Интеграция на метаболизма III: адаптация на организма към наличието на хранителни вещества

Мария Хесус Миро Обрадорс * и Евангелина Паласиос Алаиз
* Договорен професор доктор и ¶ доцент в Катедрата по биохимия и молекулярна биология, Фармацевтичен факултет, Университет Комплутенсе в Мадрид.

Промяната на нормалните стойности на плазмената концентрация на глюкоза е свързана с редица патологични прояви: хипогликемията може да причини загуба на съзнание и в критични ситуации смърт поради зависимостта на мозъка от глюкозата като енергиен източник ? Напротив, трайната хипергликемия, както се случва при диабет, причинява метаболитни дисбаланси и предизвиква увреждане на тъканите чрез гликозилиране на протеини, причинявайки бъбречна недостатъчност, слепота и сърдечно-съдови наранявания, наред с други заболявания.

За да се адаптира към различните физиопатологични ситуации, които променят кръвната захар, тялото е разработило серия от присъщи хомеостатични механизми, които му позволяват да поддържа стойностите на концентрацията на глюкоза в кръвта във физиологичния диапазон, който осигурява нашето здраве.

За координацията на тези механизми метаболизмът на всеки орган и тъкан трябва да бъде строго регулиран и интегриран с този на останалата част от организма. В цикъла на хранене и гладуване (състояния: след абсорбция, гладуване и повторно хранене), панкреатичните хормони инсулин и глюкагон са основните сигнали, които предупреждават клетките за състоянието на кръвната глюкоза, така че чрез интегриран метаболизъм енергийните източници се поддържат на разположение и биосинтетичните предшественици, от които тялото се нуждае, за да оцелее.

Метаболитна интеграция в постабсорбционното състояние

Погълнатите въглехидрати, липиди и протеини се подлагат на храносмилане чрез ензимна хидролиза в храносмилателния тракт. В ентероцитите се ресинтезират триглицеридите, които се транспортират, включени в хиломикрони, през лимфния път, до кръвта, откъдето се разпределят в екстрахепаталните тъкани.

хранителните
Повечето от захарите и аминокиселините имат достъп до черния дроб през порталната вена: тези хранителни вещества се поемат от хепатоцитите, в по-големи или по-малки количества, в зависимост от фактори като вида на диетата и интервала от време между всеки прием. Тези клетки трансформират тези хранителни вещества в горива и биосинтетични прекурсори, необходими за други тъкани, чиито нужди варират в зависимост от дейността на организма. В този смисъл черният дроб има голяма метаболитна гъвкавост, за да се адаптира към различни обстоятелства и да поддържа глюкозната хомеостаза.

Глюкозата, която не се усвоява от хепатоцитите, се разпределя в други тъкани или органи, които използват тази захар като енергиен източник, като мозъка, и в мастната и мускулната тъкан, където се съхранява съответно като триацилглицероли и гликоген. Екстрахепаталните тъкани улавят по-голямата част от аминокиселините и излишъкът се използва в черния дроб за синтез на протеини или се разгражда в този орган.

Повишаването на концентрацията на глюкоза в плазмата и последващото освобождаване на инсулин от панкреаса мотивира в черния дроб активирането на: синтеза на гликоген, гликолиза и трансформацията на генерирания пируват в ацетилКоА, молекула, последната, която се използва като субстрат за синтеза на мастни киселини, чиято непосредствена цел е тяхното окисление в митохондриите и произтичащото от това генериране на енергия. Излишните мастни киселини се естерифицират и под формата на триацилглицероли се включват във VLDL (липопротеини с много ниска плътност), които позволяват разпространението им от черния дроб до екстрахепаталните тъкани.

Накратко, инсулинът благоприятства усвояването на глюкозата от клетките и съхраняването на излишъка му под формата на гликоген. По същия начин стимулира процесите, които правят възможно превръщането на захарта в резервни липиди (триацилглицероли).

Метаболитна интеграция на гладно

След поглъщане и в резултат на бързото усвояване на глюкозата от клетките на различни тъкани, плазмената концентрация на монозахарида спада и се възстановява нормалната стойност на кръвната глюкоза, което забавя скоростта на освобождаване на инсулин от панкреаса.

Когато тялото влезе във фазата на гладно, по-нататъшното намаляване на плазмената концентрация на глюкоза кара клетките на тази жлеза да отделят глюкагон. Спадът в съотношението инсулин/глюкагон насочва клетъчния метаболизъм на различните органи и тъкани, както и тяхната перфектна взаимовръзка и интеграция, осигурявайки непрекъснатото снабдяване с глюкоза в мозъка.

В гладно състояние чернодробната гликогенолиза е основният път, който поддържа кръвната глюкоза. Чернодробната глюкоза, освободена в кръвта, е енергийният източник, погълнат от мозъка и мускулните клетки. В последния пируват и лактат, възникнали в гликолитичното разграждане на монозахарида, се транспортират до черния дроб, където се използват като предшественици на глюкозата по глюконеогенния път, като по този начин завършват така наречения цикъл на Кори (глюкоза-лактат). Също така аланинът, генериран от трансаминирането на пируват, може да се превърне в глюкоза в черния дроб, затваряйки цикъла глюкоза-аланин.

Тъй като бързото се удължава, запасите от гликоген в черния дроб се изчерпват. Глюконеогенезата от лактат и аланин продължава, въпреки че този процес възстановява само глюкоза, която преди това е била превърната в лактат и аланин в периферните тъкани. Тъй като мозъкът непрекъснато консумира глюкоза, е необходим нейният синтез от други газирани източници. Един от субстратите, който допринася за въглерод, е глицеролът, освободен при липолиза в мастната тъкан; аминокиселините глутамин и аланин, които произхождат от мускулната протеолиза, също са глюконеогенни субстрати.

Тези взаимовръзки се координират чрез глюкагон, чийто ефект в крайна сметка е стимулирането на гликогенолизата и освобождаването на глюкоза от черния дроб, както и мобилизирането на мастни киселини в мастната тъкан.

Метаболитна интеграция в състояние на обратна връзка

При повторното хранене триакглицеролите се метаболизират незабавно по обичайния начин на хранителен статус (постабсорбционен), но вместо това глюкозата изисква време за адаптация: първоначално поради ниската концентрация на тази захар в кръвта. чернодробните клетки почти не поемат глюкоза, така че повечето от това, което черният дроб получава през порталната вена, се разпределя в мозъка и други периферни тъкани, които се нуждаят от това енергийно гориво. Всъщност черният дроб остава в глюконеогенно състояние в продължение на няколко часа след поглъщането с основната цел не за освобождаване на глюкоза в кръвта, а за осигуряване на фосфорилирана глюкоза за възстановяване на чернодробните запаси от гликоген.

Но тъй като плазмената концентрация на глюкоза се повишава, скоростта на усвояване на тази захар от черния дроб също се увеличава, която се използва за енергия чрез гликолиза; неговият излишък е на разположение за синтеза на гликоген и впоследствие метаболитите от окислителното разграждане на глюкозата ще бъдат използвани за синтеза на мастни киселини и триацилглицероли.

Тези метаболитни корекции, предизвикани от инсулин и глюкагон, се извършват за кратки интервали от време. В дългосрочен план други регулаторни механизми действат, за да поддържат баланса между приема на хранителни вещества и енергията, така че организмът на бозайниците да поддържа перфектно контролирана хомеостаза.