SEZIONE 1. I nutrienti 1. NUTRIENTI ENERGETICI 2. NUTRIENTI INORGANICI 3. VITAMINE

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1 SEZIONE 1 I nutrienti 1. NUTRIENTI ENERGETICI 2. NUTRIENTI INORGANICI 3. VITAMINE

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3 1. NUTRIENTI ENERGETICI 1.1 GENERALITÀ Da un punto di vista termodinamico, possiamo considerarci un sistema aperto, cioè un sistema che scambia energia con l ambiente. Questo significa che una certa quantità di energia viene assunta dall ambiente ed una certa quantità viene ceduta. In quanto organismi eterotrofi, l unico modo per assumere energia dall ambiente è l alimentazione. Con gli alimenti introduciamo energia chimica che, tramite i processi catabolici, utilizziamo come calore e lavoro. Se la quantità di energia introdotta è superiore a quella necessaria, l organismo è in grado di accumularla, sempre come energia chimica, soprattutto trigliceridi nel tessuto adiposo, ma anche glicogeno nei tessuti epatico e muscolare. Al contrario, se è inferiore, l organismo utilizza l energia chimica presente nei depositi. Carboidrati, lipidi, proteine, alcol, sono i composti chimici presenti negli alimenti in grado di fornire energia all organismo. In questa sezione verranno trattati quelli di maggiore rilevanza dal punto di vista nutrizionale e ne verranno discussi gli aspetti essenziali relativamente alla Nutrizione umana. È necessario subito precisare che questi composti, oltre ad avere una funzione energetica, hanno spesso anche una funzione strutturale. In particolare, le proteine sono indispensabili come principale fonte di azoto e di aminoacidi. Gli aminoacidi sono utilizzati principalmente per la sintesi proteica; solo se l assunzione proteica supera le possibilità di sintesi proteica o se l assunzione dei carboidrati è carente, gli aminoacidi sono utilizzati a scopo energetico in misura significativa. Ma anche lipidi e carboidrati possono essere utilizzati ai fini strutturali; basti pensare al galattosio, componente dei cerebrosidi della guaina mielinica delle fibre nervose, oppure ai fosfolipidi delle membrane biologiche, contenenti acidi grassi polinsaturi. In Fisica, l unità di misura dell Energia è il Joule (J). Il J è uguale a Newton per metro (forza per spostamento). Poiché un Newton è uguale a kg per m/sec 2, il J sarà uguale a kg per m 2 /sec 2. Tuttavia, per convenzione, in Nutrizione si utilizza come unità di misura la Chilocaloria (kcal, o Grande Caloria o Caloria), corrispondente a 1000 calorie (o piccole calorie). Una caloria (piccola caloria) è la quantità di energia necessaria ad aumentare la temperatura di un ml di acqua distillata da 14,5 a 15,5 C. La caloria (piccola caloria) corrisponde a 4,187 J. 1.2 L ENERGIA E IL SUO FABBISOGNO Le cellule non utilizzano direttamente l energia chimica introdotta con gli alimenti. I nutrienti energetici contenuti negli alimenti vengono deidrogenati, si formano coenzimi ridotti altamente 3

4 energetici che sono ossidati nei mitocondri, con l utilizzazione di O 2, la formazione di H 2 O e la liberazione di energia che viene in buona parte utilizzata per la sintesi di ATP, mentre il resto viene disperso come energia termica. Il carbonio dei substrati (ossidato soprattutto nel ciclo di Krebs) viene eliminato come CO 2. La quantità di energia che si ottiene dal catabolismo completo dei nutrienti dipende, in sostanza, dal numero dei legami tra carbonio e idrogeno presenti nella molecola. La conoscenza della quantità di calorie fornite con gli alimenti deriva dai classici studi effettuati con la bomba calorimetrica (Figura 1.1). Si tratta di un calorimetro di acciaio posto in un cilindro con acqua della quale si registra la temperatura per mezzo di un termometro. Nel calorimetro viene posta una quantità nota del nutriente (o dell alimento) di cui si vuol conoscere il valore calorico; di questo campione in esame viene provocata la rapida combustione chiudendo un circuito elettrico dopo aver insufflato ossigeno ad elevata pressione. Il calore che si libera dalla combustione viene calcolato basandosi sull incremento della temperatura dell acqua. Figura 1.1 Bomba calorimetrica. Con tale metodo, è stato possibile calcolare il valore calorico fisico dei carboidrati (in media, 4,2 kcal/g), dei lipidi (in media, 9,2 kcal/g), delle proteine (in media, 5,6 kcal/g), dell alcol (7 kcal/g). Anche se nell organismo l ossidazione dei principi nutritivi non avviene per ossidazione diretta (come nella bomba calorimetrica), ma per successive deidrogenazioni, la quantità di energia che si ricava dai glucidi, dai lipidi e dall alcol (valore calorico fisiologico) è uguale. Infatti, per il I Principio della Termodinamica, se in due reazioni chimiche i reagenti e i prodotti di reazione sono uguali, l energia che si libera dalle due reazioni è uguale. Ad esempio, se consideriamo il glucosio, la reazione: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + Energia è uguale sia nella bomba calorimetrica sia in vivo; pertanto, la quantità di energia liberata è uguale in entrambi i casi. Invece, per le proteine, il valore calorico fisiologico è inferiore al valore calorico fisico. Infatti, nella bomba calorimetrica, la combustione produce H 2 O, CO 2 ed ossidi di azoto. In vivo, il gruppo aminico degli aminoacidi non viene ossidato, ma è eliminato come urea. Pertanto, il valore calorico fisiologico delle proteine sarà uguale al valore calorico fisico (5,6 kcal/g) meno il valore calorico della quantità di urea che si forma dall utilizzazione catabolica di un grammo di aminoacidi (circa 1,2 kcal), cioè circa 4,4 kcal/g. Infine, per ottenere il valore calorico netto, il valore calorico fisiologico va corretto per la percentuale di assorbimento dei principi nutritivi: circa il 97-98% per carboidrati e lipidi, circa il 90% per i protidi, il 100% per l alcol, per cui si può assumere che, in media, per grammo di nutriente assunto, carboidrati e proteine forniscono circa 4 kcal, i lipidi 9, l alcol 7. Bisogna chiarire che durante la trasformazione dell energia chimica dei nutrienti in energia chimica contenuta nelle molecole di ATP, circa il 60% dell energia contenuta nelle molecole originarie viene dispersa come calore; cioè la resa in ATP (energia chimica utilizzabile per il lavoro cellulare) è circa il 40% (Figura 1.2). Questo vale per tutti i nutrienti. 4

5 Lavoro chimico Calore Energia totale Lavoro interno Entropia Calore (5%) Energia libera Energia chimica produttiva ai fini del lavoro cellulare (ATP) 40% Calore Calore (55%) Figura 1.2 Resa in ATP dei nutrienti. Lavoro esterno (max 25%) Si prenda, ad esempio, in considerazione il rendimento in ATP del glucosio. Il valore calorico fisico del glucosio è 3,81 kcal/g. Una mole di glucosio (180 g) fornisce quindi 686 kcal (3,81 180). In aerobiosi, dalla completa ossidazione di una mole di glucosio si ottengono 38 moli di ATP. Poiché dalla utilizzazione di una mole di ATP si liberano 7,3 kcal, il rendimento percentuale del glucosio sarà: 7, /686 = 40,44% Un risultato analogo si ottiene se si considerano gli altri nutrienti. Di questo 40%, una parte viene utilizzata per il lavoro chimico, ottenendo calore (es.: la sintesi degli enzimi comporta un dispendio energetico che ritorna come calore quando l enzima viene degradato), una parte per il lavoro interno, ottenendo calore (es.: il cuore imprime al sangue una forza tale da fargli esercitare sulla pareti arteriose una pressione di 140 mmhg, mentre la pressione del sangue che arriva agli atri è di pochi mmhg; l energia fornita dal lavoro del cuore, a causa delle resistenze che il sangue incontra nel suo percorso, viene dissipata come calore), e solo il 25% per il lavoro esterno. Il dispendio energetico dell organismo (e quindi il suo fabbisogno) presenta tre componenti. La prima componente è rappresentata dalla quantità di calorie necessaria per il metabolismo basale, cioè la spesa energetica legata alle funzioni della vita vegetativa. Questo valore è correlato alla costituzione fisica, all età ed al sesso. Può essere valutato con i calorimetri, apparecchi che misurano, in un determinato tempo, il calore disperso dal soggetto (calorimetria diretta) oppure la quantità di ossigeno consumato (calorimetria indiretta). Il prototipo dei calorimetri diretti è rappresentato dal calorimetro adiabatico di Atwater e Benedict (Figura 1.3). Il soggetto (o l animale) viene posto in un ambiente termicamente isolato, che presenta dei condotti attraverso i quali scorre acqua, la cui temperatura viene misurata in ingresso e in uscita. Considerando che l acqua assorbe il calore emanato dal soggetto (il calore specifico dell acqua è pari a 1 Acqua che assorbe il calore Camera per l animale Pompa Spirometro kcal/g C), viene valutata la variazione di temperatura dell acqua, tenendo anche presente la quantità di acqua e la velocità con cui essa scorre nei condotti. I metodi calorimetrici diretti sono poco usati, in quanto molto costosi e poco pratici, dato che impongono la permanenza per diverso tempo nel calorimetro del soggetto da esaminare. La calorimetria indiretta si avvale del principio secondo il quale, poiché l ossigeno è l accettore finale di elettroni nella catena respiratoria, il consumo di O 2 è direttamente proporzionale alla quantità di energia consumata. La valutazione del consumo di O 2 va eseguita in condizioni standard: in T H 2 SO 4 I Calce sodata H 2 SO 4 O 2 II III Figura 1.3 Calorimetro di Atwater e Benedict. In questo schema, il calorimetro diretto è rappresentato nella parte superiore. Lo spirometro e la parte inferiore rappresentano un calorimetro indiretto. T 5

6 un ambiente a temperatura di C e senza patologie febbrili (per evitare variazioni del dispendio energetico legate ai processi di termoregolazione); il soggetto in esame deve essere comodo e a proprio agio (per evitare qualunque incremento del dispendio energetico legato a contrazioni muscolari), a riposo da almeno 30 (per evitare l aumento del dispendio energetico che si verifica nel periodo del ristoro muscolare), a digiuno da ore (per evitare la termogenesi postprandiale: vedi avanti). Il classico apparecchio di Benedict e Roth (Figura 1.4), ovviamente ormai superato, era costituito da una camera spirometrica contenente aria a composizione nota; l aria inspirata proveniva dalla camera e l aria espirata vi terminava, dopo un passaggio in un contenitore di calce sodata che fissava la CO 2. Questo era possibile in quanto il soggetto respirava tramite un boccaglio provvisto di valvole. L abbassarsi (durante l inspirazione) e l innalzarsi (durante l espirazione) della campana era registrato da un chimografo provvisto di penna scrivente; si osservava un progressivo abbassamento della campana, legato al consumo di O 2 da parte del soggetto (Figura 1.5). Oggi esistono diverse apparecchiature che permettono la valutazione delle concentrazioni di O 2 e di CO 2 nell aria inspirata e nell aria espirata. Alcune sono molto leggere, pratiche e facilmente utilizzabili (sacco Douglas, Oxylog, K2, K4). Tubo inspiratorio Campana spirometrica Valvola espiratoria Acqua Tubo espiratorio Figura 1.5 Registrazione del consumo di O 2 con il metabolimetro di Benedict e Roth. Camera spirometrica Calce sodata Figura 1.4 Schema dell apparecchio di Benedict e Roth. Valvola inspiratoria Termometro Chimografo Penna scrivente Altre sono più sofisticate (cappa ventilata o ventilated hood, camere calorimetriche) ed utilizzabili esclusivamente in laboratorio. La conversione dei litri di O 2 consumati in calorie si effettua tenendo conto del cosiddetto valore calorico dell ossigeno, pari a circa 4,8 kcal/litro. In realtà questo valore è un poco diverso a seconda del substrato prevalentemente utilizzato in quel momento dal soggetto esaminato; infatti, è pari a circa 5,1 kcal/litro se il soggetto sta utilizzando prevalentemente carboidrati, a 4,65-4,67 se sta utilizzando proteine o grassi. Tuttavia, poiché considerando 4,8 kcal/litro l errore non è eccessivo e, soprattutto, poiché un soggetto non consuma mai esclusivamente carboidrati o grassi o proteine, ma sempre una miscela di questi elementi, questo valore può considerarsi accettabile. 6

7 Ad esempio, per ossidare una mole di glucosio occorrono 6 moli di O 2, pari a 134,4 litri (una mole di un gas occupa un volume di 22,4 litri). Poiché si ottengono 686 kcal, il valore calorico dell O 2 in caso di ossidazione del glucosio è 5,1 kcal/litro (686/134,4). Per ossidare una mole di acido palmitico occorrono 23 moli di O 2, pari a 515,2 litri. Poiché si ottengono 2410 kcal, il valore calorico dell O 2 in caso di ossidazione di un grasso è 4,67 kcal/litro (2410/515,2). In realtà, si può essere più precisi nell assegnare il valore calorico dell O 2 conoscendo il substrato energetico prevalentemente utilizzato da quel soggetto in quelle condizioni. Ciò è possibile conoscendo il cosiddetto quoziente respiratorio (QR), cioè il rapporto tra il volume di CO 2 espirato e quello di O 2 consumato. Infatti, se un soggetto consuma prevalentemente carboidrati, il suo QR sarà vicino all unità; se consuma lipidi, sarà più basso, tendente a 0,7. Pertanto, se un soggetto ha, ad esempio, un QR di 1, il valore calorico dell O 2 sarà 5,1; se ha un QR più basso, il valore calorico dell O 2 sarà tanto più vicino a 4,67 quanto più vicino a 0,7 sarà il suo QR. Per ossidare una mole di glucosio occorrono 6 moli di O 2 e si ottengono 6 moli di CO 2. Dato che una mole di qualsiasi gas occupa sempre 22,4 litri, rapportare litri o moli è la stessa cosa. Pertanto il rapporto tra litri di CO 2 e litri di O 2 (QR) sarà 1. Per ossidare una mole di acido palmitico occorrono 23 moli di O 2. Poiché si ottengono 16 moli di CO 2, il QR sarà 0,7. Determinato il consumo energetico di un soggetto in un ora (kcal/h), è necessario rapportarlo alle sue dimensioni corporee. Infatti, è ovvio che un individuo alto e robusto avrà un dispendio energetico basale maggiore di un soggetto basso ed esile. La dimensione corporea utilizzata come unità di misura è l area della superficie corporea, la cui valutazione si effettua con la formula di DuBois & DuBois, che tiene conto dell altezza e del peso corporeo: STATURA in m SUP. CORPOREA in m ,6 85 0,58 15 Figura 1.6 Nomogramma per la determinazione dell area della superficie corporea. Area Superficie Corporea (cm 2 ) = 71,84 Altezza (cm) 0,725 Peso (kg) 0,425 Sulla base di questa formula, è stato costruito un nomogramma che semplifica la determinazione dell area della superficie corporea, conoscendo l altezza e il peso corporeo (Figura 1.6). 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 PESO in kg

8 A questo punto, si divide il valore del metabolismo basale per i metri quadri di superficie corporea del soggetto e si ottiene il metabolismo basale espresso in kcal/m 2 /h. Normalmente questo valore (che, a questo punto, è indipendente dalle dimensioni corporee) varia con l età e con il sesso: è maggiore nell uomo rispetto alla donna e nel giovane rispetto all anziano. Queste differenze sono legate alle differenze nella percentuale di massa grassa, considerando che i tessuti che fanno parte della massa magra di un soggetto sono metabolicamente più attivi del tessuto adiposo; nella donna giovane la percentuale di tessuto adiposo è circa il 22%, mentre nel maschio di pari età è circa il 15%; nell anziano la percentuale di massa magra diminuisce e, di conseguenza, aumenta la percentuale di massa grassa, con riduzione del metabolismo basale. Alcuni fattori ormonali possono influire sui valori del metabolismo basale. In particolare, gli ormoni tiroidei hanno un effetto calorigeno, per cui nell ipertiroidismo il metabolismo basale può anche raddoppiare, mentre nell ipotiroidismo si riduce notevolmente. Nel caso in cui non sia possibile effettuare la misurazione calorimetrica, sono state elaborate equazioni predittive del metabolismo basale che tengono conto del peso corporeo, dell altezza, dell età e del sesso. La Società Italiana di Nutrizione Umana riporta equazioni predittive derivate dal rapporto FAO/WHO/UNU (1985) e da Schofield (1985), corretti per l anziano da studi italiani condotti da Ferro-Luzzi (1987) (Tabella 1.1). È comunque da rilevare che tali equazioni predittive possono presentare un errore standard di circa il 10%. Tabella Equazioni predittive del metabolismo basale a partire dal peso corporeo (Pc), espresso in kg, e, per bambini e adolescenti, a partire da peso corporeo e statura (A), espressa in metri. Il metabolismo basale risulta espresso in kcal/giorno Età in anni MB (a partire dal peso) Maschi MB (a partire da peso e statura) MB (a partire dal peso) Femmine MB (a partire da peso e statura) <3 59,5 Pc 31 0,167 Pc A ,3 Pc 31 16,24 Pc A ,7 Pc ,59 Pc A ,3 Pc ,96 Pc A ,7 Pc ,2 Pc A ,4 Pc ,36 Pc A ,3 Pc ,7 Pc ,6 Pc ,7 Pc ,9 Pc ,2 Pc ,4 Pc ,8 Pc La seconda componente del dispendio energetico è rappresentata dalla quantità di calorie dispersa dalla termogenesi postprandiale. La termogenesi postprandiale presenta due frazioni. La prima, detta obbligatoria, precedentemente chiamata Azione Dinamico-Specifica degli Alimenti, dipende dal tipo di alimentazione; è maggiore se nella dieta prevalgono le proteine (anche fino al 30% del metabolismo basale se il soggetto ha assunto un pasto esclusivamente proteico poche ore prima della determinazione del metabolismo basale). La seconda, detta facoltativa, dipende da fattori individuali, come la responsività ai segnali periferici di avvenuta assunzione di cibo (leptina) e l efficienza della termodispersione mediata dal tessuto 8

9 adiposo bruno; è comunque maggiore se il soggetto ha assunto carboidrati. In media, in una normale alimentazione, la termogenesi postprandiale è valutabile intorno al 10% del metabolismo basale. La terza componente è rappresentata dall energia necessaria per compiere attività fisica. Ovviamente, questa componente è molto variabile, dipendendo dal tipo di lavoro svolto, dalla sua durata e dall intensità con cui viene svolto; data la notevole variabilità, la sua determinazione non è semplice. La valutazione del dispendio energetico legato all attività fisica può essere effettuata con almeno 3 livelli di semplificazione e, di conseguenza, di approssimazione. 1. La valutazione del costo energetico di ogni singola attività effettuata dal soggetto (ad un ritmo normale e senza le normali pause), espresso come multiplo del metabolismo basale (kcal al minuto). Ad esempio, se il metabolismo basale di un soggetto è pari a 1,2 kcal/min ed una data attività ha un costo energetico di 3 volte il metabolismo basale e viene effettuata per 10', il suo costo energetico sarà 1, = 36 kcal. Il livello di attività fisica (LAF) del soggetto nell arco della giornata risulterà dalla somma dei costi energetici di tutte le attività. Ovviamente, una valutazione così effettuata è abbastanza precisa ma assolutamente non pratica, in quanto necessita della compilazione dettagliata di un diario nel quale il soggetto annota tutte le sue attività e la loro durata. Per dare un idea: se, ad esempio, il soggetto frequenta una palestra, si dovrebbero riportare nel diario gli esercizi effettuati, senza le pause. 2. La valutazione del costo energetico di attività complessive effettuate dal soggetto (comprendenti anche le pause), che riuniscono le singole attività. Anche in questo caso, il costo è espresso come multiplo del metabolismo basale (kcal al minuto) ed il LAF del soggetto nell arco della giornata risulterà dalla somma dei costi energetici di tutte le attività. Ovviamente, una valutazione così effettuata è meno precisa ma più pratica della precedente in quanto, anche se necessita sempre della compilazione di un diario, è sufficiente una descrizione meno dettagliata. Proseguendo sempre con l esempio sopra riportato, basterebbe riferire di aver effettuato un ora di attività fisica in palestra, magari precisando il tipo di attività fisica (pesistica, aerobica, etc.). 3. La valutazione del cosiddetto Indice Energetico Integrato (IEI), cioè il costo energetico del tipo di lavoro svolto dal soggetto, che comprende un certo insieme di attività. Gli IEI delle diverse occupazioni sono reperibili in letteratura (Tabelle 1.2 e 1.3). Qui sono comprese le pause non solo tra un attività e l al- Tabella Classificazione delle attività professionali in categorie di IEI (espressi come multipli del metabolismo basale) per l adulto medio Leggera Moderata Moderata/Pesante Pesante Maschi Femmine Maschi Femmine Maschi Femmine Maschi Femmine 1,6 1,6 2,25 1,9 3,0 2,3 3,8 2,8 Casalinghe Impiegati Personale amministrativo e dirigenziale Liberi professionisti, tecnici e simili Collaboratori domestici Personale di vendita Lavoratori del terziario Lavoratori in agricoltura, allevamento, silvicoltura e pesca Manovali Operatori di produzione e di attrezzature di trasporto Mansioni come nel gruppo moderata/ pesante, ma in condizioni di scarsa meccanizzazione Nota: i valori di IEI riportati si riferiscono esclusivamente alla parte della giornata dedicata al lavoro. Essi tengono in considerazione le pause e gli intervalli nel lavoro, ma non sono stati ponderati per considerare né la parte di giornata non dedicata al lavoro né, tanto meno, le attività di fine settimana, vacanze estive, etc. Fonti: Livelli di assunzione raccomandati di energia e nutrienti per la popolazione italiana, revisione Commission of the European Communities,