Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita1 Energetický metabolismus Fyziologie II přednáška Bi4182, BKFY0222p, BLFY0222p, BOFY0222p, BPFY0222p, BSFY0222p, BZFY0222p, MBFY0222p Tibor Stračina Fyziologie II přednáška2 Audiovizuální 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. Fyziologie II přednáška3 Energetický metabolismus ̶ Příjem energie ̶ Energetický výdej ̶ Tvorba energetických zásob ̶ Energetická rovnováha PŘÍJEM = VÝDEJ + tvorba ZÁSOB PŘÍJEM ENERGIE VÝDEJ ENERGIE ZÁSOBY PŘÍJEM ENERGIE VÝDEJ ENERGIE ZÁSOBY Fyziologie II přednáška4 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 energetických zásob Fyziologie II přednáška5 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 přednáška6 Výdej energie ̶ Bazální energetický výdej – ~75% výdeje u sedícího člověka v klidu ̶ Termický účinek potravy – ~7% výdeje u sedícího člověka v klidu ̶ Termoregulace ̶ Spontánní fyzická aktivita (mimovolné pohyby) – ~18% výdeje u sedícího člověka v klidu ̶ Fyzická práce Fyziologie II přednáška7 Bazální energetický výdej ̶ Nejmenší množství energie potřebné na udržení homeostázy (vitálních funkcí) za bazálních podmínek ̶ Alespoň 12 h fyzický a psychický klid (v leže na lůžku) ̶ Alespoň 24 h žádná fyzická aktivita vysoké intenzity ̶ Alespoň 12 h lačnění ̶ Neutrální teplota prostředí ̶ BEE (basal energy expenditure) / BRM (basal metabolic rate) Fyziologie II přednáška8 Bazální energetický výdej ̶ Závisí na věku, pohlaví a tělesné stavbě (výška, hmotnost, tělesný povrch, svalová hmota / tuk) ̶ Je ovlivněn tělesnou teplotou a hladinou některých hormonů (hormony štítné žlázy, katecholaminy, růstový hormon) ̶ Klesá při velkém nedostatku spánku a dlouhodobé malnutrici Fyziologie II přednáška9 Aktuální energetický výdej: Termický účinek potravy (TÚP) ̶ Energie potřebná na zpracování potravy a živin z ní přijatých ̶ Velikost TÚP závisí od složení stravy ̶ Proteiny 30% energetického obsahu ̶ Sacharidy 6% energetického obsahu ̶ Tuky 4% energetického obsahu ̶ Pro smíšenou stravu je TÚP ~ 8-10% energie obsažené v potravě ̶ TÚP též označujeme jako specifický dynamický účinek jídla Fyziologie II přednáška10 Aktuální energetický výdej: Termoregulace ̶ Všechny termoregulační mechanismy zvyšují energetický výdej ̶ Pokud je okolní teplota nízká – potřeba zamezit ztrátám a zvýšit produkci tepla ̶ Pokud je okolní teplota vysoká – potřeba zvýšit výdej tepla Fyziologie II přednáška11 Aktuální energetický výdej: Spontánní fyzická aktivita a fyzická práce ̶ Jakákoliv svalová práce zvyšuje energetický výdej ̶ AEE v leže < AEE ve stoji ̶ Zvýšení spotřeby energie je přímo úměrné intenzitě zátěže ̶ Spánek 1,1x; studium 1,4x; osobní hygiena 2,4x; rychlá chůze 4,5x; běh 8,5-10x BEE ̶ Po zátěži vysoké intenzity je energetický výdej zvýšený i po ukončení zátěže (desítky minut až desítky hodin) ̶ Kyslíkový dluh (laktát), obnova energetických substrátů (glykogen), reparační procesy Fyziologie II přednáška12 Aktuální energetický výdej: Somatické nemoci ̶ Jakékoliv somatické „poškození“ zvyšuje energetický výdej ̶ Po operaci 1,1x; sepse 1,3x; mnohočetná poranění 1,5x; popáleniny 50-70% 1,8x BEE ̶ Zvýšení tělesné teploty o 1°C zvýší energetický výdej o 10% ̶ Teplota 38°C 1,1x; 40°C 1,3x BEE ̶ Některé nemoci – specifický vliv na energetický výdej ̶ Hyper-/hypo-tyreóza, chronické záněty, nádorová onemocnění Fyziologie II přednáška13 Uskladnění a přesuny energie ̶ Příjem a výdej energie je nepravidelný – nutnost uskladnění energie ̶ Pohotová zásoba energie – makroergní sloučeniny ̶ ATP, kreatinfosfát, příp. GTP, CTP, UTP, ITP ̶ Krátkodobá zásoba energie – cirkulující živiny ̶ glukóza, mastné kyseliny, příp. aminokyseliny v krevní plasmě ̶ Dlouhodobé zásoby energie – zásobní substráty ̶ Glykogen, tuky, proteiny Fyziologie II přednáška14 Adenosin trisfosfát (ATP) ̶ univerzální makroergní sloučenina Tvorba ̶ denně asi 63 kg (128 mol) ̶ oxidativní fosforylace živin ̶ anaerobní glykolýza – jen krátkodobý zdroj (vzniká laktát) ̶ přeměna z jiných makroergních sloučením (kreatinfosfát) Využití ̶ štěpení makroergní vazby uvolní energii pro nejrůznější buněčné pochody ̶ účinnost není 100%, uvolňuje se teplo Fyziologie II přednáška15 Produkce ATP a svalová výdrž Adopted from: D.U.Silverthorn: Human Physiology (An Integrated Approach) Fyziologie II přednáška16 Zásobní substráty: Glykogen (polysacharid) ̶ Pouze omezené množství – méně než 1% celkových energetických zásob ̶ Rychle dostupná zásoba glukózy ̶ Syntéza (glykogenosyntéza) polymerizací glukózy ̶ Syntéza a skladování v játrech (asi 25%) a ve svalech (asi 75%) ̶ Jaterní glykogen – po glykogenolýze možnost uvolnění glukózy do krve ̶ Důležité pro CNS (stálá potřeba glc) a pokrytí energetické spotřeby během fyzické práce ̶ Svalový glykogen – využití pouze ve svalech (chybí glukoso-6-fosfatáza) Fyziologie II přednáška17 Zásobní substráty: Triacylglyceroly (tuky) ̶ Až 75% celkových energetických zásob organismu ̶ Syntéza: esterifikace mastných kyselin s α-glycerolfosfátem (tuková tkáň + játra) ̶ Mastné kyseliny z potravy ̶ Syntéza mastných kyselin je možná též z acetyl-CoA z glykolýzy (přeměna cukrů na efektivnější zásobu energie = tuk) ̶ Syntéza se zvyšuje v energetickém nadbytku (příjem >> výdej) ̶ Uskladnění se v bílé tukové tkáni (téměř neomezená kapacita) ̶ V podkoží ̶ Kolem vnitřních orgánů (viscerální tuk) Fyziologie II přednáška18 Zásobní substráty: Proteiny ̶ Asi 25% celkových energetických zásob ̶ Využívají se pouze v krizových situacích – katabolismus, hladovění ̶ Mobilizace proteinů jako zdroje energie (proteolýza) – uvolnění aminokyselin ̶ Přímá oxidace aminokyselin – zdroj ATP ̶ možná přeměna glukogenních aminokyselin na cukry (glukoneogeneze; stimulováno glukokortikoidy) ̶ Z pohledu energetických zásob důležité proteiny v krevní plasmě a kosterních svalech ̶ Plasmatické proteiny (IG, albumin) – rychle využitelné; vede k hypoproteinémii, snížení specifické látkové imunity ̶ Mobilizace svalových proteinů vede k úbytku svalové hmoty (sarkopénii) Fyziologie II přednáška19 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 přednáška20 Stanovení energetického výdeje ̶ Měřením: kalorimetrie ̶ Kalorimetrie přímá ̶ Kalorimetrie nepřímá ̶ Výpočtem: BEE z antropometrických parametrů nebo tělesné kompozice ̶ Odhadem: AEE na základě úrovně fyzické aktivity Fyziologie II přednáška21 Přímá kalorimetrie ̶ Předpoklad: při štěpení každé molekuly ATP se uvolňuje teplo ̶ Produkce tepla ≈ energetický výdej ̶ Měří se přímo produkce tepla ̶ Technicky náročné https://www.topendsports.com/health/tests/bmr-calorimeter.htm Fyziologie II přednáška22 Nepřímá kalorimetrie ̶ Předpoklad: množství spotřebované ATP je stejné jako množství vzniklé ATP, přičemž ATP vzniká za spotřeby O2 a tvorby CO2 ̶ Měří se spotřeba O2 a/nebo produkce CO2 ̶ Energetický ekvivalent O2: 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 ̶ Otevřený vs. uzavřený systém (Kroghův respirometr – praktická cvičení) Fyziologie II přednáška23 Respirační kvocient ̶ poměr objemu vyprodukovaného CO2 a spotřebovaného O2 ̶ RQ = VCO2 / VO2 ̶ Přináší informaci o složení substrátů, které organismu metabolizuje ̶ Cukry (glukóza) RQ = 1 ̶ Tuky RQ = 0,7 ̶ Smíšené zdroje RQ ≈ 0,85 ̶ Po intenzivní zátěži RQ > 1 (hrazení kyslíkového dluhu) Fyziologie II přednáška24 Výpočet bazálního energetického výdeje (BEE) ̶ BEE z antropometrických parametrů ̶ Harris-Benedictovy rovnice: Muži: BEE [kcal/den] = 66,5 + 13,75 × m + 5,003 × h − 6,755 × v Ženy: BEE [kcal/den] = 665,1 + 9,563 × m + 1,850 × h − (4,676 × v) ̶ Rovnice podle Mifflina a St. Jeora: Muži: BEE [kcal/den] = 10 × m + 6,25 × h − 5 × v + 5 Ženy: BEE [kcal/den] = 10 × m + 6,25 × h − 5 × v − 161 ̶ Klidový energetický výdej (REE) z tělesné kompozice ̶ Katch-McArdleho rovnice: REE [kcal/den] = 370 + 21,6 × FFM, FFM – aktivní tělesná hmota (fat-free mass) Celkový denní energetický výdej (TDEE) je přímo úměrný intenzitě fyzické aktivity TDEE [kcal/den] = BMR × PAL PAL – úroveň fyzické aktivity Fyziologie II přednáška25 Odhad energetického výdeje z úrovně fyzické aktivity Životní styl Příklad PAL Extrémně neaktivní Ležící imobilní pacient <1,40 Sedavý Lehce pracující osoba bez pravidelné fyzické aktivity 1,40- 1,69 Mírně aktivní Středně těžce pracující osoba nebo osoba s pravidelnou fyzickou aktivitou 1,70- 1,99 Výrazně aktivní Těžce pracující osoba nebo osoba s denní intenzivní fyzickou aktivitou 2,00- 2,40 Extrémně aktivní Závodní sportovci (plavci, cyklisté apod.) >2,40 Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita26 Stav výživy a příjem potravy Fyziologie II přednáška Bi4182, BKFY0222p, BLFY0222p, BOFY0222p, BPFY0222p, BSFY0222p, BZFY0222p, MBFY0222p Tibor Stračina Fyziologie II přednáška27 Stav výživy a jeho hodnocení ̶ Fyzický stav jedince, který zohledňuje hmotnost a stav energetických zásob (svalová hmota, tuková tkáň) ̶ Stav výživy přímo ovlivňuje zdraví ̶ Obezita vs. podvýživa ̶ Výživový stav se hodnotí nejčastěji na základě antropometrických parametrů a tělesné kompozice Fyziologie II přednáška28 Antropometrické parametry ̶ Výška, hmotnost ̶ Body mass index: BMI = hmotnost [kg] / (výška [m])2 ̶ Podváha <20; norma 20-24,9; nadváha 25-29,9; obezita 30-34,9; těžká obezita >40 ̶ Obvod pasu, obvod boků, poměr pas/boky ̶ Pro hodnocení distribuce tukové tkáně a stanovení zdravotního rizika obezity ̶ Obvod svalstva paže ̶ Pro hodnocení úbytku svalové hmoty u katabolických stavů Fyziologie II přednáška29 Tělesná kompozice ̶ Množství tělesného tuku [%] ̶ Aktivní tělesná hmota (fat-free mass) ̶ Měření tloušťky kožní řasy pomocí kaliperačních kleští ̶ Distribuce podkožního tuku; odhad množství tělesného tuku (z nomogramu) ̶ Bioimpedanční analýza (např. InBody®) ̶ Analýza elektrického odporu tkání – odpor tukové tkáně >> odpor svalů Fyziologie II přednáška30 Energetická rovnováha ̶ PŘÍJEM energie = VÝDEJ energie ̶ Dlouhodobá nerovnováha vede k poruchám stavu výživy ̶ Příjem << výdej → podvýživa ̶ Příjem >> výdej → obezita PŘÍJEM POTRAVY VÝDEJ ENERGIE ZÁSOBY+ PŘÍJEM POTRAVY VÝDEJ ENERGIE ZÁSOBY - PŘÍJEM ENERGIE VÝDEJ ENERGIE Fyziologie II přednáška31 Regulace příjmu potravy ̶ Centrum: hypotalamus (pocit hladu a sytosti, chuť k jídlu) ̶ Množství tukové tkáně (lipostatická hypotéza) ̶ Kolísání glykémie (glukostatická hypotéza) ̶ Teplota tělesného jádra (termostatická hypotéza) ̶ Též další vstupní informace z vnitřních receptorů ̶ Zpracování potravy v gastrointestinálním traktu ̶ Význam hormonů GIT Fyziologie II přednáška32 Pocit sytosti ̶ Centrum sytosti: hypotalamus (n. ventromedialis) Pocit sytosti je navozen: ̶ Příjmem potravy (preresorptivní sycení) ̶ Žvýkací pohyby, chuťové a čichové vjemy, mechanoreceptory hltanu a žaludku ̶ Resorpcí živin (resorptivní sycení) ̶ Chemoreceptory GIT, zvýšením glykémie a teploty jádra, změnami lipidového metabolismu (centrální gluko-, termo- a lipo-receptory) Fyziologie II přednáška33 Pocit hladu ̶ Centrum hladu: hypotalamus (n. arcuatus a laterální jádra) ̶ Spouští se, pokud není stimulován pocit sytosti ̶ K pocitu hladu přispívají hladové kontrakce žaludku Fyziologie II přednáška34 Orexigenní faktory Chuť k jídlu a pocit hladu/sytosti Anorexigenní faktory ̶ Neuropeptid Y ̶ Orexin A a B ̶ Hormon koncentrující melanin ̶ ARP (agouti-related peptide) ̶ Ghrelin ̶ Insulin ̶ Cukry (fruktóza) ̶ Proopiomelanokortin ̶ Kortikoliberin ̶ CART ̶ Peptid YY ̶ Cholecystokinin (z GIT) ̶ Glukagon ̶ Leptin Fyziologie II přednáška35 Tuková tkáň a leptin ̶ Tuková tkáň – nejdůležitější dlouhodobá energetická zásoba ̶ Leptin – informace o zásobách tělesného tuku ̶ více tukové tkáně = více leptinu ̶ z tukové tkáně vylučován do krve (vázaná / volná forma) ̶ cílová tkáň: hypotalamus, hypofýza, gonády ̶ ↑ leptinu způsobí ↓ apetytu (příjmu potravy), ↑BEE ̶ ↓ leptinu způsobí ↑ apetytu, ale též ↓reprodukčních funkcí, ↓tělesné teploty, ↓BEE ̶ Ovlivňuje též funkci hypotalamo-hypofyzární osy, imunitní funkce, kostní metabolismus ̶ Dlouhodobě vysoká hladina leptinu vede k leptinové rezistenci Fyziologie II přednáška36 Ghrelin ̶ Vylučován zejména z žaludku, ale též dalších částí GIT (enteroendokrinní buňky) ̶ Produkce je nejvyšší mezi jídly (signál prázdného žaludku) ̶ Hormon hladu - podílí se na aktivaci pocitu hladu ̶ Další funkce ̶ Podílí se na regulaci glukózového metabolismu ̶ Protizánětlivý účinek, moduluje imunitní odpověď ̶ Inhibuje vylučování gonadoliberinu, pravděpodobně ovlivňuje i další hormony hypotalamu Fyziologie II přednáška37 Obezita ̶ Nadměrný stav výživy spojený s akumulací tělesného tuku ̶ Alimentární (z přejídání) vs. sekundární (důsledek jiných nemocí) ̶ Vysoká incidence v populaci (rozvinuté vs. rozvojové země) ̶ Rizikový faktor pro vznik mnoha nemocí ̶ Hypertenze a další KVO, DM 2.typu, poruchy krevních lipidů (= metabolický syndrom) ̶ Zhoubné nádory ̶ Poruchy kloubů z opotřebení ̶ Poruchy plodnosti