Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
Wykład będzie się składał z kilku elementów. Pierwszy element na który zwrócę uwagę to jest powiązanie pomiędzy metabolizmem lipidów a węglowodanów, w dwóch bardzo ważnych okresach, biorąc pod uwagę żywienie człowieka, mianowicie okres międzyposiłkowy, czyli preresorbcyjny, a to innymi słowy jest okres głodu. Jak pokazałem na jednym ze slajdów jak to się mają okresy przyjmowania pokarmów do doby to circa mamy 12 godzin głodu i 12 godzin jedzenia, czyli wczesnych i późnych okresów poposiłkowych. Przypominam, że po okresie poresorbcyjnym metabolizm jest kontrolowany głównie przez glukagon, między posiłkami stężenie glukozy ulega obniżeniu i to jest stymulacja wydzielenia glukagonu. Główny efekt glukagonu w komórce to nasilenie glukoneogenezy i glikogenolizy. Dzięki temu między posiłkami wątroba jest ważnym źródłem dla zabezpieczenia OUN. Tu jest także pokazana nerka w której w ilościach śladowych glukoneogeneza zachodzi, ale nie ma to większego znaczenia. Równocześnie pod wpływem glukagonu i amin katecholowych dochodzi do pobudzenia lipolizy w tkance tłuszczowej – na mechanizm molekularny zaraz zwrócę uwagę bo to jest istotna sprawa w powstawaniu otyłości i oporności na działanie insuliny. Z tkanki tłuszczowej uwalniają się wolne kwasy tłuszczowe oraz glicerol, który jest substratem do glukoneogenezy, natomiast wolne kwasy tłuszczowe dochodzą do wątroby do tego aby je spalić, oraz docierają do mięśni gdzie również ulegają spaleniu. Równocześnie w okresie między posiłkami główną frakcją lipoprotein występującą w osoczu są VLDL wyprodukowane w wątrobie, chylomikronów nie ma – uległy wymieceniu z osocza krwi. Przy dłużej utrzymującym się okresie między posiłkami (głodówka protestacyjna, brak pieniędzy na jedzenie) następuje degradacja białek mięśniowych i również aminokwasy, (alanina) stają się źródłem glukozy w procesie glukoneogenezy, ale przy dłużej trwającym głodzie. Jest to bardzo niekorzystne degradować białka mięśniowe prowadzić do zaników mięśniowych, a przede wszystkim samo spalenie łańcucha węglowego aminokwasów jest energetycznie niekorzystne. Na fizjologii mówiono wam na temat swoiście dynamicznego działania białek, które sprawia, że spalanie białek jest niekorzystne i tak to się dzieje w warunkach głodu, gdzie priorytetem jest produkcja glukozy dla zabezpieczenia pracy OUN.
Jak rzecz odbywa się w trzech kluczowych miejscach? mianowicie w: mięśniach, tkance tłuszczowej, oraz w wątrobie (cały czas mówimy o okresie między posiłkami, czyli o głodzie). Glukoza dociera, ale z reguły kończy swój żywot na kwasie mlekowym w warunkach długu tlenowego i to przemieszczanie się glukozy, spalenie do mleczanu, następnie wychwyt przez wątrobę, znowu glukoza. Jest to jeden z elementów tego cyklu Corich. Przy dłużej trwającym okresie głodu białka mięśniowe są degradowane do aminokwasów i to wszystko to jest cykl alaninowy i cykl kwasu mlekowego, czyli cykl Corich, między mięśniami a kom. wątrobową. Do tego jeszcze, niezależnie od fazy głodu czy najedzenia dochodzi udział erytrocytów jako potężnego źródła kwasu mlekowego w cyklu Corich. Co się dzieje w komórce wątrobowej? Kom. wątrobowa podlega wpływom hormonów działających antagonistycznie do insuliny, ponieważ priorytetem ma być utrzymanie glikemi na odpowiednim poziomie. Głównie glukagon i epinefryna, a przy dłużej trwającym głodzie glikokortykoidy odpowiadają za nasilenie glukoneogenezy. Substraty płyną w formie aminokwasów z mięśni, w formie glicerolu - z tkanki tłuszczowej no i w formie pirogronianu jako droga glukoneogenezy. Równocześnie aktywacji ulega glikogenoliza – za to odpowiada głównie glukagon. Przyczyną jest zmiana stosunku insuliny do glukagonu, ten stosunek się obniża poprzez zablokowanie wydzielania insuliny a wzrost wydzielania glukagonu między posiłkami. Efektem tych działań jest uwolnienie glukozy i jej przemieszczenie do krwioobiegu i zapewnienie potrzeb energetycznych OUN. Przy dłużej trwającym głodzie następuje nie tylko degradacja tkanki tłuszczowej w celu uwalniania glicerolu i kwasów tłuszczowych, ale również degradacja białek mięśniowych. Uwalniana glukoza płynie do mózgu. Tu mamy dwa szlaki glikogenoliza i glukoneogeneza. Co się dzieje w tkance tłuszczowej? Zostaje uaktywniona lipoliza. Podczas głodu i intensywnej pracy, tłuszczu w organizmie ubywa w wyniku uruchomienia lipolizy enzymatycznej regulowanej hormonalnie. Kluczowym enzymem lipolizy wewnątrzkomórkowej jest HSL (hormon sensitive lipase). Z tkanki tłuszczowej zostaje uwolniony glicerol, dostaje się do krwioobiegu, płynie do wątroby i w procesie glukneogenezy powstaje z niego glukoza i płynie do mózgu. Natomiast wolne kwasy tłuszczowe dostają się również do krwioobiegu, wykorzystywane są również przez mięśnie jako materiał energetyczny, płyną do wątroby jako materiał energetyczny, oraz jako substrat do syntezy trójglicerydów endogennych, czyli do syntezy VLDL Enzym HSL podobnie jak enzymy biorące udział w glikogenogenezie i glikogenolizie jest zaangażowany w przekaźnictwo hormonalne realizowane za pomocą wtórnego przekaźnika – cAMP.
Jeśli działa jakiś hormon na kom. dochodzi do aktywacji cyklazy adenylowej, powstaje cAMP, aktywuje kinazę białkową A, ta fosforyluje rozmaite białka enzymatyczne (w procesie biosyntezy i degradacji glikogenu) i nieenzymatyczne.
Mamy również HSL w formie nieaktywnej jako enzym defosforylowany. Kinaza białkowa A wprowadza resztę fosforanową w centrum katalityczne (gdzie znajduje się seryna) i dochodzi do powstania HSL aktywnej, ufosforylowanej. Tak długo lipaza jest pobudzona jak długo ta reszta fosforanowa jest wprowadzana. Jest to regulowane przez fosfatazę HSL, która doprowadza do jej inaktywacji (odłączając resztę fosforanową). Substratem dla HSL jest triacyloglicerol. Pod wpływem działania tego enzymu uwalnia się diacyloglicerol oraz wolny kwas tłuszczowy. Znacznie mniejsza jest stała Michaelisa dla innego substratu jakim jest diacyloglicerol, dla którego swoista lipaza, mianowicie lipaza diacyloglicerolowa, która uwalnia kolejną cząsteczkę kwasu tłuszczowewgo z diacyloglicerolu, ale drugim enzymem który może tutaj działać jest HSL, lecz bardziej specyficznym substratem dla HSL jest triacyloglicerol i wreszcie powstaje monoacyliglicerol na który działa lipaza monoacyloglicerolowa, uwalnia się kolejna cząsteczka kwasu tłuszczowego i glicerol, glicerol przedostaje się z kom. tłuszczowej do krwioobiegu, płynie do wątroby, gdzie zachodzi glukoneogeneza, natomiast kwas tłuszczowy, który jest nie rozpuszczalny w wodzie w środowisku wodnym kom. ulega związaniu przez grupę białek, które w skrócie nazywamy FABP.
FABP występują w każdej kom. do której wchodzą kwasy tłuszczowe, lub w której są wyprodukowane kwasy tłuszczowe, lub z której są uwalniane. Tylko w takiej formie w której kwas tłuszczowy nie jest zdeponowany w postaci trójglicerydów może znajdować się w komórce.
Przechodzenie kwasu tłuszczowego poza lub do kom. odbywa się również za pośrednictwem specyficznych przenośników, tzw. białek przenoszących kwasy tłuszczowe FATP. Natomiast w obrębie osocza kwasy tłuszczowe są przede wszystkim transportowane w sposób nieswoisty w połączeniu z albuminami inne białka mogą również przenosić kwasy tłuszczowe, ale w mniejszym stopniu.
Jakie hormony warunkują lipolizę? Innymi słowy jeśli te hormony działają następuje uwalnianie dużej ilości kwasów tłuszczowych do osocza ze wszystkimi tego konsekwencjami:
1. Dostawa materiału energetycznego, czyli jest to działanie kataboliczne, którego celem jest dostarczanie kwasów tłuszczowych do wytworzenia energii.
Przedostanie się kwasów tłuszczowych do komórki wątrobowej – działanie wzmagające syntezę trójglicerydów wątrobowych i powstają VLDL. Przede wszystkim tak działają aminy katecholowe - wzmożoną lipolizę obserwujemy zarówno w fazowym wydzielaniu (prawidłowym) amin katecholowych, jak i w tych stanach, które przebiegają z hiperkatecholaminemią, jak np. guz chromochłonny nadnercza. W taki sposób również działa glukagon, to sprawia że w okresie między posiłkami zmiana stosunku insulina : glukagon na rzecz glukagonu warunkuje uwalnianie materiału energetycznego z tkanki tłuszczowej między posiłkami. W taki sposób działają glikokortykoidy, ale nie poprzez błonę, tylko poprzez aktywację cAMP w sposób nieswoisty w kom., tak działają też hormony tarczycy. Najważniejszym antagonistą tego procesu, czyli substancją, która hamuje lipolizę poprzez obniżenie cAMP w kom. jest insulina.
Jeśli receptora insulinowego nie ma, lub nie działa, lub droga wewnątrzkom. od receptora insulinowego jest zaburzona wszystkie te procesy nazywamy insulinoopornością, lub nie ma insuliny, jak to jest w cukrzycy typu 1. Wtedy niczym nie hamowana zachodzi lipoliza w tkance tłuszczowej z uwolnieniem ogromniej ilości kwasów tłuszczowych do osocza. Wolne kwasy tłuszczowe płynące do mięśni wprowadzają pewien zamęt nazywany cyklem Randle’a. Jest on główną przyczyną zaburzeń utleniania glukozy u pacjentów z cukrzycą. Generalnie glikokortykoidy działają lipolitycznie. Osoby, które mają nadmiar glikokortykoidów, co nosi nazwę zespołu Cushinga, mają charakterystyczną budowę ciała, mianowicie szczupłe kończyny, bardzo otłuszczony kark i twarz. W jaki sposób mają otłuszczenia skoro glikokortykoidy działają lipolitycznie? Przyczyna jest następująca w wyniku wzrostu stężenia glukozy (pod wpływem glikokortykoidów) następuje wydzielenie insuliny. W tych tkankach w których jest dużo receptorów insulinowych, a tak jest w górnej części tułowia następuje zahamowanie poprzez insulinę lipolizy a wzrost lipogenezy. Stąd paradoksalnie jedne odcinki ciała są odtłuszczone, a te na które działa insulina są otłuszczone.
Część kwasu tłuszczowego, która zostanie związana z FABP nie dochodzi do błony i nie ulega wyrzuceniu poza komórkę, ale ulega utylizowaniu na miejscu w adipocycie, czyli zostaje wprowadzona po zaktywizowaniu do cyklu zwanego beta-oksydacją jako acylo-CoA i kończy swój żywot w formie acetylo-CoA, który z kolei idzie do cyklu Krebsa, kończy swój żywot jako CO2 i woda. Taki jest bieg wypadków w tkance tłuszczowej między posiłkami, czyli w fazie poresorbcynej. FATP jest przenośnikiem dwukierunkowym i umożliwia przedostawanie się kwasu tłuszczowego do adipocytu w okresie po posiłkowym, gdy dużo jest chylomikronów w układzie krążenia. W okresie między posiłkami kwasy tłuszczowe opuszczają adipocyt i dostają się do krążenia. W ostatnich latach sklonowano geny dla FABP, typów FABP mamy kilka, one różnią się powinowactwem do kw. tłuszczowych oraz różnią się pełnioną funkcją:
1 wątrobowy 2 jelitowy 3 sercowy 4 tk. tłuszczowej 5 mielinowy 6 naskórkowy
FABP w tkance tłuszczowej np. zajmuje się przenoszeniem kwasu tłuszczowego w kierunku FATP – kwasy tłuszczowe idą na eksport. FABP znajdujące się w mięśniu np. sercowym doprowadza do wprowadzenie kwasu tłuszczowego w szlak beta-oksydacji i uzyskania energii. Mamy FABP występujący w OUN i osłonkach mielinowych, zajmuje się on głównie wprowadzaniem kwasu tłuszczowego do syntezy ceramidu, a z ceramidu poprzez obróbkę wytwarzana jest sfingomielina i inne lipidy złożone. Jak wspominałem część kwasów tłuszczowych w obrębie adipocytu a większość w obrębie mięśni oraz wątroby zostaje wprowadzona w najbardziej wydajny energetycznie szlak energetyczny jakim jest beta-oksydacja, która zachodzi w mitochondriach. Mamy tutaj substancję, która jest przenośnikiem przez błonę mitochondrialną zaktywowanego kwasu tłuszczowego, czyli acylo-CoA. Zwykły kwas tłuszczowy przy udziale CoA ulega aktywacji, powstaje acylo CoA.
Błona mitochondrialna
karnityna
2
Karnityna acylokarnityna acylokarnityna
1
Acylo – CoA HS – CoA HS – CoA Acylo CoA
AMP
ATP HS - CoA
FA (kwas tłuszczowy) 1 – acylotransferaza karnitynowa I
2 – acylotransferaza karnitynowa II
Kilka słów o karnitynie w latach 80-tych po raz pierwszy karnityna została zastosowana jako doping u piłkarzy włoskich startujących w mistrzostwach świata, ale jak się okazało nie jest to środek dopingujący, bo jest to substancja endogenna nie modyfikowana. Dzięki temu stali się bardziej wydajni, bo łatwiej było przetransportować kwasy tłuszczowe z cytozolu do mitochondrium, poddać je spaleniu, uzyskaniu energii. Karnityna dostępna jest w aptekach, osoba która chce mieć talię osy kupują karnitynę aby przyspieszyć procesy metaboliczne i spalić nadmiar tłuszczów. Karnityna nie jest białkiem, jest to związek niskocząsteczkowy : beta–hydroksy-gamma-trimetylo-amonio–maślan.
CH3
CH3 – N+– CH2 – CH – CH2 – COOH Karnityna
CH3 OH
Zaktywowany kwas tłuszczowy przyłącza się w pozycji beta i tu tworzy się acylokarnityna. Po przedostaniu się przez błonę mitochondrialną, acylo-CoA i karnityna mówią sobie do widzenia, kwas tłuszczowy ulega spaleniu w beta-oksydacji. Karnityna tymczasem łączy się z innym kwasem tłuszczowym. Podczas obrotów w beta-oksydacji uwalnia się element dwuwęglowy jakim jest acetylo-CoA, zubożony o te dwa atomy węgla kwas tłuszczowy pokonuje tą samą drogę. W przypadku gdy kwas tłuszczowy jest nieparzysto węglowy końcowym produktem przy końcowym obrocie nie jest acetylo-CoA, tylko propionylo-CoA. Sposób jego przekształcenia i rola witaminy B12 w tym procesie mają być znane. Acetylo-CoA wchodzi do cyklu Krebsa. Tylko wtedy cały ten szlak metaboliczny jest wysoko energetycznym, bo z każdej cząsteczki acetylo-CoA spalonej w cyklu Krebsa uzyskuje się 12 cząsteczek ATP. Ale żeby to wszystko działało to musi nastąpić synchronizacja między spalaniem tłuszczu i spalaniem cukru (przez pirogronian), to jest kluczowa reakcja, która sprawia, że tłuszcze spalają się w ogniu węglowodanów co również nieco humorystycznie może uzasadniać spożycie dobrego deseru po tłustym obiedzie.
Pirogronian bierze się z glikolizy, następnie częściowo ulega dekarboksylacji oksydacyjnej do acetylo-CoA, a częściowo ulega karboksylacji do szczawiooctanu. Reakcja karboksylacji pirogronianu do szczawiooctanu odgrywa tu kluczową rolę. Tłuszcze w ogniu węglowodanów się nie spalają wtedy, kiedy niczym nie zahamowane następuje spalanie tłuszczów, przy niezrównoważonym spalaniu cukrów. Teraz sytuacje kiedy tak się dzieje: w warunkach raczej mało patologicznych, przy niezrównoważonej diecie, która obfituje w tłuszcze, natomiast jest zubożona w cukry, wtedy spalają się tłuszcze, a nie spalają się cukry. Następna sytuacja – głodówka – najpierw zużywane są cukry, czyli co miało się spalić to się spaliło, reszta glukozy produkowana w okresie głodu to nie po to żeby ją spalać, ale po to żeby przesyłać do mózgu, by mieć jeszcze chwile zastanowienia nad sobą i przerwać tą głodówkę. Natomiast spalają się bez przeszkód tłuszcze – brzuch się zmniejsza i w ogóle jest fajnie, ale do czasu. Kolejna sytuacja to sytuacja patologiczna, kiedy nie ma insuliny, czyli dotyczy to niewyrównanej cukrzycy typ 1, bo jeśli wprowadzi się insulinę egzogenną to strata ulega wyrównaniu. Czasem taka sytuacja ma miejsce w zatruciu ciążowym, czyli w tzw. EPH – gestozie (E = oedema = obrzęki; P = proteinuria = białkomocz; H = hypertonia = nadciśnienie). W tych wszystkich sytuacjach nie mamy ognia węglowodanów, bo tu jest blok metaboliczny, cukry się nie spalają, a tłuszcze się spalają, czyli kończą swój żywot na acetylo-CoA, acetylo-CoA nie wchodzi do cyklu Krebsa, nie ma szczawiooctanu żeby go skondensować, żeby powstał cytrynian. Wtedy po pierwsze cykl Krebsa staje, czyli jest mało energii, dwa gromadzi się acetylo-CoA. Gromadzenie się acetylo-CoA prowadzi do powstawania ciał ketonowych – ketogeneza. Jest tu kilka reakcji, które trzeba mieć w małym paluszku.
Acetoacetylo-CoA HMG – CoA syntaza HS – CoA +
+ beta – hydroksy – beta – metylo glutarylo CoA
Acetylo-CoA
HMG – CoA liaza
Acetylo-CoA
+
acetooctan
NADH + H+
spontanicznie
NAD+
beta – hydroksymaślan aceton
W pierwszej reakcji z dwóch cząsteczek acetylo-CoA powstaje aceto-acetylo-CoA, on kondensuje z trzecią cząsteczką acetylo-CoA i powstaje beta-hydroksy-beta-metylo- glutarylo-CoA, związek już znany z biosyntezy cholesterolu, przy czym rzecz odbywa się w innym przedziale kom., następnie na HMG-CoA działa liaza, uwalnia się jedna cząsteczka acetylo-CoA i powstaje acetooctan. Acetooctan redukuje się do beta-hydroksy-maślanu (enzymatycznie przez dehydrogenazę) lub ulega spontanicznej dekarboksylacji i powstaje aceton.
Te trzy związki nazywamy ciałami ketonowymi. Ciała ketonowe są związkami kwaśnymi i doprowadzają do powstania kwasicy nieoddechowej, czyli innymi słowy kwasicy metabolicznej, teraz się mówi nieoddechowa. Następnie w formie połączeń z jonami sodu i potasu ulegają wydaleniu z moczem, stąd mogą być wykryte w moczu, a poza tym wywołują zaburzenia gospodarki elektrolitowej. Zakwaszenie organizmu, oraz przesunięcia w gospodarce wodno – elektrolitowej prowadzą do powstania śpiączki ketonowej, która nie intensywnie leczona prowadzi do zgonu, dawniej w takim właśnie mechanizmie umierały osoby z cukrzycą typ 1, przed wprowadzeniem do terapii insuliny. Dzisiaj jak ktoś umiera na śpiączkę cukrzycową to tylko świadczy o tym u kogo się leczył. W warunkach prawidłowych u każdego z nas również powstają ciała ketonowe, ale w ilościach śladowych, one dostając się do układu krążenia ulegają intensywnemu wychwytowi przez tkanki. Tkanką, która najintensywniej wychwytuje ciała ketonowe jest ta, której najbardziej szkodzą – mózg. W tkankach obwodowych następuje spalenie ciał ketonowych do tego celu muszą doprowadzić dwie reakcje. Przede wszystkim acetooctan musi z powrotem stać się acetoacetylo-CoA, bo jest taka zasada, że tylko związki aktywne podlegają przemianom metabolicznym. Jest kilka reakcji, ale najważniejszą z punktu widzenia praktycznego i fizjologii jest przeniesienie tego CoA z bursztynylo-CoA, czyli powstaje acetoacetylo-CoA i bursztynian, który możemy spalić w cyklu Krebsa; aceto-acetylo-CoA ulega lizie i powstają dwie cząsteczki acetylo-CoA, które wchodzą w tkankach obwodowych do cyklu Krebsa i każda daje 12 cząsteczek ATP. To nie jest jakieś barachło, które należy zutylizować, tylko należy zutylizować ciała ketonowe. Główną więc przyczyną powstawania ciał ketonowych, czyli powstawania ketonemii jeśli rzecz się dzieje w osoczu i ketonurii jeśli są wydalane z moczem jest nadprodukcja ciał ketonowych, a dodatkowo nakłada się w cukrzycy na to upośledzone utlenianie, czyli upośledzona utylizacja, ale główną przyczyną jest nadprodukcja, czyli wzmożona ketogeneza w wątrobie.
W warunkach prawidłowych z kwasu tłuszczowego powstaje acetylo-CoA, on się spala w cyklu Krebsa, jak się nie spala w wystarczającej ilości to powstaje acetooctan, aceton z powietrzem jest wydychany stąd osoba w śpiączce w powietrzu wydychanym pachnie acetonem, mówi się, że jest to zapach jabłek, natomiast po przekształceniu w betahydroksy- maślan zarówno acetooctan jak i betahydroksymaślan są wykrywalne w osoczu, wyłapywane są są przez tkanki obwodowe, przekształcane są w acetylo-CoA i wchodzą do cyklu Krebsa. Nierównowaga, nadprodukcja i upośledzone wykorzystywanie prowadzi do zatrucia organizmu i kwasicy metabolicznej w mechanizmie gromadzenia ciał ketonowych.
...