METABOLISMO ENERGETICO

1. METABOLISMO ENERGETICO M-PSI/02 2010-2011 marcella renis

2. I processi mediante i quali le molecole biologiche vengono scisse e risintetizzate formano una rete di reazioni enzimatiche, complessa e finemente regolata, detta metabolismo dell’organismo. Questa rete consente di produrre ed utilizzare energia libera.

3. Il metabolismo • Metabolismo: insieme di trasformazioni di materia e di energia che avvengono in un organismo • Le attività metaboliche di una cellula comprendono: • reazioni che portano alla sintesi di molecole complesse (anabolismo). Sono reazioni endoergoniche, richiedono energia • reazioni per la degradazione di molecole complesse in composti semplici (catabolismo). Sono reazioni esoergoniche,liberano energia Anabolismo e catabolismo sono accoppiati (il trasportatore di energia è l’ATP)

4. ATP adenosina trifosfato ATP + H2O ADP + Pi ATP + H2O AMP + PPi G°’ = - 30.5 kJ . mole-1 G°’ = - 32.2 kJ . mole-1

5. Le risonanze in competizione tra loro e le repulsioni carica-carica tra i gruppi fosfato rendono meno stabile l’ATP rispetto ai suoi prodotti di idrolisi

7. Le vie del metabolismo degradativo di carboidrati, proteine e lipidi convergono verso la formazione di un numero limitato di intermedi comuni che vengono poi utilizzati in una via ossidativa centrale. Nelle vie del metabolismo biosintetico un numero limitato di metaboliti viene utilizzato per la produzione di una grande varietà di prodotti.

8. Nella cellula le vie metaboliche hanno localizzazioni specifiche Vantaggio : compartimentalizzazione di vie metaboliche opposte e di attività enzimatiche “antagoniste” Svantaggio : necessità di trasportatori attraverso le membrane che delimitano i compartimenti cellulari.

9. Tutte le trasformazioni energetiche che avvengono in natura seguono le leggi della termodinamica e gli esseri viventi non sfuggono a questi principi. Le cellule sono trasduttori (trasformatori) di energia efficacissimi e sono sistemi termodinamici che operano a temperatura costante.

10. Gli organismi viventi possono essere suddivisi in base alle loro richieste nutrizionali, cioè in base alla fonte di energia libera che utilizzano, Autotrofi : chemiolitotrofi fotoautotrofi Ossidazione di composti inorganici NH3, H2S H2O, CO2 Eterotrofi : aerobi e anaerobi facoltativi/obbligati Ossidazione di composti organici (carboidrati,proteine,lipidi)

11. ATP + NDP ADP + NTP Nucleoside difosfato chinasi L’ATP non è l’unico intermedio che conserva energia NTP DG idrolisi

12. Gruppo acetile L’Acetil-CoA si comporta da trasportatore di gruppi acetili e acili, ma anche da composto “ad alta energia” per il suo legame tioestere parzialmente instabile (G°’ = - 31.5 kJ . mole-1) b-mercapto etanolammina Adenosina 3’ fosfato acido pantotenico

13. Acido pantotenico (Vitamina B5) L'acido pantotenico sembra essere ubiquitario. Si trova, in particolare, nel fegato, del tuorlo dell'uovo, nei cereali e nei legumi. Data la grande diffusione dell'acido pantotenico in natura, non è possibile avere un quadro chiaro degli effetti della carenza di acido pantotenico in quanto si accompagnano a stati di denutrizione e di ipovitaminosi. La carenza nella dieta provocava la pellagra dei polli.

14. La conservazione dell’energia durante l’ossidazione di substrati può avvenire anche mediante trasporto di elettroni scambiati in reazioni di ossido-riduzione. Ad es.nella fosforilazione ossidativa il trasporto di elettroni e la formazione di un gradiente di protoni transmembrana promuove la formazione di ATP. I più comuni trasportatori di elettroni sono i coenzimi nucleotidici nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+) e la flavina adenina dinucleotide (FAD).

15. Le trasformazioni energetiche • Tutti i processi vitali di un organismo sono legati all’energia • La bioenergetica è la scienza che studia tali trasformazioni • L'energia è necessaria per: • il lavoro muscolare • l’omeostasi • il ricambio cellulare • l'accrescimento

16. L’ENERGIA E LE FUNZIONI VITALI Il nostro corpo funziona a tutti gli effetti come una macchina termica. Essa richiede ENERGIA per il suo funzionamento..

17. Dispendio energetico umano: circa 70 % per il funzionamento degli organi e dei processi vitali (BMR) circa 20 % per attività fisica circa 10% per termogenesi e digestione del cibo

18. Il metabolismo Le reazioni per l’ottenimento di energia a partire dagli alimenti costituiscono il metabolismo energetico Le macromolecole base sono demolite secondo le seguenti reazioni: glucidi + O2→ CO2 + H2O+ energia protidi+ O2→ CO2 + H2O+ composti azotati+ energia lipidi + O2→ CO2 + H2O+ energia

19. L’energia degli alimenti • L'energia liberata con l’ossidazione degli alimenti si misura con la bomba calorimetrica (o di Berthelt) • I valori calorici sperimentali sono: • 1 g di glucidi = 4,1 kcal • 1 g di protidi = 5,6 kcal • 1 g di lipidi = 9,3 kcal • Nell'organismo i valori calorici reali sono: • 1 g di glucidi = 4 kcal • 1 g di protidi = 4 kcal • 1 g di lipidi = 9 kcal • Questa differenza è dovuta ai coefficientidi digeribilità (diversi per ogni PN)

20. Il dispendio energetico • Il dispendio energetico è dato: • dal metabolismo basale • dalla termogenesi indotta dalla dieta • dall’attività fisica svolta

21. Il dispendio energetico • Può essere calcolato con: • metodi diretti (calorimetria diretta): • misura il calore sprigionato da un soggetto • si utilizza il calorimetro di Atwater-Benedict • metodi indiretti (calorimetria indiretta): • misura la quantità di O2 utilizzata nelle reazioni di ossidazione degli alimenti (l’O2 consumato è proporzionale all’energia liberata) • 1 litro di O2 →4,82 kcal • si utilizzano gli spirometri

22. Il metabolismo basale (MB) • Il MB (o metabolismo di riposo) corrisponde al dispendio energetico minimo, necessario per lo svolgimento dei processi vitali dell’organismo (respirazione, attività dell’apparato cardiocircolatorio, escrezione, ecc.), in condizioni di assoluto riposo • Varia con l’età, il sesso, la taglia e la composizione corporea, lo stress, ecc.

23. Sistemi per la determinazione del MB • Il MB può essere determinato mediante metodi calorimetrici o più frequentemente con l’ausilio di formule quali: • MB maschi = 1 kcal × kg peso corporeo × 24 ore • MB femmine = 0,95 kcal × kg peso corporeo × 24 ore • Molto diffuse e applicate sono le formule e tabelle proposte dalla FAO e dalla WHO

24. Il costo energetico dell’attività fisica • Il dispendio per le attività fisiche lavorative ed extralavorative rappresenta la spesa energetica più variabile tra individui di stessa età, sesso e massa corporea • Si distinguono: • attività leggere (→ aumento del MB ≈ 20%) • attività moderate (→ aumento del MB ≈ 40%) • attività pesanti (→ aumento del MB ≈ 60%) • N.B. molte attività “faticose” non sono dispendiose dal punto di vista energetico

27. La TID • La TID (Termogenesi Indotta dalla Dieta) è l’aumento del dispendio energetico che si registra in seguito all’ingestione di alimenti • Si distingue: • la termogenesi obbligatoria, dovuta all’utilizzazione dei singoli nutrienti (processi fisiologici e metabolici). Lo stimolo maggiore è dato dalle proteine (10-35% dell'energia ingerita), mentre valori inferiori sono attribuibili a carboidrati (5-10%) e lipidi (2-5%) • la termogenesi facoltativa, legata alla quantità di alimenti assunti • Le sostanze ad azione nervina (caffè, tè, tabacco, ecc.) possono aumentare la TID, in base all'entità dei consumi, anche in maniera rilevante

28. Il fabbisogno energetico • Il FET (fabbisogno energetico totale) è l'apporto di energia di origine alimentare necessario a compensare il dispendio energetico di un individuo nelle 24 ore: • FET = MB + TID + Attività fisica • formula della FAO – WHO: • FET = MB × LAF • dove LAF = livelli di attività • fisica

29. LA BILANCIA ENERGETICA:aspetti biochimico-metabolici

30. Il bilancio energetico • Relazione tra la quantità di energia introdotta con gli alimenti (entrate) e la quantità di energia utilizzata dall’organismo per compiere tutte le attività vitali, lavorative ed extralavorative nelle 24 ore (uscite) • entrate > uscite → bilancio positivo (l’individuo ingrassa) • entrate < uscite → bilancio negativo (l’individuo dimagrisce) • entrate = uscite → bilancio azzerato (l’individuo mantiene il proprio peso)

31. Bilancia energetica – fame e sazietà Peso costante Dieta ad alta densità energetica Inattività fisica Ricerca del cibo adeguata Bilancia energetica fame sazietà X Eccesso calorico Dieta a basso contenuto calorico Attività fisica Inadeguato stimolo di sazietà Stimolo adeguato Deficit energetico Ricerca eccessiva di cibo Aumento di peso

32. Cosa influenza l’assunzione di cibo e la spesa energetica • 1 – l’assunzione di cibo è regolata a livello ipotalamico in modo da rispondere a segnali di fame e di sazietà con una rete di diversi mediatori chimici e nervosi • 2 - la spesa energetica si divide in varie voci: • - metabolismo basale • - attività fisica • - termogenesi (finalizzata al mantenimento della temperatura corporea) • - attività dinamico specifica degli alimenti • - termogenesi non collegata all’esercizio fisico • 3 – la spesa energetica può subire variazioni dovute a: • - cambiamenti di rendimento della catena respiratoria • - cambiamenti di rendimento del lavoro fisico

33. Bilancia energetica in animali in libertà • E’ stato osservato che nella maggior parte delle specie di mammiferi (come pure nell’uomo, se vive allo stato selvaggio), si tende ad avere una relazione diretta fra la quantità di cibo consumato (e quindi calorie introdotte) e la quantità di lavoro necessaria a procurarselo (e quindi calorie consumate) • Nell’uomo civilizzato questo semplice rapporto è stato perso, mentre era ancora vero all’epoca dell’uomo cacciatore e dell’uomo agricoltore. • In alcune civiltà rurali tuttora esistenti questo rapporto è ancora osservabile e una conseguenza è quella di variazioni notevoli di peso stagionali

34. Aumento dell’obesità nel secolo scorso Da: A. Prentice and S. Jebb – Nutrition Reviews vol 2 n°7 S98-S104

36. Insulino resistenza (muscolo-fegato)

37. OSSERVAZIONI AUMENTO DELLE CITOCHINE PUO’ ESSERE CONSIDERATO UN INDICATORE PROGNOSTICO DEL RISCHIO DI OBESITA’ ORGANO ADIPOSO COINVOLTO IN PROCESSI FISIOLOGICI E PATOLOGICI CON RUOLO SU IMMUNITA’, INFIAMMAZIONE, INVECCHIAMENTO, TUMORE

39. Controllo dell’assunzione di cibo • Il controllo dell’assunzione del cibo consiste in una complessa rete di segnali che raccolgono informazioni dalla periferia (tessuto adiposo, intestino, stomaco), vengono elaborati a livello ipotalamico e quindi integrati a livello corticale per tradursi in comportamenti di ricerca di cibo oppure di non assunzione di cibo.

40. Schema del controllo dell’assunzione di cibo Segnali periferici Ipotalamo Corteccia cerebrale Comportamento di ricerca di cibo o astensione dal cibo

41. Controllo dell’assunzione di cibo Da:J. Clin. Invest. 2000 106: 271-279.

42. Segnali periferici che afferiscono al SNC e regolano l’assunzione di cibo Modificato da www.motorie.univr.it/documenti/OccorrenzaIns/matdid/matdid282456.ppt

49. Fattori umorali coinvolti nel controllo dell’alimentazione • Ormoni • Neuropeptidi • Citochine • Nutrienti ematici • Neurotrasmettitori

50. Nutrienti Glucosio Acidi grassi Aminoacidi Lattato Corpi chetonici Neurotrasmettitori Dopamina Noradrenalina Serotonina GABA NO Nutrienti e neurotrasmettitori che intervengono nella regolazione dell’alimentazione