Inovace studijního programu Farmacie na Farmaceutické fakultě Univerzity Karlovy CZ.1.07/2.2.00/28.0194 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
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 20 35 %). 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] = 655 + 9,6 x hmotnost v kg + 1,8 x výška v cm - 4,7 x věk 2
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
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 36 37 o C, Subfebrilní 37 37,9 o C, Febrilní (horečka) nad 38 o C, Hyperpyrexie 40 41 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
Fyziologické změny teploty (za bdělého stavu): Nejnižší ve dne okolo 5. - 6. hodiny ranní, Nejvyšší ve dne mezi 16. - 17. 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 10-20 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
Zdroje Rhoades RA, Bell DR. Medical Physiology. Principles of Clinical Medicine. 4ed, Wolters Kluwer, Lippincott Williams et Wilkins, Philadelphia, 2013. 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. 255-268. Trojan S. Lékařská fyziologie. 4. vydání, Praha, 2003. 6