Podstawy produkowania, magazynowania i zużywania energii w organizmie

W dietetyce bardzo często posługujemy się określeniami takimi jak: kalorie, metabolizm, energia, makro- i mikroskładniki, spalanie kalorii.

Rozumienie tych pojęć w sposób dokładny i szczegółowy jest kluczowe, aby umiejętnie zarządzać swoją dietą i ćwiczeniami.

Dziś spróbuję Ci wyjaśnić z rozbiciem tematu na szczegóły, szczególiki i atomy, na czym polega produkcja, magazynowanie oraz zużywanie energii w organizmie. 

Co to jest kaloria?

Nauka, która zajmuje się przemianami termicznymi nazywa się kalorymetrią. Kaloria jest w niej jedną z podstawowych jednostek używanych do obliczeń.

Kaloria, cal, z definicji jest jednostką energii, oznaczającą ile energii cieplnej potrzeba, aby podnieść temperaturę 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza.

W praktyce jednak dużo bardziej przydatne okazują się kilokalorie – oznaczane jako kcal, mówiące ile potrzeba energii, aby podnieść temperaturę 1 kilograma wody o 1 stopień Celsjusza.

Jedna kaloria (cal) to 4,184 dżula (J). Jeden dżul to praca wykonana przez siłę o wartości 1 N (Niuton) przy przesunięciu punktu przełożenia siły o 1 m w kierunku równoległym do kierunku działania siły. 

Na etykietach produktów można przeczytać informacje o wartości energetycznej produktu wyrażonej najczęściej w kilokaloriach (kcal) przeliczonych na kilodżule (kJ).

W języku potocznym mówi się jednak „kalorie” mając na myśli właśnie „kilokalorie”, dla uproszczenia. Jedynie w precyzyjnych artykułach branżowych czy obliczeniach wskazane jest używanie prawidłowej jednostki energii. 

Skąd pochodzą kalorie?

Energia słoneczna, woda i powietrze to niezbędne również nam, ludziom, składniki, pomimo że nie odżywiamy się nimi. Dwutlenek węgla z powietrza i woda przy udziale energii słonecznej są składnikami fotosyntezy. Jest to proces, z którego pożywienie czerpią rośliny. Pigment roślinny, czyli chlorofil, ma zdolność do wychwytywania promieni świetlnych, czyli energii cieplnej. Energia ta jest niezbędna, aby węgiel z dwutlenku węgla połączył się z wodą, i roślina mogła wyprodukować węglowodany. Podczas tego procesu uwalniany jest życiodajny dla człowieka tlen. 

Z wytworzonych w swoich komórkach węglowodanów rośliny mogą syntetyzować również białka i tłuszcze. Zwierzę spożywając rośliny, przyjmuje do swojego organizmu również część energii chemicznej wytworzonej na drodze przemian dwutlenku węgla i wody w węglowodany.

Ta energia magazynowana jest w jego tkankach. Człowiek spożywając mięso zwierzęce, kumuluje w sobie energię zwierzęcia. Rzecz jasna może pozyskać energię również jedząc same rośliny. Co bardzo istotne – kalorie możemy pozyskiwać jedynie tą  drogą – pokarmową. Jeśli nie dostarczymy sobie energii z pożywienia, nasze ciało nie będzie mogło pracować – bo każdy proces organizmu wymaga zużycia pewnej ilości energii. 

Jakie znamy składniki odżywcze?

W pożywieniu roślinnym i zwierzęcym można wyróżnić sześć ogólnych klas składników:

• Węglowodany
• Białka
• Tłuszcze
• Witaminy
• Minerały
• Woda

Energii dostarczają wyłącznie węglowodany, tłuszcze i białka. Spożywa się je w dużych ilościach, od kilkudziesięciu do kilkuset gramów każdego z nich dziennie, dlatego nazywane są makroskładnikami.

Witaminy i minerały to mikroskładniki – nie dostarczają kalorii, ale są niezbędne również do procesów metabolicznych, czyli do prawidłowego wykorzystania energii.

Podobnie woda – jest pełna minerałów, ale nie ma żadnych makroskładników i witamin.

Jest jednak niezbędna, aby proces trawienia i odżywiania mógł w ogóle zachodzić. 

Dlaczego każdy pokarm ma inną wartość kaloryczną?

Każda roślina ma inny skład chemiczny, dlatego też każde zwierzę żywiące się konkretnym gatunkiem rośliny będzie miało nieco zróżnicowany skład swojego mięsa.

Kiedy zwierzę zjada roślinę, przyjmuje od niej witaminy, minerały, węglowodany, białka, tłuszcze i wodę. Część z tych składników przetwarza na własne potrzeby budulcowe, na przykład syntetyzując tkankę tłuszczową czy wytwarzając mięśnie.

To sprawia, że mięsożerca spożywający mięso zwierzęcia, otrzymuje zaledwie część witamin i minerałów oraz węglowodanów (bo wiele zużyło zwierzę na własne potrzeby), ale za to sporo tłuszczów i białek.

To, co spożywamy, jest więc wypadkową różnych procesów chemicznych zachodzących w przyrodzie, ale nie tylko. Bo przecież wiele produktów żywnościowych powstaje z połączenia kilku innych. I tak na przykład truskawka to mieszanka węglowodanów złożonych, cukrów prostych, wody, witamin i minerałów z odrobiną białek i tłuszczów, a filet z kurczaka to głównie białko i tłuszcz, z niewielką domieszką węglowodanów. 

Osobną kwestią jest to, że każdy makroskładnik dostarcza innej wartości kalorii – białka i węglowodany dostarczają 4 kcal w 1 gramie, a tłuszcze 9 kcal. Dlatego produkty zawierające różną mieszaninę makroskładników będą miały różną wartość kaloryczną. 

Skąd wiemy, co ma ile kalorii?

Różni naukowcy na przestrzeni wielu lat wytężonej pracy zadali sobie trud, aby wszystkie produkty laboratoryjnie przebadać pod kątem ilości kalorii. Zwykle robi się to dokonując analizy makroskładników i przeliczając je na kalorie, lub spalając dany produkt w ogniu i mierząc, ile ciepła się przy tym wydzieliło.

Tak powstały rozmaite tabele kalorii, które praktycznie z roku na rok są poszerzane o kolejne produkty. Można też znaleźć w sieci różne kalkulatory kalorii, wskazujące na przykład wartość energetyczną poszczególnych produktów, na przykład jogurtu danej marki czy mrożonych pierogów z mięsem.

Chcąc bawić się w liczenie kalorii na diecie należy bardzo uważnie ważyć produkty bez etykiet takie jak mięso czy brokuł, brać pod uwagę, że różne części mięsa mają różną zawartość tłuszczu, a sposób ich obróbki termicznej jest również istotny w przypadku wycieku tłuszczu. 

W jaki sposób kalorie zmieniają się w energię?

Interesującym zagadnieniem jest również to, jak to się dzieje, że kiedy jemy dowolny pokarm, organizm ma siłę do wykonywania pracy.

Energia zmagazynowana w wiązaniach chemicznych poszczególnych spożywanych makroskładników musi zostać przekształcona w wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe. Dzieje się to za pośrednictwem adenozynotrifosforanu (ATP). 

Pokarmy są trawione za pomocą enzymów w przewodzie pokarmowym, następnie rozdrabniane. Węglowodany stają się wówczas cząsteczkami cukrów prostych, białka – aminokwasami, a tłuszcze rozpadają się na kwasy tłuszczowe i glicerol. W jelitach te małe cząsteczki wchłaniane są przez ścianę jelit do krwi i płyną krwioobiegiem do każdego członka, każdej komórki organizmu. W każdej komórce organizmu dochodzi do metabolizowania glukozy, kwasów tłuszczowych i aminokwasów w celu wytworzenia ATP.

ATP to tak naprawdę wysokoenergetyczne wiązania, które rozszczepiane są za pomocą różnych enzymów. Wtedy wytwarzana jest energia właściwa – ta, która służy mięśniom do ruchu, mózgowi do przekazywania impulsów, a wątrobie do syntezy białek. Ważne jest zatem, aby zapamiętać, że energia wytwarzana podczas rozpadu makroskładników jest wykorzystywana do produkcji ATP, a nie bezpośrednio do zużycia w mięśniach. 

Gdzie są zużywane kalorie z pożywienia?

W dietetyce funkcjonuje takie pojęcie jak podstawowa przemiana materii, które określa, ile kalorii dziennie potrzebujesz nie po to, aby wykonywać jakąkolwiek pracę fizyczną, lecz aby po prostu przeżyć cały dzień bez ruchu.

Sporo kalorii, które przyjmujemy z pożywieniem każdego dnia, jest zużywanych na normalne procesy metaboliczne organizmu: regenerację komórek, bicie serca, pracę jelit, utrzymywanie przy życiu układu nerwowego, i tak dalej.

Zużywasz więc kalorie nie tylko biegając po parku, ale również oglądając telewizję. Aktywność fizyczna wymaga jednak większych dostaw energii, co tłumaczy dlaczego łatwiej schudnąć biegając niż oglądając telewizję. 

Po co i jak magazynujemy energię?

Magazynowanie energii w komórkach ciała jest fantastycznym sposobem ewolucji na poradzenie sobie z brakiem systematycznych dostaw pożywienia.

Gdyby nie to, musielibyśmy całe swoje życie poświęcać wyłącznie na jedzenie – praktycznie bez przerw. Nie byłoby mowy o spaniu, bo przez te 8 godzin niejedzenia organizm mógłby paść z wycieńczenia.

A więc energię magazynujemy: we krwi w postaci glukozy, pod skórą w postaci tkanki tłuszczowej, oraz w mięśniach i w wątrobie jako glikogen. To dzięki nim możemy przetrwać nawet kilka dni bez pożywienia lub przebiec maraton. 

Jak organizm wykorzystuje zmagazynowaną energię?

Zasadniczo organizm wykorzystuje trzy różne systemy energetyczne:

Układ fosfagenowy ATP-PC

Ten szlak zużywa ATP oraz fosfokreatynę zgromadzoną w mięśniach. Te zapasy zużywa się w pierwszej kolejności podczas intensywnych wysiłków fizycznych trwających do 6 sekund. W przypadku dłuższych aktywności organizm uruchamia kolejne szlaki.

Szlak glikolityczny – beztlenowy

Zużycie energii zachodzi tu bez udziału tlenu, przy intensywnych rodzajach wysiłku fizycznego, trwających do 90 sekund. Do tego szlaku wykorzystywany jest zapas glikogenu w mięśniach.

Glikogen podczas wysiłku rozpada się na glukozę, która jest podstawową jednostką paliwa dla człowieka, a ona na ATP i kwas mlekowy.

Z jednej cząsteczki glukozy powstają tylko 2 cząsteczki ATP, a więc zapas glikogenu w mięśniach nie wystarcza na długo, tym bardziej, że kwas mlekowy utrudnia kurczenie się mięśni i powoduje zmęczenie. 

Szlak tlenowy

Zachodzi z udziałem tlenu. ATP jest tu wytwarzane z węglowodanów i tłuszczów odpowiednio przez glikolizę i lipolizę. Ćwiczenia tlenowe, czy też aerobowe trwają więc dłużej i stanowią umiarkowany, jednostajny wysiłek. Ich celem jest właśnie uruchomienie tlenowego szlaku i tym samym ćwiczenia te mogą trwać dłużej. To dlatego do sięgnięcia po tłuszczowe rezerwy potrzeba intensywnych, długo trwających ćwiczeń fizycznych. 

Od czego zależy, ile kalorii spalę podczas ćwiczeń?

Gdy podejmujemy wysiłek fizyczny, uruchamiane są wszystkie trzy szlaki energetyczne jednocześnie. Jednak jak łatwo się domyślić, jest kilka czynników, które determinują intensywność spalania kalorii:

– czas ćwiczeń

– intensywność ćwiczeń

– skład ciała oraz kondycja

– dieta

Co sprawia, że komórki ciała wiedzą, kiedy z układu fosfagenowego przejść na spalanie tłuszczów? Odpowiadają za to dwa mechanizmy: wewnątrz- i zewnątrzkomórkowy. 

Wewnątrz komórek znajdują się enzymy, które błyskawicznie reagują na zmiany poziomu ATP i ADP oraz innych składników i hamują lub aktywują ich wydzielanie w zależności od obecnych potrzeb energetycznych organizmu.

To szybkie reagowanie jest powiązane ze szlakiem fosfagenowym i glikolizą. Z kolei szlak beztlenowy jest regulowany przez hormony, zewnątrzkomórkowo. Jeśli w mięśniach brakuje energii, epinefryna i glukagon mogą aktywować enzymy rozkładające glikogen na drodze glikolizy. Adrenalina i inne hormony mogą również aktywować lipazę wrażliwą na hormony i zmobilizować je do naruszenia rezerw trójglicerydów. 

Czy mocne „spalacze tłuszczu” są dobre?

Głównym składnikiem tak zwanych „spalaczy tłuszczu” czyli tabletek promujących utratę masy ciała szybko i bez wysiłku, jest efedryna, samodzielnie lub z kofeiną.

Działanie efedryny jako spalacza tłuszczu zostało odkryte przypadkowo, kiedy to zaobserwowano spadek masy ciała u pacjentów przyjmujących ten środek w innych schorzeniach, na przykład przy astmie.

Bez względu na to, czy efedryna jest pochodzenia naturalnego, czy syntetycznego, jej skuteczność w pobudzaniu układu nerwowego do spalania tłuszczu jest prawdziwa, ale bezpieczeństwo zostało zakwestionowane.

Obawy badaczy wzbudzają przede wszystkim objawy spowodowane zażywaniem efedryny, takie jak potliwość, kołatanie serca, duszności, zawroty głowy.

Na dłuższa metę mogą one być niebezpieczne dla zdrowia, a nawet życia. Większość spalaczy tłuszczu dostępnych na rynku to środki o wątpliwym bezpieczeństwie.

Skutki negatywne ich stosowania przewyższają zdecydowanie ewentualne korzyści związane ze schudnięciem.

Dlaczego dieta jest konieczna, by schudnąć?

Bazując na wcześniej opisanych mechanizmach przyjmowania i magazynowania kalorii należy wysnuć wniosek, że aby przytyć, konieczna jest nadwyżka energii, którą ciało zmagazynuje w postaci tkanki tłuszczowej.

I analogicznie – aby schudnąć, należy ograniczyć sobie podać dodatkowych kalorii. Chodzi oczywiście tylko o te kalorie, których nie zużywamy w ciągu dnia na procesy metaboliczne i normalne aktywności życiowe (praca, sprzątanie, zabawa).

Istnieją proste równania, które pomagają ustalić, jakie jest nasze zapotrzebowanie energetyczne. Zredukowanie podaży kalorii do tego niezbędnego minimum to dobry krok, by po pewnym czasie obserwować zmiany w masie ciała. 

Tutaj możesz skorzystać z kalkulatora który pomoże ustalić ci ile kcal potrzebujesz do zbudowania masy mięśniowej a ile do spalenia tkanki tłuszczowej

Jak ćwiczenia wytrzymałościowe wpływają na chudnięcie?

Ćwiczenia wytrzymałościowe, to inaczej te aerobowe. Polegają one na jednolitym, umiarkowanym wysiłku trwającym dłuższy czas – to na przykład pływanie lub bieganie.

Wywołują one 7-22% wzrost objętości włókien wolnokurczliwych mięśni. Dzieje się tak poprzez lepsze dotlenienie mięśni.

Naczynia włosowate otaczają każdy mięsień, aby dostarczać mu składników odżywczych i odbierać produkty przemiany materii.

Tlen wiąże się z mioglobiną w mięśniu, a ona transportuje tlen do mitochondriów, które przekształcają go w ATP. Podczas ćwiczeń wytrzymałościowych zwiększa się liczba naczyń włosowatych z 5 do aż 15%! Oprócz tego podczas treningu aerobowego zwiększają się:

• Zawartość mioglobiny z 75 do 80%
• Mitochondria – do 35%
• Utlenianie wolnych kwasów tłuszczowych – o 30%

Połączenie zdrowej, niskokalorycznej diety z treningiem aerobowym jest najlepszym, bezpiecznym i skutecznym sposobem na utratę masy ciała. 

Czy ćwiczenia oporowe pomagają schudnąć?

W badaniach wykazano, że ćwiczenia oporowe (siłowe) pozwalają o 7% zwiększyć podstawowa przemianę materii. Inaczej mówiąc, trenując regularnie na siłowni możemy spalać więcej kalorii potrzebnych na „utrzymanie” organizmu po zakończeniu ćwiczeń. 

Jaki rodzaj ćwiczeń jest lepszy na odchudzanie?

Poprzez dietę zmniejszamy sobie zakres pracy do wykonania, ponieważ dostarczamy sobie niewiele kalorii. Skutkiem tego jest mniejsze magazynowanie się energii w tkance tłuszczowej, co z kolei sprawia, że podczas ćwiczeń będziemy spalać to, co już dawno zostało zmagazynowane, a nie to, co zjedliśmy przed chwilą. Połączenie diety z ćwiczeniami pozwala na szybsze osiągnięcie rezultatów.

Ćwiczenia aerobowe zwiększają wydajność mięśni i powodują szybsze uwalnianie energii zmagazynowanej między innymi w tkance tłuszczowej. Z kolei ćwiczenia oporowe przesuwają granicę spoczynkowej przemiany materii, przez co do spalenia ćwiczeniami pozostaje trochę mniej (ćwiczenia spalają to, co jest „powyżej PPM”). Skutecznym sposobem na odchudzanie będzie więc mądra, zbilansowana dieta redukcyjna oraz systematyczne treningi łączone, oporowo-wytrzymałościowe. Pozwolą one zrzucić nadmiar tkanki tłuszczowej i uczynią ciało sprężystym, a przy tym wyrzeźbią mięśnie.