Складиране и изразходване на енергия

Почти всички физиологични процеси в организма се нуждаят от енергия за тяхното протичане. Хранителните вещества се внасят периодично в организма. По тези причини е необходимо те да се складират. Голяма част от резорбираните в храносмилателната система вещества не се подлагат на окисление, а се складират чрез ресинтез на високомолекулни съединения – гликоген и триацилглицероли, които служат като енергиен резерв на организма. Складирането на енергията под формата на високомолекулни съединения е благоприятно, защото те не могат да дифундират през клетъчната мембрана, не участват в клетъчния метаболизъм и слабо повлияват осмоларитета на клетката.

Въглехидратите се складират под формата на гликоген. Гликогенът в организма представлява по-малко от 1% от общите енергийни резерви. Гликогенните депа са локализирани в черния дроб и в мускулите. Гликогенът в черния дроб може да се предостави на другите тъкани (нервна, мускулна, еритроцити) чрез гликогенолиза и освобождаване на образуваната глюкоза в кръвта. Гликогенът, който се намира в мускулите, може да се използва само от тях, защото за разлика от черния дроб в мускулите не се открива ензима глюкозо-6-фосфатаза, който дефосфорилира глюкозата. Само дефосфорилираната глюкоза може да премине клетъчната мембрана и да попадне в кръвта. Депата от въглехидрати могат да обезпечат метаболитните нужди на организма за по-малко от два дни, а глюкозата в екстрацелуларната течност – само за един час.

Мазнините в организма се складират под формата на триацилглицероли. Те представляват 75% от енергийните резерви на организма. Триацилглицеролите имат голяма калорийна плътност (39 kJ/g) и изискват много малко допълнително вода за складирането си. По тази причина те са много ефикасно енергийно депо. Триацилглицеролите се складират основно в подкожната мастна тъкан, в малки количества в мускулите и във вътрешните органи. Складираните триацилглицероли в мастната тъкан в индивиди с нормална телесна маса могат да задоволят енергийните нужди в продължение на 2 месеца при пълно гладуване.

В човешкия организъм има голямо количество белтъци. Въпреки това само половината от тях могат да се мобилизират като източник на енергия, което представлява 25% от общите енергийни депа. Използването на белтъците като главен източник на енергия за продължителен период от време е невъзможно, тъй като те имат жизнено важна структурна и функционална роля. Те са последните резерви, които се използват преди настъпването на смъртта при продължително гладуване.

За да се синтезират високомолекулни съединения за енергийните депа е необходима енергия. Най-много енергия се изразходва за синтеза на белтъци, а най-малко за синтез на триацилглицероли. За поддържане на баланса между складирането и разграждането на хранителните вещества в депата влияние оказват:

• нивото на хранителни вещества в кръвта – при високо ниво на глюкоза, мастни киселини и аминокиселини балансът се измества към тяхното складиране, а при ниско ниво – към разграждането на депата;
• влияние на вегетативната нервна система – парасимпатикусът стимулира складирането, а симпатикусът разграждането на депата;
• ендокринни влияния – инсулинът стимулира складирането, а глюкагонът, адреналинът, растежният хормон и глюкокортикоидите – разграждането на депата.

Процесите на складирането на хранителни вещества преобладават след нахранване, а разграждането на депата се наблюдава по време на гладуване и стрес.

Изразходване на енергията

Освободената енергия при разграждането на хранителните вещества се изразходва в три основни направления:

1. За поддържане на основните жизнени функции на организма в състояние на покой (основна обмяна) – 60-70% от енергията. Основната обмяна представлява минималният енергоразход в будно състояние. По-нисък енергоразход от този при основната обмяна може да се измери само по време на сън. За определяне на основната обмяна е необходимо да се спазят следните условия – изследването да се проведе сутрин след спокоен сън, изследваният да не е поемал храна в продължение на 12 часа, изследването да се проведе в термонеутрална среда, изследваният да е в пълно физическо и психическо спокойствие. При тези условия се изразходва енергия само за поддържане на функциите на жизнено важните органи като сърце (10% от енергията), мозък (19%), бъбреци (7%), черен дроб (27%), скелетни мускули (18%). Основната обмяна варира между отделните индивиди. Това изисква нейното страндартизиране. Тя често се отнася към 1 килограм телесна маса или към 1 килограм телесна маса лишена от мазнини.

Стандартизираната основна обмяна зависи от няколко фактора:

• възраст – основната обмяна е най-висока в детска възраст като постепенно намалява с напредване на възрастта;
• пол – при жените основната обмяна е с около 5% по-ниска от тази при мъжете;
• състав на тялото – при увеличаване на относителния дял в мастната тъкан основната обмяна намалява;
• телесна температура – повишаването на телесната температура води до повишаване на основната обмяна. Това се дължи на увеличена скорост на метаболитните процеси. При повишаване на телесната температура с 1^оС, основната обмяна се повишава с 14%.;
• влияние на хормоните – някои хормони като тези на щитовидната жлеза и на надбъбречната сърцевина имат стимулиращ ефект върху основната обмяна. При максимална секреция на щитовидни хормони основната обмяна може да се увеличи със 100%, докато при липсваща секреция тя намалява с 40-60%. По-слаб стимулиращ ефект върху основната обмяна притежават тестостеронът и растежният хормон. Те могат да я увеличат с 10-15%. По време на лутеалната фаза на менструалния цикъл при жените основната обмяна се увеличава с 5%. Това най-вероятно се дължи на по-високото ниво на прогестерона в този период.;
• генетични фактори – те са отговорни за около 15% от разликите в основната обмяна между различните индивиди с еднаква възраст, пол, телесна повърхност и състав на тялото.

Основната обмяна се променя при някои физиологични състояния. Тя се увеличава при бременност и лактация, а намалява по време на сън. Основната обмяна намалява при продължително гладуване. С това се обяснява защо диетите за отслабване имат най-голям ефект в началото на прилагането им.

2. Енергоразход при двигателна активност – енергията, която се изразходва по време на съкращението на напречнонабраздените мускули, осъществяващи двигателната активност. Този енергоразход варира значително между отделните индивиди. Той зависи основно от типа, интензивността и продължителността на мускулните съкращения. При хората водещи заседнал начин на живот енергоразходът за двигателна активност може да е само 10% от основната обмяна.

3. Енергоразход за усвояване и преработване на храната (термогенен ефект на храната) – след нахранване енергоразходът на организма се увеличава. Това се означава като термогенен ефект на храната или специфично динамично действие на храната. Увеличението на енергоразхода се дължи на процесите на смилане на храната, на нейното резорбиране и складиране под формата на високомолекулни съединения. Най-продължителен и голям е термогенния ефект на белтъците. Те могат да увеличат енергоразхода с 20-30%. По-слаб е ефектът на въглехидратите и най-слаб е на мазнините. При затлъстяване термогенният ефект на храната е намален. Това се дължи на инсулиновата резистентност.

Енергоразходът може да се увеличи в резултат на адаптивна (химична) термогенеза. Тя представлява увеличена топлопродукция вследствие намалена ефективност на окислителните процеси, при които се образува по-малко количество АТФ. Химичната термогенеза може да се наблюдава в два случая – при излагане на студ и при прехранване. Тя има доказана роля новородените, при които излагането на студ води до засилена продукция на топлина в мастната тъкан. 

Методи за определяне на енергоразхода

За определяне на енергоразхода се използват три вида методи:

1. Пряка калориметрия – при този метод се определя количеството топлина, отделена от тялото за определено време. Когато човек не извършва работа, цялото количество освободена енергия се превръща в топлина. По тази причина по отделената топлина може да се прави оценка на енергоразхода на организма. Изследваният индивид се поставя в термоизолирана камера – калориметър. Топлината, която се отделя от тялото, загрява вентилирания въздух в камерата или циркулираща в стените и студена течност. Количеството отделена топлина може да се изчисли като се знаят скоростта на движение на въздуха или на течността, топлоемкостта и разликата между началната и крайната температура. Определянето на енергоразхода чрез пряка калориметрия се използва само за научни цели, защото методът е много скъп.
2. Непряка калориметрия – при този метод се определят обемите консумиран кислород и отделен въглероден диоксид за определен период от време. По техните стойности се определя енергоразхода. Изследването се основава на три важни допускания, които важат определения период. На първо място се допуска, че цялото количество енергия в организма се освобождава в резултат на пълното окисление на хранителните вещества. Допуска се, че в организма не се извършва складиране на хранителни вещества под формата на високомолекулни съединения. Третото допускане е, че целият обем консумиран кислород и издишан въглероден диоксид се дължат на окислителни процеси. Тогава по обема на тези газове може да се изчисли респираторния квотиент, а от него да се определи стойността на енергийния еквивалент на кислорода (ЕЕК). Енергоразходът може да се изчисли по следната формула:

енергоразход = КК Х ЕКК,

където КК е кислородна консумация, а ЕЕК – енергиен еквивалент на кислорода.

3. Дилуционни методи с използване на стабилни изотопи – при тях в организма се вкарва двойно белязана вода ²Н₂¹⁸О, която се използва за определяне на скоростта на образуване на въглероден диоксид. Двата стабилни изотопа се елиминират от организма с различна скорост. ¹⁸О се елиминира с водата и с въглеродния диоксид, а ²Н само с водата. По разликата в скоростта на елиминирането на изотопите, която се следи в продължение на 7-21 дни, може да се определи скоростта на образуване на въглеродния диоксид. След това от нея може да се изчисли енергоразхода, като се знае количеството енергия, което се освобождава при образуването на 1 литър въглероден диоксид в резултат на окислителни процеси. Дилуционният метод с използване на стабилни изотопи е единственият начин, по който може да се определи енергоразходът за по-дълъг период от време при свободен и пълноценен начин на живот на индивида.

В практиката широко се използват методите за предвиждане на енергоразхода, които се основават на математически формули. Най-разпространено е уравнението на Harris-Benedict:

основна обмяна мъже = 66 + (13,7 Х т.м) + (5 Х ръст) – (6,8 Х възраст);

основна обмяна жени = 665 + (9,6 Х т.м) + (1,8 Х ръст) – (4,7 Х възраст);

където т.м е телесната маса в килограми, ръстът е в сантиметри, а възрастта е в години. Основната обмяна по това уравнение се изчислява в килокалории kcal. Те лесно могат да се превърнат в kJ, като се знае, че 1 kcal=4,186 kJ. За да се получи целия енергоразход, получената стойност се умножава по фактор, който определя двигателната активност на индивида. Неговите стойности са: при заседнал начин на живот 1,20; слаба активност – 1,375, умерена активност – 1,55 и висока активност – 1,90.