Omeostasi energetica e metabolica nell uomo. Dieta Termoregolazione Consumo di ossigeno

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1 Omeostasi energetica e metabolica nell uomo Dieta Termoregolazione Consumo di ossigeno

2 Fisiologia di Klinke Silbernagl Capitolo 12: sezioni Capitolo 13 Capitolo 16: sezione 3

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4 Bilancio energetico e materiale Input Cibi e bevande Ossigeno Catabolismo Anabolismo Metabolismo Output Acqua Anidride carbonica Urea Urato Lattato ecc Accumulo depositi e strutture

5 Bilancio energetico e materiale Output Lavoro Input Energia chimica Substrati Alimentari Catabolismo Anabolismo Metabolismo Calore Energia chimica residua Accumulo depositi e strutture

6 Due punti di vista Per la biochimica Descrivere le reazioni che si compiono lungo le vie del metabolismo basale e intermedio, quali enzimi, quali atomi in gioco, quali legami Per la fisiologia Misurare il flusso di substrati e di energia lungo le vie, quante calorie vengono liberate dalla ossidazione del glucoso o altri substrati

7 La filosofia naturale è scritta in questo grandissimo libro Egli è scritto in lingua matematica e i caratteri son triangoli, cerchi ed altre figure geometriche Galileo Galilei : il Saggiatore Santorio Santorini Professore di Medicina Teorica a Padova dal 1610 al 1623

8 Altri punti di vista sul metabolismo La genetica: quali geni codificano gli enzimi del metabolismo, isogeni, struttura e regolazione, ecc La trascrittomica e la proteomica: in un certo istante, quali geni codificanti enzimi sono trascritti e tradotti, in quale quantità, con quali modificazioni post-traduzionali La system biology: tentativo di combinare in modo quantitativo i diversi approcci

9 Punto di vista biochimico: le vie metaboliche Da grassi, zuccheri e proteine a ATP Contenuto energetico ATP 1 mole = 50 kj = 12 kcal

10 Punto di vista fisiologico: misurare Quante molecole corrono lungo le vie metaboliche? Quante calorie liberate dai substrati energetici e immagazzinate in ATP? Quante a riposo? Quante in esercizio? Quali vie metaboliche sono più percorse? Come vengono regolate le vie metaboliche?

11 Introduzione di cibi e bevande: la dieta La dieta deve rispondere a necessità : Quantitative : la quantità di energia necessaria per le funzioni dell organismo Qualitative : le molecole /substrati di cui l organismo ha bisogno

12 Composizione della dieta Contenuto energetico minimo per sopravvivere (metabolismo basale copertura consumo legato alla attivita 1700 Cal/d=7300 kj/d Cal/d= kj/d Totale = Cal/d = kj/d

13 Composizione della dieta (assumendo 2500 Cal/d) Carboidrati 50-60% del totale (400 g/d) Grassi % del totale (60-80 g/d) Proteine % del totale ( g/d) vitamine minerali Na, K, Ca.. in g/d, Fe, Zn...in mg/d, I, Se... in mg/g (oligo-elementi) acqua (2 litri/d)

14 I carboidrati Portano energia per circa 4 Cal/g I carboidrati nella dieta sono rappresentati da: amido saccaroso lattoso maltoso Glucoso Fruttoso Galattoso

15 Le proteine Le proteine nella dieta sono distinte: proteine di I classe (carne, latte, pesce, uova) proteine di II classe (vegetali) Forniscono azoto (1g /kg peso corporeo) e aminoacidi essenziali Producono energia per circa 4 Cal/g

16 Lipidi o grassi i grassi hanno un elevato contenuto calorico: 9 Cal/g i grassi nella dieta sono rappresentati da: olii, origine vegetale grassi di origine animale (latte, uova, carne,pesce)

17 Lipidi o grassi necessario apporto di acidi grassi essenziali (poli-insaturi): linoleico, linolenico, arachidonico necessario apporto di vitamine liposolubili (A,D,E,K) acidi grassi saturi e insaturi: I grassi saturi considerati responsabili delle malattie cardiocircolatorie (accumulo nella parete arteriosa) Il colesterolo è un alcool che si lega con acidi grassi Attenzione alla concentrazione di colesterolo nel plasma

18 Componente indigeribile della dieta Non contribuisce al rifornimento calorico Riduce l assorbimento (colesterolo e grassi) o rallenta l assorbimento (glicidi) Aumenta il volume del contenuto intestinale e quindi accelera il transito Quantità : 25-30g/die Composizione Cellulosa e lignina : fibra insolubile Pectine : fibra solubile forma gel

19 I Sali minerali Na, K, Cl, Ca,.. in g/d, Fe, Zn...in mg/d, I, Se... in ug/g (oligo-elementi)

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21 Le vitamine Idrosolubili B1 B6 B12 C Liposolubili A D E K

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23 Alcool Contenuto energetico 7 Cal/g Effetti tossici: cervello, fegato, cuore French paradox: l effetto preventivo del vino rosso White s paradox: l effetto vasodilatatore del wiskey

24 Come misurare l introduzione di nutrienti? Indagine alimentare Diario alimentare Composizione degli alimenti degli_alimenti.html

25 Come misurare il metabolismo? La misura del metabolismo si chiama calorimetria perché? Entra energia chimica che sta dentro gli alimenti Esce calore e lavoro A riposo praticamente solo calore: niente lavoro esterno (lavoro interno del cuore e respiro) Fondamentale il riferimento al tempo: in un giorno, un ora, un minuto.

26 Quali unità di misura Unità di energia: Caloria: kcal= energia per scaldare 1 litro di acqua di 1 C kjoule= energia per spostare di 1 metro una forza di 1 knewton (=100 kgpeso, circa) 1 kcal = 4 kjoule (approssimativamente) Unità di potenza (il riferimento al tempo!!) Watt = joule/s Calorie/minuto MET: unità relativa quante volte il metabolismo basale

27 Due tipi di calorimetria Calorimetria diretta Misurare direttamente calore prodotto e lavoro compiuto Calorimetria indiretta Misurare l ossigeno consumato Assumendo che tutto il metabolismo sia ossidativo: vero??

28 Due tipi di calorimetria Calorimetria diretta Misurare direttamente calore prodotto e lavoro compiuto Calorimetria indiretta Misurare l ossigeno consumato Assumendo che tutto il metabolismo sia ossidativo: vero??

29 Calorimetria diretta: La camera calorimetrica

30 Calorimetria indiretta: Ricavare l energia che scorre sulle vie metaboliche da: misura del consumo di ossigeno e misura della produzione di anidride carbonica

31 la calorimetria indiretta si basa sulla misura del consumo di ossigeno Principio base: 1) il metabolismo (salvo eccezioni) è ossidativo 2) per produrre 20 joule serve 1 ml ossigeno

32 Equivalenza fra ossigeno e energia Essenziale per la calorimetria indiretta l uso delle equivalenze energetiche dell ossigeno In condizioni aerobiche, con buona approssimazione 1 litro ossigeno 20 kjoule (totali, calore+lavoro) 1 ml ossigeno/s 20 W (totali, calore+lavoro) 1 litro ossigeno/minuto 333 W (totali, calore+lavoro)

33 Per essere più precisi Glucoso + ossigeno = acqua + anidride carbonica + energia C6H12O = 6H2O + 6CO kj Ratio CO2/O2 = 1 Palmitato + ossigeno = acqua + anidride carbonica + energia C16H32 O O2 = 16H2O + 16CO kj Ratio CO2/O2 = 0.7

34 Energia chimica : da carboidrati, grassi, proteine

35 Equivalenza fra ossigeno e energia In condizioni aerobiche Per una mole di glucoso: 2812 kj/6 moli ossigeno, 2812 kj/132 l ossigeno = 21 kj / l ossigeno Per una mole di palmitato: 9594 kj/23 moli ossigeno, 9594 kj/506 l ossigeno = 19 kj / l ossigeno 1 ml ossigeno 20 joule (totali, calore+lavoro)

36 In un adulto sano a riposo V O2 = 250 ml/min V CO2 = 200 ml/min ~83 W o 47 W/m2 ~1.1 kcal/min 1 MET = 3.5 ml O2/kg/min QR= V CO2 / V O2 =0.8 Miscela di grassi e carboidrati

37 wikipedia The Metabolic Equivalent of Task (MET), or simply metabolic equivalent, is a physiological measure expressing the energy cost of physical activities and is defined as the ratio of metabolic rate (and therefore the rate of energy consumption) during a specific physical activity to a reference metabolic rate, set by convention to 3.5 ml O 2 kg 1 min 1 or equivalently: Originally, 1 MET was considered as the Resting Metabolic Rate (RMR) obtained during quiet sitting. [2][3] MET values of activities range from 0.9 (sleeping) to 23 (running at 22.5 km/h or a 4:17 mile pace).

38 Il metabolismo basale --varia con l età --varia con il sesso

39 Il metabolismo energetico e il consumo di ossigeno aumentano con l attivita fisica 60 kj/min = 1000 W c.a. 300 W di potenza prodotta Quasi linearità del costo energetico della locomozione: 4-5 kj/kg/km Consumo ossigeno basale

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41 La regolazione: fame e sete Fame e sazietà: stati interni emozionali che guidano il comportamento istintivo di ricerca e assunzione del cibo Stati consapevoli : avvertiti nella corteccia cerebrale Stati emozionali : generati nell interazione ipotalamo sistema limbico

42 Uno stato emozionale consta sostanzialmente di due elementi: una componente, che potremmo definire corporea, ovvero la sensazione fisica peculiare che assaporiamo durante un emozione; l altra è la componente cosciente: la consapevolezza, cioè, di essere sotto il dominio di una determinata emozione. In inglese si usa la parola emotion per la componente corporea, la quale, educe circa il nostro status emozionale (pensiamo al rossore, alla mimica facciale, alla postura corporea, all incrinarsi della voce); la parola feeling, invece, è utilizzata per la sensazione consapevole. La componente cosciente è mediata da strutture corticali: in parte, dalla corteccia cingolata; in parte, dai lobi frontali. La componente corporea, di converso, è condizionata da diverse strutture sottocorticali, tra cui ipotalamo, amigdala e tronco encefalico. Lo stato emozionale guida il comportamento istintivo: dalla alimentazione alla aggressività, dalla termoregolazione alla sessualità.

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45 Ipotalamo umano: aggregato di molti nuclei e di molti centri

46 Connessione afferenti e efferenti dell ipotalamo --bidirezionali sistema limbico (es. amigdala) --afferenti vie sensitive: termiche tattili (regioni speciali, capezzolo, genitali) visive (importanti per ritmi circadiani) olfattive e gustative -- afferenti organi periventricolari esterni alla barriera ematoencefalica: ricevono segnali chimici e ormonali -- efferenti ipofisi: :via fibre ipotalamo-ipofisarie :via sistema portale -- efferenti centri vegetativi inferiori (npg del tronco-encefalo e midollo)

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48 Regolazione ipotalamica del comportamento appetitivo: fame e sete

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50 Cranio-faringioma con componente solida e cistica e compressione dell ipotalamo mediale Tumore benigno derivante da residui della tasca faringea QUESTI TUMORI POSSONO CAUSARE IPERFAGIA E OBESITA

51 Ipotalamo laterale Ipotalamo mediale Centro della fame sempre attivo - Centro della sazietà + RICERCA E ASSUNZIONE DI CIBO (ho fame!) + + segnali inducenti sazietà

52 MODELLO ATTUALE DEL CONTROLLO DELLA FAME/SAZIETA

53 Il nucleo arcuato Attiva il centro della sazietà e inibisce il centro della fame mediante neuroni NPY e AgRP Attiva il centro della fame e inibisce il centro della sazietà mediante neuroni POMC e CART Il centro della sazietà e il centro della fame agiscono Sul nucleo accumbens (lobo limbico) Spinta comportamento istintivo Sul nucleo del tratto solitario (tronco encef.) Regolazione vegetativa del metabolismo

54 Come il sistema nervoso vegetativo può regolare il metabolismo energetico? L ortosimpatico aumenta la produzione di calore: UCP Metabolismo cellulare del calcio Si affianca così agli ormoni tiroidei

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56 Quali segnali agiscono sul n.arcuato? Oressigeni : fanno venir fame Anoressigeni : danno sazietà Segnali che vengono da stomaco e duodeno Grelina CCK PPY Distensione gastrica Segnali che indicano abbondanza di glucoso Insulina Segnali che vengono dagli adipociti pieni leptina

57 NB: Alcuni di questi segnali agiscono anche direttamente sul centro della sazietà o sul nucleo del tratto solitario NB: Anfetamine, oppioidi possono agire direttamente sul n accumbens

58 Anelli regolatori omeostatici Breve termine: Durante il pasto Medio termine Nell interprandiale Lungo termine Per la stabilità del peso corporeo negli anni

59 Regolazione a breve/medio termine Segnali nervosi di riempimento gastroduodenale CCK, PYY, grelina Glicemia e insulina Regolazione a lungo termine Leptina

60 Interventi anoressizzanti e dimagranti Replezione gastrica: segnali di sazietà Chirurgia bariatrica Gastrectomia parziale, palloncino intragastrico Anfetamine: inibizione della fame Ormoni tiroidei: aumento del consumo energetico

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62 Metabolismo e termogenesi L energia liberata nei processi catabolici ha tre destini finali Calore (e quindi termoregolazione) Lavoro (non più del 20-25%: efficienza!!) Nuovo accumulo in legami chimici (anabolismo)

63 La temperatura corporea non è uguale dappertutto: nucleo centrale o core vs guscio periferico Costanza omeostatica della core Variabilità e diverso spessore del guscio

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65 Dove misurare la temperatura? Ascellare / inguinale Orale Rettale Auricolare o timpanica

66 Variazioni circadiane Variazioni mensili (nella donna) Variazioni con l attività fisica Variazioni patologiche : febbre Variazioni per cause ambientali: Ipotermia e colpo di calore

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68 Come ottenere l omeostasi termica? Equilibrio fra termogenesi e termolisi Termogenesi : direttamente collegata con l attività metabolica Scambi termici all interno dell organismo, dipendenti da circolazione Termolisi: irradiazione Convezione Conduzione Evaporazione del sudore

69 Irradiazione: emissione di infrarossi

70 convezione

71 Al di sopra dei 28 C non sono sufficienti la convenzione e la irradiazione

72 sudorazione Massimo flusso di sudore: 1 kg/m2/ora Energia assorbita dalla evaporazione: 576 kcal/kg

73 Termoregolazione attiva: regolare la produzione e la dispersione di calore Produzione di calore: Metabolismo Contrazione muscolare Temperatura corporea Dispersione di calore: Irraggiamento Conduzione e convezione Evaporazione

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75 I recettori termici: centrali e periferici

76 Termocettori cutanei e centrali Aumento della temperatura Ipotalamo anteriore:centro termolitico risposta soggettiva: Ho caldo (emozione) risposta risposta risposta risposta vegetativa endocrina motoria comportamentale sudorazione inib. tiroidea tono musc. Att. motoria vasodilatazione Ridotta produzione e aumentata dispersione di calore

77 Termocettori cutanei e centrali Abbassamento della temperatura Ipotalamo posteriore: centro termogenetico Risposta Soggettiva: Ho freddo (emozione) risposta risposta risposta risposta endocrina vegetativa motoria comportamentale tiroide vasocostrizione tono m. Att. motoria surrene tremore, brivido Aumentata produzione e ridotta dispersione di calore

78 freddo IPOTALAMO caldo Recettori per il freddo Centro termogenetico Centro termolitico Recettori per il caldo vegetative motorie comportamentali piloerezione tremore raggomitolarsi vasocostriz. brivido coprirsi Tachicardia tono pressione vegetative motorie comportamentali sudorazione tono distendersi vasodilataz. scoprirsi ipotensione

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80 Le risposte termolitiche e termogenetiche tendono a stabilizzare la temperatura attorno a un livello, chiamato set point

81 La febbre deriva da uno spostamento verso l alto del set-point ipotalamico Endotossine, infiammazioni ecc monociti, macrofagi, cellule di Kupfer citokine (IL-1B, IL-6, IFN, TNF-a) area preottica ipotalamica prostaglandine aumento del set point della temperatura Attivazione centro termogenetico Gli antipiretici inibitori delle COX bloccano la produzione di prostaglandine

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