– Vi skal nå vurdere de biokjemiske reaksjoner mot en rekke fysiologiske forhold. Vårt første eksempel er utsultet-matet syklus, som vi alle opplever i timene etter en kveld og gjennom natten ‘ s fort. Dette nattlig utsultet-matet syklusen har tre stadier: postabsorptive tilstand etter et måltid, tidlig faste i løpet av natten, og refed staten etter frokost., Et hovedmål med de mange biokjemiske forandringer i denne perioden er å opprettholde glukose homeostase—det er en konstant blod-glukose nivå.
Det godt matet, eller postabsorptive, stat. Etter at vi spise og fordøye et kveldsmåltid, glukose og aminosyrer transporteres fra tarmen til blodet. Kosttilskudd fett er pakket inn i kylomikroner og transportert til blodet av lymfesystemet. Dette matet tilstand som fører til utskillelse av insulin, som er en av de to viktigste regulatorer av drivstoff metabolisme, den andre regulator blir glucagon., Utskillelsen av hormonet insulin fra beta-cellene i bukspyttkjertelen stimuleres av glukose og det parasympatiske nervesystemet (Figur 30.15). I hovedsak, insulin signaler fed staten—det stimulerer lagring av brensel og syntese av proteiner i en rekke måter. For eksempel insulin starter protein kinase cascades—det stimulerer syntesen av glykogen i både muskel og lever og undertrykker gluconeogenesis av leveren. Insulin også akselererer glykolysen i leveren, som i sin tur øker syntesen av fettsyrer.,
leveren bidrar til å begrense mengden av glukose i blodet under tider av masse ved å lagre det som glykogen, slik som å være i stand til å frigjøre glukose i tider med knapphet. Hvordan er overflødig blod glukose til stede etter et måltid fjernet? Insulin akselererer opptak av blod glukose i leveren ved GLUT2. Nivået av glukose-6-fosfat i leveren stiger fordi bare da kan den katalytisk områder av glucokinase bli fylt med glukose. Husker at glucokinase er aktiv bare når blod-glukose nivåer er høy., Følgelig, leveren danner glukose-6-fosfat mer raskt som blod-glukose nivået stiger. Økningen av glukose-6-fosfat sammen med insulin handling fører til en opphoping av glykogen butikker. Den hormonelle effekter på glykogen syntese og lagring er forsterket av en direkte virkningen av glukose i seg selv. Phosphorylase en er en glukose sensor i tillegg til å være enzym som cleaves glykogen., Når glukose nivået er høyt, binding av glukose til phosphorylase en gjør enzymet utsatt for virkningen av en fosfatase som konverterer den til phosphorylase b, som ikke lett bryte ned glykogen. Dermed, glukose allosterically skift glykogen systemet fra en degradative til et syntetisk-modus.
Den høye insulin nivået i matet tilstand fremmer også oppføring av glukose i muskel-og fettvev. Insulin stimulerer syntesen av glykogen ved muskel, så vel som av leveren., Oppføring av glukose i fettvev gir glycerol 3-phosphate for syntese av triacylglycerols. Virkningen av insulin strekker seg også til aminosyrer og protein metabolisme. Insulin fremmer opptaket av branched-chain amino syrer (valin, leucin og isoleucin) av muskler. Faktisk, insulin har en generell stimulerende effekt på proteinsyntesen, som favoriserer en bygning opp av muskel protein. I tillegg, det hemmer den intracellulære nedbrytning av proteiner.
tidlig I fastende tilstand., Blod-glukose nivå begynner å slippe flere timer etter et måltid, noe som fører til en reduksjon i insulin sekresjon og en økning i glucagon sekret; glucagon utskilles av α-cellene i bukspyttkjertelen i respons til et lavt blod sukker nivå i fastende tilstand. Akkurat som insulin signaler fed staten, glucagon signaler sultet staten. Det tjener til å mobilisere glykogen butikker når det er ingen inntak av glukose. Den viktigste målorgan av glucagon er leveren., Glucagon stimulerer glykogen sammenbrudd og hemmer syntesen av glykogen ved å utløse syklisk AMP cascade fører til phosphorylation og aktivering av phosphorylase og hemming av glykogen syntase (§21.5). Glucagon også fettsyrer hemmer syntese av avtagende produksjon av pyruvate, og ved å senke aktiviteten til acetyl CoA carboxylase av å opprettholde det i en unphosphorylated staten. I tillegg, glucagon stimulerer gluconeogenesis i leveren og blokkerer glykolysen ved å senke nivået av F-2,6-BP.,
Alle kjente handlinger av glucagon er mediert av protein kinases som er aktivert av syklisk AMP. Aktivering av syklisk AMP cascade resulterer i et høyere nivå av phosphorylase en aktivitet og et lavere nivå av glykogen syntase en aktivitet. Glucagon effekt på denne kaskade er forsterket av redusert binding av glukose til phosphorylase en, som gjør at enzymet mindre utsatt for hydrolytic handling av fosfatase. I stedet fosfatase forblir bundet til phosphorylase en, og så syntase opphold i aktiv phosphorylated form., Følgelig, det er en rask mobilisering av glykogen.
Den store mengden av glukose som dannes ved hydrolyse av glukose-6-fosfat som er utvunnet fra glykogen er deretter løslatt fra leveren i blodet. Oppføring av glukose i muskel og i fettvev reduseres i respons til et lavt insulin nivå. Redusert utnyttelse av glukose ved muskel-og fettvev bidrar også til vedlikehold av bloodglucose nivå. Resultatet av disse handlingene av glucagon er til vesentlig økt frigjøring av glukose i leveren.,
Både muskel og lever bruke fettsyrer som drivstoff når blod-glukose nivået synker. Dermed, blod-glukose nivå er holdt på eller over 80 mg/dl av tre viktige faktorer: (1) mobilisering av glykogen og frigjøring av glukose i leveren, (2) frigjøring av fettsyrer av fettvev, og (3) skift i drivstoff som brukes av glukose til fettsyrer ved muskel og lever.
Hva er resultatet av uttømming av leverens glykogen butikker?, Gluconeogenesis fra laktat og alanin fortsetter, men denne prosessen bare erstatter glukose som allerede hadde blitt omgjort til laktat og alanin av perifere vev. Videre, hjernen oxidizes glukose fullstendig til CO2 og H2O. Dermed, for net syntese av glukose til å skje, en annen kilde av karbonatomer er nødvendig. Glyserol frigjøres fra fettvev på lipolyse gir noen av karbonatomer, med de resterende karbonatomer kommer fra hydrolyse av muskel proteiner.
refed staten. Hva er de biokjemiske reaksjoner på en solid frokost?, Fett er behandlet akkurat som det er behandlet på vanlig matet tilstand. Dette er imidlertid ikke tilfelle for glukose. De lever ikke i utgangspunktet ta opp glukose fra blodet, men heller lar det være for de perifere vev. Dessuten lever fortsatt i en gluconeogenic-modus. Nå, imidlertid, den nylig syntetisert glukose er brukt til å fylle leveren glykogen butikker. Som blod-glukose nivåer fortsette å stige, leveren fullfører påfyll av sin glykogen butikker og begynner å behandle de resterende overflødig glukose for fettsyrer syntese.
30.3.1., Metabolske Tilpasninger i Langvarig Sult Minimere Protein Nedbrytning
Hva er tilpasninger hvis faste er forlenget til det punktet av sult? Et typisk godt-næring 70-kg mannen har drivstoff forbeholder seg retten til sammen om 161,000 kcal (670,000 kJ; se Tabell 30.1). Energi behovet for en 24-timers periode varierer fra ca 1600 kcal (6700 kJ) 6000 kcal (25,000 kJ), avhengig av grad av aktivitet. Dermed er lagret brensel nok til å møte kalori behov i sult 1 til 3 måneder. Men, karbohydrater forbeholder seg retten er oppbrukt i bare en dag.,
Selv under sult forhold, blod-glukose nivået må opprettholdes over 2,2 mM (40 mg/dl). Første prioritet av metabolisme i sult er å gi tilstrekkelig glukose til hjernen og andre vev (for eksempel røde blod celler) som er helt avhengige av dette drivstoffet. Imidlertid, utløpere av glukose er ikke rikelig. Mest strøm som er lagret i fet acyl moieties av triacylglycerols. Husker at fettsyrer kan ikke bli omdannet til glukose, fordi acetyl CoA kan bli forvandlet til pyruvate (§22.3.7)., Den glyserol fraksjonen av triacylglycerol kan bli konvertert til glukose, men bare en begrenset mengde er tilgjengelig. Den eneste andre potensiell kilde til glukose aminosyrer stammer fra nedbrytning av proteiner. Imidlertid, proteiner ikke er lagret, og slik at alle sammenbrudd vil nødvendiggjøre et tap av funksjon. Dermed, den andre prioritet av metabolisme i sult er å bevare protein, noe som oppnås ved å skifte drivstoff som brukes fra glukose til fettsyrer og ketonlegemer (Figur 30.16).
Figur 30.16
Drivstoff Valg i Løpet av Sult., Plasma-nivåer av fettsyrer og ketonlegemer økning i sult, mens det av glukose synker.
Den metabolske endringer på den første dag av sult er som de etter en natts faste. Lavt blod sukker nivå fører til redusert utskillelse av insulin og økt sekresjon av glucagon. Den dominerende metabolske prosesser er det mobilisering av triacylglycerols i fettvev og gluconeogenesis av leveren. Leveren får energi til sine egne behov ved oksiderende fettsyrer frigjøres fra fettvev., Konsentrasjonene av acetyl CoA og citrate følgelig øke, noe som slår av glykolysen. Opptaket av glukose ved muskel er kraftig redusert på grunn av lav insulin nivå, mens fettsyrer inn fritt. Følgelig, muskel-skift nesten utelukkende av glukose til fettsyrer for drivstoff. Den β-oksidasjon av fettsyrer med muskel stopper konvertering av pyruvate til acetyl CoA, fordi acetyl CoA stimulerer phosphorylation av pyruvate dehydrogenase-komplekset, som gjengir den inaktive (Avsnitt 17.2.1)., Derfor, pyruvate, laktat og alanin er eksportert til leveren for konvertering til glukose. Glyserol er avledet fra spalting av triacylglycerols er en annen råvare for syntesen av glukose i leveren.
Protolyse gir også karbon skjeletter for gluconeogenesis. I løpet av sult, dårligere proteiner er ikke oppfylt, og fungere som karbon kilder for glukose syntese. Første kilder til protein er de som snur seg raskt, som for eksempel proteiner av tarmens epitel og sekresjonen fra bukspyttkjertelen., Protolyse av muskel protein gir noen av tre-karbon utløpere av glukose. Imidlertid, overlevelse for de fleste dyr avhenger være i stand til å flytte seg raskt, noe som krever en stor muskelmasse, og så muskel tap skal begrenses.
Hvordan er tap av muskel ramma? Etter ca 3 dager av sult, leveren danner store mengder acetoacetate og d-3-hydroxybutyrate (ketonlegemer; Figur 30.17). Deres syntese fra acetyl CoA øker markant fordi sitronsyre syklus er i stand til å oksidere alle acetyl-enheter som er generert ved nedbrytning av fettsyrer., Gluconeogenesis tapper tilførsel av oxaloacetate, som er avgjørende for oppføring av acetyl CoA i sitronsyre syklus. Følgelig, leveren produserer store mengder av ketonlegemer, noe som er sluppet ut i blodet. På denne tiden, begynner hjernen å konsumere betydelige mengder acetoacetate i stedet for glukose. Etter 3 dager av sult, om lag en tredjedel av energibehovet til hjernen blir møtt av ketonlegemer (Tabell 30.2). Hjertet også bruker ketonlegemer som drivstoff.
Figur 30.17
Syntese av ketonlegemer i Leveren.,
Tabell 30.2
Drivstoff metabolisme i sult.
Etter flere uker av sult, ketonlegemer bli den store drivstoff av hjernen. Acetoacetate er aktivert ved overføring av CoA fra succinyl CoA å gi acetoacetyl CoA (Figur 30.18). Spalting av thiolase så gir to molekyler av acetyl CoA, som angir sitronsyre syklus. I hovedsak, ketonlegemer er ekvivalenter av fettsyrer som kan passere gjennom blod-hjerne-barrieren., Bare 40 g glukose er da nødvendig per dag for hjernen, sammenlignet med ca 120 g i første dag av sult. Effektiv konvertering av fettsyrer inn i ketonlegemer i leveren og deres bruk av hjernen markant reduserer behovet for glukose. Derfor, mindre muskel er dårligere enn i de første dagene av sult. Nedbryting av 20 g av muskel daglig sammenlignet med 75 g tidlig i sult er mest viktig for overlevelse. En persons overlevelse tid, er i hovedsak bestemt av størrelsen av triacylglycerol depot.
Figur 30.,18
– Oppføring av ketonlegemer I Sitronsyre Syklus.
Hva skjer etter uttømming av triacylglycerol butikker? Den eneste kilde til drivstoff som gjenstår er proteiner. Protein nedbrytning akselererer, og døden er uunngåelig resultater fra et tap av hjerte -, lever-eller nyrefunksjon.
30.3.2., Metabolske Derangements i Diabetes skyldes Forhold Insulin Insuffisiens og Glucagon Overflødig
Vi nå vurdere diabetes mellitus, en kompleks sykdom karakterisert ved grovt unormal drivstoff bruk: glukose er overproduced av leveren og uutnyttet av andre organer. Forekomsten av diabetes mellitus (vanligvis referert til som diabetes) er om lag 5% av befolkningen. Faktisk, diabetes er den vanligste alvorlig metabolsk sykdom i verden; det påvirker hundrevis av millioner., Type i diabetes, eller insulin-dependent diabetes mellitus (IDDM), er forårsaket av autoimmun ødeleggelse av insulinsecreting β-celler i bukspyttkjertelen, og begynner som regel før 20 år. Begrepet insulin-avhengig betyr at den enkelte krever insulin for å leve. De fleste diabetikere, i kontrast, har en normal eller enda høyere nivå av insulin i blodet, men de er ganske svarer til hormonet. Denne formen av sykdommen—kjent som type II, eller ikke-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM)—typisk oppstår senere i livet enn insulin-dependent form.,
Diabetes-
Oppkalt etter overdreven urination i sykdommen. Aretaeus, en Kappadokiske lege av det andre århundre en.d., skrev: «tilnavnet diabetes har blitt tildelt lidelse, å være noe som bestått av vann av en hevert.»Han perceptively preget diabetes som «å smelte ned av kjøtt og lemmer i urinen.»
Mellitus-
– >
Fra Latin, og betyr «søtet med honning.»Refererer til tilstedeværelsen av sukker i urinen av pasienter som har den sykdommen.,
Mellitus skiller denne sykdommen diabetes insipidus, som er forårsaket av nedsatt nyre-reabsorpsjon av vann.
I type i diabetes, insulin er fraværende, og følgelig glucagon er til stede på høyere-enn-normal mengde. I hovedsak, diabetiker person er i biokjemiske i sult-modus til tross for en høy konsentrasjon av blodsukker. Fordi insulin er mangelfull, oppføring av glukose inn i cellene er svekket. Leveren blir sittende fast i en gluconeogenic og ketogen staten., Overdreven grad av glucagon i forhold til insulin fører til en reduksjon i mengden av F-2,6-BP i leveren. Derfor, glykolysen er hemmet og gluconeogenesis er stimulert på grunn av det motsatte virkninger av F-2,6-BP på phosphofructokinase og fruktose-1,6-bisphosphatase (Avsnitt 16.4; se også Tall 30.4 og 30.6). Den høye glucagon/insulin-nivået i diabetes fremmer også glykogen sammenbrudd. Derfor, en overdreven mengde glukose er produsert av leveren og sluppet ut i blodet., Glukose er utskilles i urinen (derav navnet mellitus) når konsentrasjonen i blodet overstiger reabsorptive kapasitet av tubuli renal. Vannet følger utskilles glukose, og så en ubehandlet diabetiker i den akutte fasen av sykdommen er sulten og tørst.
Fordi karbohydrater utnyttelse er svekket, en mangel på insulin fører til ukontrollert nedbryting av lipider og proteiner. Store mengder av acetyl CoA er da produsert av β-oksidasjon., Men mye av acetyl CoA kan ikke gå inn sitronsyre syklus, fordi det er ikke nok oxaloacetate for kondens trinn. Husker at pattedyr kan syntetisere oxaloacetate fra pyruvate, et produkt av glykolysen, men ikke fra acetyl CoA; i stedet, de genererer ketonlegemer. Et slående trekk ved diabetes er skift i drivstoff bruk fra karbohydrater til fett; glukose, mer tallrike enn noen gang, er avvist. I høye konsentrasjoner, ketonlegemer overvelde nyre evne til å opprettholde syre-base-balanse., De ubehandlede diabetiker kan gå i koma på grunn av en redusert blod pH-nivået og dehydrering.
Type II, eller ikke-insulin avhengig diabetes står for mer enn 90% av tilfellene utvikler seg vanligvis i middelaldrende, overvektige mennesker. Den eksakte årsaken til type II diabetes som gjenstår å bli belyst, selv om en genetisk basis, virker sannsynlig.
30.3.3. Kalori Homeostase: Et Middel til å Regulere kroppsvekt
I Usa, fedme har blitt en epidemi, med nesten 20% av voksne klassifisert som overvektige., Fedme er identifisert som en risikofaktor i en rekke patologiske tilstander, inkludert diabetes mellitus, hypertensjon og hjerte-og karsykdommer. Årsaken til fedme er ganske enkle i de aller fleste tilfeller—mer mat er fortært enn det som er nødvendig, og det overskytende kalorier lagres som fett.
Selv om den proksimale årsaken til fedme er enkel, den kjemiske midler som kalori homeostase og apetite kontroll er vanligvis opprettholdt er enormt komplekse, men to viktige signal-molekyler er insulin og leptin., Et protein som består av 146 aminosyrer, leptin er et hormon som skilles ut av adipocytter i direkte forhold til fettmasse. Leptin virker gjennom en membran reseptor (i slekt i struktur og virkningsmekanisme til vekst-hormon reseptor; Avsnitt 15.4) i hypothalamus til å generere mettes signaler. I perioder når det er mer energi er brukt enn svelget (de sultet staten), fettvev mister masse. Under disse forholdene, sekresjon av både leptin og insulin avtar, drivstoff utnyttelse er økt, og energilagre er brukt. Det motsatte er sant når kalorier som blir konsumert i overkant.,
viktigheten av leptin til fedme er dramatisk illustrert i mus. Mus som mangler leptin er overvektige og vil gå ned i vekt hvis de får leptin. Mus som mangler leptin reseptor er ufølsom for leptin administrasjon. Foreløpige bevis tyder på at leptin og dets reseptor spille en rolle i menneskenes fedme, men resultatene er ikke så klart avgrenset som i musen. Samspillet mellom gener og deres produkter for å kontrollere kalori homeostase vil være et spennende område av forskning i noen tid fremover.