Štai ir priėjome prie paskutinio gliukozės arba paprasčiau sakant, prie paskutinio dar kiek plačiau nepaminėtos energijos „žaliavų” gavimo būdo – gliukoneogenezės. Glikogenolizė (glikogeno skaidymas) yra procesas, kuris pakankamai greitai teikia gliukozę, bet išsekus glikogeno atsargoms (maždaug po paros visiško nevalgymo) jis sustoja. Va tuomet į gliukozės gamybą įsijungia gliukoneogenezė. Šis procesas aktyvinamas hormonų gliukagono ir gliukokortikoidų pagalba, bet apie visą šitą procesą kiek plačiau ir kiek galima aiškiau nuo pradžių.
Žmogaus organizmas gliukozę gauna su maistu ir ji greitai įjungiama į medžiagų apykaitą. Kai kuriems audiniams, pvz., smegenims, yra reikalingas pastovus gliukozės tiekimas. Žmogui ir žinduoliams gliukozė yra būtina, kadangi smegenys, nervų sistema, eritrocitai, sėklidės, inkstai kaip energijos šaltinį naudoja tik šį angliavandenį. Žmogaus smegenims per parą reikia apie 120 g gliukozės. Laisvos gliukozės vidutinio svorio žmogaus organizme yra tik apie 20 g. Kai angliavandenių patekimas į organizmą kartu su maistu yra nepakankamas, gliukozės kiekis kraujyje kai kurį laiką yra palaikomas normos ribose kepenų glikogeno skaidymo dėka. Bet glikogeno atsargos kepenyse nėra nesibaigiančios. Jos žymiai apmažėja jau per pirmas 6-10 nieko nevalgymo valandų ir praktiškai visiškai yra išnaudojamos per parą laiko. Tokiu atveju kepenyse prasideda gliukozės de novo sintezė arba gliukoneogenezė.
Gliukoneogenezė.
Gliukoneogenezė yra procesas, kurios metu gliukozės sintezė vyksta iš medžiagų nepriklausančių angliavandeniams. Jo pagrindinė funkcija yra palaikyti gliukozės lygį kraujyje ilgesnio badavimo ir intensyvaus fizinio krūvio metu. Šioje vietoje atkreipkite dėmesį į tai, kad gliukoneogenezė yra labai svarbi atkuriamuoju laikotarpiu po aktyvių fizinių pratimų. Kodėl tai svarbu? Pakalbėsime kiek vėliau.
Pats gliukoneogenezės procesas daugiausiai vyksta kepenyse, nors tai nėra visiška išimtis (pvz. gamina ir išskiria instų žievės ląstelės). Griaučių raumenys, širdis, smegenys gliukozės beveik negamina. Susintetinta gliukozė (pagrinde iš kepenų) patenka į kraują ir pernešama į organus, kur metabolizuojama. Tokia sintezė gali per parą parūpinti nuo 80 iki šiek tiek daugiau nei 100 g gliukozės. Suaugusio žmogaus organizmas per parą suvartoja apie 160 g grynos gliukozės. Badavimo metu, didelė organizmo gliukozės poreikių dalis atitenka smegenims. Todėl nenuostabu, jei kokį ilgesnį laiko tarpą, nevalgius ir dar sunkiai fiziškai ar protiškai dirbant yra pastebimas galvos svaigimas ir nebe sugebėjimas normaliai mąstyti. Smegenų ląstelės, priešingai nuo kitų audinių, negali apsirūpinti energija skaidant (oksiduojant) riebalų rūgštis. Be smegenų, gliukozės poreikis yra ir toms ląstelėms ar audiniams, kuriose aerobinio skilimo būdas yra negalimas arba yra apribotas, pvz., eritrocitai ir kt.
Ne kiekvienas junginys gali būti panaudotas gliukoneogenezėje. Gliukoneogenezės substratais gali būti glikogeninės aminorūgštys, pieno rūgštis, piruvo rūgštis, glicerolis ir kitos medžiagos. Šių substratų įtraukimas į gliukoneogenezę priklauso nuo organizmo fiziologinio stovio.
•Badaujant audiniuose baltymai suskaidomi iki aminorūgščių, pagrinde tai vyksta katabolizmo metu skaidant raumenų baltymus. Ilgai badaujant arba esant ilgam fiziniam darbui aminorūgštys yra įtraukiamos į gliukoneogenezę. Ne visos aminorūgštys šioms reakcijoms yra tinkamos. Glikogeninės aminorūgštys yra tos, kurios gali būti paverčiamos gliukoze (pvz., serinas, alaninas ir kt.). Kitos gali būti paverčiamos acetoniniais kūnais – ketogeninės aminorūgštys (pvz., leucinas ir lizinas).
Iš visų aminorūgščių, kurios patenka į kepenis, maždaug 30% tenka alanino daliai. Taip yra todėl, kad skaidant raumenų baltymus susidaro aminorūgštys, iš kurių daugelis iš karto yra paverčiamos į piruvatą arba iš pradžių į oksaloacetatą, o po to į piruvatą. Paskutinysis, gaudamas aminogrupę iš kitų aminorūgščių, virsta į alaniną. Alaninas iš raumenų krauju yra pernešamas į kepenis, kur vėl perdirbamas į piruvatą, kuris dalinai oksiduojamas ir dalinai yra įtraukiamas į gliukoneogenezę. Tokiu būdu, egzistuoja tam tikra įvykių seka – gliukozės-alanino ciklas (žr. pav.). Šis ciklas nepadidina gliukozės kiekio raumenyse, bet jo dėka išsisprendžia amininio azoto transportavimo iš raumenų į kepenis problema ir užkertamas kelias laktoacidozei.
•Laktatas (pieno rūgštis) – anaerobinės glikolizės produktas. Jis susidaro eritrocituose ir dirbančiuose raumenyse esant bet kokioms organizmo būklėms. Tokiu būdu, laktatas gliukoneogenezėje yra naudojamas pastoviai. Laktato panaudojimas yra susijęs su jo virtimu kepenyse į piruvatą. Laktatas, kaip piruvato šaltinis, yra svarbus ne kiek badavimo metu, bet kiek esant normaliai organizmo veiklai. Jo virsmas į piruvatą ir paskutiniojo tolimesnis naudojimas yra laktato utilizacijos būdas.
Laktatas, susidaręs intensyviai dirbančiuose raumenyse arba ląstelėse, kuriose pagrinde vyksta anaerobinis gliukozės katabolizmo būdas, patenka į kraują, o po to į kepenis. Jose laktatas perdaromas į piruvatą, kuris po to yra įtraukiamas į gliukoneogenezę, o susidariusi gliukozė tiekiama į kraują ir suvartojama griaučių raumenimis. Šioje vietoje vėl paminėtas Kori ciklas. Kori ciklas yra svarbus dėl 2 svarbių priežasčių: 1 – utilizuoja laktatą; 2 – apsaugo nuo laktato susikaupimo, ir kaip to pasekmė, saugo nuo pavojingo pH sumažėjimo (laktoacidozė arba pieno rūgšties acidozė). Taipogi, kaip jau ir žinome, dalis iš laktato susidariusio piruvato yra kepenyse oksiduojama iki CO2 ir H2O. Oksidacijos energija gali būti panaudojama ATP sintezei, kuris reikalingas gliukoneogenezės reakcijoms.
•Glicerolis yra išlaisvinamas riebaliniame audinyje, riebalų hidrolizės metu badaujant arba esant ilgalaikiai fizinei apkrovai. Jį panaudoti gali tik tie audiniai, kuriuose yra reikiamas fermentas (glicerolio kinazė), pvz., kepenys, inkstai. Šio fermento dėka glicerolis verčiamas į reikiamą tolimesnėms reakcijos glicerolio fosfato formą (glicerolio-3-fosfatą), kuris yra įtraukiamas į gliukoneogenezės procesus ir kaip galutinis virsmų produktas gaunama gliukozė.
Jei ne kiekvienas junginys gali būti panaudotas gliukoneogenezės reakcijose, tai kodėl šios jau paminėtos medžiagos yra išskirtinės. Esmė tame, kad gliukozės sintezė vyksta iš tų medžiagų, kurios gali būti paverčiamos oksalacetatu.
Lyginant gliukoneogenezę su glikolizę vertėtų pabrėžti, kad nors logiškai mąstant šie procesai lygtai ir vienas kitą palaikantys (pirmasis procesas gliukozę gamina iš ne angliavandeninių šaltinių, o antrasis ją skaido susidarant energijai), bet aktyvinantys glikolizę signalai slopina gliukoneogenezę ir atvirkščiai. Dėl šių priežasčių toje pačioje ląstelėje šie procesai vienu metu nevyksta.
Gliukoneogenezė, priešingai nei glikolizė, yra energiją naudojantis procesas. Jos metu 1 gliukozės molekulei pagaminti reikia 2 piruvato arba kitokio šiam procesui tinkančio substrato molekulių bei 6 makroenergetinių fosfato molekulių (ATP ir GTP).
Daugiausiai gliukozės kepenyse gaminama iš aminorūgščių ir pieno rūgšties, dar šiek tiek jos susidaro iš trikarboksirūgščių ciklo tarpinių junginių ir iš glicerolio, kuris yra vienas iš riebalų skaidymo produktų. Gliukozė gali būti sintetinama iš neporinį anglies atomų skaičių turinčių riebalų rūgščių, o iš porinį anglies atomų turinčių riebalų rūgščių gliukozės sintezė nevyksta. Taip yra todėl, kad jų skaidymo metu susidaro acetil-CoA, o jo ląstelės negali paversti į oksaloacetatą.
Organizme vykstančios gliukoneogenezės greitis reguliuojamas dviem būdais:
1) Substratų srautu – kraujyje padaugėjus reikiamų gliukoneogenezei medžiagų (glikogeninių aminorūgščių, laktato, glicerolio) jos greitis kepenų ląstelėse didėja. Toks substratų padidėjimas gali atsirasti sunkiai sportuojant, dirbant ir streso metu. Tokiu metu išsiskiria adrenalinas, kuris skatina riebalų skaidymą iki riebalinių rūgščių ir glicerolio. Badaujant išsiskiria kortizolis, kuris stabdo baltymų sintezę, todėl padidėja laisvųjų aminorūgščių kiekis kraujyje.
2) Reguliaciniais fermentais – gliukoneogenezės reakcijos (jų yra keletas) vyksta veikiant fermentams, kuriuos aktyvina arba slopina tam tikri metabolitai, taipogi indukuojamuosius fermentus veikia hormonai, pvz., gliukagonas, adrenalinas, gliukokortokoidai, insulinas.
Tokių fermentų reguliavimų sistema tampa labai svarbi, pvz., badavimo metu, kai sukaupti riebalai yra aktyviai skaidomi. Tam tikrais momentais, pvz., badavimo, streso ar nuo valgymo pradžios prasidedant glikolizei, dėka atitinkamų metabolitų (pvz., acetil-CoA, ADP ir kt.) tam tikri fermentai yra aktyvinami arba inhibuojami, taipogi jau paminėtų hormonų dėka yra didinamas arba mažinamas indukuojamų fermentų kiekis. Priklausomai nuo esamos padėties (valgymo ar badavimo) į energijos medžiagų gamybą ar pačios energijos gaminimą įsijungia glikolizės arba gliukoneogenezės procesai. Po valgio, gliukoneogenezės procesų (joje dalyvaujančių fermentų) aktyvumas mažėja, tai vyksta dėl pagausėjusio hormono insulino, prasideda gliukoneogenezės fermentų inhibicija.
Kodėl žmogaus organizme yra būtini tokie pakankamai sudėtingi procesai? Esmė tame, kad gliukozė yra svarbiausia nervinių ląstelių maisto medžiaga, o smegenys yra labai jautrios gliukozės koncentracijos kraujyje svyravimams. Sumažėjus gliukozės kiekiui kraujyje, neuronų aktyvumas taip pat sumažėja. Hipoglikemijos metu, tam tikrose smegenų srityse, kurios reguliuoja kūno temperatūrą, vyksta pokyčiai. Dėl to kūno temperatūra gali sumažėti keliais laipsniais. Beje, hipoglikemija vystosi ir dėl gausiai vartojamo alkoholio, tokiu metu gliukoneogenezė yra slopinama.
Esant normaliam mitybos ritmui ir subalansuotam racionui, gliukozės koncentracija kraujyje ir visų organų aprūpinimas ja pagrinde yra palaikomas glikogeno sintezės ir jo skaidymo sąskaita. Tik baigiantis miegui, t.y. einant į pabaigą pačiai didžiausiai pertraukai tarp maisto priėmimų, šiek tiek gali padidėti gliukoneogenezės vaidmuo, kurios reikšmė augs, jei pusryčių nebus ir šis laikotarpis dar užsitęs. Kitaip sakant, maisto virškinimo metu, angliavandeniai yra pagrindiniu gliukozės šaltiniu kraujyje, o periodu tarp valgymų, kepenys teikia gliukozę į kraują glikogenolizės ir gliukoneogenezės dėka. Vėliau, 8-12 valandų bėgyje, gliukozės lygis kraujyje palaikomas dėka glikogeno skaidymo.
Gliukoneogenezė ir kepenų glikogenas yra veiksniai, kurie dalyvauja palaikant normalų gliukozėskoncentracijos lygį. Kepenų glikogenas paros bėgyje praktiškai yra išeikvojamas, tuomet gliukoneogenezės greitis padidėja. Esant ilgesniam badavimui (1 diena ir daugiau), jos greitis lėtėja, bet gliukoneogenezė vis tiek išlieka vieninteliu kraujo gliukozės papildančiu šaltiniu.
Badaujant, turimas omenyje laikotarpis, kurio metu visai nevalgoma, pirmosios paros bėgyje glikogeno atsargos organizme išnaudojamos, o tolimesniu gliukozės šaltiniu tarnauja tik gliukoneogenezės procesas (iš laktato, glicerolio ir aminorūgščių). Tokiomis sąlygomis gliukoneogenezė greitėja, o glikolizė lėtėja, dėl to insulino koncentracija mažėja ir didėja glukagono koncentracija. Be viso to, 1 ar 2 parų bėgyje, didesne dalimi pasireiškia ir kitas reguliacinis mechanizmas – kai kurių fermentų sintezės indukcija ir represija: sumažėja glikolizės fermentų kiekis ir padidėja gliukoneogenezės fermentų. Fermentų sintezės pakitimai taipogi yra surišti su insulino ir gliukagono poveikiu.
Maždaug nuo antros badavimo dienos, gliukoneogenezės greitis iš aminorūgščių ir glicerolio pasiekia maksimalų pagreitį. Gliukoneogenezės greitis iš laktato išlieka pastovus. Tokiu būdu, kaip jau ir buvo minėta, kiekvieną parą yra pagaminama apie 100 g gliukozės, pagrinde tai vyksta kepenyse.
Reikėtų pažymėti, kad badaujant gliukozė nėra naudojama raumenų ir riebalų ląstelėmis, kadangi nesant insulino ji negali į jas patekti. Tokiu būdu gliukozė yra saugoma smegenų ir kitų, nuo gliukozės priklausomų, ląstelių aprūpinimui. Kadangi įprastose sąlygose raumenys yra vienas iš pagrindinių gliukozės vartotojų, tai badaujant raumenų nustojimas naudoti gliukozę turi žymią reikšmę aprūpinant gliukoze smegenis. Badavimo dienoms užsitęsus pakankamai ilgai (kelios dienos ir ilgiau), smegenys ima naudoti ir kitokius energijos būdus, bet čia jau kita tema.
Nereikėtų pamiršti, kad nesubalansuota mityba taipogi yra tam tikra badavimo rūšis. Tiksliau kalbant, toks mitybos būdas, kai pagal kaloringumą racionas turi mažai angliavandenių – angliavandenių badas. Šiuo atveju taip pat suaktyvinama gliukoneogenezė, o gliukozės sintezei yra naudojamos aminorūgštys ir glicerolis, kuris susidaro iš maisto baltymų ir riebalų.
Galop beliko išsiaiškint kokie pagrindiniai gliukozės reguliavimo kraujyje procesai vyksta ramybės ir aktyvaus fizinio aktyvumo būsenose. Kaip ir poilsio, taip ir besitęsiančio fizinio darbo metu, iš pat pradžių gliukozės šaltiniu raumenims pasitarnauja glikogenas, kuris buvo išsaugotas pačiuose raumenyse, o po to kraujo gliukozė. Yra žinoma, kad 100 g glikogeno yra sunaudojama maždaug per 15 min bėgimo, o suvalgius angliavandenių glikogeno atsargos raumenyse sudaro 200-300 g. Paveikslėlyje (žr. pav. žemiau) yra pateiktos kepenų glikogeno ir gliukoneogenezės reikšmės aprūpinant raumenis gliukoze skirtingo intensyvmo ir laikotarpio sąlygomis.
Pateikti duomenys leidžia padaryti išvadą, kad glikolizės, gliukoneogenezės, glikogeno sintezės ir skaidymo greičių koordinacijos dėka, beje, dalyvaujant hormonams, yra sudaromos sąlygos:
• užkirsti per daug didelį gliukozės kiekio kraujyje padidėjimą po valgio;
• glikogeno kaupimui ir jo panaudojimui tarp maisto vartojimų;
• aprūpinti raumenis gliukoze, kuriose energijos poreikis greitai auga esant raumenų veiklai;
• aprūpinti gliukoze ląsteles, kurios bado sąlygomis kaip energijos šaltinį išskirtinai naudoja gliukozę (nervinės ląstelės, eritrocitai, sėklidės ir kt.)
