ISIS Paschini - Tolmezzo METABOLISMO. Classe 3^ A

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1 ISIS Paschini - Tolmezzo METABOLISMO Classe 3^ A A.S. 2013/2014

2 I Principi Nutritivi Gli alimenti di cui ci nutriamo ogni giorno, contengono, in varia quantità e proporzione le sostanze (biomolecole) necessarie per la vita, i principi nutritivi: carboidrati o zuccheri; grassi o lipidi; proteine o protidi; vitamine; sali minerali; acqua. Queste sostanze agiscono sull organismo esercitando tre funzioni fondamentali: plastica o costruttrice; se servono per la formazione, la riparazione e il ricambio dei tessuti del nostro organismo (ossa, muscoli, visceri, ghiandole ); energetica; se forniscono l energia necessaria allo svolgimento delle varie attività dell organismo (respirazione, circolazione sanguigna, accrescimento, contrazione muscolare ); protettiva, equilibratrice e regolatrice; se impediscono disfunzioni nutritive e metaboliche, regolando in modo ottimale l assorbimento, l utilizzo e l eliminazione delle altre sostanze. I Carboidrati I carboidrati (fig. 1) prendono il nome dalla loro struttura. Letteralmente, carbonio e acqua. La formula base dei carboidrati è (CH 2 O) n, per ogni carbonio ci sono due idrogeni e un ossigeno, lo stesso rapporto H:O trovato nell acqua. La n dopo le parentesi rappresenta il numero delle ripetizioni dell unità CH 2 O. Per esempio, il glucosio, C 6 H 12 O 6, ha un n di 6. Il glucosio è un esempio di zucchero semplice, il più piccolo tipo di carboidrato. Il nome di tutti gli zuccheri semplici termina con il suffisso -osio. Esistono due tipi di zuccheri semplici: i monosaccaridi (da mono-, uno + sakkaron, zucchero) e i disaccaridi (da di-, due). I monosaccaridi sono i mattoni per la costruzione dei carboidrati complessi ed hanno o cinque atoni di carbonio, come il ribosio, o sei atomi di carbonio, come il glucosio (destrosio), il fruttosio e il galattosio. Sono presenti nei succhi di frutta, nel miele e in alcune verdure. Quando due monosaccaridi si legano tra di loro formano una molecola di disaccaride. Disaccaridi tipici sono il maltosio, il lattosio (zucchero del latte) e il saccarosio (zucchero da cucina). Si trovano nelle foglie verdi di tutti i vegetali, nella canna e nella barbabietola da zucchero, spesso vengono aggiunti al pane, alle verdure e alla frutta in scatola. Quando molte molecole di glucosio si legano insieme formano una molecola molto grande. Queste molecole di carboidrati complessi sono conosciute con il termine di polisaccaridi (poly-, molti). Una grande molecola costituita da unità ripetute è detta polimero. Perciò i carboidrati complessi sono tutti polimeri del glucosio. Poiché questi polimeri contengono solo un tipo di molecola, le differenze tra i diversi polisaccaridi derivano dal modo in cui le molecole si legano tra di loro. Tutte le molecole viventi immagazzinano il glucosio a scopo energetico in forma di polisaccaridi, e alcune cellule sintetizzano i polisaccaridi per fini strutturali. I lieviti e i batteri immagazzinano un polimero del glucosio detto destrano. Le cellule animali presentano accumuli di un polisaccaride chiamato glicogeno, che si trova in tutti i tessuti del corpo. Molti animali invertebrati presentano un polisaccaride strutturale detto chitina. Le piante creano due tipi di polisaccaridi: una molecola di accumulo detta amido, che gli esseri umani possono digerire, e una molecola strutturale detta cellulosa, che gli esseri umani non possono digerire. È una sfortuna che l uomo non sia in grado di digerirla e ottenere la sua energia, in quanto è la molecola organica più abbondante in natura. I carboidrati complessi sono contenuti nella farina (e quindi nel pane e nella pasta), nel riso, nel mais, nei cereali, nei legumi e nei tuberi (patate) Circa la metà delle calorie assunte in media ogni giorno (50% - 55%) dovrebbe essere rappresentata da carboidrati, sopratutto amido e saccarosio (il normale zucchero da tavola). Gli altri carboidrati presenti nella dieta dovrebbero comprendere i polimeri del glucosio, glicogeno e cellulose, disaccaridi come lattosio e maltosio, e gli zuccheri semplici glucosio e fruttosio (10% circa). Visto che non possiamo digerire la cellulose per la mancanza degli enzimi necessari, la cellulosa presente nelle piante costituisce quella porzione della nostra dieta nota come fibra indigeribile. Il glicogeno, contenuto prevalentemente nella carne, viene degradato durante la cottura; di conseguenza, l amido è il principale carboidrato complesso che deve essere digerito. Il fabbisogno quotidiano di carboidrati per l adulto è quindi di circa 350 gr. (pari a 1200 Kcal.), ma varia ovviamente a seconda dell età, del sesso e dell attività fisica. La digestione dei carboidrati (fig. 2) si verifica prevalentemente in due sedi: nella bocca e nell intestino tenue. La digestione enzimatica dell amido viene attuata dalle amilasi, enzimi secreti dalle ghiandole salivari e dal pancreas esocrino. Le amilasi vengono attivate dagli ioni cloro, che sono abbondanti nella saliva e nei succhi pancreatici. 1

3 Le amilasi salivari e pancreatica frammentano le lunghe catene di polimeri del glucosio in polimeri di glucosio più piccoli e nel disaccaride maltosio. Poiché l amilasi salivare e inattivata a ph basso, la digestione dei carboidrati, iniziata nella bocca durante la masticazione, si blocca quasi completamente nello stomaco. Tuttavia, la digestione riprende nell intestino, quando l amilasi pancreatica viene secreta nel lume. I disaccaridi introdotti come tali, per esempio saccarosio e lattosio (lo zucchero del latte) raggiungono indigeriti l intestino tenue. Poiché i carboidrati possono essere assorbiti solo in forma di monosaccaridi (soprattutto glucosio e fruttosio), tutti i disaccaridi che raggiungono l intestino tenue devono essere frammentati in componenti monosaccaridici prima di essere assorbiti. Questa frammentazione viene compiuta da enzimi definiti disaccaridasi (maltasi, saccarasi e lattasi) secreti dall epitelio intestinale. Se il glucosio rappresenta il principale substrato metabolico per la respirazione aerobica, cosa impedisce alle cellule epiteliali intestinali di utilizzare il glucosio che assorbono per il proprio metabolismo? Come riescono a mantenere concentrazioni interne del glucosio elevate in modo da permettere ai trasportatori della diffusione facilitata di spostarlo nel liquido extracellulare? Per quanto ne sappiamo, il metabolismo delle cellule intestinali differisce da quello della maggior parte delle altre cellule, in quanto esse non utilizzano il glucosio come substrato energetico preferenziale. Queste cellule utilizzano l amminoacido glutammica come fonte principale di energia e permettono al glucosio assorbito di passare nel circolo sistemico per raggiungere le altre parti dell organismo. I Grassi I lipidi (fig. 3) sono biomolecole costituite da carbonio, idrogeno e ossigeno, così come i carboidrati, ma generalmente contengono minor quantità di ossigeno. Importante caratteristica di questo gruppo è non essere molto solubile in acqua. Tecnicamente i lipidi vengono chiamati grassi se sono solidi a temperatura ambiente, oli se sono liquidi a temperatura ambiente. La maggior parte dei lipidi derivati da fonti animali, come il lardo e il burro, 2

4 sono grassi, mentre la maggior parte dei lipidi vegetali sono oli. I lipidi sono un gruppo di biomolecole molto eterogenee tra di loro. Oltre ai lipidi puri, questa categoria include tre categorie di sostanze lipido-correlate: fosfolipidi, steroidi ed ecosanoidi. I lipidi veri e propri e i fosfolipidi presentano una struttura molto simile. Entrambi i gruppi contengono una semplice molecola a tre atomi di carbonio, il glicerolo e molecole a lunga catena carboniosa, dette acidi grassi. Gli acidi grassi sono costituiti da lunghe catene di atomi di carbonio legate ad atomi di idrogeni, con un gruppo carbossilico (-COOH) a un estremità della catena. Gli acidi grassi sono saturi se non presentano doppi legami tra gli atomi di carbonio (sono presenti in quantità elevate soprattutto nei grassi di origine animale come nel burro, strutto, tuorlo dell uovo, grasso della carne e derivati del latte e in minore quantità anche in quelli di origine vegetale, ad esempio l olio di cocco); monoinsaturi se presentano un unico doppio legame nella molecola (presenti soprattutto nei grassi di origine vegetale come olio di oliva e di arachidi); poliinsaturi se vi sono due o più doppi legami nella molecola (contenuti in alcuni oli di origine vegetale come l olio di girasole, di soia, e di mais). Questi sono termini molto usati nelle pubblicità per oli e margarine; i produttori amano vantare che i loro prodotti contengono poliinsaturi. Attualmente una gran quantità di ricerche sta valutando se esista una correlazione tra la quantità di grassi saturi presente nella nostra dieta e lo sviluppo di patologie cardiache. I grassi saturi, come quello presente in un pezzo di carne, sono generalmente considerati responsabili dello sviluppo dei depositi di grasso che ostruiscono le arterie. Per molto tempo si è pensato che i grassi insaturi potessero essere quelli meno dannosi; studi recenti suggeriscono che i grassi monoinsaturi, come l olio di oliva siano i più salutari. Gli acidi grassi, nel corpo umano, si legano con il glicerolo per formare mono-, di- o trigliceridi. I trigliceridi (più correttamente detti triacilgliceroli) sono le più importanti forme di lipidi organici; più del 90% dei nostri lipidi sono in questa forma: i livelli dei trigliceridi nel sangue sono importanti, inoltre, come predittori delle malattie arteriose: un elevato livello di trigliceridi a digiuno è legato a un più elevato rischio di patologie. Le molecole affini ai lipidi comprendono i fosfolipidi, gli steroidi e gli eicosanoidi. La maggior parte dei fosfolipidi sono digliceridi con un gruppo fosfato unito all unico atomo di carbonio che non ha legato un acido grasso. I fosfolipidi sono costituenti importanti delle membrane cellulari. Gli steroidi sono molecole correlate ai lipidi la cui struttura comprende quattro anelli di carbonio legati. Il colesterolo è la fonte degli steroidi nel corpo umano. È inoltre un importante componente delle membrane cellulari animali. Gli eicosanoidi sono acidi grassi a 20 atomi di carbonio modificati che si trovano nell ambiente animale (da eikosi, venti). Tutte queste molecole contengono un anello aperto a cinque o sei atomi di carbonio che fa apparire la lunga catena come piegata su se stessa. I principali eicosanoidi sono i trombossani, i leucotrieni e le prostaglandine. Gli eicosanoidi sono regolatori di varie funzioni fisiologiche. I lipidi nella dieta delle popolazioni occidentali comprendono i trigliceridi, il colesterolo, i fosfolipidi, gli acidi grassi a catena lunga e le vitamine liposolubili. Circa il 90% delle calorie di origine lipidica deriva dall ingestione dei trigliceridi perché essi rappresentano la principale forma lipidica presente sia nelle piante che negli animali. La digestione dei lipidi è complicata dal fatto che la maggior parte di essi non è idrosolubile e forma grandi ammassi nel chimo acquoso nel tratto intestinale, di conseguenza, la digestione lipidica enzimatica viene facilitata da due secrezioni non enzimatiche: la bile, che riveste le gocce lipidiche e le scinde in particelle più piccole, e la colipasi, che permette l azione della lipasi pancreatica sulle gocce rivestite da bile. In passato, la maggior parte dei libri di testo affermava che la digestione lipidica ha inizio quando gli alimenti raggiungono l intestino tenue. Fino dal 1880 era stato osservato un effetto lipolitico significativo dal succo gastrico, ma queste affermazioni non furono confermate sperimentalmente e furono quindi subito abbandonate. Di recente è stato però rivalutato il ruolo delle lipasi orale e gastrica, che pare contribuiscano per circa il 30% alla digestione lipidica totale (fig. 4). Le lipasi secrete dalle ghiandole della lingua (lipasi linguale) e dello stomaco (lipasi gastrica) sono molecole strettamente correlate. La lipasi linguale è prodotta delle ghiandole sierose poste alla base della lingua e non dalle ghiandole salivari. La lipasi gastrica viene cosecreta dalle cellule principali insieme al pepsinogeno. Poiché queste due lipasi lavorano meglio a ph basso, vengono collettivamente definite lipasi acide. L altra fonte significativa di lipasi nel sistema digerente è il pancreas. Tutte e tre le lipasi linguale, gastrica e pancreatica hanno la stessa attività, cioè rimuovono due acidi grassi dai trigliceridi, formando un monogliceride e due acidi grassi liberi. I fosfolipidi sono metabolizzati dalla fosfolipasi pancreatica mentre il colesterolo non deve essere digerito per poter essere assorbito. L assorbimento dei lipidi si verifica principalmente per diffusione semplice attraverso al membrana. La tappa limitante della velocità di digestione lipidica è rendere i lipidi disponibili per l assorbimento, processo ostacolato dalla bassa solubilità dei lipidi in acqua. Aumentare questa disponibilità costituisce il ruolo principale della bile secreta dal fegato. 3

5 Il fabbisogno quotidiano di grassi in un individuo adulto dovrebbe essere di almeno mezzo grammo per ogni chilogrammo di peso corporeo (ad esempio una persona che pesa 74 Kg. dovrebbe assumerne circa 37 gr.). Quantitativo che ovviamente varia in relazione all età (un bambino dovrebbe assumere dai 2 ai 3 grammi di grassi per ogni Kg. di peso corporeo), al sesso, all attività fisica che si svolge e anche al clima in cui si vive (le basse temperature richiedono un maggior apporto di sostanze grasse). Tale fabbisogno comunque dovrebbe aggirarsi all incirca attorno al 30% - 35% delle calorie assunte quotidianamente con la dieta. Le Proteine Le proteine (fig. 5) sono grandi molecole formate da mattoni di costruzione detti amminoacidi. Venti differenti amminoacidi si riscontrano comunemente nelle proteine naturali, e possono essere riuniti in un numero quasi infinito di combinazioni. Tutti gli aminoacidi hanno una struttura di base simile: un atomo centrale di carbonio è legato ad un atomo di idrogeno, un gruppo ammino (-NH 2 ), un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo di atomi chiamato R che è differente in ogni amminoacido. Il gruppo R differisce per la sua grandezza, forma e possibilità di formare legami idrogeno e ionici. A causa del gruppo R differente ogni diverso amminoacido reagisce con le altre molecole in modi caratteristici. L uomo non può sintetizzare nove dei venti amminoacidi. Questi devono essere assunti con la dieta e sono chiamati amminoacidi essenziali. Per la presenza dell azoto nel gruppo amminico, le proteine sono al maggior fonte dietetica di azoto. Quando due amminoacidi si legano insieme, il gruppo amminico di uno è unito al gruppo carbossilico dell altro. Legando in questo modo molte molecole, si possono formare lunghe catene con centinaia di amminoacidi. Se la catena amminoacidica è costituita da due fino a nove amminoacidi, la molecola si chiama peptide. Una catena con 10 fino a 100 amminoacidi si definisce polipeptide. Una catena con più di cento amminoacidi è una proteina. La sequenza degli aminoacidi nella catena è chiamata struttura primaria della proteina. La struttura primaria di una proteina è geneticamente determinata. Mentre si forma una catena amminoacidica, questa assume una struttura secondaria, che è rappresentata dalla struttura spaziale degli amminoacidi nella catena (spirale, o -elica e foglio -pieghettato). La forma tridimensionale di una catena amminoacidica è la sua struttura terziaria (a gomitolo o in un altra forma compatta). 4

6 Le proteine si dividono in globulari o fibrose in base alla loro forma. Le proteine globulari hanno la catena amminoacidica ripiegata su se stessa come un gomitolo. Le proteine fibrose si trovano come fogli ripiegati o come lunghe catene che si attorcigliano l una con l altra. Una proteina con più di una catena polipeptidica si dice avere una struttura quaternaria (ad es. l emoglobina del sangue). Le proteine, i peptidi e gli amminoacidi svolgono molte importanti funzioni nell organismo. Le proteine fibrose, insolubili in acqua, sono importanti componenti strutturali di cellule e tessuti. Esempi ne sono il collageno, una proteina fibrosa riscontrata in molti tipi di tessuti connettivali, e la cheratina, una proteina fibrosa trovata nei capelli e nelle unghie. Le proteine globulari sono solubili in acqua. Esse agiscono come trasportatori dei lipidi insolubili nel sangue, legandosi a essi e rendendoli solubili. Esse inoltre possono funzionare come enzimi che incrementano la velocità di reazioni chimiche. Le proteine solubili possono agire come messaggeri tra cellula e cellula in veste di ormoni e neurotrasmettitori e come molecole di difesa che proteggono da agenti estranei. Diversamente dai carboidrati, che vengono digeriti in forme variabili da semplici a complessi, la maggior parte delle proteine viene assunta in forma di proteine o grandi polipeptidi. Tuttavia le proteine non sono tutte ugualmente digeribili. Le proteine vegetali sono poco digeribili, quelle dell uovo sono tra le più digeribili, con l 80-90% di proteine in forma assorbibile. Sorprendentemente, il 30-60% delle proteine presenti a livello intestinale non è di origine alimentare, ma viene dal distacco delle cellule morte oppure dalle secrezioni proteiche, come gli enzimi e il muco. Gli enzimi per la digestione proteica sono classificati in due gruppi principali: proteasi e peptidasi. Le proteasi frammentano le proteine in peptici più piccoli. Esse vengono secrete come proenzimi dalle cellule epiteliali gastriche, intestinali e pancreatiche. Le peptidasi degradano i peptici in frammenti più piccoli. Le endopeptidasi attaccano i legami peptidici all interno della catena amminoacidica e ottengono, da una lunga catena, frammenti peptidici più piccoli. Le esopeptidasi rilasciano invece singoli amminoacidi dai peptidi staccandoli uno alla volta dall estremità. La digestione delle proteine inizia nello stomaco (fig. 6) con l azione della proteasi gastrica pepsina. La pepsina frammenta le proteine in catene peptidiche più piccole. Viene agevolata dall ambiente molto acido del lume gastrico che denatura le proteine aprendole e distruggendone la struttura terziaria. Quando la catena peptidica si apre, la maggior parte dei legami peptidici presenti all interno della molecola viene esposta all azione della pepsina, facilitando la digestione della proteina. Quando il chimo gastrico raggiunge il duodeno, l acidità gastrica viene neutralizzata dalla secrezione pancreatica di bicarbonato e il ph del lume aumenta. La digestione proteica mediata dalla pepsina si ferma quando l enzima viene inattivato dal ph più elevato. A questo punto, le proteasi pancreatiche e almeno 17 differenti proteasi e peptidasi, creano amminoacidi liberi, di - e tripeptidi che possono essere assorbiti dalle cellule epiteliali. Esistono molti sistemi di trasporto per gli amminoacidi a causa della variabilità strutturale degli amminoacidi stessi. Gli amminoacidi liberi sono trasportati attraverso le membrane da proteine di cotrasporto Na + -dipendenti simili a quelle del tubulo prossimale del rene. Solo alcuni trasportatori basolaterali non sono Na + -dipendenti. I piccoli peptici possono essere assorbiti intatti dalle cellule della mucosa tramite una proteina. All interno della cellula epiteliale la maggior parte dei piccoli peptidi viene degradata ad amminoacidi dalle peptidasi citoplasmatiche e gli amminoacidi risultanti vengono trasportati attraverso la membrana e quindi in circolo. Altri peptidi sono trasportati per transcitosi dopo essersi legati a recettori presenti sulla superficie della membrana. La scoperta che notevoli quantità di proteine alimentari vengono assorbite come peptidi presenta applicazioni mediche. I peptici possono agire come antigeni, sostanze che stimolano la produzione di anticorpi e provocano reazioni allergiche. Di conseguenza, l assorbimento intestinale dei peptici può costituire un fattore significativo per lo sviluppo di allergie e intolleranze alimentari. Uno dei più comuni antigeni applicati nello sviluppo di allergie alimentari è il glutine, un componente del frumento. In un altra applicazione medica, l assorbimento intestinale dei peptici intatti è stato sfruttato dalle ditte farmaceutiche per sviluppare farmaci peptidici assorbibili come tali da poter somministrare per via orale anziché per iniezione. In base alla loro origine le proteine si distinguono in proteine animali (carne, pesce, pollame, uova, latte e formaggi) e vegetali (cereali e legumi). 5

7 Il fabbisogno proteico di un individuo adulto è di circa un grammo di protidi per ogni chilogrammo di peso corporeo (2 gr./kg. per i ragazzi e 4 gr./kg. per i lattanti) e la razione proteica ottimale dovrebbe essere calcolata come il 10% - 15% dell apporto calorico totale giornaliero. Tale percentuale dev essere aumentata per quanto riguarda gli atleti, senza comunque superare i 2 grammi per chilo di peso corporeo. 6

8 Le Vitamine Sono composti organici presenti negli alimenti e nel nostro organismo in minima quantità e sono indispensabili al normale andamento dei processi biologici del corpo umano. Per la loro composizione chimica sono contraddistinte da una lettera dell alfabeto: A, B 1, B2, B 3 o PP, B 5, B 6, B 8 o H, B 12, l acido folico, C, D, E, K. In generale le vitamine liposolubili (A, D, E e K) vengono assorbite insieme ai lipidi, mentre le vitamine idrosolubili sono assorbite per trasporto mediato. L eccezione principale è la vitamina B 12, detta anche cobalamina. Questa vitamina viene sintetizzata da batteri; la maggior parte dell apporto dietetico deriva da prodotti ittici, carne e derivati del latte. L assorbimento intestinale della vitamina B 12 dipende dalla presenza di una proteina, il fattore intrinseco, secreta dallo stomaco. Il trasportatore intestinale della B 12 riconosce la vitamina solo quando questa è legata al fattore intrinseco. In assenza di fattore intrinseco si ha un deficit di vitamina B 12 che determina una patologia nota come anemia perniciosa; in questa condizione la sintesi dei globuli rossi (eritropoiesi), che dipende dalla vitamina B 12 viene severamente ridotta. La mancanza del fattore intrinseco non può essere rimediata direttamente, ma ai pazienti con anemia perniciosa può essere somministrata la vitamina B 12 per via parenterale (cioè con iniezioni). La vitamina A detta anche vitamina della crescita è presente nell olio di fegato di merluzzo, nel tonno, nel latte e nei suoi derivati, nel germe di grano e nel tuorlo dell uovo, nella frutta e nella verdura soprattutto in quella di colore rosso, arancione e giallo. Oltre a favorire lo sviluppo corporeo durante la crescita, aumenta la resistenza dell organismo alle malattie infettive ed è indispensabile alla formazione della retina dell occhio. Le vitamine del gruppo B intervengono nella trasformazione dei grassi e degli zuccheri, agiscono come fattore regolatore ed equilibratore della crescita, sono utilissime al funzionamento del sistema nervoso centrale e alla crescita dei tessuti. Sono presenti nei cereali, nei legumi, nella frutta, nel latte, nelle uova, nella carne, nel pesce, nella frutta, nei funghi. La vitamina C o acido ascorbico e conosciuta per la sua funzione antinfettiva e tonificante. Regolatrice del ricambio di ferro e di calcio, favorisce lo sviluppo delle ossa, dei denti e dell occhio e facilita l assorbimento dei carboidrati. Ne sono particolarmente ricchi la frutta fresca (ribes, fragola, kiwi, mandarino, melone, arancia, limone, pompelmo) e la verdura fresca (cavoli, spinaci, pomodori, asparagi, patate, peperoni). La vitamina D o vitamina del sole (si forma sulla pelle e diventa attiva per effetto dei raggi solari) è contenuta soprattutto nell olio di fegato di merluzzo e del tonno, nel tuorlo dell uovo e nel burro. Svolge un ruolo determinante nella formazione delle ossa e favorisce l utilizzazione del calcio da parte dell organismo. La vitamina E è presente in molti alimenti e soprattutto negli oli vegetali e nell olio di fegato di merluzzo. Influisce sulla riproduzione e su alcune importanti funzioni nervose e muscolari. La vitamina K è contenuta prevalentemente nei vegetali a foglia verde e agisce sulla coagulazione del sangue. 7

9 I Sali Minerali Si tratta di elementi chimici principalmente accumulati nello scheletro o presenti in piccole quantità nelle cellule. Sono contenuti soprattutto nella frutta, nella verdura, nel latte, nel formaggio e nella carne e comunque in tutti quegli alimenti che, direttamente o indirettamente, traggono nutrimento dalla terra. L assorbimento dei minerali si verifica di solito per trasporto attivo. Il ferro e il calcio sono tra le poche sostanze il cui assorbimento intestinale dipende dalla loro concentrazione nell organismo. Per entrambi, un calo della concentrazione nell organismo determina aumento dell assorbimento intestinale. Il sodio (Na) è un elemento chimico indispensabile per l equilibrio idrico dell organismo (regola la quantità di acqua presente nel corpo umano). È presente nel comune sale da cucina (NaCl = cloruro di sodio), nelle uova, nella carne, nel pesce, nei legumi, nei cereali, nel latte e nei formaggi. Il calcio (Ca) è un metallo assai diffuso in natura e costituisce la maggior parte della sostanza minerale delle ossa e dei denti. È anche molto importante per la contrazione muscolare, la coagulazione del sangue, l attività del cuore e per la trasmissione degli impulsi nervosi. Il magnesio (Mg) favorisce la produzione di proteine e aiuta l organismo a utilizzare il calcio e il fosforo. Ne sono particolarmente ricchi i cereali e le verdure. Il potassio (K) è un minerale largamente presente nell acqua marina ed è indispensabile per lo svolgimento di alcune importanti funzioni cellulari, muscolari, cardiache e del sistema nervoso. I principali alimenti in cui se ne riscontrano i più elevati quantitativi sono i legumi, il cioccolato, le albicocche, le patate e le olive. Il fosforo (P) è contenuto nelle uova, nel latte, nel formaggio, nel pesce e nella carne. Favorisce la formazione delle ossa durante la crescita e stimola la produzione di globuli rossi. Lo zolfo (S) è implicato nella costituzione della cute. Ne sono ricchi la carne, le uova, il latte, e i cereali. Il ferro (Fe) è essenziale per la formazione dell emoglobina del sangue e quindi per il trasporto dell ossigeno. È presente nelle carni rosse, nel fegato nelle verdure e nel tuorlo d uovo. Lo iodio (I) in importante per l accrescimento fisico e per la trasformazione del cibo in energia. Pesci e frutti di mare costituiscono gli alimenti più ricchi di tale elemento. Il fluoro (F) viene assunto dall uomo con l acqua e con numerose verdure e contribuisce al mantenimento del calcio nei denti. Lo zinco (Zn) è importante per la crescita ed è contenuto principalmente nella carne, nel pesce e nei cereali integrali. Altri sali minerali sono: il cloro, il cobalto, il rame, il selenio, ecc L Acqua La maggior parte dei processi chimici del nostro organismo avvengono in presenza di acqua. In tutti gli alimenti è contenuta, in quantità variabile, acqua: dal 35% contenuta nel pane al 90% presente in alcune verdure. Il fabbisogno giornaliero di acqua è di circa 2,5 litri consumati sottoforma di bevande o come componente liquida dei cibi solidi. Questo quantitativo varia in relazione al clima e all attività fisica arrivando anche fino al consumo di oltre 7 litri al giorno. L assorbimento intestinale dell acqua e degli elettroliti è molto simile al processo presente a livello del neurone. Gli ioni si muovono per trasporto attivo mentre l acqua segue per osmosi la distribuzione dei soluti. Il trasporto netto nell intestino è solitamente in direzione dell assorbimento, ma l acqua ed elettroliti possono anche essere secreti. 8

10 BILANCIO ENERGETICO E METABOLISMO Il metabolismo è l insieme di tutte le reazioni chimiche dell'organismo. Queste estraggono energia dai nutrienti, utilizzano l'energia per fare lavoro e l'accumulano quando è in eccesso per poterla utilizzare al bisogno. Alcune reazioni metaboliche rilasciano una piccola quantità di energia, altre richiedono energia per poter avvenire (reazioni esoergoniche ed endoergoniche). Le vie metaboliche che sintetizzano grandi molecole a partire da altre più piccole sono definite anaboliche (da anà, verso l'alto). Le vie metaboliche che trasformano grandi molecole in componenti più piccoli sono definite cataboliche (da kaià, verso il basso). Notare che la classificazione di una via corrisponde al prodotto finale, non a quello che succede nei passaggi intermedi. L'energia in entrata è uguale all'energia in uscita La prima legge della termodinamica stabilisce che l'energia dell'universo è costante. Per estensione, questa affermazione significa che tutta l'energia che entra in un sistema biologico come il corpo umano deve uscirne: (1) Energia in entrata = energia in uscita L'energia in entrata nell'organismo corrisponde ai nutrienti che mangiamo, digeriamo e assorbiamo (Graf. 1). Tuttavia, poiché l'apparato digerente non può regolare l introito di energia, dobbiamo dipendere da meccanismi comportamentali quali fame e sazietà per sapere quando e quanto mangiare. Gli aspetti psicologici e sociali dell'alimentazione, come i genitori che dicono "finisci tutto quello che hai nel piatto", complicano il controllo fisiologico dell'introduzione di cibo. L'energia viene persa dall'organismo o perché viene usata per compiere lavoro (che comprende l'accumulo di energia) oppure perché ritorna all'ambiente come calore (Graf.2). Quindi possiamo riscrivere l'equazione (1) come (2) Energia in entrata = calore + lavoro Nell'organismo umano, almeno la metà dell'energia rilasciata dalle reazioni chimiche del metabolismo viene persa sotto forma di calore. La maggior parte è rappresentata dal calore di "scarto" non regolato. Poiché tuttavia gli esseri umani sono animali omeotermici (da omòs, uguale e termos, calore), devono regolare la produzione e la perdita di calore per mantenere una temperatura corporea relativamente costante. Il lavoro biologico può assumere una delle tre forme: 1. Lavoro di trasporto, usato per spostare molecole da un lato all'altro di una membrana. 2. Lavoro meccanico, che usa le fibre muscolari per produrre movimento. 3. Lavoro chimico, usato per crescita, mantenimento e accumulo di informazioni ed energia. 9

11 I processi di trasporto sono utilizzati per trasportare materiali all'interno e all'esterno dell'organismo o per trasferirli tra i diversi compartimenti dell'organismo. Il movimento comprende sia il lavoro esterno, come la contrazione dei muscoli scheletrici, che il lavoro interno per esempio il battito delle ciglia o i movimenti citoplasmatici delle vescicole. Il lavoro chimico dell organismo può essere suddiviso in sintesi e accumulo (fig. 7). L'accumulo di energia comprende sia quello a breve termine, sotto forma di composti fosfato a elevata energia come l'atp, sia l'accumulo a lungo termine nei legami chimici del glicogeno e dei lipidi. Le cellule presentano una capacità limitata di accumulare glicogeno, perciò la maggior parte dell'eccesso energetico viene trasformato in tessuto adiposo. L'accumulo di grassi nell'organismo è notevolmente influenzato dall'età, dal sesso e da fattori genetici. A dispetto della natura incontrollabile di questi fattori, la maggior parte di noi tenta di raggiungere la figura "ideale" riportata dai media. Per la maggior parte dei soggetti questo significa perdere peso e tessuto adiposo. La diminuzione del tessuto adiposo e la rimozione dell'energia accumulata nei depositi di grasso richiede che l'energia in uscita ecceda quella in entrata. Poiché la sintesi, il trasporto e la produzione di calore rappresentano componenti dell'energia in uscita che non sono sotto il controllo cosciente, il solo modo per aumentare volontariamente l'uscita energetica è l'esercizio fisico. Un altro fattore che può essere controllato è l'energia in entra facendo attenzione a ciò che si mangia. Nonostante il bilancio energetico sia un concetto piuttosto semplice, per molte persone è difficile da accettare. Le modificazioni comportamentali, come mangiare di meno e fare più esercizio fisico, sono tra le indicazioni che i medici danno più frequentemente e che i pazienti fanno più faticata a seguire. La temperatura corporea è regolata dal bilancio tra produzione, guadagno e perdita di calore Lo sviluppo dell'obesità può essere correlato all'efficienza con cui l'organismo converte l'energia degli alimenti in componenti cellulari e tissutali. Secondo una teoria, i soggetti più efficienti nel trasferire i legami chimici energetici dal cibo ai lipidi tendono ad aumentare di peso. Al contrario, i soggetti meno efficienti metabolicamente possono assumere lo stesso numero di calorie senza aumentare di peso perché la maggior parte dell'energia alimentare viene rilasciata sotto forma di calore. Le nostre conoscenze della regolazione del bilancio energetico derivano per la maggior parte dagli studi sulla termoregolazione. Il bilancio energetico corrisponde al consumo di ossigeno in un soggetto Per calcolare il bilancio energetico di un organismo umano, dobbiamo stimare l'energia contenuta negli alimenti (energia in ingresso) e il dispendio di energia sotto forma di perdita di calore e per effettuare lavoro. 10

12 Misurazione del metabolismo Il metodo più diretto per valutare l'energia contenuta negli alimenti è la calorimetria diretta: i cibi vengono bruciati in una bomba calorimetrica e il calore rilasciato viene misurato. L'energia contenuta negli alimenti viene di solito misurata in kilocalorie (kcal). Una kilocaloria è la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1 litro di acqua distillata, posta a livello del mare, di 1 C (da 14,5 a 15,5 ). Una kilocaloria corrisponde a una Caloria (con la C maiuscola). Nonostante la calorimetria diretta sia un metodo rapido per valutare il contenuto energetico totale, l'energia metabolica contenuta negli alimenti in realtà è leggermente minore perché non tutti i cibi vengono completamente digeriti e assorbiti. L'energia metabolica contenuta nelle proteine e nei carboidrati è di circa 4 kcal/g, i grassi ne contengono più del doppio, cioè circa 9 kcal/g (l alcool contiene circa 7 Kcal/g). Perciò, il contenuto calorico dei cibi può essere calcolato moltiplicando i grammi di ogni componente per il rispettivo contenuto energetico (kcal/g): 2 g di lipidi x 9 kcal/g = 18 kcal/g. La valutazione del metabolismo, cioè del consumo energetico di un soggetto, è più complessa. Il calore rilasciato dall' organismo può essere misurato chiudendo il soggetto in un compartimento sigillato. L'energia assunta con gli alimenti è uguale al lavoro più il calore, perciò la differenza tra calore prodotto e introito calorico del soggetto corrisponde all'energia usata per il lavoro chimico, meccanico e di trasporto. Probabilmente il metodo più comune per valutare il dispendio energetico è la misurazione del consumo di ossigeno del soggetto, cioè la quantità di ossigeno consumata per ogni kilocaloria di cibo metabolizzato. Alcuni studi hanno dimostrato che il consumo di ossigeno per i differenti alimenti è relativamente costante e corrisponde a 1 litro di ossigeno consumato per ogni 4,5-5 kcal di energia. Perciò, il consumo di ossigeno corrisponde generalmente al metabolismo. La misura del consumo di ossigeno è una forma di calorimetria indiretta. Un altro metodo per stimare il metabolismo è la valutazione della produzione di anidride carbonica, sia da sola che in associazione al consumo di ossigeno. Il metabolismo aerobico consuma O 2 e produce CO 2, tuttavia il rapporto tra la CO 2 prodotta e l O 2 consumato varia con la composizione della dieta. Questo rapporto CO 2 :O 2, definito quoziente respiratorio, o QR, varia da un massimo di 1,0 con una dieta di soli carboidrati a 0,8 per una dieta puramente proteica e 0,7 per una dieta completamente lipidica. Una dieta occidentale media ha un QR di circa 0,82. Sia che venga valutato tramite il consumo di ossigeno o tramite la produzione di anidride carbonica, il consumo metabolico può variare notevolmente da una persona all'altra o da un giorno all' altro in uno stesso individuo. Fattori che influenzano il consumo metabolico I principali fattori che influenzano il consumo metabolico negli esseri umani comprendono l'età, il sesso, la percentuale di massa muscolare del soggetto, il livello di attività, la dieta, gli ormoni e i fattori genetici. Il metabolismo minimo di un soggetto viene definito metabolismo basale a riposo, o BMR In realtà, il metabolismo dovrebbe essere al minimo quando il soggetto sta dormendo. Poiché però è difficile valutare il metabolismo di un soggetto che dorme, il BMR viene misurato dopo 12 ore di digiuno in un soggetto sveglio ma a riposo. Come riferimento, un adulto di sesso maschile ha un BMR medio di 1,0 kcal all'ora per kilogrammo di peso corporeo. Una donna adulta ha un valore inferiore a quello dell'uomo, cioè circa 0,9 kcal/h/kg. La differenza è dovuta alla diversa composizione corporea: le donne hanno una più alta percentuale di tessuto adiposo e una massa muscolare inferiore. I muscoli hanno un consumo di ossigeno più elevato a riposo rispetto al tessuto adiposo (da ricordare che la maggior parte del volume dell adipocita o cellula adiposa è occupata da gocce lipidiche metabolicamente inattive). Questo è uno dei motivi per cui per perdere peso si consiglia l'esercizio aerobico associato alla tonificazione muscolare: aumentando la massa muscolare magra, i soggetti aumentano il proprio metabolismo basale e consumano più calorie a riposo: EPOC 1 (Fig. 8). 1 EPOC (Excess Postexercise Oxygen Consumption), traducibile in italiano come Consumo di ossigeno in eccesso post-allenamento, è l'indice di misurazione dell'aumento del consumo di ossigeno a seguito della intensa attività, destinato a soddisfare il "debito di ossigeno" (vecchia definizione di EPOC) del corpo. Alcune ricerche denominano questo evento come dispendio energetico in eccesso post-allenamento, riferendosi nello specifico al consumo energetico piuttosto che a quello di ossigeno. Infatti questo parametro viene usato per determinare la spesa energetica e l'innalzamento del metabolismo basale in seguito all'attività. L'EPOC rappresenta in altri termini l'incremento del metabolismo totale e del dispendio energetico per diverse ore a seguito dell'allenamento fisico, ed è strettamente collegato alla tipologia e modalità di svolgimento dell'attività fisica. 11

13 Un aumento del metabolismo sopra il valore basale deriva da una delle due condizioni: l'energia viene usata per svolgere attività (lavoro meccanico), oppure per digerire e assimilare gli alimenti. Attualmente è noto che il metabolismo a riposo aumenta dopo un pasto. In altre parole, c'è un costo energetico per la digestione e l'assorbimento degli alimenti. Questo fenomeno è stato definito termogenesi indotta dalla dieta e viene valutato dall'aumento della produzione di calore dopo mangiato. La termogenesi indotta dalla dieta è correlata al tipo e alla quantità di alimento ingerito: i lipidi causano una termogenesi relativamente bassa, mentre le proteine provocano il massimo aumento della produzione di calore. Questo fenomeno è in accordo con la teoria di alcuni nutrizionisti, secondo i quali introdurre una caloria da lipidi è diverso dall'introdurre una caloria da proteine, sebbene esse contengano la stessa quantità di energia se vengono misurate con la calorimetria diretta. La maggior parte dell'energia fornita da lipidi viene accumulata, invece una quantità più piccola dell'energia presente nelle calorie proteiche potrà essere accumulata perché una parte maggiore viene rilasciata come calore. Si sta cercando un collegamento tra termogenesi senza brivido indotta dal freddo negli animali da laboratorio e termogenesi indotta dalla dieta negli esseri umani. Il fatto che entrambe siano mediate dal sistema nervoso simpatico e dalla tiroxina (T 4 ) suggerisce un meccanismo comune. Se riusciremo a comprendere il meccanismo con cui l'energia viene dirottata dall'accumulo di grassi alla produzione di calore, potremo sviluppare una nuova classe di farmaci termogenici per il trattamento dell'obesità. Un altro fattore che influenza il metabolismo è l'attività fisica. Avrete senz'altro visto le tabelle che riportano il dispendio calorico all'ora in varie attività (tabella 1). Stando seduti o distesi il consumo energetico è relativamente basso; lo sci di fondo e il ciclismo sono tra le attività più dispendiose. Riassumendo, i due fattori che il soggetto può controllare per regolare il bilancio del dispendio energetico ed evitare l'aumento di peso sono la regolazione della dieta (tabella 2), cioè dell'assunzione di energia chimica e l'attività fisica (tabella 1). Se quest'ultima comprende l'allenamento muscolare che aumenta la massa muscolare magra, il metabolismo di riposo aumenta. L'incremento della massa muscolare magra provoca ulteriore consumo di energia, che diminuisce la quota di calorie che viene accumulata (EPOC). 12

14 TABELLA 1 Fabbisogno calorico nelle diverse attività sportive e non Attività (1 ora) Kcal/Kg/h Attività (1 ora) Kcal/Kg/ Aquagym 4,0 Hockey su ghiaccio h 8,0 Aerobica, moderata 6,0 Equitazione generale 4,0 Aerobica, intensa 7,0 Jogging, generale 7,0 Arco -tiro con- 3,5 Judo, karate, kick boxing, taekwondo 10,0 Automobile -riparazione- 3,0 Kayak 5,0 Arrampicata 7,0 Moto-cross 4,0 Badminton (volano, competitivo) 7,0 Nuotare stile libero vigorosa intensità 10,0 Badminton, leggero 4,5 Nuotare stile libero leggera/moderata 8,0 Basket, partita 8,0 intensità Nuotare, dorso 8,0 Basket, leggero 6,0 Nuotare, rana 10,0 Beach Volley 8,0 Nuotare, farfalla 11,0 Bicicletta, <16 Km/h attività ludica 4,0 Nuoto libero 6,0 Bicicletta, >32 Km/h gara 16,0 Nuoto sincronizzato 8,0 Bicicletta, Km/h, bassa intensità 6,0 Rugby 10,0 Bicicletta, 20-26Km/h, moderata 8,0 Skateboard 5,0 intensità Bicicletta, 26-30Km/h, alta intensità 12,0 Pattinaggio 7,0 gara- Biliardo 2,5 Pallamano 12,0 Bowling 3,0 Pescare seduti 2,5 Boxe, generale 12,0 Pescare in piedi 3,5 Boxe, punching bag 6,0 Pescare nei ruscelli a mosca 6,0 Boxe, sparring 9,0 Pescare, generale 4,0 Calcio libero 7,0 Passeggiare a 3.2 Km/h, slow pace 2,5 Calcio gara 10,0 Passeggiare a 4.8 Km/h 3,5 Canoa remi, >10 Km/h, vigorosa 12,0 Passeggiare, 5.6Km/h, in salita 6,0 intensità Canoa, competizione 12,0 Passeggiare, 6.4 Km/h, con ritmo 4,0 Canoa remi, leggera intensità 3,0 veloce Passeggiare su prato 5,0 Canoa, remi, moderata intensità 7,0 Passeggiare con stampelle 4,0 Canoa generale 3,5 Pallanuoto 10,0 Carichi pesanti -TRASPORTO- 8,0 Pallavolo in acqua 3,0 Cura di bambini da seduti 3,0 Ping-pong 4,0 Cura di bambini stando in piedi 3,5 Pulire ad elevata intensità 4,5 Circuit training 8,0 Pulizia della casa in genere 3,5 Cacciare 5,0 Pulire, leggera, moderata intensità 2,5 Corsa, 16 Km/h 16,0 Salto con lo sci 7,0 Corsa, 17.5 Km/h 18,0 Simulatore di sci di fondo 9,5 Corsa, 8 Km/h 8,0 Sci di fondo ritmo gara 14,0 Corsa, 9.6 Km/h 10,0 Sci di fondo moderata intensità 8,0 Corsa, 10.7 Km/h 11,0 Sci di fondo leggera intensità 7,0 Corsa, 11.2 Km/h 11,5 Sci di fondo massima intensità 16,5 Corsa, 12Km/h 12,5 Sci di fondo vigorosa intensità 9,0 Corsa, 12.8 Km/h 13,5 Sci discesa leggera intensità 5,0 Corsa, 14.4 Km/h 15,0 Sci discesa moderata intensità 6,0 Corsa, cross country 9,0 Sci discesa vigorosa intensità, gara 8,0 Corsa, generale 8,0 Scherma 6,0 Costruire, modellismo 5,5 Salire le scale 8,0 Cucinare 2,5 Sollevamento pesi o body building, 6,0 Cricket 5,0 vigorosa Sollevamento intensità pesi leggero/moderato 3,0 Danza, aerobica, moderna, twist 6,0 intensità Softball 6,0 Danza veloce 5,5 Squash 12,0 Danza lenta 3,0 Stretching, yoga 4,0 Danza, generale 4,5 Surf 3,0 Equitazione trotto 6,5 Spazzare 4,0 Football americano competizione 9,0 Trasportare pesi in casa 6,0 Football americano generale 8,0 Trasportare pesi usando le scale/salita 9,0 Freccette 2,5 Tai-chi 4,0 Frisbee generale 3,0 Tennis, doppio 6,0 Frisbee competizione 3,5 Tennis, generale 7,0 Giardinaggio 5,0 Tennis, singolo 8,0 Ginnastica, generale 4,0 Tuffi, da trampolino o piattaforma 3,0 Golf, generale 4,0 Volleyball non competitivo 3,0 Hockey su prato 8,0 Volleyball competitivo 4,0 13

15 TABELLA 2 Valore calorico di alcuni dei più comuni alimenti (Kcal per 100g) Fiocchi d'avena 395 Polpo 57 Barbabietole rosse 20 Gnocchi di patate 115 Trota 83 Carota 20 Grissini 424 Asiago 375 Cavolfiore 25 Pane comune 279 Bel Paese 380 Cipolle 25 Pane integrale 230 Emmenthal 390 Fagioli 104 Pasta di semola di grano 350 Fontina 375 Fagiolini 20 Pasta all'uovo 368 Fiocchi di latte 119 Finocchi 15 Polenta 355 Mozzarella 240 Lattuga 15 Riso 360 Parmigiano Reggiano 400 Melanzane 18 Coniglio 120 Ricotta di mucca 135 Patate 83 Maiale magro 146 Latte intero 63 Pomodori 15 Manzo magro 116 Latte parzialmente scremato 49 Zucca 12 Pollo 120 Latte scremato 33 Zucchini 13 Tacchino 150 Uovo (uno) 80 Burro 767 Vitello 150 Albicocche 31 Margarina 765 Fegato di vitello 132 Arance (una) 75 Olio d'oliva o di semi 910 Trippa 106 Banane 66 Birra 50 Bresaola 146 Ciliege 50 Coca-cola 45 Prosciutto cotto 215 Cocomero 30 Superalcolici 290 Prosciutto crudo magro 153 Fichi 60 Vino 53 Salame 410 Fragole 30 Cioccolato fondente 570 Salsiccia 394 Mandorle 542 Cioccolato al latte 542 Aragosta 86 Mele 45 Marmellata 235 Calamari 69 Noci 660 Miele 294 Gamberi 50 Pere 40 Zucchero 387 Merluzzo 83 Pesche 30 Pesce spada 118 Uva 60 Il fabbisogno energetico giornaliero Il fabbisogno energetico giornaliero varia in base alle esigenze e all'attività dell'organismo. Di solito viene espresso in termini di assunzione di calorie. Per esempio, un uomo medio potrebbe avere un fabbisogno calorico giornaliero di circa 2000 kcal. Se supponiamo che il suo fabbisogno energetico totale venga coperto dall'assunzione di glucosio, con un contenuto energetico di 4 kcal/g, dovrebbe consumare 500 g di glucosio al giorno. Tuttavia, il nostro organismo non riesce ad assorbire il glucosio in forma cristallina, pertanto i 500 g di glucosio dovrebbero essere disciolti in acqua. Se il glucosio venisse ingerito sotto forma di soluzione al 5%, il fabbisogno calorico del nostro soggetto dovrebbe essere disciolto in 10 litri di acqua: una quantità notevole di liquidi da bere nel corso di una giornata! Fortunatamente, il glucosio non è il nostro alimento principale. Anche proteine, carboidrati complessi e lipidi contengono energia nei loro legami chimici. Il glicogeno, polimero del glucosio, è una forma di energia molto più compatta rispetto a un uguale numero di singole molecole di glucosio; inoltre richiede una minore quantità di acqua per l'idratazione. Per questo motivo le nostre cellule accumulano il glucosio in forma di granuli di glicogeno. Il fegato contiene circa 100 g di glicogeno, il muscolo scheletrico circa 200 g. Però 300 g di glicogeno possono fornire una quantità di energia sufficiente a coprire solo ore di necessità energetiche. Il sistema nervoso da solo richiede 150 g di glucosio al giorno. Di conseguenza, l'organismo accumula la maggior parte delle sue riserve energetiche sotto forma di molecole lipidiche ad alta energia. Un grammo di grasso fornisce 9 kcal, più del doppio dell'energia contenuta in una quantità uguale di carboidrati o proteine. Inoltre, l'accumulo lipidico non è associato all'acqua in quanto i grassi sono idrofobici. Questa caratteristica rende il tessuto adiposo molto efficiente per immagazzinare una considerevole quantità di energia in un minimo spazio. Metabolicamente, tuttavia, l'energia accumulata nei lipidi è più difficile da liberare e il metabolismo lipidico è più lento rispetto a quello dei carboidrati. Questo è il motivo principale per il quale se si vuole intaccare il metabolismo lipidico per mobilizzare i tessuto adiposo e consumare grassi è indicato un tipo di esercizio fisico magari a ritmo blando ma prolungato nel tempo (si interviene sul metabolismo dei grassi almeno dopo 30/40 min. di lavoro) 14

16 L'energia per compiere lavoro può derivare dai nutrienti assorbiti Nell'uomo si distinguono due condizioni nello studio del metabolismo a seconda del tempo che intercorre dall'ultima introduzione di alimenti. Il periodo di tempo successivo al pasto, quando i prodotti della digestione vengono assorbiti, usati e accumulati, viene definito stato di sazietà, o di assorbimento. Questa è una condizione anabolica in cui l'energia dei nutrienti viene trasferita in composti ad alta energia oppure accumulata nei legami chimici di altre molecole. Quando i nutrienti di un pasto recente non sono più presenti nel circolo sistemico e non possono essere utilizzati dai tessuti, l'organismo entra nella condizione di digiuno, o postassorbimento. Quando la quantità di nutrienti disponibili nel circolo sistemico diminuisce, l'organismo utilizza le riserve accumulate. La condizione di digiuno è uno stato catabolico, in cui le cellule degradano grandi molecole in molecole più piccole. L'energia rilasciata dalla rottura dei legami chimici viene usata per compiere lavoro. Il destino specifico dei singoli nutrienti assorbiti dipende dalla classe di biomolecole a cui il nutriente appartiene: carboidrati, proteine o lipidi. (Questa discussione del metabolismo energetico non considera il ruolo delle vitamine, dei minerali e degli oligoelementi, nonostante essi svolgano, come visto, un ruolo significativo in altri aspetti della nutrizione umana). In generale, le biomolecole nell'organismo seguono uno di questi tre destini: 1. Sono immediatamente metabolizzate in modo che l energia presente nei loro legami chimici venga intrappolata nei legami fosfato ad alta energia di ATP, fosfocreatina e altri composti ad alta energia. Questa energia può essere usata per compiere lavoro meccanico o di trasporto. 2. Sono usati per la sintesi di componenti fondamentali necessari per la crescita e il mantenimento di cellule e tessuti. 3. Se gli alimenti ingeriti superano il fabbisogno corporeo di energia e di nuovi componenti da sintetizzare, i nutrienti in eccesso vengono accumulati come glicogeno e lipidi. L'accumulo rende l'energia disponibile in condizioni di digiuno. Uno dei più importanti aspetti del metabolismo è l'interazione tra carboidrati, proteine e lipidi. La figura 9 è un diagramma schematico che segue queste biomolecole dalla introduzione con la dieta fino ai pool dei tre nutrienti presenti nell' organismo. (I pool dei nutrienti sono i nutrienti disponibili per un utilizzo immediato). I lipidi che entrano nelle vie del metabolismo energetico sono assorbiti principalmente in forma di acidi grassi e glicerolo. Gli acidi grassi costituiscono la forma principale del pool lipidico presente in circolo. Possono essere usati come fonte energetica dalla maggior parte dei tessuti, ma vengono anche facilmente accumulati come lipidi nel tessuto adiposo. 15

17 Gli acidi grassi, quando vengono metabolizzati, forniscono unità a due atomi di carbonio al ciclo dell'acido citrico. Gli atomi di carbonio vengono escreti come CO 2 e l'energia dei loro legami chimici viene accumulata come ATP. Un altro grasso, il colesterolo, è importante per le vie sintetiche ma non viene solitamente metabolizzato per ottenere energia. I carboidrati sono assorbiti principalmente in forma di glucosio. Il pool plasmatico di glucosio è quello più strettamente regolato fra i tre pool di nutrienti. Una ragione è che il glucosio è il solo nutriente che il tessuto nervoso può metabolizzare, tranne che in situazioni di digiuno prolungato. Notate dalla figura 9 che quando il glucosio scende sotto certi livelli, l'unico tessuto che lo utilizza è il tessuto nervoso. Questo è un meccanismo di sicurezza che assicura un adeguato apporto di energia al centro di controllo dell'organismo. Proprio come il sistema circolatorio nel controllo del flusso sanguigno garantisce priorità al cervello, anche il metabolismo nella distribuzione di nutrienti considera il cervello prioritario. Se il pool di glucosio è superiore al valore minimo, allora la maggior parte dei tessuti può utilizzarlo come fonte energetica. Se il pool di glucosio aumenta ulteriormente, viene accumulato come glicogeno. Se la concentrazione plasmatica di glucosio comincia a scendere durante il digiuno, l'organismo può catabolizzare il glicogeno in un processo noto come glicogenolisi. In condizioni normali, il glucosio assunto in eccesso viene trasformato in acidi grassi e accumulato quindi sotto forma di lipidi. Se per qualche motivo le concentrazioni plasmatiche di glucosio aumentano tanto velocemente che non tutto può essere trasformato in lipidi, l'eccesso di glucosio viene escreto nelle urine quando viene superata la soglia renale di riassorbimento. Il bilancio tra metabolismo ossidativo, sintesi e catabolismo del glicogeno e la sintesi dei lipidi permette all' organismo di mantenere le concentrazioni plasmatiche del glucosio in un intervallo relativamente ristretto. Il pool di amminoacidi dell'organismo viene utilizzato principalmente per la sintesi delle proteine. Tuttavia, se l'assunzione del glucosio è bassa, gli amminoacidi possono essere convertiti in glucosio attraverso il processo noto come gluconeogenesi. Questa parola letteralmente significa "generazione di nuovo glucosio" e si riferisce alla sintesi di glucosio a partire da precursori diversi dai carboidrati. Gli amminoacidi sono la fonte principale di glucosio attraverso la gluconeogenesi. Sia la gluconeogenesi che la glicogenolisi sono importanti fonti di glucosio durante i periodi di digiuno. 16

18 Le vie metaboliche sono regolate da modificazioni delle attività enzimatiche Le più importanti vie biochimiche per la produzione di energia sono illustrate nella figura 10. Questa figura non include tutti i metaboliti intermedi di ogni via, piuttosto sottolinea i punti in cui le differenti vie si intersecano, poiché questi costituiscono i momenti fondamentali in cui il metabolismo viene controllato. Una caratteristica importante della regolazione metabolica è l'utilizzo di enzimi differenti per catalizzare le reazioni anterograde e retrograde. Questo duplice controllo, talvolta definito controllo push-pull ("spingi e tira"), permette la regolazione fine di una reazione. Nell'esempio mostrato nella figura 11, l'enzima 1 catalizza la reazione da A a B; l'enzima 2 catalizza la reazione inversa. Se l'attività dei due enzimi è quasi uguale, non appena A viene trasformato in B, B viene riconvertito in A, quindi il turnover tra i due substrati è rapido, ma non ci sarà nessuna produzione netta del prodotto B. La figura 11b. mostra un esempio in cui l'attività di uno dei due enzimi viene potenziata mentre l'attività dell'enzima catalizzante la reazione inversa è inibita. Questo tipo di duplice controllo viene attuato per esempio dall'insulina, che stimola gli enzimi per la glicogenosintesi e inibisce gli enzimi per il catabolismo del glicogeno. Il risultato finale è la sintesi di glicogeno a partire dal glucosio. Il modello inverso è mostrato nella figura 11c., dove il glucagone, un altro ormone pancreatico, stimola gli enzimi per la glicogenolisi mentre inibisce gli enzimi per la glicogenosintesi. L'effetto finale del glucagone sugli enzimi metabolici è la sintesi di glucosio a partire dal glicogeno. Nelle prossime sezioni, valuteremo come la direzione delle vie metaboliche cambia in relazione alla disponibilità dei nutrienti. Enzima 1 (a) A B Enzima 2 Senza la regolazione dell attività enzimatica non si avrà né produzione né perdita netta di prodotti o reagenti (b) glucosio glicogeno Aumento netto del glicogeno (c) glucosio glicogeno Aumento netto del glucosio Fig. 11 Controllo duplice (push-pull) del metabolismo Il metabolismo anaerobio è dominante nella condizione di sazietà La condizione di sazietà è uno stato anabolico in cui i nutrienti assorbiti vengono utilizzati per ottenere energia da utilizzare immediatamente o da immagazzinare, o per la sintesi di nuovi componenti cellulari. La tabella 3 riassume il destino dei nutrienti nella condizione di sazietà. 17

19 TABELLA 3 Destino dei nutrienti in condizioni di sazietà Carboidrati, che vengono assorbiti principalmente come glucosio 1. Usati immediatamente per formare energia tramite le vie aerobiche* 2. Usati per la sintesi di lipoproteine nel fegato e secreti nel circolo ematico 3. Accumulati come glicogeno nel fegato e nei muscoli 4. Eccesso convertito in grassi e accumulato nel tessuto adiposo Proteine, assorbite principalmente come amminoacidi 1. La maggior parte degli amminoacidi raggiunge i tessuti per la sintesi proteica* 2. Se necessari per formare energia, agli amminoacidi vengono trasformati nel fegato in prodotti intermedi che entrano nel metabolismo aerobico 3. Eccesso convertito in grassi e accumulato nel tessuto adiposo Lipidi, assorbiti principalmente come trigliceridi 1. Accumulati come grassi principalmente nel fegato e nel tessuto adiposo* *Destino principale Carboidrati Il glucosio assorbito dopo un pranzo raggiunge la circolazione del sistema portale epatico e va direttamente al fegato, dove circa il 30% di tutto il glucosio ingerito viene metabolizzato. Il restante 70% tramite la circolazione sistemica raggiunge il tessuto nervoso, i muscoli e gli altri tessuti dell'organismo. Il glucosio si sposta dal liquido interstiziale verso le cellule per diffusione facilitata tramite i trasportatori del glucosio detti GLUT. La maggior parte del glucosio assorbito durante un pasto entra direttamente nella glicolisi e nel ciclo dell'acido citrico per fornire l'energia necessaria alla cellula. Una parte di glucosio viene usata dal fegato per la sintesi di lipoproteine. Il glucosio non utilizzato a fini energetici e di sintesi viene accumulato sotto forma di glicogeno e lipidi. Le cellule epatiche diventano la fonte principale di glucosio durante il digiuno. Le altre sedi importanti di accumulo del glicogeno sono i muscoli. Tuttavia, il glicogeno muscolare non può essere condiviso con altre cellule e può essere usato solo per la contrazione muscolare. La capacità di accumulare glicogeno nel nostro organismo è limitata, per questo l'eccesso di glucosio viene convertito in grasso e accumulato del tessuto adiposo. Proteine La maggior parte delle proteine assunte con un pasto raggiunge i tessuti per la sintesi proteica. Come il glucosio, gli amminoacidi vengono prima portati al fegato dal sistema portale epatico. Il fegato è un organo importante per la sintesi delle proteine plasmatiche, quali albumina e fattori della coagulazione. Gli amminoacidi non captati a livello epatico entrano nel sangue venoso e vengono poi distribuiti all'organismo attraverso il circolo sistemico. Essi sono utilizzati dalle cellule per sintetizzare proteine strutturali e funzionali come per esempio elementi del citoscheletro, enzimi e ormoni. Gli amminoacidi sono anche utilizzati per la sintesi di molecole non proteiche come gli ormoni amminici e i neurotrasmettitori. Gli amminoacidi possono essere usati per fornire energia quando l'assunzione di glucosio è bassa. D'altro canto, se vengono assunte proteine in quantità superiore a quella necessaria per i processi sintetici e per ottenere energia, gli amminoacidi in eccesso vengono convertiti in lipidi. Alcuni body-builders utilizzano speciali supplementi di amminoacidi pubblicizzati come potenzianti della struttura muscolare. Quello che questi atleti non comprendono è che gli amminoacidi non vengono necessariamente utilizzati per la sintesi proteica: infatti, se l'assunzione di amminoacidi supera le necessità dell'organismo essi vengono metabolizzati per produrre energia o accumulati come tessuto adiposo. Lipidi La maggior parte dei lipidi ingeriti viene assemblata nell'epitelio intestinale in complessi lipoproteici, i chilomicroni. I chilomicroni raggiungono la circolazione sistemica passando per quella linfatica, saltando il fegato (fig. 12). Mentre sono in circolo, la Iipoproteina-lipasi adesa ai capillari endoteliali del muscolo e del tessuto adiposo converte i trigliceridi dei chilomicroni in acidi grassi liberi e monogliceridi. Queste molecole poi diffondono nelle cellule, in particolare nel tessuto adiposo, dove vengono riassemblate in trigliceridi per essere accumulate. I residui dei chilomicroni che restano in circolo sono costituiti principalmente da lipoproteine e colesterolo. La combinazione dei lipidi con le proteine rende il colesterolo più solubile nel plasma, ma questi complessi non sono in grado di diffondere attraverso la membrana cellulare come fanno gli acidi grassi liberi. Invece, i complessi 18

20 lipoproteici devono essere portati all'interno delle cellule mediante endocitosi. I residui dei chilomicroni, per esempio, vengono captati e metabolizzati a livello epatico. Esistono diverse forme di lipoproteine che vanno da lipoproteine a bassa (Low-density lipoprotein, LDL) a lipoproteine ad alta densità (High-density lipoprotein, HDL). Questi complessi contengono diverse percentuali di trigliceridi, fosfolipidi e colesterolo. Maggiore è la quota proteica contenuta dal complesso, più elevato sarà il suo peso. La principale lipoproteina in circolo è la lipoproteina a bassa densità, o LDL. Il colesterolo-ldl è la forma principale con cui le cellule captano il colesterolo per endocitosi mediata da recettore. Il colesterolo-ldl viene talvolta definito "colesterolo cattivo" perché elevate concentrazioni plasmatiche di LDL si associano ad alta incidenza di aterosclerosi. La seconda lipoproteina più rappresentata è la lipoproteina ad alta densità, o HDL. Il colesterolo-hdl viene talora chiamato "colesterolo buono" perché porta il colesterolo alle cellule epatiche, dove viene metabolizzato o escreto. Il rapporto plasmatico tra colesterolo-hdl e colesterolo LDL è importante quanto le concentrazioni assolute, viene usato nella pratica clinica per prevedere il rischi di un soggetto di sviluppare l'aterosclerosi. Metabolismo a digiuno Quando tutti i nutrienti derivanti da un pasto sono stati digeriti, assorbiti e distribuiti alle cellule, la concentrazione plasmatica di glucosio comincia a scendere. Questo è il segnale del passaggio da una condizione di sazietà a una condizione di digiuno. L'obiettivo dello stato di digiuno è di mantenere le concentrazioni plasmatiche di glucosio in un campo di valori accettabile, per assicurare un adeguato apporto energetico al sistema nervoso. Il fegato è la fonte principale di glucosio a digiuno. Il glicogeno epatico può fornire una quantità sufficiente di glucosio, attraverso la glicogenolisi, per soddisfare le necessità energetiche dell'organismo per quattro-cinque ore (fig. 13). L'accumulo di glicogeno nel muscolo scheletrico può contribuire ulteriormente ai livelli di glucosio plasmatico, ma non per conversione diretta di glicogeno in glucosio. Le cellule muscolari, come la maggior parte delle cellule, non possiedono l'enzima che forma il glucosio dal glucosio-6-fosfato, perciò metabolizzano il glucosio- 6-fosfato a piruvato (in condizioni aerobie) o a lattato (in condizioni anaerobie). Piruvato e lattato vengono poi trasportati al fegato che li utilizza per formare glucosio. 19