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3.1.1 Steuerung und Regelung

Steuern ist ein Vorgang bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen in einem System andere Größen als Ausgangsgrößen beeinflussen. Die Beeinflussung ist von den Gesetzmäßigkeiten des Systems abhängig.

Betrachten wir einen Gleichspannungsmotor. Über den Strom steuern wir die Drehzahl, das heißt wenig Strom geringe Drehzahl, großer Strom hohe Drehzahl. Bei diesem Beispiel ist der Strom die Eingangsgröße, die Drehzahl ist die Ausgangsgröße. Durch eine Veränderung der Eingangsgröße (Strom) kann die Ausgangsgröße (Drehzahl) verändert werden. Im Idealfall würde bei einem konstanten Strom die Umdrehungszahl konstant bleiben.
Kommt es aber zu einer Änderung des Lastverhaltens, mehr Gewicht muss gezogen werden, dann ändert sich die Umdrehungszahl. Alle Größen die eine Veränderung der Ausgangsgrößen nach sich ziehen werden als Störgrößen bezeichnet. Dies können externe Faktoren wie eine Laständerung oder auch interne Faktoren wie eine Änderung der Impedanz (Innenwiderstand) sein. Kennzeichnend für eine Steuerung ist der offene Wirkungsablauf, Störgrößen werden nicht berücksichtigt.

Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe die ganze Zeit erfasst wird, mit einer Führungsgröße verglichen wird und entsprechend an die Führungsgröße angeglichen wird. Der Wert der Führungsgröße ist der Sollwert, der aktuell gemessen Wert ist die Istgröße, die zu regelnde Größe ist die Regelgröße.
Für unser Beispiel bedeutet dies, dass ein Messmechanismus (Drehzahlmessgerät) angebracht werden muss. Über dieses Messgerät kann die Spannung nach Bedarf geregelt werden. Wenn die Führungsgröße konstant ist, wird von einem Festwertregler gesprochen. Wenn sich die Führungsgröße ändert, aufgrund von äußeren oder inneren Beeinflussungen, spricht man von einem Folge- oder Zeitplanregler.
Kennzeichnend für eine Regelung ist der Sollwert-Istwert-Vergleich, der laufend in einem geschlossenem Wirkungskreislauf durchgeführt wird.

Abbildung 3.5: Die Rückkopplung bei einer Regelung.

In der oberen Graphik 4.1 sehen wir ein Blockschaltbild eines Regelkreislaufes. Wesentlich ist die Invertierung des Istwerts (x Þ -x). Damit kann eine Differenz e=w?x gebildet werden. Die Regeldifferenz wird nun für das Stellglied in geeigneter Weise umgewandelt, die Stellgröße, und wirkt solange auf den Effektor (Heizung, Motor usw.) bis der Istwert gleich dem Sollwert ist. Das entspricht einer Gegenkopplung (negative Rückkopplung) und die Differenz zwischen Soll- und Istwert wird geringer. Würde die Rückkopplung mit einem positiven Vorzeichen durchgeführt werden, ergäbe dies eine Mitkopplung (positive Rückkopplung) und die Störgrößen würden noch weiter verstärkt werden.

 


3.1.3 Regulation des Körpergewichts

Die Hauptaufgabe des Essens liegt in der Versorgung des Körpers mit Energie und Baustoffen. Der Energieverbrauch im Körper ist kontinuierlich, während die Nahrungsmittelzufuhr punktuell stattfindet. Deshalb wird ein Teil der Nahrung gespeichert. Die größte Speicherkapazität besitzt Fett, das ungefähr 85% der Energiereserven darstellt. Glucogen mit 0.5% und Proteine mit 14.5% haben nur eine untergeordnete Rolle in der Nahrungsmittelspeicherung.

Man unterscheidet 3 verschiedene Phasen der Verdauung:

cephalische Phase
resorptive Phase
Fastenphase

Die cephalische Phase dient dazu, den Körper auf die bevorstehende Nahrung vorzubereiten. Durch das Sehen und Riechen der Speisen wird unter anderem der Speichelfluss angeregt. In der resorptiven Phase wird der aktuelle Energiebedarf gedeckt und Reserven für "schlechte" Zeiten angelegt. Während der Fastenphase greift der Körper auf die gespeicherten Energieformen zurück. Diese Steuerung geschieht durch die beiden Hormone Insulin und Glucagon. Während der ersten beiden Phasen wird vor allem das Insulin ausgeschieden, während in der Fastenphase vermehrt das Glucagon ausgeschüttet wird. Eine hohe Glucagonkonzentration im Körper führt zur Freisetzung von freien Fettsäuren aus dem Fettgewebe. Das Insulin hingegen sorgt für eine Verwertung von Glucose, die Glucose wird in Glycogen und Fett umgewandelt, Aminosäuren werden in Proteine umgewandelt, Das Glycogen wird in der Leber und der Muskulatur, das Fett im Fettgewebe und Proteine in der Muskulatur gespeichert.

Das Hormon Insulin regelt sehr viele Prozesse bei der Nahrungsverwertung. Im Regelfall schwankt die Grundlinie des Blutzuckerspiegels um rund 2%. Allerdings sinkt der Blutzuckerspiegel rund 10 Minuten vor einer erwarteten Mahlzeit um ungefähr 8%. Wenn dem Körper keine Nahrung zugeführt wird, dann kehrt der Blutzuckerspiegel wieder auf sein ursprüngliches Niveau zurück. Das heißt der Körper reagiert auf Gewohnheiten.

Abbildung 3.7: Die Regulation des Körpergewichts, trotz einer vorherigen Zwangsfütterung, bzw. Fastenkur.

Leider sind die Regelkreisläufe im Inneren des Körpers unbekannt, manche Wissenschaftler diskutieren sogar, ob es überhaupt diese Regelkreisläufe gibt. Es gibt aber triftige Gründe, die für ein oder mehrere Regelsysteme des Körpergewichts sprechen. Man beobachtete das Körpergewicht einer Population von Ratten im Labor. Am 30. Tag wurde die Gruppe gedrittelt. Ein Teil der Gruppe wurde zwangsernährt, ein Teil der Gruppe bekam bedeutend weniger Nahrung und die dritte Gruppe diente als Kontrollgruppe (siehe Abb. 3.7). Nach 15 Tagen konnten die Tiere aller Gruppen wieder selbstständig über ihre Nahrung verfügen. Es zeigte sich, dass die Gruppe mit der Fastenkur nun vermehrt Nahrung aufgenommen hat, während die zwangsernährte Gruppe mit Übergewicht nun weniger Nahrung zu sich nahm. Nach ungefähr 25 Tagen hatten alle Tiere wieder das selbe Gewicht. Dieses Experiment lässt auf einen Regelkreislauf schließen.
Wenn im Hypothalamus der ventromediale Kern zerstört wird, dann leiden die Tiere an Hyperphagie, das heißt die Tiere überfressen sich kontinuierlich. Es gibt Personen mit einem gewaltigem Übergewicht, meist seit Geburt. Diese Personen leiden in der Regel an einem gutartigen Tumor in der Nähe des ventromedialen Kern des Hypothalamus. Sie haben immer Hunger und auch ein ausgiebiges Essen kann ihren Hunger nicht stillen. Wenn umgekehrt der laterale Hypothalamuskern zerstört wird, dann verweigern die Tiere die Nahrung. Eine elektrische Stimulation der beiden Kerne führt zu dem gegenteiligen Effekt.


Abbildung 3.8: Die Verschiebung des Sollwerts für Gewicht nach einer Läsion des lateralen Hypothalamus.


Man überprüfte ob diese beiden Kerne möglicherweise ein Sollwert des Hungergefühls, beziehungsweise der Nahrungsmittelzufuhr verankert ist. Aus diesem Grund ließ man einige Tiere einer größeren Gruppe hungern. Als sie ausreichend Gewicht verloren hatten, wurde an ihnen eine Läsion am ventralen Hypothalamus durchgeführt. Diese Schädigung wurde ebenfalls an einer nicht hungernden Gruppe von Ratten durchgeführt. Unmittelbar nach der Schädigung nahm diese Gruppe rapide an Gewicht ab. Nach einiger Zeit, stellten beide Gruppen - hungernd und nicht hungernd - mit der Schädigung des lateralen Hypothalamus bei freier Nahrungsmittelwahl ein neues Körpergewicht ein. Dieses Gewicht lag unter dem Gewicht der Kontrollgruppe, an denen keine Läsion durchgeführt wurde. Dieses Experiment lässt auf einen Sollwert schließen. Dennoch sind auch noch andere Mechanismen an der Regulation des Körpergewichtes beteiligt.

Auch das hormonale Gleichgewicht ist für die Nahrungsmittelverwertung von wesentlicher Bedeutung. Bei der Nahrungsmittelzufuhr kommt es zu einer vermehrten Abgabe von Insulin. Allerdings kann auch Insulin alleine ein massives Hungergefühl auslösen. Dieses Hungergefühl kann übermächtig werden. Im Laufe des Tages kann es zu einem leichten Hungergefühl kommen. Dies scheint mit einem leicht erhöhten Insulinspiegel zusammenzuhängen. Jetzt gibt es zwei Arten von Menschen, bei denen es zu einem unterschiedlichen Verhalten kommt. Die eine Gruppe isst einen Kornspitz oder einen Apfel. Diese Nahrung reicht aus, um das Insulin abzubauen. Das Hungergefühl ist gestillt. Bei der anderen Gruppe kommt es zu einem anderen Verhalten. Sie essen genauso eine Kleinigkeit, und nach ein paar Minuten kommt es zu einem übermächtigen Hungergefühl. Die kleine Nahrungsmittelmenge hat dafür gesorgt, dass zusätzlich Insulin freigesetzt wird, damit noch mehr Nahrung besser verdaut werden kann. Es zeigte sich, dass auch die absolute Menge an Insulinfreisetzung zu einem Übergewicht führen kann. Einer Versuchsgruppe wurde zusätzlich Insulin gespritzt. Beide Gruppen, mit und ohne Insulin, veränderten ihr Körpergewicht, obwohl alle Tiere die gleiche Nahrungsmenge bekamen. Der erhöhte Insulinspiegel führte zu einer besseren Fettumwandlung, das zu einer Gewichtszunahme führt.

Allerdings können auch andere chemische Stimulantien einen starken Einfluss auf die Ernährung haben. Wenn der Nucleus paraventricularis mit Noradrenalin stimuliert wird, beginnen die Versuchstiere vermehrt Kohlenhydrate zu sich zu nehmen, während fettreiche oder proteinreiche Nahrungsmittel nicht beachtet wurden. Umgekehrt nehmen Tiere vermehrt Fett zu sich, wenn die Stimulation durch Galanin erfolgt. Opiate im allgemeinen führen zu einem Proteinhunger. Der stärkste Appetitanreger, der im Moment bekannt ist, ist das Neuropeptid Y. Die Versuchstiere reagieren vor allem auf kohlehydratreiche Kost.

Es gibt auch Appetitzügler, wie zum Beispiel Amphetamine oder auch der Neurotransmitter Dopamin. Leider gibt es bei Amphetaminen sehr starke Nebenwirkungen und damit scheiden diese Substanzen zur Gewichtsreduktion aus. Da das Dopamin in der Biochemie des Gehirns ein großer Stellenwert besitzt, würden andere Funktionen stark beeinträchtigt sein. Eine andere Substanz, das Cholecystokinin, entsteht im Zwölffingerdarm und verlangsamt die Entleerung des Magens. Dadurch sind die Rezeptoren, die den "Füllstand" angeben länger aktiv - das Völlegefühl herrscht länger vor. Da diese Substanz auch vom Gehirn ausgeschüttet wird, vermutet man, dass sie bei der Regulation der Nahrungsmittelzufuhr eine (wichtige) Rolle spielt.

Durch die Experimente mit den chemischen Stimulantien kann man vermuten, dass es mehrere unabhängige Regel- oder Steuermechanismen gibt.

Das Problem wird zusätzlich durch andere Experimente verkompliziert. Wenn der Trigeminus, verantwortlich für die Gesichtsmuskulatur, durchtrennt wird, ergibt sich ein interessantes Phänomen. Bei attraktiver Nahrung begannen die Tiere mehr zu fressen, während bei Nahrung, der Bitterstoffe beigemengt waren, die Tiere weniger Nahrung zu sich nahmen.

Wenn man von einem Regelmodell ausgeht muss man aber auch andere Faktoren berücksichtigen, die gegen dasselbe sprechen.

In früherer Zeit konnten die Menschen sich nicht aussuchen, wann es Nahrung gibt. Die Nahrung wurde verzehrt und wenn ausreichend Nahrung vorhanden war, wurde der Überschuss in Fettreserven gespeichert. Es war nicht planbar, wann es den nächsten Nahrungsmittelschub gibt.

Es zeigte sich, dass auch bei langanhaltenden Fastenphasen der Blutzuckerspiegel konstant gehalten wird. Also wird über den Blutzuckerspiegel die Nahrungsmittelzufuhr nur indirekt gesteuert.

Aber auch soziale Faktoren haben einen wesentlichen Einfluss, die berücksichtigt werden müssen.

 



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Fragen: Diese Fragen sollten nach der Vorlesung beantwortet werden können,

Was ist der Unterschied zwischen Gegenkopplung und Mitkopplung?

Welche Phasen der Verdauung gibt es?

Welche Gründe gibt es, die für eine interne Regulation des Körpergewichts sprechen?

Welchen Effekt zeigt Insulin auf das Körpergewicht?

Welchen Effekt zeigt Insulin auf die Regulation des Körpergewichts?

Welche chemischen Stimulantien beeinflussen die Regulation des Körpergewichts?