Az anyagcsere (metabolizmus) egy orvosi és biokémiai fogalom, mely az élő szervezetekben végbemenő anyag-, energia- és információáramlást jelenti. A metabolizmus során a környezetből a szervezetbe, sejtbe kerülő tápanyagok lebomlanak, átalakulnak a sejt saját anyagaivá. A lebontó reakciók összességét katabolizmusnak, a felépítő reakciókat anabolizmusnak nevezzük. Az anabolikus és katabolikus reakciók együtt jelentik a metabolizmust. A szervezet jóltáplált állapotban energiát tárol és energiát von ki a raktáraiból éhezés esetén. Ez biztosítja a megfelelő és folyamatos tápanyagellátást a sejtek, szövetek számára. A különböző szövetek együttműködnek az anyagcsere megfelelő fenntartásában. A szócikk ezen együttműködést tárgyalja biokémiai és élettani szempontból az egyes energia-ellátottsági állapotok esetén: jóltáplált, illetve éhgyomri állapotban, valamint tartósabb éhezés esetén.
Az anyagcsere szabályozása
A belső környezet homeosztázisa, a szervezet számára szükséges anyagcsere és anyagforgalom folyamatos szabályozás alatt áll. A szervezet képes a tápanyagokból származó energia felszabadítására és raktározására, komplex molekulákat tud létrehozni, vagy lebontani a tápanyagok molekuláinak átalakítása során. A sejtek számára fontos tápanyagok: a monoszacharidok, főként a glükóz, a szabad zsírsavak, az aminosavak, bizonyos körülmények között a ketontestek és a laktát.
A szükséges tápanyagokkal való folyamatos ellátást a raktározó szervek biztosítják. Emberben a legfontosabb tápanyagraktárak a máj és az izom glikogénje, illetve a zsírszövetben lévő trigliceridek. A raktározó szerveknek kettős szerepe van, egyrészt az éhgyomri állapotban, az étkezések közötti szünetben biztosítják a vérben a szükséges tápanyagok megfelelő szintjét, másrészt a táplálkozást és a tápanyagok felszívódását követően képesek kivonni azokat a vérből, és elraktározni őket valamilyen formában. A szerves anyagok biológiai oxidációja szolgáltatja az életműködések energiaszükségletét.
Az anyagcsere folyamatait főként az endokrin rendszer hangolja össze hormonok által, de természetesen együttműködik az idegi folyamatokkal. Az endokrin rendszer olyan mirigyek szervrendszere, amelyek mindegyike a szervezet működését szabályozó hormontípust választ ki közvetlenül a véráramba. A hormonok képesek kötődni a receptorukhoz, ami a célsejt membránjának külső felszínén, vagy a sejten belül található. A kötődés által szignalizációs, jelátviteli utak beindításával fejtik ki hatásukat a célsejtben, ezeken a szignalizációs utakon keresztül képesek befolyásolni az anyagcsere folyamatait. Mivel a kémiai folyamatok döntő többségét az élő szervezetben enzimek katalizálják, ezért a szabályozásnak megfelelő módja lehet az adott anyagcsereút kulcsenzimeinek egyrészt az aktivációja vagy inaktivációja, másrészt az enzimek fokozott szintézise, vagy épp lebontása. Az enzimreakciók meghatározott sorrendje együttesen alkot egy anyagcsereutat, amely végül a szervezet számára felhasználandó végtermékhez vezet.
Az anyagcsere szabályozásának szempontjából két fő hormont érdemes kiemelni: az inzulint és a glukagont. Az inzulin és a glukagon legfontosabb szerepe a vércukorszint szabályozása: az inzulin csökkenti, a glukagon növeli a vér glükóz szintjét. A két hormonon kívül a katecholaminok (pl. adrenalin, noradrenalin), a glükokortikoidok, a pajzsmirigyhormonok, és az adenohipofízis hormonjai is fontos szabályozó szereppel bírnak. Szénhidrátban gazdag táplálék felvételekor a vér glukóz szintje emelkedik a glukóz felszívásával, így az inzulin szekréció nő, a glukagon szekréció csökken. Csak aminosavban, vagyis fehérjében gazdag táplálék esetén a vér aminosav szintje növekszik, aminek hatására az inzulin szint megemelkedik, hogy az aminosavak eliminálódhassanak a vérből, ugyanakkor ezzel egyidőben a glukagon szint is megemelkedik, hogy az inzulin indukálta glukóz-eliminációt ellensúlyozza. Vegyes és gyakori táplálkozáskor az inzulinszint együtt fog mozogni a táplálékfelvétellel, a glukagon (mivel kétirányú erő hat rá) nem változik jelentősen. A glukagon szintje tehát nagyjából állandó, ezért hatása akkor fog dominálni, ha az inzulin szintje lecsökken, ami pedig éhgyomri állapotban történik meg.
A szignalizációs útvonalakon keresztül ható hormonok kovalens enzimszabályozásnak tekinthetők (általában foszforiláció vagy defoszforiláció), de ezen kívül az alloszterikus szabályozó anyagoknak is nagy szerepe van a szabályozásban, ezek olyan molekulák, melyek az enzimhez kötnek, de nem az enzim aktív helyén, hanem más helyeken, ezzel konformációs változást idéznek elő az enzim szerkezetében, és megváltoztatják annak aktivitását: gátolnak vagy aktiválnak.bélyegkép|Az inzulin szerkezete|209x209px
Inzulin
Az inzulin hormont a hasnyálmirigy β-sejtjei termelik. Az inzulin előanyaga egy hosszabb prekurzor molekula, a preproinzulin, ebből jön létre a proinzulin, melyből szintén egy proteolitikus hasítással egy ún. C-peptid kihasad, így egy A és B láncból álló, diszulfid kötésekkel összekapcsolt kész inzulin hormon keletkezik. Az inzulin elválasztását több tényező is szabályozza, melyek közül a legfontosabb serkentő a vér megnövekedett glükóz szintje, de egyes aminosavak (arginin, leucin), vagy gasztrointesztinális hormonok (pl. szekretin) is képesek stimulálni. Gátolja az alacsony vércukorszint, illetve a szomatosztatin, amit szintén a hasnyálmirigy sejtjei termelnek.
Az inzulin legfőbb feladata a vércukorszint csökkentése, vagyis hipoglikémiás hatása van. Az inzulin receptorához kötődve különböző szignalizációs útvonalakon keresztül segíti a felesleges glükóz eltávolítását a vérből, tárolását glikogénként a májban és az izomban, vagy triacilglieridként a zsírszövetben. Az inzulin hormon kötődése a receptorhoz számos szignalizációs utat indít el a sejt belsejében. Receptora egy tetramer szerkezetű, sejtfelszíni fehérje, melynek citoszolikus doménje tirozin-kináz aktivitással rendelkezik, a sejten belül hat további molekulákra, másodlagos hírvivő molekulákra és enzimekre, így képes azokat szabályozni.
Az inzulin hormon a jóltáplált állapotban dominál, mivel ekkor a bevitt táplálékból való felszívódás miatt magas a vér glükóz szintje, és ez növeli a felszabadulását, így a mennyiségét a vérben. Az inzulin legfőképp a májra, az izomszövetre és a zsírszövetre hat. Hatására a sejtekben az energiatároló enzimek (pl. glikogén-szintáz) aktivitása megnövekszik, az energiamobilizáló enzimek (pl. glikogén-foszforiláz) pedig gátlódnak, mivel a vérben kellő mennyiségű glükóz áll rendelkezésre energiaként. Az energiatároló és energiafelhasználó enzimek (pl. hexokináz, foszfofruktokináz-1) mennyisége is nő a sejtben, ez az enzimek génjeinek transzkripciós aktivációja révén valósulhat meg. Az izomban és zsírszövetben fokozódik a glükóz felvétele, mivel az inzulin hat a GLUT4 transzporterekre, és mivel a transzporterek száma nő, fokozódik a glükózfelvétel az adott sejtben.bélyegkép|200x200px|A glukagon szerkezete
Glukagon és adrenalin
A glukagon funkciója a túl alacsony vércukorszint megelőzése, ezért az éhgyomri és éhező állapotban fog dominálni. Legjelentősebb hatását a májra fejti ki. A glukagont a hasnyálmirigy α-sejtjei termelik, elválasztását serkenti a vér lecsökkent glükóz szintje, és egyes aminosavak megnövekedett szintje, míg az inzulin, illetve a szomatosztatin gátolja. A glukagon és az adrenalin felerősítik egymás hatásait, és mindketten az inzulin ellen hatnak, növelik a vércukorszintet, tehát hiperglikémiás hatásuk van. Az adrenalin hormon a mellékvesevelőben termelődik, stressz, hosszantartó testedzés, trauma hatására. A glukagon elsősorban a májra hat, elősegíti a glikogenolízist és a glükoneogenezist. Az adrenalin szintén serkenti a glikogenolízist májban és izomban, és a lipolízist fokozva szabad zsírsavakat szabadít fel a zsírszövetben.
A glukagon és az adrenalin receptora is hasonló, mindegyik G-proteinhez kapcsolt fehérje, a hormon kötődése aktiválja a G-proteint, ami stimulálja az adenilát-ciklázt, mely ATP-ből cAMP-t gyárt. A cAMP egy másodlagos hírvivő molekula, ami aktiválja a PKA -t. A PKA fehérjéket, enzimeket képes foszforilálni, amivel befolyásolja az enzimek aktivitását. A glukagon és adrenalin a receptorukhoz kötve tehát a PKA-n keresztül foszforilációval aktiválják az energiamobilizáló enzimeket (pl. glikogén-foszforiláz, hormonszenzitív lipáz) és szintén foszforilációval inaktiválják az energiatároló enzimeket (pl. glikogén-szintáz, acetil-CoA-karboxiláz).
Jóltáplált állapot
bélyegkép|Jóltáplált állapot|400x400px A normális étkezés utáni 1-3 órás periódust nevezzük jóltáplált vagy posztprandiális állapotnak. Ebben a szakaszban történik a tápanyagok felszívódása, a tápanyagraktárak feltöltése. A bélből felszívódott monoszacharidok, lipidek és aminosavak kis hányada közvetlenül felhasználásra kerül, de nagyobb része raktározódni fog. A hormonok irányítják, hogy a felszívódott szénhidrátok, zsírok és aminosavak minél nagyobb hányada kerüljön a raktárakba, és ezzel egyidejűleg a vér glükóz szintje csak az adott felső határig emelkedhessen. A jóltáplált állapotot a magas inzulin, és az alacsony glukagon szint jellemzi, a táplálékból felszívódott glükóz miatt. A vér magas glükóz szintje serkenti az inzulin szekrécióját, és gátolja a glukagon szekrécióját, tehát az inzulin hatása fog dominálni.
Máj
A máj az anyagcsere és a tápanyagforgalom központi szerve, ezt biztosítja felépítése és anatómiai elhelyezkedése is, táplálkozást követően a felszívott tápanyagok ugyanis közvetlenül a májhoz jutnak el. A máj portális vénája a felszívott tápanyagokat bőven tartalmazó, magas glükóz szintű vért szállít az emésztőrendszer felől. A bő energiaforrás hatására a szervezet elkezdheti az energia raktározását és felhasználását. Fokozódik: a glikogén szintézis, a glikolízis, a lipogenezis. Gátlódik: a glükoneogenezis, glikogén lebontás.
Táplálék és szénhidrátbevitel után, az emelkedett glükóz és inzulin szint hatására májban serkentődik a glikogén szintézise. Az inzulin hatására a glikogén szintáz enzim aktivitása nő, ezzel elkezdi csökkenteni a vér glükóz szintjét. A glikogén gyorsan mobilizálható szénhidrát-raktárt jelent, éhezéses állapotban ebből könnyen pótlódhat majd a vér glükóz szintje.
Magas glükóz szint esetén a glikolízis is serkentődik, ami szintén csökkenteni fogja a vér glükóz szintjét. A májra jellemző glükóz transzporter a GLUT2, mely alacsony affinitással rendelkezik, ezért csak magas vér glükóz szint esetén transzportál glükózt a májsejtekbe, de akkor gyorsan és sokat, mivel nagy a kapacitása.
A glikolízis első enzimének, a hexokináznak egy izoformája (IV. típusú) a glükokináz, ez található a májban, itt ez foszforilálja a májsejtekbe felvett glükózt. Erre az izoformára az jellemző, hogy magas a Km értéke, tehát az enzim csak magas glükóz koncentráció esetén igazán aktív és képes gyorsan, nagy mennyiségben foszforilálni a glükózt (illetve terméke a glükóz-6-foszfát nem gátolja ezt az izoformát, ahogy a többi hexokinázt).