Il quoziente respiratorio

Il quoziente respiratorio è un parametro molto utile per valutare la miscela metabolica utilizzata a riposo o durante un esercizio fisico. A causa delle differenze chimiche che li caratterizzano, la completa metabolizzazione di grassi, proteine e carboidrati richiede quantità diverse di ossigeno. Di conseguenza il tipo di substrato energetico ossidato andrà ad incidere anche sulla quantità di anidride carbonica prodotta.
Si definisce quoziente respiratorio metabolico (QR) il risultato del rapporto tra la quantità di anidride carbonica prodotta e quella di ossigeno consumato.

QR= CO₂ prodotta / O₂ consumato

Considerando  che ogni macronutriente possiede un QR specifico, valutando tale parametro è possibile risalire alla miscela di nutrienti metabolizzata a riposo o durante una determinata attività lavorativa.

Quoziente respiratorio dei carboidrati

La generica formula molecolare di un carboidrato è Cn(H₂O)n. Ne deriva che all'interno di una molecola glucidica la proporzione tra il numero di atomi di idrogeno e quelli di ossigeno è fissa e pari a  2:1. Per ossidare un generico esoso (carboidrato a sei atomi di carbonio come il glucosio) occorreranno pertanto sei molecole di ossigeno, con conseguente formazione di 6 molecole di anidride carbonica.
Il quoziente respiratorio dei carboidrati sarà pertanto uguale a: 6CO₂ / 6O₂ = 1,00

Quoziente respiratorio dei lipidi

I lipidi si distinguono dai carboidrati per il minor contenuto di ossigeno in proporzione al numero di atomi di idrogeno. Di conseguenza la loro ossidazione richiede una quantità di ossigeno superiore.
Prendendo come esempio l'acido palmitico, scopriamo che durante la sua ossidazione si formano 16 molecole di anidride carbonica ed acqua per 23 molecole di ossigeno consumate. C₆H₃₂O₂ + 23 O₂ → 16 CO₂ + 16 H₂O
Il quoziente respiratorio sarà pertanto uguale a: 16 CO₂ / 23 O₂ = 0,696
Normalmente si attribuisce ai lipidi un quoziente respiratorio pari a 0,7, tenendo presente che tale valore oscilla da  0,69 a 0,73 in relazione alla lunghezza della catena carboniosa che caratterizza l'acido grasso.

Quoziente respiratorio delle proteine

La principale differenza che distingue le proteine da grassi e carboidrati è la presenza di atomi di azoto. A causa di questa differenza chimica le molecole proteiche seguono una via metabolica particolare. Il fegato deve prima di tutto eliminare l'azoto tramite un processo chiamato deamminazione. Solo a questo punto la parte rimanente della molecola amminoacidica (chiamata chetoacido) potrà ossidarsi ad anidride carbonica ed acqua.

Come i lipidi, anche i chetoacidi sono relativamente poveri di ossigeno. La loro ossidazione porterà pertanto alla formazione di una quantità di anidride carbonica inferiore a  quella di ossigeno consumato.
L'albumina, la proteina più abbondante nel plasma, si ossida secondo la seguente reazione:
C₇₂H₁₁₂N₂O₂₂S + 77O₂ → 63CO₂ + 38 H₂O + SO₃ + 9 CO(NH₂)₂
Il quoziente respiratorio sarà pertanto uguale a: 63 CO₂ / 77 O₂ = 0,818
Il QR delle proteine è fissato, per convenzione a 0,82.

Significato del quoziente respiratorio

Per soddisfare le richieste energetiche dell'organismo ciascuno di noi utilizza miscele metaboliche diverse in relazione allo sforzo fisico. Tanto più questo è intenso e tanto maggiore sarà la percentuale di glucosio ossidata. Buona parte dell'energia prodotta a riposo deriva invece dalla metabolizzazione degli acidi grassi. Per questo motivo è lecito aspettarsi un quoziente respiratorio vicino a 0,7 a riposo e superiore durante esercizio fisico intenso.
Svolgendo attività che vanno dal riposo assoluto all'esercizio aerobico leggero il quoziente respiratorio si attesta intorno a 0,82 ± 4%. Tale dato, ricavato sperimentalmente, testimonia l'ossidazione da parte dell'organismo di una miscela composta per il 60% da grassi e per il 40% da carboidrati (in condizioni di riposo o di moderata attività fisica il ruolo energetico delle proteine è trascurabile, si parla pertanto di Quoziente respiratorio non proteico).
Ad ogni valore di QR corrisponde un equivalente calorico dell'ossigeno che rappresenta il numero di calorie liberate per litro di O2. Grazie a questo dato è possibile risalire con molta precisione al dispendio energetico di un'attività lavorativa. Ipotizziamo che durante un esercizio aerobico moderato il quoziente respiratorio, misurato attraverso l'analisi dei gas, sia pari a 0,86; consultando un'apposita tabella ricaviamo che l'equivalente energetico per litro di ossigeno consumato è di 4,875 Kcal. A questo punto per scoprire il dispendio energetico dell'esercizio sarà sufficiente moltiplicare i litri di ossigeno consumati per 4,875.
Durante uno sforzo fisico intenso la situazione cambia radicalmente e il quoziente respiratorio subisce grosse variazioni. A causa della massiccia produzione di acido lattico si attivano numerosi meccanismi metabolici ausiliari, come i sistemi tampone e l'iperventilazione. In entrambi i casi si assiste ad un aumento dell'eliminazione di CO2, indipendente dall'ossidazione dei substrati energetici. Aumentando il dato presente al numeratore (CO2) e mantenendo costante il denominatore (O2) il quoziente respiratorio subisce un impennata raggiungendo valori superiori all'unità.
Durante il recupero dopo un'attività intensa, quando una parte di anidride carbonica viene utilizzata per riformare le riserve di bicarbonato, il quoziente respiratorio scende invece al di sotto del valore limite 0,70.
E' chiaro quindi che in simili situazioni il quoziente respiratorio non riflette esattamente quanto succede a livello cellulare durante l'ossidazione dei substrati energetici. In questi casi i fisiologi della respirazione preferiscono parlare di quoziente respiratorio esterno o rapporto tra scambi respiratori (R).