การใช้สารตั้งต้นและความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม

การใช้สารตั้งต้นคือการเลือกใช้คาร์โบไฮเดรต ไขมัน หรือโปรตีนเป็นเชื้อเพลิงที่เนื้อเยื่อออกซิไดซ์ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง และความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมคือความสามารถในการเปลี่ยนระหว่างเชื้อเพลิงเหล่านี้เพื่อตอบสนองต่อภาวะโภชนาการและสรีรวิทยา เมแทบอลิซึมที่แข็งแรงจะออกซิไดซ์ไขมันในช่วงอดอาหารและเปลี่ยนไปใช้คาร์โบไฮเดรตหลังจากรับประทานอาหารที่อุดมด้วยคาร์โบไฮเดรต การสูญเสียการตอบสนองนี้เรียกว่าความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม ซึ่งเชื่อมโยงกับภาวะดื้ออินซูลิน

Definition

การใช้สารตั้งต้นหมายถึงการออกซิเดชันสัมพัทธ์ของคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีนโดยเนื้อเยื่อ; ความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมคือความสามารถในการปรับการออกซิเดชันของเชื้อเพลิงให้เข้ากับความพร้อมของเชื้อเพลิง — การเปลี่ยนไปสู่การออกซิเดชันของไขมันในภาวะอดอาหาร และการเปลี่ยนไปสู่การออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตเพื่อตอบสนองต่ออินซูลินและการบริโภคคาร์โบไฮเดรต

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการควบคุมการเลือกเชื้อเพลิง วิธีการวัดผ่านอัตราส่วนการหายใจ และความหมายของความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมในการเปลี่ยนผ่านจากภาวะอดอาหารไปสู่ภาวะได้รับอาหารและในภาวะโรค เป็นข้อมูลอ้างอิงและให้ความรู้เกี่ยวกับการเผาผลาญเชื้อเพลิง ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• สัญญาณใดที่กำหนดว่าเนื้อเยื่อจะออกซิไดซ์กลูโคสหรือกรดไขมัน ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง?
• การเลือกเชื้อเพลิงในสิ่งมีชีวิตวัดได้อย่างไรจากการแลกเปลี่ยนก๊าซในการหายใจ?
• ร่างกายเปลี่ยนเชื้อเพลิงอย่างไรในช่วงเปลี่ยนผ่านจากภาวะอดอาหารไปสู่ภาวะได้รับอาหาร?
• การเปลี่ยนเชื้อเพลิงที่บกพร่อง (ความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม) เกี่ยวข้องกับภาวะดื้ออินซูลินอย่างไร?

Key concepts

• การเลือกเชื้อเพลิง
• อัตราส่วนการหายใจ
• วงจรกลูโคส-กรดไขมัน (Randle)
• การเปลี่ยนผ่านจากภาวะอดอาหารไปสู่ภาวะได้รับอาหาร
• ความยืดหยุ่นและความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม
• การออกซิเดชันของกลูโคสที่กระตุ้นด้วยอินซูลิน
• การจัดการสารตั้งต้นของกล้ามเนื้อโครงร่าง

Key theories

วงจรกลูโคส-กรดไขมัน (Randle)

การออกซิเดชันของกรดไขมันที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่ม mitochondrial acetyl-CoA และ citrate ซึ่งยับยั้งเอนไซม์ไกลโคไลติกและเอนไซม์ที่จัดการไพรูเวตที่สำคัญ จึงยับยั้งการออกซิเดชันของกลูโคส; เชื้อเพลิงทั้งสองแข่งขันกันแบบผกผัน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางชีวเคมีสำหรับการเลือกเชื้อเพลิงและความเชื่อมโยงกับความไวของอินซูลิน

ความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม

กล้ามเนื้อโครงร่างและเมแทบอลิซึมทั่วร่างกายที่แข็งแรงจะปรับการออกซิเดชันของเชื้อเพลิงอย่างเหมาะสมกับการอดอาหารและการได้รับอาหาร; ความสามารถที่ลดลงในการยับยั้งการออกซิเดชันของไขมันและเพิ่มการออกซิเดชันของกลูโคสหลังจากได้รับอินซูลินหรือคาร์โบไฮเดรตเรียกว่าความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม และเกี่ยวข้องกับภาวะดื้ออินซูลินและภาวะอ้วน

Mechanisms

การเลือกเชื้อเพลิงถูกควบคุมโดยทั้งการแข่งขันของสารตั้งต้น — อธิบายโดยวงจรกลูโคส-กรดไขมัน ซึ่งการออกซิเดชันของกรดไขมันจะยับยั้งการออกซิเดชันของกลูโคสผ่านการสะสมของ acetyl-CoA และ citrate (Randle et al., 1963) — และโดยการควบคุมของฮอร์โมน โดยเฉพาะอินซูลิน ซึ่งส่งเสริมการออกซิเดชันและการเก็บรักษากลูโคสในขณะที่ยับยั้งการสลายไขมัน ในสิ่งมีชีวิต เชื้อเพลิงหลักจะถูกอนุมานจากอัตราส่วนการหายใจและสมการการแบ่งส่วนของการวัดแคลอรี่ทางอ้อม (Frayn, 1983) กล้ามเนื้อที่มีความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมจะเพิ่มการออกซิเดชันของไขมันในการอดอาหารและเปลี่ยนไปใช้การออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตหลังจากได้รับอินซูลินหรือคาร์โบไฮเดรต; ความสามารถที่ลดลงสำหรับการเปลี่ยนนี้ ซึ่งพบในภาวะอ้วนและภาวะดื้ออินซูลิน เป็นลักษณะเฉพาะของความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม (Kelley et al., 1999; Galgani et al., 2008; Goodpaster & Sparks, 2017)

Clinical relevance

การใช้สารตั้งต้นและความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมเป็นกรอบที่นักวิจัยใช้ในการตีความการจัดการเชื้อเพลิงในภาวะอ้วน โรคเบาหวานชนิดที่ 2 และภาวะเมแทบอลิซึมที่เกี่ยวข้อง เนื้อหาเป็นเชิงพรรณนาและให้ความรู้ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

Randle และคณะได้นำเสนอวงจรกลูโคส-กรดไขมันในปี 1963 โดยปรับเปลี่ยนการเลือกเชื้อเพลิงให้เป็นปัญหาของการแข่งขันของสารตั้งต้นที่มีผลต่อความไวของอินซูลิน การศึกษาการจัดการเชื้อเพลิงของกล้ามเนื้อโครงร่าง โดยเฉพาะโดย Kelley และคณะในทศวรรษ 1990 แสดงให้เห็นว่าภาวะอ้วนและภาวะดื้ออินซูลินมาพร้อมกับการเปลี่ยนระหว่างการออกซิเดชันของไขมันและคาร์โบไฮเดรตที่บกพร่อง นำไปสู่แนวคิดเรื่องความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึม ซึ่งการทบทวนในภายหลัง (Galgani et al., 2008; Goodpaster & Sparks, 2017) ได้ปรับปรุงให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

Debates

ความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมเป็นสาเหตุหรือผลของภาวะดื้ออินซูลิน?

ยังคงมีการถกเถียงกันว่าการเปลี่ยนเชื้อเพลิงที่บกพร่องเป็นตัวขับเคลื่อนการพัฒนาภาวะดื้ออินซูลิน หรือเป็นผลสะท้อนของภาวะดังกล่าว; ความสัมพันธ์เป็นแบบสองทางและขึ้นอยู่กับเนื้อเยื่อ วิธีการ และบริบททางสรีรวิทยา

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

อัตราส่วนการหายใจบอกอะไรเราเกี่ยวกับการใช้เชื้อเพลิง?

อัตราส่วนการหายใจ — อัตราส่วนของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตต่อออกซิเจนที่บริโภค — จะเข้าใกล้ประมาณ 1.0 เมื่อคาร์โบไฮเดรตเป็นเชื้อเพลิงหลัก และประมาณ 0.7 เมื่อไขมันเป็นหลัก ดังนั้นจึงบ่งชี้ถึงส่วนผสมของสารตั้งต้นที่กำลังถูกออกซิไดซ์

ความไม่ยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมคืออะไร?

คือความสามารถที่ลดลงในการเปลี่ยนการออกซิเดชันของเชื้อเพลิงอย่างเหมาะสมกับการได้รับอาหารและการอดอาหาร — ตัวอย่างเช่น การไม่สามารถยับยั้งการออกซิเดชันของไขมันและเพิ่มการออกซิเดชันของกลูโคสหลังจากได้รับคาร์โบไฮเดรต — และเกี่ยวข้องกับภาวะดื้ออินซูลินและภาวะอ้วน