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Wenn die Pfunde wachsen –
molekulare Ursachen und psychosoziale Faktoren
14. Leibniz-Kolleg Potsdam am 26. und 27. Mai 2010
Übergewicht entsteht immer dann, wenn man dauerhaft mehr Energie über Essen und Trinken aufnimmt, als man verbraucht. Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang auch von einer positiven Energiebilanz. Sie wird besonders durch Lebensbedingungen begünstigt, die durch Nahrungsüberfluss und wenig körperliche Arbeit geprägt sind. In der Tat hat das Angebot schmackhafter energiereicher Lebensmittel in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Süße Snacks und Getränke, gehaltvolle Pizza, Fast Food und Fertigprodukte sättigen wenig und liefern jede Menge Kalorien. Gleichzeitig sorgt der technische Fortschritt dafür, dass wir uns im Alltag immer weniger bewegen.
„Aber nicht nur äußere Faktoren beeinflussen unser Körpergewicht. Wie Familienstudien belegen, spielt auch unser Erbgut zu einem nicht unerheblichen Teil eine Rolle“, erklärt Hans-Georg Joost, wissenschaftlicher Direktor des Deutschen Instituts für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke (DIfE). Derzeit gehen Wissenschaftler davon aus, dass weit mehr als 50 Gene an der Entstehung von Übergewicht und Adipositas, der Fettsucht, beteiligt sind.
Unstillbarer Hunger und massives Übergewicht
Den entscheidenden Durchbruch bei der Suche nach den molekularen Ursachen für Übergewicht lieferten die Forschungsergebnisse von Jeffrey M. Friedman bereits im Jahr 1994. Der an der Rockefeller Universität in New York, USA, arbeitende, mehrfach ausgezeichnete Mediziner und Wissenschaftler identifizierte das Hormon Leptin als wichtigen Regulator des Hunger-Sättigungsgefühls. Er beobachtete zunächst an Mäusen, dass ein angeborener Leptin-mangel zu unstillbarem Hunger und massivem Übergewicht führt. Später konnte er zeigen, dass die Ergebnisse auch auf den Menschen übertragbar sind. Defekte im Leptin-Gen oder im zugehörigen Rezeptor sind beim Menschen zwar selten, führen aber hier genauso wie bei der Maus zu ungezügeltem Essverhalten und Adipositas. Die Entdeckung dieses bis zum damaligen Zeitpunkt unbekannten Regulationsprinzips brachte die Untersuchungen zu den biologischen Mechanismen von Hunger und Sättigung entscheidend voran. Nach nunmehr 16 Jahren intensiver Forschungsarbeit gehen die Wissenschaftler davon aus, dass ein bestimmtes Netzwerk im Hirnstamm die Nahrungsaufnahme kontrolliert und dass Störungen dieses Systems krankhaftes Übergewicht begünstigen. Dennoch sind bei weitem noch nicht alle Details bekannt.
Nahrungsauswahl und Geschmackempfinden
Für die Nahrungsauswahl spielt auch das Geschmacksempfinden eine große Rolle. Zu den weltweit führenden Wissenschaftlern, die den Geschmackssinn auf molekularer Ebene erforschen, zählt Wolfgang Meyerhof, Leiter der Abteilung Molekulare Genetik am DIfE. „Die molekularen Zusammenhänge der Geschmacks- wahrnehmung werden erst seit etwa zehn Jahren verstärkt untersucht“, sagt Meyerhof. „Daher ist noch viel Grundlagenforschung zu leisten, um zu verstehen, wie der Geschmackssinn unser Essverhalten beeinflusst“. Eine direkte Beziehung zwischen Variationen im Erbgut und der unterschiedlichen Wahrnehmung von Bitterstoffen konnte Meyerhofs Arbeitsgruppe bereits auf molekularer Ebene nachweisen.
Unabhängig davon hätten Unterschiede im Geschmacksempfinden aber auch vielfältige andere Ursachen. Auch soziale, kulturelle oder psychologische Faktoren spielten eine wichtige Rolle.
Text: Dr. Gisela Olias, Deutsches Institut für Ernährungsforschung
Leptin and the biologic basis of obesity
Prof. Jeffrey Friedman, Rockefeller University, New York/USA
Jeffrey Friedman´s Entdeckung des Peptidhormons Leptin war ein entscheidender Schritt zur Erkennung der Ursachen von Fettleibigkeit. Friedman konnte zeigen, dass die menschlichen Fettspeicher dank eines stabilen physiologischen Regelsystems ständig auf einem relativ konstanten Level gehalten werden.
Leptin wird vom Fettgewebe im Verhältnis zu seiner Masse freigesetzt. Das Hormon zirkuliert im Blut und wirkt wie ein Signalstoff auf den Hirnstamm (Hypothalamus), das wohl wichtigste Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems, um die Nahrungsaufnahme und die Energiebilanz zu regulieren.
Sinkt die Körperfettmasse, sinkt auch der Leptinspiegel im Blutplasma, regt den Appetit an und unterdrückt den Energieumsatz bis wieder genügend Körperfettmasse angespeichert ist. Nimmt die Körperfettmasse hingegen zu, steigt auch der Leptinlevel an und führt dazu, dass der Appetit solange unterdrückt wird bis Gewicht verloren ist. Bei diesem Regulationsmechanismus werden die gesamten Energiespeicher in einem relativ engen Bereich stabil gehalten.
Zu Störungen des Regelkreises, die zu massivem Übergewicht führen, kommt es, wenn die Mutationen im Leptin-Gen auf beiden Allelen auftreten. Dies wurde zunächst bei Mäusen inzwischen auch bei einigen Menschen nachgewiesen.
Ein genetisch bedingter geringer Leptinspiegel, der allerdings bei Menschen nur sehr selten auftritt, kann mittlerweile behandelt werden: mit so genannten rekombinantem Leptin. Als rekombinant bezeichnet man Proteine, die künstlich mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen oder in Zellkulturen hergestellt werden. Die Behandlung mit diesem Leptin reduziert deutlich die Nahrungsaufnahme und das Körpergewicht.
Geringe Leptinspiegel bei Patienten mit Mutationen im Leptin-Gen können der Grund für zahlreiche unterschiedliche Anomalien sein wie Unfruchtbarkeit, Diabetes oder Immunanomalien. Sie alle können mit einer Leptinbehandlung korrigiert werden.
Diese Forschungsergebnisse haben gezeigt, wie eng unser Energiespeicher mit vielen anderen physiologischen Systemen zusammenhängt. Sie haben auch die Grundlagen für die Behandlung einer steigenden Anzahl von unterschiedlichen Krankheitsbildern geschaffen. Dazu gehören ausgewählten Formen von Fettleibigkeit, Formen von Diabetes z.B. Lypodystrophie und hypothalamischer Amenorrhö (Zyklusunregelmäßigkeiten durch Störungen des Hormonhaushaltes im Zwischenhirn), das Einstellen der Menstruation, die bei extrem dünnen Frauen beobachtet worden ist.
Letztlich hat diese Forschung das Konzept von der Ursache für Fettleibigkeit grundlegend verändert: Von einer Fehlfunktion des Willens zu einer Wechselabfolge der Hormon-Signale.
Genetische Grundlagen der Nahrungsauswahl: Bestimmen unsere Erbanlagen, wie viel und was wir essen?
Prof. Dr. Hans-Georg Joost,
Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke
Das Essverhalten des Menschen wird nicht nur durch kulturelle und kognitive, sondern auch durch genetische Parameter geprägt. Diese Prägung kann ein erhebliches Hindernis sein, wenn wir unser Ernährungsverhalten ändern wollen, um ernährungsbedingten Erkrankungen vorzubeugen. Die Kenntnis der zu Grunde liegenden Mechanismen ist deshalb von großer praktischer Bedeutung.
Unser Körper kontrolliert die aufgenommene Nahrungsmenge mit Hilfe eines biologischen Regelsystems, welches für eine ausgeglichene Energiebilanz sorgt und damit Körpergewicht und Fettspeicher auf eine Stellgröße (Setpoint) einstellt. Schon geringe Abweichungen vom Setpoint lösen eine sehr wirksame Gegenregulation aus: ein komplexes Netzwerk hormoneller Einflüsse modifiziert dann Hunger, Sättigung und Energieabgabe. In diesem Netzwerk spielt das Fettgewebe eine dominierende Rolle, wie Jeffrey Friedman mit seiner bahnbrechenden Entdeckung des Leptin-Gens bewies. Wir wissen heute, dass die Energiebilanz zudem durch die Fettverwertung im Muskel (Fettoxidation) reguliert wird.
An der Regulation von Energiebilanz und Körpergewicht ist eine große Zahl von teilweise noch unbekannten Genen beteiligt. Varianten dieser Gene können die Regulation verstellen; eine kontinuierlich steigende Fettspeicherung ist die Folge. Hans-Georg Joost erläutert diese komplexen Kontrollmechanismen von Hunger, Sättigung, und Fettoxidation sowie ihre genetische Variabilität.
Es gibt zahlreiche Hinweise dafür, dass auch die Bevorzugung bestimmter Nahrungsmittel biologisch bestimmt und genetisch geprägt ist. So findet sich in epidemiologischen Studien ein individuell sehr konstantes Verhältnis von verzehrten Kohlenhydraten und Fett; dabei kann man Personen differenzieren, die Fett oder Kohlenhydrate bevorzugen. Dieser Unterschied in der Nahrungsauswahl kann auf bestimmte Regionen im Genom zurückgeführt werden. Somit ist sehr wahrscheinlich, dass die Bevorzugung von Fett-, Zucker- und Salz-reichen Lebensmitteln und Gerichten (sog. ‚Fast Food’) durch den Menschen eine genetische Grundlage hat.
Koordination des Stoffwechsels durch Gewebshormone
Prof. Dr. Gerhard P. Püschel,
Institut für Ernährungswissenschaft, Universität Potsdam
Die Zellen in den Geweben und Organen unseres Körpers benötigen eine ununterbrochene Zufuhr von Energie, um ihre vielfältigen Aufgaben erfüllen zu können. Diese Energie erhalten sie durch die Oxidation von Substraten, die unserem Körper über die Nahrung zugeführt werden. Da die Zufuhr der Substrate nicht kontinuierlich erfolgt, legt unser Körper Speicher an, aus denen die Substrate bei Bedarf zwischen den Mahlzeiten mobilisiert werden können: Triglyceride im Fettgewebe, Glykogen in Leber und Muskel sowie Protein im Muskel. Die Einspeicherung und Freisetzung von Substraten wird durch die Hormone Insulin und Glucagon aus der Bauchspeicheldrüse sowie durch Adrenalin aus der Nebenniere reguliert. Diese Hormone geben die grobe Richtung vor, sie können aber die Verteilung der unterschiedlichen Substrate zwischen den Organen nicht steuern.
Für die Feinabstimmung der Organfunktionen sowie die Steuerung der Nahrungsaufnahme ist es ferner notwendig, Informationen über den Füllungszustand der einzelnen Speicher zu haben. Die Aufgabe der Koordination der Verteilung und der Information über den Füllungszustand der Speicher übernehmen in den Geweben gebildete Hormone, Organokine. Als erster Vertreter dieser neuen Hormonfamilie wurde von Prof. Friedman das Adipokin Leptin entdeckt, um das es im Hauptvortrag gehen wird. In der Folge wurden eine Reihe weiterer Adipokine, wie das Adiponektin oder das Resistin sowie Gewebshormone anderer Organe wie das Hepatokin FGF21 entdeckt. Im Zusammenspiel mit Insulin, Glucagon und Adrenalin sind die Gewebshormone für die Feinsteuerung und Koordination des Stoffwechsels der Organe verantwortlich.
In diesem Vortrag wird ein Einblick in die Grundprinzipien dieser komplexen Regelkreise nach dem Motto "Fettgewebe an Muskel: Die Fettspeicher sind groß, Du kannst Glucose sparen" gegeben. Es wird dargestellt, wie eine Störung dieser Regelkreise zur Entstehung der Volkskrankheit Typ II Diabetes beitragen kann.
Die Neurobiologie des Schmeckens
Prof. Dr. Wolfgang Meyerhof,
Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke
Der Geschmackssinn dient der Prüfung von Nahrung. Menschen und andere Säuger unterscheiden wenigstens 5 Grundgeschmacksarten, süß, sauer, salzig, bitter und umami (= ’Fleischgeschmack’) von denen jede eine besondere Funktion wahrnimmt. Süß und umami dienen dem Erkennen von Kalorien in Form von Kohlenhydraten und Eiweiß. Salzig ist der Geschmack von Elektrolyten, insbesondere Natrium. Diese Geschmacksqualitäten werden als angenehm empfunden und fördern daher die Aufnahme von Nahrungsenergie, die für alle Lebensäußerungen notwendig ist, sowie lebenswichtiger Mineralien, um ihren permanenten Verlust durch Exkretion auszugleichen. Bitter- und Sauergeschmack erkennen potentielle Toxine und Säuren. Sie werden als unangenehm empfunden und führen daher zur Ablehnung pflanzlicher Gifte und verdorbener, bakteriell zersetzter Nahrung.
Schmecken beginnt im Mund, wo die Geschmacksmoleküle mit chemosensorischen Zellen in Wechselwirkung treten. Für jede Grundgeschmacksart existiert eine eigene Population von Sensorzellen, die nur auf ’ihre’ Geschmacksmoleküle reagieren, aber nicht auf die anderer Qualitäten. Die Sensorzellen sind mit speziellen Rezeptormolekülen ausgestattet. Alle Süßstoffe, so unterschiedlich sie auch sein mögen, binden und aktivieren nur einen einzigen Rezeptor. Mit umami schmeckenden Stoffen ist es ebenso. Der Bittergeschmack hingegen wird durch eine Rezeptorfamilie vermittelt, die im Menschen 25 Mitglieder umfasst. Die größere Rezeptorzahl ermöglicht die Erkennung der sehr zahlreichen Bitterstoffe. Jeder Rezeptor besitzt sein eigenes Bitterstoffprofil. Das Wechselspiel von Süß-, Umami- oder Bitterrezeptoren und Geschmacksmolekülen an der Zelloberfläche induziert biochemische Reaktionskaskaden in den Sensorzellen, die zur Freisetzung von chemischen Botenstoffen führen. Die Rezeptoren des Salz- und Sauergeschmacks bilden Poren in der Zellmembran, durch die Ionen fließen, geladene Teilchen aus Salzen und Säuren. Die Botenstofffreisetzung aus diesen Sensorzellen ist bislang unbekannt.
Die Sensorzellen lagern sich mit anderen Zelltypen zu Gruppen von etwa 100 Zellen zusammen, den Geschmacksknospen, die eigentlichen Geschmacksorgane. Hier wird nicht nur Geschmacksinformation an so genannte afferente Nerven weitergegeben, sondern auch im Zusammenhang mit hormonvermittelten Informationen über die Stoffwechsellage verarbeitet. Die afferenten Nerven verbinden die Chemosensoren des Mundes mit dem Stammhirn. Von hier erreicht die Geschmacksinformation einerseits lokale Nervenzellgruppen, die reflexartig die Speichelproduktion anregen oder Kieferbewegungen stimulieren. Das heißt Geschmacksinformation dient im Stammhirn der Einspeichelung, dem Kauen oder Verschlucken bekömmlicher oder dem Herauswürgen unbekömmlicher Nahrung. Andererseits wird von hier Geschmacksinformation zum primären Geschmacksareal der Großhirnrinde gesendet, wo die Aktivität bestimmter Nervenzellgruppen für die Erkennung und Unterscheidung der Grundgeschmacksarten zuständig ist. Andere Nervenzellen in dieser Region spiegeln andere Vorgänge im Zusammenhang mit der Nahrungsaufnahme wider, wie Zungen- oder Kieferbewegungen, die Ansicht von Nahrung oder auch die taktile Stimulation des Mundes.
Vom primären Geschmacksareal geht es weiter zum weiter vorne gelegenen sekundären Geschmacksareal, ebenfalls einer Region der Großhirnrinde. Hier werden Geruchs-, Geschmacks- und visuelle Eindrücke zu komplexen Aromen verbunden sowie die geschmacksspezifische Sättigung herbeigeführt. Absteigend gelangt Geschmacksinformation von hier in das limbische System, wo der Genusswert festgelegt wird, das Belohnungssystem stimuliert wird und in die den Energiehaushalt regulierenden Zentren eingespeist wird.
Einfluss von Kultur und Psyche auf das Ernährungsverhalten
Petra Warschburger,
Dept. Psychologie, Exzellenzbereich Kognitionswissenschaften der Universität Potsdam
Essen ist eine der fundamentalsten menschlichen Aktivitäten – wir müssen essen, um unser Überleben zu sichern. Die Ernährungspsychologie befasst sich mit der Frage, welche psychologischen Faktoren Einfluss auf unser Ernährungsverhalten nehmen. Trotz der enormen Bedeutung für unser Leben wird das Ernährungsverhalten nicht nur durch biologische Faktoren bestimmt, sondern auch psychosoziale Aspekte nehmen Einfluss darauf, was wir essen (Qualität der Ernährung), wie viel wir essen (quantitativer Aspekt) und wie wir essen (konkretes Essverhalten).
Warum mögen und essen Erwachsene vor allem Nahrungsmittel, die sie in ihrer Kindheit kennengelernt haben? Auf welche Art und Weise beeinflussen die Eltern das Ernährungsverhalten ihrer Kinder? Verändert sich unser Ernährungsverhalten in Gesellschaft anderer? Beeinflusst unsere Stimmung, was wir zu uns nehmen? Unterscheiden sich Menschen darin, wie sehr solche Faktoren ihr Ernährungsverhalten beeinflusst? Gibt es alters- oder gewichtsbedingte Unterschiede? Die Frage nach der Steuerung unseres Ernährungsverhaltens spielt gerade auch in unserer industrialisierten Gesellschaft, die durch Nahrungs- mittelüberfluss und Nahrungsvielfalt gekennzeichnet ist, eine zentrale Rolle.
Im Rahmen des Vortrags sollen in Anlehnung an den ökosystemischen Ansatz von Bronfenbrenner verschiedene Einflussfaktoren auf das Ernährungsverhalten diskutiert werden. Dabei wird zwischen individuellen Faktoren wie zum das Alter oder Gewicht, der unmittelbaren sozialen Umgebung, wie zum Beispiel Eltern oder Freunde sowie gesellschaftlichen Faktoren wie die kulturelle Umgebung unterschieden.
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