La calorimetria per misurare il dispendio energetico

Nella fisiologia dello sport  vi è la necessità di stimare o di misurare la quantità di energia spesa durante l’esecuzione di un esercizio fisico. Ciò è utile per vari motivi. Grazie all’approfondimento di queste tematiche è stato possibile determinare il costo energetico per un’ampia gamma di attività fisiche. Conoscere il dispendio calorico per singole attività è inoltre utile ai fini del controllo del peso corporeo.

Come si fa a misurare il dispendio energetico? Si parte dal presupposto che solo il 40% dell’energia liberata durante il metabolismo del glucosio e dei grassi è impiegato per la produzione di energia (ATP). Il rimanente 60% viene convertito in calore. Dunque misurando la produzione di calore si può risalire al dispendio energetico. La misurazione del calore prodotto da un organismo si chiama calorimetria.

La calorimetria diretta: la camera calorimetrica

Attraverso la calorimetria non solo è possibile misurare il dispendio calorico ma si può conoscere anche il tipo di combustibile o di substrato utilizzato dai muscoli durante l’esercizio. La calorimetria è definita come la misurazione della produzione di calore (di solito espressa in calorie). La misurazione effettiva della produzione di calore da parte del corpo è denominata “calorimetria diretta” e può essere utilizzata per valutare il metabolismo  a riposo (metabolismo basale). Il calore prodotto dal corpo può essere misurato attraverso appositi rivelatori di calore mentre il soggetto vive all’interno di una camera calorimetrica. Queste camere sono estremamente costose e, quindi, non sono accessibili alla gran parte dei medici e degli operatori sanitari.  Diciamo pure che il loro uso rimane confinato in un ambito di ricerca. Scrive Jack H. Wilmore parlando della camera calorimetrica:

Si tratta di una stanza isolata ed ermetica; nelle pareti sono disposti tubi di rame per fare circolare dell’acqua. Quando il soggetto prende posto all’interno della stanza, il calore prodotto dall’organismo si irradia sulle pareti e riscalda l’acqua. Vengono registrate le variazioni della temperatura dell’acqua, nonché la differenza di temperatura dell’aria che entra e di quella che esce dalla stanza con la respirazione del soggetto. Tali variazioni sono dovute al calore prodotto dall’organismo ed il metabolismo del soggetto può essere calcolato proprio dai valori delle misurazioni effettuate…

Con questo tipo di calorimetro si misura il dispendio energetico totale dell’organismo ma non si possono seguire eventuali variazioni repentine nel rilascio di energia perciò questa metodica non consente di studiare il metabolismo energetico nel corso di un esercizio fisico intenso. Ed è qui che subentra la calorimetria indiretta.

La calorimetria indiretta

La calorimetria indiretta è di gran lunga il metodo più comunemente usato per la stima del metabolismo basale a partire dalla conoscenza del consumo di ossigeno. Si basa sull’osservazione che l’ossigeno viene consumato dal corpo per produrre energia quando i muscoli stanno lavorando. Esiste una relazione diretta tra la quantità di ossigeno consumata e la quantità di calore prodotta. Quindi, misurando il consumo di ossigeno attraverso la calorimetria indiretta possiamo ottenere una buona stima del metabolismo basale o del dispendio energetico legato ad una specifica attività.

Con la sigla VO2 si indica il volume di ossigeno e più precisamente i millilitri di ossigeno consumati per ogni minuto. Applicando questa metodica si può notare un significativo aumento  del consumo di ossigeno quando si passa da uno stato di riposo all’esecuzione di un esercizio massimale ad una determinata intensità.  Al fine di misurare il consumo massimo di ossigeno, che è il gold standard per la valutazione della fitness cardiovascolare di un individuo, questi deve completare un test di allenamento graduale fino a raggiungere l’esaurimento. Questo test è condotto generalmente su un tapis roulant o su un cicloergometro ed inizia con un carico di lavoro molto leggero. L’intensità viene aumentata ogni due o tre minuti fino a quando la persona si trova in condizioni di non poter andare oltre. È a questo punto che il test finisce. Il consumo di ossigeno viene misurato alla fine di ogni stadio e viene rapportato al carico di lavoro. Il consumo di ossigeno aumenta linearmente con l’aumento del carico di lavoro fino al raggiungimento del VO2 max .

È interessante notare che un adattamento fisiologico associato agli sport di endurance è  proprio l’aumento del VO2 max. La ragione di questo aumento ha a che fare con gli adattamenti cardiovascolari e con il miglior utilizzo dell’ossigeno da parte dei mitocondri delle cellule muscolari. Le attività di resistenza o aerobiche che reclutano una grande massa muscolare per un periodo prolungato portano ad avere atleti con i valori più alti  di VO2 max. Ne sono esempio gli sciatori di fondo e i corridori sulle lunghe distanze.

Il quoziente respiratorio

Oltre a misurare il consumo di ossigeno la calorimetria indiretta  ci consente di misurare la quantità o il volume di anidride carbonica prodotta dall’organismo. Questo dato, unito al valore del consumo di ossigeno, ci consente di calcolare il quoziente respiratorio (QR o RER, Respiratory Exchange Ratio). Si tratta di un indice che si ricava dal rapporto tra il volume di anidride carbonica prodotta diviso per il volume di ossigeno consumato ed è in grado di  fornire preziose informazioni sul tipo di carburante o substrato utilizzato dai muscoli durante l’esercizio. Ad esempio, se stai bruciando solo grasso il tuo quoziente respiratorio sarà pari a 0,70. Se stai bruciando solo carboidrati  il tuo quoziente respiratorio sarà 1,0. Si tratta di informazioni preziose per medici, ricercatori ed atleti.

Ma perché 0,7 oppure 1,0? Abbiamo detto che il quoziente respiratorio è dato dal rapporto tra il volume di anidride carbonica prodotta ed il volume di ossigeno consumato. In genere il volume di ossigeno necessario per la completa ossidazione di una molecola di carboidrato o di grasso è proporzionale al contenuto di carbonio della molecola. Il glucosio, la cui formula è C6H12O6, contiene 6 atomi di carbonio e la sua combustione richiede 6 molecole di ossigeno e produce 6 molecole di CO2.  Se 6 sono le molecole di ossigeno e 6 sono quelle di anidride carbonica si comprende perché il QR sia pari a 1 quando ossidiamo solo glucosio.

Al contrario del glucosio, gli acidi grassi liberi contengono molto più carbonio e idrogeno ma meno ossigeno. Così ad esempio l’ossidazione dell’acido palmitico richiede 23 molecole di ossigeno e produce 16 molecole di anidride carbonica. Provate a calcolare il rapporto 16/23 e vedrete che fa proprio 0,7.

Sport di endurance e capacità di ossidare i grassi

Grazie a queste informazioni i ricercatori hanno stabilito che i carboidrati sono utilizzati in misura maggiore rispetto ai grassi per attività di sprint e ad alta potenza mentre l’uso di grassi è preferito per gli atleti che praticano sport di endurance. Avete presente il fisico del maratoneta. Osservate quelli che praticano le ultramaratone. Conoscete Giorgio Calacaterra? Se non lo conoscete andate a ricercarlo su internet. Sul suo corpo grasso non ce n’è. Giorgio Calacaterra si allena correndo una maratona al giorno e la sua efficienza lipolitica è alla massima potenza. Il suo metabolismo ossida i grassi con estrema efficienza.

 

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