Przemiana materii

Metabolizm

Metabolizm

Ogół reakcji chemicznych zachodzących we wszystkich
komórkach.

Miara metabolizmu: ilość energii uwolnionej w jednostce
czasu.

Bilans energetyczny organizmu

: oznacza różnicę

pomiędzy ilością energii uzyskiwanej przez organizm
w postaci przyswajalnych składników energetycznych
pokarmu a ilością energii wydatkowanej w określonym
czasie.

Całkowita przemiana materii
(CPM)

Całodobowy wydatek energetyczny człowieka
związany z jego funkcjonowaniem w środowisku i
czynnym oddziaływaniem na środowisko  dobowe
zapotrzebowanie energetyczne człowieka.

Składowe CPM:



podstawowa przemiana materii (PPM)



czynnościowy przyrost przemian



specyficzno-dynamiczne działanie pożywienia

Podstawowa przemiana materii – PPM
(Basal metabolic rate – BMR)

Podstawowa przemiana materii

: najniższe tempo

przemian energetycznych warunkujące dostarczenie

takiej ilości energii, jaka jest niezbędna do podtrzymania

podstawowych funkcji życiowych organizmu w tzw.

podstawowych, stabilnych warunkach pomiaru.

Zapewnia w tych warunkach zachowanie: oddychania,

pracy serca, krążenia krwi, czynności nerek, wątroby,

układu nerwowego, stałej temperatury ciała,

wzrostu/odnowy składowych komórek i tkanek.

Podstawowa przemiana materii – PPM

Warunki pomiaru – PPM określa się u człowieka
pozostającego
w spokoju fizycznym i psychicznym:

•

rano,

•

wkrótce po co najmniej 8 godzinach snu,

•

na czczo – 12-14 godzin po ostatnim posiłku,

•

w komforcie cieplnym,

•

w pozycji leżącej.

Podstawowa przemiana materii PPM

Wielkość PPM kształtuje się w zależności od czynników
konstytucjonalnych (masy ciała, wieku, wzrostu, płci).

Przeciętne wartości to:

1400-1800 kcal/24 godz

1000 kcal/m

2

/24 godz

35-40 kcal/m

2

/godz

1 kcal/kg/godz

Podstawowa przemiana materii PPM

Wielkość PPM zależy od:

wieku

– rośnie do 5 r.ż., później maleje

płci

– u kobiet mniejsze niż u mężczyzn

powierzchni ciała

– przy małej rośnie

stanu odżywienia

– spada przy niedożywieniu

temperatury ciała

– wzrost o 1 stopień powoduje

wzrost PPM o ~12%

stanu fizjologicznego

– np. u kobiety: ciąża, laktacja

stanu zdrowia

– np. rośnie przy gojeniu ran

hormonów

– T

3

/T

4

, aminy katecholowe, STH,

testosteron
czynności ukł. nerwowego – napięcie emocjonalne
zwiększa

Należne wartości PPM w kcal/m

2

/h

wiek

(lata)

mężczyźn

i

kobiety

wiek

(lata)

mężczyźn

i

kobiety

8 - 9

54

54

20 - 29

39,5

37

10 - 11

51,5

51

30 - 39

39,5

36,5

12 - 13

50

46.5

40 - 49

38,5

36

14 - 15

46

43

50 - 59

37,5

35

16 - 17

43

40

60 - 69

36,5

34

18 - 19

41

38

>70

35,5

33

Oznaczanie PPM

Przygotowanie:

•

dwa dni przed badaniem – lekka dieta z małą ilością
białka

•

przed badaniem – 12 godzin bez jedzenia

•

60 minut przed badaniem – pozycja leżąca

•

lekkie ubranie

•

optymalna temperatura otoczenia

•

spokój fizyczny i psychiczny

Badanie wydatku
energetycznego organizmu

kalorymetria bezpośrednia

całkowita ilość ciepła wytwarzanego
w organizmie w określonym czasie

kalorymetria pośrednia

pomiar ilości pochłanianego przez
organizm tlenu

Kalorymetria bezpośrednia u
ludzi

Współczynnik oddechowy (RQ)

Obrazuje stosunek wydalanego CO

2

do pobieranego O

2

Przemiana:

białek RQ = 0,8

węglowodanów RQ = 1,0

tłuszczów RQ = 0,7

średnioRQ = 0,8

substan

cja

reakcja

Współczyn

nik

oddechow

y

Wartość

energety

czna

węglowod
any
(glukoza)

C

6

H

12

0

6

+ 6 0

2

 6 C0

2

+ 6 H

2

0 

1,0

4,10

kcal/g

tłuszcze
(kwas
palmityno
wy)

CH

3

(CH

2

)

14

COOH + 23 O

2

   16

CO

2

+ 16 H

2

O 

0,7

9,30

kcal/g

białka
(alanina)

5,65

kcal/g

białka

Warunki
organizmu
człowieka

2 C

3

H

7

O

2

N + 6 O

2

  (NH

2

)

2

CO +  5

CO

2

+ 5 H

2

O

0,8 – 1,0

4,10

kcal/g

Substraty energetyczne

Kalorymetria bezpośrednia

Wartość energetyczna
pokarmów (kcal)

Ilość energii uwalniana przy spaleniu w warunkach
tlenowych 1 grama składnika odżywczego:

białka

5,65

bezwzględna

węglowodany

4,1

tłuszcze 9,3

białka

4,1

fizjologiczna

węglowodany

4,1

tłuszcze 9,3

Równoważnik energetyczny
tlenu (kcal)

Określa ilość energii, jaka uwalnia się w organizmie w
czasie spalania składników odżywczych przy zużyciu 1 l
tlenu

białka 4,31

tłuszcze

4,60

węglowodany

5,05

dieta zrównoważona 4,82

Oznaczanie PPM metodą
kalorymetryczną

Badanie przeprowadzane przy użyciu aparatu Krogha
(skrzynkowego spirometru wodnego)

Oddychanie odbywa się w obiegu zamkniętym:

•

wdychany jest tlen pochodzący z aparatu,

•

powietrze wydychane, dzięki zastosowaniu pochłaniacza,
pozbawiane jest CO

2

W miarę upływu czasu, w wyniku pochłaniania tlenu przez
organizm osoby badanej, zmniejsza się objętość gazu w
aparacie – rejestrowane załamki odpowiadające V

T

opadają

ku dołowi.

Zapis poboru tlenu

Oznaczanie PPM metodą
kalorymetryczną

Obliczenia:

•

zużycie tlenu 21 mm = 1 l tlenu

•

zużycie tlenu w ciągu godziny

•

zastosowanie poprawki na temp. i ciśnienie = 0,9

•

zużycie tlenu w przeliczeniu na powierzchnię ciała

•

wyliczenie ilości wytwarzanego ciepła

1 l tlenu/m

2

/godz = 4,82 kcal/m

2

/godz

•

porównanie wyliczonego PPM z wartościami
prawidłowymi

Oznaczanie PPM metodą

kalorymetryczną

1 l tlenu/m

2

/godz = 4,82 kcal/m

2

/godz

RQ

1,0

0

0,9

8

0,9

6

0,9

4

0,9

2

0,9

0

0,8

8

0,8

7

0,8

4

0,8

2

0,8

0

0,7

0

Kal

[kcal

]

5,0

5

5,0

2

5,0

0

4,9

7

4,9

5

4,9

2

4,9

0

4,8

7

4,8

5

4,8

2

4,8

0

4,7

8

Wartości

równoważnika

energetycznego

tlenu

w

zależności
od

współczynnika

oddechowego

(kształtowanego

zależnie od rodzaju metabolizowanych substancji – 0,82
to wartość RQ dla diety mieszanej zrównoważonej)

Spożywanie pokarmów powoduje zwiększenie tempa
metabolizmu, niezależnie od procesów trawienia i
wchłaniania. Jest to wynikiem zarówno bezpośredniego
działania produktów trawienia, metabolitów, jak i
wydzielania hormonów w okresie poposiłkowym.

Wolne kwasy tłuszczowe np. rozprzęgają procesy utleniania
i fosforylacji w komórkach – nasilenie termogenezy
bezdrżeniowej.
Podobny efekt działania wykazują aminy katecholowe,
jak i glukagon.

Specyficzno-dynamiczne
działanie pożywienia (SDDP)

Białka zwiększają metabolizm o 30% tj. przyswojenie
równoważnika
100 kcal białka pochłania 30 kcal energii.

Węglowodany zwiększają metabolizm o 7%, tj. przyswojenie
równoważnika 100 kcal węglowodanów pochłania 7 kcal.

Tłuszcze zwiększają metabolizm o 4%, tj. przyswojenie
równoważnika
100 kcal tłuszczów pochłania 4 kcal.

Dieta zrównoważona zwiększa PPM średnio o 10%.

Specyficzno-dynamiczne
działanie pożywienia (SDDP)

Czynnościowy przyrost
przemian

Czynniki wpływające:

•

Aktywność fizyczna

•

Przyjmowanie pokarmów

•

Zmiany temperatury otoczenia

•

Stan emocjonalny

•

Temperatura ciała

•

Aminy katecholowe i hormony tarczycy

Czynnościowe zmiany zachodzące w organizmie w czasie
wysiłku fizycznego zależą od:

•

rodzaju skurczów mięśni

•

masy mięśni zaangażowanych w pracę

•

czasu trwania wysiłku

•

jego intensywności

Uwzględniając powyższe kryteria klasyfikuje się wysiłki
fizyczne.

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

Ze względu na rodzaj skurczu mięśni wysiłki fizyczne dzieli
się na:

Wysiłki dynamiczne

przeważający udział skurczów izotonicznych
i krótkotrwałych skurczów izometrycznych
np. chód, bieg, jazda na rowerze

Wysiłki statyczne

dominujące dłużej trwające skurcze

izometryczne np. podnoszenie ciężarów

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

Ze względu na masę mięśni zaangażowanych w pracę
wysiłki fizyczne dzieli się na:

Wysiłki lokalne

mniej niż 30% masy mięśniowej np. praca

wykonywana jedną lub dwoma kończynami

górnymi

Wysiłki ogólne

więcej niż 30% masy mięśniowej np. praca

wykonywana dwoma kończynami dolnymi

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

Ze względu na czas trwania wysiłki fizyczne dzieli się na:

Wysiłki krótkotrwałe

do kilkunastu minut

Wysiłki o średniej długości

od kilkunastu do 30-60 minut

Wysiłki długotrwałe

powyżej 30-60 minut

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

Ze względu na intensywność wysiłki fizyczne dzieli się na:

Umiarkowane

poniżej 40-50% VO

2

max

Submaksymalne

40/50%VO

2

max-70/80%VO

2

max

tętno 120-170/min

Maksymalne

ponad 70/80% VO

2

max

Supramaksymalne

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

Intensywność wysiłku można określić poprzez:

•

ilość energii wydatkowanej w jednostce czasu: kJ/min, kGm/min, W

•

ilość pochłanianego przez organizm tlenu w ciągu minuty:

l O

2

/min

•

w jednostkach pracy zewnętrznej wykonywanej w czasie

obciążenie bezwzględne

jako proporcję pomiędzy zapotrzebowaniem na tlen

podczas

wykonywania pracy a maksymalnym

pochłanianiem tlenu przez

organizm – %VO

2

max, % max

obciążenie względne

W czasie wysiłku fizycznego zwiększone zapotrzebowanie
energetyczne mięśni może być pokrywane na drodze
przemian tlenowych lub beztlenowych.

Produktem przemian metabolicznych przebiegających
w warunkach beztlenowych jest kwas mlekowy. W
warunkach podstawowych 10% przemian metabolicznych
przebiega w ten sposób.
Stężenie mleczanów we krwi zmienia się proporcjonalnie
do intensywności wysiłku.

Stężenie kwasu mlekowego

Przemiany tlenowe i beztlenowe

Stężenie kwasu mlekowego

U najlepiej wytrenowanych stężenie wewnątrzkomórkowe może
osiągać wartości 10-13 mmol/l. Po 10-20 minutach od wytworzenia
mleczany są wydzielane z mięśni do krwi. Stężenie we krwi zmienia
się proporcjonalnie do:

•

intensywności wysiłku

•

30% VO

2

max niskie stężenia

•

50-60% wysokie stężenia

•

czasu trwania wysiłku

Na początku stężenia wzrastają, by w miarę kontynuowania
obciążenia zmniejszyć się i utrzymywać na niezmienionym poziomie

Stężenie kwasu mlekowego

Stężenie kwasu mlekowego

Szybka faza narastania stężenia mleczanów następuje po
przekroczeniu obciążenia określanego jako próg
mleczanowy. Jest to takie obciążenie, przy którym
stężenie kwasu mlekowego we krwi wynosi 4 mmol/l.

Ponieważ po przekroczeniu tego progu istotnie zwiększa
się udział procesów beztlenowych w pokrywaniu
zapotrzebowania energetycznego pracujących mięśni
nazywa się go progiem anaerobowym.

Wykazano wysoką korelację tego parametru ze zdolnością
do wykonywania długotrwałych, intensywnych wysiłków.

Zmiany stężenia kwasu
mlekowego podczas wysiłku
fizycznego

Stężenie kwasu mlekowego

Podczas maksymalnych wysiłków stężenie mleczanów we krwi
może przekraczać 8 mmol/l, przy czym maksimum występuje
3-5 min po zakończeniu wysiłku. Powrót do wartości wyjściowej
następuje po około 60 min. Ze względu na wywoływanie
zmęczenia kwas mlekowy powinien być usuwany.

Mleczany ulegają przemianie w glukozę w wątrobie,
wykorzystywane są w przemianach metabolicznych przez
mięśnie szkieletowe i serce, służą też do resyntezy glikogenu
mięśniowego.

Próg tlenowy (aerobowy)

Kwas mlekowy:

2 mmol/l

Obciążenie:

50-60%max

HR:

140-160 sk./min

Substr. energetyczne:

1. tłuszcze

2. węglowodany

Próg beztlenowy (anaerobowy)

Kwas mlekowy:

4 mmol/l

Obciążenie:

70-80%max

HR:

160-180 sk./min

Substr. energetyczne:

1. węglowodany

2. tłuszcze

Wzrost przemian beztlenowych

Kwas mlekowy

Zasoby tlenu wynoszą ok. 1500 ml.

Składają się na nie:

•

tlen rozpuszczony w płynach ustrojowych – 50 ml

•

tlen związany z hemoglobiną – 880 ml

•

tlen związany z mioglobiną – 240 ml

•

tlen w płucach – 370 ml

Deficyt i dług tlenowy

Deficyt i dług tlenowy

Deficyt tlenowy (zaciągany)

jest generowany na początku wysiłku fizycznego,
kiedy zaopatrzenie tlenowe tkanek jest

niewystarczające w stosunku do potrzeb

Dług tlenowy (spłacany)

powysiłkowe, nadmierne pochłanianie tlenu,

przekraczające spoczynkowe zapotrzebowanie

Tlen zużywany jest w tym czasie do odbudowania zasobów
energetycznych organizmu (fosfokreatyny, glikogenu-kwasu
mlekowego), a także do uzupełnienia zasobów tlenowych
organizmu.

Deficyt, dług tlenowy

•

ATP

•

Fosfokreatyna

•

Glikogen mięśniowy, glukoza

•

Wolne kwasy tłuszczowe

Źródła energii do pracy mięśni

ATP

bardzo mała ilość, wystarczająca na pokrycia

zapotrzebowania energetycznego w czasie wysiłku
maksymalnego przez 0,5-3 sec

Fosfokreatyna

niewielka ilość, wraz z ATP pokrywa zapotrzebowanie
energetyczne wysiłków maksymalnych przez 8-10

sec,

zużywana do odbudowania zasobów ATP

Źródła energii do pracy mięśni

Glikogen mięśniowy

zasoby pokrywają zapotrzebowanie energetyczne
w czasie wysiłku fizycznego przez 1,3-1,6 min

Pozyskiwanie energii w tym czasie odbywa się na drodze
metabolizmu beztlenowego.

Glukoza  kwas pirogronowy  kwas mlekowy
W przemianach tych odbudowywane są 4 cząsteczki ATP.

W czasie przemian tlenowych produktem końcowym utleniania
jest dwutlenek węgla i woda oraz energia zgromadzona w
wiązaniach wysokoenergetycznych 30 cząsteczek ATP.

Źródła energii do pracy mięśni

Źródła energii do pracy mięśni

Substraty metabolizowane przy pełnej podaży tlenu

Metabolizowane są: glukoza, wolne kwasy tłuszczowe,

aminokwasy. Przemiany zachodzące na drodze tlenowej
pokrywają zapotrzebowanie energetyczne w praktycznie
nieograniczonym czasie, służą do odtwarzania ATP i fosfokreatyny

jest to „powolne” źródło energii – szybkość reakcji

odtwarzania 1 ATP/s

Dla porównania szybkość reakcji:

ATP i fosfokreatyna

– 4 ATP/s

glikogen/kwas mlekowy

– 2,5 ATP/s

W czasie skurczu mięśnia tylko część energii przez niego
zużywana zamieniana jest na pracę użyteczną.
Stanowi ona ok. 25% całkowitego energetycznego kosztu
pracy mięśnia.
Pozostała energia rozpraszana jest w postaci ciepła.

Praca użyteczna

Zmniejszenie objętości krwi wynosi 10-15% i jest tym
większe im większa intensywność wysiłku. Związane to jest
ze wzrostem ciśnienia hydrostatycznego krwi, a co za tym
idzie zwiększeniem filtracji włośniczkowej.

Z drugiej strony zwiększenie osmolarności osocza sprzyja
reabsorpcji płynu śródmiąższowego. Pomimo tego
zmniejszenie objętości osocza w wysiłku wynosi „netto” ok.
600 ml.

Zmianom objętości towarzyszy wzrost hematokrytu.

Skład krwi w czasie wysiłku

Skład krwi w czasie wysiłku

Dalszą konsekwencją zmniejszenia objętości osocza jest zwiększenie
liczby erytrocytów, szczególnie podczas wysiłków o dużej intensywności.

Z drugiej strony obniżenie ciśnienia hydrostatycznego krwi, zwiększenie
przepuszczalności naczyń włosowatych i dopływ białek z naczyń
limfatycznych w długotrwałych wysiłkach fizycznych (bieg maratoński)
prowadzą do hemodylucji (rozcieńczenia krwi) na skutek
przemieszczenia płynu do łożyska naczyniowego.

Znane jest zjawisko niedokrwistości u sportowców. Jego przyczyny to:

•

mechaniczne uszkodzenia krwinek

•

niedobory Fe – tracony z potem

•

zaburzenia erytropoezy pochodzenia nerkowego

Skład krwi w czasie wysiłku

Białka

wzrost stężenia o 10% i więcej na skutek zwiększenia

ich

syntezy w wątrobie

Osmolarność

zwiększa się na skutek wzrostu stężenia mleczanów,
pirogronianów, jonów potasowych, sodowych, chloru,
wapniowych, białek. Przy długotrwałych wysiłkach
odwodnienie związane z termoregulacją pogłębia

zmiany

Skład krwi w czasie wysiłku

Glukoza

Zmiany zależą od intensywności i czasu trwania wysiłku

•

w wysiłkach umiarkowanych pozostaje na stałym
poziomie

•

w wysiłkach submaksymalnych, długotrwałych
zmniejsza się

Przyczyny: wychwyt przez pracujące mięśnie przy
niedostatecznej

podaży z wątroby, zwiększenie stężenia

insuliny we krwi

(zmniejszenie uwalniania z wątroby,

zwiększenie wychwytu

przez tkanki)

Skład krwi w czasie wysiłku

Wolne kwasy tłuszczowe

w początkowym okresie wysiłku stężenie zmniejsza się

na

skutek zwiększonego wychwytu przez pracujące

mięśnie,

by później zwiększyć się na skutek zwiększenia

lipolizy

Mocznik, kreatynina

zmiany występują tylko podczas ciężkiej, długotrwałej
pracy mięśniowej jako wyraz katabolizmu białek

Równowaga kwasowo-zasadowa

wysiłkom fizycznym towarzyszy kwasica metaboliczna,
głównym jej źródłem jest zwiększone uwalnianie kwasu
mlekowego, ketokwasów, WKT