Metabolizmus a kalorimetrie = příjem a distribuce živin, H[2]O a O[2], jejich biotransformace a odstranění zplodin a metabolitů látek = souhrn všech energetických a látkových přeměn v organizmu o živočichové - zisk E z chemických vazeb živin → oxidace O[2 ]→ E tělu vlastních látek = ATP (centrální molekula metabolizmu) o → mezi spotřebou O[2] a množstvím uvolněné E je přímý vztah o využití E z ATP: • mechanická práce (pohyb) • syntéza látek • tvorba koncentračních gradientů (aktivní membránový transport) • elektrická a světelná práce (luminiscence) • udržování tělesné teploty Metabolizmus (látková přeměna) Typy metabolizmu – rozdělení organizmů: ¢ podle zdroje C • autotrofní (litotrofní) – CO[2] • heterotrofní (organotrofní) – organická látka ¢ podle zdroje E • fototrofní – sluneční světlo; fotoautotrofní (fotolitotrofní) – zdroj C CO[2]; vytváří většinu organických látek na Zemi (rostliny, bakterie); fotoheterotrofní (fotoorganotrofní) – zdroj C organické látky • chemotrofní – E přeměnou chemických látek, chemoautotrofní (chemolitotrofní) – zdroj C CO[2]; chemoheterotrofní (chemoorganotrofní) – zdrojem C i E jsou organické látky (bakterie, houby, živočichové) Chemoheterotrofní živočichové - zpracování organických látek: — aerobní metabolizmus – oxidace vzdušným O[2] až na CO[2] a vodu (E nejvýhodnější, vyšší organizmy) — anaerobní metabolizmus – kvašení, pak aerobní metabolizmus (v prostředí bez O[2], bakterie, střevní paraziti) Metabolické dráhy = sled enzymových reakcí vedoucích od substrátu ke konečnému produktu ¢ katabolizmus– rozklad složitějších látek na jednodušší + zisk E (př.: glykolýza a kvašení, oxidace mastných kyselin, cyklus kys. citronové, oxidativní fosforylace) ¢ anabolizmus – syntéza složitějších látek s využitím E (př.: biosyntéza glyceridů, polysacharidů, fotosyntéza) ¢ E propojení mezi dráhami = soustava adenozinfosfátů – anabolické děje získávají E štěpením ATP na ADP nebo AMP, katabolické děje dodávají energii pro resyntézu ATP BAZÁLNÍ METABOLIZMUS (BM) Rubnerův povrchový zákon • hodnota BM vztažená na kg hmotnosti těla se u jednotlivců liší • → těžší jedinci mají relativně nižší úroveň BM • vztáhne-li se hodnota BM na povrch těla (na m^2), vychází shodná = s relativním zvětšováním povrchu těla homoiotermních živočichů se zvětšuje i jejich metabolizmus (omezení - na výdej tepla do prostředí má vliv i podkožní tuk, prokrvení kůže a pokryv peřím nebo srstí) Klidový metabolismus – podmínkou při měření je klid Celkový metabolizmus = bazální metabolizmus + E na veškeré další aktivity organizmu; závisí na teplotě prostředí a druhu vykonané práce Řízení metabolizmu - endokrinní žlázy hypotalamo-hypofyzárního systému (hormony) = tyroxin (štítná žláza), tyreotropin (TSH; adenohypofýza), tyreotropin stimulující hormon (TRH; hypothalamus) E nejnáročnější orgány: svalovina, srdce, ledviny Výživa ¢ E bohaté substráty + voda = E pro zajištění základních životních potřeb Bílkoviny (proteiny) = maso, ryby, vejce, mléčné výrobky, luštěniny, obiloviny • základní stavební složka všech buněk organizmu; růst, obnova a správná funkce všech tkání, imunita • minimální potřeba je 0,5 g/kg hmotnosti/den Cukry (sacharidy) = ovoce, zelenina, slazená jídla a nápoje, rýže, brambory • pohotový zdroj většiny E pro tělo (škroby, cukry) • nadměrná konzumace - nevyužité sacharidy → tuky - ukládají se v těle → obezita Tuky (lipidy) = nasycené (máslo, maso, sýr, mléko); nenasycené (zdravější) = rostlinný olej, margarín, ryby, ořechy, semena • energeticky nejvydatnější • využití vitamínů A, D, E a K (rozpustné v tucích), syntéza hormonů • nadměrné množství tuku - negativní vliv na zdraví a celkovou kondici Cukry a tuky se mohou jako zdroj E zastoupit, tuk je postradatelný, ale musí být zajištěn přívod vitamínů rozpustných v tucích a esenciálních mastných kyselin Vitamíny a minerální látky - nepostradatelné; podporují IS, účastní se metabolizmu, napomáhají správné funkci mozku, podporují hormonální vyváženost Vláknina - napomáhá trávení a dodává pocit nasycenosti, podporuje a urychluje vylučování toxických látek z organizmu; patří mezi složené cukry - organizmus není schopen ji v tenkém střevě rozložit, vstřebat a využít jako zdroj E; váže na sebe vodu - v trávicím traktu nabobtná a dodá pocit sytosti na delší dobu = cereálie, celozrnné pečivo, zelenina, luštěniny, ovoce Energetická rovnováha Denní příjem energie GDA (guideline daily amounts) = doporučovaná denní dávka živin na potravinářských obalech; hodnoty používané pro dospělou ženu platí pro všechny; využitelná E (množství kalorií), % doporučovaného denního příjmu kalorií, složení výrobku, nutriční hodnoty Stanovení denního energetického výdeje ¢ výdej E se řídí intenzitou a dobou trvání činnosti ¢ stanovení měřením spotřeby O[2] nebo výpočtem pomocí tabulek ¢ zjištěný denní energetický výdej je nutno navýšit o 6% = E vynaložená na zpracování potravy (termodynamický efekt přijaté potravy) Denní příjem energie ¢ 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: 1g bílkoviny = 4 kcal = 17 kJ 1g sacharidu = 4 kcal = 17 kJ 1g tuku = 9 kcal = 37 kJ Používané jednotky ü Kalorie (cal) = jednotka energie, používaná dříve (není jednotkou soustavy SI – podobně 1 palec = 2,54 cm); vyjadřování E hodnoty potravin (obvykle se používá její násobek kcal) • různé definice, nyní platí = množství E, které dokáže zvýšit teplotu 1 gramu vody ze 14,5 °C na 15,5 °C. • měrná tepelná kapacita vody je asi 4185 J·kg^−1·K^−1 → 1 cal ≈ 4,185 J ü Kilokalorie (kcal) – jednotka 1000x větší („velká kalorie“) = 4,185 kJ ü Joule (J) = jednotka práce a energie; v soustavě SI patří mezi odvozené jednotky vztahem: J = kg·m^2·s^-2 (N.m) = práce, kterou koná síla 1 N působící po dráze 1 m Přepočty 1 cal ≈ 4,185 J 1 kcal = 1000 cal ≈ 4,185 kJ ≈ 4,2 kJ 1 J ≈ 0,239 cal 1 kJ ≈ 239 cal = 0,239 kcal ≈ 0,24 kcal Štítná žláza (glandula thyroidea) ¢ endokrinní žláza na kraniálním konci průdušnice, někdy zasahuje až na hrtan ¢ vazivové pouzdro; laloky – lalůčky – uzavřené váčky (folikuly) se sítí kapilár Folikuly ¢ z krve vychytávají jód ve formě anorganické soli (NaI, NaK) a uskladňují ho ¢ jód se naváže na tyrosinové zbytky tyreoglobulinu pomocí thyroperoxidázy ¢ jodované tyrosinové zbytky - monojodtyrosin (MIT) nebo dijodtyrosin (DIT) kondenzují v trijodtyronin T[3 ](MIT+DIT) nebo v tyroxin T[4] (DIT+DIT) - neaktivní, navázané na tyreoglobulin ¢ zásoba neaktivních hormonů se ve folikulech hromadí → koloid ¢ tyreotropin → tyreoglobulin se dostane zpět do folikulárních buněk → odštěpí se proteinová složka → hormony se uvolní do krve ¢ v krvi převažuje tyroxin → v cílových buňkách je přeměněn na účinnější trijodtyronin Parafolikulární buňky (C-buňky) - kalcitonin (kalcitropní hormon) - ↓ hladinu Ca v krvi Funkce hormonů štítné žlázy ¢ diferenciační faktory během nitroděložního vývoje a krátce po narození ¢ ↑ úroveň bazálního metabolismu a spotřebu O[2] většiny tkání ¢ ovlivňují činnost nervstva a pohlavních žláz, zrychlují reflexní odpověď ¢ ↑ počet receptorů pro katecholaminy v srdečním svalu → ↑ frekvence a síly stahů ¢ ↓ hladiny cholesterolu v krvi Hypothalamo-hypofyzární vrátnicový systém - specializované uspořádání krevních cév = vrátnicová žíla spojující 2 kapilární řečiště; transportuje hormony z hypothalamu do hypofýzy REGULACE A PORUCHY FCE ŠTÍTNÉ ŽLÁZY Regulace ¢ tyreotropin (adenohypofýza) - stimuluje aktivní transport jódu z krve do folikulárních buněk, jeho zabudování do tyreoglobulinu i vlastní sekreci hormonů ¢ tvorba tyreotropinu je řízena tyreotropin stimulujícím hormonem (TRH) z hypotalamu a jeho sekrece je tlumena vysokými hladinami trijodtyroninu a tyroxinu v krvi ¢ přebytečný tyroxin se také může metabolizovat na neúčinný reverzní trijodtyronin Poruchy funkce štítné žlázy ¢ poměrně časté, většinou celoživotní ¢ vliv: zásobení jodem, genetika, ženské pohlaví, vnější prostředí, věk, hormony a stres Nedostatek hormonů štítné žlázy (hypofunkce štítné žlázy) = hypotyreóza ¢ nedostatkem jódu v potravě ¢ kompenzace: zvětšení folikulů → zvýšení kapacity a schopnosti buněk vychytat jód = zvětšení štítné žlázy (struma) ¢ zpomalení metabolismu, únava, pocit chladu, ↓ výkonnost, poruchy paměti a soustředění, kůže je suchá a šupinatá, vlasy a nehty jsou lámavé a ztrácí lesk, ↑ hladina cholesterolu v krvi (riziko aterosklerózy), zácpa, bolesti svalů, u žen poruchy cyklu a nepravidelná ovulace ¢ u nenarozených dětí a novorozenců během vývoje mozku = mentální retardace (kretenismus) ¢ léčba hormonální substitucí Nadbytek hormonů štítné žlázy (hyperfunkce štítné žlázy) ¢ nadbytek tyroxinu - Graves-Basedowova choroba ¢ hubnutí, nadměrný příjem potravy, zvýšená dráždivost, vypoulení očí, zvětšení štítné žlázy ¢ častěji u žen mezi 30. – 50. rokem, i u dospívajících ¢ léčba = tyreostatika - interferují s produkcí a uvolňováním hormonů ve štítné žláze, ovlivňují konverzi tyroxinu na trijodtyronin = karbimazol, thiamazol (methimazol) a propylthiouracil HYPOFÝZA (PODVĚSEK MOZKOVÝ, GLANDULA PITUITARIA) ¢ centrální endokrinní žláza, nadřazená všem ostatním žlázám s vnitřní sekrecí v těle ¢ uložena na bázi lebky v podvěskové jámě klínové kosti v tureckém sedle ¢ spojena nálevkou s hypotalamem – ovládá její činnost Adenohypofýza (přední lalok hypofýzy) ¢ regulace: hypofýzotropní hormony (hypothalamus) ¢ růstový hormon (somatotropní hormon, STH), luteotropní hormon (prolaktin, LTH), folikuly stimulující hormon (FSH), luteinizační hormon (LH), adrenokortikotropní hormon (ACTH), endorfiny ¢ tyreotropní hormon (TSH, tyreotropin) - stimuluje syntézu a uvolňování hormonů štítné žlázy, ↑ prokrvení a látkovou výměnu štítné žlázy Neurohypofýza (zadní lalok hypofýzy) ¢ produkce hormonů v hypothalamu → axonální transport do neurohypofýzy (jen skladování) ¢ antidiuretický hormon (vasopresin, ADH) – podporuje retenci vody, vazokonstrikční účinky, reguluje sekreci ACTH ¢ oxytocin - vyvolává porodní kontrakce děložní svaloviny a stimuluje ejekci mléka Metody měření Kalorimetrie = měření množství E uvolněné pro životní potřeby Přímá kalorimetrie (přesné, ale technicky náročné) o měření celkové produkce tepla organizmem v uzavřených komorách o vodní nebo ledový plášť nádržky přijímá měřené teplo - množství lze vypočítat ze vzestupu teploty tekutiny nebo podle množství tající vody → čím více tepla organizmus vydává, tím vyšší je metabolizmus ¢ Lavoiserův kalorimetr : nádoba s ledem, uvolněné teplo rozpouští led; 1l H[2]O » 333 kJ ¢ Atwaterův kalorimetr: větší organismy, uvolněné teplo ohřívá vodu v okolních trubkách; 1l H[2]O ohřeje vodu o 1°C při spálení 4,2 kJ Nepřímá kalorimetrie ¢ měření spotřebovaného O[2] (spotřeba O[2] se zvyšuje s intenzitou metabolizmu) ¢ E je ze substrátu uvolněna oxidativní fosforylací ¢ známe-li množství E, která se při odbourávání určité živiny uvolní na 1l prodýchaného kyslíku (respirační koeficient), můžeme z jeho spotřeby vypočítat, kolik E substrát oxidací poskytne (EE) a zjistit množství uvolněné E v kJ ¢ měříme tedy spotřebu O[2] a produkci CO[2] pomocí respirometru s uzavřeným okruhem (sledujeme úbytek O[2]) nebo s otevřeným okruhem (analyzujeme vdechovaný a vydechovaný vzduch) VÝPOČET ENERGETICKÉ PŘEMĚNY • Stanovení fyzikálního spalného tepla (ST[fy] ) - spalovací kalorimetr ¢ tepelně izolovaná vodní nádržka - spalovací komora → určité množství živiny se s O[2] spálí ¢ vznikající teplo je předáváno okolní vodě a její ohřátí je mírou hledaného St[fy] • Stanovení fyziologického spalného tepla (ST[fl]) • tuky a sacharidy jsou zcela oxidovány (spáleny) = odbourány za přítomnosti O[2] na CO[2] a H[2]O → jejich biologicky využitelný E obsah odpovídá jejich spalnému teplu ST[fl] = ST[fy] [• ]bílkoviny nejsou plně odbourány → ST[fy] > ST[fl] • Výpočet energetického (kalorického) ekvivalentu (EE, EQ, Q, KE) ¢ spočítá se z ST[fl] a množství O[2] potřebného k oxidaci ¢ 1l O[2] spotřebovaný spalováním živin vede k uvolnění 20,2 kJ = E získaná organizmem při spotřebování 1 litru O[2 ] ¢ je nutné vědět, která živina je právě spalována (respirační kvocient) • Zjištění respiračního koeficientu (kvocientu) RQ=V[CO2] [vydýchaného]/ V[O2spotřebovaného] ; RQ = 0,85 (smíšená potrava) = kolik molekul O[2 ]je třeba na spálení určité látky (výživa pouze sacharidy ...) ¢ cukry (glukóza) RQ = 6/6 = 1 C[6]H[12]O[6] + 6O[2] → 6CO[2] + 6H[2]O ¢ proteiny (podíl ve výživě je konstantní) RQ = 0,8 ¢ lipidy (tripalmitin) RQ = 102/147 = 0,7 2C[51]H[98]O[6]+ 145O[2] → 102CO[2] + 98H[2]O ¢ nadbytek cukrů → ukládání ve formě tuků (lipogeneze): sacharidy → lipidy (RQ>1) ¢ krize, hladovění, diabetes - málo cukrů, proteiny + lipidy → sacharidy (RQ<1) Kalorimetrické stanovení klidového metabolizmu hmyzu Barcroftův respirometr ¢ 2 komory spojené trubičkou s tekutinou nepropouštějící plyny ¢ na komory jsou napojeny injekční stříkačky ¢ v obou komorách je natronové vápno (nebo KOH) ¢ do jedné z komor se umístí zvážený živočich ¢ v komoře s živočichem bude díky spotřebě O[2] vznikat podtlak → přitahuje tekutinu ¢ pomocí stříkačky se bude vracet spotřebovaný objem plynu do komory s živočichem ¢ stříkačka je kalibrovaná → zjištění objemu O[2] spotřebovaného v průběhu pokusu Výpočet M = V . EE . 60 . 24/m [kJ/24h/g] (objem v l, hmotnost v g) VÝPOČET KLIDOVÉHO METABOLIZMU - HMYZ KALORIMETRICKÉ STANOVENÍ KLIDOVÉHO METABOLIZMU ČLOVĚKA Kroghův respirometr ¢ vyšetřovaná osoba bude dýchat vzduch z uzavřeného prostoru s natronovým vápnem ¢ pohyb zvonu = průběh změn objemu uzavřeného prostoru v čase (výdech – zvětšení objemu, nádech naopak), v průběhu měření se bude objem uzavřeného prostoru neustále zmenšovat v důsledku spotřeby O[2] ¢ záznamem se proloží přímka a odečte se objem O[2] spotřebovaného v průběhu pokusu ¢ natrokalcid (natronové vápno) – váže vydechovaný CO[2]; NaOH – absorbuje CO[2]; CaCl2 – absorbuje vodní páry ¢ normogram → povrch těla = S [m^2] ¢ BM (kJ/24h) pro muže = 4,1868 . (66,5 + 13,8 . hmotnost v kg + 5 . výška v cm - 6,75 . věk) ¢ BM (kJ/24h) pro ženy = 4,1868 . (65,5 + 9,6 . hmotnost v kg + 1,85 . výška v cm - 4,68 . věk) Norma (20 let) – muži 171 kJ/m^2/h; ženy 151 kJ/m^2/h BM[klid] = V . EE . 60 . 24/S [kJ/m^2/h] nebo [kJ/m^2/24h] (objem v l, povrch těla v m^2) VLIV HORMONŮ NA METABOLISMUS LABORATORNÍHO POTKANA ¢ intenzita energetické přeměny je pod vlivem vegetativního řízení, zejména hormonálních signálů ¢ dlouhodobé řízení hladiny metabolismu - tyroxin (štítná žláza) – ↑ metabolizmu ¢ tyreotropin, TSH (adenohypofýza) - ↑ sekreci tyroxinu = ↑ metabolizmus ¢ propylthiouracil, PTU – ↓ sekreci tyroxinu = ↓ metabolizmus HORMONÁLNÍ SUBSTITUČNÍ TERAPIE ¢ adenohypofýza - folitropin (FSH; hormon stimulující folikuly) - u žen podporuje růst folikulů ve vaječnících a tvorbu estrogenu, u mužů vyvolává rozmnožování pohlavních buněk (spermatogenezi) ¢ folikuly – estrogen - indukuje vývoj ženských sekundárních pohlavních znaků; zrychluje růst (výšku); urychluje metabolismus (spalování tuků); ↓ množství svalové hmoty; stimuluje růst děložní sliznice a dělohy; udržuje stav cév a kůže; ↓ řídnutí kostí, ↑ obnovu kostí; ↓ motilitu střev ¢ štítná žláza - kalcitonin - působí proti osteoporóze; inhibuje osteoklastickou aktivitu a ↓ koncentraci vápníku v krvi a přesouvá ho do kostí ¢ po menopauze vaječníky zastaví produkci estrogenu → ztráta hustoty kostí → osteoporóza, zlomeniny kostí ¢ hormonální substituční terapie = estrogen nebo kalcitonin Denzitometrie ¢ metoda rentgenové absorpční fotometrie využívající energie dvou paprsků (DXA) ¢ stanovení hustoty kostní tkáně a určení množství minerálů v kostech ¢ sledování účinnosti léčby osteoporózy a monitorování stavu kostí nemocného ¢ dolní oblast páteře, kyčle, kosti zápěstí, prstů a paty ¢ o hustotě kostí vypovídají dva údaje: • T skóre = odchylka výsledku vyšetření od tabulkové hodnoty kostní minerální denzity mladých zdravých jedinců stejného pohlaví → vyjádření rizika zlomeniny > –1 normální –1 až –2,5 osteopenie (1. stadium řídnutí kostí) < –2,5 osteoporóza • Z-skóre - porovnává výsledek vyšetření s průměrnými hodnotami u osob stejného pohlaví i věku VÝPOČET KLIDOVÉHO METABOLIZMU - POTKAN V = 0,006 l (za 1 minutu) E = 20 kJ/l m = 250 g M = V . EE . 60 . 24/m [kJ/24h/g] • spotřeba O[2 ]za 1min: 0,006 l za 1h: 0,006 . 60 = 0,36 l za 24h: 0,36 . 24 = 8,64 l • přepočet hmotnosti na 1g: 8,64/250 = 0,03456 l/24h/1g M = 0,03456 . 20 = 0,6912 kJ/24h/g nebo M = 0,006 . 20 = 0,12 kJ za 1min M[24] (hodnota M za 24h) = 0,12 . 60 = 7,2 kJ za 1h = 7,2 . 24 = 172,8 kJ za 24h M[24] vztažená na 1g = 172,8/250 = 0,6912 kJ/24h/g VÝPOČET KLIDOVÉHO METABOLIZMU - ČLOVĚK V = 0,68 l (za 5 minut) M = 70 kg EE = 20 kJ/l M = V . EE . 60 . 24/S [kJ/m^2/h] nebo [kJ/m^2/24h] M = 0,68 . 20 = 13,6 kJ za 5 min M = 13,6/5 = 2,72 kJ za 1min M[24] (hodnota M za 24h) = 2,72 . 60 = 163,2 kJ za 1h = 163,2 . 24 = 3916,8 kJ za 24h M[24] vztažená na 1g = 3916,8/70000 = 0,056 kJ/24h/g VÝSLEDKY - VLIV HORMONŮ NA METABOLIZMUS Test • Která endokrinní žláza reguluje metabolizmus? • Napište základní molekulu metabolizmu. • V jakých jednotkách se uvádí hladina metabolizmu? • Na co se použije E získaná z živin? • Jakým způsobem můžeme měřit hladinu metabolizmu? Příště:Ventilace a plicní objemy