Metabolismo basale e termoregolazione, Fisiologia umana

Fisiologia della nutrizione e metabolismo energetico

Gli organismi si dividono in autotrofi ed eterotrofi. Gli autotrofi sono quegli organismi in grado di immagazzinare energia sotto forma di legami C-C utilizzando l’energia solare (tutto il mondo vegetale), e operano poi un processo di organicazione del carbonio e generano proteine, carboidrati e grassi. Queste molecole poi sono utilizzate dagli organismi eterotrofi, che non sono in grado di sintetizzare legame C-H e quindi immagazzinano energia sotto questa forma e si avvalgono dell’utilizzo degli organismi autotrofi. Noi ne ricaviamo di nuovo l’energia e restituiamo l’energia e le scorie all’ambiente esterno.

La prima legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica dice che l’energia non può essere né creata né distrutta, tutta l’energia immagazzinata nei legami C-H può essere riutilizzata e viene restituita sotto forma di calore, CO₂, mediante tutti quei processi di respirazione cellulare che utilizzano l’ossigeno come comburente, ossidano questi legami, li scindono e riprendono l’energia che era stata in loro immagazzinata mediante la fotosintesi.

Metabolismo energetico

Metabolismo energetico: insieme di tutti quei processi di trasformazione energetica associati alle reazioni di trasformazione della materia. Il metabolismo energetico viene espresso in termini di quantità di calore liberato in tutte le reazioni biochimiche che avvengono nel nostro corpo, quando quest’ultimo non compie lavoro. Io posso, misurando il calore che un organismo sprigiona, determinare il suo metabolismo energetico.

Classi di metabolismo

• Anabolismo: l’insieme di processi di rigenerazione della materia vivente. Fase progressiva del ricambio organico che consiste nell’utilizzazione dei principi alimentari utilizzati per sintetizzare macromolecole organiche più complesse nelle quali viene immagazzinata energia.
• Catabolismo: insieme di processi di degradazione della materia vivente. Fase regressiva del ricambio della materia vivente che determina la demolizione di sostanze più complesse e la liberazione dell’energia potenziale contenuta nei legami.

Immagazzinamento dell'energia

Le cellule hanno bisogno di energia costantemente, mentre noi forniamo energia in modo molto discontinuo. L’energia quindi viene immagazzinata:

• 75% nel tessuto adiposo (che dovrebbe essere il 15-30% del peso corporeo)
• L’altro 25% è contenuta nelle proteine, ma viene utilizzata solo in caso di carenza di alimentazione, digiuno prolungato, e verranno usate solo quelle proteine non strutturali.
• L’1% viene immagazzinata sotto forma di glicogeno, che è di due tipi, epatico (100 gr che viene utilizzato per regolare la glicemia), e glicogeno muscolare (400 gr utilizzato quasi esclusivamente per il metabolismo delle fibrocellule muscolari).

Determinazione del fabbisogno energetico

Come avviene la determinazione del fabbisogno energetico?

• Viene stabilito il contenuto energetico che è presente negli alimenti.
• Calcolare il fabbisogno energetico dell’individuo stesso.

L’entità del fabbisogno energetico è influenzata da diverse cose, come il clima, l’alimentazione, il tipo di attività svolta. Per calcolare il contenuto energetico degli alimenti si usa una bomba calorimetrica, si prende un campione di alimento, si pesa (al mg), si mette sull’apposito piatto e si innesca una reazione di combustione, dove il comburente è l’ossigeno (ci sono due elettrodi che innescano la combustione).

L’alimento brucia e restituisce all’ambiente esterno tutta quella energia che è contenuta nei legami. L’alimento viene bruciato, resistuisce energia all’acqua del bagno che lo circonda; la temperatura del bagno d’acqua salirà e viene misurata da variazione con un termometro. Basta applicare la formula Q = m c ΔT; dove la m NON è la massa dell’alimento (che io mi sono calcolata con la bilancia analitica), ma bensì la massa del bagno d’acqua, c è il calore specifico dell’acqua, e ΔT è la variazione della temperatura.

In questo modo io mi calcolo il valore calorico fisico degli alimenti, non fisiologico. Questi due valori sono abbastanza vicini però. I carboidrati hanno circa 4 Kcal/gr come valore calorico fisiologico, 9 Kcal/gr per i grassi.

Equivalente energetico dell'ossigeno

Nel caso in cui il nostro organismo ossidasse una miscela energetica media, assumendo una dieta normale, la quantità di calorie prodotte per ogni litro di O₂ utilizzato nell’ossidazione è di circa 4,8 — equivalente energetico dell’ossigeno. La caloria è la quantità di energia necessaria per far aumentare la temperatura di 1 gr d’acqua da 14,5 a 15,5 °C. Generalmente si usano le kcalorie che è un valore 1000 volte superiore.

Coefficiente di assorbimento

Gli alimenti però a livello del sistema gastroenterico vengono assunti in maniera diversa, e non sono mai assunti al 100%, quindi dobbiamo tener conto anche di un coefficiente di assorbimento, che per i glucidi è di 0,98, per i lipidi è 0,97 e per le proteine 0,91.

Quoziente respiratorio

Quando ossidiamo i carboidrati la reazione di ossidazione è la seguente: per ossidare una molecola di glucosio si usano 6 molecole di O₂. Il quoziente respiratorio è il rapporto fra le molecole di anidride carbonica prodotte dalla reazione di ossidazione e le molecole di ossigeno utilizzate per l’ossidazione. Per i grassi equivale a 0,7; per le proteine = 0,8.

Qualora lo specialista voglia determinare cosa il soggetto, momento per momento, sta utilizzando, lo può fare mediante il quoziente respiratorio. Il rapporto di scambio respiratorio è il rapporto fra la CO₂ che sta nei polmoni e l’O₂ che sta nel sangue. Considerato che il QR ci dice quale tipo di alimento sto ossidando in questo momento, avendo il RSR, allo stato stazionario (equilibrio), uguale al QR mi posso calcolare quale dei substrati sto ossidando.

Nel caso di pazienti affetti da diabete, ci aspettiamo un QR = 0,7, perché l’assenza di insulina fa sì che si utilizzino molto i grassi e le proteine per il metabolismo. In assenza di lavoro abbiamo detto che l’energia viene restituita sotto forma di calore. Cerchiamo però di trasformare l’energia in ATP per immagazzinare energia utile per vari meccanismi.

Determinazione del metabolismo energetico

Quindi di solito si fa la determinazione del calore sprigionato, per calcolare il metabolismo energetico tramite il calorimetro ad acqua di Atwater e Benedict. Metto questo signore nel metabolimetro, in realtà non dovrebbe fare attività sportiva per calcolare il metabolismo basale, esprigiona calore, che viene trasferito all’acqua che scorre nella serpentina. Posso determinare il prima e dopo. Calcolo l’energia con la stessa formula applicata prima.

Metabolismo basale

Per metabolismo basale si intende quel metabolismo necessario per mantenere semplicemente le funzioni vitali dell’individuo, al di sotto delle quali non posso andare. Per determinarlo devo utilizzare alcuni accorgimenti:

• Il soggetto deve essere a digiuno da almeno 12 ore (per le proteine addirittura di più perché queste hanno una “azione dinamica specifica” che aumenta il metabolismo per più ore).
• Deve aver dormito perfettamente (gli ormoni coinvolti nello stress cambiano il metabolismo).
• Nessuna attività fisica, poiché i fattori psicologici e fisici sono eccitanti.
• Devo analizzare il paziente ad una temperatura ambiente compresa tra 20 e 27°C.

Il metabolismo basale lo possiamo calcolare in modo diretto, ma... [interrotto nel testo originale]