Metabolismo energetico

Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I Metabolismo energetico Metabolismo (insieme delle reazioni chimiche) Estrazione energia dai nutrienti Utilizzazione energia per compiere lavoro chimico e meccanico Accumulo energia per disponibilità future Energia in entrata Energia in uscita Scaricato da www.sunhope.it 1

H 2 O + CO 2 + Q ATP ADP+P i Q W Biomol. + O 2 Sintesi Biomol. O 2 Energia Organismo ATP Gradienti Depositi Lavoro meccanico interno Lavoro chimico Termoregolazione Lavoro esterno + Calore Scaricato da www.sunhope.it 2

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Schema generale del catabolismo cellulare Nutrienti Proteine Amminoacidi idi Glicidi complessi Glucosio Lipidi complessi Glicerolol Acidi grassi Glicolisi Prodotti semplici da substrati complessi Piruvato Acetil-CoA Estrazione di equivalenti riducenti Ciclo di Krebbs NAD + FAD NADH + H + FADH 2 ATP ADP+P O 2 H 2 O NH 3, CO 2, H 2 O PRODUZIONE DI ENERGIA Dai processi ossidativi l energia per la vita Scaricato da www.sunhope.it 10

Confronto fra anaerobiosi ed aerobiosi Citoplasma GLUCOSIO 2 NADH Glicolisi 2 piruvato 2 ATP Rendimento netto Mitocondrio 2 NADH 6 CO 2 6 NADH 2 FADH 2 Catena respiratoria Fosforilazione ossidativa Ciclo di Krebbs O 2 H 2 O 2 ATP + 32 ATP Rendimento netto In aerobiosi si produce molto più ATP che in anaerobiosi (36 vs 2, rispettivamente) Il trasporto di elettroni è accoppiato alla produzione di ATP (chemiosmosi) Protein complex Intermembrane space Electron carrier Inner mitochondrial membrane Electron flow Mitochondrial matrix ELECTRON TRANSPORT CHAIN ATP SYNTHASE Scaricato da www.sunhope.it 11

O 2 + 4H + + 4e - = 2 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O C 18 H 34 O 2 + 25.5O 2 = 18CO 2 + 17H 2 O + 3 HN-CH(R)-COO - + no 2 = mco 2 + ah 2 O + CO(NH 2 ) 2 O 2 + 4H + + 4e - = 2 H 2 O Quando, uno dopo l'altro, gli elettroni sono catturati dall'ossigeno, si formano, come prodotti intermedi, alcune specie di ossigeno reattivo (ROS). O 2 + e - = O 2 - anione superossido O 2 - + 2H + + e - = 2 H 2 O 2 perossido d idrogeno H 2 O 2 + e - = OH + OH - radicale ossidrile Scaricato da www.sunhope.it 12

Le specie reattive dell ossigeno (ROS) radicaliche e non radicaliche vengono costantemente prodotte all interno dell organismo sia come conseguenza di accidents of chemistry durante il metabolismo ossidativo, sia come risultato di specifiche funzioni cellulari. NADPH ossidasi Lipoossigenasi Cicloossigenasi NADH deidrogenasi Citocromo ossidasi Xantina ossidasi Aldeide ossidasi Citocromo P 450 Citocromo b 5 Le reazioni a catena dei radicali danneggiano importanti molecole biologiche in vitro e, pertanto, i ROS sono considerati tradizionalmente come particelle ad elevata pericolosità. I ROS possono causare severi danni alle macromolecole biologiche, specialmente DNA, lipidi e proteine. Il danno ossidativo a carico di queste importanti molecole sembra essere coinvolto in una grande varietà di patologie cronico-degenerative tra le quali, l aterosclerosi e il cancro. Scaricato da www.sunhope.it 13

1 0 Principio della termodinamica L energia dell universo è costante Organismo Energia Lavoro chimico e termoregolazione Lavoro + Calore E = R + C + W + Q Consumo metabolico = [Energia spesa] Δt Energia in kcal o in kj 1 kcal = 4.182 kj Scaricato da www.sunhope.it 14

Energie di combustione Glicidi 4,1 kcal/g 5,05 kcal/l O2 Lipidi 9,3 kcal/g 4,65 kcal/l O2 Proteine 4,1 kcal/g 5,92 kcal/g N2 Contenuto N 2 urina Quoziente Respiratorio (QR) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O QR = [CO 2] [O 2 ] = 1 C 18 H 34 O 2 + 25.5O 2 = 18CO 2 + 17H 2 O QR = 18/25.5 = 0.707 QR [O 2 ] = [CO 2 ] [O 2 ] G = [CO 2 ] G 0.707 [O 2 ] L = [CO 2 ] L + 3 HN-CHR-COO - + no 2 = mco 2 + ah 2 O + Urea Scaricato da www.sunhope.it 15

METABOLISMO BASALE M.B. = kcal/24 h - a digiuno; - posizione orizzontale, a riposo; - temperatura t ambiente confortevole. J/s = W W/kg W/m 2 Energia Lavoro chimico e termoregolazione Lavoro + Calore Digiuno Confort Riposo E = R + C + W + Q 0 = R + Q Spesa energetica per lavoro di trasporto, chimico e meccanico interno Scaricato da www.sunhope.it 16

CALORIMETRIA DIRETTA Camera di combustione Dewar H 2 O Q = calore scambiato m H2O = massa H 2 O C = calore specifico H 2 O ΔT = variazione termica H 2 O Q = m H2O CΔT CALORIMETRIA INDIRETTA Energia consumata = Energia (combustione CHO) + Energia (combustione lipidi) + Energia (combustione proteine)* * 5% circa del consumo totale Energia consumata = Energia (combustione CHO) + Energia (combustione lipidi) + Energia consumata = F G V (O2) 5,05 kcal/l + F L V (O2) 465k 4,65 kcal/l F G + F L = 1 Scaricato da www.sunhope.it 17

F G + F L = 1 QR = [CO 2 ]/ [O 2 ] QR = ([CO 2 ] G + [CO 2 ] L )/ [O 2 ] [CO 2 ] G = (QR) G F G [O 2 ] = F G [O 2 ] [CO 2 ] L = (QR) L F L [O 2 ] = 0,707F L [O 2 ] QR = (FQR G [O= 2 (F ] + G F+ L 0,707F [O 2 ]0,707)/[O L ) 2 ] CALORIMETRIA INDIRETTA Q.R. 1.0 0.9 0.82 0.8 0.7 kj/l O2 21.1 20.6 20.2 20.1 19.6 Kcal/L O2 5.05 4.93 4.83 4.81 4.69 Scaricato da www.sunhope.it 18

Fattori che influenzano il consumo metabolico -età - sesso - massa muscolare - attività fisica maschio adulto, 65 kg ~ 2000 kcal/die 8400 kj/die - dieta - ormoni - fattori genetici Scaricato da www.sunhope.it 19

METABOLISMO DI RIPOSO (Soggetto di sesso maschile 75 kg, consumo O 2 = 250-300 ml/min) 1,20 1,45 kcal/min (85-100 W) 1700 2100 kcal/die 10% lavoro cardiaco 25% funzioni fegato 20% attività cervello 20% attività muscolo 20% altri organi METABOLISMO DI RIPOSO -DIMINUISCE DURANTE IL SONNO (-20%) -AUMENTA DURANTE LA DIGESTIONE - - AUMENTA NELLA TERMOREGOLAZIONE NELL ATTIVITA POSTURALE Scaricato da www.sunhope.it 20

ATTIVITA DISPENDIO ENERGETICO Sedentaria < 1,15 kcal/min Leggera >1,15 Moderata >1,67 Pesante >3,33 Molto pesante >5,00 ATTIVITA DISPENDIO ENERGETICO Riposo 1,2 kcal/min Marcia (4 km/h) 2,5 Corsa (12 km/h) 15,0 Ciclismo in piano (21 km/h) 11,0 Nuoto 12,0 Lavori domestici 3,0 8,0 Scaricato da www.sunhope.it 21

DISPONIBILITA DI ENERGIA Adulto, 75 kg, massa muscolare 28 kg ATP : 4 kj CP : 15 kj Glicogeno: 4600 kj Lipidi : 300000 kj Scaricato da www.sunhope.it 22