Il Metabolismo Energetico 1. Bilancio Quantitativo tra Apporto di Energia e Dispendio Energetico

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1 Il Metabolismo Energetico 1. Bilancio Quantitativo tra Apporto di Energia e Dispendio Energetico Prof. Carlo Capelli Fisiologia Facoltà di Scienze Motorie, Università degli Studi Verona

2 Obiettivi Energia interna degli alimenti e distribuzione dell energia alimentare Rendimento della sintesi ossidativa dell ATP Rendimento meccanico della scissione dell ATP Rendimento globale Apporto di energia: bomba calorimetrico e valore energetico degli alimenti Misura del dispendio energetico: principi e metodi (calorimetria diretta ed indiretta) Metabolismo basale

3 1. Energia Interna Utilizzazione dell Energia Interna Entropia ed energia Libera Parte dell energia derivante dagli alimenti è termodinamicamente obbligata alla conversione in calore G = H -T S Pertanto, anche se dal cibo venisse estratta la quantità massima di energia libera, quando esso viene metabolizzato si deve produrre una certa quantità di calore (reversibile)

4 1. Energia Interna Intermediari altamente energetici Il 95% circa dell energia assunta è potenzialmente disponibile come energia libera Per poter essere sfruttata deve essere presente nella forma chimica appropriata ATP Nella sintesi ossidativa di ATP, quasi 50% dell energia libera potenzialmente disponibile va sprecata per inefficienza biochimica

5 1. Energia Interna e Rendimento della sintesi ossidativa di ATP Ossidazione di un unità glicosidica (162 g di glicogene) sviluppa 2840 kj e consente la sintesi di 37 moli di ATP G ATP: 50 kj/mole ---> accumulo di 1850 kj di energia libera sotto forma di ATP Rendimento termodinamico della resintesi ossidativa di ATP ε R = E immagazzinata nella sintesi di ATP G liberata dall'ossidazione del glicogene 0.65= ΔG* ATP nr ATP ΔG* Gl m Gl =

6 1. Energia Interna Stato stabile biochimico e strutturale Una volta trasformata in una forma utilizzabile, l energia libera viene utilizzata per il mantenimento dell integrità biochimica e strutturale del corpo (metabolismo basale) Lavoro interno Può essere utilizzata per compiere lavoro interno (se a riposo, rientra nel metabolismo basale) Lavoro esterno Può essere utilizzata per compiere lavoro esterno sull ambiente

7 1. Energia Interna Rendimento dell esercizio fisico Rapporto tra lavoro esterno e quantità di energia interna convertita per compierlo Rendimento lordo Rendimento netto Delta rendimento In condizioni ottimali, il rendimento netto dellorganismo è del 25 %.

8 1. Energia Interna e Rendimento ε S = totale Rendimento termodinamico della produzione di w dalla scissione di ATP Lavoro meccanico G liberata dalla scissione ATP = w G* ATP ns ATP Allo stato stazionario ns ATP = nr ATP ; l energia immagazzinata nella resintesi e nella scissione di ATP sono uguali w ε S = ε R E liberata dall'ossidazione del glicogene = w ε R G* Gl m Gl

9 1. Energia Interna e Rendimento Rendimento totale totale ε R ε S = w G* Gl m Gl Il rendimento termodinamico globale della contrazione muscolare (membro di destra) è uguale al prodotto dei rendimenti di scissione e resintesi dell ATP (membro di sinistra)

10 Energia Alimentare (100 %) Variazioni di entropia Dissipazione dell energia alimentare Calore (5 %) Energia libera potenzialmente disponibile (95 %) Inefficienza biochimica Calore (50 %) Pool di energia libera (45 %) Omeostasi L. interno Contrazione muscolare Calore (45 % - 20 %) Lavoro esterno (0 % - 25 %)

11 2. Apporto di Energia 1 Equivalenti di energia L energia resa disponibile da qualsiasi reazione chimica è determinata interamente dai substrati iniziali e dai prodotti terminali. L energia disponibile è completamente indipendente dalla particolare via chimica lungo la quale si svolge la reazione Utilizzo della bomba calorimetrica

12 2. Apporto di Energia 2 Misura dell energia degli alimenti Bomba calorimetrica O 2 acqua

13 2. Apporto di Energia Esempio Glucosio C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O kcal 180g l l 108 ml

14 2. Apporto di Energia Contenuto energetico Energia (Kcal per g) Equivalente calorico Volume Alimenti Bomba calorimetrica Ossidazione in vivo Valore fisiologico Ossigeno (Kcal per l) CO2 (Kcal per l) QR Ossigeno (litri per g) CO2 (litri per g) Carboidrati Proteine Lipidi Etanolo Media Standard

15 2. Apporto di Energia Contenuto energetico Proteine: Nella bomba calorimetrica, l energia delle proteine è in media di 5.4 Kcal per g. L energia restante dell urea abbassa la liberazione potenziale di energia a 4.2 Kcal per g L assorbimento non è completo: il valore fisiologico si abbassa a 4 Kcal per g

16 3. Dispendio energetico Misura del metabolismo a. Misura diretta mediante calorimetro umano L organismo perde energia con tre modalità: a. trasferimento di calore all acqua (e anche all aria circolante) b. calore latente di vaporizzazione insito nel vapor d acqua che viene immesso nell aria dal soggetto, allontanato dal sistema di circolazione dell aria e assorbito da un assorbitore per H 2 O c. lavoro effettuato su oggetti esterni

17 3. Dispendio energetico E = h + w + R + C (R: riserve di energia chimica - sintesi e ripristino dei gradienti ionici) C: quantità di calore immagazzinato dall organismo) Se: le riserve elettrochimiche non variano nel tempo; la temperatura è costante Allora C = R = 0 non si produce lavoro meccanico esterno La produzione di calore è uguale al dispendio energetico

18 Calorimetro Δh = M acq C acq ΔT

19 3. Dispendio energetico 1 Misura del metabolismo b. Misura indiretta mediante determinazione degli scambi gassosi a. Tecnica a circuito chiuso (spirometro a campana) b. Tecnica a circuito aperto

20 Circuito Chiuso

21 3. Dispendio energetico Misura del metabolismo Si misurano V O 2 e (V CO 2 ) V O 2 (nel caso si misuri solo V O 2 ) 2. QR = V CO 2 /V O 2 3. EquivCal O 2 = [(QR 0.707) / 0.293] 4. E (kcal min -1 )= [(V O 2 (l min -1 ) EquivCal O 2 (kcal l -1 O 2 )]

22 3. Dispendio energetico Determinazione delle fonti di energia (g di C, P e L metabolizzati) Possibile in base alla misura di V O 2, V CO 2 e di azoto urinario Tutto l azoto urinario origina dalle proteine e N = 0.16 P VO 2 = 0.81 C P L VCO 2 = 0.81 C P L Sistema a tre equazioni (2b, 2c, 2d); misurando N, V O 2 e V CO 2 si calcola C, P e L N: quantità di N 2 ottenuta dall analisi delle urine P: quantità di proteine urinarie 0.81, 0.94, 1.96: L O2 consumati per ossidare g 1 di C, P e L 0.81, 0.75, 1.39: L CO2 prodotti nell ossidazione di g 1 di C, P e L

23 3. Dispendio energetico 2 Fattori che determinano il dispendio energetico a. Taglia (normalizzare per superficie corporea, m 2 ) b. Attività (tabelle) c. Età e sesso d. Temperatura: una variazione di temperatura di 1 C provoca una variazione del tasso metabolico pari ad un fattore di circa 1.1 (aumento del 10 %); animali omeotermi: brivido e. Azione dinamico specifica: transitorio aumento del metabolismo basale dopo pranzo proteico; il dispendio supplementare è pari circa al 30 % del valore calorico delle proteine f. Fattori endocrini (ipo/iper tiroidismo) g. Razza e clima h. gravidanza

24 Metabolismo basale 3. Dispendio energetico a. Si eliminano gli effetti dalla taglia dividendo per la superficie corporea; b. Stato stabile, sveglio, sdraiato e tranquillo; c. si compensano le differenze di età e sesso esprimendo i risultati come percentuale di variazione rispetto ai corrispondenti valori normali. d. Ambiente confortevole e termicamente neutro e. Si esclude l azione dinamico-specifica f. Soggetto rilassato per eliminare l effetto dell adreanlina g. Variazione intraindividuale: 5%

25 Metabolismo Basale in Funzione dell Età SC (m 2 ) = PC St 0.725

26 Bibliografia Fisiologia dell Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 15: Fisiologia della nutrizione Fisiologia Medica, a cura di Conti F, seconda edizione, edi.ermes, Milano Capitolo 54: Fisiologia della nutrizione