Prof. dr Vladimir Jakovljevi ć Predsednik Društva fiziologa Republike Srbije ,

1. ENERGETSKI METABOLIZAM OKSIDACIJE U BIOLOŠKIM SISTEMIMA TESTOVI ZA PROCENU AEROBNIH SPOSOBNOSTI Prof. dr Vladimir Jakovljević Predsednik Društva fiziologa Republike Srbije, Council Member International Atherosclerosis Society Sreda, 13. 11. 2013. god

2. TREBA DA SE ZNA • Ishrana podrazumeva unošenje UH, masti i proteina • E iz hrane se dobija oksidacijom hranljivih materija, krajnji produkti su CO2 i H2O • Neiskorišćene hranljive materije mogu da se skladište u organizmu u obliku GLIKOGENA (jetra i skeletni mišići) i TRIACILGLICEROLA (masno tkivo) • Dva hormona endokrinog pankreasa, INSULIN i GLUKAGON, kontrolišu korišćenje i skladištenje hranljivih materija • Glukoza je glavni UH u krvi. Koncentracija glukoze u krvi – GLIKEMIJA, određuje oslobađanje insulina i glukagona iz pankreasa

3. TREBA DA SE ZNA • Tokom gladovanja, kad konc. glukoze u krvi opadne, luči se glukagon. To je znak jetri da počne da razgrađuje uskladištene UH(glikogen) i glukoza se oslobađa u krv (da se obezbede potrebe mozga) • Posle trodnevnog gladovanja jetra - hepatociti oslobađaju KETONSKA TELA (nastaju nepotpunomoksidacijom masnih kiselina) kao alternativnu hranljivu materiju za mozak • Bazični metabolizam (BMR – basic metabolic rate) je količina E potrebna za održanje života • Index telesne mase (BMI – body mass index; kg/m2) koristi se za procenu da li je osoba neuhranjena ili gojazna • Osim makro-nutricijenata, ishranom treba da obezbedimo vitamine, esencijalne AK i MK, minerale i vodu

4. UGLJENI HIDRATItrebadanamdaju 40-60% potrebneenergije

5. ß OKSIDACIJAMASNIHKISELINA • MKsuglavnahranljivamaterijazaljude • TokomnoćnoggladovanjaMKpostajuosnovnahranljivamaterijazasrčanimišić, skeletnemišićeijetru • NervnisistemimaograničenusposobnostdadirektnokoristiMKkaohranljivematerije. ZatojetraprevodiMKuketonskatelakojamozakmožedakoristiudužemgladovanju • MKseizadipocitaoslobađajuhormonskomstimulacijomiztriacilglicerola • MKseućelijamaaktivirajuprevođenjemuacil-CoAderivateuprisustvuacil-CoAsintaza • Acil-CoAsepomoćukarnitinaprenoseu mitohondrije, gdeseoksiduju

6. ß OKSIDACIJAMASNIHKISELINA • Metaboličkimputemβ-oksidacijeMKnastajeATP • Priβ-oksidacijiMKodgovarajućaacil-grupasepostupnooksidujeodvajanjemfragmenatasa 2Catomaipritomenastaju FADH2, NADH+H+ iacetil-CoA • NezasićeneMKiMKsaneparnimbrojemSatomametabolišusedodatnimr-jama • Procesβ-oksidacijeregulišuFADH2, NADH+H+ iacetil-CoA • UlazakMKumitohondrijezavisiodmalonil-CoA • UperoksizomimaseodvijajualternativniputevioksidacijeMKvrlodugogiračvastogniza

8. REAKCIJEβOKSIDACIJE 4 uzastopnereakcije: • DEHIDROGENACIJA (oksidacija) • HIDRATACIJA • DEHIDROGENACIJA (oksidacija) • TIOLIZA

9. Energetskiefektioksidacijepalmitinskekiseline Oksidacijompalmitinskekiseline, 16Satoma, ciklusβ-oksidacijeponavljase 7 putaidobijese 8 molekulaacetil-CoA 7 putaβ-oksidacija + 8 acetil-SoA: • 7 FADH2 X 1,5 ATP = 10,5 ATP • 7 NADH + H+X2,5 ATP = 17,5 ATP • 8 acetil-CoA (1 acetil-CoAuTCAciklusudaje 10 ATP) daje 80 ATP Ukupno, toje 108 molekulaATP. Međutim, budućidasuzaaktivacijuMKpotrošenedvevisoko-energetskeveze, netoprinosoksidacijepalmitinskekiselineje106 ATP

10. Oksidativnom fosforilacijom se sintetiše visoko energetski molekul ATP za čiju sintezu su neophodni: • donori elektrona (NADH+H+ i FADH2) • akceptor elektrona (O2) • netaknuta unutrašnja membrana mitohondrija koja je nepropustljiva za protone • svi kompleksi respiratornog lanca i ATP sintaza.

11. OKSIDACIJAIREDUKCIJA • OKSIDACIJA – otpuštanjeelektrona • otpuštanjemelektrona, supstancaseoksiduje • onajkojiotpuštaelektronezoveseredukujućiagens • REDUKCIJA – primanjeelektrona

12. Oksidativnafosforilacija - Ključnetačke • Redukcioni ekvivalenti, nastali oksidacijom hranljivih materija, predaju elektrone respiratornom lancu koji se nalazi u mitohondrijama • Elektroni se prenose na O2 koji se redukuje do H2O sukcesivnim primanjem 4 elektrona • Protoni iz matriksa mitohondrija se prenose u međumembranski prostor mitohondrija pri čemu nastaje elektrohemijski protonski gradijent • Ulaz protona u matriks je energetski povoljan i omogućava sintezu ATP-a preko ATP-sintaze • Disanje (potrošnja O2 ) i sinteza ATP-a su vezani procesi (ako je jedan inhibiran, inhibiran je i drugi proces)

13. Mitohondrije su glavni metabolički centri ljudskih ćelija, u kojima se proizvodi više od 90%energije koja je ljudskom telu potrebna za opstanak. • Najveći deo ove proizvodnje se zasniva na procesu oksidativne fosforilacije, koja koristi multiproteinski transportni lanac (respiratorni lanac) elektrona da stvori H+ gradijent koji pokreće F1F0-ATP-azu (ATP sintaza).

14. Tokom oksidativne fosforilacije redukovani ekvivalenti (NADH+H+iFADH2) nastali oksidacijom hranljivih materija tokom metaboličkih procesa uključujući glikolizu, Krebsov ciklusibeta oksidaciju masnih kiselina, predaju svoje elektrone respiratornom lancu koji se nalazi na unutrašnjoj membrani mitohondrija. • Proces oksidativne fosforilacije, uključuje nekoliko red-oks koraka, koji se završavaju sa predavanjem elektrona kiseoniku, u reakciji koja proizvodi vodu kao nusprodukt. • Ovi red-oks procesi su, takođe, izvor oko 90% ukupne količine reaktivnih kiseoničnih supstanci (reactive oxygen species, ROS).

15. Elektroni se transportuju kroz niz nosača ili komponenti respiratornog lanca (kompleksi I,II,III,IVi ATP sintaza). • Svaki kompleks respiratornog lanca se prvo redukuje primajući elektrone, a zatim oksiduje predajući elektrone sledećem kompleksu u transportnom lancu.

16. U respiratornom lancu prisutni su različiti molekuli: • Flavoproteini, koji sadrže FMN, ili FAD kao prostetične grupe, a učestvuju u transferu jednog, ili dva elektrona; • Koenzim Q, ili ubihinon (CoQ ili UQ) koji transportuje jedan, ili dva elektrona; • Različiti citohromi, koji kao prostetičnu grupu sadrže HEM i koji transportuju jedanelektron; • Fe-S proteini, koji prenose jedan elektron, pri promeni redoks broja gvožđaiz Fe2+u Fe3+; • Joni bakra povezani sa proteinima, koji takođe prenose jedan elektron, oscilirajućiizmeđu Cu+ i Cu2+.

17. Svi navedeni molekuli, izuzev citohroma-c, su povezani sa unutrašnjom membranom mitohondrija.

18. Respiratorni lanac funcioniše kroz četiri asimetrično orijentisana, međusobno nezavisna, transmembranska kompleksa, koji čine sledeće funkcionalno-strukturne celine: • Kompleks I: NADH-koenzim Q-reduktaza • Kompleks II:Sukcinat-koenzim Q-reduktaza • Kompleks III: Koenzim Q-citohrom-c-reduktaza • Kompleks IV: Citohrom-c-oksidaza iKompleksV: ATP sintaza

19. Oksidativnafosforilacija - Ključnetačke • Kompleks I, prihvatajući elektrone od NADH, povezuje glikolizu, Krebsov ciklus, β-oksidaciju masti sarespiratornim lancem transporta elektrona. • Kompleks II sadrži enzim sukcinat dehidrogenazu, te stoga direktno povezuje Krebsov ciklus - ciklus limunske kiseline i transport elektrona. • Kompleksi I i II vode ka redukciji koenzima Q, koji je supstrat kompleksa III. • Postoje i dva druga puta za prenos elektrona na CoQ: preko flavoproteina od acil-CoA dehidrogenaza masti i glicerofosfatnih dehidrogenaza. • Kompleks III oksidiše CoQH2, a istovremeno redukuje citohrom-c, koji je supstrat kompleksa IV, citohrom-c-oksidaze. • Na kraju, kompleks IV transportuje elektrone na molekularni kiseonik, redukuje ga i stvara vodu.

20. Kompleks I: NADH-CoQ reduktaza • NADH-CoQ reduktaza -NADH dehidrogenazatransportuje jedan elektronski par sa NADH+N+ na CoQ. • Prvi korak je vezivanje NADH+N+za enzim sa unutrašnje strane unutrašnje mitohondrijalne membrane, pri čemu redukuje FMN, koji čini deo samog enzima, dajući FMNH2. • Sledeći korak je transfer elektrona sa FMNH2 na niz Fe-S proteina, a zatim u krajnjoj fazi elektroni bivaju upućeni na CoQ (onseredukujeuCoQH2), koji je mobilni transporter elektrona. • Zatim, CoQH2 putuje ka kompleksu III. • Istovremeno sa transportom elektrona odvija se i transport protona iz matriksa prema međumembranskom prostoru (za jedan elektronski par 4H+ se transportuju u citosol) – kompleksIdelujekaoPROTONSKAPUMPA.

21. Kompleks II: sukcinat-koenzim Q reduktaza • Kompleks sukcinat dehidrogenaze je jedini enzim ciklusa limunske kiseline povezan sa unutrašnjom mitohondrijalnom membranom. • Pri transformaciji sukcinata u fumarat dešava se i redukcija FAD-a, koji čini sastavni deo kompleksa II, u FADH2. • Odmah nakon ove redukcije, FADH2 prebacuje elektrone na CoQ, onseredukujeuCoQH2. • Transfere-ide uvek preko Fe-S proteina.

22. Kompleks III: Koenzim Q-citohrom-c-reduktaza • U kompleksu III respiratornog lanca CoQH2 predaje elektrone citohromu-cputem posebnog sistema, koji se zove ciklus Q, pri čemu dolazi do oksidacije CoQH2uCoQ. • Oksidacija CoQH2 dešava se u dve faze. • Za svaka dva elektrona, transportovana na citohrom-c, iz matriksa se uzimaju dva H+, a u intermembranski prostor se izbace četiri H+. • KompleksIIIdelujekaoPROTONSKA PUMPA

23. Kompleks IV: citohrom-c-oksidaza • Prima elektrone od citohroma-c i predaje ih kiseoniku, sintetišući vodu. • Vrši se transport protona preko unutrašnje mitohondrijalne membrane – zajedane- parizbace sedvaprotona – kompleksIVdelujekao PROTONSKAPUMPA. • Citohrom-c se oksidiše na citosolnoj strani membrane, a zatim elektroni, jednim složenim sistemom od deset podjedinica, redukuju kiseonik, koji se nalazi sa matriksne strane membrane.

24. Prenos elektrona u kompleksu IV • Uprenosu elektrona u kompleksu IVučestvujudve HEM grupe (citohroma-a i citohroma aa3) i dva jona bakra. • Redukcija kiseonika, u kompleksu IV, praćena je i transferom H+ preko unutrašnje mitohondrijalne membrane. • Katalizuje prenos po jednog elektrona sa 4 redukovana citohroma-c na jedan molekul O2 dajući 2H2O. • Za svaka dva protona, prebačena na citosolsku stranu membrane, proces uzima četiri H+ iz matriksa.

25. Protonski gradijent, stvoren pri transportu elektrona, predstavlja veliki izvor potencijalneenergije. • Ovaj gradijent je izvor energije za sintezu ATP-a (hemiosmotska hipoteza, 1961. PeterMichell). • odnos H+/2e-

26. ATP-SINTAZA • Кompleks koji omogućava sintezu ATP-a koristeći gradijent protonastvoren pri transportu elektrona. • Dva osnovna dela: jedinica Fo i jedinicaF1. • Jedinica Fo je sastavljena iz tri podjedinice označene kao a, b i c. • Fo sačinjava transmembranski kanal. • Njime seprotonivraćaju umatriksmitihondrijai usmeravajunaF1jedinicu.

27. Izlazak sintetisanog ATP iz mitohondrija • Proces se odvija sistemom transporta ADP-ATP translokaze koja efikasno izbacuje jedan molekul ATP, pri istovremenom ulasku jednog molekula ADP-a. U mehanizam je uključeno samo jedno mesto za vezivanje nukleotida, a nalazi se alternativno izloženo prema citosolu iliprema matriksu. Proces je ekvivalentan prelasku 1H+ iz citozola u matriks. Sinteza i transport 1ATP = 4H+ iz citozola u matriks.

28. VEŽBA:Testovizaprocenuaerobnihsposobnosti • Utrošak kiseonika predstavlja pojam koji se odnosi na zapreminu kiseonika koja se unese i potroši u miru ili radu u toku jednog minuta. • On u miru iznosi oko 0,25 – 0,35 L/min, odnosno u relativnim vrednostima 4 ml/kg/min. • Sa povećanjem intenziteta vežbanja, utrošak kiseonika sve više raste, do granice koja se naziva maksimalni utrošak kiseonika, kadaiporedpovećanjaintenzitetaradanedolazidopovećanjautroškakiseonika

29. Maksimalniutrošakkiseonika (VO2 max) jeosnovnameraaerobnogkapaciteta. Izražavaseu ml/min. • Međutim, kakomasatelaznačajnoutičenavrednostmaksimalnogutroškaO2kaopouzdanijamerasekoristirelativniutrošakizraženkaoml/min/kgiizračunavaseformulom • VrednostiutroškaO2zaviseodstepenautreniranostiispitanika.

30. Maksimalni utrošak kiseonika predstavlja meru aerobne moći pojedinca, jer u tom trenutku dostignuta je maksimalna moć sinteze ATP-a iz aerobnih izvora; • dalje povećanje intenziteta zahteva obezbeđivanje energije iz anaerobnih izvora - anaerobne glikolize, međutim pri tome se stvara stvara mlečna kiselina koja je uzrok zamora, što vodi smanjenju intenziteta rada ili prekidu rada. • Maksimalniutrošakkiseonika kod netreniranih osoba može iznositi 3 l/min, odnosno 35 – 45 ml/kg/min, a kod treniranih 6 l/min, odnosno 70 – 90 ml/kg/min.

31. Akojeradumerenogintenzitetanivomlečnekiselineukrvilaganoraste, itajintenzitetradaprikomkoncentracijamlečnekiselineukrvipočinjedarasteuodnosunavrednostiumirovanjunazivaseaerobniprag (onsejavljanaoko 40 – 60% od VO2maxiprikoncentracijimlečnekiselineodoko 2mmol/L). • Ukolikoseintenzitetvežbanjapoveća, tolikodaikoncentracijamlečnekiselineukrviznačajnoporaste (>4mmol/L), ravnotežaizmeđuakumulacijeieliminacijevišenepostoji, ienergijasedobijaanaerobnimputem, odnosnoutrošakkiseonikanemožedapodmiriukupnepotrebezaenergijom. Tajpragnazivaseanaerobniprag. • Onsekodnetreniranihosobajavljana 65 – 70% od VO2max, kodsportistanaoko 80 – 90% od VO2maxakoddobroutreniranihsportistadugoprugašanačak 95% od VO2max, uzkoncentracijumlečnekiseline3 – 6mmol/L.

32. Kalorimetrija • Indirektna metoda za merenje utrošene energije tokom fizičkog opterećenja • DIREKTNA KALORIMETRIJA- Zasniva se na činjenici da se hemijska energija ATP-a ne transformiše kompletno u mehanički rad, već se veći deo energije (oko 75%) oslobodi u vidu toplotne energije • INDIREKTNA KALORIMETRIJA- određivanje energetske potrošnje na osnovu utrošenog O2 i stvorenog CO2 • Indirektnom kalorimetrijom se mere količine utrošenog O2 (VO2) i stvorenog CO2 (VCO2) • Odnos između ove dve vrednosti se naziva RESPIRACIJSKI KOEFICIJENT (RQ)

33. Indirektna kalorimetrija • RESPIRACIJSKI KOEFICIJENT (RQ) = VCO2/VO2 • Da bi se ovom metodom izračunala količina potrošene energije, neophodno je da se zna tip hrane (ugljeni hidrati, masti, proteini) koji se oksidiše u organizmu, jer svaki od ova 3 tipa hrane sadrži različitu količinu kiseonika i ugljenika, tako da se za jednaku količinu utrošenog kiseonika neće osloboditi jednaka količina CO2 • Pri sagorevanju samo ugljenih hidrata RQ = 1 • Pri sagorevanju samo masti RQ = 0,7 • Pri mešovitoj ishrani RQ = 0,85

34. HVALA NA PAŽNJI !