Metabolismus
Bi3031 Demonstrační úlohy z fyziologie živočichů
Metabolismus = látková přeměna
▪ katabolismus + anabolismus látek
▪ příjem a distribuce živin, vody a kyslíku, jejich biotransformace,
odstranění zplodin a metabolitů látek
▪ zisk energie z chemických vazeb v potravě, konverze na ATP
▪ spotřeba energie: svalové kontrakce
Na+/K+ transport
proteosyntéza
Ca2+ export
▪ energeticky nejnáročnější orgány: svalovina
srdce
ledviny
▪ řízena hypotalamo-hypofyzárním systémem (endokrinní, parakrinní,
poptávka - spotřeba)
Metabolismus = látková přeměna
Metabolismus = látková přeměna
▪ živočichové získávají energii z chemických vazeb živin (chemotrofní)
▪ zdrojem uhlíku jsou pro živočichy organické látky (heterotrofní)
▪ organismy autotrofní (CO2 zdrojem uhlíku) a fototrofní (zdrojem E je
světlo)
▪ živočichové jsou chemoheterotrofní a zpracovávají organické látky
prostřednictvím jejich oxidace vzdušným O2 až na CO2 a vodu
Mezi spotřebou O2 a množstvím uvolněné energie je přímý vztah.
Bazální a celkový metabolismus
▪ bazální M = nejmenší množství energie nutné k zajištění základních
funkcí organismu za definovaných (bazálních) podmínek:
• osoba je v absolutním duševním a tělesném klidu
• měření v termoneutrální zóně (pro osobu nahou 27 °C, pro osobu oblečenou 20 °C)
• poslední příjem potravy byl uskutečněn minimálně před 12 h a po 3 dny byl omezen
příjem bílkovin
▪ udává se v kJ a u člověka činí zhruba 7000 kJ/den
▪ norma: muži 171 kJ/hod/m2, ženy 151 kJ/hod/m2
kalorie (cal; množství energie zvyšující teplotu 1 g vody z 15 °C na 16 °C)
cal = 4,18 J
J = 0,239 cal
kcal = 1000 cal = 4,18 kJ
▪ faktory ovlivňující BM: věk, pohlaví (u žen nižší), hmotnost, výška,
povrch těla, svalová hmota, genetické faktory, teplota okolí, specifickodynamický
účinek potravy, dieta, hormony, fyziologické stavy
(těhotenství, laktace), patologické stavy
▪ celkový M = BM + aktivita (práce) + teplotní vliv okolí
Rubnerův povrchový zákon
▪ Max Rubner (1854 - 1932)
▪ hodnota BM vztažená na kg hmotnosti těla se
u jednotlivců liší (těžší jedinci mají relativně
nižší úroveň BM)
▪ s relativním zvětšováním povrchu těla
homoiotermních živočichů se zvětšuje i jejich
metabolismus (BM na povrch těla je shodný)
Regulace metabolismu
Hypofýza
Štítná žláza
Krevní řečiště
Tělní buňky
Hypothalamus▪ osa hypothalamus > hypofýza > štítná žláza
▪ buňky hypothalamu syntetizují skupiny
hormonů nazývané liberiny a statiny
▪ tyreotropin stimulující hormon (tyroliberin,
thyrotropin-releasing hormone, TRH)
z hypothalamu je portálním krevním systémem
dopraven do adenohypofýzy
▪ adenohypofýza vytváří tropní hormony (tropiny)
▪ tyreotropin (thyroid-stimulating hormone, TSH)
je krví dopraven do štítné žlázy, kde stimuluje
tvorbu hormonů štítné žlázy
▪ štítná žláza vytváří hormony trijodtyronin (T3)
a tetrajodtyronin (T4, tyroxin)
▪ aktivita osy je regulována zpětnou vazbou
▪ v krvi převažuje tyroxin > v cílových buňkách
je přeměněn na účinnější trijodtyronin
▪ přebytečný tyroxin se může metabolizovat na
neúčinný reverzní trijodtyronin
Štítná žláza
▪ endokrinní žláza na kraniálním konci průdušnice, někdy zasahuje až na hrtan
▪ na povrchu vazivové pouzdro; uvnitř lalůčky (lobuli), které se skládají z váčků (folliculi)
oddělených vazivem, kapilárními a lymfatickými pleteněmi
▪ folikuly z jedné vrstvy kubických folikulárních buněk a vyplněné koloidem (homogenní
tekutina obsahující bílkovinu tyreoglobulin)
▪ vychytává z krve jód ve formě anorganických solí a váže ho na tyreoglobulin v koloidu
▪ vytvořený T3 a T4 uvolněn z folikulárních buněk do krve
Štítná žláza
Funkce hormonů štítné žlázy:
▪ diferenciační faktory během nitroděložního vývoje a krátce po narození
▪ synergie s růstovým hormonem
▪ zvyšují úroveň BM a spotřebu kyslíku většiny tkání
▪ zvyšují produkci tepla
▪ ovlivňují činnost nervstva a pohlavních žláz, zrychlují reflexní odpověď
▪ snižují hladinu cholesterolu v krvi
▪ zvyšují srdeční výdej a tepovou frekvenci
Poruchy štítné žlázy:
▪ nedostatek hormonů štítné žlázy (hypofunkce) = hypotyreóza
▪ nedostatek jódu v potravě > kompenzace zvětšením štítné žlázy (struma)
▪ zpomalení metabolismu, únava, pocit chladu, klesá výkonost, poruchy paměti, stoupá
hladina cholesterolu v krvi a riziko aterosklerózy, zácpa, bolesti svalů, u žen poruchy
menstruačního cyklu, u nenarozených dětí a novorozenců mentální retardace
▪ léčba hormonální substitucí
▪ nadbytek hormonů štítné žlázy (hyperfunkce) = hypertyreóza
▪ nadbytek tyroxinu (Graves-Basedowova choroba)
▪ hubnutí, nadměrný příjem potravy, zvýšená dráždivost, vypoulení očí, zvětšení štítné
žlázy
▪ léčba tyreostatiky tlumícími tvorbu hormonů ve štítné žláze (karbimazol, thiamazol,
propylthiouracil)
Výživa a energetické zásoby
▪ proteiny
- asi 18 % E zásob
- nejsou běžně využitelné, ale jsou základní stavební složkou všech buněk
- maso, ryby, vejce, mléčné výrobky, luštěniny, obiloviny atd.
▪ sacharidy
- pohotový zdroj E
- ovoce, zelenina, slazená jídla a nápoje atd.
- glykogen (zásobní cukr) cca 500 g (400 g ve svalech a 100 g v játrech);
zásoba vyčerpána po 30-90 min aktivity
- glukóza energie zejména pro mozek a krvinky
▪ tuky
- asi 80 % všeho paliva v těle
- energeticky nejvydatnější
- nasycené (máslo, maso, sýr, mléko), nenasycené (zdravější - rostlinný olej,
margarín, ryby, ořechy, semena)
- využití vitamínů A, D, E a K, které jsou rozpustné v tucích, syntéza hormonů
▪ vitamíny, minerální látky, vláknina
Denní příjem a energetická rovnováha
▪ rovnováha mezi E přijímanou z potravy a jejím výdejem fyzickou aktivitou > optimální
tělesná hmotnost a zdraví
▪ normální, snížená a zvýšená hmotnost se určují pomocí indexu tělesné hmotnosti
(body-mass index, BMI – odkaz na kalkulačku)
▪ normální tělesná hmotnost (BMI 20-25), podváha (BMI<20), nadváha (BMI>25), obezita
(BMI>30); liší se v závislosti na věku
Denní příjem E:
▪ dospělý muž: 2200-2400 kcal (9240-11340 kJ)
▪ dospělá žena: 1800-2200 kcal (7560-9240 kJ)
▪ dítě: 1500-2000 kcal (6300-8400 kJ)
Energetická hodnota živin:
▪ 1 g bílkoviny = 4 kcal = 17 kJ
▪ 1 g sacharidu = 4 kcal = 17 kJ
▪ 1 g tuku = 9 kcal = 37 kJ
BMI =
tělesná hmotnost v kg
(tělesná výška v m)2
Měření metabolismu
Přímá kalorimetrie
▪ Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794)
▪ souvislost úrovně metabolismu a vydaného tepla
▪ měření produkce tepla v uzavřených komorách (Lavoisierův, Atwaterův kalorimetr)
▪ přesné, ale technicky náročné
Teplo uvolněné z modelového organismu rozpouští led…
„respirační výměna plynů je spalování“
Měření metabolismu
Nepřímá kalorimetrie (respirometrie)
▪ August Krogh (1874 - 1949), Barcroft (1872 - 1947)
▪ souvislost spotřebovaného O2, vydaného CO2 a úrovně metabolismu
▪ energetický ekvivalent (EE) je množství energie uvolněné ze substrátu při spotřebě
1 litru O2 (průměrně 20,2 kJ)
▪ respirační koeficient (RQ) se používá pro přesnější určení složení spalované směsi;
závisí na specificko-dynamickém účinku živin
▪ čisté sacharidy (RQ = 1), proteiny (RQ = 0,8), lipidy (RQ = 0,7)
▪ průměrný RQ 0,85
▪ hladovění, diabetes: P + L => S (RQ<1), lipogeneze: S => L (RQ>1)
RQ =
CO2
O2
Výpočet BM
▪ Harris a Benedict, 1918
BMR (ženy)
= 665,51 + (9,56 × váha v kg) + (1,85 × výška v cm) − (4,68 × věk v letech)
kcal/den (převést na kJ/den)
BMR (muži)
= 66,47 + (13,75 × váha v kg) + (5,00 × výška v cm) − (6,76 × věk v letech)
kcal/den (převést na kJ/den)
1 kcal = 1000 cal = 4,18 kJ Běh 12 km/h.........................900% BM
Běh 16 km/h.........................1280% BM
Běh 20 km/h.........................2000% BM
Jízda na kole 12 km/h.......... 340% BM
Jízda na kole 18 km/h.......... 560% BM
Jízda na kole 24 km/h.......... 1060% BM
Plavání prsa 50 m/min..........780% BM
Plavání kraul 50 m/min.........1180% BM
Chůze 5 km/h.......................300% BM
Chůze 7 km/h.......................440% BM
Praktická úloha: Metabolismus larev hmyzu
▪ komůrka dle Barcrofta (mod. Vácha)
▪ modelový organismus Galleria mellonella
1. Zvážit modelové organismy … m (g)
2. Sestrojit komůrku (velké, malé špunty)
3. 3 x 3 minuty měřit spotřebu D O2 (ml / 3 min / m g)
4. Spočítat průměr D O2 (ml / 3 min / m g)
5. Převést na litry a vynásobit EE (kJ / 3 min / m g)
6. Převést na den a jeden kilogram váhy (kJ/den/kg)
čas (min) DO2 (ml)
3
6
9
průměr
průměr (x ml / 3 min)
▪ spirometricky podle Krogha
▪ natrokalcid: NaOH (absorbce CO2) + CaCl2 (absorbce H2O)
V5 = x (l O2 za 5 min)
V1 = x / 5 (l O2/min)
BM1 = V1 x EE (kJ/min)
BM = BM1 x 60 / m (kJ/hod/kg)
BM = … (kJ/den/kg)
Metabolismus člověka
čas
l O2
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
5 min