Fizjologia żywienia. Коллектив авторов
tkanki tłuszczowej u dorosłych i starszych dzieci, to właśnie aktywność termogenna staje się jej kluczową funkcją fizjologiczną pośród pozostałych.
2.3.1. Termogeneza
Zdolność brązowej tkanki tłuszczowej do przeprowadzania termogenezy jest nieodłącznie związana z ekspresją mitochondrialnych białek rozprzęgających, spośród których najważniejszą rolę odgrywa termogenina (uncoupling protein 1, UCP-1). UCP-1 jest kanałem jonowym, a jego obecność w wewnętrznej błonie mitochondrialnej zwiększa jej przepuszczalność dla protonów, prowadząc do rozpraszania gradientu elektrochemicznego koniecznego do pracy syntazy ATP (adenosine triphosphate – adenozyno-5′-trifosforan). Tym samym UCP-1 znacznie zmniejsza ilość produkowanego ATP i powoduje dyssypację energii w postaci ciepła. Choć jest to proces zaliczany do termogenezy bezdrżeniowej, zdecydowanie różni się od efektu kalorygennego hormonów tarczycy, wywieranego przez indukcję aktywności Na+/K+-ATPazy w wielu komórkach.
Proces uwalniania ciepła w brązowych adipocytach zachodzi nieprzerwanie, choć z bardzo małym natężeniem. Fizjologicznie czynność termogenna ulega istotnemu zwielokrotnieniu dopiero w sytuacji obniżenia temperatury środowiska, gdy przewodzona przez włókna Aδ informacja z termoreceptorów obwodowych pobudza tylną część podwzgórza i, w rezultacie, także układ współczulny. Wzrost napięcia układu sympatycznego powoduje następnie stymulację receptorów β-adrenergicznych adipocytów, zwłaszcza β3. Skutkuje to uruchomieniem kaskady lipolitycznej, zapewniając dostarczanie WKT do termogenezy. Równocześnie gwałtownie zwiększa się zużycie tlenu w adipocytach, ponieważ WKT ulegają β-oksydacji, wytwarzając równoważniki redukcyjne przenoszone później w łańcuchu oddechowym. Wytworzona dzięki temu różnica potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrialnej jest ostatecznie rozpraszana przez UCP-1, uwalniając przy tym duże ilości ciepła (ryc. 2.5).
Rycina 2.5. Aktywacja i mechanizm termogenezy inicjowanej ekspozycją na chłód (opis w tekście).
ATPs – syntaza ATP; β3-AR (β3 adrenergic receptor) – receptor β3-adrenergiczny; FADH2 (flavin adenine dinucleotide, reduced) – dinukleotyd flawinoadeninowy (forma zredukowana); HSL (hormone-sensitive lipase) – lipaza wrażliwa na hormony; NADH (nicotinamide adenine dinucleotide, reduced) – dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (forma zredukowana); NE – norepinefryna; SNS (sympathetic nervous system) – sympatyczny układ nerwowy; UCP-1 (uncoupling protein 1) – termogenina; WKT – wolne kwasy tłuszczowe.
Niemniej jednak związek lipolizy z termogenezą nie kończy się na dowozie substratów. WKT oraz ich aktywne odpowiedniki (acylo-CoA) promują dodatkowo przemieszczanie protonów przez kanał termogeniny. Natomiast przepływ jonów H+ przez UCP-1 utrudniają nukleotydy purynowe, co wyjaśnia małe natężenie procesu w stanie podstawowym i jego maksymalną aktywację dopiero po wyczerpaniu komórkowych zapasów ATP.
Zawartość dużej ilości mitochondriów bogatych w UCP-1 (uwalniających ciepło) oraz obfite ukrwienie (warunkujące szybkie przekazywanie ciepła) i unerwienie (zapoczątkowujące i podtrzymujące cały proces) skutkują niezwykle efektywnym przebiegiem termogenezy w depozytach brązowego tłuszczu. Ponadto każdorazowa aktywacja termogenezy sprzyja rozwojowi tych cech histologicznych, co jest bezpośrednio związane z równoczesnym pobudzeniem do uwalniania niektórych batokin.
Choć w stanie podstawowym ilość UCP-1 ulegającego ekspresji jest istotnie większa w „klasycznych” brązowych niż beżowych adipocytach, oba rodzaje komórek tłuszczowych charakteryzują się podobnymi pojemnościami termogennymi, gdyż w odpowiedzi na maksymalne pobudzenie osiągają zbliżony poziom ekspresji UCP-1. Świadczy to o tym, że intensywność termogenezy w stanie podstawowym jest największa w „klasycznej” brązowej tkance tłuszczowej, natomiast beżowa tkanka tłuszczowa charakteryzuje się zdecydowanie większym procentowym wzrostem intensywności termogenezy w odpowiedzi na stymulację, dzięki czemu w czasie maksymalnego pobudzenia nasilenie termogenezy w beżowych adipocytach staje się porównywalne lub nawet nieco przewyższa efektywność termogenezy „klasycznych” brązowych komórek tłuszczowych. Niemniej badania mitochondriów in vitro wykazały, że organelle pochodzące z „klasycznych” brązowych adipocytów cechują się wyższym wykorzystaniem tlenu w obliczu maksymalnego pobudzenia, co wskazywałoby, że „klasyczna” brązowa tkanka tłuszczowa dominuje jednak pod względem aktywności termogennej.
2.3.2. Funkcja wydzielnicza – batokiny
Dzięki badaniom eksperymentalnym na modelach mysich poznano już wiele substancji wydzielanych przez brązową tkankę tłuszczową, natomiast w adipocytach ludzkich udało się wykazać produkcję wyłącznie kilku z nich. W większości są to cząsteczki o działaniu auto-, para- lub endokrynnym, które w odpowiedni dla siebie sposób regulują aktywność termogenezy lub nawet samodzielnie promują brązowienie adipocytów. Ponadto zidentyfikowano również mediatory biorące udział w regulacji gospodarki węglowodanowej oraz kostnej, a także wpływające na funkcje ośrodkowego układu nerwowego.
Zarówno „klasyczne” brązowe, jak i beżowe adipocyty syntetyzują nie tylko charakterystyczne batokiny, lecz także substancje wydzielane przez białą tkankę tłuszczową, takie jak leptyna, adiponektyna czy cytokiny prozapalne, choć w zdecydowanie mniejszych ilościach. W stanie fizjologicznym tylko wybrane białe adipokiny, m.in. ANGPTL-8, chemeryna czy RBP-4, są uwalniane przez brązową tkankę tłuszczową w znaczących stężeniach. Różnice te zacierają się jednak w otyłości, gdy utkanie złożone z brązowych adipocytów zaczyna odwzorowywać typowy dla depozytów tłuszczu białego wzrost produkcji czynników prozapalnych, m.in. TNFα, MCP-1 i IL-1β.
Co ciekawe, niektóre z batokin o działaniu lokalnym wyróżniają się odmiennym tkankowo działaniem na brązowe adipocyty. Przykładowo IL-6, uznawana za cytokinę prozapalną, poprawia funkcje metaboliczne brązowej tkanki tłuszczowej i promuje brązowienie, co na ogół jest domeną substancji o odwrotnej korelacji ze stanem zapalnym, takich jak adiponektyna.
Jak dotychczas zauważono jedynie niewielkie zróżnicowanie ilościowe syntezy kilku batokin pomiędzy „klasycznymi” brązowymi i beżowymi adipocytami – w uwalnianiu adiponektyny, FGF-21 oraz METRNL dominują adipocyty beżowe.
Za pośrednictwem wybranych batokin dochodzi do utrwalenia i jeszcze silniejszego wyrażenia cech histologicznych przystosowujących brązową tkankę tłuszczową do termogenezy. Czynnik wzrostu nerwów (nerve growth factor, NGF) i czynnik wzrostu fibroblastów 2 (FGF-2) odpowiadają za powiększenie sieci zakończeń noradrenergicznych oraz proliferację niezróżnicowanych preadipocytów, stanowiących pulę zapasową do późniejszej ekspansji depozytów brązowej tkanki tłuszczowej. Czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (vascular endothelial growth factor, VEGF A) przyczynia się do rozrostu naczyń krwionośnych oplatających brązowe adipocyty, tlenek azotu zaś, produkowany lokalnie przez syntazę tlenku azotu brązowych komórek tłuszczowych, zwiększa przepływ naczyniowy, co skutkuje lepszym rozprowadzaniem ciepła z brązowej tkanki tłuszczowej. Wydzielanie tych cytokin ulega zwielokrotnieniu podczas aktywacji termogenezy, w związku z czym regularne pobudzanie brązowej tkanki tłuszczowej odpowiednimi bodźcami zapewnia utrzymanie jej funkcji, a częstsza stymulacja prowadzi do powiększania depozytów brązowego tłuszczu, zarówno na drodze hipertrofii (przerost komórek), jak i hiperplazji (proliferacja komórek).
Bezpośredni udział w aktywacji termogenezy mają zaś adenozyna oraz folistatyna, działające autokrynnie, a także białka morfogenetyczne kości 7 i 8b (bone morphogenetic proteins 7 and 8b, BMP 7 i 8b), które stymulują proces wytwarzania energii, wpływając na podwzgórzowy ośrodek termoregulacji. Dodatkowo, BMP 8b ma zdolność uwrażliwiania adipocytów na stymulację β3-adrenergiczną, co sprzyja inicjacji procesów termogennych.
Białka