H8: Measuring energy expenditure

Question 1

Benoem kenmerken van een moderne directe calorimeter.

Answer 1

• Luchtdichte kamer met voldoende zuurstof toevoer
• Continue monitoring van zuurstofopname en koolstofdioxide productie
• Bekend watervolume met bekende temperatuur
• Isolatie rondom de kamer (zodat veranderingen in temperatuur direct gerelateerd kunnen worden aan het metabolisme van de proefpersoon)

Question 2

Wat is het verschil tussen de volgende calorimeters?

• Airflow calorimeter
• Water flow calorimeter
• Gradient layer calorimeter

Answer 2

• Airflow calorimeter: warmteproductie door de proefpersoon wordt gemeten door de temperatuurverandering te meten van de lucht in een geïsoleerde kamer.
• Water flow calorimeter: warmteproductie door de proefpersoon wordt gemeten door de temperatuurverandering te meten van het water dat door ‘coils’ stroomt in een geïsoleerde kamer.
• Gradient layer calorimeter: hierbij wordt de stroom van lichaamswarmte gemeten met gebruik van een laag isolatiemateriaal.

Question 3

Waarom is het gebruik van directe calorimeters in de praktijk (meestal) niet logisch?

Answer 3

Praktische toepassing is beperkt door tijd en kosten (nauwkeurige metingen hebben tijd en geld nodig).

Question 4

Leg de naam uit van ‘gesloten’-circuit spirometrie.

Answer 4

De proefpersoon inhaleert uitsluitend het zuurstof dat zich in de spirometer bevindt.

Question 5

Hoeveel zuurstof, koolstofdioxide en stikstof bevat de ‘buitenlucht’ (in %)?

Answer 5

20.93% zuurstof
0.03% koolstofdioxide
79.04% stikstof

Question 6

Noem vier open-caloriemeter technieken die zuurstofopname tijdens fysieke activiteit kunnen meten (in het engels).

Answer 6

• Portable spirometry
• Bag technique
• Ventilated hood technique
• Computerized instrumentation

Question 7

Beschrijf de verschillen in de volgende vier open-caloriemeter technieken:

• Portable spirometry
• Bag technique
• Ventilated hood technique
• Computerized instrumentation

Answer 7

• Portable spirometry: moderne draagbare spirometers zijn kleine digitale apparaten die zuurstof en koolstofdioxide in uitademingslucht meet en daarbij ‘respiratory flow dynamics’ en luchtvolume kan meten.
• Bag technique: de buitenlucht wordt ingeademd en het uitgeademde volume lucht wordt berekend. Het gebruik van een ‘Douglas bag’ maakt het mogelijk om de samenstelling van de uitgeademde lucht (zuurstof en koolstofdioxide) te berekenen.
• Ventilated hood technique: een modificatie van open-circuit spirometrie. Met deze techniek wordt een soort tent op de hoofd van de proefpersoon gezet die de uitgeademde lucht opslaat. Met behulp van ingebouwde sensors kan vervolgens de zuurstof- en koolstofdioxide concentratie gemeten worden. Deze techniek is beter te gebruiken voor langdurige metingen (zoals tijdens slaap) dan bij typische open-circuit spirometers.
• Computerized instrumentation: deze techniek is in staat om op hoge snelheid metingen te doen. Dit wordt gedaan a.d.h.v. een computer interface i.c.m. ten minste twee instrumenten: een systeem die continu het volume van de uitgeademde lucht meet (1) en een systeem die de compositie van de uitgeademde lucht meet (2).

Question 8

Bij het gebruik van de bag technique kan met behulp van de Douglas bag uiteindelijk de zuurstof en koolstofdioxide concentratie in de uitgeademde lucht berekend worden. Welke rekenmethode/transformatie wordt hiervoor gebruikt en op wat is deze berekening gebaseerd?

Answer 8

De Haldane transformatie. Deze maakt gebruik van het feit dat de concentratie stikstof altijd bekend is (ingeademde %N = uitgeademde %N). In combinatie met het volume lucht in de zak, kan de concentratie uitgeademde zuurstof en koolstofdioxide berekend worden.

Question 9

Wat zijn nadelen van het gebruik van de computerized instrumentation open-circuit spirometrie?

Answer 9

Dure apparatuur en vertragingen wanneer systemen niet adequaat werken. Daarnaast moet er gebruik worden gemaakt van criteria/standaarden om de validiteit en betrouwbaarheid van zo’n systeem te behouden.

Question 10

Elektronische systemen voor het meten van zuurstof maken gebruik van de micro-Scholander methode of de Haldane transformatie. Vroeger (1920-1950) werden deze methoden ook gebruikt, maar werden er bij onderzoeken over de inspanningsfysiologie vaak maar 1-2 proefpersonen gebruikt.

Verklaar waarom inspanningsfysiologie onderzoeken vroeger vaak alleen gebruik maakten van 1-2 proefpersonen.

Answer 10

Beide methoden waren tijdroven om uit te voeren. Voor een enkel experiment, vergden deze twee methoden aparte analyses en vaak ook dubbele berekeningen om de resultaten te valideren.

Question 11

Is directe calorimetrie beter dan indirecte calorimetrie (of vice versa)?

Answer 11

Nee. Verschillende onderzoeken tonen aan dat er geen (tot weinig) verschil is tussen de resultaten van beide methoden.

Question 12

Wat zijn de voor- en nadelen van het gebruik van de ‘doubly labeled water technique’?

Answer 12

Voordelen:
- Veilige manier om de totale gemiddelde dagelijkse energieverbruik te meten zonder de beperkingen van een laboratorium.
- Kan gebruikt worden om andere methoden (zoals vragenlijsten over beweging) te valideren
- Kan toegepast worden over een langere periode (meestal periode van zo’n 3 weken)

Nadelen:
- het gebruik van 18-O is duur
- spectrometrie is nodig voor de analyse van de isotopen

Question 13

Wat kan de nauwkeurigheid van de ‘doubly labeled water technique’ beïnvloeden?

Answer 13

De kans op een onnauwkeurigheid (error) wordt groter bij mensen die fysiek actief zijn.

Question 14

‘Bereken’ de RQ voor carbohydraten (in dit geval de verbranding van 1 glucose molecuul) met de volgend gegeven formule:
C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O

Answer 14

RQ = CO2 geproduceerd / O2 verbruikt

Dus de RQ voor carbohydraten = RQ = 6 / 6 = 1

Question 15

‘Bereken’ de RQ voor vet (in dit geval de verbranding van 1 lipide molecuul) met de volgend gegeven formule:
C16H12O2 + 23 O2 -> 16 CO2 + 16 H2O

Answer 15

RQ = CO2 geproduceerd / O2 verbruikt

Dus de RQ voor vet = RQ = 16 / 23 = 0.696

Question 16

De RQ voor vetverbranding ligt rond de 0.7, maar kan uitschieten naar 0.69 tot 0.73. Waarvan is de RQ-waarde voor de verbranding van vet afhankelijk?

Answer 16

Deze is afhankelijk van de lengte van de koolstofketen van het geoxideerde vetzuur.

Question 17

‘Bereken’ de RQ voor eiwit (in dit geval de verbranding van 1 eiwitmolecuul) met de volgend gegeven formule:
C6H112O11S + 77 O2 -> 63 CO2 + 38 H2O + SO3 + 9 CO(NH2)2

Answer 17

RQ = CO2 geproduceerd / O2 verbruikt

Dus de RQ voor eiwit = RQ = 63 / 77 = 0.818

Question 18

Wat houdt de nonprotein-RQ in?

Answer 18

De ‘respiratory exchange portion attributed to the combustion of only carbohydrates and lipid with protein excluded’. Deze RQ is van belang omdat de verbranding van eiwit bijna niet gebeurd voor energieproductie (eiwitten zijn voor andere taken in het lichaam belangrijk). De RQ voor eiwit ligt rondom de 0.8 waardoor het lastig wordt om te bepalen of energieproductie toe te wijten is aan vet- of koolhydraatverbranding.

Question 19

De nieren scheiden ongeveer 1 g stikstof uit per 5.6-6.25 eiwit dat wordt omgezet in energie. Hoeveel L zuurstofinname en L koolstofdioxide productie staat gelijk aan de afscheiding van 1 g stikstof?

Answer 19

4.8 L CO2 en 6.0 L O2

Question 20

Een persoon verbruikt 4 L zuurstof en produceert 3.4 L koolstofdioxide tijdens een rustperiode van 15 minuten. Tijdens deze periode wordt er 0.13 g stikstof afgescheiden door de nieren. Bereken de nonprotein RQ in deze situatie.

Answer 20

Om de nonprotein RQ te berekenen, moet eiwitverbranding uitgesloten worden uit de berekening van de RQ (CO2/O2).

Als we weten dat er 4.8 L CO2 wordt geproduceerd voor 1 g afgescheiden N2, kunnen we berekenen hoeveel L CO2 toe te wijden is aan eiwitverbranding. Hierbij kan 0.13 vermenigvuldigd worden met 4.8 L = 0.62 L.

Als we weten dat er 6 L O2 nodig is voor de afscheiding van 1 g N2, kunnen we berekenen hoe veel L O2 er nodig is geweest voor de eiwitverbranding. Hierbij kan 0.13 vermenigvuldigd worden met 6 L = 0.78 L.

Als we vervolgens willen weten hoe veel CO2 er geproduceerd is door de verbranding van vet en/of koolhydraten, kunnen we de CO2 productie door eiwitverbranding excluderen door: 3.4 L - 0.62 L = 2.78 L CO2.

Als we vervolgens willen weten hoe veel O2 er nodig is geweest voor de verbranding van vet en/of koolhydraten, kunnen we de zuurstofinname voor eiwitverbranding excluderen door: 4 L - 0.78 L = 3.22 L.

De nonprotein RQ kan dan berekend worden: 2.78 CO2 / 3.22 O2 = 0.86.

Question 21

Waarom zijn de RQ en nonprotein RQ vaak (bijna) gelijk aan elkaar?

Answer 21

Omdat de contributie van eiwitten in energiemetabolisme erg klein is.

Question 22

Waarom kan de RQ alleen gebruikt worden tijdens rust en steady-state condities? En welke waarde wordt gebruikt wanneer er geen sprake is van rust of steady-state condities?

Answer 22

Bij de RQ wordt ervan uitgegaan dat de zuurstof/koolstofdioxide uitwisseling dat gemeten wordt bij in-/uitademing gelijk is aan de verbranding van brandstoffen op cellulair niveau en er dus sprake is van aerobe verbranding. Wanneer deze omstandigheden veranderen, zoals bij anaerobe verbranding, zal hetgeen wat op cellulair niveau gebeurd niet meer gelijk zijn aan hetgeen wat bij in-/uitademing gemeten wordt.

De ‘respiratory exchange ratio (RER)’ wordt vervolgens gebruikt wanneer er geen sprake is van rust/steady state.

Question 23

Wanneer is er sprake van een verhoogd gemeten concentratie CO2 tijdens uitademing (en wordt er gelijktijdig een RER>1 gemeten)?

Answer 23

• Bij hyperventilatie (de verhoogde ademhaling zorgt ervoor dat CO2 met verhoogde snelheid uit de alveoli van de longen wordt verdreven)
• Als gevolg van buffering/anaerobe verbranding waarna er meer CO2 wordt geproduceerd (lactaat geproduceerd tijdens anaerobe verbranding wordt gebufferd door natriumwaterstofcarbonaat, dit bufferproces zorgt voor de productie van diwaterstofcarbonaat. Diwaterstofcarbonaat degradeerd in de longen tot CO3 en water).

Question 24

Waardoor kan de RER boven de 1.00 stijgen wanneer een persoon aankomt in lichaamsvet als gevolg van een verhoogde koolhydraat inname?

Answer 24

Er is dan sprake van een lipogene omstandigheid. Hiermee wordt bedoeld dat de (onnodige) koolhydraten omgezet worden in vet, waarbij zuurstof vrijkomt. Het zuurstof wordt vervolgens gebruikt voor de productie van energie (metabolisme), waardoor de zuurstofconcentratie daalt, terwijl CO2 productie gelijk blijft.

Question 25

Waardoor kan de RER juist heel laag worden?

Answer 25

Wanneer er sprake is geweest van ‘exhaustive’ fysieke activiteit. Hierdoor komt anaerobe verbranding op gang wat samengaat met de productie van lactaat. Om het lactaat te bufferen wordt natriumwaterstofcarbonaat gebruikt. Hiervoor wordt CO2 in cellen opgeslagen zodat het de verloren opslag van natriumwaterstofcarbonaat aan kan vullen. Hierdoor daalt de concentratie CO2, zonder dat de zuurstofinname veranderd.