Ảnh hưởng của insulin lên chuyển hóa carbohydrat

Ngay sau khi chúng ta ăn một lượng lớn carbohydrat, glucose được hấp thu vào trong máu nhanh chóng gây ra sự bài tiết insulin, sẽ được bàn luận sau. Insulin nhanh chóng gây ra hấp thu, dự trữ và sử dụng glucose ở hầu hết tất cả các mô trong cơ thể, đặc biệt là mô cơ, mô mỡ và gan.

Insulin làm tăng quá trình hấp thu và chuyển hóa glucose ở cơ

Hầu hết thời gian trong ngày, mô cơ không phụ thuộc vào glucose nhưng phụ thuộc vào acid béo cho nhu cầu năng lượng. Lý do chính cho sự phụ thuộc vào acid béo là khi ở trạng thái nghỉ, màng tế bào cơ có tính thấm thấp với glucose, ngoại trừ khi sợi cơ bị kích thích bởi insulin. Giữa các bữa ăn, lượng insulin được bài tiết ra rất nhỏ để có thể làm tăng đáng kể lượng glucose vào tế bào cơ.

Tuy nhiên, dưới 2 điều kiện, tế bào cơ sử dụng 1 lượng lớn glucose. Thứ nhất là trong những bài tập trung bình và nặng. Sự sử dụng glucose không cần đến một lượng lớn insulin vì cơ co làm tăng sự di chuyển (translocation) của glucose transporter 4 (GLUT4) từ kho dự trữ bên trong tế bào tới màng tế bào, điều này làm tăng sự khuếch tán được thuận hóa (facilitates diffusion) của glucose vào trong tế bào.

Điều kiện thứ hai để tế bào cơ sử dụng 1 lượng lớn glucose là trong vài giờ sau bữa ăn. Lúc này nồng độ glucose trong máu tăng cao và tụy tiết ra một lượng lớn insulin. Việc tăng lượng insulin làm cho glucose nhanh chóng được vận chuyển vào tế bào cơ, điều này làm cho tế bào cơ sử dụng glucose ưu tiên hơn acid béo trong giai đoạn này.

Dự trữ glycogen ở cơ

Nếu cơ không vận động sau bữa ăn và glucose được vận chuyển nhiều vào tế bào cơ, thay vì sử dụng để tạo năng lượng, hầu hết glucose được dự trữ dưới dạng glycogen ở cơ, vượt ngưỡng giới hạn 2-3%. Glycogen có thể được sử dụng ở cơ sau đó để tạo năng lượng. Glycogen rất hữu ích để cung cấp năng lượng trong vận động cực độ của cơ trong thời gian ngắn và thậm chí cung cấp năng lượng do giai đoạn bộc phát chuyển hóa yếm khí trong vài phút khi mà quá trình glycolytic bẻ gãy glycogen thành acid lactic khi thiếu oxy.

Định lượng tác dụng của insulin với vận chuyển thuận hóa glucose qua màng tế bào cơ

Định lượng tác dụng của insulin với vận chuyển thuận hóa glucose qua màng tế bào cơ được chứng minh bằng kết quả thí nghiệm trong hình. Đường cong thấp nhất là ký hiệu cho nhóm chứng cho biết nồng độ glucose tự do đo được bên trong tế bào, chứng minh rằng nồng độ glucose nội bào vẫn gần như bằng không trong khi nồng độ glucose ngoại bào đã tăng cao tới 750mg/100ml. Ngược lại, đường cong biểu thị kết quả của “insulin” chứng minh nồng độ glucose nội bào tăng cao tới 400mg/100ml khi được thêm insulin. Do đó, Rõ ràng rằng insulin có thể làm tăng vận chuyển glucose vào tế bào cơ lúc nghỉ ít nhất là 15 lần.

Hình. Tác dụng của insulin trong việc tăng cường nồng độ glucose bên trong tế bào cơ. Lưu ý rằng trong trường hợp không có insulin (kiểm soát), nồng độ glucose nội bào vẫn gần bằng không, mặc dù nồng độ glucose ngoại bào cao.

Insulin tăng hấp thu, dự trữ và sử dụng glucose ở gan

Một trong những tác dụng quan trong của insulin là làm tăng hấp thu glucose sau bữa ăn để tăng nhanh dự trữ glucose tại gan dưới dạng glycogen. Sau đó giữa các bữa ăn, khi thức ăn chưa được bổ sung, nồng độ glucose trong máu bắt đầu giảm, quá trình tiết insulin giảm nhanh và glycogen ở gan phân cắt trở lại thành glucose, rồi được bài tiết vào trong máu giữ cho nồng độ glucose không xuống quá thấp.

Cơ chế của insulin làm tăng hấp thu và dự trự glucose ở gan bao gồm nhiều bước xảy ra gần như đồng thời:

1. Insulin bất hoạt phosphorylase ở gan, enzym chủ yếu cho quá trình chuyển glycogen thành glucose. Sự bất hoạt này ngăn chặn sự bẻ gãy glycogen được dự trữ trong tế bào gan.

2. Insulin làm tăng hấp thu glucose từ máu vào gan bằng cách tăng hoạt tính của enzyme glucokinase, một trong những enzyme khởi đầu quá trình phosphoryl hóa glucose sau khi glucose được khuếch tán vào tế bào gan. Một khi bị phosphoryl hóa, glucose tạm thời bị giữ bên trong tế bào vì khi bị phosphoryl hóa glucose không thể khuếch tán qua màng tế bào.

3. Insulin cũng làm tăng hoạt động của các enzyme làm tăng tổng hợp glycogen, bao gồm glycogen synthase, trùng hợp các đơn vị monosaccharide để hình thành phân tử glycogen.

Tác dụng thực tế của những hoạt động trên làm tăng lượng glycogen ở gan. Glycogen có thể tăng bằng khoảng 5-6% khối lượng gan, tương đương với 100g glycogen được dự trữ bên trong gan.

Glucose được giải phóng từ gan giữa các bữa ăn

Khi mức độ glucose máu bắt đầu giảm tới một mức thấp giữa các bữa ăn, nhiều sự kiện diễn ra làm gan giải phóng glucose trở lại tuần hoàn:

1. Giảm glucose máu làm cho tụy giảm tiết insulin.

2. Thiếu hụt insulin sau đó làm nghịch đảo lại tất cả các hiệu ứng làm tăng dự trữ glycogen trước đó được liệt kê, cơ bản ngăn chặn sự tổng hợp thêm glycogen trong gan và ngăn ngừa sự hấp thu glucose từ máu vào gan.

3. Thiếu hụt insulin (kéo dài kết hợp với tăng glucagon, sẽ bàn luận sau) hoạt hóa enzyme phosphorylase, cắt glycogen thành glucose phosphate.

4. Enzyme glucose phosphatase, bị ức chế bởi insulin, bây giờ trở nên hoạt động do dự thiếu hụt insulin làm cho gốc phosphate bị cắt khỏi glucose, cho phép glucose tự do khuếch tán trở lại máu.

Do đó, gan lấy glucose từ máu khi glucose tăng sau bữa ăn và đưa trở lại máu khi nồng độ glucose giảm giữa các bữa ăn. Thông thường, khoảng 60% glucose trong bữa ăn được dự trữ theo cách này tại gan và quay trở lại sau đó.

Insulin làm tăng chuyển glucose thừa thành acid béo và ức chế tân tạo glucose (gluconeogenesis) ở gan

Khi lượng glucose vào tế bào gan nhiều hơn lượng có thể dự trữ dưới dạng glycogen hoặc có thể sử dụng cho chuyển hóa tại tế bào gan, insulin làm tăng chuyển toàn bộ lượng glucose thừa này thành acid béo. Acid béo sau đó được đóng gói dưới dạng triglyceride trong VLDL, vận chuyển dưới dạng này từ máu đến mô mỡ và hình thành mỡ.

Insulin cũng ức chế quá trình tân tạo đường chủ yếu bằng cách giảm số lượng và hoạt động của các enzyme cần thiết cho quá trình tân tạo đường. Tuy nhiên, một phần hiệu ứng này gây ra bởi việc giảm giải phóng amino acid từ cơ và những mô khác ngoài gan và các tiền chất có sẵn cần thiết cho quá trình tân tạo đường. Hiện tượng này tiếp tục được thảo luận liên quan đến tác dụng của insulin lên chuyển hóa protein.

Sự vắng mặt tác dụng của insulin trong hấp thu và sử dụng glucose ở não

Não hoàn toàn khác so với những mô khác trong cơ thể, insulin có rất ít tác dụng trong việc hấp thu và sử dụng glucose. Hầu hết tế bào não cho phép thấm glucose và có thể sử dụng glucose không cần đến trung gian insulin.

Tế bào não cũng hoàn toàn khác so vơi những tế bào khác trong cơ thể, nó thường chỉ sử dụng glucose để cung cấp năng lượng, có thể sử dụng những phân tử năng lượng khác như chất béo chỉ khi khó khăn. Do đó, điều quan trọng là mức đường trong máu luôn được duy trì trên một mức giới hạn, đó là một trong những chức năng quan trọng nhất của hệ thống kiểm soát đường huyết. Khi mức đường huyết giảm xuống quá thấp, khoảng 20-50mg/100ml, các triệu chứng sốc hạ đường huyết bắt đầu xuất hiện, đặc trưng bởi kích thích thần kinh tiến triển dẫn đến ngất xỉu, co giật và thậm chí là hôn mê.

Tác dụng của insulin lên chuyển hóa carbohydrat ở các tế bào khác

Insulin tăng vận chuyển và sử dụng glucose ở hầu hết các tế bào trong cơ thể (trừ hầu hết tế bào não) theo cùng một cách tác động lên quá trình vận chuyển và sử dụng glucose ở tế bào cơ. Vận chuyển glucose vào tế bào mỡ chủ yếu cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp phần glycerol của phân tử chất béo. Vì vậy, bằng cách này, insulin gián tiếp làm tăng tích tụ chất béo trong tế bào.