Predavanje 1. Povezanost metaboličkih puteva Brojni metabolički putevi u našem organizmu međusobno su povezani. Interakcije između pojedinih organa u metabolizmu određene su pre svega stanjem ishranjenosti organizma i hormonskim statusom. Glavni metabolički putevi ne odvijaju se u svim organima u isto vreme. U pojedinim organima odvijaju se razni metabolički putevi poput: glikogenolize, glikogeneze, glukoneogeneze, glikolize, sinteze masnih kiselina, lipogeneze, lipolize, beta-oksidacije masnih kiselina, glutaminolize, ciklusa limunske kiseline, ketogeneze, oksidacije aminokiselina, sinteze proteina, proteolize i sinteze ureje. U objašnjenju interakcije metaboličkih puteva važno je znati: a. najaktivnije tkivo u pojedinom metaboličkom procesu b. kada je pojedini metabolički proces najaktivniji c. kontrolu i koordinaciju različitih metaboličkih stanja. Međusobna povezanost metaboličkih puteva se najbolje može objasniti proučavanjem metabolizma u stanju apsorpcije i post-apsorpcije tj u toku ciklusa ishranjenosti/gladovanja. Ovaj ciklus omogućava unos varijabilnih količina energije i azota kako bi se zadovoljile varijabilne potrebe katabolizma i anabolizma. Stanje apsorpcije podrazumeva period posle uzimanja hrane (posle obroka – sa varijabilnim unosom energije) posle čega se energija deponuje u vidu glikogena i triacilglicerola i uglavnom zadovoljava energetske potrebe u periodu posle apsorpcije tj. noćnog gladovanja. ATP ciklus funkcioniše u okviru ciklusa ishranjenosti-gladovanja. Ćelijska smrt se dešava ukoliko nije obezbeđena energija za kontinuiranu sintezu ATP-a. Ljudski organizam može da konzumira hranu mnogo više nego što su bazalne kalorijske potrebe, i to omogućava i preživljavanje između obroka. Naravno ovo ima i negativne posledice jer neograničeni kapacitet unošenja hrane ima za posledicu i neograničeni kapacitet deponovanja u vidu triacilglicerola. Regulacija unosa hrane je kompleksan proces i nedovoljno razjašnjen. Važan faktor u regulaciji unosa hrane je leptin, protein koji se sintetiše u adipocitima i sekretuje u krv i reguliše energetske potrebe i apetit putem hipotalamusa. Metabolizam u stanju dobre ishranjenosti Digestija i apsorpcija U stanju dobre ishranjenosti tj posle uzimanja obroka uneta hrana obezbeđuje sve energetske potrebe organizma. Neposredno posle obroka visoke koncentracije glukoze, aminokiselina i triacilglicerola prelaze u cirkulaciju. Glukoza posle apsorpcije u enterocitima portalnom venom dospeva do jetre (vidi Sliku 1). Aminokiseline se delimičmo metabolišu u gastrointestinalnom traktu, a zatim portalnom venom prelaze u jetru. Triacilgliceroli se apsorbuju iz digestivnog trakta ulaze u cirkulaciju kao hilomikroni i to ne direktno već putem limfe tj. torakalnog suda. Predavanje 1 Laboratorijska dijagnostika poremećaja metabolizma Slika 1. Metabolizam glukoze, aminokiselina i lipida u raznim tkivima u stanju apsorpcije. Glukoza Jetra je prvo tkivo koje može da koristi glukozu iz hrane. Glukoza u jetri može da se putem glikogeneze deponuje u vidu glikogena, da uđe u ciklus glikolize i da se metaboliše do piruvata i laktata ili da uđe u pentozafosfatni šant gde se koristi za sintezu redukcionih ekvivalenata u vidu NADPH neophodnih za brojne biosintetske procese i riboza-5-fosfata koji je neohodan za sintezu nukleotida. Piruvat se oksidiše do acetil KoA, koji služi za sintezu triacilglicerola ili se oksidiše u ugljendioksid i vodu u ciklusu limunske kiseline. Najveći deo glukoze unete putem hrane samo prolazi kroz jetru i usmerava se ka svim tkivima, ali najviše ka mozgu, eritrocitima i testisima. Mozak i eritrociti kao izvor energije koriste samo glukozu. U adipoznom tkivu glukoza najvećim delom prelazi u glicerol i iz njega se onda sintetišu triacilgliceroli. Mišići imaju veliki kapacitet korišćenja glukoze jer ona obezbeđuje potrebnu energiju procesom glikolize i ciklusa limunske kiseline, a višak se deponuje kao glikogen. Laktat i piruvat kao proizvodi glikolize u drugim tkivima bivaju preuzeti od strane jetre i onda se oksidišu do ugljendioksida ili konvertuju u triacilglicerole. U stanju posle obroka jetra koristi glukozu i nema glukoneogeneze. U ovom stanju nema ni Korijevog ciklusa koji laktat produkovan u perifernim tkivima vraća u jetru i ponovo ka prevodi u glukozu. Proteini Proteini uneti hranom hidrolizuju se u intestinumu. Enterociti koriste aminokiseline kao izvor energije. Najveći deo aminokiselina iz hrane transportuje se putem portalne krvi u jetru. Jetra omogućava aminokiselinama samo da prođu kroz nju izuzev stanja gde je koncentracija jako visoka. Ovo je posebno važno za esencijalne aminokiseline, koje su potrebne svim tkivima za sintezu proteina. Ukoliko su prisutne sve aminokiseline odvija se sinteza proteina neophodnih za rast i normalan promet proteina. U jetri se odvija sinteza skoro svih proteina plazme izuzev globulina. Višak aminokiselina može da se oksidiše do ugljendiokisida, ureje i vode, a intermedijeri se mogu iskoristiti kao supstrati za lipogenezu. Aminokiseline koje prođu kroz jetru koriste se za sintezu proteina u drugim tkivima. Povezanost metaboličkih puteva 1-3 Lipidi Glukoza, laktat, piruvat i aminokiseline su baza za sintezu lipida-lipidogenezu u jetri. Ovako sintetisani lipidi iz ovih supstrata su endogeni lipidi koji se oslobađaju u cirkulaciju kao VLDL čestice. Lipidi uneti hranom tj. egzogeni lipidi u cirkulaciji se nalaze u vidu hilomikrona. Obe lipoproteinske čestice cirkulišu u organizmu dok na njih ne deluje ekstracelularni enzim lipoproteinska lipaza koja je vezana za endotel krvnih sudova (vidi Sliku 2). Enzim lipoproteinska lipaza nalazi se vezana i za kapilare u adipoznom tkivu. Slika 2 . Dejstvo lipoproteinske lipaze na hilomikrone i VLDL čestice. Enzim deluje na lipoproteinske čestice i hidrolizuje triacilglicerole. Masne kiseline preuzimaju adipociti i one im služe za reesterifikaciju glicerola i sintezu triacilglicerola koji se i deponuje u vidu masmih kapi u ćeliji. Hilomikronski ostaci koji nastaju delovanjem lipoproteinske lipaze uklanjaju se iz cirkulacije u jetri. Triacilgliceroli u remnantima se hidrolizuju sa lizozomalnom lipazom. Oslobođene masne kiseline se reesterifikuje sa glicerol-3-fosfatom (dobijenog iz glukoze ili slobodnog glicerola) i grade triacilglicerole. VLDL čestice se sintetišu u jetri iz triacilglicerola poreklom iz hrane ali i manje količine od de novo sinteze iz glukoze. VLDL čestice direktno prelaze u krv i kao i na hilomikrone i na njih deluje lipoproteinska lipaza i koja razlaže triacilglicerole na masne kiseline koje se koriste u adipoznom tkivu za sintezu triacilglicerola i stvaranje masnih kapi u adipocitima. Obzirom na visok procenat masti u unetoj hrani, veći deo tracilglicerola u adipoznom tkivu poreklom je iz hrane pre nego de novo sinteze lipida. Beta ćelije pankreasa su odgovorne za influks glukoze i aminokiselina u stanju apsorpcije. Kada glukoza uđe u beta ćelije, povećava se oksidacija i nivo ATP-a, što zatvara ATP-senzitivne kalijumove kanale, depolariše ćeliju i povećava intracelularni kalcijum, što oslobađa insulin. Beta ćelije oslobađaju insulin u toku i posle jela, što je esencijalno za metabolizam ovih komponenti hrane u jetri, mišićima i adipoznom tkivu. Predavanje 1 Laboratorijska dijagnostika poremećaja metabolizma Metabolizam u ranoj fazi postapsorpcionog stanja U ranoj fazi gladovanja glavni izvor glukoze je proces glikogenolize u jetri (vidi Sliku 3). U ovom stanju laktat se Korijevim ciklusom vraća u jetru, a alaninski ciklus je isto tako važan za vraćanje atoma ugljenika i azota u jetru. Slika 3. Metabolička povezanost glavnih tkiva u ranoj fazi postapsorpcionog perioda. Metabolizam u postapsorpcionom stanju Glavni procesi su glukoneogeneza iz aminokiselina i glicerola Posle noćnog gladovanja celokupna količina rezerve glikogena jetre se isprazni. U toku 24 sati koncentracija glukoze u krvi opada što dovodi do smanjene sekrecije insulima i povećanog lučenja glukagona. Ovi signali hormona mobilišu triacilglicerole iz adipoznog tkiva. Intenzivna lipoliza povećava koncentraciju masnih kiselina u krvi i one se sada koriste kao izvor energije umesto glukoze u mnogim tkivima. Masne kiseline postaju primarni izvor energije za mišiće i jetru (vidi Sliku 4). Da bi se obezbedila dovoljna količina energije pre svega za mozak u jetri se odvija degradacija nekih proteina. Neesencijalne aminokiseline se dezaminišu i njihove amino grupe u jetri se prevode u ureju. U jetri se odvija još jedan proces a to je da se ugljovodonični skelet glukogenih aminokiselina prevodi u piruvat ili intermedijere ciklusa limunske kiseline. Intermedijeri CLK, piruvat i glicerol dobijeni hidrolizom triacilglicerola u adipoznom tkivu su glavni prekurzori glukoneogeneze u jetri. Na ovaj način proces glukoneogeneze održava nivo glukoze u krvi i obezbeđuje glukozu za mozak. U mozgu se odvija glikoliza i oksidacija glukoze do ugljendioksida i vode. Masne kiseline se nemogu koristiti za sintezu glukoze zato što ne postoji put konverzije acetil KoA, jedinjenja sa dva C-atoma, produkta oksidacije masnih kiselina u glukozu. Ali zato oksidacija masnih kiselina u jetri obezbeđuje potrebnu količinu energije u vidu ATP-a koja je neophodna za proces glukoneogeneze. Povezanost metaboličkih puteva 1-5 Slika 4. Povezanost metaboličkih procesa raznih tkiva u post-apsorpcionom periodu. U skeletnim mišićima proteini odnosno aminokiseline su najvažniji izvor ugljenikovih atoma za sintezu glukoze. U ćelijama mišića proteini se razgrađuju do aminokiselina koje se parcijalno metabolišu i pri tome se uglavnom se oslobađa alanin i glutamin. Druge aminokiseline se parcijalno metabolišu do intermedijera (piruvata i α-ketoglutarata), koji onda mogu da se procesima transaminacije prevedu u alanin i glutamin. Račvaste aminokiseline su glavni izvor atoma azota za stvaranje alanina i glutamina u mišićima. Račvaste α-ketokiseline koje nastaju transaminacijom prelaze u cirkulaciju i dospevaju do jetre. U jetri iz odgovarajuće α-ketokiseline valina produkuje se glukoza, iz leucina ketonska tela i iz izoleucina i glukoza i ketonska tela. Glutamin iz mišića koristi se u enterocitima, limfocitima i makrofagama (vidi Sliku 5). Glutamin je značajan za enterocite i limfocite, ćelije koje se brzo dele i zahtevaju glutamin za sintezu pirimidinskih i purinskih baza. Glutamin u ovom procesu se konvertuje u glutamat, koji se procesom transaminacije prevodi sa piruvatom u alanin i α-ketoglutarat. α-ketoglutarat se konvertuje u malat u ciklusu limunske kiseline, a ovaj onda u piruvat sa maličnim enzimom. Oslobođeni piruvat potreban je za stvaranje alanina u enterocitima. Alanin prelazi u cirkulaciju i dospeva u jetru. Ovaj proces se naziva glutaminoliza jer se glutamin parcijalno oksidiše u ovom procesu (vidi Sliku 5). U limfocitima i makrofagama koristi se proces glutaminolize za obezbeđivanje energije pri čemu je aspartat glavni krajnji produkt. Aspartat je neohodan za sintezu nukleotida i nukleinskih kiselina u ćelijama koje se brzo dele. Sinteza glukoze u jetri tokom postapsorpcionog perioda je usko povezana sa sintezom ureje. Većina aminokiselina svoj azot predaju procesom transaminacijom α-ketokiselini, gradi se glutamat i nova α-ketokiselina koje se obično koriste u procesu sinteze glukoze. Glutamat obezbeđuje dve forme azota (amonijum jon i aspartat) neophodnih za sintezu ureje: 1. amonijum jon nastaje oksidativnom dezaminacijom pomoću glutamat dehidrogenaze i 2. aspartat nastaje transaminacijom sa oksalacetatom uz dejstvo aspartat aminotransaminaze U postapsorpcionom periodu je nizak nivo insulina u krvi, aktivira se lipoliza u adipoznom tkivu, povećava se nivo masnih kiselina u krvi, i ona se više koriste u odnosu na glukozu u većini tkiva. U Predavanje 1 Laboratorijska dijagnostika poremećaja metabolizma srcu i mičićima, oksidacija masnih kiselina inhibira glikolizu i oksidaciju piruvata, U jetri, oksidacija masnih kiselina obezbeđuje najveći deo energije, ATP-a potrebnog za glukoneogenezu. Vrlo malo acetil-KoA oslobođenog u jetri oksidacijom masnih kiselina se potpuno oksidiše. Najveći deo acetil KoA se konvertuje u ketonska tela u mitohondrijama jetre. Ketonska tela (acetoacetat i betahidroksibutirat) se oslobađaju u krv i postaju zvačajan su izvor energije za mnoga tkiva. Kao i za masne kiseline i za ketonska tela važi da većina tkiva pre koriste ketonska tela kao izvor energije nego glukozu. Masne kiseline ne mogu da se oksidišu u mozgu jer ne prolaze kroz hematoencefalnu barijeru. Za razliku od njih ketonska tela lako prolaze, i kada je njihova koncentracija u krvi dovoljno visoka, koriste se u mozgu kao alternativni izvor energije. Ketonska tela ne mogu u potpunosti da zamene glukozu za potrebe mozga. Ketonska tela isto tako mogu da suprimiraju proteolizu i oksidaciju račvastih aminokiselina u mišićima i smanje oslobađanje alanina. Ovo smanjuje trošenje proteina mišića i redukuje količinu glukoze koja se sintetiše u jetri. Sve dok oksidacija masnih kiselina u jetri obezbeđuje sintezu ketonskih tela i njihovu visoku koncentraciju u krvi, manja je potreba za glukozom, manja potreba za glukogenim aminokiselinama i manja potreba za razgradnjom mišićnih vlakana. Ovo je moguće sve dok je nivo insulina dovoljno visok da suprimira proteolizu u mišićima, a to je u vezi sa nivoom glukoze u krvi koja mora biti na dovoljnom nivou da stimuliše oslobađanje izvesne količine insulina iz pankreasa. Međusobna povezanost jetre, mišića i adipoznog tkiva u obezbeđivanju glukoze za potrebe mozga su prikazane na Slici 4. U jetri se sintetiše glukoza, GIT i mišići obezbeđuju supstrat (alanin), adipozno tkivo obezbeđuje ATP (putem oksidacije masnih kiselina u jetri) koji je potreban za hepatičnu glukoneogenezu. Ova povezanost je narušena u Rey-evom sindromu i alkoholizmu. Ova povezanost tkiva je zavisna od odgovarajućeg nivoa hormona u krvi. Nivoi glukoze u krvi su niži u periodu postapsorpcije, redukovana je sekrecija insulina, a povećano je oslobađanje glukagona iz pankreasa i adrenalina iz kore nadbubrežnih žlezda. U gladovanju redukovana je sinteza trijodtironina, aktivne forme tiroidnih hormona, iz tiroksina. Slika 5. Katabolizam glutamina u ćelijama koje se brzo dele. a) enterocitima b) limfocitima Povezanost metaboličkih puteva 1-7 Indirektna sinteza glikogena u ranoj fazi apsorpcionog stanja U ranoj fazi apsorpcionog stanja glukoza se slabo koristi iz hrane i još uvek glukoneogeneza opstaje kao glavni izvor glukoze u nekoliko sati posle obroka. Hepatična glukoneogeneza obezbeđuje glukoza-6-fosfat za glikogenezu pre nego glukoza iz krvi. Glukoza se kataboliše u perifernom tkivu u laktat, koji se onda konvertuje u jetri u glukozu procesom glukoneogeneze, a onda glikogenezom u glikogen i to je indirektan put: Glikogen direktno glukoza indirektno Glukoza-6-fosfat laktat Glukoneogeneza iz amonokiselina koje dospevaju iz GIT imaju isto tako važnu ulogu u obnavljanju depoa glikogena u jetri indirektnim putem. Kada opadne nivo sinteze glukoze, glikogen jetre se obezbeđuje direktnom sintezom iz glukoze u krvi. Triacilgliceroli se metabolišu kao i u fazi apsorpcije, ali nema sinteze lipida u jetri već iz hrane se hilomikroni usmeravaju prema mišićima i adipoznom tkivu. Homeostaza glukoze u različitim fazama gladovanja Na Slici 6 su prikazani izvori glukoze u pojedinim fazama gladovanja. Analizom glukoze koja se troši kod osoba koje gladuju u cilju smanjenja telesne težine, utvrđeno je da taj period može podeliti u 5 faza. Prve tri faze su u toku 25-30 sati a druge dve su izražene u danima. U prvoj fazi glavni izvor glukoze su ugljeni hidrati uneti putem hrane (4 sata). Kada se potroše izvori iz hrane, u II fazi glikogenoliza održava nivo glukoze u krvi i zadovoljava potrebe većine tkiva, ali i to je nedovoljno pa se polako uključuje i proces glukoneogeneze. Glukoneogeneza iz laktata, glicerola i alanina u III fazi postaje osnovni izvor glukoze u krvi. Znači u toku prvih dvadeset sati ovo su glavni izvori glukoze i energije za većinu tkiva. Dužina ovog perioda zavisi od toga u kakvom stanju ishranjenosti je bila osoba koja je započela dijetu, koliko je bila količina glikogena u jetri i od fizičke aktivnosti. Posle nekoliko dana gladovanja osoba ulazi u IV fazu i zavisnost nivoa glukoze od glukoneogeneze opada. Sada je već povećana količina ketonskih tela koja prelaze u cirkulaciju i mozak zadovoljavajući energetske potrebe. U ovoj fazi značajna i glukoneogeneza koja se obavlja u bubrezima. Peta faza se javlja kod produženog gladovanja i ona sve manje zavisi od glukoneogeneze i glavni izvor energije su sada oksidacija masnih kiselina i ketonska tela. Sve dok je količina ketonskih tela dovoljno visoka nema proteolize. Ovaj period traje dok se ne potroše sve masti i nakon toga se troše proteini iz mišića. Laboratorijska dijagnostika poremećaja metabolizma Predavanje 1 5 Faza homeostaze glukoze Faze I II III IV V 40 Glukoza g/h 30 Glukoza uneta hranom 20 Glikogen Glukoneogeneza 10 4 8 12 16 sati 20 24 28 2 8 16 24 32 40 dani Slika 6. Metabolički procesi u produženom gladovanju Metabolički procesi u ciklusu sitost-glad su pod uticajem dva glavna hormona: insulina i glukagona. Metabolizam ugljenih hidrata, lipida i proteina određen je odnosom insulin/glukagon. U apsorpcionom stanju ovaj odnos je povećan tj. zbog povećane koncentracije glukoze u krvi luči se insulin koji dovodi do glikogeneze, oksidacije glukoze, sinteze lipida i proteina. U postapsorpcionom stanju zbog pada nivoa glukoze ćelije pankreasa luče glukagon koji povećava glikogenolizu, glukoneogenezu i ketogenezu. Mehanizmi uključeni u regulaciju metaboličkih procesa u jetri u stanjima dobre ishranjenosti i gladovanja Glavni mehanizmi regulacije metaboličkih procesa u ciklusu sitost-glad vezani su za jetru. Jetra u apsorpcionoj fazi se karakteriše sintezom glikogena i lipida i takva jetra je pre svega glikogena i lipogena. Jetra u postapsorpcionom stanju je potpuno drugi organ: glikogenolitička, glukoneogena, ketogena i proteolitička. Strategija je da se sačuvaju kalorije kada je hrana dostupna i da se rezerve energije mobilišu kada je to organizmu potrebno. U jetri se dešavaju promene između ova dva metabolička ekstrema pomoću četiri regulatorna mehanizma: 1) raspoloživost supstrata; 2) uticaj alosternih modulatora na regulatorne enzime; 3) kovalentna modifikacija enzima i 4) indukcija sinteze enzima.