Energetický metabolismus člověka

„Lidské tělo je „stroj“, který dokáže uvolňovat chemickou energii vázanou v „palivu“ potravy; tímto „palivem“ jsou sacharidy, tuky, bílkoviny a alkohol“ (WHO).

Přednostní využití kteréhokoli z uvedených zdrojů má odlišné charakteristiky, pokud jde o rozsah energetické výměny a související metabolické posuny.

Charakteristiky různých metabolických zdrojů energie z potravy

Indikátory	Glukóza	Palmitát	Protein
Uvolnění tepla, kcal:
Na 1 mol oxidované látky	673	2398	475
Na 1 g oxidovaného	3,74	9.30	5.40
Spotřeba kyslíku:
Mol	66,0	23,0	5.1
L	134	515	114
Produkce oxidu uhličitého:
Mol	66,0	16,0	4.1
L	134	358	92
Produkce ATP, moly:	36	129	23
Cena produktů ATP:
Peklo	18,7	18,3	20,7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4,00
Respirační kvocient	1,00	0,70	0,81
Energetický ekvivalent na 1 litr použitého kyslíku	5.02	4,66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Fáze výměny energie

Ačkoli disimilace a syntéza struktur bílkovin, tuků a sacharidů mají charakteristické rysy a specifické formy, existuje řada zásadně společných fází a vzorců v transformaci těchto různých látek. Ve vztahu k energii uvolňované během metabolismu by měl být energetický metabolismus rozdělen do tří hlavních fází.

Ve fázi I se v gastrointestinálním traktu rozkládají velké molekuly živin na menší. Sacharidy tvoří 3 hexózy (glukóza, galaktóza, fruktóza), bílkoviny - 20 aminokyselin, tuky (triglyceridy) - glycerol a mastné kyseliny, a také vzácnější cukry (například pentózy atd.). Bylo vypočítáno, že lidským tělem projde během jeho života průměrně 17,5 tuny sacharidů, 2,5 tuny bílkovin a 1,3 tuny tuků. Množství energie uvolněné ve fázi I je nevýznamné a uvolňuje se ve formě tepla. Při rozkladu polysacharidů a bílkovin se tedy uvolní asi 0,6 % celkové energie a při jejich úplném rozkladu na konečné produkty metabolismu 0,14 % tuků. Význam chemických reakcí ve fázi I proto spočívá především v přípravě živin k samotnému uvolnění energie.

Ve fázi II dochází k dalšímu rozkladu těchto látek nedokonalým spalováním. Výsledek těchto procesů - nedokonalé spalování - se zdá být neočekávaný. Z 25-30 látek vznikají kromě CO2 a H2O pouze tři konečné produkty: kyselina α-ketoglutarová, kyselina oxalooctová a kyselina octová ve formě acetylkoenzymu A. Kvantitativně převládá acetylkoenzym A. Ve fázi II se uvolní asi 30 % energie obsažené v živinách.

Ve fázi III, tzv. Krebsově cyklu trikarboxylových kyselin, se tři konečné produkty fáze II spalují na oxid uhličitý a vodu. V tomto procesu se uvolňuje 60–70 % energie živin. Krebsův cyklus je obecnou konečnou cestou rozkladu sacharidů, bílkovin a tuků. Je to jakýsi uzlový bod výměny, kde se sbíhají transformace různých struktur a je možný vzájemný přechod syntetických reakcí.

Na rozdíl od fáze I - fází hydrolýzy v gastrointestinálním traktu - se ve fázích II a III rozkladu látek uvolňuje nejen energie, ale také dochází ke zvláštnímu typu její akumulace.

Reakce výměny energie

Zachování energie se dosahuje přeměnou energie rozkladu potravy na speciální formu chemických sloučenin nazývaných makroergní sloučeniny. Nositeli této chemické energie v těle jsou různé sloučeniny fosforu, ve kterých je vazba zbytku kyseliny fosforečné makroergní vazbou.

Hlavní místo v energetickém metabolismu zaujímá pyrofosfátová vazba se strukturou kyseliny adenosintrifosfátové. Ve formě této sloučeniny se v těle využívá 60 až 70 % veškeré energie uvolněné při rozkladu bílkovin, tuků a sacharidů. Využití energie (oxidace ve formě ATP) má velký biologický význam, protože tento mechanismus umožňuje oddělit místo a čas uvolňování energie od její skutečné spotřeby během fungování orgánů. Bylo vypočítáno, že za 24 hodin se množství ATP vytvořeného a rozloženého v těle přibližně rovná tělesné hmotnosti. Přeměnou ATP na ADP se uvolní 41,84–50,2 kJ, neboli 10–12 kcal.

Energie vznikající v důsledku metabolismu se vynakládá na základní metabolismus, tj. na udržení života ve stavu úplného klidu při okolní teplotě 20° C, na růst (plastický metabolismus), svalovou práci a na trávení a vstřebávání potravy (specifické dynamické působení potravy). Ve výdeji energie vznikající v důsledku metabolismu existují rozdíly u dospělých a dětí.

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

BX

U dítěte, stejně jako u všech savců narozených v nezralém stavu, dochází k počátečnímu zvýšení bazálního metabolismu o 1 1/2 roku, který poté stabilně dále roste v absolutních číslech a stejně pravidelně klesá na jednotku tělesné hmotnosti.

Pro výpočet bazálního metabolismu se často používají výpočetní metody. Vzorce jsou obvykle orientovány na ukazatele buď délky, nebo tělesné hmotnosti.

Výpočet bazálního metabolismu s využitím tělesné hmotnosti (kcal/den). Doporučení FAO/WHO

Stáří	Chlapci	Dívky
0–2 roky	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

Celková energie přijatá s potravou je rozdělována tak, aby zajistila základní metabolismus, specifické dynamické působení potravy, ztráty tepla spojené s vylučováním, fyzickou (motorickou) aktivitu a růst. Ve struktuře distribuce energie, tj. energetického metabolismu, se rozlišuje:

• Přijatá energie (z potravy) = Uložená energie + Spotřebovaná energie.
• Absorbovaná energie = Přijatá energie - Energie vyloučená stolicí.
• Metabolizovaná energie = Přijatá energie - Energie na udržení (života) a činnost, neboli „základní náklady“.
• Energie hlavních nákladů se rovná součtu:
  • bazální metabolismus;
  • termoregulace;
  • oteplovací účinek jídla (WEF);
  • náklady na činnost;
  • náklady na syntézu nových tkání.
• Energie ukládání je energie vynaložená na ukládání bílkovin a tuků. Glykogen se nebere v úvahu, protože jeho ukládání (1 %) je zanedbatelné.
• Uložená energie = Metabolizovaná energie - Energie základního výdeje.
• Energetické náklady na růst = Energie syntézy nových tkání + Energie uložená v nové tkáni.

Hlavní věkové rozdíly spočívají ve vztahu mezi náklady na růst a v menší míře na aktivitu.

Věkově podmíněné charakteristiky rozložení denního energetického výdeje (kcal/kg)

Stáří	BX	SDDP	Ztráty vylučováním	Aktivita	Výška	Celkový
Předčasné	60	7	20	15	50	152
8 týdnů	55	7	11	17 let	20	110
10 měsíců	55	7	11	17 let	20	110
4 roky	40	6	8	25	8–10	87–89
14 let	35 let	6	6	20	14	81
Dospělý	25	6	6	10	0	47

Jak vidíte, náklady na růst jsou u novorozence s nízkou hmotností a během prvního roku života velmi významné. U dospělého člověka přirozeně jednoduše chybí. Fyzická aktivita vytváří značný energetický výdej i u novorozence a kojence, kde se projevuje sáním prsu, neklidem, pláčem a křikem.

Když je dítě neklidné, výdej energie se zvyšuje o 20–60 % a při křiku 2–3krát. Nemoci si kladou vlastní nároky na výdej energie. Zvyšují se zejména se zvýšením tělesné teploty (při zvýšení o 1 °C se metabolismus zrychlí o 10–16 %).

Na rozdíl od dospělých děti vynakládají velké množství energie na růst (plastický metabolismus). Nyní je zjištěno, že k nahromadění 1 g tělesné hmotnosti, tj. nové tkáně, je nutné vynaložit přibližně 29,3 kJ, neboli 7 kcal. Následující odhad je přesnější:

• Energetické „náklady“ růstu = Energie syntézy + Energie ukládání v nové tkáni.

U předčasně narozeného dítěte s nízkou hmotností je energie syntézy od 1,3 do 5 kJ (od 0,3 do 1,2 kcal) na 1 g přidané tělesné hmotnosti. U donošeného dítěte - 1,3 kJ (0,3 kcal) na 1 g nové tělesné hmotnosti.

Celkové energetické náklady na růst:

• do 1 roku = 21 kJ (5 kcal) na 1 g nové tkáně,
• po 1 roce = 36,5–50,4 kJ (8,7–12 kcal) na 1 g nové tkáně, neboli asi 1 % celkové energie obsažené v živinách.

Vzhledem k tomu, že intenzita růstu u dětí se v různých obdobích liší, je podíl plastického metabolismu na celkovém energetickém výdeji různý. Nejintenzivnější růst je v nitroděložním období vývoje, kdy se hmotnost lidského embrya zvětší 1 miliardu 20 milionůkrát (1,02 x 109). Tempo růstu zůstává v prvních měsících života i nadále poměrně vysoké. Důkazem toho je výrazný nárůst tělesné hmotnosti. Proto je u dětí prvních 3 měsíců podíl „plastického“ metabolismu na energetickém výdeji 46 %, poté v prvním roce klesá, ale od 4 let, a zejména v prepubertálním období, je pozorován nárůst intenzity růstu, což se opět odráží ve zvýšení plastického metabolismu. V průměru se u dětí ve věku 6–12 let na růst vynakládá 12 % energetické potřeby.

Náklady na energii pro růst

Stáří	Tělesná hmotnost, kg	Přírůstek hmotnosti, g/den	Energetická hodnota, kcal/den	Energetická hodnota, kcal/(kg-den)	Jako procento bazálního metabolismu
1 měsíc	3,9	30	146	37	71
3 »	5,8	28 let	136	23	41
6 »	8,0	20	126	16	28 let
1 rok	10.4	10	63	6	11
5 let	17,6	5	32	2	4
14 let, dívky	47,5	18 let	113	2	8
16 let, chlapci	54,0	18 let	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Spotřeba energie při těžko vyčíslitelných ztrátách

Mezi ztráty, které je obtížné zohlednit, patří ztráty tuků, trávicích šťáv a sekretů produkovaných ve stěně trávicího traktu a žlázách s výkaly, s odlupujícími se epiteliálními buňkami, s odpadáváním krycích buněk kůže, vlasů, nehtů, potem a po dosažení puberty u dívek - s menstruační krví. Bohužel tato problematika u dětí nebyla téměř prozkoumána. Předpokládá se, že u dětí starších jednoho roku se jedná o asi 8 % energetického výdeje.

[ 11 ]

Výdej energie na aktivitu a udržování tělesné teploty

Podíl výdeje energie na aktivitu a udržování tělesné teploty se mění s věkem dítěte (po 5 letech je to zahrnuto v pojmu svalová práce). V prvních 30 minutách po narození se tělesná teplota novorozence snižuje téměř o 2° C, což způsobuje značný výdej energie. U malých dětí je dětský organismus nucen vynaložit 200,8-418,4 kJ/(kg • den), respektive 48-100 kcal/(kg • den) na udržení konstantní tělesné teploty při okolní teplotě pod kritickou (28...32° C) a aktivitu. Proto se s věkem absolutní výdej energie na udržení konstantní tělesné teploty a aktivity zvyšuje.

Podíl energetického výdeje na udržení konstantní tělesné teploty u dětí prvního roku života je však nižší, čím je dítě menší. Poté energetický výdej opět klesá, protože povrch těla na 1 kg tělesné hmotnosti opět klesá. Zároveň se energetický výdej na aktivitu (svalovou práci) zvyšuje u dětí starších jednoho roku, kdy dítě začíná chodit, běhat, věnovat se samostatné tělesné výchově nebo sportovat.

Energetické náklady fyzické aktivity

Typ pohybu	Kcal/min
Jízda na kole nízkou rychlostí	4,5
Jízda na kole střední rychlostí	7,0
Jízda na kole vysokou rychlostí	11.1
Taneční	3,3–7,7
Fotbal	8,9
Gymnastické cvičení na náčiní	3,5
Běh ve sprintu	13,3–16,8
Běh na dlouhé tratě	10.6
Bruslení	11,5
Běžecké lyžování střední rychlostí	10,8–15,9
Běžecké lyžování maximální rychlostí	18,6
Plavání	11,0–14,0

U dětí ve věku 6-12 let tvoří podíl energie vynaložené na fyzickou aktivitu přibližně 25 % energetické potřeby a u dospělých 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Specifické dynamické působení potravy

Specifický dynamický účinek potravy se mění v závislosti na povaze stravy. Je výraznější u potravin bohatých na bílkoviny, méně u tuků a sacharidů. U dětí druhého roku života je specifický dynamický účinek potravy 7-8 %, u starších dětí - více než 5 %.

Náklady na implementaci a překonání stresu

Toto je přirozený směr běžné životní aktivity a výdeje energie. Proces životní a sociální adaptace, vzdělávání a sport, formování mezilidských vztahů - to vše může být doprovázeno stresem a dodatečným výdejem energie. V průměru se jedná o dalších 10 % denní energetické „dávky“. Zároveň u akutních a těžkých onemocnění nebo úrazů se úroveň stresového výdeje může poměrně výrazně zvýšit, a to je třeba zohlednit při výpočtu potravinové dávky.

Údaje o zvýšení energetických potřeb během stresu jsou uvedeny níže.

Státy	Změna energetické potřeby
Popáleniny v závislosti na procentu spáleného povrchu těla	+ 30...70 %
Mnohočetná zranění s mechanickou ventilací	+ 20...30 %
Závažné infekce a mnohočetná traumata	+ 10...20 %
Pooperační období, mírné infekce, zlomeniny kostí	0... + 10 %

Přetrvávající energetická nerovnováha (nadbytek nebo nedostatek) způsobuje změny tělesné hmotnosti a délky ve všech vývojových a biologických věkových indexech. I mírný energetický nedostatek (4-5 %) může způsobit vývojové opoždění dítěte. Proto se zásobení energií z potravy stává jednou z nejdůležitějších podmínek pro adekvátní růst a vývoj. Výpočet tohoto zásobení musí být prováděn pravidelně. Pro většinu dětí mohou jako referenční hodnoty pro analýzu sloužit doporučení pro celkovou energii denní stravy; u některých dětí se specifickými zdravotními problémy nebo životními podmínkami je nutný individuální výpočet založený na součtu všech složek spotřebovávajících energii. Následující metody výpočtu energetického výdeje mohou sloužit jako příklad použití obecných věkových standardů zásobení a možnosti určité individuální korekce těchto standardů.

Výpočtová metoda pro stanovení bazálního metabolismu

Až 3 roky	3–10 let	10–18 let
Chlapci
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Dívky
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Dodatečné výdaje

Kompenzace škody - bazální metabolismus se vynásobí: u drobných chirurgických zákroků - 1,2; u traumatu skeletu - 1,35; u sepse - 1,6; u popálenin - 2,1.

Specifické dynamické působení potravy: + 10 % bazálního metabolismu.

Fyzická aktivita: upoután na lůžko + 10 % bazálního metabolismu; sezení na židli + 20 % bazálního metabolismu; pacient upoután na nemocniční oddělení + 30 % bazálního metabolismu.

Náklady spojené s horečkou: za každý 1 °C průměrného denního zvýšení tělesné teploty +10–12 % bazálního metabolismu.

Přírůstek hmotnosti: až 1 kg/týden + 1260 kJ (300 kcal) denně.

Je obecně přijímáno stanovovat určité standardy energetického zásobování populace v závislosti na věku. Mnoho zemí má takové standardy. Na jejich základě se vyvíjejí všechny potravinové dávky organizovaných skupin. Individuální potravinové dávky se s nimi také porovnávají.

Doporučení pro energetickou hodnotu výživy pro děti raného věku a do 11 let

	0–2 měsíce	3–5 měsíců	6–11 měsíců	1–3 roky	3–7 let	7–10 let
Energie, celkem, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energie, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Doporučení pro energetickou standardizaci (kcal/(kg • den))

Věk, měsíce	FAO/WHO (1985)	OSN (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

Výpočet a korekce energetického metabolismu směřují k odstranění nedostatků hlavních nosičů energie, tj. především sacharidů a tuků. Zároveň je použití těchto nosičů pro uvedené účely možné pouze s ohledem a korekcí zajištění mnoha zásadně nezbytných doprovodných mikroživin. Zvláště důležité je tedy předepisovat draslík, fosfáty, vitamíny skupiny B, zejména thiamin a riboflavin, někdy karnitin, antioxidanty atd. Nedodržení této podmínky může způsobit stavy neslučitelné se životem, které vznikají právě při intenzivní energetické výživě, zejména parenterální.