NAD⁺ a elastyczność metaboliczna: spalanie glukozy i tłuszczów
Wprowadzenie
Organizm człowieka nieustannie zużywa energię. Nawet w spoczynku zachodzą procesy zależne od energii, w tym oddychanie, krążenie krwi, aktywność mózgu, regulacja temperatury i utrzymanie komórek.
Zapotrzebowanie na energię jednak nieustannie się zmienia. Po posiłku dostępne są inne źródła energii niż podczas postu. W trakcie intensywnego wysiłku mięśnie wykorzystują inne szlaki metaboliczne niż podczas długotrwałego wysiłku o niskiej intensywności.
Zdolność do efektywnego przełączania się między różnymi źródłami energii nazywa się elastycznością metaboliczną.
Ważną cząsteczką w tych procesach jest dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, lepiej znany jako NAD⁺.
NAD⁺ wspiera przenoszenie elektronów podczas rozkładu glukozy, kwasów tłuszczowych i aminokwasów. Dzięki temu odgrywa kluczową rolę w produkcji energii komórkowej.
Badacze analizują związek metabolizmu NAD⁺ z:
-
funkcja mitochondriów;
-
utlenianie glukozy;
-
vetzuuroxidatie;
-
wrażliwość insulinowa;
-
aktywność fizyczną;
-
dostosowanie metaboliczne.
W tym artykule omawiamy, czym jest elastyczność metaboliczna, jak komórki przełączają się między źródłami energii oraz jaką rolę odgrywa w tym NAD⁺.
Czym jest elastyczność metaboliczna?
Elastyczność metaboliczna to zdolność komórek i tkanek do dostosowywania wykorzystywania paliw do warunków.
Ważnymi źródłami energii są:
-
glukozę;
-
kwasy tłuszczowe;
-
aminokwasy;
-
ciała ketonowe.
Po posiłku bogatym w węglowodany dostępność glukozy wzrasta.
Hormon insulina stymuluje między innymi:
-
wychwytywanie glukozy;
-
magazynowanie glikogenu;
-
wykorzystywanie glukozy jako źródła energii;
-
magazynowanie nadmiaru energii.
Podczas postu dostępność glukozy spada.
Organizm może wtedy w większym stopniu wykorzystywać:
-
zmagazynowane kwasy tłuszczowe;
-
glikogen wątrobowy;
-
ciała ketonowe;
-
glukoneogeneza.
Elastyczny metabolicznie system może stosunkowo efektywnie przełączać się między tymi warunkami.
Czym jest elastyczność metaboliczna?
Elastyczność metaboliczna oznacza zmniejszoną zdolność dostosowywania wykorzystania energii.
Bada się ją w związku z:
-
insulinooporność;
-
otyłość;
-
zespół metaboliczny;
-
brak aktywności fizycznej;
-
zmiany mitochondrialne;
-
zmiany metaboliczne związane z wiekiem.
Elastyczność metaboliczna nie jest odrębną chorobą.
Jest to pojęcie fizjologiczne, którym badacze opisują zmiany w wykorzystywaniu paliw energetycznych.
Zmniejszona elastyczność może na przykład oznaczać, że mięśnie mniej efektywnie przełączają się między utlenianiem kwasów tłuszczowych a utlenianiem glukozy.
Rola NAD⁺ w metabolizmie energetycznym
NAD⁺ to koenzym obecny niemal we wszystkich komórkach ludzkiego organizmu.
Występuje głównie w dwóch formach:
-
NAD⁺: forma utleniona;
-
NADH: forma zredukowana.
Podczas rozkładu składników odżywczych NAD⁺ przyjmuje elektrony.
W ten sposób NAD⁺ zostaje przekształcony w NADH.
NADH transportuje te elektrony do łańcucha transportu elektronów w mitochondriach.
Energia z elektronów jest wykorzystywana do produkcji ATP.
ATP jest najważniejszym bezpośrednio wykorzystywanym nośnikiem energii w komórce.
NAD⁺ stanowi tym samym kluczowe połączenie między:
składniki odżywcze → transfer elektronów → mitochondria → ATP
NAD⁺ i metabolizm glukozy
Glukoza może być przekształcana w energię w kilku etapach.
Pierwszym ważnym szlakiem jest glikoliza.
Podczas glikolizy glukoza jest rozkładana do pirogronianu.
Część tego procesu zależy od NAD⁺.
NAD⁺ przyjmuje elektrony i przekształca się w NADH.
Gdy dostępna jest wystarczająca ilość tlenu i odpowiednia zdolność mitochondriów, pirogronian może zostać przekształcony w acetylo-CoA.
Następnie acetylo-CoA wchodzi do cyklu kwasu cytrynowego.
Podczas cyklu kwasu cytrynowego powstaje więcej cząsteczek NADH.
Dostarczają one elektrony do mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów.
NAD⁺ wspiera dzięki temu wiele etapów produkcji energii z glukozy.
NAD⁺ i utlenianie kwasów tłuszczowych
Kwasy tłuszczowe stanowią ważne źródło energii.
Zwłaszcza podczas odpoczynku, postu i długotrwałego wysiłku może wzrosnąć udział utleniania kwasów tłuszczowych.
Kwasy tłuszczowe są rozkładane w mitochondriach w procesie beta-oksydacji.
W trakcie tego szlaku powstają między innymi:
-
acetylo-CoA;
-
NADH;
-
FADH₂.
Acetylo-CoA może wejść do cyklu kwasu cytrynowego.
NADH i FADH₂ dostarczają elektrony do łańcucha transportu elektronów.
Również podczas utleniania kwasów tłuszczowych ważna jest dostępność utlenionych kofaktorów.
Gdy NAD⁺ przyjmuje elektrony, powstaje NADH.
Mitochondria muszą następnie ponownie utlenić NADH do NAD⁺.
Dzięki temu cykl metaboliczny nadal funkcjonuje.
Stosunek NAD⁺/NADH
Stosunek NAD⁺ do NADH nazywa się komórkowym stosunkiem redoks.
Na ten stosunek mogą wpływać:
-
aktywność enzymów metabolicznych;
-
utlenianie glukozy;
-
vetzuuroxidatie;
-
powstawanie mleczanu;
-
mitochondriale energieproductie.
Duża ilość NADH oznacza, że dostępnych jest wiele elektronów.
Łańcuch transportu elektronów musi przetwarzać te elektrony.
Gdy zdolność oksydacyjna jest ograniczona, stosunek NAD⁺ do NADH może się zmieniać.
Komórki dysponują różnymi mechanizmami regulacji równowagi redoks.
Optymalny stosunek różni się w zależności od:
-
cytoplazma;
-
mitochondria;
-
typ komórki;
-
stan metaboliczny.
Mitochondria i elastyczność metaboliczna
Mitochondria są niezbędne do utleniania glukozy i kwasów tłuszczowych.
Prawidłowe funkcjonowanie mitochondriów wspiera zdolność dostosowywania produkcji energii.
Ważne czynniki to:
-
liczba mitochondriów;
-
aktywność enzymów mitochondrialnych;
-
dopływ tlenu;
-
zdolność transportu elektronów;
-
dynamika mitochondriów;
-
jakość mitochondriów.
Mitochondria mogą dostosowywać się do zmian zapotrzebowania na energię.
Trening fizyczny może na przykład prowadzić do:
-
większa gęstość mitochondriów;
-
wyższa zdolność oksydacyjna;
-
zwiększone utlenianie kwasów tłuszczowych;
-
wydajniejsze wykorzystanie energii.
Te dostosowania są regulowane przez wiele szlaków sygnałowych.
Enzymy zależne od NAD⁺ mogą być elementem tych procesów.
NAD⁺ i SIRT1
SIRT1 jest enzymem zależnym od NAD⁺.
Bada się ją w związku z:
-
adaptacja metaboliczna;
-
metabolizm glukozy;
-
metabolizm kwasów tłuszczowych;
-
biogeneza mitochondriów;
-
komórkowa odpowiedź na stres.
SIRT1 może wpływać na białko regulatorowe PGC-1α.
PGC-1α odgrywa ważną rolę w regulacji genów zaangażowanych w:
-
mitochondria;
-
vetzuuroxidatie;
-
metabolizm oksydacyjny;
-
adaptacja do aktywności fizycznej.
W związku z tym możliwy jest następujący kierunek badań:
NAD⁺ → SIRT1 → PGC-1α → adaptacja metaboliczna
Szlak ten jest tylko jednym z elementów większej sieci regulacyjnej.
NAD⁺ i SIRT3
SIRT3 znajduje się głównie w mitochondriach.
Enzym może wpływać na różne białka mitochondrialne.
Badane procesy obejmują:
-
vetzuuroxidatie;
-
citroenzuurcyclus;
-
transport elektronów;
-
reakcje antyoksydacyjne;
-
metabolizm energetyczny.
SIRT3 wykorzystuje NAD⁺ podczas reakcji enzymatycznych.
W związku z tym bada się, czy zmiany w mitochondrialnej dostępności NAD⁺ mogą wpływać na aktywność określonych enzymów metabolicznych.
Skutki biologiczne prawdopodobnie różnią się w zależności od tkanki i stanu metabolicznego.
AMPK i adaptacja metaboliczna
AMPK to skrót od kinazy białkowej aktywowanej przez AMP.
AMPK jest czasami opisywana jako komórkowy czujnik energii.
Gdy dostępna energia się zmniejsza, AMPK może zostać aktywowana.
AMPK może stymulować procesy udostępniające energię.
Przykłady:
-
wychwytywanie glukozy;
-
vetzuuroxidatie;
-
adaptacja mitochondriów.
Jednocześnie niektóre procesy zużywające energię mogą zostać tymczasowo ograniczone.
AMPK i szlaki zależne od NAD⁺ mogą na siebie wpływać.
Te interakcje są badane w ramach biologii metabolicznej.
Insulina i przełączanie między paliwami
Insulina odgrywa ważną rolę w regulacji wykorzystania energii.
Po posiłku stężenie glukozy we krwi wzrasta.
Trzustka może następnie wydzielać insulinę.
Insulina stymuluje między innymi:
-
wychwytywanie glukozy przez komórki mięśniowe i tłuszczowe;
-
magazynowanie glikogenu;
-
magazynowanie tłuszczu;
-
hamowanie rozkładu tłuszczu.
Podczas postu stężenie insuliny spada.
Dzięki temu może wzrosnąć dostępność wolnych kwasów tłuszczowych.
Zdrowy system metaboliczny dostosowuje wykorzystanie paliwa do tych zmian hormonalnych.
W przypadku insulinooporności ta adaptacja może ulec zmianie.
Elastyczność metaboliczna mięśni szkieletowych
Mięśnie szkieletowe są ważnymi użytkownikami glukozy i kwasów tłuszczowych.
W spoczynku mięśnie wykorzystują stosunkowo dużo kwasów tłuszczowych.
Podczas intensywnego wysiłku wzrasta wykorzystanie węglowodanów.
Na wybór paliwa wpływają:
-
intensywność treningu;
-
czas trwania treningu;
-
dostępność tlenu;
-
stan odżywienia;
-
zapas glikogenu;
-
zdolność mitochondriów.
Wytrenowane mięśnie często mają większą zdolność mitochondriów.
Dzięki temu podczas określonych poziomów wysiłku mogą efektywniej wykorzystywać kwasy tłuszczowe.
NAD⁺ wspiera reakcje redoks niezbędne zarówno do utleniania glukozy, jak i kwasów tłuszczowych.
Elastyczność metaboliczna podczas wysiłku fizycznego
Podczas wysiłku zapotrzebowanie na energię może znacznie wzrosnąć.
Przy niskiej lub umiarkowanej intensywności stosunkowo duża część energii może pochodzić z utleniania kwasów tłuszczowych.
Przy większej intensywności zazwyczaj wzrasta wykorzystanie węglowodanów.
Węglowodany mogą szybciej dostarczać ATP, gdy zapotrzebowanie na energię jest wysokie.
Trening może powodować różne dostosowania:
-
zwiększenie liczby mitochondriów;
-
lepsze wykorzystanie tlenu;
-
większe zapasy glikogenu;
-
zwiększona aktywność enzymów oksydacyjnych;
-
zmiany w wykorzystywaniu substratów energetycznych.
Za te dostosowania odpowiada sieć sygnałów metabolicznych.
NAD⁺ jest w tym procesie niezbędnym kofaktorem biochemicznym, ale nie jedynym regulatorem.
Elastyczność metaboliczna podczas postu
Podczas postu zmienia się dostępność źródeł energii.
Zapasy glikogenu w wątrobie stopniowo się zmniejszają.
Może nasilać się rozkład zgromadzonego tłuszczu.
Kwasy tłuszczowe stają się dostępne dla różnych tkanek.
W określonych warunkach wątroba może produkować ciała ketonowe.
NAD⁺ i NADH uczestniczą w wielu reakcjach metabolicznych zachodzących podczas tych zmian.
Reakcja na post różni się w zależności od osoby.
Czynniki:
-
czas trwania postu;
-
leeftijd;
-
spiermassa;
-
zdrowie metaboliczne;
-
aktywność fizyczna;
-
medicatiegebruik.
Długotrwały post nie jest odpowiedni dla każdego i może wiązać się z ryzykiem medycznym.
NAD⁺ i związane z wiekiem zmiany metaboliczne
Wraz z wiekiem mogą wystąpić zmiany w zakresie:
-
spiermassa;
-
funkcja mitochondriów;
-
wrażliwość insulinowa;
-
aktywność fizyczna;
-
rozmieszczenie tkanki tłuszczowej;
-
regulacja metaboliczna.
Badania sugerują, że poziom NAD⁺ w określonych tkankach może zmieniać się wraz z wiekiem.
Możliwe czynniki:
-
zwiększona aktywność enzymów zużywających NAD⁺;
-
zmiany w biosyntezie NAD⁺;
-
przewlekły stan zapalny o niewielkim nasileniu;
-
uszkodzenia DNA;
-
zmiany funkcji mitochondriów.
Nadal nie wiadomo, jaki jest wkład poszczególnych czynników w elastyczność metaboliczną u ludzi.
Co pokazują badania z udziałem ludzi?
Badania z udziałem ludzi dotyczą różnych prekursorów NAD⁺.
Przykłady:
-
rybozyd nikotynamidu;
-
mononukleotyd nikotynamidu;
-
nikotynamid.
Niektóre badania wskazują na zmiany w metabolitach związanych z NAD.
Wpływ na elastyczność metaboliczną jest mniej jednoznaczny.
Badane wyniki obejmują:
-
wrażliwość insulinowa;
-
metabolizm glukozy;
-
funkcja mięśni;
-
wydatek energetyczny;
-
utlenianie kwasów tłuszczowych.
Wyniki różnią się między badaniami.
Potrzebne są badania zakrojone na większą skalę i prowadzone przez dłuższy czas.
Czy wyższy poziom NAD⁺ może przywrócić elastyczność metaboliczną?
Nie zostało to jeszcze ustalone.
Na elastyczność metaboliczną wpływa wiele czynników.
Przykłady:
-
mitochondriale capaciteit;
-
spiermassa;
-
aktywność fizyczna;
-
wrażliwość insulinowa;
-
sen;
-
odżywianie;
-
leeftijd;
-
regulacja hormonalna.
NAD⁺ jest niezbędny dla metabolizmu energetycznego, ale stanowi tylko jeden z elementów tego rozbudowanego systemu.
Zmiana biomarkerów związanych z NAD⁺ nie oznacza automatycznie poprawy całego metabolizmu.
Styl życia i elastyczność metaboliczna
Regelmatige beweging is een belangrijke factor bij metabole aanpassing.
Onderzochte strategieën zijn:
-
duurtraining;
-
krachttraining;
-
intervaltraining;
-
dagelijkse lichamelijke activiteit.
Training kan invloed hebben op:
-
spiermassa;
-
mitochondriale capaciteit;
-
glucoseopname;
-
vetzuuroxidatie;
-
insulinegevoeligheid.
Ook slaap, voeding en energiebalans kunnen de metabole gezondheid beïnvloeden.
Geen enkel molecuul kan deze gecombineerde factoren vervangen.
Beperkingen van het huidige onderzoek
Veel mechanistische kennis is afkomstig uit:
-
celonderzoek;
-
diermodellen;
-
biochemische studies.
Deze modellen zijn waardevol, maar kunnen niet rechtstreeks worden vertaald naar klinische effecten bij mensen.
Daarnaast is het NAD⁺-metabolisme weefselspecifiek.
Een verandering in bloedwaarden hoeft niet overeen te komen met veranderingen in:
-
spierweefsel;
-
lever;
-
hart;
-
hersenen.
Langetermijngegevens zijn nog beperkt.
Veiligheid en onderzoeksstatus
NAD⁺-gerelateerde verbindingen worden onderzocht binnen de metabole wetenschap.
Biologische effecten kunnen afhankelijk zijn van:
-
gebruikte verbinding;
-
concentratie;
-
onderzoeksduur;
-
toedieningsvorm;
-
leeftijd;
-
gezondheidstoestand;
-
medicatiegebruik.
Onderzoeksproducten zijn niet bedoeld als vervanging voor medische diagnostiek of behandeling.
Mensen met metabole aandoeningen of die medicatie gebruiken, moeten gezondheidsbeslissingen bespreken met een bevoegde arts.
Conclusie
Metabole flexibiliteit beschrijft het vermogen van cellen en weefsels om efficiënt te schakelen tussen verschillende energiebronnen.
Glucose en vetzuren worden via verschillende metabole routes afgebroken.
NAD⁺ speelt hierbij een centrale rol als elektronendrager.
Het ondersteunt:
-
glycolyse;
-
citroenzuurcyclus;
-
vetzuuroxidatie;
-
mitochondriale energieproductie.
Daarnaast gebruiken sirtuïnes NAD⁺ voor enzymatische reacties die worden onderzocht in relatie tot metabole aanpassing.
Hoewel NAD⁺ biologisch essentieel is, wordt metabole flexibiliteit bepaald door een uitgebreid netwerk van mitochondriën, hormonen, enzymen en leefstijlfactoren.
Er is meer onderzoek bij mensen nodig om vast te stellen in hoeverre veranderingen in het NAD⁺-metabolisme invloed hebben op metabole flexibiliteit.
Samenvatting
NAD⁺:
-
ondersteunt het glucosemetabolisme;
-
speelt een rol bij vetzuuroxidatie;
-
transporteert elektronen tijdens de energieproductie;
-
is verbonden met de NAD⁺/NADH-redoxbalans;
-
ondersteunt de mitochondriale ATP-productie;
-
wordt gebruikt door SIRT1 en SIRT3;
-
wordt onderzocht in relatie tot metabole flexibiliteit;
-
vormt één onderdeel van een uitgebreid metabool netwerk.
Gerelateerde interne blogs:
-
NAD⁺ en mitochondriale energie
-
NAD⁺ en sirtuïnes
-
MOTS-c en metabole signalering
-
Mitochondriën en vetzuuroxidatie
-
Metabole flexibiliteit en energieverbruik
Suggesties voor interne links:
Link vanuit deze blog naar NAD⁺ en mitochondriale energie en NAD⁺ en sirtuïnes. Plaats een interne link vanaf de NAD⁺ 500 mg-productpagina naar deze verdieping.