ΕΡΓΟΜΕΤΡΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΡΟΦΗ ΜΑΘΗΜΑ 2

Μέτρηση της ενεργειακής δαπάνης Παραγωγή θερμότητας Άμεση και Έμμεση θερμιδομετρία Αναπνευστικό πηλίκο Πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής

Η παραγωγή και μεταφορά ενέργειας στις μυικές ίνες δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα. Έμμεσες εργαστηριακές μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουν το ρυθμό και την ποσότητα ενεργειακής δαπάνης, όταν βρισκόμαστε σε ηρεμία και κατά τη διάρκεια άσκησης

Άμεση θερμιδομετρία Κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού μόνο το 40% της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της οξείδωσης των ενεργειακών υποστρωμάτων χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΑΤΡ. Το υπόλοιπο 60% μετατρέπεται σε θερμότητα. Ένα τρόπος να μετρηθεί ο ρυθμός και η ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας είναι να μετρηθεί η παραγωγή θερμότητας. Η θερμότητα που παράγει το σώμα μπορεί να μετρηθεί με ένα θερμιδόμετρο παρόμοιο με εκείνο που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ενεργειακού περιεχομένου της τροφής.

Ανθρώπινο θερμιδόμετρο Μονωμένο δωμάτιο Έξοδος αέρα Απορροφητής CO2 ψυκτικό σύστημα Ο2

Αρχές λειτουργίας του ανθρώπινου θερμιδόμετρου Θάλαμος αεροστεγής Υπάρχει ποσότητα οξυγόνου που επαρκεί για άσκηση μεγάλης διάρκειας Στο πάνω μέρος του θαλάμου κυκλοφορεί νερό γνωστού όγκου και θερμοκρασίας, μέσα από μια σειρά σπειρών Επειδή ο θάλαμος είναι μονωμένος, η παραγόμενη από το άτομο θερμότητα απορροφάται από το νερό που κυκλοφορεί Η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού είναι ανάλογη με την παραγωγή ενέργειας

Έμμεση θερμιδομετρία Όλες οι αντιδράσεις που παράγουν ενέργεια εξαρτώνται από την παρουσία οξυγόνου Μπορούμε να μετρήσουμε έμμεσα την παραγόμενη ενέργεια μετρώντας την κατανάλωση οξυγόνου

Πλεονεκτήματα έμμεσης θερμιδομετρίας Μεγάλη ακρίβεια Απλή Οικονομική όσον αφορά συντήρηση, υλικά και προσωπικό

Έμμεση θερμιδομετρία Σπιρομετρία κλειστού κυκλώματος Το άτομο αναπνέει από ένα ανεστραμμένο κώδωνα γεμάτο καθαρό οξυγόνο Η διαφορά στην ποσότητα Ο2 μέσα στον κώδωνα μετά την μέτρηση αντανακλά τη διαδικασία παραγωγής ενέργειας Χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε ηρεμία ή άσκηση ελαφριάς έντασης Σπιρομετρία ανοικτού κυκλώματος Το άτομο εισπνέει αέρα του περιβάλλοντος ο οποίος έχει σταθερή σύνθεση (20,9% Ο2, 0,03% CO2, 70,04%Ν) και εκπνέει σε σάκο. Η διαφορά στα ποσοστά Ο2 και CO2 μετά τη μέτρηση, έμμεσα αντανακλά τη διαδικασία παραγωγής ενέργειας

Διαδικασίες σπιρ/τρίας ανοικτού κυκλώματος Φορητό σπιρόμετρο Τεχνική του σάκου Αυτόματο εργοσπιρ/τρο Η συσκευή μοιάζει με κουτί ζυγίζει 3κιλά Μεταφέρεται στην πλάτη Ανάλυση εκπνεόμενου αέρα Εκπνεόμενος αέρας συλλέγεται σε σάκο Ο όγκος του εκπνεόμενου αέρα αναλύεται για Ο2 και CO2 Ένας Η/Υ συνδέεται με σύστημα συνεχούς δειγματοληψίας αέρα, μετρητή καταγραφής και αναλυτές αερίων Φορητό, 0,5 κιλό

Θερμιδική μετατροπή οξυγόνου Η κατανάλωση οξυγόνου μπορεί να μετατραπεί στην ποσότητα παραγόμενης ενέργειας Όταν καταναλώνεται 1 λίτρο Ο2 σε μείγμα υδατανθράκων, λιπών και πρωτεινών, απελευθερώνονται 4,82 kcal θερμικής ενέργειας Η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απελευθερώνεται παρουσιάζει ελάχιστες διακυμάνσεις ανάλογα με το μείγμα τροφής που οξειδώνεται Το θερμιδικό ισοδύναμο που χρησιμοποιείται είναι 5 kcal/λίτρο Ο2 που καταναλώνεται

Σύγκριση άμεσης –έμμεσης θερμιδομετρίας Οι Atwater και Rosa συγκρίνανε τις δυο μεθόδους για 40 μέρες σε τρεις άντρες και απέδειξαν την εγκυρότητα της έμμεσης θερμιδομετρίας Πειράματα σε ζώα και ανθρώπους σε μέτρια άσκηση έδειξαν στενή συμφωνία ανάμεσα στην άμεση και έμμεση μέθοδο (διαφορά <±1%)

Αναπνευστικό πηλίκο Για να υπολογιστεί η ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιείται από το σώμα, είναι απαραίτητο να είναι γνωστά τα ενεργειακά υποστρώματα που οξειδώνονται για παραγωγή ενέργειας. Τα περιεχόμενα άτομα άνθρακα και οξυγόνου στα μόρια της γλυκόζης, των ελεύθερων λιπαρών οξέων και των αμινοξέων διαφέρουν εντυπωσιακά. Η ποσότητα του οξυγόνου που χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της παραγωγής ενέργειας εξαρτάται από τα ενεργειακά υποστρώματα που οξειδώνονται.

Αναπνευστικό πηλίκο Λόγω διαφορετικής χημικής σύνθεσης των υδατανθράκων, λιπών και πρωτεϊνών, απαιτούνται διαφορετικές ποσότητες οξυγόνου για την πλήρη οξείδωση τους Η ποσότητα CO2 που παράγεται σε σχέση με την ποσότητα Ο2 που καταναλώνεται εξαρτάται από το ενεργειακό υπόστρωμα Ο λόγος της μεταβολικής ανταλλαγής αερίων ορίζεται ως αναπνευστικό πηλίκο (ΑΠ) ή RQ

Αναπνευστικό πηλίκο (ΑΠ) RQ= παραγόμενο CO2÷προσλαμβανόμενο Ο2

RQ υδατανθράκων Ο λόγος των ατόμων Η προς εκείνα του Ο είναι 2:1 όπως στο νερό, όλο το Ο2 που καταναλώνεται χρησιμοποιείται για την οξείδωση των υδατανθράκων σε CO2 και Η2Ο C6 H12 Ο6 + 6O2 6CO2 + 6H2 O RQ = 6CO2 ÷ 6O2 = 1,00

RQ λιπών Τα λίπη περιέχουν λιγότερα άτομα οξυγόνου σε σχέση με τα άτομα άνθρακα και υδρογόνου Όταν τα λίπη μεταβολίζονται απαιτούν περισσότερο οξυγόνο για να οξειδωθούν σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό C16 H32 O2 + 23O2 16C O2 + 16H2 O RQ = 16CO2 ÷ 23O2 = 0,696 Η τιμή RQ για τα λίπη θεωρείται ότι είναι 0,7

RQ πρωτεϊνών Η λευκωματίνη οξειδώνεται με βάση την αντίδραση: C72 H112 N2 O22 S + 77O2 63C O2 + 38H2 O + S O3 + 9C O(N H2)2 RQ= 63CO2 ÷ 77O2 = 0,818 Η τιμή RQ για πρωτείνες είναι 0,82

RQ μικτής δίαιτας Κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων που κυμαίνονται από απλή ανάπαυση μέχρι ελαφρές αερόβιες ασκήσεις (γκολφ, μπιλιάρδο, τοξοβολία ή αργό βάδισμα) το RQ σπάνια αντανακλά οξείδωση καθαρού υδατάνθρακα ή καθαρού λίπους. Συνήθως χρησιμοποιείται μείγμα ενεργειακών υποστρωμάτων και η τιμή RQ κυμαίνεται από 0,7 – 1,0 Στις περισσότερες περιπτώσεις δεχόμαστε μια τιμή 0,82 από μεταβολισμό μείγματος 40% υδατανθράκων και 60% λιπών Χρησιμοποιώντας αυτή την τιμή το σφάλμα στον υπολογισμό παραγόμενης ενέργειας είναι 4%

Θερμιδική ισοδυναμία ΑΠ και % ενέργειας από υδατάνθρακες και λίπη % kcal ΑΠ Kcal/l O2 υδατάνθρακες λίπη 0,71 4,69 0,0 100,0 0,75 4,74 15,6 84,4 0,80 4,80 33,4 66,6 0,85 4,86 50,7 49,3 0,90 4,92 67,5 32,5 0,95 4,99 84,0 16 1,00 5,05

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας Οι υπολογισμοί της ανταλλαγής αερίων εμπεριέχουν την παραδοχή ότι το Ο2 του σώματος παραμένει σταθερό και ότι η ανταλλαγή CO2 στους πνεύμονες είναι ανάλογη προς την απελευθέρωση του από τα κύτταρα. Το αρτηριακό αίμα παραμένει σχεδόν πλήρως κορεσμένο σε Ο2 (98%) ακόμη και κατά τη διάρκεια έντονης άσκησης. Το Ο2 που μετρούμε είναι ανάλογο με την πρόσληψη του από τα κύτταρα

Η ανταλλαγή CO2 είναι λιγότερο σταθερή. Σε αυτές τις συνθήκες η ποσότητα CO2 που εκπνέεται μπορεί να μην αντιπροσωπεύει το CO2 που παράγεται στα κύτταρα. Οι υπολογισμοί φαίνεται να ισχύουν μόνο κατά τη διάρκεια ηρεμίας ή σταθερής άσκησης.

Η χρήση του ΑΠ μπορεί να οδηγήσει σε ανακρίβειες. Οι πρωτείνες δεν οξειδώνονται πλήρως, επειδή το Ν δεν οξειδώνεται. Αυτό καθιστά αδύνατο να υπολογιστεί από το ΑΠ η χρήση των πρωτεινών. Το ΑΠ αναφέρεται μερικές φορές ως μη-πρωτεινικό ΑΠ επειδή αγνοεί την πρωτεινική οξείδωση. Παραδοσιακά η πρωτείνη θεωρείτο ότι δε συμμετείχε σημαντικά στην παραγωγή ενέργειας. Πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι στην άσκηση που διαρκεί αρκετές ώρες, η πρωτείνη μπορεί να συμβάλει μέχρι 5 % της συνολικής ενέργειας.

Το σώμα χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό ενεργειακών υποστρωμάτων Το σώμα χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό ενεργειακών υποστρωμάτων. Οι τιμές ΑΠ ποικίλουν ανάλογα με το συγκεκριμένο μείγμα που οξειδώνεται. Σε ηρεμία η τιμή η τιμή ΑΠ είναι 0,78-0,80 Κατά τη διάρκεια άσκησης οι μύες στηρίζονται περισσότερο στους υδατάνθρακες για ενέργεια (υψηλότερο ΑΠ). Όταν η τιμή ΑΠ πλησιάζει το 1 μπορεί να μην υπολογίζεται με ακρίβεια ο τύπος των ενεργειακών υποστρωμάτων σε έντονη αναερόβια άσκηση.

Η παραγωγή γλυκόζης από καταβολισμό αμινοξέων και λιπών στο ήπαρ (γλυκονεογένεση) παράγει ένα ΑΠ κάτω από 0,70. Αυτό προκαλεί μια υποτίμηση της οξείδωσης υδατανθράκων εάν η ενέργεια προέρχεται από γλυκονεογένεση.

Πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής Ο υπολογισμός του ΑΠ στηρίζεται στην παραδοχή ότι η ανταλλαγή αερίων που μετριέται στους πνεύμονες, αντανακλά την πραγματική ανταλλαγή αερίων από τον μεταβολισμό των θρεπτικών συστατικών μέσα στο κύτταρο. Η παραδοχή αυτή ισχύει κατά την ανάπαυση και σε συνθήκες ήπιας έως μέτριας έντασης άσκησης σταθερού ρυθμού. Παράγοντες όπως υπεραερισμός, μπορεί να επηρεάσουν το λόγο αερίων που μετριέται. Κατά την υπεραναπνοή το CO2 στο αίμα μειώνεται επειδή αποβάλλεται περισσότερο, χωρίς να συνοδεύεται από ανάλογη αύξηση στο προσλαμβανόμενο Ο2. Σε αυτές τις περιπτώσεις ο λόγος των αερίων αυξάνεται πάνω από 1,00 . Πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής ® ορίζεται ο λόγος του παραγόμενου διοξειδίου προς το καταναλισκόμενο οξυγόνο σε συνθήκες κατά τις οποίες η ανταλλαγή αερίων στους πνεύμονες δεν αντανακλά την οξείδωση των ενεργειακών υποστρωμάτων.

Σε εξανλητική άσκηση το πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής πάλι ανέρχεται πάνω από 1,0 Το γαλακτικό οξύ που παράγεται κατά την αναερόβια άσκηση εξουδετερώνεται από το διττανθρακικό νάτριο στο αίμα, παράγοντας ανθρακικό οξύ που είναι ασταθές. Στα πνευμονικά τριχοειδή αγγεία το ανθρακικό οξύ διασπάται σε CO2 και Η20. Η διαδικασία αυτή προσθέτει επί πλέον CO2 στον εκπνεόμενο αέρα και η τιμή R ξεπερνά τo 1,0 .

Μερικές φορές το R μπορεί να βρεθεί σχετικά χαμηλό. Μετά από πολύ εντατική αναερόβια άσκηση, το CO2 τείνει να κατακρατηθεί στα κύτταρα για να αναπληρώσει το διττανθρακικό νάτριο που χρησιμοποιήθηκε στην εξουδετέρωση του γαλακτικού οξέος. Αυτή η δράση μειώνει την ποσότητα CO2 που εκπνέεται και μπορεί να προκαλέσει προσωρινή πτώση του R κάτω από 0,7 .

Ισοτοπικές μετρήσεις του ενεργειακού μεταβολισμού Τα ισότοπα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της παραγωγής ενέργειας κατά τη διάρκεια μεγάλων περιόδων. Η μέθοδος περιγράφηκε αρχικά στη δεκαετία του 40 αλλά μελέτες που χρησιμοποιούσαν διπλά σεσημασμένο νερό για τη μέτρηση των ενεργειακών δαπανών σε ανθρώπους δεν διεξήχθησαν πριν από τη δεκαετία του 80.

Ο εξεταζόμενος πίνει μια γνωστή ποσότητα νερού σεσημασμένου με δυο ισότοπα (Η-2 και Ο-18). Το δευτέριο (Η-2) διασκορπίζεται σε όλο το νερό του σώματος και το Ο-18 διασκορπίζεται επι πλέον και σε όλα τα αποθέματα διττανθρακικών αλάτων (όπου αποθηκεύεται ένα μεγάλο μέρος του CO2 που παράγεται). Η ταχύτητα με την οποία αποβάλλονται από το σώμα τα δυο ισότοπα μπορεί να καθοριστεί με ανάλυση τους σε δείγματα ούρων σιέλου ή αίματος. Αυτή στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ποσότητας CO2 που παράγεται.

Επειδή ο ρυθμός ανταλλαγής των ισοτόπων είναι σχετικά αργός, ο ενεργειακός μεταβολισμός πρέπει να μετρηθεί για αρκετές βδομάδες. Η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη για μετρήσεις ενεργειακού μεταβολισμού κατά τη διάρκεια έντονης άσκησης. Η ακρίβεια της και ο χαμηλός κίνδυνος την καθιστούν κατάλληλη για τον προσδιορισμό των καθημερινών ενεργειακών δαπανών.

Τροφή για σκέψη Πώς προσδιορίζει ένας διατροφολόγος ότι ένας μαραθωνοδρόμος παράγει το 70 – 80 % της συνολικής ενέργειας από την οξείδωση λιπών κατά τη διάρκεια των τριών τελευταίων χιλιομέτρων του μαραθωνίου;