בהמשך לסדרת הפוסטים על המיטוכונדריה ומצב החמצון בתא ישנו מחקר מעניין המציג את חשיבות הגלוטתיון שהוא פפטיד המורכב מ3 חומצות אמינו (גלוטמט, ציסטאין וגליצין) בעל חשיבות בויסוות מצב החמצון של התא שהוא בתורו קשור לכמות הROS (רדיקליים חופשיים) ולתנגדות אינסולין.
רמת הפוסט: מתקדם
השפעת הגלוטתיון
במאמר [1] ישנה השוואה עבור פרמטרים מטבוליים רבים בין עכברים זקנים לצעירים, עכברים עם מחסור בGSH (גלוטתיון בקיצור) והשוואה בין בני אדם זקנים עם מחסור בGSH לעומת בני אדם צעירים והשפעת התיסוף של GSH על המצב המטבולי.
עכברים זקנים מול צעירים ותיסוף GSH
כאשר משווים עכברים זקנים מול צעירים עם תזונה דומה נמצא שככל שעולה הגיל כמות הGSH יורדת. 40% פחות בכבד ו25% פחות בשרירים כאשר שימוש בשומן כמקור אנרגיה במיטוכונדריה יורד ב35% אצל עכברים מבוגרים עם מחסור בGSH. ניתן לראות שיש קשר בין כמות הGSH בתא לבין הפעילות של המיטוכונדריה כך שנקבל השפעה על המטבוליזם של הגוף. כיצד יודעים שהמחסור בGSH הוא הגורם לירידה בחמצון השומן? כאשר מאכילים את העכברים הזקנים עם תוספי מזון של GSH הריכוז של הGSH והפעילות של המיטוכונדריה חוזרים לרמות שקרובות לערכים של עכברים צעירים. לאחר התיסוף נצפה ירידה של 17% במשקל גוף וירידה בשומן הפנימי לעומת עכברים שלא קיבלו את התיסוף של הGSH.
בגרפים ניתן לראות את ריכוז הGSH (לצורך העניין הצורה המחוזרת של הגלוטתיון) לעומת הצורה המחומצנת שלו GSSG ואת הגרף שמתאר הריכוז הכללי של שתיהם בכבד ובשרירים.
הסימון עבור Young מסמן עכברים צעירים, O-CON מסמן עכברים מבוגרים ללא תיסוף GSH וO-RX מסמן עכברים מבוגרים שקיבלו תוסף GSH. ניתן לראות שהגרפים של O-RX וYoung כמעט זהים בערכים שלהם כך שתיסוף GSH אכן מביא לשיפור בריכוזו בתאים.
מצבם המטבולי של העכברים נעשה על ידי מדידת תנגודת אינסולין באמצעות המדד של HOMA-IR והעמסת גלוקוז. העכברים המבוגרים עם המחסור בGSH היו בעלי אינדקס HOMA-IR גבוה פי 2.5(!) מהעכברים הצעירים. כידוע מהתסמונת המטבולית נצפה לראות כבד שומני ואכן ניתן לראות שכמות הטריגליצרידים בכבד של העכברים הזקנים גבוה פי 2 ויותר מאשר העכברים הצעירים. כל הפרמטרים האלה של המצב המטבולי משתפרים משמעותית כאשר מתספים את העכברים המבוגרים בGSH.
את תוצאות העמסת הסוכר והאינסולין ניתן לראות כאן:
אני לא אכנס למתודולוגיה במדידת תנגודת אינסולין בכל אחת מהשיטות על כך ניתן לקרוא במדידת תנגודת אינסולין. מה שכן חשוב לראות זה את ההבדלים בין הגרפים השמאליים (לפני תיסוף) לימניים (אחרי התיסוף). ניתן לראות כיצד הגרף הלבן (עכברים זקנים שקיבלו תיסוף GSH) מקבלים ערכים דומה לעכברים צעירים (הגרף עם המשולשים) כך שהתנגודת אינסולין שלהם ניהיית ברמה דומה.
גלוטתיון על בני אדם
מתוך [1] כאשר מסתכלים על אנשים זקנים עם מחסור בGSH לעומת אנשים צעירים נראה ירידה של 41% בשימוש בשומן לאנרגיה, עלייה של 116% בשימוש בסוכר כאנרגיה, ריכוז אינסולין בדם גבוה ב110% ומדד HOMA-IR גבוה ב160%. כאשר תיספו אנשים אלו בGSH הערכים השתפרו בצורה משמעותית עם ירידה של 36% בריכוז האינסולין וירידה של 40% בHOMA-IR.
מתוך [2] גם חלוקה על פי קבוצות גיל נותנת תמונה זהה עם ירידה ביחס GSH\GSSG ועלייה בROS מה שבא לידי ביטוי בעלייה בתנגודת באינסולין:
“Our study confirms that in aged patients there is a significant increase in plasma free-radical production, and demonstrates that such an event is associated with an increase in membrane microviscosity and a reduction in plasma scavenger system levels (reduction in plasma GSH/GSSG ratio), insulin-mediated changes in glucose turnover parameters, TBGD (Total body glucose disposal), and finally in nonoxidative glucose metabolism.”
גם בהשוואה של סוכרתיים (סוג 2) לאנשים בריאים מתקבלת התמונה של רמות נמוכות מדי של GSH, רמות גבוהות של GSSG ובכך מתקבל יחס GSH לGSSG נמוך מה שמראה על בעיה מטבוליות [3].
במחקר [4] לקחו 10 נבדקים בריאים ו10 נבדקים עם תנגודת אינסולין ובדקו את תנגודת האינסולין שלהם לפני ואחרי תיסוף GSH. הוספה של GSH לנבדקים הבריאים לא שינתה את המדדים המטבוליים לעומת זאת אצל הסוכרתיים הוספת GSH הביא לשיפור ברגישות לאינסולין על ידי היכולת של התאים לקחת יותר גלוקוז בעת מדידת תנגודת אינסולין דרך העמסת סוכר.
“diabetic patients had a lower basal plasma GSH/GSSG (1.1+-0.5 vs. 0.4+-0.3, P < 0.04) ratio. At the end of GSH infusion, plasma total glutathione levels were similar (1.49+-0.30 vs. 1.43+-0.24 pmol/l, P = NS) in both groups of subjects while diabetics had a greater percent increase (89+-17 vs. 38+-13%, F = 4.21, P < 0.025) in the plasma GSH/GSSG ratio”
היחס של GSH ל GSSG נמצא בקורלציה לתנגודת אינסולין של הנבדקים:
“Analysis of the pooled basal data from healthy and diabetic subjects (n = 20) demonstrated that the plasma GSH/GSSG ratio correlated with membrane microviscosity (r = -0.57, P < 0.008) and total glucose disposal (r = 0.53, P < 0.01). After insulin infusion with simultaneous GSH delivery, the percent increase in the plasma GSH/GSSH ratio correlated with the percent decline in membrane microviscosity (r – -0.71, P < 0.001; n = 20), the increase in total glucose disposal (r = 0.78, P < 0.001; n = 20), and the total insulin response (r = 0.55, P < 0.01; n = 20). “
ניתן לראות מתכנון מחקר זה כיצד תיסוף קל של חומרי מוצא לייצור גלוטתיון מעלים את הרמות שלו ומתקנים בעיות מטבוליות בגוף. כדי להדגיש שהשינוי אכן נעשה דרך גלוטתיון המשכת המחקר ללא תיסוף ווידוא הרגרסיה אחורה מחזקת את הקשר לגלוטתיון.
סיכום של המדידות והשינויים מהמחקר:
מתוך סיכום המחקר:
״The key findings of this trial are that (1) compared to YAs, OA have GSH deficiency, elevated OxS, impaired MFO, higher inflammation, endothelial dysfunction, insulin resistance, muscle‐protein breakdown, elevated body fat and lower cognitive function, gait speed, muscle strength and exercise capacity, (2) supplementing GlyNAC as GSH precursors for 24‐weeks significantly improved these defects, and (3) accrued benefits receded on stopping GlyNAC for 12‐weeks.״
עומס מחמצן מווסת תנגודת אינסולין
מדוע תיסוף של GSH מביא לשיפור הרגישות לאינסולין? התפקיד של המרכזי של GSH בתא הוא נוגד חמצון. GSH הוא בצורה מחוזרת ולכן הוא יכול לתת אלקטרון ופרוטון ולהפוך GSSG. כאשר GSH עובר חמצון הוא מעביר את האלקטרונים לרדיקל החופשי שיש בתא H2O2 כאשר הוא מחוזר למים. בצורה זו התא ״נפתר״ מH2O2 שבריכוזים גבוהים מזיק אך בריכוזים נמוכים בעל תפקידים פיזיולוגים חשובים ביותר.
רמות נמוכות של GSH מביאות לרמות גבוהות של ROS ולתנגודת אינסולין (המנגנון המלא מוסבר בפוסט על המיטוכונדריה). כאשר יש בתא עומס מחמצן המשמעות היא יחס GSH/GSSG נמוך (יש הרבה GSSG וקצת GSH) ולכן העלאת העלאת היחס על ידי תיסוף GSH מוריד את העומס המחמצן בתא ומוריד את התנגודת אינסולין. רצפטור GLUT4 בתאים פתוח יותר לקבל סוכר ולכן אנו רואים ירידה בערכי האינסולין ובמדדי העמסת הסוכר.
מי שעקב אחר תוצאות המחקר וההסבר הפיזיולוגי שתיארתי וודאי שם לב סתירה מסויימת. אנו רואים שאנשים בעלי תנגודת אינסולין ומחסור בGSH שורפים יותר סוכר ופחות שומן לאנרגיה אך במצב של תנגודת אינסולין התא אמור לקבל פחות סוכר ויותר שומן לאנרגיה. ניתן להסביר זאת על ידי 2 מנגנונים שדוחפים להורדת רמות הROS בתא. שומן הוא מקור אנרגיה עשיר אנרגטית יותר מסוכר ולכן כאשר הוא מתחמצן במיטוכונדריה הוא יוצר תיאורטית פונטציאל גבוה יותר במיטוכונדריה שזה בתורו גורם ליצירת ROS מוגבר (ככול שהפוטנציאל יותר גבוה במיטוכונדריה כך נוצר יותר ROS) אך יש מנגנונים שתפקידם להוריד את הפוטנציאל הגבוה בשריפת שומן כמו UCP וPeroxisome אך מנגנונים אלה אינם יכולים לעבוד כראוי בנוכחות סוכר בנוסף לשומן בתא. לכן כאשר הנבדקים אינם על תזונה קטוגנית או תזונה גבוהה מספיק שומן ונמוכה בפחמימות הם גורמים לתא להשתמש יותר בסוכר ופחות בשומן כדי להוריד את הכמות בפועל של הROS בתא. מנגנון נוסף קשור למחזור GSH. כאשר GSH הופך לGSSG חיזור מחדש של GSSG מאפשר לשמור על אספקה מתמדת של GSH. כיצד GSSG מחוזר לGSH? על ידי גורם חיזור הנקרא NADPH (ניתן לראות את הסימן H שבו כאשר הוא יכול למסור פרוטון ואלקטרון וכך לדעת שהוא בצורה המחוזרת שלו). NADPH מגיע ממסלול מטבולי הנקרא Pentose phosphate pathway בו סוכר מתחמצן ויוצר NADPH כאשר כך הוא יכול להגדיל את כמות הGSH. כאשר יש חוסר GSH מתקבל כוח דוחף חזק יותר עקב ההסטה משיווי משקל מועדף אל אותו מסלול מטבולי על מנת ליצור NADPH ולהגדיל את כמות הGSH בתא.
במאמר [1] מצוין שעכברים צעירים עם מחסור בGSH לא מפתחים תנגודת אינסולין כמו המבוגרים לכן יש צורך במחסור כרוני של GSH על מנת לפתח תנגודת אינסולין. מתוך המאמר:
“Acute pharmacologic induction of GSH deficiency in young mice lowered NEFA oxidation, but did not blunt glucose tolerance, suggesting that chronic GSH deficiency may be required for the development of insulin resistance. These data suggest that chronic GSH deficiency contributes to impaired mitochondrial NEFA oxidation and insulin resistance in aging, and that these defects can be reversed with cysteine and glycine supplementation to restore GSH”
לפי דעתי הסיבה שמחסור בGSH לא גורם לתנגודת אינסולין היא משום שיש עוד נוגדי חמצון במיטוכונדריה ובאופן כללי היא מתפקדת בצורה טובה יותר כך שהיא יכול לעמוד בכמויות והרכבים שונים של סוכר ושומן וכמות נוגדי החמצון. ככול שהזמן עובר ואנו מזדקנים הנזקים למיטוכונדריה הולכים וגדלים וכך היכולת שלה להתמודד עם עומס מחמצן יורד.
כפי שפירטתי בפוסט מדידת מצב מטבולי באמצעות המיטוכונדריה צמדי החמצון-חיזור בתא מהווים פרוקסי למצב המטבולי שלנו ושל המיטוכונדריה בפרט. ישנם עוד צמדים רבים עליהם ניתן להסתכל ולראות את אותה התנהגות כפי שנצפה עם GSH.
המשמעות הפרקטית של הדברים
GSH מגיע כפי שהזכרתי בתחילת הפוסט מ3 חומצות האמינו גלוטמט, ציסטאין וגליצין. העכברים במחקר [1] תוספו בגליצין וציסטאין בכמות של 16 mg (כול סוג חומצת אמינו) לכול גרם אוכל שהם קיבלו. בני האדם קיבלו תיסוף של 0.81 mmol/kg*day של ציסטאין שבמונחי גרם זה בערך 0.1 גרם\קילו*ליום או במונחים של אדם בוגר במשקל 80 קילו כ8 גרם ליום. גליצין היה בתיסוף של 1.31 mmol/kg*day שבמונחי גרם זה בערך 0.08 גרם\קילו*ליום או במונחים של אדם בוגר במשקל 80 קילו כ6.4 גרם ליום. בזמן ביצוע המחקר הנבדקים קיבלו את תיסוף זה למשך שבועיים. כמו כן תיסוף של מינונים דומים על בני אדם למשך 24 שבועות הראה בטיחות ותוצאות חיוביות [7].
מי שאוכל לפי הכללים של תזונה קטוגנית כך שחלבון תמיד מגיע עם שומן לא צריך לדאוג לגבי רמות הGSH שלו. זהו כלל שלפעמים שוכחים אותו והוא מתקשר לזה שתזונה קטוגנית היא תזונה קרניבורית . על מנת לקבל מספיק חלבון יש לדאוג שהאוכל מגיע ממקור של שומן וחלבון. לעיתים יש פרוטוקולים של תזונה קטוגנית בהם כן מגבילים חלבון זאת על מנת למנוע פעילות של מנגנון mTOR. אני לא אכנס לפירוט על המנגנון אלה אגיד שהגבלת חלבון ובמיוחד בחומצות אמינו המרכיבות את GSH תוביל לעלייה ברמות הROS בתא ולכן גם אם יש הטבה ממנגנון mTOR יש הרעה מצד המחסור בGSH לכן לא ניתן לדעת את התוצאה מראש.
היבט מעניין של הנושא יהיה האם תיסוף של GSH יכול לשפר את המצב של אנשים עם נזק מטבולי מן העבר ולהוריד את העומס המחמצן בתאים. מצד אחד ייתכן שאכן העלאת יחס GSH/GSSG יגרור הורדת הROS בתא מצד שני צמדי חמצון-חיזור כמו GSH/GSSG תמיד שואפים לשיווי משקל ביניהם כך שאם נעלה את היחס GSH/GSSG גבוה מידי הגוף ייפעל בכיוון ההפוך כדי להוריד את היחס. כפי שמודגם ב[5] הגברת הביטוי הגנטי ליצירת GSH דווקא החמיר את התנגודת אינסולין, השמנה והבעיות המטבוליות. יש צורך בריכוזים מינימליים של H2O2 על מנת שהרצפטורים של האינסולין יפעלו.
“Here we report the development of insulin resistance in mammals with elevated expression of an antioxidant enzyme and suggest that increased GPX1 activity may interfere with insulin function by overquenching intracellular reactive oxygen species required for insulin sensitizing.“
ייתכן שתיסוף של GSH מועיל רק כאשר יש חוסר וייתכן שניתן לדחוף את היחס GSH/GSSG מעבר למה שתזונה קטוגנית “רגילה” מספקת. במחקרים ישנים [1,2] יחס של GSH/GSSG בפלזמה מעל 1 יראה על מטבוליזם תקין ומתחת ל0.5 כבר יחשיד על תסמונת מטבולית ועומס מחמצן גבוה בגוף (כנראה בגלל סגנון מדידה שונה אבל היחידות הם עדיין של מיקרו מולר). במחקרים חדשים [3, 6] יותר יחס מעל 25 ייחשב תקין, מתחת ל20 מחשיד ומתחת ל15 בעייתי מבחינה מטבולית. במקרים כאלו של נזק מטבולי עם מיטוכונדריות לא מתפקדות שווה לבדוק תיסוף של GSH או אכילת מאכלים עם יותר חומצות אמינו מסוג גלוטמט, ציסטאין וגליצין.
לסיכום מתוך הפסקה המסכמת של מאמר [1]:
“Collectively, these data suggest a novel role for GSH in regulating NEFA oxidation and insulin resistance in aging. Acute GSH depletion results in decreased mitochondrial NEFA oxidation, but chronic GSH deficiency appears to be required for the additional development of insulin resistance, and these defects are reversed upon GSH restoration. Identifying GSH deficiency and correcting it with dietary precursor supplementation with cysteine and glycine holds the promise of a novel, practical, and innovative nutritional strategy to combat insulin resistance, obesity, and hepatic fat accumulation in elderly humans and warrants further study.”
הפוסט הבא שמומלץ לקרוא: מעבר לאינסולין מחשבות על מיטוכונדריה
מקורות
[1] – Impaired mitochondrial fatty acid oxidation and insulin resistance in aging: novel protective role of glutathione, Nguyen D, 2013. link.
[2] – Evidence for a relationship between free radicals and insulin action in the elderly, Giuseppe Paolisso, 1993. link.
[3] – Insulin decreases intracellular oxidative stress in patients with type 2 diabetes mellitus, Maria Cristina Bravi, 2006. link.
[4] – Plasma GSH/GSSG affects glucose homeostasis in healthy subjects and non-insulin-dependent diabetics, G. Paolisso, 1992. link.
[5] – Development of insulin resistance and obesity in mice overexpressing cellular glutathione peroxidase, James P. Mc Clung, 2004. link.
[6] – Redox state of glutathione in human plasma, Dean P Jones, 2000. link.
[7] – Glycine and N‐acetylcysteine (GlyNAC) supplementation in older adults improves glutathione deficiency, oxidative stress, mitochondrial dysfunction, inflammation, insulin resistance, endothelial dysfunction, genotoxicity, muscle strength, and cognition: Results of a pilot clinical trial
, Rajagopal V. Sekha, 2021. link.