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