Cơ thể không tự sinh ra được năng lượng, phải lấy cơ sở từ hóa năng của thức ăn, và chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác cần thiết cho sự sống. Năng lượng tiêu hao dù ở bất cứ dạng nào, nhưng cuối cùng đều thải ra ngoài dưới dạng nhiệt.

1.1.Nhiệt năng

Các phản ứng chuyển hóa trong cơ thể như là sự oxy hóa thức ăn phát sinh ra nhiệt.

Nhiệt năng bảo đảm cho thân nhiệt cố định, nhờ đó các phản ứng chuyển hóa diễn ra bình thường. Ngoài ra nhiệt năng còn là dạng thoái hóa năng lượng cần được thải ra ngoài cơ thể.

Đơn vị để đo nhiệt năng là calori (cal) là nhiệt năng cần để nâng nhiệt độ của một gram nước từ 15°c lên 16°c.

1.2.Hóa năng

Được tích lũy trong các phân tử vật chất để giữ các liên kết nguyên tử, giữ cho phân tử có hình dạng cố định trong không gian.

Hóa năng tồn tại trong tất cả phân tử cấu tạo nên cơ thể. Hóa năng tồn tại ở các mô dự trữ như mô mỡ, gan. Hóa năng còn tồn tại dưới dạng hợp chất giàu năng lượng như ATP.

1.3.Động năng hay cơ năng

Năng lượng sinh ra do sự chuyển động của các phân tử theo cùng một hướng: sự vận chuyển máu trong bộ máy tuần hoàn, sự vận chuyển khí trong bộ máy hô hấp, sự vận chuyển thức ăn trong bộ máy tiêu hóa, sự vận cơ…

1.4.Điện năng

Sinh ra trong sự vận chuyển thành dòng của các ion qua các màng tế bào. Điện năng là năng lượng tạo ra điện thế màng tế bào lúc nghỉ và lúc hoạt động.

2.Năng lượng vào cơ thể

Năng lượng vào cơ thể, chủ yếu là hóa năng của thức ăn. Nói chung, tất cả các loại thức ăn đều chứa sáu chất dinh dưỡng: pro- tein, lipít, gluxít, sinh tố, muối vô cơ, nước, trong đó có ba chất cung cấp năng lượng cho cơ thể: protein, lipít, gỉuxít, do đó được gọi là những chất sinh năng lượng.

Giá trị năng lượng của mỗi loại thức ăn phụ thuộc vào hàm lượng của ba chất dinh dưỡng sinh năng lượng.

Sau đây là giá trị năng lượng của một số loại thức ăn thường gặp ở nước ta: dầu mỡ: 900 kcal/100gram, lạc, vừng: 600kcal, đậu hạt: 300 – 400kcal; lương thực: 350kcal, thịt, cá: 100 – 250kcal, rau quả dưới 100kcal.

3.Chuyển hóa năng lượng trong cơ thể

Không giống với các chức năng khác, cơ thể không có riêng một bộ máy chuyển hóa năng lượng chung cho cả cơ thể.

Các chất hấp thụ được, vào máu vận chuyển tới các tế bào, ở đây các chất nầy tham gia vào các phản ứng chuyển hóa phức tạp, cùng với những biến đổi hóa học nầy, hóa năng của các chất hấp thụ cũng chuyển hóa thành các dạng năng lượng cần thiết cho cơ thể.

Chuyển hóa năng lượng, đi kèm với chuyển hóa các chất hấp thụ, diễn ra theo ba bước, ỏ ba khu vực của tế bào: ở bào tương, ở ty thể và ở cấc bào quan khác.

Ở bào tương: các chất hấp thụ biến đổi thành các chất chuyển hóa trung gian.
- Phần lớn hóa năng của chất hấp thụ chuyển thành hóa năng của các chất chuyển hóa trung gian, một phần thành hóa năng của các hợp chất giàu năng lượng, trước hết là của ATP.
Ở ty thể: các chất chuyển hóa trung gian bị phân giải thành C0₂, H₂0. Đi kèm với biến đổi hóa học đó, phần hóa năng còn lại trong các chất chuyển hóa trung gian biến đổi thành hóa năng của ATP qua phản ứng phosphoryl hóa.
ATP được vận chuyển tới bào tương của tế bào: ở màng tế bào, ATP cung cấp năng lượng cho sự vận chuyển vật chất qua màng, kể cả sự bài tiết ở các tế bào tuyến, hóa năng của ATP biến đổi thành động năng của sự vận chuyển qua màng. Hóa năng của ATP cũng biến đổi thành điện năng của màng tế bào: điện thế nghỉ và hoạt động, ở các sợi co rút của tế bào, hóa năng của ATP biến đổi thành động năng của sự chuyển động của các sợi co rút, thành động năng của sự vận động của tế bào, cơ quan, và của cả cơ thể.

Ở mạng nội bào tương, ATP cung cấp năng lượng cho các phản ứng tổng hợp các chất tạo hình, dự trữ, chức năng hoặc bài tiết, kèm theo đó, hóa năng của các chất tham gia phản ứng và hóa năng của ATP chuyển thành hóa năng của các chất vừa được tổng hợp.

Trong tất cả các phản ứng chuyển hóa kể trên, bao giờ cũng có một phần năng lượng của các chất tham gia phản ứng biến đổi thành nhiệt năng.

4.Năng lượng tiêu hao bởi cơ thể

Người ta thường chia các nguyên nhân gây tiêu hao năng lượng cơ thể thành ba loại lớn sau đây:

4.1.Năng lượng tiêu hoa cho sự duy trì cơ thể

Đây là số năng lượng cần cho cơ thể tồn tại bình thường không thay đổi thể trọng, không sinh sản

4.1.1 Chuyển hóa cơ sở

Là mức chuyên hóa năng lượng của cơ thể trong điều kiện cơ sở như tim đập, phổi hô hấp, thận bài tiết, các tế bào trao đổi với máu, v.v…, với ba đặc điểm chính là: không vận cơ, không tiêu hóa, không điều nhiệt.

Người ta thường tính năng lượng cho chuyển hoá cơ sở theo kcal/1m2 da/giờ Chuyển hóa cơ sở thay đổi theo các yếu tố sau đây:

Tuổi: Nói chung tuổi càng cao thì chuyển hóa cơ sở càng giảm. Riêng ở tuổi dậy thì và trước dậy thì, chuyển hóa cơ sở giảm ít hơn.
Phái tính: Nói chung, cùng một lứa tuổi,chuyển hóa cơ sở nữ hơi thấp hơn chuyển hóa cơ sở ở nam
Các yếu tố sinh lí khác:
- Chuyến hóa cơ sở thay đối theo nhịp ngày đêm: ở người bình thường, chuyển hóa cơ sở thấp nhất lúc 1-4 giờ, cao nhất lúc 13 giờ chiều. Nhịp này sẽ dần dần đổi khi chuyển sang sống ở múi giờ khác hoặc chuyển sang làm việc vào ban đêm.
- Chuyển hóa cơ sở thay đổi theo trạng thái tình cảm: Lo lắng và căng thẳng làm tăng chuyển hóa cơ sở vì làm tăng tiết epi- nephrin và tăng trương lực cơ dù đang nghỉ ngơi. Ngược lại bệnh nhân vô cảm, trầm cảm hoặc ngủ, thì chuyển hóa cơ sô giảm do giãn cơ và giảm trương lực thần kinh giao cảm.
Các yếu tố bệnh lý: Chuyển hóa cơ sở thay đổi rõ rệt theo bệnh của tuyến giáp: nó giảm đi trong nhược năng, và tăng lên trong ưu năng tuyến này.

Chuyển hóa cơ sở cũng tăng lên trong sốt, cứ thân nhiệt tăng lên 1°C thì chuyển hóa cơ sở tăng 14%.

Chuyển hóa cơ sở giảm đi trong suy dinh dưỡng protein năng lượng.

4.1.2.Vận cơ

Trong vận cơ, hóa năng tích lũy trong cơ bị tiêu hao, 25 phần trăm chuyển thành công cơ học của cơ. 75 phần trăm còn lại tỏa ra dưới dạng nhiệt. Người ta thường tính năng lượng tiêu hao trong vận cơ theo kcal/lkg thể không gian, để giữ cơ thể ở những tư thế nhất định, để lao động, do đó là tiêu hao năng lượng không thể tránh được. Tuy không làm cơ thể tiêu hao năng lượng bằng chuyển hóa cơ sở, nhưng vận cơ làm cho tiêu hao năng lượng chung của cơ thể, thay đổi theo nghề và được dùng làm cơ sở để xác định khẩu phần ăn theo nghề nghiệp.

Tiêu hao năng lượng trong vận cơ thay đổi theo những yếu tố sau :

Cường độ vận cơ: càng lổn thì tiêu hao năng lượng càng cao.
Tư thế trong vận cơ: Thực ra năng lượng tiêu hao không chỉ do tạo ra công, mà còn do các cơ phải co để giữ cho cơ thể ở trong những tư thế nhất định trong lúc vận cơ. Số cơ co càng nhiều thì tiêu hao nănglượng càng lớn. Tư thế càng dễ chịu thì số cơ co càng ít, và năng lượng tiêu hao càng ít.
- Đây là cơ sở của yêu cầu chế tạo những công cụ lao động phù hợp với kích thước thân thể của người lao động.
Mức độ thông thạo: Nói chung, càng thông thạo thì tiêu hao năng lượng cho vận cơ càng thấp, đó là do càng thông thạo thì số cơ co không cần thiết càng bớt đi.

4.1.3.Điều nhiệt

Để giữ cho thân nhiệt được hằng định, không thay đổi theo nhiệt độ môi trường, cơ thể phải luôn luôn tiêu tốn năng lượng dưới dạng nhiệt. Khi trời lạnh, cơ thể tăng chuyển hóa để sản sinh ra nhiệt. Khi trời nóng, cơ thể cũng mất năng lượng để chống nóng (học ồ chương điều nhiệt).

4.1.4.Tiêu hóa

Ăn để cung cấp năng lượng cho cơ thể, nhưng bản thân việc ăn lại làm cho tiêu hao năng lượng của cơ thể tăng lên, do vận động các cơ trơn của bộ máy tiêu hóa, bài tiết dịch tiêu hóa… Vì vậy tiêu hao năng lượng do ăn cũng là nguyên nhân không thể tránh được.

Năng lượng tiêu hao còn là kết quả của việc chuyển hóa các sản phẩm tiêu hóa đã được hấp thụ. Người ta gọi đó là tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn (SDA). Tác dụng động lực đặc hiệu được tính bằng tỉ lệ phần trăm của mức tiêu hao năng lượng so với tiêu hao trước khi ăn. Tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn thay đổi theo từng chất dinh dưỡng: protein làm tiêu hao năng lượng tăng thêm 30 phần trăm, tác dụng động lực đặc hiệu của lipít, gluxít lần lượt là 4 và 6. Với chế độ ăn hỗn hợp của người, tác dụng động lực đặc hiệu là 10 phần trăm.

4.2.Năng lượng tiêu hao cho sự phát triển cơ thể

Muốn phát triển cơ thể, tăng chiều cao hoặc tăng trọng lượng, đều cần tăng kích thước và số lượng tế bào. Cơ thể phải tăng tổng hợp các thành phần tạo hình và dự trữ, nghĩa là biến đổi một phần hóa năng của thức ăn thành hóa năng của chất tạo hình, dự trữ. Phát triển là đặc điểm của tuổi chưa trưởng thành.

Ngay ở tuổi đã trưởng thành, cũng vẫn có những trường hợp phát triển trọng lượng, như trong thời kỳ hồi phục sau khi bị bệnh, thời kỳ rèn luyện thân thể. Kể cả khi trọng lượng không thay đổi, thực ra vẫn cần tiêu hao một số năng lượng cho việc bổ sung cho những loại mô bị đổi mới nhanh chóng, các tế bào máu, niêm mạc ruột non, da.

Trẻ em, muốn tăng trọng lượng 1 gram thì năng lượng tiêu hao bằng 5kcal, người lớn muốn tăng 1 gram thì năng lượng tiêu hao là 4kcal.

4.3.Năng lượng tiêu hao cho sinh sản

Trong thời kỳ mang thai, cơ thể người mẹ phải tiêu hao thêm năng lượng để tạo thai, làm cho thai phát triển, tạo các phần nuôi thai. Không những thế, còn phải tiêu thêm năng lượng để tăng khối lượng máu tuần hoàn, tăng khối lượng các cơ quan của mẹ, và nhất là dự trữ để bài tiết sữa sau khi đẻ.

Tất cả những tiêu hao thêm đó tính ra bằng 80000 kilocalo, cho một chu kỳ mang thai.

Trong thời kỳ nuôi con, người mẹ bài tiết mỗi ngày 500ml – 600ml sữa. Năng lượng tiêu hao để tổng hợp và bài tiết số lượng sữa này bằng khoáng 500 kcal, đây là số năng lượng cần cung cấp thêm cho những người đang cho con bú.

5.Nguyên tắc của các phương pháp đo tiêu hao năng lượng

Có ba phương pháp đo tiêu hao năng lượng:

5.1.Các phương pháp đo bằng nhiệt lượng kế

Các phương pháp này dựa trên nguyên tắc là năng lượng tiêu hao bởi cơ thể cuối cùng đều chuyển thành nhiệt năng. Do đó chỉ cần đo số nhiệt lượng mà cơ thể tỏa ra là đủ.

Người ta dùng phòng nhiệt lượng kế là phòng kín cách nhiệt với bên ngoài. Đôi tượng nghiên cứu sống và làm việc trong phòng nhiều ngày. Năng lượng tỏa ra làm tăng nhiệt độ của dòng nước chảy qua phòng được tính theo công thức :

Q = V.( t₂ – t₁ )

V thể tích nước chảy qua phòng

t₁ và t₂ : nhiệt độ trung bình của dòng nước chảy vào và chảy ra khỏi phòng.

Phương pháp này có một độ chính xác cao, nhưng đòi hỏi thiết bị phức tạp, thường dùng làm phương pháp chuẩn để kiểm tra các phương pháp khác.

5.2.Các phương pháp gián tiếp qua các thông số hô hấp

Các phương pháp này dựa trên nguyên tắc là hơn 95 phần trăm năng lượng tiêu hao của cơ thể được lấy ra từ phản ứng oxy hóa. Do đó nếu ta tính được số lượng oxy bị tiêu hao, và giá trị sinh nhiệt của oxy, thì có thể tính ra năng lượng tiêu hao theo công thức:

Q = V. J

V : thể tích oxy tiêu thụ

J : giá trị nhiệt của oxy trong điều kiện đo

Có hai phương pháp thường được sử dụng cho người là :

5.2.1 Phương pháp vòng nửa mở

Trong phương pháp này, người ta đeo cho đối tượng nghiên cứu một mặt nạ có van, khiến cho không khí chỉ được vận chuyển theo một chiều từ trong phòng vào phổi, rồi từ phổi vào một túi kín. Sau một thời gian nghiên cứu, người ta lấy túi khí thở ra, đo thể tích và phân tích thành phần khí thở ra.

So sánh với thành phần không khí hít vào, có thể tách ra thể tích oxy bị tiêu thụ, cũng như thể tích C0₂ mới sinh ra, từ đó tính ra thương số hô hấp bằng thể tích C0₂ sinh ra chia cho thể tích oxy tiêu thụ. Giá trị sinh nhiệt của oxy phụ thuộc vào chất bị thiêu đốt trong cơ thể, được biểu hiện qua thương số hô hấp. Do đó có thể xác định được giá trị nhiệt của oxy trong điều kiện đo bằng một bảng tương quan giữa thương số hô hấp tính được trong lúc đo với giá trị nhiệt của oxy. Thí dụ: đo trong 10 phút, thể tích khí thở ra trong túi là 100 lít, thành phần khí hít vào và thở ra:

	Khí hít vào	Khí thở ra
0₂	20%	16%
co_?	0%	4%

Thể tích 0₂ tiêu thụ trong 10 phút là: (20% – 16%) X 100 = 4 lít

Thể tích C0₂ sinh ra trong thời gian đó là: (4% — 0% ) X 100 = 4 lít

Thương số hô hấp là : 4 /4 = 1

Giá trị sinh nhiệt của oxy tương ứng với thương số hô hấp bằng 1 là 5,047 Năng lượng tiêu hao trong thời gian đó là: Q = 4 X 5,047 = 20,18 kcal

Trong thực tế tính toán, còn phải điều chỉnh thể tích khí hít vào theo với điều kiện khí thở ra.

Phương pháp này có độ chính xác cao, lại không đòi hỏi những phương tiện quá phức tạp và quá cồng kềnh, do đó thường được dùng để đo tiêu hao năng lượng cho người trong lúc lao động.

5.2.2.Phương pháp vòng kín

Trong phương pháp này, người ta dùng máy Benedict Roth. Oxy đựng trong chuông kín của máy được dẫn theo 1 ống riêng tới miệng của đối tượng nghiên cứu. Khí thở ra được dẫn theo 1 ống khác trở về chuông, sau khi đi qua một hộp đựng vôi sôđa, có khả năng giữ C0₂ và hơi nước lại. Bằng cách ấy, sau một thời gian đo, rất dễ dàng xác định được thể tích oxy bị tiêu hao. Nhưng thể tích của khí C0₂ mới sinh thì không tính được, do đó không thể tính được thương số hô hấp, và do đó cũng không biết được giá trị nhiệt của oxy.

Phương pháp chỉ được dùng để đo tiêu hao năng lượng do chuyển hóa cơ sở, bởi vì người ta đã xác định được, bằng những phương pháp khác, rằng giá trị nhiệt của oxy trong điều kiện cơ sở bằng 4,825kcal/lít oxy.

5.3.Các phương pháp gián tiếp qua các thông số tiêu hóa

Theo dõi trọng lượng cơ thể của đối tượng nghiên cứu trong một thời gian dài, nếu trọng lượng cơ thể không thay đổi thì chứng tỏ năng lượng hấp thụ từ thức ăn vào bằng năng lượng tiêu hao. Năng lượng hấp thụ từ thức ăn bằng năng lượng thức ăn trừ đi năng lượng của phân bài tiết ra.

Phương pháp này không làm thay đổi các sinh hoạt của đối tượng, nên có thể áp dụng cho số đông người.

6.Điều hòa chuyển hóa năng lượng

Chuyển hóa năng lượng được điều hòa ở hai mức độ: tế bào và cơ thể

6.1.Điều hòa chuyển hóa năng lượng ở mức độ tế bào.

Ở mức độ tế bào, chuyển hóa năng lượng được điều hòa bằng cơ chế điều hòa ngược.Yếu tố điều hòa là ATP

Khi tế bào không hoạt động, hàm lượng ADP trong tế bào thấp, tất cả những phản ứng sinh năng lượng trong tế bào đều giảm đi.

Khi tế bào hoạt động, ATP được biến đổi thành ADP, hàm lượng ADP trong tế bào càng tăng, thì các phản ứng sinh năng lượng càng tăng.

Kết quả là trong điều kiện bình thường, hàm lượng ATP trong mỗi tế bào được duy trì ở mức độ nhất định, đảm bảo cho tế bào có thể hoạt động bình thường.

6.2.Điều hòa chuyển hóa năng lượng ở mức độ cơ thể.

Hệ thần kinh giao cảm có tác dụng điều hòa chuyển hóa năng lượng rõ nhất. Kích thích hệ thần kinh giao cảm làm tăng chuyển hóa năng lượng của tất cả các mô trong cơ thể.

Vùng dưới đồi là trung tâm cao cấp của hệ thần kinh thực vật, do đó cũng ảnh hưởng tới điều hòa chuyển hóa năng lượng.

Các phần khác của hệ thần kinh cũng có ảnh hưởng tới chuyển hóa năng lượng.

6.1.1.Điều hòa chuyển hóa năng lượng bằng cơ chế thể dịch.

Nhiều hormon có tác dụng điều hòa chuyển hóa năng lượng:

Hormon tuyến giáp: làm tăng quá trình chuyển hóa năng lượng của hầu như tất cả các mô trong cơ thể, bằng cách thúc đẩy sự oxít hóa ở các ty thể trong tế bào.
Hormon tủy thượng thận: Adrenalin làm tăng chuyển hóa năng lượng. Nó thúc đẩy sự phân giải glycogen dự trữ thành glucoz ở gan, và phóng thích glucoz vào trong máu làm tăng chuyển hóa năng lượng.
Hormon vỏ thượng thận: làm tăng hiện tượng tạo đường mới từ axít amin.
Hormon của tuyến tụy: Glucagon thúc đẩy sự phân giải glycogen dự trữ ở gan thành glucoz đi vào máu.
- Insulin kích thích sự tổng hợp glycogen ở gan, thúc đẩy sự thiêu đốt glucoz ở các tế bào.
Hormon GH của tuyến yên: GH làm giảm quá trình thiêu đốt gluxít, và huy động năng lượng dự trữ dưới dạng lipít ở các mô mỡ. GH làm tăng chuyển hóa cơ sở từ 15% đến 20%.
Hormon sinh due: hormon sinh dục nam có thể làm tăng chuyển hóa cơ sở từ 10% – 15%, và làm tăng đồng hóa protêin.
Estrogen của tuyến sinh dục nữ cũng làm tăng đồng hóa, nhưng không mạnh bằng hormon sinh dục nam. Progesteron cũng làm tăng chuyển hóa năng lượng.

Nhờ các cơ chế điều hòa kể trên, bình thường năng lượng ăn vào luôn luôn bằng năng lượng tiêu hao của cơ thể. Sự điều hòa có hiệu quả lớn đến nỗi trong một năm một người trưởng thành ăn khoảng 1 tấn thức ăn, nhưng cơ thể không thay đổi trọng lượng quá 2kg.

7. Bilan năng lượng

Mối tương quan giữa năng lượng ăn vào với năng lượng tiêu hao được thể hiện bằng khái niệm bilan năng lượng.

Bilan năng lượng được gọi là dương khi năng lượng ăn vào lớn hơn năng lượng tiêu hao, làm người béo lên, ưa vận động.
Bilan năng lượng gọi là âm khi năng lượng ăn vào nhỏ hơn năng lượng tiêu hao.Bilan năng lượng âm khi năng lượng ăn vào giảm sút (thiếu ăn, loạn hấp thụ) hoặc khi năng lượng tiêu hao tăng (sốt, lỗ dò mãn tính, có khối u). Lúc đầu, cơ thể huy động năng lượng dự trữ, người gầy đi. Đồng thời các tiêu hao năng lượng giảm đi, giảm nhiều nhất là năng lượng tiêu hao do vận cơ, người luôn luôn mệt mỏi, năng suất lao động thấp.

CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

1.Các hình thức năng lượng dữ cơ thể sản xuất