Các yếu tố ảnh hưởng đến mức năng lượng trong cơ thể

Năng lượng vào phải bằng năng lượng ra ở một người lớn khoẻ mạnh có khối lượng ổn định. Với chế độ ăn trung bình của người Mỹ, khoảng 45% năng lượng vào hằng ngày là từ carbohydrate, 40% từ chất béo, và 15% từ protein. Năng lượng ra có thể chia thành các dạng năng lượng đo được, bao gồm năng lượng được sử dụng cho (1) thực hiện các chức năng chuyển hoá thiết yếu của cơ thể (năng lượng chuyển hoá cơ bản); (2) thực hiện các hoạt động sinh lý khác nhau, bao gồm các hoạt động thể chất chủ động và các hoạt động thể chất thụ động, như cử động; (3) tiêu hoá, hấp thu và đào thải các chất; và (4) duy trì thân nhiệt.

Yêu cầu năng lượng tổng thể cho các hoạt động hàng ngày

Trung bình một người nặng khoảng 70kg và nằm trên giường cả ngày tiêu thụ khoảng 1650 Calo năng lượng. Ăn và tiêu hoá thức ăn cần thêm khoảng 200 hoặc hơn Calo mỗi ngày, do đó một người cũng nằm trên giường cả ngày và ăn một chế độ ăn vừa phải cần khoảng 1850 Calo mỗi ngày. Nếu ngồi trên ghế tựa cả ngày, không vận động, tổng năng lượng tiêu thụ sẽ khoảng 2000 đến 2250 Calo. Vì vậy, năng lượng hằng ngày cần cho một người không vận động thực hiện các hoạt động chức năng thiết yếu vào khoảng 2000 Calo.

Lượng năng lượng cần để thực hiện hoạt động thể chất chiếm 25% tổng năng lượng tiêu thụ của cơ thể, nhưng thay đổi nhiều theo từng người, tuỳ thuộc vào loại và lượng hoạt động thể chất được thực hiện. Chẳng hạn đi bộ lên tầng cần lượng năng lượng gấp 17 lần nằm ngủ trên giường. Tóm lại, trong vòng 24 tiếng, một người hoạt động gắng sức có thể tiêu thụ tối đa tới hơn 6000 đến 7000 Calo, gấp 3.5 lần năng lượng sử dụng ở người không hoạt động thể chất.

Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản - Mức tiêu hao năng lượng tối thiểu để cơ thể tồn tại

Khi một người nghỉ ngơi hoàn toàn, Một lượng đáng kể năng lượng cần để thực hiện các phản ứng hoá học trong cơ thể. Lượng năng lượng tối thiểu này cần cho cơ thể tồn tại, được gọi là năng lượng chuyển hoá cơ bản (BMR) chiếm khoảng 50 đến 70% năng lượng tiêu thu hằng ngày của một người không vận động.

Hình. Các thành phần của tiêu hao năng lượng

Vì mức độ hoạt động thể chất thay đổi tuỳ theo từng người, việc đo năng lượng chuyển hoá cơ bản BMR có thể giúp so sánh tỷ lệ chuyển hoá giữa người này với người khác. Phương pháp thường dùng để đo BMR là đo lượng oxi tiêu thụ trong một đơn vị thời gian dưới những điều kiện sau đây:

1. Không ăn thức ăn ít nhất 12 giờ.

2. BMR được xác định sau một đêm ngủ hoàn toàn.

3. Không hoạt động gắng sức ít nhất 1 giờ trước khi đo.

4. Tất cả các yếu tố về tinh thần, thể chất gây hưng phấn phải được loại bỏ.

5. Nhiệt độ không khí phải dễ chịu, vào khoảng 68 độ F – 80 độ F.

6. Không hoạt động thể chất trong quá trình đo.

BMR bình thường trung bình khoảng 65 tới 70 Calo mỗi giờ ở một người nặng 70 kilogam. Mặc dù phần lớn BMR là cần cho hoạt động của hệ thần kinh trung ương, tim, thận, và các cơ quan khác, giá trị BMR khác nhau giữa những người khác nhau liên quan đến sự khác nhau của lượng cơ xương và kích thước cơ thể.

Cơ xương, dù trong trạng thái nghỉ ngơi cũng chiếm 20-30% BMR. Vì vậy, BMR thay đổi theo kích thước cơ thể thể hiện qua Calo/h/m2 diện tích cơ thể, được tính từ khối lượng và chiều cao. Giá trị trung bình của nam và nữ thay đổi theo độ tuổi.

Hình. Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản bình thường ở các độ tuổi khác nhau cho mỗi giới tính.

Đường BMR đi xuống khi tuổi tăng dần có lẽ liên quan đến sự giảm khối cơ bị thay thế bởi mô mỡ, có tỷ lệ chuyển hoá thấp hơn. Cũng như vậy, BMR ở nữ giới thấp hơn so với nam giới, có tỷ lệ khối cơ thấp hơn và tỷ lệ mô mỡ cao hơn.

Hormon tuyến giáp làm tăng chuyển hoá. Khi tuyến giáp bài tiết một lượng tối đa thyroxine, tỷ lệ chuyển hoá có thể tăng lên 50-100% so với mức b́nh thường. Ngược lại, khi hormon tuyến giáp không được bài tiết có thể làm giảm tỷ lệ chuyển hoá tới 40-60% so với bình thường.

Thyroxine làm tăng các phản ứng hoá học của nhiều tế bào trong cơ thể và vì vậy làm tăng tỷ lệ chuyển hoá. Đáp ứng của tuyến giáp - tăng bài tiết hormon khi thời tiết lạnh, giảm bài tiết hormon khi thời tiết nóng - Dẫn tới sự khác nhau của BMR giữa những người sống ở các khu vực địa lý khác nhau. Chẳng hạn, người sống ở Bắc Cực có BMR cao hơn 10-20% so với những người sống ở khu vực nhiệt đới.

Hormon sinh dục nam làm tăng chuyển hoá. Hormon sinh dục nam testosterone có thể làm tăng tỷ lệ chuyển hoá lên tới 10-15%. Hormon sinh dục nữ có thể làm tăng tỷ lệ chuyển hoá, nhưng thường không đáng kể. Ảnh hưởng của hormon sinh dục nam liên quan chủ yếu tới tác dụng đồng hoá làm tăng khối cơ xương.

Hormon tăng trưởng làm tăng chuyển hoá. Hormon tăng trưởng làm tăng tỷ lệ chuyển hoá bằng cách kích thích chuyển hoá của tế bào và bằng cách làm tăng khối cơ xương. Ở người lớn thiếu hụt hormon tăng trưởng, liệu pháp thay thế với hormon tái tổ hợp làm tăng tỷ lệ chuyển hoá cơ bản lên tới 20%.

Sốt làm tăng chuyển hoá. Sốt, dù do nguyên nhân gì, cũng làm tăng các phản ứng hoá học của cơ thể trung bình khoảng 120% khi nhiệt độ tăng lên 10 độ C.

Ngủ làm giảm chuyển hoá. Tỷ lệ chuyển hoá giảm từ 10-15% ở giấc ngủ bình thường. Sự giảm này là do hao cơ chế chính: (1) giảm hoạt động của khối cơ xương lúc ngủ và (2) giảm hoạt động củ hệ thần kinh trung ương.

Thiếu hụt dinh dưỡng làm giảm chuyển hoá. Thiếu dinh dưỡng kéo dài làm giảm tỷ lệ chuyển hoá 20-30%, có lẽ là do thiếu hụt các chất trong tế bào. Ở giai đoạn cuối của nhiều bệnh, sự suy giảm dinh dưỡng kéo theo làm giảm đáng kể tỷ lệ chuyển hoá, bởi vậy nhiệt độ cơ thể có thể giảm vài độ trong thời gian ngắn trước khi chết.

Năng lượng cho hoạt động thể chất

Yếu tố chủ yếu làm tăng đột ngột tỷ lệ chuyển hoá là hoạt động gắng sức. Sự co bóp tối đa trong thời gian ngắn ở một cơ có thể giải phóng một lượng nhiệt gấp 100 lần khi nghỉ ngơi trong vòng vài giây. Tính trên toàn cơ thể, hoạt động gắng sức tối đa làm giải phóng một lượng nhiệt gấp 50 lần bình thường trong vòng vài giây, hay gấp 20 lần bình thường khi duy trì hoạt động gắng sức liên tục ở các vận động viên.

Năng lượng tiêu thụ ở các loại hình hoạt động thể chất khác nhau ở một người nặng trung bình 70kg. Do có sự thay đổi lớn về lượng hoạt động thể chất ở những người khác nhau, nên lượng năng lượng tiêu thụ này là lý do quan trọng nhất để xác định lượng calo nhập vào cần thiết để duy trì cân bằng năng lượng. Tuy nhiên ở các nước công nghiệp phát triển nơi mà nguồn thức ăn dồi dào và mức độ hoạt động thể chất thấp, calo nhập vào thường vượt quá mức năng lượng tiêu thụ, và lượng năng lượng dư thừa này được tích trữ dưới dạng chất béo. Và do đó, rất quan trọng cần phải duy trì một mức độ hoặt động thể chất thích hợp để ngăn chặn hình thành dự trữ chất béo và tránh béo phì.

Hình. Sơ đồ chuyển giao năng lượng từ thực phẩm đến hệ thống axit adenylic và sau đó đến các phần tử chức năng của tế bào.

Thậm chí ở những người ngồi nhiều, ít hoặc không có hoạt động thể chất, một lượng đáng kể năng lượng được sử dụng cho các hoạt động thể chất tự động, duy trì trương lực cơ và tư thế cơ thể và các hoạt động không gắng sức khác như “cử động.” Tổng cộng, những hoạt động không gắng sức này chiếm khoảng 7% năng lượng tiêu thụ hàng ngày của một người.

Bảng. Mức tiêu hao năng lượng trong các loại hoạt động khác nhau cho một người đàn ông 70 kg

Năng lượng dùng cho tiêu hoá thức ăn - hiệu ứng nhiệt của thức ăn

Sau khi ăn, chuyển hoá của cơ thể tăng lên do tăng một loạt các phản ứng hoá học liên quan đến tiêu hoá, hấp thu, và dự trữ thức ăn trong cơ thể. Sự tăng này được gọi là hiệu ứng nhiệt của thức ăn vì quá trình này cần năng lượng và sinh ra nhiệt.

Sau bữa ăn giàu carbohydrate và chất béo, tỉ lệ chuyển hoá thường tăng lên 4%. Tuy nhiên, sau bữa ăn giàu protein, tỷ lệ chuyển hoá thường bắt đầu tăng sau một giờ, có thể tăng tới 30% so với mức bình thường, và còn kéo dài đến tận 3-12 giờ sau. Hiệu ứng này của protein lên chuyển hoá được gọi là tác dụng động lực đặc hiệu của protein. Hiệu ứng nhiệt của thức ăn chiếm khoảng 8% tổng năng lượng tiêu thụ hằng ngày của một người.

Năng lượng sử dụng cho sinh nhiệt không run cơ - Vai trò kích thích giao cảm

Mặc dù hoạt động thể chất và hiệu ứng nhiệt của thức ăn cũng gây giải phóng nhiệt, tuy nhiên đây không phải là cơ chế điều hoà nhiệt độ cơ thể. Run cơ là cơ chế chính điều hoà nhiệt độ bằng cách tăng hoạt động của cơ đáp ứng với lạnh. Cơ chế khác, sinh nhiệt không run cơ, cũng có thể tạo nhiệt để đáp ứng với lạnh. Hình thức sinh nhiệt này được kích thích bằng cách hoạt hoá hệ thần kinh giao cảm, gây giải phóng norepinephrine và epinephrine, từ đó làm tăng hoạt động chuyển hoá và sinh nhiệt.

Ở một loại mô mỡ, được gọi là mỡ nâu, kích thích thần kinh giao cảm gây ra giải phóng một lượng lớn nhiệt. Tế bào loại mỡ này chứa một lượng lớn ty thể và nhiều hạt mỡ nhỏ thay vì một hạt mỡ lớn. Ở những tế bào này, quá trình phosphorin oxy hoá trong ty thể chủ yếu là “không ghép đôi.” Khi tế bào bị kích thích bởi thần kinh giao cảm, ty thể sản xuất một lượng lớn nhiệt và hầu như không có ATP, vì vậy gần như tất cả năng lượng giải phóng từ quá trình oxy hoá ngay lập tức trở thành nhiệt.

Trẻ sơ sinh có chủ yếu là mỡ nâu, kích thích giao cảm tối đa có thể làm tăng chuyển hoá của đứa trẻ tới hơn 100%. Mức độ của hình thức sinh nhiệt này ở người lớn, người mà gần như không có mỡ nâu, thường ít hơn 15%, Mặc dù mức độ này có thể tăng lên đáng kể sau đáp ứng với lạnh.

Sinh nhiệt không run cơ có tác dụng như một yếu tố chống béo phì. Những nghiên cứu gần đây cho thấy hoạt động của hệ thần kinh giao cảm tăng lên ở những người béo, những người có lượng calo nhập vào vượt mức nhu cầu. Cơ chế làm tăng hoạt động của hệ thần kinh giao cảm ở những người béo chưa được xác định rõ, nhưng có lẽ một phần là do ảnh hưởng của sự tăng hormon leptin, làm hoạt hoá neuron pro-opiomelanocortin ở vùng dưới đồi. Kích thích giao cảm, bằng cách tăng sinh nhiệt, làm hạn chế sự tăng khối lượng cơ thể.