Das Hormon Insulin stellt die hauptsächliche physiologische Antwort auf Nahrungs- und Kohlenhydrataufnahme im tierischen und menschlichen Organismus dar. Insulin signalisiert die Verfügbarkeit von Nährstoffen an die peripheren Gewebe. Die prominenteste Wirkung ist dabei die Induktion der Glukoseaufnahme in Fett- und Muskelzellen – Insulin hat darüber hinaus jedoch ein weites, heterogenes Wirkungsspektrum auf alle Zelltypen des menschlichen Körpers.

Insulin gehört zur Familie der insulinähnlichen Peptide (auch genannt Insulin-IGF-Relaxin-Familie).1) Die Gene dieser Familie sind evolutionär verwandt. Sie exprimieren folgende Peptide:

• Proinsulin, ein Vorläuferpeptid, das enzymatisch zu Insulin verarbeitet wird
• die insulinähnlichen Wachstumsfaktoren IGF-1 und IGF-2, zwei Hormone, die vor allem den Stoffwechsel der Kohlenhydrate und Proteine beeinflussen2)
• Relaxin, ein Peptid mit ungewisser Funktion, das beim Menschen vor allem in Ovarien und Hoden exprimiert wird
• der relaxinähnliche Faktor RLF, auch genannt insulinähnlicher Faktor 3 bzw. InsL3, mit ungewisser Funktion3)
• Placentin, ein Botenstoff, der das Wachstum der Plazenta moduliert4)

Die β-Zellen der Bauchspeicheldrüse sind gleichzeitig Sensoren für den Blutzucker und Produzenten von Insulin, welches in ihrem Inneren in Vesikeln gelagert wird. Bei steigender Blutglukosekonzentration nehmen die β-Zellen Glukose über den Glukosetransporter GLUT-2 auf und reagieren auf die Anwesenheit dieser Glukose mit der Ausschüttung von Insulin.

Neben diesem hauptsächlichen Regulationsmechanismus reagieren die β-Zellen auch auf die Anwesenheit diverser Aminosäuren und Fettsäuren mit der Produktion und Ausschüttung von Insulin. Auch einige Hormone bewirken eine Insulinausschüttung, vor allem die Inkretinhormone GIP und GLP-1, welche bei Verdauungsaktivität des Darmes freigesetzt werden.

Insulinregulierte Glukoseaufnahme in eine Muskelzelle

GLUT-4 wird ausschließlich in Adipozyten und den Zellen des Herzens und der Skelettmuskulatur exprimiert. Im Basalzustand besitzt die Membran dieser Zellen eine sehr geringe Anzahl von Glukosetransportern. GLUT-4-Proteine befinden sich stattdessen in isolierten Vesikeln im Inneren der Zellen. Erst durch spezielle Aktivierungsmechanismen, zum Beispiel Insulin, werden diese Membranvesikel mobilisiert, verschmelzen mit der Zellmembran und erlauben den GLUTs, Glukose in die Zellen aufzunehmen. Dieser Vorgang steigert die Rate der Glukoseaufnahme um den Faktor 10 im Vergleich zu basalen Verhältnissen. Einströmende Glukose wird schnell vom Enzym Hexokinase zu Glukose-6-Phosphat umgewandelt und kann so nicht mehr von GLUT-4 aus der Zelle heraustransportiert werden. Sobald der auslösende Stimulus abgeklungen ist, werden die Glukosetransporter wieder aus der Zellmembran entfernt und weiterhin in Membranvesikeln im Zellinneren gelagert.

Muskel- und Fettgewbe stellen die größten Glukoseverbraucher im menschlichen Körper dar. Ohne eine präzise Regulation würden sie ununterbrochen und unkontrolliert Glukose aus dem Blut aufnehmen. Der dadurch absinkende Blutzuckergehalt würde eine Unterversorgung des restlichen Organismus bewirken.

Insulin nimmt in der Diskussion um die Blutzuckerregulation eine äußerst prominente Rolle ein, es ist jedoch bei weitem nicht der einzige Regulator:

• Insulin - Der aktivierte Insulinrezeptor (InsR oder IR) induziert mehrere umfangreiche Signalwege, unter anderem den sogenannten PI3K-Weg, der das Membranprotein PKB (Proteinkinase B) aktiviert. PKB dient als Membrananker und bewirkt, dass Vesikel mit dem ansonsten in der Zelloberfläche nicht vorhandenen GLUT-4 mit der Zellmembran verschmelzen können.
  
  
• IGF-1 wirkt über Wechselwirkungen mit dem Insulinrezeptor, durch Aktivierung des IGF-Rezeptors und des IGF-Insulin-Hybridrezeptors. Insulin und IGF-1 lösen teilweise identische Signalkaskaden (PI3K) aus, die eine Aktivierung der GLUT-4-Vesikel bewirken.
  
  
• Muskelkontraktion - (Sportliche) Muskelarbeit löst auch in Abwesenheit von Insulin oder IGF-1 eine erhebliche Glukoseaufnahme via GLUT-4 in Muskelzellen (aber nicht in Fettzellen) aus. Dabei sind folgende Mechanismen von Bedeutung:
  
  
  • Hypoxie – (Sauerstoffmangel).5) Ein Zustand der Hypoxie wird meist durch starke Kontraktion und damit verbundene Minderdurchblutung ausgelöst.
    
    
  • Intrazelluläres Calcium (Ca²⁺) - Calcium ist der hauptsächliche molekulare Auslöser der Muskelkontraktion. Jede Muskelaktivität resultiert in einer Erhöhung des intrazellulären Ca²⁺-Gehalts. Ca²⁺ ist dabei auch ein potenter Induktor der Proteinsynthese, des Muskelwachstums und nicht zuletzt auch ein wichtiger Signalvermittler für die GLUT-4-Translokation.6)
    
    
  • pH-Wert Bei der Muskelkontraktion anfallende Metaboliten verschieben das Milieu des Cytosols in den sauren bereich.7)