Keseimbangan Energi

KESEIMBANGAN ENERGI

Energi dibutuhkan oleh setiap sel dalam tubuh untuk mempertahankan kehidupannya dan melaksanakan fungsinya dengan baik. Sumber energi berasal dari makanan yang dimakan, diserap, dan kemudian diolah oleh tubuh.

Keseimbangan energi penting untuk mempertahankan berat badan yang sehat. Keseimbangan energi juga berarti menyesuaikan semua makanan dan minuman ke dalam gaya hidup sehat yang aktif, termasuk mengonsumsi makanan dengan gizi seimbang dan beraneka ragam dalam jumlah yang mencukupi kebutuhan, serta melakukan aktivitas fisik secara teratur.

TERMODINAMIKA

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa “total energi di dunia adalah konstan, energi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan.”  Oleh karena itu, semua energi yang ikut andil dalam hidup kita dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

Energi Tubuh = Energi masuk - Energi Keluar

Energi masuk merupakan energi yang berasal dari makanan yang dimakan yang merupakan sumber energi. Energi didapatkan dari ikatan kimia pada makanan yang diuraikan untuk kemudian digunakan dalam bentuk ikatan fosfat berenergi tinggi pada ATP. Energi ini dapat digunakan untuk melakukan kerja biologis atau disimpan di dalam tubuh untuk kebutuhan nanti.

Energi keluar merupakan jumlah energi yang dikeluarkan oleh tubuh, yang merupakan kombinasi antara kerja dan panas yang dilepaskan ke lingkungan. Persamaan untuk energi keluar sebagai berikut :

Energi Keluar = Kerja + Panas yang dilepaskan

Kerja dapat dibagi dua yaitu kerja eksternal dan kerja internal. Kerja eksternal merupakan energi yang dikeluarkan saat otot rangka berkontraksi untuk menggerakkan objek eksternal atau menggerakkan tubuh terhadap lingkungan, sedangkan kerja internal merupakan pengeluaran energi biologis yang tidak berhubungan dengan kerja mekanik di luar tubuh. Kerja internal mencakup dua tipe aktivitas yaitu kerja otot rangka selain kerja mekanik, seperti postural dan menggigil, dan energi untuk mempertahankan hidup, seperti kerja jantung dan bernapas, yang biasa juga disebut “metabolic cost of living”.

Tidak semua energi yang keluar tubuh merupakan suatu kerja. Energi keluar yang tidak digunakan untuk mendukung kerja merupakan panas yang dilepaskan atau energi termal. Dari total energi yang masuk ke dalam tubuh, sekitar 75% menjadi panas dan hanya 25% yang dimanfaatkan untuk bekerja. Akan tetapi panas yang dihasilkan tersebut tidak sia-sia, karena sebagian besarnya digunakan untuk mempertahankan temperatur tubuh.

Terdapat tiga kemungkinan bentuk keseimbangan energi, antara lain:

1.   Keseimbangan Energi Netral

Keseimbangan yang terjadi apabila energi yang masuk ke dalam tubuh sama persis dengan energi yang keluar. Pada kondisi ini berat badan akan tetap.

2.   Keseimbangan Energi Positif

Keseimbangan yang terjadi apabila jumlah energi yang masuk tubuh lebih besar daripada energi yang keluar. Energi yang masuk ke dalam tubuh dan tidak digunakan akan disimpan di dalam tubuh, terutama sebagai jaringan adiposa, sehingga berat badan bertambah.

3.   Keseimbangan Energi Negatif

Keseimbangan yang terjadi apabila jumlah energi yang masuk tubuh lebih kecil daripada energi yang keluar. Kondisi ini mengakibatkan tubuh harus menggunakan energi cadangannya untuk memenuhi kebutuhan aktivitas, sehingga berat badan akan berkurang.

METABOLISME

Metabolisme merujuk pada semua reaksi kimia dan energi yang terjadi di dalam tubuh. Pemecahan nutrisi yang masuk ke tubuh disebut katabolisme, yang dapat membebaskan energi untuk kemudian disimpan. Penyimpanan energi tersebut selain dalam bentuk ATP juga dapat berbentuk molekul kompleks karbohidrat, protein, dan lemak yang prosesnya membutuhkan energi dan disebut anabolisme.

Metabolisme dapat ditinjau dari dua segi antara lain metabolisme materi atau intermedier dan metabolisme energi. Metabolisme intermedier merupakan perubahan bahan-bahan dalam tubuh selama proses kehidupan, sedangkan metabolisme energi adalah pertukaran energi seperti yang telah dibahas di konsep energi di bagian sebelumnya.

LAJU METABOLIK

Laju metabolik adalah laju dipergunakannya energi oleh tubuh baik untuk kerja eksternal maupun internal. Laju metabolik secara normal dinyatakan sebagai laju panas yang dibebaskan selama terjadinya pelbagai reaksi kimia di semua sel tubuh. Laju metabolik dapat dirumuskan melalui persamaan berikut :

Laju Metabolik = Energi Keluar : Satuan Waktu

Oleh karena kebanyakan energi keluar tampak sebagai panas, maka untuk perhitungannya digunakan satuan panas, yaitu kalori (cal) atau kilokalori (1000 x kalori; kcal). Energi yang dihasilkan oleh oksidasi karbohidrat dan protein adalah 4 kcal/g, sedangkan dari lemak adalah 9 kcal/g.

Laju metabolik dapat diukur dengan mengukur jumlah total panas yang dihasilkan tubuh dalam kurun waktu tertentu. Pengukuran total panas tubuh secara langsung (kalorimeter langsung) sangat sulit dilakukan, oleh karena itu digunakan beberapa metode tidak langsung (kalorimeter tidak langsung). Salah satu metode tidak langsung yang sering dilakukan adalah mengukur laju pemakaian oksigen. Metode ini dilakukan karena metabolisme pembentukan ATP paling efisien dilakukan dengan menggunakan oksigen. Persamaan kimianya adalah sebagai berikut :

C₆H₁₂O₆ + O₂ + ADP + Pi  CO₂ + H₂O + ATP

Banyak studi yang menyatakan bahwa jumlah energi yang dibebaskan per liter konsumsi oksigen tubuh pada diet biasa adalah sekitar 4,5 - 5 kcal. Angka tersebut disebut juga ekivalen energi oksigen. Menggunakan ekivalen ini, dapat ditentukan dengan ketepatan tinggi laju panas yang dikeluarkan tubuh berdasarkan jumlah oksigen yang digunakan dalm kurun waktu tertentu.

Selain menggunakan “ekivalen energi oksigen,” dapat juga digunakan metode lain untuk mengukur laju metabolik yaitu dengan mengukur produksi karbon dioksida (CO2). Dasar dari metode ini adalah konsumsi oksigen dalam kondisi aerob yang merupakan kondisi efisien untuk menghasilkan ATP selalu menghasilkan karbon dioksida. Metode ini disebut juga respiratory quotient (RQ) atau  respiratory exchange ratio (RER). RQ merupakan indeks pemakaian relatif pelbagai bahan makanan oleh tubuh.4 Rasio pada metode ini adalah perbandingan antara CO2 dan oksigen yang berbeda untuk setiap diet (CO2/O2). RQ ditentukan oleh jenis makanan dan proporsinya serta bervariasi untuk setiap nutrien yaitu 1,0 untuk karbohidrat, 0,8 untuk protein, dan 0,7 untuk lemak. Terdapat faktor lain yang mempengarui RQ selain dari makanan, yaitu dari keadaan tubuh antara lain hiperventilasi, hipoventilasi, asidosis metabolik dan alkalosis metabolik.

LAJU METABOLIK BASAL / BASAL METABOLIC RATE (BMR)

BMR adalah pengeluaran energi minimal yang dibutuhkan oleh tubuh untuk bertahan hidup. BMR merupakan suatu ukuran laju metabolik jaringan tanpa bergantung pada faktor luar tubuh, sehingga bisa dikatakan bahwa BMR merupakan laju pemakaian energi di tubuh dalam keadaan istirahat seseorang yang berada dalam kondisi sadar. BMR normal untuk pria muda adalah sekitar 60 kcal/jam, sedangkan wanita muda sekitar 53 kcal/jam. Penghitungan BMR dapat dilakukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

V = (p / 273) × 273/(273 + t) × Vu

Keterangan :

p = tekanan barometer tempat pemeriksaan

t = suhu alat

Vu = volume O₂ yang diukur

Berdasarkan studi didapatkan bahwa RQ pada kondisi BMR adalah 0,82 = 4.825 kalori. Jadi kalori yang digunakan sebagai berikut : BMR = V x 4.825 kalori/jam.

Setiap pasien memiliki ukuran tubuh yang berbeda, untuk menyesuaikan dengan ukuran tubuhnya, maka bisa dihitung juga metabolisme basal per luas permukaan tubuh. Persamaannya sebagai berikut :

BMR/luas permukaan tubuh = BMR/luas permukaan tubuh = kalori/m2/jam

BMR dan laju metabolik dipengaruhi oleh banyak faktor, antara lain :

1.   Usia dan Jenis Kelamin

Perbedaan BMR berdasarkan jenis kelamin terjadi karena pria memiliki lebih banyak lean muscle mass dan lebih sedikit jaringan lemak. Laju metabolik akan menurun seiring bertambahnya usia yang dimungkinkan juga karena menurunnya lean muscle mass seiring bertambahnya usia.

2.   Jumlah lean muscle mass

Otot mengonsumsi oksigen lebih banyak dibandingkan jaringan lemak, sehingga BMR orang yang memiliki lebih banyak lean muscle mass akan lebih tinggi dibandingkan orang yang lebih banyak memiliki jaringan lemak.

3.   Tingkat aktivitas

Aktivitas fisik dan kontraksi otot akan meningkatkan laju metabolik meningkat menjauhi BMR, sedangkan aktivitas fisik ringan akan menurunkan laju metabolik.

4.   Diet

Laju metabolik akan meningkat setelah makan, fenomena ini disebut juga diet-induced thermogenesis atauspecific dynamic action atau efek termik makanan. Kondisi ini terjadi karena terdapat energi yang digunakan untuk mencerna makanan. Akan tetapi kondisi ini juga dapat disebabkan oleh efek stimulatorik asam amino yang berasal dari protein makanan yang tercerna pada proses-proses kimia di dalam sel. Setiap tipe nutrisi berbeda jumlah produksi panasnya, antara lain protein 30%, lemak 4%, dan karbohidrat 6%.

5.   Hormon

BMR akan meningkat akibat kerja hormon tiroid dan katekolamin (epinefrin dan norepinefirn).

6.   Genetik

Terdapat orang dengan metebolisme efisien dimana nutrisi yang diserap akan lebih banyak diubah menjadi energi untuk disimpan di dalam tubuh. Akan tetapi terdapat juga orang dengan metabolisme yang kurang efisien dimana lebih banyak energi yang berubah menjadi energi panas dibandingkan diubah menjadi energi yang dapat disimpan didalam tubuh.

Pengaturan Suhu Tubuh

Suhu jaringan dalam tubuh (dibawah kulit dan lapisan subkutan) atau suhu inti atau core temperature akan tetap konstan dalam kisaran ± 0,6 oC meskipun suhu lingkungan berfluktuasi. Suhu pada permukaan kulit disebut juga shell temperature. Kondisi tersebut disebabkan karena manusia merupakan makhluk homoioterm. Suhu tubuh normal adalah 37,1 oC dengan rentangan 35,5-37,5 oC. Suhu inti yang terlalu tinggi dapat membunuh manusia karena denaturasi protein, begitu juga dengan yang terlalu rendah yang dapat menginduksi aritmia jantung. Suhu inti dapat bervariasi pada setiap individu tergantung beberap faktor antara lain jam biologis, siklus menstruasi pada wanita, olahraga, usia, dan paparan pada suhu ekstrim.

Pengaturan suhu dilakukan dengan mengendalikan keseimbangan antar produksi dan pengeluaran panas yang merupakan produk sampingan metabolisme. Sebagian besar panas tubuh dihasilkan di jaringan dalam tubuh, sehingga core temperature cenderung lebih tinggi dibandingkan shell temperature. Pemindahan panas dilakukan dari dalam ke luar tubuh sehingga lajunya tergantung dari kecepatan konduksi panas ke kulit dan dan dari kulit ke lingkungan. Aliran darah ke kulit dari bagian tengah tubuh juga membantu proses pemindahan panas dan berpengaruh terhadap pengeluaran panas tubuh.

Perpindahan Panas

Perpindahan panas pada manusia dari kulit ke lingkungan atau sebaliknya dapat terjadi melalui mekanisme sebagai berikut :

1.   Radiasi

Radiasi menyebabkan perpindahan panas dalam bentuk berkas inframerah. Perpindahan panas ini disebabkan karena semua benda bersuhu diatas nol mutlak akan mengeluarkan gelombang inframerah ke segala arah. Sekitar 60% panas tubuh keluar melalui radiasi.

2.   Konduksi

Pengeluaran panas secara konduksi terjadi melalui kontak langsung antara kulit dengan suatu benda. 3% akibat kontak dengan benda lain dan 15% akibat kontak dengan udara.

3.   Konveksi

Pengeluaran panas secara konveksi terjadi karena gerakan udara. Udara yang telah dipanaskan secara konduksi oleh kulit akan naik ke atas dan digantikan oleh lapisan udara baru yang belum dihangatkan.

4.   Penguapan atau evaporasi

Perpindahan panas secara penguapan terjadi dengan menguapnya air akibat panas yang berasal dari suhu tubuh. Sewaktu air menguap, 0,58 kalori panas tubuh hilang untuk setiap gram air. Pengeluaran panas secara evaporasi dapat terjadi secara pasif (insensible perspiration) dan aktif yaitu dalam bentuk berkeringat yang dirangsang oleh sistem saraf simpatis. Pengeluaran panas melalui penguapan sangat penting bila suhu lingkungan mendekati atau sama dengan suhu tubuh karena saat itu pengeluaran melalui radiasi jauh berkurang.

Pengaturan Suhu Tubuh – Peran Hipotalamus

Hipotalamus berperan sebagai sensor suhu yang peka yaitu di daerah preoptik-hipotalamus anterior. Pada daerah tersebut banyak terdapat neuron peka-panas, sedangkan neuron peka dingin banyak terdapat disubstansi retikular otak tengah. Terdapat suatu setpoint suhu yaitu 37,1 oC. Jika pusat suhu mendeteksi suhu tubuh terlalu panas atau dingin, maka akan diaktifkan prosedur untuk menurunkan atau menaikkan suhu. Selain itu, terdapat juga reseptor suhu di tempat lain yaitu di kulit dan di dalam tubuh, yaitu di sekitar abdomen dan medula spinalis.

Mekanisme untuk menurunkan suhu yang dapat dilakukan oleh tubuh yakni sebagai berikut :

1.   Vasodilatasi pembuluh darah

Vasodilatasi pembuluh darah di kulit dapat memperbanyak aliran darah dari dalam tubuh menuju kulit sehingga akan makin banyak panas yang dilepaskan ke lingkungan. Melalui vasodilatasi, pengeluaran panas dapat ditingkatkan hingga 8 kali kondisi normal.

2.   Berkeringat

Berkeringat meningkatkan laju pengeluaran panas melalui evaporasi.

3.   Inhibisi kuat mekanisme yang meningkatkan produksi panas

Tubuh akan menghambat mekanisme yang dapat memproduksi panas seperti menggigil dan termogenesis kimiawi.

Mekanisme untuk menaikkan suhu yang dapat dilakukan oleh tubuh yakni sebagai berikut :

1.   Vasokonstriksi pembuluh darah

Vasokonstriksi pembuluh darah di kulit dapat mengurangi aliran darah menuju kulit sehingga makin sedikit panas yang dilepas ke lingkungan.

2.   Piloereksi

Piloereksi adalah berdirinya rambut di tubuh untuk menahan udara yang berkontak dengan kulit sehingga akan terbentuk lapisan udara hangat yang berfungsi sebagai insulator. Mekanisme ini terutama bekerja pada hewan, sedangkan pada manusia kurang efektif karena rambu relatif jarang tumbuh.

3.   Peningkatan pembentukan panas oleh sistem metabolic

Contoh pembentukan panas yang ditingkatkan adalah eksitasi produksi panas oleh persarafan simpatis, meningkatnya sekresi tiroksin, dan menggigil. Menggigil diatur oleh pusat menggigil yang terdapat didorsomedial hipotalamus posterior yang dirangsang oleh perubahan suhu tubuh.

AKLIMATISASI DAN AKLIMASI

Aklimatisasi adalah adapatasi proses fisiologis terhadap berbagai keadaan lingkungan yang terjadi secara alamiah. Apabila ditinjau dari segi suhu, aklimatisasi dapat dibagi dua yaitu terhadap kondisi panas dan dingin. Caranya dapat dilakukan dengan melakukan kegiatan berulang-ulang pada suhu tersebut selama 1 bulan.

Aklimatisasi terhadap panas terbagi menjadi tiga fase antara lain fase adaptasi awal (1-5 hari), maksimum (5-8 hari), dan adaptasi penuh (14 hari). Aklimatisasi tercapai apabila toleransi kerja meningkat, suhu badan naik sedikit, dan pengeluaran keringat meningkat dengan konsentrasi Na+ berkurang akibat sekresi aldosteron yang meningkat. Aklimatisasi terhadap suhu dingin tercapai apabila laju metabolisme meningkat, kemampuan tubuh sebagai insulator meningkat dengan bertambahnya jaringan adiposa tubuh, dan mampu menahan suhu dingin tanpa menggigil.

Aklimasi merupakan proses adaptasi yang terjadi secara artifisial atau di dalam laboratorium. Aklimasi awal terjadi pada waktu 1-4 hari dan tercapai sepenuhnya setelah 10 hari.