МЕТАБОЛІЗМ лекція з фізіології для студентів-стоматологів Катаріни Бабінської, доктора медичних наук, магістра, Інституту фізіології ЛФУК, Братислава 2016

метаболізм

функція палива продукти згоряння харчове паливо для організму ЖКТ розщеплення речовин з їжі на прості молекули, що поглинаються, вступ в метаболічні процеси в клітинах використання речовин, отриманих з їжею, в метаболізмі

- хімічні та енергетичні процеси, що відбуваються в клітинах організму Два аспекти обміну речовин: 1. хімічне перетворення речовин (для побудови, регенерації, функціонування організму) МЕТАБОЛІЗМ A + B енергія C 1. перетворення хімічної енергії в субстратах (хімічні зв’язки поживних речовин) в енергію, придатну для використання в клітинах (АТФ та інші макроергічні зв’язки) та її використання для життєдіяльності

катаболізм розкладання речовин (наприклад, запас жиру, глікогену) вивільнення енергії (Е) хімічна Е, що використовується для функціонування організму (макс. 27%) теплова Е підтримка постійної температури тіла, необхідна для підтримання гомеостазу та нормальної роботи метаболічних функцій анаболізм використання субстратів для синтезу речовин, необхідних для будови або функціонування організму (наприклад, білків організму, ферментів, накопичення глікогену), споживання енергії - обидва процеси відбуваються безперервно у різних пропорціях - послідовність метаболічних шляхів ферментативних хімічних реакцій у заздалегідь визначеній послідовності (гліколіз, цикл Кребса, цикл Корі, тощо)

- життєві процеси, що відбуваються в організмі (клітинах) енергоспоживання синтез тканини формування мембрана транспорт енергетичний обмін м'язова активність терморегуляція тощо. підтримка мембранного потенціалу Метаболічний рівень - кількість споживаної (виділеної) енергії в організмі Одиниця - Джоулі (Дж) - калорії (кал) - старша, але все ще використовується на практиці одиниця 1 кал = 4,18 Дж 1 Кал = 1000 кал http: // www.ruvztn.sk/inpor.files/image/tabulka.jpg Витрати енергії, як правило, зазначаються в кДж/24 години (1 година, 1 хв.) Витрати енергії середньої людини складають близько 8400 кДж (2000 ккал)/день

Окремі органи та тканини відрізняються за метаболічною активністю - висока активність: скелетні м’язи, внутрішні органи (печінка, серце, нирки, мозок) Вага тканини (% від маси тіла) Метаболічний рівень тканини (% BM) Різний (шкіра, кістки, кишечник. ) Органи скелетних м’язів жирової тканини (мозок, печінка, нирки) http://www.nature.com/ijo/journal/v34/n2s/fig_tab/ijo2010234f6.html

Рівень метаболізму протягом дня коливається kj 0 4 8 12 16 20 24 (год) Сон - найнижчий рівень метаболізму - приблизно на 10-15%, ніж мінімальний рівень пильності Пробудження/збільшення активності рівня метаболізму залежить головним чином від інтенсивності фізичної активності

Базальний метаболізм Базальний метаболізм (БМ) - найменша кількість енергії, необхідної для підтримання життєво важливих функцій організму в неспаному стані в базальних умовах: 1. неспання 2. фізичний спокій (лежаче положення) 3. емоційний спокій 4. нормотермія тіло (36-37 С) 5. байдужа температура навколишнього середовища - нейтральна зона температури - температура повітря, при якій мінімальні витрати енергії на терморегуляцію становлять 20-23 С 6. голодування - стан після всмоктування - приблизно 12 18 годин після їжі (жири, вуглеводи: близько 12 годин, білки приблизно 18 годин)

Фактори, що впливають на рівень метаболізму (ВМ) 1. Вік 2. Поверхня та склад тіла 3. Стать 4. Гормональний статус Вік - ЗМ зменшується з віком - дитина: ріст високий ММ (на 1 кг маси тіла) - старіння змін у складі тіла (збільшення жир, активна знежирена маса зменшується)

Розмір тіла - площа поверхні тіла - пряма пропорційність площі поверхні тіла рівню метаболізму - пов’язана з терморегуляцією/витратою тепла на навколишнє середовище більша площа поверхні тіла більша втрата тепла збільшений обмін речовин для компенсації втрат (тепло = продукт обміну речовин) - чим більше, тим більше індивідуум, чим вищий рівень метаболізму жиру, низький рівень метаболізму - нижча КМ (клітини, заповнені запасом жиру), худа маса тіла, вищий рівень метаболізму (вища КМ)

Стать - чоловіки - вищий показник МТ (на 5 7%) більший вміст м’язів/менший вміст жирової тканини, ніж у жінок - жир - менш метаболічно активний, ніж м’язи, більша вага/більша площа поверхні тіла вищий рівень тестостерону - анаболічний ефект

Гормональний статус - гормони щитовидної залози Т3, Т4 - катехоламіни (стрес) - гормон росту - тестостерон - підвищена секреція збільшує обмін речовин і навпаки Стрес адреналін підвищує обмін речовин Адаптація до холоду збільшується вироблення тироксину збільшується БМ Адаптація до тепла зменшується зниження вироблення тироксину ЗМ

Компоненти щоденних витрат енергії * Специфічний динамічний ефект їжі (6%) Терморегуляція (6%) Вправа фізична активність (25 30%) Основний обмін речовин (60%) * у фізично активної людини

Рівень метаболізму зростає вище базового значення: 1. Фізичні навантаження - найбільшою мірою збільшують загальні витрати енергії - швидкість збільшення - залежить від інтенсивності вправ, відповідно. тривалість - витрата енергії при різних видах діяльності може виражатися кратним значенню основного обміну Активність Збільшення БМ Легке сидіння (їжа, комп'ютерні ігри, навчання) 1.4 Легке стояння (миття посуду, приготування їжі) 1.7 Повільна ходьба (ходьба) 2.8 Ходьба нормальним темпом 3.2 Швидка ходьба 3.4 Спортивна легка фізична активність (боулінг, настільний теніс тощо) 3.3 Спорт середнього рівня (плавання, теніс, катання на ковзанах, їзда на велосипеді) 5.5 Напружений спорт (футбол, легка атлетика, біг підтюпцем, хокей) 6.6 Інтенсивне фізичне навантаження значно збільшує витрати Енергія Втрата ваги витрата енергії, що перевищує дохід

PAL Рівень фізичної активності Рівень фізичної активності - просте вираження рівня фізичної активності числом - співвідношення між загальними добовими витратами енергії та основним метаболізмом PAL = Витрати енергії за 24 год Базальний обмін - у здоровому способі життя рекомендується досягти PAL вище 1,75 PAL Звичайна діяльність Спосіб життя 2,4 Професійні спортсмени Екстремальна активність

2. Специфічно-динамічний ефект їжі (індукований дієтою термогенез) - термін для позначення підвищених енергетичних витрат у постпрандіальний період (після їжі) - енергія витрачається на процеси - травлення - всмоктування - транспорт поживних речовин - утилізація поживні речовини в клітинах http: // image3. examiner.com/images/blog/exid21779/images/resized_phranz_thermogenic_final_lg.jpg Збільшення поживних речовин BM Тривалість ефекту Вуглеводи + 5 10% 3-12 годин Жири + 5 10% 3-12 годин Білки * + 30% 12-24 годин Звичайна змішана дієта 6% 6-12 годин * стимулюючий ефект деяких амінокислот, синтез білка енергоємний процес

3. Температура навколишнього середовища - при вищій і нижчій температурі, ніж нейтральна (термоіндиферентна зона 20-23 С), активується терморегуляція, при якій витрати енергії збільшуються: - вища температура - надмірна теплопродукція (потовиділення) - нижча температура - підвищена генерація тепла (м’язова активність ) 4. Температура тіла (ТТ) - будь-яке підвищення ТТ на 1 С збільшення метаболізму на 10-13% - зниження ТТ/переохолодження зменшення метаболізму 5. Інші фактори - ліки, вагітність, кофеїн тощо. - підвищити рівень метаболізму дуже незначно

рівень метаболізму підвищений Холодне середовище підвищує рівень метаболізму вимагає більш високого тепловиділення Гаряче середовище підвищує рівень метаболізму для забезпечення охолодження тіла температура тіла (ТТ) температура навколишнього середовища Збільшення ТТ на 1 С підвищення рівня метаболізму на 10% зниження нейтральної температури Зменшення ТТ (переохолодження) зменшення обміну речовин зниження температури

Джерела енергії та теплота згоряння - джерело енергії: їжа/поживні речовини: білки, жири, вуглеводи - енергія окислюється в організмі - фізіологічна теплота згоряння кількість енергії, що виділяється в результаті окислення 1 г поживних речовин в організмі (енергетична цінність поживних речовин) - фізична теплота згоряння кількість енергії, що виділяється при згорянні (окисленні) 1 г поживних речовин в калориметрі, тепло горіння фізичні фізіологічні вуглеводи 17 кДж 17 кДж жири 38 кДж 38 кДж білки 23 кДж 17 кдж * (алкоголь 29 кДж 29 кДж) B, Т, S * жири та вуглеводи окислюються в організмі повністю фізична теплота згоряння = фізіологічна теплота згоряння * білки не окислюються повністю продукт також є азотистими речовинами (сечовина), у яких пов'язана певна кількість енергії і які виводиться з організму - фізична теплота згоряння> фізіологічна теплота згоряння

Збалансований енергетичний баланс: споживання енергії (від B + T + S) = витрата E - оптимальна умова для здорової дорослої людини - показник: постійна вага тіла позитивна: споживання E> витрата E - накопичення надлишку енергії - збільшення маси тіла - бажане явище в випадок недоїдання - поява ожиріння небажане явище негативне: надходження E надходження O 2 - виникає дефіцит кисню (боргу)

Дефіцит кисню = різниця між потребою O 2 та енергією O 2 отримується анаеробно - гліколіз глюкоза піруват лактат 1 молекула глюкози 2 АТФ 1 молекула глікогену - 3 АТФ менша ефективність 1 моль глюкози аеробно: 38 моль АТФ анаеробно 2 ( 3) моль АТФ

Стабільний стан - надходження O 2 до м’язів відповідає метаболічним вимогам Аеробний метаболізм - використання глюкози, карбонових кислот (та амінокислот)

Фаза відновлення - настає після закінчення фізичної активності - борг кисню погашається = після закінчення фізичної роботи спостерігається збільшення споживання O 2 та підвищення рівня метаболізму, який поступово зменшується до кімнатних значень використання O 2 (погашення боргу киснем) ) - розпад лактату (перетворення в глюкозу) - ресинтез АТФ з АДФ та АМФ - ресинтез креатинфосфату - насичення гемоглобіном та міоглобіном кисню

- кінець фази відновлення настає, коли вона повертається до значень спокою - частоти серцевих скорочень - частоти дихання - артеріального тиску тощо. Розмір боргу кисню = споживання O 2 на етапі відновлення вище кімнатних значень

Максимальне споживання кисню VO 2max - максимальна кількість кисню, яку організм здатний отримувати під час інтенсивних фізичних навантажень за одиницю часу - має свою стелю (чоловіки близько 35-40 мл.кг.-1 хв -1) Максимальна аеробна потужність споживання кисню відображає фізичну підготовленість особистості

- при важких фізичних навантаженнях, що перевищують VO 2max, частина метаболічних процесів протікає анаеробно Важкі фізичні навантаження - якщо значення VO 2max перевищено - не настає стійкого стану - споживання O 2 протягом усього виходу> подача O 2 - потреба перевищує максимальну Споживання O 2 (максимум O 2, який організм може прийняти за 1 хв)

Ефективність фізичної роботи під час фізичних навантажень, лише частина спожитої енергії використовується для виконання зовнішньої роботи (руху), решта виділяється у вигляді теплової ефективності фізичної роботи кількість виконаної фізичної роботи = загальна кількість енергії, що виділяється в енергії метаболізм Динамічна робота - чергування м’язових скорочень і розслаблення суглобів і м’язів в русі (плавання, ходьба, чистка тощо) - ефективність в середньому 25% = 0,25 - тобто 25% споживаної енергії витрачається на виконання фізичної роботи, а 75% перетворюється на тепло. Статична робота - ефективність 0% - ізометричне скорочення м’язів - постійне скорочення високої інтенсивності - сила не діє вздовж шляху (наприклад, утримання ваги в руці ) - вся споживана енергія перетворюється на тепло

поживні речовини (з їжі або з форм зберігання) Вуглеводи Джерела енергії для організму Жири Білки (алкоголь) Не використовується безпосередньо! - хімічна енергія їх вуглецевих зв’язків повинна бути перетворена у форму, в якій клітини можуть безпосередньо використовувати макроергічні зв’язки -аденозинтрифосфат (atp) - креатинфосфат (KP) -цитидинтрифосфат (CTP) - гуанозинтрифосфат (GTP) тощо. Аднозинтрифосфат (АТФ) - універсальна форма енергії - пряме джерело енергії для більшості клітинних функцій - присутній у всіх клітинах - кінцеві 2 фосфатні зв’язки - макроергічний АТФ + Н 2 О АДФ + Р і + енергія АДФ + Н 2 О АМФ + Р i + енергія

Цикл Кребса (цикл лимонної кислоти, цикл трикарбонової кислоти) циклічний метаболічний шлях, ключовий для енергетичного метаболізму та виробництва АТФ, - послідовність хімічних реакцій, в яких ацетил Co A окислюється з жирів, білкові вуглеводи (та інші метаболіти), що відбувається в мітохондріях виключно під аеробними умови: відновлені коферменти дегідрогеназ потрапляють у дихальний ланцюг, виробляючи АТФ (окисне фосфорилювання)

Перетравлення, всмоктування та метаболізм вуглеводів

Перетравлення вуглеводів РОТАЛЬНА ПОЛОТА слина α-амілаза крохмаль полісахарид крохмаль полісахарид сахароза дисахарид лактоза дисахарид глюкоза фруктоза дієтичні моносахариди ТОНКИЙ КИШОК підшлунковий сік α-амілаза мальтоза ТОНКИЙ кишечник межі ентероцити лактиказа sa

Метаболізм вуглеводів - більшість печінки галактози та фруктози перетворюються на глюкозу - глюкоза - основний вуглевод в організмі - основне/ексклюзивне джерело енергії для деяких тканин (мозок, еритроцити) - рівень крові суворо регламентований (інсулін, глюкагон) Основні метаболічні шляхи глюкози 1 Умови аеробів a/Гліколіз: 1x глюкози 2х піруват (не потребує O 2) b/піруват (+ CoA) AcCoA цикл Кребса + окисне фосфорилювання АТФ 2. Анаеробні умови Гліколіз: 1x глюкози 2x піруват лактат - коли доступність O 2 відновлений: піруват лактат глюкоза. Інші шляхи використання Цикл Кребса Виграш енергії: -аеробний 38 АТФ -анаеробний 2 АТФ

2. Глікогенез і глікогеноліз - глікоген - запасна форма вуглеводів - утворюється і зберігається в основному в печінці (5-8% по масі) та м’язовому глікогені в печінці - глюкоза може виділятися в кров для інших тканин, необхідних глікогену в м’язові м’язи лише для м’язових потреб, не можуть залишати м’язову клітину 3. Перетворення глюкози в жир у разі насичення запасами глікогену 4. Глюконеогенез - виробництво глюкози з пірувату, глюкогенних амінокислот, гліцерину (в печінці) Регуляція вуглеводного обміну - інсулін (анаболічний ефект) - глюкагон, тироксин, гормон росту, наднирники, кортизол (катаболічний ефект)

Основні шляхи метаболізму глюкози Глікоген Синтез нуклеїнової кислоти Виробництво NADPH + Глікогеноліз Глікогенез Пентозний цикл Глюкоза Гліколіз Піруват Аеробний метаболізм Глюконеогенез Анаеробний метаболізм Амінокислоти MK + Гліцерин Лактат CO 2, H 2 Ab

Перетравлення, всмоктування та метаболізм жирів

Перетравлювання жирів жири ТОНКИЙ КИШОК панкреатична ліпаза жовч кишкова ліпаза жирні кислоти гліцерин моноацилгліцерини абсорбція: кров, лімфа

Жировий обмін 1. Ліполіз гліцерину гліколіз жирних кислот: β-окислення в мітохондріях AcCoA цикл Кребса окислювальне фосфорилювання АТФ - приріст енергії (к. Стеариновий) 147 АТФ 2. Накопичення в жировій тканині (менше в печінці) - ТАГ 3. Утворення кетонів - ацетооцтова кислота, β гідроксимасляна кислота, ацетон - збільшене вироблення при дефіциті глюкози (у печінці) - використання у циклі Кребса - при дефіциті глюкози - джерело енергії для головного мозку (!), міокарда, м’язів 4. Жир синтез (ліпогенез) МК: з глюкози AcCoA, деяких амінокислот (+ розщеплені жири) Гліцерин: з глюкози

Перетравлення, всмоктування та метаболізм білків

Перетравлення білка ШЛУНК (15%) пепсин HCl ТОНКИЙ КИШОК панкреатичний сік трипсин хімотрипсин карбоксипептидаза ТОНКИЙ КИШК межі ентероцити пептидази амінопептидази білки поліпептиди, амінокислотні пептиди, дипептиди, трипептиди крові

Основні шляхи метаболізму білків 1. Синтез білків організму з амінокислот, що потрапляють з їжею 2. Деградація амінокислот - Поділ а/аміногрупи утворення b/2-оксокислот a/Нітроген з аміногруп не може використовуватися для отримання енергії з організм видаляється перетворення в аміак, потім сечовина - екскреція з сечею b/2-оксокислот цикл Кребса 3. Нове утворення незамінних амінокислот (з незамінних, з пірувату) 4. Утворення функціонально важливих похідних амінокислот - біогенні аміни, NO 2, пурини та піримідини, гормони тощо.

Споживання та витрата енергії за 24 години Витрати (споживання) енергії: безперервний процес Споживання енергії: 3-5x/день Форми накопичення енергії 0 4 8 12 16 20 24 (год) - жирова тканина 75% запасів - глікоген 1% печінка, м’язи - білок 24% (розпад активної речовини !) - макроергічні зв’язки: АТФ, креатинфосфат та ін. лише невеликий запас Залежно від наявності субстратів, переважає катаболізм або анаболізм

Фаза переробки їжі Протягом 4 годин після прийому їжі субстрати всмоктуються з ЖКТ і потрапляють у кров. Метаболізм в основному впливає на всмоктування глюкози в крові та підвищення рівня глюкози в крові. Гормональна регуляція Інсулін виводиться з підшлункової залози (стимулюється підвищення рівня глюкози в крові), рівень глюкагону падає На цьому етапі адреналін і кортизол не грають ролі

Утилізація субстрату відбувається достатньо глюкози - стає основним джерелом енергії для тканин, найбільш поглинені триацилгліцерини потрапляють в жирову тканину і зберігаються в інсуліні. печінка та інші тканини) У печінці збільшується синтез жирних кислот та триацилгліцеринів (оскільки глюкоза в основному використовується як джерело енергії) Утворення часток ЛПНЩ підвищений рівень крові Транспорт TAG та холестерину до периферичних тканин Зберігання TAG у жировій тканині

Метаболізм під час виведення з запасів починається приблизно через 4 години після останнього прийому їжі, що може тривати 4-5 днів, після чого настає період голодування. Знижує рівень інсуліну адреналін, норадреналін

Використання субстратів Глюкагон - ефекти: розпад глікогену в печінці - глюкоза виділяється в кров, збільшує активність ліпази в жировій тканині, що виділяє вільні жирні кислоти, глюконеогенез (амінокислоти, піруват). Зниження рівня інсуліну спричинює зменшення споживання глюкози в скелетних м’язах, зменшення білка синтезу, АМК використовуються для тканин глюконеогенезу (крім мозку та еритроцитів), переважно використовують жирні кислоти, глюкоза зберігається для мозку та ери печінки, синтезуючи кетонові тіла (від надлишку жирних кислот до потреб клітин печінки) Метаболічний субстрат для інших тканин (включаючи мозок)

Гуморальна регуляція метаболізму Тироксин - значний вплив на енергетичний метаболізм - гліколіз - ліполіз - синтез білка - Глюкагон Інсулін - надходження глюкози в клітини (в кров) - синтез глікогену, - синтез білка, - Синтез ТАГ Гормон росту - зменшення надходження глюкози в клітини (глікемія) -ліполіз -синтез білка Адреналін -глікогеноліз (глікемія) -ліполіз -без впливу на білки - глікогеноліз, глюконеогенез, (глікемія) - ліполіз - протеоліз Кортизол - зменшення надходження глюкози в клітини (глікемія) - зниження ліполізу - протеоліз в клітинках входу AM