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Integration of body fuel metabolism 2013


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Integration of body fuel metabolism 2013

  1. 1. Integration of body fuel metabolism Atif Hassan Khirelsied, Ph.D , Department of Biochemistry Faculty of Medicine International University of Africa
  2. 2. Integration of Metabolism1. Interconnection of pathways2. Metabolic profile of organs3.3 Food intake starvation and obesity intake,4. Fuel choice during exercise5. Hormonal regulation of metabolism 2
  3. 3. Connection of Pathways 1. ATP is generated by oxidation of 1 ATP is generated by oxidation of glucose, fatty acids, and amino acids  ; common intermediate ‐> acetyl  CoA ; electron carrier ‐> NADH and  FADH22. Synthesis and degradation pathways  almost always separated  ‐>  Compartmentation !!! 5
  4. 4. Biosynthetic functions of glycolysis. Compounds formed from intermediates of glycolysis are shown in blue.
  5. 5. In the liver, TCA cycle intermediates are used for fatty acids synthesis, amino y y yacids synthesis, gluconeogenesis, and heme synthesis.In the brain α ketoglutarate is converted to neurotransmitter glutamate and brain, α-ketoglutarate neurotransmitter,GABA.
  6. 6. The amphibolic role of the TCA cycle. 
  7. 7. Key Junctions between Pathways 12
  8. 8. Key Junctions between Pathways• G‐6‐P is a central in  carbohydrate metabolism• It links PPP, glycogenesis,  glycogenolysis t l l i l l i to glycolysis. 
  9. 9. Key Junctions between Pathways• Pyruvate is another important intermediate of carbohydrates and  amino acids metabolism• It links gluconeogenesis and amino acids metaabolism to glycolysis.  14
  10. 10. Acetyl‐CoA is derived from the oxidation of various fuels Acetyl CoA 
  11. 11. The central role of acetyl‐CoA in fuel metabolism
  12. 12. Metabolic Profile of Body Organs 17
  13. 13. Metabolic Profile of Organs 18
  14. 14. 1. Metabolic Profile of Brain • Glucose is fuel for human brain  ‐>  Glucose is fuel for human brain > consumes 100‐120g/day ‐> 60‐70 %  of utilization of glucose.• In starvation ‐> ketone bodies can  replace glucose. 19
  15. 15. 1. Metabolic Profile of Muscles• Major fuels are glucose, fatty acids, and ketone bodies Major fuels are glucose fatty acids and ketone bodies• Has a large storage of glycogen  > about ¾ of all  Has a large storage of glycogen ‐> about ¾ of all glycogen stored in muscles• Glucose is preferred fuel for burst of activity ‐>  p oduc o o ac a e (a ae obe) production of lactate (anaerobe)• Fatty acid major fuel in resting muscles and in heart  y j g muscle (aerobe) 20
  16. 16. 2. Metabolic Profile of Muscles  21
  17. 17. 3. Metabolic Profile of Adiposite tissue• Triacylglycerols are stored in  tissue ‐> enormous reservoir of  metabolic fuel.• Needs glucose to synthesis  TAG. TAG• Glucose level determines if  fatty acids are released into  blood. 22
  18. 18. 4. Metabolic Profile of Kidney 4 M b li P fil f Kid• Production of urine ‐> secretion of waste products.• Blood plasma is filtered (60 X per day) ‐> water and  glucose reabsorbed.• During starvation ‐> important site of gluconeogenesis,  produces ½ of blood glucose.• 23
  19. 19. 5. Metabolic Profile of the Liver (Glucose)the Liver (Glucose)• Essential for providing  fuel to brain, muscle,  other organs• Most compounds  absorpt by diet pass by diet pass  through liver.• It regulates the levels of  metabolites in blood. e abo es b ood 24
  20. 20. Metabolic Activities of the Liver (Amino  (Acids)α‐Ketoacids (derived from amino acid degradation) d d ti )‐> liver’s own fuel 25
  21. 21. Metabolic Activities of the Liver (Fatty  ( yAcids)• Cannot use  acetoacetate as fuel. 26
  22. 22. Fuel Metabolism During Fed and Fuel Metabolism During Fed and Fast State Conditions 27
  23. 23. Food Intake, Starvation, and ObesityNormal Starved‐Fed Cycle:1. Postabsorptive state ‐> after a meal2. Early fasting state ‐> during the night2 Early fasting state > during the night3. Refed state ‐> after breakfast4. Prolonged fasting ‐> 12 hrs.5. Starvation ‐> days ‐> Major goal is to maintain blood‐glucose level! 28
  24. 24. 1.Postabsorptive state• Glucose + Amino acids ‐> transport from intestine to  blood bl d• Dietary lipids transported ‐> lymphatic system ‐>  blood.  bl d• Glucose stimulates ‐> secretion of insulin.  29
  25. 25. 1.Postabsorptive stateInsulin: l‐> signals fed state g‐> stimulates storage of fuels and synthesis of proteins ‐> high level ‐> glucose enters muscle + adipose tissue (synthesis of TAG)‐> stimulates glycogen synthesis in muscle + liver‐> suppresses gluconeogenesis by the liver > suppresses gluconeogenesis by the liver‐> accelerates glycolysis in liver ‐> increases synthesis of fatty acids‐> accelerates uptake of blood glucose into liver ‐> glucose 6‐phosphate more rapidly formed than level of blood glucose rises ‐> built up of glycogen stores 30
  26. 26. Insulin Secretion –Stimulated by Glucose Uptake 31
  27. 27. Insulin Secretion –Stimulated by GlucoseUptake 32
  28. 28. PostabsorptiveState -> after aMeal 33
  29. 29. 2. Early Fasting State 2 E l F i S• Blood‐glucose level drops after several hours after  Bl d l l ld ft lh ft the meal ‐> decrease in insulin secretion ‐> rise in  glucagon secretion l ti• Low blood‐glucose level ‐> stimulates glucagon  secretion of α‐cells of the pancreas p 34
  30. 30. 2. Early Fasting State Glucagon: ‐> signals starved state ‐> mobilizes glycogen stores (break down) ‐> inhibits glycogen synthesis > inhibits glycogen synthesis ‐> main target organ is liver ‐> inhibits fatty acid synthesis ‐> stimulates gluconeogenesis in liver > stimulates gluconeogenesis in liver ‐> large amount of glucose in liver released to blood stream ‐>  maintain blood‐glucose level y g Muscle + Liver use fatty acids as fuel when blood‐glucose level  drops 35
  31. 31. Early Fasting State ‐> During the Night 36
  32. 32. 3. Refed State•Fat is processed in same way as normal fed state•First > Liver does not absorb glucose from blood (diet)•First ‐> Liver does not absorb glucose from blood (diet) y g gy g•Liver still synthesizes glucose to refill liver’s glycogen stores•When liver has refilled glycogen stores + blood‐glucose level still rises ‐> liver synthesizes fatty acids from excess glucose 37
  33. 33. Prolonged  fasting, StarvationWell‐fed 70 kg human ‐> fuel reserves about 161,000 kcal ‐> energy needed for a 24 h period ‐> 1600 kcal ‐ 6000 kcal ‐> sufficient reserves for starvation up to 1 – 3 ffi i t f t ti t 1 3 months th‐> however glucose reserves are exhausted in 1 dayEven under starvation ‐> blood‐glucose level must be above 40 mg/100 ml 38
  34. 34. Prolonged  fasting, StarvationFirst priority ‐> provide sufficient glucose to brain and  p y p gother tissues that are dependent on it.Second priority ‐> preserve protein ‐> shift from  p y p putilization of glucose to utilization of fatty acids + ketone bodies.‐> mobilization of TAG in adipose tissues + ggluconeogenesis by liver ‐> muscle shift from glucose to  g y gfatty acids as fuel. 39
  35. 35. Prolonged  fasting, Starvation• After 3 days of starvation ‐> liver forms large amounts  of ketone bodies (shortage of oxaloacetate) ‐>  released into blood ‐> brain and heart start to use  ketone bodies as fuel• After several weeks of starvation ‐> ketone bodies  major fuel of brain.• After depletion of TAG stores ‐> proteins degradation  accelerates ‐> death due to loss of heart, liver, and  kidney function  40
  36. 36. Prolonged  fasting, Starvation 41