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Source de glycémie pendant la famine


Pendant la famine, il existe de nombreuses sources de glucose telles que le pyruvate, le lactate, les acides aminés (sauf la leucine et la lysine) et le glycérol provenant des triglycérides mais quelle est la principale source de glucose sanguin ?


La réponse (très) courte est néoglucogenèse. Lorsque les niveaux de glucagon sont élevés en réponse à un faible taux de glucose ou à un faible taux d'insuline (perçu dans le cas du DM de type II résistant à l'insuline), les enzymes clés seront inhibées pour empêcher la glycolyse et d'autres enzymes seront activées pour produire du glucose à partir de divers substrats.

Il existe quelques sources qui peuvent alimenter la machine de gluconéogenèse. Deux qui sont couramment utilisés dans le jeûne à court terme sont le lactate via le cycle de Cori et l'alanine via le bien nommé cycle d'alanine. Maintenant, lorsque nous entrons dans le jeûne à long terme (c'est-à-dire la famine), les choses commencent à changer un peu.

En cas de famine, le glucose est conservé autant que possible et de nombreux tissus commencent à utiliser des cétones (qui sont dérivées de l'acétyl-CoA qui sont à leur tour généralement dérivées des acides gras) pour l'énergie. Mais même dans ce cas, il existe toujours une demande pour au moins un niveau minimal de glucose. Cela peut être synthétisé à partir de quelques sources. Le squelette des triglycérides, le glycérol, peut être introduit dans la néoglucogenèse. Mais ce n'est pas la principale source de glucose pendant la famine. La principale source provient des acides aminés gluogènes. Ces acides aminés peuvent être métabolisés en pyruvate qui peut alors entrer en gluconéogenèse.

C'est l'une des raisons pour lesquelles vous obtenez une fonte musculaire pendant la famine, mais pas dans les régimes hypocaloriques. Pendant la restriction calorique, vous avez suffisamment de glucose pour maintenir une glycémie adéquate entre les repas, et tout déficit énergétique peut être comblé par la β-oxydation des graisses. Ainsi, vous perdez de la graisse. Cependant, lorsque vous entrez dans la famine, le glycérol obtenu à partir de la lipolyse (dégradation des graisses) n'est pas suffisant pour maintenir une glycémie adéquate et vous devez vous tourner vers la dégradation musculaire. Cette dégradation du tissu musculaire est médiée par des niveaux élevés de cortisol, une caractéristique de la famine qui n'est pas observée dans les régimes hypocaloriques. Si vous voulez voir les effets des niveaux de famine de cortisol chez une personne non affamée, examinez la maladie de Cushing. Vous voyez une dégradation musculaire similaire à celle que vous verriez normalement chez une personne affamée.


Il existe différents niveaux de famine, du jeûne à la malnutrition en passant par la famine à long terme.

Commençons par la consommation d'un repas riche en glucides. Les glucides contenus dans ce repas sont facilement convertis en glucose et la glycémie augmentera. En supposant que vous n'êtes pas diabétique, cela entraînera une augmentation de la production d'insuline, ce qui entraînera entre autres l'absorption de glucose par les hépatocytes (cellules hépatiques) et la conversion en glycogène pour un stockage à court terme. À un certain niveau, l'excès d'énergie est également converti en acides gras pour un stockage à plus long terme. D'autres cellules (comme les muscles, le cerveau, etc.) continueront à utiliser le glucose comme source d'énergie.

Disons que c'était un repas du soir et que vous ne mangez plus avant le matin. Au fil du temps, les niveaux de sucre dans le sang vont baisser. Cela entraîne une diminution de la production d'insuline et une augmentation de la production de glucagon. En conséquence, les hépatocytes inversent le cours, décomposant le glycogène, le transformant en glucose et le sécrétant des cellules pour augmenter la glycémie.

Mais disons que vous manquez le repas du matin. Finalement, les réserves de glycogène du foie s'épuiseront. À ce stade, le corps peut se tourner vers les réserves de graisse pour l'énergie. Mais la plupart des acides gras ne peuvent pas être convertis en sucres. En conséquence, les niveaux de sucre dans le sang n'augmentent pas. Au lieu de cela, ils sont convertis en molécules appelées corps cétoniques, qui peuvent être libérées dans le sang et utilisées par la plupart des cellules pour produire de l'énergie.

Cependant, une certaine quantité de sucre est encore nécessaire pour construire certaines molécules biologiques. De plus, certains types de cellules (en particulier les globules rouges) ne peuvent pas utiliser les corps cétoniques comme énergie. Même avec d'abondantes réserves de graisse, si aucun glucide supplémentaire n'est consommé, ces sucres doivent provenir de quelque part, et ils ne peuvent pas provenir des graisses. Au lieu de cela, le corps commencera à dégrader les protéines cellulaires - certains acides aminés peuvent être décomposés pour générer des sucres. Pendant la famine à long terme, les muscles, y compris ceux du cœur, commencent à être consommés, et l'anémie est souvent un symptôme précoce de la famine (car les globules rouges n'ont pas suffisamment d'énergie).


Lequel des choix ci-dessous n'est PAS une source de glucose sanguin pendant l'état post-absorption ? Question 6 options : 1) glycogénolyse dans le foie 2) lipolyse dans les tissus adipeux et le foie 3) absorption du glucose par le tractus gastro-intestinal 4) catabolisme des protéines cellulaires

Le métabolisme énergétique de l'état post-absorption est principalement catabolique, ce qui signifie qu'il y a dégradation des macromolécules pour libérer du glucoseLes acides gras sont la principale source d'énergie (sauf dans le cerveau) épinéphrine) peut remplacer le glucagonLe glucagon affecte principalement le foie Ainsi, l'absorption du glucose par le tractus gastro-intestinal n'est pas une source de glucose sanguin pendant l'état post-absorption

le varech est une grande algue brune qui vit dans des eaux fraîches et relativement peu profondes près du rivage. ils poussent en groupes denses un peu comme une forêt sur terre. ces tours sous-marines de varech fournissent de la nourriture et un abri à des milliers de poissons, d'invertébrés et d'espèces de mammifères marins.


Introduction

Deux espèces de limules d'Asie, Tachypleus tridentatus et Carcinoscorpius rotundicauda, coexistent sur certains rivages de Hong Kong (Chiu et Morton, 1999, Li, 2008). Cependant, leurs populations ont connu un déclin dramatique au cours des dernières décennies en raison de la pollution de l'eau et de la destruction de l'habitat causée par le développement urbain et les projets d'infrastructure côtière (Chiu et Morton, 2003 Shin et al., 2009). De telles menaces au déclin de la population ne se limitent pas seulement à Hong Kong, mais aussi à d'autres pays et régions d'Asie (Chatterji, 1994, Morton, 1999, Chen et al., 2004). La pollution de l'eau ou la destruction de l'habitat peut également réduire l'abondance ou la qualité des proies disponibles comme sources de nourriture pour les limules (Sekiguchi, 1988), exacerbant davantage les menaces pour la croissance et la survie de ces animaux dans la nature.

Dans des conditions naturelles, les animaux doivent surmonter et tolérer la pénurie ou l'absence totale de nourriture pendant de courtes et/ou de longues périodes, dans leurs habitats, en raison d'influences environnementales, telles que la pollution et les changements saisonniers dans la structure de la communauté. Une compréhension de la réponse en absence totale de nourriture permet d'appréhender l'écophysiologie de ces espèces (Albentosa et al., 2007). Les animaux doivent maintenir leurs besoins fondamentaux de survie, en mobilisant la réserve énergétique qui peut imposer des ajustements métaboliques, lorsqu'ils sont soumis à une famine ou à une restriction alimentaire sévère (Perez-Jimenez et al., 2007). Rosen et Trites (2002) ont souligné que, sous restriction alimentaire, les animaux ont deux ensembles disparates d'options physiologiques et comportementales : augmenter l'effort de recherche de nourriture ou limiter les dépenses énergétiques. L'apport énergétique détermine non seulement l'état nutritionnel et la forme physique des animaux, mais reflète également les conditions environnementales de leur habitat ou les relations écologiques (Congleton et Wagner, 2006). Lorsque les animaux sont soumis à des carences alimentaires prolongées, ils préfèrent limiter leurs dépenses énergétiques (Westerterp, 1977). Cependant, les informations connexes sur les limules ne sont pas bien étudiées (Botton et al., 2003).

Les nutriments et métabolites transmis par le sang se sont avérés être des indicateurs directs et efficaces pour estimer l'état nutritionnel des oiseaux (Brown, 1996), des poissons (Congleton et LaVoie, 2001, Congleton et Wagner, 2006), des mammifères (Gibson, 1990, Harder et Kirkpatrick, 1994, Trumble et Castellini, 1999) et d'autres animaux, dans diverses conditions d'alimentation. Ces nutriments ou métabolites comprennent le glucose plasmatique, les protéines plasmatiques totales, le cholestérol, le calcium total et la phosphatase alcaline (ALP), et la triacylglycérol lipase et les triglycérides (Gibson, 1990, Navarro et Gutiérrez, 1995, Echevarria et al., 1997, Wagner et Congleton, 2004, Congleton et Wagner, 2006). Tous ces indicateurs peuvent également être des outils utiles pour révéler l'association entre les conditions nutritionnelles et les activités alimentaires des limules. Cependant, peu d'études publiées indiquent comment les variables biochimiques du sang réagissent à la famine chez ces animaux.

Le but de la présente étude était d'examiner les réponses du poids corporel et de la chimie du sang chez les limules soumis à la famine et de développer une série d'indices de la chimie du sang qui peuvent être utiles pour identifier la progression physiologique chez ces animaux après une famine prolongée. On espère que ces indices seront une aide utile dans l'évaluation de l'état nutritionnel des populations de limules à l'état sauvage.


Contenu

Ordinairement, le corps réagit à un apport énergétique réduit en brûlant les réserves de graisse et en consommant les muscles et autres tissus. Plus précisément, le corps brûle les graisses après avoir d'abord épuisé le contenu du tube digestif ainsi que les réserves de glycogène stockées dans les cellules du foie et après une perte importante de protéines. [10] Après des périodes prolongées de famine, le corps utilise les protéines du tissu musculaire comme source de carburant, ce qui entraîne une perte de masse musculaire. [11]

Ampleur et composition Modifier

L'ampleur et la composition de la réponse à la famine (c'est-à-dire l'adaptation métabolique) ont été estimées dans une étude de 8 individus vivant isolément dans la Biosphère 2 pendant deux ans. Au cours de leur isolement, ils ont progressivement perdu en moyenne 15 % (intervalle : 9 à 24 %) de leur poids corporel en raison de conditions difficiles. À la sortie de l'isolement, les huit individus isolés ont été comparés à un groupe témoin de 152 personnes qui avaient initialement des caractéristiques physiques similaires. En moyenne, la réponse de famine des individus après l'isolement était une réduction de 180 kCal de la dépense énergétique totale quotidienne. 60 kCal de la réponse à la famine ont été expliqués par une réduction de la masse maigre et de la masse grasse. Un supplément de 65 kCal a été expliqué par une réduction de l'agitation. Les 55 kCal restants étaient statistiquement insignifiants. [12]

Général Modifier

Les besoins énergétiques d'un corps sont composés du taux métabolique basal (BMR) et du niveau d'activité physique (ERAT, thermogenèse de l'activité liée à l'exercice). Ce besoin calorique peut être satisfait avec des protéines, des lipides, des glucides ou un mélange de ceux-ci. Le glucose est le carburant métabolique général et peut être métabolisé par n'importe quelle cellule. Le fructose et certains autres nutriments ne peuvent être métabolisés que dans le foie, où leurs métabolites se transforment soit en glucose stocké sous forme de glycogène dans le foie et dans les muscles, soit en acides gras stockés dans le tissu adipeux.

En raison de la barrière hémato-encéphalique, l'apport de nutriments au cerveau humain dépend particulièrement des molécules capables de franchir cette barrière. Le cerveau lui-même consomme environ 18 % du métabolisme de base : sur un apport total de 1800 kcal/jour, cela équivaut à 324 kcal, soit environ 80 g de glucose. Environ 25 % de la consommation totale de glucose du corps se produit dans le cerveau.

Le glucose peut être obtenu directement à partir de sucres alimentaires et par la dégradation d'autres glucides. En l'absence de sucres et de glucides alimentaires, le glucose est obtenu à partir de la dégradation du glycogène stocké. Le glycogène est une forme de stockage de glucose facilement accessible, stocké en quantités notables dans le foie et les muscles squelettiques. [13]

Lorsque la réserve de glycogène est épuisée, le glucose peut être obtenu à partir de la dégradation des graisses du tissu adipeux. Les graisses sont décomposées en glycérol et en acides gras libres, le glycérol étant transformé en glucose dans le foie via la voie de la néoglucogenèse.

Lorsque même le glucose fabriqué à partir des réserves de glycérol commence à diminuer, le foie commence à produire des corps cétoniques. Les corps cétoniques sont des dérivés à chaîne courte des acides gras libres mentionnés dans le paragraphe précédent et peuvent traverser la barrière hémato-encéphalique, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés par le cerveau comme carburant métabolique alternatif. Les acides gras peuvent être utilisés directement comme source d'énergie par la plupart des tissus du corps, mais sont eux-mêmes trop ionisés pour traverser la barrière hémato-encéphalique.

Chronologie Modifier

Après épuisement de la réserve de glycogène, et pendant les 2-3 jours suivants, les acides gras sont le principal carburant métabolique. Au début, le cerveau continue à utiliser du glucose, car si un tissu non cérébral utilise des acides gras comme carburant métabolique, l'utilisation du glucose dans le même tissu est désactivée. Ainsi, lorsque les acides gras sont décomposés en énergie, tout le glucose restant est mis à disposition pour être utilisé par le cerveau.

Après 2 ou 3 jours de jeûne, le foie commence à synthétiser des corps cétoniques à partir de précurseurs issus de la dégradation des acides gras. Le cerveau utilise ces corps cétoniques comme carburant, réduisant ainsi ses besoins en glucose. Après un jeûne de 3 jours, le cerveau tire 30% de son énergie des corps cétoniques. Après 4 jours, cela monte à 75%. [14]

Ainsi, la production de corps cétoniques réduit les besoins en glucose du cerveau de 80 g par jour à environ 30 g par jour. Sur les 30 g restants, 20 g par jour peuvent être produits par le foie à partir du glycérol (lui-même produit de la dégradation des graisses). Cela laisse encore un déficit d'environ 10 g de glucose par jour qui doit provenir d'une autre source. Ce déficit est fourni via la néoglucogenèse à partir de la dégradation des acides gras via l'acétyl-CoA et les propres protéines de l'organisme.

Après plusieurs jours de jeûne, toutes les cellules du corps commencent à décomposer les protéines. Cela libère des acides aminés dans la circulation sanguine, qui peuvent être convertis en glucose par le foie. Étant donné qu'une grande partie de la masse musculaire du corps humain est constituée de protéines, ce phénomène est responsable de la perte de masse musculaire observée lors de la famine.

Cependant, le corps peut décider sélectivement quelles cellules décomposent les protéines et lesquelles ne le font pas. [ citation requise ] Environ 2 à 3 g de protéines doivent être décomposés pour synthétiser 1 g de glucose. Environ 20 à 30 g de protéines sont décomposés chaque jour pour produire 10 g de glucose afin de maintenir le cerveau en vie. Cependant, pour conserver les protéines, ce nombre peut diminuer plus le jeûne est long.

La famine s'ensuit lorsque les réserves de graisse sont complètement épuisées et que les protéines sont la seule source de carburant disponible pour le corps. Ainsi, après des périodes de famine, la perte de protéines corporelles affecte le fonctionnement d'organes importants et entraîne la mort, même s'il reste des réserves de graisse inutilisées. (Chez une personne plus mince, les réserves de graisse sont épuisées plus tôt, l'épuisement des protéines se produit plus tôt et, par conséquent, la mort survient plus tôt.)

La cause ultime de décès est, en général, l'arythmie cardiaque ou l'arrêt cardiaque provoqué par la dégradation des tissus et les déséquilibres électrolytiques.

Chez les personnes très obèses, il a été démontré que les protéines peuvent être épuisées en premier et que la mort par famine devrait survenir avant que les réserves de graisse ne soient épuisées. [15]

Biochimie Modifier

Pendant la famine, moins de la moitié de l'énergie utilisée par le cerveau provient du glucose métabolisé. Étant donné que le cerveau humain peut utiliser les corps cétoniques comme principales sources de carburant, le corps n'est pas obligé de décomposer les muscles squelettiques à un rythme élevé, maintenant ainsi à la fois la fonction cognitive et la mobilité pendant plusieurs semaines. Cette réponse est extrêmement importante dans l'évolution humaine et a permis aux humains de continuer à trouver de la nourriture efficacement même face à une famine prolongée. [16]

Initialement, le niveau d'insuline dans la circulation diminue et les niveaux de glucagon, d'épinéphrine et de noradrénaline augmentent. [17] À l'heure actuelle, il y a une régulation à la hausse de la glycogénolyse, de la gluconéogenèse, de la lipolyse et de la cétogenèse. Les réserves de glycogène du corps sont consommées en 24 heures environ. Chez un adulte normal de 70 kg, seulement environ 8 000 kilojoules de glycogène sont stockés dans le corps (principalement dans les muscles striés). Le corps s'engage également dans la néoglucogenèse pour convertir le glycérol et les acides aminés glucogéniques en glucose pour le métabolisme. Une autre adaptation est le cycle de Cori, qui implique la navette de l'énergie dérivée des lipides dans le glucose vers les tissus glycolytiques périphériques, qui à leur tour renvoient le lactate au foie pour une resynthèse en glucose. En raison de ces processus, les niveaux de glucose sanguin restent relativement stables pendant une famine prolongée.

Cependant, la principale source d'énergie pendant une famine prolongée est dérivée des triglycérides. Par rapport aux 8 000 kilojoules de glycogène stocké, les carburants lipidiques sont beaucoup plus riches en énergie et un adulte de 70 kg stocke plus de 400 000 kilojoules de triglycérides (principalement dans le tissu adipeux). [18] Les triglycérides sont décomposés en acides gras par lipolyse. L'épinéphrine précipite la lipolyse en activant la protéine kinase A, qui phosphoryle la lipase sensible aux hormones (HSL) et la périlipine. Ces enzymes, ainsi que la CGI-58 et la triglycéride lipase adipeuse (ATGL), se complexent à la surface des gouttelettes lipidiques. L'action concertée de l'ATGL et de la HSL libère les deux premiers acides gras. La monoacylglycérol lipase cellulaire (MGL), libère l'acide gras final. Le glycérol restant entre dans la néoglucogenèse. [19]

Les acides gras en eux-mêmes ne peuvent pas être utilisés comme source de carburant directe. Ils doivent d'abord subir une bêta-oxydation dans les mitochondries (principalement du muscle squelettique, du muscle cardiaque et des cellules hépatiques). Les acides gras sont transportés dans les mitochondries sous forme d'acyl-carnitine via l'action de l'enzyme CAT-1. Cette étape contrôle le flux métabolique de la bêta-oxydation. L'acétyl-CoA résultant entre dans le cycle du TCA et subit une phosphorylation oxydative pour produire de l'ATP. Le corps investit une partie de cet ATP dans la néoglucogenèse pour produire plus de glucose. [20]

Les triglycérides et les acides gras à longue chaîne sont trop hydrophobes pour pénétrer dans les cellules du cerveau, de sorte que le foie doit les convertir en acides gras à chaîne courte et en corps cétoniques par cétogenèse. Les corps cétoniques résultants, l'acétoacétate et le -hydroxybutyrate, sont amphipathiques et peuvent être transportés dans le cerveau (et les muscles) et décomposés en acétyl-CoA pour être utilisés dans le cycle du TCA. L'acétoacétate se décompose spontanément en acétone, et l'acétone est libérée dans l'urine et les poumons pour produire le « souffle d'acétone » qui accompagne le jeûne prolongé. Le cerveau utilise également du glucose pendant la famine, mais la majeure partie du glucose du corps est allouée aux muscles squelettiques et aux globules rouges. Le coût du cerveau en utilisant trop de glucose est la perte musculaire. Si le cerveau et les muscles dépendaient entièrement du glucose, le corps perdrait 50 % de sa teneur en azote en 8 à 10 jours. [21]

Après un jeûne prolongé, le corps commence à dégrader son propre muscle squelettique. Pour maintenir le fonctionnement du cerveau, la néoglucogenèse continue de générer du glucose, mais les acides aminés glucogéniques, principalement l'alanine, sont nécessaires. Ceux-ci proviennent du muscle squelettique. À la fin de la famine, lorsque les niveaux de cétones dans le sang atteignent 5 à 7 mM, l'utilisation des cétones dans le cerveau augmente, tandis que l'utilisation des cétones dans les muscles diminue. [22]

L'autophagie se produit alors à un rythme accéléré. Dans l'autophagie, les cellules cannibalisent des molécules critiques pour produire des acides aminés pour la gluconéogenèse. Ce processus déforme la structure des cellules, et une cause fréquente de décès par famine est due à une défaillance du diaphragme due à une autophagie prolongée. [23]


Comprendre le rôle des reins dans la régulation de la glycémie

Bien qu'elles ne soient pas traditionnellement discutées, les contributions des reins au maintien de l'homéostasie du glucose sont importantes et comprennent des fonctions telles que la libération de glucose dans la circulation via la néoglucogenèse, l'absorption du glucose de la circulation pour satisfaire leurs besoins énergétiques et la réabsorption du glucose au niveau de la tubule proximal. La libération rénale de glucose dans la circulation est le résultat de la glycogénolyse et de la gluconéogenèse, impliquant respectivement la décomposition et la formation de glucose-6-phosphate à partir de précurseurs (par exemple, lactate, glycérol, acides aminés). En ce qui concerne la réabsorption rénale du glucose, les reins récupèrent normalement autant de glucose que possible, rendant l'urine pratiquement exempte de glucose. Les glomérules filtrent du plasma environ 180 grammes de -glucose par jour, qui sont tous réabsorbés par les protéines de transport du glucose présentes dans les membranes cellulaires des tubules proximaux. Si la capacité de ces transporteurs est dépassée, du glucose apparaît dans les urines. Le processus de réabsorption rénale du glucose est médié par des transporteurs actifs (cotransporteurs de glucose couplés au sodium) et passifs (transporteurs de glucose). Dans l'hyperglycémie, les reins peuvent jouer un rôle aggravant en réabsorbant l'excès de glucose, contribuant finalement à l'hyperglycémie chronique, qui à son tour contribue à la charge glycémique chronique et au risque de conséquences microvasculaires. Cet article fournit un examen approfondi du rôle des reins dans la physiologie humaine normale, des mécanismes par lesquels ils contribuent à la régulation du glucose et de l'impact potentiel du déséquilibre du glucose sur les reins.

(Am J Manag Care. 201218:S11-S16)Des études publiées au cours des 60 dernières années ont fourni des preuves considérables concernant la capacité des reins à produire et à libérer du glucose dans diverses conditions physiologiques. Pourtant, traditionnellement, les reins n'ont pas été considérés comme une source importante de glucose (sauf pendant l'acidose ou après un jeûne prolongé), la plupart des discussions cliniques sur la dérégulation du glucose se concentrant sur l'intestin, le pancréas, le foie, le tissu adipeux et les muscles. 1-3 Plus récemment, cependant, la pleine importance de la contribution des reins à l'homéostasie du glucose, dans des conditions physiologiques et pathologiques, est devenue bien reconnue, et on pense qu'elle implique des fonctions bien au-delà de l'absorption et de la libération du glucose. Outre le foie, le rein est le seul organe capable de générer suffisamment de glucose (gluconéogenèse) pour le libérer dans la circulation, et il est également responsable de la filtration et de la réabsorption ou de l'excrétion ultérieure du glucose. 2-4 Ces résultats ont fourni un aperçu considérable de la myriade de mécanismes physiopathologiques impliqués dans le développement de l'hyperglycémie et du diabète de type 2 (DT2). 5,6 Cet article passe en revue le rôle des reins dans la physiologie humaine normale, les mécanismes par lesquels ils contribuent à la régulation du glucose et l'impact potentiel du déséquilibre du glucose sur les reins.

Aperçu de la physiologie rénale

Les reins sont essentiellement conçus pour filtrer de grandes quantités de plasma, réabsorber des substances que l'organisme doit conserver et sécréter des substances qui doivent être éliminées. Ces fonctions de base sont essentielles à la régulation de l'équilibre hydrique et électrolytique, de l'osmolalité des fluides corporels, de l'équilibre acide, de l'excrétion des déchets métaboliques et des produits chimiques étrangers, de la pression artérielle, de la sécrétion d'hormones et, le plus pertinent pour cette discussion, de l'équilibre du glucose. 7,8 Les 2 reins produisent un total d'environ 120 mL/min d'ultrafiltrat, mais seulement 1 mL/min d'urine est produit. L'unité de base de formation d'urine du rein est le néphron, qui sert à filtrer l'eau et les petits solutés du plasma et à réabsorber les électrolytes, les acides aminés, le glucose et les protéines. Le néphron, qui est au nombre d'environ 1 million dans chaque rein, est constitué d'un appareil filtrant (le glomérule) relié à une longue portion tubulaire qui réabsorbe et conditionne l'ultrafiltrat glomérulaire. Le liquide filtré des capillaires glomérulaires s'écoule dans la partie tubulaire, qui est composée d'un tubule proximal, la boucle de Henle et du tubule distal, qui contribuent tous à réabsorber les substances essentielles et à convertir le liquide filtré en urine. 7

L'évaluation de la fonction rénale est une partie importante des soins, et avec cela, la clairance de la créatinine (CrCl) ou le taux de filtration glomérulaire (GFR), le plus souvent estimé (eGFR), sont considérés comme les plus utiles pour déterminer le degré d'insuffisance rénale et le stade de maladie rénale chronique conformément au système de classification de la National Kidney Foundation. Étant donné que les altérations de toutes les fonctions rénales (c.-à-d. filtration, sécrétion, réabsorption, fonction endocrinienne et métabolique) ont été principalement associées au DFG, cet indice quantitatif peut être utilisé pour mesurer tout changement fonctionnel résultant de la progression d'une maladie rénale, d'une intervention thérapeutique, ou insulte toxique. 9

Mécanismes de l'homéostasie du glucose dans les reins

Comme décrit plus en détail dans le premier article de ce supplément, le maintien de l'homéostasie du glucose est crucial pour prévenir les conséquences pathologiques pouvant résulter de l'hyperglycémie ou de l'hypoglycémie. L'hyperglycémie chronique non contrôlée entraîne un risque plus élevé de complications macrovasculaires et microvasculaires, telles que les maladies cardiovasculaires, la néphropathie, la neuropathie et la rétinopathie. 10 L'hypoglycémie, en revanche, peut entraîner une myriade de complications du système nerveux central (p. ou état « post-absorption ». 10,11 Le maintien de l'homéostasie du glucose implique plusieurs processus physiologiques complémentaires, notamment l'absorption du glucose (dans le tractus gastro-intestinal), la glycogénolyse (dans le foie), la réabsorption du glucose (dans les reins), la gluconéogenèse (dans le foie et les reins) et l'excrétion du glucose. (dans les reins). 10,12

Comme évoqué précédemment, les reins sont capables de synthétiser et de sécréter de nombreuses hormones importantes (p. composés endogènes (par exemple, insuline, stéroïdes). 9 En ce qui concerne l'implication rénale dans l'homéostasie du glucose, les principaux mécanismes comprennent la libération de glucose dans la circulation via la néoglucogenèse, l'absorption de glucose de la circulation pour satisfaire les besoins énergétiques des reins et la réabsorption du glucose au niveau du tubule proximal. 13

Glycogénolyse et gluconéogenèse

La libération rénale de glucose dans la circulation est le résultat de la glycogénolyse et de la néoglucogenèse. La glycogénolyse implique la décomposition du glycogène en glucose-6-phosphate à partir de précurseurs (par exemple, lactate, glycérol, acides aminés) et son hydrolyse ultérieure (via la glucose-6-phosphatase) en glucose libre. Inversement, la gluconéogenèse implique la formation de glucose-6-phosphate à partir de ces mêmes précurseurs et la conversion ultérieure en glucose libre. Fait intéressant, le foie et les muscles squelettiques contiennent la plupart des réserves de glycogène du corps, mais seul le foie contient de la glucose-6-phosphatase. Ainsi, la dégradation du glycogène hépatique conduit à la libération de glucose, tandis que la dégradation du glycogène musculaire conduit à la libération de lactate. Le lactate (généré par la glycolyse du glucose par les cellules sanguines, la médullaire rénale et d'autres tissus) peut être absorbé par les organes et reformé en glucose. 2

En ce qui concerne l'utilisation du glucose, le rein peut être perçu comme 2 organes distincts, l'utilisation du glucose se produisant principalement dans la médullaire rénale et la libération de glucose limitée au cortex rénal. Ces activités sont séparées en raison des différences dans la distribution de diverses enzymes le long du néphron. À ce stade, les cellules de la médullaire rénale (qui, comme le cerveau, sont des utilisateurs obligatoires de glucose) ont une activité importante de phosphorylation du glucose et des enzymes glycolytiques, et peuvent donc phosphoryler et accumuler du glycogène. Cependant, étant donné que ces cellules manquent de glucose-6-phosphatase et d'autres enzymes gluconéogènes, elles ne peuvent pas libérer de glucose libre dans la circulation. D'autre part, les cellules du cortex rénal possèdent des enzymes gluconéogènes (y compris la glucose-6-phosphatase) et peuvent donc fabriquer et libérer du glucose dans la circulation. Mais parce que ces cellules ont une faible capacité de phosphorylation, elles ne peuvent pas synthétiser de glycogène. 2

L'ampleur de la libération rénale de glucose chez l'homme est quelque peu incertaine, avec des preuves non concluantes concernant la contribution des reins à la gluconéogenèse corporelle totale. 4 Une analyse de 10 études publiées a conclu que la contribution rénale à la libération totale de glucose corporel à l'état post-absorption est d'environ 20 %. Sur la base de l'hypothèse que la néoglucogenèse représente environ la moitié de toute la libération de glucose circulatoire pendant l'état de jeûne, la néoglucogenèse rénale est projetée, bien que non prouvée de manière concluante, comme potentiellement responsable d'environ 40 % de toute la néoglucogenèse. 2 Compte tenu de la contribution potentielle de la néoglucogenèse rénale, les reins semblent jouer un rôle substantiel dans la libération globale de glucose dans les états normaux et physiopathologiques (p. ex., insuffisance hépatique, contre-régulation de l'hypoglycémie). À ce stade, les preuves suggèrent que chez les patients atteints de DT2, la libération rénale de glucose est augmentée à la fois dans les états postprandial et postabsorptif, impliquant la contribution des reins à l'hyperglycémie qui caractérise cette condition. 4 Dans une étude, une augmentation de 3 fois de la libération rénale de glucose a été observée chez les patients diabétiques par rapport aux autres. 14 En revanche, la libération hépatique de glucose n'augmentait que de 30 % dans l'état diabétique. Les mécanismes potentiels impliqués dans la libération excessive de glucose par les reins dans le DT2 comprennent la néoglucogenèse à jeun, une diminution de la libération d'insuline postprandiale, une résistance à l'insuline (connue pour supprimer la libération d'insuline rénale/hépatique), une augmentation des concentrations d'acides gras libres (FFA) (les FFA stimulent la gluconéogenèse), une plus grande disponibilité de la néoglucogenèse précurseurs et augmentation de la glycogénolyse. 3 Encore une fois, il est clair qu'il existe une contribution rénale à la production de glucose dans le corps, mais la contribution réelle chez les patients individuels atteints de DT2 est encore controversée.

Réabsorption du glucose

En plus de leur rôle important dans la néoglucogenèse, les reins contribuent à l'homéostasie du glucose en filtrant et en réabsorbant le glucose. Dans des conditions normales, les reins récupèrent autant de glucose que possible, rendant l'urine pratiquement exempte de glucose. Les glomérules filtrent du plasma environ 180 grammes de -glucose par jour, qui sont tous réabsorbés par les protéines de transport du glucose présentes dans les membranes cellulaires des tubules proximaux. 4 Si la capacité de ces transporteurs est dépassée, du glucose apparaît dans les urines. Cette capacité maximale, appelée maximum tubulaire pour le glucose (TmG), varie de 260 à 350 mg/min/1,73 m 2 chez l'adulte et l'enfant sains, et correspond à une glycémie plasmatique d'environ 200 mg/dL. 4 Une fois que la TmG (le seuil) est atteinte et que les transporteurs sont incapables de réabsorber tout le glucose (comme dans le T2DM), une glycosurie survient. 7,15 La corrélation entre le degré d'hyperglycémie et le degré de glycosurie devient linéaire lorsque les concentrations de glucose dans le sang ont augmenté au-delà d'un seuil. 4 Il convient de noter que de légères différences entre les néphrons individuels et la nature imprécise des systèmes biologiques peuvent modifier cette courbe linéaire concentration/réabsorption, comme indiqué par un écart par rapport à la théorie à mesure que la TmG est approchée. 4 En tant que telle, une glycosurie peut potentiellement se développer avant que la TmG attendue ne soit atteinte. Glucosuria may also occur at lower plasma glucose concentrations in certain conditions of hyperfiltration (eg, pregnancy), but as a consequence of hyperfiltration rather than significant hyperglycemia. 12

Renal Glucose Transporters

The transport of glucose (a polar compound with positive and negative charged areas, making it soluble in water) into and across cells is dependent on specialized carrier proteins in 2 gene families: the facilitated glucose transporters (GLUTs) and the sodium-coupled glucose cotransporters (SGLTs). These transporters control glucose transport and reabsorption in several tissue types, including the proximal renal tubule, small intestine, blood-brain barrier, and peripheral tissues (Table). 13,16 GLUTs are involved in the passive transport of glucose across cell membranes, facilitating its downhill movement as it equilibrates across a membrane. SGLTs, on the other hand, mediate active transport of glucose against a concentration gradient by means of cotransport with sodium. Of the various SGLT proteins expressed in the kidneys, SGLT2 is considered most important based on animal studies, it is responsible for reabsorbing 90% of the glucose filtered at the glomerulus. 4 SGLT1 contributes to the other 10% of glucose reabsorbed in the proximal tubule. This predominant role of SGLT2 in renal reabsorption of glucose raises the prospect of therapeutically blocking this protein in patients with diabetes. Of the various GLUT proteins expressed in the kidneys, GLUT2 is the major transporter, releasing into circulation the glucose reabsorbed by SGLTs in the proximal tubular cells (Chiffre). 4,17

In examining disorders involving renal glucose transport, gene mutations within SGLTs lead to inherited disorders of renal glucosuria, including familial (primary) renal glucosuria (FRG) and glucose-galactose malabsorption (GGM). FRG, an autosomal recessive or autosomal dominant disorder resulting from several different SGLT2 mutations, is characterized by persistent glucosuria in the absence of hyperglycemia or general renal tubular dysfunction. Because the majority of patients with FRG have no clinical manifestations, FRG is commonly described as a “nondisease” and is synonymous with the condition known as benign glucosuria. Even the most severe form of FRG (type O), where nonfunctioning mutations within the SGLT2 gene result in a complete absence of renal tubular glucose reabsorption, is associated with a favorable prognosis. Because FRG is generally asymptomatic, affected individuals are identified through routine urinalysis. 4

GGM, a more serious autosomal recessive disease caused by mutation of the SGLT1 transporter, is characterized by intestinal symptoms that manifest within the first few days of life and result from failure to absorb glucose and galactose from the intestinal tract. The resultant severe diarrhea and dehydration may be fatal if a glucose- and galactose-free diet is not initiated. In some patients with GGM, glucosuria is present but typically mild, while in others, no evidence of abnormal urinary glucose excretion exists, affirming the minor role of SGLT1 in renal glucose reabsorption of glucose. 4

Gene mutations involving GLUTs are associated with more severe consequences, as these transporters are more widespread throughout the major organ systems. Compared with SGLT2 and SGLT1, which are present mostly in the renal system, GLUT2 is a widely distributed facilitative glucose transporter that has a key role in glucose homeostasis through its involvement in intestinal glucose uptake, renal reabsorption of glucose, glucosensing in the pancreas, and hepatic uptake and release of glucose. 4 Mutations of the gene encoding this protein result in Fanconi-Bickel syndrome, a rare autosomal recessive glycogen storage disease that encompasses a multitude of complications (glucose and galactose intolerance, postprandial hyperglycemia, fasting hypoglycemia, tubular nephropathy, hepatomegaly, renomegaly, rickets, and stunted growth). Because GLUT2 is involved in the tubular reabsorption of glucose, glucosuria is a feature of the nephropathy. 4

Impact of Hyperglycemia on the Kidneys

While renal glucose reabsorption is a glucose-conserving mechanism in normal physiologic states, it is known to contribute to hyperglycemia in conditions such as T2DM. 15 Renal glucose reabsorption tends to increase with plasma glucose levels, up to plasma concentrations of 180 mg/dL to 200 mg/dL. 7 Among patients with diabetes, an excess of approximately 13 grams of glucose is taken up from the systemic circulation, of which 85% is attributed to increased renal glucose uptake. 3 Evidence suggesting a higher TmG in patients with diabetes compared with healthy controls attests to the increased state of renal glucose reabsorption seen in chronic hyperglycemia, which in turn can increase the risk of microvascular complications. 13,18 Over time, the glomeruli become damaged and are unable to filter blood efficiently and glomerular membranes leak protein (more than 50% of the protein is albumin) into the urine. 19 In patients with diabetes, the kidneys may be particularly susceptible to the effects of hyperglycemia, as many kidney cells are unable to sufficiently decrease glucose transport rates to prevent intracellular hyperglycemia in states of increased glucose concentration. 19

Néphropathie diabétique

Diabetes has become the most common single cause of endstage renal disease (ESRD) in the United States and Europe this is most likely due to several evolving factors, including an increased prevalence of T2DM, longer life spans among patients with diabetes, and better formal recognition of renal insufficiency. 20 Based on the most current (2008) US statistics from the American Diabetes Association, diabetes accounted for more than 40% of new cases of kidney failure, with 48,374 patients with diabetes beginning treatment for ESRD, and 202,290 people with diabetes-related ESRD on chronic dialysis or undergoing a kidney transplant. 20 Compared with patients with type 1 diabetes mellitus, a considerably smaller fraction of those with T2DM progress to ESRD, but due to the much higher prevalence of T2DM, these individuals constitute over half of those with diabetes on dialysis. Considerable racial/ethnic variability exists in this regard, with Native Americans, Hispanics (especially Mexican Americans), and African Americans at much greater risk of developing ESRD than non-Hispanic whites with T2DM. 20

Dialysis is a very expensive therapy, costing more than $50,000 per patient per year. Total medical spending for the approximately 400,000 patients with ESRD (representing those with and without diabetes) was $22.8 billion in 2001, an almost 3-fold increase over the 1991 to 2001 decade. ESRD spending represents 6.4% of the total Medicare budget, a 33% increase from 4.8% in 1991. The epidemic growth in ESRD cases has led to skyrocketing utilization of healthcare resources. 21

The earliest clinical evidence of nephropathy is the appearance of low, but abnormal, levels (≥30 mg/day or 20 μg/min) of albumin in the urine (referred to as microalbuminuria). 20 Although the course for each patient with T2DM is different, once albumin is detected in the urine, the chance of progression to more persistent albuminuria, progressive decline in GFR, raised arterial blood pressure, and increased cardiovascular morbidity and mortality is increased. Since undetected T2DM may be present for many years, a higher proportion of individuals with T2DM (vs type 1 diabetes mellitus) have microalbuminuria and overt nephropathy shortly after diagnosis. Without specific interventions, 20% to 40% of patients with T2DM and microalbuminuria progress to overt nephropathy however, within 20 years of onset of overt nephropathy, only 20% will have progressed to ESRD. 20 This may be attributable to the greater risk of dying from associated coronary artery disease than progressing to ESRD among the older diabetic population. As interventions for coronary artery disease continue to improve, however, more patients with T2DM may survive long enough to develop renal failure. 20

Increasing evidence demonstrates that the onset and course of diabetic nephropathy may be significantly altered by several interventions (eg, tight glucose control, use of angiotensin-converting enzyme inhibitors and angiotensin receptor blockers), all of which have their greatest impact if instituted early. As such, annual screening for microalbuminuria is critical since it leads to early identification of nephropathy. Well-known data from the Diabetes Control and Complications Trial and the United Kingdom Prospective Diabetes Study established that intensive glycemic control may significantly reduce the risk of developing microalbuminuria and overt nephropathy. 20 Recent research (eg, the Action in Diabetes and Vascular Disease: Preterax and Diamicron MR Controlled Evaluation [ADVANCE] trial) offers more perspective on the effects of tight glucose control and reduction of nephropathy. 22 ADVANCE evaluated progression to major macrovascular events (death from cardiovascular causes, nonfatal myocardial infarction, or nonfatal stroke) and major microvascular events (new or worsening nephropathy or retinopathy) in 11,140 patients with T2DM randomly assigned to undergo standard or intensive glucose control (glycated hemoglobin level ≤6.5%). After a median of 5 years, intensive glucose control produced a 10% relative reduction in the combined outcome of major macrovascular and microvascular events, primarily as a result of a 21% relative reduction in the risk of developing new or worsening nephropathy. The intensive glucose control group was also associated with a 9% reduction in new onset microalbuminuria, but a higher incidence of severe hypoglycemia (2.7% vs 1.5% in the standard control group). The observed reduction in nephropathy is important, since indices of renal impairment are strongly associated with future risk of major vascular events, ESRD, and death in patients with diabetes.

The regulation of glucose production, uptake, reabsorption, and elimination is handled by several organs, most notably (historically) the pancreas and liver. While not traditionally discussed, the kidneys’ contributions to maintaining glucose homeostasis are multifaceted and include such functions as gluconeogenesis and glucose reabsorption, the latter being mediated by active (SGLT) and passive (GLUT) transporters. Under normal circumstances, glucose filtered by glomeruli is completely reabsorbed, but in conditions of hyperglycemia or reduced resorptive capacity, glucosuria may occur. In hyperglycemia, the kidneys may play an exacerbating role by reabsorbing excess glucose, ultimately contributing to chronic hyperglycemia, and subsequently to pancreatic β-cell failure, insulin resistance, and decreased glucose uptake. Hyperglycemia in turn detrimentally affects the kidneys by damaging glomeruli, ultimately causing microalbuminuria and nephropathy. Knowledge of the kidneys’ role in glucose homeostasis and the effect of glucose dysregulation on the kidneys is critical to optimal management of T2DM and prevention of associated renal complications.Author affiliations:Department of Medicine, Division of Diabetes, University of Texas Health Science Center at San Antonio and Texas Diabetes Institute, San Antonio, TX.

Funding source:This activity is supported by an educational grant from Bristol-Myers Squibb and AstraZeneca LP.

Author disclosure:Dr Triplitt reports being a consultant or a member of the advisory board for Roche and Takeda Pharmaceuticals. He also reports being a member of the speakers’ bureau for Amylin, Eli Lilly, and Pfizer.

Authorship information:Concept and design drafting of the manuscript and critical revision of the manuscript for important intellectual content.


Source of blood glucose during starvation - Biology

You've heard the story before: when you eat carbohydrate-rich foods that digest quickly, it sends your blood sugar and insulin levels soaring, then your blood sugar level comes crashing back down and you feel hungry and cranky. You reach for more carbohydrate, perpetuating the cycle of crashes, overeating, and fat gain.

It sounds pretty reasonable-- in fact, so reasonable that it's commonly stated as fact in popular media and in casual conversation. This idea is so deeply ingrained in the popular psyche that people often say "I have low blood sugar" instead of "I'm hungry" or "I'm tired". But this hypothesis has a big problem: despite extensive research, it hasn't been clearly supported. I've written about this issue before (1).

A new study offers a straightforward test of the hypothesis, and once again finds it lacking.

Bernd Schultes and colleagues used a clever design to isolate the effect of blood glucose on appetite (2). They recruited 15 healthy young men, and on two occasions fed them an identical light breakfast.

On one occasion, they waited one hour after the meal and infused saline containing 50 grams of glucose into the volunteers' bloodstream over a one-hour period. On the other occasion, they did the same thing except using saline without glucose. Throughout the infusion, and one hour afterward, the researchers monitored levels of blood glucose, blood insulin, and markers of appetite.

As expected, the glucose infusion markedly increased blood glucose and insulin levels in the hour following the meal. After the researchers stopped the glucose infusion, the volunteers' blood glucose levels declined, eventually reaching a level significantly lower than the control condition (54 mg/dL vs 70 mg/dL). This is the post-meal "crash" that is supposed to trigger appetite.

Yet levels of hunger, appetite, satiety, and fullness didn't differ between groups at any time-- either during the infusion or afterward.

We have extensive evidence that the brain pays attention to blood glucose levels, and triggers appetite when it goes too low as part of a suite of protective responses to maintain blood glucose level (this is called the "counterregulatory response"). However, the evidence overall suggests that you have to have pretty serious hypoglycemia for this to happen-- something that rarely occurs in people who aren't using insulin to treat diabetes. When researchers actually measure the blood glucose level of non-diabetic people who report feeling "hypoglycemic", a small percentage of them really are hypoglycemic, but the vast majority have perfectly normal blood glucose levels (3, 4, 5, 6). Hypoglycemia is not something that occurs frequently in the general non-diabetic population, and it doesn't offer a compelling explanation for why we feel hungry or tired between meals.

The brain listens to a variety of signals that indicate the body's energy status, and it integrates these signals to determine your sensation of hunger or satiety (7). Glucose is one of the signals the brain listens to, but there are many others, and the brain doesn't appear to pay very much attention to the glucose signal when it's within the range that occurs in the daily life of most people. In contrast, the brain pays attention to levels of leptin, CCK, GLP-1, glucagon, amylin, ghrelin, and signals ascending from the gut via the vagus nerve (7).

I like this study because it manipulated blood glucose levels in a way that's not likely to be confounded by variables that bedevil other study designs. They pulled this off by directly manipulating blood glucose, mimicking the glucose profile of a high-glycemic meal to see if post-meal fluctuations at the extreme end of the normal range affect appetite.

And, consistent with most previous research, it looks like they don't. How do we reconcile this with the fact that some single-meal studies have found that lower-glycemic meals are more sating than higher-glycemic meals (8)? Here's what I think. The sating effect of low-glycemic meals probably doesn't have much to do with blood glucose at all, but rather: 1) the fact that these studies are usually not properly controlled for other variables known to affect satiety, such as calorie density, fiber, protein, and palatability and 2) the fact that lower-glycemic foods digest more slowly and therefore tend to leave carbohydrate hanging around in the gut interacting with intestinal satiety receptors for longer.


Source of blood glucose during starvation - Biology

Gluconeogenesis and the Maintenance
of Blood Glucose During Fasting

1. Describe the pathway for gluconeogenesis

Names:
Les fonctions:
Substrates:
Product:
Control Enzymes:
Regulation:
Compartment(s):
Tissues of interest:

2. There are three irreversible reactions in glycolysis, name the substrates and products of those reactions and the enzymes that catalyze them. There are four enzymes unique to gluconeogenesis that catalyze reactions that circumvent the irreversible reactions of glycolysis. Name the enzymes, reactants and products.

3. What are the sources of the gluconeogenic precursors and how are they converted into pyruvate, TCA cycle intermediates, or dihydroxyacetone phosphate?

4. Name the enzymes that convert lactate and alanine to pyruvate and that convert glycerol to dihydroxyacetone phosphate.

5. Explain why ingestion of large quantities of alcohol inhibits gluconeogenesis.

6. Most of our diet contains even numbered fatty acids. Can we form glucose from them? Some of our diet contains odd numbered fatty acids. Can we form glucose from them? Comment?

7. Describe the pathway for the conversion of pyruvate to phosphoenolpyruvate by naming the intermediates, the compartments, the control enzyme, and the allosteric regulator for the control enzyme. Include the terms pyruvate carboxylase, biotin, ATP, oxaloacetate, acetyl CoA, malate dehydrogenase, NADH, malate, phosphoenolpyruvate carboxykinase, GTP. Ignore aspartate.

8. Name the phosphatases that convert fructose-1,6-bisphosphate to glucose in liver.

9. How does fasting, stress, exercise, or a high protein meal affect the level of substrates for gluconeogenesis?

10. Explain the control of the conversion of pyruvate to phosphoenolpyruvate during gluconeogenesis. Name two enzymes in the pathway, a positive allosteric modifier activates one and one is activated principally by induction. Why isn't phosphoenolpyruvate converted to pyruvate and why isn't pyruvate converted to acetyl CoA during gluconeogenesis? Include the terms acetyl CoA, cyclic-AMP, phosphorylation, NADH, and, again, acetyl CoA in your answer.

11. Explain the activation of the fructose-1,6-bisphosphatase during gluconeogenesis. What prevents the reverse reaction and a futile cycle from occurring?

12. Name the enzyme that converts glucose-6-phosphate to glucose in liver.

13. Compare the energy used in the conversion of two moles of pyruvate to glucose with the energy generated during glycolysis when one mole of glucose is converted to two moles of pyruvate.

14. How is the energy used for gluconeogenesis obtained?

15. What are the major factors that regulate blood glucose?

16. What happens to the blood concentrations of insulin and glucagon and the insulin/glucagon ratio following ingestion of a high carbohydrate meal, a high protein meal, and a normal meal?

17. What is the fate of glucose in the liver following a normal or high carbohydrate meal? How does the increased blood glucose and the increased insulin/glucagon ratio affect the cAMP cascade, the activity of protein phosphatase, glycogen synthesis, glycogenolysis, glycolysis, gluconeogenesis, glycerol-3-phosphate synthesis, fatty acid synthesis, triacylglycerol synthesis, and VLDL synthesis?

18. In some tissues, an increase in blood insulin will substantially increase the glucose transporters in the cell membrane and the transport of glucose into cells. Which of these tissues react in this manner and which do not: muscle, adipose tissue, brain, and liver?

19. What is the affect of increased blood insulin upon glycogen synthesis in muscle?

20. What are the affects of increased insulin upon glycerol-3-phosphate synthesis, fatty acid uptake from VLDLs, and triacylglycerol synthesis in adipose tissues?

21. As blood glucose decreases and the insulin to glucagon ratio drops, the cyclic AMP cascade causes a change in the activities of the enzymes concerned with glycogen metabolism so that glucose is released into the blood. Be able to name all the intermediates in the proper order in this pathway. Use the terms glucagon receptor, G-protein, adenyl cyclase, cAMP, protein kinase A, regulatory subunits, catalytic subunits, phosphorylase kinase, phosphorylase, glycogen synthase, glucose-1-P, glucose-6-P, glucose-6-phosphatase, and glucose.

22. As blood glucose decreases and the insulin to glucagon ratio drops, the cyclic AMP cascade causes a change in the activities of the enzymes concerned with gluconeogenesis and glycolysis so that glucose is released into the blood. From the time when glucagon binds it's receptor, be able to name all the intermediates in the proper order in the pathway that activates fructose-1,6-bisphosphatase and inhibits phosphofructokinase-1 and pyruvate kinase. Use the terms glucagon receptor, G-protein, adenyl cyclase, cAMP, protein kinase A, regulatory subunits, catalytic subunits, phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase, and fructose-2,6-bisphosphate.

23. As blood glucose decreases and the insulin to glucagon ratio drops, the cyclic AMP cascade causes an increase in lipolysis in adipose tissue. What are the products of lipolysis and how do liver and muscle use them? Include the terms fatty acids, glycerol, gluconeogenesis, energy, and ketone bodies.

24. Between 3 days and 6 weeks of starvation, what happens to the blood concentrations of glucose, free fatty acids, and ketone bodies? What happens to the total utilization of glucose by the body? What happens to the total utilization of fat by the body? Between 3 days and 6 weeks of starvation, what happens to total urinary nitrogen excretion? Note that total urinary nitrogen is at least 80% urea. Explain this change in urea excretion.

25. Be able to state the major source of glucose (ingested, glycogenolysis, or gluconeogenesis) used by a sedentary person following ingestion of a meal. For example, at l hour, 4 hours, 16 hours, and 30 hours. Assume that the subject was sedentary. What would happen to this timetable if the person were running a marathon?

26. What values does the American Diabetes Association use to define diabetes and pre-diabetes from fasting blood glucose? Error in lecture. Correct answer: Normal fasting blood glucose is below 100 mg/dl. A person with pre-diabetes has a fasting blood glucose level between 100 and 125 mg/dl.

27. Concerning Al Martini who has not eaten and has been drinking heavily for the past three days, explain his hypoglycemia in terms of the reactions that are inhibited and why they are inhibited?

28. Concerning Emma Wheezer: What were the effects of dexamethasone that contributed to muscle weakness and hyperglycemia?

29. What is the major glucocorticoid in humans?

30. Concerning Di Abietes, who suffers from Type I diabetes and is in a coma because she took an overdose of insulin 13 hours ago,

(1) how can you tell from her rate and depth of respiration that she is not suffering from diabetic ketoacidosis? (2) what had happened to the normal pathways for energy production in the fasting state? Include fatty acid mobilization, ketone body synthesis, glycogenolysis, and gluconeogenesis.

31. Concerning Di Abietes, who suffers from Type I diabetes, what is the pathogenesis of her disease? What is the pathogenesis of Type 2 diabetes?

32. Concerning Otto Shape who is now in shape and jogs in the morning before breakfast. How does he maintain his blood glucose levels? Does increased blood epinephrine help this process?

33. Understand the meaning of each of the keywords.

Keywords : Acetyl CoA, adenyl cyclase, alanine aminotransferase, amino acids, ATP, biotin, cAMP, catalytic subunits, cortisol, covalent modification, energy, epinephrine, exercise, fasting, fatty acids, feed forward activation, fructose-6-phosphate, fructose-1,6-bisphosphatase,, fructose-1,6-bisphosphate, fructose-2,6-bisphosphate, G-protein, glucagon, glucagon receptor, gluconeogenesis, glucose , glucose-6-phosphatase, glucose-1-P, glucose-6-P, glycerol, glycerol kinase, glycerol-3-phosphate dehydrogenase, glycogen synthase, GTP, high protein diet, induction, insulin, insulin resistance, impaired glucose tolerance, ketone bodies, lactate, lactate dehydrogenase, lipolysis, malate, malate dehydrogenase, mitochondria, muscle degradation, NADH, oxaloacetate, phosphoenolpyruvate, phosphoenolpyruvate carboxykinase, phosphofructokinase-1, phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase, phosphorylase, phosphorylase kinase, protein, protein kinase A, pyruvate, pyruvate carboxylase, pyruvate dehydrogenase, pyruvate kinase, regulatory subunits, starvation, stress


The Absorptive State

Les absorptive state, or the fed state, occurs after a meal when your body is digesting the food and absorbing the nutrients (anabolism exceeds catabolism). Digestion begins the moment you put food into your mouth, as the food is broken down into its constituent parts to be absorbed through the intestine. The digestion of carbohydrates begins in the mouth, whereas the digestion of proteins and fats begins in the stomach and small intestine. The constituent parts of these carbohydrates, fats, and proteins are transported across the intestinal wall and enter the bloodstream (sugars and amino acids) or the lymphatic system (fats). From the intestines, these systems transport them to the liver, adipose tissue, or muscle cells that will process and use, or store, the energy.

Depending on the amounts and types of nutrients ingested, the absorptive state can linger for up to 4 hours. The ingestion of food and the rise of glucose concentrations in the bloodstream stimulate pancreatic beta cells to release insulin into the bloodstream, where it initiates the absorption of blood glucose by liver hepatocytes, and by adipose and muscle cells. Once inside these cells, glucose is immediately converted into glucose-6-phosphate. By doing this, a concentration gradient is established where glucose levels are higher in the blood than in the cells. This allows for glucose to continue moving from the blood to the cells where it is needed. Insulin also stimulates the storage of glucose as glycogen in the liver and muscle cells where it can be used for later energy needs of the body. Insulin also promotes the synthesis of protein in muscle. As you will see, muscle protein can be catabolized and used as fuel in times of starvation.

If energy is exerted shortly after eating, the dietary fats and sugars that were just ingested will be processed and used immediately for energy. If not, the excess glucose is stored as glycogen in the liver and muscle cells, or as fat in adipose tissue excess dietary fat is also stored as triglycerides in adipose tissues.

Figure 24.5.1 summarizes the metabolic processes occurring in the body during the absorptive state.

Figure 24.5.1 – Absorptive State: During the absorptive state, the body digests food and absorbs the nutrients into cells.


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Starvation occurs when the human body stops taking food or both food and water. It is a type of metabolic stress condition of the body. There are many conditions when your body can be under starvation, like due to food scarcity during natural calamities like floods, droughts etc. When there is extreme poverty, during clinical conditions like major surgeries and in severe burns, during dieting in the desire to lose weight, and in hunger strikes. The human body can survive without food maximum up to 65 days.

During starvation, the body will start lacking calories which include carbohydrates and lipids, proteins, vitamins and minerals, antioxidants. During starvation, there is an increase of glycogenolysis, gluconeogenesis, lipolysis, and ketogenesis. Brain in starvation uses ketone bodies as an energy source than using glucose, that’s why our brain functions for few weeks even in starvation.

Insulin is decreased in blood and glucagon, epinephrine and norepinephrine levels are increased. The adult 70 kg human has 8,000 Kilojoules of glycogen stored which is consumed in 24 hours during starvation. There is shutting of lipid-derived energy in glucose to peripheral tissue and lactate goes back to the liver to form again glucose. This is how the body adapts when glucose levels are decreased.

The major source of energy comes from triglycerides. The 70 kg adult human has 400,000 Kilojoules stored in adipose tissue. Lipolysis occurs and lipids are converted into fatty acids. Fatty acids undergo beta-oxidation in mitochondria. Then acetylcholine is formed which enters the citric acid cycle and Adenosine triphosphates (ATP) is formed and this ATP forms glucose by gluconeogenesis.

Ketogenesis occurs which converts fatty acids to short chain fatty acids and ketone bodies. During ketogenesis, there is the formation of acetoacetate which readily converts to acetone, and this acetone gets released from urine and lungs produces “acetone breath”.

In 8-10 days of fasting, body weight is reduced to half and in later time skeletal muscles are degraded. In the last stage, autophagy occurs where cells start to eat up the critical molecules to continue the process of gluconeogenesis. Due to this structure of cells is disturbed and finally starvation leads to death generally due to diaphragm failure as a result of prolonged autophagy.


Glucose Homeostasis

Glucose is a monosaccharide which represents an essential biological energy source, enabling the generation of ATP following glycolysis. Although many tissues can also use fats and protein as an energy source, the brain and red blood cells can only use glucose. Glucose is stored in the body, importantly in the liver, as glycogen. Circulating levels of glucose are controlled by two hormones, insulin and glucagon. In response to high glucose levels, pro-insulin is released from pancreatic beta cells in the islets of Langerhans and is converted to the active form in the blood. Insulin stimulates the uptake of glucose and storage in the tissues as glycogen (glycogenesis). The uptake of glucose into mammalian cells is facilitated by glucose transporters (Glut). The individual Glut subtypes differ in their tissue distribution, substrate specificity, kinetic properties, and intracellular localization, allowing members of the Glut family to finely regulate whole-body glucose homeostasis.