Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita1
Energetický metabolismus
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)
Tibor Stračina
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)2
Energetický metabolismus
̶ Příjem energie (vnější i vnitřní zdroje)
̶ Výdej energie
̶ Tvorba energetických zásob
̶ PŘÍJEM = VÝDEJ + ZÁSOBY
PŘÍJEM
ENERGIE VÝDEJ
ENERGIE
ZÁSOBY
PŘÍJEM
ENERGIE
VÝDEJ
ENERGIE
ZÁSOBY
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)3
Příjem energie
̶ Základní substráty: cukry, tuky a bílkoviny
̶ Energie se získává spalováním (oxidací) substrátů
̶ cukry 4,1 kcal/g
̶ tuky 9,3 kcal/g
̶ bílkoviny 5,3 kcal/g (v lidském organismu 4,1 kcal/g)
̶ Zdroj substrátů: příjem potravy nebo mobilizace zásob
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)4
Spalování živin
O2 + ADP
GLYKOLÝZA b-OXIDACE
hexóza
C6H6O6
(2)pyruvát (2)acetyl-CoA(n/2)
2ATP
4xATP
4H
4H
Každý acetyl-CoA
Citrátový
cyklus
8H
mastná kyselina
CnH2nO2
ATP
2(n-2)H
2(n-2)H
Oxidativní fosforylace
ATPH2O
2 CO2
GTP
protein
AMK
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)5
Výdej energie
̶ Bazální metabolismus – výdej energie na udržení homeostázy za bazálních
podmínek (vitální funkce) – ~75% výdeje u sedícího člověka v klidu
̶ Specifický dynamický účinek jídla – malé zvýšení energetického výdeje po
najezení – ~7% výdeje u sedícího člověka v klidu
̶ Termoregulace
̶ Spontánní fyzická aktivita (mimovolné pohyby) – ~18% výdeje u sedícího člověka v klidu
̶ Fyzická práce – obvykle největší část energetického výdeje organismu
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)6
Uskladnění a přesuny energie
̶ Příjem a výdej energie nepravidelný – nutnost uskladnění energie
̶ Pohotová zásoba – makroergní sloučeniny
̶ ATP
̶ kreatinfosfát
̶ GTP, CTP, UTP, ITP
̶ Dlouhodobé zásoby – zásobní substráty
̶ Tuky, proteiny, cukry
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)7
Adenosin trisfosfát (ATP)
̶ univerzální makroergní sloučenina
Tvorba
̶ denně asi 63 kg (128 mol)
̶ oxidativní fosforylace
̶ glykolýza – jen krátkodobý zdroj, tvorba laktátu
Využití
̶ štěpení makroergní vazby – účinnost není 100%, uvolňuje se teplo
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)8
Zásobní substráty
̶ Triglyceridy v tukové tkáni (75% zásob) – až na 2 měsíce
̶ Zdroj: MK z potravy a esterifikace s α-glycerolfosfátem nebo syntéza MK z acetyl-CoA z glykolýzy (přeměna
cukrů na efektivnější zásobu energie = tuk)
̶ Proteiny ve svalech a krevní plasmě (25% zásob)
̶ Možná přeměna na cukry (glukoneogeneze; stimulováno glukokortikoidy)
̶ Proteiny v krevní plasmě – rychle využitelné; vede k hypoproteinémii, snížení specifické látkové imunity
̶ Mobilizace svalových proteinů vede k sarkopénii
̶ Cukry ve formě glykogenu (méně než 1% zásob)
̶ Důležité pro CNS a pokrytí energetických nároků během krátkodobé fyzické práce
̶ Glykogen uložen v játrech (asi 25%) a ve svalech (asi 75%)
̶ Jaterní glykogen – glykogenolýza – uvolnění Glc do krve
̶ Svalový glykogen – využití pouze ve svalech (chybí glukoso-6-fosfatáza)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)9
Přesuny energie mezi orgány
̶ Pouze ve formě substrátů (glukóza, MK, AMK, laktát, ketolátky, ...)
̶ Na přesuny se spotřebovává energie (syntéza a štěpení zásobních substrátů,
transporty, …)
Tuková tkáň Svaly
Játra
Triglyceridy
Volné MK
MK
CO2
Svalová
práce
Laktát
Laktát
Pyruvát
Glukóza
Glukóza
ATP
H+
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)10
Měření energetického výdeje
̶ Kalorimetrie přímá
̶ Kalorimetrie nepřímá (PRAKTIKA!!!)
̶ Spotřeba O2 – energetický ekvivalent kyslíku (množství energie uvolněné za spotřeby 1 litru O2)
Cukry: 21,15 kJ/l
Tuky: 19,6 kJ/l
Proteiny: 19,65 kJ/l
Směsná dieta: 20,1 kJ/l
̶ Spotřeba O2 + produkce CO2 – respirační kvocient (poměr objemu vyprodukovaného CO2 a spotřebovaného O2;
RQ = VCO2
/ VO2
)
Cukry: RQ = 1
Tuky: RQ = 0,7
Proteiny: RQ = 0,8 – 0,9
Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita11
Fyziologie práce
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)
Tibor Stračina
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)12
Práce (fyzická aktivita, cvičení)
Source: www.freepik.com. Photos created by freepik and standret
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)13
Kosterní sval
̶ Kontrakce: isometrická (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
Fyziologie II přednáška (VLFY0422p)14
Metabolismus kosterního svalu
Adopted from: D.U.Silverthorn:
Human Physiology (An Integrated
Approach)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)15
Reakce organismu na zátěž (práci)
̶ Sympatický nervový systém (ergotropní system)
̶ Kardiovaskulární změny
̶ Respirační změny
̶ Metabolické změny
̶ HOMEOSTÁZA
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)16
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 fázy odpovědě na zátěž
̶ Podobnost s reakcí na stres (fight-or-flight)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)17
Reakce kardiovaskulárního systému na práci
̶ Zvýšení srdečního výdeje
̶ Vazokonstrikce v nepracujících kosterních svalech, v GIT, kůži, (ledvinách)
̶ Vazodilatace v pracujících svalech
̶ Zvýšení žílního návratu
̶ Uvolnění histaminu
̶ Zvýšená produkce adrenalinu (dřeň nadledvin)
̶ Termoregulace
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)18
Zvýšení srdečního výdeje. Srdeční rezerva
̶ CO = SV x HR
Sympatikus: (+) chronotropie, inotropie, dromotropie, batmotropie, lusitropie
̶ Srdeční rezerva = maximální CO / klidový CO (4 – 7)
̶ Koronární rezerva = maximální CF / klidový CF (~3.5)
̶ Chronotropní rezerva = maximální HR / klidová HR (3 – 5)
̶ Objemová rezerva = maximální SV / klidový SV (~1.5)
CO – srdeční výdej; CF – koronární průtok; HR – srdeční frekvence; SV – systolický objem
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)19
Změny arteriálního tlaku krvi
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)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)20
Reakce dýchacího systému na zátěž
̶ Dýchací centrum - ↑ ventilace
̶ chemoreceptory: ↑ pCO2 + ↓ pH
̶ proprioceptory v plicích
̶ Sympatický nervový systém (stres – anticipace)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)21
Reakce dýchacího 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
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)22
Spotřeba kyslíku (VO2)
̶ Spiroergometrie
̶ Klidová VO2: ~3.6 mlO2/(min.kg)
̶ VO2 max – objektivní ukazatel aerobní výkonnosti
̶ netrénovaná osoba středného věku: 30 – 40 mlO2/(min.kg)
̶ elitní vytrvalostní atlet: 80 – 90 mlO2/(min.kg)
̶ pacient s těžkým srd. selháním /CHOPN : 10 – 20 mlO2/(min.kg)
Adopted from:
https://studentconsult.inkling.com/read/boron-
medical-physiology-3e/chapter-60/figure-60-6
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)23
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
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)24
Spotřeba kyslíku během zátěže
̶ Kyslíkový dluh
Adopted from: D.U.Silverthorn:
Human Physiology (An Integrated
Approach)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)25
Krevní plyny (v závislosti na spotřebě O2)
Adopted from: D.U.Silverthorn:
Human Physiology (An Integrated
Approach)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)26
Substráty využívané kosterním svalem
během zátěže
̶ Nízká intenzita: tuky (MK)
̶ Vysoká intenzita: glukóza
Adopted from: D.U.Silverthorn:
Human Physiology (An Integrated
Approach)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)27
Produkce ATP a svalová výdrž při aerobním
a anaerobním metabolismu
Adopted from: D.U.Silverthorn:
Human Physiology (An Integrated
Approach)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)28
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!!!
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)29
Ukazatele zdatnosti (fitness)
̶ W170 [W/kg]
̶ VO2 max [ml O2 / (min.kg)]
̶ Aerobní / anaerobní práh
̶ Únava, selhání
̶ Tréning
̶ Adaptace
Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita30
Termoregulace
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)
Tibor Stračina
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)31
Teplota –
homeostatický parametr
45
40
35
30
25
Úžeh
Těžká práce, horečka
Normální teplota těla
(36,3 – 37,1°C)
Ztráta vědomí
Selhání kosterních svalů,
komorová fibrilace
HYPETERMIEHYPOTERMIE
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)32
Tělesné jádro vs. obal
̶ homeotermní vs. poikilotermní
̶ Teplota tělesného jádra –
udržována v (úzkém) rozmezí
̶ Kožní teplota (obal) – proměnlivá
(teplota jádra, okolní prostředí)
Adopted from: K.S. Saladin, Anatomy & Physiology—The
Unity of Form and Function, 8th ed. (McGraw-Hill, 2018)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)33
Variabilita teploty tělesného jádra
̶ Cirkadiální kolísání
̶ Cirkamensální rytmus (u žen od
puberty do menopausy)
̶ Sezónní variabilita (cirkanuální
rytmus)
̶ Stárnutí
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)34
Variabilita teploty tělesného jádra
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)35
Jemná rovnováha teploty jádra
PRODUKCE
TEPLA
PŘÍJEM
TEPLA
VÝDEJ
TEPLA
ZTRÁTY
TEPLA
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)36
Teplo vs. teplota
̶ Teplo [J] – (tepelná) energie přenášena mezi tělesy (odevzdávána nebo
přijímána)
̶ Teplota [K, °C, °F] – míra obsahu tepelné energie; střední kinetická energie
částic (molekul, iontů)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)37
Přenos tepla uvnitř organismu
̶ primárně KONVEKCE
̶ médium = krev
̶ v menší míře KONDUKCE
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)38
Produkce tepla
̶ Metabolismu: metabolický obrat ~ produkce tepla
̶ Fyzický aktivita (svalová kontrakce) – klid vs. práce
̶ Postprandiální termogeneze (příjem potravy)
̶ Třesová termogeneze
̶ Netřesová termogeneze (hnědá tuková tkáň)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)39
Příjem a ztráty tepla
̶ „pasivní“ procesy
̶ RADIACE
̶ KONVEKCE
̶ KONDUKCE
̶ Závisí na teplotním gradient povrch těla (kůže) – okolní prostředí
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)40
Výdej tepla (aktivní ztráty)
̶ EVAPORACE
̶ perspiratio sensibilis = produkce potu (1 l odpařeného potu = - 2 428 kJ)
̶ perspiratio insensibilis = difuze vody přes kůži a sliznice
̶ (RADIACE)
̶ (KONDUKCE)
̶ (KONVEKCE)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)41
Termoregulace
̶ Všechny procesy směřující k udržení teploty jádra v požadovaném rozmezí
̶ Termoregulační chování
̶ Sociální termoregulace
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)42
Aferentace
̶ Centrální termoreceptory – teplota mozku
̶ Teplotně citlivé neurony v předním hypotalamu (area preoptica)
̶ Periferní termoreceptory – kožní teplota
̶ TRP kanály
Adopted from:: https://doi.org/10.1016/bs.pmbts.2015.01.002
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)43
Termoregulační centrum
̶ Přední HYPOTALAMUS (area preoptica)
̶ Integrace aferentních informací
̶ Modifikace eferentních drah (vegetatívní, somatické) – ovlivnění efektorů
̶ „set-point“ vs. prahová teplota pro efektorové systémy
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)44
Efektorové systémy termoregulace
̶ Chování
̶ Kožní cirkulace
̶ Potní žlázy
̶ Kosterní svaly (volné pohyby, třesová termogeneze)
̶ Horipilace (piloerekce)
̶ Hnědá tuková tkáň (netřesová termogeneze)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)45
Chladem indukované mechanismy
̶ Strategie: snížit ztráty tepla
̶ Chování: snížit tělesný povrch, tepleji se obléct
̶ Vazokonstrikce v kůži. Horipilace
̶ Inhibice pocení
̶ Strategie: zvýšit produkci tepla
̶ Kosterní sval: častější volné pohyby (chování). Třes
̶ Netřesová termogeneze (hnědá tuková tkáň, NA, β3R, UCP1)
̶ Hlad (zvýšení příjmu potravy)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)46
Teplem indukované mechanismy
̶ Strategie: zvýšit ztráty/výdej tepla
̶ Kožní vazodilatace
̶ Zvýšené pocení (evaporace)
̶ Zvýšená ventilace
̶ Strategie: snížit produkci tepla
̶ Chování: Vyhledání stínu, lehké oblečení
̶ Neaktivita, apatie
̶ Ztráta chuti k jídlu (snížený apetit)
Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita47
Adaptace
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)
Tibor Stračina
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)48
Adaptace = přizpůsobení se
̶ Dlouhodobá strukturální a/nebo funkční přestavba
̶ Vede k poklesu energetických nároků na udržení homeostázy za
změněných podmínek
̶ Funkční / Evoluční výhoda (geneticky fixované adaptace)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)49
Spuštění adaptace
̶ Nadprahová změna vnějšího a/nebo vnitřního prostředí
̶ Působí dlouhodobě nebo opakovaně
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)50
Adaptace na fyzickou zátěž:
Silové vs. vytrvalostní zatížení
Source: www.freepik.com - photo created by gpointstudio Source: www.freepik.com - photo created by alexeyzhilkin
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)51
Adaptace na fyzickou zátěž
̶ Kosterní sval
̶ Hypertrofie, neovaskularizace
̶ Kardiovaskulární systém
̶ Adaptace srdce (koncentrická hypertrofie vs. atletické srdce)
̶ Zvýšení počtu erytrocytů resp. koncentrace hemoglobinu
̶ Adaptace regulací krevního tlaku a perfuze (kosterní sval, srdce, ledviny)
̶ Dýchací systém
̶ Rozvoj plic (pokud je možné i hrudního koše), zlepšení difuze plynů přes a-k membránu
̶ Metabolismus
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)52
Atletické srdce
̶ Adaptace srdce na
vytrvalostní zátěž
̶ ↑ LVEDV - ↑ SV (baroreflex)
↓ HR
̶ ~ CO
̶ ↑ srdeční rezerva
Source: https://assets.beta.meta.org/discover/thematic-feed/83-athletic-heart-syndrome.jpg
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)53
Srdeční rezerva u atletického 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)
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)54
Maximální spotřeba kyslíku (VO2max)
̶ netrénovaná osoba středného věku: 30 – 40 mlO2/(min.kg)
̶ elitní vytrvalostní atlet: 80 – 90 mlO2/(min.kg)
̶ pacient s těžkým srd. selháním /CHOPN : 10 – 20 mlO2/(min.kg)
Adopted from:
https://studentconsult.inkling.com/read/boron-
medical-physiology-3e/chapter-60/figure-60-6
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)55
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
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)56
Adaptace na extrémní teploty
Source: www.freepik.com
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)57
Adaptace na chlad
̶ Strategie: snížení tepelných ztrát (+ zvýšení produkce tepla)
̶ Zvýšení chuti k jídlu (apetit)
̶ Nárůst podkožní tukové vrstvy
̶ Přestavění termoregulačního centra
̶ Snížení teploty pro aktivaci třesové termogeneze
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)58
Adaptace na teplo
̶ Strategie: zvýšení tepelných ztrát + snížení produkce tepla
̶ Snížení chuti k jídlu (apetit)
̶ Adaptace pocení
̶ Závislé na vlhkosti prostředí; snížení produkce potu, snížení koncentrace iontů
̶ Přestavění termoregulačního centra
̶ Zvýšení teploty pro aktivaci pocení
Fyziologie II přednáška (ZLFY0422p)59
Obsah prezentovaný během přednášky je autorským dílem
vytvořeným zaměstnanci Masarykovy univerzity. Jakékoliv další
šíření tohoto obsahu nebo jeho části bez svolení Masarykovy
univerzity je v rozporu se zákonem.