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!
METABOLISMUS CUKRŮ
1.Zdroj energie
2.Součást glykoproteinů, glykopeptidů, glykolipidů – strukturální či
funkční (kolagen bazálních membrán, mukopolysacharidy, myelin,
hormony, receptory…)
Karbohydráty z potravy – hexózy (glukóza, fruktóza, galaktóza)
Klíčový substrát – glukóza.
Postprandiální plazmatické hladiny glukózy: 3,5 – 6,5 mmol/l
Glykémie. Hypoglykémie, hyperglykémie.
Hypoglykémie: pokles kyslíkového zásobení CNS
Glykolýza, glukoneogeneza. Humorální řízení glykémie.
Glykolýza: hlavní produkty – laktát a pyruvát – průměrné
koncentrace v plazmě 0,7 a 0,07mmol/l (poměr 10:1 zůstává
zachován i při různém obratu); v hypoxii – 30:1 (metabolická
acidóza)
Kittnar, O. et al.
Lékařská fyziologie.
1st Ed. Grada
Publishing 2011
•Glukózový obrat: 2 mg/kg/min (11 mmol/kg/min)~9 g/hod~ 225
g/den
•55% glukózové utilizace – terminální oxidace (CNS)
•20% - glykolýza, laktát zpět do jater, glukoneogeneza (Coriho
cyklus)
•20% - zpětné vychytávání játry a splanchnickými tkáněmi
•70% využití glukózy v klidu je insulin-independentní
•Cirkulující zásobárna (pool) glukózy – jen o trochu větší než výdej
játry za 1 hod
•Mozkovou oxidaci udrží jen cca 3 hod (zásoby glykogenu v mozku –
cca 10 min)
•NUTNOST NEUSTÁLÉ PRODUKCE GLUKÓZY Z JATER za
hladovění
•80 % - glykogenolýza, 20 % - glukoneogeneza (více než 50 % z
laktátu vychytaného játry pro glukoneogenezu, zbytek – AMK, zvl.
alanin; laktát z glykolýzy ve svalech, ery, leu, aj.; AMK – z
proteolýzy ve svalech)
•Ranní příjem glukózy – 70 % spotřebují periferní tkáně (svaly), 30 %
- splanchnické orgány (játra)
•20-30 % přijaté glukózy – oxidováno během 3-5 hod. na pokrytí
nároků GIT, 70-80 % uloženo do glykogenu (sval, játra)
•Svalový glykogen – později přesunut do jater (laktát z glykolýzy ve
svalech, reuptake, glukoneogeneza v játrech, glykogenolýza)
•Během maximální resorpce exogenní glukózy – vyplavení glukózy z
jater je potlačeno (inzulin a glukagon facilitují tento děj)
JATERNÍ GLUKOSTAT
Udržování konstantní glykémie
Endokrinně řízen:
• glykogenolýza (glukagon, adrenalin, noradrenalin = aktivace
glykogenfosforylázy)
• proč pouze játra a ne svaly? (glukóza-6-fosfatáza v játrech)
• glukoneogeneze (glukagon, adrenalin, noradrenalin, glukokortikoidy, hormony
štítné žlázy)
GLYKOSURIE
•Renální glykosurie (vrozený defekt glukózového transportu v
ledvinách, glykémie je normální)
•Alimentární glykosurie (renální práh pro glukózu = 10mmol/l)
•Pozn. inhibitory SGLT2
METABOLISMUS TUKŮ
•Tuk – cca 50 % denní dávky substrátů pro oxidaci (100g, 900kcal)
•Hlavní a nejvýhodnější forma zásoby energie
•Denní příjem: cca 100g (40% denní diety)
•Hlavní komponenta potravinových zdrojů i zásob v těle: triglyceridy
•Neexistuje striktní dietní doporučení (část MK syntetizována v játrech
a tukové tkáni)
•ALE: 3-5% MK polynenasycené!!! – ESENCIÁLNÍ MK
•Prekurzory membránových fosfolipidů, glykolipidů, prostaglandinů
•Cholesterol – součást membrán, prekurzor žlučových kyselin,
steroidních hormonů; denní příjem – 300-600 mg/den, též syntetizován
•Lipoproteiny: transport lipidů krevní plazmou
•Apoproteiny (z jater či střeva), katalytická funkce, receptory
•Chylomikrony –z potravy, nejmenší densita, lipoproteinová lipáza
(endotel kapilár), aktivace apoproteinem C-II, transport HDL
•volné MK vstřebány adipocyty (resyntéza triglyceridů, zásoba) i
ostatními tkáněmi (oxidace)
•Zbytek lipoproteinových částic (více cholesterolu) –
chylomikronové zbytky – degradace v játrech
•VLDL – endogenní syntéza v játrech (méně střevo), v postabsorpční
fázi
•Denzní, více cholesterolu, delší poločas v plazmě
•Rychlost tvorby: 15-90 g/den
•Začátek metabolismu – viz. chylomikrony
•Produkty účinku lipoproteinové lipázy – IDL (intermediate-density
lipoprotein)
•50% IDL – zpět do jater (jako chylomikronové zbytky)
•50% IDL – obohaceny cholesterolem – LDL
•Kolující LDL – transport cholesterolu do buněk
•Vstřebání LDL, IDL, zbytků ch. – apoproteiny, receptory,
endocytóza
Uptake LDL-cholesterolu do buněk – downregulace LDL receptorů
(zpomalení vstřebávání) a zpomalení syntézy de novo
•HDL – dlouhý plazmatický poločas, syntéza v játrech a střevě
•Facilitace pohybu ostatních partikulí
•Výměna klíčových apoproteinů
•Akceptují molekuly volného cholesterolu, esterifikují je (lecithincholesterol-acetyltransferáza)
a inkorporují zpět do partikulí
•Hlavní účinek: zrychlení clearance triglyceridů z plazmy a regulace
poměru volný:esterifikovaný cholesterol
•Volné MK
•Průměrná koncentrace: 400mM/l
•Vázané na molekuly albuminů
•Rychlý obrat (cca 8g/hod): 50% - oxidace, 50% - reesterifikace do
triglyceridů
•Celkový cholesterol: 185mg/l
•LDL cholesterol: 120mg/l
•HDL cholesterol
•Ateroskleróza, genetické predispozice (LDL apo či receptor)
PORUCHY METABOLISMU CUKRŮ
1. Diabetes mellitus
2. McArdleův syndrom: glykogeneze z deficitu myofosforylasy
Hromadění glykogenu ve svalech
Svalová ztuhlost, ztuhlost při námaze, snížená tolerance k výkonu
3. Galaktosémie (vrozený deficit fosfogalaktosauridyltransferasy;
poruchy růstu a vývoje)
PORUCHY METABOLISMU TUKŮ
1. HYPERLIPIDÉMIE, HYPERLIPOPROTEINÉMIE
2. VZÁCNÉ PORUCHY LIPIDOVÉHO METABOLISMU
Ad 1) 5% obyvatelstva
Primární a sekundární formy
Ateroskleróza
•Tuky indukovaná hyperlipoproteinémie
•Familiární hypercholesterolémie (xantomatóza)
•Smíšená hyperlipoproteinémie
•Familiární hypercholesterolémie s hyperlipémií
•Sacharidy indukovaná triglyceridémie
•Sekundární hyperlipoproteinémie (druhotné; alimentární)
Ad 2)
•Lipidózy
•Abetalipoproteinémie (LDL, VLDL; hromadění lipidů v epitelu střeva)
•Analfalipoproteinémie (HDL; hromadění esterů CHOL v tkáních)
•Vrozený defekt acetyltransferázy LCAT (hromadění lecitinu)
METABOLISMUS PROTEINŮ
•Proteiny = AMK spojené peptidovými vazbami (nad 100 AMK)
•Peptidy (2-10 AMK), polypeptidy (10-100 AMK)
•Primární, sekundární, terciární a kvartérní struktura proteinu
•Proteiny, lipoproteiny, glykoproteiny
•Celkové proteiny v těle: 10 (- 14) kg
•Z toho metabolicky aktivní: 6 kg
•Proteolýza svalů: 50 g proteinů / den
•Minimální denní příjem: 50 g
•Bílkovinné minimum: 0,5 g / kg tělesné hmotnosti
•Bílkovinné optimum: 0,7 g / kg tělesné hmotnosti
•Zvýšený přísun (růst, rekonvalescence, těhotenství,
kojení): 1,5 – 2,0 g / kg
•Turnover – cca 300 g
AMINOKYSELINY
Esenciální (nejsou syntetizovány), semi-esenciální (Arg, His, růst)
•Non-esenciální (z glukózového metabolismu – citrátový cyklus)
•Aminokyselinový pool (hotovost)
•Potřeba esenciálních AMK: 0,5 – 1,5 g / den
•Poruchy proteosyntézy
•Nejvhodnější zdroj E-AMK:NE-AMK mléko, vejce
•V růstu: 40% E-AMK, v dospělosti: 20%
•Prekurzory: puriny, pyrimidiny, polyaminy, fosfolipidy, kreatin,
karnitin, donory metylové skupiny, katecholaminy, hormony štítné
žlázy, neurotransmitery
AMINOKYSELINY – nadbytek v potravě
• Degradace, využity tělem jako
zdroj energie
• AMK jako další substráty:
• Glukogenní AMK – výstavba
sacharidů
• Ketogenní AMK – ketolátky +
lipidy
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
Guyton and Hall
Textbook of Medical
Physiology. 12th
Ed. Elsevier 2006
Využití ATP
– Transport přes membrány (Na+, K+, Ca2+,Mg2+, fosfát, Cl-, urát, vodíkové
ionty, ale také „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 žláz
– 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
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
Tuková tkáň
Další typy adipocytů
HNĚDÝ TUK
LIPIDY: strukturální, neutrální a hnědý
Specifická lokalizace
Sympatická inervace jak cév, tak lipocytů
Několik kapének tuku v lipocytu
Více mitochondrií
Produkce tepla
Adaptace na chlad
Po najezení se zvyšuje produkce tepla
http://www.nature.com/nm/journal/v19/n10/fig_tab/nm.3361_F4.html
• Irisin = ??? (přeměna
bílého tuku na hnědý…),
produkce zvýšena při
fyzické námaze ?
• Fgf21 = zvýšený příjem
Glu periferními tkáněmi,
zvýšená oxidace FAs
• Natriuretické peptidy =
ANP – zvýšení lipolýzy;
protekce před nízkými
teplotami?
• Bmp8b = produkován
hnědými adipocyty a
některými
hypotalamickými jádry –
regulace sympatické
aktivity
• T4/T3 – zvýšení exprese
termogenních genů
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
• Fyzická aktivita
– 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 = hyperglykéie
– 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.
• Sacharidy (glukoza)
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
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)
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
KRÁTKODOBÉ VERSUS DLOUHODOBÉ HLADOVĚNÍ
Hladovění během spánku
• Pokles hladiny inzulínu =
snížení inzulin dependentní
utilizace Glu
• Mobilizace FAs + substrátů
pro glukoneogenezi (játra,
ledviny)
• Vzestup hladiny glukagonu,
glykogenolýza
• Játra – cca 50 % Glu z
glykogenolýzy, 50 % z
glukoneogeneze
• Proteolýza a degradace AMK
= svaly, splanchnická oblast
• Zejména Ala a Gln (syntéza
ve svalech) – Glu-Ala cyklus
• Část Glu využita (+ substrát
pro glukoneogenezy v
ledvinách) – produkce
Ala/amoniaku
• Ala = zdroj močoviny
• Lipolýza – zdroj FAs a glycerolu = zdroj pro
periferní tkáně, glycerol = substrát pro
glukoneogenezi
hodnoty pro 24 hod.
míra lipolýzy
Dlouhodobé hladovění
• Pokles energetických potřeb
• BMR (- 20 – 25 kcal/kg/den)
• Většina efektů je dána
hypoinzulinémií, vliv na játra je
dán glukagonem
• Postupné zvyšování poměru
glukoneogeneze
• Zpočátku zvýšení rychlosti
proteolýzy
• Zvýšení rychlosti lipolýzy –
aktivace hormon-sensitivní lipázy
= mobilizace FAs a glycerolu
• Glycerol = další substrát pro glukoneogenezi; nadbytek FAs = substrát pro svaly (inzulinová
rezistence, interference s „aktivací“ GLUT4) a periferní tkáně = dostatek glukózy pro
nervovou tkáň
• Další hladovění:
• Snížení proteolýzy (snížená produkce močoviny = snížení exkrece vody), zvýšení
využití tuků pro ketogenezi
• Využití ketolátek nervovou tkání (b-hydroxybutyrát + acetoacetát)
• Snížení jaterní glukoneogeneze X zvýšení glukoneogenez v ledvinách (až 40 %
produkce)
• Další mobilizace lipolýzy = zvýšení jaterní ketogeneze (100 g/d)
• Další lipolýza = úbytek tukové tkáně, hormonální změny (leptin, FSH, LH – anovulace)
20 % tělesné hmotnosti
Další změny v důsledku hladovění:
• Ztráty K+ v počáteční fázi, stabilní koncentrace 3 mmol/L
• Mg2+ - beze změny nebo jen mírná hypokalémie
• Ca2+ - beze změny
• Fosfáty – beze změny
• Kyselina močová – vzestup (katabolismus proteinů)
• Dále:
 Pokles srdeční frekvence (35 t/min, od 4. týdne mírný vzestup)
 Pokles TK
 Změny EKG – oploštění T vlny, snížení amplitudy QRS
intervalu
 Při extrémním hladovění – prodloužení QT intervalu, inverze T
vlny, deprese ST úseku
 Proč?
o Pokles syntézy proteinů – myofibrily, myofilamenta
o Změny složení ECT/ICT
o Ztráty stopových prvků (Cu – ischémie)
o Sympatikus (katecholaminy) - arytmie
• Svalová práce (před i při měření)
• Příjem potravy (před měřením)
• Vysoká či nízká okolní teplota (křivka závislosti má tvar písmene U)
• Výška, váha, povrch těla
• Pohlaví
•Testosteron – zvýšení o 10 – 15 %
•Ženské pohlavní hormony nesignifikantně
• Věk
• Emoční stav
• Tělesná teplota
• 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 %
FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ BAZÁLNÍ METABOLISMUS
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
Kittnar, O. et al.
Lékařská fyziologie.
1st Ed. Grada
Publishing 2011
Energetická rovnováha
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
ENERGETICKÝ VÝDEJ
MET VO2 (l/min) TF (/min)
lehká < 3,0 < 0,5 < 90
střední 3,0 – 4,5 0,5 – 1,0 90 – 110
těžká 4,6 – 7,0 1,0 – 1,5 110 – 130
velmi těžká 7,1 – 10,0 1,5 – 2,0 130 – 150
vyčerpávající > 10 > 2,0 > 150
LIMITY UVEDENÉHO HODNOCENÍ:
• Není zohledněna pracovní kapacita
Při maximální pracovní kapacitě 10 METs
bude práce při 5 METs čerpat kapacitu z
50% (střední)
Při maximální pracovní kapacitě 5 METs
bude práce 5 METs prací maximální
(vyčerpávající)
LIMITY UVEDENÉHO HODNOCENÍ:
Při VO2/kg max = 50 ml/kg/min bude práce
při 25 ml ml/kg.min čerpat kapacitu z 50%
(střední).
Při VO2/kg max = 30 ml/kg.min bude práce
25 ml/kg.min čerpat kapacitu z 83% (velmi
těžká až vyčerpávající)
• Není zohledněna pracovní kapacita
• Není zohledněna
maximální aerobní kapacita
LIMITY UVEDENÉHO HODNOCENÍ:
• Není zohledněna pracovní kapacita
• Není zohledněna
maximální aerobní kapacita
• Není zohledněna maximální tepová rezerva
Maximální tepová rezerva (MTR) = TF max - TF klid
Při TF max = 200 a TF klid = 70
bude práce při TF = 120 čerpat MTR z 38%
(120 - 70 / MTR) (lehká)
Při TF max = 150 a TF klid = 70
bude práce při TF = 120 čerpat MTR z 63%
(120 - 70 / MTR) (těžká)
Energetické hodnoty jednotlivých činností
Lehká práce METs
• řidič 1,5
• laborant 2,1
• barman 2,7
• automechanik 2,7
• údržbář 2,8
Energetické hodnoty jednotlivých činností
Střední práce METs
• elektrikář 3,4
• zdravotní sestra 3,4
• zedník 4,0
• malíř pokojů 4,1
• práce s motorovou pilou 4,4
Energetické hodnoty jednotlivých činností
Těžká práce METs
• dělník v továrně 5,4
• tradiční zemědělství 5,9
• horník 6,2
• kopáč 6,2
• nosič těžkých břemen 6,2
Energetické hodnoty jednotlivých činností
Velmi těžká práce METs
• obsluha pecí 7,4
• řezání ruční pilou 7,8
• kácení stromů 8,9
• struskař 10,1
vyčerpávající práce
Energetické hodnoty jednotlivých činností
volného času
METs
• zametání, vaření, mytí nádobí 2,9
• čištění oken, leštění podlahy, nákupy 3,7
• klepání koberce, leštění nábytku 4,5
Energetické hodnoty jednotlivých činností
volného času
METs
• hraní karet, poslech hudby 1,5
• energická hra na hudební nástroje 2,7
• hraní kulečníku 2,5
• volné společenské tance 4,1
• lidové a moderní tance 6,5
• velmi energické tance 11,3
Energetické hodnoty jednotlivých činností
volného času
METs
• sběr lesních plodů 2,5
• hrabání listí 3,9
• rytí, okopávání 5,0
• házení lopatou 5 kg/10x za min 6,6
• štípání dřeva 6,7
• rybaření v tekoucí vodě 3,9
• rybaření v proudu 5,5
Energetické hodnoty jednotlivých
sportovních odvětví
METs
• chůze rychlostí 5 km/hod po rovině 4,1
• chůze rychlostí 5 km/hod do kopce 8,0
• běh rychlostí 8 km/hod po rovině 7,3
• závodní maratón 18,4
• jízda na kole 21 km/hod 8,2
• plavání rychlostí 1,2 km/hod (netrén.) 7,1
• závodní plavání 15,5
Energetické hodnoty jednotlivých
sportovních odvětví
METs
• závodní fotbal 10,0
• tenis rekreační čtyřhra 5,5
• tenis rekreační dvouhra 8,6
• tenis závodní dvouhra 11,0
• lyžařská turistika 6,5
• závodní běh na lyžích 19,7
• lehký lyžařský sjezd 7,7
• závodní sjezd na lyžích 14,0
Energetické hodnoty jednotlivých
sportovních odvětví
METs
• aerobik 5,6
• lední hokej 25,7
• závodní veslování 23,4
• golf 3,1
• vzpírání 14,4
• horolezectví 7,4
• atd. …………………………………….. ?,?
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