ΔΙΑΤΡΟΦΗ & ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Ι

ΔΙΑΤΡΟΦΗ & ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Ι ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΚΑΙ ΔΙΑΤΡΟΦΗ Προσδιορισμός Ενεργειακής Δαπάνης ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΑΞΗΣ 10η 1

Μέτρηση της ενεργειακής δαπάνης Παραγωγή θερμότητας Άμεση και Έμμεση θερμιδομετρία Αναπνευστικό πηλίκο Θερμιδική αξία οξυγόνου Υπολογισμός Ενεργειακής Δαπάνης 2

Θερμιδομετρία Η παραγωγή και μεταφορά ενέργειας δεν μπορεί να μετρηθεί με ευκολία άμεσα. Έμμεσες εργαστηριακές μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευχερώς, για να υπολογίσουν το ρυθμό και την ποσότητα της ενεργειακής δαπάνης, όταν βρισκόμαστε σε ηρεμία, αλλά και κατά τη διάρκεια άσκησης. 3

Άμεση θερμιδομετρία Στο μεταβολισμό 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, με ένα θερμιδόμετρο παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ενεργειακού περιεχομένου της τροφής. 4

Άμεσο ανθρώπινο θερμιδόμετρο Μονωμένο δωμάτιο Έξοδος αέρα Απορροφητής CO2 ψυκτικό σύστημα Ο2 5

Αρχές λειτουργίας του άμεσου 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. 6

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 της έμμεσης θερμιδομετρίας: 1. Μεγάλη ακρίβεια. 2. Απλή. 3. Οικονομική όσον αφορά συντήρηση, υλικά και προσωπικό. 7

Σπιρομετρία κλειστού κυκλώματος Το άτομο αναπνέει από ένα ανεστραμμένο κώδωνα γεμάτο σχεδόν καθαρό οξυγόνο, Η διαφορά στην ποσότητα Ο2μέσα στον κώδωνα μετά την μέτρηση αντανακλά τη διαδικασία παραγωγής ενέργειας, Χρησιμοποιείται σε ηρεμία ή άσκηση ελαφριάς έντασης. Έμμεση θερμιδομετρία 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 CO2μετά τη μέτρηση, έμμεσα χαρακτηρίζει τη διαδικασία παραγωγής ενέργειας. 8

Έμμεση θερμιδομετρία, (a) κλειστού,ή (b) ανοιχτού κυκλώματος 9

Διαδικασίες σπιρομετρίας ανοικτού κυκλώματος Φορητό σπιρόμετρο Η συσκευή μοιάζει με κουτί Ζυγίζει 3κιλά Μεταφέρεται στην πλάτη Ανάλυση εκπνεόμενου αέρα Τεχνική του σάκου Εκπνεόμενος αέρας συλλέγεται σε σάκο Ο όγκος του εκπνεόμενου αέρα αναλύεται για Ο2και CO2 Αυτόματο εργοσπιρ/τρο Ένας Η/Υ συνδέεται με σύστημα συνεχούς δειγματοληψίας αέρα, μετρητή καταγραφής και αναλυτές αερίων Φορητό, μόλις 0,5 κιλό 10

Σύγχρονη διαδικασία έμμεσης θερμιδομετρίας 11

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. Αυτή είναι η αιτία που η ποσότητα του οξυγόνου που χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της παραγωγής ενέργειας εξαρτάται από τα ενεργειακά υποστρώματα που οξειδώνονται. 12

Αναπνευστικό πηλίκο (Respiratory Quotient) 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 Ο2που καταναλώνεται εξαρτάται από το ενεργειακό υπόστρωμα Ο λόγος της μεταβολικής ανταλλαγής αερίων ορίζεται ως αναπνευστικό πηλίκο (ΑΠ) ή RQ RQ= παραγόμενο CO2 προσλαμβανόμενο Ο2 13

RQ υδατανθράκων Ο λόγος των ατόμων Η προς εκείνα του Ο είναι 2:1, όπως στο νερό. Όλο το Ο2που καταναλώνεται χρησιμοποιείται για την οξείδωση των υδατανθράκων σε CO2 και Η2Ο C6H12Ο6 + 6O2 6CO2+ 6H2O RQ = 6CO2 6O2 = 1,00 14

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 C16H32O2 + 23O2 16CO2+ 16H2O RQ = 16CO2 23O2= 0,696 Η τιμή RQγια τα λίπη θεωρείται ότι είναι 0,7 15

RQ πρωτεϊνών Η λευκωματίνη (αλβουμίνη) οξειδώνεται με βάση την αντίδραση: C72H112 N2O22S + 77O2 63CO2+ 38H2O + SO3+ 9CO(NH2)2 RQ= 63CO2 77O2= 0,818 Η τιμή RQγια πρωτεΐνες είναι 0,82 16

RQ μικτής δίαιτας Κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων που κυμαίνονται από απλή ανάπαυση μέχρι ελαφρές αερόβιες ασκήσεις το RQσπάνια αντανακλά οξείδωση καθαρού υδατάνθρακα ή καθαρού λίπους. Συνήθως χρησιμοποιείται μείγμα ενεργειακών υποστρωμάτων με τιμή RQ0,7 1,0 Στις περισσότερες περιπτώσεις δεχόμαστε μια τιμή 0,82 σε μεταβολισμό μείγματος 40% υδατανθράκων και 60% λιπών Χρησιμοποιώντας αυτή την τιμή το σφάλμα στον υπολογισμό παραγόμενης ενέργειας είναι ± 4% 17

Θερμιδική μετατροπή οξυγόνου Η κατανάλωση οξυγόνου μπορεί να συσχετισθεί με την ποσότητα παραγόμενης ενέργειας. Όταν καταναλώνεται 1 λίτρο Ο2σε μείγμα υδατανθράκων, λιπών και πρωτεϊνών, απελευθερώνονται 4,82 kcal θερμικής ενέργειας. Η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απελευθερώνεται παρουσιάζει μικρές διακυμάνσεις ανάλογα με το μείγμα τροφής που οξειδώνεται. 18

Τρόφιμο Ενέργεια In vitro Kcal/gr Ενέργεια In vivo Kcal/gr Θερμιδική αξία οξυγόνου (kcal/l) Αναπνευστικό Πηλίκο CHO 4,1 4,02 5,047 1 Pro 5,65 4,3 4,50 0,81 Fat 9,45 8,98 4,71 0,71 Mixed 4,82 0,82 19

Θερμιδική ισοδυναμία ΑΠ (αναπν. πηλίκο) και % ενέργεια από υδατάνθρακες και λίπη ΑΠ (Αν.Πηλ) ενέργεια % kcal 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 5,05 100,0 0,0 20

Αναλυτικοί Πίνακες Θερμιδικής Ισοδυναμίας 21

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας Οι υπολογισμοί της ανταλλαγής αερίων εμπεριέχουν την παραδοχή ότι το Ο2 του σώματος παραμένει σταθερό και ότι η ανταλλαγή CO2στους 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 22

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας Η ανταλλαγή CO2 είναι λιγότερο σταθερή. Οι συγκεντρώσεις CO2στο σώμα είναι αρκετά μεγάλες και μπορούν εύκολα να μεταβληθούν, π.χ. με βαθιά ανάσα ή με την εκτέλεση έντονης άσκησης. Σε αυτές τις συνθήκες η ποσότητα CO2που εκπνέεται μπορεί να μην αντιπροσωπεύει το CO2 που παράγεται στα κύτταρα. Οι υπολογισμοί φαίνεται να ισχύουν μόνο κατά τη διάρκεια ηρεμίας ή σταθερής άσκησης. 23

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας Η χρήση του ΑΠ μπορεί να οδηγήσει σε ανακρίβειες. Οι πρωτεΐνες δεν οξειδώνονται πλήρως, επειδή το Ν δεν οξειδώνεται. Αυτό καθιστά αδύνατο να υπολογιστεί από το ΑΠ η χρήση των πρωτεϊνών. Παραδοσιακά η πρωτεΐνη θεωρείτο ότι δε συμμετείχε σημαντικά στην παραγωγή ενέργειας. Πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι στην άσκηση που διαρκεί αρκετές ώρες, η πρωτεΐνη μπορεί να συμβάλει μέχρι 5 % της συνολικής ενέργειας. Σήμερα, μετράμε το Ν των ούρων για να αξιολογήσουμε το μεταβολισμό των πρωτεϊνών. 24

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας 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 έντονης 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. 25

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας Η παραγωγή γλυκόζης από καταβολισμό αμινοξέων και λιπών στο ήπαρ (γλυκονεογένεση) παράγει ένα ΑΠ κάτω από 0,70. Am. J. Clin. Nutr. 1980 Jun, 33(6): 1317-1319 Respiratory quotients lower than 0.70 in ketogenic diets Schutz Y, Ravussin E. 26

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας Am. J. Clin. Nutr. 1980 Jun, 33(6): 1317-1319 Respiratory quotients lower than 0.70 in ketogenic diets Schutz Y, Ravussin E. 27

Περιορισμοί της έμμεσης θερμιδομετρίας 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 CO2στο 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. 28

Πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής Πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής ορίζεται ο λόγος του παραγόμενου διοξειδίου προς το καταναλισκόμενο οξυγόνο σε συνθήκες που η ανταλλαγή αερίων στους πνεύμονες δεν αντανακλά την οξείδωση των ενεργειακών υποστρωμάτων. Σε εξαντλητική άσκησητο 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 CO2και Η20. Η διαδικασία αυτή προσθέτει επί πλέον CO2στον εκπνεόμενο αέρα και η τιμή R ξεπερνάτo 1,0. 29

Πηλίκο αναπνευστικής ανταλλαγής Μερικές φορές το Rμπορεί να βρεθεί σχετικά χαμηλό. Μετά από πολύ εντατική αναερόβια άσκηση, το CO2τείνει να κατακρατηθεί στα κύτταρα για να αναπληρώσει το διττανθρακικό νάτριο που χρησιμοποιήθηκε στην εξουδετέρωση του γαλακτικού οξέος. Αυτή η δράση μειώνει την ποσότητα CO2που εκπνέεται και μπορεί να προκαλέσει προσωρινή πτώση του Rκάτω από 0,7. 30

Ουρία και άζωτο ούρων Η Ουρία είναι οργανική ένωση με χημικό τύπο CO(NH2)2. Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό των αζωτούχων ενώσεων των οργανισμών και είναι η κύρια αζωτούχος ουσία στα ούρα των θηλαστικών. Είναι στερεή, άχρωμη και άοσμη. Διαλύεται εύκολα στο νερό και είναι μη τοξική. Το σώμα την χρησιμοποιεί στην διαδικασία αποβολής του αζώτου. Ο μέσος άνθρωπος αποβάλλει 15-30 γραμμάρια ουρία ημερήσια, κυρίως μέσω των ούρων (στα ούρα 12-20 γραμμάρια/ 24ώρες), ενώ ποσό της εκκρίνεται με τον ιδρώτα. 31

Ουρία και άζωτο ούρων Υπολογίζουμε ότι 60 g ουρίας περιέχουν 28 g αζώτου. Το άζωτο του ούρου υπολογίζεται από τον τύπο: Άζωτο Ούρου = Ουρία Ούρου x0,467 32

Υπολογισμοί Αναπνευστικής Θερμιδομετρίας ΤΟ "ΜΙΤΟ ΤΗΣ ΑΡΙΑΔΝΗΣ" ΑΠΟΤΕΛΕΙ Ο ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΤΗΣ ΟΥΡΙΑΣ ΣΕ ΟΥΡΟ 24-ΩΡΟΥ 33

Ουρία, άζωτο ούρων και πρωτεΐνες Από αναλύσεις που έγιναν μετά από κατανάλωση πρωτεΐνης προκύπτει ότι κατά μέσο όρο το 1 γραμμάριο Ν2στα ούρα υποδηλώνει:α) μεταβολισμό 6,25 γραμμαρίων πρωτεΐνης, β) κατανάλωση 5,91 lt Ο2και γ) παραγωγή 4,76 Lt CO2. Με βάση τις τιμές αυτές, αν μετρήσουμε το άζωτο (ουρία) του ούρου μπορούμε να βρούμε πόσες πρωτεΐνες καταναλώθηκαν, πόσο οξυγόνο καταναλώθηκε, πόσο CO2απελευθερώθηκεκαι πόση ενέργεια (Kcal) προήλθε από μεταβολισμό πρωτεΐνης (πολλαπλασιάζοντας το οξυγόνο σε Lt με τη θερμιδική αξία οξυγόνου πρωτεϊνών 4,50 Kcal/Lt). 34

Απαραίτητες Τιμές για τον υπολογισμό του Βασικού Μεταβολισμού ή του Μεταβολισμού Ηρεμίας μέσω Αναπνευστικής Θερμιδομετρίας 1). Άζωτο Ούρων 24-ώρου (υπολογίζεται από Βιοχημικό Εργαστήριο). 2). Οξυγόνο (Lt) που εισπνέεται ανά 24-ωρο (γίνεται αναγωγή με βάση μετρήσεις ωρών). 3). Διοξείδιο του άνθρακα (Lt) που εκπνέεται το 24-ωρο (γίνεται αναγωγή με βάση μετρήσεις ωρών). 35

Μη πρωτεϊνικό πηλίκο οξυγόνου Με βάση το άζωτο του ούρου υπολογίζουμε το οξυγόνο και το διοξείδιο για/από την κατανάλωση πρωτεΐνης: Συνολικό CO2εκπνοής-4,76 Lt CO2επί g Nούρου Συνολικό O2εισπνοής- 5,91 Lt O2επί gnούρου Υπολογίζουμε το μη-πρωτεϊνικό πηλίκο οξυγόνου. 36

Θερμιδική αξία του αγνώστου μίγματος υδατανθράκων και λίπους Από ένα αναλυτικό Νομόγραμμα, όπως αυτά που παρουσιάστηκαν σε προηγούμενες διαφάνειες, βρίσκουμε το μη-πρωτεϊνικό RQ σε σχέση με την κατανάλωση του αγνώστου μίγματος υδατανθράκων και λίπους που μεταβολίζει το συγκεκριμένο άτομο. RQ Kcal/LO2 %CHO %Fat 1,00 5,047 100 0 0,97 5,01 90,4 9,6 0,93 4,961 77,4 22,6 0,90 4,924 67,5 32,5 0,87 4,887 57,5 42,5 0,83 4,838 43,8 56,2 0,81 4,813 36,9 63,1 0,78 4,776 26,3 73,7 0,75 4,739 15,6 84,4 0,72 4,702 4,8 95,2 0,70 4,686 0,0 100 37

Τελικός Υπολογισμός Βασικού Μεταβολισμού (ή ανάλογα με τις συνθήκες Μεταβολισμού Ηρεμίας) Πολλαπλασιάζοντας τα λίτρα οξυγόνου που χρησιμοποιήθηκαν για τον μεταβολισμό υδατανθράκων και λίπους (συνολικό O2 εισπνοής- 5,91 Lt O2επί g N ούρου) με τη θερμιδική τους αξία που προκύπτει από τον Πίνακα βρίσκουμε τις αντίστοιχες θερμίδες από τη διάσπαση υδατανθράκων και λίπους. Στην προηγούμενη τιμή προσθέτουμε τις θερμίδες που παρήχθησαν από τη διάσπαση πρωτεϊνών, ήτοι: 5,91 Lt O2επί τα gαζώτου στο ούρο επί την θερμιδική αξία οξυγόνου πρωτεϊνών (4,50 Kcal/Lt). Το άθροισμα είναι ο ΒΜ ή ο ΜΗ. 38

Εναλλακτικά, στην κλινική πράξη Weir equation: Ενεργειακή Δαπάνη (EE) (Kcal/day) = [(3,941 x VO2) + (1,106 x VCO2) + (2,17 x N ούρου)] Χ 1440 Επειδή ο παράγοντας (2,17 x N ούρου) αντιστοιχεί μόλις στο 4% της ενέργειας, ενίοτε παραλείπεται. Indirect Calorimetry: A Practical Guide for Clinicians Heather A. Haugen, Lingtak-Neander Chan, Fanny Li Nutrition in Clinical Practice, 22: 377 388, August 2007 39

Εφαρμογές της έμμεσης θερμιδομετρίας Λήψη αποφάσεων στους ασθενείς, τους υγιείς ή τους αθλούμενους βάσει παραμέτρων ακριβείας: Βασικός Μεταβολισμός REE/BMR(kcals-kj/day), Συνολική Κατανάλωση Οξυγόνου VO2 (ml/min), ml/kg/min), Συνολικός Εκπνεόμενος Όγκος Tidal Vol.(L), (L/min), Ρυθμός Αναπνοής (Resp. Rate), Οξυγόνο Εκπνεόμενου Όγκου (FeO2), Διαφορά πραγματικού BMR και υπολογισμού του BMR (Harris Benedict). 40