Энергопотребности, энергопотребление и энергозатраты являются основными показателями энергообмена. Эти компоненты взаимосвязаны, взаимозависимы и являются макропараметрами энергетического обмена. В структуре энергозатрат обычно выделяют составляющие компоненты: основной (или базальный) обмен, пищевой термогенез и затраты энергии, связанные с физической активностью.
Структура энерготрат:
Величина основного обмена (ВОО) обусловлена энергетическим обеспечением функционирования жизненно необходимых органов в условиях физического покоя. Основной обмен является одним из наиболее значимых компонентов суммарных энергозатрат. Его доля может доходить до 80-90% относительно суммы энерготрат. Величина основного обмена является конституциональной характеристикой интенсивности метаболизма и часто используется как самостоятельная единица измерений энерготрат трудовой деятельности.
Оценка энергозатрат с помощью непрямой калориметрии имеет ряд ценных преимуществ. Можно проводить измерения за относительно короткое время длительность определения составляет около 10 мин. При этом в дополнение к количественной оценке энерготрат метод позволяет определить состав энергообеспечения. В основе метода лежит тот факт, что для окисления белков, жиров и углеводов в организме человека требуется различное количество кислорода и образуется различное количество углекислого газа. Соотношение объемов выделяемого углекислого газа и потребляемого кислорода (ΔСО₂, ΔО₂) является одним из наиболее важных измеряемых параметров непрямой калориметрии это дыхательный коэффициент (ДК). Именно дыхательный коэффициент позволяет оценить участие белков, жиров и углеводов в энергообеспечении организма.
Показатели непрямой калориметрии при окислении белков, жиров и углеводов
Дыхательный коэффициент в зависимости от соотношения жиров и углеводов
Различия ДК отражают стехиометрическое соотношение расхода кислорода и продукции углекислого газа при окислении белков, жиров и углеводов.
Окисление углеводов (глюкоза):
С₆Н₁₂О₆+60₂=6С0₂+ 6Н₂О; ДК = 1,00.
Окисление жиров (трипальмитат):
С₃Н₅(С₁₅,Н₃₁СОО)₃+72,50₂=51С0₂+49Н₂О; ДК = 0,70.
Окисление белков (альбумин):
С₇₂Н₁₁₂N₂O₂₂S+77O₂=63CO₂+38H₂O+SO₃+9CO₃+9CO(NH₂)₂; ДК = 0,82
Участие белков в энергетическом обеспечении энергозатрат меньше, чем вклад жиров и углеводов, так как энергетическая ценность белков в рационе ниже энергетической ценности углеводов и жиров. В отличие от жиров и углеводов, которые окисляются до СО, и Н.О. белки окисляются не полностью. Часть энергии белка теряется с мочевиной, мочевой кислотой, креатинином и другими азотсодержащими соединениями.
Мнение, что белки не используются на энергетические нужды или используются в гораздо меньшей степени только в случае истощения запасов жиров и гликогена. не соответствует действительности. В первую очередь белки пищи используются для синтеза собственных белков. Происходит катаболизм существующих белков в соответствии с генетически контролируемыми скоростью обновления и соответствующим временем жизни. Аминокислоты (АК), образующиеся при распаде белков, включаются в дальнейший метаболизм и в том числе энергетический. Если
состав организма остается неизменным, скорость энергетического окисления аминокислот уравновешена скоростью их поступления с пищей. Следовательно, в стационарном состоянии скорость энергетического катаболизма белка соответствует содержанию белка в рационе.
Определение интенсивности катаболизма белков по экскреции азота длительно, так как измеряется суточная экскреция. Поэтому в ходе непрямой калориметрии
окисление белков не измеряется, просто фиксируется величина среднесуточной экскреции азота, измеренной накануне. В то же время скорость окисления жиров и углеводов рассчитывается в момент измерения с использованием ДК.
Диапазон изменений ДК варьирует от 0,7 (при окислении жиров) до 1,0 (при окислении углеводов) в зависимости от участия жиров и углеводов в обеспечении энерготрат. Дыхательный коэффициент (ДК) окисления белков занимает промежуточное положение в пределах 0.80-0,85, что определяется соотношением АК, участвующих в окислении.
Катаболизм аминокислот (АК) сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь энергетического цикла: пируват, ацетил-КоА, а-кетоглутарат, сукцинил-КоА. фумарат, оксалоацетат. Гликогенные аминокислоты (аланин, аргинин, аспартат, глутамат. глицин, гистидин, метионин, пролин, серин, треонин, валин, цистеин) превращаются в α-кетоглутарат, сукцинил-КоА и фумарат и могут использоваться в процессе глюконеогенеза. Кетогенные аминокислоты (лейцин, лизин), минуя стадии образования пировиноградной кислоты, превращаются в ацетоацетат, который может использоваться в синтезе кетоновых тел. Тирозин, фенилаланин, изолейцин и триптофан являются смешанными: часть углеродных атомов их молекул при катаболизме образует пируват, другая ацетил-КоА.
Дыхательный коэффициент аминокислот
В энергетическом окислении аминокислот (АК) участвует углеродный скелет, образующийся после дезаминирования. Величина дыхательного коэффициента определяется главным образом соотношением углерода, водорода и кислорода и варьирует от 0,7 до 1.0. Соотношение С/Н/О для различных белков различного аминокислотного состава сохраняется приблизительно постоянным (3/4/1 соответственно). Поэтому и дыхательный коэффициент (ДК) варьирует в узких пределах около 0,82-0,85.
Для оценки основного обмена (BMR) необходимо соблюдать ряд обязательных условий: измерения человека проводятся утром, лежа в постели, после полноценного сна, натощак, при комфортной температуре и отсутствии любых внешних раздражителей. На практике чаще измеряют обмен покоя (RMR), величина которого достаточно близко приближается к величине основного объема (BOO), но в менее жестких условиях измерения, также в положении лежа, натощак.
Изучение причин и механизмов индивидуальной вариабельности основного обмена имеет первостепенное значение. Поиску основных определителей базального обмена посвящено много исследований, накоплено много результатов, однако до сих пор данная проблема остается актуальной. На настоящий момент общепризнанным считается, что основной обмен зависит главным образом от пола, возраста, роста, массы тела.
1. Оригинальное уравнение Harris-Benedict:
BMR мужчин (ккал/сут) = (13,7516 х МТ) + (5,0033 х P) - (6,7550 x В) + 66,4730,
BMR женщин (ккал/сут) = (9.5634 х MT) + (1,8496 х P) - (4,6756 х В) + 655,0955
где МТ– масса тела, кг: Р– Рост, см: В– возраст, лет.
2. Уточненное уравнение Harris-Benedict:
BMR мужчин (ккал/сут) = (13,397 х МТ) + (4.799 х P) - (5,677 x B) + 88,362,
BMR женщин (ккал/сут) = (9,247 x MT) + (3,098 х Р) - (4,330 x В) + 447,593,
где MT– масса тела, кг: Р– рост, см; В– возраст, лет.
3. Уравнение обмена покоя Mifflin St. Jeo:
RMR (ккал/сут) = (9.99 х MT) + (6,25 х P) - (4,92 х B) + s,
где MT– масса тела, кг: Р– рост, см: В– возраст, лет, s = 5 для мужчин и 161 - для женщин.
Четыре параметра покрывают около 75% вариабельности. Однако это заключение было оправдано, когда для анализа были широко доступны данные антропометрических исследований. Основным недостатком уравнений прогноза на основе росто-массовых показателей является отсутствие учета состава тела, хотя именно метаболически активные ткани определяют интенсивность метаболизма и энергетические потребности организма.
Из показателей состава тела наиболее сильным определителем основного обмена является тощая масса тела (ТМТ). Гендерные, возрастные и росто-массовые различия обусловлены большей частью именно содержанием тощей массы тела.
1. Уравнение Katch-McArdle:
RMR (ккал/сут) = 21.6 х ТМТ + 370, где ТМТ- тощая масса тела, кг.
2. Уравнение Cunningham:
RMR (ккал/сут) = 484,264 + 22,771 х TMT,
Эти уравнения обеспечивают хорошую точность у лиц с выраженной мышечной массой, например у атлетов. Только один этот показатель покрывает те же 75% индивидуальной вариабельности, которую ранее учитывали уравнения прогноза на основе четырех влияющих факторов (пол, возраст, рост, масса тела). Удельная величина основного объема (ВОО) в пересчете на 1 кг тощей массы универсальный показатель. Для взрослых мужчин и женщин, отличающихся массой тела, ростом, возрастом, а также содержанием тощей и жировой массы, она была одинаковой. Каждый килограмм прироста тощая масса тела (ТМТ) увеличивает величину основного объема (ВОО) на 22-23 ккал. Влияние жировой массы тела на интенсивность величины основного объема (ВОО) существенно ниже около 5%. При учете влияния состава тела все равно остается почти 25% вариабельности величины основного объема (ВОО), причины которой не выявлены. Вероятно, задействованы генетические, гормональные факторы, связанные с особенностями метаболизма, циркадные ритмы и др. -
Доля энергозатрат физической активности (ФА) зависит от образа жизни. От 10% - для малоподвижного образа жизни и до 60% при регулярной физической нагрузке. Физическая активность (ФА) определяет интенсивность энергетического обмена и величину основного объема (ВОО), отличается повышенными энергозатратами вследствие выполнения трудовых операций и более высокой величиной основного объема (ВОО) у физически развитых людей. В результате тренировки величина основного объема (ВОО) становится выше из-за дополнительных физических возмож- ностей. Различные виды физической активности (ФА) обладают различной модулирующей способностью. Физическая активность (ФА) может изменять величину основного объема (BOO) как количественно, так и качественно. Важную роль играют ее длительность и интенсивность, режим сна и бодрствования как факторы, взаимосвязанные с суточной активностью. При спортивных тренировках изменение величины основного объема (ВОО) обусловлено изменением состава тела. Для спортсменов силовых видов спорта с более выраженной мышечной и пониженной жировой массой более точны уравнения прогноза величины основного объема (ВОО) на основе TMT. Применение уравнений прогноза величины основного объема (BOO) на основе тощей массы тела (ТМТ) для обычных людей невысокого уровня физического состояния дает, наоборот, завышенные значения.
Величина основного объема (ВОО) позволяет не только производить отбор перспективных для спорта кандидатур, но и отслеживать эффективность тренировки в динамике. Доля энергозатрат за счет мышечной массы тела невелика, около 13 ккал/кг. В покое активность скелетных мышц ниже, чем вклад печени, мозга, почек и сердца, хотя и выше активности жировой ткани. Поэтому причиной интенсификации основного обмена (ОО) у спортсменов является не столько прирост мышечной массы, сколько всей системы органов и тканей, формирующей активную клеточную массу и задействованной в адаптации к высокой физической активности (ФА). Физической активность (ФА) сердца, легких. печени, почек и других органов в ходе тренировки переходит на новый адаптационный уровень. Удельная активность тощей массы тела (ТМТ) при этом может даже увеличиваться. Высокая скорость основного обмена (ОО) у тренированных спортсменов это плата за силу и выносливостью
Режим и характер питания оказывают влияние на ВОО (Величина основного объема) основного обмена. Ограничение в пище, например в случае соблюдения религиозного поста, приводит к снижению интенсивности обмена веществ и OO (основного обмена) в том числе. Смена характера питания с жирового на углеводный активизирует окисление жиров. Однако влияние пищевых факторов касается соотношения энергетического использования жиров. белков и углеводов и в меньшей степени ВОО (Величина основного объема), так как питание и сложившиеся пищевые традиции могут отражаться на соотношении макронутриентов и соответственно, субстратов энергетического окисления. Однако энергетическая стоимость ОО (основного обмена) является более устойчивым показателем, поскольку не зависит от того, какие резервы энергии используются для энергетического обеспечения базального метаболизма.
Изменения интенсивности ОО (основного обмена) могут иметь место при изменении метаболической активности органов и тканей, участвующих в поддержании жизненно важных функций организма. Результатом стратегии нутритивной поддержки тренировки силы и выносливости чаще всего является переориентация метаболических ресурсов организма. Включение в рацион спортивного питания АК (аминокислоты) с разветвленной цепью, например, позволяет снизить нагрузку на печень, так как катаболизм ВСАА осуществляется преимущественно в мышцах и почках.
Таким образом, среди множества факторов, определяющих ВОО (Величина основного объема), наиболее сильным предиктором является тощая масса тела. Жировая масса оказывает влияние на ВОО (Величина основного объема) в меньшей степени. К влияющим факторам можно отнести ФА (Физической активность) и характер питания.
