Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 1 Metabolismus, výživa, jídelníček Praktické cvičení z fyziologie (jarní semestr: 1. – 3. týden) Studijní materiály byly vytvořeny za podpory projektu MUNI/FR/1474/2018 Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 2 Stanovení energetického výdeje nepřímou kalorimetrií a výpočtem Studijní materiály byly vytvořeny za podpory projektu MUNI/FR/1474/2018 Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 3 Metabolismus všechny chemické a energetické děje probíhající v těle ̶v souvislosti s potravou: energetické a chemické přeměny, které probíhají v organismu po přijetí potravy (zahrnuje zpracování, trávení, vstřebávání a distribuci k buňkám) ̶živý organismus oxiduje živiny za vzniku H2O, CO2 a energie potřebné pro životní procesy ̶katabolismus: komplexní, postupný proces rozkladu látek na jednodušší sloučeniny, při němž se uvolňuje energie. Energie se uvolňuje jako teplo nebo jako chemická energie (uložená do makroergních sloučenin, např. ATP) ̶anabolismus: proces tvorby složitějších látek z jednodušších, energie se spotřebovává Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 4 Kalorimetrie ̶Kalorimetrie – měření tepla, které se uvolní ve studovaném systému při určitém ději (chemickém, fyzikálním, biologickém) ̶Teplo = energie, jednotka joul (J) ̶Hodnocení metabolismu živočicha: Vychází z předpokladu, že všechny metabolické děje jsou provázeny tvorbou tepla ̶Metabolizování potravy je téměř ekvivalentní přímému spálení (shoření) potravy ̶ ̶ Přímá kalorimetrie - přímé měření tepla kalorimetrem ̶vzniklého spálením potravy za dostatečného přísunu kyslíku ̶vydávaného metabolizujícím živočichem za dostatečného přísunu kyslíku ̶ ̶ Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 5 Přímá kalorimetrie ̶Technicky je náročnější ̶Pokud se používá u živočichů, tak jen u malých ̶Izotermní kalorimetr ̶Teplota se po celou dobu experimentu nemění. Vzniklé teplo je odváděno a v další fázi např. působí fázovou přeměnu čisté látky (např. led ve vodu) ̶ voda tepelná izolace přívod vzduchu odvod vzduchu Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 6 Spalné teplo ̶teplo/energie vzniklé oxidací 1 g substrátu za dostatečného přísunu kyslíku – energie vztažená na g substrátu ̶fyzikální spalné teplo – energie vzniklá hořením substrátu ̶fyziologické spalné teplo – energie vzniklá oxidací substrátu živým organismem ̶ ̶cukry a tuky: fyziologické = fyzikální spalné teplo ̶bílkoviny: fyzikální > fyziologické spalné teplo ̶(hořením bílkovin vznikají oxidy dusíku, metabolizováním bílkovin vzniká močovina, která v sobě část chemické energie uchovává) ̶ ̶spalné teplo živin ̶cukry 17,1 kJ/g ̶tuky 38,9 kJ/g ̶fyzikální spalné teplo bílkovin: 23 kJ/g fyziologické spalné teplo bílkovin: 17,1 kJ/g Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 7 Nepřímá kalorimetrie Princip: spotřeba O2, výdej CO2 a odpad dusíkatých metabolitů jsou ve vztahu ke spotřebě energie ̶možnost měřit v otevřeném či uzavřeném systému ̶v praktiku otevřený systém – Kroghův spirometr ̶vybavený natronovým vápnem – vychytává CO2 ̶ ̶Energetický ekvivalent kyslíku (EE) – energie vztažená na l kyslíku ̶množství energie, které se uvolní při spotřebě 1 l kyslíku ̶univerzální konstanta pro výpočet energetického výdeje při smíšené stravě EE = 20,19 kJ / litr O2 ̶EE živin: ̶Glukóza 21,4 kJ / litr O2 ̶Proteiny 18,8 kJ / litr O2 ̶Lipidy 19,6 kJ / litr O2 ̶ Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 8 Respirační kvocient (RQ) ̶Poměr: vyprodukovaný CO2 / přijatý O2 ̶Poskytuje informaci ohledně zpracovaného substrátu ̶Sacharidy: RQ = 1 – stejný poměr C a O jako ve vodě ̶Lipidy: RQ = 0,7 – obsahují méně kyslíku ̶Proteiny: RQ = 0,8 - 0,9 – komplikovanější, protože se musí počítat i s močí ̶Běžná smíšená potrava: RQ=0,85 ̶Glukogeneze: RQ ≈ 0,4 ̶Lipolýza : RQ ≈ 0,7 ̶Lipogeneze : RQ ≈ 2,75 ̶Na lačno, při hladovění: RQ < 0,85 – lypolýza, glukoneogeneze ̶Jiné faktory ovlivňující RQ ̶Hyperventilace RQ > 1 je vydýcháván CO2 ̶Během zátěže nebo při metabolické acidóze RQ > 1 ̶Volní hypoventilace nebo metabolická alkalóza může RQ < 0,7 ̶Podle orgánů – mozek RQ=1 (jí sacharidy), žaludek RQ < 1 Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 9 Respirační kvocient (RQ) ̶Poměr: vyprodukovaný CO2 / přijatý O2 ̶Poskytuje informaci ohledně zpracovaného substrátu ̶Sacharidy: RQ = 1 – stejný poměr C a O jako ve vodě ̶Lipidy: RQ = 0,7 – obsahují méně kyslíku ̶Proteiny: RQ = 0,8 - 0,9 – komplikovanější, protože se musí počítat i s močí ̶Běžná smíšená potrava: RQ=0,85 ̶Glukogeneze: RQ ≈ 0,4 ̶Lipolýza : RQ ≈ 0,7 ̶Lipogeneze : RQ ≈ 2,75 ̶Na lačno, při hladovění: RQ < 0,85 – lypolýza, glukoneogeneze ̶Jiné faktory ovlivňující RQ ̶Hyperventilace RQ > 1 je vydýcháván CO2 ̶Během zátěže nebo při metabolické acidóze RQ > 1 ̶Volní hypoventilace nebo metabolická alkalóza může RQ < 0,7 ̶Podle orgánů – mozek RQ=0,97-0,99 (jí sacharidy), žaludek RQ < 1 Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 10 Dusíková bilance poměr (nebo rozdíl) mezi dusíkem přijatým v potravě (bílkoviny, aminokyseliny) a dusíkem vyloučeným (především močí, ve stolici je dusíku minimálně) ̶indikátor rozpadu bílkovin a aminokyselin nebo tvorby nové tkáně (zabudovávání bílkovin) ̶ ̶negativní dusíková bilance ̶dusík je více vylučován než přijímán ̶znak degradace bílkovin a aminokyselin ̶hladovění, nucená dlouhodobá nehybnost, nedostatek některé esenciální aminokyseliny, rozpad tkání (rozsáhlá zranění, popáleniny, rozpad nádorů, pooperační stavy) ̶pozitivní dusíková bilance ̶dusík je více přijímán než vylučován ̶růst, těhotenství Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 11 Bazální metabolismus Množství energie nezbytné pro zachování základních životních funkcí ̶Bazální energetický výdej (BEE): energetický výdej organismu za definovaných - tzv. bazálních podmínek: ̶termoneutrální prostředí ̶tělesný a duševní klid (ráno než vstaneme z lůžka) ̶dieta bez bílkovin 12-18 hodin před měřením ̶BEE se mění v závislosti na mnoha faktorech ̶svalová tkán zvyšuje BEE, opakovaná hubnutí ho snižuje ̶I přes splnění podmínek je získaná hodnota pouze odhadem skutečné energie spojené s bazálním metabolismem ̶Klidový energetický výdej – měření výdeje za klinických podmínek, kdy není možní dodržet všechny bazální podmínky – slouží k odhadu BEE ̶ Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 12 Měření spotřeby O2 v praktiku výdech (rezervoár respirometru stoupá) nádech (rezervoár respirometru klesá) Křivka objemových změn v Kroghově respirometru během dýchání celkové množství spotřebovaného kyslíku v leže během ležení po fyzické aktivitě čas (s) celkové množství spotřebovaného kyslíku po aktivitě Sklon poklesu objemu ve respirometru vn (l/s) = spotřeba kyslíku za čas kyslík ze spirometru je metabolizován, CO2 je zachytáváno natronovým vápnem → spotřeba O2 se měří jako úbytek O2 ve spirometru Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 13 Aktuální energetický výdej (AEE) Výdej měřený za aktuálních podmínek ̶ V praktiku: AEE ̶v klidu (≠ klidový výdej!) – v leže ̶ve stoje ̶po fyzické zátěži – chůze na schůdcích po dobu 5 min ̶Stanovte ̶vn - odečtená spotřeba O2 (l/s) ̶vr – hodnota korigovaná na 0°C a 101,325 kP (l/s) t: Teplota místnosti °C, B: barometrický tlak kPa (1 mmHg = 0,133 kPa), napětí vodních par v kPa (podle tabulky) ̶Vypočítejte AEE (chyba výpočtu je asi 8%) ̶AEE (kJ/s) = 20,19 . vr ̶AEE (kJ/den) = 20,19 . vr . 86400 Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 14 Výpočet energetického výdeje rovnicí ̶bazální energetický výdej (BEE) – Harris-Benedictova rovnice ̶Muži (kcal/den) ̶Ženy (kcal/den) ̶m: hmotnost v kg, h: výška v cm, r věk v letech ̶BEE (kJ/den) = BEE (kcal/den) . 238,8 ̶AEE (kJ/den) = AF . TF . IF ̶bazálního energetického výdeje (kJ/den) ̶aktivity (activity factor, AF) - v praktiku: zdravý lehce pracující (AF = ženy 1,55; muži 1,6) ̶tělesné teploty (temperature factor, TF) – v praktiku: normální (TF = 1) ̶poškození (injury factor, IF) – v praktiku: žádné (IF = 1) Zvýšení teploty a poškození zvyšuje AEE BEE a AEE výpočtem představuje jen odhad vaší reálné hodnoty. Rovnice byla zjištěna na základě vyhodnocení mnoha lidí, ale dva lidé se stejnými parametry nikdy nebudou mít stejný výdej, pouze podobný. Rovnice například nepočítá se složením tělesné hmoty, podílem svalů a tuků, nastavením metabolismu. ̶ Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 15 Závěry Porovnejte spočítaný BEE a naměřený AEE v leže a po zátěži Očekáváme: BEE < AEE klid < AEE po zátěži Vysvětlete pozorované rozdíly Může se stát: BEE ≥ AEE klid Vysvětlete tuto situaci