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
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