Gehirn, Glukose und Ketonkörper: Ein komplexer Stoffwechsel

Der menschliche Körper, insbesondere das Gehirn, benötigt eine stetige Energiezufuhr, um seine vielfältigen Funktionen aufrechtzuerhalten. Glukose, ein einfaches Kohlenhydrat, dient üblicherweise als primäre Energiequelle. Unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise bei längerer Nahrungskarenz, einer ketogenen Ernährung oder intensiver körperlicher Aktivität, kann der Körper jedoch auf alternative Energiequellen zurückgreifen, insbesondere auf Ketonkörper. Dieser Artikel beleuchtet den komplexen Stoffwechsel von Glukose und Ketonkörpern im Gehirn und untersucht die Auswirkungen verschiedener Ernährungsstrategien und Stoffwechselzustände auf die Gehirnfunktion.

Glukose als primäre Energiequelle des Gehirns

Normalerweise wird unser Körper durch Glukose mit Energie versorgt. Kohlenhydrate sind der Haupttreibstoff für unseren Stoffwechsel. Glukosemoleküle werden als Glykogen in Leber und Muskelgewebe gespeichert. Das Gehirn deckt seinen hohen Energiebedarf hauptsächlich durch den Abbau von Glukose. Die Glykolyse, der Abbau von Glukose, kommt bei Glukosemangel zum Erliegen.

Ketonkörper als alternative Energiequelle

Wenn die Konzentration von Glukose sinkt, können unsere Zellen auf alternative Energiequellen wie Fettsäuren umsteigen. Allerdings kann das Gehirn Fettsäuren nicht direkt zur Energiegewinnung nutzen, da Fettsäuren die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden können. Stattdessen können Fettsäuren in sogenannte Ketonkörper umgewandelt werden, die das Gehirn während des Fastens oder bei Glukosemangel verwenden kann. Ketonkörper sind Energieträger, die bei kataboler Stoffwechsellage und Glucosemangel synthetisiert werden.

Ketogenese: Die Produktion von Ketonkörpern

Die Synthese von Ketonkörpern, die Ketogenese, erfolgt in den Mitochondrien der Leberzellen. Freie Fettsäuren werden zur Leber transportiert, wo sie in Acyl-CoA aktiviert und durch die β-Oxidation in separate Acetyl-CoA-Moleküle gespalten werden. Wenn wenig Glukose verfügbar ist, werden diese in Ketone umgewandelt. Die Leber katalysiert die Ketogenese.

Die wichtigsten Ketonkörper sind:

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• Acetoacetat
• β-Hydroxybutyrat (BHB)
• Aceton

Acetoacetat und β-Hydroxybutyrat gelangen über das Blut in extrahepatische Gewebe, wo sie gebraucht werden (z.B. Muskel, Gehirn) und werden dort wieder in Acetyl-CoA umgewandelt, welches in den Citratzyklus eintritt und ATP generiert. Manche der Acetone werden nicht-enzymatisch in Aceton konvertiert, welches über die Lunge abgeatmet wird. Zusätzliche Ketone werden über den Urin ausgeschieden, bevor sie ihre Zielgewebe erreichen.

Der Citratzyklus und die Rolle von Acetyl-CoA

Der Citratzyklus ist die Drehscheibe des Stoffwechsels und Acetoacetyl-CoA. Durch einen Glukosemangel kommt es im Endeffekt zum Acetyl-CoA-Mangel. Im Gehirn ist der Acetyl-CoA-Mangel noch ausgeprägter, weil dort Fettsäuren nicht abgebaut werden können.

Ketonkörper-Stoffwechsel im Gehirn

Die Umwandlung von Fettsäuren in Ketonkörper ermöglicht es dem Gehirn, auch bei Glukosemangel ausreichend Energie zu gewinnen. Ketonkörper passieren die Blut-Hirn-Schranke und werden von den Gehirnzellen aufgenommen und zur Energiegewinnung genutzt. Sie können schneller als Glukose vom Gehirn verwertet werden und erzeugen dabei mehr ATP (+ 27%). Sie verbessern den oxidativen Stoffwechsel in den Mitochondrien, was die ATP-Produktion steigert.

Ketonkörper und die Gehirnentwicklung

Während der Entwicklung hat das menschliche Gehirn ebenfalls einen hohen Energiebedarf und ist auf Ketonkörper als hauptsächliche Energiequelle angewiesen. Bisherige Studien haben daher angenommen, dass die Produktion von Ketonkörpern eine wichtige Rolle bei der Vergrößerung des menschlichen Gehirns während der Evolution gespielt hat.

Evolutionäre Perspektive

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Fachzeitschrift eLife untersuchten Michael Hiller, Forschungsgruppenleiter am MPI-CBG, am Zentrum für Systembiologie Dresden und am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, und David Jebb, Postdoc in der Gruppe, das für die Ketonkörperproduktion erforderliche Schlüsselenzym HMGCS2. Überraschenderweise fanden sie, dass dieses Enzym in drei verschiedene Gruppen von Säugetieren während der Evolution verloren gegangen ist: früchtefressende Fledermäuse, Wale und Delfine sowie Elefanten. Bei früchtefressenden Fledermäusen kann der Verlust dieses Enzyms deren Empfindlichkeit gegen Hunger erklären. Tatsächlich sterben diese Fledermäuse oft schon nach mehr als 24 Stunden ohne Nahrungsaufnahme. Im Gegensatz zu diesen Fledermäusen können Delfine und Wale sowie Elefanten längere Zeiten ohne Nahrungsaufnahme überstehen. Dies zeigt, dass sich bei Säugetieren im Laufe der Evolution alternative Strategien zur Versorgung eines „hungerten“ Gehirns entwickelt haben.

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Tatsächlich konnten die Wissenschaftler in dieser Studie zeigen, dass das HMGCS2-Gen zeitlich vor der Gehirnerweiterung bei Delfinen und modernen Elefanten verloren ging. Michael Hiller schlussfolgert: „Dies zeigt, dass im Gegensatz zum Menschen die Ketonkörperproduktion für die Gehirnerweiterung bei anderen Säugetieren nicht wesentlich war.“

Ketogene Ernährung: Eine kohlenhydratarme Strategie

Eine ketogene Ernährungsweise zeichnet sich durch einen hohen Fett- und niedrigen Kohlen - hydrat- sowie Proteinanteil aus. Bei einer ketogenen Ernährung stammen 90% der Kalorien aus fettreichen Nahrungsmitteln. Proteine machen in der Regel nicht mehr als 1 g/kg Körpergewicht aus und Kohlenhydrate sind auf ein Minimum begrenzt, meist zwischen 30 und 50 g pro Tag.

Ketose: Der Stoffwechselzustand

Unter Ketose versteht man einen Stoffwechselzustand, bei dem der Körper seine Energie aus Fett gewinnt. Sie ist deshalb für ErnährungswissenschaftlerInnen ebenso interessant wie für Laien, die etwas für ihre Gesundheit tun und, oder gerne abnehmen möchten. Je mehr Ketonkörper im Blut sind, desto mehr gelangen auch durch die Zellwände in die Organe. Nach und nach „lernen“ die Zellen, die Ketonkörper mithilfe von Enzymen in Energie umzuwandeln: Der Stoffwechsel hat von Zuckerverbrennung auf Fettverbrennung umgeschaltet.

Anwendung der ketogenen Ernährung

Ketogene Diäten sind ein möglicher Behandlungsansatz für therapierefraktäre Epilepsien. Über die Epilepsien hinaus gibt es aus Tierversuchen Hinweise, dass die ketogene Diät die Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen beeinflussen kann. Eine Stabilisierung der Zellhomöostase und ein antiinflammatorisches Milleu könnten hier eine Rolle spielen. Als Therapie für medikamentenresistente Epilepsie im Kindes- und Jugendalter ist eine ketogene Ernährung (unter strenger ärztlicher Aufsicht) inzwischen weltweit anerkannt, doch auch Erwachsene scheinen davon zu profitieren.

Mögliche Vorteile der Ketose

• Entzündungshemmende Wirkung: Wer sich extrem kohlenhydratarm ernährt, könnte damit Entzündungs­reaktionen im Gehirn vermindern.
• Neuroprotektive Wirkung: Auch bei der Vorbeugung und Therapie neurodegenerativer Erkrankungen wie Morbus Parkinson, Multiple Sklerose und Alzheimer könnte die Ketose eine wichtige Rolle spielen, da eine erhöhte Autophagie die Zerstörung von Nervenzellen hemmt, wie eine Studie mit Versuchstieren vermuten lässt.
• Verbesserung der kognitiven Funktion: Viele Fastende berichten außerdem von einem erhöhten Energielevel, mehr geistiger Klarheit und einer verbesserten Konzentrationsfähigkeit.
• Aktivierung der Autophagie: Einer der vielen positiven Effekte der Ketose ist die Aktivierung der Autophagie: der Abbau und das Recycling beschädigter Zellbestandteile zur Energiegewinnung.

Mögliche Risiken und Nebenwirkungen

• Keto-Grippe: Die Umstellung des Stoffwechsels auf Fettverbrennung kann zu vorübergehenden Nebenwirkungen führen, die als „Keto-Grippe“ bekannt sind.
• Nährstoffmangel: So kritisieren ErnährungswissenschaftlerInnen den hohen Gehalt an tierischem Eiweiß und teilweise auch an gesättigten Fetten und verweisen auf die Gefahr eines Nährstoff- und Ballaststoffmangels aufgrund der unausgewogenen Ernährung. Im schlimmsten Fall kann dies sogar zu Nierenschäden führen.
• Ketoazidose: Insbesondere bei Menschen, die an Diabetes Typ I leiden, besteht darüber hinaus die Gefahr einer sogenannten Ketoazidose, einer Übersäuerung des Bluts durch die Ansammlung von Ketonkörpern, die unbehandelt zum diabetischen Koma führen kann. Allerdings darf man die Ernährungsketose nicht mit der Ketoazidose verwechseln.
• Gedeihstörung: Gedeihstörung (extrem kohlenhydratarme Ernährung) auftritt, bei der die Glukosereserven aufgebraucht sind und die Ketogenese dramatisch zunimmt.

Überwachung der Ketose

• Urintest: Der Urintest ist die preiswerteste und zugleich am leichtesten anzuwendende Methode zur Überwachung der Ketose. Die Messung erfolgt dabei mit den oben schon erwähnten Keto-Sticks, Teststreifen, die sich bei Gebrauch verfärben und den Gehalt an Ketonen im Urin anzeigen.
• Atemtest: Ein Atemtest, bei dem der Acetongehalt der ausgeatmeten Luft gemessen wird, ist genauer, erfordert aber ein spezielles Messgerät.
• Bluttest: Noch exakter ist der Bluttest. Dabei entnimmt man mit einer Lanzette eine kleine Menge Blut aus der Fingerkuppe, bringt sie auf einen Teststreifen auf und steckt diesen in ein Messgerät. Gemessen wird hier der Anteil an Beta-Hydroxybutyrat.

Exogene Ketone: Eine Ergänzung zur Ketose?

Exogene Ketone wie β-Hydroxybutyrat (BHB) sind für den Körper und das Gehirn schneller verfügbar als Ketone, die durch eine ketogene Diät oder Fastenkur gebildet werden. Exogene Ketone ermöglichen es, Ketonkörper direkt über die Verdauung ins Blut zu bringen, ohne dass auf Kohlenhydrate verzichtet werden muss. Sie werden vom Körper und Gehirn bevorzugt als Energiequelle genutzt, sobald sie verfügbar sind. Durch die Aufnahme von exogenen Ketonen stehen diese dem Körper schnell als Energiesubstrat zur Verfügung, wodurch eine nachweisliche Ketose erreicht werden kann, selbst bei einer normalen Ernährung mit Kohlenhydraten.

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Vorteile von exogenen Ketonen

• Schnelle Energieversorgung: Exogene Ketone bieten eine schnelle und effiziente Energiequelle für Körper und Gehirn.
• Erleichterung des Einstiegs in die Ketose: Sie können den Einstieg in die Ketose erleichtern und die Wahrscheinlichkeit für Nebenwirkungen reduzieren.
• Appetitregulierung: Ihre appetitregulierende Wirkung erleichtert zusätzlich die Reduktion von Kohlenhydraten.

Anwendung von exogenen Ketonen

Exogene Ketone können als präventive Ergänzung oder zur Leistungssteigerung der kognitiven oder physischen Performance täglich eingenommen werden. Um den energieliefernden Effekt zu nutzen, bietet sich die Einnahme etwa 30 Minuten vor dem Sport oder einer Fokus-Zeit an. Ketone können nüchtern, zwischendurch anstelle eines Snacks oder zu einer Mahlzeit eingenommen werden. Zur Schlafoptimierung ist eine Einnahme abends vor dem Schlafengehen möglich.

Einschränkungen von exogenen Ketonen

Dass diese im Leistungssport beliebten Supplemente, exogene Ketone genannt, dieselben positiven Wirkungen haben wie die vom Körper selbst produzierten (endogenen) Ketonkörper und dass ihre Anwendung so wirksam und sicher ist, wie die Anbieter behaupten, konnte jedoch bislang nicht überzeugend belegt werden.

Fasten als Weg zur Ketose

Eine nachweislich gesunde, sichere und hochwirksame Methode zur Erreichung der Ketose ist das Fasten - entweder in Form des klassischen Heilfastens in einem klinischen Umfeld oder mit dem neuen „Zu-Hause-Programm“, der Buchinger Wilhelmi FASTENBOX. Diese erlaubt im Vergleich zum herkömmlichen Fasten eine etwas höhere Kalorienzufuhr von etwa 600 kcal pro Tag, enthält jedoch zugunsten von pflanzlichem Eiweiß und gesunden Fetten eine streng begrenzte Menge an Kohlenhydraten.

Vorteile des Fastens

• Gewichtsabnahme: Viele Menschen profitieren beim Fasten nicht nur von einer sichtbaren Gewichtsabnahme, sondern insbesondere vom Schwinden des viszeralen Fetts, d.h. des Bauchfetts, das die inneren Organe - vor allem die Verdauungsorgane - umgibt. Es produziert unter anderem ungesunde Fettsäuren und entzündungsfördernde Botenstoffe, die das Risiko für Diabetes Typ II, nichtalkoholische Fettleber und Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen.
• Aktivierung der Autophagie: Einer der vielen positiven Effekte der Ketose ist die Aktivierung der Autophagie: der Abbau und das Recycling beschädigter Zellbestandteile zur Energiegewinnung.

Vorbereitung auf das Fasten

Um den Körper auf die Stoffwechselumstellung vorzubereiten und Kopfschmerzen vorzubeugen, sollten Sie schon etwa eine Woche vor Programmbeginn den Konsum von Suchtmitteln wie Alkohol, Kaffee und/oder Nikotin sowie raffiniertem Zucker reduzieren. Sehr wichtig sind auch die Entlastungstage - maximal zwei Übergangstage zur Einstimmung. Nehmen Sie an diesen Tagen nur leichte Kost in kleinen Portionen zu sich (z.B. gedünstetes Gemüse, Obst und Joghurt). Alkohol und Nikotin sind ab sofort tabu.

Beeinflussung von Entzündungsreaktionen im Gehirn

San Francisco - Wer sich extrem kohlenhydratarm ernährt, könnte damit Entzündungs­reaktionen im Gehirn vermindern. Wie Forscher der University of California berichten, könnte der zugrunde liegende Mechanismus möglicherweise auch medikamentös simuliert werden.

Experimentelle Studien mit 2-Deoxyglukose

In ihrer Studie nutzten die Forscher das Molekül 2-Deoxyglukose. Der Stoff ist ein kompetitiver Antagonist zu Glukose und blockiert die Bindungsstelle der Hexokinase. So kann der Stoff einen Glukosemangel in der Zelle simulieren. Die Forscher verabreichten Ratten diesen Zucker. Durch eine intraperitoneale Injektion von Polysacchariden lösten die Forscher eine künstliche Entzündung bei den Ratten aus. Diese führte auch im Gehirn zu einer Aktivierung der Mikroglia, den Immunzellen des Gehirns. Die Forscher konnten den Entzündungszustand in histopathologischen Hirnschnitten nachweisen.

Durch die Gabe der 2-Deoxyglukose konnten sie diese Entzündungsreaktion unterdrücken. Die Wissenschafter untersuchten in weiteren Experimenten den Grund für die reduzierten Entzündung: Durch die Gabe der Deoxyglukose kam es zu einer Verringerung des NADH/NAD+ Verhältnis im Zytosol. Dies aktivierte in der Zelle das C-terminal-binding protein (CtBP).

Die Forscher stellten fest, dass dieses Protein für die Unterdrückung der Inflammation verantwortlich war. 2-Deoxyglukose ist jedoch in höheren Konzentrationen für Säugetiere toxisch. In einem zweiten Versuch synthetisierten die Forscher daher ein Peptid, welches CtBP direkt aktivieren konnte. So gelang es den Wissenschaftlern, durch eine Simulation des ketogenen Zustands die Inflammation zu unterdrücken.

Schwer kranke Patienten sind häufig nicht in der körperlichen Verfassung, ketogen ernährt zu werden. Daher ist die Entwicklung von Medikamenten, die den ketogenen Zustand simulieren können, von großem Interesse.

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