•1 Přehled metabolismu živin za různých stavů •© Biochemický ústav LF MU 2018 (MK, HP, JD) Energetická bilance v lidském těle (zákon zachování energie) •příjem energie = chemická energie živin v potravě •výdej energie = vykonaná práce + teplo •vykonaná práce = bazální metabolismus (v klidu) + fyzická aktivita •uložení energie = glykogen (játra, svaly) + lipidy (tuková tkáň) •2 •Příklady vykonané práce: •mechanická práce = svalová kontrakce, pohyb cytoskeletu aj. •chemická práce = energeticky náročné syntézy (proteosyntéza aj.) •osmotická práce = čerpání iontů proti koncentračnímu gradientu •příjem energie = výdej energie + uložení energie Zákon zachování energie platí univerzálně v neživých i živých systémech. Energie se nemůže ztratit ani vytvořit, pouze se přeměňuje z jedné formy na druhou, přitom se vždy část energie degraduje na teplo. Lidské tělo přijímá chemickou energii živin. Energetickou hodnotu potravin můžeme snadno vypočítat například z různých potravinářských tabulek. Výdej energie zahrnuje nejrůznější druhy práce, tedy zajištění základních životních funkcí, fyzickou aktivitu apod. Je známou zkušeností, že při práci nebo sportu se vždy zahřejeme, tedy část chemické energie se vždy přemění na teplo, které se odvádí do okolí. Ukládání energetických rezerv se typicky děje po (vydatném) jídle. Zásoby tuku v adipocytech zahrnují mnohonásobně více energie než zásoby glykogenu ve svalech a v játrech. Proto pouze tukové zásoby mohou zajistit delší přežití člověka při hladovění. •3 Jak je uchována energie v těle? •Vysokoenergetické sloučeniny (makroergní sloučeniny) •„zachytí a uchovají “ energii •při štěpení vysokoenergetických sloučenin se energie uvolňuje •Energie je potřebná pro … např.: •- pohyb (buněčné pohyby, mechanická práce-svalová kontrakce) •- transport molekul (iontů) přes membránu •- syntéza biomolekul •- udržování tělesné teploty •4 •ATP •Syntéza ATP: ADP + Pi + energie → ATP • (syntéza ATP vyžaduje energie) • •Štěpení ATP: ATP + H2O → ADP + Pi + energie • (hydrolýza ATP – energie „uložená“ ve sloučenině je uvolněná) •5 •Substrátová fosforylace •5 % ATP je produkováno substrátovou fosforylací • ADP + makroergní sloučenina D ATP + druhý produkt • •příklady: fosfoenolpyruvát (glykolýza) • 1,3-bisfosfoglycerát (glykolýza) • sukcinyl-CoA (citrátový cyklus) • kreatin-P (svalová kontrakce) • •Aerobní fosforylace •95 % ATP je produkováno oxidační fosforylací (potřeba O2) •ADP + Pi + energie H+gradient → ATP • • •Dva způsoby vzniku ATP •6 • Chemická energie ATP se využívá například na: • chemickou práci (syntézy, spřažení dvou reakcí) • mechanickou práci (pohyb molekul, buněk, organismu) • elektroosmotickou práci • (transport iontů, př. Na+/K+-ATPasa - viz tabulka) •Průměrné koncentrace vybraných iontů (mmol/l): • • Tekutina Na+ K+ ECT ICT 140 10 4 160 •7 •Další makroergní sloučeniny •• nukleosidtrifosfáty: • UTP - pro aktivaci glukosy (syntéza glykogenu) • CTP - aktivace cholinu při syntéze fosfolipidů • GTP - při proteosyntéze • •• další makroergní fosfáty • kreatinfosfát – při svalové práci • fosfoenolpyruvát – meziprodukt glykolýzy • •• další makroergní sloučeniny • sukcinyl-CoA – při biosyntéze hemu ANd9GcQw2UciZtvlxIQawddy8hW7x3JL6c0rwo1C3ZQxvlmBHpj4zbCP OZ_lowCarbFood shutterstock_115487620 •8 Jak organismus získává energii ? •Katabolismus živin •Živiny •Lipidy •Sacharidy •Proteiny •Postupná oxidace • dehydrogenace • • • •CO2 + H2O • ATP •9 •chemická •energie •živin • •CO2 + teplo • NADH+H+ •FADH2 • •protonový •gradient •přes VMM •teplo •teplo • •ATP •1 •2 •3 •1 ....... metabolismus živin (dehydrogenace + dekarboxylace) •2 ....... dýchací řetězec (oxidace red. kofaktorů a redukce O2 na H2O) •3 ....... oxidační fosforylace (za přítomnosti kyslíku) •4 ....... přeměna chemické energie ATP na užitečnou práci + teplo •¢ .... vysokoenergetický systém, VMM – vnitřní mitochondriální membrána Transformace energie v lidském těle jsou v každém kroku doprovázeny uvolněním tepla • •práce •4 Chemická energie živin je postupně uvolňována v metabolických reakcích. Tyto zahrnují například hydrolytické štěpení větších molekul na menší, dekarboxylace (eliminace oxidu uhličitého). Klíčovým procesem jsou dehydrogenační reakce za účasti pyridinových (NAD^+) nebo flavinových (FAD) kofaktorů enzymů. Energie je zachycena v molekulách redukovaných kofaktorů (NADH+H^+ a FADH[2]) a ty se tak stanou strukturami s vysokým obsahem energie, protože jejich relativně stabilní (a proto energeticky chudý) aromatický systém byl hydrogenací narušen. Energie je z molekul NADH+H^+ a FADH[2 ]uvolněna při jejich oxidaci v mitochondriálním dýchacím řetězci (současně se redukuje dikyslík na vodu) a přechodně uskladněna ve formě akumulovaných protonů v prostoru mezi oběma mitochondriálními membránami. Energie nahromaděných H^+ iontů (H^+ gradient, tzv. proton-motivní síla) je využita pro syntézu ATP podle rovnice: ADP + P[i] + energie H^+ gradientu  ATP + H[2]O. Tento proces se nazývá aerobní fosforylace. •10 Bazální metabolismus (BM) •I za naprostého klidu musí organismus vynakládat určité •základní (bazální) množství energie na činnost CNS, srdce, plic a •dalších orgánů, stálost vnitřního prostředí, transport přes membrány, •biosyntézy atd. •Např. muž, 70 kg Þ BM = 0,1 ´ 70 = 7 MJ/den •BM (MJ/den) » 0,1 ´ tělesná hmotnost (kg) •BM (MJ/den) » 4,2 ´ tělesný povrch (m2) Bazální metabolismus (BM) udává množství energie pro udržení všech vitálních funkcí člověka ve stavu naprostého klidu a relaxace. Energetická potřeba nad tuto základní úroveň je dána další činností organismu (např. fyzická práce). Při příjmu potravy a trávení živin stoupá bazální metabolismus, protože se spotřebovává energie na jejich zpracování (tj. vstřebávání a metabolismus). Měření bazální energetické spotřeby je metodicky poměrně náročné, jsou důležité tři podmínky: •naprostý tělesný a duševní klid, •stav nalačno (cca 14–16 hod od posledního jídla), •termoneutrální prostředí. Proto existuje řada empirických vztahů pro výpočet BM. •11 Bazální metabolismus závisí na •pohlaví (u žen asi o 10 % nižší) •věku (s věkem se snižuje) •tělesné teplotě (zvýšením teploty o 1 °C se zvýší BM asi o 10 %) •teplotě prostředí (pobyt v chladném prostředí zvyšuje BM) •hormony thyroxin, adrenalin zvyšují BM •dlouhodobé hladovění snižuje BM (redukční diety, anorexie) Bazální metabolismus závisí na řadě faktorů. •12 Živina Obsah energie (kJ/g) Jídlem vyvolaná termogeneze* Podíl na denním příjmu energie Lipidy 38 2 - 4 % 30 % SAFA 5 %, MUFA 20 %, PUFA 5 % Škrob + cukry 17 4 - 7 % 60 % Proteiny 17 20 - 30 % 10 % Živiny a energie •Jídlem vyvolaná termogeneze je vznik tepla cca 3-5 hodin po příjmu živiny. Vyjadřuje se v % přijaté energie pro danou živinu. Termogeneze souvisí s trávením, vstřebáváním, transportem a metabolismem živin. Základní údaje o živinách: -nejvyšší obsah energie mají lipidy, protože mastné kyseliny mají nejvyšší podíl vodíku, jejich C atomy jsou nejvíce redukované; u tuků je vhodné sledovat složení mastných kyselin a omezovat příjem atherogenních mastných kyselin (SAFA, trans-FA) -nejvyšší sytivost mají bílkoviny, protože jejich trávení je pomalé a komplikované -nejvíce tepla vzniká při trávení a katabolismus proteinů (jsou nejobtížněji stravitelné, detoxikace amoniaku je energeticky náročná, atd.), tělo musí vynaložit nejvíce práce na zpracování bílkovin, a proto (v souladu s první větou termodynamickou) vzniká nejvíce tepla -nejdůležitějším zdrojem energie pro člověka jsou škroboviny (obiloviny, brambory, rýže, luštěniny, kukuřice, banány a další plodiny) -nejrychlejším zdrojem energie jsou jednoduché cukry (glukosa, sacharosa, med), ale protože mají nejnižší sytivost, poměrně rychle se dostaví pocit hladu -nejméně významným zdrojem energie jsou proteiny, za normálních okolností jsou určeny převážně jako zdroj dusíku a/nebo aminokyselin pro anabolické syntézy (svalová hmota, pojivo, imunitní systém, signální molekuly, hem, purinové a pyrimidinové báze, aminocukry apod.) •Vztahy mezi přeměnou živin v různých stavech • resorpční fáze • ~ 0-4 hodin po jídle • • post-resorpční fáze (lačnění) • ~ 4-16 hodin po jídle • • hladovění • ~ prohlubující se lačnění - dny – několik dnů – týdny • • různé metabolické stavy • - metabolismus při stresu • - diabetes mellitus •HORMONY •Metabolismus v resorpční fázi •~ 0 - 4 hodin po jídle •příjem živin dostatečný •bez fyzické aktivity •chemická energie je uložena (glykogen, lipidy) •hormonální regulace - inzulin •INZULIN •Stručně: Resorpční fáze •INZULIN •CM •SVAL •STŘEVO • •glykogen •proteiny •VLDL •glukosa •TG •MK •AK •glukosa •glykogen •glukosa • •proteiny •JÁTRA •CNS •TUKOVÁ TKÁŇ •MK • • • •Sacharidy • přeměny glukosy v játrech: • - glukosa → glykogen • - glukosa → acetyl-CoA → CC →energie • - glukosa → acetyl-CoA → MK → TG → VLDL → krev • - nadbytek glukosy → VLDL (TG) → krev → tuková tkáň → obezita • - glukosa → krev → extrahepatální tkáně • • přeměny glukosy v extrahepatálních tkáních: glukosa je zdrojem energie • - erytrocyty: glukosa – jediný zdroj energie pro ercs (anaerobní glykolýza) • - CNS: glukosa je převažujícím zdrojem energie pro CNS (aerobní glykolýza) • - svaly: glukosa → glykogen • glukosa je zdroj energie pro svaly v klidu (aerobní glykolýza) • - tuková tkáň: glukosa → glycerol-3-P → syntéza TG v tukové tkáni • glukosa je zdroj energie •Resorpční fáze •INZULIN •Lipidy • exogenní lipidy : CM → lymfa → krev → MK se uvolňují z TG (vliv LPL) • endogenní lipidy (VLDL) → krve → MK se uvolňují z TG (vliv LPL) • tuková tkáň: MK se využívají jako substrát pro syntézu TG • svaly: MK jsou zdrojem energie • •INZULIN •Aminokyseliny • játra: některé AK se využívají v játrech (proteosyntéza) • svaly: některé AK jsou využívány ve svalech (proteosyntéza) • • •Resorpční fáze Játra • Glc → Glc-6-P ® glykogen (zásoba glukosy pro ostatní tkáně) • Glc → Glc-6-P ® ® NADPH+H+ (pentosový cyklus) ® ® FA ® ® TG ® VLDL • AK ® jaterní proteiny + proteiny krevní plasmy Tuková tkáň • zvýšený influx glukosy (GLUT4 / inzulin) • zvýšená glykolýza ® energie + glycerol-3-P (pro lipogenezi) • influx MK (CM + VLDL / LPL) ® TG (lipogeneze) Svaly • zvýšený influx glukosy (GLUT4 / insulin) • glukosa ® CO2 + energie • zvýšená syntéza glykogenu (pro potřebu svalů) • příjem AK (zv. BCAA) ® syntéza proteinů (+ AK oxidace) CNS • glukosa ® CO2 + energie •Orgány – přeměny živin – resorpční fáze •INZULIN •Souhrn •19 Post-resorpční fáze (lačnění) •na lačno (první pocity hladu) •~ 4 -16 hodiny po jídle •plynule přechází do hladovění (krátkodobé, dlouhodobé) •hormonální regulace - glukagon • •GLUKAGON •stručně: Lačnění •GLUKAGON •Sacharidy •Udržovat hladinu glykemie • Játra: glykogen → odbourání → glukosa → krev (glykemie) • (glukoneogeneze) • glukosa je zdroj energie pro erytrocyty a CNS • (Glukosa je jediný zdroj energie pro erytrocyty a hlavní (převažující) zdroj pro CNS) • •Lipidy • nastává lipolýza v tukové tkáni → hormon-sensitivní lipasa → MK jsou uvolněny to krve • MK jsou zdrojem energie pro svaly (myokard a ostatní tkáně) CNS • •GLUKAGON •Lačnění •× •22 Játra • zvýšená glykogenolýza • (glukoneogeneze (z Ala, glukogenních AK, laktát/pyruvát, glycerol)) • zvýšená b-oxidace MK ® acetyl-CoA ® (® ketolátky ® export ketolátek) Tuková tkáň • zvýšená lipolýza (HSL / glukagon, adrenalin) ® MK + glycerol • zvýšené uvolnění MK do krve Svaly • MK (z tukové tkáně) + (ketonové látky (z jater)) ® CO2 + energie • (proteolýza ® AK (zv. Ala, Gln – pro jaterní glukoneogenezi) / kortisol) CNS • glukosa ® CO2 + energie •GLUKAGON •Souhrn •Orgány – přeměny živin – lačnění •23 Hladovění •Prohlubující se lačnění- dny – několik dnů – týdny •lačnění plynule přechází do hladovění • krátkodobé hladovění: 16 hodin-týden • dlouhodobé hladovění: více než dva týdny •Hormonální regulace - glukagon • •GLUKAGON •Stručně: Hladovění •GLUKAGON •Sacharidy •Udržovat hladinu glykemie • jaterní glykogen je vyčerpán • glukosa je dodávána glukoneogenezí (játra) → z Ala, glukogenních AK, laktátu, pyruvátu, glycerolu → glukosa → krev (glykemie) • později (dlouhodobé hladovění) → glukoneogeneze (ledviny) • glukosa je zdroj energie pro erytrocyty a CNS • (Glc je jediný zdroj energie pro erytrocyty a hlavní (převažující) zdroj pro CNS) •GLUKAGON •Hladovění •Proteiny • degradace svalových proteinů (proteolýza) → AK • glukogenní AK (zv.Ala, Gln) → glukoneogeneze (v játrech, později i v ledvinách) • dlouhodobé hladovění: snížená proteolýza (šetření proteinů) • •Lipidy • nastává lipolýza v tukové tkáni → hormon-sensitivní lipasa → MK jsou uvolněny do krve • MK jsou zdrojem energie pro svaly (myokard, játra, ostatní tkáně) CNS • • MK jsou oxidovány v játrech (zvýšená oxidace) → acetyl-CoA → →→ vznikají ketolátky → ketolátky jsou uvolněny do krve • ketolátky jsou utilizovány ve svalech, později v CNS • • dlouhodobé hladovění: • zvýšená produkce ketolátek → zvýšená hladina ketolátek v krvi (acidosa) • zvýšená exkrece ketolátek do moče • ketolátky jsou méně utilizovány ve svalech, jejich utilizace probíhá převážně v CNS • • •GLUKAGON •× •Hladovění •27 Hlavní priority organismu při hladovění • šetření glukosou (utilizace ketolátek v CNS) • šetření proteiny (ketolátky omezují glukoneogenezi z AK) • •Hladovění •GLUKAGON •28 Játra • glukoneogeneze (z Ala, glukogenních AK, laktátu/pyruvátu, glycerolu) • zvýšená b-oxidace MK ® acetyl-CoA ® ® ketolátky ® export ketolátek Tuková tkáň • zvýšená lipolýza (HSL / glukagon, adrenalin) ® MK + glycerol • zvýšené uvolnění MK do krve Svaly • MK (z tukové tkáně) + ketolátky (z jater) ® CO2 + energie • proteolýza ® AK (zv. Ala, Gln – pro jaterní glukoneogenezi) / kortisol) CNS • glukosa ® CO2 + energie •GLUKAGON •Souhrn •Orgány – přeměny živin – hladovění •Metabolismus při stresu • akutní (prostý) stres • signální molekuly: katecholaminy • • chronický stres • signální molekuly: glukokortikoidy •Metabolismus při akutním stresu •adrenalin • fyzická aktivita, psychický stres, …. • adrenalin, noradrenalin, – z dřeně nadledvin • - působí přes membránové adrenergní receptory • - rychlá odezva (sekundy) • • účinek katecholaminů → součást reakce („fight or flight“) • mobilizace zásob glykogenu a lipidů ENERGIE = ATP • - stimulace glykogenolýzy a glykolýzy ve svalech → energie pro svaly • - stimulace glykogenolýzy v játrech → zvýšení glukosy v krvi → • → zdroj energie pro tkáně • - stimulace lipolýzy v tukové tkáni → MK (zdroj energie) • •Metabolismus při chronickém stresu •kortisol • psychický stres, životní styl, …. • glukokortikoidy • kortisol - steroidní hormon • - působí přes intracelulární receptory • - regulují expresi genů – pomalý účinek – hodiny - dny • • účinek kortisolu → připravuje tělo na účinek adrenalinu • - stimuluje syntézu HSL v adipocytech – v okamžiku stresu je k dispozici dost enzymu k štěpení zásobních tuků • - podporuje proteolýzu ve svalech – substráty pro glukoneogenezi • - stimuluje glukoneogenezi • •32 •NEDOSTATEK INZULINU •Absolutní nedostatek Relativní nedostatek •- nedostatečná produkce •(destrukce b-buněk pankreatu) • - porucha v působení inzulinu v periferních tkáních • „Inzulinová resistence“ •Glukosa nevstupuje do svalových buněk a adipocytů •Metabolismus – diabetes mellitus (DM) •DM – nejčastější porucha sacharidového metabolismu • •Nadbytek glukagonu • zvýšená degradace glykogenu v játrech • zvýšená glukoneogeneze • zvýšená lipolýza v tukové tkáni → zvýšené uvolnění MK do krve → zvýšená b-oxidace MK v játrech → zvýšená produkce acetyl-CoA → (kapacita CC je převýšena vzhledem k nedostatku oxalacetátu) → syntéza ketolátek → zvýšené uvolnění ketolátek do krve •DM – inzulin and glukagon •Nedostatek inzulinu • absolutní nebo relativní nedostatek inzulinu • snížený transport glukosy závislý na insulinu (GLUT 4) – svaly, tuková tkáň • •hyperglykemie • •hyperglykemie • •ketoacidosa •Klasifikace of DM Znak DM 1.typu DM 2.typu Prevalence ~ 15-20% diabetiků ~ 80-85% diabetiků Dřívější označení Inzulin-dependentní Non-inzulin dependentní Příčina Autoimmunitní destrukce b-buněk Inzulinová resistence (a/nebo porucha sekrece insulinu) Nedostatek inzulinu Absolutní Relativní Koncentrace inzulinu Nízká nebo nulová Normální, často i zvýšená Nástup choroby Dětství, mládí Obvykle po 40.roce Nástup choroby Akutní Postupný Tělesná stavba Astenický typ Často obézní • Krev: Hyperglykemie (chronická hyperglykemie) • Ketoacidosa • Moč: Glukosurie • Ketonurie •Biochemický nález u DM: •Klinické příznaky u DM: • polyurie • polydipsie (pocit žízně) • metabolický syndrom, obezita, dyslipidemie, hypertense (DM 2.typu) •Diabetes je potvrzen, jestliže glykemie přesáhne: •při náhodném stanovení glukosy v plasmě ≥ 11,1 mmol/l společně s kombinací klinických symptonů • koncentrace glukosy na lačno v plasmě ≥ 7 mmol/l • koncentrace glukosy při orálním glukosovém tolerančním testu ≥ 11,1 mmol/l •Glykemie: (nalačno, plasma) •ref. hodnota: 3,9-5,5 mmol/l •Diagnostika diabetu •Stanovení glukosy: • glukometry-diagnostické proužky (kapilární krev) • biochemické analyzátory (plazma) • Orální glukosový toleranční test (oGTT) • prediabetes: • zvýšená glykemie: 5,6 – 7 mmol/l • ověření účinnosti regulace sacharidového metabolismu pomocí funkčního testu (oGTT) • postup: Po nočním lačnění (10-14 hodin) je vyšetřovanému odebraná krev. Pak se podá 75 g glukosy v 300 ml čaje a odebere se krev za 2 hodiny po vypití čaje a stanoví se glykemie • vyhodnocení: Glykemie (mmol/l) po 2 hodinách po podání dávky glukosy (75g) Glukosová tolerance Glykemie 2 hodiny po zátěži Normální (vyloučení DM) < 7,8 mmol/l Porušená glukosová tolerance 7,8 - 11 mmol/l Diabetes mellitus > 11,1 mmol/l •Glykemie: (nalačno, plasma) •ref. hodnota: 3,9-5,5 mmol/l •Další stanovení •Glykovaný hemoglobin • vzniká neezymovou reakcí mezi hemoglobinem a glukosou v krvi • hladina glykovaného hemoglobinu odráží koncentraci glukosy v krvi během celé doby života erytrocytů • využívá se k posouzení účinnosti úspěšnosti léčby/kompenzace diabetu v období 4-8 týdnů před vyšetřením •Srovnej: •Glykemie vs. glykovaný hemoglobin MC900437791[1] MC900440452[1]