Hormonalna kontrola metabolizmu energetycznego
Odkrycie insuliny w 1921 roku było jednym z najważniejszych wydarzeń we współczesnej medycynie. Uratowało życie niezliczonym pacjentom dotkniętym cukrzycą, zaburzeniem metabolizmu węglowodanów charakteryzującym się niezdolnością organizmu do wytwarzania insuliny lub reagowania na nią. Odkrycie insuliny przyczyniło się również do dzisiejszego zrozumienia funkcji wewnątrzwydzielniczej trzustki. Znaczenie trzustki endokrynnej polega na tym, że insulina odgrywa kluczową rolę w regulacji metabolizmu energetycznego. Względny lub bezwzględny niedobór insuliny prowadzi do cukrzycy, która jest główną przyczyną chorób i zgonów na całym świecie.
Hormon trzustkowy glukagon, w połączeniu z insuliną, również odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu homeostazy glukozy oraz w regulacji magazynowania składników odżywczych. Odpowiednia podaż glukozy jest wymagana dla optymalnego wzrostu i rozwoju organizmu oraz dla funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego, dla którego glukoza jest głównym źródłem energii. Dlatego też wykształciły się skomplikowane mechanizmy zapewniające utrzymanie stężenia glukozy we krwi w wąskich granicach zarówno podczas uczty, jak i głodu. Nadmiar spożywanych składników odżywczych może być magazynowany w organizmie i udostępniany później – na przykład, gdy składniki odżywcze są w niedostatku, jak podczas postu, lub gdy organizm zużywa energię, jak podczas aktywności fizycznej. Tkanka tłuszczowa jest głównym miejscem magazynowania składników odżywczych, prawie w całości w postaci tłuszczu. Jeden gram tłuszczu zawiera dwa razy więcej kalorii niż jeden gram węglowodanów lub białka. Ponadto, zawartość wody w tkance tłuszczowej jest bardzo niska (10 procent). Tak więc kilogram tkanki tłuszczowej ma 10 razy większą wartość kaloryczną niż ta sama waga tkanki mięśniowej.
Po spożyciu pokarmu cząsteczki węglowodanów są trawione i wchłaniane jako glukoza. Wynikający z tego wzrost stężenia glukozy we krwi powoduje 5- do 10-krotny wzrost stężenia insuliny w surowicy, która stymuluje wychwyt glukozy przez tkankę wątrobową, tłuszczową i mięśniową oraz hamuje uwalnianie glukozy z tkanki wątrobowej. Kwasy tłuszczowe i aminokwasy pochodzące z trawienia tłuszczów i białek są również pobierane i magazynowane w wątrobie i tkankach obwodowych, zwłaszcza w tkance tłuszczowej. Insulina hamuje również lipolizę (rozpad tłuszczu), zapobiegając mobilizacji tłuszczu. Tak więc, podczas „karmione,” lub anaboliczne, stan, spożyte składniki odżywcze, które nie są natychmiast wykorzystywane są przechowywane, proces w dużej mierze zależy od żywności związane wzrost wydzielania insuliny.
Kilka godzin po posiłku, gdy wchłanianie jelitowe składników odżywczych jest zakończona i stężenie glukozy we krwi zmniejszyły się w kierunku wartości sprzed posiłku, wydzielanie insuliny zmniejsza się, a produkcja glukozy przez wątrobę wznawia w celu utrzymania potrzeb mózgu. Podobnie, lipoliza zwiększa się, dostarczając kwasów tłuszczowych, które mogą być wykorzystane jako paliwo przez tkankę mięśniową i glicerolu, który może być przekształcony w glukozę w wątrobie. W miarę wydłużania się okresu postu (np. 12 do 14 godzin) stężenie glukozy we krwi i wydzielanie insuliny nadal się zmniejszają, a zwiększa się wydzielanie glukagonu. Wzrost wydzielania glukagonu i jednoczesny spadek wydzielania insuliny stymulują w wątrobie rozpad glikogenu do postaci glukozy (glikogenoliza) oraz produkcję glukozy z aminokwasów i glicerolu (glukoneogeneza). Po wyczerpaniu glikogenu wątrobowego stężenie glukozy we krwi jest utrzymywane przez glukoneogenezę. Tak więc, na czczo, lub kataboliczne, stan charakteryzuje się zmniejszonym wydzielaniem insuliny, zwiększone wydzielanie glukagonu i mobilizacji składników odżywczych z magazynów w wątrobie, mięśni i tkanki tłuszczowej.
Z dalszego postu, szybkość lipolizy nadal wzrasta przez kilka dni, a następnie plateaus. Duża część kwasów tłuszczowych uwolnionych z tkanki tłuszczowej jest przekształcana do kwasów ketonowych (kwas beta-hydroksymasłowy i kwas acetooctowy, znane również jako ciała ketonowe) w wątrobie, proces, który jest stymulowany przez glukagon. Te kwasy ketonowe są małymi cząsteczkami, które zawierają dwa atomy węgla. Mózg, który generalnie wykorzystuje glukozę do produkcji energii, zaczyna używać kwasów ketonowych jako dodatku do glukozy. Ostatecznie ponad połowa dziennego zapotrzebowania mózgu na energię metaboliczną jest zaspokajana przez kwasy ketonowe, co znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na produkcję glukozy przez wątrobę i zapotrzebowanie na glukoneogenezę w ogóle. Zmniejsza to zapotrzebowanie na aminokwasy produkowane w procesie rozpadu mięśni, oszczędzając w ten sposób tkankę mięśniową. Głód charakteryzuje się niskim stężeniem insuliny w surowicy, wysokim stężeniem glukagonu w surowicy i wysokim stężeniem wolnych kwasów tłuszczowych i kwasów ketonowych w surowicy.
Podsumowując, w stanie karmienia, insulina stymuluje transport glukozy do tkanek (do spożycia jako paliwo lub przechowywane jako glikogen), transport aminokwasów do tkanek (do budowy lub zastąpienia białka) i transport kwasów tłuszczowych do tkanek (w celu zapewnienia depozytu tłuszczu dla przyszłych potrzeb energetycznych). W stanie postu zmniejsza się wydzielanie insuliny, a zwiększa wydzielanie glukagonu. Do produkcji glukozy mobilizowane są zapasy glikogenu wątrobowego, a następnie białka i tłuszczu. Ostatecznie, większość zapotrzebowania na składniki odżywcze jest zaspokajana przez kwasy tłuszczowe mobilizowane z zapasów tłuszczu.
Robert D. Utiger