Nutrizione

Nutrizione

Principi nutritivi

Gli organismi viventi sono caratterizzati da una stretta affinità strutturale: sono costituiti dagli stessi elementi chimici che formano composti organici (glucidi, lipidi, proteine e vitamine) e composti inorganici (acqua, minerali). I composti chimici in tutti gli organismi viventi sono in uno stato di equilibrio dinamico; 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 dall'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
• Acqua

Classificazione dei principi nutritivi

I principi nutritivi vengono classificati in:

• Energetici: glucidi e lipidi
• Plastici: proteine, Ca, Fe, P, ecc.
• Bioregolatori: vitamine, oligominerali

Bisogni nutritivi

I bisogni nutritivi degli organismi viventi dipendono dall'assunzione continua di composti chimici, che raggiunto l'organismo, subiscono una serie ordinata di trasformazioni definite reazioni metaboliche. 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.

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, il rinnovo delle strutture usurate, la riproduzione e l'attività nell'ambiente.

Classificazione dei bisogni nutritivi

I bisogni nutritivi vengono classificati in:

• Energetici
• Materiali

Energia negli organismi

Per soddisfare i bisogni energetici, gli organismi ricavano energia da fonti diverse. L'energia è definita come la capacità di un sistema materiale di compiere lavoro.

Energia radiante

L'energia radiante viene emessa dai corpi sotto forma di irradiazioni di onde elettromagnetiche. L'irradiamento può essere emesso dal corpo in modo spontaneo o in particolari condizioni di sollecito. Le principali forme di energia radiante sono: radiazioni luminose (luce, ultravioletto, infrarosso), raggi X, raggi gamma, onde radio.

Energia chimica di legame

L'energia di legame è l'energia meccanica necessaria per scomporre un composto nelle sue parti. 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. Anche per gli organismi viventi quindi valgono i due principi della termodinamica.

Principi della termodinamica

• Il primo principio afferma che l'energia non si crea né si distrugge ma si conserva, trasformandosi da una forma a un'altra.
• Il secondo principio afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l'apporto di lavoro esterno.

Efficienza degli organismi viventi

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 alle quali sono spesso a torto equiparati, abbiano la 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.

Calorimetria

Una macchina termica può trasformare energia in lavoro secondo la formula: p = T₁ – T₂ / T₂. Dove: T₁ = temperatura assoluta della sorgente di calore, T₂ = temperatura assoluta del refrigerante, T₂ = T₁ – p = 273,2 + 15 / 1 – 0,25 = 384,2° K = 111,0° C.

Organismo umano

L'organismo umano visto come sistema adiabatico o isolato comporta reazioni metaboliche, mentre come sistema aperto il processo include alimenti che diventano escrementi e O₂ che diventa CO₂ e H₂O.

I nutrizionisti hanno ritenuto di esprimere l'energia in unità termiche, più precisamente in chilocalorie (kcal). La kilocaloria (kcal) è la quantità di calore 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 per la Nomenclatura della International Union of Nutritional Sciences 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

Valore energetico dei nutrienti

La combustione istantanea e totale di glucidi, lipidi, proteine e alcol permette la trasformazione dell'energia chimica di legame in calore di combustione.

• Glucidi: 4,1 kcal/g
• Lipidi: 9,3 kcal/g
• Proteine: 5,65 kcal/g
• Alcol: 7,1 kcal/g

Mentre nei glucidi, lipidi e alcol il calore di combustione risulta uguale sia nel calore di combustione fisico sia nel calore di combustione fisiologico, non è lo stesso per le proteine. Nelle proteine infatti il calore di combustione fisico è maggiore rispetto a quello fisiologico a causa dell'ossidazione dell'urea equivalente a 1,25 kcal/g. Il calore di combustione fisiologico delle proteine è quindi di: 5,65 – 1,25 = 4,4 kcal/g.

In un individuo sano che osserva una dieta mista, l'assorbimento dei nutrienti è:

• Glucidi = 98%
• Lipidi = 97%
• Proteine = 91%

L'energia disponibile per grammo di singolo nutriente si ottiene:

• Glucidi: 4,1 x 0,98 = 4,0 kcal/g
• Lipidi: 9,3 x 0,97 = 9,0 kcal/g
• Proteine: 4,4 x 0,91 = 4,0 kcal/g

I bisogni energetici potrebbero essere soddisfatti da un solo singolo nutriente. La legge dell'isodinamia, formulata da Rubner, stabilisce che i glucidi, i lipidi e le proteine possono sostituirsi l'uno all'altro solo entro limiti ben precisi.

• Glucidi g = 1
• Lipidi g = 1
• Proteine g = 1

Tuttavia è impensabile condurre uno stile di vita sano eliminando totalmente dalla nostra alimentazione anche un solo nutriente. Il nostro organismo infatti ha la necessità di assumere glucidi, lipidi e proteine nella giusta quantità.

Bioenergetica

Per mantenere l'omeostasi (la tendenza naturale al raggiungimento di una relativa stabilità) 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 H₂O. L'energia prodotta sarà utilizzata per:

• Biosintesi di glicogeno, trigliceridi, proteine, ecc.
• Contrazione muscolare durante l'esercizio fisico
• Mantenere i gradienti chimici ed elettrochimici attraverso le membrane cellulari

Dal 1985, l'approccio usato per la misura o il calcolo del dispendio energetico è la valutazione o definizione del 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 dalla 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; pertanto, è una diretta indicazione del bisogno energetico.

Dispendio energetico nell'adulto

• Metabolismo di base: 60-75%
• Termogenesi indotta dalla dieta (TID): 10-15%
• Attività fisica: 15-30%
• Termogenesi indotta da altre cause

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.).

Il MB di un adulto in condizioni fisiologiche dipende principalmente dal peso corporeo, dal genere, dall'età, ma soprattutto dall'attività della massa muscolare. Negli atleti, la percentuale da attribuire al MB sul dispendio energetico giornaliero totale si riduce rispetto a quello del sedentario (40-50% contro 60-75%). Per un adattamento dell'organismo umano, che tende ad abbassare lievemente il consumo energetico di base per non innalzare troppo la spesa energetica giornaliera, i valori di MB di sportivi mediamente attivi (frequenza: 3 volte/settimana) sono, però, più elevati rispetto a quelli del sedentario. L'aumento è da attribuire all'azione ipertrofica esercitata dall'attività fisica sulla massa magra con conseguente aumento della spesa energetica di base.

Peso % sul totale:

• Cervello, cuore, fegato, reni: 5,5
• Massa muscolare: 40
• Tessuto adiposo: 21

Spesa energetica % sul totale:

• Cervello, cuore, fegato, reni: 60
• Massa muscolare: 22
• Tessuto adiposo: 4

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. 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 al 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, ecc.) che può assumere un significato più o meno rilevante in base all’entità dei consumi. La termogenesi indotta dalla dieta si distingue in:

1. Obbligatoria (75% della TID), legata ai processi fisiologici/metabolici, vale a dire masticazione, transito, digestione, assorbimento, trasporto, metabolismo, deposito.
2. 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.

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 dispendio 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; 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. Infine anche il freddo rappresenta un importante stimolo termogenico mediato, nell’uomo, dall’attivazione del sistema simpatico e dalle catecolamine. Effetto opposto hanno invece la digitale e i b-bloccanti.

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 di circa 30-60 kcal/die nei bambini di età compresa tra 2 e 10 anni; 60-90 kcal/die nell’adolescenza. Nella gestante il costo energetico supplementare è di circa il 10% del bisogno energetico totale.

Dispendio energetico

Valutazione del dispendio energetico

1. Determinazione
   • Calorimetria diretta
   • Calorimetria indiretta
   • Metodi non calorimetrici
2. Predizione

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. Calorimetria diretta = misurazione del calore emesso dal corpo umano per evaporazione, radiazione, conduzione e convezione 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 aumentava la quantità di acqua formatasi, per fusione del ghiaccio, nell’unità di tempo.

• Vantaggi:
  • Precisione e accuratezza della determinazione.
  • Metodica di riferimento per la validazione delle altre tecniche.
• Svantaggi:
  • Costo elevato.
  • Difficoltà legate al funzionamento degli impianti.
  • Complessità.
  • Tempi d’esecuzione lunghi. Non 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 alimenti in reazioni stechiometriche conosciute che richiedono ossigeno e liberano anidride carbonica 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, la calottina metabolica, l'apparecchio di Kofranyi-Michaelis) e nuove tecniche come i sistemi telemetrici come il K2 e sue versioni successive (K4).

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

Fattori fisiologici che modificano il quoziente respiratorio

• Produzione 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 modo CO₂ non proveniente dai processi ossidativi che determina un falso aumento del QR.
• Ossidazione dell'acido lattico: alla fine di un esercizio fisico intenso con accumulo di acido lattico che verrà ossidato utilizzando H⁺ e provocando il trasferimento della CO₂ come bicarbonati, ciò provoca una diminuzione del QR.
• Iperventilazione: provoca una maggiore eliminazione di CO₂ dagli alveoli con conseguente falso aumento del QR.
• Ipoventilazione: provoca una minore eliminazione di CO₂ dagli alveoli con conseguente diminuzione del QR.