Človeški energijski metabolizem

»Človeško telo je 'stroj', ki lahko sprošča kemično energijo, vezano v 'gorivu' hrani; to 'gorivo' so ogljikovi hidrati, maščobe, beljakovine in alkohol.« (WHO)

Prednostna uporaba katerega koli od naštetih virov ima različne značilnosti glede obsega izmenjave energije in s tem povezanih presnovnih premikov.

Značilnosti različnih presnovnih virov oskrbe s hrano z energijo

Kazalniki	Glukoza	Palmitat	Beljakovine
Sproščanje toplote, kcal:
Na 1 mol oksidirane snovi	673	2398	475
Na 1 g oksidiranega	3,74	9.30	5,40
Poraba kisika:
Moljac	66,0	23,0	5.1
L	134	515	114
Proizvodnja ogljikovega dioksida:
Moljac	66,0	16,0	4.1
L	134	358	92
Proizvodnja ATP, moli:	36	129	23
Stroški izdelkov ATP:
Pekel	18,7	18,3	20,7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4,00
Dihalni količnik	1,00	0,70	0,81
Energijski ekvivalent na 1 liter porabljenega kisika	5,02	4,66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Faze izmenjave energije

Čeprav imata disimilacija in sinteza beljakovinskih, maščobnih in ogljikovih hidratnih struktur značilne lastnosti in specifične oblike, obstaja več temeljno skupnih stopenj in vzorcev pri transformaciji teh različnih snovi. Glede na energijo, ki se sprosti med presnovo, je treba energijsko presnovo razdeliti na tri glavne stopnje.

V fazi I se velike molekule hranil v prebavilih razgradijo na manjše. Ogljikovi hidrati tvorijo 3 heksoze (glukoza, galaktoza, fruktoza), beljakovine - 20 aminokislin, maščobe (trigliceridi) - glicerol in maščobne kisline, pa tudi redkejši sladkorji (na primer pentoze itd.). Izračunano je, da skozi človeško telo v življenju preide povprečno 17,5 tone ogljikovih hidratov, 2,5 tone beljakovin in 1,3 tone maščob. Količina energije, sproščene v fazi I, je zanemarljiva in se sprosti kot toplota. Tako se med razgradnjo polisaharidov in beljakovin sprosti približno 0,6 % celotne energije, med njihovo popolno razgradnjo do končnih presnovnih produktov pa 0,14 % maščob. Zato je pomen kemijskih reakcij v fazi I predvsem v pripravi hranil za dejansko sproščanje energije.

V drugi fazi se te snovi dodatno razgradijo z nepopolnim zgorevanjem. Rezultat teh procesov – nepopolno zgorevanje – se zdi nepričakovan. Od 25–30 snovi poleg CO2 in H2O nastanejo le trije končni produkti: α-ketoglutarna kislina, oksaloocetna kislina in ocetna kislina v obliki acetil koencima A. Kvantitativno prevladuje acetil koencim A. V drugi fazi se sprosti približno 30 % energije, ki jo vsebujejo hranila.

V tretji fazi, tako imenovanem Krebsovem ciklu trikarboksilne kisline, se trije končni produkti druge faze zgorejo v ogljikov dioksid in vodo. Pri tem procesu se sprosti 60–70 % energije hranil. Krebsov cikel je splošna končna pot razgradnje ogljikovih hidratov, beljakovin in maščob. Je nekakšna vozlišče v izmenjavi, kjer se zbližajo transformacije različnih struktur in je možen medsebojni prehod sintetičnih reakcij.

Za razliko od I. stopnje - stopenj hidrolize v prebavilih - se v II. in III. fazi razgradnje snovi ne sprošča le energija, temveč tudi posebna vrsta njenega kopičenja.

Reakcije izmenjave energije

Ohranjanje energije se doseže s pretvorbo energije razgradnje hrane v posebno obliko kemičnih spojin, imenovanih makroergične spojine. Nosilci te kemične energije v telesu so različne fosforjeve spojine, pri katerih je vez ostanka fosforne kisline makroergična vez.

Glavno mesto v energijskem metabolizmu ima pirofosfatna vez s strukturo adenozin trifosfatne kisline. V obliki te spojine se v telesu porabi od 60 do 70 % vse energije, ki se sprosti med razgradnjo beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov. Uporaba energije (oksidacija v obliki ATP) je zelo biološko pomembna, saj ta mehanizem omogoča ločevanje kraja in časa sproščanja energije od njene dejanske porabe med delovanjem organov. Izračunano je, da je v 24 urah količina ATP, ki nastane in se razgradi v telesu, približno enaka telesni teži. Pretvorba ATP v ADP sprosti 41,84–50,2 kJ oziroma 10–12 kcal.

Energija, ki nastane kot posledica presnove, se porabi za osnovni metabolizem, torej za ohranjanje življenja v stanju popolnega mirovanja pri temperaturi okolice 20° C, za rast (plastična presnova), mišično delo ter za prebavo in asimilacijo hrane (specifično dinamično delovanje hrane). Pri odraslih in otrocih obstajajo razlike v porabi energije, ki nastane kot posledica presnove.

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

BX

Pri otroku, tako kot pri vseh sesalcih, ki se rodijo nezreli, se bazalni metabolizem začetno poveča za 1 1/2 leta, nato pa se v absolutnem smislu vztrajno povečuje in prav tako redno zmanjšuje na enoto telesne mase.

Za izračun bazalnega metabolizma se pogosto uporabljajo računske metode. Formule so običajno usmerjene na kazalnike dolžine ali telesne teže.

Izračun bazalnega metabolizma z uporabo telesne teže (kcal/dan). Priporočila FAO/WHO

Starost	Fantje	Dekleta
0–2 leti	60,9 R-54	61 R - 51
3–9 let	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

Skupna energija, prejeta s hrano, se porazdeli tako, da zagotavlja osnovni metabolizem, specifično dinamično delovanje hrane, izgubo toplote, povezano z izločanjem, telesno (motorično) aktivnostjo in rastjo. V strukturi porazdelitve energije, tj. presnove energije, ločimo med:

• Prejeta energija (iz hrane) = odložena energija + porabljena energija.
• Absorbirana energija = Prejeta energija - Izločena energija z blatom.
• Presnovna energija = Prejeta energija - energija vzdrževanja (življenja) in aktivnosti ali "osnovni stroški".
• Energija glavnih stroškov je enaka vsoti:
  • bazalna presnova;
  • termoregulacija;
  • segrevalni učinek hrane (WEF);
  • stroški dejavnosti;
  • stroški sinteze novih tkiv.
• Energija odlaganja je energija, porabljena za odlaganje beljakovin in maščob. Glikogen se ne upošteva, saj je njegovo odlaganje (1 %) zanemarljivo.
• Deponirana energija = Presnovljena energija - Energija osnovne porabe.
• Stroški energije za rast = energija sinteze novih tkiv + energija, odložena v novem tkivu.

Glavne starostne razlike so v razmerju med stroški rasti in v manjši meri aktivnostjo.

Starostne značilnosti porazdelitve dnevne porabe energije (kcal/kg)

Starost	BX	SDDP	Izgube zaradi izločanja	Dejavnost	Višina	Skupaj
Prezgodnji	60	7	20	15	50	152
8 tednov	55	7	11	17	20	110
10 mesecev	55	7	11	17	20	110
4 leta	40	6	8	25	8–10	87–89
14 let	35	6	6	20	14	81
Odrasli	25	6	6	10	0	47

Kot lahko vidite, so stroški rasti zelo pomembni za novorojenčka z nizko telesno težo in v prvem letu življenja. Seveda jih pri odraslem preprosto ni. Telesna aktivnost povzroča znatno porabo energije že pri novorojenčku in dojenčku, kar se kaže v sesanju dojke, nemiru, joku in kričanju.

Ko je otrok nemiren, se poraba energije poveča za 20–60 %, ko kriči, pa za 2–3-krat. Bolezni imajo svoje zahteve glede porabe energije. Še posebej se povečajo z zvišanjem telesne temperature (za 1 °C se presnova pospeši za 10–16 %).

Za razliko od odraslih otroci porabijo veliko energije za rast (plastični metabolizem). Sedaj je ugotovljeno, da je za kopičenje 1 g telesne mase, tj. novega tkiva, potrebno porabiti približno 29,3 kJ oziroma 7 kcal. Naslednja ocena je natančnejša:

• Energijski "stroški" rasti = energija sinteze + energija odlaganja v novem tkivu.

Pri nedonošenčku z nizko telesno težo je energija sinteze od 1,3 do 5 kJ (od 0,3 do 1,2 kcal) na 1 g dodane telesne teže. Pri donošenčku - 1,3 kJ (0,3 kcal) na 1 g nove telesne teže.

Skupni stroški energije za rast:

• do 1 leta = 21 kJ (5 kcal) na 1 g novega tkiva,
• po 1 letu = 36,5–50,4 kJ (8,7–12 kcal) na 1 g novega tkiva oziroma približno 1 % celotne energije hranilne vrednosti.

Ker se intenzivnost rasti pri otrocih v različnih obdobjih razlikuje, je delež plastične presnove v skupni porabi energije različen. Najbolj intenzivna rast je v intrauterinem obdobju razvoja, ko se masa človeškega zarodka poveča za 1 milijardo 20 milijonov krat (1,02 x 109). Stopnja rasti ostaja v prvih mesecih življenja precej visoka. To se kaže v znatnem povečanju telesne teže. Zato je pri otrocih prvih 3 mesecev delež "plastične" presnove v porabi energije 46 %, nato se v prvem letu zmanjša, vendar od 4. leta starosti, zlasti v predpubertetnem obdobju, opazimo povečanje intenzivnosti rasti, kar se spet odraža v povečanju plastične presnove. V povprečju se pri otrocih, starih od 6 do 12 let, za rast porabi 12 % potreb po energiji.

Stroški energije za rast

Starost	Telesna teža, kg	Pridobivanje telesne teže, g/dan	Energijska vrednost, kcal/dan	Energijska vrednost, kcal/(kg-dan)	Kot odstotek bazalnega metabolizma
1 mesec	3,9	30	146	37	71
3 »	5,8	28	136	23	41
6 »	8,0	20	126	16	28
1 leto	10.4	10	63	6	11
5 let	17,6	5	32	2	4
14 let, dekleta	47,5	18	113	2	8
16 let, fantje	54,0	18	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Poraba energije za težko obračunljive izgube

Izgube, ki jih je težko upoštevati, vključujejo izgube maščob, prebavnih sokov in izločkov, ki nastajajo v steni prebavnega trakta in žlez z blatom, z luščečimi se epitelijskimi celicami, z odpadanjem pokrovnih celic kože, las, nohtov, z znojem in ob puberteti pri deklicah z menstrualno krvjo. Žal ta problematika pri otrocih skoraj ni raziskana. Menijo, da pri otrocih, starejših od enega leta, predstavlja približno 8 % porabe energije.

[ 11 ]

Poraba energije za aktivnost in vzdrževanje telesne temperature

Delež porabe energije za aktivnost in vzdrževanje telesne temperature se spreminja z otrokovo starostjo (po 5. letu je to vključeno v koncept mišičnega dela). V prvih 30 minutah po rojstvu se telesna temperatura novorojenčka zniža za skoraj 2° C, kar povzroči znatno porabo energije. Pri majhnih otrocih je otroško telo prisiljeno porabiti 200,8-418,4 kJ/(kg • dan) oziroma 48-100 kcal/(kg • dan) za vzdrževanje konstantne telesne temperature pri temperaturi okolice pod kritično (28...32° C) in aktivnost. Zato se s starostjo absolutna poraba energije za vzdrževanje konstantne telesne temperature in aktivnosti povečuje.

Vendar pa je delež porabe energije za vzdrževanje konstantne telesne temperature pri otrocih prvega leta življenja manjši, manjši kot je otrok. Nato se poraba energije ponovno zmanjša, saj se telesna površina na 1 kg telesne teže ponovno zmanjša. Hkrati se poraba energije za aktivnost (mišično delo) poveča pri otrocih, starejših od enega leta, ko otrok začne hoditi, teči, se samostojno ukvarjati s športom ali športom.

Stroški energije pri telesni dejavnosti

Vrsta gibanja	Kalorij/min
Kolesarjenje z nizko hitrostjo	4,5
Kolesarjenje s srednjo hitrostjo	7,0
Vožnja s kolesom z veliko hitrostjo	11.1
Ples	3,3–7,7
Nogomet	8,9
Gimnastične vaje na orodjih	3,5
Sprint tek	13,3–16,8
Tek na dolge proge	10,6
Drsanje na ledu	11,5
Tek na smučeh z zmerno hitrostjo	10,8–15,9
Tek na smučeh z največjo hitrostjo	18,6
Plavanje	11,0–14,0

Pri otrocih, starih od 6 do 12 let, je delež energije, porabljene za telesno aktivnost, približno 25 % energijskih potreb, pri odraslih pa 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Specifično dinamično delovanje hrane

Specifični dinamični učinek hrane se spreminja glede na naravo prehrane. Bolj izrazit je pri hrani, bogati z beljakovinami, manj pri maščobah in ogljikovih hidratih. Pri otrocih drugega leta življenja je specifični dinamični učinek hrane 7-8 %, pri starejših otrocih pa več kot 5 %.

Stroški izvedbe in premagovanja stresa

To je naravna smer normalne življenjske aktivnosti in porabe energije. Proces življenjskega in socialnega prilagajanja, izobraževanje in šport, oblikovanje medosebnih odnosov – vse to lahko spremljata stres in dodatna poraba energije. V povprečju je to dodatnih 10 % dnevnega energijskega »obroka«. Hkrati se lahko pri akutnih in hudih boleznih ali poškodbah raven porabe zaradi stresa precej poveča, kar je treba upoštevati pri izračunu prehranskega obroka.

Podatki o povečanih potrebah po energiji med stresom so predstavljeni spodaj.

Države	Sprememba potreb po energiji
Opekline, odvisno od odstotka ožgane telesne površine	+ 30...70 %
Večkratne poškodbe z mehansko ventilacijo	+ 20...30 %
Hude okužbe in večkratne travme	+ 10...20 %
Pooperativno obdobje, blage okužbe, zlomi kosti	0... + 10 %

Vztrajno energijsko neravnovesje (presežek ali pomanjkanje) povzroča spremembe telesne teže in dolžine pri vseh razvojnih in bioloških starostnih indeksih. Že zmerno energijsko pomanjkanje (4-5 %) lahko povzroči otrokov razvojni zaostanek. Zato je energijska oskrba s hrano eden najpomembnejših pogojev za ustrezno rast in razvoj. Izračun te oskrbe je treba izvajati redno. Za večino otrok lahko priporočila za skupno energijo dnevne prehrane služijo kot merila za analizo; za nekatere otroke s posebnimi zdravstvenimi težavami ali življenjskimi razmerami je potreben individualni izračun, ki temelji na vsoti vseh komponent, ki porabljajo energijo. Naslednje metode za izračun porabe energije lahko služijo kot primer uporabe splošnih starostnih standardov oskrbe in možnosti nekaterih individualnih popravkov teh standardov.

Metoda izračuna za določanje bazalnega metabolizma

Do 3 let	3–10 let	10–18 let
Fantje
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Dekleta
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Dodatni stroški

Nadomestilo škode - bazalni metabolizem se pomnoži: pri manjših kirurških posegih - z 1,2; pri travmi skeleta - z 1,35; pri sepsi - z 1,6; pri opeklinah - z 2,1.

Specifično dinamično delovanje hrane: + 10 % bazalnega metabolizma.

Telesna aktivnost: priklenjen na posteljo + 10 % bazalnega metabolizma; sedenje na stolu + 20 % bazalnega metabolizma; bolnik na bolnišničnem oddelku + 30 % bazalnega metabolizma.

Stroški vročine: za vsakih 1 °C povprečnega dnevnega povišanja telesne temperature +10–12 % bazalnega metabolizma.

Pridobivanje telesne teže: do 1 kg/teden + 1260 kJ (300 kcal) na dan.

Sprejeto je oblikovati nekatere standarde oskrbe prebivalstva z energijo, povezane s starostjo. Številne države imajo takšne standarde. Na njihovi podlagi so razviti vsi prehranski obroki organiziranih skupin. Z njimi se preverjajo tudi individualni prehranski obroki.

Priporočila za energijsko vrednost prehrane za otroke zgodnje starosti in do 11 let

	0–2 meseca	3–5 mesecev	6–11 mesecev	1–3 leta	3–7 let	7–10 let
Energija, skupno, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energija, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Priporočila za standardizacijo energije (kcal/(kg • dan))

Starost, meseci	FAO/WHO (1985)	ZN (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 in korekcija energijske presnove sta namenjena odpravljanju pomanjkanja glavnih nosilcev energije, torej predvsem ogljikovih hidratov in maščob. Hkrati je uporaba teh nosilcev za navedene namene mogoča le ob upoštevanju in korekciji zagotavljanja številnih bistveno potrebnih spremljajočih mikrohranil. Zato je še posebej pomembno predpisati kalij, fosfate, vitamine skupine B, zlasti tiamin in riboflavin, včasih karnitin, antioksidante itd. Neupoštevanje tega pogoja lahko povzroči stanja, nezdružljiva z življenjem, ki nastanejo prav pri intenzivni energijski prehrani, zlasti parenteralni.