Měření metabolismu
Petr Babula
Poděkování: prof. MUDr. Marie Nováková, Ph.D. (některé převzaté slajdy)
• 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
S výjimkou člověka
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