MĂSURAREA CHELTUIELII ENERGETICE

Viața poate fi privită ca un proces de combustie. Metabolismul unui organism necesită producerea de energie prin arderea combustibilului sub formă de carbohidrați, proteine, grăsimi sau alcool. În acest proces se consumă oxigen și se produce dioxid de carbon. Măsurarea cheltuielilor energetice înseamnă măsurarea producției de căldură sau a pierderilor de căldură, iar acest lucru este cunoscut sub numele de calorimetrie directă. Măsurarea producției de căldură prin măsurarea consumului de oxigen și/sau a producției de dioxid de carbon se numește calorimetrie indirectă.

Primele calorimetre pentru măsurarea cheltuielilor energetice au fost calorimetrele directe. La sfârșitul secolului al XVIII-lea, Lavoisier a construit unul dintre primele calorimetre, măsurând cheltuielile energetice la un cobai. Animalul a fost așezat într-o cușcă de sârmă, care ocupa centrul unui aparat. Spațiul din jur era umplut cu bucăți de gheață. Pe măsură ce gheața se topea din cauza căldurii corporale a animalului, apa era colectată într-un recipient și cântărită. Cavitatea de gheață a fost înconjurată de un spațiu umplut cu zăpadă pentru a menține o temperatură constantă. Astfel, nicio căldură nu se putea disipa din mediul înconjurător către învelișul interior de gheață. Figura 1 prezintă schematic calorimetrul lui Lavoisier. Astăzi, pierderea de căldură se măsoară într-un calorimetru prin eliminarea căldurii cu un curent de răcire cu aer sau apă sau prin măsurarea fluxului de căldură prin perete. În primul caz, conducția căldurii prin peretele calorimetrului este împiedicată, iar fluxul de căldură se măsoară prin produsul dintre diferența de temperatură dintre fluxul de intrare și cel de ieșire și viteza de curgere a agentului de răcire. În cel de-al doilea caz, în loc să se împiedice fluxul de căldură prin perete, viteza acestui flux se măsoară din diferențele de temperatură pe perete. Această metodă este cunoscută sub numele de calorimetrie în strat de gradient.

În calorimetria indirectă, producția de căldură este calculată din procese chimice. Știind, de exemplu, că oxidarea a 1 mol de glucoză necesită 6 moli de oxigen și produce 6 moli de apă, 6 moli de dioxid de carbon și 2,8 MJ de căldură, producția de căldură poate fi calculată din consumul de oxigen sau din producția de dioxid de carbon. Echivalentul energetic al oxigenului și al dioxidului de carbon variază în funcție de nutrientul oxidat (tabelele 1 și 2).

Brouwer (2) a elaborat formule simple pentru calcularea producției de căldură și a cantităților de glucide (C), proteine (P) și grăsimi (F) oxidate din consumul de oxigen, producția de dioxid de carbon și pierderea de azot din urină. Principiul de calcul constă în trei ecuații cu cele trei variabile măsurate menționate:

Consumul de oxigen = 0,829 C + 0,967 P + 2,019 F

Producția de dioxid de carbon = 0,829 C + 0,775 P + 1,427 F

Producția de căldură = 21.1 C + 18,7 P + 19,6 F

Oxidarea proteinelor (g) se calculează ca 6,25 x urină-azot (g), iar ulterior consumul de oxigen și producția de dioxid de carbon pot fi corectate pentru oxidarea proteinelor pentru a permite calcularea oxidării carbohidraților și a grăsimilor. Formula generală pentru calculul producției de energie (E) derivată din aceste cifre este:

E = 16,20 * consumul de oxigen + 5,00 * producția de dioxid de carbon – 0,95 P

În această formulă, contribuția lui P la E, așa-numita corecție proteică, este doar mică. În cazul unei oxidări normale a proteinelor de 10-15% din producția zilnică de energie, corecția proteică pentru calculul lui E este de aproximativ 1%. De obicei, se măsoară doar azotul din urină atunci când sunt necesare informații privind contribuția lui C, P și F la producția de energie. Pentru calculul producției de energie, corecția proteică este adesea neglijată.

Energia metabolizabilă este disponibilă pentru producția de energie sub formă de căldură și pentru munca externă. În prezent, stadiul actual al tehnicii pentru evaluarea cheltuielilor totale de energie este cu ajutorul calorimetriei indirecte. Cu ajutorul calorimetriei indirecte, cheltuiala energetică este calculată din schimbul gazos de oxigen și dioxid de carbon. Rezultatul este cheltuiala totală de energie a organismului pentru producerea de căldură și muncă. Cu calorimetria directă, se măsoară doar pierderea de căldură. În repaus, cheltuiala totală de energie este transformată în căldură. În timpul activității fizice, există, de asemenea, o producție de muncă. Proporția de energie cheltuită pentru munca externă este eficiența muncii. În repaus, cheltuiala de energie evaluată prin calorimetrie indirectă se potrivește cu pierderea de căldură măsurată prin calorimetrie directă. În timpul activității fizice, pierderea de căldură este în mod sistematic mai mică decât cheltuiala de energie evaluată prin calorimetrie indirectă și poate fi cu până la 25% mai mică decât cheltuiala totală de energie în timpul exercițiilor de anduranță. Diferența crește odată cu intensitatea exercițiului fizic. De exemplu, în timpul ciclismului, cheltuielile energetice evaluate prin calorimetrie indirectă corespund sumei pierderilor de căldură și a producției de energie (3). Eficiența muncii în timpul ciclismului, producția de putere împărțită la cheltuiala de energie este cuprinsă între 15 și 25%.

Tehnicile actuale care utilizează calorimetria indirectă pentru măsurarea cheltuielilor energetice la om includ o mască facială sau o cagulă ventilată, o cameră de respirație (calorimetru de cameră întreagă) și metoda apei dublu marcate. Masca facială este utilizată de obicei pentru a măsura cheltuielile energetice în timpul activităților standardizate pe o bandă de alergare sau pe un ergometru pentru biciclete. O cagulă ventilată este utilizată pentru a măsura cheltuielile energetice în repaus și cheltuielile energetice pentru procesarea alimentelor (cheltuieli energetice induse de alimentație). O cameră de respirație este o încăpere ermetică, care este ventilată cu aer proaspăt. Practic, diferența dintre o cameră de respirație și un sistem de hota ventilată este dimensiunea. Într-o cameră de respirație, subiectul este complet închis în loc să fie închis doar capul, ceea ce permite activitatea fizică în funcție de dimensiunea camerei. Pentru măsurătorile sub o cagulă sau într-o cameră de respirație, aerul este aspirat prin sistem cu ajutorul unei pompe și suflat într-o cameră de amestecare unde se prelevează un eșantion pentru analiză. Măsurătorile efectuate sunt cele ale fluxului de aer și ale concentrațiilor de oxigen și dioxid de carbon din aerul care intră și iese. Cel mai comun dispozitiv de măsurare a debitului de aer este un contor de gaz uscat comparabil cu cel utilizat pentru a măsura consumul de gaze naturale la domiciliu. Concentrațiile de oxigen și dioxid de carbon se măsoară de obicei cu un analizor de oxigen paramagnetic și, respectiv, cu un analizor de dioxid de carbon în infraroșu. Debitul de aer este reglat pentru a menține diferențele de concentrații de oxigen și dioxid de carbon între intrare și ieșire într-un interval cuprins între 0,5 și 1,0%. Pentru adulți, acest lucru înseamnă debite de aer în jur de 50 l/min în repaus sub o cagulă, 50-100 l/min atunci când sunt sedentari într-o cameră de respirație, în timp ce la subiecții care fac exerciții fizice debitul trebuie să fie crescut la peste 100 l/min. În această din urmă situație, trebuie să se aleagă un compromis pentru debitul de aer atunci când măsurătorile trebuie continuate pe parcursul a 24 de ore care includ intervale active și inactive. În timpul exercițiilor fizice, nivelul de dioxid de carbon de 1% nu trebuie depășit pentru perioade lungi de timp. În timpul perioadelor de repaus, cum ar fi un somn de o noapte, nivelul nu ar trebui să scadă prea mult sub intervalul optim de măsurare de 0,5-1,0%. Modificarea debitului în timpul unui interval de observație reduce precizia măsurătorilor din cauza timpului de răspuns al sistemului. Deși debitul unei hote și al unui sistem cu cameră este comparabil, volumul unei camere de respirație este de peste 20 de ori mai mare decât cel al unei hote ventilate. În consecință, durata minimă a unei perioade de observație sub o cagulă este de aproximativ 0,5 ore, iar într-o cameră de respirație de ordinul a 5-10 ore.

Metoda apei dublu marcate este o variantă inovatoare a calorimetriei indirecte bazată pe descoperirea faptului că oxigenul din dioxidul de carbon respirator se află în echilibru izotopic cu oxigenul din apa corpului. Această tehnică implică îmbogățirea apei corporale cu un izotop de oxigen și un izotop de hidrogen și apoi determinarea cineticii de spălare a ambilor izotopi. Apa dublu marcată oferă o metodă excelentă de măsurare a cheltuielilor totale de energie la oameni necontrolați, în mediul lor normal, pe o perioadă de timp de 1-4 săptămâni. După îmbogățirea apei corporale cu oxigen și hidrogen marcat prin consumul de apă dublu marcată, cea mai mare parte a izotopului de oxigen se pierde sub formă de apă, dar o parte se pierde și sub formă de dioxid de carbon, deoarece CO2 din fluidele corporale se află în echilibru izotopic cu apa corporală datorită schimbului în bazinele de bicarbonat (4). Izotopul de hidrogen se pierde doar sub formă de apă. Astfel, pierderea izotopului de oxigen este mai rapidă decât cea a izotopului de hidrogen, iar diferența reprezintă producția de CO2. Izotopii aleși sunt izotopii stabili, grei, ai oxigenului și hidrogenului, oxigen-18 (18O) și deuteriu (2H), deoarece aceștia evită necesitatea de a utiliza radioactivitatea și pot fi utilizați în condiții de siguranță. Ambii izotopi se găsesc în mod natural în apa potabilă și, prin urmare, în apa din organism. Producția de CO2, calculată din diferența de eliminare dintre cei doi izotopi, este o măsură a metabolismului. În practică, durata de observație este stabilită de timpul de înjumătățire biologică a izotopilor în funcție de nivelul cheltuielilor energetice. Durata minimă de observare este de aproximativ 3 zile la subiecții cu o rotație energetică ridicată, cum ar fi copiii prematuri sau sportivii de anduranță. Durata maximă este de 30 de zile sau aproximativ 4 săptămâni la subiecții vârstnici (sedentari). O perioadă de observație începe cu recoltarea unui eșantion de referință. Apoi, se administrează o doză de izotop cântărit, de obicei un amestec de 10% 18O și 5% 2H în apă. Pentru un adult de 70 kg, se vor folosi între 100-150 ml de apă. Ulterior, izotopii se echilibrează cu apa din corp și se colectează proba inițială. Timpul de echilibrare depinde de mărimea corpului și de rata metabolică. Pentru un adult, echilibrarea ar dura între 4-8 ore. În timpul echilibrării, subiectul nu consumă, de obicei, niciun fel de mâncare sau băutură. După recoltarea eșantionului inițial, subiectul efectuează rutine în conformitate cu instrucțiunile experimentatorului. Probele de apă din corp (sânge, salivă sau urină) sunt colectate la intervale regulate până la sfârșitul perioadei de observație. Metoda apei dublu marcate oferă informații precise și exacte cu privire la producția de dioxid de carbon. Convertirea producției de dioxid de carbon în cheltuieli energetice necesită informații privind echivalentul energetic al CO2 (tabelul 2), care poate fi calculat cu ajutorul unor informații suplimentare privind amestecul de substraturi care este oxidat. O opțiune este calcularea echivalentului energetic din compoziția în macronutrienți a dietei. În bilanțul energetic, se presupune că aportul de substrat și utilizarea substratului sunt identice.

.