人體細胞的能量-葡萄糖與改善”二型糖尿病”的機轉 - ger0830 的部落格

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人體細胞的能量-葡萄糖與改善”二型糖尿病”的機轉

2020/05/27 10:40

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運動藉AMPK(活化蛋白激酶),激發調節”細胞”能量充電,強化AMPK 訊息路徑而影響葡萄糖和脂質代謝，基因表達和蛋白質合成。由GLUT-4轉運蛋白改善”二型糖尿病”。

胰臟會分泌胰島素，它可使血液中的葡萄糖進入細胞內，提供人體的日常能量。當胰島素不足或胰島素功能異常的時候，葡萄糖沒辦法進入細胞，就會積聚在血液中，形成血糖濃度升高，而過多的糖會經由尿液排出體外形成糖尿病。在臨床上，一旦有兩次空腹8小時血糖值大於等於126 mg/dL，口服75克葡萄糖耐受測試2小時後，血糖值大於等於200 mg/dL，或糖化血色素(HbA1c)大於等於6.5%，就可診斷為糖尿病。

註:

「糖化血色素」(HbA1c); 人體血液中的紅血球含有血色素，當血液中的葡萄糖進入紅血球，和血紅素結合後，就形成糖化血色素。一般紅血球平均壽命為120天，葡萄糖附在血色素上不容易脫落，因此檢查血中糖化血色素的濃度，可以反映體內最近2-3個月的血糖控制情況。「糖化血色素」>=6.5%作為糖尿病診斷標準。一般人糖化血色素的正常值約為4-6％，糖尿病人宜控制在7％以下。如果平時不忌口，看門診前才臨時抱佛腳，開始規則服藥、控制飲食，此時的血糖可以控制得很標準，但「糖化血色素」仍看得出端倪。

「糖尿病」簡單來說，就是血液中的糖分變多，但身體沒辦法利用這些糖分，等於讓整個身體都泡在糖水裡，卻沒辦法獲得糖水的熱量，所以會一直覺得很餓。而身體之所以會沒辦法使用糖分，有幾個原因：

1.缺乏能幫助身體利用糖分的胰島素.

2.製造胰島素的胰島細胞不明原因壞死.

3.攝取的糖分、熱量過高. GI是Glycemic index 縮寫，意指升糖指數。當人體攝取高升糖指數的食物時，體內血糖會急速上升，而身體為了平衡機能，會大量分泌胰島素去抑制血糖。與此同時，胰島素也會使體脂肪形成。血糖被抑制後還會讓大腦產生飢餓的錯覺，誘使人體繼續進食。

4.過胖. 肥胖使得在肌肉和肝醣(glycogen)合成酵素的活性也變差，使得血糖變高，會更加阻礙胰島素的活動，就在這樣胰島素效果不彰的交互影響下，產生糖尿病、高血壓、高血脂症的危險性。

5.有其他的慢性病如高血壓、高血脂或癌症當這些原因持續很長一段時間之後，身體再也無法恢復到可以正常「利用糖分」的狀態，就會形成糖尿病及新陳代謝症候群(metabolic syndrome)。
第二型糖尿病又稱「非胰島素依賴型糖尿病」，這類型的糖尿病患，他們的胰臟是還有製造分泌胰島素的能力，但身體卻因以下兩點無法有效的利用胰島素:

1.胰島素分泌量不足：胰島素分泌量不足，患者體內胰島素的作用機制可能還好，所以在早期還不容易察覺到異常，但因為之後胰島素量逐漸減少的狀態，而無法控制血糖的濃度，使病患無法和健康的人一樣，快速代謝血糖。

2.胰島素阻抗：當飲食中充滿大量可快速吸收的糖分，細胞及周邊組織(脂肪及骨肌組織)就會慢慢對胰島素產生抗性或變得麻痹，需要更多胰島素來維持血糖的平衡，而體內的細胞無法正常且有效的讓葡萄糖進入，稱為胰島素阻抗。

改善二型糖尿病患者症狀的即時及長期建議方式;即消耗即時的血糖量,長期期盼促進對胰島素的敏感度.

AMPK 主要是調節細胞能量充電的作用。激發AMPK 訊息路徑而影響葡萄糖和脂質代謝，基因表達和蛋白質合成,慢性AMPK激活限制了甘油三酸酯的積累。最重要是在調節肝，骨骼肌，心臟，脂肪組織和胰腺(消化蛋白质、脂肪和糖的作用的代謝)。當AMPK 被磷酸化後會激發其活性，活化後的AMPK 做為代謝調節的樞紐磷酸化其下游的物質，發揮調節糖、脂肪代謝的作用,阻止腫瘤快速增殖的新陳代謝，以及恢復糖尿病患者肝臟和其他組織的正常功能。
AMPK作為調控能量穩態的重要”激酶”，是真核生物細胞和有機體代謝的中心調節劑之一，負責監管細胞的能力輸入和輸出，維持細胞生理活動的平穩運轉。同時，AMPK也是一個參與多種信號傳導通路的關鍵蛋白。AMPK一旦激活，主要調控在哺乳動物的四大類代謝：蛋白質代謝、脂質代謝、糖類代謝以及自噬和線粒體穩態，幾乎包含生命體的整個生理代謝活動。
自噬主要功能是降解過大的細胞結構（如泛素-蛋白酶體系），並通過重複利用胺基酸來維持細胞功能，使細胞在飢餓條件下存活。

脂質的代謝

脂肪原本是難以燃燒的，要讓內臟脂肪等儲存在身體內的中性脂肪作為能量來使用的話，游離脂肪酸是不可或缺的。為了要產生這個游離脂肪酸，肌肉訓練(無氧運動)是最有效的。而肌肉訓練後的代謝會比平常人來的高一點，所以在訓練後不用特別做甚麼運動也可以在日常生活中消耗脂肪。因為先做肌肉訓練會使得成長賀爾蒙分泌。成長賀爾蒙大量分泌的話會使的血糖值上升，促進脂肪酸的燃燒。

有氧運動(快走’慢跑)亦是降低體脂肪的利器; 有氧運動是花費較少的肌肉量使用大量的氧氣來進行的運動。是讓作為能量來源並儲存在體內的體脂肪燃燒的有效運動，對減脂也十分的有效果。要讓脂肪可以燃燒，則至少需要連續運動20分鐘才會有效果。若運動的時間不夠儲存的脂肪則無法燃燒，而運動了20分鐘後作為脂肪分解酵素的脂酶分泌之後，脂肪才會開始燃燒。若是無法連續運動20分鐘以上，可搭配著肌肉訓練一起做，效果會比較好。
註:

1.激酶

激酶(kinase)是一類生物化學裡的分子，從高能供體分子（如ATP）轉移磷酸基團到特定靶分子（底物）的酶，這一過程謂之磷酸化。最大的激酶族群是蛋白激酶。蛋白激酶作用於特定的蛋白質，並改變其活性。

2.鈣調神經磷酸酶(calcineurin)

鈣調神經磷酸酶 （ CaN ）是鈣和鈣調蛋白依賴性的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶（也稱為蛋白質磷酸酶3和鈣依賴性的絲氨酸-蘇氨酸磷酸酶）。它激活免疫系統的T細胞，並可能被藥物阻斷。鈣調神經磷酸酶通過使磷酸化的磷酸化激活活化的T細胞胞質（ NFATc ）的核因子。然後，活化的NFATc 易位到細胞核中，在細胞中上調白介素2 （IL-2）的表達，從而刺激T細胞反應的生長和分化。鈣調神經磷酸酶是稱為鈣調神經磷酸酶抑製劑的一類藥物的靶標，其中包括環孢菌素， voclosporin ，吡美莫司和他克莫司。鈣調神經磷酸酶和NFAT可能會改善糖尿病患者的胰島 β細胞的功能。

3.活性氧物質 (Reactive oxygen species；ROS)

是人體內氧化代謝過程及自然防禦系統中，所產生具有高度活性的物質。活性氧物質,分為含氧自由基及非自由基，而自由基 (Free radical) 定義為具獨立不成對電子的原子、分子或離子，例如H‧、‧OH 、O2 -‧、HO2‧、NO、NO2，而含氧自由基則定義為氧氣在體內代謝之後所衍生出活性高、攻擊性強的氧氣化合物，如：1O2、O2 -‧、‧OH、H2O2。

一般來說，ROS主要可以分成四大類：

(1) 超氧化物陰離子 (O2-‧)

(2) 氫氧自由基 (‧OH)

(3) 過氧化氫 (H2O2)

(4) 單重態氧 (Single oxygen, 1O2)

ROS的來源有內在及外在兩個方面，外在方面包含空氣污染、離子輻射、傳染、抽菸、毒物入侵；而內在方面則經由人體內的氧化反應、粒線體電子傳遞鏈產生。過量的ROS會破壞體內抗氧化防禦系統恆定性，由於這些具有未成對電子的氧化物質含有相當活潑的化學性質，因此會攻擊體內許多分子而造成生物體內氧化性傷害，例如：

ROS會攻擊體內細胞膜上之多元性不飽和脂肪酸，形成脂質過氧化反應，並與膜上之接受器產生共價結合，進而導致細胞膜完整性遭受破壞。

ROS與蛋白質產生交錯連結反應，改變蛋白質結構或使蛋白變性，進而促使生物體內負責催化代謝反應之酵素活性喪失。

ROS會攻擊DNA分子的鹼基結構，進一步產生基因突變或毒性。

這些反應會造成細胞損傷、破壞，甚至導致細胞死亡，進一步產生體內正常生理調節反應受阻及氧化壓力 (Oxidative stress)危機，根據許多文獻指出，這些自由基的破壞以及在體內的堆積，是形成老化相關現象與疾病的重要原因之一，例如：退化性疾病、癌症、心血管疾病、關節炎等等，其中有研究報導，現代成人病中約有85% 與ROS及過氧化脂質有關。

雖然活性氧物質容易對體內細胞造成種種損傷，但事實上，適量的活性氧物質是維持生命所必需的，例如：白血球活化時可產生超氧陰離子與過氧化氫等活性氧物質，這可以幫助白血球殺滅細菌。而活性氧物質會不會對人體造成傷害，主要決定於體內產生的活性氧物質與體內抗氧化防禦系統之間是否可以達到平衡，然而此種平衡會因疾病、營養不良或隨著年齡的增長而受到破壞，一旦失去平衡，即會形成氧化壓力，劇烈的氧化壓力仍然會造成細胞傷害或死亡，進而導致許多疾病的形成。要消除與疾病相關的氧化壓力，可以從飲食中攝取豐富的蔬菜與水果，以確保身體中具有充分的抗氧化營養素。

4.肌肉的暫時缺氧(hypoxia)

人體各種形式的運動，主要靠肌肉的收縮來完成。肌肉收縮需要能量，這能量主要依靠肌肉組織中的醣類物質分解來提供。在氧氣充足的情況下，如人體處於靜息狀態時，肌肉中的醣類物質直接分解成二氧化碳和水，釋放大量能量。但人體在劇烈活動時，骨骼肌急需大量的能量，儘管此時呼吸運動和血液循環都大大加強，卻仍然不能滿足肌肉組織對氧的需求，致使肌肉處於暫時缺氧狀態。結果醣類物質分解出乳酸，釋放的能量也比較少。乳酸在肌肉內大量堆積，便刺激肌肉塊中的神經末梢產生酸痛感覺；乳酸的積聚又使肌肉內的滲透壓增大，導致肌肉組織內吸收較多的水分而產生局部腫脹。
經常運動的人，運動時肌肉能獲得較為充足的氧氣，醣類物質分解的乳酸較少，肌肉就不會有明顯的痛感。在運動前先做好準備活動，運動後也要做些肌肉放鬆的活動，以促進血液循環，這樣，肌肉的疼痛就可以減輕。

氧氣充足的情況下，大部分的葡萄糖會完全氧化，產生能量及二氧化碳。但在氧氣供應量相對不足時，葡萄糖只能部分燃燒並產生乳酸（Lactate）。除了氧氣不足之外，糖解作用加速、乳酸清除速率降低、快縮肌群被徵召都是乳酸濃度升高的原因。

推估的結論:

(1.)乳酸不一定是運動時肌肉與血液變酸的原因。

(2.)乳酸在一個小時內就會回復到運動前的濃度，一般人實在不需擔心乳酸排除的問題。

(3.)乳酸不會造成遲發性肌肉痠痛。

(4.)乳酸未必會造成運動時的疲勞，部分研究甚至認為乳酸能促進運動表現。

(5.)乳酸不是代謝廢物，人體許多重要器官都能以乳酸作為燃料。

5.過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物1-alpha （PGC-1α）

一種在人類中由PPARGC1A 基因編碼的蛋白質。 PPARGC1A也被稱為人類加速區 20（ HAR20 ）。因此，它可能在區分人與猿的過程中發揮了關鍵作用。

PGC-1α是一種轉錄共激活因子，可調節參與能量代謝的基因。它是線粒體生物發生的主要調節劑。該蛋白與核受體 PPAR-γ相互作用，從而使該蛋白與多種轉錄因子相互作用。該蛋白可以與cAMP反應元件結合蛋白（ CREB ）和核呼吸因子（NRF）相互作用並調節其活性。它提供了外部生理刺激與線粒體生物發生調節之間的直接聯繫，並且是導致驅動慢肌纖維的形成而非快肌纖維類型的主要因素。

耐力運動已被證明可以激活人體骨骼肌中的PGC-1α基因。運動引起的骨骼肌PGC-1α增強自噬和展開的蛋白質反應。

PGC-1α蛋白也可能參與控制血壓，調節細胞膽固醇的穩態和肥胖症的發展。

6.氧化磷酸化

氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，縮寫作 OXPHOS）是細胞的一種代謝途徑，該過程在真核生物的粒線體內膜或原核生物的細胞膜上發生，使用其中的酶及氧化各類營養素所釋放的能量來合成三磷酸腺苷（ATP）。雖然地球上的生物消耗的能源物質範圍極廣，為合成代謝直接提供能量的分子卻幾乎都是ATP。幾乎所有的好氧性生物都以三羧酸循環-氧化磷酸化作為製造ATP的主要過程。該途徑如此普遍的原因可能是與其他的代謝途徑，特別是糖解之類的無氧發酵途徑相比，它能更高效地釋放能量。

7.肌纖維(Fiber type transformation)

動物肌纖維的顏色有深有淺，因此早期主要根據肌纖維的顏色而分為紅肌（red muscle）與白肌（white muscle）兩類；後來又按肌纖維的生理特點而分為慢縮肌（slow twitch 或 Type I）及快縮肌（fast twitch 或 Type II）；更有人把快縮肌再分為 Type IIA、Type IIB 及 Type IIC。不過，在每一個運動單位內的肌纖維都只會屬於同一類形，亦即是說，「快」運動單位內只包含有快肌纖維，「慢」運動單位內則只有慢肌纖維。不過，在同一塊肌肉之內，卻可以由不同數量的「快」和「慢」運動單位所組成。

相比之下，「慢」和「快」肌纖維的特點很多時都出現『相反』的情況。

由於較細小的運動神經元有較低的刺激閾值，所以慢肌纖維會較先被徵用於活動之中。

因此，慢肌纖維主要負責低強度的活動，而較高強度的運動則由 Type IIA 乃至是 Type IIB 快肌纖維負責。

因為慢肌纖維包含更高密度的粒線體和肌紅蛋白，而且血液的供應亦較充足，所以比快肌纖維有較高的有氧代謝和生產 ATP 的能力，而且亦較耐勞。

反過來說，由於快肌纖維有較高的 PC 和醣元儲備，而且相關的酵素活動亦較高，所以較能產生強而有力的輸出。

基於種種在結構、生化和功能上的分別，快肌纖維會傾向被徵用於短時間而強度大的活動，而慢肌纖維則會被主要徵用於長時間的耐力活動。

總括來說，在一般的情況下，慢肌纖維會最先被徵用於活動之中，再視乎活動的強度、持續時間或疲勞的出現，快肌纖維亦會加入工作的行列。

對於中等強度的活動，慢肌纖維和 Type IIA 纖維會一同運作，若活動持續下去，Type IIB 纖維亦會加入工作。至於更高強度的活動，慢肌纖維和兩種快肌纖維（Type IIA 和 IIB）都會很快地按次序加入工作的行列。

8. ATP

三磷酸腺苷(ATP)是一種含有高能量的核苷酸，由核糖、腺嘌呤和三個磷酸基所構成。ATP 三個磷酸基間的兩個磷酸鍵結為高能鍵，是蘊藏能量的鍵結。

在生命世界中，能量的獲得與轉換可經由ATP水解獲得,由ATP 的化學能轉化為其他形式的能量再由細胞進行合成反應與作功。

9.線粒體(mitochondrial)