L’ENERGIA E LE FUNZIONI VITALI

Presentazione sul tema: "L’ENERGIA E LE FUNZIONI VITALI"— Transcript della presentazione:

1 L’ENERGIA E LE FUNZIONI VITALI
Il nostro corpo funziona a tutti gli effetti come una macchina termica. Essa richiede ENERGIA per il suo funzionamento..

2 Dispendio energetico umano:
circa 70 % per il funzionamento degli organi e dei processi vitali (BMR) circa 20 % per attività fisica circa 10% per termogenesi e digestione del cibo

3 MODULO 1 Q assorbito DU = Qass - Qced - L U L Q ceduto all’ambiente

4 ( detto METABOLIC RATE)
DU = DQ - L o se si preferisce parlare di POTENZA: DU/t (MR) = DQ/t - P ( detto METABOLIC RATE)

5 Sulla base delle definizioni precedenti possiamo definire il
METABOLIC RATE come la variazione dell’ energia interna nell’ unità di tempo: MR= dU / dt = DQ / dt - L / dt e il MR unitario ( o POTENZA METABOLICA SPECIFICA) MRU= ( dU / dt ) / m che viene dunque misurata in W / kg

6 La POTENZA METABOLICA SPECIFICA BASALE è di circa:
1.2 W/kg per un uomo medio di 20 anni corrispondente a circa un MR di 1700 kcal per una massa di 70 kg. L’equilibrio risulta turbato se viene richiesto un consumo eccessivo di energia per il funzionamento degli organi interni (la ‘taratura’ del sistema, effettuata dal sistema ipotalamico-tiroideo, non è corretta).

7 Contributi dei vari organi al metabolismo basale
per un soggetto di 65 kg organi energia consum. MB (%) in kcal/giorno cuore polmoni reni fegato e milza cervello muscoli schel rimanente TOTALE (MB) CC

8 Contributi dei vari organi al metabolismo basale
per un soggetto di 65 kg organi energia consum. MB (%) in kcal/giorno cuore polmoni reni fegato e milza cervello muscoli schel rimanente TOTALE (MB) CC

9 Diamo i numeri… La potenza metabolica degli animali varia con una legge di scala del tipo: MR = m 0.75 Se la potenza metabolica basale di un uomo di 60 kg è pari a 1.2 W/kg, per un cavallo di massa pari a 360 kg sarà: MR(cavallo)/ 1.2*60 = (m(cavallo)/m(uomo)) 0.75 = = ( 360 / 60 ) = 3.8 dunque MR (cavallo) = 274 W.

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11 The Harris-Benedict equations
Esistono delle equazioni più dettagliate per il calcolo del MR Basale: for men, ( * w) + ( * s) − ( * a) for women, ( * w) + ( * s) − ( * a) where w = weight in kilograms, s = stature in centimeters, and a = age in years. Esempio: donna di 55 anni di peso 60 kg e statura di 160 cm: BMR = * *160 – 4.68*55 = 1231,3 kcal Applicare la formula di Harris-Benedict a se stessi.

12 Diamo i numeri…. Qual è il valore previsto per la potenza metabolica basale di un elefante di 6000 kg se quello di un topo di 0.04 kg è di 0.3 W ? MR(elefante)/ 0,3 = (m(elefante)/m(topo)) 0.75 MR = (6 103 / ) ¾ *0,3 = (1,5 105) ¾ 0,3 =…

13 DU = Qass - Qced - L MODULO 2 Q assorbito U Lavoro
Q ceduto all’ambiente

14 IL lavoro è essenzialmente dovuto ai muscoli, e l’energia
meccanica è ottenuta per conversione di energia chimica. La molecola che permette questa conversione, generando una reazione endoergonica anabolica si chiama ATP. L’ energia richiesta per la contrazione muscolare viene ottenuta ‘rompendo’ i legami chimici dell’ ATP. Si tratta tuttavia, come per tutte le convesioni energetiche, di un processo poco efficiente, ossia a basso rendimento.

15 Il secondo principio della termodinamica ci dice che
Rendimento = L/ Qass = (Qass -Qced)/Qass < 1 e anche questo è applicabile al corpo e ai suoi sottosistemi. Es: rendimento muscolare del 20% significa che L meccanico = Energia/ 5

16 ATTIVITA’ potenza o metabolic rate (W) dormire 75 stare seduti attività di ufficio camminata lenta jogging salire le scale rapidamente corsa

17 Diamo i numeri…. Un fondista di 60 kg scia per un’ora e 30 minuti, sviluppando una potenza media di 8 W/kg. Si calcoli la quantità di calorie consumate, supponendo un rendimento del 25 %. P = 8 (W/kg)* 60 (kg) = 480 W L = P * t = 480 (W)* 90 (min)* 60 (s/min)= J= (J)/ 4180 (J/kcal) = 620 kcal poiché h = L/ Q = 0.25 Q = 4 * L = 2489 kcal

18 Calore ceduto all’ ambiente
Esistono molte modalità di scambio di calore: -conduzione tra un corpo a temp T e l’ambiente Ta c’è cessione di calore DQ/Dt = kcond A ( T - Ta)/a kcond è elevata nei metalli, ma bassa nell’aria (kcond = W/m°C) e nei tessuti biologici, A e a sono rispettivamente la superficie e lo spessore

19 Diamo i numeri…. Un uccello ha superficie corporea pari a 150 cm2, temperatura basale pari a 37 °C e piume equivalenti allo spessore di 2 cm di aria. Trovare la velocità di perdita di calore in un ambiente a 5 °C . DQ/Dt = W/m°C m2 (37 -5 ) °C/ m = 0.57 W se l’uccellino si bagna, lo spessore equivalente si riduce di un fattore 10, e la velocità di dispersione aumenta di un fattore 10.

20 - convezione: DQ/Dt = kconv A (T - Ta) /a è efficace nei fluidi , e specialmente nell’aria. E’ un meccanismo fondamentale per la dispersione del calore verso la cute e i tessuti periferici (circolazione) -irraggiamento DQ/dt = kirr A (T4 - Ta4) avviene tramite emissione di onde elettromagnetiche ed è il meccanismo più efficiente per la dispersione del calore cutaneo.

21 - convezione: DQ/Dt = kconv A (T - Ta) /a è efficace nei fluidi , e specialmente nell’aria. E’ un meccanismo fondamentale per la dispersione del calore verso la cute e i tessuti periferici (circolazione) -irraggiamento DQ/dt = kirr A (T4 - Ta4) avviene tramite emissione di onde elettromagnetiche ed è il meccanismo più efficiente per la dispersione del calore cutaneo.

22 In questo caso l’unico sistema indipendente dalla temperatura
-sudorazione ossia l’evaporazione di liquido dalla cute (N:B: Il calore latente necessario per vaporizzare un g di acqua ad una atmosfera, pari a 2300 J (= 540 cal), viene sottratto alla pelle. I limiti di questo meccanismo dipendono dalla condizione di umidità dell’aria. Diamo i numeri… Il corpo umano dissipa ogni giorno circa 107 J. Se l’unico meccanismo fosse la sudorazione, quanta acqua dovrebbe evaporare? M = 107 J/2300 J/g = 4.3 kg.

23 Per mantenere costante la temperatura corporea,
questi processi di perdita di calore sono pertanto molto efficienti e devono essere CONTINUAMENTE COMPENSATI con apporto di energia: nelle 24 ore la perdita di calore del nostro corpo è di circa: 73 % radiazione e convezione dalla pelle 14% evaporazione e perspirazione dalla pelle 7.5% vaporizzazione di acqua dai polmoni 3.5 % riscaldamento dell’aria nei polmoni 2% perdita di calore tramite urina e feci In condizioni estreme intervengono MECCANISMI FISIOLOGICI specifici.

24 Una foca deve produrre una grande quantità di calore per compensare le perdite che subisce nuotando nell’ acqua gelida. Se nel corso di una giornata spende a tale scopo 10 MJ, considerando che il potere calorico medio del pesce sia pari a 6 kcal/g, calcolare quanto pesce deve catturare. M = 10 MJ / 6 kcal/g = 107 J g/ 6 * 4180 J = ca. 400 g

25 Produzione di calore Il nostro corpo PRODUCE CALORE (ENERGIA) tramite il combustibile ALIMENTARE

26 . Esiste una fase di PRODUZIONE, legata all’ossidazione degli alimenti. Un valore tipico (da ricordare!) è quello del glucosio: il consumo di 1 kg di zucchero produce circa 15 MJ di energia. Per le proteine la resa è circa equivalente, mentre per i grassi è di circa il doppio.

27 Consideriamo ad es. il glucosio :
L’equazione della reazione è data da: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O kcal Poiché una mole di carbonio vale 6* *1 + 6*16 = 180 uma significa che l’ossidazione di 180 g di glucosio fornisce 666 kcal, dunque il potere calorico del glucosio è dato da 666/180 = 3,7 kcal/g. Il quoziente respiratorio si ottiene dividendo le moli di CO2 per quelle di ossigeno, quindi QR = 6 / 6 = 1. La quantità di ossigeno ( in l ) necessaria per metabolizzare 1 g di glucosio vale 6 (moli) * 22,4 l/mole / 180 g = 0,75 l/g. In questo caso il valore della CO2 è il medesimo. Il valore calorico di 1l di O2 è dato da 666 kcal/6*22,4 = circa 5 kcal.

28 Grassi : consideriamo per es l’acido palmitico, la cui equazione di
ossidazione vale: C16H32O O2 → 16 CO H2O kcal Analogamente a prima, la massa molecolare vale: 12*16 + 1*32 + 2*16 = 256 uma Poiché 256 g producono 2432 kcal, il potere calorico sarà 2432/256 = 9,5 kcal. In questo caso QR = 16 / 23 = circa 0,7, la quantità di ossigeno Necessaria per metabolizzare 1 g di grasso vale: 23*22,4 / 256 = circa 2 l/g, mentre per la CO2 vale 16*22,4/256 = 1,43 l/g.

29 Consideriamo infine le proteine, ad esempio l’albumina, per cui
vale la reazione: C72H112N2O22S + 77 O2 → 63 CO H2O + SO3 + 9 CO(NH2)2 + energy Facendo i conti come prima si ottiene un valore calorico pari a 4,3 kcal/g. QR = 63 CO2/ 77 O2 = 0.818, e similmente si procede per gli altri valori.

30 Si stima che il catabolismo proteico vari tra il 10% e il 15%
della richiesta energetica totale in uno sforzo prolungato per 2 ore. Tuttavia, se le riserve di glicogeno sono ridotte a causa di un precedente sforzo, il catabolismo proteico può crescere dal 15% al 45%, degradando la struttura proteica delle proteine contrattili dei muscoli, del cuore e dei mitocondri cellulari. A riposo circa il 70% dell’ ATP prodotto deriva dai grassi e il 30% dai carboidrati, mentre durante l’esercizio aumenta il contributo dei carboidrati. Tranne che durante il digiuno prolungato e lo sforzo strenuo, le proteine non sono significativamente metabolizzate.

31 Informazioni sulle sostanze presenti nei cibi
dati CARBOIDRATI GRASSI PROTEINE calore combust(kcal/g) CO2 in l/g O2 in l/g QR valore calorico di 1 l di O2 (kcal)

32 Questa energia non viene immediatamente consumata, ma
viene immagazzinata in legami chimici in una piccola molecola detta ATP (Adenosine TriPhosphate). Quando neces- sario, la rottura di tali legami renderà disponibile l’energia. Questa forma di produzione di energia è detta AEROBICA, in quanto richiede la disponibilità di Ossigeno. In particolare per ogni litro di O2 utilizzato nell’ossidazione degli alimenti si producono mediamente 20 kJ di energia. In condizioni estreme esiste anche un meccanismo di metabo- lismo ANAEROBICO ottenuto trasformando il glucosio in acido lattico, ma è molto meno efficiente (produce soltanto 0.8 MJ per kilo di glucosio).

33 BMR = 20 (kJ/l) O2 (l)/ t (min)
La misura del cosiddetto Metabolic Rate Basale (ossia a riposo, legato soltanto alle attività essenziali dell’orga- nismo) è talvolta di interesse clinico (ad esempio per una valutazione dei sistemi di regolazione ipotalamici-tiroidei). Poiché è noto che per ogni litro di O2 consumato nella ossidazione degli alimenti vengono prodotti circa 20 kJ di energia, viene misurata la velocità di consumo di ossigeno tramite uno spirometro: BMR = 20 (kJ/l) O2 (l)/ t (min) (per passare in W occorre moltiplicare per 10-3 e dividere per 60!)

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35 Diamo i numeri…. Una donna ha un fabbisogno medio giornaliero di 2800 Cal. Se decide di perdere 4 kg di grasso in un mese, a quante Cal dovrà ridurre la sua dieta giornaliera? Poiché il contenuto energetico di 1 g di grasso vale 9.3 Cal, occorrerà bruciare 4000 (g) * 9.3 (Cal/g) = Cal. Se il calo è suddiviso su 30 gg, occorre ridurre di 37200 / 30 = Cal/g. La dieta quotidiana dovrà essere pari a = 1560 Cal.

36      Un coniglio del peso di 3 kg ha un rate metabolico di 3 W/kg.
     Calcolare di quante kcal di cibo necessita nelle 24 ore Se si nutre di lattuga, il cui potere calorico è pari a 18.6 kcal/100 g, b)     calcolare quanta insalata deve consumare nelle 24 ore per soddisfare le sue necessità metaboliche. E = 3 W/kg * 3 kg = 9 W = 9 J/s M = 9 * 100* 3600 * 24 g J / 18,6 * 4180 J = circa 900 g

37 La fisica della balena Supponiamo che il suo rate metabolico basale sia di 104 kcal/giorno. Se il plancton di cui si nutre ha un potere calorico di 5 kcal/g, quanto plancton consumerà in un giorno al minimo? Calcolare il consumo energetico in J/s. Supponiamo che la temperatura alla superficie del mare sia di 20 °C e alla profondità di 50 m sia di –20 °C. Se la sua temperatura interna è di 30°C, calcolare che rapporto c’è tra la perdita di energia per unità di tempo in sup e in profondità