Ключевые типы нарушений энергетического обмена
Системное смещение баланса углеводного/жирового катаболизма
Гликолиз как самостоятельный процесс не может обеспечить человеческий организм необходимым количеством АТФ. Основу энергетического метаболизма составляют процессы в митохондриях: цикл Кребса и реакции электрон-транспортной цепи,на вход которых поступает ацетил-КоА. В качестве ключевых доноров этого соединения в клетке выступают 2 процесса:
1. Катаболизм углеводов.
2. Катаболизм жиров.
Каково соотношение этих процессов в организме?
Общее депо гликогена в организме составляет порядка 200-500 г, что соответствует максимум 800-2000 ккал энергии. Депо жира у здорового человека достигает 10-20 кг, т.е. от 90 до 180 тысяч ккал. Поступление углеводов и жиров с пищей, согласно стандартным диетическим рекомендациям, составляет от 3:1 до 5:1 по массе. С точки зрения энергетической ценности это соотношение выглядит как 1:1 и 2:1 соответственно. В реальной диете большинства людей жиры составляют значительную часть рациона, поэтому с энергетической точки зрения соотношение составляет обычно не менее чем 1:1 [1, 4, 9].
Та часть углеводов, которая не утилизируется в течение нескольких часов после приема пищи, депонируется не в виде гликогена (возможность его запасов крайне ограничена), а трансформируется в жиры. В нормальном режиме функционирования организма, половина его энергозатрат покрывается за счет жиров. В случае же физической нагрузки жиры однозначно выходят на первое место в энергообеспечении.
Большинство клеток способно утилизировать любой из этих источников энергии. Для нейронов - это единственный доступный субстрат, для энергетического обмена – глюкоза. Запасы гликогена имеют еще и стратегическое значение, они создают энергообеспечение нервной ткани. Большинство тканей могли максимально использовать жир в качестве донора энергии, а это значит, что липидный катаболизм, должен стать магистральным путем энергетического обмена.
Соотношение жирового и углеводного компонентов энергетического обмена регулируется соотношением гормональных влияний, причем переход к утилизации липидов связан с двумя основными физиологическими состояниями: физические нагрузки (секреция катехоламинов, соматотропина) и голод (секреция глюкагона и частично также катехоламинов) [5, 9].
Запуск жирового метаболизма – медленный процесс. Так, при физических нагрузках первые несколько секунд работы мышцы обеспечиваются за счет запасов АТФ и креатинфосфата. До 2 минут мышца может функционировать за счет гликолиза, который активируется по мере истощения запасов АТФ. В дальнейшем накопление продуктов гликолиза приводит к повышению активности ферментов цикла Кребса и электронтранспортной цепи. Обеспечение аэробного катаболизма субстратом происходит в первую очередь за счет свободной глюкозы в крови, а также гликогенолиза (в основном в самих мышечных волокнах).
Липиды также начинают включаться в энергетический обмен уже на первых минутах физической нагрузки. На пиковый уровень активности адипоциты выходят лишь через 20-40 минут после ее начала. Это связано с рядом причин:
1. Свободная глюкоза крови сразу доступна для мышечных волокон. Гликоген также депонируется непосредственно в волокнах, при этом жировая ткань отдалена от мышц. Чтобы депонированные в адипоцитах жирные кислоты достигли мышечного волокна, должен произойти выброс соответствующих гормонов (катехоламинов, соматотропина) в кровь, должна произойти активация адипоцитов (в том числе на уровне генной экспрессии), и затем- транспорт жирных кислот от жировой ткани к мышце.
2. При высоком уровне катехоламинов и соматотропина выделение свободных жирных кислот адипоцитами может оставаться пониженным. На фоне высокого инсулина: этот гормон способен ингибировать активность жировых клеток. Поэтому переход организма к доминирующему жировому катаболизму происходит по такой схеме: нагрузка – падение уровня глюкозы – падение уровня инсулина – активация адипоцитов – рост уровня свободных жирных кислот – подавление гликолиза и активация β-окисления жирных кислот.
При краткосрочной физической нагрузке жировая ткань не успевает выйти на пиковый уровень своей активности. Также и при избытке свободной глюкозы в крови – жиры будут синтезироваться и накапливаться адипоцитами, но не расщепляться.
Аналогичное воздействие на активность жировой ткани производит и режим питания. В данном случае регуляция обеспечивается в основном классической парой гормонов «инсулин/глюкагон». Расщепление жиров адипоцитами возрастает только через продолжительное время после приема пищи, когда поступление глюкозы из пищеварительного тракта практически полностью прекращается [5, 6, 9].
Варианты системной регуляции баланса углеводного/жирового катаболизма при мышечной активности, в зависимости от продолжительности нагрузки и потребления пищи, представлены на рис.3. В случае голода, схема в целом остается аналогичной, меняются только временные рамки (истощение запасов глюкозы/гликогена). Активация жировой ткани происходит медленно и более плавно. Есть также нюансы гормональной регуляции: когда соматотропин не выделяется, но наблюдается повышенная секреция глюкагона.
Если мышечных нагрузок практически нет, либо они очень кратковременные (менее 30-40 минут постоянной размеренной нагрузки), либо в организм постоянно поступает глюкоза (человек склонен "подкармливать мозг" и постоянно употребляет конфеты, шоколад, печенье, сладкий чай, сок и т.д.) – все клетки переходят преимущественно на глюкозное питание. В результате резко изменяется профиль функциональной активности жировой ткани на фоне значительного увеличения ее общей массы в организме. В долгосрочной перспективе это может иметь целый ряд нежелательных последствий.
Жировая ткань, помимо депонирования триацилглицеридов, обладает также высокой эндокринной активностью. Среди секретируемых ею веществ, следует отметить [3, 5]:
1. Лептин, гормон жировой ткани. Это важный регулятор аппетита, он повышает промежутки между приемами пищи. У полных людей нарушен не только биосинтез этого гормона, но его восприятие нейронами, т.к. у них наблюдается чрезмерный аппетит на фоне повышенных уровней лептина в крови (большая масса жировой ткани – высокий фон лептина).
2. Эстрогены. В жировой ткани экспрессируется фермент ароматаза Р450, преобразующий тестостерон в эстрогены. Рост общей массы адипоцитов в организме может нарушать гормональную регуляцию у мужчин.
3. Жировая ткань секретирует резистин и гормоны ренин-ангиотензиновой системы, способствуя повышению артериального давления.
4. Адипоциты секретируют различные медиаторы воспаления, повышение такой секреции может быть фактором риска для хронических воспалительных заболеваний и развития атеросклероза.
5. Адипонектин, выделяемый жировыми клетками, обеспечивает регуляцию энергетического обмена, обладает противовоспалительным и антиатерогенным эффектом. В отличие от других выделяемых адипоцитами медиаторов, секреция адипонектина и его протекторные эффекты снижаются при ожирении.
В целом, адипоциты обеспечивают комплексную регуляцию обмена и транспорта жиров, энергетического обмена, влияют на функции иммунной и кровеносной систем. Поддержание нормальной функциональной активности адипоцитов требует регулярного создания условий длительного дефицита глюкозы в сочетании с длительными физическими нагрузками. Несоблюдение этих условий, способствует переходу организма на энергообеспечение за счет глюкозы. В свою очередь это может приводить к снижению функциональной активности жировой ткани, накоплению избыточного жира и нарушениям во всех регуляторных системах, связанных с эндокринной активностью адипоцитов.
