Regulacje procesów ketotycznych

Czytasz podstawową wersję.

­

Nie chodzi o to, żeby być w ketozie. Chodzi o to, żeby wiedzieć lepiej, by żyć lepiej. Rozumiejąc lepiej ketozę – rozumiemy lepiej środowisko. Chodzi o środowisko. To w nim żyjemy.

‘D.

­

Wstęp

Od trawienia i transportu lipidów, przez zarządzanie nimi wewnątrzkomórkowo i procesy spalania, po przebieg procesów (nie tylko) ketotycznych – istota i liczebność czynników regulujących te zjawiska powoduje o sensowności poruszenia regulacji, a nie wyłącznie elementów strukturalnych, to jest tworzących w/w procesy per se.

Tak jak celem pracy Procesy ketotyczne jest zasygnalizowanie ilości i charakterystyki informacji i procesów zachodzących w obrębie zagadnienia ketozy, prowadząc do potrzeby usystematyzowania tych informacji, tak niniejsza praca będzie zorientowana na zaakcentowanie zjawisk i procesów regulujących opisane w poprzedniej pracy procesy ketotyczne. Cechą wspólną będzie przede wszystkim umowna – i wynikająca z potrzeb opisowych – rozdzielność poruszonych regulatorów. W rzeczywistości rozdzielna klasyfikacja jako taka nie istnieje, z racji licznych sprzężeń zwrotnych pomiędzy poszczególnymi węzłami, np. pomiędzy insuliną (regulacja hormonalna), PPAR-alfa (regulacja transkrypcyjna), bursztynylacją (regulacja posttranslacyjna) oraz malonylo-CoA (regulacja biochemiczna).

Oprócz poruszenia aspektów tworzących w/w procesy ketotyczne (zarówno podstawowe procesy jak i pochodne), zasadnym wydaje się również rozwinięcie aspektów zaangażowanych w regulację aktywności i wydajności w/w procesów. Co wydaje się być nawet ważniejsze – same aspekty omawiane w ramach ketozy, nie dotyczą tylko ketozy, czego przykładem mogą być chociażby sirtuiny, PPAR-alfa, AMPK i mTOR, które zostaną poruszone w tej pracy. Dla potrzeb uporządkowania wiedzy, warto powrócić do głównego modelu informacyjnego.

Take-in

Istotne jest nie tylko to co składa się na dane zjawisko, ale również co na nie wpływa i jak je moduluje.

Regulacje
      • Hormonalne
      • Transkrypcyjne
      • Posttranslacyjne
      • Biochemiczne
      • Metaboliczne

I. Regulacje hormonalne

Regulacja hormonalna jest jedną z najważniejszych, ponieważ wpływa na skalę komórkową, ale jednocześnie oddziaływanie hormonalne zachodzi w makroskali, obejmując komórki większości, jeśli nie całego (za sprawą kaskad) organizmu. W generalnym ujęciu hormonalnej regulacji procesów ketotycznych figuruje twierdzenie, że stany anaboliczne hamują procesy ketotyczne, natomiast stany kataboliczne oraz związane ze stresem – wzmagają procesy ketotyczne. To właśnie dlatego insulinę uznaje się za hormon najbardziej hamujący procesy ketotyczne (nie tylko poprzez hamowanie aktywności samych enzymów zaangażowanych w ketogenezę, ale również poprzez hamowanie procesów pokrewnych, np. lipolizy i aktywności CPT). 

Hormony powszechnie uznawane za pro-ketogeniczne (ze względu na ich stymulujący wpływ na lipolizę, czy beta-oksydację), takie jak glukagon, kortyzol, hormon wzrostu, hormony tarczycy, katecholaminy – stoją zarazem w opozycji do insuliny, a ponieważ ich aktywność wzrasta w odpowiedzi na stres i procesy kataboliczne, sugeruje to stresopochodną naturę samego stanu ketozy, co pozostaje nie bez znaczenia w przypadku przeglądu literatury pod kątem wpływu diety ketogenicznej i stanu ketozy na gospodarkę hormonalną, w szczególności u kobiet.

Jedną z głównych linii argumentacyjnych przeciwko szerokiemu zastosowaniu restrykcji węglowodanowej jest stresopochodny wpływ na gospodarkę hormonalną, objawiający się m.in. zaburzeniem cyklu miesiączkowego, zwiększoną utratą włosów i łamliwością paznokci,  retencją wody, wahaniami nastroju. Założenie to powinno inspirować do wysokiej uważności nie tylko względem formulacji stosowanej diety ketogennej, ale również stanu wyjściowego potencjalnego odbiorcy takiego modelu żywieniowego, środowiska zewnętrznego oraz indywidualnych uwarunkowań.

II. Regulacje transkrypcyjne

O ile wpływ hormonów na procesy ketotyczne może zachodzić w manierze natychmiastowej poprzez modulację metabolizmu w czasie rzeczywistym, o tyle regulacja hormonalna nie pozostanie bez znaczenia również na pułapie transkrypcyjnym, zaangażowanym w ekspresję genów kodujących określone enzymy (np. enzymy ketogenezy, takie jak HMGCS2, ACAT, BDH).

Dzięki regulacji transkrypcyjnej, organizm dysponuje możliwością adekwatnego reprogramowania profilu enzymatycznego komórek, dzięki czemu w przypadku przedłużonej ekspozycji na czynniki pro-ketotyczne, komórka zmieni profil ekspresji genów na sprzyjający aktywności enzymów ketotycznych, ale i odwrotnie – w przypadku zwiększonej i regularnej ekspozycji na środowisko sprzyjające i zasobne w węglowodany – organizm będzie dążył (również poprzez regulację transkrypcyjną) do optymalnego egzystowania w takim środowisku.

W przypadku regulacji transkrypcyjnych tego typu, można wymienić kilka głównych motywów przekaźnikowych, odpowiadających za daleko postępujące kaskady sygnałowe. W przypadku regulacji procesów ketotycznych z pułapu transkrypcyjnego, jednym z głównych motywów jest PPAR-alfa – receptor jądrowy, służący jednocześnie za składową tworzącą kompleks transkrypcyjny, który oprócz rozlicznych sieci sygnałowych i właściwości modulujących metabolizm, m.in. wpływa również bezpośrednio na transkrypcję genu HMGCS2. I o ile na funkcjonowanie całej gospodarki ketotycznej wpływa bardzo liczna grupa czynników, tak właśnie PPAR-alfa wydaje się być tym, który warunkuje uruchomienie programu ketogenezy wątrobowej, a więc systemowego źródła ciał ketonowych – a zarazem jednego z najważniejszych regulatorów puli Acetylo-CoA i pośrednio – nutrientów. Biorąc pod uwagę silne sprzężenie aktywności PPAR-alfa z rytmem dobowym i około-dobowym – o czym więcej w dalszych opracowaniach – PPAR-alfa jest jednym z zagadnień, do których będziemy regularnie powracać.

D’Nota:

PPAR-alfa to jeden z najważniejszych czynników regulujących programy ketotyczne w organizmie. Rozumiejąc co, jak i kiedy wpływa na PPAR-alfa – rozumiemy lepiej samą naturę ketozy.

III. Regulacje posttranslacyjne

Przykłady posttranslacyjnej modyfikacji w HMGCS2, np. za sprawą acetylacji, bursztynylacji, czy palmityolizacji (palmitylo-CoA), powodując pobudzenie / hamowanie aktywności HMGCS2 – doskonale ilustrują ten typ regulacji.

» Acetylacja – poprzez łączenie lub odrywanie grup acetylowych do aminokwasów budujących dany enzym, może dochodzić do zwiększenia/zmniejszenia jego aktywności (a w przypadku gdy proces <de>acetylacji zachodzi w białkach opiekuńczych [np. histonów] zaangażowanych w pracę aparatu genetycznego, zjawisko to zaliczamy do regulacji epigenetycznej). Przenoszenie grup acetylowych zachodzi zazwyczaj za pomocą enzymów z grupy acetylotransferaz. W trakcie restrykcji kalorycznej oraz indukcji stanów ketotycznych (np. w trakcie postu), deacetylaza mitochondrialna SIRT3 usuwa grupy acetylowe (deacetyluje) z HMGCS2, zwiększając aktywność HMGCS2. SIRT3 działa pro-ketotycznie, ponieważ oprócz stymulacji HMGCS2 (poprzez usunięcie z niej grupy acetylowych), SIRT3 aktywuje również enzymy utleniające kwasy tłuszczowe, np. LCAD.

» Bursztynylacja zachodząca w mitochondriach, w znaczący sposób wpływa na aktywność HMGCS2. W przeciwieństwie do w/w acetylacji, zjawisko bursztynylacji HMGCS2 zachodzi spontanicznie, nieenzymatycznie i samoistnie wskutek zwiększenia/zmniejszenia puli bursztynylo-CoA per se. Istnieją doniesienia wskazujące na rolę insuliny w regulowaniu puli bursztynylo-CoA, która powoduje zahamowanie ketogenezy wątrobowej w punkcie HMGCS2. Za dodatkowy argument służy obserwacja wpływu glukagonu zarówno na obniżenie puli bursztynylo-CoA oraz zwiększenie aktywności HMGCS2. Bursztynylacja może obejmować wiele enzymów zaangażowanych zarówno w proces ketogenezy, jak i utleniania lipidów (ACAT, HMGCS2, HMGCL, BDH, ACAD…), powodując dezaktywację tych enzymów. Należy jednak zauważyć, że ostateczny efekt bursztynylacji na aktywność danego enzymu (hamowanie / wzrost), zależy od rezydiów aminokwasowych tego enzymu, gdyż to one ulegają bursztynylacji (w szczególności lizyna). Oznacza to, że w zależności od lokalizacji aminokwasu, który ulegnie bursztynylacji, bursztynylacja będzie procesem pobudzającym lub hamującym ten enzym.

» Palmityolizacja z kolei będzie powodować jeszcze większą interakcję HMGCS2 z jego naturalnym aktywatorem, czyli z PPAR-alfa. Tak jak bursztynylacja będzie dotyczyć przede wszystkim lizyny, tak palmityolizacja wydaje się orientować głównie na rezydia cysteiny w HMGCS2, wzmacniając interakcję HMGCS2–PPAR-alfa. Według przodujących doniesień, palmityolizacja nie zachodzi za sprawą palmitoilo-acetylotransferazy, ale spontanicznie wskutek puli palmitylo-CoA, podobnie jak w przypadku bursztynylacji via bursztynylo-CoA.

Acetylacja, bursztynylacja i palmityolizacja to przykłady obróbek posttranslacyjnych, które pobudzają/hamują jeden z najważniejszych enzymów ketogenicznych, to jest HMGCS2.

 

Obróbki posttranslacyjne mogą (acetylacja), ale nie muszą (bursztynylacja) zachodzić za sprawą odpowiednich enzymów – czasami jest to reakcja spontaniczna.

 

Zjawiska te zachodzą oczywiście nie tylko w HMGCS2 – acetylacja i deacetylacja na przykład, może dotyczyć histonów, czyli białek, które ściśle regulują ekspresję genów z pułapu epigenetycznego. Jak okaże się niebawem, na ketozę wpływa zjawisko acetylacji/deacetylacji, ale ketoza również wpływa na acetylację/deacetylację (np. wyżej wspomnianych histonów, powodując, że ketoza posiada cechy epigenetyczne), dlatego warto mieć świadomość istnienia tego typu mechanizmu.

IV. Regulacje biochemiczne

Oprócz w/w typów regulacji, figuruje również podział na regulacje ortosteryczne (czyli poprzez związanie bezpośrednio z receptorem jako ligand) oraz allosteryczne (czyli pośrednie, wzmacniające lub osłabiające samą odpowiedź receptora na “ligand ortosteryczny”). 

Substraty oraz produkty danej reakcji biochemicznej mogą także regulować przebieg danej reakcji. W tym przypadku jest to zazwyczaj typ regulacji allosterycznej, dzięki czemu komórki dysponują dodatkowymi pętlami kontrolującymi swoje procesy i reakcje. Substraty i produkty reakcji biochemicznych są bowiem dla komórki niemniej istotnymi sygnałami o dotychczasowych zachowaniach i przebiegu reakcji. Przykładem może być ratio ATP:ADP. Wysoka ilość ATP jako molekuły wysoko-energetycznej będzie stanowić dla komórki informację o dostępności energii, promując magazynowanie oraz procesy anaboliczne, natomiast obniżony poziom ATP i/lub zwiększony poziom ADP (czyli molekuły powstającej zazwyczaj wskutek rozpadu ATP) będzie informacją o zwiększonym wydatkowaniu energii, wysiłku i stresie komórkowym – uzbrajając adekwatne sygnały i zachowania w komórce.

Ketogeneza i ketoliza, oprócz dotychczas poruszonych czynników, jest również uzależniona od samej zasobności swoich substratów, a także od ich wzajemnego ratio, w szczególności:

      • Acetylo-CoA : AcAc-CoA
      • Acetylo-CoA : ~CoA (dokładnie CoA-SH, tzw. “wolny CoA”)

Poszczególne stężenia oraz tempo obrotu w/w zasobów będą regulować tempo aktywności HMGCS2, czy ACAT. Pula Acetylo-CoA sama w sobie jest istotnym czynnikiem regulującym tempo ketogenezy, ponieważ stanowi swoisty wskaźnik informujący o tempie beta-oksydacji kwasów tłuszczowych, która jest uwarunkowana od m.in. aktywności palmitoilotransferaz karnitynowych, które z kolei są regulowane przez inny wskaźnik energetyczny, to jest malonylo-CoA – kiedy zatem poziom malonylo-CoA w cytozolu hepatocytów jest wysoki, świadczy to o statusie wysycenia nutrientami i stymulacją do lipogenezy, hamując aktywność CPT (i tym samym dowóz Acetylo-CoA z beta-oksydacji kwasów tłuszczowych). Acetylo-CoA oraz ~CoA jest tym ważniejszy, że ulec przekształceniu do malonylo-CoA za sprawą enzymu ACC w sytuacji nadmiernego dowozu nutrientów i/lub stymulacji do procesów anabolicznych (przekazywanych głównie za pośrednictwem insuliny/glukagonu = glukostazy = dowozu nutrientów z pożywienia).

V. Regulacje metaboliczne

Regulacja metaboliczna jest określeniem dotyczącym szeroko zakrojonego obszaru wyrażanego takimi parametrami jak środowisko pH, zasoby fosforowe, zasoby azotowe, wpływy termiczne, czy wreszcie (nie)dostępność nutrientów, indukująca szereg zjawisk zmierzających do zachowania homeostazy przy wykorzystaniu generalnie uznanych molekuł przekaźnikowych, takich jak cAMP oraz regulatorów, np. HSP, czyli białek szoku cieplnego.

Regulacja metaboliczna dotyczy również molekularnej manipulacji enzymami zaangażowanymi w proces zaprzęgania wytworzonego gradientu elektrochemicznego wskutek spalania substratów – do wytworzenia ATP (sprzęganie) i/lub utraty w formie wolnej energii cieplnej (rozprzęganie), łącząc w ten sposób regulację dostarczanego pożywienia oraz rzeczywistego zapotrzebowania na energię. Należy podkreślić, że określenie regulacji metabolicznej, podobnie jak w przypadku pozostałych typów regulacji, stanowi jedynie umowną odrębność, ponieważ na np. procesy rozprzęgania fosforylacji oksydacyjnej, w niemniej istotny sposób będą wpływać np. hormony, czy różnice na pułapie haplogrup genomu mitochondrialnego.

Regulacja metaboliczna jest również dziedziną pozwalającą opisywać (i) przepływ poszczególnych związków przez określone reakcje biochemiczne, (ii) wpływ czynników zewnętrznych na przebieg określonych reakcji biochemicznych (np. wpływ temperatury otoczenia i termoregulacji na sprzęganie:rozprzęganie fosforylacji oksydacyjnej).

Przerywnik – motywy indukcyjne

Ratio tworzenia i rozkładu ATP w celu utrzymania odpowiedniej homeostazy energetycznej organizmu poprzez adaptację do środowiska zarówno nagłą jak i długotrwałą jest utrzymywane za pomocą sieci głównych przekaźników takich jak AMPK, mTOR, koaktywatory transkrypcyjne, głównie PGC-1-alfa i PPAR-alfa, które w dalszej kolejności powodują kaskady, w które zaangażowane są czynniki takie jak FGF21. Stres energetyczny może być rozumiany nie tylko jako obniżenie dowozu pożywienia do organizmu, ale również drastyczną zmianę profilu dostępnych substratów energetycznych, tak jak ma to miejsce w przypadku indukcji stanu ketozy za pomocą diety ketogenicznej, która w znaczący sposób zmienia dystrybucję poszczególnych substratów energetycznych w organizmie. Deficyt energetyczny, stres metaboliczny (do którego oprócz postu per se, może należeć hipoglikemia, a zatem i pośrednio dieta ketogeniczna) zwiększają poziom AMP oraz zużycie ATP, prowadząc do zwiększonej aktywności kinazy AMP-zależnej, to jest AMPK, która powoduje wielokierunkowe adaptacje, mające na celu przywrócić zwiększoną produkcję ATP z jednoczesnym obniżeniem zużywania ATP na procesy anaboliczne.

Wzrost AMPK powoduje m.in. hamowanie enzymu ACC (przekształcającego Acetylo-CoA → Malonylo-CoA)  oraz HMGCR (kierującego HMG-CoA na biosyntezę, HMG-CoA → Mewalonian). Obniżenie ACC (i tym samym poziomów Malonylo-CoA) zwiększa aktywność CPT1A, która spowoduje zwiększenie dowozu Acetylo-CoA z beta-oksydacji oraz zużywanie Acetylo-CoA na dostarczanie energii (ketogeneza > szlak mewalonowy).  Oprócz tego, ratio ATP:AMP w kierunku AMPK stymuluje AMPK do hamowania kinazy mTOR w zakresie stymulacji biosyntezy, proliferacji i wzrostu komórek. Kinaza mTOR występuje w dwóch typach subkompleksów: mTORC1 (zawierający mTOR, Raptor, PRAS40, mLST8 – pracujący m.in. na targetach takich jak 4EBP1, p70S6K1, SREBP) i mTORC2 (zawierający mTOR, Rictor, mSIN1, PRR5, mLST8). Kompleksy te wykazują istotne różnice, np. względem specyficznej odpowiedzi na nutrienty. Hamowanie mTORC1 następuje w przypadku obniżenia poziomu glukozy, aminokwasów, czy tlenu – mTORC2 wydaje się być natomiast mniej reaktywny na te czynniki. AMPK hamuje mTORC1 na dwa sposoby: (1) fosforyluje Serynę722 i Serynę792 w białku Raptor, co uniemożliwia stworzenie aktywnego kompleksu mTORC1, (2) fosforyluje Serynę1387 i Treoninę1271 w białku TSC2, powodując dezaktywację białka Rheb, dodatkowo blokując aktywację mTORC1.

Według niektórych doniesień, zahamowanie mTORC1 w komórkach wątroby jest warunkiem koniecznym do aktywacji ketogenezy w odpowiedzi na post. Zwiększona aktywność mTORC1 będzie bowiem blokować ekspresję genów ketogenicznych wskutek hamowania aktywności PPAR-alfa. Innymi słowy, AMPK wyłącza hamulec (mTORC1) z aktywatora ketogenezy (to jest PPAR-alfa), co umożliwia organizmowi dostosowanie gospodarki energetycznej do postu. 

Meta-schemat

Od trawienia lipidów, przez transport i kontrolowanie ich obiegu w organizmie – przez spalanie w odpowiednich organellach komórkowych – po tworzenie, transport i utylizację ciał ketonowych ⇔ istnieje wiele czynników wpływających na stany ketotyczne. Gdy uwzględnimy to, jak stany ketotyczne wpływają wstecznie na w/w czynniki, a następnie dodatkowo zauważymy indywidualne różnice genetyczne, haplogrupy mitochondrialne, czynniki środowiskowe i chronobiologiczne oraz motywy doraźne, takie jak ekspozycja na stres, związki chemiczne, czy fizyczne – potrzeba organicznego, stopniowego rozwijania informacji w sposób uporządkowany i modularny okaże się oczywista. Ze względu na stale rosnącą ilość zagadnień oraz ich wzajemne powiązania, same modele informacyjne będą przedstawiane w sposób częściowy, gdzie priorytetem stanie się nie ilość informacji per se, a zilustrowanie najważniejszych mechanizmów na podstawie wybranych przykładów, pomagając  w zrozumieniu makroskali.

Mechanizmy

Główny motyw przekaźnikowy

cAMP via AMPK & PKA

Główny motyw przekaźnikowy sprzyja zarówno tworzeniu, jak i spalaniu ketonów – zarówno bezpośrednio jak i pośrednio.

Główny motyw transkrypcyjny

PPAR-alfa

Główny motyw transkrypcyjny sprzyja zarówno tworzeniu, jak i spalaniu ketonów – zarówno bezpośrednio jak i pośrednio.

Trawienie lipidów

    • Lipaza trzustkowa (gen PLIP)
    • Żółć wraz z kwasami żółciowymi (via PPAR-gamma)

Transport i dowóz lipidów oraz Acetylo-CoA

    • Apolipoproteiny
    • Rodzina FABP (szczególnie FABP1)
    • Rodzina CPT (geny CPT1, CPT2)
    • Translokaza FAT/CD36 (gen CD36)
Pełny dostęp w Strefie VIP

Strefa VIP, c.d.:

+ mechanizmy

+ omówienie mechanizmów

+ Take5

+ formaty do druku

+ odnośniki