الطاقة المصروفة لدى الإنسان في الراحة والجهد البدني

الطاقة المصروفة لدى الإنسان في الراحة والجهد البدني

ما هي أشكال الطاقة؟

تأخذ الطاقة (Energy) أشكالاً متعددة، منها الطاقة الكيميائية، والطاقة الكهربائية، والطاقة الكهرومغناطيسية، والطاقة الحرارية، والطاقة الميكانيكية، والطاقة النووية. وطبقاً لقوانين الديناميكا الحرارية، فإن الطاقة لا تفنى بل تتحول من شكل إلى آخر، فالطاقة الكيميائية على سبيل المثال يمكنها أن تتحول إلى طاقة كهربائية تخزن في البطارية التي تستخدم بدورها لإنتاج الطاقة الميكانيكية. كذلك بالنسبة للعمليات الحيوية داخل الإنسان، حيث نجد أن الطاقة الكيميائية الموجودة على هيئة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (Adenosine triphosphate) أو فوسفات الكرياتين (Creatine Phosphate) تتحول إلى طاقة ميكانيكية (على هيئة شغل ناتج عن انقباض العضلات) وأخرى حرارية (حرارة منبعثة من الجسم). بالإضافة إلى الانقباض العضلي، فإن الطاقة داخل الإنسان تستعمل لأغراض عدة، حيث تستخدم الطاقة الحرة لبناء خلايا جديدة وترميم الخلايا التالفة، كما تستخدم بغرض عمليات النقل النشط (Active transport) عبر غشاء الخلية للعديد من المواد مثل الجلوكوز والكالسيوم .

مصادر الطاقة لدى الإنسان

إن مصدر الطاقة لدى الإنسان هو الطعام المتناول، الذي يتكون بشكل رئيسي من الكربون والهيدروجين والأكسجين بالإضافة إلى النيتروجين بالنسبة للبروتينات. ومن المعلوم أن الروابط الجزيئية (Molecular bonds) في الطعام تعد ضعيفة، وبالتالي فهي لا تُوفر عند فكها إلا طاقة محدودة، لذا فإن الطاقة المخزنة في الطعام تتحلل كيميائياً داخل خلايا الجسم وتخزن على هيئة مركب غني بالطاقة يدعى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، الذي بدوره يستخدم في عمليات الأيض، ثم ينتهي به الأمر وقد تحول إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP)، الذي يعاد شحنه مرة أخرى ليصبح أدينوسين ثلاثي الفوسفات ذو الطاقة العالية.

إن الوقود المستخدم لإنتاج الطاقة في الجسم يتكون من المواد الكربوهيدراتية والدهنية، بينما يكون الدور الرئيسي للبروتينات هو بناء الخلايا وترميم التالف منها، وبالتالي فإن البروتينات لا تستخدم إلا في حالات نادرة كمصدر للطاقة وذلك عندما ينتهي المخزون من الكربوهيدرات والدهون كما في حالات المجاعة. على أن الأحماض الأمينية، التي هي المكونات الأساسية للبروتينات، يمكن أن تستخدم كمصدر للوقود أثناء الجهد البدني التحملي ولكن على نطاق محدود لا تتجاوز نسبته 5%. ويوضح الجدول رقم (1) المخزون من الطاقة في جسم الإنسان المتوسط الوزن والذي لديه نسبة طبيعية من الشحوم (15% من وزن الجسم)، ويظهر من الجدول أن مجمل الطاقة القادمة من مخزون الجسم من الكربوهيدرات لا تتجاوز 2000 كيلو سعر حراري، معظمها يأتي من جلايكوجين العضلات، بينما يصل مجموع الطاقة الممكن الحصول عليها من الشحوم المخزنة في الجسم إلى قرابة 100 ألف كيلو سعر حراري، وهي طاقة تكفي الشخص من الناحية النظرية لأن يجري 30 سباقاً للماراثون بشكل متواصل.



مقدار المخزون من الطاقة في جسم الإنسان الذي يزن 70 كجم ولديه نسبة من الشحوم تبلغ 15%. جدول رقم (1): مقدار المخزون من الطاقة في جسم الإنسان الذي يزن 70 كجم ولديه نسبة من الشحوم تبلغ 15%.

نوع الطاقة
مقدار المخزون

جرام
كيلو سعر حراري

الكربوهيدرات:

جلايكوجين الكبد


110


451

جلايكوجين العضلات
350
1435

جلوكوز في سوائل الجسم
15
62

المجموع:
475
1948

الدهون:

شحوم تحت الجلد


10500


95550

شحوم داخل العضلات
200
1820

المجموع:
10700
97370



ويُعطِي كل جرام من الدهون عند أكسدته بالكامل (أي حرقه في وجود الأكسجين) طاقة حرارية تبلغ 9.4 كيلو سعر حراري، وهي أكبر مما يعطيه جرام واحد من الكربوهيدرات (4.1 كيلو سعر حراري)، لكن الدهون في المقابل تستهلك كمية أكثر من الأكسجين عن حرقها واستخدامها كمصدر للطاقة داخل جسم الإنسان، الأمر الذي يجعل استخدام الكربوهيدرات كوقود أكثر اقتصادية من استخدام الدهون (أي أكثر توفيراً للأكسجين)، وبالتالي تعطينا طاقة حرارية أكبر من الدهون مقابل استخدام لتر واحد من الأكسجين (5.06 مقابل 4.68 كيلو سعر حراري/ لتر O2، أو 21.2 مقابل 19.6 كيلو جول/ لتر O2). أما إذا كان الوقود خليطاً من الدهون والكربوهيدرات، كما هو حاصل في معظم الأنشطة البدنية المعتدلة الشدة، فإن كل لتر من الأكسجين المستهلك يعطي 20.3 كيلو جول في الدقيقة (4.85 كيلو سعر حراري).

ويبين الجدول رقم (2) مقادير الطاقة الناتجة عن أكسدة كل من الكربوهيدرات والدهون والبروتينات، وكذلك قيم المعامل التنفسي الخلوي (Respiratory Quotient). والمعروف أن المعامل التنفسي الخلوي يساوي حاصل قسمة حجم ثاني أكسيد الكربون المنتج على حجم الأكسجين المستهلك أثناء حالة الاستقرار (Steady state)، ويتراوح من 0.7 عندما تكون الدهون هي الوقود المستخدم بنسبة 100% في عمليات التنفس الخلوي، إلى 1.0 عندما تكون الكربوهيدرات هي الوقود المستخدم 100% في عمليات التنفس الخلوي (أي في عمليات أنتاج الطاقة بواسطة النظام الهوائي). ونظراً لأن المعامل التنفسي الخلوي (Respiratory quotient) لا يأخذ في الاعتبار الطاقة القادمة من البروتين (والتي تمثل نسبة منخفضة من مجموع الطاقة الكلية في الأحوال الاعتيادية) فإنه يمكن تقدير الطاقة المصروفة (بالكيلو سعر حراري) من خلال المعامل التنفسي الخلوي غير البروتيني (None- Protein- RQ) باستخدام معادلة وير (Weir) على النحو التالي (إهمال البروتين يقود إلى خطأ لا يتجاوز 2% فقط):

= استهلاك الأكسجين (باللتر) × [3.9 + (1.1 × المعامل التنفسي الخلوي)].



الطاقة الناتجة عن أكسدة أنواع الوقود الثلاثة، وقيم المعامل التنفسي الخلوي.

الفقرة
نوع الوقود المستخدم

الكربوهيدرات
الدهون
البروتينات

الطاقة الناتجة عن أكسدة جرام واحد من الوقود (كيلو سعر حراري)
4.1
9.3
4.6

مقدار الأكسجين المستخدم عند أكسدة جرام واحد من الوقود (باللتر)
0.8
2.0
1

الطاقة الناتجة عن استخدام لتر واحد من الأكسجين (كيلو سعر حراري/لتر O2)

(كيلو جول/لتر O2)


5.06

21.18


4.68

19.59


4.6

18.75

قيمة المعامل التنفسي الخلوي (RQ)
1.00
0.70
0.82