Adobe Systems Fyziologický ústav, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity 1 Stanovení energetického výdeje nepřímou kalorimetrií a výpočtem Studijní materiály byly vytvořeny za podpory projektu MUNI/FR/1474/2018 Adobe Systems Metabolismus Všechny chemické a energetické děje probíhající v těle při zpracování potravy, tj. energetické a chemické přeměny, které probíhají v organismu po přijetí potravy (zahrnuje zpracování, trávení, vstřebávání a distribuci k buňkám) Živý aerobní organismus oxiduje živiny za vzniku H2O, CO2 a energie potřebné pro životní procesy. Rozlišujeme následující druhy: Ø 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; glykolýza; lipolýza, …) Ø Ø anabolismus: proces tvorby složitějších látek z jednodušších, energie se spotřebovává (např. glukoneogeneze, syntéza glykogenu, lipogeneze, …) Adobe Systems Evoluční okénko V Archaiku v období před 3,8 až 2,5 miliardami let vznikl život. Jeho první doklady jsou fosilní prokaryotické bakterie, Archea a sinice, které jsou nalézány v nejstarších známých horninách po celém světě. Adobe Systems V Proterozoiku (jinak také starohory- 2,5 miliardami až 542 miliónů let). V tomto období vznikly první eukaryota a první mnohobuněčné organismy, řasy. Na konci proterozoika se už rozvíjely i mnohobuněčné organismy (láčkovci, kroužkovci, členovci) – úplně první výskyt je z období před 2 miliardami let ze západního Texasu. Dvě velké ledové periody přinesly útlum ve vývoji a začátkem kambria začíná populační exploze. Ze starohor je známý i první organismus se sexuálním mechanismem rozmnožování (tj. rozdílné orgány samčích a samičích rostlin) – červená řasa Bangiomorpha pubescens. Bakterie rodu Schyzomectes Cyanophyta Dickinsonia Kimberela Spriggina Ediakarská fauna Adobe Systems Kalorimetrie Kalorimetrie – měření tepla, které se uvolní ve studovaném systému při určitém ději (chemickém, fyzikálním, biologickém)- teplo = energie ( jednotka joul-J) Hodnocení metabolismu živočicha: Ø vychází z předpokladu, že všechny metabolické děje jsou provázeny tvorbou tepla, tj. metabolizování potravy je téměř ekvivalentní přímému spálení (shoření) potravy Ø Přímá kalorimetrie Ø přímé měření tepla kalorimetrem Ø vzniklého spálením potravy za dostatečného přísunu kyslíku vydávaného metabolizujícím živočichem za dostatečného přísunu kyslíku Adobe Systems Přímá kalorimetrie Ø technicky je náročnější Ø pokud se používá u živočichů, tak jen u malých Ø izotermní kalorimetr Ø 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 8 Spalné teplo Teplo/energie vzniklé oxidací 1 g substrátu za dostatečného přísunu kyslíku – energie vztažená na g substrátu Ø fyzikální spalné teplo – energie vzniklá hořením substrátu Ø 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 Ø cukry 17,1 kJ/g Ø tuky 38,9 kJ/g Ø fyzikální spalné teplo bílkovin: 23 kJ/g fyziologické spalné teplo bílkovin: 17,1 kJ/g Adobe Systems Nepřímá kalorimetrie Adobe Systems 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 Ø hyperventilace RQ > 1 je vydýcháván CO2 Ø během zátěže nebo při metabolické acidóze RQ > 1 Ø volní hypoventilace nebo metabolická alkalóza může RQ < 0,7 Ø dle orgánů – mozek RQ=1 (jí sacharidy), žaludek RQ < 1 Adobe Systems Dusíková bilance Jedná se o poměr (nebo rozdíl) mezi dusíkem přijatým v potravě (bílkoviny, aminokyseliny) a dusíkem vyloučeným (především močí, ve stolici je dusíku minimálně). Je to i indikátor rozpadu bílkovin a aminokyselin nebo tvorby nové tkáně (zabudovávání bílkovin). ̶ Negativní dusíková bilance Ø dusík je více vylučován než přijímán Ø znak degradace bílkovin a aminokyselin Ø hladovění, nucená dlouhodobá nehybnost, nedostatek některé esenciální aminokyseliny, rozpad tkání (rozsáhlá zranění, popáleniny, rozpad nádorů, pooperační stavy) Ø Pozitivní dusíková bilance Ø dusík je více přijímán než vylučován Ø růst, těhotenství Poměr stabilních izotopů (15N/14N a 13C/12C) Výživa a paleoekologie dusikovapyramida c3c4rostliny potrava1 δ13C=((Rsample/Rstandard-1)x1000 δ 15N =((Rsample/Rstandard-1)x1000 per mil Izotop kyslíku Poměr izotopů kyslíku 18O/16O nám řekne o klimatu během života člověka a vodě kterou dané zvíře či člověk pil. Izotop 18O se velmi snadno váže do fosforečnanu vápenatého (tvořícího kost) a do fluoroapatitu (tvoří sklovinu zubu). Podle izotopového složení lze zjistit nejen klima v době života zvířete či člověka, tak rovněž lze zjistit migrace v raném věku. Adobe Systems Bazální metabolismus Množství energie nezbytné pro zachování základních životních funkcí Bazální energetický výdej (BEE): energetický výdej organismu za definovaných - tzv. bazálních podmínek: Ø termoneutrální prostředí Ø tělesný a duševní klid (ráno než vstaneme z lůžka) Ø dieta bez bílkovin 12-18 hodin před měřením BEE se mění v závislosti na mnoha faktorech (např. 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 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 Aktuální energetický výdej (AEE) Výdej měřený za aktuálních podmínek V praktiku: AEE Ø v klidu (≠ klidový výdej!) – v leže Ø ve stoje Ø po fyzické zátěži – chůze na schůdcích po dobu 5 min Stanovte Ø vn - odečtená spotřeba O2 (l/s) Ø 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), e - napětí vodních par v kPa (podle tabulky) Vypočítejte AEE (chyba výpočtu je asi 8%) Ø AEE (kJ/s) = 20,19 . vr Ø AEE (kJ/den) = 20,19 . vr . 86400 Adobe Systems Výpočet energetického výdeje rovnicí Bazální energetický výdej (BEE) – Harris-Benedictova rovnice Ø Ø muži (kcal/den) Ø ženy (kcal/den) m: hmotnost v kg, h: výška v cm, r věk v letech ̶ BEE (kJ/den) = BEE (kcal/den) . 4,184 AEE (kJ/den) = BEE. AF . TF . IF Ø bazální energetický výdej (kJ/den) Ø aktivita (activity factor, AF) - v praktiku: zdravý lehce pracující (AF = ženy 1,55; muži 1,6) Ø tělesná teplota (temperature factor, TF) – v praktiku: normální (TF = 1) Ø poškození (injury factor, IF) – v praktiku: žádné (IF = 1) Zvýšení teploty a poškození zvyšuje AEE! BEE a AEE 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 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