Ihmisen energia-aineenvaihdunta

”Ihmiskeho on ’kone’, joka voi vapauttaa ruoan ’polttoaineeseen’ sitoutunutta kemiallista energiaa; tämä ’polttoaine’ koostuu hiilihydraateista, rasvoista, proteiineista ja alkoholista” (WHO).

Minkä tahansa luetellun lähteen ensisijaisella käytöllä on erilaiset ominaisuudet energianvaihdon suuruuden ja siihen liittyvien aineenvaihdunnan muutosten suhteen.

Ruokaenergian eri aineenvaihduntalähteiden ominaisuudet

Indikaattorit	Glukoosi	Palmitaatti	Proteiini
Lämmön vapautuminen, kcal:
Yhtä hapettunutta moolia kohden	673	2398	475
1 g kohden hapettunutta	3.74	9.30	5.40
Hapenkulutus:
Koi	66,0	23.0	5.1
L	134	515	114
Hiilidioksidin tuotanto:
Koi	66,0	16.0	4.1
L	134	358	92
ATP-tuotanto, moolia:	36	129	23
ATP-tuotteiden hinta:
Helvetti	18.7	18.3	20.7
V/d	3.72	3,99	4.96
S/d	3.72	2.77	4.00
Hengitysosamäärä	1.00	0,70	0,81
Energiaekvivalentti per 1 litra käytettyä happea	5.02	4.66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Energianvaihdon vaiheet

Vaikka proteiinien, rasvojen ja hiilihydraattien rakenteiden hajoamisella ja synteesillä on ominaispiirteitä ja erityisiä muotoja, näiden eri aineiden muodonmuutoksessa on useita perustavanlaatuisesti yhteisiä vaiheita ja malleja. Aineenvaihdunnan aikana vapautuvan energian suhteen energia-aineenvaihdunta tulisi jakaa kolmeen päävaiheeseen.

Vaiheessa I suuret ravintoainemolekyylit hajoavat pienemmiksi ruoansulatuskanavassa. Hiilihydraatit muodostavat 3 heksoosia (glukoosi, galaktoosi, fruktoosi), proteiinit - 20 aminohappoa, rasvat (triglyseridit) - glyserolia ja rasvahappoja sekä harvinaisempia sokereita (esimerkiksi pentooseja jne.). On laskettu, että ihmiskehon läpi kulkee sen elinaikana keskimäärin 17,5 tonnia hiilihydraatteja, 2,5 tonnia proteiineja ja 1,3 tonnia rasvoja. Vaiheessa I vapautuvan energian määrä on merkityksetön, ja se vapautuu lämpönä. Näin ollen noin 0,6 % kokonaisenergiasta vapautuu polysakkaridien ja proteiinien hajoamisessa ja 0,14 % rasvoista, jotka muodostuvat niiden täydellisessä hajoamisessa lopullisiksi aineenvaihduntatuotteiksi. Siksi kemiallisten reaktioiden merkitys vaiheessa I on pääasiassa ravintoaineiden valmistelussa varsinaista energian vapautumista varten.

Vaiheessa II nämä aineet hajoavat edelleen epätäydellisen palamisen kautta. Näiden prosessien tulos – epätäydellinen palaminen – vaikuttaa odottamattomalta. Näistä 25–30 aineesta muodostuu CO2:n ja H2O:n lisäksi vain kolme lopputuotetta: α-ketoglutaarihappo, oksaloetikkahappo ja etikkahappo asetyylikoentsyymi A:n muodossa. Asetyylikoentsyymi A on määrällisesti vallitseva. Vaiheessa II vapautuu noin 30 % ravinteiden sisältämästä energiasta.

Vaiheessa III, niin sanotussa Krebsin trikarboksyylihapposyklissä, vaiheen II kolme lopputuotetta poltetaan hiilidioksidiksi ja vedeksi. Tässä prosessissa vapautuu 60–70 % ravinteiden energiasta. Krebsin sykli on hiilihydraattien, proteiinien ja rasvojen hajoamisen yleinen viimeinen reitti. Se on eräänlainen solmukohta aineenvaihdunnassa, jossa eri rakenteiden muutokset kohtaavat ja synteettisten reaktioiden keskinäinen siirtyminen on mahdollista.

Toisin kuin vaiheessa I - ruoansulatuskanavan hydrolyysin vaiheissa - aineiden hajoamisen vaiheissa II ja III ei vapaudu vain energiaa, vaan myös erityinen sen kertymistyyppi.

Energianvaihtoreaktiot

Energian säilyminen saavutetaan muuttamalla ruoan hajoamisenergia erityiseksi kemialliseksi yhdisteeksi, jota kutsutaan makroergisiksi yhdisteiksi. Tämän kemiallisen energian kantajina kehossa ovat erilaiset fosforiyhdisteet, joissa fosforihappotähteen sidos on makroerginen sidos.

Energia-aineenvaihdunnassa pääosassa on pyrofosfaattisidos, jolla on adenosiinitrifosfaattihapon rakenne. Tämän yhdisteen muodossa elimistö käyttää 60–70 % kaikesta proteiinien, rasvojen ja hiilihydraattien hajoamisessa vapautuvasta energiasta. Energian käytöllä (hapettuminen ATP:n muodossa) on suuri biologinen merkitys, koska tämä mekanismi mahdollistaa energian vapautumisen paikan ja ajan sekä sen todellisen kulutuksen erottamisen elinten toiminnan aikana. On laskettu, että 24 tunnissa elimistössä muodostuvan ja hajoavan ATP:n määrä on suunnilleen yhtä suuri kuin ruumiinpaino. ATP:n muuntuminen ADP:ksi vapauttaa 41,84–50,2 kJ eli 10–12 kcal.

Aineenvaihdunnan tuloksena syntyvä energia kuluu perusaineenvaihduntaan eli elämän ylläpitämiseen täydellisessä lepotilassa 20 °C:n ympäristön lämpötilassa, kasvuun (plastinen aineenvaihdunta), lihastyöhön sekä ruoansulatukseen ja imeytymiseen (ruoan spesifinen dynaaminen toiminta). Aineenvaihdunnan tuloksena syntyvän energian kulutuksessa on eroja aikuisten ja lasten välillä.

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

BX

Lapsella, kuten kaikilla keskenkasvuisina syntyneillä nisäkkäillä, perusaineenvaihdunta kasvaa aluksi 1 1/2 vuodella, minkä jälkeen se jatkaa tasaista kasvuaan absoluuttisesti ja yhtä säännöllisesti pienenee painoyksikköä kohden.

Perusaineenvaihdunnan laskemiseen käytetään usein laskumenetelmiä. Kaavat on yleensä suunnattu joko pituuden tai painon indikaattoreihin.

Perusaineenvaihdunnan laskeminen painon perusteella (kcal/vrk). FAO/WHO:n suositukset.

Ikä	Pojat	Tytöt
0–2 vuotta	60,9 R-54	61 R - 51
3–9 vuotta	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

Ruoan mukana saatu kokonaisenergia jakautuu varmistamaan perusaineenvaihdunta, ruoan spesifinen dynaaminen vaikutus, erittymiseen liittyvä lämmönhukka, fyysinen (motorinen) aktiivisuus ja kasvu. Energian jakautumisen rakenteessa eli energia-aineenvaihdunnassa erotetaan toisistaan:

• Saatu energia (ruoasta) = Kertynyt energia + käytetty energia.
• Absorboitu energia = Vastaanotettu energia - Ulosteiden mukana erittynyt energia.
• Metaboloitu energia = Vastaanotettu energia - Ylläpidon (elämän) ja toiminnan energia eli "peruskustannukset".
• Pääkustannusten energia on yhtä suuri kuin summa:
  • perusaineenvaihduntanopeus;
  • lämmönsäätely;
  • ruoan lämmittävä vaikutus (WEF);
  • toimintakulut;
  • uusien kudosten syntetisoinnin kustannukset.
• Laskeutumisenergia on proteiinin ja rasvan laskeutumiseen käytetty energia. Glykogeenia ei oteta huomioon, koska sen laskeuma (1 %) on merkityksetön.
• Talletettu energia = Metaboloitu energia - Perusenergian kulutus.
• Kasvun energiakustannus = Uusien kudosten synteesin energia + Uuteen kudokseen kertyvä energia.

Suurimmat ikäerot liittyvät kasvun kustannusten ja vähäisemmässä määrin aktiivisuuden kustannusten suhteeseen.

Ikään liittyvät päivittäisen energiankulutuksen jakautumisen ominaisuudet (kcal/kg)

Ikä	BX	SDDP	Erittymishäviöt	Toiminta	Korkeus	Kokonais
Ennenaikainen	60	7	20	15	50	152
8 viikkoa	55	7	11	17	20	110
10 kuukautta	55	7	11	17	20	110
4 vuotta	40	6	8	25	8–10	87-89
14-vuotias	35	6	6	20	14	81
Aikuinen	25	6	6	10	0	47

Kuten näette, kasvukustannukset ovat erittäin merkittäviä vastasyntyneelle, jolla on pieni paino, ja ensimmäisen elinvuoden aikana. Aikuisella ne luonnollisesti puuttuvat. Fyysinen aktiivisuus aiheuttaa merkittävää energiankulutusta jopa vastasyntyneellä ja vauvalla, ja se ilmenee imemisenä, levottomuutena, itkemisenä ja huutamisena.

Kun lapsi on levoton, energiankulutus kasvaa 20–60 % ja huutaessaan 2–3-kertaiseksi. Sairaudet asettavat omat vaatimuksensa energiankulutukselle. Ne lisääntyvät erityisesti ruumiinlämmön noustessa (yhden asteen lämpötilan nousu aineenvaihdunnan lisääntymistä on 10–16 %).

Toisin kuin aikuiset, lapset käyttävät paljon energiaa kasvuun (plastinen aineenvaihdunta). Nykyään on todettu, että yhden gramman kehon massan eli uuden kudoksen keräämiseen tarvitaan noin 29,3 kJ eli 7 kcal. Seuraava arvio on tarkempi:

• Kasvun energia"kustannus" = Synteesienergia + uuteen kudokseen kertymisen energia.

Keskosella, pienipainoisella vauvalla synteesienergia on 1,3–5 kJ (0,3–1,2 kcal) per 1 gramma lisättyä painoa. Täysiaikaisella vauvalla se on 1,3 kJ (0,3 kcal) per 1 gramma uutta painoa.

Kasvun kokonaisenergiakustannukset:

• enintään 1 vuosi = 21 kJ (5 kcal) per 1 g uutta kudosta,
• vuoden kuluttua = 36,5–50,4 kJ (8,7–12 kcal) per 1 g uutta kudosta eli noin 1 % ravintoaineiden kokonaisenergiasta.

Koska lasten kasvun intensiteetti vaihtelee eri ajanjaksoina, muoviaineenvaihdunnan osuus kokonaisenergiankulutuksesta on erilainen. Intensiivisintä kasvu on kohdunsisäisellä kehityskaudella, jolloin ihmisalkion massa kasvaa 1 miljardi 20 miljoonaa kertaa (1,02 x 109). Kasvuvauhti pysyy melko korkeana ensimmäisten elinkuukausien aikana. Tämä näkyy merkittävänä painonnousuna. Siksi ensimmäisten 3 kuukauden ikäisillä lapsilla "muoviaineenvaihdunnan" osuus energiankulutuksesta on 46 %, sitten ensimmäisen vuoden aikana se laskee, mutta 4 vuodesta alkaen ja erityisesti murrosikää edeltävällä kaudella havaitaan kasvun intensiteetin kasvua, mikä jälleen heijastuu muoviaineenvaihdunnan lisääntymisenä. Keskimäärin 12 % energiantarpeesta kuluu 6–12-vuotiaiden lasten kasvuun.

Energiakustannukset kasvun tueksi

Ikä	Paino, kg	Painonnousu, g/vrk	Energia -arvo, kcal/päivä	Energia- arvo, kcal/(kg-vrk)	Prosenttiosuutena perusaineenvaihdunnasta
1 kuukausi	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
1 vuosi	10.4	10	63	6	11
5 vuotta	17.6	5	32	2	4
14-vuotiaat, tytöt	47,5	18	113	2	8
16-vuotiaat, pojat	54.0	18	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Energiankulutus vaikeasti selitettävissä häviöissä

Vaikeasti selitettäviä häviöitä ovat muun muassa ruoansulatuskanavan seinämässä ja rauhasissa tuotettujen rasvan, ruoansulatusnesteiden ja eritteiden häviäminen ulosteen mukana, epiteelisolujen irtoaminen, ihon, hiusten ja kynsien peitesolujen irtoaminen hien mukana sekä tytöillä murrosiän saavuttaessa kuukautisveren mukana. Valitettavasti tätä ongelmaa lapsilla on tutkittu vain vähän. Yli vuoden ikäisillä lapsilla sen uskotaan olevan noin 8 % energiankulutuksesta.

[ 11 ]

Energiankulutus aktiivisuuteen ja kehon lämpötilan ylläpitämiseen

Aktiivisuuteen ja ruumiinlämmön ylläpitämiseen käytetyn energian osuus muuttuu lapsen iän myötä (5 vuoden iän jälkeen tämä sisältyy lihastyön käsitteeseen). Vastasyntyneen ruumiinlämpö laskee lähes 2 °C ensimmäisten 30 minuutin aikana syntymän jälkeen, mikä aiheuttaa merkittävää energiankulutusta. Pienillä lapsilla lapsen keho joutuu käyttämään 200,8–418,4 kJ/(kg • vrk) eli 48–100 kcal/(kg • vrk) ylläpitääkseen tasaista ruumiinlämpöä ympäristön lämpötilassa, joka on kriittisen lämpötilan (28...32 °C) ja aktiivisuuden alapuolella. Siksi absoluuttinen energiankulutus tasaisen ruumiinlämmön ja aktiivisuuden ylläpitämiseksi kasvaa iän myötä.

Ensimmäisen elinvuoden lapsilla energiankulutuksen osuus tasaisen ruumiinlämmön ylläpitämisestä on kuitenkin sitä pienempi, mitä pienempi lapsi on. Tämän jälkeen energiankulutus laskee jälleen, koska kehon pinta-ala painokiloa kohden pienenee jälleen. Samalla energiankulutus aktiivisuuteen (lihastyöhön) kasvaa yli vuoden ikäisillä lapsilla, kun lapsi alkaa kävellä, juosta, harrastaa liikuntaa tai urheilua itsenäisesti.

Liikunnan energiakustannukset

Liikkeen tyyppi	Kaloria/min
Pyöräily alhaisella nopeudella	4.5
Pyöräily keskinopeudella	7.0
Polkupyörällä ajaminen suurella nopeudella	11.1
Tanssiminen	3.3–7.7
Jalkapallo	8.9
Voimisteluharjoituksia laitteilla	3.5
Sprinttijuoksu	13,3–16,8
Pitkän matkan juoksu	10.6
Luistelu	11.5
Murtomaahiihto kohtuullisella nopeudella	10.8–15.9
Maastohiihtoa täydellä nopeudella	18.6
Uima	11,0–14,0

6–12-vuotiailla lapsilla liikuntaan käytetyn energian osuus on noin 25 % energiantarpeesta ja aikuisilla 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Ruoan spesifinen dynaaminen vaikutus

Ruoan spesifinen dynaaminen vaikutus vaihtelee ruokavalion luonteen mukaan. Se on voimakkaampi proteiinipitoisessa ruoassa, vähemmän rasvojen ja hiilihydraattien kanssa. Toisen ikävuoden lapsilla ruoan spesifinen dynaaminen vaikutus on 7–8 %, vanhemmilla lapsilla yli 5 %.

Toteutuskustannukset ja stressin voittaminen

Tämä on luonnollinen normaalin elämäntoiminnan ja energiankulutuksen suunta. Elämän ja sosiaalisen sopeutumisen prosessi, koulutus ja urheilu, ihmissuhteiden muodostuminen - kaikkiin näihin voi liittyä stressiä ja lisääntynyttä energiankulutusta. Keskimäärin tämä on 10 % lisää päivittäisestä energian "annoksesta". Samaan aikaan akuuteissa ja vakavissa sairauksissa tai vammoissa stressinkulutuksen taso voi nousta melko merkittävästi, ja tämä on otettava huomioon ruoka-annoksen laskennassa.

Tiedot energiantarpeen kasvusta stressin aikana esitetään alla.

Osavaltiot	Energiantarpeen muutos
Palovammat riippuen siitä, kuinka suuri prosenttiosuus kehon pinta-alasta on palanut	+ 30...70 %
Useita vammoja mekaanisella ventilaatiolla	+ 20...30 %
Vakavat infektiot ja monitraumat	+ 10...20 %
Leikkauksen jälkeinen aika, lievät infektiot, luunmurtumat	0... + 10 %

Jatkuva energian epätasapaino (ylimäärä tai puute) aiheuttaa muutoksia ruumiinpainoon ja pituuteen kaikissa kehitys- ja biologisissa ikäindekseissä. Jopa kohtalainen energian puute (4-5 %) voi aiheuttaa lapsen kehityksen viivästymistä. Siksi ruoan energiansaannista tulee yksi tärkeimmistä riittävän kasvun ja kehityksen edellytyksistä. Tämän saannin laskeminen on tehtävä säännöllisesti. Useimmille lapsille päivittäisen ruokavalion kokonaisenergiasuositukset voivat toimia analyysin vertailukohtina; joillekin lapsille, joilla on erityisiä terveysongelmia tai elinolosuhteita, tarvitaan yksilöllinen laskelma kaikkien energiaa kuluttavien komponenttien summan perusteella. Seuraavat energiankulutuksen laskentamenetelmät voivat toimia esimerkkinä yleisten ikästandardien käytöstä ja näiden standardien yksilöllisestä korjaamisesta.

Laskentamenetelmä perusaineenvaihdunnan nopeuden määrittämiseksi

Jopa 3 vuotta	3–10 vuotta	10–18 vuotta
Pojat
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Tytöt
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Lisäkulut

Vahingonkorvaus - perusaineenvaihdunta kerrotaan: pienissä leikkauksissa - 1,2-kertoimella; luustovaurioissa - 1,35-kertoimella; sepsiksessä - 1,6-kertoimella; palovammoissa - 2,1-kertoimella.

Ruoan spesifinen dynaaminen vaikutus: + 10 % perusaineenvaihdunnan nopeudesta.

Fyysinen aktiivisuus: vuodepotilaana + 10 % perusaineenvaihdunnasta; istumisena tuolissa + 20 % perusaineenvaihdunnasta; potilas sairaalan vuodeosastolla + 30 % perusaineenvaihdunnasta.

Kuumeen kustannukset: jokaista keskimääräistä päivittäistä ruumiinlämmön nousua kohden 1 °C on +10–12 % perusaineenvaihdunnasta.

Painonnousu: jopa 1 kg/viikko + 1260 kJ (300 kcal) päivässä.

On yleisesti hyväksyttyä muodostaa joitakin ikään liittyviä väestön energiansaannin standardeja. Monilla mailla on tällaisia standardeja. Kaikki järjestäytyneiden ryhmien ruoka-annokset kehitetään niiden pohjalta. Myös yksilöllisiä ruoka-annoksia tarkistetaan niitä vasten.

Suositukset ravinnon energia-arvosta pikkulapsille ja alle 11-vuotiaille lapsille

	0–2 kuukautta	3–5 kuukautta	6–11 kuukautta	1–3 vuotta	3–7 vuotta	7–10 vuotta
Energiaa yhteensä, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energiaa, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Energian standardoinnin suositukset (kcal/(kg • vrk))

Ikä, kuukautta	FAO/WHO (1985)	YK (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

Energia-aineenvaihdunnan laskennalla ja korjaamisella pyritään poistamaan tärkeimpien energiankantajien, eli ensisijaisesti hiilihydraattien ja rasvojen, puutteita. Samanaikaisesti näiden kantajien käyttö määrättyihin tarkoituksiin on mahdollista vain ottaen huomioon ja korjaamalla monien perustavanlaatuisesti välttämättömien rinnakkaisten mikroravintoaineiden saantia. Siksi on erityisen tärkeää määrätä kaliumia, fosfaatteja, B-vitamiineja, erityisesti tiamiinia ja riboflaviinia, joskus karnitiinia, antioksidantteja jne. Tämän ehdon noudattamatta jättäminen voi aiheuttaa elämän kanssa yhteensopimattomia tiloja, jotka syntyvät juuri intensiivisen energiaravinnon, erityisesti parenteraalisen, yhteydessä.