Energy MetabolismEnergy Metabolism

สรชย ศรสมะ, M.D., PH.D.

ภาควชาสรรวทยา

คณะแพทยศาสตรศรราชพยาบาล

มหาวทยาลยมหดล

i @ hid l thsissu@mahidol.ac.th

จดประสงค

• อธบายสมดลยของการสรางและการใชพลงงาน อธบายสมดลยของการสรางและการใชพลงงาน

• บอกชนดของสารเคมในรางกายทใหพลงงานระดบสงได

ใ ไ • อธบายหลกการของการวดพลงงานทเกดขนในรางกายแบบตางๆได

• บอกปจจยตางๆทมผลตอ metabolic rate ได

• อธบายความหมายของ metabolism, catabolism, anabolism, calorie,

caloric equivalent of oxygen, metabolic rate, oxygen consumption,

carbon dioxide production, respiratory quotient, efficiency ได

Metabolismความหมาย

• ผลรวมของปฏกรยาทางเคม ( biochemical reactions ) ทสมพนธกบการสรางพลงงาน ( energy generation ) และ/หรอการใชพลงงาน ( energy utilization )พลงงาน ( energy generation ) และ/หรอการใชพลงงาน ( energy utilization )

Metabolic pathways แบงเปน สองประเภทMetabolic pathways แบงเปน สองประเภท

1. Catabolism เปลยนแปลงสารอาหารไปเปนพลงงานสาหรบใชในเซลล

Fuels ( carbohydrates, fats ) + O2 CO2 + H2O + พลงงานy , 2 2 2

2. Anabolism ใชพลงงานเพอสรางสารประกอบเชงซอนในรางกาย

พลงงาน + สารประกอบขนาดเลก สารประกอบเชงซอน

ตวอยาง พลงงาน + amino acid protein

ATP – ADP cycle

• การเผาผลาญสารอาหารในเซลลดวย O2 ( Cellular respiration ) ทาใหเกด

A การสราง ATP

• เซลลนาพลงงานทไดจาก ATP ไปใช ตามหนาทของเซลลแตละชนด

อตราเมแทบอลก ( Metabolic Rate )

ความหมาย

ป • พลงงานทปลอยออกมา ( energy output หรอ energy expenditure ) จากขบวนการ catabolism หรอการเผาผลาญอาหาร เพอใชในรางกาย ตอหนงหนวยเวลา

• Energy expenditure ใชสาหรบ1. งานในรางกาย ไดแก หนาทพนฐานของอวยวะแตละอยาง เชน การหดตวของ

ใ ใ กลามเนอหวใจ และกลามเนอหายใจเขา การยอยและดดซมอาหาร การควบคมอณหภมกาย การเคลอนไหวหรอการออกกาลง

2. สะสมเปนพลงงานเกบภายในรางกาย ( energy storage )

3. ความรอน

Energy output = External work + Energy storage + Heat

Biological work

Glandular tisecretion

Di ti dDigestion andabsorption

Adenosine triphosphate (ATP)

Adenosine triphosphate (ATP) – สารประกอบฟอสเฟตพลงงานสง

(high phosphate energy compound) (high phosphate energy compound)

• เปนสารประกอบทใหพลงงาน สาหรบกจกรรมตางๆในเซลล

• เปนสารพวก nucleotide ประกอบไปดวย adenine (เบส) นาตาล ribose และ ฟอสเฟต

• สวน triphosphate มพนธะระหวางกลมฟอสเฟต เรยกวา phosphoanhydride bond

• เมอกลมฟอสเฟตถกสลายออกจาก ATP มระดบพลงงานสงเกดขนจากการสลายพนธะดงกลาว

ATP hydrolysis

ATP + H2O AMP + Ppi, free energy = -10.9 Cal mol-1 (-45.6 kJ mol-1)

AMP – adenosine monophosphate, Ppi – pyrophosphate

ATP + H2O ADP + Pi, free energy = -7.3 Cal mol-1 (-30.5 kJ mol-1)

ADP – adenosine diphosphate Pi – orthophosphate ADP adenosine diphosphate, Pi orthophosphate

พลงงานทไดจากการสลาย ATP หรอ ATP h d l i เปนตวขบเคลอนปฏกรยาทางเคมพลงงานทไดจากการสลาย ATP หรอ ATP hydrolysis เปนตวขบเคลอนปฏกรยาทางเคม

ตางๆทตองการใชพลงงาน เชน Muscle contraction

โครงสรางของสารประกอบฟอสเฟตพลงงานสง

Creatine Phosphate

Creatine phosphate ในกลามเนอ เปนทสะสมของกลมฟอสเฟตพลงงานสง ( phosphoryl

group )ทจะถกสงตอไปยง ATP ได

ในขณะออกกาลงกายอยางหนก Creatine phosphate ในกลามเนอถกใชในการสราง ATP จาก

ADP ดวยเอนซยม creatine kinase

Creatine phosphate + ADP + H+ ATP + creatinecreatine kinase

สารประกอบฟอสเฟตพลงงานสงในกลามเนอโครงราง

กลามเนอโครงราง ขณะพก มสารตอไปน

[ATP] = 4 mM, [ADP] = 0.013 mM,

[creatine phosphate] = 25 mM, [creatine] = 13 mM[ p p ] , [ ]

• ปรมาณ ATP เพยงพอสาหรบกลามเนอใชหดตวในเวลานอยกวา 1 วนาท

• ATP เปนแหลงใหพลงงานแบบทนท ไมใชเปนแหลงสะสมพลงงานสาหรบใชระยะยาว

• ปรมาณ creatine phosphate ทมมากกวา สามารถสงผานกลม phosphoryl เพอสราง ATP

ใ C i h h ป ใ 100 ใ 4 ทาให Creatine phosphate เปนพลงงานทสาคญในนกวงระยะ 100 เมตร ในชวง 4 วนาท

แรก หลงจากนน ATP ทใชมาจากขบวนการ catabolic metabolism

ATP – ADP cycle

• ปรมาณ ATP ทงหมดในรางกายมประมาณ 100 g แตการใชและการสราง ATP มปรมาณ

สงกวาคานมาก

• ในคน ขณะพก ใช ATP ประมาณ 40 kg ในเวลา 24 ชวโมง

• ขณะออกกาลงกายอยางหนก เชน วงมาราธอนเปนเวลา 2 ชวโมง ปรมาณ ATP ทถกใช• ขณะออกกาลงกายอยางหนก เชน วงมาราธอนเปนเวลา 2 ชวโมง ปรมาณ ATP ทถกใช

คอ 60 kg โดยมอตราการใชของ ATP เทากบ 0.5 kg / นาท

• รางกายจงมความจาเปนตองสราง ATP ขนมาใหมอยตลอดเวลา ดวยขบวนการ catabolism

โดยม carbon ในสารแหลงพลงงาน เชน glucose หรอกรดไขมน ถก oxidized หรอเสย

electron เกดเปน carbon dioxide ATP ถกสรางขนจาก ADP และ inorganic phosphate และ

มพลงงานสะสม ( พลงงานศกย ) อยใน ATP

Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + ATP + Heat

Biological Oxidation

• Oxidation คอปฏกรยาทางเคมทมการดง electron จาก atom หรอ molecule oxygen มก

เปนตวรบ electron ( เรยกวา oxidizing agent )

ป ไป ใ • reduction คอปฏกรยาทางเคมทมการเพม electron ไปส atom หรอ molecule สารทให

electron เรยกวา reducing agent

• ในทางชวเคม oxidation / reduction เกยวของกบการดง hydrogen atom มากกวา electron • ในทางชวเคม oxidation / reduction เกยวของกบการดง hydrogen atom มากกวา electron

เทานน เพราะ hydrogen atom ประกอบไปดวย H + และ electron ดงนนการขนสง

hydrogen atom จากสารตวหนงไปยง oxygen จงเปนการขนสง electron ดวย ทาใหเกดy g yg

H2O

• Carbon atom ในสารอาหารถก oxidize ดวยออกซเจน ผานทาง oxidative phosphorylation

ผลทไดคอ carbon dioxide

Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + ATP + Heat

Biological Oxidation

• ยงมโมเลกลของ carbon ในรป reduced มาก ขบวนการoxidation ยงเปน exergonic มาก

ขนไปอก คอเกดพลงงานมากขนไปอก

• ดงนน ไขมนเปนแหลงพลงงานทมประสทธภาพดกวาคารโบไฮเดรต เพราะคารบอน

ใ ไ ใ ป d d ใ โ ไอะตอมในไขมนอยในรป reduced มากกวาทพบ คารบอนอะตอมในคารโบไฮเดรต

• การสราง ATP เกดขนควบคไปกบปฏกรยา oxidation ของ carbon ในสารอาหาร

Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + ATP + Heat

ทมาของ ATP ขณะทางานหรอออกกาลง

1. การสราง ATP จากการสลาย creatine phosphate

2. การสราง ATP จากการสลาย glucose และ glycogen ผานขบวนการ glycolysis

ป ใ 3. การสราง ATP จาก oxidative phosphorylation ซงเปน aerobic pathway หรอมการใช

ออกซเจน

ดลพลงงาน ( Energy balance )

• กฎของการแลกเปลยนพลงงาน ( thermodynamics หรอ law of conservation

of energy ) – “ ในระบบปดใดๆ สสารหรอพลงงานจะมคาคงท ไมสามารถ

ถกสรางขนใหมหรอถกทาลายได อาจมการเปลยนรปได ”

• Energy intake = Energy output

• Energy intake = chemical energy from fuel source

• Energy output = Work energy + Thermal energy (Heat) + Stored energyEnergy output Work energy + Thermal energy (Heat) + Stored energy

Ch i l W k Th l S d Chemical energy = Work energy + Thermal energy + Stored energy

หนวยของพลงงาน

• หนวยของพลงงาน คอ calorie ( cal )

ความหมาย

1 cal คอพลงงานความรอนททาใหน า 1 กรม มอณหภมเพมขน จาก 15 ºC เปน 16 ºC

• หนวยทใชบอยกวาในทางสรรวทยาและทางการแพทย คอ 1 kcal หรอ 1 Cal ซงม

คาเทากบ 1000 l คาเทากบ 1000 cal

ประสทธภาพของการทางาน ( Efficiency )ความหมาย

• Efficiency = งานทไดทา ( work done )

พลงงานทใชในการทางาน ( total energy expended )

• ประสทธภาพของการทางานมคาไมเกน 50%

• ใ ใ i i ป ป ( h )

( gy p )

• พลงงานทใชในการหดตวของกลามเนอแบบ isometric เปลยนเปนความรอน ( heat )

แทบทงสน เพราะงานทไดมคาเปนศนย

W k f e di t e Work = force x distance

งาน = แรงทกระทาตอวตถ x ระยะทางทเคลอนไปตามแรง

• ส i i i ใ ไปใ ไ • สาหรบ isotonic contraction พลงงานใชไปในการเคลอนไหว และการเกดความรอน

• ดงนน คนทไมไดเพงกนอาหาร และไมเคลอนไหว หรอเจรญเตบโต หรอใหนมบตร

พลงงานทใชไปทงหมด ( t t) ปรากฏเปนความรอน (h t) พลงงานทใชไปทงหมด (energy output) ปรากฏเปนความรอน (heat)

Energy output = External work + Energy storage + Heat

Bomb Calorimeter

• การเผาผลาญอาหารภายนอกรางกายผาน

ทาง Bomb Calorimeter สามารถบอก

ปรมาณพลงงานความรอนทเกดขนจาก

การเผาผลาญการเผาผลาญ

• การเผาผลาญสารอาหารภายในรางกาย • การเผาผลาญสารอาหารภายในรางกาย

ไดคาแตกตางจากการคานวณจาก Bomb

Calorimeter

คาพลงงานของสารอาหาร

Caloric Value of Food

Caloric value of food

( Cal / g )

In vitro ใช

Bomb Calorimeter

In vivo

( ภายในรางกาย )

Carbohydrate 4 4

Fat 9 9

ใ ไ ไ ใ

Protein 5 4

• การเผาผลาญ protein ในรางกายเกดไมสมบรณ รางกายไมสามารถสลาย protein ให

เปน CO2 และ H2O ไดหมด แตจะได urea เปนสวนใหญ ซงจะถกขบทางปสสาวะ

Calorimetry

Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + useful energy + heat

การวดปรมาณพลงงานทเกดขนจาก

การเผาผลาญสารอาหาร สามารถทาได

โดย

1 Di t l i t1. Direct calorimetry

เปนการวดโดยตรง

ใช human calorimeter วดความ

รอนทเกดขนของรางกายจากการ

เผาผลาญอาหาร

Calorimetry

Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + useful energy + heat

2. Indirect calorimetry

เปนการวดโดยออม วด

จากการใชออกซเจนของ

รางกาย (oxgyen

consumption)

เปนดชนชวด aerobic ATP

production

การหาคา metabolic rate จาก oxygen consumption

Metabolic rate = oxygen consumption ( VO2 ) x caloric equivalent of O2

หา oxygen consumption ไดโดยหายใจผาน spirometer ทม oxygen บรรจอย

และเปลยนเปน energy production โดยคณดวย caloric equivalent of oxygen ท

RQ ของอาหารผสม

คาเทยบแคลอรของออกซเจน

• การเผาผลาญสารอาหารโดยออกซเจน ทาใหเกดพลงงานความรอน

Caloric Equivalent of Oxygen

การเผาผลาญสารอาหารโดยออกซเจน ทาใหเกดพลงงานความรอน

ความหมาย

• พลงงานทเกดขนในการเผาผลาญสารอาหาร ตอหนงหนวยปรมาตรของออกซเจนทใช• พลงงานทเกดขนในการเผาผลาญสารอาหาร ตอหนงหนวยปรมาตรของออกซเจนทใช

ไป

C H O + 6 O 6 CO + 6 H O + 686 CalC6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 686 Cal

glucose

คาเทยบแคลอรของออกซเจนสาหรบ l เทากบ 686 C l / ( 6 22 4 ลตร ) 5 1 คาเทยบแคลอรของออกซเจนสาหรบ glucose เทากบ 686 Cal / ( 6 x 22.4 ลตร ) = 5.1

Cal / L

gas 1 mole มปรมาตร 22 4 Lgas 1 mole มปรมาตร 22.4 L

• คา caloric equivalent of oxygen ของอาหารผสม มคาประมาณ 4.825 Cal / L

Respiratory Quotient ( RQ )

• การสรางพลงงานในรปแบบของ ATP เกดขนควบคไปกบปฏกรยา oxidation ของ

carbon atom ในสารอาหาร

• Carbon atom ในสารอาหารถก oxidize ดวยออกซเจนจงเกดเปน CO2

• Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + useful energy + heat2 2 2

Respiratory Quotient ( RQ )

• การสรางพลงงานในรปแบบของ ATP เกดขนควบคไปกบปฏกรยา oxidation ของ

carbon atom ในสารอาหาร

• Carbon atom ในสารอาหารถก oxidize ดวยออกซเจนจงเกดเปน CO2

• Fuels (carbohydrates, fats) + O2 CO2 + H2O + useful energy + heat2 2 2

ความหมาย

• อตราสวนระหวาง CO2 ทผลตออกมา ( VCO2, CO2 production ) กบ O2 ทใชไป2 ( 2, 2 p ) 2

( VO2, O2 consumption )

RQ = =CO2 production

O2 consumption

VCO2

VO2

Respiratory Quotient ( RQ )

• RQ ของ carbohydrate

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

glucose

RQ = 6 x 22.4 / 6 x 22.4 = 1

• RQ ของไขมน

2 C51H98O6 + 145 O2 102 CO2 + 98 H2O51 98 6 2 2 2

tripalmitin

RQ = 102 x 22.4 / 145 x 22.4 = 0.703RQ 102 x 22.4 / 145 x 22.4 0.703

• RQ ของ protein = 0.82

Respiratory Quotient ( RQ )• สามารถคานวณหาปรมาณคารโบไฮเดรต ไขมนทถกเผาผลาญในรางกายได ถาทราบ

คา RQ เพราะปรมาณคารโบไฮเดรตและไขมนทแตกตางกนในการใชออกซเจนเพอเผา

CO ส ผลาญและ CO2 ทสรางขน

• ขณะปกตหรอออกกาลง มกไมคานวณ protein ในการหาพลงงานหรอ RQ เพราะปกต

t i ไมเปนสารตงตนในการถกเผาผลาญprotein ไมเปนสารตงตนในการถกเผาผลาญ

RQ % fat % carbohydrate

0.7 100 00.7 100 0

0.75 83 17

0.8 67 33

0.85 50 50

0.9 33 67

0.95 17 83

1 0 100

Basal metabolic rate (BMR)ความหมาย

การวด metabolic rate ทประกอบดวยสภาวะตอไปน

1 ใ 1. ในขณะพก

2. ทอณหภมเหมาะสม คออยในชวง thermoneutral zone

3 หลงมออาหารเปนเวลา 12-14 ชวโมง3. หลงมออาหารเปนเวลา 12 14 ชวโมง

รายงานคา BMR ตอ body surface area 1 ตารางเมตร

จะไดหนวยเปน Cal / m2 / hr

ในทาง clinic คา BMR รายงานเปนเพมขนหรอลดลงเทยบกบชวงมาตรฐานตามเกณฑ

อายและเพศเดยวกน

คา BMR ทปกตคออยในชวง + 15% ของคามาตรฐาน

ปจจยทมผลตอ metabolic rate 1. นาหนก สวนสงและพนทผว

การแลกเปลยนความรอนเกดขนทพนทผว

ป การรายงาน metablic rate ตองเปรยบเทยบคาตอ 1 ตารางเมตรของพนทผวกาย

ผทตวสงและผอมม BMR สงกวา

2 อาย คนอายนอยม BMR สงกวา เมออายมากขน มวลกลามเนอนอยลง BMR มคาลดลง2. อาย คนอายนอยม BMR สงกวา เมออายมากขน มวลกลามเนอนอยลง BMR มคาลดลง

3. เพศ

4. การเจรญเตบโต เดกม BMR สงกวาคา BMR เฉลย

5. การเจรญพนธ

6. การเคลอนไหว

ป7. อาหารทเพงรบประทาน

8. อณหภมกาย metabolic rate เพมขน 14% ตออณหภมกายทสงขน 1 องศาเซลเซยส

ผทมไขBMR จะสงขนผทมไข BMR จะสงขน

9. อณหภมของสงแวดลอม

ปจจยทมผลตอ metabolic rate ( ตอ )10. การใหนมบตร

11. อารมณ

ใ 12. ระดบ thyroid hormones ในรางกาย

13. ระดบ epinephrine และ norepinephrine ในรางกาย

14 ยาแสะสารเคม เชน caffeine14. ยาแสะสารเคม เชน caffeine

15. การเจบปวย เชน จากการผาตด จากการตดเชอ

16. การอดอาหาร จะลด BMR

สรป : Energy Metabolism

• สมดลยของพลงงาน เกดจากพลงงานทไดจากการกนอาหาร ไดสมดลกบพลงงานทใช

ไป

• ATP เปนสารประกอบพลงงานสง ทเซลลสามารถนาไปใชในขบวนการตางๆตามหนาท

ของเซลลแตละชนด

ไ ป • แหลงของ ATP ไดแก 1. การสลาย creatine phosphate 2. ปฏกรยาการสลาย glucose

และ glycogen ผานขบวนการ glycolysis และ 3. oxidative phosphorylation ซงอาศย

ออกซเจนออกซเจน

• ประสทธภาพของการทางานในเซลลของรางกาย มคาตา ( < 50% ) สวนใหญสญเสยใน

รปของความรอน ( heat )

• การหาอตราเมแทบอลคโดยตรง (direct calorimetry ) ไดโดยหาจากความรอนทเพมขน

• การหาอตราเมแทบอลคโดยออม ( indirect calorimetry ) จาก oxygen consumption ซง

เปนดชนบงชการเกดพลงงานแบบ aerobic ( ตองใชออกซเจน ) คณกบคาเทยบ calorie

ของออกซเจนสาหรบการเผาผลาญอาหารผสม ( caloric equivalent of oxygen )

สรป : Energy Metabolism ( ตอ )• Basal metabolic rate เปนอตราการใชพลงงานพนฐานทรางกายใช รวมถงการเตนของ

หวใจ การหดตวของกลามเนอหายใจเขา การรกษาสมดลยของ ion และการสงกระแส

ประสาท การรกษาอณหภมกายใหคงท

• มปจจยหลายอยางทกาหนดอตราเมแทบอลค