1 Glukosa v krvi Zdroje glukosy v pěti fázích metabolismu Hladina glukosy v krvi je u zdravých lidí udržována ve velmi úzkém rozmezí. V postresorpční fázi (např. během nočního klidu) je hladina glukosy udržována v rozmezí 4,5­5,2 mmol/l. Intraindividuální variační koeficient má hodnotu 1­2%, interindividuální variační koeficient je 5 %. Po jídle obsahujícím sacharidy hladina glukosy v krvi stoupá. Po 0,5­1 hodině dosahuje hladina glukosy v krvi zdravých osob 8­10 mmol/l. Normoglykemie je opět ustavena po cca 2­4 hodinách. Část přijaté glukosy je uchována ve formě glykogenu v játrech. Po cca 1 hodině po jídle začne hladina glukosy klesat, poněvadž glukosa je spotřebovávána katabolismem a ukládáním. Po cca 2­3 hodinách po jídle je zahájen proces glykogenolýzy a glukóza je uvolňována z jater do krve. Jakmile zásoba glykogenu klesá, začínají být odbourávány také lipidy v tukové tkáni hormon-senzitivní lipasou a do krve jsou dodávány mastné kyseliny a glycerol. Mastné kyseliny slouží jako alternativní palivo pro některé tkáně a glycerol je využíván pro glukoneogenezi. Během nočního lačnění je glukosemie udržována oběma procesy ­ glykogenolýzou a glukoneogenezí. Po přibližně 30 hodinách lačnění jsou zásoby glykogenu v játrech prakticky vyčerpány. Glukoneogeneze se stává jediným zdrojem glukosy v krvi. Změny metabolismu glukosy probíhající při přechodu od fáze nasycení do fáze hladovění jsou regulovány především hormony insulinem a glukagonem. Insulin je zvýšen po jídle, glukagon se zvyšuje v průběhu hladovění. 4 8 12 16 20 24 28 2 8 16 24 32 40 Hodiny Dny Využití glukosy (g/h) 40 30 20 10 0 I II III IV V Exogenní Glykogen (jaterní) Glukoneogeneze 2 Hormonální regulace metabolismu glukosy "Klidové" hormony regulující glukosemii Insulin Insulin je uvolňován z -buněk pankreatu při zvyšující se hladině glukosy v krvi. Jeho syntéza a uvolňování je potencováno aminokyselinami, zejména argininem a leucinem. Uvolňování insulinu je regulováno především hladinou glukosy v krvi. Je modulováno i signály z CNS (somatostatinem) a GIT (např. GLP-1, viz dále). Glukosový senzor Glukosa vstupuje do -buněk pankreatu pomocí GLUT 2 přenašečů a je fosforylována glukokinasou (GK) přítomnou v buňkách. Zvýšená hladina glukosy v krvi tak zvyšuje intenzitu glykolýzy a citrátového cyklu. Výsledkem je zvýšená syntéza ATP. Zvýšená produkce ATP inhibuje ATP-senzitivní K+ -kanály a vyvolává depolarizaci membrány. Důsledkem je influx Ca2+ kanály závislými na membránovém potenciálu. Zvýšená hladina Ca2+ stimuluje exocytózu insulinu. Adrenalin a noradrenalin blokují uvolňování insulinu. Pankreatická GK tak zprostředkovává spojení mezi zvýšenou hladinou glukosy a uvolněním insulinu -buněk pankreatu a je proto označována jako glukosový sensor. U zdravých lidí je insulin secernován v pulsech, periodicitou 11­15 min. Stimuly sekrece zvyšují frekvenci a amplitudu těchto pulsů. Insulin je secernován do portální krve a musí tedy projít játry předtím než se dostane do systémového oběhu. Přibližně polovina insulinu je metabolizována při prvním průchodu játry. Koncentrace insulinu nalačno je v rozmezí 20­100 pmol/l a je stanovována imunochemickými metodami. Po typickém jídle stoupá hladina insulinu na hodnoty 350­580 pmol/l. Poločas insulinu aplikovaného do periferní žíly je 2­6 minut, přičemž převážná jeho část je vychytána játry, zbytek ostatními tkáněmi majícími insulinové receptory. Účinky insulinu na metabolismus jater, tukové tkáně a svalů shrnuje tabulka. Metabolismus glukosy v mozku a erytrocytech je na insulinu nezávislý. Glc ATP K+ Ca2+ Ca2+ insulin Gi adrenalin Glc GLUT 2 G-6-P pyruvát TCA mitochondrie CO2 K+ GK 3 Metabolické účinky insulinu na různé tkáně Tkáň Ovlivněná dráha Ovlivněný enzym Játra Fosforylace glukosy Glukokinasa Glykolýza Fosfofruktokinasa, pyruvátkinasa Glukoneogeneze PEP-karboxykinasa, fruktosa-1,6-bisfosfatasa, glukosa-6-fosfatasa Syntéza glykogenu Glykogensyntasa Glykogenolýza Glykogenfosforylasa Syntéza mastných kyselin Acetyl-CoA karboxylasa, ATP-citrátlyasa, jablečný enzym Pentosafosfátová dráha Glukosa-6-P dehydrogenasa Tuková tkáň Vychytání glukosy GLUT 4 Glykolýza Fosfofruktokinasa Pentosafosfátová dráha Glukosa-6-P dehydrogenasa Oxidace pyruvátu Pyruvátdehydrogenasa Štěpení TG z lipoproteinů Lipoproteinová lipasa Syntéza TG Glycerol-3-P acyltransferasa Lipolýza Hormon-senzitivní lipasa Kosterní sval Vychytání glukosy GLUT 4 Glykolýza Fosfofruktokinasa Syntéza glykogenu Glykogensyntasa Glykogenolýza Glykogenfosforylasa Syntéza proteinů Translační iniciační komplex Glukagon Glukagon je polypeptidový hormon syntetizovaný v -buňkách pankreatu při snížení jeho koncentrace v krvi. Je syntetizován jako část velké prekursorové bílkoviny ­ proglukagonu. Proglukagon je syntetizován v -buňkách pankreatu a L-buňkách tenkého střeva. Obsahuje několik tandemově zařazených peptidů: glycentinu podobný peptid, glukagon, glukagonu podobný peptid-1 (GLP-1 glukagon-like peptide) a glukagonu podobný peptid-2 (GLP-2). Proteolytické štěpení proglukagonu poskytuje různé kombinace peptidů. Glukagon je z proglukagonu odštěpen v pankreatu. GLP-1 se uvolňuje během jídla z tenkého střeva, váže se na receptory v pankreatických -buňkách a vyvolává uvolnění insulinu v přítomnosti glukosy. Naopak glukagon uvolňovaný z -buněk pankreatu při nízké hladině glukosy se váže na receptory v - a -buňkách pankreatu. Z -buněk se uvolňuje somatostatin. Vazba somatostatinu na -buňky inhibuje uvolnění insulinu. Glukagon působí převážně v játrech, především proto, že v portální krvi je jeho koncentrace nejvyšší. Pankreatický glukagon má poločas 3­6 min a je odstraňován převážně játry a ledvinami. Jeho metabolické účinky na játra shrnuje následující tabulka. 4 Metabolické účinky glukagonu na játra Tkáň Ovlivněná dráha Ovlivněný enzym Glykolýza Glukokinasa, Fosfofruktokinasa, pyruvátkinasa Glukoneogeneze PEP-karboxykinasa, fruktosa-1,6-bisfosfatasa, glukosa-6-fosfatasa Syntéza glykogenu Glykogensynthasa Glykogenolýza Glykogenfosforylasa Syntéza mastných kyselin Acetyl-CoA-karboxylasa Játra Oxidace mastných kyselin Karnitin-palmitoyl transferasa "Stresové" hormony regulující glukosemii Katecholaminy Hlavními stresovými hormony jsou katecholaminy adrenalin a noradrenalin. Noradrenalin je neurotransmiter postgangliových sympatických neuronů a jak adrenalin tak noradrenalin jsou uvolňovány z dřeně nadledvin po nervové stimulaci. Název stresové hormony pochází od toho, že jsou uvolňovány při podmínkách, které zatěžují organismus ­ např. chlad, fyzická námaha nebo psychický stres. V játrech působí katecholaminy především prostřednictvím 1-adrenergních receptorů, ve svalech a adipocytech prostřednictvím -receptorů. Účinky katecholaminů na metabolismus jater, tukové tkáně a kosterních svalů shrnuje tabulka. Metabolické účinky katecholaminů Tkáň Ovlivněná dráha Ovlivněný enzym Tuková tkáň Lipolýza Utilizace TG Hormon-senzitivní lipasa Lipoproteinová lipasa Játra Glykolýza Glukoneogeneze Syntéza glykogenu Glykogenolýza Syntéza MK Fosfofruktokinasa Fruktosa-1,6-bisfosfatasa Glykogensyntasa Glykogenfosforylasa Acetyl-CoA-karboxylasa Kosterní sval Glykolýza Syntéza glykogenu Glykogenolýza Utilizace TG Fosfofruktokinasa Glykogensynthasa Glykogenfosforylasa Lipoproteinová lipasa Účinky katecholaminů nastupují během několika sekund jako součást odpovědi ,,uteč nebo bojuj" (,,flight and fight"). Nejdůležitější je mobilizace lipidových a glykogenových zásob pro využití ve svalu. Zatímco glykolýza v játrech je katecholaminy inhibována, ve svalu je aktivována. Katecholaminy mají účinky antagonistické vůči insulinu. Za běžných podmínek nejsou významnými 5 regulátory glykemie, jejich účinek však je potencován hypoglykemií. Proto se při hypoglykemických stavech projevují vždy příznaky aktivace sympatiku (tachykardie, pocení, slinění). Glukokortikoidy Glukokortikoidy jsou uvolňovány při chronickém stresu. Glukokortikoidy působí převážně synergicky s katecholaminy, v jejich účinku je však podstatný rozdíl. Zatímco adrenalin působí prostřednictvím druhých poslů cAMP a Ca2+ , glukokortikoidy působí jako regulátory genu a mění tak rychlost syntézy enzymů. Proto se účinek glukokortikoidů objevuje po několika hodinách až dnech. Glukokortikoidy připravují organismus na účinek adrenalinu. Stimulují syntézu hormon-senzitivní lipasy, podporují proteolýzu a indukují fosfoenolkarboxykinasu v játrech. Zvýšením dostupnosti glukosy podporují syntézu glykogenu. Metabolické účinky glukokortikoidů Tkáň Ovlivněná dráha Ovlivněný enzym Tuková tkáň Kosterní sval Játra Lipolýza Proteolýza Glukoneogeneze Hormon-senzitivní lipasa ? Fosfoenolkarboxykinasa Diabetes mellitus (DM, diabetický syndrom) Diabetes mellitus patří mezi neběžnější civilizační choroby. Definice WHO: - glukosa v plazmě nalačno 7,0 mmol/l nebo 1x ve spojení s příznaky diabetu nebo koncentrace glukosy kdykoliv 11,1 mmol/l Příčina: - nedostatečný účinek insulinu (absolutní deficit při poruše sekrece nebo relativní deficit při poruše jeho působení v periferních tkáních ­ insulinová resistence*) Metabolický důsledek: - porucha metabolismu glukosy, ale též proteinů a lipidů Klinický nález pro DM: - chronická hyperglukosemie Příčiny hyperglukosemie: - snížený transport glukosy závislý na insulinu (GLUT 4) - pokles utilizace glukosy v játrech (glykolýza) - zvýšená glukoneogeneze - zvýšená jaterní glykogenolýza 6 Základní klasifikace** DM 1. typu DM 2. typu Prevalence 15­20 % diabetiků ~ 80­85 % všech diabetiků Dřívější označení insulin-dependentní (IDDM) noninsulin-dependentní (NIDDM) Příčina autoimunitní destrukce buněk insulinová rezistence a/nebo porucha sekrece insulinu Nedostatek insulinu absolutní relativní Koncentrace insulinu nízká nebo nepřítomen normální, často i zvýšená Věk manifestace dětství, mládí obvykle po 40. roce Nástup choroby akutní postupný Tělesná stavba astenický typ často obézní Sklon ke ketóze značný obvykle ne Dědičnost genetická predispozice značná Typické klinické příznaky únava, polyurie, polydipsie (pocit žízně), únava, prodloužené hojení ran, polyfagie (pocit hladu) bakteriální infekce kůže, neuropatie Asociované poruchy metabolický syndrom, obezita, hypertenze, dyslipidemie *Insulinová resistence ­ stav, kdy je k vyvolání ,,normální" kvantitativní odpovědi potřebná vyšší dávka insulinu. Je indikována situací, kdy normální glykémie či hyperglykémie je spojena s hyperinsulinemií. **Další základní typy DM: Gestační DM a porucha glukosové tolerance (prevalence u 2 % těhotných žen; komplikace pro plod; riziko vzniku DM 2. typu u ženy v pozdějším věku). Ostatní specifické typy DM (příčiny: genetické defekty -buněk nebo insulinového receptoru, infekce, indukce léky, chemikáliemi, endokrinopatie, imunitně podmíněný, ...). Poruchy metabolismu při diabetu Absence insulinu snižuje vychytání a metabolismus glukosy ve tkáních. Současně nedostatek insulinu vyvolává glukoneogenezi v játrech a lipolýzu v tukové tkáni. Je uvolňováno více mastných kyselin než stačí být spotřebováno ve tkáních. Jsou odbourávány -oxidací v játrech. Z nadbytečného acetyl-CoA jsou syntetizovány ketonové látky. To je potencováno tím, že oxaloacetát potřebný pro zpracování acetyl-CoA v citrátovém cyklu je využíván pro glukoneogenezi. Část mastných kyselin může být také zabudována ve formě triacylglycerolů do VLDL a způsobovat hypertriacylglycerolemii. V důsledku acidosy dochází k přesunu draselných iontů z buněk do krve a objevuje se hyperkalemie. Dochází však ke značným ztrátám draslíku močí, jako důsledek osmotické diuresy. Při léčbě acidosy se K+ vrací do buňky a objevuje se hypokalemie. Osmotická diuresa vyvolává zpravidla také hyponatremii. Je-li plazmatická koncentrace sodíku vysoká při současně vysoké hladině glukosy, značí to již značné ztráty vody. Akutní komplikace DM * Ketoacidóza pH krve < 7,36 v důsledku zvýšené tvorby ketonových látek (glukosemie zvýšena 2,5­6krát nad fyziologické rozmezí) V dechu pacienta je cítit aceton, pacient vykazuje Kussmaulovo dýchání v důsledku metabolické acidosy. 7 * Hyperosmolarita Osmolarita nad 310 mmol/l, častější u DM 2. typu (glukosemie zvýšena 5­45krát nad fyziologické rozmezí) U pacienta nastává osmotická diuresa, jejímž důsledkem je snížení objemu krve. Ztráty tekutiny mohou být ještě vystupňovány zvracením. Typická je suchá kůže, nízký krevní tlak, zrychlený tep. Důsledkem hyperosmolality je také zmatenost. Kombinace obou výše popsaných poruch může vyvolat hyperglykemické ketoacidotické koma. * Neketonické hyperosmolární koma Je způsobeno hyperosmolaritou bez ketoacidózy. Objevuje se u pacientů s diabetem typu II. Hlavním projevem je silná dehydratace. * Hypoglykemie u léčeného DM Hypoglykémie je definována jako pokles koncentrace glukosy v plazmě pod 2,5 mmol/. U léčených diabetiků je nejčastěji vyvolána předávkováním insulinem nebo sníženým příjmem potravy při nezměněné dávce insulinu. Dlouhodobé komplikace nekompenzovaných DM * Neenzymová glykace proteinů (Maillardova reakce) Amadoriho produkty bývají stanovovány jako glykované proteiny (fruktosaminy) pro zjištění informace o průběhu glykace za určité časové období odpovídající biologickému poločasu daného proteinu (glykovaný albumin 2­3 týdny, HbA1c 2­3 měsíce). Protein Lys NH3 + C OH CH2OH + hodiny Schiffova báze D-glukosa dny Amadoriho přesmyk týdny, měsíce Amadoriho produkt, ketoamin Protein Lys Protein Lys N + N příklad AGE dehydratace, kondenzace, oxidace, cyklizace, příčné síťování (crosslinking) Scavengerové receptory AGE peptidy moč LDL "recyklace" AGE Protein Lys N C O CH2OH CH2OH Protein Lys NH CH2 O 8 Důsledky vzniku AGE Přímé: modifikace proteinů a změna jejich vlastností (inaktivace enzymů, inhibice tvorby regulačních molekul, snížená citlivost k proteolýze, abnormality ve funkci, zvýšená imunogenita), zesíťování glykoproteinů, indukce lipoperoxidace, ... Prostřednictvím receptorů pro AGE: indukce zánětu a oxidačního stresu (tvorba O2-, OH), mutace DNA, .... * Aktivace "sorbitolové cesty" D-glukosa D-glucitol D-fruktosa hromadění v buňkách (neuropatie, katarakta) * Poruchy lipidového metabolismu Důsledkem dlouhodobé hypertriacylglycerolemie dochází k rozvoji aterosklerózy. NADPH NADP+ aldosareduktasa