Hormonale regeling van het energiemetabolisme
De ontdekking van insuline in 1921 was een van de belangrijkste gebeurtenissen in de moderne geneeskunde. Zij redde het leven van talloze patiënten die leden aan diabetes mellitus, een stoornis van de koolhydraatstofwisseling die wordt gekenmerkt door het onvermogen van het lichaam om insuline te produceren of erop te reageren. De ontdekking van insuline leidde ook tot het huidige inzicht in de functie van de endocriene alvleesklier. Het belang van de endocriene pancreas ligt in het feit dat insuline een centrale rol speelt bij de regeling van het energiemetabolisme. Een relatief of absoluut tekort aan insuline leidt tot diabetes mellitus, een belangrijke oorzaak van ziekte en dood in de hele wereld.
Het pancreashormoon glucagon speelt, samen met insuline, ook een sleutelrol bij het handhaven van de glucosehomeostase en bij het reguleren van de opslag van voedingsstoffen. Een voldoende toevoer van glucose is noodzakelijk voor een optimale groei en ontwikkeling van het lichaam en voor het functioneren van het centrale zenuwstelsel, waarvoor glucose de belangrijkste energiebron is. Daarom zijn er uitgebreide mechanismen ontwikkeld om ervoor te zorgen dat de bloedglucoseconcentraties binnen nauwe grenzen worden gehouden, zowel tijdens het feestmaal als tijdens de hongersnood. Overtollige voedingsstoffen die worden verbruikt, kunnen in het lichaam worden opgeslagen en later beschikbaar worden gemaakt – bijvoorbeeld wanneer er een tekort aan voedingsstoffen is, zoals tijdens het vasten, of wanneer het lichaam energie verbruikt, zoals tijdens lichamelijke activiteit. Vetweefsel is de voornaamste plaats waar voedingsstoffen worden opgeslagen, bijna allemaal in de vorm van vet. Een gram vet bevat tweemaal zoveel calorieën als een gram koolhydraten of eiwitten. Bovendien is het watergehalte in vetweefsel zeer laag (10 procent). Een kilogram vetweefsel heeft dus 10 maal zoveel calorieën als hetzelfde gewicht aan spierweefsel.
Na de inname van voedsel worden koolhydraatmoleculen verteerd en geabsorbeerd als glucose. De resulterende stijging van de bloedglucoseconcentraties wordt gevolgd door een 5- tot 10-voudige stijging van de seruminsulineconcentraties, die de glucoseopname door lever-, vet- en spierweefsel stimuleert en de glucoseafgifte uit leverweefsel remt. Vetzuren en aminozuren die vrijkomen bij de vertering van vet en eiwit worden ook opgenomen door en opgeslagen in de lever en perifere weefsels, met name vetweefsel. Insuline remt ook de lipolyse (de afbraak van vet), waardoor de mobilisatie van vet wordt voorkomen. Tijdens de “voedende” of anabole toestand worden ingenomen voedingsstoffen die niet onmiddellijk worden gebruikt, opgeslagen, een proces dat grotendeels afhankelijk is van de met de voeding gepaard gaande toename van de insulinesecretie.
Enkele uren na de maaltijd, wanneer de intestinale absorptie van voedingsstoffen is voltooid en de bloedglucoseconcentraties zijn gedaald tot waarden van vóór de maaltijd, neemt de insulinesecretie af en wordt de glucoseproduktie door de lever hervat om in de behoeften van de hersenen te voorzien. Evenzo neemt de lipolyse toe, waardoor vetzuren worden geleverd die door het spierweefsel als brandstof kunnen worden gebruikt en glycerol dat in de lever in glucose kan worden omgezet. Naarmate de vastenperiode langer duurt (bv. 12 tot 14 uur), nemen de bloedglucoseconcentraties en de insulinesecretie verder af, terwijl de glucagonesecretie toeneemt. De toename van de glucagonsecretie en de gelijktijdige afname van de insulinesecretie stimuleren de afbraak van glycogeen tot glucose (glycogenolyse) en de productie van glucose uit aminozuren en glycerol (gluconeogenese) in de lever. Nadat het leverglycogeen is uitgeput, wordt de bloedglucoseconcentratie op peil gehouden door gluconeogenese. De nuchtere of katabole toestand wordt dus gekenmerkt door een verminderde insulinesecretie, een verhoogde glucagonesecretie en de mobilisatie van voedingsstoffen uit voorraden in de lever, de spieren en het vetweefsel.
Bij verder vasten neemt de lipolyse nog enkele dagen toe, waarna een plateau volgt. Een groot deel van de vetzuren die uit vetweefsel vrijkomen, wordt in de lever omgezet in ketozuren (beta-hydroxyboterzuur en acetoazijnzuur, ook bekend als ketonlichamen), een proces dat door glucagon wordt gestimuleerd. Deze ketozuren zijn kleine moleculen die twee koolstofatomen bevatten. De hersenen, die gewoonlijk glucose gebruiken voor energie, beginnen naast glucose ook ketozuren te gebruiken. Uiteindelijk wordt meer dan de helft van de dagelijkse metabole energiebehoefte van de hersenen gedekt door de ketozuren, waardoor de behoefte aan glucoseproductie door de lever en de behoefte aan gluconeogenese in het algemeen aanzienlijk afneemt. Dit vermindert de behoefte aan aminozuren die door spierafbraak worden geproduceerd, waardoor het spierweefsel wordt gespaard. Verhongering wordt gekenmerkt door lage seruminsulineconcentraties, hoge serumglucagonconcentraties en hoge serumconcentraties van vrije vetzuren en ketozuren.
Samengevat stimuleert insuline in de nuchtere toestand het transport van glucose naar weefsels (om als brandstof te worden verbruikt of als glycogeen te worden opgeslagen), het transport van aminozuren naar weefsels (om eiwitten op te bouwen of te vervangen), en het transport van vetzuren naar weefsels (om een vetdepot te vormen voor toekomstige energiebehoeften). In de nuchtere toestand daalt de insulinesecretie en stijgt de glucagonesecretie. De glycogeenvoorraden in de lever, later gevolgd door de eiwit- en vetvoorraden, worden gemobiliseerd om glucose te produceren. Uiteindelijk wordt in de meeste behoeften aan voedingsstoffen voorzien door vetzuren die uit de vetreserves worden gemobiliseerd.
Robert D. Utiger