Sezione 1

SEZIONE 1
I nutrienti
1. NUTRIENTI ENERGETICI
2. NUTRIENTI INORGANICI
3. VITAMINE
1. NUTRIENTI ENERGETICI
1.1 GENERALITÀ
I NUTRIENTI
1. Nutrienti energetici
Da un punto di vista termodinamico, possiamo considerarci un sistema aperto, cioè un sistema
che scambia energia con l’ambiente. Questo significa che una certa quantità di energia viene
assunta dall’ambiente ed una certa quantità viene ceduta. In quanto organismi eterotrofi, l’unico
modo per assumere energia dall’ambiente è l’alimentazione. Con gli alimenti introduciamo energia chimica che, tramite i processi catabolici, utilizziamo come calore e lavoro. Se la quantità di
energia introdotta è superiore a quella necessaria, l’organismo è in grado di accumularla, sempre
come energia chimica, soprattutto trigliceridi nel tessuto adiposo, ma anche glicogeno nei tessuti
epatico e muscolare. Al contrario, se è inferiore, l’organismo utilizza l’energia chimica presente
nei depositi.
Carboidrati, lipidi, proteine, alcol, sono i composti chimici presenti negli alimenti in grado di
fornire energia all’organismo. In questa sezione verranno trattati quelli di maggiore rilevanza dal
punto di vista nutrizionale e ne verranno discussi gli aspetti essenziali relativamente alla
Nutrizione umana.
È necessario subito precisare che questi composti, oltre ad avere una funzione energetica,
hanno spesso anche una funzione strutturale. In particolare, le proteine sono indispensabili come
principale fonte di azoto e di aminoacidi. Gli aminoacidi sono utilizzati principalmente per la sintesi proteica; solo se l’assunzione proteica supera le possibilità di sintesi proteica o se l’assunzione dei carboidrati è carente, gli aminoacidi sono utilizzati a scopo energetico in misura significativa. Ma anche lipidi e carboidrati possono essere utilizzati ai fini strutturali; basti pensare al galattosio, componente dei cerebrosidi della guaina mielinica delle fibre nervose, oppure ai fosfolipidi delle membrane biologiche, contenenti acidi grassi polinsaturi.
In Fisica, l’unità di misura dell’Energia è il Joule (J). Il J è uguale a Newton per metro (forza
per spostamento). Poiché un Newton è uguale a kg per m/sec2, il J sarà uguale a kg per m2/sec2.
Tuttavia, per convenzione, in Nutrizione si utilizza come unità di misura la Chilocaloria (kcal, o
Grande Caloria o Caloria), corrispondente a 1000 calorie (o piccole calorie). Una caloria (piccola caloria) è la quantità di energia necessaria ad aumentare la temperatura di un ml di acqua distillata da 14,5° a 15,5°C. La caloria (piccola caloria) corrisponde a 4,187 J.
1.2 L’ENERGIA E IL SUO FABBISOGNO
Le cellule non utilizzano direttamente l’energia chimica introdotta con gli alimenti. I nutrienti
energetici contenuti negli alimenti vengono deidrogenati, si formano coenzimi ridotti altamente
3
energetici che sono ossidati nei mitocondri, con l’utilizzazione di O2, la formazione di H2O e la liberazione
di energia che viene in buona parte utilizzata per la sintesi di ATP, mentre il resto viene disperso come energia
termica. Il carbonio dei substrati (ossidato soprattutto
nel ciclo di Krebs) viene eliminato come CO2. La quantità di energia che si ottiene dal catabolismo completo
dei nutrienti dipende, in sostanza, dal numero dei legami tra carbonio e idrogeno presenti nella molecola.
La conoscenza della quantità di calorie fornite con
gli alimenti deriva dai classici studi effettuati con la
bomba calorimetrica (Figura 1.1).
Si tratta di un calorimetro di acciaio posto in un cilindro con
acqua della quale si registra la temperatura per mezzo di un termometro. Nel calorimetro viene posta una quantità nota del
nutriente (o dell’alimento) di cui si vuol conoscere il valore calorico; di questo campione in esame viene provocata la rapida
combustione chiudendo un circuito elettrico dopo aver insufflato
ossigeno ad elevata pressione. Il calore che si libera dalla combustione viene calcolato basandosi sull’incremento della tempeFigura 1.1 Bomba calorimetrica.
ratura dell’acqua.
Con tale metodo, è stato possibile calcolare il valore calorico fisico dei carboidrati (in media,
4,2 kcal/g), dei lipidi (in media, 9,2 kcal/g), delle proteine (in media, 5,6 kcal/g), dell’alcol (7 kcal/g).
Anche se nell’organismo l’ossidazione dei principi nutritivi non avviene per ossidazione diretta (come nella bomba calorimetrica), ma per successive deidrogenazioni, la quantità di energia che si
ricava dai glucidi, dai lipidi e dall’alcol (valore calorico fisiologico) è uguale. Infatti, per il I Principio
della Termodinamica, se in due reazioni chimiche i reagenti e i prodotti di reazione sono uguali, l’energia che si libera dalle due reazioni è uguale. Ad esempio, se consideriamo il glucosio, la reazione:
I NUTRIENTI
1. Nutrienti energetici
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia
è uguale sia nella bomba calorimetrica sia in vivo; pertanto, la quantità di energia liberata è uguale in entrambi i casi.
Invece, per le proteine, il valore calorico fisiologico è inferiore al valore calorico fisico. Infatti,
nella bomba calorimetrica, la combustione produce H2O, CO2 ed ossidi di azoto. In vivo, il gruppo aminico degli aminoacidi non viene ossidato, ma è eliminato come urea. Pertanto, il valore
calorico fisiologico delle proteine sarà uguale al valore calorico fisico (5,6 kcal/g) meno il valore
calorico della quantità di urea che si forma dall’utilizzazione catabolica di un grammo di aminoacidi (circa 1,2 kcal), cioè circa 4,4 kcal/g.
Infine, per ottenere il valore calorico netto, il valore calorico fisiologico va corretto per la
percentuale di assorbimento dei principi nutritivi: circa il 97-98% per carboidrati e lipidi, circa il
90% per i protidi, il 100% per l’alcol, per cui si può assumere che, in media, per grammo di
nutriente assunto, carboidrati e proteine forniscono circa 4 kcal, i lipidi 9, l’alcol 7.
Bisogna chiarire che durante la trasformazione dell’energia chimica dei nutrienti in energia
chimica contenuta nelle molecole di ATP, circa il 60% dell’energia contenuta nelle molecole originarie viene dispersa come calore; cioè la resa in ATP (energia chimica utilizzabile per il lavoro
cellulare) è circa il 40% (Figura 1.2). Questo vale per tutti i nutrienti.
4 Energia totale
Entropia
Calore (5%)
Energia libera
Calore (55%)
Energia chimica produttiva ai
fini del lavoro cellulare (ATP)
40%
Si prenda, ad esempio, in considerazione il rendimento
in ATP del glucosio. Il valore calorico fisico del glucosio è
3,81 kcal/g. Una mole di glucosio (180 g) fornisce quindi
686 kcal (3,81 × 180). In aerobiosi, dalla completa ossidazione di una mole di glucosio si ottengono 38 moli di ATP.
Poiché dalla utilizzazione di una mole di ATP si liberano
7,3 kcal, il rendimento percentuale del glucosio sarà:
7,3 × 38 × 100/686 = 40,44%
I NUTRIENTI
1. Nutrienti energetici
Un risultato analogo si ottiene se si considerano gli altri
nutrienti.
Lavoro
Lavoro
Lavoro
Di questo 40%, una parte viene utilizzata per il lavoro
chimico
“interno”
“esterno”
chimico, ottenendo calore (es.: la sintesi degli enzimi com(max 25%)
porta un dispendio energetico che ritorna come calore
Calore
Calore
quando l’enzima viene degradato), una parte per il lavoro
interno, ottenendo calore (es.: il cuore imprime al sangue
Figura 1.2 Resa in ATP dei nutrienti.
una forza tale da fargli esercitare sulla pareti arteriose una
pressione di 140 mmHg, mentre la pressione del sangue che arriva agli atri è di pochi mmHg;
l’energia fornita dal lavoro del cuore, a causa delle resistenze che il sangue incontra nel suo percorso, viene dissipata come calore), e solo il 25% per il lavoro esterno.
Il dispendio energetico dell’organismo (e quindi
il suo fabbisogno) presenta tre componenti.
T
T
La prima componente è rappresentata dalla
Acqua che assorbe il calore
quantità di calorie necessaria per il metabolismo
Camera per l’animale
basale, cioè la spesa energetica legata alle funzioni
Spirometro
della vita vegetativa. Questo valore è correlato alla
costituzione fisica, all’età ed al sesso. Può essere valutato con i “calorimetri”, apparecchi che misurano,
Pompa
in un determinato tempo, il calore disperso dal sogH2SO4
getto (calorimetria diretta) oppure la quantità di osI
sigeno consumato (calorimetria indiretta).
Il prototipo dei calorimetri diretti è rappresentato dal calorimetro adiabatico di Atwater e Benedict
H2SO4
O2
(Figura 1.3).
Calce
sodata
Il soggetto (o l’animale) viene posto in un ambiente
II
III
termicamente isolato, che presenta dei condotti attraverso i
Figura 1.3 Calorimetro di Atwater e Benedict. In
quali scorre acqua, la cui temperatura viene misurata in inquesto schema, il calorimetro diretto è rappresentato nella parte superiore. Lo spirometro e la parte
gresso e in uscita. Considerando che l’acqua assorbe il calore
inferiore rappresentano un calorimetro indiretto.
emanato dal soggetto (il calore specifico dell’acqua è pari a 1
kcal/g · °C), viene valutata la variazione di temperatura dell’acqua, tenendo anche presente la quantità di acqua
e la velocità con cui essa scorre nei condotti.
I metodi calorimetrici diretti sono poco usati, in quanto molto costosi e poco pratici, dato che
impongono la permanenza per diverso tempo nel calorimetro del soggetto da esaminare.
La calorimetria indiretta si avvale del principio secondo il quale, poiché l’ossigeno è l’accettore
finale di elettroni nella catena respiratoria, il consumo di O2 è direttamente proporzionale alla quantità di energia consumata. La valutazione del consumo di O2 va eseguita in condizioni standard: in
5
1. Nutrienti energetici
I NUTRIENTI
un ambiente a temperatura di 22-24°C e senza patologie febbrili (per evitare variazioni del dispendio energetico legate ai processi di termoregolazione); il soggetto in esame deve essere comodo e a proprio agio (per evitare qualunque incremento del dispendio energetico legato a contrazioni
muscolari), a riposo da almeno 30 (per evitare l’aumento del dispendio
energetico che si verifica nel periodo del “ristoro” muscolare), a digiuno
da 12-14 ore (per evitare la termogenesi postprandiale: vedi avanti).
Il classico apparecchio di Benedict e Roth (Figura 1.4), ovviamente ormai
Termometro
superato, era costituito da una “camera spirometrica” conCamera
tenente aria a composizione nota; l’aria inspirata provespirometrica
Campana
niva dalla camera e l’aria espirata vi terminava, dopo un
spirometrica
passaggio in un contenitore di calce sodata che fissava la
Valvola
CO2. Questo era possibile in quanto il soggetto respirava
Chimografo
espiratoria
tramite un boccaglio provvisto di valvole.
L’abbassarsi (durante l’inspirazione) e
Penna
Acqua
Calce
scrivente
l’innalzarsi (durante l’espirazione) della
sodata
campana era registrato da un chimografo
provvisto di penna scrivente; si osservava
un progressivo abbassamento della camTubo inspiratorio
pana, legato al consumo di O2 da parte
Valvola inspiratoria
del soggetto (Figura 1.5).
Tubo espiratorio
Oggi esistono diverse apparecchiature
che permettono la valutazione delle concentrazioni di O2 e di CO2 nell’aria inspirata e nell’aria espirata. Alcune sono
molto leggere, pratiche e facilmente utilizFigura 1.4 Schema dell’apparecchio di Benedict e Roth.
zabili (sacco Douglas, Oxylog, K2, K4).
Altre sono più sofisticate (cappa
ventilata o ventilated hood, camere calorimetriche) ed utilizzabili
esclusivamente in laboratorio.
La conversione dei litri
di O2 consumati in calorie si
effettua tenendo conto del
cosiddetto “valore calorico
dell’ossigeno”, pari a circa
4,8 kcal/litro. In realtà questo
valore è un poco diverso a
seconda del substrato prevalentemente utilizzato in quel
1
6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
1
Figura 1.5 Registrazione del consumo di O2 con il metabolimetro di Benedict e Roth. momento dal soggetto esaminato; infatti, è pari a circa
5,1 kcal/litro se il soggetto sta utilizzando prevalentemente carboidrati, a 4,65-4,67 se sta utilizzando proteine o grassi. Tuttavia, poiché considerando 4,8 kcal/litro l’errore non è eccessivo e, soprattutto, poiché un soggetto non consuma mai esclusivamente carboidrati o grassi o proteine, ma
sempre una miscela di questi elementi, questo valore può considerarsi accettabile.
6 Area Superficie Corporea (cm2) = 71,84 × Altezza (cm)0,725 × Peso (kg)0,425
Sulla base di questa formula, è stato costruito un nomogramma che semplifica la determinazione dell’area della superficie corporea, conoscendo l’altezza e il peso corporeo (Figura 1.6).
1. Nutrienti energetici
I NUTRIENTI
Ad esempio, per ossidare una mole di glucosio occorrono 6 moli di O2, pari a 134,4 litri (una mole di un
gas occupa un volume di 22,4 litri). Poiché si ottengono 686 kcal, il valore calorico dell’O2 in caso di ossidazione del glucosio è 5,1 kcal/litro (686/134,4). Per ossidare una mole di acido palmitico occorrono 23 moli di
O2, pari a 515,2 litri. Poiché si ottengono 2410 kcal, il valore calorico dell’O2 in caso di ossidazione di un grasso è 4,67 kcal/litro (2410/515,2).
In realtà, si può essere più precisi nell’assegnare il valore calorico dell’O2 conoscendo il substrato energetico prevalentemente utilizzato da quel soggetto in quelle condizioni. Ciò è possibile conoscendo il cosiddetto “quoziente respiratorio” (QR), cioè il rapporto tra il volume di
CO2 espirato e quello di O2 consumato. Infatti, se un soggetto consuma prevalentemente carboidrati, il suo QR sarà vicino alSTATURA
SUP. CORPOREA
PESO
l’unità; se consuma lipidi, sarà più in m
in m2
in kg
160
2,9
basso, tendente a 0,7. Pertanto, se
200
2,8
un soggetto ha, ad esempio, un
2,7
140
2,6
QR di 1, il valore calorico dell’O2
190
2,5
sarà 5,1; se ha un QR più basso, il
120
2,4
180
2,3
valore calorico dell’O2 sarà tanto
110
2,2
105
più vicino a 4,67 quanto più vici100
2,1
170
95
no a 0,7 sarà il suo QR.
2,0
165
90
Per ossidare una mole di glucosio
1,9
85
160
80
occorrono 6 moli di O2 e si ottengono 6
1,8
155
75
moli di CO2. Dato che una mole di
1,7
70
150
qualsiasi gas occupa sempre 22,4 litri,
1,6
65
145
rapportare litri o moli è la stessa cosa.
1,5
60
140
Pertanto il rapporto tra litri di CO2 e
1,4
55
135
litri di O2 (QR) sarà 1. Per ossidare
50
1,3
una mole di acido palmitico occorrono
130
45
1,2
23 moli di O2. Poiché si ottengono 16
125
moli di CO2, il QR sarà 0,7.
40
1,1
120
Determinato il consumo ener35
115
getico di un soggetto in un’ora
1,0
(kcal/h), è necessario rapportarlo
110
30
0,9
alle sue dimensioni corporee. In105
fatti, è ovvio che un individuo alto
25
0,8
e robusto avrà un dispendio ener100
getico basale maggiore di un sog0,7
getto basso ed esile. La dimensio95
20
ne corporea utilizzata come unità
90
di misura è l’area della superficie
0,6
corporea, la cui valutazione si
15
0,58
85
effettua con la formula di DuBois
Figura 1.6 Nomogramma per la determinazione dell’area della superficie
& DuBois, che tiene conto dell’alcorporea.
tezza e del peso corporeo:
7
A questo punto, si divide il valore del metabolismo basale per i metri quadri di superficie corporea del soggetto e si ottiene il metabolismo basale espresso in kcal/m2/h. Normalmente questo valore (che, a questo punto, è indipendente dalle dimensioni corporee) varia con l’età e
con il sesso: è maggiore nell’uomo rispetto alla donna e nel giovane rispetto all’anziano.
Queste differenze sono legate alle differenze nella percentuale di massa grassa, considerando
che i tessuti che fanno parte della massa magra di un soggetto sono metabolicamente più attivi del tessuto adiposo; nella donna giovane la percentuale di tessuto adiposo è circa il 22%,
mentre nel maschio di pari età è circa il 15%; nell’anziano la percentuale di massa magra diminuisce e, di conseguenza, aumenta la percentuale di massa grassa, con riduzione del metabolismo basale.
Alcuni fattori ormonali possono influire sui valori del metabolismo basale. In particolare, gli
ormoni tiroidei hanno un effetto calorigeno, per cui nell’ipertiroidismo il metabolismo basale può
anche raddoppiare, mentre nell’ipotiroidismo si riduce notevolmente.
Nel caso in cui non sia possibile effettuare la misurazione calorimetrica, sono state elaborate
equazioni predittive del metabolismo basale che tengono conto del peso corporeo, dell’altezza,
dell’età e del sesso. La Società Italiana di Nutrizione Umana riporta equazioni predittive derivate
dal rapporto FAO/WHO/UNU (1985) e da Schofield (1985), corretti per l’anziano da studi italiani condotti da Ferro-Luzzi (1987) (Tabella 1.1). È comunque da rilevare che tali equazioni predittive possono presentare un errore standard di circa il 10%.
Tabella 1.1 - Equazioni predittive del metabolismo basale a partire dal peso corporeo (Pc),
espresso in kg, e, per bambini e adolescenti, a partire da peso corporeo e statura (A),
espressa in metri. Il metabolismo basale risulta espresso in kcal/giorno
Maschi
I NUTRIENTI
1. Nutrienti energetici
Età in anni
Femmine
MB
MB
MB
MB
(a partire dal peso) (a partire da peso e statura) (a partire dal peso) (a partire da peso e statura)
<3
59,5 Pc – 31
0,167 Pc + 1517 A – 616
58,3 Pc – 31
16,24 Pc + 1022 A – 413
3-9
22,7 Pc + 504
19,59 Pc + 131 A + 416
20,3 Pc + 485
16,96 Pc + 162 A + 370
10-17
17,7 Pc + 650
16,2 Pc + 136 A + 516
13,4 Pc + 693
8,36 Pc + 466 A + 201
18-29
15,3 Pc + 679
14,7 Pc + 496
30-59
11,6 Pc + 879
8,7 Pc + 829
60-74
11,9 Pc + 700
9,2 Pc + 688
8,4 Pc + 819
9,8 Pc + 624
75
La seconda componente del dispendio energetico è rappresentata dalla quantità di calorie
dispersa dalla termogenesi postprandiale. La termogenesi postprandiale presenta due frazioni. La prima, detta “obbligatoria”, precedentemente chiamata “Azione Dinamico-Specifica
degli Alimenti”, dipende dal tipo di alimentazione; è maggiore se nella dieta prevalgono le proteine (anche fino al 30% del metabolismo basale se il soggetto ha assunto un pasto esclusivamente proteico poche ore prima della determinazione del metabolismo basale). La seconda,
detta “facoltativa”, dipende da fattori individuali, come la responsività ai segnali periferici di
avvenuta assunzione di cibo (leptina) e l’efficienza della termodispersione mediata dal tessuto
8 adiposo bruno; è comunque maggiore se il soggetto ha assunto carboidrati. In media, in una
normale alimentazione, la termogenesi postprandiale è valutabile intorno al 10% del metabolismo basale.
La terza componente è rappresentata dall’energia necessaria per compiere attività fisica.
Ovviamente, questa componente è molto variabile, dipendendo dal tipo di lavoro svolto, dalla sua
durata e dall’intensità con cui viene svolto; data la notevole variabilità, la sua determinazione non
è semplice.
La valutazione del dispendio energetico legato all’attività fisica può essere effettuata con almeno 3 livelli di
semplificazione e, di conseguenza, di approssimazione.
1. La valutazione del costo energetico di ogni singola attività effettuata dal soggetto (ad un ritmo “normale” e
senza le normali pause), espresso come multiplo del metabolismo basale (kcal al minuto). Ad esempio, se il
metabolismo basale di un soggetto è pari a 1,2 kcal/min ed una data attività ha un costo energetico di 3 volte
il metabolismo basale e viene effettuata per 10', il suo costo energetico sarà 1,2 · 3 · 10 = 36 kcal. Il livello di attività fisica (LAF) del soggetto nell’arco della giornata risulterà dalla somma dei costi energetici di
tutte le attività. Ovviamente, una valutazione così effettuata è abbastanza precisa ma assolutamente non
pratica, in quanto necessita della compilazione dettagliata di un diario nel quale il soggetto annota tutte le
sue attività e la loro durata. Per dare un’idea: se, ad esempio, il soggetto frequenta una palestra, si dovrebbero riportare nel diario gli esercizi effettuati, senza le pause.
2. La valutazione del costo energetico di attività complessive effettuate dal soggetto (comprendenti anche le
pause), che riuniscono le singole attività. Anche in questo caso, il costo è espresso come multiplo del metabolismo basale (kcal al minuto) ed il LAF del soggetto nell’arco della giornata risulterà dalla somma dei
costi energetici di tutte le attività. Ovviamente, una valutazione così effettuata è meno precisa ma più pratica della precedente in quanto, anche se necessita sempre della compilazione di un diario, è sufficiente
una descrizione meno dettagliata. Proseguendo sempre con l’esempio sopra riportato, basterebbe riferire di
aver effettuato un’ora di attività fisica in palestra, magari precisando il tipo di attività fisica (pesistica,
aerobica, etc.).
3. La valutazione del cosiddetto Indice Energetico Integrato (IEI), cioè il costo energetico del tipo di lavoro svolto dal soggetto, che comprende un certo insieme di attività. Gli IEI delle diverse occupazioni sono
reperibili in letteratura (Tabelle 1.2 e 1.3). Qui sono comprese le pause non solo tra un’attività e l’al-
Maschi
1,6
Femmine
1,6
Moderata
Maschi
2,25
Femmine
1,9
Casalinghe
Collaboratori domestici
Impiegati
Personale di vendita
Personale amministrativo Lavoratori del terziario
e dirigenziale
Liberi professionisti,
tecnici e simili
Moderata/Pesante
Maschi
3,0
Femmine
2,3
Lavoratori in agricoltura,
allevamento, silvicoltura
e pesca
Manovali
Operatori di produzione e
di attrezzature di trasporto
Pesante
Maschi
3,8
Femmine
2,8
Mansioni come nel
gruppo moderata/
pesante, ma in
condizioni di scarsa
meccanizzazione
I NUTRIENTI
Leggera
1. Nutrienti energetici
Tabella 1.2 - Classificazione delle attività professionali in categorie di IEI
(espressi come multipli del metabolismo basale) per l’adulto medio
Nota: i valori di IEI riportati si riferiscono esclusivamente alla parte della giornata dedicata al lavoro. Essi tengono in considerazione le pause e gli intervalli nel lavoro, ma non sono stati ponderati per considerare né la parte di giornata non dedicata
al lavoro né, tanto meno, le attività di fine settimana, vacanze estive, etc.
Fonti: Livelli di assunzione raccomandati di energia e nutrienti per la popolazione italiana, revisione 1996. Commission of the
European Communities, 1993.
9