Substratverwertung und metabolische Flexibilität

Die Substratverwertung ist die Auswahl von Kohlenhydraten, Fetten oder Proteinen als Brennstoff, den ein Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt oxidiert. Metabolische Flexibilität ist die Fähigkeit, je nach Ernährungs- und physiologischem Zustand zwischen diesen Brennstoffen zu wechseln. Ein gesunder Stoffwechsel oxidiert Fette während des Fastens und wechselt nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit zu Kohlenhydraten; der Verlust dieser Reaktionsfähigkeit, metabolische Inflexibilität genannt, ist mit Insulinresistenz verbunden.

Definition

Substratverwertung bezieht sich auf die relative Oxidation von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen durch Gewebe; metabolische Flexibilität ist die Fähigkeit, die Brennstoffoxidation an die Brennstoffverfügbarkeit anzupassen – im Fastenzustand auf Fettoxidation und als Reaktion auf Insulin und Kohlenhydratzufuhr auf Kohlenhydratoxidation umzuschalten.

Scope

Dieses Thema behandelt, wie die Brennstoffauswahl reguliert wird, wie sie durch den respiratorischen Quotienten gemessen wird und was metabolische Flexibilität im Übergang vom Fasten zum gefütterten Zustand und bei Krankheiten bedeutet. Es ist eine Referenz und eine informative Darstellung des Brennstoffwechsels, keine klinische Leitlinie.

Core questions

• Welche Signale bestimmen, ob ein Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt Glukose oder Fettsäuren oxidiert?
• Wie wird die Brennstoffauswahl in vivo anhand des respiratorischen Gasaustauschs gemessen?
• Wie wechselt der Körper die Brennstoffe im Übergang vom Fasten zum gefütterten Zustand?
• Wie hängt eine beeinträchtigte Brennstoffumschaltung (metabolische Inflexibilität) mit Insulinresistenz zusammen?

Key concepts

• Brennstoffauswahl
• Respiratorischer Quotient
• Glukose-Fettsäure- (Randle-) Zyklus
• Übergang vom Fasten zum gefütterten Zustand
• Metabolische Flexibilität und Inflexibilität
• Insulin-stimulierte Glukoseoxidation
• Substratverwertung der Skelettmuskulatur

Key theories

Glukose-Fettsäure- (Randle-) Zyklus

Erhöhte Fettsäureoxidation erhöht mitochondriales Acetyl-CoA und Citrat, hemmt wichtige glykolytische und Pyruvat-verarbeitende Enzyme und unterdrückt so die Glukoseoxidation; die beiden Brennstoffe konkurrieren wechselseitig und bilden eine biochemische Grundlage für die Brennstoffauswahl und deren Verbindung zur Insulinsensitivität.

Metabolische Flexibilität

Ein gesunder Skelettmuskel- und Ganzkörperstoffwechsel verschiebt die Brennstoffoxidation angemessen mit Fasten und Nahrungsaufnahme; eine verminderte Fähigkeit, die Fettoxidation zu unterdrücken und die Glukoseoxidation nach Insulin oder Kohlenhydraten zu erhöhen, wird als metabolische Inflexibilität bezeichnet und ist mit Insulinresistenz und Adipositas verbunden.

Mechanisms

Die Brennstoffauswahl wird sowohl durch Substratkonkurrenz – beschrieben durch den Glukose-Fettsäure-Zyklus, bei dem die Fettsäureoxidation die Glukoseoxidation durch Akkumulation von Acetyl-CoA und Citrat unterdrückt (Randle et al., 1963) – als auch durch hormonelle Kontrolle, hauptsächlich Insulin, gesteuert, das die Glukoseoxidation und -speicherung fördert, während es die Lipolyse hemmt. In vivo wird der vorherrschende Brennstoff aus dem respiratorischen Quotienten und den Partitionierungsgleichungen der indirekten Kalorimetrie abgeleitet (Frayn, 1983). Metabolisch flexible Muskeln erhöhen die Fettoxidation im Fastenzustand und wechseln nach Insulin- oder Kohlenhydratzufuhr zur Kohlenhydratoxidation; eine reduzierte Fähigkeit zu diesem Wechsel, die bei Adipositas und Insulinresistenz beobachtet wird, kennzeichnet metabolische Inflexibilität (Kelley et al., 1999; Galgani et al., 2008; Goodpaster & Sparks, 2017).

Clinical relevance

Substratverwertung und metabolische Flexibilität bilden den Rahmen, in dem Forscher den Brennstoffhaushalt bei Adipositas, Typ-2-Diabetes und verwandten Stoffwechselerkrankungen interpretieren. Der Inhalt ist deskriptiv und informativ und bildet keine Grundlage für Diagnosen oder individualisierte Behandlungen.

History

Randle und Kollegen führten 1963 den Glukose-Fettsäure-Zyklus ein und definierten die Brennstoffauswahl als ein Problem der Substratkonkurrenz mit Implikationen für die Insulinsensitivität. Studien zum Brennstoffhaushalt der Skelettmuskulatur, insbesondere von Kelley und Kollegen in den 1990er Jahren, zeigten, dass Adipositas und Insulinresistenz mit einer beeinträchtigten Umschaltung zwischen Fett- und Kohlenhydratoxidation einhergehen, was zum Konzept der metabolischen Flexibilität führte, das spätere Übersichten (Galgani et al., 2008; Goodpaster & Sparks, 2017) verfeinerten.

Debates

Ist metabolische Inflexibilität eine Ursache oder eine Folge der Insulinresistenz?

Ob eine beeinträchtigte Brennstoffumschaltung die Entwicklung der Insulinresistenz vorantreibt oder sie stattdessen widerspiegelt, wird weiterhin diskutiert; die Beziehung ist bidirektional und hängt von Gewebe, Methodik und physiologischem Kontext ab.

Key figures

• Philip Randle
• David Kelley
• Bret Goodpaster
• Eric Ravussin

Seminal works

• randle-1963
• kelley-1999
• galgani-2008
• goodpaster-sparks-2017

Frequently asked questions

Was sagt uns der respiratorische Quotient über die Brennstoffverwertung?

Der respiratorische Quotient – das Verhältnis von produziertem Kohlendioxid zu verbrauchtem Sauerstoff – nähert sich etwa 1,0 an, wenn Kohlenhydrate der Hauptbrennstoff sind, und etwa 0,7, wenn Fette überwiegen, und zeigt somit die Mischung der oxidierten Substrate an.

Was ist metabolische Inflexibilität?

Es ist eine reduzierte Fähigkeit, die Brennstoffoxidation angemessen mit Nahrungsaufnahme und Fasten umzuschalten – zum Beispiel das Versagen, die Fettoxidation zu unterdrücken und die Glukoseoxidation nach einer Kohlenhydratzufuhr zu erhöhen – und sie ist mit Insulinresistenz und Adipositas verbunden.