Hệ thống phân cấp nhiên liệu chuyển hóa và sử dụng cơ chất

Hệ thống phân cấp nhiên liệu chuyển hóa và sử dụng cơ chất mô tả cách cơ thể lựa chọn loại nhiên liệu để đốt cháy tại bất kỳ thời điểm nào. Glucose, axit béo, thể ketone và axit amin không được sử dụng thay thế cho nhau; việc sử dụng chúng được xếp hạng và điều chỉnh theo khả năng sẵn có, nhu cầu của mô và trạng thái trao đổi chất, và việc lựa chọn một loại nhiên liệu sẽ ức chế việc sử dụng các loại khác.

Definition

Hệ thống phân cấp nhiên liệu chuyển hóa và sử dụng cơ chất đề cập đến việc lựa chọn ưu tiên, được điều hòa giữa các cơ chất năng lượng có sẵn — glucose, axit béo, thể ketone và axit amin — theo đó các mô và toàn bộ cơ thể điều chỉnh quá trình oxy hóa nhiên liệu phù hợp với khả năng sẵn có và nhu cầu, với việc sử dụng một cơ chất sẽ hạn chế tương ứng việc sử dụng các cơ chất khác.

Scope

Chủ đề này bao gồm thứ tự ưu tiên của các loại nhiên liệu, sự cạnh tranh giữa glucose và axit béo được thể hiện qua chu trình glucose-axit béo, các yêu cầu nhiên liệu đặc biệt của các mô như não và hồng cầu, và cách lựa chọn cơ chất thay đổi giữa trạng thái no và đói. Đây là tài liệu tham khảo trong sinh hóa và sinh lý học chuyển hóa, không phải là hướng dẫn dinh dưỡng hoặc kê đơn lâm sàng.

Core questions

• Một mô quyết định oxy hóa loại nhiên liệu nào?
• Glucose và axit béo cạnh tranh như thế nào với tư cách là nhiên liệu?
• Những mô nào có yêu cầu nhiên liệu bắt buộc?
• Việc lựa chọn nhiên liệu thay đổi như thế nào khi nhịn ăn và ăn uống?

Key concepts

• Cạnh tranh cơ chất
• Chu trình glucose-axit béo (Randle)
• Các mô sử dụng glucose bắt buộc
• Axit béo và thể ketone như các nhiên liệu thay thế
• Sự ưu tiên nhiên liệu đặc trưng của mô
• Chỉ số hô hấp như một chỉ số của hỗn hợp nhiên liệu
• Tiết kiệm glucose

Key theories

Chu trình glucose-axit béo (Randle)

Glucose và axit béo cạnh tranh để oxy hóa: sự sẵn có và oxy hóa axit béo tăng lên làm tăng các tín hiệu nội bào ức chế sự hấp thu và sử dụng glucose, và ngược lại, glucose cao ức chế quá trình oxy hóa chất béo, cung cấp một cơ chế cấp độ cơ chất cho việc lựa chọn nhiên liệu.

Hệ thống phân cấp nhiên liệu trong quá trình chuyển đổi nhịn ăn

Trong suốt quá trình nhịn ăn, việc sử dụng nhiên liệu tuân theo một trình tự được quyết định bởi khả năng sẵn có và nhu cầu của mô: glucose từ chế độ ăn và dự trữ trước, sau đó là axit béo và thể ketone có nguồn gốc từ chúng, với glucose được dành cho các mô cần nó.

Mechanisms

Việc lựa chọn nhiên liệu được thiết lập bởi khả năng sẵn có, trạng thái hormone và các tín hiệu sinh hóa đối ứng. Chu trình glucose-axit béo được Randle mô tả cho thấy rằng khi quá trình oxy hóa axit béo cao, sự gia tăng acetyl-CoA và citrate sau đó sẽ ức chế các bước đường phân quan trọng, tiết kiệm glucose; ngược lại, glucose và insulin dồi dào sẽ ức chế quá trình oxy hóa chất béo. Các mô khác nhau có sự ưu tiên khác nhau: tim dễ dàng sử dụng axit béo và lactate, cơ xương khi nghỉ ngơi ưu tiên axit béo, trong khi hồng cầu phụ thuộc vào glucose vì chúng thiếu ty thể, và não sử dụng glucose nhưng thích nghi với thể ketone trong thời gian nhịn ăn kéo dài. Các cảm biến năng lượng như protein kinase hoạt hóa AMP tiếp tục điều chỉnh cơ chất nào được oxy hóa theo trạng thái năng lượng. Mô hình tổng thể của việc sử dụng nhiên liệu có thể được đọc gián tiếp từ chỉ số hô hấp.

Clinical relevance

Việc lựa chọn nhiên liệu bị thay đổi trong bệnh tiểu đường, béo phì và bệnh nặng, và khái niệm cạnh tranh cơ chất là cơ sở cho cách cơ thể thích nghi với việc nhịn ăn, tập thể dục và bệnh tật. Mục này trình bày đây là tài liệu tham khảo về sinh hóa và sinh lý học và không phải là cơ sở cho các chỉ định chế độ ăn kiêng hoặc các quyết định y tế cá nhân.

History

Nghiên cứu có hệ thống về lựa chọn nhiên liệu đã tiến bộ với mô tả của Randle và các đồng nghiệp vào năm 1963 về chu trình glucose-axit béo, cung cấp một cơ chế sinh hóa cho sự cạnh tranh giữa hai loại nhiên liệu chính. Các nghiên cứu của Cahill về việc nhịn ăn ở người sau đó đã lập bản đồ cách các loại nhiên liệu ưu tiên của cơ thể thay đổi theo thời gian, và các công trình sau này về các cảm biến năng lượng tế bào đã kết nối lựa chọn cơ chất với quy định rộng hơn của quá trình trao đổi chất.

Key figures

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

Seminal works

• randle-1963
• cahill-2006

Frequently asked questions

Hệ thống phân cấp nhiên liệu chuyển hóa có nghĩa là gì?

Đó là ý tưởng rằng cơ thể không sử dụng tất cả các loại nhiên liệu như nhau cùng một lúc mà xếp hạng và điều chỉnh việc sử dụng chúng, ưu tiên các cơ chất cụ thể tùy thuộc vào khả năng sẵn có, yêu cầu của mô và liệu cơ thể đang ở trạng thái no hay đói.

Tại sao tất cả các mô không thể đơn giản đốt cháy bất kỳ nhiên liệu nào có sẵn?

Các mô khác nhau về enzyme và cấu trúc: hồng cầu thiếu ty thể và phụ thuộc vào glucose, não thường dựa vào glucose nhưng có thể thích nghi với thể ketone, và cơ và tim dễ dàng sử dụng axit béo; những khác biệt này tạo ra sự ưu tiên nhiên liệu đặc trưng của mô.