Nutrizione ottimale per l'esercizio dello sport

Principi nutritivi

Gli organismi viventi sono caratterizzati da una stretta affinità strutturale: sono infatti costituiti dagli stessi elementi chimici che formano composti organici (glucidi o carboidrati, lipidi o grassi, proteine e vitamine) e inorganici (acqua, minerali), principi nutritivi e nutrienti.

I composti chimici in tutti gli organismi viventi, compreso l’uomo, sono in uno stato di equilibrio dinamico, vale a dire si rinnovano in continuazione in virtù degli incessanti scambi con l’ambiente esterno. Gli organismi autotrofi ed eterotrofi soddisfano i loro bisogni in modo diverso, ma hanno in comune la caratteristica di dover introdurre in continuazione energia e materia dell’esterno. Si definiscono, perciò:

Principi nutritivi o nutrienti i composti organici e inorganici che costituiscono gli organismi viventi e che servono come fonte di energia e per consentire il regolare svolgimento delle reazioni metaboliche.

I principi nutritivi sono: proteine, lipidi, glucidi, vitamine, minerali e acqua.

Classificazione dei principi nutritivi

Bisogni nutritivi

Le funzioni vitali degli organismi viventi dipendono dall’assunzione continua di composti chimici, che nell’organismo subiscono una serie ordinata di trasformazioni definite reazioni metaboliche. Le reazioni metaboliche si dividono in:

• Anaboliche: cioè partendo da composti semplici se ne ottengono di più complessi con una spesa energetica.
• Cataboliche: cioè partendo da composti complessi se ne ottengono di più semplici con la liberazione di energia.

La vita degli organismi viventi dipende dall’apporto di una quantità di energia e di materia in grado di soddisfare le esigenze fisiologiche, comunemente indicate come bisogni nutritivi, pertanto, i bisogni nutritivi rappresentano la necessità degli organismi viventi di disporre in continuazione di quantità sufficienti di principi nutritivi (sostanze organiche e inorganiche) al fine di garantire e regolare le reazioni metaboliche che rendono possibili il massimo accrescimento (in relazione alle caratteristiche genetiche individuali), il rinnovo delle strutture usurate, la riproduzione e l’attività nell’ambiente.

Classificazione:

• Bisogni nutritivi energetici.
• Bisogni nutritivi materiali.

Bisogni energetici

Per soddisfare i bisogni energetici gli organismi viventi ricavano energia da diverse fonti:

• Autotrofi: dotati di clorofilla sono in grado di utilizzare l’energia radiante.
• Eterotrofi: dovranno utilizzare un’unica forma di energia cioè quella chimica di legame.

L’energia è definita come la capacità di un sistema materiale di compiere lavoro. Esistono vari tipi di energia come quella chimica, meccanica (muscoli), elettrica (trasmissione stimolo nervoso), radiante (visione), termica (temperatura corporea).

Gli organismi eterotrofi si possono considerare dei sistemi materiali che assumono dall’esterno composti chimici complessi, li trasformano producendo lavoro e restituiscono all’ambiente composti più semplici, e calore. Gli organismi viventi pertanto si comportano come macchine poiché sono in grado di trasformare una forma di energia in un’altra.

Da quanto emerso, perciò, anche per gli organismi viventi valgono i due principi della termodinamica. L’universo può considerarsi un sistema isolato (perché tutto l’ambiente è parte del sistema) e, come tale, non può modificare il suo contenuto energetico complessivo, perciò:

1. Primo principio della termodinamica: l’energia non si crea e non si distrugge ma si conserva, trasformandosi da una forma a un’altra.
2. Secondo principio della termodinamica: è impossibile realizzare una trasformazione in cui unico risultato sia quello di trasferire calore, da un corpo più freddo a uno più caldo, senza l’apporto di lavoro esterno.

Siccome gli organismi viventi trasformano l’energia chimica degli alimenti in lavoro meccanico con un rendimento non inferiore al 25%, si deve presumere che essi, al contrario delle macchine termiche, abbiano capacità di trasformare direttamente l’energia chimica in meccanica. Se così non fosse la temperatura corporea anziché 37°C dovrebbe aggirarsi intorno a 110°C (livello incompatibile con la vita).

Una macchina termica può trasformare energia in lavoro secondo la formula: = 2 − 1 / 2

P: rendimento

T2: temperatura assoluta della sorgente di calore

T1: temperatura assoluta del refrigerante

Organismo umano come sistema adiabatico o isolato

Energia -> Reazioni -> Calore metaboliche

Organismo umano come sistema aperto

Alimenti -> Reazioni -> Escrementi accoppiate

O2 -> -> CO2 E H2O

I nutrizionisti hanno ritenuto di esprimere l’energia in unità termiche e più precisamente in chilocalorie (kcal). La kilocaloria (kcal) è la quantità di calorie che occorre fornire alla massa di un kg d’acqua (a pressione atmosferica) per innalzare di un grado centigrado, da 14,5°C a 15,5°C la sua temperatura. Nel 1969 il Comitato ha raccomandato l’adozione del joule (j) in sostituzione della caloria (cal) come unità di energia.

1 cal = 4,186 J 1 J = 0,2389 cal

1 kcal = 4,186 kJ 1 kJ = 0,2389 kcal

1000 kcal = 4186 kJ = 4,186 MJ 1 MJ = 2389 kcal

Bisogni materiali

Bioenergetica

Per mantenere l’omeostasi delle funzioni fisiologiche nelle diverse attività, il corpo umano ha bisogno in continuazione di energia proveniente dall’ossidazione dei glucidi, dei lipidi e delle proteine. La via più naturale per liberare energia chimica da un substrato consiste nella sua ossidazione completa a CO2 e H20. L'energia prodotta sarà utilizzata per:

• La biosintesi di glicogeno, trigliceridi, proteine, ecc..
• La contrazione muscolare, durante l’esercizio fisico.
• Mantenere i gradienti chimici ed elettrochimici attraverso le membrane cellulari.

Dal 1985 la misura o il calcolo del dispendio energetico è l’approccio usato per valutare e definire il bisogno energetico, per stabilire l’adeguatezza dei consumi alimentari e la pianificazione degli stessi nei diversi gruppi di popolazione. Il principio base della bioenergetica umana è espresso in modo semplice della relazione:

Apporto energetico = dispendio energetico + variazioni riserve

In uno stato di equilibrio, l’energia utilizzata da un organismo deve essere sostituita da una quantità di energia equivalente introdotta con gli alimenti, perciò è una diretta indicazione del bisogno energetico.

Dispendio energetico nell’adulto

Il dispendio energetico nell’adulto è di circa 2500 Kcal/die

• Termogenesi da altre cause (eventi e fattori soggettivi) 5-10%.
• Attività fisica 15-30%.
• Termogenesi introdotta dalla dieta (TID) 10-15%.
• Metabolismo di base 60-75%.

Metabolismo basale

Il metabolismo basale (MB) è la quantità di energia utilizzata da un individuo a riposo per compiere le cosiddette attività vitali (mantenimento dei tessuti, circolazione sanguigna, respirazione polmonare, regolazione della temperatura corporea, ecc..), pertanto si valuta e quindi si determina:

• A riposo, in uno stato termico neutrale (temperatura ambiente 20-27°C).
• A digiuno da almeno 12-14 ore.
• Sveglio, ma in condizioni di totale rilassamento psicologico e fisico.

Il metabolismo basale si esprime come quantità di energia (o lavoro) per unità di tempo (kcal/min, kcal/die, kj/min, kj/die).

Gli organi vitali incidono relativamente poco sulla percentuale del peso totale del nostro corpo, però hanno una spesa energetica superiore alla massa muscolare e al tessuto adiposo che corrispondono ad un peso totale maggiore, ma hanno un dispendio energetico minore.

Termogenesi indotta dalla dieta

La termogenesi indotta dalla dieta (TID) è l’aumento della spesa energetica dovuta all’incremento del dispendio energetico conseguente all’assunzione di alimenti. In pratica rappresenta l’energia spesa per digerire, assorbire, metabolizzare e utilizzare gli alimenti e i nutrienti da essi derivati. Per le donne è un po più bassa rispetto agli uomini, 7-10%. La TID varia in funzione della quantità e del tipo di nutrienti ingeriti:

• Per i lipidi è pari al 2-5% dell’energia apportata ed è la più bassa.
• Per i glucidi è pari a 5-10% dell’energia apportata.
• Per le proteine è del 20-30% dell’energia apportata ed è la più alta.

La presenza di fibra alimentare nella dieta riduce la TID a causa del rallentato assorbimento. Esiste anche una termogenesi dovuta alle sostanze nervine (caffè, tè, cacao, ecc) che può assumere significato più o meno rilevante in base all’entità dei consumi. La termogenesi indotta dalla dieta si distingue in:

• Obbligatoria: (75% della TID) legata ai processi fisiologici/metabolici, vale a dire masticazione, transito, digestione, assorbimento, trasporto, metabolismo e deposito.
• Facoltativa: (25% della TID) legata a un ulteriore calore prodotto dal tessuto adiposo bruno e all’attività del sistema nervoso simpatico, è enfatizzata da alcol e nervini.

Il tessuto adiposo bruno sono cellule di minori dimensioni, il cui colore scuro è dovuto alla presenza dei citocromi contenuti nei numerosi mitocondri. Gli adipociti bruni non contengono un'unica grossa massa adiposa ma tante piccole gocce di trigliceridi, dette vacuoli lipidici. La degradazione dei grassi avviene in risposta ad un abbassamento della temperatura corporea.

Attività fisica

Il costo energetico dell’attività fisica dipende dal tipo, dalla frequenza e dall’intensità delle attività svolte.

Può variare dal 15% circa del deposito energetico totale, per stili di vita sedentari, fino a 3-4 volte il metabolismo di base per attività occupazionali o sportive molto pesanti o intense. L’esercizio fisico che comporta un impegno muscolare notevole sembrerebbe mantenere elevata la spesa energetica per lunghi periodi di tempo (fino a 24 ore dopo la sospensione dell’attività). In linea generale si può affermare che l’incremento del MB post esercizio varia dal 4 al 16% rispetto al valore pre-attività.

Termogenesi da altre cause

La termogenesi indotta dal fumo di un pacchetto di sigarette è mediamente di 150-200 kcal; effetto termogenico svolto dalla nicotina si manifesta entro pochi minuti dall’inizio del fumo di una sigaretta. Anche i nervini, alcune spezie e le catecolamine favoriscono l’aumento della termogenesi. Effetto opposto hanno invece la digitale e i ẞ-bloccanti (costituente del farmaco, riduce la frequenza cardiaca). Infine anche il freddo rappresenta un importante stimolo termogenico mediato, nell’uomo, dall’attivazione del sistema simpatico e dalle catecolamine.

Accrescimento nell’uomo

La sintesi di nuovi tessuti richiede una quantità di energia superiore per le proteine rispetto ai lipidi. Essendo, però, l’accrescimento nell’uomo relativamente lento le richieste supplementari di energia sono ridotte. Non è possibile valutare con esattezza questo valore, tuttavia si può ritenere che la quantità di energia richiesta per la sintesi e la deposizione di nuovi tessuti sia circa:

• 30-60 kcal/die nei bambini di età compresa tra i 2 e 10 anni.
• 60-90 kcal/die nell’adolescenza.

Nella donna incinta il costo energetico supplementare è di circa il 10% del bisogno energetico totale.

Dispendio energetico

La valutazione del dispendio energetico si può ottenere attraverso due modalità:

• Predizione.
• Determinazione: sfruttando la calorimetria diretta e indiretta, e i metodi non calorimetrici.

Calorimetria diretta

La calorimetria diretta si basa sul principio secondo il quale tutti i processi metabolici che avvengono nell’organismo contribuiscono alla produzione di calore. La calorimetria diretta consiste nella misurazione del calore emesso dal corpo umano per evaporazione, radiazione, conduzione e convezione e si basa sul principio che tutta l’energia consumata dall’organismo per compiere un lavoro sia ceduta sotto forma di calore. Per la misura del calore si usa il calorimetro o camera metabolica che rende possibile la misurazione del calore prodotto dal soggetto in esame, che viene fatto soggiornare nella camera per almeno 24 ore. Il principale problema della calorimetria diretta dipende dalla capacità del corpo di accumulare o perdere calore; per brevi intervalli di tempo le perdite di calore non sono necessariamente equivalenti alla sua produzione.

La calorimetria diretta si basa sul principio di Lavoisier relativo alla trasformazione dell’energia. Lavoisier inventò un calorimetro a ghiaccio e riuscì a dimostrare che la presenza di un animale aumenta la quantità di acqua formatasi, per fusione del ghiaccio, nell’unità di tempo.

La calorimetria diretta non è applicabile a livello ambulatoriale, ma solo per ricerca.

Calorimetria indiretta

La calorimetria indiretta si basa sul principio della termochimica respiratoria: l’organismo ricava energia ossidando i nutrienti energetici contenuti negli animali in reazioni stechiometriche conosciute. Si tratta di reazioni di ossido-riduzione che richiedono ossigeno e liberano anidride carbonica + acqua in proporzione all’energia liberata. Permette di stimare la spesa energetica a partire dal consumo di ossigeno, dalla produzione di anidride carbonica e dall’escrezione urinaria di azoto. Per la determinazione del dispendio energetico di attività mediante calorimetria indiretta si possono utilizzare vecchi metodi (sacco di Douglas, calottina metabolica, l’apparecchio di Kofranyl-Michaelis) e nuove tecniche come i sistemi telematici come il K2 e sue versioni successive K4.

Glucidi

C6H10O5 (g162) + 6O2 (g192, 6x22 = 4134,4L) = 6CO2 (g264, 6x22,4 = 134,4L) + 5H2O +664,2 Kcal (162x4,1)

VC (valore calorico VC) O2 = 664,2/134,4 = 4,94

VC (valore calorico VC) CO2 = 664,2/134,4 = 4,94

QR (quoziente respiratorio QR) = CO2/O2 = 134,4/134,4 = 1.0

Lipidi

C51H98O6 (g 806) + 72,5 O2 (g 2320, 72,5 x 22,4 = 1624,0L) = 51 CO2 (g 264, 51 x 22,4 = 1142,4L) + 49 H2O + 7495,8 kcal (806 x 9,3)

VC (valore calorico VC) O2 = 7495,8/1624 = 4,62

VC (valore calorico VC) CO2 = 7495,8/1142,4 = 6,56

QR (quoziente respiratorio QR) = CO2/O2 = 1142,4/1624 = 0,7

Proteina premessa

Proteina

C63H74O9 (g 1672) + 77 O2 (g 2464, 77 x 22,4 = 1724,8L) = 63 CO2 (g 2742, 1672 x 4,4 = 1411,2L) + 37 H2O + 7356,8 kcal (63 x 22,4)

VC (valore calorico VC) O2 = 7356,8/1724,8 = 4,27

VC (valore calorico VC) CO2 = 7356,8/1411,2 = 5,21

QR (quoziente respiratorio QR) = CO2/O2 = 1411,2/1724,8 = 0,82

100 g di proteine

O2 (g 138,18 = 96,71L)

CO2 (g 152,17 = 77,51L)

VC (valore calorico VC) O2 = 4,47

VC (valore calorico VC) CO2 = 5,58

QR (quoziente respiratorio QR) = CO2/O2 = 77,51/96,71 = 0,80

Valore calorico dell’ossigeno e dell’anidride carbonica di glucidi, lipidi e proteine

Cho

Cho

Fattori in grado di modificare il quoziente respiratorio

• Produzione di acido lattico: la sintesi di acido lattico provoca un aumento della concentrazione di ioni idrogeno che modifica l’equilibrio tra CO2 e pool di bicarbonato. Si libera in questo mo