Лекция по МЕТАБОЛИЗЪМ по физиология за студенти по дентална медицина Катарина Бабинска, д-р, д-р, магистър, Институт по физиология LFUK, Братислава 2016

физиология

функция на горивото продукти от изгарянето храна гориво за тялото GIT разграждане на веществата от храната на прости абсорбиращи се молекули влизане в метаболитните процеси в клетките използване на вещества, получени от храната в метаболизма

- химични и енергийни процеси, протичащи в клетките на тялото Два аспекта на метаболизма: 1. химическо превръщане на веществата (за изграждане, регенерация, функция на тялото) МЕТАБОЛИЗЪМ A + B енергия C 1. преобразуване на химическата енергия в субстрати (химически връзки на хранителни вещества) в енергия, използваема в клетките (АТФ и други макроергични връзки) и нейното използване за жизненоважни функции

катаболизъм разлагане на вещества (напр. мазнини за съхранение, гликоген) освобождаване на енергия (Е) химикал Е, използван за телесната функция (макс. 27%) термичен Е поддържане на постоянна телесна температура, необходима за поддържане на хомеостазата и нормалното функциониране на метаболитните функции анаболизъм използване на субстрати за синтез на вещества, необходими за телесната структура или функция (напр. телесни протеини, ензими, съхранение на гликоген) консумация на енергия - и двата процеса протичат непрекъснато в различни пропорции - метаболитни пътища последователност от ензимни химични реакции в предварително определена последователност (гликолиза, цикъл на Кребс, цикъл на Кори и т.н.)

- жизнени процеси, протичащи в организма (клетки) консумация на енергия синтез тъкан образуване мембрана транспорт енергиен метаболизъм мускулна активност терморегулация и др. поддържане на мембранния потенциал Метаболитно ниво - количеството консумирана (освободена) енергия в тялото Единица - Джоули (J) - калории (cal) - по-стари, но все още използвани на практика единица 1 cal = 4,18 J 1 Cal = 1000 cal http: // www.ruvztn.sk/inpor.files/image/tabulka.jpg енергийните разходи обикновено се посочват в kj/24 часа (1 час, 1 минута) енергийните разходи на средния човек са около 8400 kj (2000 kcal)/ден

Отделните органи и тъкани се различават по метаболитна активност - висока активност: скелетна мускулатура, вътрешни органи (черен дроб, сърце, бъбреци, мозък) Тегло на тъканите (% от телесното тегло) Метаболитно ниво на тъканите (% BM) Различни (кожа, кости, черва. ) Органи на скелетната мускулатура на мастната тъкан (мозък, чернодробна sdce, бъбреци) http://www.nature.com/ijo/journal/v34/n2s/fig_tab/ijo2010234f6.html

Нивото на метаболизма през деня варира kj 0 4 8 12 16 20 24 (h) Сънят - най-ниското ниво на метаболизъм - около 10-15% от минималното бдителност Будност/повишаване на активността в нивото на метаболизма, зависи главно от интензивността на физическа активност

Базален метаболизъм Базален метаболизъм (BM) - най-малкото количество енергия, необходимо за поддържане на жизнените функции на тялото в будно състояние при базални условия: 1. будно състояние 2. физически мир (легнало положение) 3. емоционален мир 4. нормотермия на тяло (36-37 C) 5. безразлична околна температура - температурна неутрална зона - температура на въздуха, при която минималният енергиен разход за терморегулация е 20-23 C 6. гладно - състояние след абсорбция - около 12 18 часа след ядене (мазнини, въглехидрати: около 12 часа, протеин около 18 часа)

Фактори, влияещи върху метаболитното ниво (BM) 1. Възраст 2. Повърхност и телесен състав 3. Пол 4. Хормонален статус Възраст - BM намалява с възрастта - дете: растеж висок BM (на 1 kg телесно тегло) - промени в стареенето в телесния състав (увеличаване мазнини, активната маса без мазнини намалява)

Размер на тялото - телесна повърхност - пряка пропорционалност на телесната повърхност с ниво на метаболизъм - свързано с терморегулация/разход на топлина към околната среда по-голяма телесна повърхност по-голяма загуба на топлина увеличен метаболизъм за компенсиране на загубите (топлина = метаболитен продукт) индивид, колкото по-високо е нивото на метаболизъм Състав на тялото мазнини ниско метаболитно ниво - по-ниско BM (клетки, пълни с мазнини за съхранение) чиста телесна маса по-високо метаболитно ниво (по-високо BM)

Пол - мъже - по-висок BM (с 5 7%) по-високо мускулно съдържание/по-ниско съдържание на мастна тъкан от жените - мазнини - по-малко метаболитно активно от мускулите по-голямо тегло/по-голяма телесна повърхност по-високо ниво на тестостерон - анаболен ефект

Хормонален статус - хормони на щитовидната жлеза T3, T4 - катехоламини (стрес) - растежен хормон - тестостерон - повишената секреция увеличава метаболизма и обратно Стресът адреналин увеличава метаболизма Адаптиране към студа повишено производство на тироксин увеличаване BM Адаптиране към топлина намалено производство на тироксин намаляване BM Тестостеронът увеличава BM

Компоненти на дневните енергийни разходи * Специфичен динамичен ефект на храната (6%) Терморегулация (6%) Упражнение физическа активност (25 30%) Основен метаболизъм (60%) * при физически активен човек

Нивото на метаболизма се повишава над основната стойност: 1. Упражнявайте физическа активност - увеличава общия енергиен разход в най-голяма степен - скоростта на нарастване - зависи от интензивността на упражненията, респ. продължителност - разходът на енергия в различни дейности може да се изрази като кратно на стойността на основния метаболизъм Активност Повишаване на BM Лесно седене (хранене, компютърни игри, учене) 1.4 Лесно стоящи дейности (миене на чинии, готвене) 1.7 Бавно ходене (разходка) 2.8 Ходене нормално темпо 3.2 Ходене бързо 3.4 Спорт лека физическа активност (боулинг, тенис на маса и др.) 3.3 Спорт със средна интензивност (плуване, тенис, кънки, колоездене) 5.5 Напрегнат спорт (футбол, лека атлетика, джогинг, хокей) 6.6 Интензивна физическа активност значително увеличава разходите Енергия Загуба на тегло Разходите за енергия, които надвишават приходите

PAL Ниво на физическа активност Ниво на физическа активност - прост израз на нивото на физическа активност с число - съотношението между общия дневен енергиен разход и основния метаболизъм PAL = Разход на енергия за 24 часа Базален метаболизъм - в рамките на здравословен начин на живот се препоръчва достигнете PAL над 1,75 PAL Нормални дейности Начин на живот 2.4 Професионални спортисти Екстремна активност

2. Специфично-динамичен ефект на храната (индуцирана от диетата термогенеза) - термин за обозначаване на увеличен разход на енергия в периода след хранене (след хранене) - енергия се изразходва за процеси - храносмилане - усвояване - транспорт на хранителни вещества - използване на хранителни вещества в клетки http: // image3. examiner.com/images/blog/exid21779/images/resized_phranz_thermogenic_final_lg.jpg Nutrient Rise BM Продължителност на ефекта Въглехидрати + 5 10% 3-12 часа Мазнини + 5 10% 3-12 часа Протеини * + 30% 12-24 часа Нормална смесена диета 6% 6-12 часа * стимулиращ ефект на някои аминокиселини, синтез на протеини енергоемък процес

3. Температура на околната среда - при по-висока и по-ниска температура от неутралната (терморазлична зона 20-23 C) се активира терморегулация, при която енергийните разходи се увеличават: - по-висока температура - излишна топлинна мощност (изпотяване) - по-ниска температура - повишено генериране на топлина (мускулна активност ) 4. Телесна температура (TT) - всяко повишаване на TT с 1 C увеличаване на метаболизма с 10-13% - намаляване на TT/хипотермия намаляване на метаболизма 5. Други фактори - лекарства, бременност, кофеин и др. - повишаване на метаболитните нива в много малка степен

повишено ниво на метаболизма Студената среда увеличава нивото на метаболизма изисква по-високо генериране на топлина Горещата среда повишава нивото на метаболизма, за да се гарантира охлаждане на тялото телесна температура (TT) околната температура Увеличаване на TT с 1 C повишаване на нивото на метаболизма с 10% намалена неутрална температура Намаляване TT (хипотермия) намаляване на метаболизма намалена температура

Източници на енергия и топлина от изгарянето - енергиен източник: храна/хранителни вещества: протеини, мазнини, въглехидрати - енергията се окислява в тялото - физиологична топлина от изгарянето количество енергия, освободена при окисляване 1 g хранителни вещества в тялото (енергийна стойност на хранителните вещества) - физическа топлина на изгаряне количество енергия, отделена при изгаряне (окисляване) 1 g хранителни вещества в калориметър топлина на изгаряне физически физиологични въглехидрати 17 kj 17 kj мазнини 38 kj 38 kj протеини 23 kj 17 kj * (алкохол 29 kj 29 kj) B T, S * мазнините и въглехидратите се окисляват в тялото изцяло физическа топлина на изгаряне = физиологична топлина на изгаряне * протеините не се окисляват напълно продуктът е също азотни вещества (урея), в които се свързва определено количество енергия и които са отделя се от тялото - физическа топлина на горене> физиологична топлина на горене

Балансиран енергиен баланс: енергиен прием (от B + T + S) = E разход - оптимално състояние за здрав възрастен - индикатор: постоянно телесно тегло положително: E прием> E разход - съхранение на излишната енергия - наддаване на телесно тегло - желано явление в случай на недохранване - поява на затлъстяване нежелано явление отрицателно: прием E доставка на O 2 - възниква дефицит на кислород (дълг)

Недостигът на кислород = разлика между търсенето на O2 и доставката на енергия O2 се получава чрез анаеробна - гликолиза глюкоза пируват лактат 1 молекула глюкоза 2 ATP 1 молекула гликоген - 3 ATP по-ниска ефективност 1 mol глюкоза аеробно: 38 mol ATP анаеробно 2 3) mol ATP

Стационарно състояние - доставката на O 2 към мускула отговаря на метаболитните изисквания Аеробен метаболизъм - използването на глюкоза, карбоксилни киселини (и аминокиселини)

Възстановителна фаза - следва след края на физическата активност - възстановяването на кислородния дълг = след края на физическата работа се наблюдава увеличаване на потреблението на O 2 и повишено ниво на метаболизма, което постепенно намалява до стайни стойности на използване на O 2 (изплащане на кислородния дълг ) - разграждане на лактат (превръщане в глюкоза) - АТФ ресинтез от ADP и AMP - ресинтез на креатин фосфат - насищане на хемоглобин и миоглобин с кислород

- краят на фазата на възстановяване настъпва, когато се върне към стойностите на покой - сърдечна честота - дихателна честота - кръвно налягане и т.н. Размер на кислородния дълг = консумация на O 2 във фазата на възстановяване над стайните стойности

Максималната консумация на кислород VO 2max - максималното количество кислород, което тялото е в състояние да получи по време на интензивна физическа активност за единица време - има своя таван (мъжки около 35-40 ml.kg -1.min -1) Максимален аеробен капацитет за прием на кислород отразява физическата годност на индивида

- с тежка физическа активност, надвишаваща VO2max, част от метаболитните процеси протичат анаеробно Тежка физическа активност - ако стойността на VO2max е надвишена - не настъпва стабилно състояние - потребление на O2 през целия изход> доставката на O2 - необходимостта надвишава максималната Консумация на O 2 (максимум O 2, който организмът може да поеме за 1 минута)

Ефективност на физическата работа по време на физическа активност, само част от консумираната енергия се използва за извършване на външна работа (движение), останалата част се освобождава под формата на топлинна ефективност на физическата работа количество извършена физическа работа = общо количество енергия, отделена в енергия метаболизъм Динамична работа - редуващи се мускулни контракции и релаксация, стави и мускули в движение (плуване, ходене, почистване и др.) - ефективност средно 25% = 0,25 - т.е. 25% от консумираната енергия се изразходва за извършване на физическа работа и 75% се превръща в топлина. Статична работа - ефективност 0% - изометрични мускулни контракции - трайно свиване с висока интензивност - сила не действа по пътя (напр. Задържане на тежест в ръка ) - цялата консумирана енергия се преобразува за топлина

хранителни вещества (от храни или от форми за съхранение) Въглехидрати Източници на енергия за тялото Мазнини Протеини (Алкохол) Не се използва директно! - химическата енергия на техните въглеродни връзки трябва да се преобразува във форма, която клетките могат директно да използват макроергични връзки -аденозин трифосфат (atp) - креатин фосфат (KP) -цитидин трифосфат (CTP) - гуанозин трифосфат (GTP) и др. Аднозин трифосфат (ATP) - универсална форма на енергия - директен източник на енергия за повечето клетъчни функции - присъства във всички клетки - терминални 2 фосфатни връзки - макроергичен ATP + H 2 O ADP + P i + енергия ADP + H 2 O AMP + P i + енергия

Цикъл на Кребс (цикъл на лимонена киселина, цикъл на трикарбоксилна киселина), цикличен метаболитен път, ключов за енергийния метаболизъм и производството на АТФ, последователност от химични реакции, при които ацетил Ко А се окислява от мазнини, протеинови въглехидрати (и други метаболити) протича в митохондриите изключително под аеробни условия: редуцирани коензими на дехидрогенази навлизат в производството на дихателна верига на АТФ (окислително фосфорилиране)

Храносмилане, усвояване и метаболизъм на въглехидратите

Храносмилане на въглехидрати ОРАЛНА КУТИНА слюнчева α-амилаза нишесте полизахарид захароза дизахарид лактоза дизахарид глюкоза фруктоза диетични монозахариди ТЪН ЧРЕВ панкреатичен сок α-амилаза малтоза ТЪН ЧРЕВ четка граница ентероцит малтаза sa

Метаболизъм на въглехидратите - най-много галактоза и фруктоза в черния дроб се превръщат в глюкоза - глюкоза - основен въглехидрат в тялото - основен/изключителен източник на енергия за някои тъкани (мозък, еритроцити) - нивото на кръвта строго регулирано (инсулин, глюкагон) Условия на аероби a/Гликолиза: 1x глюкоза 2x пируват (не се нуждае от O2) b/пируват (+ CoA) AcCoA цикъл на Кребс + окислително фосфорилиране на АТФ 2. Анаеробни условия Гликолиза: 1x глюкоза 2x пируват лактат - когато наличността на O 2 е възстановено: пируват лактатна глюкоза. Други пътища за използване Цикъл на Кребс Енергийна печалба: -аеробна 38 АТФ -анаеробна 2 АТФ

2. Гликогенеза и гликогенолиза - гликогенът - форма за съхранение на въглехидрати - се образува и съхранява главно в черния дроб (5-8% тегловни) и мускулния гликоген в черния дроб - глюкозата може да се освободи в кръвта за други тъкани, необходими гликоген в мускулни мускули само за мускулни нужди, не могат да напуснат мускулна клетка 3. Превръщане на глюкозата в мазнина в случай на насищане на гликогеновите резерви 4. Глюконеогенеза производство на глюкоза от пируват, глюкогенни аминокиселини, глицерол (в черния дроб) Регулиране на въглехидратния метаболизъм - инсулин (анаболен ефект) - глюкагон, тироксин, растежен хормон, надбъбреци, кортизол (катаболен ефект)

Основни метаболитни пътища на глюкоза Гликоген Синтез на нуклеинова киселина Производство на NADPH + Гликогенолиза Гликогенеза Пентозен цикъл Глюкоза Гликолиза Пируват Аеробен метаболизъм Глюконеогенеза Анаеробен метаболизъм Аминокиселини MK + Глицерол Лактат CO 2, H 2 Ab

Храносмилане, усвояване и метаболизъм на мазнините

Храносмилане на мазнини мазнини ТЪНКИ ЧРЕВ панкреатична липаза жлъчка чревна липаза мастни киселини глицерол моноацилглицероли абсорбция: кръв, лимфа

Метаболизъм на мазнините 1. Липолиза глицерол гликолиза на мастна киселина: β-окисление в митохондриите AcCoA цикъл на Кребс окислително фосфорилиране АТФ - енергийна печалба (k. Стеаринова) 147 АТФ 2. Натрупване в мастна тъкан (по-малко в черния дроб) - TAG 3. Образуване на кетони - ацетооцетна киселина, β хидроксимаслена киселина, ацетон - повишено производство при дефицит на глюкоза (в черния дроб) - използване в цикъла на Кребс - при дефицит на глюкоза - енергиен източник за мозъка (!), миокарда, мускулите 4. Мазнини синтез (липогенеза) MK: от глюкоза AcCoA, някои аминокиселини (+ разградени мазнини) Глицерол: от глюкоза

Храносмилане, усвояване и метаболизъм на протеини

Храносмилане на протеини СТОМАХ (15%) пепсин HCl ТЪНКО ЧРЕВЕН панкреатичен сок трипсин химотрипсин карбоксипептидаза ТЪНКОЧЕРСТВЕН четка граница ентероцити пептидази аминопептидази протеини полипептиди, аминокиселини пептиди, дипептиди, трипептиди кръв

Основни метаболитни пътища на протеини 1. Синтез на телесни протеини от аминокиселини, погълнати от храната 2. Разграждане на аминокиселини - Разделянето на а/аминогрупа образуване на b/2-оксокиселини a/Азотът от аминогрупите не може да се използва за производство на енергия от тялото, превръщането в амоняк се отстранява, след това урея -уринарна екскреция на b/2-оксокиселини цикъл на Кребс 3. Ново образуване на несъществени аминокиселини (от есенциални, от пируват) 4. Образуване на функционално важни аминокиселинни производни - биогенни амини, NO 2, пурини и пиримидини, хормони и др.

Прием и разход на енергия за 24 часа Разход на енергия (разход): непрекъснат процес Прием на енергия: 3-5x/ден Форми за съхранение на енергия 0 4 8 12 16 20 24 (h) - мастна тъкан 75% от запасите - гликоген 1% черен дроб, мускули - протеин 24% (разграждане на активното вещество !) - макроергични връзки: АТФ, креатин фосфат и др. само малко количество В зависимост от наличността на субстрати преобладава катаболизмът или анаболизмът

Фаза на преработка на храна В рамките на 4 часа след приема на храна субстратите се абсорбират от GIT и навлизат в кръвта. Метаболизмът засяга главно абсорбцията на глюкоза в кръвта и повишената глюкоза в кръвта. Хормонална регулация Инсулинът се отделя от панкреаса (стимулира се повишена кръвна глюкоза), нивата на глюкагон падат На този етап адреналинът и кортизолът не играят роля

Използването на субстрат се случва достатъчно глюкоза - става основният източник на енергия за тъканите най-абсорбираните триацилглицероли навлизат в мастната тъкан и се съхраняват в инсулин Инсулинът стимулира усвояването на глюкозата в мускулите предпочитан енергиен източник синтез на гликоген в черния дроб, а мускулите поглъщат глюкозата в мастната тъкан усвояване на аминокиселините на мастната тъкан повишено производство на протеини (черен дроб и други тъкани) В черния дроб се увеличава синтеза на мастни киселини и триацилглицероли (тъй като глюкозата се използва главно като източник на енергия) Образуване на VLDL частици повишени нива в кръвта Транспорт на TAG и холестерол до периферните тъкани Съхранение на TAG в мастната тъкан

Метаболизмът по време на изтеглянето от запасите започва около 4 часа след последното хранене, може да продължи 4-5 дни, последван от период на гладно Хормонална регулация, определяна главно от намаляване на гликемията - сигнализира за края на процеса на абсорбция от GIT Намалява нивата на инсулин в кръвта Повишава нивата на глюкагон Гладът е стресор освобождава адреналин, норадреналин

Използване на субстрати Глюкагон - ефекти: разграждане на гликоген в черния дроб - глюкозата се освобождава в кръвта увеличава липазната активност при освобождаването на мастната тъкан на свободни мастни киселини глюконеогенеза (аминокиселини, пируват) Намалените нива на инсулин причиняват намалено усвояване на глюкоза в скелетните мускули Намалена кост поглъщане на костен мозък намален синтез на протеини, AMK се използват за тъкани на глюконеогенезата (с изключение на мозъка и еритроцитите), за предпочитане използват мастни киселини, глюкозата се спестява за мозъка и черния дроб от синтеза на кетонни тела (от излишните мастни киселини за нуждите на чернодробните клетки) Метаболитен субстрат за други тъкани (включително мозъка)

Хуморално регулиране на метаболизма Тироксин - значителен ефект върху енергийния метаболизъм - гликолиза - липолиза - синтез на протеин - Глюкагон Инсулин - навлизане на глюкоза в клетките (в кръвта) - синтез на гликоген, - синтез на протеин, - синтез на TAG Растежен хормон - намаляване на навлизането на глюкоза в клетките (гликемия) -липолиза -синтез на протеини Адреналин -гликогенолиза (гликемия) -липолиза -без ефект върху протеини -гликогенолиза, глюконеогенеза, (гликемия) -липолиза -протеолизаКортизол-намаляване на навлизането на глюкоза в клетките (гликемия) -липолиза -протеолиз в AM входни клетки