energetická potřeba
Energetická potřeba
Přeměna potravin na energii
Potravou jsou energeticky bohaté sloučeniny přiváděny do těla nárazově. Buňky těla však musí mít zajištěný rovnoměrný přísun energie. Proto se energie uvolňovaná při rozkladu těchto látek fixuje do zvláštních sloučenin, které obsahují ve své molekule tak zvané makroergické vazby. Jsou to chemické vazby, při jejichž rozštěpení se energie opět uvolňuje. Buňky si tak plynule odčerpávají potřebné množství energie a přísunem živin se tyto vazby opět obnovují. Pokud přijme tělo takové množství sacharidů a tuků, že to stačí nejen na obnovu všech makroergických vazeb, začne vytvářet některé zásobní sloučeniny, ve kterých si nadbytečně přijatou energii uchovává na „horší časy“. Nejdůležitějšími zásobními sloučeninami jsou glykogen a zejména pak tuky.
V těle je určitá zásoba glykogenu. Dojde-li v důsledku zvýšené zátěže k poklesu jeho zásob, tělo vždy po skončení této zátěže zásobu glykogenu doplní, i kdyby na to mělo použít vlastní svalovinu. Přednostně má samozřejmě zájem vytvořit glykogen z vytvořeného svalového laktátu. Z něho obvykle obnoví asi 30 až 40% spotřebovaného glykogenu. Zbytek musí vytvořit z jiných sloučenin. Přednostně se snaží získat potřebné látky z tráveniny ve střevě. Pokud nejsou v trávicím traktu přítomny, začne jednoduše odbourávat svalové bílkoviny a z nich si chybějící glykogen vytvoří.
V případě tuků je situace jiná. Tuky tělo tvoří v období „blahobytu“, tedy v době nadbytku. Pokud ale není potravou přiváděno nadbytečné množství energie, tělo jednoduše tuky netvoří. Zatímco doplnění zásob glykogenu je životní nutností, tvorba tuků je jakýsi nadstandard, který ale životně důležitý není. Podle toho se i tělo chová. Pokud tuky tvoří, doplňuje nejprve zásoby svalového tuku. Ten se pak také při fyzické zátěži spaluje nejdříve. Je-li tato zásoba vytvořena, pokračuje tělo v ukládání tuků v oblasti břicha, tedy kolem orgánů trávicí soustavy. Pokud nadbytečný přísun energie potravou přetrvává, začne se vytvářet tuk podkožní a také se vytváří další tuk ve svalech (dochází ke ztučnění svalové tkáně a vnitřních orgánů - výrazně se zvyšuje riziko vzniku závažných onemocnění).
Sloučenin obsahujících makroergické vazby a tedy sloužících jako jakési rezervoáry energie, má tělo k dispozici několik. Z biochemického hlediska je nejdůležitější adenosintrifosfát, označovaný jako ATP. Sloučenina obsahuje celkem 3 makroergické vazby. Jenom pro zajímavost, energie uvolněná uvnitř buňky při přeměně 1 molu ATP na ADP (obsahuje 2 makroergické vazby) může činit až 50,16 kJ, což je téměř trojnásobek minutové energetické potřeby dospělého muže při lehké činnosti.
Bazální metabolismus
Denní potřeba energie zahrnuje energii potřebnou na zajištění životních funkcí a energii potřebnou pro výkon jakékoliv prováděné práce. Protože je podle prováděné činnosti značně rozdílná, byl zaveden pojem bazálního metabolismu (BM). Je to nejmenší množství energie potřebné k udržení základních životních funkcí. Bazální metabolismus je ovlivňován celou řadou faktorů. U novorozenců je nižší, stejně tak u žen ve srovnání s muži. V teplém podnebí a při hladovění je taktéž jeho hodnota nižší. Naproti tomu infekční onemocnění a horečnaté stavy jeho hodnotu zvyšují. Orientačně lze říci, že u mužů se za každý rok nad 30 let hodnota denního BM snižuje přibližně o 10 kJ, nad 50 let asi o 15 kJ, u žen nad 30 let asi o 15 kJ a nad 50 let až o 25 kJ. Pokud někdo prodělává redukční dietu, dochází u něj ke snížení hodnoty BM. Jinými slovy, tělo si ponechává více energie pro aktivní činnost.
Výpočet hodnoty bazálního metabolismu
Pokud není možnost měřit spotřebu kyslíku, lze hodnotu bazálního metabolismu v kJ za 24 hodin přibližně vypočítat podle vzorců Harrise a Benedikta uvedených na následující tabuli. Rovnice ale mírně nadhodnocují skutečnou energetickou potřebu u mladých lidí a naopak podhodnocují energetický výdej u zdravých mužů a také u žen starších 60 let. Pro většinu sportovců je také použitelná, ale nedává přesnou hodnotu v případě tukuprosté tkáně (body lean mass). Pro svalnaté lidi s nízkým obsahem tělního tuku pak při výpočtu vychází nižší hodnota, než odpovídá realitě (podhodnocený výsledek). Naopak u lidí s vyšším podílem tělního tuku naopak vychází hodnoty vyšší, než odpovídá reálnému stavu (nadhodnocený výsledek). Vysvětlení je celkem logické, protože tkání, která produkuje teplo, je svalová tkáň (je metabolicky nejaktivnější). Čím větší podíl svaloviny, tím vyšší produkce tepla. Rovnice však popisuje tělo jako celek a je odvozena od průměrného složení těla většiny populace s přihlédnutím k pohlaví, věku, výšce, váze a také k rase. Jakákoliv odchylka od tohoto průměrného složení znamená větší nebo menší odchylku od reálného stavu.
Přesné stanovení hodnoty bazálního metabolismu se provádí na základě zjištění spotřeby kyslíku u vyšetřované osoby za přesně definovaných podmínek. Po korekci na standardní podmínky (teplotu a barometrický tlak) se spotřebované množství kyslíku vynásobí číslem 20,19 kJ, což je teplo vytvořené jedním litrem spotřebovaného kyslíku. Výsledek udává energii v kJ uvolněnou v těle vyšetřované osoby za 1 hodinu. Pokud takto vypočítanou hodnotu vydělíme povrchem těla, můžeme pomocí tabulek srovnávat efektivnost energetického metabolismu. Tato hodnota bývá totiž u lidí pozoruhodně konstantní.
Změříme-li tedy spotřebu kyslíku u člověka při provádění nějaké činnosti, vynásobíme ji číslem 20,19 kJ a dále dobou v minutách, po kterou činnost probíhala, zjistíme energetický výdej, který tělo muselo vynaložit na provedení dané činnosti. Pokud bychom chtěli znát množství energie nutné pouze na sledovanou pohybovou aktivitu, museli bychom od vypočítané hodnoty odečíst hodnotu BM. Pro normální potřeby se však hodnota BM přímo zahrnuje do udávaných hodnot a takto jsou uvedeny i všechny údaje o potřebě energie v tabulkách zařazených do článků týkajících se energetického výdeje podle různých činností.
Pro sportovce s nízkým obsahem tělního tuku (především se to týká kulturistů) je možné provést výpočet i podle Cunninghamovy rovnice, která byla sestavena pro stanovení bazálního metabolismu tukuprosté tkáně. Tato rovnice však nezahrnuje věk ani výšku a platí jak pro muže, tak i pro ženy. Jedná se však o poměrně hrubý odhad bazálního metabolismu a je nutné upozornit na skutečnost, že velice záleží na přesnosti stanovení tukuprosté tkáně. Tento údaj lze získat s odpovídající přesností pouze při denzitometrickém stanovení, pokud se "přimhouří" oko, lze akceptovat i hodnoty získané na kvalitních multifrekvenčních BIA přístrojích (např. Tanita 780 v kombinací s měřením na Tanita Viscan).
Odhad energetické potřeby
Energetická potřeba organismu je součtem bazálního metabolismu, termického efektu přijaté potravy a fyzické aktivity. V případě nějaké choroby je nutné také přičíst energii nutnou na zvládání projevů onemocnění (zvýšená teplota, stres apod.). Často se významově zaměňují dva pojmy - bazální metabolismus (BM) a klidový metabolismus (REE). Pro posuzování energetické bilance těla je rozhodující klidový metabolismus (správněji označovaný jako klidový energetický výdej).
Termický efekt potravy (specifickodynamický účinek, SDÚ) je nárůst energetického výdeje s maximem za 90 minut po perorálním příjmu potravy. K původním hodnotám (před příjmem potravy) se energetický výdej vrací po 2 až 4 hodinách. SDÚ je vyvolán metabolickými nároky organismu na zpracování přijaté potravy. Bílkoviny zvyšují energetické nároky o 20 až 30%, sacharidy asi o 10% a tuky přibližně o 3%. Průměrná strava zvyšuje energetické nároky asi o 10%, při vyšším zastoupení tuků asi o 6 až 7%. V případě speciálních diet (vysokoproteinových s velmi nízkým podílem tuků) lze akceptovat navýšení až o 15%, pro běžnou stravu je však tato hodnota pro výpočet vysoká.
Bazální metabolismus BM (nově označovaný také jako bazální energetický výdej BEE) je nejnižší energetický výdej organismu těsně po probuzení a minimálně 12 (podle některých autorů 18) hodin po posledním jídle. Reálně vzato, jen velice obtížně ho lze změřit. Měřená osoba musí být v nehybné poloze po celou dobu měření, v přesně temperovaném prostředí, stále ve stejné poloze s vyloučením jakéhokoliv pohybu. Musí být provedena podrobná hmotnostní bilance přeměny živin na odpadní produkty. Navíc, hodnota bazálního metabolismu vlastně nemá ani žádný klinický význam, protože nezahrnuje základní lidské činnosti spojené s každodenním životem. Jedná se o minimální produkci tepla v organismu, je závislý na věku, tělesné teplotě a pohlaví. Velkou výhodou je, že se v minulosti podařilo na základě provedených měření u velkého souboru osob sestavit rovnice, podle nichž lze nyní BM vypočítat ze snadno zjistitelných tělesných údajů (pohlaví, věk, hmotnost a výška). Je však třeba si uvědomit, že rovnice byly odvozeny ze souboru dat, které se řídí gaussovským rozdělením pravděpodobnosti. Čím více se bude svými parametry sledovaná osoba blížit průměrné hodnotě ze sledovaného souboru vstupních dat, tím pro ni bude získaný výsledek přesnější. Naopak, čím více se bude od průměru odlišovat, tím větší chybou bude získaný výsledek zatížený.
Z vypočítané hodnoty BM se pak odvozuje energetická potřeba pro různé činnosti. Příklad velmi hrubého odhadu uvádí následující přehled.
Mnohem přesnější odhad potřeby energie pro různé fyzické aktivity lze odvodit z hodnoty klidového energetického výdeje. Pomocí spiroergometrických a bilančních měření lze totiž velice přesně určit energetický výdej pro různé činnosti za jednotkový čas. Pak už jen stačí sestavit denní časový rozvrh a do něj zadat doby, po kterou je ta která činnost prováděna. A protože jsou známy údaje o stravitelnosti živin, rychlosti jejich vstřebávání a rychlosti jejich metabolismu, lze poměrně přesně určit i doby, kdy a jaké jídlo konzumovat, aby byla dosažena žádoucí energetická bilance (např. pro určitou dobu sportovního výkonu).
Klidový energetický výdej (REE) je proto široce používán u profesionálů nebo u těch osob, kdy záleží na vyladění posledních 10 až 15 % jejich formy. Velké uplatnění nachází u hospitalizovaných pacientů s vážnými onemocněními, kdy je přesné dávkování otázkou života nebo smrti (např. dlouhodobé infuze při bezvědomí, těžké popáleniny apod.). Stejně tak se hojně využívá při moderních medicínských postupech spojených s léčbou obezity. Je vlastně obrazem metabolických potřeb v kteroukoliv denní dobu. Zjišťuje se z měření provedených po 30 minutovém klidu na lůžku (v bdělém stavu), v tepelně stabilizovaném (indiferentním) prostředí a nejméně 2 hodiny po jídle. Dastych uvádí, že při opakovaném měření nepřekračuje odchylka mezi jednotlivými měřeními 4 až 7%, jedná se tedy o poměrně přesně reprodukovatelnou veličinu.
Určení přesné hodnoty REE je však opět vázané na přístrojové vybavení, které není zrovna levné. Proto se praxi využívá hrubý odhad odvozený opět od bazálního metabolismu, který se vypočítává podle již zmíněné rovnice Harrise a Benedikta. Vypočítaná hodnota se potom násobí určitými koeficienty. Tento hrubý odhad lze však využít jen jako orientační, v žádném případě na něm nelze stavět např. u vrcholových sportovců, kteří se připravují na podání maximálního výkonu v určitou dobu. Odchylka od skutečného stavu zjištěného spiroergometrií může totiž činit až 20 %. V posledních 25 letech bylo provedeno několik pokusů o zavedení nových rovnic a podmínek pro stanovení REE. Tyto úpravy však mají většinou význam pro klinickou praxi, protože právě u osob s relativně nízkou pohybovou aktivitou lze vypočítat přesnější údaje (údaje nejvíce se blížící realitě se získávají u ležících pacientů). Čím je sledovaná osoba fyzicky aktivnější a vykonává různorodější fyzickou činnost, tím je provedený odhad méně přesný. Je nutno zdůraznit, že odhad energetické potřeby získaný prostým násobením BM nějakým koeficientem je jen hrubým odhadem. Přesné hodnoty energetické potřeby lze získat pouze spiroergometrickým měřením s následným výpočtem pomocí respiračního koeficientu a zjištěné bilance dusíku vyloučeného močí. Jak z uvedeného vyplývá, ladit sportovní formu nebo exaktně snižovat nadváhu lze jen na základě měření.
Proč se tedy stále používají různé odhady odvozené od BM? Je to o penězích. Spiroergometrické měření může provádět jen několik pracovišť vybavených špičkovými přístroji. Díky ceně těchto přístrojů jsou analýzy dražší a tím se omezuje okruh osob, které jsou ochotny do analýzy investovat takové peníze. Olympionik nebo závodník účastnící se mistrovství světa asi takovou investici udělá, protože případné umístění mu vložené peníze bohatě vynahradí. Podobně takovou investici udělá vyhledávaná modelka. Řadový občan trápící se nadváhou nebo rekreační sportovec ale musí uvažovat o trošku skromnějších podmínkách. A proto se hledaly jiné, levnější možnosti. Jednou z nich je odhad energetické potřeby odvozený od REE a metabolického ekvivalentu.
Odhad energetické potřeby pomocí metabolického ekvivalentu
Metabolický ekvivalent (MET) je vlastně koeficient pro klidový metabolismus (REE). Jedná se hlavně o názornější a snadněji pochopitelný způsob vyjádření energetických nároků těla zejména ve vztahu ke sportovním aktivitám. Musí se však opět nějak určit REE, na jehož hodnotě celá tato pomyslná stavba stojí. Tím určením je předpoklad, že průměrný člověk spotřebovává za 1 hodinu 4,184 kJ (1 kcal) energie na 1 kg hmotnosti. Jestliže začne tělo vykonávat nějakou činnost, energetická potřeba se zvýší. Kolikrát se zvýší proti klidovému metabolismu, to vyjadřuje právě hodnota MET. Pokud tedy byla například pro jízdu na kole stanovena hodnota MET rovna 6, pak to znamená, že se zvýší energetická potřeba šestinásobně proti potřebě v klidu, tedy na 25,1 kJ na 1 kg hmotnosti za hodinu. Metabolický ekvivalet byl původně odvozen pro vyjadřování potřeby energie v kcal, především jako celistvé násobky klidového metabolismu (6 MET = 6 kcal/kg/hodinu). Zavedením vyjadřování energie v kJ se však přehlednost a jednoduchost této formy vyjadřování energetické potřeby vytratila. Pozorný čtenář také jistě zaregistroval největší slabinu tohoto způsobu určení energetické potřeby - vše je postaveno na průměrné hodnotě 1 kcal spotřebované energie za hodinu na 1 kg hmotnosti. A co když nejste průměrný člověk a tato hodnota je ve Vašem případě odlišná? Právě jste vytáhli klíčovou kartu a Váš postavený domeček z karet se Vám před očima sesypal...
Přes uvedenou slabinu se tento způsob určení energetické potřeby v praxi používá a je využíván především rekreačními sportovci a ve fitcentrech. Pro úplnost článku je proto uveden přehled metabolického ekvivalentu pro vybrané sportovní činnosti. Pro úplnost informace je třeba dodat, že nelze zaměňovat pojmy metabolického ekvivalentu a náležitého bazálního metabolismu (nal. BM). Metabolický ekvivalent se vztahuje ke klidovému metabolismu, náležitý BM k vypočítané hodnotě bazálního metabolismu.
V následujícím přehledu jsou uvedeny sportovní aktivity s vyššími nároky na přísun energie.
Jednotky energie
Energie obsažená v potravě a provázející metabolické děje se nejčastěji vyjadřuje v jednotkách tepla. Dříve se používala kilokalorie (kcal) definovaná jako množství tepla, potřebného na ohřátí 1 kg vody o 1 °C. Mezinárodně používanou jednotkou je nyní joule. Pro vzájemný přepočet platí vztah, kdy 1kcal = 4,184 kJ (kilojoule). 1 kJ = 1000 J.
Uvádíme-li energii jako množství tepla spotřebovaného nebo vyprodukovaného za jednotku času, lze použít i jednotku watt (W). Potom platí vztah, kdy 1 W = 1 J/s. Jednotka watt je velice elegantní při srovnání energetických potřeb pro provádění jednotlivých činností.
Přeměna cukrů, tuků a bílkovin v těle při získávání energie směřuje k tvorbě vody a CO2. Množství takto uvolněné energie je stejné, jako bychom tytéž složky spálili v přítomnosti kyslíku ve speciálním zařízení, označovaném jako kalorimetr. Takto byla stanovena spalná tepla různých sloučenin, a tyto hodnoty jsou používány pro výpočet obsahu energie obsažených v konkrétních poživatinách. Pro sacharidy byla stanovena hodnota 17,2 kJ, pro tuky 38,9 kJ a pro bílkoviny 17,2 kJ vždy v 1 gramu.
V případě bílkovin je spalná hodnota vyšší, ale odpadním produktem při rozkladu bílkoviny v buňkách je čpavek a tělo musí vynaložit určitou energii na jeho likvidaci. O tuto vynaloženou energii se tedy snižuje potenciálně možný zisk energie. Spalná hodnota bílkoviny je 23,4 kJ na gram, fyziologicky využitelná je v rozmezí 16,9 do 17,5 kJ (za určitých podmínek může klesnout až na 16,5 kJ/g), přičemž záleží na množství zpracovávané bílkoviny. Pokud dodává bílkovina vyšší podíl z celkového příjmu energie (20 a více %), vytváří se větší množství odpadního čpavku a skutečný zisk energie je nižší (cca 16,9 kJ z 1 gramu). Typickým příkladem je vysokoproteinová strava. Pokud potrava obsahuje nižší podíl bílkoviny a vyšší podíl sacharidů nebo tuků, je zisk energie z bílkoviny vyšší (až 17,5 kJ z 1 gramu bílkoviny). Za běžných podmínek je to 17,2 kJ z 1 gramu bílkoviny a tato hodnota se používá při energetických výpočtech.
Také je rozdíl mezi bílkovinou například z luštěnin a bílkovinou z masa, mléka nebo z vejce. Živočišná bílkovina při podílu zhruba 13 až 15 % z celkového příjmu energie přijatého potravou poskytuje zisk právě 17,2 kJ z 1 gramu, při stejném obsahu bílkovin z luštěnin je to 16,8 až 17 kJ z 1 gramu. Příčinou je nedostatečný rozklad rostlinné bílkoviny z důvodů přítomnosti D-aminokyselin v bílkovinném řetězci. Vznikají peptidy, které nedokáže tělo zpracovat. Ty se pak stávají kořistí střevních baktérií, které z přijaté bílkoviny vyprodukují čpavek a uvolní ho do tráveniny. Ten se vstřebá do krve a tělo ho musí v játrech zlikvidovat stejně, jakoby ho vyprodukovalo samo. Množství zpracovaného čpavku tak odpovídá přijaté bílkovině potravou, ale tělo využije bílkoviny ve skutečnosti méně. Proto je výsledný zisk energie vztažený na gram přijaté rostlinné bílkoviny nižší, než v případě živočišné bílkoviny, kterou tělo využívá v plném rozsahu. Při extrémně vysokém příjmu rostlinných bílkovin (bez současného adekvátního příjmu sacharidů a tuků) se může snížit zisk energie z 1 gramu přijaté bílkoviny až na 16,5 kJ.
Související články
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.