i

Aktuální číslo:

2020/11

Téma měsíce:

Skladování energie

Lesk a bída tloustnutí

Záludnosti energetického metabolismu
 |  2. 11. 2020
 |  Vesmír 99, 638, 2020/11

Pro zdárné fungování našich těl je klíčová schopnost ukládat si energii na krátkou či delší dobu v podobě zásobních sacharidů a lipidů. Pokud však hromadění lipidů v tukové tkáni překročí určitou únosnou mez, přicházejí závažné zdravotní dopady.

Život je vysoce energeticky náročný proces. I kdybychom celý den jenom pospávali, spálíme v průměru kolem 5,8 MJ (jsme-li žena) či 7,5 MJ (jsme-li muž). To odpovídá výkonu 67–87 W (srovnejte s klasickými 100W žárovkami) – přestože zdánlivě žádný výkon nepodáváme. Tento tzv. bazální (či klidový) metabolický obrat je v podstatě stabilní v průběhu celého dne a pro většinu z nás představuje více než polovinu celkového denního energetického výdeje.

Naše tělo tedy vyžaduje nepřetržitý přísun poměrně velkého množství energie. Získáváme ji z potravy, jejíž příjem však zdaleka není rovnoměrný. Už k tomu, abychom bez návštěvy ledničky vydrželi naživu od večera do rána, potřebujeme poměrně sofistikovaný systém přechodného ukládání a zpětné mobilizace živin. Tyto mechanismy jsou natolik účinné a vyvážené, že např. celkové množství glukózy v naší krvi se prakticky neustále pohybuje mezi jednou a dvěma kávovými lžičkami bez ohledu na to, kolik cukrovinek jsme právě spořádali. Hladiny jiných cukrů (např. fruktózy) sice skáčou výrazně víc, zároveň jsou ale v porovnání s glukózou mnohonásobně nižší (a to navzdory tomu, že nejpoužívanější sladidla obsahují vyrovnaný poměr glukózy a fruktózy).

Glukóza má mezi energetickými substráty zcela výsadní postavení. Lze ji velice snadno a rychle transportovat krví po těle a zpracovávat. Některé orgány (např. mozek) jsou natolik vybíravé, že téměř všechny ostatní látky odmítají. S ohledem na ně je nutné mít v krvi glukózy vždy to správné množství. O to se stará na jedné straně hormon inzulin, glykémii snižující, na druhé straně pak glukagon, popř. ještě adrenalin či kortizol, které glykémii zvyšují (obr. 1). Drobný nárůst hladiny krevní glukózy po jídle vede k výlevu inzulinu ze slinivky břišní a povzbuzuje ukládání glukózy v podobě glykogenu v játrech i její zužitkování dalšími orgány, zejména svaly a tukovou tkání. Při poklesu glykémie vylučování inzulinu ustane a většina orgánů se rychle přeorientuje na spalování lipidů. Mozek však nadále z oběhu odsává každou minutu kolem 0,1 g glukózy. Proto je potřeba glukózu doplňovat z nahromaděných zásob glykogenu. Glukóza je tedy pohodlným zdrojem energie, kapacity pro její skladování jsou však výrazně omezené. Do jater se uloží jen asi 100–120 g glykogenu, menší množství je pak skladováno v dalších orgánech, zejména v ledvinách. Svaly sice obsahují dalších zhruba 300 g, tento glykogen si však ponechávají pro vlastní spotřebu a žádnou glukózu do krve neuvolňují. S tím, jak se postupně tenčí zásoby jaterního glykogenu, musí být glukóza vyráběna jinak – ze všeho, co je zrovna po ruce. Děje se tak procesem glukoneogeneze probíhajícím zejména v játrech a v menší míře v ledvinách.

Proteinové rezervy

Při pojednávání o ukládání sacharidů a lipidů jsme nechali zcela stranou třetí důležitou skupinu živin – proteiny. Ty lze pochopitelně rovněž použít jako zdroj energie a za určitých podmínek se tak i děje. Největší zásobárnou proteinů v lidském těle je svalová tkáň, ze které jsou při hladovění skutečně vyplavovány aminokyseliny, které mohou játrům sloužit jako jeden z glukoneogenních substrátů (obr. 1). Odbourávání svalových proteinů ale není udržitelným řešením, protože tyto látky plní ve svalech důležitější úkoly než jen ty zásobní, a jejich degradace by tak mohla ohrozit funkčnost svalů. Navíc je spalování bílkovin spojeno s nutností vypořádat se s odpadním dusíkem. Tělo ztrácí nemalé množství energie ve snaze převést tento dusík na močovinu a předejít tak zvyšování koncentrace toxického amoniaku.

Přesto lze nalézt situace, kdy proteiny představují významný, ne-li hlavní energetický zdroj. Přísun zásobních proteinů poskytuje energii i esenciální aminokyseliny v různých ontogenetických stadiích některých živočichů i rostlin. Zatímco řada rostlin může vzklíčit díky bohatým škrobovým nebo olejnatým zásobám v semenném endospermu, bobovité spíše spoléhají na zásobu proteinů v dělohách zárodku. Bílkoviny vaječného bílku (zejména ovalbumin) představují klíčovou složku energetických zásob pro vývoj ptačích embryí. Podobně jsou proteiny (v tomto případě hlavně kasein) významnou složkou mateřského mléka savců (byť konkrétně u člověka je jejich podíl relativně nízký).

V nepřítomnosti inzulinu řada orgánů využívá jako hlavní zdroj energie lipidy. Tělo je skladuje v podobě triacylglycerolů ve specializovaných buňkách (adipocytech) tukové tkáně. Lipidy jsou oproti sacharidům chemicky redukovanější, a jejich oxidací lze proto získat na jednotku hmotnosti větší množství energie. Ze stejného důvodu vyžaduje spalování lipidů také větší množství kyslíku, než je tomu u sacharidů. Který substrát je právě zpracováván, lze proto dobře odhadnout analýzou vdechovaného a vydechovaného vzduchu (obr. 2). Lipidy také silně odpuzují vodu, takže jejich skladování (oproti glykogenu) neváže žádnou nadbytečnou vodu. Tukové zásoby proto ve srovnání s glykogenem obsahují energii ve výrazně koncentrovanější podobě. Podobně jako v případě glukózy inzulin po jídle směruje většinu lipidů k uložení (v tomto případě do tukové tkáně v podobě triacylglycerolů). Naopak při poklesu glykémie nebo při zvýšené potřebě energie tělo tyto zásoby opět mobilizuje: Procesem lipolýzy se z triacylglycerolů uvolňují jednak mastné kyseliny, užitečný zdroj energie pro svaly a další orgány, a jednak glycerol, jeden z hlavních substrátů glukoneogeneze, který játra přeměňují na glukózu.

Lipidy jsou energeticky velice bohaté, práce s nimi je ale ve srovnání s glukózou poněkud zdlouhavější. Pro jejich vodoodpudivost je nelze transportovat rozpuštěné v krvi. Mastné kyseliny se tak vážou na krevní proteiny (zejména albumin), zatímco triacylglyceroly jsou v játrech a střevech baleny do větších lipoproteinových partikulí (lipoproteinů o velmi nízké hustotě – VLDL, resp. chylomikronů). Při delším hladovění se játra snaží ostatním orgánům využívání lipidů pokud možno zjednodušit, a tak převádí mastné kyseliny z tukové tkáně na snáze zpracovatelné a dobře rozpustné ketonové látky.

Proč tloustneme?

Koronavirové komplikace

Vývoj koronavirové pandemie v současnosti odsunuje problematiku obezity a souvisejících onemocnění poněkud mimo pozornost veřejnosti. Přitom jsou však právě nadváha a obezita jedněmi z nejvýznamnějších rizikových faktorů zhoršujících průběh respiračního onemocnění. Mezi hospitalizovanými pacienty, kritickými případy i oběťmi je poměr obézních jedinců nadproporčně vysoký. Proč tomu tak je? Patrně jde o souběh několika okolností. Samotná přítomnost nadměrného množství tukové tkáně v abdominální dutině mechanicky brání efektivní práci bránice a zejména dolní část plic je tak hůře ventilována. Obézní lidé mají také často sklony k zvýšené srážlivosti krve, což se potkává s neblahými změnami v koagulační kaskádě vyvolávanými nemocí covid-19 (Vesmír 99, 344, 2020/6). Drobné cévy takovýchto pacientů (včetně těch plicních) jsou proto velice často ucpávány. V pokročilých stadiích obezity se lipidy ukládají v řadě orgánů mimo samotnou tukovou tkáň včetně např. sleziny. Tuková tkáň také postupně nahrazuje červenou kostní dřeň. Zhoršená funkce sleziny a kostní dřeně se projevuje oslabením imunitního systému. Na druhou stranu je obezita spojená s permanentním chronickým zánětem tukové tkáně. Tento prozánětlivý stav by podle některých názorů mohl umocňovat fatální dopady tzv. cytokinové bouře, která často stojí za konečným multiorgánovým selháním obětí koronaviru. Obézní lidé navíc mnohdy pociťují silnou stigmatizaci, což může snižovat jejich ochotu k návštěvám lékaře. Zlehčování zdravotních problémů se jim pak ovšem může nepěkně vymstít. V dnešní neklidné době bychom tedy neměli na obezitu zapomínat. Patrně představuje zásadní okolnost rozhodující mj. o závažnosti průběhu koronavirové infekce.

Schopnost vytvářet dlouhodobé energetické zásoby v podobě lipidů se živočichům osvědčila při osidlování sezonně nehostinných krajin. Četní hibernující savci např. přežívají zimu díky sníženému obratu metabolismu a mohutným tukovým zásobám hromaděným koncem vegetačního období. Klasická představa o původu obezity u člověka počítá s tím, že evoluční tlaky po generace zvýhodňovaly ty z našich genů, umožňující efektivně hromadit tukovou tkáň, a přežívat tak hladová období. Teprve s postupným vymýcením nedostatku a s přechodem k sedavému způsobu práce se tyto sklony k přibírání vymkly kontrole a začaly představovat zdravotní problém. Nutnost čelit pravidelnému hladu tak předurčila náš druh k mimořádné úspornosti, na což nyní doplácíme. Ověřit spolehlivě podobné evoluční hypotézy je vždy poněkud problematické. Víme ale, že obdobné zákonitosti fungují přinejmenším v rámci lidského života. Podvýživa v prenatálním a raném postnatálním období způsobuje (patrně prostřednictvím epigenetických mechanismů) zvýšenou náchylnost k obezitě v dospělosti (Vesmír 90, 445, 2011/7).

Ačkoli převládá názor, že hlavní příčinou současné epidemie obezity je prostá nerovnováha mezi kalorickým příjmem a výdejem, je zřejmé, že na hromadění tuku má značný vliv i konkrétní složení potravy. Někteří lékaři a výživoví poradci zdůrazňují negativní vliv konkrétních látek, např. fruktózy (Vesmír 91, 624, 2012/11 a 97, 270, 2018/5). Při příjmu potravy se zvýšeným obsahem sacharidů se část cukrů přemění v játrech na lipidy, což se s fruktózou děje ve větší míře než s glukózou. Zejména pokud tyto cukry pijeme se slazenými nápoji, zpomaluje se nástup pocitu sytosti. Zvýšený příjem sacharidů, zejména fruktózy, se tak snadno odrazí ve zvýšení syntézy lipidů. Nazývat cukry bílým jedem a přirovnávat fruktózu k alkoholu je však přece jen poněkud přehnané. Odpůrci hypotézy o devastujících dopadech fruktózy argumentují mimo jiné australským paradoxem. V Austrálii totiž údajně v minulých letech rostlo rozšíření obezity navzdory soustavnému omezování příjmu cukrů. Debata místy přerůstá ve velice emotivní, protože do ní bývá vtahována i širší veřejnost. Přestože je jistě důležité dbát o vyváženou stravu, nelze patrně doporučit např. nahrazování sladkého tučným. Obecná střídmost nejspíš zůstane nejpřirozenějším receptem.

Jak nám tloustnutí škodí?

Obezita je úzce spojená s komplexem zdravotních poruch shrnovaných pod označením metabolický syndrom. Se vzrůstající váhou významně roste i riziko diabetu 2. typu, krevní tlak, nebezpečí některých onkologických onemocnění nebo třeba pravděpodobnost těžkého průběhu koronavirové infekce (rámeček).

Hromadění některých lipidů vážně narušuje činnost buněk včetně jejich citlivosti k inzulinu. Proto je pro uskladňování lipidů vyčleněna specializovaná tuková tkáň. Jakmile kapacity tohoto skladiště přestávají stačit, objeví se uloženiny tuků mimo obvyklé místo svého výskytu (i v játrech či svalech) a tělo se dostává do vážných problémů. K tomu dochází jak při různých poruchách tvorby tukové tkáně (lipodystrofiích), tak při postupující obezitě. Tuková tkáň dokáže nějakou dobu zvyšovat svou kapacitu tvorbou nových adipocytů (mluvíme o hyperplazii tukové tkáně či adipogenezi). Tyto nové, relativně malé buňky dokážou ještě flexibilně reagovat na aktuální potřeby organismu. Při trvajícím převisu energetického příjmu nad výdejem je však tato proliferační kapacita tukové tkáně záhy vyčerpána a další prostor pro skladování lipidů se vytváří zejména bytněním stávajících adipocytů (hypertrofií tukové tkáně). Takto zvětšené buňky přestávají pružně odpovídat na hormonální signály, a navíc jsou mnohem náchylnější k poškození (prasknutí). Umírající adipocyty vytvářejí nekrotická ložiska lákající do tkáně makrofágy a další bílé krvinky a navozující stav chronického zánětu.

Z takto postižené tukové tkáně se do krve neustále uvolňují mastné kyseliny a prozánětlivé molekuly negativně ovlivňující orgány ležící dále po proudu. Proto je zdaleka nejnebezpečnější tzv. abdominální obezita (častá zejména u mužů), při níž nabývá hlavně tuk v břišní dutině, který skrze vrátnicový žilní systém ovlivňuje přímo játra a slinivku břišní. Ve srovnání s tím je hromadění podkožního tuku např. v hýžďové oblasti poměrně neškodné.

Hromadění tuku v játrech a svalech těmto orgánům brání odpovídat na inzulin (rozvíjí se tzv. inzulinová rezistence, důležitá složka patologie diabetu 2. typu). Protože inzulin normálně podporuje mj. ukládání tuků, můžeme spekulovat, že inzulinová rezistence vznikla jako zpětnovazebný mechanismus brzdící další hromadění lipidů v příslušných tkáních. Krom toho ale inzulin v necitlivých játrech nezabrzdí glukoneogenezi a také nepovzbudí rezistentní sval k příjmu glukózy. Játra tak neustále chrlí do oběhu přebytky glukózy, o které svaly nejeví zájem, a glykémie tak roste až k hodnotám, při nichž začne docházet k poškozování krevních i povrchových buněčných proteinů.

Zdlouhavý boj s obezitou

Na léčbu poruch spjatých s metabolickým syndromem zdravotnické systémy vynakládají značné prostředky. Výzkum mechanismů rozvoje obezity je tak důležitým úkolem současné biomedicíny (obr. 2). Může totiž odhalit nové mechanismy, na něž budou cílit nově vyvíjená léčiva. Obézní lidé hubnoucí do plavek nebo naplňující svá novoroční předsevzetí navíc vytvářejí (přinejmenším sezonně) poptávku po dietetických doporučeních výživových poradců a zaručených dietách. O vědecké poznatky v tomto oboru proto jeví zájem i široká skupina praktiků. Univerzální úspěch přitom ještě zdaleka není za dveřmi. O problémech s hromaděním lipidů tak budeme v budoucnosti slýchat přinejmenším stejně často jako doposud.

Ke stažení

TÉMA MĚSÍCE: Skladování energie
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Medicína, Fyziologie

O autorovi

Petr Zouhar

RNDr. Petr Zouhar, Ph.D., (*1985) je absolventem Přírodovědecké fakulty UK v Praze. Postdoktorskou stáž strávil na Stockholmské univerzitě a v současnosti se ve Fyziologickém ústavu AV ČR zabývá zejména metabolismem tukové tkáně a s tím spojenou problematikou obezity a diabetu.
Zouhar Petr

Další články k tématu

Lithium, dar Země modernímu člověku

Nepozorovaně jsme přijali za své lehké notebooky, tenké mobilní telefony, drobnou elektroniku. Přestala nás udivovat možnost opakovaně nabíjet a...

Akumulátory současnosti a budoucnostiuzamčeno

Nobelovu cenu za chemii v roce 2019 dostali John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akiro Yoshino za rozvoj dobíjecích lithium-iontových...

A přece se točí…videokomerce

Akumulace mechanické energie v rotujících setrvačnících patří k méně známým způsobům (krátkodobého) skladování energie. Setrvačník se obvykle...

Pravěká energie v každém mobiluuzamčeno

Na první pohled by se mohlo zdát, že ukládání energie je ryze moderní problém naší civilizace. Omyl. Ukládání energie řešili už naši pravěcí...

Uvězněná energie

Když jsme v redakci před časem začali mluvit o tom, že bychom ústřední téma jednoho z letošních čísel věnovali skladování energie, měli jsme...

Doporučujeme

Mládě z umělé dělohy

Mládě z umělé dělohy audio

Jaroslav Petr  |  16. 11. 2020
Průlomový počin v oboru tkáňového inženýrství se podařil týmu Anthonyho Ataly z amerického Wake Forest Institute for Regenerative Medicine. V...
Lithium, dar Země modernímu člověku

Lithium, dar Země modernímu člověku

Jan Rohovec, Tomáš Navrátil  |  2. 11. 2020
Nepozorovaně jsme přijali za své lehké notebooky, tenké mobilní telefony, drobnou elektroniku. Přestala nás udivovat možnost opakovaně nabíjet a...
Největší pískovcová skalní oblast Evropy

Největší pískovcová skalní oblast Evropy

Handrij Härtel  |  2. 11. 2020
V českém kontextu je České Švýcarsko jen jedno z několika skalních měst. V Evropě je to unikát. Ve světovém měřítku ho „zastiňují“ jiné oblasti....

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné