แบบฝึกหัด คณตศาสตริ ์ 2digit_1digit.pdf · แบบฝึกหัด คณตศาสตริ ์ ชดุ: การบวกเลข
Energy Metabolism - ps.si. · PDF fileจุดประสงค ์ •...
Transcript of Energy Metabolism - ps.si. · PDF fileจุดประสงค ์ •...
Energy MetabolismEnergy Metabolism
สรชย ศรสมะ, M.D., PH.D.
ภาควชาสรรวทยา
คณะแพทยศาสตรศรราชพยาบาล
มหาวทยาลยมหดล
i @ hid l [email protected]
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