استقلاب الطاقة البشرية

"إن جسم الإنسان عبارة عن "آلة" يمكنها إطلاق الطاقة الكيميائية المرتبطة بـ "وقود" الطعام؛ وهذا "الوقود" هو الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والكحول" (منظمة الصحة العالمية).

إن الاستخدام التفضيلي لأي من المصادر المذكورة له خصائص مختلفة من حيث حجم تبادل الطاقة والتحولات الأيضية المرتبطة بها.

خصائص المصادر الأيضية المختلفة لإمدادات الطاقة الغذائية

المؤشرات	الجلوكوز	بالميتات	بروتين
إطلاق الحرارة، كيلو كالوري:
لكل 1 مول مؤكسد	673	2398	475
لكل 1 غرام مؤكسد	3.74	9.30	5.40
استهلاك الأكسجين:
العثة	66.0	23.0	5.1
ل	134	515	114
إنتاج ثاني أكسيد الكربون:
العثة	66.0	16.0	4.1
ل	134	358	92
إنتاج ATP، مولات:	36	129	23
تكلفة منتجات ATP:
جحيم	18.7	18.3	20.7
V/d	3.72	3.99	4.96
س/د	3.72	2.77	4.00
حاصل التنفس	1.00	0.70	0.81
المكافئ الطاقي لكل لتر واحد من الأكسجين المستخدم	5.02	4.66	4.17

[ 1 ]، [ 2 ]، [ 3 ]

مراحل تبادل الطاقة

على الرغم من أن تفكيك وتركيب هياكل البروتين والدهون والكربوهيدرات يتميز بخصائص وأشكال محددة، إلا أن هناك عددًا من المراحل والأنماط المشتركة بشكل أساسي في عملية تحويل هذه المواد المختلفة. وفيما يتعلق بالطاقة المنبعثة أثناء عملية الأيض، يُقسّم أيض الطاقة إلى ثلاث مراحل رئيسية.

في المرحلة الأولى، تتحلل جزيئات المغذيات الكبيرة إلى جزيئات أصغر في الجهاز الهضمي. تُشكل الكربوهيدرات ثلاثة هكسوزات (جلوكوز، جلاكتوز، فركتوز)، والبروتينات 20 حمضًا أمينيًا، والدهون (الدهون الثلاثية) جلسرين وأحماضًا دهنية، بالإضافة إلى سكريات نادرة (مثل البنتوز، إلخ). وقد حُسب أن متوسط كمية الكربوهيدرات التي يمر بها جسم الإنسان خلال حياته يبلغ 17.5 طنًا، والبروتينات 2.5 طن، والدهون 1.3 طن. كمية الطاقة المنبعثة في المرحلة الأولى ضئيلة، وتُطلق على شكل حرارة. وبالتالي، يُطلق حوالي 0.6% من إجمالي الطاقة أثناء تحلل عديدات السكاريد والبروتينات، و0.14% من الدهون أثناء تحللها الكامل إلى نواتج أيضية نهائية. لذلك، تكمن أهمية التفاعلات الكيميائية في المرحلة الأولى بشكل رئيسي في تحضير المغذيات لإطلاق الطاقة فعليًا.

في المرحلة الثانية، تخضع هذه المواد لمزيد من التحلل عن طريق الاحتراق غير الكامل. تبدو نتيجة هذه العمليات - الاحتراق غير الكامل - غير متوقعة. من بين 25-30 مادة، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، تتكون ثلاثة نواتج نهائية فقط: حمض ألفا كيتوغلوتاريك، وحمض أوكسالو أسيتيك، وحمض أسيتيك على شكل أسيتيل مرافق الإنزيم أ. يغلب أسيتيل مرافق الإنزيم أ كميًا. في المرحلة الثانية، يُطلق حوالي 30% من الطاقة الموجودة في العناصر الغذائية.

في المرحلة الثالثة، المعروفة بدورة كريبس الثلاثية الكربوكسيلية، تُحرق النواتج النهائية الثلاثة للمرحلة الثانية إلى ثاني أكسيد الكربون وماء. في هذه العملية، تُطلق 60-70% من طاقة العناصر الغذائية. تُمثل دورة كريبس المسار النهائي العام لتحلل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون. إنها بمثابة نقطة محورية في عملية التبادل، حيث تتقارب تحولات الهياكل المختلفة، ويُمكن حدوث انتقال متبادل للتفاعلات التركيبية.

على عكس المرحلة الأولى - مراحل التحلل المائي في الجهاز الهضمي - في المرحلتين الثانية والثالثة من تحلل المواد، لا يتم إطلاق الطاقة فقط، بل أيضًا نوع خاص من تراكمها.

تفاعلات تبادل الطاقة

يتم الحفاظ على الطاقة بتحويل طاقة تحلل الطعام إلى شكل خاص من المركبات الكيميائية يُسمى المركبات الكبيرة. وناقلات هذه الطاقة الكيميائية في الجسم هي مركبات فوسفورية مختلفة، حيث تكون رابطة بقايا حمض الفوسفوريك هي الرابطة الكبيرة.

تلعب رابطة بيروفوسفات مع بنية حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفات دورًا رئيسيًا في استقلاب الطاقة. في صورة هذا المركب، يُستخدم في الجسم ما بين 60% و70% من إجمالي الطاقة المُطلقة أثناء تحلل البروتينات والدهون والكربوهيدرات. يُعد استخدام الطاقة (الأكسدة على شكل ATP) ذا أهمية بيولوجية بالغة، إذ تُمكّن هذه الآلية من الفصل بين مكان ووقت إطلاق الطاقة واستهلاكها الفعلي أثناء عمل الأعضاء. وقد حُسب أن كمية ATP المُتشكلة والمُتحللة في الجسم خلال 24 ساعة تُعادل تقريبًا وزن الجسم. ويُطلق تحويل ATP إلى ADP ما بين 41.84 و50.2 كيلوجول، أو 10-12 كيلو كالوري.

تُنفق الطاقة الناتجة عن عملية الأيض على عملية الأيض الأساسية، أي على الحفاظ على الحياة في حالة من الراحة التامة عند درجة حرارة محيطة ٢٠ درجة مئوية، وعلى النمو (الأيض البلاستيكي)، وعمل العضلات، وعلى هضم واستيعاب الطعام (التأثير الديناميكي النوعي للطعام). وتختلف معدلات استهلاك الطاقة الناتجة عن عملية الأيض بين البالغين والأطفال.

[ 4 ]، [ 5 ]، [ 6 ]، [ 7 ]، [ 8 ]

بي اكس

في الطفل، كما هو الحال في جميع الثدييات التي تولد غير ناضجة، هناك زيادة أولية في التمثيل الغذائي الأساسي بمقدار 1 1/2 سنة، ثم يستمر بعد ذلك في الزيادة بشكل مطرد من حيث القيمة المطلقة وينخفض بانتظام بنفس القدر لكل وحدة من كتلة الجسم.

غالبًا ما تُستخدم طرق حسابية لحساب معدل الأيض الأساسي. وعادةً ما تُوجَّه الصيغ نحو مؤشرات الطول أو وزن الجسم.

حساب معدل الأيض الأساسي باستخدام وزن الجسم (كيلو كالوري/يوم). توصيات منظمة الأغذية والزراعة (الفاو) ومنظمة الصحة العالمية (WHO)

عمر	الأولاد	فتيات
0-2 سنة	60.9 R-54	61 ر - 51
3-9 سنوات	22.7 ر + 495	22.5 ر + 499
10-17 »	17.5 ر +651	12.2 ر +746
17-30»	15.3 ر +679	14.7 ر + 496

تُوزّع الطاقة الكلية المُستقبَلة مع الطعام لضمان الأيض الأساسي، والتأثير الديناميكي المُحدّد للطعام، وفقدان الحرارة المُرتبط بالإخراج، والنشاط البدني (الحركي)، والنمو. في هيكل توزيع الطاقة، أي أيض الطاقة، يُميّز بين:

• الطاقة المستلمة (من الغذاء) = الطاقة المودعة + الطاقة المستخدمة.
• الطاقة الممتصة = الطاقة المستلمة - الطاقة المفرزة مع البراز.
• الطاقة الأيضية = الطاقة المستلمة - طاقة الصيانة (الحياة) والنشاط، أو "التكاليف الأساسية".
• طاقة التكاليف الرئيسية تساوي المجموع:
  • معدل الأيض الأساسي؛
  • تنظيم درجة الحرارة؛
  • تأثير الغذاء على الاحترار (WEF)؛
  • تكاليف النشاط؛
  • تكاليف تصنيع الأنسجة الجديدة.
• طاقة الترسيب هي الطاقة المُستهلكة لترسيب البروتين والدهون. لا يُؤخذ الجليكوجين في الاعتبار، لأن ترسيبه (1%) ضئيل.
• الطاقة المودعة = الطاقة المستقلبة - طاقة الإنفاق الأساسي.
• تكلفة الطاقة اللازمة للنمو = طاقة تركيب الأنسجة الجديدة + الطاقة المودعة في الأنسجة الجديدة.

وتكمن الفوارق العمرية الرئيسية في العلاقة بين تكاليف النمو، وبدرجة أقل، النشاط.

السمات المرتبطة بالعمر لتوزيع الإنفاق اليومي للطاقة (كيلو كالوري/كجم)

عمر	بي اكس	برنامج التنمية الاجتماعية والاقتصادية	خسائر الإخراج	نشاط	ارتفاع	المجموع
سابق لأوانه	60	7	20	15	50	152
8 أسابيع	55	7	11	17	20	110
10 أشهر	55	7	11	17	20	110
4 سنوات	40	6	8	25	8-10	87-89
14 سنة	35	6	6	20	14	81
بالغ	25	6	6	10	0	47

كما ترون، تُعدّ تكاليف النمو كبيرةً جدًا بالنسبة للمواليد الجدد ذوي الوزن المنخفض وخلال السنة الأولى من العمر. وبطبيعة الحال، لا توجد هذه التكاليف لدى البالغين. يُؤدي النشاط البدني إلى استهلاك كبير للطاقة حتى لدى حديثي الولادة والرضع، حيث يُعبّر عنه بمص الثدي، والقلق، والبكاء، والصراخ.

عندما يكون الطفل قلقًا، يزداد إنفاقه على الطاقة بنسبة 20-60%، وعند الصراخ، يزداد بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات. وتفرض الأمراض متطلباتها الخاصة على إنفاق الطاقة، وتزداد هذه المتطلبات بشكل خاص مع ارتفاع درجة حرارة الجسم (فزيادة درجة مئوية واحدة تعني زيادة في معدل الأيض بنسبة 10-16%).

على عكس البالغين، يستهلك الأطفال طاقةً كبيرةً في النمو (الأيض البلاستيكي). وقد ثبت الآن أن تراكم غرام واحد من كتلة الجسم، أي أنسجة جديدة، يتطلب إنفاق حوالي 29.3 كيلوجول، أو 7 سعرات حرارية. والتقدير التالي أكثر دقة:

• "تكلفة" الطاقة للنمو = طاقة التركيب + طاقة الترسيب في الأنسجة الجديدة.

في حالة الطفل الخديج قليل الوزن، تتراوح طاقة التركيب بين 1.3 و5 كيلوجول (0.3 و1.2 كيلوكالوري) لكل غرام مضاف إلى وزن الجسم. أما في حالة الطفل المولود في موعده، فتتراوح الطاقة بين 1.3 كيلوجول (0.3 كيلوكالوري) لكل غرام من وزن الجسم الجديد.

إجمالي تكلفة الطاقة للنمو:

• حتى سنة واحدة = 21 كيلوجول (5 كيلو كالوري) لكل 1 جرام من الأنسجة الجديدة،
• بعد سنة واحدة = 36.5-50.4 كيلوجول (8.7-12 كيلو كالوري) لكل 1 جرام من الأنسجة الجديدة، أو حوالي 1% من إجمالي الطاقة لمحتوى العناصر الغذائية.

نظراً لاختلاف شدة النمو لدى الأطفال باختلاف الفترات، فإن نسبة التمثيل الغذائي البلاستيكي في إجمالي إنفاق الطاقة تختلف. يكون النمو الأكثر كثافة في فترة النمو داخل الرحم، عندما يزداد وزن الجنين البشري مليار و20 مليون مرة (1.02 × 109). ويظل معدل النمو مرتفعاً نسبياً في الأشهر الأولى من الحياة، ويتجلى ذلك في الزيادة الكبيرة في وزن الجسم. لذلك، تبلغ نسبة التمثيل الغذائي "البلاستيكي" في إنفاق الطاقة لدى الأطفال في الأشهر الثلاثة الأولى 46%، ثم تنخفض في السنة الأولى، ولكن ابتداءً من سن الرابعة، وخاصةً في فترة ما قبل البلوغ، تُلاحظ زيادة في شدة النمو، وهو ما ينعكس بدوره في زيادة التمثيل الغذائي البلاستيكي. في المتوسط، يُنفق 12% من متطلبات الطاقة على النمو لدى الأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 6 و12 عاماً.

تكاليف الطاقة للنمو

عمر	وزن الجسم، كجم	زيادة الوزن، جرام/يوم	القيمة الطاقية ، كيلو كالوري/يوم	القيمة الغذائية ، كيلو كالوري/(كجم-يوم)	كنسبة مئوية من معدل الأيض الأساسي
شهر واحد	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
سنة واحدة	10.4	10	63	6	11
5 سنوات	17.6	5	32	2	4
14 سنة، فتيات	47.5	18	113	2	8
16 سنة، أولاد	54.0	18	113	2	7

[ 9 ]، [ 10 ]

استهلاك الطاقة للخسائر التي يصعب حسابها

تشمل الخسائر التي يصعب تفسيرها فقدان الدهون والعصارات الهضمية والإفرازات التي تُنتج في جدار الجهاز الهضمي والغدد مع البراز، وتقشير الخلايا الظهارية، وتساقط خلايا الجلد والشعر والأظافر، والعرق، وعند بلوغ الفتيات سن البلوغ مع دم الحيض. للأسف، لم تُدرس هذه المشكلة لدى الأطفال إلا بشكل محدود. يُعتقد أن هذه النسبة تُمثل حوالي 8% من استهلاك الطاقة لدى الأطفال الذين تزيد أعمارهم عن عام واحد.

[ 11 ]

إنفاق الطاقة على النشاط والحفاظ على درجة حرارة الجسم

تتغير نسبة الطاقة المُنفقة على النشاط والحفاظ على درجة حرارة الجسم بتغير عمر الطفل (بعد 5 سنوات، يُدرج هذا ضمن مفهوم العمل العضلي). في أول 30 دقيقة بعد الولادة، تنخفض درجة حرارة جسم المولود الجديد بنحو درجتين مئويتين، مما يُسبب استهلاكًا كبيرًا للطاقة. عند الأطفال الصغار، يُضطر جسم الطفل إلى إنفاق 200.8-418.4 كيلوجول/كجم • يوم، أو 48-100 سعر حراري/كجم • يوم) للحفاظ على درجة حرارة جسم ثابتة عند درجة حرارة محيطة أقل من الدرجة الحرجة (28-32 درجة مئوية) ونشاط. لذلك، مع التقدم في السن، يزداد الاستهلاك المطلق للطاقة للحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة ونشاط الجسم.

مع ذلك، تقل نسبة إنفاق الطاقة على الحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة لدى الأطفال في السنة الأولى من العمر كلما صغر حجم الطفل. ثم ينخفض إنفاق الطاقة مجددًا، حيث تنخفض مساحة سطح الجسم لكل كيلوغرام من وزن الجسم. في الوقت نفسه، يزداد إنفاق الطاقة على النشاط (العمل العضلي) لدى الأطفال الذين تزيد أعمارهم عن عام واحد، عندما يبدأ الطفل بالمشي أو الجري أو ممارسة الرياضة بشكل مستقل.

تكلفة الطاقة للنشاط البدني

نوع الحركة	سعرة حرارية/دقيقة
ركوب الدراجات بسرعة منخفضة	4.5
ركوب الدراجات بسرعة متوسطة	7.0
ركوب الدراجة بسرعة عالية	11.1
الرقص	3.3-7.7
كرة القدم	8.9
تمارين الجمباز على الأجهزة	3.5
الجري السريع	13.3-16.8
الجري لمسافات طويلة	10.6
التزلج على الجليد	11.5
التزلج الريفي على الثلج بسرعة معتدلة	10.8-15.9
التزلج الريفي على الثلج بأقصى سرعة	18.6
سباحة	11.0-14.0

عند الأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 6 و12 سنة، تبلغ حصة الطاقة التي يتم إنفاقها على النشاط البدني حوالي 25% من متطلبات الطاقة، وعند البالغين - 1/3.

[ 12 ]، [ 13 ]

التأثير الديناميكي المحدد للغذاء

يتغير التأثير الديناميكي النوعي للطعام تبعًا لطبيعة النظام الغذائي. يكون أكثر وضوحًا مع الأطعمة الغنية بالبروتين، وأقل وضوحًا مع الدهون والكربوهيدرات. لدى الأطفال في السنة الثانية من العمر، يتراوح التأثير الديناميكي النوعي للطعام بين 7 و8%، بينما يزيد عن 5% لدى الأطفال الأكبر سنًا.

تكاليف التنفيذ والتغلب على الضغوط

هذا اتجاه طبيعي لنشاط الحياة الطبيعي واستهلاك الطاقة. عملية الحياة والتكيف الاجتماعي، والتعليم والرياضة، وتكوين العلاقات الشخصية - كل هذا قد يصاحبه إجهاد واستهلاك طاقة إضافي. في المتوسط، يُمثل هذا 10% إضافية من "حصة" الطاقة اليومية. في الوقت نفسه، في الأمراض أو الإصابات الحادة والشديدة، قد يرتفع مستوى استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ، وهذا يتطلب مراعاة ذلك عند حساب الحصة الغذائية.

يتم عرض البيانات المتعلقة بزيادة متطلبات الطاقة أثناء الإجهاد أدناه.

الولايات	التغير في متطلبات الطاقة
الحروق حسب نسبة مساحة الجسم المحروقة	+ 30...70%
إصابات متعددة مع التهوية الميكانيكية	+ 20...30%
العدوى الشديدة والصدمات المتعددة	+ 10...20%
فترة ما بعد الجراحة، والالتهابات الخفيفة، وكسور العظام	0... + 10%

يُسبب اختلال توازن الطاقة المستمر (زيادةً أو نقصًا) تغيراتٍ في وزن الجسم وطوله في جميع مؤشرات النمو والعمر البيولوجي. حتى النقص المعتدل في الطاقة (4-5%) قد يُسبب تأخرًا في نمو الطفل. لذلك، يُعدّ توفير الطاقة الغذائية أحد أهم شروط النمو والتطور المناسبين. يجب حساب هذا الإمداد بانتظام. بالنسبة لمعظم الأطفال، تُعدّ التوصيات المتعلقة بإجمالي الطاقة في النظام الغذائي اليومي بمثابة معايير للتحليل؛ أما بالنسبة لبعض الأطفال الذين يعانون من ظروف صحية أو معيشية خاصة، فيُطلب منهم حساب استهلاكهم للطاقة بشكل فردي بناءً على مجموع جميع مكونات استهلاك الطاقة. تُعدّ الطرق التالية لحساب استهلاك الطاقة مثالًا على استخدام معايير عمرية عامة لتوفير الطاقة وإمكانية إجراء بعض التعديلات الفردية على هذه المعايير.

طريقة حساب لتحديد معدل الأيض الأساسي

حتى 3 سنوات	3-10 سنوات	10-18 سنة
الأولاد
X = 0.249 كجم - 0.127	X = 0.095 كجم + 2.110	س = 0.074 كجم + 2.754
فتيات
X = 0.244 كجم - 0.130	س = 0.085 كجم + 2.033	X = 0.056 كجم + 2.898

[ 14 ]، [ 15 ]

نفقات إضافية

تعويض الضرر - يتم ضرب معدل الأيض الأساسي: للجراحة البسيطة - بمقدار 1.2؛ لصدمات الهيكل العظمي - بمقدار 1.35؛ لتسمم الدم - بمقدار 1.6؛ للحروق - بمقدار 2.1.

التأثير الديناميكي النوعي للغذاء: + 10% من معدل الأيض الأساسي.

النشاط البدني: طريح الفراش + 10% من معدل الأيض الأساسي؛ الجلوس على كرسي + 20% من معدل الأيض الأساسي؛ المريض محصور في جناح المستشفى + 30% من معدل الأيض الأساسي.

تكاليف الحمى: لكل درجة مئوية واحدة من الزيادة اليومية المتوسطة في درجة حرارة الجسم +10-12% من معدل الأيض الأساسي.

زيادة الوزن: ما يصل إلى 1 كجم / أسبوع + 1260 كيلو جول (300 سعرة حرارية) في اليوم.

من المقبول وضع معايير لتوفير الطاقة للسكان حسب أعمارهم. وتطبق العديد من الدول هذه المعايير. وتُوضع جميع الحصص الغذائية للمجموعات المنظمة بناءً عليها، كما تُراجع الحصص الغذائية الفردية بناءً عليها.

توصيات بشأن القيمة الغذائية للطاقة للأطفال في سن مبكرة وحتى 11 عامًا

	0-2 أشهر	3-5 أشهر	6-11 شهرًا	1-3 سنوات	3-7 سنوات	7-10 سنوات
الطاقة، الإجمالية، كيلو كالوري	-	-	-	1540	1970	2300
الطاقة، كيلو كالوري/كجم	115	115	110	-	-	-

توصيات لتوحيد معايير الطاقة (كيلو كالوري/(كجم • يوم))

العمر، الأشهر	منظمة الأغذية والزراعة/منظمة الصحة العالمية (1985)	الأمم المتحدة (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

يهدف حساب وتصحيح استقلاب الطاقة إلى تعويض نقص ناقلات الطاقة الرئيسية، وخاصةً الكربوهيدرات والدهون. وفي الوقت نفسه، لا يمكن استخدام هذه الناقلات للأغراض المحددة إلا مع مراعاة وتصحيح توفير العديد من المغذيات الدقيقة الأساسية المصاحبة. لذلك، من المهم بشكل خاص وصف البوتاسيوم والفوسفات وفيتامينات ب، وخاصةً الثيامين والريبوفلافين، وأحيانًا الكارنيتين ومضادات الأكسدة، إلخ. قد يؤدي عدم الالتزام بهذا الشرط إلى حالات غير طبيعية، والتي تنشأ تحديدًا مع التغذية المكثفة بالطاقة، وخاصةً عن طريق الحقن.