Evaluaciones en fisiología del ejercicio: razón de intercambio respiratorio

Introducción

La respiración es el proceso por el cual se libera energía de los enlaces químicos de las moléculas de los alimentos, y se proporciona esa energía para procesos vitales. El cociente respiratorio (RQ) es el volumen de dióxido de carbono (CO₂) liberado sobre el volumen de oxígeno (O₂) absorbido durante la respiración. Es un número adimensional, ya que en una razón si el antecedente y el consecuente comparten la misma unidad, se pueden expresar de este modo. Se mide directamente en el tejido, requiriendo un catéter arterial y uno venoso¹.

La razón de intercambio respiratorio o respiratory exchange ratio (RER) es la relación entre la producción de CO₂ y el consumo de O₂. Se mide de un modo menos invasivo, tomando en cuenta el volumen de CO₂ liberado (VCO₂) / el volumen de O₂ (VO₂) absorbido en la boca utilizando los gases ventilados. La RER en reposo es un buen predictor de RQ, aunque se pierde esta capacidad cuando se supera el umbral ventilatorio (AT) durante el ejercicio intenso. El RER refleja la misma proporción de sustrato que se utiliza para la producción de energía que RQ (0,7 - 1,0), sin embargo, el RER puede exceder 1,0, a diferencia del RQ, debido al CO₂ extra que se mide durante los procesos exhalatorios².

Este cociente proporciona información sobre la contribución relativa de carbohidratos (CHO) y lípidos (LIP) al gasto energético general. Las moléculas que están más oxidadas (por ejemplo, glucosa) requieren menos oxígeno para ser completamente metabolizadas y, por lo tanto, tienen cocientes respiratorios más altos y las menos oxidadas (por ejemplo, ácidos grasos) requieren más oxígeno para su metabolismo completo y tienen cocientes respiratorios más bajos. Entonces el RER refleja el metabolismo muscular donde un valor de ~0,7 indica que los LIP son la fuente de energía.

Estas pueden ser cetonas (estado eucalórico): 0,73, cetonas (estado hipocalórico): 0,66, trioleína: 0,7, ácido oleico: 0,71, tripalmitina: 0,7, o bien, corresponder aproteínas 0,8 – 0,9, y llegar a 1,0 cuando la fuente energética es solo CHO³. Las variaciones en los equivalentes calóricos de diferentes grasas, carbohidratos y fuentes de proteínas pueden ignorarse porque el error producido es muy pequeño⁴. Habitualmente se encuentra un registro de 0,8 lo cual es producto de una dieta mixta que promedia los valores. En una prueba de esfuerzo graduada, un aumento en el RER de 0,8 a 1,0 refleja el aumento del predominio del metabolismo glucolítico⁵ sobre el oxidativo. Al interpretar estos cambios en los procesos metabólicos se debe tener en cuenta que el comportamiento de los cambios del oxígeno y dióxido de carbono son de diferente magnitud. El almacenamiento de O₂ es muy limitado y el del CO₂ es amplio debido al almacenamiento como bicarbonato. En función del tiempo, el VCO₂ es ligeramente menor que el VO₂ durante la primera parte de la prueba, es decir, con un RER < 1.

Los equipos analizadores de gases calculan el RER y este es usado en las pruebas de consumo de oxígeno para estimar sustrato e intensidad del ejercicio, sin embargo, su interpretación puede brindar una gran cantidad de información que puede ser tenida en cuenta para mejorar la interpretación del test. Se realizó un estudio bibliográfico que se propuso identificar los aportes que puede hacer la interpretación del RER en las pruebas de esfuerzo. Así, el presente trabajo intenta hacer una profundización de este aspecto de los tests de consumo de oxígeno y producción de dióxido de carbono, interpretando que el mayor conocimiento de esta variable permite enriquecer la interpretación de los resultados del test cardiorrespiratorio. A estos efectos, la búsqueda bibliográfica fue efectuada en las bases de datos on-line en los ámbitos de las áreas de la salud y la fisiología: PubMed, HINARI, AccessMedicine, EBSCO; e-Libro, MedOne, Elsevier, Springer, ScienceDirect, y utilizando como palabras clave en inglés: respiratory exchange ratio, oxygen consumption, carbon dioxide production, stress test, energy substrate. Se consideraron tanto estudios y libros que abarcaran la historia del inicio de las pruebas de valoración como aquellos trabajos actuales.

RER y metabolismo energético

Bien a principios del siglo pasado existía una gran controversia sobre el uso de LIP y CHO como fuentes de energía⁶ los experimentos realizados en la década de 1920 demostraron que ambos son oxidados por el músculo durante el ejercicio submáximo y que el tipo de dieta influye en el metabolismo muscular tanto en reposo, en el estado post-absorción, como durante el ejercicio, y que hay una baja tolerancia al ejercicio cuando los LIP son el principal combustible. También determinaron que aumentan los valores de RER en función de la intensidad del ejercicio, cambiando hacia una mayor dependencia de CHO como fuente de energía⁷.

Las células producen menos CO₂ que el O₂ que consumen, particularmente si están metabolizando LIP en lugar de glucosa. Además, recordemos que el CO₂ se disuelve en agua y se convierte en bicarbonato (HCO₃-) y es excretado por los riñones. No hay una alternativa similar para O₂. La capacidad de amortiguación (buffer) del sistema HCO3- es mucho mayor que la disponible para O₂, por lo que cualquier cambio en el CO² tiene un efecto mucho más lento en los niveles en la sangre que en el caso de O₂⁸. Por ello hay una latencia entre los cambios que ocurren en el nivel celular y los ventilatorios. En definitiva, se deben interpretar con precaución los valores de los gases cuando las condiciones sean diferentes a un estado estacionario⁹.

Para sostener la homeostasis el organismo obtiene energía de forma continua, la mayor parte por vías metabólicas que producen compuestos fosforilados con aporte continuo de O₂ y generan CO₂ como parte del proceso metabólico (fosforilación oxidativa). En la Figura 1 se muestran los diferentes sustratos que pueden integrar estas vías (Glucosa, AGL, lactato) y se esquematizan sus relaciones.

Así es posible ver que prácticamente la totalidad del CO₂ es generado por el metabolismo oxidativo tisular a nivel mitocondrial y el glucógeno y los TG intramusculares son los combustibles primarios utilizados. El flujo de carbono de estas fuentes está vinculado al VO₂ por la formación de equivalentes reducidos, FADH₂ y NADH, y su utilización por la cadena de transporte de electrones (CTE). Cuando predomina la oxidación de LIP, en un ejercicio ligero, por ejemplo, la lipólisis de TG y la beta oxidación se activan rápidamente. Siendo el proveedor dominante de FADH₂ y NADH a la CTE y la formación de acetil CoA para su ingreso al ciclo del ácido tricarboxílico (ATC). La oxidación de TG tiene control de retroalimentación sobre la glucogenolísis (a través del citrato) atenuando la activación del complejo de la piruvato deshidrogenasa(PDH) a través del acetil CoA y el NADH. Los aumentos en las relaciones el NADH/NAD y acetil CoA/CoApor la oxidación de TG, inciden sobre la activación del complejo PDH¹⁰.

Si bien los carbonos de glucosa participan en la formación de CO₂, ellos contribuyen de modo diferente. Los carbonos C-3 y C-4, que formarán el C-1 del piruvato, contribuyen en un 100% a través de la reacción de la PDH. Los carbonos C-2 y C-5 (que forman C-2 de piruvato) yC-1 y C-6 (que forman C-3 de piruvato) formarán C-1 yC-2 del acetil-CoA y contribuirán en un 80 y 50% respectivamente en la formación de CO₂¹¹.Los ácidos grasos, glicerol, carbohidratos y muchos productos de desaminación contienen los elementos carbono, hidrógeno y oxígeno, siendo la ecuación general de oxidación:

CxHyOz + (x + y / 4 - z / 2) O₂ → x CO₂ + (y / 2) H2O

La producción energética total a partir de la oxidación de una mol de glucosa produce 36 o 38 ATP según la lanzadera utilizada para transferencia de H+ desde el citosol a la mitocondria⁺.

Glucosa + 6 O₂ + 36 Pi + 36 ADP → 6 CO₂ + 36 ATP + 42 H₂O

Para la glucosa la ecuación de oxidación es:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

RER = VCO₂ / VO₂ = 6 CO₂ / 6 O₂ = 1

Por otro lado, podemos representar la ecuación del ácido palmítico como:

Palmitoíl-CoA + 23 O₂ + 131 Pi + 131 ADP → CoA + 16 CO₂ + 131 ATP + 146 H₂O

En el caso del ácido palmítico la ecuación de oxidación es:

23 O₂ + C₁₆H₃₂O₂ → 16 CO₂ + 16 H₂O + 131 ATP

RER = VCO₂ / VO₂ = 16 CO₂ / 23 O₂ = 0,7

Recordemos que como se necesita ATP para activar el ácido palmítico libre su rendimiento neto es de 129 moléculas de ATP¹².

En los tejidos la presión parcial de CO₂ (PCO₂) es de 47 mmHg, en sangre venosa es de 45 mmHg y en la sangre arterial es de 40 mmHg. El CO₂ difunde por el citoplasma celular y el espacio intersticial hacia el plasma. Solo del5 al 10% se trasporta disuelto, unos 0.3 ml/dL. La cantidad de CO₂ disuelto en la sangre a 45 mmHg es de 2,7 ml/dL y cae a 2,4 ml/dL a 40 mmHg. Del 5 al 10% es trasportado en forma de carbaminohemoglobina, al combinarse, sin mediación enzimática, con los grupos aminoterminales de la hemoglobina. Por último, el resto, entre el 80 y el 90%, se transporta como ácido carbónico disociado₁₂. Una pequeña proporción del CO₂ se combina con el agua, en forma espontánea, aunque lenta, formando ácido carbónico, que se disocia en ión hidrogeno y bicarbonato.En el eritrocito la enzima anhidrasa carbónica cataliza la reacción en ambos sentidos: CO₂ + H₂0 → CO₃H₂ CO3H- + H⁺¹³ siendo la cantidad CO3H₂ formada proporcional a la PCO2. La eliminación de CO₂ se hace luego a través de la ventilación pulmonar.

RER en el ejercicio

El RER en reposo ha sido reportada con valores de 0,927 a 0,718, siendo entonces la tasa relativa de oxidación de grasas del 23 al 93%¹⁴. Como se ve, existe una gran variabilidad del RER en reposo para los atletas entrenados, y es similar a los sujetos desentrenados. Se ha asociado esto al diferente contenido de glucógeno muscular, al volumen de entrenamiento, a la concentración de AGL, y a la ingesta de grasas. En ejercicio de intensidad, mayor al 70% de la capacidad de trabajo, la ingesta de grasas en la dieta y el volumen de entrenamiento, presentan una asociación negativa y el glucógeno muscular se asocia positivamente. Parecería ser que, independientemente de la intensidad del ejercicio, la oxidación de sustratos puede ser regulada por la disponibilidad de los mismos. Es decir que la utilización de glucógeno muscular está determinada por el contenido de glucógeno muscular al comienzo del ejercicio.

El contenido reducido de glucógeno muscular al comienzo del ejercicio resulta en un cambio hacia la oxidación lipídica con un consiguiente menor RER¹⁵. El volumen de entrenamiento es otro determinante importante de RER, tanto en reposo como durante el ejercicio. Se observan mayores tasas de oxidación de LIP (y menores tasas de oxidación de CHO) en los atletas más entrenados que en sujetos no entrenados, aún a la misma intensidad relativa^16,17,18 siendo pasible de ser utilizado como indicador de fitness¹⁹. El RER en reposo se comporta como un determinante independiente significativo de RER a intensidades bajas y moderadas14. Si bien la media del RER en reposo no es diferente entre mujeres y hombres, en el ejercicio submáximo a bajas intensidades (30% del VO2max) tiende a ser menor en las mujeres que en los varones, indicando una mayor contribución de la oxidación de LIP. Pero no hay diferencia significativa entre sexos a intensidades mayores al 50%²⁰.

Durante el ejercicio intenso se incrementa la oxidación de CHO y la utilización de glucógeno muscular aportando gran parte de la energía necesaria lo que eleva los niveles de lactato, limitando así la lipólisis. Manipulando el entrenamiento y la ingesta dietaria, es posible modificar la capacidad de un atleta de alterar la utilización de sustrato durante el ejercicio en estado estable. Sin embargo, no se han reportado diferencias significativas en el RER con el uso de suplementación de CHO asociadas a PRO en trabajos contra resistencia. Aunque si se ha encontrado un cambio hacia una mayor oxidación de lípidos durante la recuperación del ejercicio en comparación con el pre-ejercicio lo que sugiere una mayor dependencia de la oxidación de lípidos durante la recuperación²¹. Los atletas entrenados oxidan cantidades mayores de LIP solo a intensidades por debajo del 40% VO₂ pico. Pero como la mayoría de los atletas competitivos entrenan y compiten a intensidades. mayores al 40%, no oxidarán cantidades mayores de LIP durante el ejercicio intenso independientemente de su condición nutricional²².

El aumento del RER de trabajo (ΔRER) por encima de un RER metabólico supuesto de 0,75 (o 0,83) muestra un aumento aproximadamente logarítmico a medida que aumenta la carga de trabajo. Existiendo una correlación en línea recta entre el exceso de CO_{2no metabólico} (= CO₂ total menos 0,75 x O₂) y el aumento del lactato en sangre. El volumen minuto respiratorio en relación al VO2 o al VCO2 muestra una hiperventilación relativa a medida que el sujeto se acerca al esfuerzo máximo, y el exceso de CO₂ aumenta con la ventilación en línea recta. El ΔRER representa la participación porcentual de la glucólisis en el gasto total de energía en lugar del combustible utilizado durante el ejercicio²³. Entonces las tasas de oxidación de CHO y LIP pueden ser calculadas por los valores de VO₂ y VCO₂ (l/min) utilizando las siguientes formulas¹⁴:

CHO (g/min) = 4,55 VCO2 – 3,21 VO2

LIP (g/min) = 1,67 VO2 – 1,67 VCO2

Durante el ejercicio estable el RER a cualquier intensidad tiende a disminuir con la duración de la actividad²⁰. Luego, en el post esfuerzo el aumento de RER se explica por el hecho de que después de finalizar el ejercicio, los valores de VO₂ están disminuyendo bruscamente mientras que el CO₂ se mantiene igual o incluso aumenta debido a la amortiguación de CO2. Esta situación se mantiene hasta que se elimine la mayor parte del CO₂ post-ejercicio y la homeostasis normal este restaurada. Cuanto mayor sea el volumen de CO₂ post-ejercicio que deba sereliminado, mayor será el tiempo de retraso entre la finalización del ejercicio y el valor máximo de RER²⁴. La intensidad del ejercicio es el factor determinante para la utilización del sustrato energético durante y después del ejercicio. Inmediatamente después de un trabajo de alta intensidad como en el HIIT, el RER es mayor comparándolo a trabajos de endurancia, lo que indica una mayor utilización de CHO durante e inmediatamente después del ejercicio. Pero luego, enlos 25 minutos posteriores, el RER es más bajo, lo que demuestra una mayor utilización de LIP, situación que se mantiene hasta 60 minutos después. El CHO es el combustible principal utilizado en el ejercicio de intensidad moderada a alta, pero al finalizar, se cambia de CHO hacia las fuentes de energía lipídicas, reduciendo el RER^25,26.

RER como marcador fisiológico

Como el RER indica la capacidad oxidativa muscular y se asocia con el incremento de la intensidad del ejercicio mostrando aumento en el metabolismo de CHO y disminución de los LIP, su curva ha sido asociada a la detección de umbrales. En la Figura 2 se puede observar la magnitud de la intensidad del ejercicio, mostrando en este caso el predominio de utilización de CHO. Los valores superiores a 1,0 indican la acción buffer sobre los H⁺ y, en consecuencia, hiperventilación debido al incremento en la producción de CO₂, correspondiente a VT₂. Así es que el RER 1,0 puede usarse como un método alternativo individual para detectar el VT₂. Estos datos son comparables a la determinación computarizada del umbral y a las determinaciones por las concentraciones de lactato en sangre, con la ventaja de que es un método no invasivo y además es simple de realizar en un laboratorio²⁸. Sin embargo, algunos autores sostienen que este uso debe estar limitado a atletas de alto rendimiento²⁹.

El RER se ha propuesto como criterio de finalización en pruebas de VO₂max, cuando no se llega a una meseta en la prueba, a pesar de que aún se busca un consenso sobre cual valor elegir. Al realizar tests submáximos el RER 0,9 – 1,0 ha reportado ser de utilidad en la determinación del pasaje de esfuerzos medianos a intensos en los tests progresivos³⁰. Pero si se utilizara un RER de 1,0 se subestimaría el VO₂ al agotamiento en muchos atletas³¹. Por ejemplo, en la Figura 3 el sujeto testeado, jugador de hockey sobre césped, rápidamente llega a un valor de RER 1, y luego lo supera ampliamente. Por otro lado, en la Figura 4, se evalúa un runner, y en este caso el registro muestra un uso predominante de LIP como sustrato y un lento incremento luego del RER 1.

Finalmente, en la Figura 4 se muestra la prueba realizada a un futbolista que llega a RER 1 con gran esfuerzo. Se había comentado antes que el ΔRER (RER – 0,75) aumenta logarítmicamente con la carga de trabajo y la absorción máxima de O₂ se alcanza a un valor ΔRQ de 0,40³². Pero, por otro lado, si se utilizan valores como 1,05 o 1,1 o incluso 1,15, es posible que muchos evaluados no puedan alcanzar ese RER. Se debe incluso tener en cuenta la edad, ya que después de los 50 años comienza un cambio metabólico hacia un fenotipo oxidativo preferencial. Por lo tanto, el RER debería ajustarse por edad cuando se usa como criterio para establecer el VO₂max³³. De todos modos, se sugiere que en individuos sanos es suficiente lograr un RER> 1 como indicador de esfuerzo ya que no se observan diferencias en el VO₂peak entre aquellos con RER de 1,0 – 1,1 y aquellos ≥ 1,1, lo que sugiere que sumado a una buena percepción del esfuerzo por parte del paciente y una buena respuesta cronotrópica, un RER> 1 es suficiente para considerar la prueba de esfuerzo cardio respiratoria como adecuada³⁴.

El RER también puede ser un testigo del nivel de fitness de un atleta. Desde hace muchos años se conoce que en atletas el entrenamiento produce mejoras en el VO₂max y la capacidad de endurancia. Sin embargo, las mejoras en el primero son modestas en comparación con las mejoras potenciales del segundo. Esto tiene que ver con adaptaciones periféricas que resultan en un aumento de la capacidad oxidativa del músculo esquelético lo que está asociado con un cambio hacia el metabolismo de los LIP, economizando CHO. Esto produce un ahorro de glucógeno que se refleja en un menor RER durante y después del ejercicio³⁵. Tanto así que es posible predecir el VO₂max, basada en la medición de RER durante una prueba de esfuerzo submáxima. Para cada trabajo entre 0,95 y 1,15 se puede calcular un factor, junto a una ecuación simple, para aproximarse a un valor con un error menor al 10%³².

El ámbito clínico

Se ha realizado una somera interpretación de las características principales del RER en el ámbito de la Fisiología del Ejercicio, pero en situaciones clínicas, el RER debe ser interpretado en relación a su contexto. Por ejemplo, en los pacientes con insuficiencia cardíaca que realizan un ejercicio submáximo, un RER elevado es un predictor independiente de eventos adversos como muerte por todas las causas y reingreso hospitalario por empeoramiento de la insuficiencia cardíaca. El aumento de RER en esta carga de trabajo puede atribuirse a una sobreproducción de CO₂. Un RER alto durante el ejercicio submáximo también puede ser un marcador importante para acidosis muscular y ser utilizado como predictor de riesgo. El RER en reposo, por el contrario, no ha sido asociado con eventos adversos³⁶.

Los sujetos obesos con intolerancia a la glucosa poseen un RER en reposo similar a controles obesos sin intolerancia a la glucosa. Pero durante el ejercicio submáximo alcanzan un RER más bajo y menor transición a la oxidación de carbohidratos. Es decir que presentan una rigidez metabólica durante el ejercicio, lo que está asociado con el grado de intolerancia a la glucosa, y es independiente de la edad y de la composición corporal³⁷.

Estándares por edad

Con el objetivo de proporcionar estándares de referencia actualizados para la aptitud cardiorrespiratoria para los Estados Unidos se procesaron los datos de 22.379 pruebas de esfuerzo (16.278 en cinta y 6.101 en cicloergómetro) realizados a sujetos de ambos sexos de 20 a 89 años sin enfermedad cardiovascular previa conocida³⁸. Se determinaron percentiles de consumo máximo de oxígeno tanto para hombres como para mujeres en los dos aparatos. El esfuerzo máximo fue definido como un RER mayor o igual a 1,0 o RER mayor o igual a 1,1, con diferencias no significativas entre ellos. También se obtuvieron los RER peak para cada sexo y grupo etario. Se puede observar como la aptitud cardiorrespiratoria disminuye con la edad, siendo más altos en los hombres en todos los grupos de edad y más altos para la cinta que con el cicloergómetro. Ver tabla 1.