CPM — całkowita przemiana materii. Co na nią wpływa i jak ją obliczyć?

Na to ile kilokalorii możemy dostarczyć z pożywieniem, aby zachować zrównoważony bilans energii, wpływa wiele czynników. Równowaga pomiędzy ilością energii, przyjmowanej z pożywieniem i wykorzystywanej przez ciało, jest podstawą rozwoju fizycznego oraz zdrowia. Całkowita przemiana materii oznacza całodobowe wydatki energetyczne człowieka. Składa się na nią przede wszystkim podstawowa przemiana materii (PPM). Jest to najniższy poziom przemian energetycznych. Poprzez pokrycie PPM dostarczamy do organizmu energii niezbędnej do zachowania podstawowych funkcji życiowych. Dodatkowo na całkowitą przemianę materii wpływa podejmowana aktywność fizyczna oraz termogeneza poposiłkowa. Efekt ten oznacza okresowy wzrost natężenia przemiany materii i wydatków energetycznych ustroju po spożyciu pożywienia. Związany jest on głównie z trawieniem, wchłanianiem i transportem składników odżywczych. 

Made by TotalShape

Spis treści:

1. Jak obliczyć CPM?
2. Składowe CPM
3. Metody oznaczania wydatku energetycznego
4. Wpływ czynników osobniczych
   1. Dzieci i młodzież
   2. Kobiety
   3. Osoby starsze
   4. Choroby
5. Wpływ zmiany masy ciała i odchudzanie
6. Podsumowanie

Jak obliczyć CPM?

Do obliczania całkowitej oraz podstawowej przemiany materii na potrzeby codzienne używa się opracowanych wzorów. Jednym z nich jest wzór Mifflina-St Jeor  i prezentuje się następująco:

PPM

PPM dla kobiet:

PPM=(9,99xW)+(6,25xH)-(4,92xA)-161 [kcal/dzień/osobę]

Dla mężczyzn:

PPM=(9,99xW)+(6,25xH)-(4,92xA)+5 [kcal/dzień/osobę], gdzie:

W – rzeczywista masa ciała [kg]

H – wysokość ciała [cm]

A – wiek [lata]

PAL i CPM

Używając powyższego wzoru, jesteśmy w stanie obliczyć podstawowe wydatki energetyczne naszego organizmu. W celu ustalenia całkowitej przemiany materii uzyskaną wartość należy pomnożyć przez współczynnik aktywności fizycznej (PAL). Oceniamy go w odniesieniu do ilości ruchu w ciągu dnia i przyjmuje on następujące wartości:

• 1,4 – 1,69 – w przypadku małej aktywności fizycznej
• 1,7-1,99 – umiarkowana aktywność fizyczna
• >2,0 – duża aktywność fizyczna.

Możemy również skorzystać z internetowych kalkulatorów całkowitej przemiany materii. Oparte są one na wzorze Mifflina-ST Jeor lub innych, które zostały opracowane w tym celu. Z pomocą mogą przyjść nam również aplikacje na telefon.

Na podstawie wypełnionego kwestionariusza oceniają one naszą aktywność fizyczną i obliczają CPM. W wyszukiwarkę internetową wystarczy wpisać frazę „kalkulator przemiany materii” i ukażą nam się dostępne opcje. Najlepiej porównać wyniki z kilku kalkulatorów. Pamiętać należy jednak, że na nasze potrzeby energetyczne wpływa wiele czynników. Wyliczenia przy użyciu kalkulatorów internetowych są orientacyjne.

Spotkać możemy się również z zegarkami sportowymi, które określają nasze zapotrzebowanie energetyczne. Opierają one swoje dane o ilość spalonych kalorii, wyliczonych na podstawie tętna. Pamiętać jednak należy, że takie zegarki nie są w stanie dokładnie określić naszych wydatków energetycznych. Również pomiary tętna dokonane przy ich pomocy mogą być nieprecyzyjne. Metoda oceny zapotrzebowania energetycznego na podstawie monitorowania tętna cechuje się niestety błędem w ocenie. Odchylenie od faktycznych wydatków energetycznych może wynosić nawet ponad 200 kilokalorii. [6]

Składowe CPM

Całkowita przemiana materii (CPM) to całodobowy wydatek energetyczny człowieka związany z jego normalnym funkcjonowaniem w środowisku i pracą zawodową. Po angielsku określana jest jako Total Energy Expenditure (TEE) [9]. Na jej poziom wpływają trzy główne komponenty:

• podstawowa przemiana materii (PPM). W literaturze anglojęzycznej określana jest jako BMR-Basal Metabolic Rate lub BEE – Basal Energy Expenditure.
• termogeneza poposiłkowa. Jest to efekt pojawiający się w organizmie po przyjęciu pożywienia. Oznacza okresowy wzrost natężenia przemiany materii i wydatków energetycznych ustroju. Związany jest głównie z trawieniem, wchłanianiem i transportem składników odżywczych. 
• aktywność fizyczna (ang. PA – Physical Activity). 

PPM

Podstawowa przemiana materii to minimalna ilość energii, którą musimy dostarczyć z pożywieniem. Warunkuje ona utrzymanie funkcji witalnych, określana jest również jako energia na podtrzymanie życia. PPM to najniższy poziom przemian energetycznych. Dostarczający energii niezbędnej dla podstawowych funkcji fizjologicznych. BMR obejmuje nawet od 60 do 70% całkowitej przemiany materii u osób prowadzących siedzący tryb życia. U osób aktywnych fizycznie stanowi ona około 50% całkowitego zapotrzebowania energetycznego. Wpływa na nią wiele czynników, takich jak: pochodzenie etniczne, waga, beztłuszczowa masa ciała, wiek czy płeć. [9]

Termogeneza poposiłkowa

Termogeneza poposiłkowa jest również określana, jako termiczny efekt pożywienia. „Thermic Effect of Food” (TEF) to jej angielskie określenie. Spotkać można również nazwę „diet-induced thermogenesis” (DIT). Jest to energia niezbędna do trawienia pokarmu, absorpcji składników pokarmowych oraz ich magazynowania po spożyciu posiłku.

Termogeneza poposiłkowa jest zależna od ilości i składu przyjętego pokarmu. Spożycie białek zwiększa przemianę materii o około 25% dostarczonej energii netto. W przypadku tłuszczów jest to 5-10%, a węglowodanów około 6%. Przyjmuje się, że wydatki energetyczne związane z ciepłotwórczym działaniem pożywienia stanowią średnio 10% podstawowej przemiany materii. [9]

Aktywność fizyczna

Aktywność fizyczna, w odniesieniu do całkowitej przemiany materii, określana jest jako współczynnik aktywności fizycznej. Jego angielska nazwa to „Physical Activity Level” w skrócie PAL. Jest to krotność PPM, określająca całkowite wydatki energetyczne organizmu. Wartość ta reprezentuje termiczny efekt ruchu, ćwiczeń. U osób aktywnych wydatki energetyczne związane z treningiem mogą stanowić nawet dwukrotność PPM. Natomiast u osób prowadzących siedzący tryb życia może ona reprezentować mniej niż połowę PPM.  [9]

Metody oznaczania natężenia przemiany materii i wydatków energetycznych organizmu

Całkowita przemiana materii jest wartością zależną od wielu czynników. Wpływa na nią między innymi płeć, wiek, stan fizjologiczny czy poziom aktywności fizycznej. W celu badań nad wydatkami energetycznymi organizmu stosuje się następujące metody:

• kalorymetria pośrednia,
• kalorymetria bezpośrednia,
• metody niekalorymetryczne.

Kalorymetria bezpośrednia

Kalorymetria bezpośrednia to metoda, której podstawą jest założenie, że cała energia wykorzystywana przez organizm, jest ostatecznie zamieniana na ciepło. Oznaczenie polega na bezpośrednim pomiarze ilości ciepła wytwarzanego przez organizm w jednostce czasu. Łącznie z ciepłem zużytym na wyparowanie wody z płuc i skóry.

Do przeprowadzenia oznaczenia wykorzystuje się specjalne komory kalorymetryczne. Wyposażone są one w podstawowe meble, toaletę, a także przyrządy do ćwiczeń fizycznych. Jest to metoda o prostych zasadach, jednak nie jest często stosowana. Ma to związek z dużymi kosztami oraz trudną interpretacją pomiarów. Podczas odczytu wyników należy uwzględnić ciepło wytwarzane przez elementy wyposażenia oraz ciepło potraw dostarczanych badanemu. Pomiary prowadzone metodą kalorymetrii bezpośredniej są bardzo dokładne. Wymagają one jednak, by badana osoba przed i po badaniu była w takim samym stanie termicznym. Wykorzystywana jest do pomiaru całkowitej przemiany materii. [9]

Kalorymetria pośrednia

Kalorymetria pośrednia jest wykorzystywana do pomiarów zarówno całkowitej, jak i podstawowej przemiany materii. Zasada tej metody opiera się na tym, że energia wykorzystywana przez organizm uzyskiwana jest w wyniku utleniania składników odżywczych. Proces ten wiążę się ze zużyciem tlenu i wydzieleniem dwutlenku węgla, w ilościach proporcjonalnych do wydatkowanej energii. Stosunek objętości wydzielanego CO2 do objętości zużytego O2 w procesie spalania określa się mianem współczynnika oddechowego. Wartość tego współczynnika jest zależna od spalanego substratu.

Pomiar wydatku energetycznego tą metodą polega na respiracyjnym oznaczeniu. Mierzy się objętość zużytego tlenu i wydzielonego dwutlenku węgla w jednostce czasu. Na podstawie zmierzonych parametrów respiracyjnych oblicza się ilość wydatkowanej energii. Wykorzystuje się w tym celu specjalnie opracowane równania. Na przykład równanie zaproponowane przez Elie i Libseya:

Wydatek energetyczny = 15,91*VO2 [dm3/min] +52,07*VCO2 [dm3/min] – 4,646*N2 wydalony [g/min]. 

Ilość wydalonego azotu mierzy się poprzez badanie moczu wydalonego w czasie trwania pomiaru. Metoda ta jest prosta, dokładna oraz precyzyjna. Wymaga jednak złożonych obliczeń oraz jest dość kosztowna. Do jej przeprowadzenia potrzeba specjalnych aparatów — respirometrów. [9]

Monitorowanie tętna

Do metod niekalorymetrycznych zaliczamy: monitorowanie tętna oraz metodę podwójnie znakowanej wody. 

Wzrost natężenia przemiany materii wymaga zwiększonego zaopatrzenia komórki w tlen i substraty energetyczne. Dlatego wraz ze wzrostem aktywności fizycznej wzrasta częstość akcji serca lub tętno. Liniowo związany jest z tym przyrost zużycia tlenu. Monitorowanie tętna pozwala pośrednio określić pobór tlenu i obliczyć na tej podstawie wydatek energetyczny. W celu określenia całkowitej przemiany materii należy przeprowadzać pomiar tętna z odpowiednio dużą częstotliwością. Na przykład co jedną minutę. Zdecydowaną zaletą tej metody jest możliwość stosowania bez znacznej ingerencji w życie codzienne. Jest ona jednak mało dokładna, błąd oszacowania może wynosić nawet 239 kcal. [9]

Metoda podwójnie znakowanej wody

W metodzie podwójnie znakowanej wody badana osoba przyjmuje doustnie określoną dawkę wody. Zawiera ona trwałe izotopy wodoru i tlenu, 2H i 18O. Deuter (2H) oraz izotop tlenu po kilku godzinach mieszają się z wodą ustrojową. Wydatkowi energetycznemu organizmu towarzyszy wydzielanie dwutlenku węgla i wody. Powstają one w wyniku przemian katabolicznych. Tlen wydalany jest z organizmu zarówno z CO2, jak i wodą w moczu czy pocie. W związku z tym 18O jest szybciej usuwany z ustroju niż 2H, który znajdziemy tylko w wodzie.

Dzięki różnicy w zaniku obu izotopów w organizmie określa się ilość wydzielonego dwutlenku węgla. To z kolei jest podstawą do obliczenia wydatku energetycznego organizmu. Pomiaru dokonuje się najczęściej za pomocą wydalonego moczu, z wykorzystaniem spektometru masowego. U dzieci badanie prowadzi się przez 6-7 dni, u osób dorosłych 12-14, a u ludzi starszych 18-21 dni. Zaletą tej metody jest brak konieczności zmian w trybie życia badanego. Jest to jednak metoda bardzo kosztowna oraz czasochłonna. [9]

Wpływ czynników osobniczych na CPM

Na całkowitą przemianę materii ma wpływ wiele czynników. Badanie Weyer’a i in. Z 1999 [11] zostało przeprowadzone na 916 wolontariuszach. Była to bardzo zróżnicowana grupa. Składała się zarówno z mężczyzn, jak i kobiet, osób z prawidłową oraz zaburzoną gospodarką węglowodanową, o różnym pochodzeniu etnicznym. Opierało się ono na 24-godzinnym pomiarze w izolowanej komorze. Badanie to wykazało, że beztłuszczowa masa ciała, masa tkanki tłuszczowej, wiek, rozłożenie tkanki tłuszczowej w ciele oraz pochodzenie etniczne miały znaczący wpływ na CPM. Naukowcy doszli jednak do wniosku, że nie są to jedyne determinanty. Przemiana materii nawet u osób zbliżonych w każdym z tych parametrów była inna. Cechuje nas zmienność wydatków energetycznych, za którą odpowiedzialna może być nasza genetyka. Jest to zagadnienie, które zasługuje na dodatkowe badania, w celu odkrycia elementu, który determinuje to zróżnicowanie.

Dzieci i młodzież

Bitar i in. W 1999 [1] roku przeprowadzili badanie na grupie 83 nastolatków. Miało ono za zadanie określenie czy stadium dojrzewania ma wpływ na całkowitą przemianę materii. Badanie opierało się na kalorymetrii pośredniej. Uczestnicy zostali poddani 24-godzinnemu pomiarowi. W trakcie badania nastolatkowie musieli czterokrotnie wykonać 15-minutowy cykl ćwiczeń. Pomiary wykazały, że płeć, pora roku oraz kompozycja ciała miały znaczący wpływ na całkowitą przemianę materii. Znaczenia nie miały natomiast stadium dojrzewania oraz masa tkanki tłuszczowej. Warto jednak podkreślić, że u dzieci oraz młodzieży mamy do czynienia ze zwiększonymi wydatkami energetycznymi. Ma to związek ze wzrostem i rozwojem tkanek organizmu.

Całkowita przemiana materii u kobiet

Na całkowitą przemianę materii u kobiet dodatkowy wpływ wywiera cykl miesiączkowy [3]. Wykazano, że w fazie lutealnej cyklu dochodzi do wzrostu wydatków energetycznych organizmu kobiety. Faza lutealna to okres cyklu, w którym dochodzi do wytworzenia ciałka żółtego. Jest ona ostatnią fazą cyklu i trwa średnio 14 dni. Komórki organizmu kobiety gromadzą wtedy składniki odżywcze. Ma to na celu zapewnienie odpowiedniego odżywienia komórce jajowej po zapłodnieniu. Przekłada się to na wzrost zapotrzebowania energetycznego. Jest to zdecydowanie zagadnienie warte dodatkowego zgłębienia. Być może w przyszłości będziemy mieli do czynienia z dopasowaniem diety do cyklu miesiączkowego. Obecnie ocenia się, że wydatek energetyczny związany z miesiączką to dodatkowo około 200 kcal dziennie.

Również ciąża zwiększa całkowitą przemianę materii u kobiet. Nieprawidłowe jest jednak stwierdzenie, że w ciąży należy jeść za dwoje. Bardziej trafne jest powiedzenie „jeść DLA dwojga”. Ocenia się, że cała ciąża to wydatek energetyczny rzędu 75 tysięcy kilokalorii [2]. Normy żywienia dla populacji Polski z 2020 roku zalecają spożywanie:

• w pierwszym trymestrze dodatkowych 85 kcal/dzień.
• w drugim trymestrze dodatkowych 285 kcal/dzień.
• w trzecim trymestrze dodatkowych 475 kcal/dzień.

W okresie karmienia piersią zaleca się spożywanie dodatkowych 505 kilokalorii dziennie, w przypadku posiadania jednego dziecka. [8]

Osoby starsze

Wraz z wiekiem człowiek zmaga się z coraz większą liczbą chorób. Wpływa to na gospodarkę energetyczną organizmu oraz aktywność fizyczną. Osoby starsze zdecydowanie rzadziej ćwiczą.

Analiza 568 badań z wykorzystaniem metody podwójnego znakowania wody wykazała obniżenie CPM u osób starszych [4]. Dotyczyło to zarówno kobiet, jak i mężczyzn. Podkreślić należy, że analizy prowadzono na osobach zdrowych.

Zmniejszona aktywność fizyczna, zmiany w gospodarce energetycznej organizmu związane z chorobami prowadzą do obniżenia CPM. Osoby starsze mają niższe potrzeby energetyczne. W celu niedopuszczenia do nadmiernej masy ciała u ludzi powyżej 60. roku życia warto zwracać uwagę na wymienione czynniki. Jeśli mamy do czynienia z osobami starszymi w rodzinie warto przypominać im o aktywności fizycznej. Powinniśmy też dawać im wskazówki dotyczące bilansowania posiłków. Osoby starsze niestety niechętnie spożywają warzywa czy owoce, ich dieta często jest monotonna.

CPM a choroby

Choroby również odciskają swoje piętno na całkowitej przemianie materii [5]. Sugeruje się zwiększenie wydatków energetycznych organizmu w tym czasie. Ma to związek ze zwalczaniem stanu zapalnego.

Pamiętać należy jednak, że w czasie choroby rzadziej podejmujemy aktywność fizyczną. Ruch może odpowiadać nawet za ponad połowę całkowitych wydatków energetycznych organizmu. W związku z tym najnowsze badania sugerują jednak zmniejszenie całkowitej przemiany materii w trakcie choroby. Z pewnością jest to zagadnienie, które zasługuje na kolejne badania. Również w odniesieniu do różnorakich chorób. Potrzeby energetyczne organizmu mogą być zmienne w zależności od diagnozy.

Dzięki pracom badawczym dietetycy kliniczni mogliby szczegółowo dopasować sposób żywienia pacjenta do planu leczenia.

Wpływ zmiany masy ciała na całkowitą przemianę materii

Badania wykazują znaczący wpływ beztłuszczowej masy ciała na całkowitą przemianę materii [12]. U osób na ujemnym bilansie energetycznym mamy do czynienia ze zmianami w tym zakresie. Jeśli dieta redukcyjna pacjentów jest prowadzona w nieodpowiedni sposób, może dojść do adaptacji metabolicznych. Również  może dojść do obniżenia szybkości przebiegu przemian metabolicznych [10].

Podczas układania diety redukcyjnej należy pamiętać o powolnym wprowadzaniu deficytu. Założenia spadku masy ciała o 0,5 do 1 kilograma tygodniowo. Zbyt restrykcyjna dieta doprowadza między innymi do zaniku miesiączki u kobiet. Ma to związek z niemożnością organizmu do spełniania funkcji reprodukcyjnej. Najgroźniejsze wprowadzenie jest diet o kaloryczności niższej niż podstawowa przemiana materii. W takiej sytuacji nasze komórki nie są zaopatrzone w energię do funkcjonowania.

Wraz z utratą masy ciała zmienia się również zapotrzebowanie naszego organizmu na energię. Jest to spowodowane zależnością całkowitej oraz podstawowej przemiany materii od wagi danej osoby. Po przeprowadzonej redukcji masy ciała należy pamiętać o wyliczeniu nowego zapotrzebowania energetycznego. Dzięki temu unikniemy przybierania na wadze po zakończonej diecie redukcyjnej.

Ważne jest również wprowadzenie trwałych zmian. W sytuacji, gdy nadmierna masa ciała wynikała z nieprawidłowych nawyków żywieniowych, potrzeba drobnych kroków. Małe zmiany, które będą utrwalone, doprowadzą do ich zmiany. Dzięki temu zwiększymy szanse pacjenta na utrzymanie niższej masy ciała. 

Podsumowanie

Całkowita przemiana materii to suma wszystkich wydatków energetycznych organizmu człowieka. Związana jest ona z jego normalnym funkcjonowaniem w środowisku. Na całościowy wydatek energetyczny składa się podstawowa przemiana materii, aktywność fizyczna oraz termogeneza poposiłkowa. Na CPM wpływa bardzo wiele czynników, między innymi płeć, wiek, stan fizjologiczny, pochodzenie etniczne.

Jak dowodzą badania, przemiana materii każdego z nas jest inna. Ma to związek z naszą genetyką. Podczas ustalania diet redukcyjnych warto pamiętać o powolnym wprowadzaniu deficytu. Zbyt duże restrykcje mogą prowadzić do spowolnienia metabolizmu. Całkowitą przemianę materii możemy obliczyć samodzielnie za pomocą specjalnie opracowanych w tym celu wzorów, kalkulatorów internetowych lub aplikacji na telefon. Warto jednak pamiętać, że wyliczenia te nie są tak dokładne, jak specjalne metody pomiarowe. W związku z tym warto porównać wyniki z kilku wyliczeń.

Bibliografia: 

1. Bitar A., Fellmann N., Vernet J., Coudert J., Vermorel M., Variations and determinants of energy expenditure as measured by whole-body indirect calorimetry during puberty and adolescence, The American Journal of Clinical Nutrition, Volume 69, Issue 6, June 1999, Pages 1209–1216, https://doi.org/10.1093/ajcn/69.6.1209
2. Butte, Nancy & King, Janet. (2005). Energy requirements during pregnancy and lactation. Public health nutrition. 8. 1010-27. 10.1079/PHN2005793. 
3. Davidsen, L., Vistisen, B. & Astrup, A. Impact of the menstrual cycle on determinants of energy balance: a putative role in weight loss attempts. Int J Obes 31, 1777–1785 (2007). https://doi.org/10.1038/sj.ijo.0803699
4. Elia, M., Ritz, P. & Stubbs, R. Total energy expenditure in the elderly. Eur J Clin Nutr 54, S92–S103 (2000). https://doi.org/10.1038/sj.ejcn.1601030
5. Gibney, E. (2000). Energy expenditure in disease: Time to revisit? Proceedings of the Nutrition Society, 59(2), 199-207. doi:10.1017/S0029665100000227
6. Levine JA. Measurement of energy expenditure. Public Health Nutr. 2005 Oct;8(7A):1123-32. doi: 10.1079/phn2005800. PMID: 16277824.
7. Müller MJ, Enderle J, Bosy-Westphal A. Changes in Energy Expenditure with Weight Gain and Weight Loss in Humans. Curr Obes Rep. 2016 Dec;5(4):413-423. doi: 10.1007/s13679-016-0237-4. PMID: 27739007; PMCID: PMC5097076.
8. Normy żywienia dla populacji Polski i ich zastosowanie 2020 pod redakcją Mirosława Jarosza, Ewy Rychlik, Katarzyny Stoś, Jadwigi Charzewskiej
9. Pinheiro Volp AC, Esteves de Oliveira FC, Duarte Moreira Alves R, Esteves EA, Bressan J. Energy expenditure: components and evaluation methods. Nutr Hosp. 2011 May-Jun;26(3):430-40. doi: 10.1590/S0212-16112011000300002. PMID: 21892558.
10. Silva AM, Júdice PB, Carraça EV, King N, Teixeira PJ, Sardinha LB. What is the effect of diet and/or exercise interventions on behavioural compensation in non-exercise physical activity and related energy expenditure of free-living adults? A systematic review. Br J Nutr. 2018 Jun;119(12):1327-1345. doi: 10.1017/S000711451800096X. PMID: 29845903.
11. Westerterp, K. Control of energy expenditure in humans. Eur J Clin Nutr 71, 340–344 (2017). https://doi.org/10.1038/ejcn.2016.237
12. Weyer, C., Snitker, S., Rising, R. et al. Determinants of energy expenditure and fuel utilization in man: effects of body composition, age, sex, ethnicity and glucose tolerance in 916 subjects. Int J Obes 23, 715–722 (1999). https://doi.org/10.1038/sj.ijo.0800910