Energibalanse, kroppsvekt & fødeinntak - Regulering av metabolisme - Anders Kielland, rom 4116 CAD1
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 CAD2
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. CAD3
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 CAD4 Zhou L et al. J Physiol 2005
CAD5 Zhou L et al. J Physiol 2005
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 Energiinntak Metabolisme Energilager Energiforbruk Varme Arbeid CAD6 Metabolsk rate = Energifrigjøring/Tid (Effekt, måles i watt)
Energi inntak Metabolisme Energi forbruk Varme Arbeid Energi lager Varme: Prosesser inni kroppen ender som varme Isometrisk muskelarbeid Arbeid: Dynamisk muskelarbeid Energiforbruk (J/dag) 10 Trening (0-75%) Ikke-treningsindusert fysisk aktivitet (15-50%) Matens termiske effekt (10-15%) 5 Basalmetabolisme (60-75%) 0 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» CAD7
Energibalansen Energiinntak Metabolisme Energilager Energiforbruk Varme Arbeid Å være i energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring Negativ energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid - lagring Positiv energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring CAD8
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 Hvilemetabolisme Omgivelsestempratur CAD9
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. CAD10
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 CAD11 - Mengde protein (enzymer, transportproteiner, signalproteiner)
Nervøs regulering Hypothalamus: Hovedsenter for regulering av metabolismen. Mottar informasjon, integrerer det og sender ut signaler 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 CAD12 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
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) Adrenalin/noradrenalin - stimulerer glykogenolyse - stimulerer glukoneogenses - samme som glukagon, men aktuelt i stressituasjon - stimulerer lipolyse - stimulerer proteinsyntese - øker hjertes minuttvolum CAD13 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 =>
Settpunkt modellen 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 Leptin Leptin Leptin CAD14 Speakman J R et al. Dis. Model. Mech. 2011;4:733-745
CAD15 Sulting
Energiflow ved sulting Lever Nyrer CAD16
Energy Stores in Man Tissue Fuel Provides fuel for Total Reserve, Marathon Starvation Walking gm 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 Cahill, N Engl J Med 1970, 282, 668- CAD17
Helseeffekt av trening CAD18 Myers, Lancet, 2012
CAD19 Figure 1
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 CAD20
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) CAD21
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 CAD22
Vekt-klassifisering Kroppsmasseindeks KMI (BMI) = kg/m 2 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 CAD23
CAD24 BMI ved sesjon
CAD25 Fedmeutvikling (KMI > 30)
Obesity Trends* Among U.S. Adults BRFSS, 1990, 2000, 2010 (*BMI 30, or about 30 lbs. overweight for 5 4 person) 1990 2000 2010 CAD26 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
Overweight & health CAD31 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
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 CAD33
Slutt Energiinntak Metabolisme Energilager Energiforbruk Varme Arbeid Å være i energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring Negativ energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid - lagring Positiv energibalanse: Energiinntak = varmeproduksjon + ytre arbeid + lagring CAD34