Jak glukoza wnika do komórki?

Biologia komórki to fascynująca dziedzina nauki. Ale cząsteczki działające wewnątrz tych komórek czynią ją jeszcze bardziej interesującą. 

Jedną z takich cząsteczek w naszych komórkach jest glukoza. Jest to główne źródło energii naszego ciała i zasila komórki jak benzyna samochód. Jednak nasze ciało nie wytwarza glukozy samodzielnie. Pochodzi ona głównie z jedzenia, które spożywamy, a następnie krew przenosi ją do komórek w naszym ciele. [1]

Wnikanie glukozy do komórek to kolejny fascynujący proces. Znajomość tego może pomóc nam lepiej zrozumieć, jak komórki przekształcają ją w energię. A co, jeśli moglibyśmy uczynić to naukę trochę bardziej zabawną? Zbadajmy, jak glukoza wchodzi do komórek i zobaczmy, czy możemy dodać trochę energii do biologii komórki!

Dlaczego glukoza jest ważna?

Glukoza to prosty cukier (monosacharyd) złożony z sześciu atomów węgla, dwunastu atomów wodoru i sześciu atomów tlenu (C6H12O6). Przechowuje energię chemiczną pożywienia w stabilnej formie. Ta energia uwalniana jest do naszego systemu, gdy komórki rozkładają glukozę.

Glukoza jest niezbędna dla życia komórkowego prawie wszystkich organizmów. Większość komórek w naszym ciele używa tego prostego cukru jako głównego źródła paliwa, wraz z tłuszczami i białkami. Pozyskują z niej energię poprzez oddychanie komórkowe, które przekształca cukry w ATP (Adenozynotrójfosforan). [1-3]

W naszym ciele organem, który najbardziej potrzebuje glukozy, jest mózg. Jest to w rzeczywistości jedyne źródło energii dla mózgu do wykonywania różnych czynności. Neurony i ich chemiczne przekaźniki (neuroprzekaźniki) potrzebują jej do przetwarzania sygnałów. 

Nasz mózg nie może prawidłowo funkcjonować bez glukozy. Jej brak uniemożliwia neuronom produkcję neuroprzekaźników. W efekcie neurony mają trudności z wysyłaniem sygnałów do komórek docelowych. [4]

Jako główne źródło paliwa dla organizmu, glukoza pomaga metabolizować spożywane przez nas pokarmy. Wspiera niemal wszystkie etapy metabolizmu komórkowego, od tworzenia energii po produkcję hormonów i enzymów. Gdy glukoza się rozkłada, komórki produkują cząsteczkę przenoszącą energię ATP. Ta cząsteczka jest magazynem energii i niemal zasila każdy proces metaboliczny w komórce. [2, 3]

Uwaga: metabolizm to proces chemiczny, który umożliwia naszym komórkom przekształcanie jedzenia w energię. 

Jak glukoza wchodzi do komórek

Gdy jemy, jedzenie przechodzi do naszego żołądka przez przełyk. Żołądek zaczyna je rozkładać na mniejsze kawałki za pomocą kwasów i enzymów. 

Podczas tego procesu nasze ciało przekształca cząstki jedzenia w glukozę. Następnie trafia ona do jelit. Stamtąd wchodzi do naszego krwiobiegu. Potem insulinę przejmuje kontrolę i przenosi glukozę z krwi do naszych komórek. Kiedy glukoza podróżuje przez krew, często nazywamy ją cukrem we krwi. [5, 6]

Jednak wejście glukozy do komórek nie jest tak proste, jak się wydaje. Dwuwarstwa lipidowa komórek blokuje jej wejście ze względu na jej polarność. Dlatego używa specyficznych białek transportowych zwanych transporterami glukozy, aby wejść do komórek. 

Rysunek 1. Metabolizm glukozy w normalnej komórce
Źródło: Martel i współpracownicy [16], CC-BY-4.0.

Białka nośnikowe zwykle transportują różne cząsteczki w zależności od typu zaangażowanej komórki. Mają wyspecjalizowane receptory zaprojektowane do rozpoznawania specyficznych cząsteczek, takich jak glukoza. Te białka pomagają następnie glukozie dotrzeć do naszych komórek do wykorzystania lub magazynowania jako energii. Ogólnie rzecz biorąc, większość komórek może wyrażać kilka typów transporterów glukozy. [7, 8]

Wchłanianie glukozy do naszych komórek zwykle obejmuje dwa typy białek transportowych:

• Transportery zależne od sodu. Ten typ transportera przenosi sód przez błonę komórkową za pomocą transportu aktywnego. Następnie sód dyfunduje, aby przenieść cząsteczkę glukozy do wnętrza komórki. Ten proces jednak wymaga energii komórkowej, aby transportować glukozę przez błonę plazmatyczną. [7]
• Transportery niezależne od sodu. Ten typ transportera nie polega na sodzie, aby transportować glukozę do i z komórek. Pozwala glukozie wejść do komórki poprzez proces zwany ułatwioną dyfuzją. Podczas tego procesu specyficzne białka działają jako brama dla cząsteczek, aby przekroczyć barierę lipidową. Proces ten nie wymaga energii od komórki i przenosi glukozę do niej z niewielkim wysiłkiem. To tak, jakby nie było WEJŚCIA do ani WYJŚCIA z komórki. [9]

Krótko mówiąc, przenosząc glukozę, te białka transportujące dostarczają naszym komórkom paliwo, którego potrzebują. Zapewniają również, że do komórki trafia tylko odpowiednia ilość glukozy. W przeciwnym razie nadmierny napływ glukozy zakłóciłby procesy metaboliczne w naszych komórkach. W efekcie mogłoby to prowadzić do niepożądanych skutków ubocznych, takich jak stan zapalny lub obrzęk. [7-9]

Mówiąc prosto, białka transportujące regulują glukozę, aby utrzymać wewnętrzną stabilność naszego organizmu.

Co robi glukoza w naszym organizmie?

Gdy glukoza dostaje się do naszego organizmu, krąży po całym ciele za pośrednictwem krwiobiegu. Dopóki pozostaje we krwi, korzysta z układu krążenia jak z rurociągu paliwowego. Glukoza opuszcza ten rurociąg, gdy poziom cukru we krwi wzrasta lub gdy nasze komórki potrzebują uzupełnić zapasy paliwa.

Nasze ciało działa tak, aby utrzymać stały poziom glukozy we krwi. Trzustka odgrywa kluczową rolę w tym, jak organizm radzi sobie z poziomem cukru. Jej komórki beta co kilka sekund sprawdzają poziom glukozy we krwi. Te komórki uwalniają insulinę, gdy wykryją wzrost poziomu cukru. [8]

Glukoza we krwi nie może sama wejść do komórek. Potrzebuje pomocy, aby opuścić krwiobieg. Insulina pełni tę rolę, działając jak klucz. Informuje komórki, aby się otworzyły, dzięki czemu glukoza może do nich wejść. Następnie glukoza przechodzi z krwi i przyłącza się do białka transportującego na powierzchni komórek. Po przekroczeniu barier lipidowych komórki wykorzystują ją lub magazynują według własnych potrzeb. [8, 10]

Co się stanie, jeśli mam cukrzycę?

Cukrzyca pojawia się, gdy nasz organizm nie produkuje wystarczającej ilości insuliny. Brak insuliny oznacza więcej glukozy we krwi niż zwykle. Ten wysoki poziom cukru we krwi z czasem prowadzi do stanu zwanego hiperglikemią. Stan ten może zmienić sposób, w jaki nasze ciało przetwarza i magazynuje glukozę w komórkach.

U osób z hiperglikemią glukoza wnika do komórek wolniej niż zwykle z powodu niskiego poziomu insuliny. W efekcie pozostaje w krwiobiegu zamiast przedostać się do komórek. Jeśli glukoza pozostaje tam przez długi czas, może uszkodzić naczynia krwionośne dostarczające tlen do naszych narządów. [11, 12]

Co więcej, ograniczony dostęp do glukozy może pozbawić komórki paliwa niezbędnego do prawidłowego funkcjonowania. Komórki zaczynają wtedy wykorzystywać tłuszcz z organizmu jako paliwo. Z czasem to spalanie tłuszczu może prowadzić do zagrażającego życiu powikłania zdrowotnego zwanego kwasicą ketonową cukrzycową (wysoki poziom kwasów we krwi). [13, 14]

Pacjenci z cukrzycą powinni przyjmować leki i wprowadzać zmiany w stylu życia, aby utrzymać poziom cukru we krwi pod kontrolą. Modyfikacje stylu życia, które mogą wprowadzić, obejmują następujące działania:

• Spożywanie zrównoważonej diety
• Wybieranie produktów o niskim indeksie glikemicznym (IG)
• Regularne spożywanie posiłków
• Picie dużej ilości wody
• Unikanie palenia i alkoholu
• Utrata wagi
• Dołączenie do programu ćwiczeń

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Gdzie jest magazynowana nadmiarowa glukoza?

Po uzupełnieniu potrzeb energetycznych komórki magazynują pozostałą glukozę w małych pakietach, przekształcając ją w glikogen. Glikogen jest przechowywany w wątrobie i mięśniach. Nasze ciało może zgromadzić wystarczającą ilość glikogenu, aby zasilić nas przez około jeden dzień.

Jeśli jednak glukoza pozostaje nawet po zmagazynowaniu jej jako glikogen, nasze ciało przekształca ją w tłuszcz. Ta konwersja często zachodzi w wątrobie i tkance tłuszczowej. A jeśli nasza podaż węglowodanów regularnie przekracza możliwości magazynowania glikogenu, tłuszcze zaczynają się gromadzić. To nagromadzenie tłuszczu zwiększa ryzyko różnych schorzeń, w tym cukrzycy, stłuszczenia wątroby i chorób serca. [8, 10]

Jak wykorzystywane są cząsteczki glukozy wewnątrz komórek?

Gdy glukoza wiąże się z powierzchnią komórki, białka transportowe pomagają jej dostać się do środka. Komórka następnie wykorzystuje lub magazynuje glukozę według własnych potrzeb. Jeśli komórka musi uzupełnić zapasy paliwa, rozkłada glukozę, aby stworzyć ATP (patrz Rysunek 1). 

Cząsteczka ATP jest jak waluta energetyczna komórki. Komórki używają jej do zasilania prawie wszystkich działań, w tym reakcji metabolicznych, procesów poznawczych i ekspresji genów. [15]

Porady dotyczące kontroli szybkości trawienia glukozy

Skutecznym sposobem na utrzymanie poziomu cukru we krwi pod kontrolą jest regulowanie szybkości trawienia glukozy. W ten sposób możemy utrzymać stabilny poziom cukru, unikając nagłych skoków. Poniżej przedstawiono kilka technik, które można zastosować, aby regulować szybkość trawienia:

• Spróbuj jeść produkty o niskim IG i wysokiej zawartości błonnika. Te wybory żywieniowe spowolnią tempo trawienia, ponieważ zawierają mniej przyswajalnych węglowodanów.
• Jedz powoli. Kiedy jemy powoli, pomaga nam to lepiej kontrolować, ile spożywamy. Ten nawyk żywieniowy może zapewnić, że nie przejemy się.
• Wybieraj złożone posiłki. Rozważ spożywanie złożonych węglowodanów zamiast prostych cukrów, aby spowolnić proces trawienia. Nasze ciała szybko wchłaniają proste cukry, takie jak biały ryż czy biały chleb. Ta szybka prędkość trawienia może powodować nagły wzrost poziomu cukru we krwi.

Ostateczne przemyślenia

Glukoza jest głównym źródłem energii dla prawie wszystkich komórek w naszych ciałach. Jednak gdy poziom glukozy we krwi pozostaje wysoki przez długi czas, mogą wystąpić różne problemy zdrowotne.

Dlatego osoby z cukrzycą powinny rozumieć, jak glukoza wchodzi do naszych komórek i jak jest w nich wykorzystywana. Dzięki tej wiedzy mogą lepiej regulować poziom cukru we krwi i unikać niepotrzebnych skoków glukozy.

Bibliografia

1. Chen LQ, Cheung LS, Feng L, Tanner W, Frommer WB. Transport cukrów. Annu Rev Biochem. 2015 Jun 2;84(1):865-94. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-060614-033904. 

2. Richter EA, Hargreaves M. Ćwiczenia, GLUT4 i wychwyt glukozy przez mięśnie szkieletowe. Physiological reviews. 2013 Jul 1; 93(3):993-1017. DOI: https://doi.org/10.1152/physrev.00038.2012. 

3. Gurung P, Zubair M, Jialal I. Glukoza w osoczu. StatPearls. 2022 Nov 23. Bookshelf ID: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk541081/.

4. Hwang JJ, Jiang L, Sanchez Rangel E, Fan X, Ding Y, Lam W, Leventhal J, Dai F, Rothman DL, Mason GF, Sherwin RS. Zmienność glikemii i poziomy glukozy w mózgu w cukrzycy typu 1. Diabetes. 2019 Jan 1;68(1):163-71. DOI: https://doi.org/10.2337/db18-0722. 

5. Mulukutla BC, Yongky A, Le T, Mashek DG, Hu WS. Regulacja metabolizmu glukozy – perspektywa z bioprocesów komórkowych. Trends in biotechnology. 2016 Aug 1;34(8):638-51. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.04.012. 

6. Chandel NS. Metabolizm węglowodanów. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2021 Jan 1;13(1):a040568. DOI: https://doi.org/10.1101/cshperspect.a040568. 

7. Navale AM, Paranjape AN. Transportery glukozy: role fizjologiczne i patologiczne. Biophysical reviews. 2016 Mar;8(1):5-9. DOI: https://doi.org/10.1007%2Fs12551-015-0186-2. 

8. Hantzidiamantis PJ, Lappin SL. Fizjologia, glukoza. W: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan. Bookshelf ID: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK545201/. 

9. Szablewski L. Rozdział wprowadzający: transportery glukozy. W: Blood Glucose Levels 2019 Feb 18. IntechOpen. DOI: https://doi.org/10.5772/intechopen.82263. 

10. Nakrani MN, Wineland RH, Anjum F. Fizjologia, metabolizm glukozy. W: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan. Bookshelf ID:: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK560599/. 

11. Richter B, Hemmingsen B, Metzendorf MI, Takwoingi Y. Rozwój cukrzycy typu 2 u osób z pośrednią hiperglikemią. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2018(10):CD012661. DOI: https://doi.org/10.1002%2F14651858.CD012661.pub2. 

12. Tabák AG, Herder C, Rathmann W, Brunner EJ, Kivimäki M. Stan przedcukrzycowy: stan wysokiego ryzyka rozwoju cukrzycy. The Lancet. 2012 Jun 16;379(9833):2279-90. DOI: https://doi.org/10.1016/s0140-6736(12)60283-9. 

13. Berbudi A, Rahmadika N, Tjahjadi AI, Ruslami R. Cukrzyca typu 2 i jej wpływ na układ odpornościowy. Current diabetes reviews. 2020 May;16(5):442. DOI: https://doi.org/10.2174/1573399815666191024085838.

14. Khan RM, Chua ZJ, Tan JC, Yang Y, Liao Z, Zhao Y. Od stanu przedcukrzycowego do cukrzycy: diagnoza, leczenie i badania translacyjne. Medicina. 2019 Aug 29;55(9):546. DOI: https://doi.org/10.3390/medicina55090546.  

15. Bonora M, Patergnani S, Rimessi A, De Marchi E, Suski JM, Bononi A, Giorgi C, Marchi S, Missiroli S, Poletti F, Wieckowski MR. Synteza i magazynowanie ATP. Purinergic signalling. 2012 Sep;8(3):343-57. DOI: https://doi.org/10.1007/s11302-012-9305-8. 

16. Keating E, Martel F. Antymetaboliczne efekty polifenoli w komórkach raka piersi: Skupienie na wychwycie i metabolizmie glukozy. Frontiers in nutrition. 2018 Apr 16;5:25. DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2018.00025.