Инсулин и глюкагон

После еды поджелудочная железа выделяет инсулин, который способствует накоплению энергетических запасов; между приёмами пищи уровень инсулина снижается, а глюкагона — повышается, и запасы высвобождаются 1.

Сигнал инсулина передаётся через рецептор с тирозинкиназной активностью, субстраты инсулинового рецептора и протеинкиназу AKT; в мышцах, сердце и жировой ткани это приводит к перемещению переносчиков глюкозы GLUT4 в плазматическую мембрану 1. В гепатоцитах AKT фосфорилирует FOXO1 и вызывает его выведение из ядра, в результате чего снижается транскрипция генов PCK1 и G6PC1 2. Глюкагон повышает концентрацию цАМФ в печени; затем протеинкиназа A инактивирует гликогенсинтазу, через киназу фосфорилазы активирует гликогенфосфорилазу и снижает уровень фруктозо-2,6-бисфосфата — ингибитора фруктозо-1,6-бисфосфатазы 2. Инсулин также подавляет липолиз в жировой ткани 21; см. инсулин и глюкагон.

Гликоген

После еды печень запасает глюкозу в виде гликогена, а между приёмами пищи высвобождает её 3.

Глюкозо-6-фосфат аллостерически активирует гликогенсинтазу печени, а глюкоза способствует инактивации гликогенфосфорилазы 2. У восьми здоровых взрослых концентрация гликогена в печени за ночь снизилась с 350 до 207 mmol/L, а после приёма жидкой пищи калорийностью 824 kcal, 67,3% энергии которой приходилось на глюкозу, достигла максимума (316 mmol/L) в среднем через 318 минут 3. После ночного голодания этанол снизил концентрацию глюкозы в плазме ниже 50 mg/100 ml у пяти из семи пациентов с алкогольной гипогликемией в анамнезе, а глюкагон её не повысил 4.

Глюконеогенез

Между приёмами пищи глюкозу из лактата, аминокислот и глицерола синтезирует печень, а при длительном голодании — и почки 25.

В глюконеогенезе необратимые стадии гликолиза заменены обходными реакциями, которые катализируют пируваткарбоксилаза, активируемая ацетил-КоА, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза 1.

Глюконеогенез из пируватаМитохондриальный матрикс, цитозоль и эндоплазматический ретикулум клеток печени и коркового вещества почек
  1. Пируват
  2. Пируваткарбоксилаза (PC), митохондриальнаяАТФ → АДФ, HCO3−, БиотинАллостерический активатор — ацетил-КоА; на молекулу глюкозы — два пирувата
  3. Оксалоацетат
  4. Малатдегидрогеназа 2 (MDH2), митохондриальнаяНАДН → НАД+Затем малат проходит через внутреннюю мембрану митохондрий
  5. Малат
  6. Малатдегидрогеназа 1 (MDH1), цитозольнаяНАД+ → НАДНОбразует цитозольный НАДН, используемый GAPDH
  7. Оксалоацетат
  8. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа 1 (PCK1), цитозольнаяГТФ → ГДФВысвобождается CO2; PCK2 катализирует ту же реакцию в митохондриях
  9. Фосфоенолпируват
  10. Енолаза 1 (ENO1)H2O
  11. 2-Фосфоглицерат
  12. Фосфоглицератмутаза 1 (PGAM1)
  13. 3-Фосфоглицерат
  14. Фосфоглицераткиназа 1 (PGK1)АТФ → АДФ
  15. 1,3-Бисфосфоглицерат
  16. Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH)НАДН → НАД+Высвобождается фосфат
  17. Глицеральдегид-3-фосфат
  18. Альдолаза B (ALDOB)Дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ)ДГАФ образуется из второй триозы под действием триозофосфатизомеразы (TPI1)
  19. Фруктозо-1,6-бисфосфат
  20. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза 1 (FBP1)H2OФруктозо-2,6-бисфосфатАМФВысвобождается фосфат; глюкагон снижает уровень фруктозо-2,6-бисфосфата
  21. Фруктозо-6-фосфат
  22. Глюкозо-6-фосфатизомераза (GPI)
  23. Глюкозо-6-фосфат
  24. Глюкозо-6-фосфатаза (G6PC1) эндоплазматического ретикулумаH2OSLC37A4 переносит субстрат в просвет ЭПР; высвобождается фосфат
  25. Глюкоза

При β-окислении жирные кислоты с чётным числом атомов углерода расщепляются до ацетил-КоА 6, углерод которого не обеспечивает чистого синтеза глюкозы 2. Пируватдегидрогеназная реакция необратима, а в цикле трикарбоновых кислот на каждую молекулу ацетил-КоА высвобождаются две молекулы CO2, поэтому чистого прироста оксалоацетата, необходимого для синтеза глюкозы, не происходит 1. Глиоксилатный цикл, который у растений и бактерий позволяет обойти эти реакции декарбоксилирования, у млекопитающих не обнаружен 17.

Кетоновые тела

При низком уровне инсулина и усиленном распаде жиров печень превращает жирные кислоты в кетоновые тела — источник энергии для головного мозга, сердца и скелетных мышц 8.

Малонил-КоА, образующийся после приёма пищи, ингибирует карнитинпальмитоилтрансферазу 1, которая обеспечивает поступление длинноцепочечных жирных кислот в митохондрии 98.

КетогенезМатрикс митохондрий гепатоцитов
  1. Длинноцепочечный ацил-КоА
  2. несколько стадийМалонил-КоАПоступление в митохондрии через карнитиновый челнок (CPT1A), затем β-окисление
  3. Ацетил-КоА
  4. Ацетил-КоА-ацетилтрансфераза 1 (ACAT1)Ацетил-КоАМитохондриальная тиолаза; конденсирует две молекулы ацетил-КоА, высвобождая КоА
  5. Ацетоацетил-КоА
  6. ГМГ-КоА-синтаза 2 (HMGCS2), митохондриальнаяАцетил-КоА, H2OКлючевая стадия; высвобождается КоА; дефицит нарушает кетогенез при голодании
  7. ГМГ-КоА
  8. ГМГ-КоА-лиаза (HMGCL)Высвобождается ацетил-КоА; ацетоацетат спонтанно декарбоксилируется до ацетона
  9. Ацетоацетат
  10. 3-Гидроксибутиратдегидрогеназа 1 (BDH1)НАДН → НАД+Почти равновесная реакция; соотношение продуктов отражает НАДН/НАД+ митохондрий
  11. D-3-Гидроксибутират

В гепатоцитах отсутствует сукцинил-КоА:3-оксокислота-КоА-трансфераза, поэтому печень выделяет кетоновые тела в кровь; другие ткани с помощью этого фермента активируют ацетоацетат без затраты АТФ 8. Суммарная концентрация кетоновых тел, обычно составляющая около 100–250 µM, повышается примерно до 1 mM через 24 часа голодания и до 20 mM при диабетическом кетоацидозе 8.

Окисление кетоновых телМатрикс митохондрий внепечёночных тканей
  1. D-3-Гидроксибутират
  2. 3-Гидроксибутиратдегидрогеназа 1 (BDH1)НАД+ → НАДН
  3. Ацетоацетат
  4. Сукцинил-КоА:3-оксокислота-КоА-трансфераза (OXCT1)Сукцинил-КоА → сукцинатАТФ не расходуется; фермент отсутствует в гепатоцитах
  5. Ацетоацетил-КоА
  6. Ацетил-КоА-ацетилтрансфераза 1 (ACAT1), митохондриальнаяКоАОбразуются две молекулы ацетил-КоА для цикла трикарбоновых кислот
  7. Ацетил-КоА

Этапы голодания

По мере продолжения голодания организм переходит от расходования гликогена к использованию вновь синтезированной глюкозы, а затем жиров и кетоновых тел, что уменьшает распад мышечного белка 710.

На долю глюконеогенеза приходилось 47% продукции глюкозы через 14 часов голодания, 67% — через 22 часа и 93% — через 42 часа 11. У шести здоровых мужчин, голодавших 180 часов, концентрация глюкозы в плазме к третьему дню стабилизировалась, а 3-гидроксибутирата — возросла с 0,016 до 4,23 mmol/L 7. Выведение азота с мочой у них достигло максимума на четвёртый день, а затем снизилось 7. У трёх взрослых с ожирением, голодавших от 38 до 41 дня, основным источником энергии для головного мозга вместо глюкозы стали 3-гидроксибутират и ацетоацетат 10. У взрослых с ожирением через 5–6 недель голодания на долю почек приходилось 45% образующейся глюкозы, общее количество которой составляло около 86 g в сутки 5.