Przemiana materii
Metabolizm
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