Ludzki metabolizm energetyczny

„Ciało człowieka jest 'maszyną', która może uwalniać energię chemiczną związaną w 'paliwie' pożywienia; tym 'paliwem' są węglowodany, tłuszcze, białka i alkohol” (WHO).

Preferencyjne wykorzystanie każdego z wymienionych źródeł ma różną charakterystykę pod względem wielkości wymiany energii i związanych z nią zmian metabolicznych.

Cechy różnych źródeł metabolicznych dostarczających energię pożywienia

Wskaźniki	Glukoza	Palmitynian	Białko
Uwalnianie ciepła, kcal:
Na 1 mol utlenionego	673	2398	475
Na 1 g utlenionego	3,74	9.30	5.40
Zużycie tlenu:
Ćma	66,0	23,0	5.1
L	134	515	114
Produkcja dwutlenku węgla:
Ćma	66,0	16,0	4.1
L	134	358	92
Produkcja ATP, mole:	36	129	23
Koszt produktów ATP:
Piekło	18.7	18.3	20.7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4,00
Współczynnik oddechowy	1,00	0,70	0,81
Ekwiwalent energii na 1 litr zużytego tlenu	5.02	4,66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Etapy wymiany energii

Chociaż dysymilacja i synteza struktur białek, tłuszczów i węglowodanów mają charakterystyczne cechy i specyficzne formy, istnieje szereg fundamentalnie wspólnych etapów i wzorców w transformacji tych różnych substancji. W odniesieniu do energii uwalnianej podczas metabolizmu, metabolizm energetyczny należy podzielić na trzy główne etapy.

W fazie I duże cząsteczki substancji odżywczych są rozkładane na mniejsze w przewodzie pokarmowym. Węglowodany tworzą 3 heksozy (glukoza, galaktoza, fruktoza), białka - 20 aminokwasów, tłuszcz (triglicerydy) - glicerol i kwasy tłuszczowe, a także rzadsze cukry (np. pentozy itp.). Obliczono, że średnio przez organizm człowieka w ciągu jego życia przechodzi 17,5 tony węglowodanów, 2,5 tony białek i 1,3 tony tłuszczów. Ilość energii uwalnianej w fazie I jest nieznaczna i uwalniana jest w postaci ciepła. Tak więc około 0,6% całkowitej energii uwalnia się podczas rozpadu polisacharydów i białek, a 0,14% tłuszczów, które powstają podczas ich całkowitego rozpadu do końcowych produktów metabolicznych. Dlatego znaczenie reakcji chemicznych w fazie I polega głównie na przygotowaniu substancji odżywczych do faktycznego uwolnienia energii.

W fazie II substancje te ulegają dalszemu rozkładowi poprzez niepełne spalanie. Rezultat tych procesów – niepełne spalanie – wydaje się nieoczekiwany. Z 25-30 substancji, oprócz CO2 i H2O, powstają tylko trzy produkty końcowe: kwas α-ketoglutarowy, kwas szczawiooctowy i kwas octowy w postaci acetylo-koenzymu A. Ilościowo przeważa acetylo-koenzym A. W fazie II uwalnia się około 30% energii zawartej w składnikach odżywczych.

W etapie III, tzw. cyklu kwasu trikarboksylowego Krebsa, trzy produkty końcowe fazy II są spalane do dwutlenku węgla i wody. W tym procesie uwalnia się 60-70% energii składników odżywczych. Cykl Krebsa jest ogólną końcową ścieżką rozpadu węglowodanów, białek i tłuszczów. Jest to swego rodzaju punkt węzłowy w wymianie, w którym zbiegają się transformacje różnych struktur i możliwe jest wzajemne przejście reakcji syntetycznych.

W odróżnieniu od etapu I - etapów hydrolizy w przewodzie pokarmowym - w fazach II i III rozpadu substancji nie tylko uwalnia się energia, ale także następuje szczególny rodzaj jej gromadzenia.

Reakcje wymiany energii

Oszczędność energii osiąga się poprzez przekształcanie energii rozkładu pożywienia w specjalną formę związków chemicznych zwanych związkami makroergicznymi. Nośnikami tej energii chemicznej w organizmie są różne związki fosforu, w których wiązaniem reszty kwasu fosforowego jest wiązanie makroergiczne.

Główne miejsce w metabolizmie energetycznym zajmuje wiązanie pirofosforanowe o strukturze kwasu adenozynotrójfosforanowego. W postaci tego związku w organizmie wykorzystywane jest od 60 do 70% całej energii uwalnianej podczas rozpadu białek, tłuszczów i węglowodanów. Wykorzystanie energii (utlenianie w postaci ATP) ma duże znaczenie biologiczne, ponieważ mechanizm ten umożliwia oddzielenie miejsca i czasu uwalniania energii oraz jej faktycznego zużycia podczas funkcjonowania narządów. Obliczono, że w ciągu 24 godzin ilość ATP powstającego i rozkładanego w organizmie jest w przybliżeniu równa masie ciała. Przekształcenie ATP w ADP uwalnia 41,84-50,2 kJ, czyli 10-12 kcal.

Energia wytwarzana w wyniku metabolizmu jest zużywana na podstawową przemianę materii, tj. na utrzymanie życia w stanie całkowitego spoczynku przy temperaturze otoczenia 20° C, na wzrost (plastyczny metabolizm), pracę mięśni oraz na trawienie i przyswajanie pokarmu (specyficzne dynamiczne działanie pokarmu). Istnieją różnice w wydatkowaniu energii wytwarzanej w wyniku metabolizmu u dorosłych i dzieci.

[ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ]

BX

U dziecka, tak jak u wszystkich ssaków urodzonych jako niedojrzałe, obserwuje się początkowo wzrost podstawowej przemiany materii o 1,5 roku, po czym następuje stały wzrost w wartościach bezwzględnych i równie regularny spadek w przeliczeniu na jednostkę masy ciała.

Często do obliczenia podstawowej przemiany materii stosuje się metody obliczeniowe. Wzory są zazwyczaj zorientowane na wskaźniki długości lub masy ciała.

Obliczanie podstawowej przemiany materii na podstawie masy ciała (kcal/dzień). Zalecenia FAO/WHO

Wiek	Chłopcy	Dziewczyny
0-2 lata	60.9 R-54	61 R-51
3-9 lat	22,7 R + 495	22,5 zł + 499
10-17 »	17,5 zł +651	12,2 R +746
17-30»	15,3 R +679	14,7 R + 496

Całkowita energia otrzymana z pożywieniem jest rozprowadzana w celu zapewnienia podstawowego metabolizmu, specyficznego dynamicznego działania pożywienia, utraty ciepła związanej z wydalaniem, aktywnością fizyczną (motoryczną) i wzrostem. W strukturze dystrybucji energii, tj. metabolizmie energetycznym, rozróżnia się:

• Energia otrzymana (z pożywienia) = Energia zdeponowana + Energia użyta.
• Energia pochłonięta = Energia otrzymana - Energia wydalona wraz z kałem.
• Energia metabolizowana = Energia otrzymana - Energia utrzymania (życia) i aktywności, lub „koszty podstawowe”.
• Energia głównych kosztów jest równa sumie:
  • podstawowa przemiana materii;
  • termoregulacja;
  • efekt rozgrzewający pożywienia (WEF);
  • koszty działalności;
  • koszty syntezy nowych tkanek.
• Energia depozycji to energia wydatkowana na depozycję białka i tłuszczu. Glikogen nie jest brany pod uwagę, ponieważ jego depozycja (1%) jest nieistotna.
• Energia zdeponowana = Energia zmetabolizowana - Energia podstawowego wydatku.
• Koszt energetyczny wzrostu = Energia syntezy nowych tkanek + Energia zdeponowana w nowej tkance.

Główne różnice ze względu na wiek występują w relacji kosztów wzrostu do, w mniejszym stopniu, aktywności.

Cechy rozkładu dziennego wydatku energetycznego (kcal/kg) zależne od wieku

Wiek	BX	SDDP	Straty wydalane	Działalność	Wysokość	Całkowity
Przedwczesny	60	7	20	15	50	152
8 tygodni	55	7	11	17	20	110
10 miesięcy	55	7	11	17	20	110
4 lata	40	6	8	25	8-10	87-89
14 lat	35	6	6	20	14	81
Dorosły	25	6	6	10	0	47

Jak widać, koszty wzrostu są bardzo znaczące dla noworodka o niskiej wadze i w pierwszym roku życia. Naturalnie, u osoby dorosłej są one po prostu nieobecne. Aktywność fizyczna generuje znaczny wydatek energetyczny nawet u noworodka i niemowlęcia, gdzie jej wyrazem jest ssanie piersi, niepokój, płacz i krzyk.

Gdy dziecko jest niespokojne, wydatek energetyczny wzrasta o 20-60%, a gdy krzyczy – 2-3 razy. Choroby same stawiają wymagania wydatkom energetycznym. Szczególnie wzrastają one wraz ze wzrostem temperatury ciała (przy wzroście o 1°C metabolizm wzrasta o 10-16%).

W przeciwieństwie do dorosłych, dzieci zużywają dużo energii na wzrost (metabolizm plastyczny). Obecnie ustalono, że aby zgromadzić 1 g masy ciała, tj. nowej tkanki, konieczne jest zużycie około 29,3 kJ, czyli 7 kcal. Dokładniejszy jest następujący szacunek:

• „Koszt” energetyczny wzrostu = Energia syntezy + Energia depozycji w nowej tkance.

U wcześniaka, o niskiej masie ciała, energia syntezy wynosi od 1,3 do 5 kJ (od 0,3 do 1,2 kcal) na 1 g dodanej do masy ciała masy ciała. U dziecka donoszonego - 1,3 kJ (0,3 kcal) na 1 g nowej masy ciała.

Całkowity koszt energii wzrostu:

• do 1 roku = 21 kJ (5 kcal) na 1 g nowej tkanki,
• po 1 roku = 36,5-50,4 kJ (8,7-12 kcal) na 1 g nowej tkanki, czyli około 1% całkowitej energii zawartej w składniku odżywczym.

Ponieważ intensywność wzrostu u dzieci zmienia się w różnych okresach, udział metabolizmu plastycznego w całkowitym wydatku energetycznym jest różny. Najbardziej intensywny wzrost występuje w okresie rozwoju wewnątrzmacicznego, kiedy masa zarodka ludzkiego zwiększa się 1 miliard 20 milionów razy (1,02 x 109). Tempo wzrostu pozostaje nadal dość wysokie w pierwszych miesiącach życia. Świadczy o tym znaczny wzrost masy ciała. Dlatego u dzieci w pierwszych 3 miesiącach udział metabolizmu „plastycznego” w wydatku energetycznym wynosi 46%, następnie w pierwszym roku maleje, ale od 4 lat, a zwłaszcza w okresie przedpokwitaniowym, obserwuje się wzrost intensywności wzrostu, co ponownie odzwierciedla się we wzroście metabolizmu plastycznego. Średnio 12% zapotrzebowania energetycznego jest przeznaczane na wzrost u dzieci w wieku 6-12 lat.

Koszty energii dla wzrostu

Wiek	Masa ciała, kg	Przyrost masy ciała, g/dzień	Wartość energetyczna , kcal/dzień	Wartość energetyczna, kcal/(kg-dzień)	Jako procent podstawowej przemiany materii
1 miesiąc	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
1 rok	10.4	10	63	6	11
5 lat	17.6	5	32	2	4
14 lat, dziewczęta	47,5	18	113	2	8
16 lat, chłopcy	54,0	18	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Zużycie energii w przypadku strat trudnych do rozliczenia

Do strat trudnych do rozliczenia należą straty tłuszczu, soków trawiennych i wydzielin wytwarzanych w ścianie przewodu pokarmowego i gruczołów z kałem, złuszczającymi się komórkami nabłonka, odpadającymi komórkami pokrywającymi skórę, włosy, paznokcie, potem, a po osiągnięciu dojrzałości płciowej u dziewczynek - z krwią menstruacyjną. Niestety, problem ten u dzieci nie został jeszcze zbadany. Uważa się, że u dzieci powyżej pierwszego roku życia stanowi on około 8% wydatku energetycznego.

[ 11 ]

Wydatek energetyczny na aktywność i utrzymanie temperatury ciała

Udział wydatków energetycznych na aktywność i utrzymanie temperatury ciała zmienia się wraz z wiekiem dziecka (po 5 latach jest to wliczane do pojęcia pracy mięśni). W pierwszych 30 minutach po urodzeniu temperatura ciała noworodka spada o prawie 2° C, co powoduje znaczne wydatki energetyczne. U małych dzieci organizm dziecka zmuszony jest wydać 200,8-418,4 kJ/(kg • dzień), czyli 48-100 kcal/(kg • dzień), aby utrzymać stałą temperaturę ciała przy temperaturze otoczenia poniżej krytycznej (28...32° C) i aktywności. Dlatego wraz z wiekiem bezwzględny wydatek energetyczny na utrzymanie stałej temperatury ciała i aktywności wzrasta.

Jednak udział wydatku energetycznego na utrzymanie stałej temperatury ciała u dzieci w pierwszym roku życia jest tym mniejszy, im mniejsze jest dziecko. Następnie wydatek energetyczny znów się zmniejsza, ponieważ powierzchnia ciała przypadająca na 1 kg masy ciała znów się zmniejsza. Jednocześnie wydatek energetyczny na aktywność (pracę mięśni) wzrasta u dzieci powyżej pierwszego roku życia, gdy dziecko zaczyna samodzielnie chodzić, biegać, uprawiać wychowanie fizyczne lub sport.

Koszt energetyczny aktywności fizycznej

Rodzaj ruchu	Kalorie/min
Jazda na rowerze z małą prędkością	4.5
Jazda na rowerze ze średnią prędkością	7.0
Jazda na rowerze z dużą prędkością	11.1
Taniec	3.3-7.7
Piłkarski	8.9
Ćwiczenia gimnastyczne na przyrządach	3.5
Bieg sprinterski	13,3-16,8
Bieganie długodystansowe	10.6
Jazda na łyżwach	11.5
Biegi narciarskie z umiarkowaną prędkością	10,8-15,9
Biegi narciarskie z maksymalną prędkością	18.6
Pływacki	11,0-14,0

U dzieci w wieku 6-12 lat udział energii przeznaczanej na aktywność fizyczną wynosi około 25% zapotrzebowania energetycznego, a u osób dorosłych – 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Specyficzne dynamiczne działanie żywności

Specyficzny dynamiczny efekt pożywienia zmienia się w zależności od charakteru diety. Jest on bardziej wyraźny przy pożywieniu bogatym w białko, mniej przy tłuszczach i węglowodanach. U dzieci w drugim roku życia specyficzny dynamiczny efekt pożywienia wynosi 7-8%, u starszych dzieci - ponad 5%.

Koszty wdrożenia i przezwyciężania stresu

To naturalny kierunek normalnej aktywności życiowej i wydatkowania energii. Proces adaptacji życiowej i społecznej, edukacja i sport, kształtowanie relacji międzyludzkich – wszystkiemu temu może towarzyszyć stres i dodatkowy wydatek energetyczny. Średnio jest to dodatkowe 10% dziennej „porcji” energetycznej. Jednocześnie w ostrych i ciężkich chorobach lub urazach poziom wydatku stresowego może wzrosnąć dość znacząco, a to wymaga uwzględnienia w obliczaniu racji żywnościowej.

Poniżej przedstawiono dane dotyczące wzrostu zapotrzebowania na energię w warunkach stresu.

Stany	Zmiana zapotrzebowania na energię
Oparzenia w zależności od procentowej powierzchni ciała objętej poparzeniem	+ 30...70%
Wielorakie obrażenia z wentylacją mechaniczną	+ 20...30%
Ciężkie zakażenia i liczne urazy	+ 10...20%
Okres pooperacyjny, łagodne infekcje, złamania kości	0... + 10%

Uporczywa nierównowaga energetyczna (nadmiar lub niedobór) powoduje zmiany masy ciała i długości we wszystkich wskaźnikach wieku rozwojowego i biologicznego. Nawet umiarkowany niedobór energii (4-5%) może powodować opóźnienie rozwoju dziecka. Dlatego też zaopatrzenie w energię żywnościową staje się jednym z najważniejszych warunków odpowiedniego wzrostu i rozwoju. Obliczanie tego zaopatrzenia musi być przeprowadzane regularnie. Dla większości dzieci zalecenia dotyczące całkowitej energii w codziennej diecie mogą służyć jako punkty odniesienia do analizy; w przypadku niektórych dzieci ze szczególnymi warunkami zdrowotnymi lub warunkami życia wymagane jest indywidualne obliczenie oparte na sumie wszystkich składników zużywających energię. Poniższe metody obliczania wydatku energetycznego mogą służyć jako przykład wykorzystania ogólnych norm wiekowych zaopatrzenia i możliwości pewnej indywidualnej korekty tych norm.

Metoda obliczeniowa służąca do określania podstawowej przemiany materii

Do 3 lat	3-10 lat	10-18 lat
Chłopcy
X = 0,249kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Dziewczyny
X = 0,244kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Dodatkowe koszty

Kompensacja uszkodzeń - podstawową przemianę materii mnożymy: w przypadku drobnych zabiegów chirurgicznych - o 1,2; w przypadku urazów szkieletu - o 1,35; w przypadku sepsy - o 1,6; w przypadku oparzeń - o 2,1.

Specyficzne dynamiczne działanie pożywienia: + 10% podstawowej przemiany materii.

Aktywność fizyczna: unieruchomienie w łóżku + 10% podstawowej przemiany materii; siedzenie na krześle + 20% podstawowej przemiany materii; pacjent przebywający na oddziale szpitalnym + 30% podstawowej przemiany materii.

Koszty gorączki: na każdy 1°C średniego dziennego wzrostu temperatury ciała +10-12% podstawowej przemiany materii.

Przyrost masy ciała: do 1 kg/tydzień + 1260 kJ (300 kcal) dziennie.

Przyjmuje się, że należy ustanowić pewne standardy zaopatrzenia ludności w energię w zależności od wieku. Wiele krajów ma takie standardy. Wszystkie racje żywnościowe grup zorganizowanych są opracowywane na ich podstawie. Indywidualne racje żywnościowe są również sprawdzane pod kątem tych norm.

Zalecenia dotyczące wartości energetycznej pożywienia dla dzieci w wieku przedszkolnym i do 11 lat

	0-2 miesiące	3-5 miesięcy	6-11 miesięcy	1-3 lata	3-7 lat	7-10 lat
Energia całkowita, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energia, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Zalecenia dotyczące standaryzacji energii (kcal/(kg • dzień))

Wiek, miesiące	FAO/WHO (1985)	ONZ (1996)
0-1	124	107
1-2	116	109
2-3	109	111
3^	103	101
4-10	95-99	100
10-12	100-104	109
12-24	105	90

Obliczanie i korygowanie metabolizmu energetycznego ma na celu wyeliminowanie niedoborów głównych nośników energii, czyli przede wszystkim węglowodanów i tłuszczów. Jednocześnie wykorzystanie tych nośników do wskazanych celów jest możliwe tylko z uwzględnieniem i korektą podaży wielu fundamentalnie niezbędnych towarzyszących mikroelementów. Dlatego szczególnie ważne jest przepisywanie potasu, fosforanów, witamin z grupy B, zwłaszcza tiaminy i ryboflawiny, czasami karnityny, przeciwutleniaczy itp. Niedopełnienie tego warunku może powodować stany niezgodne z życiem, które powstają właśnie przy intensywnym żywieniu energetycznym, zwłaszcza pozajelitowym.