سلسله مراتب سوخت متابولیک و مصرف سوبسترا

سلسله مراتب سوخت متابولیک و مصرف سوبسترا نحوه انتخاب سوخت توسط بدن را در هر لحظه مشخص می‌کند. گلوکز، اسیدهای چرب، اجسام کتونی و اسیدهای آمینه به صورت جایگزین استفاده نمی‌شوند؛ استفاده از آن‌ها بر اساس در دسترس بودن، نیازهای بافتی و وضعیت متابولیک رتبه‌بندی و تنظیم می‌شود و انتخاب یک سوخت، استفاده از سایرین را سرکوب می‌کند.

Definition

سلسله مراتب سوخت متابولیک و مصرف سوبسترا به انتخاب اولویت‌بندی شده و تنظیم شده در میان سوبستراهای انرژی موجود — گلوکز، اسیدهای چرب، اجسام کتونی و اسیدهای آمینه — اشاره دارد که توسط آن بافت‌ها و کل ارگانیسم، اکسیداسیون سوخت را با در دسترس بودن و تقاضا مطابقت می‌دهند، با این توضیح که استفاده از یک سوبسترا به طور متقابل استفاده از سایرین را محدود می‌کند.

Scope

این موضوع شامل ترتیب ترجیح سوخت‌ها، رقابت بین گلوکز و اسیدهای چرب که توسط چرخه گلوکز-اسید چرب نشان داده می‌شود، نیازهای سوختی خاص بافت‌هایی مانند مغز و گلبول‌های قرمز، و چگونگی تغییر انتخاب سوبسترا بین حالت‌های تغذیه شده و ناشتا است. این یک ماده مرجع در بیوشیمی و فیزیولوژی متابولیک است، نه یک نسخه تغذیه‌ای یا بالینی.

Core questions

• یک بافت چگونه تصمیم می‌گیرد کدام سوخت را اکسید کند؟
• گلوکز و اسیدهای چرب چگونه به عنوان سوخت با هم رقابت می‌کنند؟
• کدام بافت‌ها نیازهای سوختی اجباری دارند؟
• انتخاب سوخت چگونه با ناشتایی و تغذیه تغییر می‌کند؟

Key concepts

• رقابت سوبسترا
• چرخه گلوکز-اسید چرب (رندل)
• بافت‌های مصرف‌کننده اجباری گلوکز
• اسیدهای چرب و اجسام کتونی به عنوان سوخت‌های جایگزین
• ترجیحات سوختی خاص بافت
• ضریب تنفسی به عنوان شاخص ترکیب سوخت
• حفظ گلوکز

Key theories

چرخه گلوکز-اسید چرب (رندل)

گلوکز و اسیدهای چرب برای اکسیداسیون رقابت می‌کنند: افزایش در دسترس بودن و اکسیداسیون اسید چرب، سیگنال‌های درون سلولی را افزایش می‌دهد که جذب و استفاده از گلوکز را مهار می‌کند، و برعکس، گلوکز بالا اکسیداسیون چربی را سرکوب می‌کند، که یک مکانیسم در سطح سوبسترا برای انتخاب سوخت فراهم می‌کند.

سلسله مراتب سوخت در گذار ناشتایی

در طول ناشتایی، مصرف سوخت از یک توالی پیروی می‌کند که توسط در دسترس بودن و نیاز بافت تعیین می‌شود: ابتدا گلوکز رژیمی و ذخیره شده، سپس اسیدهای چرب و اجسام کتونی مشتق شده از آن‌ها، با حفظ گلوکز برای بافت‌هایی که به آن نیاز دارند.

Mechanisms

انتخاب سوخت توسط در دسترس بودن، وضعیت هورمونی و سیگنال‌های بیوشیمیایی متقابل تعیین می‌شود. چرخه گلوکز-اسید چرب که توسط رندل توصیف شده است، نشان می‌دهد که وقتی اکسیداسیون اسید چرب بالا باشد، افزایش حاصل از استیل-کوآ و سیترات، مراحل کلیدی گلیکولیتیک را مهار کرده و گلوکز را حفظ می‌کند؛ برعکس، گلوکز و انسولین فراوان، اکسیداسیون چربی را سرکوب می‌کنند. بافت‌ها در ترجیحات خود متفاوت هستند: قلب به راحتی از اسیدهای چرب و لاکتات استفاده می‌کند، عضلات اسکلتی در حال استراحت اسیدهای چرب را ترجیح می‌دهند، در حالی که گلبول‌های قرمز به گلوکز وابسته هستند زیرا فاقد میتوکندری هستند، و مغز از گلوکز استفاده می‌کند اما در طول ناشتایی طولانی مدت با اجسام کتونی سازگار می‌شود. حسگرهای انرژی مانند پروتئین کیناز فعال شده با AMP (AMPK) بیشتر تنظیم می‌کنند که کدام سوبسترا بر اساس وضعیت انرژی اکسید شود. الگوی کلی مصرف سوخت را می‌توان به طور غیرمستقیم از ضریب تنفسی (respiratory quotient) خواند.

Clinical relevance

انتخاب سوخت در دیابت، چاقی و بیماری‌های بحرانی تغییر می‌کند، و مفهوم رقابت سوبسترا اساس چگونگی سازگاری بدن با ناشتایی، ورزش و بیماری است. این مدخل این موضوع را به عنوان بیوشیمی و فیزیولوژی مرجع ارائه می‌دهد و مبنایی برای تجویزهای غذایی یا تصمیمات پزشکی فردی نیست.

History

مطالعه سیستماتیک انتخاب سوخت با توصیف چرخه گلوکز-اسید چرب توسط رندل و همکارانش در سال 1963 پیشرفت کرد، که یک مکانیسم بیوشیمیایی برای رقابت بین دو سوخت اصلی ارائه داد. مطالعات کیهیل (Cahill) در مورد ناشتایی انسان سپس نحوه تغییر سوخت‌های ترجیحی بدن را در طول زمان ترسیم کرد، و کارهای بعدی در مورد حسگرهای انرژی سلولی، انتخاب سوبسترا را به تنظیم گسترده‌تر متابولیسم مرتبط ساخت.

Key figures

• Philip Randle
• George Cahill
• Eric Newsholme
• D. Grahame Hardie

Seminal works

• randle-1963
• cahill-2006

Frequently asked questions

منظور از سلسله مراتب سوخت متابولیک چیست؟

این ایده است که بدن همه سوخت‌ها را به طور همزمان و یکسان استفاده نمی‌کند، بلکه استفاده از آن‌ها را رتبه‌بندی و تنظیم می‌کند و سوبستراهای خاصی را بسته به در دسترس بودن، نیازهای بافتی و اینکه آیا در حالت تغذیه شده یا ناشتا است، ترجیح می‌دهد.

چرا همه بافت‌ها نمی‌توانند به سادگی هر سوختی را که در دسترس است بسوزانند؟

بافت‌ها در آنزیم‌ها و ساختارهای خود متفاوت هستند: گلبول‌های قرمز فاقد میتوکندری هستند و به گلوکز وابسته هستند، مغز به طور معمول به گلوکز متکی است اما می‌تواند با کتون‌ها سازگار شود، و ماهیچه و قلب به راحتی از اسیدهای چرب استفاده می‌کنند؛ این تفاوت‌ها ترجیحات سوختی خاص بافت را ایجاد می‌کنند.