Energetyka i intensywność

metabolizmu

Dariusz Nowak

Katedra Fizjologii Doświadczalnej i
Klinicznej UM w Lodzi

ATP

•

ATP energetyczną walutą dla metabolizmu komórek

•

Pożywienie → ATP → zasilanie procesów
metabolicznych

•

2 wiązania energetyczne, każde ~ 7300 cal/mol w
standardowych warunkach (~ 12 000 cal/mol, w
warunkach fizjologicznych)

•

wystarczają do napędzania prawie każdego etapu
reakcji chemicznych w organizmie. Większość tych
reakcji zużywa dużo mniej energii wydzielonej
podczas rozkładu ATP- reszta energii jest tracona w
postaci ciepła

Źródła produkcji ATP

• 1. Spalanie węglowodanów, głównie glukozy
• Głownie glukoza – cytoplazma – glikoliza

beztlenowa

• Tlenowo – mitochondria (cykl kwasu

cytrynowego – Krebs’a)

• 2. Spalanie kwasów tłuszczowych, mitochondria

β-oksydacja

• 3. Spalanie białek, hydroliza → aminokwasy

→degradacja do związków pośrednich →cykl
Krebs’a a następnie do acetylokoenzymu A i CO2

Do czego zużywamy ATP ?

• Tworzenie wiązań peptydowych zależnie od

łączonych aminokwasów na wiązanie potrzeba od

500 do 5000 cal/mol

• Na 1 wiązanie peptydowe zużyte są 4 wiązania

energetyczne z ATP

• Synteza glukozy z kwasu mlekowego
• Synteza kwasów tłuszczowych z acetylokoenzymu

A

• Synteza cholesterolu, fosfolipidów, hormonów i

wielu innych substancji

• Nawet synteza mocznika wymaga ATP (jaki sens

tego ?) skoro zaraz mocznik tracimy

Do czego zużywamy ATP ?

• Zasilanie skurczu mięśnia, bez ATP nie będzie

skurczu, zużycie ATP w maksymalnie pracującym
mięśniu rośnie 150 x w porównaniu ze
spoczynkiem

• Transport przez błony przeciw gradientowi

elektrochemicznemu

• Wydzielanie przez gruczoły, absorpcja przeciw

gradientowi, zagęszczanie

• Przewodnictwo nerwowe – sam gradient Na+ i K+

przez błonę jest zamagazynowaną forma energii –
ale ATP jest potrzebny by ja odtworzyć i utrzymać

Fosfokreatyna

•

Wiązanie wysokoenergetyczne 8500cal/mol
(13000 cal/mol w warunkach fizjologicznych,
37°C, niskie stężenia reagujących substancji)

•

Nie jest w odróżnieniu od ATP czynnikiem
przenoszący energię pomiędzy pokarmem a
procesami chemicznymi

•

Przenosi energię we wzajemnej wymianie z ATP

•

Bufor energetyczny – utrzymuje stale stężenie
ATP w komórce – wiele procesów w komórce
wymaga względnie stałego stężenia ATP

Fosfokreatyna

Fosfokreatyna – bufor

energetyczny

Energia tlenowa vs. beztlenowa

• E. beztlenowa oznacza energię którą można

uzyskać z pożywienia bez wzrostu zużycia O2 –
jedynie węglowodany, glukoza są źródłem tej
energii

• Glukoza→ kwas pirogronowy + 2 mole ATP
• Glikogen →glukoza → kwas pirogronowy + 3 mole

ATP (dlaczego ta różnica ?) fosforylacja glukozy

• Glikogen najlepsze źródło energii w warunkach

beztlenowych

• Hipoksja – zatrzymujemy oddech – na 2 min

wystarcza O2, po tym glikoliza →pirogronian →
mleczan

Energia tlenowa vs. beztlenowa

• Wykorzystanie energii w czasie

maksymalnego wysiłku i
generowania maksymalnej siły i
mocy (to już było)

• Dług tlenowy (też był)

Effect of substrate and enzyme concentrations

on the rate of

enzyme-catalyzed reaction.

Kontrola uwalniania energii w

komórce

• Warunki spoczynkowe – stężenie ADP w komórce

jest bardzo małe ! → reakcje w których bierze
udział ADP są bardzo wolne (procesy utleniania
pożywienia prowadzące do tworzenia energii)

• ADP jest głównym czynnikiem ograniczającym
• Gdy komórka zaczyna być aktywna to rośnie

stężenie ADP i procesy uwalniania energii z
„jedzenia” nabierają szybkości

• Gdy komórka przestaje być aktywna to spada

poziom ADP i spada uwalnianie energii

Ciepło a metabolizm

• „Ciepło” jest końcowym produktem prawie całej

energii uwalnianej w ciele

• Już w czasie tworzenia ATP 35% energii

rozprasza się jako ciepło, ale ciepło powstaje też
gdy ATP zasila różne procesy !

• Nie więcej niż 27% energii z jedzenia jest zużyte

do procesów czynnościowych w organizmie

• Ale i tak większość z tego rozproszy się w

postaci ciepła ( np. białko i wiązanie peptydowe)

Ciepło a metabolizm

• Ruchy mięśni – tarcie, lepkość , praca

podnoszenie i ruchy kończyn

• Ale gdy wykonuje pracę zewnętrzną – układanie

muru z cegieł (wbrew sile grawitacji) –

magazynowana jest energia potencjalna – Ep=

mgh

• Pompowanie krwi przez serce- tarcie wzajemne

warstw krwi i tarcie o ściany naczynia –

powstanie z pracy serca ciepło

• Jednostka ciepła caloria – ilość energii potrzebna

do ogrzania 1 g wody o 1°C, 1 cal = 4.17 J .

• Kcal = 1000 cal

Pomiar szybkości metabolizmu

całego ciała

• Kalorymetria bezpośrednia – pomiar uwalniania

ciepła z całego ciała w jednostce czasu

• Człowiek zamknięty w kalorymetrze – ogrzewa

powietrze – to powietrze ogrzewa wodę – pomiar
ilości generowanego ciepła

• W praktyce jest to trudne i wykonywane w

szczegółowych badaniach naukowych

• Kalorymetria pośrednia – ekwiwalent energii tlenu
• 1 L O2 metabolizowany (zredukowany do -2

stopnia utlenienia z glukozą daje 5.01 kcal

Pomiar szybkości metabolizmu

całego ciała

• Ze skrobią – 5.06 kcal
• Tłuszczem – 4.70 kcal
• Z białkiem- 4.60 kcal
• Dla przeciętnej diety redukcja 1 L O2

generuje w organizmie energię 4.825 kcal
(jest to równoważnik energetyczny O2)

• Jeśli uwalnianie energii jest głównie z

węglowodanów to metoda ta da błąd około
-4% (zaniża )

• Jeśli głównie z tłuszczu – zawyża o około +4%

Produkcja energii

• Dorosły człowiek stabilna masa ciała – dostawa

energii = wypływowi energii

• Przeciętna dieta Amerykanina = 45% dobowej

energii –węglowodany, 40% - tłuszcz, 15% - białko

• Komponenty zużywanej energii:
• 1. e. na prowadzenie niezbędnych funkcji dla

życia ciała – podstawowa przemiana materii

(PPM, BMR)

• 2. wykonywanie różnych aktywności fizycznych
• 3. trawienie, absorbcja i przetwarzanie

pożywienia

• 4. utrzymanie stałej temperatury ciała

Metabolizm

• Mężczyzna 70 kg – leży w łóżku – 1650 kcal

(PPM), jedzenie zwiększa o ~ 200 kcal

• Jeśli siedzi na krześle cały dzień bez wysiłku

2000-2250 kcal

• Mężczyzna który prowadzi bardzo siedzący

tryb życia i robi tylko niezbędny wysiłek –
zapotrzebowanie ~ 2000 kcal

• Przeciętnie dobowa aktywność fizyczna = 25%

całego zapotrzebowania na energię

Energy Expenditure During Different Types

of Activity for a 70-Kilogram Man

BMR (PPM) basal metabolic rate

• Niezbędny wydatek energetyczny do istnienia

(minimalna energia do istnienia)

• U większości prowadzących siedzący tryb

życia , BMR stanowi 50-70% całego
dobowego wydatku energetycznego

• Warunki pomiaru BMR (można porównywać

między ludźmi)

• 1.- 12 h bez jedzenia; 2.- bez dużego wysiłku

przynajmniej 1 h przed pomiarem; 3.-
czynniki psychiczne i fizyczne które działają
pobudzająco muszą być wyeliminowane

BMR

• 4.- temperatura otoczenia komfortowa pomiędzy

68 a 80°F (T

C

= 5/9 x T

F

– 32 ; 32F = OC, 212F =

100C);

• 5.- w czasie testu nie ma żadnej aktywności

fizycznej

• Przeciętny mężczyzna – masa 70 kg – BMR 65-70

kcal/h

Energia ta zużywana przez układ nerwowy, nerki,

serce, mięśnie (?!)

Różnice między ludźmi zależą głównie od

rozmiarów i masy mięsni. Mięśnie gdy są nawet w

zupełnym spoczynku mają 20-30% udział w BMR

Dlatego BMR wyraża się w kcal na m2 i na h.

Normal basal metabolic rates at

different ages for each sex

Components of energy

expenditure

.

Czynniki wpływające na BMR

• T3 i T4
• BMR osób żyjących w Arktyce jest o 10-20%

wyższa niż w tropiku

• Testosteron ↑ o 10-15% - poprzez anaboliczny

efekt na mięsnie

• GH (hormon wzrostu) - ↑ o 15-20% -

stymulacja metabolizmu komórkowego

• Gorączka - ↑ BMR i w ogóle metabolizm
• Sen obniża metabolizm o 10 do 15% - bo

spada napięcie mięsni, obniżona aktywność
mózgu

Czynniki wpływające na BMR

• Niedożywienie, wyniszczenie obniża

metabolizm o ~ 20-30% i spadek
temperatury ciała o kilka stopni przed
śmiercią

• Wysiłek zwiększa przemianę materii – 20

do 50x zależnie od intensywności i
wytrenowania danej osoby

To różnicuje ludzi najbardziej pod

względem zapotrzebowania
energetycznego

Thermogenic effect of food

• Swoiste dynamiczne działanie pokarmów
• Trawienie, wchłanianie, przetwarzanie,

magazynowanie

• Posiłek z węglowodanów i tłuszczów –

wzrost metabolizmu o około 4%

• Wysokobiałkowy posiłek zwiększa

metabolizm nawet o 30% i trwa to 3 do 12
h

• Ogólnie 8% zużycia dziennej energii

stanowi themogenic effect of food

Generacja ciepła

• Tkanka tłuszczowa brunatna i układ współczulny

może pobudzić metabolizm nawet o 100%

• U dorosłego który prawie nie ma tk. tł. brunatnej

układ współczulny zwiększy metabolizm o ≤ 15%

• Termogeneza bez dreszczy może być buforem

przed otyłością. U otyłych którzy maja
permanentny nadmiar spożywanego jedzenia jest
↑ aktywności współczulnej

• Mechanizm tego nie do końca poznany; ↑ leptyny

→ (+) pro-opiomelanocortin neurons w
podwzgórzu

Jak generujemy ciepło ?

• 1. wysiłek fizyczny
• 2. dreszcze
• 3 termogeneza bez dreszczy- aktywacja układu

współczulnego, adrenalina, noradrenalina →

zwiększają metabolizm i produkcje ciepła

• 4. tkanka tłuszczowa brunatna – generuje dużo

ciepła (ja też stymuluje układ współczulny), w

komórkach jest dużo mitochondriów i jest

rozprzęgnięty proces fosforylacji → ↑ wzrost

produkcji ciepła bez produkcji ATP, noworodek

ma względnie dużo tej tkanki (dorośli b. mało)