MEASURING ENERGY EXPENDITURE

Viver pode ser considerado como um processo de combustão. O metabolismo de um organismo requer a produção de energia pela combustão de combustível na forma de carboidratos, proteínas, gorduras ou álcool. Neste processo, o oxigênio é consumido e o dióxido de carbono produzido. Medir o gasto de energia significa medir a produção de calor ou a perda de calor, e isto é conhecido como calorimetria directa. A medição da produção de calor através da medição do consumo de oxigênio e/ou produção de dióxido de carbono é chamada calorimetria indireta.

Calorímetros precoces para a medição do gasto energético foram os calorímetros diretos. No final do século XVIII, Lavoisier construiu um dos primeiros calorímetros, medindo o gasto de energia em uma cobaia. O animal foi colocado numa gaiola de arame, que ocupava o centro de um aparelho. O espaço circundante estava repleto de pedaços de gelo. Como o gelo derretia do calor corporal do animal, a água era recolhida num recipiente, e pesada. A cavidade de gelo era rodeada por um espaço cheio de neve para manter uma temperatura constante. Assim, nenhum calor podia dissipar-se do ambiente para a camisa de gelo interior. A figura 1 mostra esquematicamente o calorímetro de Lavoisier. Hoje, a perda de calor é medida em um calorímetro, removendo o calor com um fluxo de resfriamento de ar ou água ou medindo o fluxo de calor através da parede. No primeiro caso, a condução de calor através da parede do calorímetro é evitada e o fluxo de calor é medido pelo produto da diferença de temperatura entre o fluxo de entrada e saída e a taxa de fluxo do meio de resfriamento. No último caso, em vez de impedir o fluxo de calor através da parede, a taxa deste fluxo é medida a partir das diferenças de temperatura sobre a parede. Este método é conhecido como calorimetria de camada gradiente.

Na calorimetria indirecta, a produção de calor é calculada a partir de processos químicos. Sabendo, por exemplo, que a oxidação de 1 mol de glucose requer 6 mol de oxigénio e produz 6 mol de água, 6 mol de dióxido de carbono e 2,8 mol de calor, a produção de calor pode ser calculada a partir do consumo de oxigénio ou da produção de dióxido de carbono. A energia equivalente de oxigênio e dióxido de carbono varia com o nutriente oxidado (Tabelas 1 e 2).

Brouwer (2) elaborou fórmulas simples para calcular a produção de calor e as quantidades de carboidratos (C), proteínas (P) e gorduras (F) oxidadas pelo consumo de oxigênio, produção de dióxido de carbono e perda de nitrogênio na urina. O princípio do cálculo consiste em três equações com as três variáveis medidas mencionadas:

Consumo de oxigênio = 0,829 C + 0,967 P + 2,019 F

Produção de dióxido de carbono = 0,829 C + 0,775 P + 1,427 F

Produção de calor = 21.1 C + 18,7 P + 19,6 F

Oxidação de proteínas (g) é calculado como 6,25 x nitrogênio urinário (g), e posteriormente o consumo de oxigênio e a produção de dióxido de carbono podem ser corrigidos para oxidação de proteínas para permitir o cálculo da oxidação de carboidratos e gorduras. A fórmula geral para o cálculo da produção de energia (E) derivada destes valores é:

E = 16,20 * consumo de oxigênio + 5,00 * produção de dióxido de carbono – 0,95 P

Nesta fórmula a contribuição de P para E, a chamada correção protéica, é apenas pequena. No caso de uma oxidação proteica normal de 10-15 por cento da produção diária de energia, a correção proteica para o cálculo de E é de cerca de 1 por cento. Normalmente somente o nitrogênio da urina é medido quando é necessária informação sobre a contribuição de C, P e F para a produção de energia. Para o cálculo da produção de energia, a correção proteica é freqüentemente negligenciada.

A energia metabolizável está disponível para produção de energia na forma de calor e para trabalho externo. Atualmente, o estado da arte para avaliar o gasto total de energia é com calorimetria indireta. Com a calorimetria indireta, o gasto energético é calculado a partir da troca gasosa de oxigênio e dióxido de carbono. O resultado é o gasto total de energia do corpo para a produção de calor e para o trabalho. Com a calorimetria directa, apenas a perda de calor é medida. Em repouso, o dispêndio total de energia é convertido em calor. Durante a atividade física, há também a produção de trabalho. A proporção do gasto de energia para o trabalho externo é a eficiência do trabalho. Em repouso, o gasto de energia avaliado por calorimetria indirecta corresponde à perda de calor medida com a calorimetria directa. Durante a actividade física, a perda de calor é sistematicamente inferior ao gasto de energia avaliado por calorimetria indirecta e pode ser até 25% inferior ao gasto total de energia durante o exercício de endurance. A diferença aumenta com a intensidade do exercício. Por exemplo, durante o ciclismo, o gasto de energia avaliado por calorimetria indireta corresponde à soma da perda de calor e da produção de energia (3). A eficiência do trabalho durante o ciclismo, a saída de energia dividida pelo gasto energético está na faixa de 15 a 25%.

Técnicas atuais utilizando calorimetria indireta para a medição do gasto energético no homem incluem uma máscara facial ou exaustor ventilado, câmara respiratória (calorímetro de sala inteira), e o método da água duplamente rotulado. Uma máscara facial é tipicamente usada para medir o gasto de energia durante atividades padronizadas em uma esteira ou em um cicloergômetro. Uma capota ventilada é usada para medir o gasto de energia em repouso e o gasto de energia para o processamento de alimentos (gasto de energia induzido pela dieta). Uma câmara respiratória é uma sala hermética, que é ventilada com ar fresco. Basicamente, a diferença entre uma câmara de respiração e um sistema de exaustor ventilado é o tamanho. Numa câmara de respiração o sujeito é completamente fechado em vez de fechar apenas a cabeça, permitindo a actividade física, dependendo do tamanho da câmara. Para medições sob uma capota ou em uma câmara de respiração, o ar é sugado através do sistema com uma bomba e soprado para uma câmara de mistura onde uma amostra é retirada para análise. As medidas tomadas são as do fluxo de ar e das concentrações de oxigénio e dióxido de carbono do ar que entra e sai. O dispositivo mais comum para medir o fluxo de ar é um contador de gás seco comparável ao utilizado para medir o consumo de gás natural em casa. As concentrações de oxigénio e dióxido de carbono são normalmente medidas com um analisador paramagnético de oxigénio e um analisador infravermelho de dióxido de carbono, respectivamente. O fluxo de ar é ajustado para manter as diferenças nas concentrações de oxigênio e dióxido de carbono entre a entrada e a saída dentro de uma faixa de 0,5 a 1,0%. Para adultos, isto significa taxas de fluxo de ar em torno de 50 l/min em repouso sob uma campânula, 50-100 l/min quando sedentário em uma câmara respiratória, enquanto que em sujeitos de exercício o fluxo tem que ser aumentado para mais de 100 l/min. Nesta última situação, é preciso escolher um compromisso para a taxa de fluxo quando as medições devem ser continuadas durante 24 horas que incluem intervalos ativos e inativos. Durante as sessões de exercício, o nível de dióxido de carbono de 1% não deve ser ultrapassado por longos períodos. Durante os períodos de descanso, como um sono nocturno, o nível não deve cair muito abaixo da faixa ideal de medição de 0,5-1,0%. A alteração do caudal durante um intervalo de observação reduz a precisão das medições devido ao tempo de resposta do sistema. Embora a taxa de fluxo de uma campânula e de um sistema de câmara seja comparável, o volume de uma câmara respiratória é mais de 20 vezes o volume de uma campânula ventilada. Consequentemente, a duração mínima de um período de observação sob uma campânula é de cerca de 0,5 horas e numa câmara de respiração na ordem de 5-10 horas.

O método da água duplamente rotulado é uma variante inovadora na calorimetria indirecta baseada na descoberta de que o oxigénio no dióxido de carbono respiratório está em equilíbrio isotópico com o oxigénio na água corporal. Esta técnica envolve o enriquecimento da água do corpo com um isótopo de oxigénio e um isótopo de hidrogénio e depois a determinação da cinética de washout de ambos os isótopos. A água duplamente rotulada fornece um excelente método para medir o gasto total de energia em humanos sem restrições no seu ambiente normal durante um período de tempo de 1-4 semanas. Depois de enriquecer a água corporal com oxigênio e hidrogênio rotulados, bebendo água duplamente rotulada, a maior parte do isótopo de oxigênio é perdida como água, mas alguns também são perdidos como dióxido de carbono porque o CO2 nos fluidos corporais está em equilíbrio isotópico com a água corporal devido à troca nas piscinas de bicarbonato (4). O isótopo de hidrogénio perde-se apenas como água. Assim, a lavagem para o isótopo de oxigênio é mais rápida do que para o isótopo de hidrogênio, e a diferença representa a produção de CO2. Os isótopos de escolha são os estáveis, pesados, isótopos de oxigênio e hidrogênio, oxigênio-18 (18O) e deutério (2H), já que estes evitam a necessidade de usar radioatividade e podem ser usados com segurança. Ambos os isótopos ocorrem naturalmente na água potável e, portanto, na água corporal. A produção de CO2, calculada a partir da diferença de eliminação entre os dois isótopos, é uma medida do metabolismo. Na prática, a duração da observação é definida pela meia-vida biológica dos isótopos em função do nível de gasto energético. A duração mínima de observação é de cerca de 3 dias em indivíduos com alta rotatividade energética, como bebês prematuros ou atletas de endurance. A duração máxima é de 30 dias ou cerca de 4 semanas em indivíduos idosos (sedentários). Um período de observação começa com a coleta de uma amostra de base. Em seguida, é administrada uma dose de isótopo pesado, geralmente uma mistura de 10% 18O e 5% 2H em água. Para um adulto de 70 kg, seria utilizada entre 100-150 ml de água. Em seguida, os isótopos equilibram-se com a água do corpo e a amostra inicial é recolhida. O tempo de equilíbrio depende do tamanho do corpo e da taxa metabólica. Para um adulto, o equilíbrio demoraria entre 4-8 horas. Durante o equilíbrio, o sujeito normalmente não consome nenhum alimento ou bebida. Após a coleta da amostra inicial, o sujeito realiza rotinas de acordo com as instruções do experimentador. As amostras de água corporal (sangue, saliva ou urina) são coletadas em intervalos regulares até o final do período de observação. O método da água duplamente rotulada fornece informações precisas e precisas sobre a produção de dióxido de carbono. A conversão da produção de dióxido de carbono em gasto energético necessita de informação sobre o equivalente energético de CO2 (Tabela 2), que pode ser calculado com informação adicional sobre a mistura do substrato a ser oxidado. Uma opção é o cálculo do equivalente energético a partir da composição de macronutrientes da dieta. No balanço energético, assume-se que a ingestão e a utilização do substrato são idênticas.