Il quoziente respiratorio

Il quoziente respiratorio QR o (RQ) è un importante indice utilizzato in dietologia e nella medicina sperimentale che indica con una sufficiente approssimazione, rispettivamente, sia la composizione degli ultimi pasti, sia la composizione dei substrati energetici ossidati durante diverse attività fisiche. Il quoziente respitario assume valori compresi tra 0.696 e 1 (anche se nella pratica può assumere valori di poco superiori all'unità) in quanto calcola il rapporto istantaneo tra il volume di anidride carbonica espirata e il volume di ossigeno inspirato dal soggetto.

QR = VCO2VO2

Nella pratica, un soggetto a riposo, in condizioni fisiologiche e in uno stato di digiuno, registra un QR compreso nell'intervallo 4.8 - 4.9 (in media 4.83) che indica un consumo di substrati energetici compatibili con un'alimentazione normocalorica e normoripartita.
Tuttavia, occorre capire quali sono le condizioni che determinano i limiti di questo rapporto.

Da un punto di vista biochimico è possibile ottenere lo stesso valore di quoziente respiratorio se, in base alla legge di Avogadro, anziché il volume di gas, si rapportano le moli di CO2 prodotte dalla combustione di substrato di riferimento con le moli di O2 necessario per far avvenire la reazione.

Se prendiamo in considerazione il glucosio (C6H12O6) ovvero il principale substrato energetico utilizzabile da tutte le cellule dell'organismo, ma prevalentemente utilizzato nel meccanismo anaerobico di produzione dell'energia, l'ossidazione completa di una mole di glucosio (circa 180 g) darà luogo a 6 moli di CO2 a fronte di 6 moli di O2, come indicato dalla seguente reazione:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 678 kcal

QR = 6 CO / 6 O2 = 1

Il ragionamento è analogo con il più comune grasso di deposito, cioè l'acido palmitico, indicato dalla seguente formula bruta: C16H32O2. L'ossidazione completa di una mole di acido palmitico (256.43 g) darà luogo a 16 moli di CO2 a fronte di 23 moli di O2, come indicato dalla seguente reazione:

C16H32O2 + 23 O2 → 16 CO2 + 16 H2O + 2410 kcal

QR = 16 CO2/ 23 O2 = 0.696

La definizione degli amminoacidi impiegati a fini energetici è più complessa in quanto non tutti partecipano allo stesso modo e ciascuno, come avviene per i lipidi, dà luogo ad un QR caratteristico. Tuttavia, per fini didattici è di seguito riportata la combustione di una mole di albumina, l'amminoacido più abbondante del sangue:

C72H112N2O22S + 77 O2 → 63 CO2 + 38 H2O + SO3 + 9 CO(NH2)2 + 7693 kcal

QR = 63 CO2/ 77 O2 = 0.818

L'ultimo substrato degradabile esaminata è l'etanolo, la cui completa ossidazione è mostrata di seguito:

C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O + 327 kcal

QR = 63 CO2/ 77 O2 = 0.667

Definiti i limiti e i valori parziali di QR, è possibile esprimere il quoziente respiratorio in funzione del contributo energetico di due sostanze nutrienti, ad esempio i carboidrati (c%) e le proteine (p%) come mostrato nell'equazione seguente:

QR = 0.3c% + 0.12p% + 0.7 (1)

Nella condizione ad esempio di riposo definita all'inizio, un cui è molto probabile ossidare un mix energetico derivante al 40% dai carboidrati, al 50% dai grassi e al 10% dalle proteine, in base alla (1) si ricava un QR di 0.832, molto simile ai valori misurati con l'analisi dei gas che, tuttavia, non considera il contributo energetico delle proteine.
il QR aproteico, per quanto riguarda l'analisi del metabolismo basale, dovrebbe essere corretto dall'utilizzo effettivo di amminoacidi, mentre per quanto riguarda i principali test cardiopolmonari di laboratorio, può essere non considerato in quanto la durata dello sforzo crescente ha una durata di poche decine di minuti e si presume che il soggetto sia nelle migliori condizioni energetiche.

Durante la corsa, in particolare in quella di lunga durata o ad alta intensità, il contributo proteico non è minimale a causa dell'elevata gluconeogenesi conseguente l'esercizio protratto nel tempo che è svolto sia a basse concentranzioni glicolitiche (muscolari ma principalmente epatiche) sia ad alta intensità. In queste condizioni si verifica lo stimolo ipofisario sull'asse ipotalamo cortico-surrenalico, potenziando l'adrenalina e stimolando il rilascio di glucocorticoidi (cortisolo) il principale ormone iperglicemizzante. Verosimilmente, in una gara di maratona, dove il soggetto ha le scorte di glicogeno depauperate solo del riscaldamento pregara, il contributo ai fini energetici degli amminoacidi passa dal 5% alla partenza, all' 8 - 10% dai 40 ai 60 minuti per arrivare, negli ultimi chilometri, a circa il 20%, quando le scorte glicolitiche sono prossime all'esaurimento.

Il legame tra il quoziente respiratorio (QR)
e l'equivalente calorico dell'ossigeno (EC)

il quoziente respiratorio, come precedentemente specificato, aiuta ad individuare sia il tipo di metabolismo impiegato, sia, l'efficienza delle sue reazioni. Se, ad esempio, un soggetto sano a riposo mostra un QR > 1 cioè se mostra una perdita di proporzionalità tra la produzione di CO2 sull'O2 consumato, può voler indicare una eccessiva produzione di CO2, la quale viene eliminata per gradiente di concentrazione, a causa di un eccesso di piruvato che per decarbossilazione ossidativa perde una molecola di CO2, che diffonde nel sangue, accumulando Acetil Coenzima A.

Sulla base dell'analisi stechiometrica delle precedenti formule è possibili risalire all'equivalente calorico dell'ossigeno di ciascun substrato come riassunto nelle due tabella seguenti:

Substrato	Energia prodotta	O2 consumato	CO2 prodotta	H2O prodotta	Vol 1 mole di gas	Vol 1 mole di H2O
	kcal	moli	moli	moli	litri	litri
Glucidi	678	6	6	6	22.4	0.018
Lipidi	2410	23	16	16	22.4	0.018
Proteine	7692.61	77	63	38	22.4	0.018
Etanolo	326.59	3	2	3	22.4	0.018

Substrato	Vol di O2 consumato	Vol di CO2 prodotta	Vol di H2O prodotta	Massa molare	O2 consumato specifico	CO2 prodotta specifica	H2O prodotta specifica	Equivalente calorico EC	QR
	litri	litri	litri	g/mol	litri/g	ml/g	ml/g	kcal/lO2
Glucidi	134.4	134.4	0.108	180.16	0.746	0.746	0.60	5.045	1.00
Lipidi	515.2	358.4	0.288	256.43	2.009	1.398	1.12	4.68	0.696
Proteine	1724.8	1411.2	0.684	66000	0.026	0.021	0.01	4.46	0.818
Etanolo	67.2	44.8	0.054	46.07	1.459	0.972	1.17	4.86	0.667

in maniera analoga a quanto fatto con il QR, è possibile ottenere una formula generale dell'EC in funzione della quota energetica dei substrati considerati:

EC = 0.361C% - 0.206P% + 4.686 (2)

Come mostrano le ultime due colonne della precedente tabella, il legame tra QR ed EC può essere determinato dalla seguente relazione termodinamica:

EC = K * QR (3)

Dove il valore di K è rappresentato dalla seguente equazione:

k = (4686 + 361c% - 206p%)(20 (35 + 15c% + 6p%)) (4)

Dalla (1) è inoltre possibile ricavare il valore della quota di energia derivante dai carboidrati impiegati, ade esempio, durante la corsa, la cui intensità à data, in questo caso, dal quoziente respiratorio, come mostrato dalla seguente equazione:

C% = (50*QR - 6P% - 35)15 (5)

Dalla (5) si nota come per valori di QR unitari e non considerando il contributo a fini energetici delle proteine (P% = 0) il contributo a fini energetici dei carboidrati è pari al 100%.

Per regimi sotto massimali, in cui il contributo del meccanismo anaerobico lattacido non è al massimo, cioè in cui la (5) assume valori inferiori a 1, può essere utile considerare un EC dipendente dall'effettivo consumo di ossigeno, dipendente a sua volta da un maggiore utilizzo degli acidi grassi, sia liberi, sia accumulati nei tessuti o nei trigliceridi.

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