Основной обмен как интегральный количественный показатель интенсивности метаболизма

РезюмеВеличина основного обмена (ВОО) имеет большое значение при оценке суточных энергетических потребностей и уровня физической активности человека. В статье рассматриваются факторы, влияющие на ВОО. Скорость основного обмена зависит от массы тела, роста, возраста и пола. Уравнения прогноза, полученные на основе этих показателей, покрывают около 70% вариабельности ВОО. Однако эти уравнения не учитывают влияния состава тела. ВОО тесно связана с тощей массой тела. Среди показателей состава тела тощая масса является наиболее сильным предиктором ВОО. Уравнения прогноза на основе тощей массы тела покрывают те же 70% вариабельности, что определяется возрастными и половыми различиями. В статье также обсуждается роль физической активности и характера питания как факторов, влияющих на ВОО. Сделан вывод о том, что тощая масса тела является наиболее сильным предиктором ВОО. Вариабельность жировой массы тела также может влиять на изменение величины основного обмена. К влияющим на ВОО факторам можно отнести питание и уровень физической активности.

Ключевые слова:величина основного обмена, энергетические потребности, состав тела, физическая активность, факторы питания, уравнения прогноза основного обмена веществ

Вопр. питания. 2017. Т. 86. № 5. С. 5-10. doi: 10.24411/0042-8833-2017-00069.

Энергопотребности, энергопотребление и энерготраты являются основными показателями энергообмена. Эти компоненты взаимосвязаны, взаимозависимы и являются макропараметрами энергетического обме­на. В структуре энерготрат обычно выделяют состав­ляющие компоненты: основной или базальный обмен, пищевой термогенез и затраты энергии, связанные с физической активностью [1].

Основной обмен обусловлен энергетическим обеспече­нием функционирования жизненно необходимых органов в условиях полного физического и психического покоя. Величина основного обмена [ВОО, basal metabolic rate (BMR)] является одним из наиболее значимых компонен­тов суммарных энерготрат организма. Его доля может до­ходить до 80-90% относительно суточных энерготрат [2]. ВОО является конституциональной характеристикой интенсивности метаболизма и часто используется как самостоятельная единица при определении энерготрат трудовой деятельности. В связи с этим изучение при­чин и механизмов индивидуальной вариабельности ос­новного обмена имеет первостепенное значение при разработке персонализированных рационов. Поиску основных предикторов уровня базального обмена пос­вящено много исследований, накоплено немало резуль­татов, однако до сих пор данная проблема остается актуальной [3].

Наиболее часто используемые уравнения расчета (прогноза) ВОО (BMR) учитывают только возраст, пол и основные антропометрические показатели - рост и массу тела [4-6]:

1. Оригинальное уравнение Harris-Benedict:

BMR мужчин: ккал/сут = (13,7516 х МТ) + (5,0033 х Р) - (6,7550 х В) + 66,4730;

BMR женщин: ккал/сут = (9,5634 х МТ) + (1,8496 х Р) - (4,6756 х В) + 655,0955,

где МТ - масса тела, кг; Р - рост, см; В - возраст (годы).

2. Уточненное уравнение Harris-Benedict:

BMR мужчин: ккал/сут = (13,397 х МТ) + (4,799 х Р) - (5,677 х В) + 88,362;

BMR женщин: ккал/сут = (9,247 х МТ) + (3,098 х Р) - (4,330 х В) + 447,593.

3. Уравнение обмена покоя Mifflin-St. Jeor:

BMR ккал/сут = (9,99 х МТ) + (6,25 х Р) - (4,92 х В) + s,

где s=5 для мужчин и s=161 для женщин.

Однако заключение, что эти 4 параметра (пол, возраст, рост и масса тела) определяют ВОО, было оправданно на тот период, когда для анализа были широко доступны только данные антропометрических исследований. При этом расчетные ВОО могут покрывать около 75% вариа­бельности основного обмена.

Основным недостатком уравнений прогноза, в кото­рых использованы росто-весовые показатели, было то, что они совсем не учитывали состав тела, хотя именно метаболически активные ткани, причем мышечная явля­ется основной, определяют интенсивность метаболизма и энергетические потребности организма [8].

Благодаря возможностям использования биоимпедансометрии для масштабных исследований было оп­ределено, что из показателей состава тела наиболее сильным предиктором ВОО является тощая масса тела [9]. Корреляционные исследования основного обмена выявили, что гендерные, возрастные и росто-массовые различия большей частью обусловлены именно содер­жанием тощей массы тела [10-14]:

1. Уравнение Katch-McArdle:

ВMR (ккал/сут) = 21,6 х ТМ + 370, где ТМ - тощая масса (тела), кг.

2. Уравнение Cunningham:

ВMR (ккал/сут) = 484,264 + 22,771 х ТМ.

Эти уравнения позволяют точнее определить ВОО для лиц с выраженной мышечной массой, например для атлетов.

Только один этот показатель покрывает те же 75% индивидуальной вариабельности, которую ранее учиты­вали уравнения прогноза на основе 4 влияющих факто­ров (пол, возраст, рос, масса тела).

Таким образом, удельная ВОО в пересчете на 1 кг тощей массы тела оказалась наиболее универсаль­ным показателем скорости основного обмена. Для взрослых мужчин и женщин, различающихся массой тела, ростом, возрастом, а также содержанием тощей и жировой массы тела, она была одинаковой [15]. Каж­дый килограмм прироста тощей массы тела увеличи­вает базальный обмен на 22-23 ккал. Влияние жировой массы тела на интенсивность основного обмена тоже имеется, но оно существенно ниже - около 5%.

При учете влияния состава тела все равно остается почти 25% колебаний основного обмена, причины ко­торого не выявлены и не находят убедительного объ­яснения. Среди наиболее вероятных предположений, возможно, задействованы такие факторы регуляции энергетического обмена, как генетические, гормональ­ные, связанные с индивидуальными особенностями метаболизма, циркадные ритмы и др. В данной работе мы ограничились анализом возможностей влияния фи­зической активности и факторов питания на ВОО.

Влияние физической активности на величину основного обмена

Доля энерготрат физической нагрузки зависит от об­раза жизни и составляет от 10%, характерных для ма­лоподвижного, сидячего образа жизни, до 60% у лиц, регулярно занимающихся интенсивной физической де­ятельностью [16, 17]. К ним относятся высококвалифи­цированные спортсмены и лица, чьи профессии связаны с тяжелым немеханизированным физическим трудом.

Физическая активность является одним из действенных факторов, определяющих интенсивность энергетичес­кого обмена и основного обмена в том числе. Физическая активность отличается повышенными энерготратами не только вследствие выполнения энергозатратных трудо­вых операций, но и как следствие более высокого основ­ного обмена у физически развитых людей [18]. В резуль­тате физической тренировки ВОО становится выше - это цена дополнительных физических возможностей [19], причем различные виды физической нагрузки обладают разной модулирующей способностью [20].

Физически активная деятельность может изменять по­казатель основного обмена как количественно, так и качественно по соотношению субстратов энергетического окисления (углеводов, жиров и, в крайнем случае, белков) [21-23]. При этом важную роль играют длительность и ин­тенсивность физических нагрузок. Режим сна и бодрство­вания как факторы, взаимосвязанные с суточной актив­ностью, также могут оказывать влияние на ВОО [24-27].

Особенно демонстративно это влияние проявляется, когда речь идет о спортивных тренировках. Тогда повы­шение уровня основного обмена обусловлено главным образом изменением состава тела. Для спортсменов силовых видов спорта с более выраженной мышечной массой и пониженной жировой массой тела уравнения прогноза ВОО на основе росто-весовых и половозрастных параметров дают заниженные значения. Более точ­ный прогноз для них обеспечивают уравнения прогноза базального обмена на основе тощей массы тела [28-30]. Применение уравнений прогноза ВОО на основе тощей массы тела для людей с низким уровнем физической активности, наоборот, дает завышенные значения.

Величина основного обмена позволяет не только про­водить отбор перспективных спортсменов, но и отсле­живать эффективность тренировок в динамике.

Обращает на себя внимание тот факт, что доля энер­готрат за счет мышечной массы тела невелика и со­ставляет около 13 ккал/кг [31, 32]. В покое активность скелетных мышц ниже, чем вклад печени, мозга, почек и сердца, хотя и выше активности жировой ткани [33]. В связи с этим причиной интенсификации основного обмена у спортсменов является не столько прирост мы­шечной массы, сколько всей системы органов и тканей, формирующих активную клеточную массу и задейство­ванных в адаптации к высоким физическим нагрузкам.

Более того, функциональная активность сердца, лег­ких, печени, почек и других органов в ходе тренировки переходит на новый адаптационный уровень, позволя­ющий более успешно справиться с высокими физичес­кими нагрузками. В зависимости от вида спорта удель­ная активность тощей массы тела при этом может даже увеличиваться. В целом можно считать, что высокая скорость основного обмена у тренированных спортсме­нов - это плата за силу и выносливость, в основе кото­рой лежит функциональная и физическая готовность к интенсивным физическим нагрузкам.

Влияние питания на величину основного обмена

Режим и характер питания оказывает влияние на ВОО. Ограничение в пище, например, в случае соблю­дения религиозного поста, приводит к снижению ин­тенсивности обмена веществ, в том числе базального обмена [34].

Смена характера питания с жирового на углеводный активизирует окисление жиров [35], что особенно ярко проявляется у спортсменов.

Однако влияние пищевых факторов касается главным образом соотношения энергетического использования жиров, белков и углеводов и в меньшей степени - ин­тенсивности базального обмена [36]. Это понятно, по­скольку фактическое питание и сложившиеся пищевые традиции могут отражаться на соотношении макронутриентов и, соответственно, субстратов энергетического окисления. Но энергетическая стоимость основного обмена является более устойчивым показателем, так как не зависит от того, какие резервы энергии для этого обеспечения используются.

Изменение интенсивности базального обмена может иметь место при изменении метаболической активности органов и тканей, участвующих в поддержании жиз­ненно важных функций организма [8]. Результатом стра­тегии нутритивной поддержки тренировки силы и выносливости чаще всего является как раз переориентация метаболических ресурсов организма [37]. Например, включение в рацион спортивного питания аминокислот с разветвленной цепью позволяет снизить нагрузку на печень, так как их катаболизм осуществляется преиму­щественно в мышцах и почках [38].

Таким образом, среди множества факторов, опреде­ляющих ВОО, наиболее сильным предиктором является тощая масса тела. Жировая масса тела тоже оказывает влияние на основной обмен, но в меньшей степени. К основным влияющим факторам можно отнести уро­вень физической активности и характер питания.

Литература

1. Pinheiro Volp A.C., Esteves de Oliveira F.C., Duarte Moreira Alves R., Esteves E.A., Bressan J. Energy expenditure: compo­nents and evaluation methods // Nutr. Hosp. 2011. Vol. 26, N 3. P. 430-440.

2. Blasco Redondo R. Resting energy expenditure; assessment meth­ods and applications // Nutr. Hosp. 2015. Vol. 31, N 3. P. 245-254.

3. Sarafian D., Miles-Chan J.L., Yepuri G., Montani J.P., Schutz Y., Dulloo A.G. A standardized approach to study human variability in isometric thermogenesis during low-intensity physical activity // Front Physiol. 2013. Vol. 4. P. 155.

4. Harris J.A., Benedict F.G. A biometric study of basal metabolism in man. Washington, DC, USA: Carnegie Institute of Washington, 1919. Publication No. 279.

5. Roza A.M., Shizgal H.M. The Harris Benedict equation reevaluated: resting energy requirements and the body cell mass // Am. J. Clin. Nutr. 1984. Vol. 40. P. 168-182.

6. Mifflin M.D., St Jeor S.T., Hill L.A., Scott B.J., Daugherty S.A., Koh Y.O. A new predictive equation for resting energy expenditure in healthy individuals // Am. J. Clin. Nutr. 1990. Vol. 51. P. 241-247.

7. Frankenfield D., Roth-Yousey L., Compher Ch. Comparison of pre­dictive equations for resting metabolic rate in healthy nonobese and obese adults: a systematic review // J. Am. Diet. Assoc. 2005. Vol. 105, N 5. P. 775-789.

8. Muller M.J., Wang Z., Heymsfield S.B., Schautz B., Bosy-Westphal A. Advances in the understanding of specific metabolic rates of major organs and tissues in humans // Curr. Opin Clin. Nutr. Metab. Care. 2013. Vol. 16, N 5. P. 501-508.

9. Соколов А.И., Сото С.Х., Тарасова И.Б., Рахмонов Р.С., Ва­сильев А.В. Состав тела и энергообмен в покое // Вопр. питания. 2012. Т. 81. № 2. С. 12-17.

10. Halliday D., Hesp R., Stalley S.F., Warwick P., Altman D.G., Garrow J.S. Resting metabolic rate, weight, surface area and body com­position in obese women // Int. J. Obes. 1979. Vol. 3. P. 1-6.

11. Ravussin E., Burnand B., Schutz Y., Jequier E. Twenty-four-hour energy expenditure and resting metabolic rate in obese, moderately obese, and control subjects // Am. J. Clin. Nutr. 1982. Vol. 35. P. 566-573.

12. Ravussin E., Lillioja S., Anderson T.E., Christin L., Bogardus C. Determinants of 24-hour energy expenditure in man. Methods and results using a respiratory chamber // J. Clin. Invest. 1986. Vol. 78. P. 1568-1578.

13. Schwartz A., Kuk J.L., Lamothe G., Doucet E. Greater than predicted decrease in resting energy expenditure and weight loss: results from a systematic review // Obesity (Silver Spring, MD). 2012. Vol. 20. P. 2307-2310.

14. Psota T., Chen K.Y. Measuring energy expenditure in clinical popu­lations: rewards and challenges // Eur. J. Clin. Nutr. 2013. Vol. 67, N 5. P. 436-442.

15. Johnstone A.M., Murison S.D., Duncan J.S., Rance K.A., Speakman J.R. Factors influencing variation in basal metabolic rate include fat-free mass, fat mass, age, and circulating thyroxine but not sex, circulating leptin, or triiodothyronine // Am. J. Clin. Nutr. 2005. Vol. 82, N 5. P. 941-948.

16. Segal K.R., Pi-Sunyer F.X. Exercise and obesity // Med. Clin. North Am. 1989. Vol. 73. P. 217-36.

17. Levine J.A. Measurement of energy expenditure // Public Health Nutr. 2005. Vol. 8. P. 1123-1132.

18. Sjodin A.M., Forslund A.H., Westerterp K.R., Andersson A.B., Forslund J.M., Hambraeus L.M. The influence of physical activity on BMR // Med. Sci Sports Exerc. 1996. Vol. 28, N 1. P. 85-91.

19. Speakman J.R., Westerterp K.R. Associations between energy demands, physical activity, and body composition in adult humans between 18 and 96 y of age // Am. J. Clin. Nutr. 2010. Vol. 92, N 4. P. 826-834.

20. Koshimizu T., Matsushima Y., Yokota Y., Yanagisawa K., Nagai S., Okamura K. et al. Basal metabolic rate and body composition of elite Japanese male athletes // J. Med. Invest. 2012. Vol. 59, N 3-4. P. 253-260.

21. Henderson G.C. Sexual dimorphism in the effects of exercise on metabolism of lipids to support resting metabolism // Front Endocri­nol. (Lausanne). 2014. Vol. 5. P. 162.

22. Magkos F., Patterson B.W., Mohammed B.S., Mittendorfer B. A single 1-h bout of evening exercise increases basal FFA flux without affecting VLDL-triglyceride and VLDL-apolipoprotein B-100 kinetics in untrained lean men // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2007. Vol. 292, N 6. P. E1568- E1574.

23. Magkos F., Wright D.C., Patterson B.W., Mohammed B.S., Mittendorfer B. Lipid metabolism response to a single, prolonged bout of endurance exercise in healthy young men // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2006. Vol. 290, N 2. P. E355- E362.

24. Bayon V., Leger D., Gomez-Merino D., Vecchierini M.F., Chennaoui M. Sleep debt and obesity // Ann. Med. 2014. Vol. 46, N 5. P. 264-272.

25. Shechter A., Rising R., Wolfe S., Albu J.B., St-Onge M.P. Postpran­dial thermogenesis and substrate oxidation are unaffected by sleep restriction // Int. J. Obes. (Lond). 2014. Vol. 38, N 9. P. 1153-1158.

26. St-Onge M.P. The role of sleep duration in the regulation of energy balance: effects on energy intakes and expenditure // J. Clin. Sleep Med. 2013. Vol. 9, N 1. P. 73-80.

27. Calvin A.D., Carter R.E., Adachi T., Macedo P.G., Albuquerque F.N., van der Walt C. et al. Effects of experimental sleep restriction on caloric intake and activity energy expenditure // Chest. 2013. Vol. 144, N 1. P. 79-86.

28. McArdle W. Essentials of Exercise Physiology. Baltimore: Lippincott Williams and Wilkins, 2006. 266 p.

29. Cunningham J.J. Body composition as a determinant of energy expenditure: a synthetic review and a proposed general prediction equation // Am. J. Clin. Nutr. 1991. Vol. 54. P. 963-969.

30. Wang Z., Heshka S., Gallagher D., Boozer C.N., Kotler D.P., Heymsfield S.B. Resting energy expenditure-fat-free mass relationship: new insights provided by body composition modeling // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2000. Vol. 279. P. E539-E545.

31. Campbell W., Crim M., Young V., Evans W. Increased energy require­ments and changes in body composition with resistance training in older adults // Am. J. Clin. Nutr. 1994. Vol. 60, N 2. P. 167-175.

32. Pratley R., Nicklas B., Rubin M., Miller J., Smith A., Smith M., et al. Strength training increases resting metabolic rate and norepinephrine levels in healthy 50 to 65-year-old men // J. Appl. Physiol. 1994. Vol. 76, N 1. P. 133-137.

33. Durnin J.V.G.A. Basal metabolic rate in man. In: Report to FAO/ WHO/ UNU. Rome: FAO, 1981.

34. Trepanowski J.F., Canale R.E., Marshall K.E., Kabir M.M., Bloomer R.J. Impact of caloric and dietary restriction regimens on markers of health and longevity in humans and animals: a summary of avail­able findings // Nutr. J. 2011. Vol. 10. P. 107.

35. Yeo W.K., Carey A.L., Burke L., Spriet L.L., Hawley J.A. Fat adapta­tion in well-trained athletes: effects on cell metabolism // Appl. Physiol. Nutr. Metab. 2011. Vol. 36, N 1. P. 12-22.

36. Mikulova-Braunerova R., Hainer V., Kunesova M., Parizkova J., Slaba S., Wagenknecht M. Influence of vitamin A consumption on resting metabolic rate and fasting respiratory quotient in severely obese subjects // Med. Princ. Pract. 2003. Vol. 12, N 3. P. 189-192.

37. Hawley J.A., Leckey J.J. Carbohydrate dependence during pro­longed, intense endurance exercise // Sports Med. 2015. Vol. 45, N 1. P. S5-S12.

38. Moore D.R. Keeping older muscle "young" through dietary protein and physical activity // Adv. Nutr. 2014. Vol. 5, N 5. P. 599S-607S.