TEMA 2: TERMODINÁMICA Y BIOENERGÉTICA.
Nociones básicas de termodinámica aplicados a la nutrición
Formas de conocer el gasto energético de un individuo
Componentes del gasto energético
4. Ejercicios
Nociones básicas de termodinámica aplicados a la nutrición
La Termodinámica: Es la ciencia que estudia las transformaciones de energía.
La energía se puede medir en Joule: SI (julios) o calorías: alimentos.
Una kilocaloría es la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado de temperatura (de 14.5 ºC a 15.5 ºC), un kilo de agua a 1 atm de presión.
La relación entre kcal-joule es:
1 kcal = 4,186 (4,2) kJ
1 kJ = 0,239 (0,24) kcal
Aplicado a la nutrición, la kilocaloría mide la energía liberada por los alimentos cuando estos son metabolizados a nivel celular mediante una reacción de combustión.
H C + O2 CO2 + H2O + calor
LIP + O2 CO2 + H20 + calor
PROT + O2 CO + H2O + calor + N2
Leyes de la termodinámica:
● 1ª ley (ley de Lavoissier) → la energía ni se crea ni se destruye, se transforma.
Aplicación a la nutrición: Los alimentos me aportan energía química que está contenida en los enlaces moleculares de los lípidos, proteínas e hidratos de carbono. Esta energía química puede ser transformada en energía térmica (temperatura corporal), energía mecánica (movimiento) y energía eléctrica (sistema nervioso).
Energía bruta
● 2ª ley → No toda la energía es útil. Aplicación a la nutrición: hay una determinada energía que podrían aportarme los alimentos pero que no aprovecho porque no digiero completamente el alimento y lo elimino con las heces:
Energía total alimentos - Energía no digerible = Energía metabolizable
De lo digerido y absorbido (energía metabolizable) además, hay una parte que elimino en forma de metabolitos. Estos metabolitos contienen energía potencial que no llego a liberar a nivel celular sino que los elimino en su gran mayoría por vía renal: Energía perdida por orina
Energía no digerible + Energía perdida por orina (+ células descamadas)= Energía inútil
● 3ª ley → Existe una cantidad de energía disponible para transformarse en trabajo útil.
La energía útil se utiliza para:
Realizar las funciones vitales
Actividad física
Realizar las propias tareas de la digestión, absorción, transporte, almacenamiento y modificación de nutrientes
Calor para mantener la temperatura corporal
a) El individuo ingiere alimentos de los cuales una parte (macronutrientes) contienen una cantidad de energía química almacenada en sus enlaces moleculares. Esta energía bruta es el 100%.
b) De todos estos macronutrientes ingeridos, una parte (1 - 9%) no se digieren, por lo tanto es una energía no aprovechable o inútil ya que no llega a ser absorbida.
c) Este 91 -99% restante de los alimentos sí se digieren, pero no toda la energía que contienen va a estar disponible ya que una pequeña parte se pierde con los metabolitos nitrogenados eliminados por la orina y con las células descamadas (4 -15 %)
El resto es energía disponible que se puede utilizar para:
la propia digestión, absorción, distribución y transformación de los nutrientes (6 – 10%) EDE
las funciones vitales (GMB) y ejercicio físico (GAF) (25 - 40%, variable por act. f)
mantener la temperatura corporal (50%).
La forma mediante la cual la energía contenida en los enlaces químicos pasa a ser energía mecánica, térmica, etc. es mediante una molécula intermedia que es el ATP (adenosín trifosfato). Las células del organismo son capaces de sintetizar estas moléculas energéticas a partir de la metabolización de los macronutrientes y cuando una célula quiere llevar a cabo la actividad que le es propia, utilizará la energía química del ATP, para producir la energía específica.
Formas de conocer el gasto energético de un individuo.
En términos de dietética, nos interesa conocer cuál es el requerimiento energético de una persona para poder hacer una dieta adecuada en kilocalorías, de tal forma que exista un equilibrio entre la energía que se gasta y la que aporta la dieta.
Si la dieta no aporta suficiente cantidad de energía, el individuo puede llegar a una desnutrición.
Si la dieta aporta más cantidad de energía de la que el individuo gasta la almacenará en forma de tejido adiposo.
Existen tres formas de conocer el gasto energético:
1º Método directo: Bomba calorimétrica y Calorimetría directa
2º Método indirecto: Calorimetría indirecta
3º Método estimativo: Fórmulas.
1º Calorimetría directa.
Consiste en la medición de la cantidad de calor producido por el organismo cuando se le introduce a una persona en el interior de una cámara de calorimetría. Poco útil puesto que supone una infraestructura cara y es incómodo.
2º Calorimetría indirecta.
Consiste en la medición de los volúmenes de oxigeno que son requeridos para la oxidación de los macronutrientes o de los volúmenes de CO2 que son desprendidos en esta misma reacción.
Al medir estos volúmenes, lo que pretendemos conocer en realidad es la cantidad de calor que se produce que es proporcional al O2 y CO2.
3º Fórmulas predictivas: consiste en el cálculo mediante fórmulas en las que vamos sumando los diferentes componentes de este gasto en kcal.
La base de todas estas fórmulas es:
GET= GMB + GAf + EDE
Componentes del Gasto Energético
1º Metabolismo basal
a) Indice Metabólico Basal (Basal Metabolic Rate, BMR, GMB).
El metabolismo basal es la cantidad de energía mínima necesaria para mantener las funciones vitales del organismo en reposo. Estas funciones son la respiración, la circulación de la sangre y bombeo del corazón, la filtración renal, la actividad del sistema nervioso, el tono muscular esquelético, mantenimiento de la temperatura corporal, etc. Estas actividades son vitales, es decir no se pueden parar en ningún momento del día.
La medición del metabolismo basal de una persona se puede medir mediante calorimetría directa y debe respetar una serie de condiciones:
- Reposo físico pero el sujeto no debe estar dormido ya que durante el sueño el metabolismo basal disminuye un 10%.
- Reposo mental por lo tanto en ausencia de ruidos y cualquier otra situación que altere ese estado.
- Temperatura ambiental alrededor de 20°C y vestido con ropas ligeras.
- Ayuno. La última comida debe haber sido hecha unas 12 horas antes de la medición.
Algunas características del gasto metabólico basal son:
- es mayor en el hombre que en la mujer. La mujer tiene una mayor proporción de grasa corporal y por lo tanto menor cantidad de masa celular activa
- va disminuyendo a medida que la edad aumenta. Las personas mayores tienen también mayor cantidad de tejido adiposo que las personas jóvenes; el tejido adiposo es menos activo que el resto de masa celular.
- está aumentado durante los periodos de crecimiento rápido es decir durante los dos primeros años de vida y durante el periodo prepuberal.
b) Indice Metabólico de Reposo (RMR) (o Gasto Energético de Reposo (GER)
Se obtiene cuando se hace la medición en las mismas condiciones anteriores pero no en ayuno. De esta forma incluimos dentro de este índice el efecto térmico de los alimentos, es decir la energía necesaria para llevar a cabo las funciones de digestión y metabolismo de los nutrientes.
GER (RMR) = GMB (BMR) + EDE
En la práctica ambos gastos difieren en menos de un 10% y se suelen utilizar indistintamente, aunque actualmente se utiliza más frecuentemente el Índice o Gasto Energético de Reposo.
2º Actividad física
Otra parte del consumo energético total es el que se destina a la actividad física del día.
También se puede denominar Efecto Térmico del Ejercicio. Es el factor que mas hace variar el gasto energético total.
El valor total dependerá de la actividad que se lleva a cabo fuera de las horas de sueño. Es decir, el tener una profesión que requiera un mayor o menor trabajo físico va a condicionar un gasto energético distinto. Asimismo, el que en las horas de ocio se esté en situación sedentaria o se practique cierta actividad física o deporte, va a ser también un factor que modifique ampliamente el valor energético a lo largo del día.
El gasto energético que implica el trabajo intelectual es muy bajo.
Valores orientativos de gastos energéticos de distintas actividades físicas
En la siguiente tabla se muestra a modo de ejemplo los gastos energéticos de distintas actividades laborales y de ocio.
ACTIVIDAD
|
KCAL/KG/H
|
ACTIVIDAD
|
KCAL/KG/H
|
Ciclismo (carrera de competición)
|
7,6
|
Leer en voz alta
|
0,4
|
Ciclismo (velocidad moderada)
|
2,5
|
Remar en carrera
|
16,0
|
Encuadernar
|
0,8
|
Correr
|
7,0
|
Boxear
|
11,3
|
Serrar madera
|
5,7
|
Carpintería
|
2,3
|
Coser a mano
|
0,4
|
Tocar el violonchelo
|
1,3
|
Coser, con máquina de pedal
|
0,6
|
Croket
|
0,4
|
Coser, con máquina de motor
|
0,4
|
Bailar foxtrot
|
3,8
|
Hacer zapatos
|
1,0
|
Bailar vals
|
3,0
|
Cantar en voz alta
|
0,8
|
Fregar platos
|
1,0
|
Estar sentado tranquilamente
|
0,4
|
Vestirse y desvertirse
|
0,7
|
Patinar
|
3,5
|
Conducir un automóvil
|
0,9
|
Estar de pie, en atención
|
0,6
|
Comer
|
0,4
|
Estar de pie, relajado
|
0,5
|
Esgrima
|
7,3
|
Mampostería
|
4,7
|
Cabalgar paseando
|
1,4
|
Barrer con escoba suelo liso
|
1,4
|
Cabalgar a trote
|
4,3
|
Barrer con aparato manual una alfombra
|
1,6
|
Cabalgar a galope
|
6,7
|
Barrer con aspirador eléctrico
|
2,7
|
Planchar (planchado de 2,5 kg de peso)
|
1,0
|
Natación (2 mph)
|
7,9
|
Tricotar un sueter
|
0,7
|
Sastrería
|
0,9
|
Lavar ropa ligera
|
1,3
|
Mecanografiar rápidamente
|
1,0
|
Yacer quieto, despierto
|
0,1
|
Tocar la viola
|
0,6
|
Tocar el órgano (30-40% de energía de trabajo normal)
|
1,5
|
Caminar (5 km/h)
|
2,0
|
Pintar mobiliario
|
1,5
|
Caminar rápidamente (6,5 km/h)
|
3,4
|
Pelar patatas
|
0,6
|
Caminar a alta velocidad (8,5 km/h)
|
9,3
|
Jugar al ping-pong
|
4,4
|
Caminar escaleras abajo
|
1
|
Tocar el piano (canciones de Mendelssohn)
|
0,8
|
Caminar escaleras arriba
|
2
|
Tocar el piano (la "Apasionata" de Beethoven)
|
1,4
|
Fregar suelos
|
1,2
|
Tocar el piano (la "Tarantela" de Liszt)
|
2,0
|
Escribir
|
0,4
|
1 Se consideran 0,012 kcal/kg para una escalera ordinaria con 15 escalones, sin tener en cuenta el tiempo utilizado.
2 Se consideran 0,036 kcal/kg para una escalera ordinaria con 15 escalones, sin tener en cuenta el tiempo utilizado.
|
|
Extracto de la tabla de Taylor y McLeod (1949) sobre gastos energéticos por encima del nivel basal en actividades físicas concretas.
|
3º Efecto térmico de los alimentos
También denominada "Termogénesis postprandial", Efecto dinámico especifico o Efecto termogénico de los alimentos. Representa el tercer componente del gasto energético y constituye el gasto energético que ocurre tras la ingestión de una comida. Comprende la energía necesaria para digerir, absorber, transportar, metabolizar y almacenar los nutrientes obtenidos. Este gasto energético oscila alrededor del 5-10% (7,5 % de media), aunque esto va a depender de la composición en macronutrientes de la dieta.
El macronutriente que gasta mayor cantidad de kilocalorías en su utilización son las proteínas, el efecto térmico en este caso es muy elevado, del orden del 24% de la energía disponible de la proteína alimentaria.
Como media de Gasto Energético Total, se puede establecer:
♀ El gasto energético total de una mujer es aproximadamente 2300 kcal de las cuales 1400 kcal corresponden a la suma del metabolismo basal y el efecto térmico de los alimentos y las 900 kcal restantes corresponderían a la actividad física.
♂ Get = 2800 kcal de las cuales 1800 correspondería al met basal + eta y el resto, unas 1000 a la actividad física.
Fórmulas para el cálculo del gasto calórico total
GET = GMB + GAF + EDE
De forma rápida:
GET= GMB* 0,041
Cada uno de los subtotales se podría calcular de la siguiente manera:
varones:
MB(kcal/h)=1P(kg),
mujeres :
MB(kcal/h)= 0,9P(kg).
1. Cálculo del Gasto Metabólico Basal
a) Fórmula de HARRIS y BENEDICT (GMB)
Hombre MB= 66,47 + (13,75 x P) + (5 x A) – (6,75 x E)
Mujer MB= 655,0 + (9,56 x P) + (1,85 x A) – (4,7 x E)
P= Peso en kg / A= Altura en cm. / E= Edad en años.
b) Fórmula de la FAO/OMS (GMB)
Hombre MB = (11,3 x peso) + (16 x talla) + 901
Mujer MB = (8,7 x peso) + (25 x talla) + 865
Peso =expresado en kg / Talla = expresada en m.
2. Cálculo del Gasto Energético de Reposo
c) Fórmulas OMS. (GER) Peso: en Kg
Sexo y rango de edad
|
Ecuación para el cálculo de GER (kcal/día)
|
|
|
Hombres
|
0-3
3-10
10-18
18-30
30-60
>60
|
(60,9 x p) -54
(22,7 x p) + 495
(17,5 x p) + 651
(15,3 x p) + 679
(11,6 x p) + 879
(13,5 x p) + 487
|
|
|
Mujeres
|
0-3
3-10
10-18
18-30
30-60
>60
|
(61,0 x p) -51
(22,5 x p) + 499
(12,2 x p) +746
(14,7 x p) + 496
(8,7 x p) + 829
(10,5 x p) + 596
|
|
|
Ejemplo de GMB y GER.
El metabolismo basal posible de una mujer de 45 años que pesa 55 kg y mide 1,60 m puede ser calculado de la siguiente manera:
Fórmula de Harris y Benedict
|
1.265 kcal/día
|
Fórmula FAO/OMS
|
1.383,5 kcal/día
|
OMS (GER)
|
1.307 kcal/día
|
Los dos primeros resultados se refieren exclusivamente al gasto metabólico basal y el tercer resultado incluye además el efecto térmico de los alimentos.
3. Cálculo del Gasto energético por actividad física.
Rápido:
Harris Benedict propone los siguientes factores por actividad física:
Sedentario (poco o nada ejercicio): TMB x 1,2
Levemente activo (ejercicios livianos, deporte 1-3 veces por semana): TMB x1.375
Moderadamente activo (ejercicio moderado, deporte 3-5 veces por semana): TMB x 1,55
Muy activo (ejercicios intensos, deporte 6-7 días por semana) TMB x 1,725
Hiperactivo (ejercicios muy intensos, trabajo físico, 2 horas diarias o más de deporte): TMB x 1.9
Se podría calcular el gasto energético por actividad física multiplicando el tiempo que dura una actividad concreta por el peso y por el factor de actividad física de Taylor y Mc Leod.
Ejemplo: De esta forma una persona de 50 kilos gastaría en hacer footing durante ½ hora:
0.5 horas * 50 kilos * 7 (factor correr Taylo y Mc Leod)= 175 kcal
SI desglosamos todas las actividades realizadas durante un día (24 horas) podríamos calcular el gasto energético total por actividad física.
4. Cálculo del EDE
Al considerarse el EDE entre el 5 y el 10 % de la ingesta total, podemos establecer un número intermedio para realizar el cálculo.
EDE = 7,5 % del VCT
Solamente podremos calcular el EDE en el caso de que conozcamos la ingesta calórica diaria de la persona.
Ejemplo: En una ingesta de 2500 kcal
EDE = 7,5 * 2500
100 ------------ 2500 x = ( 2500 * 7.5 ) / 100 = 187,5 kcal
7,5 ------------ x
Comer 2500 kcal supone un gasto por termogénesis postprandial de 187.5 kcal.
A efectos prácticos para calcular el gasto energético total se recomienda utilizar las fórmulas de gastos energéticos de reposo teniendo en cuenta los valores de actividad física representativos de las distintas actividades físicas, esto es el factor GER de actividad física.
De esta manera simplificamos algo los cálculos ya que incluimos dos subtotales (GMB+EDE) en uno (GER)
Se trata de sustituir la siguiente fórmula:
GET = GMB + GAF + EDE
Por esta otra:
GET = GER * Factor AF
Factor de Actividad física
Categoría de actividad
|
Valor representativo del factor de actividad por unidad de tiempo
|
Reposo:
Sueño, tendido.
|
GER x 1,0
|
Muy ligera:
Actividades que se hacen sentado o de pie, como pintar, conducir, trabajo de laboratorio, escribir a máquina, planchar, cocinar, jugar a las cartas, tocar un instrumento musical.
|
GER x 1,5
|
Ligera:
Caminar sobre superficie plana a 4 - 5 km/h, trabajo de taller, instalaciones eléctricas, carpintería, camarera, limpieza doméstica, cuidado de niños, golf, vela, tenis de mesa.
|
GER x 2,5
|
Moderada:
Caminar a 5,5 - 6,5 km/h, arrancar hierba y cavar, transportar una carga, bicicleta, esquí, tenis, baile.
|
GER x 5,0
|
Intensa:
Caminar con carga cuesta arriba, cortar árboles, cavar con fuerza, baloncesto, escalada, fútbol, rugby.
|
GER x 7,0
|
|
Consumo calórico aproximado para varias actividades, en relación con las necesidades basales, para varones y mujeres de talla media2
|
Cálculo del Factor de Actividad física compensado
PASO 1: CÁLCULO DEL FACTOR DE ACTIVIDAD
|
Actividad como múltiplo del GER
|
Día muy sedentario
|
Día muy activo
|
Duración (h)
|
Factor GER compensado
|
Duración (h)
|
Factor GER compensado
|
Reposo: 1,0
Muy ligero: 1,5
Ligero: 2,5
Moderado: 5,0
Intenso: 7,0
|
10
12
2
0
0
|
10,0
18,0
5,0
0
0
|
8
8
4
2
2
|
8,0
12,0
10,0
10,0
14,0
|
TOTAL
|
24
|
33,0
|
24
|
54,0
|
MEDIA
|
|
1,375
|
|
2,25
|
PASO 2: CÁLCULO DEL REQUERIMIENTO CALÓRICO (KCAL/DÍA)
|
Sexo
|
Consumo de energía en reposo
|
Día muy sedentario
(GER x 1,375)
|
Día muy activo
(GER x 2,25)
|
Masculino: 70 kg
Femenino: 58 kg
|
1.750
1.350
|
2.406
1.856
|
3.938
3.038
|
2.7 Ejercicios
Calcula el Gasto Energético total de la siguiente persona:
Datos personales:
Sexo: Mujer
Edad: 35 años
Talla: 170 cm
Peso: 63 kg
La ingesta calórica habitual de esta persona es de 2.500 kcal, pero no sabemos si su ingesta es la adecuada en cuanto a energía aportada o no. Vamos a tratar de averiguarlo.
El desglose de las actividades físicas diarias que realiza esta persona es el siguiente:
- Vestirse y desvestirse: 1 hora y 45 minutos
- Dormir: 7 horas
- Conducir: 1 hora y 30 minutos
- Comer: 2 horas
- Estar sentado tranquilamente: 4 horas
- Mecanografiar: 3 horas y 45 minutos
- Caminar: 2 horas
- Escribir: 2 horas
Nota 1: Utiliza la fórmula de Harrys y Benedict para calcular el Metabolismo Basal.
Nota 2: Utilizar la tabla de Taylor y Mc Leod. (Fórmula larga)
Solución: GET= GMB+GAF+EDE
Primer paso: Cálculo del GMB
En primer lugar se debe calcular el metabolismo basal. Para ello se aplica la fórmula de H. B:
MB ♀ = 655,0 + (9,56 x P) + (1,85 x A) – (4,7 x E) (A en cm)
MB ♀ = 655,0 + (9,56 x 63) + (1,85 x 170) – (4,7 x 35) = 1.407,28 kcal
GMB = 1407,28 kcal
Segundo paso: Cálculo del Gasto por actividad física
A continuación, se calcula el gasto energético a través de la actividad física utilizando para ello
la tabla de Taylor y Mc Leod.
Vestirse y desvestirse: 1,75 horas x 63 kg x 0,7 = 77,175 kcal
Dormir: 7 horas x 63 kg x 0,1 = 44,1 kcal
Conducir: 1,5 horas x 63 kg x 0,9 = 85,05 kcal
Comer: 2 horas x 63 kg x 0,4 = 50,4 kcal
Estar sentado tranquilamente: 4 horas x 63 kg x 0,4 = 100,8 kcal
Mecanografiar: 3,75 horas x 63 kg x 1,0 = 236,25 kcal
Caminar: 2 horas x 63 kg x 2,0 = 252 kcal
Escribir: 2 horas x 63 kg x 0,4 = 50,4 kcal
TOTAL: GAF = 896,175 kcal/día
Tercer paso: Cálculo del Efecto Dinámico Específico.
Además hemos de tener en cuenta el Efecto Dinámico Específico que es un 7,5% del total de
kilocalorías ingeridas (se coge el punto medio del intervalo: 5-10%).
100 ------------- 2500 x = 7.5 * 2500 / 100 = 187.5 kcal
7.5 -------------- x
El 7,5% de 2.500 kcal/día = 187,5 kcal
EDE = 187,5 Kcal
Cuarto paso: Suma de los tres componentes del Gesto energético total.
Gasto energético total =
Gasto energético por Metabolismo Basal + Gasto por Actividad Física + Efecto Dinámico Específico
Gasto energético total = 1407.28 + 896.175 + 187.5 = 2.490, 95 kcal/día
Puesto que debe existir un equilibrio entre el gasto energético y la ingesta energética, esta persona debería ingerir al día 2490 kilocalorías a través de los alimentos.
Calcula el Gasto Energético total de la siguiente persona:
Datos personales:
Sexo: Varón
Edad: 55 años
Talla: 1,85 m
Peso: 95 kg
No conocemos cual es la ingesta habitual de esta persona.
El desglose de las actividades físicas diarias que realiza esta persona es el siguiente:
Comer: 4 horas
Vestirse y desvestirse: 75 minutos
Caminar: 1 hora
Dormir: 7 horas y 15 minutos
Conducir: 6 horas y 30 minutos
Ver la televisión: 3 horas
Leer: 1 hora
Nota : Utiliza la fórmula de la FAO/OMS para el cálculo del GER
Solución: GET = GER* Faf
Primer paso: Cálculo del GER
En primer lugar se debe calcular el metabolismo energético en reposo. Para ello aplicamos la fórmula de la FAO/OMS:
GER para Varón, entre 30- 60 años
GER = (11.6 * P) + 879
GER = (11.6 * 95) + 879
GER = 1981 kcal
En este concepto quedan incluidos el GMB y el EDE.
Segundo paso: Cálculo del Factor de actividad física compensado
Actividad como múltiplo del GER:
Reposo: Dormir: 7 h, 15 minutos (7,25 horas) * 1 = 7,25
Actividad muy ligera: Conducir: 6 horas, 30 minutos
Ver la TV: 3 horas
Comer: 4 horas
Leer: 1 hora
14 h, 30 min (14,5 horas) * 1.5= 21,75
Actividad ligera= Vestirse y desv: 75 minutos (1,25 h)* 2.5 = 3,125
Actividad Moderada: Caminar: 1 hora * 5 = 5
F Af = 7,25+21,75+3,125+5= 37,125/ 24 horas = 1,546
FAF = 1,546
Tercer paso: Cálculo del Gasto Energético Total
GET = GER * F Act F
GET = 1981 * 1,546 = 3.062,62 kcal
Puesto que debe existir un equilibrio entre el gasto energético y la ingesta energética, esta persona debería ingerir al día 2490 kilocalorías a través de los alimentos.
|
