Энергетический обмен человека

Этапы энергетического обмена

Хотя диссимиляция и синтез структур белков, жиров и углеводов имеют характерные особенности и специфические формы, однако в превращении этих различных веществ имеется ряд принципиально общих этапов и закономерностей. По отношению к высвобождаемой при обмене веществ энергии энергетический обмен следует подразделить на три основных этапа.

На I этапе в желудочно-кишечном тракте большие молекулы питательных веществ расщепляются на мелкие. Из углеводов образуются 3 гексозы (глюкоза, галактоза, фруктоза), из белков - 20 аминокислот, из жира (триглицеридов) - глицерин и жирные кислоты, а также более редкие сахара (например, пентозы и др.). Вычислено, что в среднем через организм человека за время его жизни проходит углеводов - 17,5 т, белков - 2,5 т, жиров - 1,3 т. Количество высвобождаемой энергии в I фазе незначительно, при этом она выделяется в виде тепла. Так, при расщеплении полисахаридов и белков высвобождается около 0,6%, жиров - 0,14% от общей энергии, которая образуется при их полном распаде до конечных продуктов обмена. Поэтому значение химических реакций I фазы состоит главным образом в подготовке питательных веществ к действительному высвобождению энергии.

На II этапе эти вещества подвергаются дальнейшему расщеплению путем неполного сгорания. Результат этих процессов - неполное сгорание - кажется неожиданным. Из 25-30 веществ образуются, кроме СО2 и Н2О, только три конечных продукта: α-кетоглутаровая, щавелевоуксусная кислота и уксусная кислота в виде ацетилкоэнзима А. Количественно при этом преобладает ацетилкоэнзим А. Во II фазе высвобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах.

На III этапе, так называемом цикле трикарбоновых кислот Кребса, три конечных продукта II фазы сгорают до углекислого газа и воды. При этом освобождается 60-70% энергии питательных веществ. Цикл Кребса является общим конечным путем расщепления как углеводов, так и белков и жиров. Это как бы узловой пункт в обмене, где сходятся превращения различных структур и возможен взаимопереход синтетических реакций.

В отличие от I этапа - этапы гидролиза в желудочно-кишечном тракте - во II и III фазах расщепления веществ происходит не только высвобождение энергии, но и особый вид ее накопления.

Реакции энергетического обмена

Сохранение энергии осуществляется за счет превращения энергии расщепления пищевых продуктов в особую форму химических соединений, называемых макроэргами. Носителями этой химической энергии в организме являются различные фосфорные соединения, в которых связь остатка фосфорной кислоты и является макроэргической связью.

Главное место в энергетическом обмене принадлежит пирофосфатной связи со структурой аденозинтрифосфорной кислоты. В форме этого соединения в организме используется от 60 до 70% всей энергии, высвобождающейся при распаде белков, жиров, углеводов. Использование энергии (окисления в форме АТФ) имеет большое биологическое значение, так как благодаря этому механизму возможно разъединение места и времени высвобождения энергии и ее фактического потребления в процессе функционирования органов. Подсчитано, что за 24 ч количество образующейся и расщепляющейся АТФ в организме приблизительно равно массе тела. Превращение АТФ в АДФ высвобождает 41,84-50,2 кДж, или 10-12 ккал.

Образующаяся в результате обмена веществ энергия расходуется на основной обмен, т. е. на поддержание жизни в состоянии полного покоя при температуре окружающего воздуха 20° С, на рост (пластический обмен), мышечную работу и на переваривание и усвоение пищи (специфически-динамическое действие пищи). Имеются различия в расходовании энергии, образующейся в результате обмена, у взрослого и ребенка.

[5], [6], [7], [8], [9], [10]

Основной обмен

У ребенка, как и у всех млекопитающих, рождающихся незрелыми, отмечается первоначальное повышение основного обмена к 1 1/2 годам, которое затем неуклонно продолжает повышаться в абсолютном выражении и столь же закономерно снижаться в расчете на единицу массы тела.

Нередко используют расчетные методы вычисления основного обмена. Формулы обычно ориентированы на показатели либо длины, либо массы тела.

Расчет основного обмена через массу тела (ккал/сут). Рекомендации ФАО / ВО3

Суммарная энергия, поступившая с пищей, распределяется на обеспечение основного обмена, специфически-динамическое действие пищи, потери тепла, связанные с экскрецией, физическую (двигательную) активность и рост. В структуре распределения энергии, то есть энергетического обмена различают:

• Энергия поступившая (из пищи) = Энергия депонированная + Энергия использованная.
• Энергия абсорбированная = Энергия поступившая - Энергия выведенная с экскрементами.
• Энергия метаболизируемая = Энергия поступившая - Энергия обеспечения (жизни) и активности, или «основных затрат».
• Энергия основных затрат равна сумме:
  • основного обмена;
  • терморегуляции;
  • согревающего эффекта пищи (СДДП);
  • затрат на активность;
  • затрат на синтез новых тканей.
• Энергия депонирования - энергия, затраченная на отложение белка и жира. Гликоген не учитывается, так как его отложение (1%) незначимо.
• Энергия депонирования = Энергия метаболизируемая - Энергия основных затрат.
• Энергия стоимости роста = Энергия синтеза новых тканей + Энергия, депонированная в новой ткани.

Главные возрастные различия заключаются в отношениях между затратами на рост и, в меньшей степени, на активность.

Возрастные особенности распределения суточных энерготрат (ккал/кг)

Как видно, затраты на рост имеют очень существенное значение для маловесного новорожденного и в течение первого года жизни. Естественно, что у взрослого человека они просто отсутствуют. Физическая активность создает значительные траты энергии даже у новорожденного и грудного ребенка, где ее выражением являются сосание груди, беспокойство, плач и крик.

При беспокойстве ребенка расход энергии возрастает на 20-60%, а при крике - в 2-3 раза. Заболевания предъявляют свои требования к затратам энергии. Особенно они возрастают при повышении температуры тела (на 1° С повышения увеличение обмена составляет 10-16%).

В отличие от взрослого человека, у детей много энергии затрачивается на рост (пластический обмен). В настоящее время установлено, что для накопления 1 г массы тела, т. е. новой ткани, необходимо затратить приблизительно 29,3 кДж, или 7 ккал. Более точной является следующая расчетная оценка:

• Энергетическая «стоимость» роста = Энергия синтеза + Энергия депонирования в новой ткани.

У недоношенного маловесного ребенка Энергия синтеза составляет от 1,3 до 5 кДж (от 0,3 до 1,2 ккал) на 1 г, прибавленный к массе тела. У доношенного - 1,3 кДж (0,3 ккал) на 1 г новой массы тела.

Общая энергетическая стоимость роста:

• до 1 года = 21 кДж (5 ккал) на 1 г новой ткани,
• после 1 года = 36,5-50,4 кДж (8,7-12 ккал) на 1 г новой ткани, или около 1% от общей энергии суммы питательных веществ.

Поскольку интенсивность роста у детей в различные периоды различается, то доля пластического обмена в общем расходовании энергии различна. Наиболее интенсивен рост во внутриутробном периоде развития, когда масса зародыша человека увеличивается в 1 млрд 20 млн раз (1,02хЮ9). Темп роста продолжает оставаться довольно высоким и в первые месяцы жизни. Об этом свидетельствует значительная прибавка массы тела. Поэтому у детей первых 3 мес доля «пластического» обмена в расходовании энергии составляет 46%, затем на первом году она снижается, однако с 4 лет, и особенно в препубертатный период, наблюдается увеличение интенсивности роста, что вновь отражается в виде увеличения пластического обмена. В среднем у детей 6-12 лет на рост расходуется 12% энергетической потребности.

Затраты энергии на рост

[11], [12]

Расход энергии на трудно учитываемые потери

К трудно учитываемым потерям относятся потери с фекалиями жира, пищеварительных соков и секретов, вырабатываемых в стенке пищеварительного тракта и в железах, со слущивающимися эпителиальными клетками, с отпадающими покровными клетками кожи, волосами, ногтями, с потом, а по достижении половой зрелости у девушек - с менструальной кровью. К сожалению, этот вопрос у детей почти не изучен. Полагают, что у детей старше года он составляет около 8% энергетических затрат.

[13], [14]

Расход энергии на активность и поддержание постоянства температуры тела

Доля расхода энергии на активность и поддержание температуры тела изменяется с возрастом ребенка (после 5 лет это входит в понятие мышечной работы). В первые 30 мин после рождения температура тела у новорожденного снижается почти на 2° С, что вызывает значительный расход энергии. У детей раннего возраста на поддержание постоянной температуры тела при температуре окружающей среды ниже критической (28...32° С) и активность организм ребенка вынужден тратить 200,8-418,4 кДж/(кг • сут), или 48-100 ккал/(кг • сут). Поэтому с возрастом увеличивается абсолютный расход энергии на поддержание постоянства температуры тела и активность.

Однако доля расхода энергии на поддержание постоянства температуры тела у детей первого года жизни тем ниже, чем меньше ребенок. Затем вновь происходит понижение расхода энергии, так как поверхность тела, отнесенная на 1 кг массы тела, вновь уменьшается. В то же время увеличивается расход энергии на активность (мышечную работу) у детей старше года, когда ребенок начинает самостоятельно ходить, бегать, заниматься физкультурой или спортом.

Энергетическая стоимость физической активности

У детей в возрасте 6-12 лет доля энергии, расходуемая на физическую активность, составляет приблизительно 25% от энергетической потребности, а у взрослого - 1/3.

[15], [16], [17], [18]

Специфически-динамическое действие пищи

Специфическидинамическое действие пищи изменяется в зависимости от характера питания. Сильнее оно выражено при богатой белками пище, менее - при приеме жиров и углеводов. У детей второго года жизни специфически-динамическое действие пищи составляет 7-8%, у детей более старшего возраста - выше 5%.

Расходы на реализацию и преодоление стресса

Это естественное направ-ление нормальной жизнедеятельности и энерготрат. Процесс жизни и социальной адаптации, обучение и спорт, формирование межчеловеческих отношений - все это может сопровождаться и стрессом, и дополнительными затратами энергии. В среднем это дополнительные 10% от суточного энергетического «пайка». Вместе с тем при острых и тяжелых заболеваниях или травмах уровень стрессорных затрат может возрастать весьма существенно, и это требует учета в расчете пищевого рациона.

Данные об увеличении энергетической потребности при стрессе приведены ниже.

Стойкий дисбаланс энергии (избыток или недостаток) вызывает изменение массы и длины тела при всех показателях развития и биологического возраста. Даже умеренная недостаточность энергии питания (4-5%) может стать причиной задержки развития ребенка. Поэтому пищевая энергетическая обеспеченность становится одним из важнейших условий адекватности роста и развития. Расчет этой обеспеченности необходимо осуществлять регулярно. У большинства детей ориентирами для анализа могут быть рекомендации по суммарной энергии суточного рациона, для некоторых детей с особым состоянием здоровья или условий жизни необходим индивидуальный расчет по сумме всех энергозатратных компонент. Примером использования общих возрастных стандартов обеспеченности и возможности некоторой индивидуальной коррекции этих стандартов могут служить приводимые ниже методы расчета энергозатрат.

Расчетный метод определения основного обмена

[19], [20], [21], [22]

Дополнительные расходы

Компенсация повреждения - основной обмен умножают: при малой хирургии - на 1,2; при скелетной травме - на 1,35; при сепсисе - на 1,6; при ожогах - на 2,1.

Специфически-динамическое действие пищи: + 10% от основного обмена.

Физическая активность: прикованность к постели + 10% от основного обмена; сидит в кресле + 20% от основного обмена; палатный режим больного + 30% от основного обмена.

Затраты на лихорадку: на 1° С среднесуточного повышения температуры тела +10-12% от основного обмена.

Прибавка массы тела: до 1 кг/нед + 1260 кДж (300 ккал) в день.

Принято формировать некоторые нормативы возрастного обеспечения энергией для населения. Многие страны имеют такие нормативы. На их основе разрабатывают все пищевые рационы организованных коллективов. С ними сверяют и индивидуальные рационы питания.

Рекомендации по энергетической ценности питания детей раннего возраста и до 11 лет

Рекомендации по нормированию энергии (ккал/(кг • сут))

Расчет и коррекция энергетического обмена ориентированы на ликвидацию дефицитов основных носителей энергии, т. е. прежде всего углеводов и жи ров. Вместе с тем использование в заданных целях этих носителей возможно только при учете и коррекции обеспеченности многими принципиально необходимыми сопутствующими микронутриентами. Так, особенно важно бывает назначение калия, фосфатов, витаминов группы В, особенно тиамина и рибофлавина, иногда карнитина, антиоксидантов и др. Несоблюдение этого условия может стать причиной несовместимых с жизнью состояний, возникающих именно при интенсивном энергетическом питании, особенно парентеральном.