glukose in unsere Zellen gelangt und dort verwendet wird. Mit diesem Wissen können sie ihren Blutzuckerspiegel besser regulieren und übermäßige Glukosespitzen vermeiden.

Verweise

1. Chen LQ, Cheung LS, Feng L, Tanner W, Frommer WB. Transport von Zucker. Annu. Rev. Biochem. 2015 Jun 2;84(1):865-94. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060614-033904. 

2. Richter EA, Hargreaves M. Übung, GLUT4 und Glukoseaufnahme der Skelettmuskulatur. Physiologische Übersichten. 1. Juli 2013; 93(3):993-1017. DOI: https://doi.org/10.1152/physrev.00038.2012. 

3. Gurung P, Zubair M, Jialal I. Plasmaglukose. StatPearls. 23. November 2022. Bücherregal-ID: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk541081/.

4. Hwang JJ, Jiang L, Sanchez Rangel E, Fan X, Ding Y, Lam W, Leventhal J, Dai F, Rothman DL, Mason GF, Sherwin RS. Glykämische Variabilität und Glukosespiegel im Gehirn bei Typ-1-Diabetes. Diabetes. 1. Jan. 2019;68(1):163-71. DOI: https://doi.org/10.2337/db18-0722. 

5. Mulukutla BC, Yongky A, Le T, Mashek DG, Hu WS. Regulation des Glukosestoffwechsels – eine Perspektive aus der Zellbioprozessierung. Trends in der Biotechnologie. 1. August 2016;34(8):638-51. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.04.012. 

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7. Navale AM, Paranjape AN. Glukosetransporter: physiologische und pathologische Rollen. Biophysikalische Übersichten. 2016 März;8(1):5-9. DOI: https://doi.org/10.1007%2Fs12551-015-0186-2. 

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10. Nakrani MN, Wineland RH, Anjum F. Physiologie, Glukosestoffwechsel. In: StatPearls [Internet]. Schatzinsel (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan. Bücherregal-ID: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK560599/. 

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12. Tabák AG, Herder C, Rathmann W, Brunner EJ, Kivimäki M. Prädiabetes: ein Zustand mit hohem Risiko für die Entwicklung von Diabetes. Die Lanzette. 16. Juni 2012;379(9833):2279-90. DOI: https://doi.org/10.1016/s0140-6736(12)60283-9. 

13. Berbudi A, Rahmadika N, Tjahjadi AI, Ruslami R. Typ-2-Diabetes und seine Auswirkungen auf das Immunsystem. Aktuelle Diabetes-Reviews. Mai 2020;16(5):442. DOI: https://doi.org/10.2174/1573399815666191024085838.

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15. Bonora M, Patergnani S, Rimessi A, De Marchi E, Suski JM, Bononi A, Giorgi C, Marchi S, Missiroli S, Poletti F, Wieckowski MR. ATP-Synthese und -Speicherung. Purinerge Signalisierung. 2012 Sep;8(3):343-57. DOI: https://doi.org/10.1007/s11302-012-9305-8. 

16. Keating E, Martel F. Antimetabolische Wirkungen von Polyphenolen in Brustkrebszellen: Fokus auf Glukoseaufnahme und Stoffwechsel. Grenzen in der Ernährung. 16. April 2018; 5:25. DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2018.00025. 

Author: Ahmed Huang

Official staff of Sinocare.

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