Equilíbrio energético Calorimetria animal

Transcrição

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 nurientes (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 (nutrientes 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. Quando aumenta a velocidade de conversão do ATP em ADP a velocidade de oxidação dos nutrientes aumenta e, porque implica a conversão de ADP em ATP, mantém-se 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) Página 1 de 15

2 Fig. 1: A energia libertada na oxidação de um mole de glicose é igual numa lareira e num ser vivo porque são idênticos os produtos e os reagentes. 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 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 (ver Fig. 1). Para medir a energia libertada durante a oxidação dos nutrientes 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 pode (e deve no presente contexto) 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 concentrações destes intermediários (em que os casos mais flagrantes são o ácido láctico durante o exercício anaeróbio e os corpos cetónicos durante o jejum), 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. Página 2 de 15

3 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 (ver Fig. 2). A existência de produtos azotados não completamente oxidados na urina mostra que a analogia entre o animal inteiro e 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 Fig. 2: Se num dia, um indivíduo consumir 300 g de glicídeos, 100 g de lipídeos, 25 g de proteínas e 21 moles de O 2 produzindo 18 moles de CO 2 e água e cerca de 8 g de produtos azotados urinários o calor produzido é o que corresponde à diferença entre a entalpia dos reagentes consumidos e a dos produtos. oxidativo das proteínas (e aminoácidos) não é igual no ser vivo e na lareira porque os 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 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 3 de 15

4 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 (Fig. 3). 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 Fig. 3: A diferença entre o somatório das entalpias dos intermediários da lipogénese necessários para formar um mole de estearato e do O 2 para oxidar estes intermediários e o somatório da entalpias da água e CO 2 que se formam na oxidação desses intermediários é o calor que se liberta na oxidação desses intermediários. Se o processo contrário pudesse ocorrer o calor consumido teria o mesmo valor: no processo cíclico representado pelas setas laranja e azul clara o calor envolvido é nulo. Quando 6 moles de glicose se consomem e, simultaneamente, se forma 1 mole de estearato o calor libertado nestas transformações pode, simplesmente, ser calculado subtraindo o calor libertado na oxidação da glicose (4032 kcal) ao que se liberta na oxidação de um mole de estearato (2700 kcal). formulado atrás: H1+ H2+ Hx- Hx+ H3 = H1+ H2+ H3. O H correspondente à oxidação de 6 moles de glicose é kcal ( H1+ H2+ Hx) e ao de oxidação do estearato é kcal 2. O H correspondente a uma reacção que transformasse CO 2 e H 2 O em estearato e O 2 (processo antioxidativo ) 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). 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 4 de 15

5 Fig. 4: Se dentro do calorímetro um indivíduo elevar a energia potencial gravítica de um objecto essa energia potencial gravítica só se transforma em calor (que pode ser medido pelo calorímetro) quando o objecto regressa à posição origina. De qualquer forma, o valor da energia envolvida no exemplo é muito pequeno em comparação com o que consome um homem de 70 kg de peso para se manter vivo durante um minuto (cerca de 1 kcal mn -1 ). 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 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 (Fig. 4). 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 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 5 de 15

6 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 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 Fig. 5: Todos os tipo de energia envolvidos nos processos dos órgãos internos acabam por se transformar totalmente em calor. que foi explicado acima (Fig. 5). 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 à diferença de carga entre as duas faces da membrana celular acaba por se transformar na energia cinética do movimento dos iões através dos canais iónicos 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 nutrientes num ser vivo pode ser medida por calorimetria directa. Página 6 de 15

7 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). Fig. 6: A despesa energética é o calor que o indivíduo liberta e que resulta dos seus processos oxidativos. Um indivíduo está em balanço energético nulo quando a despesa energética é igual à energia metabolizável dos alimentos. O valor da energia metabolizável dos alimentos é, em geral, uma parte substancial do valor da energia que poderia ser obtida se os alimentos ingeridos fossem queimados num calorímetro (energia total) mas, uma parte variável é energia não metabolizável. Página 7 de 15 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 esta condição está também associada a expressão balanço energético nulo (Fig. 6). 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. Já foi referido o motivo porque, no caso das proteínas, existe uma parte da energia que é não metabolizável. Uma outra parte da fracção não metabolizável da energia dos alimentos corresponde à energia dos alimentos que não são absorvidos quer porque não existem enzimas digestivas apropriadas (caso da celulose e outras fibras), quer porque, dependendo da sua preparação (forma de cozinhar), têm digestão e absorção incompleta. Além disso uma pequena parte dos nutrientes absorvidos perde-se para o meio exterior sem sofrer oxidação: é o caso do etanol (que em parte se perde no ar expirado e na urina) e o caso dos nutrientes contidos na pele que descama assim como nos cabelos e nas unhas que crescem. Quando o valor da despesa energética coincide com a energia metabolizável dos alimentos o valor da energia não metabolizável dos alimentos corresponde à energia que pode ser obtida por

8 oxidação completa (num calorímetro) das fezes, da urina, do ar expirado, da pele que descama, dos cabelos e das unhas. Porque parte dos nutrientes ingeridos não sofre oxidação nos animais o valor, em kcal/grama, da energia metabolizável dos nutrientes ingeridos (também designado de valor calórico fisiológico) é mais baixo que o dos nutrientes endógenos. Arredondando números é costume apontarem-se os valores médios de 9, 7, 4 e 4 kcal/grama 4 para os lipídeos, o etanol, as proteínas e os 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 energético 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 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 Fig. 7: A medição da despesa energética pela técnica da calorimetria indirecta exige que o indivíduo respire para uma máscara de modo a permitir dosear o O 2 consumido e o CO 2 produzido. 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 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 8 de 15

9 Página 9 de 15 Equilibrio Energético calorimetria animal Rui Fontes variáveis (ver Fig. 7). 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 (de oxidação) dos componentes do organismo acumulados; se a energia total dos componentes do organismo diminuir significa que a despesa foi maior no valor correspondente à diminuição da energia desses componentes. De facto, 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 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. A quantidade de proteínas oxidadas num determinado período de tempo pode ser estimada doseando o azoto eliminado na urina durante esse período de tempo. 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

10 Página 10 de 15 Equilibrio Energético calorimetria animal Rui Fontes 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). Se estivermos na posse de resultados obtidos por calorimetria indirecta (O 2 consumido e CO 2 produzido num determinado intervalo de tempo) e tivermos determinado o azoto urinário excretado no mesmo intervalo de tempo, podemos calcular a massa (em gramas) dos glicídeos, proteínas e lipídeos que foram 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 (kcal) = 4,1 Gli + 4,2 Pro + 9,3 Lip (8) Quociente Respiratório horas de exercício Fig. 8: Numa experiência realizada em 1934 (Edwards e col. Am J Physiol 108:203) foram sendo colhidos dados por calorimetria indirecta num indivíduo a correr a velocidade baixa (10 km/h; por períodos intermitentes de 25 min, intervalados de 5 min de descanso, durante 6 horas). A experiência iniciou-se após uma refeição rica em glicídeos e os resultados obtidos mostraram que a razão entre o volume de CO2 produzido e o de O2 consumido (Quociente Respiratório) baixou de quase 1, aproximando-se de 0,7, à medida que os glicídeos foram sendo substituídos pelos lipídeos como fontes de energia. 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 (Fig. 8). 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 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

11 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 (Fig. 9). 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 Fig. 9: A balança é o principal (mas não o único) instrumento para averiguar se um indivíduo está em balanço energético nulo, positivo ou negativo. Para a determinação da composição corporal e da massa dos diferentes compartimentos do organismo podem usar-se vários métodos. 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 Página 11 de 15

12 Página 12 de 15 Equilibrio Energético calorimetria animal Rui Fontes 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. Fig. 10: A variação no tempo da massa dos diferentes compartimentos do organismo pode servir para saber se existe balanço energético positivo, nulo ou negativo e para quantificar o seu valor. A massa isenta de gordura contém cerca de 20% de proteínas. Sem grande erro, se compararmos dois momentos do ciclo nutricional idênticos (por exemplo, jejum de 8 horas) pode ignorar-se a variação dos glicídeos. 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 (Fig. 10). 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, tendose 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. Os mecanismos homeostáticos (nomeadamente o apetite) tendem a manter o consumo de energia nos alimentos 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 (Fig. 11). 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 Fig. 11: Quando um adulto aumenta de peso acumula gordura. A variação da massa não gorda é pequena e a maior parte do seu valor corresponde a água. 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

13 Página 13 de 15 Equilibrio Energético calorimetria animal Rui Fontes 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. Embora, no homem, seja em condições normais um factor com pouca relevância, também se pode considerar um quarto componente: a despesa energética associada à adaptação ao frio. 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. A taxa metabólica basal corresponde à velocidade de oxidação de nutrientes necessária para sustentar uma velocidade de síntese de ATP igual à velocidade de hidrólise em condições em que a velocidade de hidrólise de ATP é mínima. Cerca de 30% da taxa de metabolismo basal corresponde à actividade das bombas de Na + /K + e das bombas de Ca 2+, cerca de 30% à actividade de síntese proteica e cerca de 5% à muscular no diafragma e no coração: ou seja, cerca de 2/3 dos nutrientes oxidados em condições de medida da taxa metabólica basal servem para repor o ATP gasto nas actividades biológicas acima referidas. O 1/3 restante corresponde ao gasto de ATP na gliconeogénese, na síntese de ureia, na esterificação e nos chamados ciclos fúteis (ver à frente). O cérebro não interrompe nunca a sua actividade e apesar de só conter 2% 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 +. 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 no aumento da despesa energética basal associada ao hipertiroidismo podem estar envolvidos diferentes mecanismos. Um dos mecanismos seria o aumento da velocidade de hidrólise de ATP provocado por estimulação da actividade muscular: estas hormonas estimulam o músculo cardíaco e provocam um trémulo muscular fino contínuo. Outro efeito das hormonas tiroideias que também provoca aumento do gasto de ATP é a estimulação dos chamados ciclos fúteis metabólicos (substrate cycling). Um exemplo de um ciclo fútil metabólico que é estimulado pelas hormonas tiroideias é a conversão do piruvato em oxalacetato (carboxílase do piruvato), a redução do oxalacetato a malato (desidrogénase do malato) e a conversão do malato em piruvato pela acção da enzima málica (Petersen et al Metabolism 44: 1380). A activação deste ciclo leva a um aumento do gasto de ATP que se converte em ADP durante a acção da carboxílase do piruvato. Com a activação dos ciclos fúteis tudo se passa como se, num período mais curto de tempo, ocorressem os mesmos processos anabólicos e catabólicos que ocorreriam normalmente num período de tempo mais longo e portanto também, nestas circunstâncias aumenta a despesa energética. Um outro factor que explica o aumento da despesa

14 Página 14 de 15 Equilibrio Energético calorimetria animal Rui Fontes energética no hipertiroidismo é o afrouxamento da acoplagem entre oxidação e fosforilação nas mitocôndrias nos tecidos musculares esquelético e cardíaco. Nestes tecidos existem proteínas (Uncoupling Protein 2 e 3; UCP2 e UCP3) que permitem a passagem de protões do citoplasma para a matriz diminuindo os protões disponíveis para a síntese de ATP na síntase do ATP. As hormonas tiroideias estimulam a actividade das UCP2 e UCP3 e a manutenção do gradiente electroquímico entre as duas faces da membrana mitocondrial implica aumento da actividade da cadeia respiratória e da oxidação dos nutrientes. A acoplagem entre a fosforilação e a oxidação também está comprometida pelo facto de as hormonas tiroideias diminuírem a eficácia do complexo IV: as hormonas tiroideias diminuem a razão entre o número de protões expulsos da mitocôndria e o número de moles de oxigénio reduzidos a H 2 O. A palavra inglesa associada a este fenómeno é slip que poderia, talvez, ser traduzida por escorregar: as hormonas tiroideias fazem com que o complexo IV escorregue e não expulse os protões com a eficácia habitual. É de notar que um dos aspectos do mecanismo de adaptação ao frio é a estimulação da secreção das hormonas tiroideias que ao provocarem aumento da velocidade da oxidação dos nutrientes aumentam a velocidade de produção de calor. 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. Na base fenómeno pode estar também a estimulação da UCP2 por citocinas indutoras da febre. 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, pelo menos em parte, uma consequência do aumento da actividade metabólica associada à Fig. 12: A despesa energética total é marcadamente influenciada pela actividade física voluntária... mas não pela actividade intelectual. Considerando apenas esforço aeróbio o calor produzido pelos músculos podem aumentar mais de 20 vezes quando se realiza um trabalho duro. Pelo contrário o cérebro tem um consumo energético que é praticamente constante e não varia com o tipo de actividade. digestão, absorção, processamento e armazenamento dos nutrientes ingeridos que implicam gasto de ATP e formação de ADP. Para além disto, a ingestão de alimentos também provoca estimulação do sistema nervoso simpático que, tal como, as hormonas tiroideias também activa as UCP2, as UCP3 e o slip do complexo IV. 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.

15 A despesa energética total é marcadamente influenciada pela actividade física voluntária, mas não pela actividade intelectual (Fig. 12). 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. O tipo de combustível usado pelo músculo também varia com a intensidade do exercício. Quando se está em jejum, quer em repouso quer em exercício pouco intenso o combustível preferencial dos músculos são os ácidos gordos (ou/e os corpos cetónicos). Mas, mesmo em jejum, quando se aumenta a intensidade do exercício os combustíveis preferenciais passam a ser os glicídeos (o glicogénio do músculo e a glicose do sangue). Isto significa que, em jejum, aumentar a intensidade do exercício provoca aumento do quociente respiratório que se aproxima de 1. Ao contrário do que acontece no caso do exercício muscular, a actividade cerebral é contínua e o gasto do cérebro não aumenta com o esforço intelectual. 4 - Bibliografia 1. 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. 2. Crabtree B e Taylor DJ (1979) Thermodynamics and metabolism in Biochemical Thermodynamics. Ed por Jones NM. Elsevier. Amsterdam. (pag ). 3. Allison SP (1996) Nutrition in Medicine. A Physician s view. Danone chair monograph. 4. McGilvery RW e Goldstein GW (1983) Biochemistry. A functional approach. Ed. por WB Saunders Company. Philadelphia. 5. 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: 8. Guyton AC e Hall JE (1996) Textboob of Medical Physiology. 9ª Ed. Ed. por WB WB Saunders Company. Philadelphia. 9. Jezek P. (2002) Possible physiological roles of mitochondrial uncoupling proteins-ucpn. Int J Biochem Cell Biol. 34: 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. Este texto teve uma primeira versão em Março-Abril de Foi sendo revisto sendo a última revisão de Abril de Rui Fontes Página 15 de 15