Kalorymetria (energometria)

Całokształt przemian biochemicznych i towarzyszących im przemian energii, jakie zachodzą w organizmach żywych i stanowią istotę życia, nosi nazwę metabolizmu, od słowa greckiego metabole, co znaczy przemiana.

Procesy degradacji składników ciała oraz składników pożywienia wchłoniętych ze światła przewodu pokarmowego są określane mianem procesów katabolicznych, a ich suma w organizmie - katabolizmem, natomiast zachodzące równocześnie w komórkach procesy biosyntezy nazywane są procesami anabolicznymi, a ich suma - anabolizmem.

Procesami katabolicznymi nazywa się procesy rozkładu (spalania) składników odżywczych z wytworzeniem energii. To właśnie głównie z procesów rozkładu organizm ludzki czerpie energię. Zasadnicza rolą procesów katabolicznych w organizmie jest dostarczanie energii. Jedynym źródłem energii, którą pobiera i użytkuje organizm jest energia chemiczna zawarta w pożywieniu. W procesach katabolicznych energia ta zostaje przetworzona na inne postacie energii niezbędne do funkcjonowania organizmu. (energia cieplna, energia mechaniczna).

Procesami anabolicznymi nazywa się procesy budowy z prostych składników odżywczych, nowych, bardziej skomplikowanych (złożonych) związków. Związki te następnie są zużywane do budowy lub odbudowy komórek, hormonów, ciał odpornościowych...

Intensywność przebiegu procesów anabolicznych u dorosłego człowieka utrzymuje się na jednakowym poziomie natomiast jest ona wyższa u dzieci, młodzieży.

Energia cieplna jest wytwarzana w procesach katabolicznych do uzupełniania nieustannie zachodzących strat ciepła związanych z jego przepływem z organizmu do otoczenia. Uzupełnianie start ciepła wiąże się z potrzebą utrzymywania stałej temperatury ciała, najczęściej wyższej od temperatury otoczenia.

Jednostki energetyczne

Ilość wytwarzanej w ustroju energii określa się w następujących jednostkach:

• Kilokaloriach (kcal)-1 kcal==1000cal ;1 kcal jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 100g wody chemicznie czystej o 1ºC przy ciśnieniu 1 atm.

• Megadżulach (MJ) - 1 MJ==1000kJ

1 kcal = 4,184kJ

1 kJ = 0,239 kcal

Współczynniki energetyczne

Podstawowe badania z zakresu określenia wartości energetycznej poszczególnych składników odżywczych pożywienia przeprowadził niemiecki fizjolog Max Rubner. Określił on ciepło spalania białek, tłuszczów i węglowodanów.

Wg niego :

• spalenie (utlenienie) 1g tłuszczu wiąże się z uwolnieniem 9,3kcal energii cieplnej;

• spalenie 1g węglowodanów daje 4,1kcal ciepła

• spalenie 1g białka daje 4,1 kcal ciepła.

W praktyce częściej stosuje się współczynniki energetyczne opracowane przez Amerykanina Wilburga Atwatera, który oznaczał nie tylko ciepło spalania poszczególnych składników lecz także uwzględniał ich stopień strawności w ustroju. Wg jego wyników:

• spalenie 1g tłuszczu daje 9 kcal ciepła;

• spalenie 1g węglowodanów daje 4 kcal ciepła a

• spalenie 1g białka daje 4 kcal ciepła.

Podstawowym celem odżywiania jest zaspokojenie potrzeb energetycznych ustroju związanych z :

• podtrzymywaniem podstawowych funkcji życiowych czyli podstawowa przemiana materii;

• termogenezą;

• aktywnością fizyczną.

Potrzeby te łączy w sobie pojęcie Całkowitej Przemiany Materii (CPM), która oznacza całodobowe wydatki energetyczne człowieka związane z jego normalnym funkcjonowaniem w środowisku i pracą zawodową.

Podstawowa przemiana materii

Podstawową przemianą materii (PPM) (lub spoczynkowa przemiana materii RMR- Resting Metabolic Rate; stosuje się również nazwę- metabolizm podstawowy, BMR, Basal Metabolic Rate) określa się najniższy poziom przemiany materii jaki zachodzi w organizmie człowieka na czczo, w całkowitym spokoju fizycznym i psychicznym ( np. po półgodzinnym odpoczynku w pozycji leżącej), w normalnych warunkach mikroklimatycznych.

Energia z podstawowej przemiany materii organizmu zostaje zużytkowana na utrzymanie podstawowych procesów życiowych, takich jak, oddychanie, trawienie, czynność serca, krążenie krwi, utrzymanie napięcia mięśni i innych. Wysokość PPM jest uzależniona od takich czynników jak płeć, wiek, masa ciała, wzrost, klimat.

Najniższy poziom PPM jest w czasie snu.

Eksperymentalne sposoby określania wysokości PPM:

Do sposobów tych należą:

Kalorymetria bezpośrednia - polega na umieszczeniu badanego w szczelnej komorze i określeniu ilości wytworzonego przez niego ciepła. Następnie ilość wydzielonego ciepła jest przeliczana na wartość kalorii wykorzystanych do utrzymania procesów fizjologicznych.

Kalorymetria pośrednia - opiera się na fakcie, że energia wykorzystywana przez organizm wyzwalana jest na drodze utleniania składników odżywczych. Oznaczenie polega na pomiarze respiracyjnym, w określonym czasie, objętości zużytego tlenu i objętości wydychanego dwutlenku węgla. Wartość energetyczna 1 litra tlenu wynosi ok. 5 kcal. Do pomiarów wykorzystuje się worek Haldena- Douglasa oraz respirometry. Działanie worka Douglasa polega na ozna­czeniu składu i mierzeniu objętości wydycha­nego powietrza do specjalnego worka, umie­szczonego najczęściej na plecach badanej osoby. Porównując skład powietrza atmo­sferycznego i skład powietrza zebranego w worku wyznacza się ilość zużytego tlenu i wydzielanego przez badany organizm dwu­tlenku węgla.

Konstrukcja wymienionego aparatu po­zwala przeprowadzić pomiar wydatków energii w czasie wykonywania pracy, co ma duże znaczenie przy obliczaniu zapotrzebowania na energię Na podstawie znajomości zapotrzebowania na energię, tzn. ilości zużytej przez człowieka energii w ciągu doby, ustala się normy dla ludzi pracujących w różnych zawodach.

rys. 1. Worek Haldane'a--Douglasa służący do po­miarów przemiany materii

Teoretyczne sposoby określania wysokości PPM:

W wyniku wielu badań ustalono różnorodne sposoby obliczania poziomu PPM. Oto kilka z nich:

1. Jednym z najprostszych sposobów jest obliczanie PPM wg sposobu - 1 kcal x kg masy ciała x godzinę. Obliczenia tego typu stosuje się wyłącznie w stosunku do osób dorosłych ponieważ dzieci i młodzież mają znacznie wyższa PPM.

2. Postępowanie w oparciu o stałe wskaźniki liczbowe w zależności od przynależności do danej grupy wiekowej :

• Mężczyźni 20-34 lata: waga ciała razy 24

• Mężczyźni powyżej 35 lat: waga ciała razy 21,6

• Kobiety 20-34 lata: waga ciała razy 21,6

• Kobiety powyżej 35 lat: waga ciała razy 19,2

1. Kolejny sposób polega na stwierdzeniu, z istnieje zależność, między poziomem przemiany materii a powierzchnią skóry. W celu obliczenia powierzchni skóry wykorzystuje się nast. wzory:

S= 0,0167 x √WH

S - powierzchnia skóry [m²]

W - masa ciała [kg]

H - wysokość [cm]

Wielkość zużycia energii na 1 m² powierzchni skóry odczytać można z tabeli.

Zużycie energii na 1 m² powierzchni skóry

Wiek w latach	Mężczyźni kcal x m^2x h	Kobiety kcal x m^2x h
20 - 30	39,5	37,0
31 - 40	39,5	36,5
41 - 50	38,5	36,5
51 - 60	37,5	35,0

S- powierzchnia ciała [m²]

W- masa ciała [kg]

H- różnica między wzrostem a 160 cm.

Do odczytywania powierzchni skry służy również nomogram

4. Wzory Harrisa- Benedicta. (przy niektórych obliczeniach PPM bierze się pod uwagę wiek).

• dla kobiet: PPM=665,09 + 9,56W + 1,85H - 4,67A [kcal].

gdzie: W - masa ciała [kg],

H - wzrost [cm],

A - wiek.

Np. 665,09 + 621,4 + 314,5 - 135,43=1465,56 kcal

dla: W - 65 kg,

H - 170 cm,

A - 29 wiek.

• dla mężczyzn: PPM=66,47 + 13,75W + 5H - 6,75A [kcal].

Np. 66,47 + 1100 + 900 - 202,5=1863,97 kcal

dla: W - 65 kg,

H - 170 cm,

A - 29 wiek.

Ponadpodstawowa przemiana materii

Ponadpodstawowa przemiana materii to wydatki energetyczne ustroju związane z wykonywaną pracą. Mieszczą się one w rozległych granicach. Najniższe wydatki energetyczne organizm osiąga podczas wykonywania prac umysłowych najwyższe w czasie pracy fizycznej. Najprościej można ją określać wg ustaleń:

• lekka praca (np. biurowa) - 500 kcal/dzień,

• średnia praca (np. sklepowa, rzemieślnik, gospodyni domowa) - 1000 kcal/dzień,

• ciężka praca (sportowiec) - 1500 kcal/dzień.

Dodatkowa aktywność fizyczna

Dodatkową aktywność fizyczną można określać wg prostego sposobu - jeżeli wysiłek jest:

• minimalny - 4 kcal razy 1kg masy ciała

• optymalny - 7 kcal razy 1kg masy ciała

Drugi wariant do określania poziomu aktywności wykorzystuje tzw. wskaźniki aktywności:

Poziom aktywności	Wskaźnik aktywności
Aktywność znikoma (po pracy leżenie z pilotem w ręku)	1,6
Aktywność niska lub umiarkowana (trening rekreacyjny, nie częściej niż 3 razy w tygodniu)	1,6
Aktywność wysoka (klub fitness to drugi dom)	1,8
Aktywność bardzo wysoka (sport uprawiany wyczynowo lub prawie wyczynowo)	1,9

Wskaźnik aktywności mnożymy przez PPM; np. PPM wynosi 1550 kcal, to 1550 x np. 1,6 = 2480 kcal dziennie

Dzienne zapotrzebowanie energetyczne = podstawowa przemiana materii + ponadpodstawowa przemiana materii + dodatkowa aktywność fizyczna.

Obliczanie prawidłowej masy

1. Waga wg Broca:

Waga normalna - wzrost w centymetrach minus 100,

Waga idealna - waga normalna minus 10% (dla mężczyzn), 15% (dla kobiet)

2. Waga wg Lorentza:

Waga idealna - wzrost w centymetrach minus 100 minus (wzrost w centymetrach minus 150 dzielone przez N); N dla mężczyzn - 4, N dla kobiet - 2.

3. Wskaźnik masy ciała BMI (Body Mass Index):

gdzie: W - masa ciała [kg],

H - wzrost [m].

Jeśli wartość BMI wynosi:

• poniżej 20 jest to niedowaga,

• 20-25 - waga jest normalna,

• 25-30 nadwaga,

• dla wartości wyższej od 30 otyłość.

4. Tabelaryczne określanie wagi ciała w oparciu o typ budowy ciała

5. Określanie procentowej zawartości tkanki tłuszczowej

6