Il Metabolismo Energetico

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
E immagazzinata nella sintesi di ATP
εR =
∆G liberata dall'ossidazione del glicogene
0.65=
ΔG*ATP • nR ATP
ΔG*Gl • m Gl
50 • 37
=
2840 • 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
Rendimento termodinamico della produzione di w dalla
scissione di ATP
Lavoro meccanico
w
εS =
=
∆G liberata dalla scissione ATP
∆G*ATP • nSATP
•  Allo stato stazionario nSATP = nRATP; l’energia
immagazzinata nella resintesi e nella scissione di ATP sono
uguali
w
w
εS =
=
ε R • E liberata dall'ossidazione del glicogene ε R • ∆G*Gl • m Gl
1. Energia Interna e Rendimento
totale
Rendimento totale
w
ε R • εS =
∆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)
Energia Alimentare
(100 %)
Dissipazione dell’energia
alimentare
Variazioni di entropia
Calore (5 %)
Energia libera
potenzialmente
disponibile
(95 %)
Inefficienza biochimica
Calore (50 %)
Pool di energia
libera
(45 %)
Omeostasi
L. interno
Calore (45 % - 20 %)
Contrazione
muscolare
Lavoro esterno (0 % - 25 %)
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
180g
134.4 l
=
6CO2 + 6H2O + 686 kcal
134.4 l
108 ml
2. Apporto di Energia
Contenuto energetico
Energia (Kcal per g)
Equivalente calorico
Volume
Valore
fisiologico
Ossigeno (litri
per g)
CO2 (litri per
g)
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
4.83
5.89
0.82
Media
Standard
CO2 (Kcal per
l)
Ossidazione
in vivo
4.1
Ossigeno
(Kcal per l)
Bomba
calorimetrica
Carboidrati
Alimenti
QR
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
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
Calorimetro
Δh = M acq 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 (m 2 ) = 0.202 • PC0.425 • St 0.725
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