Riassunto esame Fisiologia umana, Prof. Gastaldi Giulia, libro consigliato Fisiologia Medica, F. Conti

Introduzione

Qualsiasi essere vivente scambia costantemente energia e materia con l’ambiente circostante attraverso l’introduzione di alimenti e l’escrezione di scarti. Si parla pertanto di sistema aperto.

Gli alimenti apportano energia che l'organismo consuma, utilizzandola sotto forma di calore e lavoro a seconda delle caratteristiche metaboliche intrinseche del soggetto. In generale è bene precisare sin da subito che l’organismo umano è una macchina metabolica a basso rendimento.

Si distinguono gli organismi viventi in:

• Organismi eterotrofi: necessitano di catabolizzare molecole organiche per produrre energia chimica.
• Organismi autotrofi: producono le molecole organiche sfruttando molecole inorganiche ed energia solare (mondo vegetale).

La sintesi di ATP ha come base il catabolismo degli alimenti (nelle varie modalità biochimiche per i differenti substrati nutrienti). Successivamente, la molecola verrà a sua volta idrolizzata. Questo processo servirà solo in minima parte alla produzione di lavoro, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe, mentre per la maggior parte l’energia viene dispersa sotto forma di calore. (1 mole di ATP 12 kcal totali).

Quindi calore, energia di lavoro e scorie materiali dovranno essere successivamente restituiti all'ambiente esterno. L'organismo è costituito da un sistema di cellule che sono in comunicazione con l'esterno tramite barriere cutanee e mucose le quali mediano gli scambi di calore e materia.

L’introduzione di alimenti e la successiva sintesi di ATP (energia chimica) sono fondamentali per tutti i processi che coinvolgono crescita, sviluppo e metabolismo basale dell’organismo vivente.

Compartimentalizzazione dell’organismo

Il sistema di compartimenti dell'organismo prende in considerazione l’ambiente come riferimento e consta di:

• Aree intracellulari: 28L.
• Aree extracellulari: 14L.

Il sangue è parte integrante del compartimento extracellulare e mette in comunicazione l’organismo con ambiente esterno, in particolare attraverso il sistema respiratorio, sistema digerente e sistema renale.

Fasi metaboliche

È possibile riconoscere varie fasi nell’attività metabolica normale di un organismo vivente:

• Fase postprandiale: immediata dopo il pasto. In questa fase i nutrienti sono liberati a livello del lume intestinale, dove vengono assorbiti dal sangue e arrivano a livello cellulare. Qui subiscono i processi metabolici biochimici. Tuttavia, la maggior parte dei composti nutrienti assorbiti verrà stoccata in riserve energetiche per essere utilizzate in un secondo momento di necessità.
• Fase post-assorbimento: da 2 ore dal pasto. In questa fase si abbassa la concentrazione dei nutrienti nel sangue, che tendono a tornare ai valori fisiologici (si prenda in riferimento la glicemia). Dunque, le modificazioni metaboliche sistemiche sono finalizzate a rendere disponibile il glucosio per quei tessuti che lo usano in maniera esclusiva (es il cervello). Viene stimolata la gluconeogenesi e glicogenolisi in quanto la concentrazione glicemica si è abbassata sotto i valori fisiologici (ossia sotto i 100 mg/dL).
• Fase di digiuno: da 20 ore dal pasto. Tra la fase postassorbimento e quella di digiuno si ha la sensazione di fame. Caratteristica di questa fase è la riduzione del metabolismo basale, con conseguente riduzione del dispendio di energia, e sensazione di spossatezza che determina l’inibizione dell'attività fisica da parte del soggetto e quindi riduzione ulteriore del dispendio energetico. Parallelamente, comincia la proteolisi cellulare per il soddisfacimento delle richieste metaboliche.

Tipi di metabolismo e fattori che ne influenzano l’attività

• Metabolismo basale: coinvolto nell’apporto energetico necessario per mantenere le funzioni vitali di base dell'organismo. Ammonta intorno al 65-75% del dispendio energetico totale.
• Metabolismo di attività: coinvolto nell’apporto di energia per le attività motorie non di base. Varia da soggetto a soggetto in base alle abitudini. Ammonta al restante 25-35%.

L’attività metabolica istantanea in un soggetto è il risultato dell’integrazione di fattori intrinseci, o interni al soggetto, e fattori estrinseci, o esterni al soggetto.

Il bilancio energetico

La quantità di energia potenziale chimica in ingresso deve corrispondere all’energia impiegata da un organismo per svolgere qualsiasi attività. Se vi sono squilibri nel bilancio energetico, allora sicuramente il soggetto tenderà ad incrementare o perdere la sua massa grassa secondo il principio della riserva di energia.

Azione dinamico specifica degli alimenti

Inoltre, una curiosità che non viene evidenziata dall’immagine è che, considerando la spesa energetica totale, si deve tenere presente un valore energetico noto come “Azione Dinamico-Specifica degli alimenti ADS”, ovvero l’effetto termico derivante dall’utilizzo degli alimenti (pari al 10-15% della spesa totale). Questo valore esprime che buona parte della spesa energetica di un organismo, è finalizzata alla semplificazione degli alimenti a nutrienti, all’interno del tubo gastroenterico attraverso la digestione, e utilizzo degli stessi, a livello cellulare, per la produzione di una maggiore quantità di energia. È chiaro che il grado di ADS è variabile in funzione della composizione chimica degli alimenti.

In alcune diete, viene suggerito di frazionare i pasti in tanti piccoli spuntini così da bruciare più calorie sfruttando proprio l’ADS.

Misurazione del valore calorico degli alimenti

La misura del valore energetico degli alimenti viene effettuata secondo due modalità:

• Misura del valore fisico: questa avviene sfruttando la bomba calorimetrica, in cui viene inserito l’alimento e fatto ossidare completamente col fine di liberarne l’energia chimica contenuta. Quindi, quando viene sprigionata dall’alimento, l’energia liberata riscalda l’acqua dell’ambiente circostante (la quale ha un determinato calore specifico c) e in virtù della differenza termica dell’acqua, prima e dopo l’ossidazione dell’alimento, viene calcolata l’energia sprigionata secondo questa formula; dove Q è l’energia liberata, m è la massa d’acqua considerata, c è il calore specifico dell’acqua e il delta tempo rappresenta l’intervallo di tempo in cui si somministra il calore all’acqua. Si parla in questo caso di valore calorico fisico degli alimenti e indica un “valore assoluto” che non prende in relazione l’ambiente biologico.
• Misura del valore fisiologico: questa avviene relazionando l’ossidazione dei composti biochimici all’organismo in cui vengono utilizzati per ricavare energia.

Dalle analisi sui vari tipi di biomolecole si evince che:

• Proteine: ossidazione sprigiona 5,6 kcal/g.
• Carboidrati: ossidazione sprigiona 4,1 kcal/g.
• Lipidi: ossidazione sprigiona 9,3 kcal/g.

I risultati finali ricavabili sono i seguenti:

• Proteine: ossidazione sprigiona 4,0 kcal/g.
• Carboidrati: ossidazione sprigiona 4,1 kcal/g.
• Lipidi: ossidazione sprigiona 9,0 kcal/g.

È sorprendente il valore registrato per le proteine, il quale indica una liberazione energetica nettamente inferiore negli ambienti biologici rispetto a quella assoluta registrata nella bomba. Questa considerazione suggerisce che le proteine siano dotate prevalentemente di una funzione plastica. Gli altri due valori non sono così discostanti da quelli precedenti, il che suggerisce una loro effettiva funzione energetica.

Per misurare il valore energetico biologico degli alimenti, i fisiologi sono soliti a utilizzare metodi di misurazione diretta (come la differenza di calore dell’acqua che circonda una stanza entro cui si trova il soggetto che compie un’attività specifica), e metodi di misurazione indiretta (come registrare la differenza di ossigeno, differenza di CO2 oppure quantità di azoto rilasciata nelle urine).

Tabella riassuntiva delle entrate e uscite energetiche

Basi degli equilibri metabolici

Il peso del corpo (costituito da massa grassa e massa magra) è soggetto a cambiamenti in caso di squilibri metabolici. Per esempio, ogni 9,3 kcal introdotti in eccesso corrispondono ad un nuovo grammo massa grassa.

Come mai non si forma la massa magra?

La massa magra è costituita dal tessuto muscolare. Per stimolarne la produzione, è necessario abbinare all'introito calorico, anche l’apporto di materiale plastico (come gli amminoacidi) e l'attività fisica.

L’attività fisica rappresenta lo stress a cui deve essere sottoposto il muscolo, a seguito del quale si ottiene una risposta ipertrofica da parte dell’organismo.

Differenza tra alimentazione e nutrizione

• Alimentazione: processo di assunzione di alimenti finalizzati a nutrire l'organismo, quindi a produrre energia.
• Nutrizione: insieme di fenomeni che riguardano l'utilizzo dei nutrienti che sono stati assunti con alimentazione.

Distribuzione e funzione dei nutrienti

Tutti quanti gli alimenti introdotti devono essere semplificati per poter essere assorbiti, in quanto non possono essere assorbiti come “grezzi”. Questo processo, chiamato digestione, è quello che caratterizza il sistema digerente. Il sistema assorbente-enterico è invece deputato all’assorbimento degli alimenti.

I vari nutrienti calorici e non calorici assorbiti con l’alimentazione vengono poi distribuiti in tutto l’organismo tramite il flusso ematico.

In condizioni fisiologiche, la distribuzione dei nutrienti è effettuata riferendosi a questi valori medi di composizione della massa corporea:

• Proteine: 17%.
• Lipidi: 16%.
• Glucidi: 1%.
• Acqua: 62%.
• Minerali: 4%.

I nutrienti assorbiti, secondo le loro caratteristiche chimico-fisiologiche, sono chiamati a soddisfare queste funzioni.

• Funzione plastica --> costruiscono e riparano cellule e tessuti.
• Funzione energetica --> forniscono energia al corpo.
• Funzione regolatoria --> regolano i vari processi chimici (es vitamine).

Principi nutritivi non calorici

Acqua: l'acqua rappresenta il 60-70% del peso corporeo. La sua quantità nell’organismo tende progressivamente a ridursi nel corso tempo di vita del soggetto. La mancanza nella dieta genera effetti gravosi per la salute (disidratazione).

L'acqua può essere introdotta per via esogena con alimenti, oppure può essere prodotta per via endogena durante le reazioni metaboliche (chiaramente in quantità insufficienti).

L'organismo, parallelamente, elimina sempre una certa quantità di acqua attraverso urine, cute ed espirazione.

Vitamine: sono sostanze organiche che mantengono lo stato di buona salute del soggetto. Si distinguono in liposolubili e idrosolubili. Sfruttano diversi meccanismi di assorbimento intestinale a seconda della classe.

Sali minerali: sono essenziali nella dieta e vengono quindi assunte con alimenti. Svolgono svariate funzioni di controllo e regolazione dell'attività cellulare. Si classificano in tre gruppi:

• Macroelementi --> Ca2+, Na+, K+, Mg2+, Cl- e PO43-. Assunti in maggiore quantità (superiore a 100 mg).
• Microelementi --> assunti in quantità modeste (da 1 a 99 mg).
• Oligoelementi --> assunti in tracce (pochi mg).

Principi nutritivi calorici

Proteine: hanno svariate funzioni ma si sottolinea quella prevalentemente plastica. Si distinguono in due categorie.

• Proteine complete: hanno un alto valore biologico, contengono tutti gli amminoacidi essenziali e pervengono dal mondo animale.
• Proteine incomplete: hanno basso valore biologico, contengono alcuni amminoacidi essenziali e pervengono dal mondo vegetale.

Valutazione della digeribilità delle proteine

Digeribilità proteica: rapporto tra azoto assorbito e azoto ingerito; se azoto molto presente nelle feci allora le proteine sono classificate come poco digeribili.

Carboidrati: fabbisogno maggiore in era giovanile (fino a 8g per Kg), successivamente la necessità si riduce col progredire dell’età del soggetto.

La quantità totale dei carboidrati nell’organismo non è maggiore dell’1%. Coprono tuttavia dal 40 al 70% delle calorie introdotte dalla dieta per due importanti ragioni:

• Facilmente digeribili.
• Sono a basso costo (molto presenti in natura).

I depositi di glicogeno sono limitati nell'organismo, vengono utilizzati completamente nell'arco di 24h e si trovano esclusivamente in fegato e muscolo.

Gli zuccheri possono essere distinti in:

• Zuccheri semplici --> energia di pronto utilizzo, ma si esaurisce rapidamente (monosaccaridi).
• Zuccheri complessi --> energia di lento utilizzo, si esaurisce nel medio periodo (amidi).

Lipidi: nell’organismo si trovano sotto forma di:

• Trigliceridi (funzione energetica).
• Fosfolipidi (funzione plastica).
• Colesterolo (funzione plastica e precursore ormonale).

I lipidi hanno funzione di riserva, strutturale o regolatrice, rendono i cibi più appetibili e riducono la motilità gastrica.

È interessante notare come la massa grassa sia presente progressivamente in quantità maggiore con l’avanzare dell’età del soggetto. Questo fenomeno è da tenere in considerazione in clinica, in quanto per esempio può essere alla base dell’aumento del volume di distribuzione di alcuni farmaci (soprattutto lipofili) nel soggetto anziano, tale da comportare una variazione dell’emivita degli stessi.

Principi di formulazione di una dieta

La dieta equilibrata è una tipica dieta normo calorica in cui i nutrienti devono essere presenti in date percentuali. Dunque, nella dieta dovranno essere inseriti i seguenti nutrienti nella data percentuale di calorie.

• Carboidrati al 55-60% delle calorie.
• Lipidi: 25-30% delle calorie.
• Proteine: 10-15% delle calorie.

In riferimento al fabbisogno glucidico, può essere utile conoscere l’impatto che ha un alimento sulla glicemia sanguigna. Questo impatto viene misurato attraverso l’indice glicemico:

L'indice glicemico è dunque il rapporto tra l'area dell’impatto glicemico dell'alimento sull'area dell’impatto glicemico del glucosio puro descritte entrambe dalle due curve. L’area del glucosio puro è un valore standard di riferimento che viene calcolato preliminarmente sul soggetto.

Le due curve sono descritte ovviamente da analoghe quantità di glucosio presente nel primo caso nello sciroppo somministrato per la standardizzazione (reference) e nel secondo caso nell’alimento da studiare (test).

Tuttavia, può risultare insufficiente la sola conoscenza dell’indice glicemico di un alimento in quanto questo non tiene conto dei grammi effettivi di zucchero che sono contenuti in un determinato alimento. Quindi, in dietologia, si preferisce utilizzare il concetto di carico glicemico. Infatti, il carico glicemico si calcola come prodotto tra l’indice glicemico di un alimento (valore tabulato di riferimento) con i grammi effettivi di zucchero contenuti in quel dato alimento.

Cenni di anatomo-istologia del digerente

Il sistema digerente si può modellizzare come un lungo tubo che ha come estremità l'orifizio buccale e l'orifizio anale.

Il lume di questo tubo è in diretta comunicazione con l'ambiente esterno. Tutto ciò che entra dalla bocca e giunge nel canale alimentare viene ancora considerato come facente parte dell'ambiente esterno.

L’internalizzazione corrisponde invece al processo di assorbimento.

Gli alimenti apportano sempre una certa quantità di agenti patogeni in quanto provengono dall'ambiente esterno.

Il lume del digerente è fisiologicamente compartimentalizzato da strutture muscolari tonicamente contratte che prendono il nome di sfinteri. Questi regolano lo spostamento del materiale lungo il tubo.

Si parla di spostamento aborale se il materiale si allontana dalla bocca e dunque è in direzione dell’ano.

Si parla di spostamento orale se lo spostamento avviene in direzione inversa.

Durante i processi di spostamento del materiale, gli sfinteri si aprono consentendo la comunicazione tra i compartimenti. I vari sfinteri studiati in anatomia sono:

• Sfinteri esofagei superiore e inferiore.
• Sfintere cardiale.
• Sfintere pilorico.
• Sfintere di Oddi.
• Sfintere ileocecale.
• Sfinteri anali (interno liscio ed esterno striato).

Tutti gli sfinteri del digerente sono costituiti da muscolatura liscia, e quindi sono controllati dal sistema nervoso autonomo. Solamente lo sfintere anale esterno è costituito da muscolatura striata e quindi è controllato dal sistema nervoso somatico.

Partendo dall'esofago e arrivando al canale anale, la costituzione delle pareti del canale alimentare è molto simile seppur con alcune differenze nei vari tratti. Immaginando di sezionare trasversalmente un tubo alimentare, si osserva la presenza di quattro tonache concentriche:

Mucosa

Strato più interno costituito da:

• Epitelio cilindrico semplice: deputato alla funzione assorbente.
• Lamina propria: tessuto connettivo che contiene dei linfonodi. Questo tessuto linfoide è estremamente esteso a questo livello in quanto il lume del canale alimentare è in comunicazione con l'ambiente esterno e dunque con potenziali patogeni.
• Muscolaris mucosae: non è coinvolto nella peristalsi ma modula semplicemente la morfologia delle pieghe del canale alimentare, in particolare a livello del lume intestinale e quindi la disponibilità di superficie assorbente.
• Cellule esocrine muco-secernenti: distinte in cellule mu.