Інтеграція метаболізму III: адаптація організму до наявності поживних речовин

Марія Хесус Міро Обрадорс * та Евангеліна Паласіос Алаїз
* Професор за контрактом, доктор та ¶ доцент кафедри біохімії та молекулярної біології фармацевтичного факультету Мадридського університету Комплутенсе.

Зміна нормальних значень концентрації глюкози в плазмі пов'язана з низкою патологічних проявів: гіпоглікемія може спричинити втрату свідомості та, у критичних ситуаціях, смерть через залежність мозку від глюкози як джерела енергії ? Навпаки, стійка гіперглікемія, як це буває при цукровому діабеті, спричиняє метаболічний дисбаланс і викликає пошкодження тканин за рахунок глікозилювання білків, викликаючи серед інших захворювань ниркову недостатність, сліпоту та серцево-судинні травми.

Щоб адаптуватися до різних фізіопатологічних ситуацій, що змінюють рівень глюкози в крові, організм розробив низку внутрішніх гомеостатичних механізмів, які дозволяють йому підтримувати значення концентрації глюкози в крові в межах фізіологічних діапазонів, що забезпечує наше здоров'я.

Для координації цих механізмів метаболізм кожного органу та тканини повинен бути суворо регламентований та інтегрований з процесом обміну речовин у решті організму. У циклі годування та голодування (стани: післяабсорбція, голодування та повторне годування) гормони підшлункової залози інсулін та глюкагон є основними сигналами, які сповіщають клітини про стан глюкози в крові, завдяки чому завдяки інтегрованому метаболізму джерела енергії залишаються доступними та попередники біосинтезу, необхідні організму для виживання.

Метаболічна інтеграція в постабсорбтивному стані

Вуглеводи, ліпіди та білки, що потрапляють всередину, піддаються травленню через ферментативний гідроліз у шлунково-кишковому тракті. В ентероцитах ресинтезуються тригліцериди, які разом з хіломікронами транспортуються лімфатичним шляхом до крові, звідки розподіляються в позапечінкові тканини.

доступності
Більшість цукрів та амінокислот отримують доступ до печінки через ворітну вену: ці поживні речовини поглинаються гепатоцитами у більшій чи меншій кількості залежно від таких факторів, як тип дієти та інтервал часу між кожним прийомом. Ці клітини перетворюють ці поживні речовини на паливо та біосинтетичні попередники, необхідні для інших тканин, потреби яких змінюються залежно від активності організму. У цьому сенсі печінка має велику метаболічну гнучкість, щоб адаптуватися до різних обставин і підтримувати гомеостаз глюкози.

Глюкоза, яка не засвоюється гепатоцитами, розподіляється в інші тканини або органи, які використовують цей цукор як джерело енергії, наприклад, мозок, і в жирову та м’язову тканини, де він зберігається як триацилгліцерини та глікоген відповідно. Позапечінкові тканини захоплюють більшість амінокислот, а надлишки використовуються в печінці для синтезу білка або розкладаються в цьому органі.

Підвищення концентрації глюкози в плазмі та подальше вивільнення інсуліну підшлунковою залозою мотивує в печінці активацію: синтезу глікогену, гліколізу та перетворення пірувату, що утворюється, в останню молекулу ацетилКоА. використовується як субстрат для синтезу жирних кислот, безпосереднім призначенням яких є їх окислення в мітохондріях та подальше вироблення енергії. Надлишок жирних кислот естерифікується і у формі триацилгліцеринів включається в ЛПНЩ (ліпопротеїди дуже низької щільності), що дозволяє розподілити їх з печінки в позапечінкові тканини.

Коротше кажучи, інсулін сприяє засвоєнню глюкози клітинами та накопиченню її надлишку у вигляді глікогену. Подібним чином він стимулює процеси, що роблять можливим перетворення цукру в резервні ліпіди (триацилгліцерини).

Метаболічна інтеграція в стані голодування

Після прийому всередину та як наслідок швидкого засвоєння глюкози клітинами різних тканин концентрація моносахариду в плазмі падає і відновлюється нормальне значення глюкози в крові, що уповільнює швидкість викиду інсуліну підшлунковою залозою.

Коли організм вступає у фазу голодування, подальше зниження концентрації глюкози в плазмі змушує клітини цієї залози виділяти глюкагон. Падіння співвідношення інсулін/глюкагон спрямовує клітинний метаболізм різних органів і тканин, а також їх ідеальне взаємозв’язок та інтеграцію, забезпечуючи постійне надходження глюкози в мозок.

У стані голодування печінковий глікогеноліз є основним шляхом, який підтримує глюкозу в крові. Печінкова глюкоза, що виділяється в кров, є джерелом енергії, що забирається клітинами мозку та м’язів. В останньому піруват і лактат, що виникли в результаті гліколітичної деградації моносахариду, транспортуються до печінки, де їх використовують як попередників глюкози в глюконеогенному шляху, завершуючи таким чином так званий цикл Корі (глюкоза-лактат). Також аланін, утворений трансамінуванням пірувату, може перетворюватися в глюкозу в печінці, закриваючи цикл глюкоза-аланін.

У міру подовження швидкості запаси глікогену в печінці виснажуються. Глюконеогенез лактату та аланіну триває, хоча цей процес відновлює лише глюкозу, яка раніше перетворювалася на лактат та аланін у периферичних тканинах. Оскільки мозок постійно споживає глюкозу, необхідний її синтез з інших вуглекислих джерел. Одним із субстратів, що вносить вуглець, є гліцерин, що виділяється при ліполізі в жировій тканині; амінокислоти глутамін та аланін, які беруть свій початок у протеолізі м’язів, також є глюконеогенними субстратами.

Ці взаємозв'язки координуються за допомогою глюкагону, наслідком якого є, зрештою, стимуляція глікогенолізу та вивільнення глюкози з печінки, а також мобілізація жирних кислот у жировій тканині.

Метаболічна інтеграція в стані зворотного зв'язку

При повторному згодовуванні триакгліцерини негайно метаболізуються звичайним способом харчування (постабсорбтивний), проте глюкоза вимагає, натомість, часу адаптації: спочатку через низьку концентрацію цього цукру в крові. клітини печінки ледве поглинають глюкозу, тому більша частина того, що печінка отримує через ворітну вену, розподіляється в мозок та інші периферійні тканини, які потребують цього енергетичного палива. Насправді печінка залишається в глюконеогенному стані протягом декількох годин після прийому всередину, головна мета - не викид глюкози в кров, а забезпечення фосфорильованої глюкози для відновлення запасів глікогену в печінці.

Але, коли концентрація глюкози в плазмі підвищується, швидкість засвоєння цього цукру печінкою також зростає, що використовується для отримання енергії завдяки гліколізу; його надлишок доступний для синтезу глікогену, а згодом метаболіти окислювальної деградації глюкози будуть використані для синтезу жирних кислот і триацилгліцеринів.

Ці метаболічні корекції, викликані інсуліном та глюкагоном, відбуваються через короткі проміжки часу. У довгостроковій перспективі інші регуляторні механізми підтримують баланс споживання поживних речовин та витрат енергії, завдяки чому організм ссавців підтримує ідеально контрольований гомеостаз.