Energia: misura e bisogni

Come si misurano le entrate e le uscite di energia?

Unità di misura dell’energia Caloria è la quantità di calore richiesta per innalzare di 1°C (da 14,5 a 15,5 °C) la temperatura di 1 g di acqua. E’ utilizzata per esprimere sia il contenuto di energia chimica degli alimenti sia la spesa energetica dell’organismo nei vari processi funzionali Si usa la chilocaloria (Kcal), mille volte più grande In fisica l’energia si misura in Joule (J). 1 joule corrisponde al lavoro necessario per spostare il punto di applicazione della forza di 1 Newton per 1 metro 1 Kcal = 4,184 KJ

Per calcolare il bilancio energetico di un organismo, è necessario valutare l’energia assunta con gli alimenti (entrate di energia) e il dispendio di energia come lavoro biologico e calore ceduto all’ambiente (uscite di energia) Il contenuto calorico di un alimento è misurato nella bomba calorimetrica Protidi 5,6 Kcal/g Glucidi 4,1 Kcal/g Lipidi 9,3 Kcal/g

L’ossidazione nell’organismo dei macronutrienti fornisce questi valori: Protidi 4 Kcal/g Glucidi 4 Kcal/g Lipidi 9 Kcal/g Perché l’ossidazione delle proteine in vivo libera meno energia della loro combustione in vitro? Nella bomba le molecole proteiche sono completamente combuste, nell’organismo, invece, il gruppo amminico degli aminoacidi non viene ossidato La deaminazione ossidativa da parte della glutammato deidrogenasi libera il gruppo amminico sotto forma di ammoniaca (NH3) che entra nel ciclo dell’urea nel fegato

Strumento preciso, ma complesso da realizzare Valutazione della spesa energetica dell’organismo Calorimetria diretta Strumento preciso, ma complesso da realizzare

Calorimetria indiretta Si basa sul principio che nell’organismo ogni reazione che produce energia dipende sostanzialmente dal metabolismo ossidativo, quindi dal consumo di ossigeno Misurando questo consumo è possibile calcolare le calorie prodotte dal catabolismo e spese dall’organismo È necessario però conoscere l’equivalente calorico dell’ossigeno

4,825 Kcal/L È molto semplice calcolare l’equivalente calorico dell’ossigeno per i glucidi C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + 686 Kcal 6 x 22,4 = 134 litri volume di ossigeno consumato 686 : 134 = 5,1 Kcal/L equivalente calorico dell’ossigeno per i glucidi 4,7 e 4,6 Kcal/L sono gli equivalenti calorici rispettivamente per i lipidi e per le proteine Si usa il valore medio dei tre: 4,825 Kcal/L

viene accertato un consumo Il consumo di ossigeno viene valutato con lo spirometro Se, per esempio, in 15 min viene accertato un consumo di ossigeno di 3,9 litri: 3,9 x 4,825 = 18,81 Kcal/15 min 18,81 x 4 = 75,27 Kcal/ora

Un esempio è la misura continuata della frequenza cardiaca Metodi non calorimetrici Quando non è possibile utilizzare la calorimetria indiretta, si ricorre a metodi non calorimetrici che effettuano una misura indiretta del dispendio energetico Un esempio è la misura continuata della frequenza cardiaca

Cos’è il metabolismo?

E’ l’insieme di reazioni chimiche e di trasformazioni energetiche che avvengono nell’organismo Il metabolismo: Anabolismo (biosintesi) è la serie di reazioni con le quali sono sintetizzate nuove macromolecole Catabolismo è l’insieme delle reazioni che comportano la degradazione di macromolecole in molecole più semplici In tutte le cellule, i processi catabolici e anabolici si svolgono contemporaneamente L’equilibrio fra questi due processi è sottoposto ad una fine regolazione

Fosforilazione Ossidativa Riassunto delle vie metaboliche che portano alla produzione di energia nell’uomo LIPIDI 9Kcal/g CARBOIDRATI 4Kcal/g PROTEINE 4Kcal/g Esosi Aminoacidi Glicerolo Acidi grassi NH3 glucogenici Esosi P Triosi P chetogenici Ciclo della urea PIRUVATO ACETIL CoA ATP ADP + Pi Acido Ossalacetico Fosforilazione Ossidativa Ciclo di Krebs e- CO2 H2O CO2

Fase post-prandiale Fase post-assorbimento L’organismo si trova in ogni momento in una di queste condizioni metaboliche: Fase post-prandiale Fase post-assorbimento Stato di digiuno

Nello fase post-prandiale, i macronutrienti, dopo essere stati assorbiti, seguono uno di questi destini: sono catabolizzati per ottenere energia sono utilizzati per la sintesi di nuove macromolecole sono depositati come riserve energetiche

Metabolismo nella fase di post-assorbimento In questa fase i nutrienti forniti dall’ultimo pasto sono stati completamente utilizzati L’organismo ha ora il problema di mantenere la glicemia in un range di valori accettabili. A tale scopo: Utilizza nuove fonti di glucosio (glicogenolisi e gluconeogenesi a livello epatico) Risparmia glucosio, utilizzando a scopo energetico i lipidi delle riserve

Queste azioni metaboliche sono indotte dall’aumento dei livelli in circolo di glucagone, un ormone prodotto dalle cellule alfa pancreatiche I livelli di insulina in circolo sono invece bassi Dopo circa 20 ore dall’ultimo pasto l’organismo entra in uno stato di digiuno Oltre ai lipidi, anche le proteine corporee sono demolite per ricavare energia L’organismo contrae il più possibile la spesa energetica: l’attività fisica è ridotta al minimo e si abbassa il metabolismo basale

Quando, nel digiuno, c’è un forte catabolismo degli acidi grassi, si forma una quantità eccessiva di acetil-CoA, da cui derivano i corpi chetonici (c.c.) acetil-CoA beta-idrossibutirrato + acetone acetacetato acetil-CoA In condizioni normali le cellule utilizzano i c.c. a scopo energetico, per cui la loro concentrazione plasmatica è molto bassa A digiuno, i c. c. sono utilizzati a scopo energetico dal tessuto nervoso A digiuno i c.c. si accumulano nel plasma; l’acetone viene espirato

Lavoro biologico + calore Energia derivante dal catabolismo dei nutrienti Lavoro biologico + calore Nell’uomo, almeno metà dell’energia rilasciata dal catabolismo viene ceduta come calore lavoro meccanico Il lavoro biologico può essere: trasporto lavoro chimico

L’energia chimica contenuta nei nutrienti non è liberata tutta in un colpo Essa è liberata gradualmente. Questo riduce la quota di energia ceduta come calore e rende più efficiente il processo L’energia chimica dei nutrienti, inoltre, non è direttamente impiegata dalle cellule per compiere lavoro, ma è convogliata nella formazione di ATP (adenosin trifosfato)

L’energia a livello molecolare

ATP = valuta energetica delle cellule La conversione di una mole di ATP in ADP libera 7,3 Kcal di energia utilizzabile Ha due legami altamente energetici La rottura di questi legami è immediata e avviene in assenza di ossigeno L’energia liberata può essere usata da tutte le cellule, per tutte le forme di lavoro biologico ATP = valuta energetica delle cellule L’organismo non è “ricco” di ATP (ne contiene appena 100 g) basterebbero 3 secondi di un esercizio di forte intensità per azzerare le scorte di ATP delle fibre muscolari

LE 3 VIE DI RIFORNIMENTO DI ATP La fosfocreatina (PCr) Il metabolismo anaerobico (glicolisi) Il metabolismo aerobico (ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa) 1. La fosfocreatina La PCr è la prima fonte di ATP ad entrare in gioco all’inizio dell’attività contrattile Ha un unico legame altamente energetico (8,5 Kcal/mole di PCr) Non può cedere l’energia direttamente alle cellule, ma solo all’ADP per ricaricare ATP

Le cellule immagazzinano 5 volte più PCr che ATP La ricarica di ATP da parte della PCr è immediata ed avviene in anaerobiosi Questo sistema è così efficiente che è stato chiamato sistema tampone dell’ATP Alla fine dell’esercizio, quando nelle cellule c’è disponibilità di ATP, molta della sua energia viene spesa per sintetizzare PCr, ripristinando così le scorte di questa molecola

Sforzi brevi di forte intensità sono sostenuti dall’ATP derivato dalla fosfocreatina La fosfocreatina dei muscoli carica ATP sufficiente a sostenere 3-5 secondi di contrazione massimale Se lo sforzo fisico continua, la fonte di ATP diventa il metabolismo Le vie metaboliche in cui si forma ATP sono: la glicolisi (via anaerobica) e il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa (via aerobica o metabolismo ossidativo)

Substrati per le vie metaboliche glucidi (glucosio) lipidi (acidi grassi) protidi (aminoacidi) Glucosio e acidi grassi sono i substrati di elezione Fonti di glucosio: riserve di glicogeno del fegato e dei muscoli Fonti di acidi grassi: riserve di trigliceridi del tessuto adiposo e dei muscoli

2. Metabolismo anaerobico Prima che le scorte di fosfocreatina si esauriscano interviene il metabolismo anaerobico, che avviene cioè in assenza di ossigeno glicogeno 1 glucosio 2 NAD+ glicolisi 2 NADH 2 ATP Il substrato utilizzato è principalmente il glicogeno delle fibre muscolari 2 piruvato

La glicolisi è una via rapida, utilizzata come fonte di ATP per contrazioni intense ma brevi Essa può sostenere un’attività massimale per 1-2 minuti In seguito l’accumulo di lattato nelle fibre muscolari rende dolorosa la contrazione e causa fatica Dopo 1-2 minuti di esercizio la fonte di ATP diventa il metabolismo aerobico (ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa)

Ha luogo nei mitocondri delle fibre muscolari se è presente ossigeno 3. Metabolismo aerobico Ha luogo nei mitocondri delle fibre muscolari se è presente ossigeno C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP Produce ATP più lentamente della glicolisi anaerobica, ma può sostenere a lungo un esercizio fisico di intensità moderata Questa via è alimentata da glucosio e acidi grassi Il glucosio deriva soprattutto dalla demolizione del glicogeno epatico Tutto il glicogeno epatico (100 g) basterebbe a sostenere la contrazione per appena 20 minuti di corsa; per questo è necessario catabolizzare anche i grassi I fattori che determinano in quale percentuale sono usati i due tipi di nutrienti sono principalmente l’intensità dell’esercizio e lo stato di allenamento del soggetto

Come viene spesa l’energia dall’organismo?

Componenti della spesa energetica totale giornaliera di un organismo: metabolismo basale (60%) termogenesi indotta dalla dieta (7-13%) attività fisica (=> 15%)

Si definisce metabolismo basale (BMR, basal metabolic rate) l’energia spesa dal soggetto per svolgere le normali funzioni vegetative e mantenersi in vita L’organismo spende continuamente energia per: la respirazione il battito e la circolazione del sangue la filtrazione renale l’attività epatica l’attività cerebrale le secrezioni ghiandolari la manutenzione ed il rinnovamento dei tessuti corporei la termoregolazione Il BMR incide mediamente per almeno il 60% sulla spesa energetica totale

Il BMR varia con buona approssimazione in maniera proporzionale al variare della superficie corporea Per questo i valori del BMR si esprimono in Kcal per ora per metro quadrato di superficie corporea La superficie corporea è correlata con la statura e con il peso.

Fattori che influenzano il BMR: la temperatura corporea il genere Rapporto massa magra/massa grassa l’età la forma fisica il sonno alcuni farmaci Gravidanza e allattamento lo stato di nutrizione alcuni ormoni

La misurazione del BMR può essere utile in caso di malattie mataboliche

Per termogenesi indotta dalla dieta si intende l’energia che viene spesa in più ogni volta che si assume cibo L’effetto termogenico del cibo varia in funzione dei nutrienti: proteine 30% dell’energia fornita dalle proteine carboidrati 7% dell’energia fornita lipidi 3% dell’energia fornita Anche le sostanze nervine hanno un effetto termogenico

L’attività fisica è la voce più variabile della spesa energetica Rappresenta circa il 15% della spesa energetica totale giornaliera nei soggetti estremamente sedentari Corrisponde a 3-4 volte la spesa energetica del metabolismo basale negli atleti e in coloro che svolgono lavori molto pesanti

Nell’esercizio di bassa intensità ossidati principalmente gli acidi grassi che provengono dai trigliceridi del tessuto adiposo L’utilizzo massimo degli acidi grassi, tuttavia, si ha dopo 20-30’ dall’inizio dell’esercizio Quindi, se questo è di breve durata, lipidi e glucidi contribuiscono in uguale misura alla fornitura di energia Se l’esercizio di bassa intensità è prolungato,invece, l’ossidazione degli acidi grassi arriva a coprire il 70% della richiesta energetica L’allenamento migliora l’utilizzo a scopo energetico dei grassi da parte dei muscoli

Nell’esercizio di media intensità aumenta l’utilizzo dei carboidrati come fonte energetica L’ossidazione dei lipidi contribuisce al 50-60% della fornitura di energia, il resto è dovuto ai glucidi L’esercizio di media intensità se prolungato comporta: esaurimento delle riserve di glicogeno, calo della glicemia e comparsa di fatica

L’esercizio di elevata intensità non può essere svolto troppo a lungo, neppure dai soggetti allenati In poco tempo sia il glicogeno epatico che quello muscolare si esauriscono e compare la fatica

Quanto grasso si consuma con un esercizio di bassa intensità come camminare? Consumo di grasso in grammi: (Kg di peso corporeo x Km percorsi)/35 Per sapere la spesa energetica: 0,5 x Km percorsi x Kg di peso corporeo Volendo fare un esempio, un uomo di 75 Kg che percorre camminando 10 Km: spende 0,5 x 10 x 75 = 375 Kcal consuma (75 x 10)/35 = 21 g di grasso corporeo

Due parole sugli effetti benefici dell’attività fisica

dell’esercizio aerobico di intensità moderata Effetti sulla salute dell’esercizio aerobico di intensità moderata Raggiungimento e mantenimento dell’efficienza muscolo-scheletrica Durante la crescita assicura la robustezza delle ossa ed il raggiungimento del picco di massa ossea Durante l’invecchiamento previene il cambiamento della composizione corporea e contrasta la comparsa dell’osteoporosi

2. Controllo del peso corporeo e correzione del sovrappeso o dell’obesità L’esercizio aumenta la spesa energetica L’allenamento migliora l’utilizzo a scopo energetico dei grassi L’esercizio previene la riduzione del metabolismo basale causata dai regimi alimentari ipocalorici È fondamentale per mantenere nel tempo la perdita di peso

3. Protezione cardiovascolare L’esercizio migliora nel tempo il profilo lipidico del sangue Mantiene la pressione arteriosa a valori moderati

4. Prevenzione e controllo del diabete di tipo 2 L’esercizio è efficace attraverso la prevenzione o la correzione del sovrappeso L’obesità, infatti, è un forte fattore di rischio per il diabete di tipo 2 L’esercizio però ha anche un effetto protettivo indipendente sul rischio di diabete di tipo 2 Nei soggetti attivi il rischio è inferiore fino al 50% rispetto ai sedentari La percentuale sale a oltre il 60% nei soggetti con altri fattori di rischio per il diabete L’esercizio, infatti, migliora la sensibilità all’insulina e la tolleranza al glucosio

5. Benessere psicologico e salute mentale L’esercizio stimola la produzione di endorfine Riduce lo stress Riduce gli stati d’ansia, migliora l’umore e l’autostima Migliora la qualità del sonno Forse riduce il rischio di demenza e del morbo di Alzheimer in età avanzata

Quale e quanto esercizio per ottenere questi vantaggi? 6. Riduzione del rischio di alcuni tumori Ad esempio, tumore del colon, del seno e dell’endometrio L’esercizio praticato con regolarità migliore le difese immunitarie Quale e quanto esercizio per ottenere questi vantaggi?