Uploaded by venex33574

Povezanost metabolickih puteva (1)

advertisement
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.
Download