Использование субстратов и метаболическая гибкость

Использование субстратов — это выбор углеводов, жиров или белков в качестве топлива, которое ткань окисляет в данный момент времени, а метаболическая гибкость — это способность переключаться между этими видами топлива в ответ на нутритивное и физиологическое состояние. Здоровый метаболизм окисляет жиры во время голодания и переключается на углеводы после приема пищи, богатой углеводами; потеря этой чувствительности, называемая метаболической негибкостью, связана с инсулинорезистентностью.

Definition

Использование субстратов относится к относительному окислению углеводов, жиров и белков тканями; метаболическая гибкость — это способность регулировать окисление топлива в соответствии с его доступностью — переключаясь на окисление жиров в состоянии голодания и на окисление углеводов в ответ на инсулин и потребление углеводов.

Scope

Эта тема охватывает регулирование выбора топлива, его измерение с помощью дыхательного коэффициента и значение метаболической гибкости при переходе от голодного к сытому состоянию и при заболеваниях. Это справочное и образовательное описание метаболизма топлива, а не клиническое руководство.

Core questions

• Какие сигналы определяют, окисляет ли ткань глюкозу или жирные кислоты в данный момент?
• Как измеряется выбор топлива in vivo по газообмену при дыхании?
• Как организм переключает виды топлива при переходе от голодного к сытому состоянию?
• Как нарушенное переключение топлива (метаболическая негибкость) связано с инсулинорезистентностью?

Key concepts

• Выбор топлива
• Дыхательный коэффициент
• Цикл глюкоза-жирные кислоты (цикл Рэндла)
• Переход от голодного к сытому состоянию
• Метаболическая гибкость и негибкость
• Инсулин-стимулированное окисление глюкозы
• Метаболизм субстратов в скелетных мышцах

Key theories

Цикл глюкоза-жирные кислоты (цикл Рэндла)

Повышенное окисление жирных кислот увеличивает содержание митохондриальных ацетил-КоА и цитрата, ингибируя ключевые гликолитические и пируват-метаболизирующие ферменты и тем самым подавляя окисление глюкозы; два вида топлива конкурируют взаимно, обеспечивая биохимическую основу для выбора топлива и его связи с чувствительностью к инсулину.

Метаболическая гибкость

Здоровые скелетные мышцы и метаболизм всего организма соответствующим образом изменяют окисление топлива при голодании и питании; сниженная способность подавлять окисление жиров и увеличивать окисление глюкозы после приема инсулина или углеводов называется метаболической негибкостью и связана с инсулинорезистентностью и ожирением.

Mechanisms

Выбор топлива регулируется как конкуренцией субстратов — описываемой циклом глюкоза-жирные кислоты, в котором окисление жирных кислот подавляет окисление глюкозы за счет накопления ацетил-КоА и цитрата (Randle et al., 1963) — так и гормональным контролем, главным образом инсулином, который способствует окислению и хранению глюкозы, одновременно сдерживая липолиз. In vivo преобладающее топливо определяется по дыхательному коэффициенту и уравнениям распределения непрямой калориметрии (Frayn, 1983). Метаболически гибкие мышцы увеличивают окисление жиров при голодании и переключаются на окисление углеводов после приема инсулина или углеводов; сниженная способность к такому переключению, наблюдаемая при ожирении и инсулинорезистентности, характеризует метаболическую негибкость (Kelley et al., 1999; Galgani et al., 2008; Goodpaster & Sparks, 2017).

Clinical relevance

Использование субстратов и метаболическая гибкость определяют, как исследователи интерпретируют метаболизм топлива при ожирении, сахарном диабете 2 типа и связанных с ними метаболических состояниях. Содержание является описательным и образовательным и не является основанием для диагностики или индивидуального лечения.

History

Рэндл и его коллеги представили цикл глюкоза-жирные кислоты в 1963 году, переосмыслив выбор топлива как проблему конкуренции субстратов с последствиями для чувствительности к инсулину. Исследования метаболизма топлива в скелетных мышцах, в частности Келли и его коллег в 1990-х годах, показали, что ожирение и инсулинорезистентность сопровождаются нарушением переключения между окислением жиров и углеводов, что привело к концепции метаболической гибкости, которую позднее уточнили обзоры (Galgani et al., 2008; Goodpaster & Sparks, 2017).

Debates

Является ли метаболическая негибкость причиной или следствием инсулинорезистентности?

Продолжается обсуждение того, является ли нарушенное переключение топлива причиной развития инсулинорезистентности или, наоборот, ее отражением; взаимосвязь является двунаправленной и зависит от ткани, методологии и физиологического контекста.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Что дыхательный коэффициент говорит нам об использовании топлива?

Дыхательный коэффициент — отношение произведенного углекислого газа к потребленному кислороду — приближается к 1,0, когда основным топливом являются углеводы, и примерно к 0,7, когда преобладают жиры, поэтому он указывает на смесь окисляемых субстратов.

Что такое метаболическая негибкость?

Это сниженная способность соответствующим образом переключать окисление топлива при питании и голодании — например, неспособность подавить окисление жиров и увеличить окисление глюкозы после углеводной нагрузки — и она связана с инсулинорезистентностью и ожирением.