I. část - štěpení a syntéza glukózy (glykolýza a glukoneogeneze) v játrech dojnic
Vysoký stupeň selekce na mléčnou užitkovost a její reálná výše, dosahovaná v současnosti v řadě chovů v České republice (běžně přesahující hranici 40 kg denního nádoje mléka již v průběhu rozdojovacího období) jsou u vysokoprodukčních dojnic spojeny se stále intenzivnějším průběhem metabolických procesů v jejich organismu.
Za základní živiny, absorbované k dalšímu zpracování a využití v organismu přežvýkavců lze při určitém zjednodušení považovat acetát, butyrát, propionát (hlavní těkavé mastné kyseliny, TMK, vzniklé a vstřebávané po mikrobiální fermentaci přijatého krmiva v bachoru) a dále glukózu, aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny (resp. stearát, coby hlavní formu vstřebávaných lipidů), absorbované v tenkém střevě.
Mezi nejvýznamnější metabolické funkce organismu zvířat (závislé na procesech produkce a transportu energie) patří činnost substrátových cyklů, syntéza a degradace bílkovin, nukleových kyselin, fosfolipidů a zajišťování transportu iontů v jednotlivých buňkách těla.
K centrálním energetickým procesům organismu pak patří glykolýza (štěpení glukózy, probíhající v řadě buněk a tkání celého organismu), glykogenolýza (štěpení zásobního jaterního glykogenu), glukoneogeneze (produkce glukózy v játrech a ledvinách z jejích prekursorů), lipogeneze (syntéza tuku buňkách zásobní tukové tkáně, případně v jaterních buňkách), lipomobilizace (lipolýza, uvolňování neesterifikovaných mastných kyselin, NEMK, z buněk tukové tkáně), oxidace mastných kyselin a citrátový (Krebsův) cyklus (umožňující, spolu s činností na něj navazujících reakcí tzv. dýchacího řetezce, využití jednotlivých energetických substrátů, zejména glukózy, těkavých mastných kyselin, NEMK, aminokyselin a ketolátek při produkci adenozintrifosfátu ATP, potřebné skladovací sloučeniny, teprve zajišťující vlastní využití energie v jednotlivých, energeticky dotovaných, procesech, jež probíhají v jednotlivých buňkách těla).
Většina těchto procesů se uskutečňuje v každé tělní buňce (ty bez energie nemohou přežívat), když nejvíce energeticky významných reakcí v ní zajišťují její orgány, mitochondrie. Část z uvedených reakcí probíhá pouze v jaterních buňkách, hepatocytech. Proto jsou játra velmi důležitým orgánem, sehrávajícím zásadní roli v energetickém metabolismu dojnic.
Acetyl CoA - tělní palivo
Úlohou nejvýznamnějších reakcí, glykolýzy a oxidace mastných kyselin, je transformovat komplexní uhlíkaté sloučeniny a formovat z nich jednoduché dvouuhlíkaté fragmenty, acetyl-CoA (acetyl koenzym A, aktivovaný acetát). Úkolem navazujícího citrátového cyklu (představujícího společnou cestu buněčné přeměny molekul sacharidů, mastných kyselin a aminokyselin) je komplexně tyto sloučeniny oxidovat za tvorby CO2 a produkce ATP.
U přežvýkavců slouží za zdroj substrátů, oxidovaných v buněčném metabolismu (zejména těkavých mastných kyselin a aminokyselin), rostlinná krmiva a to včetně strukturálních polysacharidů buněčných stěn (při laboratorní analýze krmiv představujících významnou součást neutrálně-detergentní vlákniny, NDF). Výživná hodnota těchto sloučenin (obsahujících - 1,4 - glykosidickou vazbu, kterou nejsou schopny enzymatické systémy savců při trávení překonat) je u přežvýkavců využívána prostřednictvím bachorové mikrobiální fermentace, probíhající za produkce TMK a dalších sloučenin. Jsou u nich přitom zaznamenávány dvě základní odlišnosti od monogastrických zvířat, vedle adaptace trávícího traktu k uvedenému příjmu a trávení celulózy také tkáňová adaptace, umožňující využívání koncových produktů bachorové mikrobiální fermentace (zejména acetátu a propionátu, v menší míře butyrátu a dalších sloučenin).
TMK, vytvořené v bachoru, jsou vstřebávány do portální (vrátničné) žíly, veny portae. Zatímco acetát a propionát se jejím prostřednictvím dostávají přímo do jater, je butyrát ještě v průběhu přechodu přes metabolicky aktivní epitel bachoru konvertován na acetoacetát a -hydroxybutyrát. Přes bachorovou stěnu přecházejí také valerát, kapronát, laktát, aminokyseliny a další sloučeniny, zasahující do energetického metabolismu. Nejvýznamnější dusíkatou sloučeninou, která je z bachoru absorbována do v. (veny) portae je amoniak, NH3. Po transportu do jater je většina vodorozpustných živin, přiváděných v. portae, metabolizována. Acetát přechází z větší části k extrahepatálnímu (mimojaternímu) využití. Do jater přicházejí i další sloučeniny, zasahující do energetického metabolismu, pocházející z jiných orgánů, než z trávicího traktu, například mastné kyseliny s dlouhým řetězcem (NEMK) z vlastní tukové tkáně zvířete.
Energetická náročnost procesů absorpce živin z trávícího traktu a jejich zpracování do substrátů (sloučenin), sloužících k výživě tělních buněk způsobuje, že významná část energetické spotřeby celého organismu dojnice je představována vlastními požadavky samotných orgánů portální viscery a jater. Portální viscera přitom představuje ty orgány, ze kterých je vrátničnou žílou (v. portae) odváděna krev (obohacená živinami, vstřebanými v trávícím traktu) do jater k dalšímu zpracování (tj. předžaludky, slez, téměř celý střevní trakt mimo kaudální části rekta, slinivku břišní a slezinu). Spotřeba O2, jež je úměrná intenzitě metabolických pochodů, zde dosahuje až poloviční úrovně celkové spotřeby v organismu.
Procesy probíhající v játrech
Játra skotu jsou uložena v bráničné kopuli a rozkládají se od pravé dorzální (horní) strany bránice ventrálně (směrem dolů) na levou stranu, (jejich levý lalok přitom zasahuje mírně na levou stranu). Jsou největší žlázou v těle a velmi důležitou žlázou trávicího ústrojí. Váží obvykle 9 – 13 kg (téměř 2 % ž. hm.). Leží v průběhu (v játrech se rozvětvující) vrátničné žíly (v. portae), přivádějící krev se vstřebanými TMK, NH3, aminokyselinami, sacharidy a lipidy. Souběžně s vrátničnou žílou se v játrech rozvětvuje i jaterní tepna, přivádějící kyslík, hormony a další tělní substráty (metabolické produkty z ostatních částí organismu). Sloučeniny, vznikající vlastní činností jater a (oxidací uhlíkatých sloučenin v nich vytvořený) CO2 pak z jater odvádí jaterní žíla. Průtok krve játry uvedenými dvěma přívodními a jedním odvodným cévním systémem je velmi intenzivní, u dojnice o hmotnosti 700 kg až 2 000 l/hodinu. Povrch jater je kryt peritoneem a pevným fibrózním obalem, pronikajícím v podobě fibrózního vaziva podél cév do jaterního parenchymu a přecházejícím v intersticiální vazivo, spojující jaterní lalůčky. Ty mají tvar mnohostěnu o průměru asi 1 mm. Na hranici lalůčků, v portobiliárních prostorech, procházejí konečné větve vrátničné žíly, jaterní tepny a žlučové kanálky. Samostatně, mimo tento svazek je vedena jaterní žíla.
Jaterní buňky nemají vždy úplně stejnou strukturu a funkci. Periportální (okolo jemného větvení vrátničné žíly a jaterní tepny soustředěné), vydatně krví (s vysokým obsahem kyslíku, substrátů a hormonů) zásobované jaterní buňky zajišťují převážnou většinu celkového jaterního rozsahu glukoneogeneze, oxidace energetických substrátů, degradace aminokyselin, syntézy albuminu, fibrinu, cholesterolu a žluči, utilizace (využití) glutaminu, ureageneze a dalších reakcí a funkcí. Perivenózní (okolo větví jaterní žíly soustředěné) jaterní buňky zabezpečují převážný rozsah v játrech uskutečňované glykolýzy, lipogeneze, syntézy lipoproteinů a dalších funkcí. Tato heterogenita však není zjišťována u procesu ketogeneze, probíhajícího ve stejném rozsahu v obou typech jaterních buněk. Zastoupení mitochondrií (jichž každá jaterní buňka obsahuje i několik tisíc), zabezpečujících průběh glukoneogeneze, citrátového cyklu a dýchacího řetězce je, vzhledem k charakteru převládajících procesů, větší v periportální zóně jaterních lalůčků. Krev v perivenózní zóně je bohatá na CO2 a metabolické produkty jaterní aktivity, odváděné z jater dále do organismu.
Specifický sacharidový metabolizmus
Fermentace sacharidů a vysoká úroveň vstřebávání TMK v bachoru, spojené s limitovanou úrovní resorpce glukózy z trávícího traktu, navozují u přežvýkavců specifické rysy sacharidového metabolismu. Jeho základem zůstává však i u nich metabolismus glukózy, charakterizovaný ale trvale nízkou glykémií (hladinou glukózy v krvi), intenzivní glukoneogenezou, relativní necitlivostí k inzulínu a úsporným uspořádáním metabolických pochodů, šetřících glukózu.
Glukózová homeostáza (rovnováha v příjmu a využití glukózy při zachovávání základních životních funkcí), umožňující udržení její hladiny v krevní plazmě v obvyklém rozmezí 3,00 – 4,80 mmol/l, je zajišťována v průběhu absorpce živin z trávicího traktu glykolýzou (štěpením glukózy na pyruvát a laktát) a syntézou glykogenu a během následné postabsorptivní fáze glykogenolýzou a glukoneogenezí. Při absorpci živin je prostřednictvím v. portae ze střeva přijímáno jen asi 5 % metabolizovatelné energie krmné dávky v podobě glukózy a to především při příjmu diety s obsahem zrnin, z části unikajících bachorové degradaci. Glukoneogeneze, probíhající v játrech, proto zabezpečuje asi 80 - 85 % celotělní potřeby glukózy, její průběh v ledvinách pak zajišťuje přibližně 10 - 15 %.
Hlavním regulujícím mechanismem produkce glukózy je úroveň odvodu a uskladnění jejich nadbytečných prekurzorů v době příjmu živin a jejich zpětného přivádění k využití ve vlastní glukoneogenezi. Glukoneogeneza je stimulována nejenom poklesem hladiny glukózy v krvi, ale také zahájením procesu lipomobilizace (uvolňování tuků, respektive jejich součástí, mastných kyselin) v tukové tkáni a následným vzestupem produkce acetyl-CoA z těchto uvolněných mastných kyselin (NEMK, označovaných také jako VMK, volné mastné kyseliny) v buněčných mitochondriích jednotlivých tělních tkání.
Nejvýznamnějšími prekurzory glukoneogeneze jsou propionát (bachorová TMK), laktát, glukogenní aminokyseliny, pyruvát a glycerol. Dvouuhlíkatý produkt z oxidace NEMK, acetyl-CoA, se do glukoneogeneze nezapojuje. Ovlivňuje ji změnou cesty prekurzorů glukoneogeneze (směrem k produkci glukózy) tím, že je zastoupí v citrátovém cyklu.
Propionát je hlavním prekurzorem glukózy za fyziologické úrovně příjmu krmiva a průběhu bachorové fermentace. U jalových zvířat (s nižší potřebou živin) může být dokonce jediným prekurzorem pro glukoneogenezu. V játrech je pro glukoneogenezu využito až 90 % přicházejícího propionátu, zbytek je oxidován nebo se uplatňuje při syntéze jiných sloučenin. Propionát je i významným prekurzorem jaterního glykogenu. Může být také konvertován na laktát. Nepředstavuje prekurzor pro tvorbu ketolátek, může však ovlivňovat průběh produkce ketolátek (ketogeneze) a také ureageneze (produkce močoviny) v játrech. Protože propionát vstupuje jako propionyl-CoA do citrátového cyklu, může v něm zastávat metabolickou funkci glukózy (jež sama vstupuje do citrátového cyklu přes pyruvát a acetyl-CoA v místě jeho kondenzace s oxalacetátem), aniž by na glukózu musel být sám nejdříve přeměněn v glukoneogeneze. Propionát může také nahrazovat i jiné sloučeniny, zúčastněné v citrátovém cyklu. Může také sloužit jako prekurzor pro syntézu glycerol-3-fosfátu a může být využit jako uhlíkatý skelet pro syntézu aminokyselin. Proto je vhodným a často používaným přípravkem při terapii dojnic v období jejich energetického stresu. Organismus přežvýkavců však sám (bez jeho permanentní produkce v bachoru) nedokáže zásoby propionátu dlouho udržovat na potřebné výši.
Druhým nejvýznamnějším prekurzorem glukózy je laktát. Významný podíl laktátu v krvi má původ v anaerobním metabolismu glukózy v periferních tkáních (kosterním svalstvu). Jeho obsah v játrech proto stoupá po fyzické zátěži. Příspěvek pyruvátu ke glukoneogeneze je nízký. Při zvýšené fyzické zátěži může pyruvát přicházet do jater z kosterní svaloviny. Častěji je však ze svalů do procesů glukoneogeneze přiváděn laktát, který je v jejím průběhu na pyruvát konvertován.
Velmi důležitou skupinu prekurzorů pro glukoneogenezu (vedle své významné účasti v proteosyntéze, ketogenezi, oxidaci a sekreci) tvoří aminokyseliny. Většina aminokyselin má glukogenní vlastnosti (mohou být využity v glukoneogenezi). U zvířat s kvalitní krmnou dávkou bývá příspěvek aminokyselin ke glukoneogeneze poměrně malý. Avšak u dojnic se zvýšenou potřebou glukózy a s nízkými hladinami propionátu a laktátu v organismu, může využití aminokyselin zabezpečovat až 20 % z tělního obratu glukózy. Aminokyseliny takto využívané v glukoneogeneze mohou buď pocházet z absorpce z trávicího traktu nebo mají původ v proteinech kosterní svaloviny, případně jiných tkáních. Tělní protein přežvýkavců představuje potenciál 30 - 55 g glukózy, již lze získat glukoneogenezou ze 100 g svalové tkáně. Tato tkáň tak v organismu plní (vedle svého účinkování při zajišťování pohybu zvířete) také úlohu zásobního zdroje energetického metabolismu.
Zapojení glycerolu, vstupujícího do glukoneogeneze přes trióza-fosfát, představuje u nakrmených, jalových a nelaktujících zvířat pouze asi 1 % podíl z celkového množství prekurzorů. Většina glycerolu v organismu je endogenního původu (vzniká při rozpadu lipidů na NEMK a glycerol). Pouze malé množství je ho produkováno při trávení přijatého krmiva a je absorbováno z trávícího traktu. Tato skutečnost však současně umožňuje jeho terapeutické využití (v podobě propylenglykolu) při poruchách energetického metabolismu (deficitu energie, energetickém stresu) u dojnic.
Příspěvek lipomobilizačních pochodů k produkci glukózy je minimální. Je reprezentován především právě glycerolem, představujícím přibližně 10 % složení mobilizované tukové tkáně. Je však také zahrnut v pozitivním dopadu -oxidace mastných kyselin a ketogeneze na průběh glukoneogeneze. Navíc je předpokládán esenciální charakter (nenasycené mastné kyseliny) kyseliny olejové pro optimální průběh glukoneogeneze. Samotné NEMK nemohou být konvertovány na glukózu. Zvýšená produkce acetyl-CoA z NEMK při lipomobilizaci však snižuje úroveň oxidativní dekarboxylace pyruvátu (jež také vede k produkci acetyl-CoA). Navíc acetyl-CoA stimuluje aktivitu enzymu pyruvátkarboxylázy a tím zvyšuje úroveň konverze pyruvátu na oxalacetát.
Oxalacetát - křižovatka metabolizmu přežvýkavců
Vzájemné křížení dvou hlavních metabolických procesů v mitochondriích na úrovni oxalacetátu (mezi glukoneogenezou a oxidativní cestou, vedoucí od štěpení NEMK přes acetyl-CoA, jeho využití v citrátovém cyklu až k produkci ATP v dýchacím řetězci) je významným rysem metabolismu přežvýkavců. Zatímco acetyl-CoA přitom postupuje přes oxalacetát k produkci CO2 a stává se zdrojem energie - ATP, směřuje pyruvát přes oxalacetát k produkci glukózy.
Acetát (TMK, rovněž vstřebávaná z bachoru) vstupuje do citrátového cyklu aktivován v podobě acetyl-CoA (při jeho kondenzaci s oxalacetátem). Nemůže se proto také zapojovat do glukoneogeneze. V průběhu citrátového cyklu dochází však k inkorporaci části uhlíkových atomů z acetátu do molekuly substrátů pro produkci glukózy. Trvale zvýšená hladina acetátu v krevní plazmě je považována u přežvýkavců za nezbytný stav, umožňující průběžné udržování podmínek pro uplatnění acetyl-CoA při produkci energie, zabezpečující úsporu glukózy v oxidačních procesech a také uvolnění cesty pro glukoneogenezu z prekurzorů. Těmto jeho funkcím však nesmí bránit případný (relativní, aktuální) deficit oxalacetátu. Acetát šetří glukózu také tím, že je u přežvýkavců hlavním substrátem pro lipogenezu (syntézu tuků v jejich organismu). Butyrát (třetí nejvýznamnější bachorová TMK, rovněž sloužící po své konverzi do acetyl-CoA jako zdroj energie v mitochondriálních oxidačních procesech, respektive využívaný jako další významný substrát pro lipogenezu) také nemá glukogenní charakter. Pro většinu tkání je však substrátem méně dostupným, protože se již během přechodu přes stěnu bachoru částečně přeměňuje na -hydroxybutyrát a acetát a tato jeho konverze pokračuje i v játrech.
V příštím díle seriálu si povíme něco o syntéze a štěpení tuků.
MVDr. Miloslav Skřivánek, CSc.
