Energetický metabolizmus človeka

„Ľudské telo je „stroj“, ktorý dokáže uvoľňovať chemickú energiu viazanú v „palive“ potravy; týmto „palivom“ sú sacharidy, tuky, bielkoviny a alkohol“ (WHO).

Preferenčné využitie ktoréhokoľvek z uvedených zdrojov má odlišné charakteristiky, čo sa týka rozsahu energetickej výmeny a súvisiacich metabolických posunov.

Charakteristiky rôznych metabolických zdrojov energie z potravín

Ukazovatele	Glukóza	Palmitát	Bielkoviny
Uvoľňovanie tepla, kcal:
Na 1 mol oxidovaného	673	2398	475
Na 1 g oxidovaného	3,74	9.30	5,40
Spotreba kyslíka:
Moľa	66,0	23,0	5.1
L	134	515	114
Produkcia oxidu uhličitého:
Moľa	66,0	16,0	4.1
L	134	358	92
Produkcia ATP, moly:	36	129	23
Cena produktov ATP:
Peklo	18,7	18,3	20,7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4,00
Respiračný kvocient	1,00	0,70	0,81
Energetický ekvivalent na 1 liter použitého kyslíka	5,02	4,66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Fázy výmeny energie

Hoci disimilácia a syntéza štruktúr bielkovín, tukov a sacharidov majú charakteristické znaky a špecifické formy, existuje niekoľko zásadne spoločných štádií a vzorcov v transformácii týchto rôznych látok. Vo vzťahu k energii uvoľnenej počas metabolizmu by sa energetický metabolizmus mal rozdeliť do troch hlavných štádií.

Vo fáze I sa v gastrointestinálnom trakte rozkladajú veľké molekuly živín na menšie. Sacharidy tvoria 3 hexózy (glukóza, galaktóza, fruktóza), bielkoviny - 20 aminokyselín, tuky (triglyceridy) - glycerol a mastné kyseliny, ako aj vzácnejšie cukry (napríklad pentózy atď.). Bolo vypočítané, že ľudským telom počas jeho života prejde v priemere 17,5 tony sacharidov, 2,5 tony bielkovín a 1,3 tony tukov. Množstvo energie uvoľnenej vo fáze I je nevýznamné a uvoľňuje sa ako teplo. Pri rozklade polysacharidov a bielkovín sa teda uvoľní približne 0,6 % celkovej energie a pri ich úplnom rozklade na konečné produkty metabolizmu 0,14 % tukov. Význam chemických reakcií vo fáze I preto spočíva najmä v príprave živín na samotné uvoľnenie energie.

V II. fáze tieto látky podliehajú ďalšiemu rozkladu nedokonalým spaľovaním. Výsledok týchto procesov - nedokonalé spaľovanie - sa zdá byť neočakávaný. Z 25 – 30 látok vznikajú okrem CO2 a H2O iba tri konečné produkty: kyselina α-ketoglutárová, kyselina oxalooctová a kyselina octová vo forme acetylkoenzýmu A. Kvantitatívne prevažuje acetylkoenzým A. Vo fáze II sa uvoľní približne 30 % energie obsiahnutej v živinách.

V tretej fáze, tzv. Krebsovom cykle trikarboxylových kyselín, sa tri konečné produkty fázy II spaľujú na oxid uhličitý a vodu. V tomto procese sa uvoľňuje 60 – 70 % energie živín. Krebsov cyklus je všeobecnou konečnou cestou rozkladu sacharidov, bielkovín a tukov. Je to akýsi uzlový bod výmeny, kde sa zbiehajú transformácie rôznych štruktúr a je možný vzájomný prechod syntetických reakcií.

Na rozdiel od fázy I - fáz hydrolýzy v gastrointestinálnom trakte - vo fázach II a III rozkladu látok sa uvoľňuje nielen energia, ale aj špeciálny typ jej akumulácie.

Reakcie výmeny energie

Zachovanie energie sa dosahuje premenou energie rozkladu potravy na špeciálnu formu chemických zlúčenín nazývaných makroergné zlúčeniny. Nositeľmi tejto chemickej energie v tele sú rôzne zlúčeniny fosforu, v ktorých je väzba zvyšku kyseliny fosforečnej makroergná väzba.

Hlavné miesto v energetickom metabolizme má pyrofosfátová väzba so štruktúrou kyseliny adenozíntrifosfátovej. Vo forme tejto zlúčeniny sa v tele využíva 60 až 70 % všetkej energie uvoľnenej pri rozklade bielkovín, tukov a sacharidov. Využitie energie (oxidácia vo forme ATP) má veľký biologický význam, pretože tento mechanizmus umožňuje oddeliť miesto a čas uvoľňovania energie od jej skutočnej spotreby počas fungovania orgánov. Bolo vypočítané, že za 24 hodín sa množstvo ATP vytvoreného a rozloženého v tele približne rovná telesnej hmotnosti. Premenou ATP na ADP sa uvoľní 41,84 – 50,2 kJ, čiže 10 – 12 kcal.

Energia vznikajúca v dôsledku metabolizmu sa vynakladá na základný metabolizmus, teda na udržanie života v stave úplného pokoja pri okolitej teplote 20° C, na rast (plastický metabolizmus), svalovú prácu a na trávenie a vstrebávanie potravy (špecifické dynamické pôsobenie potravy). Existujú rozdiely vo výdaji energie vznikajúcej v dôsledku metabolizmu u dospelých a detí.

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

BX

U dieťaťa, rovnako ako u všetkých cicavcov narodených v nedospelosti, dochádza k počiatočnému zvýšeniu bazálneho metabolizmu o 1 1/2 roka, ktorý potom stabilne rastie v absolútnych číslach a rovnako pravidelne klesá na jednotku telesnej hmotnosti.

Na výpočet bazálneho metabolizmu sa často používajú výpočtové metódy. Vzorce sú zvyčajne orientované na ukazovatele buď dĺžky, alebo telesnej hmotnosti.

Výpočet bazálneho metabolizmu pomocou telesnej hmotnosti (kcal/deň). Odporúčania FAO/WHO

Vek	Chlapci	Dievčatá
0-2 roky	60,9 R-54	61 R - 51
3-9 rokov	22,7 R + 495	22,5 R + 499
10-17 »	17,5 R +651	12,2 R +746
17-30»	15,3 R +679	14,7 R + 496

Celková energia prijatá s potravou sa rozdeľuje tak, aby zabezpečila základný metabolizmus, špecifické dynamické pôsobenie potravy, straty tepla spojené s vylučovaním, fyzickú (motorickú) aktivitu a rast. V štruktúre distribúcie energie, teda energetického metabolizmu, sa rozlišuje medzi:

• Prijatá energia (z potravy) = Uložená energia + Spotrebovaná energia.
• Absorbovaná energia = Prijatá energia - Energia vylúčená výkalmi.
• Metabolizovaná energia = Prijatá energia - Energia na udržanie (život) a činnosť alebo „základné náklady“.
• Energia hlavných nákladov sa rovná súčtu:
  • bazálny metabolizmus;
  • termoregulácia;
  • otepľovací účinok jedla (WEF);
  • náklady na činnosť;
  • náklady na syntézu nových tkanív.
• Energia ukladania je energia vynaložená na ukladanie bielkovín a tukov. Glykogén sa neberie do úvahy, pretože jeho ukladanie (1 %) je zanedbateľné.
• Uložená energia = metabolizovaná energia - energia základného výdaja.
• Energetické náklady rastu = Energia syntézy nových tkanív + Energia uložená v novom tkanive.

Hlavné vekové rozdiely spočívajú vo vzťahu medzi nákladmi na rast a v menšej miere na aktivitu.

Vekovo podmienené charakteristiky rozloženia denného energetického výdaja (kcal/kg)

Vek	BX	SDDP	Straty vylučovaním	Aktivita	Výška	Celkom
Predčasné	60	7	20	15	50	152
8 týždňov	55	7	11	17	20	110
10 mesiacov	55	7	11	17	20	110
4 roky	40	6	8	25	8-10	87 – 89
14 rokov	35	6	6	20	14	81
Dospelý	25	6	6	10	0	47

Ako vidíte, náklady na rast sú veľmi významné u novorodenca s nízkou hmotnosťou a počas prvého roka života. U dospelého človeka prirodzene jednoducho chýbajú. Fyzická aktivita vytvára značný energetický výdaj aj u novorodenca a dojčaťa, kde sa prejavuje cmúľaním prsníka, nepokojom, plačom a krikom.

Keď je dieťa nepokojné, výdaj energie sa zvyšuje o 20 – 60 % a keď kričí, 2 – 3-krát. Choroby si kladú vlastné nároky na výdaj energie. Zvyšujú sa najmä so zvýšením telesnej teploty (pri zvýšení o 1 °C je zvýšenie metabolizmu o 10 – 16 %).

Na rozdiel od dospelých, deti vynakladajú veľa energie na rast (plastický metabolizmus). V súčasnosti sa zistilo, že na nahromadenie 1 g telesnej hmotnosti, teda nového tkaniva, je potrebné vynaložiť približne 29,3 kJ, alebo 7 kcal. Nasledujúci odhad je presnejší:

• Energetické „náklady“ rastu = Energia syntézy + Energia ukladania v novom tkanive.

U predčasne narodeného dieťaťa s nízkou hmotnosťou je energia syntézy od 1,3 do 5 kJ (od 0,3 do 1,2 kcal) na 1 g pridanej telesnej hmotnosti. U donoseného dieťaťa - 1,3 kJ (0,3 kcal) na 1 g novej telesnej hmotnosti.

Celkové energetické náklady rastu:

• do 1 roka = 21 kJ (5 kcal) na 1 g nového tkaniva,
• po 1 roku = 36,5 – 50,4 kJ (8,7 – 12 kcal) na 1 g nového tkaniva, alebo približne 1 % z celkovej energie obsahu živín.

Keďže intenzita rastu u detí sa v rôznych obdobiach líši, podiel plastického metabolizmu na celkovom energetickom výdaji je rôzny. Najintenzívnejší rast je v intrauterinnom období vývoja, keď sa hmotnosť ľudského embrya zvýši 1 miliardu 20 miliónov krát (1,02 x 109). Tempo rastu zostáva v prvých mesiacoch života naďalej pomerne vysoké. Dôkazom toho je výrazný nárast telesnej hmotnosti. Preto je u detí prvých 3 mesiacov podiel „plastického“ metabolizmu na energetickom výdaji 46 %, potom v prvom roku klesá, ale od 4 rokov, a najmä v predpubertálnom období, sa pozoruje nárast intenzity rastu, čo sa opäť prejavuje zvýšením plastického metabolizmu. V priemere sa u detí vo veku 6 – 12 rokov na rast vynakladá 12 % energetickej potreby.

Náklady na energiu pre rast

Vek	Telesná hmotnosť, kg	Prírastok hmotnosti, g/deň	Energetická hodnota, kcal/deň	Energetická hodnota, kcal/(kg-deň)	Ako percento bazálneho metabolizmu
1 mesiac	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 rokov	17,6	5	32	2	4
14 rokov, dievčatá	47,5	18 rokov	113	2	8
16 rokov, chlapci	54,0	18 rokov	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Spotreba energie pri ťažko vyčísliteľných stratách

Medzi straty, ktoré je ťažké vysvetliť, patria straty tukov, tráviacich štiav a sekrétov produkovaných v stene tráviaceho traktu a žliaz s výkalmi, s exfoliačnými epitelovými bunkami, s odpadávajúcimi krycími bunkami kože, vlasov, nechtov, s potom a po dosiahnutí puberty u dievčat - s menštruačnou krvou. Bohužiaľ, táto problematika u detí nebola takmer preskúmaná. Predpokladá sa, že u detí starších ako jeden rok ide o približne 8 % energetického výdaja.

[ 11 ]

Výdaj energie na aktivitu a udržiavanie telesnej teploty

Podiel výdaja energie na aktivitu a udržiavanie telesnej teploty sa mení s vekom dieťaťa (po 5 rokoch je to zahrnuté v pojme svalovej práce). V prvých 30 minútach po narodení sa telesná teplota novorodenca zníži takmer o 2° C, čo spôsobuje značný výdaj energie. U malých detí je detský organizmus nútený vynaložiť 200,8-418,4 kJ/(kg • deň), alebo 48-100 kcal/(kg • deň) na udržanie konštantnej telesnej teploty pri teplote okolia pod kritickou (28...32° C) a aktivitu. Preto sa s vekom zvyšuje absolútny výdaj energie na udržanie konštantnej telesnej teploty a aktivity.

Podiel výdaja energie na udržanie konštantnej telesnej teploty u detí v prvom roku života je však nižší, čím je dieťa menšie. Potom výdaj energie opäť klesá, pretože povrch tela na 1 kg telesnej hmotnosti opäť klesá. Zároveň sa u detí starších ako jeden rok zvyšuje výdaj energie na aktivitu (svalovú prácu), keď dieťa začína samostatne chodiť, behať, venovať sa telesnej výchove alebo športu.

Energetické náklady fyzickej aktivity

Typ pohybu	Kalórie/min
Cyklistika nízkou rýchlosťou	4,5
Cyklistika strednou rýchlosťou	7,0
Jazda na bicykli vysokou rýchlosťou	11.1
Tanec	3,3 – 7,7
Futbal	8,9
Gymnastické cvičenia na náradí	3,5
Šprintérsky beh	13,3 – 16,8
Beh na dlhé trate	10,6
Korčuľovanie na ľade	11,5
Beh na lyžiach miernou rýchlosťou	10,8 – 15,9
Beh na lyžiach maximálnou rýchlosťou	18,6
Plávanie	11,0 – 14,0

U detí vo veku 6-12 rokov je podiel energie vynaloženej na fyzickú aktivitu približne 25 % energetickej potreby a u dospelých 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Špecifické dynamické pôsobenie potravy

Špecifický dynamický účinok potravy sa mení v závislosti od charakteru stravy. Je výraznejší pri potravinách bohatých na bielkoviny, menej pri tukoch a sacharidoch. U detí druhého roku života je špecifický dynamický účinok potravy 7 – 8 %, u starších detí – viac ako 5 %.

Náklady na implementáciu a prekonanie stresu

Ide o prirodzený smer bežnej životnej aktivity a výdaja energie. Proces životnej a sociálnej adaptácie, vzdelávanie a šport, formovanie medziľudských vzťahov – to všetko môže byť sprevádzané stresom a dodatočným výdajom energie. V priemere ide o ďalších 10 % dennej energetickej „dávky“. Zároveň pri akútnych a ťažkých ochoreniach alebo úrazoch sa úroveň výdaja stresu môže výrazne zvýšiť, a to si vyžaduje zohľadnenie pri výpočte potravinovej dávky.

Údaje o zvýšení energetických požiadaviek počas stresu sú uvedené nižšie.

Štáty	Zmena energetickej potreby
Popáleniny v závislosti od percenta popáleného povrchu tela	+ 30...70 %
Viacnásobné zranenia s mechanickou ventiláciou	+ 20...30 %
Závažné infekcie a mnohopočetné traumy	+ 10...20 %
Pooperačné obdobie, mierne infekcie, zlomeniny kostí	0... + 10 %

Pretrvávajúca energetická nerovnováha (nadbytok alebo nedostatok) spôsobuje zmeny telesnej hmotnosti a dĺžky vo všetkých vývojových a biologických vekových indexoch. Aj mierny energetický nedostatok (4-5 %) môže spôsobiť vývojové oneskorenie dieťaťa. Preto sa zásobovanie potravinami stáva jednou z najdôležitejších podmienok pre adekvátny rast a vývoj. Výpočet tohto zásobovania sa musí vykonávať pravidelne. Pre väčšinu detí môžu ako referenčné hodnoty pre analýzu slúžiť odporúčania pre celkovú energiu dennej stravy; pre niektoré deti so špeciálnymi zdravotnými problémami alebo životnými podmienkami je potrebný individuálny výpočet na základe súčtu všetkých zložiek spotrebúvajúcich energiu. Nasledujúce metódy výpočtu energetického výdaja môžu slúžiť ako príklad použitia všeobecných vekových štandardov zásobovania a možnosti individuálnej korekcie týchto štandardov.

Výpočtová metóda na určenie bazálneho metabolizmu

Až 3 roky	3 – 10 rokov	10 – 18 rokov
Chlapci
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Dievčatá
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Dodatočné výdavky

Kompenzácia škôd - bazálny metabolizmus sa vynásobí: pri menších chirurgických zákrokoch - 1,2-krát; pri traume kostry - 1,35-krát; pri sepse - 1,6-krát; pri popáleninách - 2,1-krát.

Špecifické dynamické pôsobenie potravy: + 10 % bazálneho metabolizmu.

Fyzická aktivita: pripútaný na lôžko + 10 % bazálneho metabolizmu; sedenie na stoličke + 20 % bazálneho metabolizmu; pacient na nemocničnom oddelení + 30 % bazálneho metabolizmu.

Náklady spojené s horúčkou: za každý 1 °C priemerného denného zvýšenia telesnej teploty +10 – 12 % bazálneho metabolizmu.

Prírastok hmotnosti: až 1 kg/týždeň + 1260 kJ (300 kcal) za deň.

Je všeobecne akceptované stanoviť určité normy energetického zásobovania obyvateľstva v závislosti od veku. Mnohé krajiny majú takéto normy. Na ich základe sa vyvíjajú všetky potravinové dávky organizovaných skupín. Individuálne potravinové dávky sa tiež porovnávajú s nimi.

Odporúčania týkajúce sa energetickej hodnoty výživy pre deti raného veku a do 11 rokov

	0-2 mesiace	3-5 mesiacov	6-11 mesiacov	1-3 roky	3-7 rokov	7-10 rokov
Energia, celková, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energia, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Odporúčania pre energetickú štandardizáciu (kcal/(kg • deň))

Vek, mesiace	FAO/WHO (1985)	OSN (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

Výpočet a korekcia energetického metabolizmu sú zamerané na odstránenie nedostatkov hlavných nosičov energie, teda predovšetkým sacharidov a tukov. Zároveň je použitie týchto nosičov na uvedené účely možné len s ohľadom na a korekciu poskytovania mnohých zásadne potrebných sprievodných mikroživín. Preto je obzvlášť dôležité predpisovať draslík, fosfáty, vitamíny skupiny B, najmä tiamín a riboflavín, niekedy karnitín, antioxidanty atď. Nedodržanie tejto podmienky môže spôsobiť stavy nezlučiteľné so životom, ktoré vznikajú práve pri intenzívnej energetickej výžive, najmä parenterálnej.