Metabolismul energetic uman

„Corpul uman este o «mașină» care poate elibera energia chimică legată de «combustibilul» alimentelor; acest «combustibil» este reprezentat de carbohidrați, grăsimi, proteine și alcool” (OMS).

Utilizarea preferențială a oricăreia dintre sursele enumerate are caracteristici diferite în ceea ce privește magnitudinea schimbului de energie și schimbările metabolice asociate.

Caracteristicile diferitelor surse metabolice de aprovizionare cu energie alimentară

Indicatori	Glucoză	Palmitat	Proteină
Eliberare de căldură, kcal:
Per 1 mol oxidat	673	2398	475
Per 1 g oxidat	3,74	9.30	5.40
Consumul de oxigen:
Molie	66,0	23,0	5.1
L.	134	515	114
Producția de dioxid de carbon:
Molie	66,0	16.0	4.1
L.	134	358	92
Producția de ATP, moli:	36	129	23 de ani
Costul produselor ATP:
Iad	18,7	18.3	20,7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4.00
Coeficientul respirator	1,00	0,70	0,81
Echivalentul energetic per 1 litru de oxigen utilizat	5.02	4,66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Etapele schimbului de energie

Deși disimilarea și sinteza structurilor proteinelor, grăsimilor și carbohidraților au trăsături caracteristice și forme specifice, există o serie de etape și modele fundamental comune în transformarea acestor substanțe diferite. În raport cu energia eliberată în timpul metabolismului, metabolismul energetic ar trebui împărțit în trei etape principale.

În faza I, moleculele mari de nutrienți sunt descompuse în unele mai mici în tractul gastrointestinal. Carbohidrații formează 3 hexoze (glucoză, galactoză, fructoză), proteinele - 20 de aminoacizi, grăsimile (trigliceride) - glicerol și acizi grași, precum și zaharuri mai rare (de exemplu, pentoze etc.). S-a calculat că, în medie, 17,5 tone de carbohidrați, 2,5 tone de proteine și 1,3 tone de grăsimi trec prin corpul uman pe parcursul vieții sale. Cantitatea de energie eliberată în faza I este nesemnificativă și se eliberează sub formă de căldură. Astfel, aproximativ 0,6% din energia totală este eliberată în timpul descompunerii polizaharidelor și proteinelor și 0,14% din grăsimi, care se formează în timpul descompunerii lor complete în produși metabolici finali. Prin urmare, importanța reacțiilor chimice din faza I constă în principal în pregătirea nutrienților pentru eliberarea efectivă a energiei.

În etapa a II-a, aceste substanțe suferă o descompunere suplimentară prin ardere incompletă. Rezultatul acestor procese - arderea incompletă - pare neașteptat. Dintre cele 25-30 de substanțe, pe lângă CO2 și H2O, se formează doar trei produse finale: acid α-cetoglutaric, acid oxaloacetic și acid acetic sub formă de acetil coenzimă A. Cantitativ, predomină acetil coenzima A. În faza a II-a, se eliberează aproximativ 30% din energia conținută în nutrienți.

În etapa a III-a, așa-numitul ciclu Krebs al acidului tricarboxilic, cei trei produși finali ai fazei a II-a sunt arse în dioxid de carbon și apă. În acest proces, se eliberează 60-70% din energia nutrienților. Ciclul Krebs este calea finală generală a descompunerii carbohidraților, proteinelor și grăsimilor. Este un fel de punct nodal în schimb, unde transformările diferitelor structuri converg și este posibilă tranziția reciprocă a reacțiilor sintetice.

Spre deosebire de etapa I - etapele hidrolizei în tractul gastrointestinal - în fazele II și III ale descompunerii substanțelor, nu se eliberează doar energie, ci și un tip special de acumulare a acesteia.

Reacții de schimb de energie

Conservarea energiei se realizează prin transformarea energiei rezultate din descompunerea alimentelor într-o formă specială de compuși chimici numiți compuși macroergici. Purtătorii acestei energii chimice în organism sunt diverși compuși ai fosforului, în care legătura reziduului de acid fosforic este legătura macroergică.

Locul principal în metabolismul energetic revine legăturii pirofosfatice cu structura acidului adenozin trifosfat. Sub forma acestui compus, 60 până la 70% din toată energia eliberată în timpul descompunerii proteinelor, grăsimilor și carbohidraților este utilizată în organism. Utilizarea energiei (oxidarea sub formă de ATP) are o mare importanță biologică, deoarece acest mecanism permite separarea locului și momentului eliberării energiei de consumul real al acesteia în timpul funcționării organelor. S-a calculat că în 24 de ore cantitatea de ATP formată și descompusă în organism este aproximativ egală cu greutatea corporală. Conversia ATP în ADP eliberează 41,84-50,2 kJ, sau 10-12 kcal.

Energia generată ca urmare a metabolismului este cheltuită pentru metabolismul de bază, adică pentru menținerea vieții într-o stare de repaus complet la o temperatură ambiantă de 20° C, pentru creștere (metabolism plastic), lucrul muscular și pentru digestia și asimilarea alimentelor (acțiunea dinamică specifică a alimentelor). Există diferențe în ceea ce privește cheltuielile de energie generate ca urmare a metabolismului la adulți și copii.

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

BX

La un copil, ca la toate mamiferele născute imature, există o creștere inițială a metabolismului bazal cu 1 an și jumătate, care apoi continuă să crească constant în termeni absoluți și scade la fel de regulat pe unitatea de masă corporală.

Adesea, se folosesc metode de calcul pentru a calcula rata metabolică bazală. Formulele sunt de obicei orientate către indicatori de lungime sau greutate corporală.

Calcularea ratei metabolice bazale folosind greutatea corporală (kcal/zi). Recomandări FAO/OMS

Vârstă	Băieți	Fete
0-2 ani	60.9 R-54	61 R - 51
3-9 ani	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

Energia totală primită odată cu alimentele este distribuită pentru a asigura metabolismul de bază, acțiunea dinamică specifică a alimentelor, pierderea de căldură asociată cu excreția, activitatea fizică (motorie) și creșterea. În structura distribuției energiei, adică a metabolismului energetic, se face distincție între:

• Energia primită (din alimente) = Energia depusă + Energia utilizată.
• Energie absorbită = Energie primită - Energie excretată prin excremente.
• Energie metabolizată = Energie primită - Energie de întreținere (viață) și activitate sau „costuri de bază”.
• Energia costurilor principale este egală cu suma:
  • rata metabolică bazală;
  • termoreglare;
  • efectul de încălzire al alimentelor (FEM);
  • costurile activității;
  • costurile sintetizării de noi țesuturi.
• Energia de depunere este energia cheltuită pentru depunerea proteinelor și grăsimilor. Glicogenul nu este luat în considerare, deoarece depunerea sa (1%) este nesemnificativă.
• Energie depusă = Energie metabolizată - Energie a cheltuielilor de bază.
• Costul energetic al creșterii = Energia de sinteză a noilor țesuturi + Energia depusă în noul țesut.

Principalele diferențe de vârstă rezidă în relația dintre costurile creșterii și, într-o măsură mai mică, ale activității.

Caracteristici legate de vârstă ale distribuției cheltuielilor energetice zilnice (kcal/kg)

Vârstă	BX	SDDP	Pierderi prin excreție	Activitate	Înălţime	Total
Prematur	60	7	20	15	50	152
8 săptămâni	55 de ani	7	11	17 ani	20	110
10 luni	55 de ani	7	11	17 ani	20	110
4 ani	40	6	8	25	8-10	87-89
14 ani	35 de ani	6	6	20	14	81
Adult	25	6	6	10	0	47

După cum puteți vedea, costurile de creștere sunt foarte semnificative pentru un nou-născut cu greutate mică și în primul an de viață. În mod firesc, acestea pur și simplu lipsesc la un adult. Activitatea fizică creează cheltuieli energetice semnificative chiar și la un nou-născut și sugar, unde se manifestă prin suptul sânului, neliniște, plâns și țipete.

Când un copil este neliniștit, cheltuielile energetice cresc cu 20-60%, iar când țipă - de 2-3 ori. Bolile au propriile cerințe privind cheltuielile energetice. Acestea cresc în special odată cu creșterea temperaturii corpului (pentru o creștere de 1°C, creșterea metabolismului este de 10-16%).

Spre deosebire de adulți, copiii cheltuiesc multă energie pentru creștere (metabolism plastic). Acum s-a stabilit că pentru a acumula 1 g de masă corporală, adică țesut nou, este necesar să se cheltuiască aproximativ 29,3 kJ, sau 7 kcal. Următoarea estimare este mai precisă:

• „Costul” energetic al creșterii = Energia de sinteză + Energia depunerii în țesutul nou.

La un copil prematur, cu greutate mică, energia de sinteză este de la 1,3 la 5 kJ (de la 0,3 la 1,2 kcal) per 1 g adăugat la greutatea corporală. La un copil născut la termen - 1,3 kJ (0,3 kcal) per 1 g de greutate corporală nouă.

Costul total al energiei pentru creștere:

• până la 1 an = 21 kJ (5 kcal) per 1 g de țesut nou,
• după 1 an = 36,5-50,4 kJ (8,7-12 kcal) per 1 g de țesut nou sau aproximativ 1% din energia totală a conținutului de nutrienți.

Întrucât intensitatea creșterii la copii variază în diferite perioade, ponderea metabolismului plastic în cheltuielile energetice totale este diferită. Cea mai intensă creștere este în perioada intrauterină de dezvoltare, când masa embrionului uman crește de 1 miliard 20 de milioane de ori (1,02 x 109). Rata de creștere continuă să rămână destul de ridicată în primele luni de viață. Acest lucru este evidențiat de o creștere semnificativă a greutății corporale. Prin urmare, la copiii din primele 3 luni, ponderea metabolismului „plastic” în cheltuielile energetice este de 46%, apoi în primul an scade, dar de la 4 ani, și mai ales în perioada prepubertală, se observă o creștere a intensității creșterii, ceea ce se reflectă din nou în creșterea metabolismului plastic. În medie, 12% din necesarul energetic este cheltuit pentru creștere la copiii cu vârsta cuprinsă între 6 și 12 ani.

Costuri energetice pentru creștere

Vârstă	Greutate corporală, kg	Creștere în greutate, g/zi	Valoare energetică , kcal/zi	Valoare energetică , kcal/(kg-zi)	Ca procent din rata metabolică bazală
1 lună	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28 de ani	136	23 de ani	41
6 »	8.0	20	126	16	28 de ani
1 an	10.4	10	63	6	11
5 ani	17.6	5	32	2	4
14 ani, fete	47,5	18 ani	113	2	8
16 ani, băieți	54,0	18 ani	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Consumul de energie pentru pierderi greu de contabilizat

Pierderile dificil de explicat includ pierderile de grăsime, sucuri digestive și secreții produse în peretele tractului digestiv și al glandelor prin fecale, prin exfolierea celulelor epiteliale, prin desprinderea celulelor care acoperă pielea, părul, unghiile, prin transpirație și, la pubertate la fete - prin sângele menstrual. Din păcate, această problemă la copii a fost puțin studiată. Se crede că la copiii cu vârsta peste un an reprezintă aproximativ 8% din cheltuielile energetice.

[ 11 ]

Cheltuieli energetice pentru activitate și menținerea temperaturii corpului

Ponderea cheltuielilor energetice pentru activitate și menținerea temperaturii corpului se modifică odată cu vârsta copilului (după 5 ani, aceasta este inclusă în conceptul de lucru muscular). În primele 30 de minute după naștere, temperatura corpului unui nou-născut scade cu aproape 2° C, ceea ce provoacă cheltuieli energetice semnificative. La copiii mici, organismul copilului este obligat să cheltuiască 200,8-418,4 kJ/(kg • zi), sau 48-100 kcal/(kg • zi) pentru a menține o temperatură corporală constantă la o temperatură ambiantă sub cea critică (28...32° C) și activitate. Prin urmare, odată cu vârsta, cheltuielile energetice absolute pentru menținerea unei temperaturi corporale constante și a activității cresc.

Totuși, ponderea cheltuielilor energetice pentru menținerea unei temperaturi corporale constante la copiii din primul an de viață este cu atât mai mică cu cât copilul este mai mic. Apoi, cheltuielile energetice scad din nou, deoarece suprafața corporală la 1 kg de greutate corporală scade din nou. În același timp, cheltuielile energetice pentru activitate (munca musculară) cresc la copiii peste un an, când copilul începe să meargă, să alerge, să facă educație fizică sau sport independent.

Costul energetic al activității fizice

Tipul de mișcare	Calorii/min
Ciclism cu viteză mică	4.5
Ciclism cu viteză medie	7.0
Mersul pe bicicletă cu viteză mare	11.1
Dans	3,3-7,7
Fotbal	8.9
Exerciții de gimnastică la aparate	3.5
Alergare sprint	13,3-16,8
Alergare pe distanțe lungi	10.6
Patinaj pe gheață	11,5
Schi de fond la viteză moderată	10,8-15,9
Schi de fond la viteză maximă	18,6
Înot	11,0-14,0

La copiii cu vârsta cuprinsă între 6 și 12 ani, ponderea energiei cheltuite pentru activitatea fizică este de aproximativ 25% din necesarul energetic, iar la adulți - 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Acțiunea dinamică specifică a alimentelor

Efectul dinamic specific al alimentelor se modifică în funcție de natura dietei. Este mai pronunțat în cazul alimentelor bogate în proteine, mai puțin în cazul grăsimilor și carbohidraților. La copiii din al doilea an de viață, efectul dinamic specific al alimentelor este de 7-8%, la copiii mai mari - de peste 5%.

Costurile implementării și depășirii stresului

Aceasta este o direcție naturală a activității normale de viață și a cheltuielilor energetice. Procesul de adaptare la viață și socială, educația și sportul, formarea relațiilor interpersonale - toate acestea pot fi însoțite de stres și cheltuieli energetice suplimentare. În medie, aceasta reprezintă o doză suplimentară de 10% din „rația” energetică zilnică. În același timp, în cazul bolilor sau leziunilor acute și grave, nivelul cheltuielilor de stres poate crește destul de semnificativ, iar acest lucru necesită luarea în considerare la calcularea rației alimentare.

Datele privind creșterea necesarului de energie în timpul stresului sunt prezentate mai jos.

Statele	Schimbarea necesarului de energie
Arsuri în funcție de procentul de suprafață corporală arsă	+ 30...70%
Leziuni multiple cu ventilație mecanică	+ 20...30%
Infecții severe și traumatisme multiple	+ 10...20%
Perioada postoperatorie, infecții ușoare, fracturi osoase	0... + 10%

Un dezechilibru energetic persistent (exces sau deficit) provoacă modificări ale greutății și lungimii corporale la toți indicii de vârstă de dezvoltare și biologici. Chiar și un deficit energetic moderat (4-5%) poate provoca o întârziere în dezvoltarea unui copil. Prin urmare, aportul de energie alimentară devine una dintre cele mai importante condiții pentru o creștere și o dezvoltare adecvate. Calculul acestui aport trebuie efectuat în mod regulat. Pentru majoritatea copiilor, recomandările privind energia totală din dieta zilnică pot servi drept repere pentru analiză; pentru unii copii cu afecțiuni speciale de sănătate sau condiții de viață, este necesar un calcul individual bazat pe suma tuturor componentelor consumatoare de energie. Următoarele metode de calculare a cheltuielilor energetice pot servi ca exemplu de utilizare a standardelor generale de vârstă de aport și posibilitatea unei corecții individuale a acestor standarde.

Metoda de calcul pentru determinarea ratei metabolice bazale

Până la 3 ani	3-10 ani	10-18 ani
Băieți
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Fete
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Cheltuieli suplimentare

Compensarea daunelor - rata metabolică bazală se înmulțește: pentru intervenții chirurgicale minore - cu 1,2; pentru traumatisme scheletice - cu 1,35; pentru sepsis - cu 1,6; pentru arsuri - cu 2,1.

Acțiunea dinamică specifică a alimentelor: + 10% din rata metabolică bazală.

Activitate fizică: imobilizat la pat + 10% din rata metabolică bazală; stat pe scaun + 20% din rata metabolică bazală; pacient internat într-o secție de spital + 30% din rata metabolică bazală.

Costurile febrei: pentru fiecare 1°C de creștere medie zilnică a temperaturii corporale +10-12% din rata metabolică bazală.

Creștere în greutate: până la 1 kg/săptămână + 1260 kJ (300 kcal) pe zi.

Se acceptă formarea unor standarde de aprovizionare cu energie a populației în funcție de vârstă. Multe țări au astfel de standarde. Toate rațiile alimentare ale grupurilor organizate sunt elaborate pe baza acestora. Rațiile alimentare individuale sunt, de asemenea, verificate în funcție de acestea.

Recomandări privind valoarea energetică a nutriției pentru copiii de la vârsta fragedă până la 11 ani

	0-2 luni	3-5 luni	6-11 luni	1-3 ani	3-7 ani	7-10 ani
Energie, totală, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energie, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Recomandări pentru standardizarea energetică (kcal/(kg • zi))

Vârstă, luni	FAO/OMS (1985)	ONU (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

Calculul și corectarea metabolismului energetic au ca scop eliminarea deficiențelor principalilor purtători de energie, adică în principal carbohidrați și grăsimi. În același timp, utilizarea acestor purtători în scopurile specificate este posibilă numai cu luarea în considerare și corectarea aportului multor micronutrienți însoțitori fundamental necesari. Astfel, este deosebit de important să se prescrie potasiu, fosfați, vitamine B, în special tiamină și riboflavină, uneori carnitină, antioxidanți etc. Nerespectarea acestei condiții poate provoca afecțiuni incompatibile cu viața, care apar tocmai în cazul nutriției energetice intensive, în special parenterală.