Všechny životní procesy v buňkách vyžadují neustálou transformaci energie. Energie uložená v chemických vazbách mezi atomy uhlíku a vodíku je přeměňována na formy využitelné pro buněčné funkce. Klíčovým procesem je buněčná respirace, která probíhá ve dvou fázích.
Buněčná respirace a energetická rovnováha
Hlavním zdrojem energie pro buňky je oxidační fosforylace, probíhající v mitochondriích. Doplňuje ji anaerobní glykolýza, méně efektivní, ale zásadní proces. Pro udržení životních funkcí musí být tvorba adenosintrifosfátu (ATP), hlavního zdroje energie, v rovnováze s jeho spotřebou. Energetický deficit nastává, pokud tato rovnováha není zachována.
AKBR (Arterial Ketone Body Ratio) jako ukazatel energetického stavu
Měření poměru NAD+/NADH v buňkách je obtížné. Ozawa (1992) zavedl stanovení poměru ketolátek v arteriální krvi (AKBR) jako ukazatele intramitochondriálního poměru NAD+/NADH, a tím i ATP/ADP, zejména v hepatocytech. AKBR reflektuje energetický stav jaterních buněk.
Při energetické rovnováze je AKBR > 1,0 (až 2,0). U zdravých jedinců lze tohoto stavu dosáhnout podáním glukózy. Pokud organismus získává energii převážně oxidací mastných kyselin, AKBR klesá k 0,7. Další pokles signalizuje energetický deficit. Kritická, ale ještě reverzibilní hodnota je 0,4; pod 0,25 je situace neslučitelná se životem. AKBR je objektivním prognostickým ukazatelem u kriticky nemocných.
Při poklesu AKBR pod 0,4 dochází k inhibici glukoneogeneze, vzestupu laktátu a poklesu poměru NAD+/NADH v cytoplasmě i mitochondriích, což vede k mnohočetné orgánové dysfunkci. Laboratorní nálezy zahrnují intoleranci glukózy, sníženou hladinu větvených aminokyselin, patologický Fisherův index, zvýšený katabolický index, negativní bilanci dusíku, patologickou diferenci mezi vypočtenou a naměřenou osmolalitou, bilirubinemii, zvýšení AST, ALT, hyperamonemii, zvýšení kreatininu a LD, pozitivní testy pro diseminovanou intravaskulární koagulopatii a poruchy imunity, a snížení proteosyntézy. AKBR pomáhá při správném vedení nutriční terapie u kriticky nemocných, informuje o preferovaném substrátu pro krytí energetických potřeb.
Čtěte také: Jak vypočítat BMI v Excelu?
Bazální a pracovní metabolismus
Příjem a výdej energie musí být v rovnováze pro udržení tělesné hmotnosti. Bazální metabolický obrat (BMR) je energie potřebná pro základní životní funkce v klidu. Průměrně je to 24 kcal/den/kg tělesné hmotnosti. Nedostatek kyslíku v mitochondriích znemožňuje regeneraci ATP z ADP oxidativní fosforylací. Anaerobní glykolýza pokrývá potřeby buněčné energie jen krátkodobě. Nahromadění laktátu vede k zablokování buněčného metabolismu a buněčné smrti.
Kyslík a energetický metabolismus
Porozumění mechanismům řídícím stav kyslíku v organismu je důležité pro správnou diagnózu a léčbu, zejména u kriticky nemocných. Kritický přísun kyslíku závisí na příčině nízkého přísunu. Tenze kyslíku ve smíšené venózní krvi úzce souvisí s průměrnou tenzí O2 na konci kapilárního řečiště a má větší výpovědní hodnotu než kritický přívod kyslíku.
Redukce kyslíku v mitochondriích závisí na transportu elektronů z reduktantů. Difuze kyslíku z hemoglobinu na cytochromoxidasu je ovlivněna koeficientem permeability (kappa O2). Poměr mezi plochou difuze a difuzní drahou narůstá ve svalu při aktivitě, klesá při edému nebo mikroembolizaci. Gradient tenze kyslíku je rozdíl středních tenzí kyslíku dělený střední vzdáleností mezi erytrocyty a mitochondriemi. Limitujícím faktorem difuze kyslíku je tenze O2 na konci kapilárního řečiště.
Redukce O2 v mitochondriích probíhá jako reakce nultého řádu, řízená spíše požadavky energie než dostupností kyslíku. Velikost difuze kyslíku a extrakce kyslíku se vzájemně nastaví tak, aby odpovídaly velikosti redukce kyslíku, která je regulována poměrem ATP/ADP. V mitochondriích dochází k obnově šesti molekul ATP z ADP při redukci jedné molekuly O2. V některých tkáních je redukce kyslíku spojena pouze s produkcí tepla. Toxické látky mohou rozpojit oxidativní fosforylaci.
Při hydrolýze ATP vzniká asi 50 kJ/mol užitečné chemické energie. Redukce O2 začne probíhat podle reakční kinetiky prvního řádu, jakmile hodnota pO2 v buněčném cytosolu poklesne pod kritickou hranici. Normální průměrná tenze O2 v buňce činí 1,6 kPa. Toxická inhibice cytochromů zvyšuje kritickou hodnotu buněčného pO2. Normální průměrná hodnota pO2 na konci kapilárního řečiště je asi 5,0 kPa. Průměrný rozdíl mezi pO2 v erytrocytech a v mitochondriích je asi 3,4 kPa. Dýchání vyššího obsahu kyslíku zvyšuje pO2 na konci kapiláry i v buňce.
Čtěte také: Tepová frekvence při hubnutí
Hypoxie a její klasifikace
Nedostatek kyslíku v tkáních (tkáňová hypoxie) je třeba včas rozpoznat, klasifikovat a kvantifikovat. Příčiny hypoxie zahrnují nízký srdeční minutový objem, nízkou extrakční tenzi kyslíku, dysperfuzi, histotoxickou hypoxii a zvýšený metabolismus.
Hypoxii lze klasifikovat do tří tříd:
Třída A: Snížení pO2 ve smíšené venózní krvi beze změn v optimální rychlosti spotřeby kyslíku. Příčinou může být nízký minutový objem srdeční nebo nízká extrakční tenze kyslíku.
Třída B: Zvýšení kritické hodnoty pO2 ve smíšené venózní krvi, aniž by došlo ke změně v optimální spotřebě O2. Příčinou je "dysperfuze" způsobená zvýšením arterio-venózních zkratů, intersticiálním edémem a snížením celkové difuzní plochy endotelu kapilár.
Třída C: Zvýšení bazálních požadavků na kyslík se sekundárním vzestupem kritické hodnoty pO2 ve smíšené venózní krvi. Příčinou je zvýšený metabolismus způsobený rozpojením oxidativní fosforylace ATP a zvýšením potřeby ATP.
Čtěte také: Ideální váha a BMI
Energetický výdej a jeho měření
Organismus potřebuje energii i v klidu pro základní fyziologické funkce. Pro měření energie se používají jouly (J) nebo kalorie (cal). Při měření energetického výdeje se používá metabolický ekvivalent (MET). Bazální metabolismus je minimální energetická potřeba pro udržení základních fyziologických funkcí (1200-2400 kcal/24 hod). Záleží na pohlaví, věku, velikosti těla a trénovanosti. Klidový metabolismus je o 10% vyšší než základní metabolismus. Pracovní metabolismus zahrnuje energii vydávanou při různých činnostech.
Energetický výdej lze zjistit přímou nebo nepřímou kalorimetrií. Přímá kalorimetrie je technicky i finančně náročná. Nepřímá kalorimetrie měří spotřebu kyslíku (VO2) pomocí analyzátoru vzduchu. Pro odhad bazálního metabolismu se používají vzorce, např. Harris-Benedictova rovnice nebo Mifflin-St Jeorova rovnice. Pro výpočet energetického výdeje za 24 hodin se používají tabulky, kde se k jednotlivým činnostem vyhledává hodnota náležitého bazálního metabolismu (nál. BM).
Únava a přetrénování
Únava je fyziologický proces po tělesném nebo psychickém zatížení, obranný mechanismus chránící tělo před poškozením. Příčinou svalové únavy je pokles tvorby ATP při kritickém poklesu energetických rezerv nebo nahromadění metabolitů. Únava může být celková, místní, fyzická, psychická, akutní nebo chronická.
Syndrom přetrénování se projevuje poklesem výkonnosti a poruchami v regulaci fyziologických funkcí i psychické oblasti. Je nutné odlišit krátkodobé přetížení a přepětí od syndromu přetrénování, který trvá týdny až měsíce. Termín přetrénování se nahrazuje termínem nevysvětlitelný pokles výkonnosti (NPV).
Vzorce pro výpočet energetického výdeje
Kromě Harris-Benedictovy a Mifflin-St Jeorovy rovnice existují i další vzorce pro výpočet výdeje energie, např. Katch-McArdle, Cunningham nebo revidovaná verze Harris-Benedict z roku 1984. Pro úspěšné hubnutí, nabírání svalů nebo udržování kondice je klíčový optimální energetický příjem.
Faktory ovlivňující energetický výdej
Při určování pohybové aktivity a náročnosti životního stylu se často chybuje. Náročnost životního stylu a faktor aktivity se označují koeficientem PAL (Physical Activity Level). Důležitá je i energetická náročnost sportovních aktivit, intenzita sportovní aktivity vyjádřená tepovou frekvencí. Další složkou energetického výdeje je termický efekt potravy (TEF), energie potřebná pro trávení potravy (10 % celkového energetického výdeje). Na energetický výdej má vliv i psychika, stres a termoregulace.
Praktický příklad výpočtu
U osoby se sedavým zaměstnáním, která se věnuje studiu a chůzi na procházky, a 1x týdně kruhovým tréninkům, lze vypočítat denní energetický výdej s ohledem na příjem tuků, bílkovin a sacharidů. Pro redukci nebo nabírání hmotnosti je nutné upravit energetický příjem.