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

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

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)

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

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

εR =

E immagazzinata nella sintesi di ATP∆G liberata dall'ossidazione del glicogene

0.65=

ΔG*ATP • nRATP

ΔG*Gl • mGl

= 50 • 372840 • 1

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

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 %.

1. Energia Interna e Rendimento totale

εS =

Lavoro meccanico∆G liberata dalla scissione ATP

= w

∆G*ATP • nSATP

Rendimento termodinamico della produzione di w dalla scissione di ATP

• Allo stato stazionario nSATP = nRATP; l’energia immagazzinata nella resintesi e nella scissione di ATP sono uguali

εS =

wεR • E liberata dall'ossidazione del glicogene

=w

εR • ∆G*Gl • mGl

1. Energia Interna e Rendimento totale

Rendimento totale

εR • εS =

w∆G*Gl • mGl

•  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)

Energia Alimentare (100 %)

Variazioni di entropia Calore (5 %)

Energia libera potenzialmente

disponibile (95 %)

Pool di energia libera (45 %)

Inefficienza biochimica Calore (50 %)

Omeostasi

L. interno

Contrazione muscolare

Calore (45 % - 20 %)

Lavoro esterno (0 % - 25 %)

Dissipazione dell’energia alimentare

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

2. Apporto di Energia 2  Misura dell’energia degli alimenti

Bomba calorimetrica

O2

acqua

2. Apporto di Energia

Esempio Glucosio C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 686 kcal

180g 134.4 l 134.4 l 108 ml

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 (K

cal per l) QR

Ossigeno (litri

per g)

CO2 (litri per

g)

Carboidrati 4.1 4.1 4 5.05 5.05 1.00 0.81 0.81

Proteine 5.4 4.2 4 4.46 5.57 0.80 0.94 0.75

Lipidi 9.3 9.3 9 4.74 6.67 0.71 1.96 1.39

Etanolo 7.1 7.1 7 4.86 7.25 0.67 1.46 0.98

Media Standard 4.83 5.89 0.82

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

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 H2O c. lavoro effettuato su oggetti esterni

3. Dispendio energetico

(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

E = h + w + R + C

Calorimetro

Δh = Macq Cacq ΔT

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

Circuito Chiuso

3. Dispendio energetico

Misura del metabolismo

Si misurano V’O2 e (V’CO2) 1.  4.83 V’O2 (nel caso si misuri solo V’O2) 2.  QR = V’CO2/V’O2

3.  EquivCal O2 = 4.686 + [(QR – 0.707) / 0.293]

4.  E’ (kcal min-1)= [(V’O2 (l⋅min-1) × EquivCal O2 (kcal⋅l-1O2)]

3. Dispendio energetico •  Determinazione delle fonti di energia (g di C, P e L

metabolizzati) •  Possibile in base alla misura di V’O2, V’CO2 e di azoto

urinario

•  Tutto l’azoto urinario origina dalle proteine e N = 0.16 P •  VO2 = 0.81 C + 0.94 P + 1.96 L •  VCO2 = 0.81 C + 0.75 P + 1.39 L Sistema a tre equazioni (2b, 2c, 2d); misurando N, V’O2 e

V’CO2 si calcola C, P e L •  N: quantità di N2 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

3. Dispendio energetico 2  Fattori che determinano il dispendio energetico

a.  Taglia (normalizzare per superficie corporea, m2) 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

3. Dispendio energetico Metabolismo basale

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%

Metabolismo Basale in Funzione dell’Età

SC (m2 ) = 0.202 • PC0.425 • St0.725

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