Metabolizam ugljenih hidrata, lipida i proteina

Metabolizam goriva rješava dva povezana zadatka: obnavlja ATP potreban za ćelijski rad i raspoređuje raspoložive supstrate između neposredne potrošnje, sinteze i skladištenja. Ugljeni hidrati, lipidi i proteini ulaze različitim putevima, ali se njihova razgradnja povezuje preko zajedničkih međuproizvoda. Koji put preovladava zavisi od tkiva, hormonskih signala, dostupnosti kiseonika i vremena proteklog od obroka.

ATP je veza između goriva i rada

Energija oksidacije ne prelazi direktno u kontrakciju ili aktivni transport. Dio se privremeno prenosi na ATP, čija hidroliza može pokretati energetski nepovoljne procese. Zaliha ATP-a ne predstavlja dugoročnu rezervu: ćelija ga stalno troši i ponovo stvara. Stabilna koncentracija zato može pratiti veoma brz promet.

Glikoliza i pojedine druge reakcije stvaraju ATP fosforilacijom na nivou supstrata. U mitohondrijama elektroni iz redukovanih koenzima prolaze kroz respiratorni lanac. Njihov prenos omogućava stvaranje protonskog gradijenta, a povratak protona kroz ATP-sintazu povezuje gradijent sa sintezom ATP-a. Kiseonik je završni primalac elektrona u tom lancu. Zavisnost oksidativnog metabolizma od kiseonika ne znači da svaka reakcija razgradnje glukoze neposredno koristi O₂.

Ugljeni hidrati: potrošnja i održavanje glikemije

Ulazak glukoze u ćeliju i njena fosforilacija otvaraju više mogućih pravaca. Glukoza-6-fosfat može služiti glikolizi, sintezi glikogena ili pentozofosfatnom putu. Posljednji put povezuje metabolizam sa stvaranjem redukcionog kapaciteta i sastavnih dijelova nukleotida, pa glukoza nije isključivo energetsko gorivo.

Glikoliza pretvara glukozu u piruvat uz nastanak ATP-a i redukovanog NAD-a. Pretvaranje piruvata u laktat obnavlja NAD⁺ potreban za nastavak glikolize. Laktat može napustiti ćeliju i biti iskorišten u drugom tkivu; njegov nastanak nije sam po sebi dokaz da kiseonika nema.

Jetreni i mišićni glikogen imaju različitu funkcijsku ulogu. Jetra može oslobađati glukozu u krv jer raspolaže glukoza-6-fosfatazom. Skeletni mišić nema taj završni korak za direktno oslobađanje slobodne glukoze, pa njegov glikogen prvenstveno podržava lokalni rad. Između obroka jetra, a u određenim uslovima i bubrezi, doprinose glukoneogenezi. Laktat, glicerol i glukogene aminokiseline predstavljaju važne polazne supstrate.

Lipidi: velika rezerva i različite sudbine

Trigliceridi masnog tkiva odvajaju trenutnu dostupnost hrane od kasnije potrošnje. Lipoliza oslobađa masne kiseline i glicerol. Masne kiseline se u odgovarajućim ćelijama razgrađuju β-oksidacijom, koja daje acetil-CoA i redukovane koenzime. Acetil-CoA može ući u ciklus limunske kiseline, dok elektroni podržavaju oksidativnu fosforilaciju.

Kada jetra intenzivno koristi masne kiseline, dio acetil-CoA može se usmjeriti ka keto tijelima. Ona prenose gorivo iz jetre drugim tkivima. Povećana ketogeneza pri gladovanju predstavlja metaboličko prilagođavanje; nije svaka ketoza ketoacidoza. Razliku određuju obim stvaranja, korištenje i eliminacija keto kiselina, uz acidobaznu regulaciju.

U stanju dovoljnog unosa supstrata moguće je stvaranje masnih kiselina i triglicerida. Sinteza i razgradnja imaju različite enzimske i regulatorne korake. Njihovo koordinisanje sprečava da ćelija istovremeno intenzivno gradi i razgrađuje istu rezervu bez korisnog efekta.

Proteini i azotni dio metabolizma

Proteini stalno prolaze sintezu i razgradnju. Njihove funkcije uključuju katalizu, transport, strukturu i signalizovanje, pa razgradnja tjelesnog proteina radi goriva istovremeno smanjuje funkcijsko tkivo. Aminokiseline nemaju poseban inertni rezervoar uporediv sa trigliceridima.

Transaminacije raspoređuju amino-grupe između molekula. Kada se ugljenični dio aminokiseline koristi kao gorivo ili metabolički supstrat, azot mora biti zbrinut. Jetreni ciklus ureje omogućava njegovo izlučivanje u obliku ureje, koju pretežno eliminišu bubrezi. Ugljenični skeleti imaju različite ulaze u metabolizam: neki podržavaju glukoneogenezu, neki ketogene puteve, a neki oba. Zato se sve aminokiseline ne mogu posmatrati kao metabolički jednake.

Vitamini i minerali omogućavaju metabolički rad

Raspoloživo gorivo nije jedini uslov da metabolički put funkcioniše. Vitamini i minerali ne daju energiju kao ugljeni hidrati ili masti, ali pojedine reakcije bez njihovog doprinosa ne mogu pravilno teći. Razlika između količine goriva i sposobnosti njegovog korištenja zato uključuje i dostupnost kofaktora.

U prenosu elektrona učestvuju koenzimi povezani sa riboflavinom, vitaminom B2, i niacinom, vitaminom B3: FMN/FAD i NAD/NADP. Tiamin, B1, u obliku tiamin-pirofosfata podržava dekarboksilaciju piruvata i drugih alfa-keto kiselina. Pantotenska kiselina, B5, sastavni je dio CoA, kojim se povezuje prenos acilnih grupa. Piridoksal-fosfat, povezan sa B6, omogućava reakcije amino-grupa, uključujući transaminacije, dok biotin učestvuje u karboksilacijama. Ove veze objašnjavaju zašto različiti vitamini podržavaju različite korake istog ukupnog metabolizma.

Folatni koenzimi prenose jednougljenične grupe potrebne, između ostalog, za sintezu nukleotida. B12 ima zasebne koenzimske uloge u metionin-sintazi i metilmalonil-CoA-mutazi. Folat i B12 zato se funkcijski povezuju, ali nisu isti kofaktor niti izvršavaju istu reakciju. Njihov značaj za ćelijsko obnavljanje povezuje metabolizam sa stvaranjem krvnih ćelija i radom nervnog sistema.

Drugi vitamini povezuju metabolizam sa određenim tkivnim funkcijama. Vitamin A podržava vidne pigmente i epitelnu funkciju; C učestvuje u hidroksilaciji tokom stvaranja kolagena; E štiti membranske lipide od oksidacije. Vitamin K omogućava karboksilaciju određenih koagulacionih proteina, a D povezuje crijevnu apsorpciju kalcijuma sa njegovim ukupnim bilansom. Gvožđe učestvuje i u prenosu kiseonika i u citohromima, magnezijum podržava enzimski rad i komplekse sa ATP-om, a jod pripada građi hormona štitne žlijezde. Cink, bakar i selen doprinose pojedinim enzimskim i zaštitnim funkcijama; mali potreban udio ne znači malu funkcijsku važnost.

Dostupnost zavisi od apsorpcije, prenosa i rezervi. A, D, E i K povezani su sa crijevnom obradom lipida. Rezerve većine vodorastvorljivih vitamina nisu jednake dugotrajnijoj rezervi B12. Iz ove fiziološke podjele ne slijedi jedinstvena potrebna količina ili režim suplementacije za svaku osobu.

Hormonska i organska integracija

Poslije obroka insulin podstiče korištenje i skladištenje hranljivih materija. U periodu bez hrane odnos insulina i kontraregulatornih signala mijenja jetreno oslobađanje glukoze i mobilizaciju rezervi. Odgovor zavisi od receptora i enzima pojedinog tkiva. Jetra raspoređuje supstrate, masno tkivo čuva i oslobađa gorivo, a mišić prilagođava potrošnju radu.

Eritrociti nemaju mitohondrije i oslanjaju se na glikolizu. Mozak u uobičajenim uslovima značajno koristi glukozu, a tokom dužeg gladovanja povećava korištenje keto tijela. Te razlike objašnjavaju zašto promjena dominantnog goriva organizma ne znači istu promjenu u svakoj ćeliji.

Zapamti

• ATP mora stalno nastajati da bi se održao ćelijski rad.
• Jetreni i mišićni glikogen imaju različite zadatke.
• Sudbina goriva zavisi od tkiva i hormonskog stanja.
• Razgradnja aminokiselina zahtijeva odvojeno zbrinjavanje azota.