NAD⁺ и метаболитната гъвкавост: разграждане на глюкоза и мазнини
Въведение
Човешкият организъм постоянно използва енергия. Дори в покой са активни зависими от енергията процеси, включително дишането, кръвообращението, мозъчната дейност, регулирането на температурата и поддържането на клетките.
Потребностите от енергия обаче се променят непрекъснато. След хранене са налични други енергийни източници, отколкото по време на гладуване. При интензивно физическо натоварване мускулите използват други метаболитни пътища, отколкото при продължително натоварване с ниска интензивност.
Способността за ефективно превключване между различни енергийни източници се нарича метаболитна гъвкавост.
Важна молекула в тези процеси е никотинамид-аденин-динуклеотидът, по-известен като NAD⁺.
NAD⁺ подпомага преноса на електрони по време на разграждането на глюкоза, мастни киселини и аминокиселини. По този начин той играе централна роля в производството на клетъчна енергия.
Изследователите проучват как метаболизмът на NAD⁺ е свързан с:
-
митохондриална функция;
-
окисление на глюкозата;
-
окисление на мастни киселини;
-
инсулинова чувствителност;
-
физическа активност;
-
метаболитна адаптация.
В тази статия разглеждаме какво представлява метаболитната гъвкавост, как клетките превключват между енергийните източници и каква роля играе NAD⁺ в този процес.
Какво представлява метаболитната гъвкавост?
Метаболитната гъвкавост е способността на клетките и тъканите да адаптират използването на енергийни субстрати според условията.
Важни източници на енергия са:
-
глюкоза;
-
мастни киселини;
-
аминокиселини;
-
кетонни тела.
След богато на въглехидрати хранене наличността на глюкоза се увеличава.
След това хормонът инсулин стимулира, наред с друго:
-
усвояване на глюкоза;
-
складиране на гликоген;
-
използване на глюкозата като източник на енергия;
-
складиране на излишната енергия.
По време на гладуване наличността на глюкоза намалява.
Тогава организмът може да използва повече:
-
складирани мастни киселини;
-
чернодробен гликоген;
-
кетонни тела;
-
глюконеогенеза.
Метаболитно гъвкавата система може сравнително ефективно да превключва между тези състояния.
Какво представлява метаболитната негъвкавост?
Метаболитната негъвкавост означава, че способността за адаптиране на използването на енергия е намалена.
Това се изследва във връзка с:
-
инсулинова резистентност;
-
затлъстяване;
-
метаболитен синдром;
-
липса на физическа активност;
-
митохондриални промени;
-
свързани с възрастта метаболитни промени.
Метаболитната негъвкавост не е самостоятелно заболяване.
Това е физиологична концепция, която изследователите използват, за да опишат промените в използването на енергийни субстрати.
Намалената гъвкавост може например да означава, че мускулите по-малко ефективно превключват между окислението на мастни киселини и глюкоза.
Ролята на NAD⁺ в енергийния метаболизъм
NAD⁺ е коензим, който се намира в почти всички човешки клетки.
Той се среща главно в две форми:
-
NAD⁺: окислената форма;
-
NADH: редуцираната форма.
По време на разграждането на хранителните вещества NAD⁺ приема електрони.
По този начин NAD⁺ се превръща в NADH.
NADH пренася тези електрони към електроннотранспортната верига в митохондриите.
Енергията от електроните се използва за производството на ATP.
ATP е основният директно използваем енергиен носител на клетката.
Така NAD⁺ представлява съществена връзка между:
хранителни вещества → пренос на електрони → митохондрии → ATP
NAD⁺ и метаболизъм на глюкозата
Глюкозата може чрез различни стъпки да се преобразува в енергия.
Първият важен път е гликолизата.
По време на гликолизата глюкозата се разгражда до пируват.
Част от този процес зависи от NAD⁺.
NAD⁺ приема електрони и се преобразува в NADH.
Когато са налични достатъчно кислород и митохондриален капацитет, пируватът може да се преобразува в ацетил-КоА.
След това ацетил-КоА навлиза в цикъла на лимонената киселина.
По време на цикъла на лимонената киселина се образуват повече молекули NADH.
Те доставят електрони на митохондриалната електроннотранспортна верига.
По този начин NAD⁺ подпомага няколко етапа от производството на енергия от глюкоза.
NAD⁺ и окисление на мастни киселини
Мастните киселини са важен източник на енергия.
Особено по време на покой, гладуване и продължително физическо натоварване приносът на окислението на мастни киселини може да се увеличи.
Мастните киселини се разграждат в митохондриите чрез бета-окисление.
По време на този път се образуват, наред с други:
-
ацетил-КоА;
-
NADH;
-
FADH₂.
Ацетил-КоА може да навлезе в цикъла на лимонената киселина.
NADH и FADH₂ доставят електрони на електроннотранспортната верига.
При окислението на мастни киселини също е важно наличието на окислени кофактори.
Когато NAD⁺ приема електрони, се образува NADH.
След това митохондриите трябва отново да окислят NADH до NAD⁺.
Така метаболитният цикъл продължава да функционира.
Съотношението NAD⁺/NADH
Съотношението между NAD⁺ и NADH се нарича клетъчно редокс съотношение.
Това съотношение може да повлияе на:
-
активност на метаболитните ензими;
-
окисление на глюкозата;
-
окисление на мастни киселини;
-
образуване на лактат;
-
митохондриално производство на енергия.
Високото количество NADH означава, че са налични много електрони.
Електроннотранспортната верига трябва да обработи тези електрони.
Когато окислителният капацитет е ограничен, съотношението между NAD⁺ и NADH може да се промени.
Клетките разполагат с различни механизми за регулиране на редокс баланса.
Оптималното съотношение се различава между:
-
цитоплазма;
-
митохондрии;
-
клетъчен тип;
-
метаболитно състояние.
Митохондриите и метаболитната гъвкавост
Митохондриите са от съществено значение за окислението на глюкозата и мастните киселини.
Добрата митохондриална функция подпомага способността за адаптиране на производството на енергия.
Важни фактори са:
-
брой на митохондриите;
-
активност на митохондриалните ензими;
-
доставка на кислород;
-
капацитет за пренос на електрони;
-
митохондриална динамика;
-
качеството на митохондриите.
Митохондриите могат да се адаптират към промените в енергийните потребности.
Физическата тренировка например може да доведе до:
-
по-голяма митохондриална плътност;
-
по-висок окислителен капацитет;
-
подобрено окисление на мастните киселини;
-
по-ефективно използване на енергията.
Тези адаптации се регулират от множество сигнални пътища.
NAD⁺-зависимите ензими могат да бъдат част от тези процеси.
NAD⁺ и SIRT1
SIRT1 е NAD⁺-зависим ензим.
Изследва се във връзка с:
-
метаболитна адаптация;
-
метаболизъм на глюкозата;
-
метаболизъм на мастните киселини;
-
митохондриална биогенеза;
-
клетъчен отговор на стрес.
SIRT1 може да повлияе на регулаторния белтък PGC-1α.
PGC-1α играе важна роля в регулирането на гените, участващи в:
-
митохондрии;
-
окисление на мастни киселини;
-
окислителен метаболизъм;
-
адаптация към физическа активност.
По този начин се очертава възможен изследователски път:
NAD⁺ → SIRT1 → PGC-1α → метаболитна адаптация
Този път е само една част от по-голяма регулаторна мрежа.
NAD⁺ и SIRT3
SIRT3 се намира предимно в митохондриите.
Ензимът може да повлияе на различни митохондриални белтъци.
Изследваните процеси са:
-
окисление на мастни киселини;
-
цикъл на лимонената киселина;
-
електронен транспорт;
-
антиоксидантни реакции;
-
енергиен метаболизъм.
SIRT3 използва NAD⁺ по време на ензимни реакции.
По този начин се изследва дали промените в митохондриалната наличност на NAD⁺ могат да повлияят на активността на определени метаболитни ензими.
Биологичните ефекти вероятно се различават според тъканта и метаболитното състояние.
AMPK и метаболитна адаптация
AMPK означава AMP-активирана протеинкиназа.
AMPK понякога се описва като клетъчен енергиен сензор.
Когато наличната енергия намалее, AMPK може да се активира.
AMPK може да стимулира процеси, които осигуряват енергия.
Примерите включват:
-
усвояване на глюкоза;
-
окисление на мастни киселини;
-
митохондриална адаптация.
Същевременно определени енергопотребяващи процеси могат временно да бъдат намалени.
AMPK и NAD⁺-зависимите пътища могат да си влияят взаимно.
Тези взаимодействия се изследват в рамките на метаболитната биология.
Инсулинът и превключването между горивата
Инсулинът играе важна роля в регулирането на използването на енергия.
След хранене кръвната глюкоза се повишава.
След това панкреасът може да отдели инсулин.
Инсулинът стимулира, наред с други неща:
-
усвояване на глюкоза от мускулните и мастните клетки;
-
складиране на гликоген;
-
складиране на мазнини;
-
потискане на разграждането на мазнини.
По време на гладуване нивото на инсулина се понижава.
По този начин може да се увеличи наличността на свободни мастни киселини.
Здравата метаболитна система адаптира използването на горива към тези хормонални промени.
При инсулинова резистентност тази адаптация може да се промени.
Метаболитна гъвкавост в скелетните мускули
Скелетните мускули са важни потребители на глюкоза и мастни киселини.
В покой мускулите използват относително много мастни киселини.
При интензивно физическо натоварване употребата на въглехидрати се увеличава.
Изборът на гориво се влияе от:
-
интензивност на тренировката;
-
продължителност на тренировката;
-
наличност на кислород;
-
хранителен статус;
-
гликогенови запаси;
-
митохондриален капацитет.
Тренираните мускули често имат по-голям митохондриален капацитет.
По този начин те могат да използват мастните киселини по-ефективно при определени нива на физическо натоварване.
NAD⁺ подпомага редокс реакциите, необходими както за окислението на глюкозата, така и за окислението на мастните киселини.
Метаболитна гъвкавост по време на физическо натоварване
По време на физическо натоварване енергийните нужди могат значително да се увеличат.
При ниска до умерена интензивност сравнително голяма част от енергията може да идва от окислението на мастни киселини.
При по-висока интензивност използването на въглехидрати обикновено се увеличава.
Въглехидратите могат по-бързо да осигурят ATP, когато енергийните нужди са високи.
Тренировките могат да предизвикат различни адаптации:
-
увеличаване на броя на митохондриите;
-
подобрено използване на кислорода;
-
по-големи запаси от гликоген;
-
по-висока активност на окислителните ензими;
-
промени в използването на горивата.
Тези адаптации се предизвикват от мрежа от метаболитни сигнали.
NAD⁺ е необходим биохимичен кофактор в този процес, но не е единственият регулатор.
Метаболитна гъвкавост по време на гладуване
По време на гладуване достъпността на енергийните източници се променя.
Запасите от гликоген в черния дроб постепенно намаляват.
Разграждането на складираните мазнини може да се увеличи.
Мастните киселини стават достъпни за различни тъкани.
При определени условия черният дроб може да произвежда кетонни тела.
NAD⁺ и NADH участват в множество метаболитни реакции по време на тези промени.
Реакцията към гладуването се различава при отделните хора.
Факторите включват:
-
продължителност на гладуването;
-
възраст;
-
мускулна маса;
-
метаболитно здраве;
-
физическа активност;
-
прием на лекарства.
Продължителното гладуване не е подходящо за всеки и може да крие медицински рискове.
NAD⁺ и свързаните с възрастта метаболитни промени
С напредването на възрастта могат да настъпят промени в:
-
мускулна маса;
-
митохондриална функция;
-
инсулинова чувствителност;
-
физическа активност;
-
разпределение на мазнините;
-
метаболитна регулация.
Изследванията предполагат, че нивата на NAD⁺ в определени тъкани могат да се променят с напредването на възрастта.
Възможните фактори включват:
-
повишена активност на ензимите, консумиращи NAD⁺;
-
промени в биосинтезата на NAD⁺;
-
хронично нискостепенно възпаление;
-
увреждане на ДНК;
-
промени в митохондриалната функция.
Все още не е ясно какъв е приносът на всеки фактор за метаболитната гъвкавост при хората.
Какво показват изследванията при хора?
Проучвания при хора изследват различни прекурсори на NAD⁺.
Примерите включват:
-
никотинамид рибозид;
-
никотинамидмононуклеотид;
-
никотинамид.
Някои проучвания показват промени в метаболитите, свързани с NAD.
Ефектите върху метаболитната гъвкавост са по-малко еднозначни.
Изследваните резултати включват:
-
инсулинова чувствителност;
-
метаболизъм на глюкозата;
-
мускулна функция;
-
разход на енергия;
-
окисление на мастни киселини.
Резултатите се различават между отделните проучвания.
Необходими са по-мащабни и по-продължителни изследвания.
Може ли по-високото ниво на NAD⁺ да възстанови метаболитната гъвкавост?
Това все още не е установено.
Метаболитната гъвкавост се влияе от много фактори.
Примерите включват:
-
митохондриален капацитет;
-
мускулна маса;
-
физическа активност;
-
инсулинова чувствителност;
-
сън;
-
хранене;
-
възраст;
-
хормонална регулация.
NAD⁺ е от съществено значение за енергийния метаболизъм, но представлява само един компонент от тази сложна система.
Промяната в биомаркерите, свързани с NAD⁺, не означава автоматично, че целият метаболизъм се подобрява.
Начин на живот и метаболитна гъвкавост
Редовното движение е важен фактор за метаболитната адаптация.
Изследваните стратегии са:
-
тренировки за издръжливост;
-
силови тренировки;
-
интервални тренировки;
-
ежедневната физическа активност.
Тренировките могат да повлияят на:
-
мускулна маса;
-
митохондриален капацитет;
-
усвояване на глюкоза;
-
окисление на мастни киселини;
-
чувствителност към инсулин.
Също така сънят, храненето и енергийният баланс могат да влияят върху метаболитното здраве.
Нито една молекула не може да замени тези комбинирани фактори.
Ограничения на настоящите изследвания
Голяма част от механистичните познания произхожда от:
-
клетъчни изследвания;
-
животински модели;
-
биохимични изследвания.
Тези модели са ценни, но не могат пряко да се пренесат към клинични ефекти при хора.
Освен това метаболизмът на NAD⁺ е специфичен за тъканите.
Промяната в кръвните показатели не е задължително да съответства на промени в:
-
мускулната тъкан;
-
черния дроб;
-
сърцето;
-
мозъка.
Данните за дългосрочна употреба все още са ограничени.
Безопасност и изследователски статус
Свързаните с NAD⁺ съединения се изследват в рамките на метаболитната наука.
Биологичните ефекти могат да зависят от:
-
използвано съединение;
-
концентрация;
-
продължителност на изследването;
-
начин на приложение;
-
възраст;
-
здравословно състояние;
-
прием на лекарства.
Изследователските продукти не са предназначени да заменят медицинската диагностика или лечение.
Хората с метаболитни заболявания или приемащите лекарства трябва да обсъждат решенията, свързани със здравето, с квалифициран лекар.
Заключение
Метаболитната гъвкавост описва способността на клетките и тъканите ефективно да превключват между различни източници на енергия.
Глюкозата и мастните киселини се разграждат чрез различни метаболитни пътища.
NAD⁺ играе централна роля като преносител на електрони.
То подпомага:
-
гликолиза;
-
цикъл на лимонената киселина;
-
окисление на мастни киселини;
-
митохондриално производство на енергия.
Освен това сиртуините използват NAD⁺ за ензимни реакции, които се изследват във връзка с метаболитната адаптация.
Въпреки че NAD⁺ е биологично незаменим, метаболитната гъвкавост се определя от широкообхватна мрежа от митохондрии, хормони, ензими и фактори, свързани с начина на живот.
Необходими са още изследвания при хора, за да се установи до каква степен промените в метаболизма на NAD⁺ влияят върху метаболитната гъвкавост.
Обобщение
NAD⁺:
-
подпомага метаболизма на глюкозата;
-
играе роля в окислението на мастни киселини;
-
транспортира електрони по време на производството на енергия;
-
е свързано с NAD⁺/NADH редокс баланса;
-
подпомага митохондриалното производство на ATP;
-
се използва от SIRT1 и SIRT3;
-
се изследва във връзка с метаболитната гъвкавост;
-
е една част от широкообхватна метаболитна мрежа.
Свързани вътрешни блогове:
-
NAD⁺ и митохондриална енергия
-
NAD⁺ и сиртуини
-
MOTS-c и метаболитно сигнализиране
-
Митохондрии и окисление на мастни киселини
-
Метаболитна гъвкавост и енергоразход
Предложения за вътрешни връзки:
Връзка от този блог към NAD⁺ и митохондриалната енергия и NAD⁺ и сиртуините. Поставете вътрешна връзка от продуктовата страница на NAD⁺ 500 mg към това задълбочено съдържание.