Equilíbrio energético Calorimetria animal

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1 Equilíbrio energético Calorimetria animal Equilibrio Energético calorimetria animal Rui Fontes Índice 1 - Introdução A importância das reacções de oxidação dos nutrientes na produção de calor nos animais e a técnica da calorimetria directa Balanço energético e sua medida A despesa energética versus energia metabolizável dos alimentos Técnicas de medida da despesa energética e do balanço energético Os componentes da despesa energética Bibliografia Introdução O homem ingere compostos orgânicos (glicídeos, lipídeos e proteínas) que são oxidados nos processos catabólicos. Tomadas no seu conjunto, as reacções de oxidação são exotérmicas porque a entalpia dos reagentes (compostos orgânicos e O 2 ) é maior que a dos produtos (CO 2, água e também ureia no caso das proteínas). Estes processos oxidativos estão acoplados com a síntese de ATP, que é um processo endotérmico; a hidrólise do ATP é, simetricamente, uma reacção exotérmica que fornece directamente (ou indirectamente através de outros nucleosídeos trifosfatos) a energia utilizada no trabalho mecânico dos músculos, na manutenção de gradientes iónicos e na biosíntese. A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta quando aumenta a concentração de ADP o que tende a manter a concentração de ATP estacionária. Um estudante de calorimetria animal tem um ponto de vista tão simples que acaba por concluir que a melhor analogia para um ser vivo adulto é uma lareira que se mantém sempre acesa porque lhe estamos sempre a deitar lenha (alimentos), tem cinzas que são limpas (a ureia e outros compostos azotados da urina), consome O 2 e só produz calor, CO 2 e água. Uma criança, uma grávida ou um indivíduo que está a engordar é também uma lareira que recebe lenha a uma velocidade superior à da sua combustão e que, por isso, aumenta de tamanho. Pelo contrário, um indivíduo que emagrece é uma lareira em que a lenha arde mais depressa que a velocidade com que esta lhe é adicionada. 2 - A importância das reacções de oxidação dos nutrientes na produção de calor nos animais e a técnica da calorimetria directa A reacção de oxidação da glicose num animal é muito complexa e envolve a acção catalítica das enzimas da glicólise, da desidrogénase do piruvato, das enzimas do ciclo de Krebs e da fosforilação oxidativa. Essa complexidade poderá dificultar-nos a tarefa de reconhecer que os produtos e o calor libertado são idênticos aos da oxidação da glicose numa lareira. Contudo, se fizermos o somatório de todas as reacções envolvidas na oxidação da glicose (incluindo nestas as de oxidação do NADH e FADH2 pelo O 2 ) concluiremos que a reacção de oxidação da glicose é igual nos seres vivos e numa lareira e que pode ser descrita pela equação (1) C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Kcal (1) Quando 1 mole de glicose se oxida, a diferença ( H) entre a entalpia dos reagentes (glicose e 6 O 2 ) e dos produtos (6 CO 2 e 6 H 2 O) é de 672 Kcal quer num ser vivo quer numa lareira. Sendo maior nos reagentes que nos produtos, a diferença é libertada durante o processo oxidativo na forma de calor ou trabalho. Porque 1 caloria corresponde à quantidade de calor necessária para aumentar Página 1 de 10

2 de 1 ºC (mais rigorosamente entre 14,5-15,5ºC) 1 grama de água, 672 Kcal podem aumentar em 1ºC a temperatura de 672 Kg de água. Para medir a energia libertada na oxidação da glicose pode usar-se um calorímetro, um instrumento que mede o calor libertado quando a glicose arde. Para medir a energia libertada durante a oxidação dos compostos orgânicos nos seres vivos também se pode usar um instrumento semelhante. O facto de a reacção de oxidação da glicose estar, nos seres vivos, acoplada com a de síntese de ATP, poderia levar-nos a pensar que as quantidades de energia libertada quando um mole de glicose arde e quando este mesmo mole se oxida num ser vivo poderiam ser diferentes. Afinal, parte da energia libertada na oxidação da glicose num ser vivo é consumida no processo de síntese de ATP. Contudo, essa ideia está errada porque os seres vivos não fazem reservas de ATP (a concentração de ATP é estacionária) e a formação de um ATP (a partir de ADP e Pi) só ocorre na exacta medida em que um ATP sofre hidrólise. O processo de síntese e hidrólise de ATP é um processo cíclico de somatório nulo e, por isso, no homem, a equação de oxidação da glicose deve ser escrita da mesma maneira que no calorímetro (ver equação 1). Sendo idênticos os reagentes e os produtos também é idêntica a diferença entre as entalpias destes e, portanto, idêntica a energia que se liberta quando a reacção tem lugar. Tal como no caso do ATP, também todos os outros intermediários do metabolismo (NAD+, NADH, NADP+, NADPH, ADP, AMP, intermediários da glicólise, ciclo de Krebs, etc.) têm concentrações que são estacionárias e, de um modo geral, formam-se à mesma velocidade com que se consomem. Embora possa haver variações transitórias nas suas concentrações, é um boa aproximação à realidade admitir que são constantes e que a entalpia que lhes corresponde também o é. Pelo contrário, os glicídeos, os lipídeos e as proteínas sofrem continuamente oxidação dando lugar a produtos com uma entalpia mais baixa. Por este motivo, quando se estuda o regime de trocas energéticas entre o sistema ser vivo e o meio exterior, os intermediários não têm importância e as únicas reacções que interessam são as de oxidação dos glicídeos, lipídeos e proteínas. Independentemente da natureza endotérmica ou exotérmica das reacções que ocorrem no seu interior um calorímetro é um instrumento que mede o calor produzido ou consumido nessas reacções. Independentemente da natureza estacionária ou não estacionária dos intermediários um calorímetro mede o somatório dos H das reacções que ocorrem no seu interior. No caso dos animais, porque também se chama calorímetro a um instrumento que mede a produção de CO 2 e o consumo de O 2 (ver adiante), poderemos chamar calorímetro directo ao instrumento que mede o calor libertado no conjunto de todas as reacções que nele ocorrem e que corresponde ao somatório dos H de todas essas reacções. O H do conjunto dessas reacções corresponde à diferença entre as entalpias dos produtos efectivamente formados e as entalpias dos reagentes 1 efectivamente consumidos sendo, portanto, os processos cíclicos irrelevantes. Se encerrarmos um indivíduo num calorímetro durante um determinado período de tempo e antes e depois fizermos análises para determinar a sua composição corporal e a dos seus dejectos, assim como o O 2 e o CO 2 presente no sistema, poderemos concluir que, durante esse tempo, ele consumiu glicídeos, lipídeos, proteínas e O 2 e formou CO 2, água e produtos azotados urinários (principalmente ureia), produzindo simultaneamente calor. O resultado mostra que a analogia entre o animal inteiro com a lareira fica desde logo manchada por uma diferença importante: o catabolismo das proteínas e aminoácidos no animal leva à produção de ureia (e outros produtos azotados) enquanto que na lareira o azoto das proteínas origina azoto gasoso. O H correspondente ao processo oxidativo das proteínas (e aminoácidos) não é igual no ser vivo e na lareira porque os 1 A convenção de se subtrair a entalpia dos produtos à dos reagentes leva a que, nas reacções exotérmicas, o sinal de H seja negativo e positivo nas endotérmicas. Esta convenção é apenas isso, uma convenção, e ao longo do texto não lhe demos importância. Página 2 de 10

3 produtos da reacção são diferentes nos dois casos. Por exemplo, no caso do aminoácido leucina a equação que descreve a oxidação desde aminoácido numa lareira (ou num calorímetro; equação 2) corresponde à soma da que descreve a oxidação da leucina num mamífero (equação 3) e da oxidação da ureia (formada nesse processo) numa lareira (ou num calorímetro; equação 4). De forma previsível o somatório das energias libertadas nas reacções 3 e 4 é igual à que se liberta na reacção 2. C 6 H 15 NO ¼ O 2 6 CO ½ H 2 O + ½ N Kcal (2) C 6 H 15 NO ½ O 2 5 ½ CO ½ H 2 O + ½ CON 2 H Kcal (3) ½ CON 2 H 4 + ¾ O 2 ½ CO 2 + H 2 O + ½ N Kcal (4) Podemos pensar que as reacções de oxidação não são as únicas em que estão envolvidos os glicídeos, os lipídeos e as proteínas, e que os animais podem sintetizar compostos orgânicos; que podem, por exemplo, formar ácidos gordos a partir de glicose e que uma lareira não. Contudo, do ponto de vista do estudante de calorimetria, esse não é um argumento que o faça vacilar na ideia que o ser vivo é, basicamente, uma lareira. As inter-conversões entre diferentes nutrientes (como, por exemplo, a conversão de glicose em ácidos gordos) podem ser interpretadas como o somatório das oxidações completas do nutriente que se transforma e do processo anti-oxidativo do que é formado. Admitamos, para simplificar, que um indivíduo oxidou apenas o nutriente glicose durante um determinado período de tempo e que o número de moles de glicose consumidas foi 6. Admitamos ainda que, a partir de glicose, formou durante o mesmo período de tempo 1 mole de estearato. Para calcular o calor libertado (ou consumido) nesse período de tempo poderíamos tentar saber qual a quantidade de glicose que foi totalmente oxidada ( H1) e a porção de glicose que se transformou nos intermediários da lipogénese ( H2) que deram origem ao estearato ( H3). Esse caminho levar-nos-ia seguramente a um resultado correcto; a quantidade de calor libertada durante o período de tempo em análise seria H1+ H2+ H3. Contudo, podemos de forma muito mais simples pensar que o H correspondente à transformação dos intermediários da lipogénese em CO 2 + H 2 O ( Hx) é simétrico daquele que corresponde à transformação inversa (- Hx). Raciocinando desta forma podemos, para o cálculo da energia libertada durante o período de tempo em análise, imaginar que as 6 moles de glicose se oxidaram completamente a CO 2 e H 2 O ( H1+ H2+ Hx) e que foi a partir de CO 2 e H 2 O que se formou o estearato (- Hx+ H3). É obvio que este raciocínio nos levará a um resultado idêntico ao formulado atrás: H1+ H2+ Hx- Hx+ H3 = H1+ H2+ H3. O H correspondente à oxidação de 6 moles de glicose é 4032 Kcal ( H1+ H2+ Hx) e ao de oxidação do estearato é 2700 Kcal 2. O H correspondente a uma reacção que transformasse CO 2 e H 2 O em estearato e O 2 (processo anti-oxidativo ) seria, obviamente, Kcal (- Hx+ H3). Assim o H correspondente à oxidação de 6 moles de glicose e formação de 1 mole de estearato seria de 1332 Kcal ( =-1332). De acordo com a 1ª lei da termodinâmica, a energia correspondente ao H das reacções pode repartir-se por calor e trabalho. Assim, poderíamos interrogar-nos se um calorímetro, sendo apenas capaz de medir calor, seria um bom instrumento para medir o somatório dos H dos processos reactivos nos animais. Tal só é admissível se o trabalho dos animais for nulo. Ao contrário do que se passa com a lareira que só produz calor, aparentemente o trabalho dos animais e, em particular, o trabalho do homem, não é nulo. Poderíamos também pensar que uma melhor analogia que a lareira seria, por exemplo, uma empilhadora que transforma a energia correspondente à oxidação do seu combustível na energia potencial gravítica dos objectos que vai colocando em estantes. Contudo, o nosso estudante de calorimetria não é sensível a este argumento e insiste na ideia que, sendo apenas uma analogia, a lareira continua a servir muito bem os seus objectivos e que um calorímetro é capaz de medir rigorosamente o somatório dos H dos processos 2 Como já referido é costume (convenção) atribuir um valor negativo a H quando a entalpia dos produtos é menor do que o dos reagentes e vice-versa. Página 3 de 10

4 reactivos nos animais, na esmagadora maioria das situações. Admitamos, por exemplo, que um indivíduo encerrado no calorímetro eleva a energia potencial gravítica de um peso de 40 Kg colocando-o numa estante a 2 m do solo. O trabalho correspondente a esse aumento da energia potencial gravítica do peso pode ser calculado como sendo igual a 0,19 kcal 3 e, neste caso, o calor libertado e que poderá ser medido no calorímetro será 0,19 Kcal mais baixo que o H correspondente aos processos reactivos. De facto, dado que o H correspondente aos processos reactivos num homem adulto pode ser da ordem de -1 a -10 Kcal/min, o valor de 0,19 Kcal não será um grande factor de erro mas, admitindo outros valores de trabalho, poderia, pelo menos teoricamente, haver um erro apreciável ao medir o H dos processos reactivos no animal por calorimetria directa. Contudo, se o objecto cair da estante, a energia potencial gravítica transformase em energia cinética de igual valor e, ao chocar com o solo, em calor: se durante o tempo em que se mede o calor o objecto voltar à sua posição inicial não existirá qualquer erro se considerarmos o trabalho nulo. A esmagadora maioria da energia correspondente aos processos reactivos dos trabalhadores que fizeram as pirâmides do Egipto transformou-se em calor durante a construção e só uma parte ínfima (a que corresponde à energia potencial gravítica das pedras empilhadas) aguarda ainda o momento do seu derrube até ao nível do solo para também se poder contabilizar como calor. Também quando o indivíduo empurra uma caixa ao nível do solo o seu trabalho é nulo porque toda a energia cinética correspondente ao movimento da caixa se acaba por transformar em calor através do atrito. Na ausência de atrito a caixa que está a ser empurrada teria um movimento acelerado mas não é isso que se observa normalmente. Para além do caso da elevação da energia potencial gravítica dos objectos existem outras situações em que o H dos processos reactivos não coincide de modo perfeito com o calor libertado. Um exemplo é quando o indivíduo usa a sua força muscular para accionar um dínamo que carrega uma bateria; também neste caso o H dos processos reactivos pode ser fraccionado em duas parcelas: calor e energia eléctrica. No entanto, se a energia acumulada na bateria for utilizada, toda a energia acumulada na bateria se acaba por se transformar em calor. O caso do trabalho dos órgãos internos como o coração (trabalho mecânico), o cérebro (trabalho eléctrico), etc., é muito semelhante ao que foi explicado acima. Por exemplo, no caso do coração, a hidrólise do ATP fornece a energia usada na contracção do músculo cardíaco que se transforma na energia cinética do sangue em movimento. Mas o sangue não tem movimento uniformemente acelerado: o atrito entre as fibras musculares cardíacas, entre as várias camadas de sangue e entre o sangue e os vasos sanguíneos acaba por converter toda essa energia em calor. De facto todo o H correspondente à oxidação dos nutrientes no coração acaba por se transformar em calor sendo este calor o que corresponde ao somatório das diferenças entre a energia libertada e consumida em cada uma das diferentes etapas de transdução de energia. Nos nervos ocorre um fenómeno semelhante: a energia eléctrica potencial, correspondente aos gradientes iónicos, acaba por se transformar na energia cinética do movimento desses iões e, no mesmo momento, em calor. Em jeito de conclusão pode escrever-se que, ignorando o erro experimental, porque (1) o somatório dos H das reacções que ocorrem nos animais é a energia total disponibilizada (calor + trabalho) e que, (2), com a excepção dos casos em que o trabalho muscular serve para aumentar a energia potencial gravítica de objectos ou para carregar uma bateria, todo o trabalho se transforma, no mesmo momento em que se realiza, em calor, o calor medido num calorímetro é uma medida exacta do H das reacções que ocorrem nos animais. Porque a concentração de intermediários do metabolismo se mantém mais ou menos constante, o H correspondente aos processos reactivos que ocorrem num ser vivo corresponde praticamente ao dos processos oxidativos (e antioxidativos ) dos glicídeos, lipídeos e proteínas. Corolário: a velocidade de oxidação dos compostos orgânicos num ser vivo pode ser medida por calorimetria directa. 3 Trabalho (Joules) = massa (Kg) * aceleração (ms -2 ) * altura (m); 40 Kg * 9,8 ms -2 * 2 m = 784 J; 784 J / 4,284 cal/j = 187 cal 0,19 Kcal Página 4 de 10

5 3 - Balanço energético e sua medida A despesa energética versus energia metabolizável dos alimentos Que aconteceria se deixássemos um indivíduo dentro do calorímetro vários dias ou semanas sem alimentos? A formação contínua de ADP manteria activos os processos oxidativos e ele iria oxidando os seus próprios lipídeos, glicídeos e proteínas. Mas com o esgotar das reservas de energia a lareira acabaria por apagar-se por falta de combustível e, para a manter acesa e com tamanho constante, seria necessário adicionar-lhe os combustíveis que se vão queimando. A quantidade de calor libertado durante um determinado tempo é a despesa energética. O valor da despesa energética é o que corresponde à energia libertada durante os processos de oxidação dos glicídeos, lipídeos e proteínas (que pode ser medida por calorimetria directa), processos esses, em última análise, regulados pelo gasto de ATP. Em média a oxidação dos glicídeos endógenos (maioritariamente glicogénio) corresponde à libertação de cerca de 4,1 Kcal/grama; no caso dos lipídeos endógenos esse valor é de cerca de 9,3 Kcal/grama e no caso do etanol 7,1 Kcal/grama. Porque os produtos e reagentes são os mesmos estes valores coincidem com os que seriam obtidos se os mesmos compostos fossem oxidados numa lareira. No caso das proteínas, porque se forma ureia, a oxidação nos mamíferos é menos extensa que a que ocorre numa lareira; devido à heterogeneidade destes compostos os valores correspondentes à oxidação das proteínas são diferentes em diferentes tabelas mas podemos apontar para um valor de cerca de 4,2 Kcal/grama para a oxidação das proteínas endógenas nos mamíferos e cerca de 5,4 Kcal/grama para a sua oxidação numa lareira (ou num calorímetro). Um indivíduo em equilíbrio energético (que mantém constante a massa e composição corporal) toma do exterior energia metabolizável de valor idêntico à sua despesa energética. A energia metabolizável dos alimentos é a quantidade de energia que pode ser obtida dos alimentos quando estes sofrem oxidação num ser vivo. Parte da energia de oxidação dos alimentos não é utilizada pelos animais e essa parte pode designar-se por energia não metabolizável dos alimentos. A energia metabolizável dos alimentos ingeridos não coincide com a energia de oxidação dos compostos orgânicos endógenos porque alguns componentes dos alimentos não são absorvidos (caso da celulose e outras fibras) ou, dependendo da sua preparação, têm absorção mais ou menos incompleta. Além disso uma parte dos alimentos pode perder-se no ar expirado ou na urina (como é o caso do etanol). Num indivíduo em equilíbrio energético a diferença entre a energia total de oxidação dos alimentos ingeridos e a energia metabolizável dos alimentos é a energia não metabolizável e corresponde à energia que pode ser obtida por oxidação completa (num calorímetro) das fezes, da urina, do ar expirado, da pele que descama, dos cabelos e das unhas que crescem. Arredondando números é costume apontar-se os valores médios de 9, 7, 4 e 4 Kcal/grama 4 de lipídeos, etanol, proteínas e glicídeos contidos nos alimentos ingeridos, respectivamente. Quando o valor da energia metabolizável dos alimentos coincide com o da despesa energética diz-se que o indivíduo tem um balanço energético nulo e que está em equilíbrio energético. De notar que equilíbrio energético não é sinónimo de alimentação saudável. As crianças, os adolescentes e as grávidas (ou a unidade feto-grávida) têm um balanço positivo fisiológico e a diferença entre a energia metabolizável dos alimentos e a despesa energética acumula-se na forma dos componentes da sua estrutura em formação; a energia de oxidação das novas estruturas 4 A evolução da linguagem escrita e oral é inevitável e, frequentemente, essa evolução é inócua. Noutros casos essa evolução é infeliz porque confunde conceitos. A grandeza caloria é muito pequena quando falamos de alimentos e alguém um dia resolveu passar a escrever Caloria com maiúscula para exprimir a ideia de Kcal. Essa mudança, apesar de infeliz, impôs-se na literatura médica e assim quando a propósito de nutrição se escreve Caloria (ou por gralha caloria) está-se de facto a falar de Kcal a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC (entre 14,5ºC e 15,5ºC) 1Kg de água. Página 5 de 10

6 formadas coincide com essa diferença. Também quando alguém, por motivos de saúde (real ou imaginada), se submete a uma terapêutica de emagrecimento o que faz é manter-se, até atingir o peso desejado, num regime de balanço energético negativo. Durante a cura de emagrecimento o indivíduo oxida a CO 2 + água (+ureia) componentes endógenos de valor energético correspondente à diferença entre a despesa energética e a energia metabolizável dos alimentos Técnicas de medida da despesa energética e do balanço energético Já foi amplamente explicado que a despesa energética pode ser medida por calorimetria directa. Esta técnica visa a medida directa do calor que é libertado pelo indivíduo durante um determinado período de tempo. Para esse efeito encerra-se o indivíduo num compartimento termicamente isolado por onde passa um acumulador de calor (em geral, água): se o compartimento (e o próprio indivíduo) se mantiver a temperatura constante o aumento de temperatura da água permite o cálculo do calor correspondente aos processos oxidativos no indivíduo. Haverá um erro grosseiro se a temperatura do indivíduo for diferente no momento em que entra e sai do calorímetro; se, por exemplo, a temperatura do indivíduo aumentar durante esse tempo, uma parte da energia libertada durante a oxidação dos compostos orgânicos serviu não para aquecer a água que circula no calorímetro mas para aquecer o próprio indivíduo. O calorímetro directo, quando adaptado ao tamanho dos humanos, é um instrumento pesado, caro e que limita o tipo de actividades que se podem realizar no seu interior. Por isso se desenvolveram outras técnicas de avaliação da despesa energética. Uma delas baseia-se na medida do O 2 consumido e do CO 2 produzido, ou seja na medição dos gazes do ar inspirado e expirado e designa-se por calorimetria indirecta (ver adiante). A instrumentação é mais leve que a usada na calorimetria directa mas mesmo assim exige que o indivíduo respire dentro de uma máscara que pode ter dimensões variáveis. Recentemente começou a aplicar-se uma outra técnica que permite uma grande liberdade ao indivíduo em estudo: chama-se técnica da água duplamente marcada e baseia-se na estimativa do CO 2 produzido pelo indivíduo. Implica que o indivíduo beba água em que o 16 O foi substituído por 18 O e o hidrogénio por deutério e que faça colheitas seriadas da urina ou de outro líquido biológico (ver adiante). A despesa energética também poderia ser estimada avaliando a massa e a composição corporal (ver adiante) em dois momentos separados por um espaço de tempo suficientemente alargado, e o valor calórico dos alimentos da dieta durante esse intervalo de tempo. Como já referido a energia metabolizável dos alimentos ingeridos é igual à despesa energética se a massa e composição do organismo não variar. Se a energia total dos componentes do organismo aumentar quer dizer que a despesa foi inferior à energia dos alimentos no valor da energia acumulada; se for inferior significa que a despesa foi maior no valor correspondente à diminuição da energia dos componentes do organismo. Do referido atrás se deduz que a avaliação da composição e da massa corporal é o método mais rigoroso de medida do balanço energético. Quer a calorimetria indirecta quer a técnica da água duplamente marcada se baseiam na observação de que, na oxidação dos compostos orgânicos, existe uma relação estequiométrica entre a energia libertada e o consumo de O 2 e a produção de CO 2. No caso da glicose a equação (1a) mostra que se consomem 6 moles de O 2 e se produzem 6 moles de CO 2 por cada mole de glicose oxidada e que ao consumo (ou formação) de 6 moles de O 2 (ou CO 2 ) na oxidação da glicose corresponde a libertação de 672 Kcal. C 6 H 12 O 6 (glicose) (180g)+ 6 O 2 (134 L) 6 CO 2 (134 L) + 6 H 2 O Kcal/mol (1a) Se se considerar que 1 mole de O 2 (ou CO 2 ) ocupa 22,4 L e que 1 mole de glicose pesa 180g então pode concluir-se que, se o indivíduo estiver a oxidar apenas glicose, ao consumo de 0,75 L de O 2 (ou à formação de 0,75 L de CO 2 ) corresponde a oxidação de 1 g de glicose e a libertação de 3,73 Kcal. Também se pode deduzir que ao consumo de 1 L de O 2 (ou à formação de 1 L de CO 2 ) na oxidação da glicose corresponde a libertação de 4,98 Kcal. Os valores que costumam aparecer nas tabelas para os glicídeos em geral (0,81 L de O 2 ou CO 2 /grama de glicídeos) não coincidem Página 6 de 10

7 com os valores calculados aqui para a glicose porque quando oxidamos glicídeos estamos maioritariamente (mas não exclusivamente) a oxidar glicogénio e a massa dos resíduos glicose no glicogénio não é 180g mas 162g. Raciocínios e avaliações semelhantes poderiam ser feitos para o caso dos lipídeos e proteínas. Estudando uma grande série de indivíduos usando simultaneamente calorimetria directa e indirecta foi possível estimar que em média e nas condições do estudo (jejum de horas) ao consumo de 1 L de O 2 correspondia a libertação de 4,83 Kcal e que à produção de 1 L de CO 2 a libertação de 5,89 Kcal. Para além de ser mais barato, o método da calorimetria indirecta tem uma outra vantagem relativamente à calorimetria directa: combinado com o doseamento do azoto na urina permite estimar com algum rigor o tipo de combustível que está a ser oxidado pelo indivíduo. De facto para se calcular com um alto grau de precisão a despesa energética por calorimetria indirecta é necessário saber o tipo e a quantidade de cada composto orgânico que está a ser oxidado assim como conhecer a energia libertada na sua oxidação. Para calcular a quantidade de proteínas oxidadas num determinado período de tempo basta dosear o azoto urinário. Porque o azoto corresponde a cerca de 16% da massa das proteína, se um indivíduo excretou num determinado período de tempo g gramas de azoto, a massa (em gramas) das proteínas oxidadas nesse período de tempo (Pro) pode ser calculada usando a equação (5). Azoto da urina (g) = 0,16 Pro (5) Múltiplos estudos permitiram a construção de tabelas que mostram que, no caso das proteínas, o consumo de O 2 por grama de proteína oxidada (0,94 L de O 2 /g de proteínas) é ligeiramente superior ao caso dos glicídeos (0,81 L de O 2 /g de glicídeos) e que é muito superior no caso dos lipídeos (1,96 L de O 2 /g de lipídeos). A simples comparação da fórmula da glicose (C 6 H 12 O 6 ) com a de um ácido gordo (por exemplo estearato C 18 H 36 O 2 ) permite perceber que os lipídeos são, à partida, compostos com um menor grau de oxidação que os glicídeos e que consomem mais oxigénio no seu processo de oxidação a CO 2. Os dados acima permitem escrever a equação (6) em que Gli, Pro e Lip representa a massa (em gramas) de glicídeos, proteínas e lipídeos no tempo em que decorre o estudo. Notar que o volume de O 2 consumido pode ser determinado por calorimetria indirecta. Vol O 2 consumido (L) = 0,81 Gli + 0,94 Pro + 1,96 Lip (6) No caso da produção de CO 2 também é possível, a partir de dados tabelados, escrever uma equação, a equação (7), em que o volume de CO 2 produzido pode ser determinado por calorimetria indirecta; Vol CO 2 produzido (L) = 0,81 Gli + 0,75 Pro + 1,39 Lip (7) As equações (5), (6) e (7) constituem um sistema de 3 equações a 3 incógnitas (Gli; Pro e Lip); na posse de resultados obtidos por calorimetria indirecta e determinado o azoto urinário, permitem determinar a massa (em gramas) dos glicídeos, proteínas e lipídeos que estão num determinado intervalo de tempo a ser oxidados. Sabendo-se que à oxidação de 1g de glicídeos, proteínas e lipídeos correspondem, respectivamente, 4,1, 4,2 e 9,3 Kcal, é fácil calcular o calor libertado (despesa energética) nesse intervalo de tempo: Calor libertado = 4,1 Gli + 4,2 Pro + 9,3 Lip (8) Um parâmetro que costuma ser calculado quando se usa a técnica da calorimetria indirecta é o Quociente Respiratório, que consiste na razão (em moles ou em volume, é indiferente) entre o CO 2 produzido e o O 2 consumido. Notar que o seu valor será 1 se estamos a oxidar exclusivamente glicídeos (0,81 Lg -1 CO 2 / 0,81 Lg -1 O 2 ) e que será de 0,7 quando oxidamos exclusivamente lipídeos (1,39 Lg -1 CO 2 / 1,96 Lg -1 O 2 ). Quando, como acontece após uma refeição rica em glicídeos, se oxidam predominantemente glicídeos, o Quociente Respiratório aproxima-se de 1 e desce à medida que os glicídeos são substituídos por lipídeos durante o jejum. Poderíamos ser levados a pensar que não é possível o Quociente Respiratório ser de valor superior a 1 mas, embora o fenómeno seja de difícil observação experimental, tal é possível quando existe uma lipogénese aumentada e os glicídeos estão a converter-se em lipídeos. Nessas circunstâncias, uma parte apreciável da glicose está a ser oxidada na via das pentoses-p onde se produz CO 2 mas não se consome O 2 : os Página 7 de 10

8 equivalentes redutores são transferidos (via NADPH) para os intermediários da lipogénese e incorporados nos ácidos gordos formados. Como já referido, a técnica da água duplamente marcada (Double Labeled Water - DLW) permite estimar a quantidade de CO 2 produzida ao longo de vários dias, sendo a única limitação imposta ao indivíduo em estudo a necessidade de colher urina ou outro líquido biológico (onde se doseia o 18 O e o deutério) regularmente após a ingestão de uma determinada quantidade de água marcada com 18 O e deutério. De acordo com a teoria que lhe está subjacente, a velocidade de desaparecimento do 18 O nos líquidos orgânicos é uma medida do somatório das velocidades de eliminação de água e de CO 2 do organismo e a velocidade de desaparecimento do deutério uma medida da velocidade de desaparecimento da água. A diferença entre os dois valores permite estimar a excreção de CO 2. Como também já referido, conhecido o valor da produção de CO 2 pode estimar-se o calor libertado (despesa energética) durante o período a que o estudo diz respeito: Calor libertado = 5,89 (Kcal/L) * CO 2 (L) (9) Para a determinação da composição corporal e da massa dos seus diferentes compartimentos, podem usar-se (para além da balança) vários métodos. Esses métodos permitem, no seu conjunto ou individualmente, estimar a proporção de massa gorda (a massa de triacilgliceróis no tecido adiposo) e a sua complementar, a massa livre de gordura. Embora a massa gorda varie muito de indivíduo para indivíduo (em geral entre 10 e 25% do peso total) os componentes da massa livre de gordura têm proporções que variam menos de indivíduo para indivíduo; para a massa livre de gordura contribuem a água (cerca de 74%), as proteínas (cerca de 19%) e os minerais (essencialmente os ossos: 7%). As técnicas correntes para avaliar a massa e composição corporal não permitem conhecer a massa de reservas glicídicas (glicogénio hepático e muscular) mas estas variam, dependendo do estado nutricional e do esforço físico desenvolvido, entre cerca de 0,5 e 1,5% da massa corporal. Entre os métodos de medida da composição corporal contam-se, por exemplo, a ressonância magnética nuclear, a análise da impedância bioeléctrica, a avaliação do 40 K, o sistema de medição do azoto corporal por detecção de raios gama de emissão precoce após a irradiação com neutrões, a absormetria de Rx de energia dual e a densitometria. A análise da impedância bioeléctrica é um dos mais conhecidos e baseia-se na resistência diferencial que os diferentes tipos de tecidos oferecem à passagem da corrente eléctrica e na sua capacidade diferencial para retardar o fluxo de corrente após um estímulo eléctrico. Esta técnica permite avaliar a massa gorda (e a sua complementar, a massa livre de gordura) e pode também permitir avaliar a água intra e extracorporal. Como já referido, a variação no tempo da massa dos compartimentos do organismo pode servir para saber se existe balanço energético positivo, nulo ou negativo e para quantificar o seu valor. Uma experiência publicada em 1994 por Straut e col. (Clin Sci 87: 54) permite ilustrar esta ideia. Numa expedição de 95 dias através da Antárctida foram avaliadas, num indivíduo, a despesa energética (6524 Kcal/dia; estimada pela técnica da água duplamente marcada em dois períodos de 15 dias) assim como o valor calórico da dieta (5070 Kcal/dia) e estes dados permitiram o cálculo do balanço energético que era negativo e igual a 1454 Kcal/dia. De facto o indivíduo emagreceu 24,6 Kg. A composição corporal foi também avaliada no início e no fim da expedição, tendo-se observado que tinha havido uma perda de massa gorda de 14,5 Kg e de massa livre de gordura de 10,1 Kg. Admitindo que nos dois momentos do estudo as reservas glicídicas eram semelhantes (e irrelevantes no contexto) e que cerca de 20% da massa livre de gordura perdida era proteína, podemos (usando os valores de 9,3 Kcal/g de lipídeos endógenos oxidados e de 4,2 Kcal/g de proteínas endógenas oxidadas) concluir por um balanço energético negativo de Kcal ao longo dos 95 dias ou, em média, de 1510 Kcal/dia. Os valores 1510 kcal/dia e 1454 Kcal/dia deveriam, em teoria, ser iguais: a pequena diferença entre eles apenas reflecte o erro inerente aos métodos e pressupostos utilizados. Página 8 de 10

9 Os mecanismos homeostáticos (nomeadamente o apetite) tendem a manter o consumo de energia equivalente à despesa mas os hábitos dietéticos e a baixa actividade física na civilização ocidental moderna levam a um aumento de peso médio da população de cerca de 10 kg entre os 25 e os 40 anos de idade. Este dado é, independente de outros estudos, um indicador seguro de que existe nesta faixa populacional um balanço energético positivo. O seu valor pode ser estimado admitindo determinados pressupostos razoáveis. É razoável admitir que cerca de 80 % do aumento da massa corporal corresponde a deposição de reservas de triacilgliceróis (8000g * 9,3 Kcal/g = Kcal) e que os restantes 20% são constituídos maioritariamente por água (16%) e proteínas (400g * 4,2 Kcal/g =1680 Kcal). De acordo com estes pressupostos o aumento de massa corresponde a um balanço calórico médio diário positivo de 13,8 Kcal [( ) Kcal / (365 dias/ano * 15 anos)]. Considerando uma despesa média de 2500 Kcal/dia, para engordar 10 Kg em 15 anos basta ter um balanço energético positivo de 0,55 %. Reforçando a ideia de que o único método de avaliação do balanço energético é a medida da massa corporal (eventualmente complementada com a avaliação da sua composição) refira-se que este excesso está muito abaixo de qualquer erro experimental quando se usam métodos de avaliação da despesa energética e o valor calórico da dieta para avaliar o balanço energético Os componentes da despesa energética Classicamente considera-se que a despesa energética tem 3 componentes: (1) taxa de metabolismo basal (Basal Metabolic Rate - BMR), (2) efeito termogénico dos nutrientes e (3) despesa associada à actividade física voluntária. A taxa metabólica basal é medida num indivíduo em descanso físico (muitas horas após qualquer actividade física violenta) e descanso mental (relaxado mas acordado), 10 a 18 horas após a ingestão de alimentos, num ambiente confortável e temperatura agradável. Cerca de 25% da taxa de metabolismo basal corresponde à actividade da bomba de Na + -K +. O cérebro não interrompe nunca a sua actividade e apesar de só conter 5 % da massa corporal a actividade cerebral é responsável por cerca de 20% da taxa de metabolismo basal. Pelo contrário, o tecido adiposo, embora possa conter 10-30% da massa corporal, só é responsável por 2-5% da taxa de metabolismo basal. O valor absoluto da taxa metabólica basal varia com múltiplos factores e é muito variável de indivíduo para indivíduo. Porque a quantidade de reservas adiposas influencia de forma marcada o peso dos indivíduos mas pouco a taxa de metabolismo basal, quando se expressa a taxa de metabolismo basal/kg de peso a variabilidade entre diferentes indivíduos é muito grande diminuindo com a percentagem de massa gorda. A variabilidade diminui quando se exprime por área de superfície corporal ou por massa de tecido não gordo ou por conteúdo de K +. Esta observação é consequência lógica de ser de esperar que os compostos orgânicos sejam oxidados de forma proporcional à quantidade de tecido metabolicamente activo. Alguns factores afectam de forma marcada a taxa de metabolismo basal. No hipertiroidismo (excesso de produção de hormona tiroideia) a taxa de metabolismo basal pode estar % acima do esperado. Crê-se que esse aumento da despesa energética basal está relacionado com a estimulação pela hormona tiroideia da actividade do músculo cardíaco, com o facto de provocar um trémulo muscular fino contínuo e aumentar a actividade de enzimas envolvidas nos chamados ciclos fúteis metabólicos. Um exemplo de um ciclo fútil metabólico é o representado pela glicocínase e glicose-6-fosfátase: o aumento simultâneo da actividade destas duas enzimas leva apenas a um aumento da velocidade de hidrólise do ATP e portanto a um aumento da despesa energética. Outra situação em que a taxa de metabolismo basal aumenta para valores anormalmente altos é a febre: crê-se que o aumento de temperatura corporal aumenta a despesa energética porque aumenta de forma inespecífica a actividade das enzimas e transportadores aumentando simultaneamente a velocidade das vias catabólicas e anabólicas. Página 9 de 10

10 A taxa metabólica basal deve ser medida entre 10 e 18 horas depois da ingestão de alimentos porque a ingestão de alimentos provoca, por si só, aumento da despesa energética. A este efeito dos alimentos designa-se hoje efeito termogénico dos nutrientes e esta terminologia está a substituir uma outra que entrou em desuso: acção dinâmica específica. O efeito termogénico dos alimentos é uma consequência do aumento da actividade metabólica associada à digestão, absorção, processamento e armazenamento dos nutrientes ingeridos que implicam gasto de ATP (e formação de ADP que estimula a cadeia respiratória e a oxidação de compostos orgânicos). O valor do efeito termogénico dos nutrientes varia com a sua natureza e corresponde a cerca de 3 % do valor calórico dos lipídeos da dieta, 5 % do dos glicídeos, 25 % do das proteínas e é cerca de 10 % do valor calórico das dietas mistas. A despesa energética total é marcadamente influenciada pela actividade física voluntária, mas não pela actividade intelectual. A actividade física aumenta a velocidade de hidrólise de ATP e a formação de ADP que estimula a cadeia respiratória e a oxidação dos nutrientes. Num indivíduo em repouso os músculos esqueléticos do organismo são responsáveis por cerca de 35% da despesa energética, mas numa actividade física violenta o consumo de ATP aumenta marcadamente provocando um aumento da despesa energética. Numa situação de exercício físico violento a despesa energética pode aumentar 8 vezes e o gasto correspondente aos músculos passar a constituir 80 a 90% da despesa energética total. A actividade cerebral é contínua e o gasto do cérebro não aumenta com o esforço intelectual. 4 - Bibliografia 1. Fontes R. (2002). Calorimetria animal I (conceitos básicos). Disponível em: 2. Martins MJ (2002) Calorimetria animal I (conceitos básicos). Disponível em: 3. Fontes R. (2002). Notas de termodinâmica química e calorimetria (A energia como um conceito menos intuitivo que o que parece). Disponível em: 4. Brawn AC e Brengelmann G. (1966) Energy Metabolism in Physiology and Biophysics. 9ª Ed. Ed por Ruch TC e Patton HD. WB Saunders Company. London. 5. Crabtree B e Taylor DJ (1979) Thermodynamics and metabolism in Biochemical Thermodynamics. Ed por Jones NM. Elsevier. Amsterdam. (pag ). 6. Allison SP (1996) Nutrition in Medicine. A Physician s view. Danone chair monograph. 7. McGilvery RW e Goldstein GW (1983) Biochemistry. A functional approach. Ed. por WB Saunders Company. Philadelphia. 8. Coward WA (1988) The doubly-labelled water (2H2 18 O) method: principles and practice. Proc Nutr Soc. 47: Jequier E e Tappy L (1999) Regulation of body weight in humans. Physiol Rev 49: The Body Composition Laboratory at the Children's Nutrition Research Center in Texas. Disponível em: Guyton AC e Hall JE (1996) Textboob of Medical Physiology. 9ª Ed. Ed. por WB WB Saunders Company. Philadelphia. O autor agradece antecipadamente todas as críticas que quiserem fazer a este texto (rui.fontes@mail.telepac.pt) e em particular agradece as críticas feitas pela professora Isabel Azevedo. Março-Abril de 2003 Rui Fontes Página 10 de 10