METABOLIZMUS, TĚLESNÁ TEPLOTA

Transkript

1 Inovace studijního programu Farmacie na Farmaceutické fakultě Univerzity Karlovy CZ.1.07/2.2.00/ METABOLIZMUS, TĚLESNÁ TEPLOTA Hronek Miloslav, Nachtigal Petr Souhrn Cílem lekce je se seznámit s charakteristikou metabolizmu, ale především s energetickým výdejem a faktory, které jej ovlivňují, nezbytné k pochopení energetických procesů v těle. Součástí lekce jsou základní informace týkající se tělesné teploty a její regulace, které patří z hlediska fyziologie pro farmaceuta k nezbytným informacím aplikovatelným při terapii antipyretiky. Charakteristika metabolizmu Jedná se o souhrn veškerých dějů (fyzikálních a chemických), které probíhají uvnitř organismu. Slouží k získání energie a k tvorbě látek potřebných pro činnost organismu (jeho fungování, růst, vývoj apod.). Dělí se na děje katabolické a anabolické. Katabolismus Jde o rozkladné děje, kdy dochází k uvolňování energie v malých použitelných množstvích ze zvláštních, energeticky bohatých sloučenin jako jsou ATP (adenosintrifosfát), kreatinfosfát, guanosintrifosfát, cytidintrifosfát, uridintrifosfát, inosintrifosfát. Příkladem je např. oxidace. Uvolňovaná energie je v organizmu využívaná pro transportní mechanizmy např. pro činnost Na + -K + - ATPázy, pro transport dalších iontů jako např. Ca ++, Mg ++, I +, pro proteosyntézu, elektrogenezi (pohyb iontů vyvolávající depolarizaci a repolarizaci), pro tvorbu tepla (až 56 % energie se uvolňuje ve formě tepla), pro svalovou kontrakci. Anabolizmus Jde o opačný proces než je katabolizmus, který je součástí anabolických reakcí, kdy dochází k biosyntéze řady látek za využití energie (která je v nich uložena). Anabolismus je dominantní v době regenerace organismu (odpočinku). Energetická rovnováha Je vyjádřením mezi nutričním příjmem a výdejem energie. Je-li vyšší energetický výdej než je příjem, je označována jako negativní, při níž dochází ke spotřebování vnitřních zásob (glykogenu, tělesných 1

2 proteinů, tuků). V případě pozitivní dochází k ukládání zásobních látek, což zpravidla vede ke zvýšení množství tukových depozit a obecně k nárůstu hmotnosti. K úhradě energetických potřeb člověk za jeden rok přijme okolo 1 miliónu kcal. Energetický výdej aneb Co nás stojí náš život Největší část vydané energie je vynaložena na membránové transporty, děje spojené s endergonickou částí metabolických pochodů jako transport iontů přes membrány, tvorba elektrických potenciálů a z toho vyplývajících funkcí (svalová práce, sekreční práce). Celkový energetický výdej se skládá ze tří složek, a to z bazálního metabolizmu (60-70 % z celkové vydané energie), energií vydané na trávení potravy (8-12 %, tzv. specificko-dynamický účinek potravy) a pracovního metabolizmu (zbylých %). Za klidových podmínek člověk v dospělém věku vydává okolo 25 kcal/kg/den, tedy cca 1 kcal/min. Bazální metabolizmus (BM) Charakterizuje množství vydané energie k udržení základních fyziologických funkcí, tedy minimální úroveň energetické potřeby, sloužící k udržení života v klidovém bdělém stavu za podmínek neutrální okolní teploty (pro práci kardiorespiračního aparátu, svalové kontrakce v klidu, k sekreční činnosti). Podíl jednotlivých orgánů na výdeji energie zobrazuje tabulka 1. Tabulka 1 (dle Boothby WM, Berkson J, Dunn HL. Amer J Physiol, 1936(116):468) Lze ho predikovat pomocí Harris-Benediktovy rovnice, která je určena pro normosteniky, ke zkreslení dochází u obézních a svalnatých jedinců. muži > BM [kcal] = 66,5 + 13,8 x hmotnost v kg+ 5,0 x výška v cm - 6,8 x věk ženy > BM [kcal] = ,6 x hmotnost v kg + 1,8 x výška v cm - 4,7 x věk 2

3 Faktory ovlivňující intenzitu metabolizmu: 1. Tělesná práce, 2. Specificko-dynamický účinek potravy (asimilace živin v těle), 3. Vnější teplota nižší než tělesná teplota (zvýšení metabolizmu za tvorby tepla a jeho rozvod krevní cestou, výdej energie vyvolané třesem svaloviny) vyšší než tělesná teplota (vzrůst metabolizmu a využití uvolněné energie k ochlazování těla např. zvýšenou evaporací), 4. Pohlaví (u mužů je o cca 15 % vyšší než u žen, daném větším množství svaloviny), 5. Věk (s věkem klesá), 6. Výška, váha a povrch těla (s nárůstem se zvyšuje), 7. Emoce (při vzrušení uvolněný adrenalin zvyšuje metabolismus a zvýšení svalového napětí, při apatii a depresi se snižuje metabolismus), 8. Tělesná teplota (vzestup o 1 o C, vzestup o cca 14%), 9. Hormony štítné žlázy v krvi (trijód- a tetrajódtyronin zvyšují), 10. Gravidita a laktace (zvyšují), 11. Hladovění (pokles až o 40 %). Metody měření energetické potřeby Mezi základní metody patří přímá a nepřímá kalorimetrie. Přímá kalorimetrie se používá spíše u laboratorních zvířat, která se vloží do hermeticky a termicky uzavřeného kalorimetru a měří se množství uvolněného tepla. Je využívána pro speciální studie. Nepřímá kalorimetrie je metoda, která je v praxi nejčastěji používaná. Její měření je založeno na poznatku, že spotřeba kyslíku (VO 2) v organizmu je přímo úměrná metabolizmu (energetickému výdeji, REE) a úměrně souvisí s jeho využitím při oxidaci nutričních substrátů, kdy dochází k uvolňování oxidu uhličitého (VCO 2). Jeho množství kvantifikuje míru oxidace. Pomocí Weirovy rovnice lze relativně přesně vypočítat energetický výdej: REE = VO 2 * (3,94) + VCO 2 * (1,11) Vyšetření se provádí na lačno po 12 hod lačnění, ve fyzickém a mentálním klidu, v poloze na zádech. Spalováním živin dochází k uvolnění tzv. spalného tepla, a to konkrétně z 1 g sacharidů a proteinů se uvolňuje cca 4 kcal, 1 g lipidů cca 9 kcal. Jako ukázka u 70 kg vážící osoby je tabulka 2. 3

4 Tabulka 2 Tělesná teplota, termoregulace V přírodě se setkává se dvěma typy organizmů, a to poikilotermní (ektotermní), kteří si nedokáží sami teplotu vyrábět a jsou zcela závislí na okolní teplotě (např. plazi, obojživelníci). Člověk patří mezi teplokrevné tzv. homoiotermní organizmy (endotermní), který si dokáže při výkyvech teplotu udržet nebo ho díky exotermickým reakcím v játrech i vyrobit. Rozeznáváme následující tělesné teploty: Subnormální po 36 o C, Normální o C, Subfebrilní 37 37,9 o C, Febrilní (horečka) nad 38 o C, Hyperpyrexie o C. Podle místa měření ji označujeme jako axilární (AT, měřena v podpaží), sublingvální (měřena pod jazykem, je o 0,2 0,3 o C vyšší než AT) a rektální nebo vaginální (dle místa měření, která je 0,5 o C vyšší než AT). Termoregulace Je řízena z hypotalamu a v corpora mammilaria. Informace o její výši jsou detekovány pomocí receptorů, umístěných na periferii v kůži, vnitřních nacházejících se hypotalamu, mozkovém kmeni, páteřní míše, zadní stěně břišní dutiny, podél velkých cév. Faktory ovlivňující teplotu těla Důležitým orgánem je kůže, která v sobě obsahuje tuk jako tepelný izolant (každý mm v podkoží dovoluje snášet chladnější okolí o 1-2 o C). Svoji roli hraje tonus vegetativního nervstva, kde sympatikus řídí prokrvení formou vasokonstrikce a vazodilatace (zvyšuje prokrvení a odevzdání tepla okolí). 4

5 Fyziologické změny teploty (za bdělého stavu): Nejnižší ve dne okolo hodiny ranní, Nejvyšší ve dne mezi hodinou, U žen při ovulaci dochází ke zvýšení o 0,5 o C, 2 % dospělých má konstituční hypertermii, Senioři mají mnohdy subnormální (dané sníženým metabolizmem). Mechanizmy regulující teplotu těla Při zvýšené tělesné teplotě dojde díky aktivaci hypotalamu ke snížení produkce tepla, k vazodilataci na periferii (současně se zvýší minutový srdeční výdej z 5 % na 30 %, tím dojde ke zvýšení odevzdání tepla sáláním), zvýší se evaporace (odpařováním vody z kůže dochází k ochlazování povrchu těla), zvýší se produkce aldosteronu (ochrana před ztrátou vody a iontů). Výše uvedené mechanizmy jsou energicky náročné, proto dojde paradoxně ke zvýšení bazálního metabolizmu. Při snížené teplotě se ujímají svoje role svaly. Dochází k tzv. chladovému třesu (svalová odpověď na chlad), kdy příčně pruhované svaly se stahují ve frekvenci stahů/s bez další jejich práce, čímž se 4 5x zvýší produkci tepla během několika minut. Dále dochází k chemické (netřesové) termoregulaci, kdy se zvyšuje buněčný metabolizmus působením adrenalinu, noradrenalinu a tyroxinu. U novorozenců je využívaná hnědá tuková tkáň (umístěná pod lopatkami, v blízkosti velkých cév), která je schopny dvojnásobně vyšší produkce tepla. Reaguje i kůže, kdy vzniká tzv. husí kůže, což je reakce pilomotorického svalstva v kůži, které napřímí chlupy a tím chrání před ztrátou tepla z povrchu těla. Další reakcí je navození hladu, kdy příjem substrátů podněcuje katabolické reakce v játrech spojené s produkcí tepla. Faktory ovlivňující teplotu těla Chování jedince jako je schoulení, vhodný oděv, pohyb. Perspiratio insensibilis (je permanentní vypařování vody, které nesouvisí s termoregulací, difúze vody přes kůži a dýchací systém cca 600 ml/den při normální teplotě) Evaporace (výdej vody pocením při zvýšené teplotě, ochlazování povrchu těla) Teplota nad 37 o C při zánětlivé reakci Zánětlivá reakce jako odpověď imunitního systému na patogeny. Makrofágy, monocyty, Kupfferovy buňky produkují prozánětlivé cytokiny (IL-1, IL-6, TNF-α ), označovány jako pyrogeny (zvyšují teplotu těla). Aktivují přes 3. mozkovou komoru hypotalamus (area preoptica), dojde k produkci prostaglandinů, které zvyšují hodnotu termostatu v hypotalamu a dochází ke zvýšení teploty těla. Účinek antipyretik (např. paracetamol) je daný snížením produkce prostaglandinů inhibicí cyklooxygenázy, což vede ke snížení teploty těla. 5

6 Zdroje Rhoades RA, Bell DR. Medical Physiology. Principles of Clinical Medicine. 4ed, Wolters Kluwer, Lippincott Williams et Wilkins, Philadelphia, Hronek M, Zadák Z. Stanovení potřeby energie. In Zadák Z, Květina J et al. Metodologie předklinického a klinického výzkumu v metabolismu, výživě, imunologii a farmakologii. Praha: Galen, 2011, s Trojan S. Lékařská fyziologie. 4. vydání, Praha,