Човешкият енергиен метаболизъм

„Човешкото тяло е „машина“, която може да освобождава химическа енергия, свързана в „горивото“ на храната; това „гориво“ са въглехидрати, мазнини, протеини и алкохол“ (СЗО).

Преференциалното използване на който и да е от изброените източници има различни характеристики по отношение на величината на енергийния обмен и свързаните с него метаболитни промени.

Характеристики на различни метаболитни източници на хранителна енергия

Индикатори	Глюкоза	Палмитат	Протеин
Отделяне на топлина, kcal:
На 1 мол окислено	673	2398	475
На 1 г окислено	3.74	9:30	5.40
Консумация на кислород:
Молец	66.0	23.0	5.1
Л	134	515	114
Производство на въглероден диоксид:
Молец	66.0	16.0	4.1
Л	134	358	92
Производство на АТФ, молове:	36	129	23
Цена на ATP продуктите:
Ад	18.7	18.3	20.7
V/d	3.72	3.99	4.96
С/д	3.72	2.77	4.00
Дихателен коефициент	1.00	0.70	0.81
Енергиен еквивалент на 1 литър използван кислород	5.02	4.66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Етапи на енергиен обмен

Въпреки че дисимилацията и синтезът на протеинови, мастни и въглехидратни структури имат характерни черти и специфични форми, съществуват редица фундаментално общи етапи и модели в трансформацията на тези различни вещества. По отношение на енергията, освобождавана по време на метаболизма, енергийният метаболизъм трябва да се раздели на три основни етапа.

Във фаза I, големите молекули хранителни вещества се разграждат на по-малки в стомашно-чревния тракт. Въглехидратите образуват 3 хексози (глюкоза, галактоза, фруктоза), протеините - 20 аминокиселини, мазнините (триглицериди) - глицерол и мастни киселини, както и по-редки захари (например пентози и др.). Изчислено е, че средно през човешкия организъм преминават 17,5 тона въглехидрати, 2,5 тона протеини и 1,3 тона мазнини по време на живота му. Количеството енергия, освободено във фаза I, е незначително и се отделя като топлина. Така около 0,6% от общата енергия се освобождава по време на разграждането на полизахаридите и протеините, а 0,14% от мазнините, които се образуват по време на пълното им разграждане до крайните метаболитни продукти. Следователно, значението на химичните реакции във фаза I се състои главно в подготовката на хранителните вещества за действителното освобождаване на енергия.

Във фаза II тези вещества претърпяват по-нататъшно разграждане чрез непълно изгаряне. Резултатът от тези процеси - непълно изгаряне - изглежда неочакван. От 25-30 вещества, освен CO2 и H2O, се образуват само три крайни продукта: α-кетоглутарова киселина, оксалооцетна киселина и оцетна киселина под формата на ацетил коензим А. Количествено преобладава ацетил коензим А. Във фаза II се освобождава около 30% от енергията, съдържаща се в хранителните вещества.

В етап III, т. нар. цикъл на трикарбоксилните киселини на Кребс, трите крайни продукта от фаза II се изгарят до въглероден диоксид и вода. В този процес се освобождава 60-70% от енергията на хранителните вещества. Цикълът на Кребс е общият краен път на разграждане на въглехидрати, протеини и мазнини. Той е своеобразна възлова точка в обмяната, където се сближават трансформациите на различни структури и е възможен взаимният преход на синтетични реакции.

За разлика от етап I - етапите на хидролиза в стомашно-чревния тракт - във фази II и III на разграждането на веществата се освобождава не само енергия, но и специален вид нейно натрупване.

Реакции на енергиен обмен

Запазването на енергията се постига чрез преобразуване на енергията от разграждането на храната в специална форма на химични съединения, наречени макроергични съединения. Носителите на тази химическа енергия в тялото са различни фосфорни съединения, в които връзката на остатъка от фосфорната киселина е макроергичната връзка.

Основното място в енергийния метаболизъм принадлежи на пирофосфатната връзка със структурата на аденозинтрифосфатната киселина. Под формата на това съединение в организма се използва от 60 до 70% от цялата енергия, освободена по време на разграждането на протеини, мазнини и въглехидрати. Използването на енергия (окисление под формата на АТФ) е от голямо биологично значение, тъй като този механизъм позволява да се раздели мястото и времето на освобождаване на енергията от нейното реално потребление по време на функционирането на органите. Изчислено е, че за 24 часа количеството образуван и разграден АТФ в тялото е приблизително равно на телесното тегло. Превръщането на АТФ в АДФ освобождава 41,84-50,2 kJ, или 10-12 kcal.

Енергията, генерирана в резултат на метаболизма, се изразходва за основния метаболизъм, т.е. за поддържане на живота в състояние на пълен покой при околна температура 20° C, за растеж (пластичен метаболизъм), мускулна работа и за смилане и усвояване на храната (специфично динамично действие на храната). Съществуват разлики в разхода на енергия, генерирана в резултат на метаболизма при възрастни и деца.

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

БХ

При дете, както при всички бозайници, родени незрели, има първоначално увеличение на основния метаболизъм с 1 1/2 години, което след това постоянно продължава да се увеличава в абсолютни стойности и също толкова редовно намалява на единица телесна маса.

Често се използват методи за изчисляване на базалния метаболизъм. Формулите обикновено са ориентирани към показатели за дължина или телесно тегло.

Изчисляване на базалната метаболитна скорост, използвайки телесното тегло (kcal/ден). Препоръки на ФАО/СЗО

Възраст	Момчета	Момичета
0-2 години	60.9 R-54	61 Р - 51
3-9 години	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

Общата енергия, получена с храната, се разпределя, за да осигури основния метаболизъм, специфичното динамично действие на храната, загубата на топлина, свързана с отделянето, физическата (двигателната) активност и растежа. В структурата на разпределението на енергията, т.е. енергийния метаболизъм, се прави разлика между:

• Получена енергия (от храната) = Депозирана енергия + Използвана енергия.
• Абсорбирана енергия = Приета енергия - Енергия, отделена с екскременти.
• Метаболизирана енергия = Получена енергия - Енергия за поддържане (живот) и дейност или „основни разходи“.
• Енергията на основните разходи е равна на сумата:
  • базална метаболитна скорост;
  • терморегулация;
  • затоплящ ефект на храната (WEF);
  • разходи за дейност;
  • разходите за синтезиране на нови тъкани.
• Енергията на отлагане е енергията, изразходвана за отлагане на протеини и мазнини. Гликогенът не се взема предвид, тъй като неговото отлагане (1%) е незначително.
• Депозирана енергия = Метаболизирана енергия - Енергия на основен разход.
• Енергийна цена на растежа = Енергия на синтез на нови тъкани + Енергия, отложена в нова тъкан.

Основните възрастови разлики се крият във връзката между разходите за растеж и, в по-малка степен, за активността.

Възрастови характеристики на разпределението на дневния енергиен разход (kcal/kg)

Възраст	БХ	СДП	Загуби от екскреция	Дейност	Височина	Общо
Преждевременно	60	7	20	15	50	152
8 седмици	55	7	11	17	20	110
10 месеца	55	7	11	17	20	110
4 години	40	6	8	25	8-10	87-89
14 години	35	6	6	20	14	81
Възрастен	25	6	6	10	0	47

Както виждате, разходите за растеж са много значителни за новородено с ниско тегло и през първата година от живота. Естествено, те просто липсват при възрастен. Физическата активност създава значителен разход на енергия дори при новородено и кърмаче, където нейното изразяване е сукане на гърда, безпокойство, плач и крясъци.

Когато детето е неспокойно, разходът на енергия се увеличава с 20-60%, а когато крещи - с 2-3 пъти. Болестите имат свои собствени изисквания към разхода на енергия. Те се увеличават особено с повишаване на телесната температура (за 1° C повишаване, увеличаването на метаболизма е 10-16%).

За разлика от възрастните, децата изразходват много енергия за растеж (пластичен метаболизъм). Вече е установено, че за натрупване на 1 g телесна маса, т.е. нова тъкан, е необходимо да се изразходват приблизително 29,3 kJ или 7 kcal. Следната оценка е по-точна:

• Енергийна „цена“ на растеж = Енергия на синтез + Енергия на отлагане в нова тъкан.

При недоносено бебе с ниско тегло енергията на синтеза е от 1,3 до 5 kJ (от 0,3 до 1,2 kcal) на 1 g добавено телесно тегло. При доносено бебе - 1,3 kJ (0,3 kcal) на 1 g ново телесно тегло.

Обща енергийна цена на растежа:

• до 1 година = 21 kJ (5 kcal) на 1 g нова тъкан,
• след 1 година = 36,5-50,4 kJ (8,7-12 kcal) на 1 g нова тъкан, или около 1% от общата енергия на хранителното съдържание.

Тъй като интензивността на растежа при децата варира в различните периоди, делът на пластичния метаболизъм в общия енергиен разход е различен. Най-интензивен растеж е във вътреутробния период на развитие, когато масата на човешкия ембрион се увеличава 1 милиард 20 милиона пъти (1,02 x 109). Темпът на растеж продължава да остава доста висок през първите месеци от живота. Това се доказва от значително увеличение на телесното тегло. Следователно, при децата от първите 3 месеца делът на „пластичния“ метаболизъм в енергийния разход е 46%, след това през първата година той намалява, но от 4-годишна възраст, и особено в предпубертетния период, се наблюдава увеличение на интензивността на растежа, което отново се отразява в увеличаването на пластичния метаболизъм. Средно 12% от енергийните нужди се изразходват за растеж при деца на възраст 6-12 години.

Разходи за енергия за растеж

Възраст	Телесно тегло, кг	Наддаване на тегло, г/ден	Енергийна стойност, kcal/ден	Енергийна стойност, kcal/(kg-ден)	Като процент от базалната метаболитна скорост
1 месец	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
1 година	10.4	10	63	6	11
5 години	17.6	5	32	2	4
14 години, момичета	47.5	18	113	2	8
16 години, момчета	54.0	18	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Консумация на енергия за трудноотчитаеми загуби

Загубите, които е трудно да се обяснят, включват загубите на мазнини, храносмилателни сокове и секрети, произвеждани в стената на храносмилателния тракт и жлезите с изпражненията, с ексфолиращи епителни клетки, с падащи покриващи клетки на кожата, косата, ноктите, с потта и при достигане на пубертета при момичетата - с менструалната кръв. За съжаление, този въпрос при децата почти не е проучен. Смята се, че при деца над една година това е около 8% от енергийния разход.

[ 11 ]

Разход на енергия за активност и поддържане на телесната температура

Делът на енергийните разходи за активност и поддържане на телесната температура се променя с възрастта на детето (след 5 години това се включва в понятието за мускулна работа). През първите 30 минути след раждането телесната температура на новороденото намалява с почти 2° C, което причинява значителен разход на енергия. При малките деца детският организъм е принуден да изразходва 200,8-418,4 kJ/(kg • ден), или 48-100 kcal/(kg • ден), за да поддържа постоянна телесна температура при температура на околната среда под критичната (28...32° C) и активност. Следователно, с възрастта абсолютният разход на енергия за поддържане на постоянна телесна температура и активност се увеличава.

Въпреки това, делът на енергийните разходи за поддържане на постоянна телесна температура при децата от първата година от живота е по-нисък, колкото по-малко е детето. След това енергийните разходи отново намаляват, тъй като телесната повърхност на 1 кг телесно тегло отново намалява. В същото време енергийните разходи за активност (мускулна работа) се увеличават при деца над една година, когато детето започне да ходи, тича, да се занимава с физическо възпитание или спорт самостоятелно.

Енергиен разход на физическа активност

Вид движение	Калории/мин
Колоездене с ниска скорост	4.5
Колоездене със средна скорост	7.0
Каране на велосипед с висока скорост	11.1
Танци	3.3-7.7
Футбол	8.9
Гимнастически упражнения на уред	3.5
Спринт бягане	13.3-16.8
Бягане на дълги разстояния	10.6
Кънки на лед	11.5
Ски бягане с умерена скорост	10.8-15.9
Ски бягане с максимална скорост	18.6
Плуване	11.0-14.0

При деца на възраст 6-12 години делът на енергията, изразходвана за физическа активност, е приблизително 25% от енергийните нужди, а при възрастни - 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Специфично динамично действие на храната

Специфичният динамичен ефект на храната се променя в зависимост от характера на диетата. Той е по-изразен при богата на протеини храна, по-слабо при мазнини и въглехидрати. При деца на втората година от живота специфичният динамичен ефект на храната е 7-8%, при по-големи деца - повече от 5%.

Разходи за внедряване и преодоляване на стреса

Това е естествена посока на нормална жизнена активност и разход на енергия. Процесът на жизнена и социална адаптация, образованието и спорта, формирането на междуличностни отношения - всичко това може да бъде съпроводено със стрес и допълнителен разход на енергия. Средно това са допълнителни 10% от дневната енергийна „дажба“. В същото време, при остри и тежки заболявания или травми, нивото на разход на стрес може да се увеличи доста значително и това изисква да се вземе предвид при изчисляването на хранителната дажба.

Данните за увеличаването на енергийните нужди по време на стрес са представени по-долу.

Щати	Промяна в енергийните нужди
Изгаряния в зависимост от процента на изгорената телесна повърхност	+ 30...70%
Множествени наранявания с механична вентилация	+ 20...30%
Тежки инфекции и множествени травми	+ 10...20%
Следоперативен период, леки инфекции, костни фрактури	0... + 10%

Постоянният енергиен дисбаланс (излишък или дефицит) причинява промени в телесното тегло и дължина при всички показатели за развитие и биологична възраст. Дори умерен енергиен дефицит (4-5%) може да причини забавяне в развитието на детето. Следователно, енергийното снабдяване с храната се превръща в едно от най-важните условия за адекватен растеж и развитие. Изчисляването на това снабдяване трябва да се извършва редовно. За повечето деца препоръките за общата енергия на дневния хранителен режим могат да служат като ориентири за анализ; за някои деца със специални здравословни проблеми или условия на живот е необходимо индивидуално изчисление, базирано на сумата от всички енергоемки компоненти. Следните методи за изчисляване на енергийния разход могат да послужат като пример за използване на общи възрастови стандарти за снабдяване и възможността за известна индивидуална корекция на тези стандарти.

Метод за изчисление за определяне на базалната метаболитна скорост

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

[ 14 ], [ 15 ]

Допълнителни разходи

Компенсация за щети - базалната метаболитна скорост се умножава: за лека хирургическа намеса - с 1,2; за скелетна травма - с 1,35; за сепсис - с 1,6; за изгаряния - с 2,1.

Специфично динамично действие на храната: + 10% от базалната метаболитна скорост.

Физическа активност: прикован на легло + 10% от базалния метаболизъм; седене на стол + 20% от базалния метаболизъм; пациент, настанен в болнично отделение + 30% от базалния метаболизъм.

Разходи за треска: за всеки 1°C от среднодневното повишаване на телесната температура +10-12% от базалната метаболитна скорост.

Наддаване на тегло: до 1 кг/седмица + 1260 kJ (300 kcal) на ден.

Прието е да се формират някои стандарти за енергийно осигуряване на населението, свързани с възрастта. Много страни имат такива стандарти. Всички хранителни дажби на организираните групи се разработват на тяхна основа. Индивидуалните хранителни дажби също се проверяват спрямо тях.

Препоръки за енергийната стойност на храненето за деца в ранна възраст и до 11 години

	0-2 месеца	3-5 месеца	6-11 месеца	1-3 години	3-7 години	7-10 години
Енергия, общо, kcal	-	-	-	1540 г.	1970 г.	2300
Енергия, ккал/кг	115	115	110	-	-	-

Препоръки за енергийна стандартизация (kcal/(kg • ден))

Възраст, месеци	ФАО/СЗО (1985 г.)	ООН (1996 г.)
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

Изчисляването и корекцията на енергийния метаболизъм са насочени към премахване на дефицитите на основните енергийни носители, т.е. преди всичко въглехидрати и мазнини. Същевременно използването на тези носители за посочените цели е възможно само с отчитане и коригиране на осигуряването на много фундаментално необходими съпътстващи микроелементи. По този начин е особено важно да се предписват калий, фосфати, витамини от група В, особено тиамин и рибофлавин, понякога карнитин, антиоксиданти и др. Неспазването на това условие може да причини състояния, несъвместими с живота, които възникват именно при интензивно енергийно хранене, особено парентерално.