Енергетичний обмін людини

«Людське тіло — це «машина», яка може вивільняти хімічну енергію, зв’язану з «пальним» їжі; цим «пальним» є вуглеводи, жири, білки та алкоголь» (ВООЗ).

Переважне використання будь-якого з перелічених джерел має різні характеристики з точки зору величини енергетичного обміну та пов'язаних з ним метаболічних зрушень.

Особливості різних метаболічних джерел енергетичного забезпечення їжі

Індикатори	Глюкоза	Пальмітат	Білок
Тепловиділення, ккал:
На 1 моль окисленого	673	2398	475
На 1 г окисленого	3.74	9.30	5.40
Споживання кисню:
Моль	66,0	23.0	5.1
Л	134	515	114
Виробництво вуглекислого газу:
Моль	66,0	16.0	4.1
Л	134	358	92
Виробництво АТФ, молі:	36	129	23
Вартість продукції АТФ:
Пекло	18.7	18.3	20.7
В/д	3.72	3.99	4.96
С/д	3.72	2.77	4.00
Дихальний коефіцієнт	1.00	0,70	0,81
Енергетичний еквівалент на 1 літр використаного кисню	5.02	4.66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Етапи енергетичного обміну

Хоча дисиміляція та синтез білкових, жирових та вуглеводних структур мають характерні особливості та специфічні форми, існує ряд принципово спільних стадій та закономірностей у перетворенні цих різних речовин. Стосовно енергії, що вивільняється під час метаболізму, енергетичний обмін слід розділити на три основні стадії.

У фазі I великі молекули поживних речовин розщеплюються на менші в шлунково-кишковому тракті. Вуглеводи утворюють 3 гексози (глюкозу, галактозу, фруктозу), білки – 20 амінокислот, жири (тригліцериди) – гліцерин та жирні кислоти, а також рідкісніші цукри (наприклад, пентози тощо). Підраховано, що в середньому за життя через організм людини проходить 17,5 тонн вуглеводів, 2,5 тонни білків та 1,3 тонни жирів. Кількість енергії, що вивільняється у фазі I, незначна, і вона виділяється у вигляді тепла. Таким чином, під час розщеплення полісахаридів та білків вивільняється близько 0,6% загальної енергії, а жирів – 0,14% – під час повного їх розщеплення до кінцевих продуктів метаболізму. Тому значення хімічних реакцій у фазі I полягає головним чином у підготовці поживних речовин до власне вивільнення енергії.

На II стадії ці речовини зазнають подальшого розщеплення шляхом неповного згоряння. Результат цих процесів – неповне згоряння – видається неочікуваним. З 25-30 речовин, крім CO2 та H2O, утворюються лише три кінцеві продукти: α-кетоглутарова кислота, щавлевооцтова кислота та оцтова кислота у формі ацетилкоферменту А. Кількісно переважає ацетилкофермент А. На II фазі вивільняється близько 30% енергії, що міститься в поживних речовинах.

На III стадії, так званому циклі трикарбонових кислот Кребса, три кінцеві продукти II фази спалюються до вуглекислого газу та води. У цьому процесі вивільняється 60-70% енергії поживних речовин. Цикл Кребса – це загальний кінцевий шлях розщеплення вуглеводів, білків та жирів. Він є своєрідною вузловою точкою в обміні, де сходяться перетворення різних структур і можливий взаємний перехід синтетичних реакцій.

На відміну від I стадії – стадій гідролізу в шлунково-кишковому тракті – у II та III фазах розщеплення речовин відбувається не тільки вивільнення енергії, але й особливий тип її накопичення.

Реакції енергетичного обміну

Збереження енергії досягається шляхом перетворення енергії розщеплення їжі на особливу форму хімічних сполук, які називаються макроергічними сполуками. Носіями цієї хімічної енергії в організмі є різні сполуки фосфору, в яких зв'язок залишку фосфорної кислоти є макроергічним зв'язком.

Основне місце в енергетичному обміні належить пірофосфатному зв'язку зі структурою аденозинтрифосфатної кислоти. У формі цієї сполуки в організмі використовується від 60 до 70% всієї енергії, що вивільняється під час розщеплення білків, жирів і вуглеводів. Використання енергії (окислення у формі АТФ) має велике біологічне значення, оскільки цей механізм дозволяє розділити місце та час вивільнення енергії та її фактичне споживання під час функціонування органів. Підраховано, що за 24 години кількість АТФ, що утворюється та розщеплюється в організмі, приблизно дорівнює масі тіла. Перетворення АТФ на АДФ вивільняє 41,84-50,2 кДж, або 10-12 ккал.

Енергія, що утворюється в результаті метаболізму, витрачається на основний обмін, тобто на підтримку життя в стані повного спокою за температури навколишнього середовища 20° C, на ріст (пластичний обмін), м'язову роботу та на перетравлення та засвоєння їжі (специфічна динамічна дія їжі). Існують відмінності у витратах енергії, що утворюється в результаті метаболізму, у дорослих та дітей.

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

БХ

У дитини, як і у всіх ссавців, що народжуються незрілими, спостерігається початкове збільшення основного обміну на 1 1/2 роки, яке потім неухильно продовжує зростати в абсолютному вираженні та так само регулярно зменшується на одиницю маси тіла.

Часто для розрахунку базального рівня метаболізму використовуються розрахункові методи. Формули зазвичай орієнтовані на показники або довжини, або маси тіла.

Розрахунок базального метаболізму з використанням маси тіла (ккал/день). Рекомендації ФАО/ВООЗ

Вік	Хлопчики	Дівчата
0-2 роки	60.9 Р-54	61 Р - 51
3-9 років	22,7 Р + 495	22,5 Р + 499
10-17 »	17,5 Р +651	12.2 Р +746
17-30»	15.3 Р +679	14,7 Р + 496

Загальна енергія, що надходить з їжею, розподіляється на забезпечення основного обміну, специфічної динамічної дії їжі, втрат тепла, пов'язаних з виділенням, фізичної (рухової) активності та росту. У структурі розподілу енергії, тобто енергетичного обміну, розрізняють:

• Отримана енергія (з їжі) = Відкладена енергія + Використана енергія.
• Поглинена енергія = Отримана енергія - Енергія, що виділяється з екскрементами.
• Метаболізована енергія = Отримана енергія - Енергія підтримки (життєдіяльності) та активності, або «базові витрати».
• Енергетична цінність основних витрат дорівнює сумі:
  • базальний рівень метаболізму;
  • терморегуляція;
  • зігрівальний ефект їжі (ЗЕП);
  • витрати на діяльність;
  • витрати на синтез нових тканин.
• Енергія відкладення – це енергія, витрачена на відкладення білка та жиру. Глікоген не враховується, оскільки його відкладення (1%) є незначним.
• Енергія, що депонується = Енергія, що метаболізується - Енергія основних витрат.
• Енергетичні витрати росту = Енергія синтезу нових тканин + Енергія, що відкладається в новій тканині.

Основні вікові відмінності полягають у співвідношенні між витратами на зростання та, меншою мірою, активністю.

Вікові особливості розподілу добових енергетичних витрат (ккал/кг)

Вік	БХ	СДП	Втрати з виділенням	Активність	Висота	Всього
Передчасний	60	7	20	15	50	152
8 тижнів	55	7	11	17 років	20	110
10 місяців	55	7	11	17 років	20	110
4 роки	40	6	8	25	8-10	87-89
14 років	35	6	6	20	14	81
Дорослий	25	6	6	10	0	47

Як бачите, витрати на ріст дуже значні для новонародженого з низькою вагою та протягом першого року життя. Природно, у дорослої людини вони просто відсутні. Фізична активність створює значні витрати енергії навіть у новонародженого та немовляти, де її вираженням є смоктання грудей, неспокій, плач та крик.

Коли дитина неспокійна, витрати енергії збільшуються на 20-60%, а коли вона кричить – у 2-3 рази. Захворювання висувають свої вимоги до витрат енергії. Вони особливо зростають зі збільшенням температури тіла (на 1°C збільшення обміну речовин становить 10-16%).

На відміну від дорослих, діти витрачають багато енергії на ріст (пластичний обмін). Зараз встановлено, що для накопичення 1 г маси тіла, тобто нової тканини, необхідно витратити приблизно 29,3 кДж, або 7 ккал. Точнішою є наступна оцінка:

• Енергетична «вартість» росту = Енергія синтезу + Енергія відкладення в новій тканині.

У недоношеної дитини з низькою вагою енергія синтезу становить від 1,3 до 5 кДж (від 0,3 до 1,2 ккал) на 1 г доданої маси тіла. У доношеної дитини - 1,3 кДж (0,3 ккал) на 1 г нової маси тіла.

Загальна вартість енергії для зростання:

• до 1 року = 21 кДж (5 ккал) на 1 г нової тканини,
• після 1 року = 36,5-50,4 кДж (8,7-12 ккал) на 1 г нової тканини, або близько 1% від загальної енергії вмісту поживних речовин.

Оскільки інтенсивність росту у дітей варіюється в різні періоди, то й частка пластичного обміну в загальних витратах енергії різна. Найбільш інтенсивний ріст спостерігається у внутрішньоутробному періоді розвитку, коли маса ембріона людини збільшується в 1 мільярд 20 мільйонів разів (1,02 x 109). Темпи росту продовжують залишатися досить високими в перші місяці життя. Про це свідчить значне збільшення маси тіла. Тому у дітей перших 3 місяців частка «пластичного» обміну в витратах енергії становить 46%, потім у перший рік вона зменшується, але з 4 років, і особливо в препубертатному періоді, спостерігається збільшення інтенсивності росту, що знову ж таки відображається на збільшенні пластичного обміну. У середньому у дітей віком 6-12 років на ріст витрачається 12% потреби в енергії.

Витрати енергії для зростання

Вік	Маса тіла, кг	Збільшення ваги, г/день	Енергетична цінність, ккал/день	Енергетична цінність, ккал/(кг-день)	У відсотках від базального рівня метаболізму
1 місяць	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
1 рік	10.4	10	63	6	11
5 років	17.6	5	32	2	4
14 років, дівчата	47,5	18 років	113	2	8
16 років, хлопці	54.0	18 років	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Споживання енергії для втрат, які важко врахувати

До втрат, які важко врахувати, належать втрати жиру, травних соків та секретів, що виробляються в стінці травного тракту та залоз, з калом, з відлущуючими епітеліальними клітинами, з відпаданням покривних клітин шкіри, волосся, нігтів, з потом, а після досягнення статевої зрілості у дівчаток – з менструальною кров’ю. На жаль, це питання у дітей майже не вивчене. Вважається, що у дітей старше одного року це близько 8% витрат енергії.

[ 11 ]

Витрати енергії на активність та підтримку температури тіла

Частка витрат енергії на активність та підтримку температури тіла змінюється з віком дитини (після 5 років це входить до поняття м'язової роботи). У перші 30 хвилин після народження температура тіла новонародженого знижується майже на 2° C, що зумовлює значні витрати енергії. У дітей раннього віку дитячий організм змушений витрачати 200,8-418,4 кДж/(кг • добу), або 48-100 ккал/(кг • добу) на підтримку постійної температури тіла при температурі навколишнього середовища нижче критичної (28...32° C) та активність. Тому з віком абсолютні витрати енергії на підтримку постійної температури тіла та активність зростають.

Однак, частка витрат енергії на підтримку постійної температури тіла у дітей першого року життя тим менша, чим менша дитина. Потім витрати енергії знову зменшуються, оскільки поверхня тіла на 1 кг маси тіла знову зменшується. Водночас витрати енергії на активність (м'язову роботу) зростають у дітей старше одного року, коли дитина починає ходити, бігати, займатися фізкультурою чи спортом самостійно.

Енергетичні витрати фізичної активності

Тип руху	Кал/хв
Велоспорт на низькій швидкості	4.5
Велоспорт на середній швидкості	7.0
Їзда на велосипеді на великій швидкості	11.1
Танці	3.3-7.7
Футбол	8.9
Гімнастичні вправи на снарядах	3.5
Спринт-біг	13,3-16,8
Біг на довгі дистанції	10.6
Ковзанка на ковзанах	11.5
Катання на лижах по пересіченій місцевості на помірній швидкості	10,8-15,9
Катання на лижах на максимальній швидкості	18.6
Плавання	11.0-14.0

У дітей віком 6-12 років частка енергії, що витрачається на фізичну активність, становить приблизно 25% від енергетичної потреби, а у дорослих – 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Специфічна динамічна дія їжі

Питомий динамічний ефект їжі змінюється залежно від характеру раціону. Він більш виражений з їжею, багатою на білки, менш виражений з жирами та вуглеводами. У дітей другого року життя питомий динамічний ефект їжі становить 7-8%, у дітей старшого віку - більше 5%.

Витрати на впровадження та подолання стресу

Це природний напрямок нормальної життєдіяльності та енерговитрат. Процес життєвої та соціальної адаптації, навчання та спорт, формування міжособистісних стосунків – все це може супроводжуватися стресом та додатковими енерговитратами. В середньому це додаткові 10% від добового енергетичного «пайка». Водночас, при гострих та важких захворюваннях або травмах рівень стресових витрат може досить значно зрости, і це вимагає врахування при розрахунку харчового раціону.

Дані щодо збільшення потреб в енергії під час стресу представлені нижче.

Штати	Зміна потреби в енергії
Опіки залежно від відсотка обпаленої поверхні тіла	+ 30...70%
Множинні травми при штучній вентиляції легень	+ 20...30%
Важкі інфекції та множинні травми	+ 10...20%
Післяопераційний період, легкі інфекції, переломи кісток	0... + 10%

Стійкий енергетичний дисбаланс (надлишок або дефіцит) викликає зміни маси тіла та довжини за всіма показниками розвитку та біологічного віку. Навіть помірний дефіцит енергії (4-5%) може спричинити затримку розвитку дитини. Тому енергетичне забезпечення їжі стає однією з найважливіших умов для адекватного росту та розвитку. Розрахунок цього забезпечення необхідно проводити регулярно. Для більшості дітей рекомендації щодо загальної енергії добового раціону можуть служити орієнтирами для аналізу; для деяких дітей з особливими станами здоров'я або умовами проживання потрібен індивідуальний розрахунок, заснований на сумі всіх енергоємних компонентів. Наведені нижче методи розрахунку енергетичних витрат можуть служити прикладом використання загальних вікових норм забезпечення та можливості деякої індивідуальної корекції цих норм.

Метод розрахунку для визначення базального рівня метаболізму

До 3 років	3-10 років	10-18 років
Хлопчики
X = 0,249 кг - 0,127	X = 0,095 кг + 2,110	X = 0,074 кг + 2,754
Дівчата
X = 0,244 кг - 0,130	X = 0,085 кг + 2,033	X = 0,056 кг + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Додаткові витрати

Компенсація пошкоджень – основний рівень метаболізму множиться: при незначних хірургічних втручаннях – на 1,2; при травмах скелета – на 1,35; при сепсисі – на 1,6; при опіках – на 2,1.

Питома динамічна дія їжі: + 10% від основного рівня метаболізму.

Фізична активність: прикутий до ліжка + 10% від базального метаболізму; сидячи на стільці + 20% від базального метаболізму; пацієнт перебуває в лікарняній палаті + 30% від базального метаболізму.

Витрати, пов'язані з лихоманкою: на кожен 1°C середньодобового підвищення температури тіла +10-12% від основного рівня метаболізму.

Збільшення ваги: до 1 кг/тиждень + 1260 кДж (300 ккал) на день.

Прийнято формувати певні стандарти енергетичного забезпечення населення з урахуванням віку. Такі стандарти існують у багатьох країнах. На їх основі розробляються всі продовольчі раціони організованих груп. Індивідуальні продовольчі раціони також перевіряються на їх відповідність.

Рекомендації щодо енергетичної цінності харчування для дітей раннього віку та до 11 років

	0-2 місяці	3-5 місяців	6-11 місяців	1-3 роки	3-7 років	7-10 років
Енергетична цінність, загальна, ккал	-	-	-	1540	1970 рік	2300
Енергетична цінність, ккал/кг	115	115	110	-	-	-

Рекомендації щодо стандартизації енергії (ккал/(кг • день))

Вік, місяці	ФАО/ВООЗ (1985)	ООН (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

Розрахунок та корекція енергетичного обміну спрямовані на усунення дефіциту основних енергоносіїв, тобто насамперед вуглеводів та жирів. Водночас використання цих носіїв для зазначених цілей можливе лише з урахуванням та корекцією забезпечення багатьма принципово необхідними супутніми мікронутрієнтами. Так, особливо важливо призначати калій, фосфати, вітаміни групи В, особливо тіамін та рибофлавін, іноді карнітин, антиоксиданти тощо. Недотримання цієї умови може спричинити стани, несумісні з життям, які виникають саме при інтенсивному енергетичному харчуванні, особливо парентеральному.