Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita1 Energetický metabolismus Fyziologie práce Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita2 Energetický metabolismus = souhrn všech chemických (a fyzikálních) procesů zahrnutých v: • produkci energie z vnitřních i vnějších zdrojů • syntéze a degradaci strukturálních a funkčních prvků tkání • 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. Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita3 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 Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita4 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=4 184J Přeměna proteinů a cukrů na tuky – účinné uložení energie Přeměna proteinů na cukry – potřeba rychlé energie ALE: neexistuje signifikantní přeměna tuků na cukry Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita5 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 – např. na tvorbu glykogenu 7%BM 3. U sedících lidí: spontánní fyzická aktivita 18%BM 4. Fakultativní termogeneze: netřesová 5. Při tělesné aktivitě: největší část energetických nároků organismu; individuální; mění se podle ročního období Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita6 • Zásoba energie: ATP, kreatinfosfát, GTP, CTP (cytosin), UTP (uridin), ITP (inosin) • Makroergní vazba – 12kcal/mol • Účinnost není 100% - 18kcal substrátu na 1vazbu 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 RESPIRAČNÍ KVOCIENT RQ = VCO2 : VO2 Cukry: RQ = 1 Tuky: RQ = 0,7 Proteiny: RQ = 0,8(za jednotku času, za ustáleného stavu) R – poměr respirační výměny (není ustálený stav!) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita 7 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) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita8 Přesuny energie mezi orgány Tuková tkáň Svaly Játra Triglyceridy Volné MK MK CO2 Svalová práce Laktát Laktát Pyruvát Glukóza Glukóza ATP H+ Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita9 Kalorimetrie přímá = měření energie uvolněné spálením potravy mimo tělo (oxidace sloučenin v kalorimetru) 1. Kalorická bomba 2. Celotělový kalorimetr (pro laboratorní zvířata, pro člověka) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita 10 Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita11 Kalorimetrie nepřímá • Množství spotřebovaného O2 • Množství energie uvolněné na 1 mol spotřebovaného O2 se liší s typem oxidované látky (vliv skladby potravy) – energetický ekvivalent Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita12 • 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 • Věk • Emoční stav • Tělesná teplota • Thyroidální status • Množství katecholaminů v krvi Faktory ovlivňující bazální metabolismus Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita13 Práce (fyzická aktivita, cvičení) Source: www.freepik.com. Photos created by freepik and standret Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita14 Kosterní sval ̶ Kontrakce: izometrická (statická práce) vs. isotonická (dynamická práce) ̶ Metabolismus: aerobní vs. anaerobní ̶ Metabolická autoregulace krevního průtoku: ↓pO2; ↑pCO2; ↓pH; ↑K+; ↑lokální teplota ̶ Krevní průtok závisí na svalovém napětí (vysoké napětí = snížený průtok) ̶ Svalová vřeténka – svalové napětí – aferentace – udržuje aktivaci SNS Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita15 Metabolismus kosterního svalu Adopted from: D.U.Silverthorn: Human Physiology (An Integrated Approach) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita16 Reakce organismu na zátěž (práci) ̶ Sympatický nervový systém (ergotropní systém) ̶ Kardiovaskulární změny ̶ Respirační změny ̶ Metabolické změny ̶ HOMEOSTÁZA Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita17 Anticipace fyzického výkonu ̶ Reakce organismu (zejména KVS) ještě před zahájením práce ̶ Připravuje organismus na zvýšené metabolické nároky pracujících kosterních svalů ̶ Změny stejné jako v časné fázi odpovědi na zátěž ̶ Podobnost s reakcí na stres (fight-or-flight) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita18 Reakce kardiovaskulárního systému na práci ̶ Zvýšení srdečního výdeje ̶ Vazokonstrikce: v nepracujících kosterních svalech, v GIT, kůži, (ledvinách) ̶ Vazodilatace v pracujících svalech ̶ Zvýšení žilního návratu ̶ Uvolnění histaminu ̶ Zvýšená produkce adrenalinu (dřeň nadledvin) ̶ Termoregulace Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita19 Zvýšení srdečního výdeje. Srdeční rezerva ̶ SV = SO x SF (SNS: pozitivní inotropní a chronotropní efekt) ̶ Srdeční rezerva = maximální SV / klidový SV (4 – 7) ̶ Koronární rezerva = maximální KP / klidový KP (~3,5) ̶ Chronotropní rezerva = maximální SF / klidová SF (3 – 5) ̶ Objemová rezerva = maximální SO / klidový SO (~1,5) SV – srdeční výdej; KP – koronární průtok; SF – srdeční frekvence; SO – systolický objem Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita20 Srdeční rezerva u zdravého a selhávajícího srdce 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 Srdečnívýdej[l/min] Zátěž [W/kg] trénovaný (atletické srdce; ↑ srdeční rezerva) netrénovaný (fyziologická reakce) selhávající srdce (↓↓↓ srdeční rezerva) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita21 Změny arteriálního tlaku krve PARAMETR V KLIDU PŘI ZÁTĚŽI NÁRŮST (x) Srdeční výdej [l/min] 5 – 6 25 (35) 4 – 5 (7) srdeční rezerva Srdeční frekvence [1/min] (45) 60-90 190 – 200 (220) závisí na věku 3 – 5 chronotropní rezerva Systolický objem [ml] 75 115 ~1.5 objemová rezerva Systolický TK [mmHg] 120 statická práce ↑ dynamická práce ↑↑ Diastolický TK [mmHg] 70 statická práce ↑↑↑ dynamická práce ─ / ↓ Střední arteriální tlak (MAP) [mmHg] ~90 statická práce ↑ dynamická práce ─ / ↑ Perfuze kosterních svalů [ml/min/100g] 2 – 4 60 – 120 (180) 30 (10% COmax) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita)22 Reakce respiračního systému na zátěž ̶ Dýchací centrum - ↑ ventilace ̶ chemoreceptory: ↑ pCO2 + ↓ pH ̶ proprioceptory v plicích ̶ Sympatický nervový systém (stres – anticipace) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita23 Reakce respiračního systému na zátěž PARAMETR V KLIDU PŘI ZÁTĚŽI NÁRŮST (x) Ventilace [l/min] 6 – 12 90 – 120 15 – 20 respirační rezerva Frekvence dýchání [1/min] 12 – 16 40 – 60 4 – 5 Dechový objem (VT) [ml] 0.5 – 0.75 ~2 3 – 4 Průtok plicnicí (perfuze plic) [ml/min] 5 – 6 25 – 35 4 – 6 Spotřeba O2 (VO2) [ml/min)] 250 – 300 ~3000 10 – 12 (25) Produkce CO2 [ml/min] ~200 ~8000 ~40 Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita24 Spotřeba kyslíku (VO2 ) ̶ Spiroergometrie ̶ Klidová VO2: ~3.6 mlO2/(min.kg) ̶ VO2 max – objektivní ukazatel aerobní výkonnosti ̶ netrénovaná osoba středního věku: 30 – 40 mlO2/(min.kg) ̶ elitní vytrvalostní atlet: 80 – 90 mlO2/(min.kg) ̶ pacient s těžkým srdečním selháním /CHOPN : 10 – 20 mlO2/(min.kg) Adopted from: https://studentconsult.inkling.com/read/boron- medical-physiology-3e/chapter-60/figure-60-6 Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita25 Determinanty VO2 max 1. Příjem O2 v plicích ̶ ventilace plic, celková difuzní kapacita plic 2. Dodávka O2 do svalů ̶ průtok krve (tlakový gradient – srdeční výdej vs. odpor) ̶ koncentrace hemoglobinu (kapacita krve pro O2) 3. Extrakce O2 z krve do svalů ̶ pO2 gradient: krev - mitochondrie Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita 26 Spotřeba kyslíku během zátěže ̶ Kyslíkový dluh Adopted from: D.U.Silverthorn: Human Physiology (An Integrated Approach) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita 27 Krevní plyny (v závislosti na spotřebě O2) Adopted from: D.U.Silverthorn: Human Physiology (An Integrated Approach) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita28 Substráty využívané kosterním svalem v zátěži ̶ Nízká intenzita: tuky (MK) ̶ Vysoká intenzita: glukóza Adopted from: D.U.Silverthorn: Human Physiology (An Integrated Approach) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita29 Produkce ATP a svalová výdrž při aerobním a anaerobním metabolismu Adopted from: D.U.Silverthorn: Human Physiology (An Integrated Approach) Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita30 Testování fyzické zdatnosti (kondice) ̶ (Spiro)ergometrie ̶ Standardizovaná zátěž ̶ exaktně: W/kg ̶ poměrově: MET – metabolický ekvivalent ̶ poměr mezi aktuálním metabolický obratem a metabolickým obratem v klidu v sedě ̶ 1 MET = spotřeba 3,5 ml O2/kg.min ≈ 4,31 kJ/kg.h ̶ spánek ≈ 0,9 MET; pomalá chůze ≈ 3-4 MET; sprint, rychlý běh ≈ 16 MET ̶ (+) jednoduchost; (-) nutno vyjadřovat individuálně!!! Marie Nováková, Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita31 Ukazatele zdatnosti (fitness) ̶ W170 [W/kg] ̶ VO2 max [ml O2 / (min.kg)] ̶ Aerobní / anaerobní práh ̶ Únava, selhání ̶ Tréning ̶ Adaptace