IL METABOLISMO

Il metabolismo cellulare e corporeo

Processo di rinnovamento e ricambio della materia vivente.

Insieme di tutte le reazioni biochimiche che avvengono in tutte le cellule del corpo umano.

Il metabolismo energetico

Quantità di calore liberato da tutte le reazioni biochimiche che avvengono in tutte le cellule del corpo umano.

Il catabolismo

Insieme dei processi di degradazione della materia vivente. Fase regressiva del ricambio della materia vivente.

L’anabolismo

Insieme dei processi di rigenerazione della materia vivente. Fase progressiva del ricambio organico che consiste nella utilizzazione dei principi alimentari introdotti.

Contributi dei singoli organi al metabolismo basale dell’uomo

Organo Fegato Muscolo Cervello Cuore Reni Resto

Contributo 26% 26% 18% 9% 7% 14%

Determinazione del fabbisogno energetico

Contenuto energetico dei vari principi alimentari.

Fabbisogno energetico giornaliero dell’individuo.

Per determinare quantitativamente le necessità alimentari quotidiane di un individuo è necessario conoscere:

La bomba calorimetrica di Berthelot

Q = m · c · ΔT

Misurazione dei valori calorici fisici degli alimenti

cKg · K = 1kcal

=

• La caloria

Valori calorici fisiologici degli alimentiChilocalorie

prodotte per grammo

O2 consumato(L/g)

Chilocalorie prodotte

per litro di O2

Quoziente respiratorio (Vco2/Vo2)

Carboidrati 4.2 0.84 5.0 1.00

Grassi 9.4 2.00 4.7 0.70

Proteine 4.3* 0.96* 4.5 0.85

Miscelaenergetica media - - 4.8** 0.90

** “Equivalente energetico” dell’ossigeno: quantità di energia liberata per ogni litro di ossigeno utilizzato dall’organismo assumendo una dieta normale

1 Kcal = 4.184 joule

Per i carboidratiC6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2OGlucosio

QR =6 CO2

6 O2

= 1.0

Per i grassi

C15H31COOH + 23 O2 16 CO2 + 16 H2OAcido palmitico

QR =16 CO2

23O2

= 0.70

Il Quoziente Respiratorio

Per le proteine: QR = 0.8

Rapporto di scambio respiratorio

80 CO2 (emesse dai polmoni)

100 O2 (assunte dai capillari polmonari)

= 0.8=

Il Rapporto di Scambio Respiratorio

QR = RSRAllo stato stazionario: eventi respiratori mitocondriali

(ossidazione aerobica)

=RSR 0.7 (metabolismo dei lipidi) -1 (metabolismo dei carboidrati)

Quando i lipidi rappresentano il principale combustibile dell’organismo (condizioni basali) l’RSR = 0.8

Schema riassuntivo del bilancio energetico in condizioni di stato stazionario

Carboidrati

Grassi

ProteineCalore

Apporto energetico

ATP= Spesa

energetica

ATP

Lavoromeccanico

Reazioni di sintesi

Trasporto di membrana

Generazione e conduzione di segnali

Produzione di calore

Detossificazione, degradazione

Calore

Attività cardiacaScorrimento del sangueContrazione muscolareMovimenti cellulari e degli organelliDepositi dei substratiCostruzione di tessutiCreazione di molecole funzionali essenziali

Sintesi proteica

MineraliAnioni e cationi organiciAmino acidi

ElettriciChimiciMeccanici

Regolazione della temperatura

Reazioni chimiche inefficaci

Formazione dell’ureaConiugazioneOssidazioneRiduzione

Attrito

Calore

Circa il 30% dell’energia ottenuta dagli alimenti viene trasferita ed utilizzata dai sistemi funzionali.

Quando non si compie lavoro muscolare, quasi tutta l’energia spesa dall’organismo e liberata dai processi metabolici, viene convertita in calore

corporeo

Il calorimetro ad acqua di Atwater e Benedict

Il metabolismo energetico di un soggetto può essere misurato mediante la calorimetria diretta.

Q = m · c · ΔTc

Kg · K = 1kcal=

Il metabolimetro di Benedict-Roth

Il metabolismo energetico di un soggetto può essere misurato mediante la calorimetria indiretta.

Stime della spesa energetica nell’adultoAttività Spesa calorica

(Kcal/min) Kcal/giornoBasale 1.1 1584

Star seduti 1.8 2592

Marcia, 2.5 miglia/ora (~4 Km/ora) 4.3

Marcia, 4.0 miglia/ora (~6.5 Km/ora) 8.2

Salire le scale 9.0

Nuoto 10.9

Ciclismo, 13 miglia/ora (~20 Km/ora) 11.1

Lavoro domestico da 2.0 a 4.5

Lavoro nell’industria da 2 a 6

Lavoro in campagna da 4 a 6

Lavori edili da 4 a 9Dati da Kottke, F.J., “Animal energy exchange”. In Altman, P.L., (a cura di), Metabolism, Federation of American Society for Experimental Biology, Bethesda, Md. 1968.

(Kcal =“C”aloria)

Registrazione EMG di un muscolo dell’avambraccio

L’Assunzione di Cibo Aumenta la Produzione di Energia

Assunzione di un pasto

Azione dinamica specifica degli alimenti

Processi metabolici(sintesi proteica, etc.)

Processi attivi della digestione

Calore

Effetto dei carboidrati e dei grassi sul metabolismo

Pasto ricco di carboidrati e grassi

Metabolismo energetico (4%)

Azione Dinamica Specifica delle ProteinePasto ricco di proteine

Aminoacidi

Processi chimici cellulari

+

Metabolismo energetico(~30% / 3-12 ore)

Liberazione di calore

La misurazione del metabolismo basale consente la valutazione comparativa del metabolismo energetico tra un individuo

ed un altro.

Per metabolismo basale s’intende l’entità della spesa energetica di un soggetto in completo riposo, ma in stato di veglia.

Condizioni necessarie per misurare correttamente il metabolismo basale di un soggetto:

A digiuno da almeno 12 ore.

Dopo una notte di sonno riposante.

Nessuna attività fisica per almeno 1 ora.

Eliminazione di fattori psicologici e fisici eccitanti.

Temperatura ambientale compresa tra 20 e 27°C.

Il metabolismo basale si esprime in termini di variazione percentuale in più o in meno rispetto

al valore normale

Valori medi normali di riferimento per età e per

sesso

Diagramma di Du Bois per determinare la superficie corporea essendo noti il peso e

l’altezza

Indice di massa corporea (Body Mass Index)

20 - 24.9 Normopeso

25 - 29.9 Sovrappeso

30 - 39.9 Obeso

> 40 Grave obesità

IMC =Peso (Kg)

Altezza2 (m)

La termoregolazione

Il calore è uno dei principali prodotti del metabolismo corporeo

Attività metabolica basale di tutte le cellule dell’organismo

Incremento del metabolismo

indotto dall’attività muscolare (brivido)

Calore

Incremento del metabolismo indotto dalla tiroxina, GH e

testosterone

Incremento del metabolismo indotto

dall’attività del sistema nervoso simpatico (E, NE)

Meccanismi di perdita di calore del corpo

Perspiratio InsensibilisEffetto dell’abbigliamento sulla termodispersioneEffetto di raffreddamento del ventoConducibilità termica dell’H2O

ΔT

Dispersione termica a livello cutaneo: la conduzione e convezione

Energia cinetica delle molecole costituenti la cute (calore)

Conduzione

Energia cinetica delle molecole che compongono l’aria

T° dell’aria circostante la cute

T° dell’aria circostante la cute fino ad eguagliare

la T° cutanea

Convezione

Processo autolimitato

Effetto raffreddante del vento

Riflessi termoregolatoriVariazione della temperatura nell’area preottica

Ipotalamo anteriore(neuroni sensibili al caldo)

Variazione della temperatura della zona

centrale (core) del corpoVariazione della

temperatura esterna

Termocettori periferici Termocettori profondi centrali

Centro termoregolazione ipotalamico Integrazione

Risposte a una diminuzione della temperatura

Risposte a un aumento della temperatura

Neuroni simpatici colinergici Neuroni simpatici adrenergici Neuroni motori somatici

Ghiandole sudoripare Vasi sanguigni cutanei

Vasi sanguigni cutanei

Tessuto adiposo bruno

Tessuto adiposo bruno

? negli esseri umani

Muscoli scheletrici

Secrezione di sudore Vasodilatazione attiva

Bradichinina

Vasocostrizione Termogenesi senza brivido

Termogenesi con brivido

Perdita di calore attra-verso il raffreddamento

per evaporazione

Perdita di calore

verso l’ambiente

Calore trattenuto

Produzione metabolica di calore

Attivazione ipotalamica del brividoAttivazione del centro del caldo

(area preottica - Ipotalamo anteriore)Stimolazione dei termocettori per il freddo cutanei e spinali

Centro motorio primario del brivido

- +

+Motoneuroni anteriori

Oscillazione a feedback del meccanismo del riflesso da stiramento dei fusi neuromuscolari

Brivido

Produzione di zacore(5x)

Tono della muscolatura scheletrica

Risposta omeostatica agli estremi ambientaliTemperatura ambientale elevata Temperatura ambientale bassa

Massimizzare la perdita di calore Minimizzare la perdita di calore

• vasodilatazione dei vasi cutanei

• Sudorazione aumentata

• Risposte comportamentali

• Uso di ventilatori per aumentare la perdita di calore per conduzione

• Allontanarsi dal sole per evitare di ricevere calore per radiazioni

• vasocostrizione dei vasi sanguigni

• Assenza di sudorazione

• Risposte comportamentali

• Aumento dell’abbigliamento protettivo

• Raggomitolarsi per diminuire la superficie esposta

• Stare vicino a una fonte di calore per aumentare il guadagno di energia per irradiazione Minimizzare la produzione di calore Massimizzare la produzione di calore

• Diminuire l’apporto di cibo per diminuire la produzione di calore

• Risposte comportamentali

• Diminuzione dell’attività fisica

• Termogenesi con brivido

• Termogenesi senza brivido (non dimostrata negli esseri umani)

• Risposte comportamentali

• Aumento dell’attività volontaria (battere i piedi, ecc.)

• Termogenesi chimica simpatica (E/NE)

• Disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa dei mitocondri del tessuto adiposo bruno

• Secrezione di T3/T4

• Stimolazione dell’Ipotalamo anteriore / area preottica (raffreddameto)

• Rilascio di TRH Ipotalamico

• Rilascio di TSH Adenoipofisario

• Secrezione di T3/T4 tiroideo

• Aumento del metabolismo basale

Effetto della temperatura ipotalamica su dispersione di calore per evaporazione dalla produzione di calore del corpo causata soprattutto dall’attività muscolare e dai brividi

Ritmi circadiani, ciclo mestruale, vampate di calore post-menopausali

Effetto dei cambiamenti nella temperatura interna della testa sul tasso di dispersione per evaporazione di calore dal corpo

Cambiamenti della tempe-ratura critica nel centro ipotalamico del controllo della temperatura

Regolazione della temperatura corporea dei recettori periferici

Perdita di calore o termodispersione

Effetto dei cambiamenti nella temperatura interna della testa sul tasso di produzione di calore del corpo

Controllo comportamentale della temperatura

Regolazione della temperatura corporea dei recettori periferici

Produzione di calore

1. Pirogeni• Proteine e prodotti di degradazione• Degenerazione o danno tissutale• Tossine lipopolisaccaridiche batteriche

La Febbre

2. Fagocitosi• Leucociti, macrofagi tissutali, linfociti ect.

3. Rilascio di interleuchina-1 (pirogeno endogeno)

4. Sintesi di prostaglandine da Ac. Arachidonice• Aspirina ed antipiretici

5. Aumento della temperatura di riferimento nell’ipotalamo

6. Termoproduzione e termoconservazione

7. La temperatura corporea eguaglia la temperatura di riferimento ipotalamica

Effetto del cambiamento del “set-point” del regolatore di temperatura ipotalamico

Tumori encefaliciCapacità termoregolatrice dell’ipotalamo a T > 40.5°C e a T < 34-29°C