METABOLIZMUS A KALORIMETRIE
= příjem a distribuce živin, H2O a O2, 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 O2 → E tělu
vlastních látek = ATP (centrální molekula metabolizmu)
o → mezi spotřebou O2 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
a) autotrofní (litotrofní) – CO2
b) heterotrofní (organotrofní) – organická látka
 podle zdroje E
a) fototrofní – sluneční světlo; fotoautotrofní (fotolitotrofní) – zdroj
C CO2; vytváří většinu organických látek na Zemi (rostliny, bakterie);
fotoheterotrofní (fotoorganotrofní) – zdroj C organické látky
b) chemotrofní – E přeměnou chemických látek, chemoautotrofní
(chemolitotrofní) – zdroj C CO2; chemoheterotrofní
(chemoorganotrofní) – zdrojem C i E jsou organické látky
(bakterie, houby, živočichové)
Chemoheterotrofní živočichové
- zpracování organických látek:
 aerobní metabolizmus – oxidace vzdušným O2 až na
CO2 a vodu (E nejvýhodnější, vyšší organizmy)
 anaerobní metabolizmus – kvašení, pak aerobní
metabolizmus (v prostředí bez O2, 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)
= minimální množství E nutné k udržení základních životních pochodů
(udržení stálého iontového složení, resyntéza bílkovin, zpětná resorpce iontů v ledvinách, stahy srdce =
srdeční činnost, dýchání, vylučování, přenos látek, udržení teploty těla)
•vyšetření: nalačno, tělesný a duševní klid v leže, termoneutrální
teplota (20°C), 3 dny před nejíst bílkoviny
• BM se udává v kJ, činí zhruba 7000 kJ/den
Faktory ovlivňující BM
•věk (u žen po 40 se zpomaluje metabolizmus)
•pohlaví (u žen je pomalejší)
•hmotnost a povrch těla
•genetické faktory
•teplota okolí (chlad = ↑ metabolizmus → tvorba tepla)
•specificko-dynamický účinek potravy (příjem potravy ↑ spotřebu E použitou pro
vstřebávání a ukládání živin; bílkoviny zvyšují metabolizmus více než např. glukóza)
•fyziologické stavy (těhotenství, laktace = ↑ metabolizmus)
•patologické stavy (nemoc, hormonální poruchy; diabetes, rakovina – více E)
•práce (největší aktivátor 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 m2), 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
 rovnováha mezi E přijímanou z potravy a jejím výdejem fyzickou aktivitou = zdraví +
optimální tělesná hmotnost
 největší zásobárna E v těle = zásoby tuku (regulace tělesné hmotnosti)
 normální, snížená a zvýšená hmotnost se určují pomocí indexu tělesné hmotnosti
(body-mass index, BMI)
BMI = tělesná hmotnost v kg / (tělesná výška v m)2
 normální tělesná hmotnost: BMI 20-25; BMI<19 = podváha; BMI>24 = nadváha,
BMI>30 = obezita – snižují očekávanou délku života (diabetes mellitus 2. typu, vysoký
krevní tlak, srdeční choroby)
 regulační centrum = hypothalamus – propojení s limbickým systémem, mozkovou
kůrou a kmenem
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 O2 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
 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
 Kilokalorie (kcal) – jednotka 1000x větší („velká kalorie“) = 4,185 kJ
 Joule (J) = jednotka práce a energie; v soustavě SI patří mezi odvozené jednotky vztahem: J = kg·m2·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 T3 (MIT+DIT) nebo v tyroxin T4 (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 O2 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 H2O ≈ 333 kJ
 Atwaterův kalorimetr: větší organismy, uvolněné teplo ohřívá vodu v okolních trubkách; 1l H2O ohřeje vodu o 1°C při spálení 4,2 kJ
Nepřímá kalorimetrie
 měření spotřebovaného O2 (spotřeba O2 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 O2 a produkci CO2 pomocí respirometru s uzavřeným okruhem
(sledujeme úbytek O2) nebo s otevřeným okruhem (analyzujeme vdechovaný a
vydechovaný vzduch)
VÝPOČET ENERGETICKÉ PŘEMĚNY
1) Stanovení fyzikálního spalného tepla (STfy ) - spalovací kalorimetr
 tepelně izolovaná vodní nádržka - spalovací komora → určité
množství živiny se s O2 spálí
 vznikající teplo je předáváno okolní vodě a její ohřátí je mírou
hledaného Stfy
2) Stanovení fyziologického spalného tepla (STfl)
• tuky a sacharidy jsou zcela oxidovány (spáleny) = odbourány za přítomnosti
O2 na CO2 a H2O → jejich biologicky využitelný E obsah odpovídá jejich
spalnému teplu STfl = STfy
• bílkoviny nejsou plně odbourány →STfy > STfl
3) Výpočet energetického (kalorického) ekvivalentu (EE, EQ, Q, KE)
 spočítá se z STfl a množství O2 potřebného k oxidaci
 1l O2 spotřebovaný spalováním živin vede k uvolnění 20,2 kJ = E získaná
organizmem při spotřebování 1 litru O2
 je nutné vědět, která živina je právě spalována (respirační kvocient)
4) Zjištění respiračního koeficientu (kvocientu) RQ=VCO2 vydýchaného/ VO2spotřebovaného ; RQ = 0,85 (smíšená potrava)
= kolik molekul O2 je třeba na spálení určité látky (výživa pouze sacharidy ...)
 cukry (glukóza) RQ = 6/6 = 1 C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
 proteiny (podíl ve výživě je konstantní) RQ = 0,8
 lipidy (tripalmitin) RQ = 102/145 = 0,7 2C51H98O6 + 145O2 → 102CO2 + 98H2O
 nadbytek cukrů → ukládání ve formě tuků (lipogeneze): sacharidy → lipidy (RQ>1)
 krize, hladovění, diabetes - málo cukrů, proteiny + lipidy → sacharidy (RQ<1)
Fyzikální
spalnéteplo (STfy)
Fyziologické
spalnéteplo (STfl)
Energetický
ekvivalent (EE)
Respirační
kvocient (RQ)
Sacharidy 17,2 kJ/g 17,2 kJ/g 21,14 kJ/l O2 1
Proteiny 23,0 kJ/g 17,2 kJ/g 18,67 kJ/l O2 0,8
Lipidy 38,9 kJ/g 38,9 kJ/g 19,85 kJ/l O2 0,7
Průměr 20,2 kJ/l O2 0,85
• ke spálení 1 mol glukózy je třeba 6 mol O2 (6 . 22,4 l = 134,4)
• STfl glukózy je 15,7 kJ/g
• 180 g glukózy vydá množství tepla odpovídající 2827 kJ
při spotřebě 134,4 l O2 → EE 21 kJ/l O2
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 O2 vznikat podtlak → přitahuje tekutinu
 pomocí stříkačky se bude vracet spotřebovaný objem plynu do komory s živočichem
 stříkačka je kalibrovaná → zjištění objemu O2 spotřebovaného v průběhu pokusu
Výpočet
M = V . EE . 60 . 24/m [kJ/24h/g]
(objem v l, hmotnost v g)
Warburgův respirometr
Tenebrio molitor (6-8ks)
Galleria mellonella (zavíječ voskový) – 3ksBombyx mori (bourec morušový) - 3ks
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 O2
 záznamem se proloží přímka a odečte se objem O2 spotřebovaného v průběhu pokusu
 natrokalcid (natronové vápno) – váže vydechovaný CO2; NaOH – absorbuje CO2; CaCl2 – absorbuje vodní páry
 normogram → povrch těla = S [m2]
 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/m2/h; ženy 151 kJ/m2/h
BMklid = V . EE . 60 . 24/S [kJ/m2/h] nebo [kJ/m2/24h]
(objem v l, povrch těla v m2)
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
Centrální (celotělový) denzitometr
- velká plochá deska, nad ní zavěšené
pohyblivé rameno; sledování hustoty
kostí páteře a pletence pánevního
(páteř 3min,předloktí 2min,celé tělo >8min)
Periferní denzitometr - mnohem menší,
malá krabice s otvorem, do kterého pacient
vloží ruku nebo nohu; měření hustoty kostí
zápěstí, paty nebo prstů