Biochemický ústav LF MU 1/10 Glukosa v krvi Zdroje glukosy v různých fázích metabolismu Při popisu metabolismu se rozlišují dva základní metabolické stavy nazvané absorpční (resorpční) fáze a postabsorpční (postresorpční) fáze. Absorpční fáze trvá přibližně 4 hodiny a zahrnuje dobu jídla a po ní. Pokud po této době nesníme další jídlo, metabolismus přechází do postabsorpční fáze. Typický stav postabsorpční fáze je stav v průběhu a po nočním lačnění. Je-li přísun potravy zastaven déle než 12-14 hodin, přechází metabolismus do fáze hladovění (krátkodobého = od desítek hodin-po několik dní, až dlouhodobého = více než dva-tři týdny). Časové údaje jednotlivých fází fází jsou orientační, závisí na množství přijaté potravy, velikosti energetických zásob a dalších faktorech. Hladina glukosy v krvi je u zdravých lidí udržována ve velmi úzkém rozmezí. V postresorpční fázi je hladina glukosy udržována v rozmezí 4,5–5,2 mmol/l. Intraindividuální variační koeficient má hodnotu 1–2%, interindividuální variační koeficient je 5 %. Po jídle obsahujícím sacharidy hladina glukosy v krvi stoupá. Po 0,5–1 hodině dosahuje hladina glukosy v krvi zdravých osob 8–10 mmol/l. Glukosa v této fázi slouží jako hlavní zdroj energie pro většinu tkání a je ukládána ve formě glykogenu v játrech. Po cca 1 hodině po jídle začne hladina glukosy klesat, poněvadž glukosa je spotřebovávána katabolismem a ukládáním. Normoglykemie je opět ustavena po cca 2–4 hodinách. Po této době je v játrech 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 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 Biochemický ústav LF MU 2/10 při přechodu od fáze nasycení do fáze hladovění jsou regulovány především hormony inzulinem a glukagonem. Inzulin je zvýšen po jídle, glukagon se zvyšuje v průběhu hladovění. Hormonální regulace metabolismu glukosy "Klidové" hormony regulující glukosemii Inzulin Inzulin je syntetizován v β-buňkách pankreatu nejprve ve formě preproinsulinu. Syntéza probíhá na drsném ER a produkt je zaváděn pomocí hydrofobního vodícího peptidu do ER. Zde je vodící sekvence o délce 23 aminokyselin odstraněna a v cisternách ER vzniká proinzulin. V jeho struktuře se vyskytují 3 disulfidové můstky. Proinzulin je přenášen do cisteren GA a zde je štěpením pomocí několika hydrolytických enzymů přeměněn na inzulin, který je tvořen dvěma nestejně dlouhými polypeptidovými řetězci A (21 aminokyselin) a B (30 aminokyselin). Při štěpení se zbylá část molekuly uvolňuje ve formě C-peptidu. Oba produkty jsou v buňce uchovány v sekrečních granulích. Exocytosou se inzulin i C-peptid uvolňují do krve. Stanovení C-peptidu se v klinické biochemii využívá jako indikátor produkce endogenního inzulinu. Uvolňování inzulinu je regulováno především hladinou glukosy v krvi. Je modulováno i signály z CNS (somatostatin) a GIT (např. cholecystokinin a GLP-1, viz dále). Uvolnění inzulinu může být stimulováno i některými aminokyselinami, avšak v menší míře než glukosou. Adrenalin snižuje uvolňování inzulinu. preproinsulin Vodící peptid Vodící peptid Proinsulin Insulin C-peptid ER GA Disulfidové můstky AB Biochemický ústav LF MU 3/10 Glukosový senzor Glukosa vstupuje do β-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 inzulinu. Adrenalin a noradrenalin blokují uvolňování inzulinu. Pankreatická GK tak zprostředkovává spojení mezi zvýšenou hladinou glukosy a uvolněním inzulinu β-buněk pankreatu a je proto označována jako glukosový sensor. Další glukosové sensory byly popsány v mozku. U zdravých lidí je inzulin secernován v pulsech, periodicitou 11–15 min. Stimuly sekrece zvyšují frekvenci a amplitudu těchto pulsů. Inzulin je secernován do portální krve a musí tedy projít játry předtím než se dostane do systémového oběhu. Přibližně polovina inzulinu je metabolizována při prvním průchodu játry. Koncentrace inzulinu nalačno je v rozmezí 20–100 pmol/l a je stanovována imunochemickými metodami. Po typickém jídle stoupá hladina inzulinu na hodnoty 350–580 pmol/l. Poločas inzulinu aplikovaného do periferní žíly je 2–6 minut, přičemž převážná jeho část je vychytána játry, zbytek ostatními tkáněmi majícími inzulinové receptory. Účinky inzulinu na metabolismus jater, tukové tkáně a svalů shrnuje tabulka. Metabolismus glukosy v mozku a erytrocytech je na inzulinu nezávislý. Glc ATP K+ Ca2+ Ca2+⊕ inzulin Gi adrenalin Glc GLUT 2 G-6-P pyruvát TCA mitochondrie CO2 K+ ∅ ∆ψ GK ⊕ ∅ Biochemický ústav LF MU 4/10 Metabolické účinky inzulinu 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 α-buňkách pankreatu. Je syntetizován jako část velké prekursorové bílkoviny – proglukagonu. Proglukagon je syntetizován v α-buňkách pankreatu a L-buňkách tenkého střeva. Obsahuje několik tandemově zařazených peptidů: glycentinu podobný peptid (GRPP glycentin relativ pancreatic polypeptide), 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. Stimulem je nízká hladina glukosy a vysoká hladina některých aminokyselin. GLP-1 se uvolňuje během jídla z tenkého střeva, váže se na receptory v pankreatických β-buňkách a vyvolává uvolnění inzulinu v přítomnosti glukosy. Naopak glukagon uvolňovaný z α-buněk pankreatu při nízké hladině glukosy se váže na receptory v β- a δ-buňkách pankreatu. Z δ-buněk se uvolňuje somatostatin. Vazba somatostatinu na β-buňky inhibuje uvolnění inzulinu. Glukagon působí převážně v játrech, především proto, že v portální krvi je jeho koncentrace nejvyšší. Dále působí na tukovou tkáň a aktivuje v ní lipázu štěpící triacylglyceroly. Nemá vliv na metabolismus svalu, poněvadž svalové buňky neobsabují receptory pro glukagon. Pankreatický glukagon má poločas 3–6 min a je odstraňován převážně játry a ledvinami. Jeho metabolické účinky shrnuje následující tabulka. Odstraněno: ¶ ¶ ¶ Biochemický ústav LF MU 5/10 Metabolické účinky glukagonu 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 Tuková tkáň ↑ Lipolýza Hormon-senzitivní lipasa Poměr mezi hladinou glukagonu a inzulinu po jídle závisí na složení přijímané potravy, poněvadž glukosa stimuluje uvolnění inzulinu a aminokyseliny uvolnění glukagonu a v menším množství též inzulinu. Pokud tedy strava např. obsahuje převážně proteiny, působí oba hormony. Inzulin stimuluje vychytání aminokyselin tkáněmi a proteosyntézu, glukagon pak zvyšuje glukoneogenezi z přijatých aminokyselin. Syntéza glykogenu v játrech a lipidů v tukové tkáni je v takové situaci omezena. "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 α1-adrenergních receptorů, ve svalech a adipocytech prostřednictvím β-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 Biochemický ústav LF MU 6/10 Účinky katecholaminů nastupují během několika sekund jako součást odpovědi „uteč nebo bojuj“ („flight or 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 inzulinu. Za běžných podmínek nejsou významnými 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 z kůry nadledvin při chronickém stresu. Hlavní je kortisol. 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 nejběžnější 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 inzulinu (absolutní deficit při poruše sekrece nebo relativní deficit při poruše jeho působení v periferních tkáních – inzulinová resistence*) Metabolický důsledek: - porucha metabolismu glukosy, ale též proteinů a lipidů Klinický nález pro DM: - chronická hyperglukosemie Příčiny hyperglukosemie: - snížený transport glukosy závislý na inzulinu (GLUT 4) - pokles utilizace glukosy v játrech (glykolýza) - zvýšená glukoneogeneze - zvýšená jaterní glykogenolýza Biochemický ústav LF MU 7/10 Základní klasifikace** DM 1. typu DM 2. typu Prevalence 15–20 % diabetiků ~ 80–85 % všech diabetiků Dřívější označení inzulin-dependentní (IDDM) noninzulin-dependentní (NIDDM) Příčina autoimunitní destrukce β buněk inzulinová rezistence a/nebo porucha sekrece inzulinu Nedostatek inzulinu absolutní relativní Koncentrace inzulinu 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 *Inzulinová resistence – stav, kdy je k vyvolání „normální“ kvantitativní odpovědi potřebná vyšší dávka inzulinu. Je indikována situací, kdy normální glykémie či hyperglykémie je spojena s hyperinzulinemií. **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 β−buněk nebo inzulinového receptoru, infekce, indukce léky, chemikáliemi, endokrinopatie, imunitně podmíněný, …). Poruchy metabolismu při diabetu Absence inzulinu snižuje vychytání a metabolismus glukosy ve tkáních. Současně nedostatek inzulinu vyvolává glukoneogenezi v játrech a lipolýzu v tukové tkáni. Je uvolňováno více mastných kyselin než stačí být spotřebováno ve tkáních. Jsou odbourávány β-oxidací v játrech. Z nadbytečného acetylCoA jsou syntetizovány ketonové látky. To je potencováno tím, že oxalacetát 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 diurézy. Při léčbě acidosy se ionty K+ vrací do buňky a objevuje se hypokalemie. Osmotická diuréza vyvolává zpravidla také hyponatremii. Je-li plazmatická koncentrace sodíku vysoká při současně vysoké hladině glukosy, značí to již značné ztráty vody. Biochemický ústav LF MU 8/10 Akutní komplikace DM Ketoacidóza pH krve < 7,36 v důsledku zvýšené tvorby ketonových látek (glukosemie zvýšena 2,5–6krát nad fyziologické rozmezí) V dechu pacienta je cítit aceton, pacient vykazuje Kussmaulovo dýchání v důsledku metabolické acidózy. Hyperosmolarita Osmolarita nad 310 mmol/l, častější u DM 2. typu (glukosemie zvýšena 5–45krát 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. Neketotické 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/l. U léčených diabetiků je nejčastěji vyvolána předávkováním inzulinem nebo sníženým příjmem potravy při nezměněné dávce inzulinu. Typickými projevy jsou hlad, bledost, třes rukou, pocení, nervozita, celková slabost, bušení srdce, tuhnutí kolem úst, opilecké chování, neostré vidění. Ve velmi závažných případech dochází ke ztrátě vědomí a křečím. Protože snížení hladiny cukru v krvi je u různých lidí provázeno různými stavy, nemusí se při hypoglykemii nutně objevit všechny vyjmenované příznaky. V průběhu trvání diabetu a častým opakováním hypoglykemie dochází k útlumu projevů odpovědi organismu na hypoglykemii (glukagon a adrenalin se vyplavují pomalu), což má za následek tzv. syndrom porušeného vnímání hypoglykemie. Nerozpoznaná hypoglykemie nebo hypoglykemie ve spánku může vést ke kolapsu organismu v důsledku absolutního nedostatku glukózy v krvi, tzn. k hypoglykemickému kómatu. Kóma je charakteristické bezvědomím diabetika, a tím i neschopností přijímat potraviny obsahující sacharidy. První pomocí je injekční aplikace glukagonu. Dále vložíme kostku cukru do úst postiženého, kde se ve slinách rozpuštěná sacharóza rychle vstřebává do krve již z dutiny ústní. Je vhodné kostku cukru vložit mezi tvář a zuby, kvůli nebezpečí vdechnutí. Pokud léčba není účinná, lékař dále nitrožilně aplikuje 40% roztok glukózy. Velmi častou chybnou úvahou nepoučeného laika je "píchnout cukrovkáři inzulín". Inzulín však (na rozdíl od kostky cukru) může člověka zabít, proto jej podává pouze lékař, nebo diabetik sám sobě při plném vědomí) Biochemický ústav LF MU 9/10 Dlouhodobé komplikace nekompenzovaných DM Neenzymová glykace proteinů (Maillardova reakce) Dlouhodobě zvýšená hladina glukosy vede ve zvýšené míře ke glykaci proteinů. Glykovaný hemoglobin nebo glykovaný albumin bývají jsou využívány pro zjištění informace o průběhu glykace za určité časové období (viz praktické cvičení). Tvorba dalších glykovaných proteinů, zejména s delším poločasem má však závažné důsledky. Ty vyplývají z pozměněné struktury proteinů a tím změny jejich vlastností (inaktivace enzymů, inhibice tvorby regulačních molekul, snížená citlivost k proteolýze, abnormality ve funkci, zvýšená imunogenita, zesíťování glykoproteinů, apod). 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 Biochemický ústav LF MU 10/10 Oxidační stres Hydroxylové skupiny v molekule glukosy se také mohou účastnit přenosu elektronů a podílet se tak na vzniku reaktivních radikálů. Navíc molekuly glukosy a v menší míře i fruktosy mohou podléhat autooxidaci a generovat superoxidový radikál a následně peroxid vodíku, ze kterého se tvoří hydroxylový radikál. Konečným produktem autooxidace glukosy jsou reaktivní dikarbonylové sloučeniny, které se mohou podílet na fragmentaci polypeptidových řetězců. Tvorby reaktivních forem kyslíku se mohou účastnit i glykované proteiny. Takto vyvolaná tvorba pokročilých produktů glykace (označovaných AGE – advanced glycation endproducts), má závažné důsledky pro rozvoj kardiovaskulárních komplikací diabetu. Po vazbě AGE na receptory na makrofázích nebo na endotelových buňkách v cévách dochází k uvolnění cytokinů: interleukinů-1, -6 a -18, a tumor nekrotizujícího faktoru alfa (TNF-α), které mohou působit na trombocyty a negativně ovlivnit fibrinolytický systém. V endotelových buňkách mohou cytokiny indukovat syntézu cytoadhezivních molekul (E selektinu a adhezivních molekul pro leukocyty) a ovlivňovat tak interakci arteriální stěny s cirkulujícími elementy. 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