Nei sistemi biologici a temperatura pressoché costante, come l’organismo umano, l’energia chimica ricavata dai substrati nutritivi viene trasformata in lavoro interno ed esterno e in calore, che deve essere dissipato per mantenere l’omeotermia. Il bilancio tra produzione e perdita di calore, nonché tra energia immagazzinata e utilizzata, descrive il metabolismo. L’energia per le funzioni vitali deriva principalmente dalle reazioni di ossidazione di carboidrati, lipidi e proteine, reazioni che richiedono ossigeno; il tasso di consumo di O₂ nell’unità di tempo è proporzionale al calore liberato dalle ossidazioni.

Poiché il calore liberato per litro di O₂ consumato varia con la miscela di substrati ossidati, si impiega un equivalente calorico medio dell’ossigeno per convertire il consumo di O₂ in produzione di calore. Per diete miste, tale equivalente è approssimativamente \(\varepsilon \approx 20,2\ \text{kJ·L}^{-1}\) (circa 4,82 kcal·L⁻¹), con un intervallo di variazione che va da circa 19,6 kJ·L⁻¹ per la prevalente ossidazione lipidica (RQ ≈ 0,70) a circa 21,1 kJ·L⁻¹ per la prevalente ossidazione glucidica (RQ ≈ 1,00). Da ciò discende la relazione di calorimetria indiretta:

\[ \dot{Q} \approx \dot{V}O_2 \cdot \varepsilon(RQ), \] dove \(\dot{Q}\) è la potenza metabolica (calore prodotto per unità di tempo) e \(\dot{V}O_2\) è il consumo di ossigeno standardizzato (STPD). La misura di \(\dot{V}O_2\) tramite spirometria consente quindi una stima robusta del metabolismo, con correzioni per temperatura, pressione e umidità dei gas.

Con metabolismo basale (MB) si indica il dispendio energetico minimo necessario a sostenere le attività vitali a riposo, comprendenti, tra l’altro, l’attività elettrica e meccanica del cuore, la ventilazione, la funzione renale, il mantenimento dei gradienti ionici transmembrana e i processi di rinnovamento molecolare. Per rendere confrontabili le misure, il MB viene determinato in condizioni standardizzate:

• riposo fisico e mentale, in veglia tranquilla, preferibilmente in clinostatismo e in assenza di lavoro muscolare volontario;
• stato postassorbitivo, con digiuno protratto di 12–18 ore e senza assunzione recente di sostanze o farmaci stimolanti (es. nicotina, caffeina);
• ambiente termoneutrale, con temperatura dell’aria intorno a 20 °C e abbigliamento adeguato, in condizioni di eutiroidismo e afebbrilità.

In tali condizioni, l’energia utilizzata è destinata esclusivamente al “lavoro interno” dell’organismo. Qualsiasi deviazione (attività fisica, stress, digestione, febbre o freddo/calore ambientale) altera il dispendio misurato e produce valori non più attribuibili al MB.

Storicamente, il dispendio energetico è stato normalizzato alla superficie corporea (BSA) per ridurre la variabilità legata alla taglia. Il tasso metabolico specifico è quindi espresso come:

\[ \text{Tasso metabolico specifico} = \frac{\dot{Q}}{\text{BSA}}, \] con una stima della superficie corporea ottenuta, ad esempio, dalla formula di Du Bois: \[ \text{BSA} = 0{,}007184 \cdot \text{altezza}^{0{,}725} \cdot \text{massa}^{0{,}425}, \] dove altezza è in cm e massa in kg. Per un adulto sano, valori basali tipici si collocano intorno a 35–40 kcal·m⁻²·h⁻¹ (corrispondenti a circa 41–47 W·m⁻²), pur con variabilità interindividuale legata soprattutto alla massa metabolicamente attiva (massa magra), all’età e al sesso.

Esempio numerico: se in condizioni basali un soggetto presenta \(\dot{V}O_2 = 0{,}250\ \text{L·min}^{-1}\) e RQ ≈ 0,82, allora \(\dot{Q} \approx 0{,}250 \times 20{,}2 = 5{,}05\ \text{kJ·min}^{-1}\), pari a 303\ \text{kJ·h}^{-1} (circa 72,5 kcal·h⁻¹). Per una BSA di 1,80 m², il tasso specifico risulta circa 40,3 kcal·m⁻²·h⁻¹.

La misura del metabolismo mediante spirometro o sistemi metabolici portatili/da banco fornisce stime attendibili ma dipendenti dallo stato funzionale del soggetto (attività, condizioni nutrizionali, assetto ormonale, presenza di malattia) e dall’ambiente. In particolare, il freddo incrementa la termogenesi (brivido e processi non brivido), mentre il caldo può ridurre la produzione di calore ma aumentare le perdite latenti. Nella (Tabella 05.15-01) sono riportati i tassi metabolici, espressi come calore per unità di superficie corporea, in relazione a differenti livelli di attività.