ENERGETICKÝ METABOLISMUS = souhrn všech chemických (a fyzikálních) procesů zahrnutých v: 1. produkci energie z vnitřních i vnějších zdrojů 2. syntéze a degradaci strukturálních a funkčních prvků tkání 3. vylučování odpadních látek a toxinů z těla Rychlost metabolismu: množství energie uvolněné za jednotku času Kalorie (cal) = množství tepelné energie, potřebné ke zvýšení teploty 1g vody o 1°C, z 15°C na 16°C. METABOLISMUS Komplexní, pomalý pochod = KATABOLISMUS = uvolňování energie v malých použitelných množstvích Energie uskladněná v energeticky bohatých fosfátových sloučeninách a ve formě proteinů, tuků a složitých sacharidů (syntetizovány ze jednodušších molekul). Tvorba těchto sloučenin = ANABOLISMUS (energie se spotřebovává). KALORIE (cal, malá kalorie, gram kalorie) Kilokalorie = kcal (velká kalorie) = 1000 cal = 4,18 kJ Joul = J = 0,239 cal Kilojoul = kJ = 1000 J CUKRY TUKY PROTEINY VSTUP ENERGIE = SPOTŘEBA ENERGIE MECHANICKÁ PRÁCE SYNTÉZA MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT TVORBA A PŘENOS SIGNÁLŮ PRODUKCE TEPLA DETOXIKACE DEGRADACE Svalová kontrakce Pohyb buněk, organel, bičíků Tvorba energetických zásob Růst tkání Tvorba esenciálních molekul Minerály Organické ionty AMK Elektrické Chemické Mechanické Řízení tělesné teploty Neúčinné chemické reakce Tvorba moči Konjugace Oxidace Redukce Kittnar, O. et al. Lékařská fyziologie. 1st Ed. Grada Publishing 2011 1. zákon termodynamiky: Za ustáleného stavu musí vstup (příjem) energií odpovídat výstupu (výdej) Vstup zásoby Výdej energie = vnější práce + zásoby energie + teplo Mezistupně: různé chemické, mechanické a termické reakce PŘÍJEM ENERGIE Cukry, tuky, bílkoviny Spalováním vzniká: 4.1kcal/g, 9.3kcal/g, 5.3kcal/g (4.1 v těle) 1kcal=4184J Přeměna proteinů a cukrů na tuky – účinné uložení energie Přeměna proteinů na cukry – potřeba rychlé energie ALE: neexistuje signifikantní přeměna tuků na cukry ! Kalorická hodnota! Kittnar, O. et al. Lékařská fyziologie. 1st Ed. Grada Publishing 2011 VÝDEJ ENERGIE 1. V klidu: bazální metabolismus; 8 000 kJ / den; 200-250 ml O2/min; přímo závislý na hmotnosti a povrchu těla; klesá s věkem; stoupá s okolní teplotou; ve spánku klesá o 10-15%; geneticky determinován 75%BM 2. Po najezení: malé zvýšení energetického výdeje – specifický dynamický efekt (SDA) – např. na tvorbu glykogenu 7%BM 3. Fakultativní termogeneza: netřesová 4. U sedících lidí: spontánní fyzická aktivita 18%BM 5. Při tělesné aktivitě: největší část energetických nároků organismu; individuální; mění se podle ročního období • Zásoba energie: ATP, kreatinfosfát, GTP, CTP (cytidin), UTP (uridin), ITP (inosin) • Makroergní vazba – 12kcal/mol • Účinnost není 100% - 18kcal substrátu na 1 vazbu v ATP • Denně: 63 kg ATP (128 mol) • Glykolýza: jen krátkodobý zdroj energie (2 pyruváty – jen asi 8% energie glc); přísun glc je omezený, laktát ATP • V mitochondriích tvorba cca 95 % ATP • Centrální úloha acetyl-CoA a Krebsova cyklu • Vysoce reaktivní vodíkové atomy = využity ke konverzi ADP na ATP • Chemiosmotický mechanismus tvorby ATP Využití ATP – Membránový transport (Na+, K+, Ca2+,Mg2+, fosfát, Cl-, urát, vodíkové ionty, ale „specifické“ typy transportu – Glu, AMK, acetoacetát) - v některých typech buněk až 80 % – Syntéza chemických látek (fosfolipidy, cholesterol, puriny, pyrimidiny, proteiny!, močovina – detoxikační funkce- amoniak) • v některých typech buněk až 75 % • 500 – 5000 cal na tvorbu 1 M proteinu (peptidové vazby) • Syntéza Glu z laktátu a MK z Acetyl-CoA – Mechanická práce • Role myosinu a konverze ATP na ADP – Sekrece – Přenos vzruchů Regulace tvorby ATP • Oxidativní fosforylace – Flavoprotein-cytochromový systém – Transport protonů přes vnitřní mitochondriální membránu, v důsledku tvorba elektrochemického potenciálu a zpětný transport protonů zpět do matrix – ATP syntáza – Regulace: • Spotřeba ATP ve tkáních (čím vyšší, tím vyšší rychlost OF) • Rychlost přísunu tuků, laktátu a glukózy do mitochondrií • Dostupnost kyslíku – mitochondrie při bazálním stavu spotřebují 90 % kyslíku, z toho 80 % je spojeno se syntézou ATP • Oxidace na úrovni substrátu – Vznik ATP při dějích, které uvolňují velké množství energie Cytosolický vápník jako klíčový regulátor syntézy ATP v mitochondriích ATP syntáza • Tylakoidní membrána a vnitřní mitochondriální membrána • F0 a F1 (matrix) segmenty • F1 – 5 podjednotek • F0 – 10 podjednotek Kreatinfosfát (fosfokreatin) • Nejvíce rozšířená makroergní sloučenina • 3 – 8x více než ATP • 8500 cal/M a 13000 cal/M při 37°C a nízkých koncentracích reaktantů (ATP 12000) • Dynamický proces přenosu energie a vzájemné konverze ADP- fosfokreatinu/ATP-kreatinu • „ATP-fosfokreatinový systém“ – udržování množství ATP USKLADNĚNÍ A PŘESUNY ENERGIE •Vstup energie stejně jako výdej je nepravidelný – nutnost uskladnění •75% zásob: triglyceridy (9kcal/g) v tukové tkáni (10-30% tělesné hmotnosti), vydrží až 2 měsíce ; zdroj – MK z potravy a esterifikace s a-glycerolfosfátem nebo syntéza MK z acetylCoA z glykolýzy – přeměna cukrů na efektivnější zásobu energie = tuk •25% zásob: proteiny (4kcal/g); přeměna na cukry (glukoneogeneza při stresu); nepříznivé následky pro organismus •Méně než 1% zásob: cukry (4kcal/g) ve formě glykogenu; důležité pro CNS!!! a krátkodobou velkou zátěž; ¼ zásob glykogenu v játrech (75-100g), zbytek ve svalech (300-400g); jaterní glykogen – glykogenolýza – uvolnění glukózy; svalový glykogen – využití jen ve svalech (není glukoso-6-fosfatáza) •Glukoneogeneza: z pyruvátu, laktátu a glycerolu a AMK (kromě leucinu);NE z acetyl-CoA •Uskladnění a přenos energie vyžaduje vstup další energie: 3% z původní energie – tuky (triglyceridy do tukové tkáně), 7% - glukóza (glykogen), 23% - přeměna cukrů na tuky, 23% - přeměna AMK na proteiny nebo glukózu (glykogen) GLUKOZA a MK •Alternativní •Vzájemné vztahy mezi utilizací, syntézou a skladováním •NADBYTEK GLUKÓZY – zrychlení glykolýzy – více pyruvátu, více citrátu – citrát aktivuje 1.krok v syntéze MK (acetyl CoA – malonyl CoA) •Zrychlená glykolýza – více glycerol fosfátu; zvýšená syntéza MK a zvýšená dostupnost glycerol fosfátu = stimulace syntézy triglyceridů a snížení b-oxidace •TEDY: zvýšená utilizace cukrů posune metabolismus tuků od oxidace k ukládání •NADBYTEK MK – zrychlení b-oxidace; její meziprodukty zpomalují glykolýzu a urychlují glukoneogenezu a glykogenogenezu •TEDY: zvýšená utilizace MK posune metabolismus cukrů od oxidace k ukládání •Vliv humorální regulace PŘESUNY ENERGIE MEZI ORGÁNY Tuková tkáň Svaly Játra Triglyceridy Volné MK MK CO2 Svalová práce Laktát Laktát Pyruvát Glukóza Glukóza ATP H+ Sval – zdroj energie a metabolismus • = přeměna energie na mechanickou práci • Kreatinfosfát – hydrolýza na kreatin a fosfát • V klidu část ATP předává v mitochondriích fosfát kreatinu = zvýšení celkové zásoby kreatinfosfátu • Při svalové zátěži hydrolýza kretinfosfátu u spojení mezi myozinovými hlavami a aktinem a vzniká ATP z ADP = pokračování kontrakce • Klidový stav = hlavní zdroj energie FFA, se stoupající zátěží pak sacharidy – Energie pro resyntézu kreatinfosfátu a ATP ze štěpení Glu na CO2 a H2O – Pyruvát a aerobní glykolýza – Pozn. Anaerobní glykolýza – pyruvát nevstupuje do citrátového cyklu, je redukován na laktát = bez potřeby kyslíku! – Laktát se hromadí ve svalech, posléze pokles pH a inhibice některých enzymů – Po skončení námahy odstranění nadbytku laktátu a obnova zásob ATP a kreatinfosfátu + kyslíku – Kyslíkový dluh – Pozn. Rigor – vyčerpání zásob ATP a kreatinfosfátu Tvorba tepla ve svalu • Příjem = výdej • Tvorba makroergních vazeb a tvorba tepla • Celková mechanická účinnost při izotonické kontrakci je asi 50 %, nulová při izometrické kontrakci • Značná produkce tepla • Klidové teplo • Iniciální teplo = teplo produkované v průběhu kontrakce nad teplo klidové – = aktivační teplo (teplo, které sval vydá, kdykoliv se stahuje) + teplo zkrácení (úměrné délce, o jakou se sval zkrátil) • Teplo zotavení = teplo uvolněné metabolickými procesy, které vracejí sval do původního stavu • Relaxační teplo = sval, který se stahuje izotonicky; projev práce, resp. vrácení svalu na původní délku Hormony a metabolismus Kittnar, O. et al. Lékařská fyziologie. 1st Ed. Grada Publishing 2011 Kittnar, O. et al. Lékařská fyziologie. 1st Ed. Grada Publishing 2011 Hormony a metabolismus sacharidů • Inzulin, IGF-I/II, glukagon, somatostatin, adrenalin, hormony štítné žlázy, glukokortikoidy, růstový hormon • Námaha – Vstup Glu do kosterního svalu nezávisle na inzulínu – zvýšení počtu GLUT-4 – Přetrvává několik hodin po námaze – Zvýšení citlivosti na inzulin – ! Diabetici - hypoglykémie • Katecholaminy – Aktivace přes beta-adrenergní receptory = zvýšení obsahu cAMP – Alfa-adrenergní receptory zvyšují obsah intracelulárního ATP – Zvýšení výdeje Glu z jater = hyperglykémie – Aktivace fosforylázy svalů přes cAMP a vápenaté ionty – Vytvořený glukoza-6-P konvertován pouze na pyruvát! (chybí příslušná fosfatáza) – Pyruvát dále konvertován na laktát, ten difunduje ze svalů do krve – V játrech je oxidován na pyruvát a následně konvertován na glykogen – Kalorigenní účinek = oxidace laktátu – Uvolnění FFA do krve = snížení periferní utilizace glukózy • Hormony štítné žlázy – Diabetogenní účinek thyroidálních hormonů je dán zvýšením resorpce Glu ve střevě – Ztráty glykogenu v játrech – Zrychlení degradace inzulínu – Významný kalorigenní účinek = zvýšení spotřeby kyslíku téměř ve všech tkáních • Glukokortikoidy – Zvýšení glykémie – Glukoneogenetický účinek, ale zejména permisivní působení – Značně komplexní účinek • Růstový hormon – Mobilizace volných MK z tukové tkáně = ketogeneze – „antiinzulínový“ účinek – snižuje vychytávání Glu v některých tkáních – Snížení počtu receptorů pro inzulín a glukokortikoidy Převzato. Ganong, W. F. Přehled lékařské fyziologie. 20. vydání. Galén 2005. Kittnar, O. et al. Lékařská fyziologie. 1st Ed. Grada Publishing 2011 • Sacharidy (glukóza) C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H20 RQ = 6/6 = 1,00 • Tuky (tripalmitin) 2 C51H96O6 + 145 O2 = 102 CO2 + 98 H2O RQ = 102/145 = 0,703 (obecně 0,70) • Při hyperventilaci RQ stoupá (vydechován více CO2). • Při intenzivní zátěži RQ až 2,00 (vydechován více CO2 a kyselina mléčná se mění na CO2). • Po skončení zátěže klesá RQ až na 0,50. • Při metabolické acidóze RQ stoupá. • Při metabolické alkalóze RQ klesá. RESPIRAČNÍ KVOCIENT RQ = VCO2 : VO2 Cukry: RQ = 1 Tuky: RQ = 0,7 Proteiny: RQ = 0,8(za jednotku času, za ustáleného stavu, obvykle vztažený k 1 l kyslíku) R – poměr respirační výměny (není ustálený stav!, v kterémkoliv časovém úseku) • INTENZITA (= rychlost) METABOLISMU 1. Tělesná práce (v průběhu i během zotavení - kompenzace kyslíkového dluhu). 2. Specificko-dynamický účinek potravy (asimilace živin v těle). • A) Množství proteinu, které poskytuje 100 kcal, zvyšuje rychlost metabolismu o 30 kcal. • B) Množství sacharidu, které poskytuje 100 kcal, zvyšuje rychlost metabolismu o 6 kcal. • C) Množství tuku, které poskytuje 100 kcal, zvyšuje rychlost metabolismu o 4 kcal. • Množství energie z živin se snižuje o uvedené množství energie, která byla použita k jejich asimilaci. • Proteiny mají nejvyšší SDÚ, • místo 100 kcal organismus získá 70 kcal. • 3. Vnější teplota - tvar písmene U • a) nižší než tělesná teplota aktivace mechanismů pro udržení tepla (např. třes) intenzita metabolismu vzrůstá • b) vyšší než tělesná teplota zvyšuje se teplota těla a vzrůstá metabolismus 4. Výška, váha a povrch těla (čím větší - tím větší) 5. Pohlaví (muži vyšší) 6. Věk (čím vyšší, tím menší) 7. Emoce (vzrušení zvyšuje metabolismus - adrenalin zvyšuje svalové napětí v klidu, apatie a deprese snižují metabolismus) 8. Tělesná teplota (vzestup o 1o C, vzestup o 14%) 9. Hladina hormonů štítné žlázy v krvi (T4, T3) 10. Hladina adrenalinu a noradrenalinu v krvi Další faktory • Pohlavní hormony • Testosteron – zvýšení o 10 – 15 % • Ženské pohlavní hormony nesignifikantně • Thyroidální status • Při sekreci maximálního fyziologického množství tyroxinu = vzestup o 50 – 100 % • Adaptace štítné žlázy na různé klimatické podmínky (vzestup sekrece v chladných oblastech a snížení sekrece v teplých oblastech) = rozdíly v BMR • V polárních oblastech BMR vyšší o 10 – 20 % • Růstový hormon • Zvýšení BMR (stimulace buněčného metabolismu, nárůst svalové hmoty) • Substituční terapie = zvýšení o 20 % • Množství katecholaminů v krvi • Spánek – snížení o 10 – 15 % = snížení svalového tonu + snížená aktivita nervového systému • Malnutrice – prolongovaná malnutrice snižuje BMR až o 30 % Kittnar, O. et al. Lékařská fyziologie. 1st Ed. Grada Publishing 2011 BAZÁLNÍ METABOLISMUS (BMR) Potřeba energie pro udržení všech vitálních funkcí • VLEŽE, KLID, NEUTRÁLNÍ TEPLOTA OKOLÍ • 12 - 14 HODIN PO JÍDLE, 24 HODIN BEZ VYČERPÁVAJÍCÍ TĚLESNÉ PRÁCE • ELIMINACE POKUD MOŽNO VŠECH NEGATIVNÍCH FYZICKÝCH A PSYCHICKÝCH FAKTORŮ • U MLADÝCH MUŽŮ PRŮMĚRNÉHO VZRŮSTU ASI 2000 KCAL BAZÁLNÍ METABOLISMUS (BMR) • U ČLOVĚKA KORELUJE S POVRCHEM TĚLA - k výměně tepla dochází na povrchu těla. • Jaký je vztah mezi hmotností, výškou a povrchem těla? S = 0,007184 . W0,425 . H0,725 S = povrch těla v m2 W = tělesná hmotnost v kg H = tělesná výška v cm NOMOGRAM BAZÁLNÍ METABOLISMUS (BMR) Dospělý muž asi 40 kcal/m2/hod (tzn. asi 2000 kcal/24 hod) Ženy - nižší Starší - nižší BMR muži = 66 + (13,7 . hmotnost) + (5,0 . výška) - (6,8 . věk) (kg) (cm) (roky) BMR ženy = 655 + (9,6 . hmotnost) + (1,85 . výška) - (4,7 . věk) Harris-Benedictův vzorec (BEE – bazální energetický výdej) BAZÁLNÍ METABOLISMUS VLIV POHLAVÍ BMR ženy = 655 + (9,6 . hmotnost) + (1,85 . výška) - (4,7 . věk) BMR muži = 66 + (13,7 . hmotnost) + (5,0 . výška) - (6,8 . věk) Muž 20 let, 80 kg, 185 cm BMR = 1950 kcal Žena 20 let, 55 kg, 165 výška BMR = 1395 kcal BAZÁLNÍ METABOLISMUS VLIV POHLAVÍ BMR ženy = 655 + (9,6 . hmotnost) + (1,85 . výška) - (4,7 . věk) BMR muži = 66 + (13,7 . hmotnost) + (5,0 . výška) - (6,8 . věk) Muž 20 let, 80 kg, 185 cm BMR = 1950 kcal Žena 20 let, 80 kg, 185 výška BMR = 1730 kcal ROZDÍL ASI 10% BAZÁLNÍ METABOLISMUS VLIV VĚKU BMR ženy = 655 + (9,6 . hmotnost) + (1,85 . výška) - (4,7 . věk) BMR muži = 66 + (13,7 . hmotnost) + (5,0 . výška) - (6,8 . věk) Muž 20 let, 75 kg, 180 cm BMR = 1860 kcal Muž 70 let, 75 kg, 180 cm BMR = 1520 kcal ROZDÍL ASI 20% BAZÁLNÍ METABOLISMUS VLIV VĚKU BMR ženy = 655 + (9,6 . hmotnost) + (1,85 . výška) - (4,7 . věk) BMR muži = 66 + (13,7 . hmotnost) + (5,0 . výška) - (6,8 . věk) Žena 20 let, 60 kg, 165 cm BMR = 1440 kcal Žena 70 let, 60 kg, 165 cm BMR = 1200 kcal ROZDÍL ASI 15% BAZÁLNÍ METABOLISMUS VLIV VĚKU BMR ženy = 655 + (9,6 . hmotnost) + (1,85 . výška) - (4,7 . věk) BMR muži = 66 + (13,7 . hmotnost) + (5,0 . výška) - (6,8 . věk) U ženy se BMR prakticky nemění mezi 20 a 40 lety, u mužů stále zvolna klesá (o 2 - 3% ročně). Pokles BMR ženy mezi 40 a 50 roky je prudší než u mužů. 30 35 40 45 50 55 60 2 8 16 20 30 40 50 60 kcal/m2/hod VĚK BMR - ZÁVISLOST NA VĚKU A POHLAVÍ MUŽI ŽENY BAZÁLNÍ METABOLISMUS VLIV VĚKU K NEJVĚTŠÍMU POKLESU BMR DOCHÁZÍ V PUBERTĚ NEJMENŠÍ POKLES BMR U MUŽE JE MEZI 30 A 50 ROKY, U ŽENY MEZI 20 A 40 ROKY V OBDOBÍ MENOPAUZY KLESÁ BMR ŽENY PRUDČEJI NEŽ VE STEJNÉM VĚKU U MUŽŮ BAZÁLNÍ METABOLISMUS Dlouhodobé hladovění - pokles BMR  klesá aktivita sympatiku  klesají katecholaminy  klesají hormony štítné žlázy Proto při redukční dietě zpočátku prudký pokles hmotnosti, později zpomalení poklesu hmotnosti Po jídle stoupá aktivita sympatiku a BMR stoupá BMR, EP, REDUKČNÍ DIETA A HMOTNOST 800 1200 1600 2000 BMRaEP(kcal) 68 70 72 74 76 78 80 82 84 hmotnost(kg) EP BMR hmotnost Redukční dieta JO-JO EFEKT 74 78 82 86 n r n r n r n r n hmotnost(kg) 1200 1400 1600 1800 2000 hmotnost BMR n = normální dieta, r = redukční dieta Energetická rovnováha • Rovnováha mezi energetickým příjmem a výdejem • Při negativní energetické bilanci se spotřebovávají vnitřní zásoby katabolizují se glykogen, proteiny a tuk = = HUBNUTÍ • Při pozitivní energetické bilanci (příjem převažuje před výdejem) = = TLOUSTNUTÍ Energetická rovnováha S výjimkou člověka a některých domestikovaných a hybernujících zvířat chuť k jídlu reguluje příjem potravy OBEZITA JE VZÁCNOSTÍ Přes 70% lidské populace trpí nadváhou nebo obezitou ENERGETICKÝ VÝDEJ ENERGETICKÝ EKVIVALENT (EE) množství energie (Q) uvolněné při spotřebě 1 litru kyslíku (Q/VO2) Termický koeficient kyslíku jednotlivých živin se liší, proto se liší i EE. . ENERGETICKÝ VÝDEJ ENERGETICKÝ EKVIVALENT (EE) • sacharidů 21,1 kJ = 5,05 kcal • proteinů 18,0 kJ = 4,31 kcal • lipidů 19,0 kJ = 4,55 kcal Neúplná katabolizace (lidský organismus není schopen využít energii z dusíkatých sloučenin) ENERGETICKÝ VÝDEJ ENERGETICKÝ EKVIVALENT (EE) Při smíšené potravě (60 % sacharidů, 30 % tuků, 10 % proteinů) EE = 20,1 kJ = 4,81 kcal 4,8 kcal ENERGETICKÝ VÝDEJ V klidu spotřebuje člověk asi 3,4 - 3,6 ml O2/kg/min 1 MET (metabolický ekvivalent) JAKÁ JE TO ENERGIE? VO2 (ženy) = 3,4 . 4,8 =16,3 cal/kg/min VO2 (muži) = 3,6 . 4,8 =17,3 cal/kg/min (asi o 5 - 15% méně) ENERGETICKÝ VÝDEJ 1 MET množství kyslíku, které člověk spotřebuje v klidu za 1 min/1 kg hmotnosti asi 3,5 ml/kg/min ENERGETICKÝ VÝDEJ Muž 20 let, 75 kg, 180 cm BMR = 1860 kcal (24 hod) Výpočet na základě MET: ▪ 17 cal/kg/min ▪ 1275 cal/min ▪ 76500 cal/hod = 76,5 kcal/hod ▪ 1836 kcal/24 hod Hodnoty jsou přibližně stejné KALORIMETRIE PŘÍMÁ = měření energie uvolněné spálením potravy mimo tělo (oxidace sloučenin v kalorimetru) - Kalorimetry: - adiabatické = ohřátí obsahu kalorimetru - Izotermní = vzniklé teplo je odváděno 1. Kalorická bomba – adiabatický bombový kalorimetr 1. Vzorek 2. Zápalné drátky 3. Výbušné zapálení celého obsahu 4. Ohřívání vody + mixér pro rovnoměrnou distribuci tepla 2. Celotělový kalorimetr (pro laboratorní zvířata, pro člověka) KALORIMETRIE NEPŘÍMÁ •Množství spotřebovaného O2 •Množství energie uvolněné na 1 mol spotřebovaného O2 se liší s typem oxidované látky (vliv skladby potravy) – energetický ekvivalent = univerzální konstanta pro výpočet energetického výdeje za předpokladu příjmu smíšené stravy •Otevřené nebo uzavřené systémy •Otevřený = osoba vdechuje atmosférický vzduch a vydechuje do analyzátoru •Uzavřený = osoba vdechuje kyslík z rezervoáru = uzavřený systém PRAKTICKÁ CVIČENÍ KALORIMETRIE NEPŘÍMÁ Barret, K.E., Boitano, S., Barman, S.M., Brooks, H.L. Ganong´s Review of Medical Physiology. 23rd Ed. McGraw-Hill Companies 2010