energibalanse, kroppsvekt & fødeinntak - regulering av metabolisme -
TRANSCRIPT
CAD1
Energibalanse, kroppsvekt & fødeinntak���- Regulering av metabolisme -
Anders Kielland, rom 4116
CAD2
Hva vi skal prøve å forstå:
• Sentrale begreper i metabolismen • Energibalansen • Regulering av metabolismen og energibalansen
• Metabolske i relasjon til sult og trening • Overvekt og fedme
CAD3
Ord og uttrykk
• Metabolisme (stoffskifte) De kjemiske reaksjoner som foregår i organismen.
• Metabolsk regulering Samspillet mellom kroppenes mange systemer for regulering av metabolske prosesser. To hovedmekanismer: 1) Enzymaktivitet (katalyseringen av de kjemiske reaksjonene)
2) Metabolittilgjengelighet (absorpsjon, transport, distribusjon) • Energimetabolisme
Omhandler metabolisme av makronæringsstoffer (karbohydrater, fett, protein).
• Energibalanse Forholdet mellom energibehov og tilført energi. Vi er i energibalanse når det er likevekt mellom energitilførsel og -forbruk.
• Homeostase En organismes tendens til å stabilisere sitt indre miljø. De settpunktene det indre miljøet holdes nær, ved hjelp av homeostase, er ofte trade-offs. Ikke ideelle, men bra nok. Homeostase er en konsekvens av metabolsk regulering.
CAD4
Metabolisme
Metabolisme: Samlebetegnelse for all kjemiske reaksjoner som foregår i en gitt biologisk enhet: en celle, et organ eller en organisme. Dvs. de kjemiske endringer som skjer med stoffene. Metabolsk reaksjonsvei (pathway): glykolyse, glukoneogense, sitronsyresyklus, fettsyreomsetning, hexokinase monofosfat shunt (pentose phosphate pathway), elektrontransportkjeden. Katabolisme Hydrolyse => CO2 + H2O, byggestener Acetyl CoA: sentralt knutepunkt Stoffene blir oksidert Anabolisme Aminosyrer => Proteiner Monosakkarider => Polysakkarider Fettsyrer => Lipider Nukleotider => Nukleinsyrer Stoffene blir redusert/får elektroner
Zhou L et al. J Physiol 2005
CAD5
Zhou L et al. J Physiol 2005
CAD6
Energibalansens fysiske prinsipper
• Energiprinsippet (loven om at energi er konstant): Energimengden i et isolert system er konstant. Dvs. sier at energi hverken kan oppstå eller forsvinne. Det er da altså underforstått at det er et lukket system.
• Termodynamikkens 1. lov: Loven handler om energioverføring. Energi i et lukket system kan utveksles med omgivelsene i form av arbeid eller varme. Loven sier at endring i den totale indre energien til et lukket system tilsvarer summen av varme og arbeid som tilføres eller avgis til omgivelsene.
• I biologisk sammenheng:
Energiinntak = indre varmeproduksjon + ytre arbeid (bevegelse) + lagring
• Metabolsk rate = Energifrigjøring/Tid (Effekt, måles i watt)
Metabolisme Energiinntak Energiforbruk
Energilager
Arbeid
Varme
CAD7
Varme: Prosesser inni kroppen ender som varme Isometrisk muskelarbeid Arbeid: Dynamisk muskelarbeid
Metabolisme Energi inntak Energi forbruk
Energi lager
Arbeid
Varme
Basalmetabolisme I hvile, liggende, om morgenen, termonøytral, postabsorptivt Fettfri masse forklarer ¾ av basalmetabolismen Faller 10% under søvn Faller opptil 40% ved langvarig sult
Matens termiske effekt Energiforbruk forårsaket av fordøyelse, absorpsjon, lagring
Trening 10 x metabolsk rate (20x hos idrettsutøvere)
Ikke-treningsindusert fysisk aktivitet Resten: arbeide, sitte, stå, gå, snakke, danse, shoppe, Stor variasjon mellom individer Genetisk komponent (29-62%) «uro/fidgeting»
Energiforbruk (J/dag)
10 5 0
Basalmetabolisme (60-75%)
Matens termiske effekt (10-15%)
Ikke-treningsindusert fysisk aktivitet (15-50%)
Trening (0-75%)
CAD8
Energibalansen
• Å være i energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring • Negativ energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid - lagring • Positiv energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring
Metabolisme Energiinntak Energiforbruk
Energilager
Arbeid
Varme
CAD9
Hvilemetabolismen
Hvilemetabolisme: ingen andre kriterier enn at man er i hvile under målingen. Mao. betydelig mindre strengt enn basalmetabolisme. Kanskje mer relevant mål. Påvirkninger: • Restitusjonsstatus i forhold til trening • Tid fra måltid • Omgivelsestemperatur • Høyde, vekt, overfalte areal • Kjønn • Alder • Vekst • Reproduksjon og amming • Emosjoner • Kroppstemperatur • Tyroksinnivåer i blodet • Adrenalinnivåer i blodet • Aktivitet i autonome nervesystem
Omgivelsestempratur H
vile
met
abol
isme
CAD10
Metabolsk regulering
• Hvorfor trenger vi metabolsk regulering? => Inntak korrelerer ikke med forbruk og behov
• Hva reguleres: enzymaktivitet og substrat tilgjengelighet – Cellulære reguleringsmekanismer:
• Enzymkinetikk • Transport/translokasjon av metabolitter • Genuttrykk og post-translasjonell modifikasjon
– Fysiologiske reguleringsmekanismer • Blodgjennomstrømning • Ventilering: syre/base (laktat), O2. • Transport
• Hvordan regulere metabolismen – Korttidsregulering (minutter til timer) = kovalente og allosteriske endringer, translokasjon. – Langtidsregulering (dager og mer) = endringer i mengder protein/genuttrykk.
• Hva kontrollerer reguleringen: Nervøse og endokrine prosesser, lokale metabolske endringer.
CAD11
Cellulære reguleringsmekanismer
Nøkkelenzymer: for metabolske reaksjonsevner er ofte kontroll enzymer plassert i den første reaksjonen (feks. fosfofruktokinase) og rett etter en forgreningspunkter. Allosterisk regulering: små molekyler (ofte metabolitter nedstrøms eller oppstrøms for et en enzym) binder på distinkt sete og endrer aktiviteten til et protein (eks. ATP inhiberer fosfofruktokinase). Kovalent modifikasjonen: fosforylering, acetylering, metylering, ubiqulering, glykosylering, ribosylering. Substrat tilgjengelighet: transport over cellemembran (eks. forflytning av Glut4 fra intracellulære vesikler) Vevsspesifikt genuttrykk: - Glukose-6-fosfatase i lever, men ikke i muskel
- Isomer med forskjellig kinetikk, affinitet og/eller reguleringsmekanismer - Mengde protein (enzymer, transportproteiner, signalproteiner)
CAD12
Nervøs regulering
Afferente signaler:
Lokale reseptorer => glukose, frie fettsyrer, temp.
Hjernebarken => appetitt
Mesencephalon => Dopamin => nytelse (sukker)
Vagus (via hj. Stammen) => div
Pankreas => Insulin => energistatus
Fettvev => Leptin => energistatus
Tarm => Peptide YY, Oxyntomodulin, CCK
=> metthet
Ventrikkel => Ghrelin => apetittøkning
Vevskade, infeksjon, smerte => Danger signal
Efferente signaler:
Releasing hormoner => Hypofysen
Autonome sentere (hj. stammen):
Vagus (parasympatikus):
Bukspytkjertelen => Insulin, Glukagon
GI-traktus => Fordøyelse
Sympatikus
Binyrene => Adrenalin
Lever => Glukoseproduksjon
Fettvev => Lipolyse
Arterioler => Sirkulasjon
Hjernebarken => Energistatus
Hypothalamus: Hovedsenter for regulering av metabolismen. Mottar informasjon, integrerer det og sender ut signaler
CAD13
Hormonell regulering
Hypofyseforlapp: - ACTH => Cortisol => primer for andre hormoner: mobiliserer nedbryting av fett og muskelprotein, hemme glukose opptak i muskel - TSH => Tyroksin => modulerer metabolske enzymer => økt metabolisme, proteolyse - GH => IGF-1/2 => stimulerer lipolyse, øker hepatisk glukoseproduksjon, aminosyreopptak, proteinsyntese
Insulin (beta-celler) - øker cellulært opptak av glukose, aminosyrer,
- øker glukogenese, lipogenese - hemmer lipolyse - stimulerer proteinsyntese
Glukagon (alpha-celler) - stimulerer glykogenolyse
- stimulerer glukoneogenses Adrenalin/noradrenalin - samme som glukagon, men aktuelt i stressituasjon
- stimulerer lipolyse - stimulerer proteinsyntese - øker hjertes minuttvolum
Metabolskvev med - Tarmen: GIP, GLP-1 => forsterker glukose indusert insulin frigjøring endokrin funksjon - Hjerte: ANP => fettvev => Lipolyse
- Fettvev: Leptin => CNS => energistatus i kroppen - Skjelettmuskel: IL6 =>
CAD14
Settpunkt modellen
Speakman J R et al. Dis. Model. Mech. 2011;4:733-745
Energiregnskap for middelaldrende gjennomsnitts mann i Europa: Forbruk et år: 5180 MJ (= 1 238 050 kcal; 23 809 kcal/dag) Vektøkning: 0.5 kg I fett: 350 g (0.35 kg x 39 MJ/kg = 13.8 MJ) Ekstra inntak: 13.8/5180 = 0.27% Per dag: 38kJ => 150 m gange el en kopp kaffe m/melk Litt mer komplisert modell: (inkluderer tap av energi ved energiomsetning og økt energiforbruk grunnet økt mengde fettvev) => 74 kJ/dag
Lept
in
Lept
in
Lept
in
CAD15
Sulting
CAD16
Energiflow ved sulting
Lever
Nyrer
CAD17
Energy Stores in Man
Cahill, N Engl J Med 1970, 282, 668-
Total Reserve, gm Starvation Walking Marathon
running Fat (triglyceride) 9000-15000 34 days 11 days 3 days
Liver Glycogen 80 3.5 hours 70 min. 18 min.
Muscle Glycogen 350 14 hours 5 hours 70 min. Blood/extracellular
glucose 20 40 min. (< 20)
15 min. (< 8)
4 min. (< 2)
Body Protein 6000 15 days 5 days 1.3 days
Tissue Fuel Provides fuel for
CAD18
Helseeffekt av trening
Myers, Lancet, 2012
CAD19
Figure 1
CAD20
Physical activity offers protection against most chronic disorders
• CVD; Thompson ATVB 2003, 23, 1319-1321 • Obesity; Catenacci & Wyatt Nat. Clin. Pract. Endocrinol.
Metab 2007, 3, 518-529 • T2D; Knowler et al. NEJM 2002, 346, 393-403 • Osteoporosis; Gass & Dawson-Hughes Am J Med 2006,
119, S3-11 • Dementia; Lautenschlager et al. JAMA 2003, 300,
1027-1037 • Depression; Martinsen Acta Psychiatr Scand Suppl 1994,
377, 23-27 • Cancer; WCRF report 2007, colorectal, breast, prostate
CAD21
Energiforbruk ved trening
• Hvor stor arbeid er det å løpe opp en trapp? 70kg og trappen er 4m (18 trinn x 22cm) 70kg x 9.8m/s2 x 4m = 3430J = 14.4kcal Effektiviteten (noe går til varme): 25% (50%) => 3430 x 4
• Hvor stor effekt utføres gitt 2s => 3430/2 = 1715 J/s (W)
CAD22
Overvekt og fedme
• 2-30 % av voksne befolkning • hyppighet særlig fra 80-årene • Spisevaner • Fysisk aktivitet • Genetisk disposisjon uendret, men viktig i
samspill m/levevaner
CAD23
• Kroppsmasseindeks – KMI (BMI) = kg/m2 – Tar ikke hensyn til kroppssammensetning
(muskler:fett ratio, fettfordeling)
– Undervektig <18.5
– Normalvektig 18.5 – 24.9
– Overvektig 25 – 29.9
– Fedme type 1 30 – 35
– Fedme type 2 35 – 40
– Fedme type 3 > 40
• Forholdet mellom livvidde & hofteomkrets (liv/hofte-ratio)
– Menn > 0.90
– Kvinner > 0.85
• Livvidde
– Kvinner 82 - 88cm
– Menn 94 - 102cm
Vekt-klassifisering
CAD24
BMI ved sesjon
CAD25
Fedmeutvikling (KMI > 30)
CAD26
2000
Obesity Trends* Among U.S. Adults BRFSS, 1990, 2000, 2010
(*BMI ≥30, or about 30 lbs. overweight for 5’4” person)
2010
1990
No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% 25%–29% ≥30%
CAD27 http://www.sef.no/index.db2?id=11002405
CAD28
CAD29
Overweight and obesity among Norwegian schoolchildren: changes from 1993 to 2000
Andersen LF et al. Scand J Public Health. 2005;33:99-106
CAD30
Utvikling i energiinntak
CAD31
Overweight & health • Diabetes (type 2) • Blood pressure • Coronary heart disease • Stroke • Gall stone • Psychological stress • Muscle- & joint stress • Snoring, Pickwick syndrome • Cancer in colon & other organs
CAD32
Adipocyte number remains stable in adulthood, although significant weight loss can result in a decrease in adipocyte volume
Kirsty et al, Nature, 2008, 453, 783-787
CAD33
Turnover of adipocytes in adulthood ���Kirsty et al, Nature, 2008, 453, 783-787 ���
Analysis of the oldest individuals established that adipocytes are born in adolescence and in adulthood (c). 14C levels in people born after nuclear bomb tests showed continuous and substantial turnover of
adipocytes in adults (d). Time of birth is indicated by vertical lines and BMI is shown numerically (c, d)
Kjernefysiske prøvesprengninger 1955-63
Fettcellene har mye radioaktivitet tydende på inkorporering etter kjernesprengning
Fettcellene har radioaktivitet svarende til atmosfærisk nivå
CAD34
• Å være i energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring • Negativ energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid - lagring • Positiv energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring
Metabolisme Energiinntak Energiforbruk
Energilager
Arbeid
Varme
Slutt