Omeostasi energetica e metabolica nell’uomo

Dieta

Termoregolazione

Consumo di ossigeno

• Fisiologia di Klinke…Silbernagl

– Capitolo 12: sezioni 10-12

– Capitolo 13

– Capitolo 16: sezione 3

Bilancio energetico e materiale

Catabolismo Metabolismo Anabolismo Accumulo – depositi e strutture

Output Acqua Anidride carbonica Urea Urato Lattato ecc

Input Cibi e bevande Ossigeno

Bilancio energetico e materiale

Catabolismo Metabolismo Anabolismo Accumulo – depositi e strutture

Output Lavoro Calore Energia chimica residua

Input Energia chimica Substrati Alimentari

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

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

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

Punto di vista biochimico: le vie metaboliche

Da grassi, zuccheri e proteine

a ATP

Contenuto energetico ATP

1 mole = 50 kJ = 12 kCal

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 ?

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

Composizione della dieta

• Contenuto energetico – minimo per sopravvivere (metabolismo

basale – copertura consumo legato alla attivita’

1700 Cal/d=7300 kJ/d

500-2500 Cal/d=2200-11000 kJ/d

Totale = 2200-4200 Cal/d = 9500-18300 kJ/d

Composizione della dieta (assumendo 2500 Cal/d)

• Carboidrati 50-60% del totale (400 g/d)

• Grassi 20-30 % del totale (60-80 g/d)

• Proteine 10-20 % del totale (60-120 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)

I carboidrati

• Portano energia per circa 4 Cal/g

• I carboidrati nella dieta sono rappresentati da: – amido

– saccaroso

– lattoso

– maltoso

Glucoso

Fruttoso

Galattoso

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

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)

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

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

I Sali minerali

• Na, K, Cl, Ca,….. in g/d,

• Fe, Zn …...in mg/d,

• I, Se…... in ug/g (oligo-elementi)

Le vitamine

• Idrosolubili

– B1

– B6

– B12

– C

• Liposolubili

– A

– D

– E

– K

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

Come misurare l’introduzione di nutrienti ?

Indagine alimentare

• Diario alimentare

• Composizione degli alimenti

– http://www.inran.it/646/tabelle_di_composizione_degli_alimenti.html

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 ….

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

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 ??

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 ??

Calorimetria

diretta:

La camera

calorimetrica

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

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

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)

Per essere più precisi

• Glucoso + ossigeno = acqua + anidride carbonica + energia

• C6H12O6 + 602 = 6H2O + 6CO2 + 2812 kJ

• Ratio CO2/O2 = 1

• Palmitato + ossigeno = acqua + anidride carbonica + energia

• C16H32 O2 + 23 O2 = 16H2O + 16CO2 + 9594 kJ

• Ratio CO2/O2 = 0.7

Energia chimica : da carboidrati, grassi, proteine

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)

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

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 O2·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).

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

Il metabolismo energetico e il consumo di ossigeno aumentano con l’attivita’ fisica

Consumo ossigeno basale

60 kJ/min = 1000 W

c.a. 300 W di potenza prodotta

Quasi linearità del costo energetico della locomozione: 4-5 kJ/kg/km

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

• 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.

Ipotalamo umano: aggregato di molti nuclei e di molti centri

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)

Regolazione ipotalamica del comportamento appetitivo: fame e sete

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’

Centro della fame sempre attivo

RICERCA E ASSUNZIONE DI CIBO (ho fame !)

Centro della sazietà -

segnali inducenti sazietà

+

+

Ipotalamo laterale Ipotalamo mediale

+

MODELLO ATTUALE DEL CONTROLLO DELLA FAME/SAZIETA’

• 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

• 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

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

• 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

Anelli regolatori omeostatici

• Breve termine:

– Durante il pasto

• Medio termine

– Nell’interprandiale

• Lungo termine

– Per la stabilità del peso corporeo negli anni

• Regolazione a breve/medio termine

– Segnali nervosi di riempimento gastroduodenale

– CCK, PYY, grelina

– Glicemia e insulina

• Regolazione a lungo termine

– Leptina

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

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)

La temperatura corporea non è uguale dappertutto: nucleo centrale o core vs guscio periferico

Costanza omeostatica della core Variabilità e diverso spessore del guscio

Dove misurare la temperatura ?

• Ascellare / inguinale

• Orale

• Rettale

• Auricolare o timpanica

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

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

Irradiazione: emissione di infrarossi

convezione

Al di sopra dei 28°C non sono sufficienti la

convenzione e la irradiazione

sudorazione

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

Temperatura

corporea

Produzione di

calore:

Metabolismo

Contrazione

muscolare

Dispersione di calore:

Irraggiamento

Conduzione e convezione

Evaporazione

Termoregolazione attiva: regolare la produzione e la dispersione di calore

I recettori termici: centrali e periferici

Ipotalamo anteriore:centro termolitico

Termocettori cutanei e centrali Aumento della temperatura

risposta soggettiva: Ho caldo (emozione)

Ridotta produzione e aumentata dispersione di calore

risposta risposta risposta risposta vegetativa endocrina motoria comportamentale sudorazione inib. tiroidea tono musc. Att. motoria vasodilatazione

Ipotalamo posteriore: centro termogenetico

Termocettori cutanei e centrali Abbassamento della temperatura

Risposta Soggettiva: Ho freddo (emozione)

Aumentata produzione e ridotta dispersione di calore

risposta risposta risposta risposta endocrina vegetativa motoria comportamentale tiroide vasocostrizione tono m. Att. motoria surrene tremore, brivido

freddo

Recettori

per il freddo

Centro

termogenetico

caldo

Recettori

per il caldo Centro

termolitico

IPOTALAMO

vegetative motorie comportamentali

piloerezione tremore raggomitolarsi

vasocostriz. brivido coprirsi

Tachicardia ↑ tono

↑ pressione

vegetative motorie comportamentali

sudorazione ↓ tono distendersi

vasodilataz. scoprirsi

ipotensione

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

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