Menselijk energiemetabolisme

“Het menselijk lichaam is een ‘machine’ die chemische energie kan vrijmaken die gebonden is in de ‘brandstof’ van voedsel; deze ‘brandstof’ bestaat uit koolhydraten, vetten, eiwitten en alcohol” (WHO).

Het preferentiële gebruik van een van de genoemde bronnen kent verschillende kenmerken wat betreft de omvang van de energie-uitwisseling en de daarmee gepaard gaande metabolische verschuivingen.

Kenmerken van verschillende metabolische bronnen van voedselenergievoorziening

Indicatoren	Glucose	Palmitaat	Eiwit
Warmteafgifte, kcal:
Per 1 mol geoxideerd	673	2398	475
Per 1 g geoxideerd	3,74	9.30	5.40
Zuurstofverbruik:
Mot	66.0	23.0	5.1
L	134	515	114
Productie van koolstofdioxide:
Mot	66.0	16.0	4.1
L	134	358	92
ATP-productie, mollen:	36	129	23
Kosten van ATP-producten:
Hel	18.7	18.3	20.7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4.00
Ademhalingsquotiënt	1,00	0,70	0,81
Energie-equivalent per 1 liter gebruikte zuurstof	5.02	4.66	4.17

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ]

Fasen van energie-uitwisseling

Hoewel de dissimilatie en synthese van eiwit-, vet- en koolhydraatstructuren karakteristieke kenmerken en specifieke vormen hebben, zijn er een aantal fundamenteel gemeenschappelijke fasen en patronen in de omzetting van deze verschillende stoffen. Wat betreft de energie die vrijkomt tijdens de stofwisseling, kan de energiestofwisseling worden onderverdeeld in drie hoofdfasen.

In fase I worden grote moleculen voedingsstoffen in het maag-darmkanaal afgebroken tot kleinere. Koolhydraten vormen 3 hexosen (glucose, galactose, fructose), eiwitten - 20 aminozuren, vetten (triglyceriden) - glycerol en vetzuren, evenals zeldzamere suikers (bijvoorbeeld pentosen, enz.). Er is berekend dat gemiddeld 17,5 ton koolhydraten, 2,5 ton eiwitten en 1,3 ton vetten door het menselijk lichaam gaan tijdens zijn leven. De hoeveelheid energie die vrijkomt in fase I is onbeduidend en wordt vrijgegeven in de vorm van warmte. Zo komt ongeveer 0,6% van de totale energie vrij tijdens de afbraak van polysachariden en eiwitten, en 0,14% van de vetten, die worden gevormd tijdens hun volledige afbraak tot de uiteindelijke stofwisselingsproducten. Daarom bestaat het belang van chemische reacties in fase I voornamelijk uit het voorbereiden van voedingsstoffen voor de daadwerkelijke energieafgifte.

In fase II worden deze stoffen verder afgebroken door onvolledige verbranding. Het resultaat van deze processen - onvolledige verbranding - lijkt onverwacht. Van de 25-30 stoffen worden, naast CO₂ en H₂O, slechts drie eindproducten gevormd: α-ketoglutaarzuur, oxaalazijnzuur en azijnzuur in de vorm van acetylco-enzym A. Kwantitatief gezien overheerst acetylco-enzym A. In fase II komt ongeveer 30% van de energie uit de voedingsstoffen vrij.

In fase III, de zogenaamde Krebs-tricarbonzuurcyclus, worden de drie eindproducten van fase II verbrand tot koolstofdioxide en water. Bij dit proces komt 60-70% van de energie uit voedingsstoffen vrij. De Krebs-cyclus is het algemene eindpunt van de afbraak van koolhydraten, eiwitten en vetten. Het is een soort knooppunt in de uitwisseling, waar de transformaties van verschillende structuren samenkomen en de wederzijdse overgang van synthetische reacties mogelijk is.

In tegenstelling tot fase I - de hydrolysefasen in het maag-darmkanaal - komt bij de afbraak van stoffen in fase II en III niet alleen energie vrij, maar ook een speciaal type energieaccumulatie.

Energie-uitwisselingsreacties

Energiebehoud wordt bereikt door de energie van de voedselafbraak om te zetten in een speciale vorm van chemische verbindingen, macro-erge verbindingen genaamd. De dragers van deze chemische energie in het lichaam zijn verschillende fosforverbindingen, waarbij de binding van het fosforzuurresidu de macro-erge binding is.

De pyrofosfaatbinding met de structuur van adenosinetrifosfaatzuur neemt een belangrijke plaats in in het energiemetabolisme. In deze verbinding wordt 60 tot 70% van alle energie die vrijkomt bij de afbraak van eiwitten, vetten en koolhydraten in het lichaam gebruikt. Het gebruik van energie (oxidatie in de vorm van ATP) is van groot biologisch belang, omdat dit mechanisme het mogelijk maakt om de plaats en het tijdstip van energievrijgave te onderscheiden van het daadwerkelijke verbruik ervan tijdens het functioneren van organen. Er is berekend dat de hoeveelheid ATP die in 24 uur in het lichaam wordt gevormd en afgebroken ongeveer gelijk is aan het lichaamsgewicht. De omzetting van ATP in ADP levert 41,84-50,2 kJ, oftewel 10-12 kcal, op.

De energie die door de stofwisseling wordt gegenereerd, wordt besteed aan de basisstofwisseling, d.w.z. aan het handhaven van het leven in een toestand van volledige rust bij een omgevingstemperatuur van 20 °C, aan groei (plastische stofwisseling), spierarbeid en aan de vertering en assimilatie van voedsel (specifieke dynamische werking van voedsel). Er zijn verschillen in het energieverbruik dat door de stofwisseling wordt gegenereerd bij volwassenen en kinderen.

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

BX

Bij een kind, zoals bij alle zoogdieren die onvolgroeid geboren worden, vindt er gedurende de eerste 1 1/2 jaar een toename van het basaal metabolisme plaats, waarna dit metabolisme in absolute zin gestaag blijft toenemen en per eenheid lichaamsgewicht even regelmatig weer afneemt.

Vaak worden rekenmethoden gebruikt om de basale stofwisseling te berekenen. Formules zijn meestal gericht op indicatoren zoals lengte of lichaamsgewicht.

Berekening van de basale stofwisselingssnelheid met behulp van het lichaamsgewicht (kcal/dag). Aanbevelingen van de FAO/WHO

Leeftijd	Jongens	Meisjes
0-2 jaar	60.9 R-54	61R - 51
3-9 jaar	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

De totale energie die met voedsel wordt opgenomen, wordt verdeeld over de basisstofwisseling, de specifieke dynamische werking van voedsel, warmteverlies tijdens uitscheiding, fysieke (motorische) activiteit en groei. In de structuur van de energieverdeling, oftewel het energiemetabolisme, wordt onderscheid gemaakt tussen:

• Ontvangen energie (uit voedsel) = Afgegeven energie + verbruikte energie.
• Energie opgenomen = Energie ontvangen - Energie uitgescheiden via de uitwerpselen.
• Gemetaboliseerde energie = Ontvangen energie - Energie van onderhoud (leven) en activiteit, of "basiskosten".
• De energie van de hoofdkosten is gelijk aan de som:
  • basale stofwisselingssnelheid;
  • thermoregulatie;
  • verwarmend effect van voedsel (WEF);
  • kosten van de activiteit;
  • kosten voor het synthetiseren van nieuwe weefsels.
• Depositie-energie is de energie die wordt besteed aan de afzetting van eiwitten en vetten. Glycogeen wordt niet meegerekend, aangezien de afzetting ervan (1%) onbeduidend is.
• Afgegeven energie = Gemetaboliseerde energie - Energie van basisverbruik.
• Energiekosten voor groei = Energie voor de synthese van nieuw weefsel + Energie opgeslagen in nieuw weefsel.

De belangrijkste leeftijdsverschillen liggen in de verhouding tussen de kosten van groei en, in mindere mate, activiteit.

Leeftijdsgerelateerde kenmerken van de verdeling van het dagelijkse energieverbruik (kcal/kg)

Leeftijd	BX	SDDP	Uitscheidingsverliezen	Activiteit	Hoogte	Totaal
Voorbarig	60	7	20	15	50	152
8 weken	55	7	11	17	20	110
10 maanden	55	7	11	17	20	110
4 jaar	40	6	8	25	8-10	87-89
14 jaar oud	35	6	6	20	14	81
Volwassen	25	6	6	10	0	47

Zoals u kunt zien, zijn de groeikosten zeer aanzienlijk voor een pasgeborene met een laag gewicht en tijdens het eerste levensjaar. Van nature zijn ze bij een volwassene simpelweg afwezig. Fysieke activiteit zorgt voor een aanzienlijk energieverbruik, zelfs bij een pasgeborene en een baby, wat zich uit in het zuigen aan de borst, rusteloosheid, huilen en schreeuwen.

Wanneer een kind onrustig is, neemt het energieverbruik met 20-60% toe, en wanneer het schreeuwt met 2-3 keer. Ziekten stellen hun eigen eisen aan het energieverbruik. Deze nemen vooral toe bij een stijging van de lichaamstemperatuur (bij een stijging van 1° C neemt de stofwisseling met 10-16% toe).

In tegenstelling tot volwassenen besteden kinderen veel energie aan groei (plastische stofwisseling). Het is inmiddels vastgesteld dat voor de opbouw van 1 gram lichaamsmassa, oftewel nieuw weefsel, ongeveer 29,3 kJ, oftewel 7 kcal, nodig is. De volgende schatting is nauwkeuriger:

• Energiekosten voor groei = Energie van synthese + Energie van afzetting in nieuw weefsel.

Bij een te vroeg geboren baby met een laag gewicht bedraagt de synthese-energie 1,3 tot 5 kJ (0,3 tot 1,2 kcal) per gram toegevoegd aan het lichaamsgewicht. Bij een voldragen baby is dit 1,3 kJ (0,3 kcal) per gram nieuw lichaamsgewicht.

Totale energiekosten van de groei:

• tot 1 jaar = 21 kJ (5 kcal) per 1 g nieuw weefsel,
• na 1 jaar = 36,5-50,4 kJ (8,7-12 kcal) per 1 gram nieuw weefsel, of ongeveer 1% van de totale energie van de voedingsstofinhoud.

Omdat de groei-intensiteit van kinderen varieert in verschillende periodes, is het aandeel van de plastische stofwisseling in het totale energieverbruik ook verschillend. De meest intensieve groei vindt plaats in de intra-uteriene periode van ontwikkeling, wanneer de massa van het menselijk embryo 1 miljard tot 20 miljoen keer (1,02 x 109) toeneemt. De groeisnelheid blijft vrij hoog in de eerste levensmaanden. Dit blijkt uit een aanzienlijke toename van het lichaamsgewicht. Daarom bedraagt het aandeel van de "plastische" stofwisseling in het energieverbruik bij kinderen van de eerste 3 maanden 46%, waarna het in het eerste jaar afneemt, maar vanaf 4 jaar, en met name in de prepuberale periode, wordt een toename in de groei-intensiteit waargenomen, wat zich weer weerspiegelt in een toename van de plastische stofwisseling. Gemiddeld gaat 12% van de energiebehoefte naar groei bij kinderen van 6 tot 12 jaar.

Energiekosten voor groei

Leeftijd	Lichaamsgewicht, kg	Gewichtstoename, g/dag	Energiewaarde , kcal/dag	Energiewaarde , kcal/(kg-dag)	Als percentage van de basale stofwisselingssnelheid
1 maand	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
1 jaar	10.4	10	63	6	11
5 jaar	17.6	5	32	2	4
14 jaar oud, meisjes	47,5	18	113	2	8
16 jaar oud, jongens	54.0	18	113	2	7

[ 9 ], [ 10 ]

Energieverbruik voor moeilijk te verantwoorden verliezen

Moeilijk te verklaren verliezen omvatten onder meer verlies van vet, spijsverteringssappen en secreties geproduceerd in de wand van het spijsverteringskanaal en de klieren met ontlasting, met exfoliërende epitheelcellen, met het afvallen van de huid, haar en nagels, met zweet, en bij het bereiken van de puberteit bij meisjes met menstruatiebloed. Helaas is dit probleem bij kinderen nauwelijks onderzocht. Men vermoedt dat het bij kinderen ouder dan een jaar ongeveer 8% van het energieverbruik bedraagt.

[ 11 ]

Energieverbruik bij activiteit en het handhaven van de lichaamstemperatuur

Het aandeel van het energieverbruik voor activiteit en het handhaven van de lichaamstemperatuur verandert met de leeftijd van het kind (na 5 jaar wordt dit meegerekend als spierarbeid). In de eerste 30 minuten na de geboorte daalt de lichaamstemperatuur van een pasgeborene met bijna 2°C, wat een aanzienlijk energieverbruik met zich meebrengt. Bij jonge kinderen moet het lichaam van het kind 200,8-418,4 kJ/(kg • dag), of 48-100 kcal/(kg • dag) verbruiken om een constante lichaamstemperatuur te handhaven bij een omgevingstemperatuur onder de kritische temperatuur (28...32°C) en activiteit. Daarom neemt met de leeftijd het absolute energieverbruik voor het handhaven van een constante lichaamstemperatuur en activiteit toe.

Het aandeel van het energieverbruik voor het handhaven van een constante lichaamstemperatuur bij kinderen in het eerste levensjaar is echter lager naarmate het kind kleiner is. Daarna neemt het energieverbruik weer af, omdat het lichaamsoppervlak per kg lichaamsgewicht weer afneemt. Tegelijkertijd neemt het energieverbruik voor activiteit (spierarbeid) toe bij kinderen ouder dan één jaar, wanneer het kind zelfstandig begint te lopen, rennen, aan lichamelijke opvoeding of sport doet.

Energiekosten van fysieke activiteit

Type beweging	Cal/min
Fietsen met lage snelheid	4.5
Fietsen met gemiddelde snelheid	7.0
Met hoge snelheid fietsen	11.1
Dansen	3.3-7.7
Voetbal	8.9
Gymnastiekoefeningen op toestellen	3.5
Sprinten	13.3-16.8
Lange afstand hardlopen	10.6
Schaatsen	11.5
Langlaufen met gematigde snelheid	10,8-15,9
Langlaufen op maximale snelheid	18.6
Zwemmen	11.0-14.0

Bij kinderen van 6 tot 12 jaar bedraagt het aandeel van de energie dat aan fysieke activiteit wordt besteed ongeveer 25% van de energiebehoefte, en bij volwassenen 1/3.

[ 12 ], [ 13 ]

Specifieke dynamische werking van voedsel

Het specifieke dynamische effect van voeding varieert afhankelijk van de aard van het dieet. Het is sterker bij eiwitrijk voedsel, minder bij vetten en koolhydraten. Bij kinderen in het tweede levensjaar bedraagt het specifieke dynamische effect van voeding 7-8%, bij oudere kinderen meer dan 5%.

Kosten van implementatie en het overwinnen van stress

Dit is een natuurlijke ontwikkeling van normale levensactiviteiten en energieverbruik. Het proces van leven en sociale aanpassing, onderwijs en sport, het aangaan van interpersoonlijke relaties - dit alles kan gepaard gaan met stress en extra energieverbruik. Gemiddeld is dit een extra 10% van de dagelijkse energie-"rantsoen". Tegelijkertijd kan bij acute en ernstige ziekten of verwondingen het stressverbruik aanzienlijk toenemen, wat in overweging moet worden genomen bij de berekening van het voedselrantsoen.

Hieronder vindt u gegevens over de toename van de energiebehoefte tijdens stress.

Staten	Verandering in energiebehoefte
Brandwonden afhankelijk van het percentage verbrand lichaamsoppervlak	+ 30...70%
Meervoudige verwondingen bij mechanische beademing	+ 20...30%
Ernstige infecties en meervoudig trauma	+ 10...20%
Postoperatieve periode, milde infecties, botbreuken	0... + 10%

Een aanhoudende energie-onbalans (overschot of tekort) veroorzaakt veranderingen in lichaamsgewicht en lengte op alle ontwikkelings- en biologische leeftijdsindices. Zelfs een matig energietekort (4-5%) kan een ontwikkelingsachterstand bij een kind veroorzaken. Daarom wordt de energievoorziening via voeding een van de belangrijkste voorwaarden voor adequate groei en ontwikkeling. De berekening van deze voorziening moet regelmatig worden uitgevoerd. Voor de meeste kinderen kunnen aanbevelingen voor de totale energie van de dagelijkse voeding dienen als benchmarks voor analyse; voor sommige kinderen met speciale gezondheidsproblemen of leefomstandigheden is een individuele berekening vereist op basis van de som van alle energieverbruikende componenten. De volgende methoden voor het berekenen van het energieverbruik kunnen dienen als voorbeeld van het gebruik van algemene leeftijdsnormen voor de voorziening en de mogelijkheid van een individuele correctie van deze normen.

Berekeningsmethode voor het bepalen van de basale stofwisselingssnelheid

Tot 3 jaar	3-10 jaar	10-18 jaar
Jongens
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Meisjes
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

[ 14 ], [ 15 ]

Extra kosten

Schadevergoeding - het basaal metabolisme wordt vermenigvuldigd: bij een kleine chirurgische ingreep met 1,2; bij een skeletletsel met 1,35; bij sepsis met 1,6; bij brandwonden met 2,1.

Specifieke dynamische werking van voeding: + 10% van de basale stofwisseling.

Lichamelijke activiteit: bedlegerig + 10% van de basale stofwisseling; zittend in een stoel + 20% van de basale stofwisseling; patiënt op een ziekenhuisafdeling + 30% van de basale stofwisseling.

Kosten van koorts: voor elke 1°C gemiddelde dagelijkse stijging van de lichaamstemperatuur +10-12% van de basale stofwisselingssnelheid.

Gewichtstoename: tot 1 kg/week + 1260 kJ (300 kcal) per dag.

Het is gebruikelijk om normen vast te stellen voor de leeftijdsgerelateerde energievoorziening van de bevolking. Veel landen hanteren dergelijke normen. Alle voedselrantsoenen van georganiseerde groepen worden op basis hiervan samengesteld. Individuele voedselrantsoenen worden ook hieraan getoetst.

Aanbevelingen voor de energiewaarde van voeding voor kinderen van jonge leeftijd tot 11 jaar

	0-2 maanden	3-5 maanden	6-11 maanden	1-3 jaar	3-7 jaar	7-10 jaar
Energie, totaal, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energie, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Aanbevelingen voor energiestandaardisatie (kcal/(kg • dag))

Leeftijd, maanden	FAO/WHO (1985)	VN (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

Berekening en correctie van het energiemetabolisme zijn gericht op het elimineren van tekorten aan de belangrijkste energiedragers, met name koolhydraten en vetten. Tegelijkertijd is het gebruik van deze dragers voor de aangegeven doeleinden alleen mogelijk met inachtneming en correctie van de voorziening van vele fundamenteel noodzakelijke begeleidende micronutriënten. Zo is het met name belangrijk om kalium, fosfaten, B-vitamines, met name thiamine en riboflavine, soms carnitine, antioxidanten, enz. voor te schrijven. Het niet naleven van deze voorwaarde kan leiden tot levensbedreigende aandoeningen, die juist ontstaan bij intensieve energievoeding, met name parenterale.