Ljudski energetski metabolizam

„Ljudsko tijelo je 'stroj' koji može osloboditi kemijsku energiju vezanu u 'gorivu' hrane; to 'gorivo' su ugljikohidrati, masti, proteini i alkohol“ (WHO).

Preferencijalno korištenje bilo kojeg od navedenih izvora ima različite karakteristike u smislu veličine energetske izmjene i povezanih metaboličkih promjena.

Značajke različitih metaboličkih izvora opskrbe energijom iz hrane

Pokazatelji	Glukoza	Palmitat	Protein
Oslobađanje topline, kcal:
Po 1 molu oksidiranog	673	2398	475
Po 1 g oksidiranog	3,74	9.30	5.40
Potrošnja kisika:
Moljac	66,0	23,0	5.1
L	134	515	114
Proizvodnja ugljičnog dioksida:
Moljac	66,0	16,0	4.1
L	134	358	92
Proizvodnja ATP-a, molovi:	36	129	23
Cijena ATP proizvoda:
Pakao	18,7	18.3	20,7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4,00
Respiratorni kvocijent	1,00	0,70	0,81
Ekvivalent energije po 1 litri upotrijebljenog kisika	5.02	4,66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Faze izmjene energije

Iako disimilacija i sinteza proteinskih, masnih i ugljikohidratnih struktura imaju karakteristična obilježja i specifične oblike, postoji niz temeljno zajedničkih faza i obrazaca u transformaciji tih različitih tvari. U odnosu na energiju oslobođenu tijekom metabolizma, energetski metabolizam treba podijeliti u tri glavne faze.

U fazi I, velike molekule hranjivih tvari razgrađuju se na manje u gastrointestinalnom traktu. Ugljikohidrati tvore 3 heksoze (glukoza, galaktoza, fruktoza), proteini - 20 aminokiselina, masti (trigliceridi) - glicerol i masne kiseline, kao i rjeđi šećeri (npr. pentoze itd.). Izračunato je da u prosjeku kroz ljudski organizam tijekom života prođe 17,5 tona ugljikohidrata, 2,5 tona proteina i 1,3 tone masti. Količina energije oslobođene u fazi I je neznatna, a oslobađa se kao toplina. Dakle, oko 0,6% ukupne energije oslobađa se tijekom razgradnje polisaharida i proteina, a 0,14% masti, koje nastaju tijekom njihove potpune razgradnje do konačnih metaboličkih produkata. Stoga se značaj kemijskih reakcija u fazi I sastoji uglavnom u pripremi hranjivih tvari za stvarno oslobađanje energije.

U fazi II, te tvari podliježu daljnjoj razgradnji nepotpunim izgaranjem. Rezultat tih procesa - nepotpuno izgaranje - čini se neočekivanim. Od 25-30 tvari, osim CO2 i H2O, nastaju samo tri krajnja produkta: α-ketoglutarna kiselina, oksalooctena kiselina i octena kiselina u obliku acetil koenzima A. Kvantitativno, acetil koenzim A prevladava. U fazi II oslobađa se oko 30% energije sadržane u hranjivim tvarima.

U fazi III, takozvanom Krebsovom ciklusu trikarboksilne kiseline, tri krajnja produkta faze II sagorijevaju se do ugljikovog dioksida i vode. U tom procesu oslobađa se 60-70% energije hranjivih tvari. Krebsov ciklus je opći konačni put razgradnje ugljikohidrata, proteina i masti. To je svojevrsna čvorna točka u izmjeni, gdje se konvergiraju transformacije različitih struktura i moguć je međusobni prijelaz sintetskih reakcija.

Za razliku od I. faze - faza hidrolize u gastrointestinalnom traktu - u II. i III. fazi razgradnje tvari ne oslobađa se samo energija, već i posebna vrsta njezine akumulacije.

Reakcije izmjene energije

Očuvanje energije postiže se pretvaranjem energije razgradnje hrane u poseban oblik kemijskih spojeva koji se nazivaju makroergični spojevi. Nosioci te kemijske energije u tijelu su različiti spojevi fosfora, u kojima je veza ostatka fosforne kiseline makroergična veza.

Glavno mjesto u energetskom metabolizmu pripada pirofosfatnoj vezi sa strukturom adenozin trifosfatne kiseline. U obliku ovog spoja, u tijelu se koristi 60 do 70% sve energije oslobođene tijekom razgradnje proteina, masti i ugljikohidrata. Korištenje energije (oksidacija u obliku ATP-a) od velike je biološke važnosti, budući da ovaj mehanizam omogućuje odvajanje mjesta i vremena oslobađanja energije od njezine stvarne potrošnje tijekom funkcioniranja organa. Izračunato je da je u 24 sata količina ATP-a nastalog i razgrađenog u tijelu približno jednaka tjelesnoj težini. Pretvorbom ATP-a u ADP oslobađa se 41,84-50,2 kJ, odnosno 10-12 kcal.

Energija nastala kao rezultat metabolizma troši se na osnovni metabolizam, tj. na održavanje života u stanju potpunog mirovanja na temperaturi okoline od 20° C, na rast (plastični metabolizam), mišićni rad te na probavu i asimilaciju hrane (specifično dinamičko djelovanje hrane). Postoje razlike u trošenju energije nastale kao rezultat metabolizma kod odraslih i djece.

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

BX

Kod djeteta, kao i kod svih sisavaca rođenih nezrelih, dolazi do početnog povećanja bazalnog metabolizma za 1 1/2 godine, koji se zatim stalno povećava u apsolutnom iznosu i jednako redovito smanjuje po jedinici tjelesne mase.

Često se za izračun bazalnog metabolizma koriste metode izračuna. Formule su obično orijentirane na pokazatelje duljine ili tjelesne težine.

Izračun bazalnog metabolizma korištenjem tjelesne težine (kcal/dan). Preporuke FAO/WHO

Dob	Dječaci	Djevojke
0-2 godine	60.9 R-54	61 R - 51
3-9 godina	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

Ukupna energija primljena hranom raspoređuje se kako bi se osigurao bazni metabolizam, specifično dinamičko djelovanje hrane, gubitak topline povezan s izlučivanjem, tjelesna (motorička) aktivnost i rast. U strukturi raspodjele energije, tj. energetskog metabolizma, razlikuje se:

• Primljena energija (iz hrane) = Deponirana energija + Potrošena energija.
• Apsorbirana energija = Primljena energija - Energija izlučena izmetom.
• Metabolizirana energija = Primljena energija - Energija održavanja (života) i aktivnosti ili "osnovni troškovi".
• Energija glavnih troškova jednaka je zbroju:
  • bazalni metabolizam;
  • termoregulacija;
  • zagrijavajući učinak hrane (WEF);
  • troškovi aktivnosti;
  • troškovi sinteze novih tkiva.
• Energija taloženja je energija utrošena na taloženje proteina i masti. Glikogen se ne uzima u obzir, budući da je njegovo taloženje (1%) zanemarivo.
• Deponirana energija = Metabolizirana energija - Energija osnovnog utroška.
• Energetski trošak rasta = Energija sinteze novih tkiva + Energija deponirana u novom tkivu.

Glavne dobne razlike leže u odnosu između troškova rasta i, u manjoj mjeri, aktivnosti.

Značajke raspodjele dnevne potrošnje energije (kcal/kg) povezane s dobi

Dob	BX	SDDP	Gubici izlučivanjem	Aktivnost	Visina	Ukupno
Prijevremeno	60	7	20	15	50	152
8 tjedana	55	7	11	17	20	110
10 mjeseci	55	7	11	17	20	110
4 godine	40	6	8	25	8-10	87-89
14 godina	35	6	6	20	14	81
Odrasla osoba	25	6	6	10	0	47

Kao što vidite, troškovi rasta su vrlo značajni za novorođenče niske težine i tijekom prve godine života. Naravno, kod odrasle osobe jednostavno izostaju. Tjelesna aktivnost stvara značajan utrošak energije čak i kod novorođenčeta i dojenčeta, gdje se izražava sisanjem dojke, nemirom, plačem i vrištanjem.

Kada je dijete nemirno, potrošnja energije se povećava za 20-60%, a kada vrišti - za 2-3 puta. Bolesti postavljaju vlastite zahtjeve za potrošnju energije. Posebno se povećavaju s porastom tjelesne temperature (za porast od 1° C, povećanje metabolizma je 10-16%).

Za razliku od odraslih, djeca troše puno energije na rast (plastični metabolizam). Sada je utvrđeno da je za nakupljanje 1 g tjelesne mase, tj. novog tkiva, potrebno potrošiti približno 29,3 kJ, odnosno 7 kcal. Sljedeća procjena je točnija:

• Energetski "trošak" rasta = Energija sinteze + Energija taloženja u novom tkivu.

Kod nedonoščadi, niske tjelesne težine, energija sinteze iznosi od 1,3 do 5 kJ (od 0,3 do 1,2 kcal) na 1 g dodanog tjelesnoj težini. Kod donošene bebe - 1,3 kJ (0,3 kcal) na 1 g nove tjelesne težine.

Ukupni energetski trošak rasta:

• do 1 godine = 21 kJ (5 kcal) po 1 g novog tkiva,
• nakon 1 godine = 36,5-50,4 kJ (8,7-12 kcal) po 1 g novog tkiva, ili oko 1% ukupne energije hranjivog sadržaja.

Budući da se intenzitet rasta kod djece razlikuje u različitim razdobljima, udio plastičnog metabolizma u ukupnoj potrošnji energije je različit. Najintenzivniji rast je u intrauterinom razdoblju razvoja, kada se masa ljudskog embrija povećava 1 milijardu 20 milijuna puta (1,02 x 109). Stopa rasta i dalje ostaje prilično visoka u prvim mjesecima života. To se očituje značajnim povećanjem tjelesne težine. Stoga je kod djece prva 3 mjeseca udio "plastičnog" metabolizma u potrošnji energije 46%, zatim u prvoj godini smanjuje se, ali od 4 godine, a posebno u predpubertetu, opaža se porast intenziteta rasta, što se opet odražava na porastu plastičnog metabolizma. U prosjeku se 12% energetskih potreba troši na rast kod djece u dobi od 6-12 godina.

Troškovi energije za rast

Dob	Tjelesna težina, kg	Dobitak na težini, g/dan	Energetska vrijednost, kcal/dan	Energetska vrijednost, kcal/(kg-dan)	Kao postotak bazalnog metabolizma
1 mjesec	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8,0	20	126	16	28
1 godina	10.4	10	63	6	11
5 godina	17,6	5	32	2	4
14 godina, djevojčice	47,5	18 godina	113	2	8
16 godina, dječaci	54,0	18 godina	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Potrošnja energije za teško obračunljive gubitke

Gubici koje je teško objasniti uključuju gubitke masti, probavnih sokova i sekreta koji se proizvode u stijenci probavnog trakta i žlijezda s izmetom, s eksfolirajućim epitelnim stanicama, s otpadanjem pokrovnih stanica kože, kose, noktiju, sa znojem i nakon dostizanja puberteta kod djevojčica - s menstrualnom krvlju. Nažalost, ovo pitanje kod djece jedva je proučavano. Smatra se da je kod djece starije od godinu dana to oko 8% potrošnje energije.

[ 11 ]

Potrošnja energije na aktivnost i održavanje tjelesne temperature

Udio utroška energije na aktivnost i održavanje tjelesne temperature mijenja se s djetetovom dobi (nakon 5 godina to je uključeno u koncept mišićnog rada). U prvih 30 minuta nakon rođenja tjelesna temperatura novorođenčeta smanjuje se za gotovo 2° C, što uzrokuje značajan utrošak energije. Kod male djece djetetov organizam je prisiljen potrošiti 200,8-418,4 kJ/(kg • dan), odnosno 48-100 kcal/(kg • dan) za održavanje konstantne tjelesne temperature pri temperaturi okoline ispod kritične (28...32° C) i aktivnosti. Stoga se s dobi povećava apsolutni utrošak energije za održavanje konstantne tjelesne temperature i aktivnosti.

Međutim, udio utroška energije na održavanje konstantne tjelesne temperature kod djece prve godine života je manji što je dijete manje. Zatim se utrošak energije ponovno smanjuje, budući da se površina tijela po 1 kg tjelesne težine ponovno smanjuje. Istovremeno, utrošak energije na aktivnost (mišićni rad) povećava se kod djece starije od godinu dana, kada dijete počinje samostalno hodati, trčati, baviti se tjelesnim odgojem ili sportom.

Energetski trošak tjelesne aktivnosti

Vrsta kretanja	Kal/min
Vožnja biciklom malom brzinom	4,5
Vožnja biciklom srednjom brzinom	7.0
Vožnja bicikla velikom brzinom	11.1
Ples	3,3-7,7
Nogomet	8,9
Gimnastičke vježbe na spravama	3,5
Sprint trčanje	13,3-16,8
Trčanje na duge staze	10.6
Klizanje na ledu	11,5
Skijaško trčanje umjerenom brzinom	10,8-15,9
Skijaško trčanje maksimalnom brzinom	18,6
Plivanje	11,0-14,0

Kod djece u dobi od 6 do 12 godina, udio energije potrošene na tjelesnu aktivnost iznosi otprilike 25% energetskih potreba, a kod odraslih - 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Specifično dinamičko djelovanje hrane

Specifični dinamički učinak hrane mijenja se ovisno o prirodi prehrane. Izraženiji je kod hrane bogate proteinima, manje kod masti i ugljikohidrata. Kod djece druge godine života specifični dinamički učinak hrane iznosi 7-8%, kod starije djece - više od 5%.

Troškovi implementacije i prevladavanje stresa

To je prirodan smjer normalne životne aktivnosti i potrošnje energije. Proces životne i socijalne prilagodbe, obrazovanje i sport, formiranje međuljudskih odnosa - sve to može biti popraćeno stresom i dodatnom potrošnjom energije. U prosjeku, to je dodatnih 10% dnevne energetske "obroke". Istovremeno, kod akutnih i teških bolesti ili ozljeda, razina potrošnje stresa može se prilično značajno povećati, a to zahtijeva razmatranje pri izračunu obroka hrane.

Podaci o povećanju energetskih potreba tijekom stresa prikazani su u nastavku.

Države	Promjena u energetskim potrebama
Opekline ovisno o postotku opečene površine tijela	+ 30...70%
Višestruke ozljede s mehaničkom ventilacijom	+ 20...30%
Teške infekcije i višestruke traume	+ 10...20%
Postoperativno razdoblje, blage infekcije, prijelomi kostiju	0... + 10%

Trajna neravnoteža energije (višak ili nedostatak) uzrokuje promjene u tjelesnoj težini i duljini u svim razvojnim i biološkim dobnim indeksima. Čak i umjereni nedostatak energije (4-5%) može uzrokovati zaostajanje u razvoju djeteta. Stoga, opskrba energijom iz hrane postaje jedan od najvažnijih uvjeta za adekvatan rast i razvoj. Izračun ove opskrbe mora se redovito provoditi. Za većinu djece, preporuke za ukupnu energiju dnevne prehrane mogu poslužiti kao mjerila za analizu; za neku djecu s posebnim zdravstvenim stanjima ili životnim uvjetima potreban je individualni izračun na temelju zbroja svih komponenti koje troše energiju. Sljedeće metode za izračun potrošnje energije mogu poslužiti kao primjer korištenja općih dobnih standarda opskrbe i mogućnosti određene individualne korekcije tih standarda.

Metoda izračuna za određivanje bazalnog metabolizma

Do 3 godine	3-10 godina	10-18 godina
Dječaci
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Djevojke
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Dodatni troškovi

Naknada štete - bazalni metabolizam se množi: za manje kirurške zahvate - s 1,2; za traumu skeleta - s 1,35; za sepsu - s 1,6; za opekline - s 2,1.

Specifično dinamičko djelovanje hrane: + 10% bazalnog metabolizma.

Tjelesna aktivnost: vezan za krevet + 10% bazalnog metabolizma; sjedenje na stolici + 20% bazalnog metabolizma; pacijent na bolničkom odjelu + 30% bazalnog metabolizma.

Troškovi vrućice: za svakih 1°C prosječnog dnevnog porasta tjelesne temperature +10-12% bazalnog metabolizma.

Dobitak na težini: do 1 kg/tjedno + 1260 kJ (300 kcal) dnevno.

Prihvaćeno je formirati neke standarde opskrbe energijom za stanovništvo vezane uz dob. Mnoge zemlje imaju takve standarde. Svi obroci hrane organiziranih skupina razvijaju se na njihovoj osnovi. Individualni obroci hrane također se provjeravaju u odnosu na njih.

Preporuke za energetsku vrijednost prehrane za djecu rane dobi i do 11 godina

	0-2 mjeseca	3-5 mjeseci	6-11 mjeseci	1-3 godine	3-7 godina	7-10 godina
Energija, ukupno, kcal	-	-	-	1540. godine	1970.	2300
Energija, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Preporuke za standardizaciju energije (kcal/(kg • dan))

Dob, mjeseci	FAO/WHO (1985.)	UN (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

Izračun i korekcija energetskog metabolizma usmjereni su na uklanjanje nedostataka glavnih nositelja energije, tj. prvenstveno ugljikohidrata i masti. Istovremeno, korištenje tih nositelja u navedene svrhe moguće je samo uz razmatranje i korekciju opskrbe mnogim temeljno potrebnim popratnim mikronutrijentima. Stoga je posebno važno propisati kalij, fosfate, vitamine B skupine, posebno tiamin i riboflavin, ponekad karnitin, antioksidanse itd. Nepoštivanje ovog uvjeta može uzrokovati stanja nespojiva sa životom, koja nastaju upravo kod intenzivne energetske prehrane, posebno parenteralne.