Verschiedene Gewebe haben spezialisierte Stoffwechselprofile, die ihre einzigartigen Funktionen widerspiegeln. Das Verständnis des gewebespezifischen Stoffwechsels ist wesentlich, um zu verstehen, wie Stoffwechselerkrankungen bestimmte Organe betreffen und wie Stoffwechselwege im gesamten Körper koordiniert werden.

Die Leber

Die Leber ist das zentrale Stoffwechselzentrum, das Nährstoffe verarbeitet, speichert und verteilt. Hepatozyten enthalten das vollständige Arsenal an Stoffwechselenzymen und können sowohl Glucose verwerten als auch produzieren. Die Leber exprimiert Glucokinase anstelle von Hexokinase, die einen höheren Km-Wert für Glucose hat und nicht durch Glucose-6-phosphat gehemmt wird. Dies ermöglicht der Leber, Glucose nur dann zu phosphorylieren, wenn der Blutzucker erhöht ist, und verhindert einen futile cycle zwischen Glucoseaufnahme und Glucoseproduktion.

Die Leber ist der primäre Ort der Gluconeogenese, der Harnstoffsynthese, der Ketogenese und der Lipoproteinproduktion. Sie hat eine hohe Kapazität für die Fettsäureoxidation und kann Aminosäuren als gluconeogene Substrate verwenden. Die Zonierung der Leber erzeugt eine metabolische Spezialisierung entlang des Läppchens, wobei periportale Hepatozyten aktiver in der Gluconeogenese und Harnstoffsynthese sind, während perivenöse Hepatozyten aktiver in der Glykolyse und Lipogenese sind.

Skelettmuskel

Der Skelettmuskel ist das größte Gewebe nach Masse und macht einen großen Teil des Energieverbrauchs aus. Muskelfasern werden als Typ I, langsame oxidative Fasern, die hauptsächlich auf der Fettsäureoxidation beruhen und eine hohe Mitochondriendichte aufweisen, und Typ II, schnelle glykolytische Fasern, die mehr auf Glykolyse angewiesen sind und eine geringere Mitochondriendichte haben, klassifiziert. Der menschliche Muskel enthält eine Mischung von Fasertypen.

Während der Ruhe verwendet der Muskel hauptsächlich Fettsäuren. Während moderater Betätigung erhöht sich die Glucoseaufnahme durch AMPK-vermittelte GLUT4-Translokation, und sowohl Glucose als auch Fettsäuren werden verwendet. Während intensiver Betätigung überwiegt die Glykolyse und produziert Laktat. Der Muskel verfügt über große Glykogenspeicher von etwa 300 bis 400 Gramm insgesamt, die Glucose für die Glykolyse bereitstellen, ohne dass Blutglucose erforderlich ist. Während der Erholung wird Muskelglykogen durch die insulinabhängige Aufnahme von Glucose wieder aufgefüllt.

Fettgewebe

Fettgewebe existiert als weiße und braune Typen. Weißes Fettgewebe speichert Triacylglycerine und gibt während des Fastens Fettsäuren frei. Es exprimiert hormonsensitive Lipase und Adipose-Triglycerid-Lipase, die durch Katecholamine aktiviert und durch Insulin gehemmt werden. Fettgewebe fungiert auch als endokrines Organ und sezerniert Adipokine wie Leptin, Adiponektin und Resistin, die Appetit, Insulinsensitivität und Entzündung regulieren.

Braunes Fettgewebe ist auf Thermogenese durch das Entkopplerprotein 1 spezialisiert, das den mitochondrialen Protonengradienten als Wärme anstatt zur ATP-Erzeugung abbaut. Braunes Fettgewebe ist bei Säuglingen reichlich vorhanden und bei Erwachsenen in metabolisch signifikanten Mengen vorhanden, insbesondere in den supraklavikulären und paravertebralen Regionen. Kälteexposition aktiviert braunes Fettgewebe durch sympathische Stimulation und erhöht den Energieverbrauch.

Das Herz

Das Herz ist ein obligat aerobes Organ mit hohem Energiebedarf und verbraucht täglich etwa 6 Kilogramm ATP. Im Gegensatz zum Skelettmuskel behält das Herz eine kontinuierliche kontraktile Aktivität bei und kann nicht auf anaeroben Stoffwechsel zurückgreifen. Das Herz verwendet hauptsächlich Fettsäuren, die 60 bis 90 % seines Energiebedarfs decken. Die verbleibende Energie stammt in unterschiedlichen Anteilen von Glucose, Laktat und Ketonkörpern, abhängig von der Substratverfügbarkeit.

Das Herz exprimiert eine einzigartige Isoform der Laktatdehydrogenase, LDH1, die durch hohe Pyruvatspiegel gehemmt wird. Dies begünstigt die Umwandlung von Laktat in Pyruvat und ermöglicht dem Herzen, zirkulierendes Laktat als Brennstoff zu nutzen. Die metabolische Flexibilität des Herzens ermöglicht den Wechsel zwischen Substraten, aber bei Zuständen wie Herzinsuffizienz entwickelt sich eine metabolische Inflexibilität mit reduzierter Fettsäureoxidation und erhöhter Glucoseverwertung.

Das Gehirn

Das Gehirn hat die höchste Stoffwechselrate aller Organe und verbraucht etwa 20 % des Körper-Sauerstoffs, obwohl es nur 2 % des Körpergewichts ausmacht. Unter normalen Nahrungsaufnahmebedingungen verwendet das Gehirn fast ausschließlich Glucose. Glucose wird durch GLUT1 über die Blut-Hirn-Schranke transportiert und von Neuronen durch GLUT3 aufgenommen, das einen niedrigen Km-Wert hat und die Glucoseaufnahme auch bei niedrigem Blutzucker sicherstellt.

Während verlängerten Fastens passt sich das Gehirn an die Verwendung von Ketonkörpern an, hauptsächlich Beta-Hydroxybutyrat und Acetoacetat. Ketonkörper gelangen über Monocarboxylat-Transporter in das Gehirn und werden für die Energieproduktion in Acetyl-CoA umgewandelt. Nach etwa 3 Tagen Fasten liefern Ketonkörper etwa 30 % der Gehirnenergie, was nach mehreren Wochen des Hungerns auf 70 % ansteigt. Diese Anpassung reduziert die Notwendigkeit der Gluconeogenese aus Muskelprotein.

Rote Blutkörperchen

Erythrozyten besitzen keine Mitochondrien und sind für die ATP-Produktion vollständig auf die anaerobe Glykolyse angewiesen. Sie metabolisieren Glucose zu Laktat mit einer Rate von etwa 40 Gramm Glucose täglich. Rote Blutkörperchen nutzen auch den Pentosephosphatweg, um NADPH für die Aufrechterhaltung von reduziertem Glutathion und den Schutz vor oxidativen Schäden zu erzeugen.