I. Az energiaforgalom, alapanyagcsere, normálértékek, mérésük (támp. 69.) II. A táplálékfelvétel szabályozása: az éhségérzetet és a jóllakottságot kiváltó tényezők (támp. 76.) Sántha Péter A szervezet energiaforgalmának vázlata Táplálék Fizikai munka Hőtermelés lebontó folyamatok (katabolizmus) ATP felépítő folyamatok (anabolizmus) Végtermékek struktúrális/funkcionális makromolekulák energiaraktárak 1
A szervezet energiaforgalmát leíró fizikai paraméterek ENERGIA (Joule) Teljesítmé ny (időidőegyre eső energiaforgalom) = IDŐ (sec) (Watt) 1kJ = 1000 Ws = 0,24 kcal (1 kcal ~ 4 kj) "hasznos"munka Hatásfok (η)% = 100 felhasznált energia A szervezet hatásfoka munkavégzéskor 20 % A szívműködés hatásfoka: 15-40%!! A szervezet energiafelhasználása Nyugalmi energiaforgalom (Resting Metabolic Rate; RMR) fizikai és szellemi nyugalomban mérhető energiaforgalom Teljes energiaforgalom (Total Energy Expenditure: TEE) RMR + posztprandiális anyagcsere növekedés + aktivitás-függő energiaforg. (DIT Diet-Induced Thermogenesis) Alap-energiaforgalom (alapanyagcsere; Basal Metabolic Rate:BMR) standard körülmények között mért nyugalmi energiaforgalom A standard feltételek: 6500 kj/d (75 W) - 7100 kj/d (100 W) 1. Reggel, ébredés után 2. Teljes testi és lelki nyugalom (fekve) 3. Legalább 8 órával az utolsó táplálékfelvétel után 4. Semleges külső hőmérséklet, normális test (mag) hőmérséklet 5. Gyógyszer és egyéb hatás mentesen 2
Mi befolyásolhatja az (alap) energiaforgalmat? Biológiai ritmusok (pl. cirkadián ritmus): Neuro-humorális reguláció napszakos ingadozásai (pl.: hypothalamo-hypophyseo-adrenális rendszer: ACTH; kortikoszteroidok) alvás-ébrenlét ciklus, a vegetatív idegrendszer tónusváltozásai óra Mi befolyásolhatja az (alap) energiaforgalmat? 2. Izomtónus izomműködés: nyugalomban is az alapanyagcsere 25%-a! (máj 26%, agy 18%, szív 17 %, vese 9%) 3. Táplálékfelvétel: - postprandiális energiaforgalom emelkedés (kb. 6%) Táplálékfelvételt követő fokozott hő termelés/leadás (DIT) Közvetlen okok: emésztés-felszívódás; szintetikus foly. (raktárak) Neurohumorális faktorok: pl. szimpatikus hatás a termogenezisre SDA: Specific Dynamic Action of proteins fehérjében gazdag táplálék átmenetileg akár az elfogyasztott táplálék energiatartalmának 30%-val is növelheti az energiaforgalmat! 4. A környezeti- és a testhőmérséklet: Termoreguláció aktív hőtermelés (termogenezis) Van t Hoff szabály: a hőmérséklet 10 -os emelkedése 2-4 szeresére emeli a kémiai reakciók sebességét 3
Az energiaforgalom függése a külső hőmérséklettől és a szervezet hőtermelő folyamataitól MR: metabolic rate T2-T3: termoneutrális zóna hőmérséklethatárai (könnyű ruházatban kb. 22-24 o C) Az alap-energiaforgalom életkor és nem függése BMR életkor (év) A zsírmentes testtömegre (lean body mass) vonatkoztatva a nemi különbség elenyésző! Újszülöttek-csecsemők: felszín/testtömeg arány; metabolikus termogenezis különbségei 4
Az fizikai munkavégzés hatása a szervezet energiaforgalmára Alvás Éber fekvő Éber ülő Álló, nyugalomban Könnyű fizikai munka Úszás Futás (10 km/h) Lépcsőzés (felfelé) 280 KJ/h 320 KJ/h 400 KJ/h 420 KJ/h 800 KJ/h 2000 KJ/h 2300 KJ/h (~55 g zsír/h) 4400 KJ/h (~120 g zsír/h) nyugalom számítási feladat Közvetlenül a feladat befejezése után 1 perccel a feladat befejezése után EMG felvétel számolási feladat végzése során mentális aktivitás hatása az izomtónusra 5
Az energiaforgalom mérése CxHyOz + no2 x CO2 + h H2O + energia Az elfogyasztott táplálék energiatartalmának mérése: Problémák: bizonytalanság az energia felhasználás hatásfokának meghatározásában energiaraktározás, raktárak mobilizálása, végtermékek energiatartalma Az átalakított energia mérése: Közvetlen meghatározás: direct calorimetry a test hő leadásának a mérése Közvetett meghatározás az oxigén fogyasztás mérése Direkt kalorimetria E = Q 6
Indirekt kalorimetria az oxigén fogyasztás mérése C x H y O z + no 2 x CO 2 + h H 2 O + energia Metabolátor (módosított spirométer): T-szelep oxygén O 2 Util =dv/dt Abszorber CO 2 megkötés Ergospirometria Kardio-respiratórikus paraméterek és a O 2 fogyasztás/co 2 termelés mérése Szabályozható munkaterhelés ( ergometria ) és amunkavégzés mérése 7
C x H y O z + no 2 x CO 2 + h H 2 O + energia Energia érték: egyes tápanyagok oxidációja során felszabaduló hőmennyiség (égés- vagy oxidációs hő) lásd: HESS törvény Tápanyagok: zsírok fehérjék szénhidrát glükóz etanol (oxigén) energia egyenérték: a tápanyagból 1 l oxigénnel történő oxidáció során felszabaduló energia leadott Respirációs hányados : felvett szénhidrátok zsírok fehérjék A respirációs hányados és a táplálék összetétele közötti összefüggés glukóz oxidáció: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 => 6 CO 2 + 6 H 2 O + 2780 kj RQ = 1; EE = 21,1 kj / l O 2 zsír oxidáció (tripalmitoil-glicerin) C 57 H 110 O 6 + 81,5 O 2 => 57 CO 2 + 55 H 2 O + 35675 kj RQ = 0,7; EE = 19,6 kj/ l O 2 vegyes táplálék: 15% fehérje - 60 % szénhidrát - 25% zsír: RQ = 0,82; EE = 20,2 kj/ l O 2 8
A respirációs hányados és az energia egyenérték kapcsolata A fehérje oxidáció közel állandó (15%-a az energiaforgalomnak) A döntő a zsír/szénhidrát arány! Példa az aktuális energiaforgalom kiszámítására: O 2 felvétel =280 ml/min RQ=0,82 E/ t=0,28 l/min x 20,2 kj/l=5,66 kj/min (94W) A respirációs hányados változásainak egyéb lehetséges okai Hyperventiláció (RQ ) Az alveoláris gáztérfogat (FRC) CO 2 tart. kiürítése felvétel leadás libamáj O 2 felvétel nő: éhezés vagy diabetes mellitus - - zsírraktárak mobilizálása + glukoneogenezis - RQ O 2 felvétel csökken: - hízlalás (libatömés) - RQ 9
Az (alap-) energiaforgalom mérésének alkalmazásai: Teljesítmény (sport) élettan A keringési sokk kialakulásának és súlyosságának megítélése Posztagressziós anyagcsere fokozódás (glükokortikoidok) A pajzsmirgy megbetegedései (T3/T4 termelés zavarai) Táplálékelvétel szabályozása éhség - jóllakottság (rövid távon) Éhség motivációs állapot (drive) - Szubjektív érzet - Emocionális ( affektív ) szempont - Viselkedési hatások - Objektív élettani változások Testsúlyra koncentráló szabályozás (hosszú távon) étvágy - undor: válogatás, minőség 10
A táplálékfelvétel, az éhség és a jóllakottság időbeni összefüggése Éhség Jóllakottság interdigesztív fázis étkezés digesztív fázis interdigesztív fázis étkezés Antagonisztikus reciprok viszony A központi idegrendszer szintjén is elkülönül a reprezetnáció? A táplálékfelvétel szabályozása, az éhség és a jóllakottság kialakulásáért felelős mechanizmusok A szabályozásban résztvevő lehetséges mechanizmusok: Glukosztát teória: a vér glükóz szintjének állandósága perifériás és centrális glükóz szenzorok ( nutrient sensing ) Gasztrointesztinális hormonok direkt és közvetett (pld. n. X.) hatások a hypothalamuszra (pld.: CCK, GLP, PYY) Más neurális hatások: gyomorfeszülés viszcerális mechanoreceptorok Hosszú távú szabályozás (energiaraktárak állapota): pld.: zsírszövetből származó hormonok (leptin (leptos sovány) plazmaszintje a tárolt zsírmennyiségtől függ) 11
Sztereotaxiás vizsgálatok a mély agyi régiók funkcióinak feltérképezése (hypothalamikus magok) Walter Rudolf HESS; Nobel díj: 1949 a vegetatív idegrendszer centrális szerveződése 12
Ventromediális mag: jóllakotsági kp. (roncsolása: hyperphagia) Laterális hypothalamus: éhség központ (roncsolása: aphagia, éhezés) Közvetelnül a hypothalamus területekbe injektált transzmitterek hatásai a a táplálékfelvételre ANOREXIGÉN (gátló) OREXIGÉN (aktiváló, fokozó) (orexos étvágy, éhség) POMC: Pro-Opio-Melano-Cortin Alpha-MSH CART: Cocaine- and Amphetamine-Regulated Transcript Cholecystokinin GLP-1 (Glucagon-Like Peptide) Neuropeptide Y (NPY) AGRP: Aguti-Related Peptide Gamma-aminobutyric acid (GABA) Galanin (GAL) Norepinephrine (NE) Endogén ópiátok (EOP) Modified from Kalra SP, Dube MG, Pu S, et al: Interacting appetite-regulating pathways in the hypothalamic regulation of body weight. Endocr Rev 20:68-100, 1999. 13
Jelenlegi nézet: a n. arcuatus-ban neurokémiailag eltérő orexigén (táplálék felvételt fokozó) és anorexigén (táplálék felvételt gátló) neuron populációk ( első rendű neuronok ) integrálják a bejövő szenzoros/kémiai információt és reciprok módon befolyásolják a kapcsolt neuro-humorális szabályozó rendszereket A táplálékfelvételt szabályozó központi idegrendszeri hálózat felépítése n. Ventromedialis n. Paraventricularis 1. rendű neuronok Laterális hypoth. 2. rendű neuronok agytörzs n. tractus solitarii Pape Kurtz Sibernagel, 2014 14
A n. arcuatus és a hypothalamikus központok neuronjai által termelt neurotranszmitterek és modulátorok ANOREXIGÉN neuronok (táplálkozást gátló faktorok) Elsőrendű neuronok: OREXIGÉN neuronok (táplálkozást fokozó faktorok) Elsőrendű neuronok: POMC: Pro-Opio-Melano-Cortin; (α-msh a feltételezett transzmitter) CART: Cocaine- and Amphetamine-Regulated Transcript Másodrendű neuronok: Neuropeptide Y (NPY) AGRP: Agouti-Related Peptide Másodrendű neuronok: Cholecystokinin MCH: Melanin Concentrating H. GLP-1 (Glucagon-Like Peptide) CRH, TRH, Oxytocin Orexin A n. arcuatus neuronok szignáltranszdukciója és kapcsolatai különböző efferens rendszerekkel Physiology 23:75-83, 2008. doi:10.1152/physiol.00047.2007 Huiyuan Zheng and Hans-Rudi Berthoud (orexos étvágy, éhség) 15
A szervezetből érkező szignálok Specifikus kemoreceptorok: ízreceptorok (szájüreg, garat nyálkahártya), szaglás GI traktus: Felszívódott transzporttápanyagok (glukóz, zsírsavak, aminosavak) GI hormonok: Ghrelin fokozza a táplálékfelvételt, éhségérzet (gyomor nyálkahártya) CCK, GLP-1 (glukagon-like peptide) area postrema- nyúltvelői közvetítéssel, míg a PYY (peptid Tyr-Tyr) közvetlenül a n. arcuatusra hatva gátolják a további táplálékfelvételt (jóllakottság érzet) - gyomorfal disztenziója -kemoszenzitív vagus afferensek (glukóz, neuropeptidek) Pancreas sziget apparátus: inzulin, amylin, glukagon Máj vagus afferensek (glukóz és GLP-1 érzékelés) Zsírszövet (adipociták): leptin, adiponectin (metabolikus hatások) A szervezet tápláltsági állapotáról és energiaraktáraiból érkező perifériás szignálok GLP1R Y2R Physiology 23:75-83, 2008. doi:10.1152/physiol.00047.2007 Huiyuan Zheng and Hans-Rudi Berthoud 16
Leptin (ob/ob), vagy leptin receptor (db/db) hiányos egér: obezitás, hyperphagia, hipoaktivitás ob/ob mutáns (leptin hiányos) vad típus A zsírraktárak méretének befolyása a leptin elválasztásra és a táplálékfelvétel hypothalamikus szabályozására További adipokinek: TNF-α, IL-6 (Insulin-resistance) Adiponectin (BMR ) 17