Scopri il Metabolismo Energetico: Fisiologia Svelata e Definizione Chiara!

Il metabolismo (dal greco μεταβολή, «mutazione») può essere definito come il complesso di processi biochimici che assicurano le attività vitali dell’organismo e dei singoli tessuti. Sostanzialmente, il termine metabolismo può essere considerato sinonimo di ricambio. Il concetto si applica prevalentemente all’insieme degli scambi energetici, ma anche ai processi che, a prescindere dalle variazioni di energia, garantiscono la vitalità e il buon funzionamento di strutture organiche (per es., metabolismo osseo, glucidico, lipidico, proteico ecc.).

Quando si prendano in esame le trasformazioni di energia e di materia che avvengono nelle cellule dei vari organismi viventi, vanno comprese diverse funzioni, quali i processi di biosintesi con relative reazioni enzimatiche, la modificazione, trasformazione e degradazione di sostanze biologiche, le interazioni fra le diverse sostanze biologiche. Queste funzioni in sostanza mirano a ottenere, accumulare e rendere disponibile l’energia; esse sono regolate da fattori genetici e sono strettamente interconnesse.

Si sente spesso parlare di metabolismo, in merito a salute, peso e alimentazione. Può essere alto o basso, lento o veloce, ma cosa significa esattamente? Il metabolismo è un processo attraverso il quale il nostro corpo converte in energia ciò che mangiamo e beviamo. Energia di cui abbiamo bisogno non solo per muoverci, ma anche per garantire il dispendio energetico necessario a tutte le funzioni metaboliche vitali (metabolismo basale) come la respirazione, la circolazione del sangue o la riparazione delle cellule. Al metabolismo basale dobbiamo aggiungere il metabolismo energetico, determinato dal movimento e dall’attività fisica che compiamo ogni giorno, e dalla termogenesi indotta dagli alimenti.

Il metabolismo può essere “veloce” (alto) e trasformare più velocemente il cibo che mangiamo in energia, o “lento” (basso), impiegando più tempo per riuscire a farlo. Il metabolismo di un soggetto è dato dalla somma del metabolismo basale, dalla termogenesi dieta-indotta (l’energia che si sviluppa nei processi digestivi), e dall’attività fisica. Un equilibrio tra le reazioni anaboliche (di distruzione) e le reazioni cataboliche (di costruzione) dell’organismo ci permette di modulare l’assunzione degli alimenti, al fine di mantenere un adeguato bilancio tra l’assunzione di cibo e la spesa energetica.

Essere in condizioni di sovrappeso ed avere una massa magra poco rappresentata determinano una riduzione del metabolismo, inoltre, se in aggiunta, manteniamo una attività fisica scarsa o assente andremo a peggiorare la condizione. Il 20% circa del metabolismo basale è rappresentato dalla muscolatura scheletrica, di conseguenza un aumento della muscolatura è il metodo fisiologico che abbiamo per aumentare il metabolismo basale.

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Inoltre, possiamo aiutare la massa magra a preservarsi nel tempo o ad aumentare, se serve, non soltanto con adeguato movimento ed attività fisica, ma anche assumendo la giusta quantità di proteine ripartita nei pasti della giornata. Saltare la prima colazione, infatti, porta ad una riduzione della produzione insulinica nelle prime ore della giornata, con conseguente ed inevitabile incremento di peso nel tempo. È estremamente soggettivo. Ci aiuterà ad incrementare le motivazioni e le aspettative e a raggiungerle e mantenerle nel tempo.

Anche il rinnovo delle cellule dell'organismo o il trasporto di molecole richiedono energia (come ATP), specie quando ciò avviene contro gradiente di concentrazione; il calcio viene ad esempio raccolto nel sarcolemma di una cellula in cui si trova in concentrazione dieci mila volte superiore che nel resto della molecola; perché sia possibile tale raccolta, bisogna fornire energia. Nel sarcolemma vi sono degli enzimi che legano l'ATP: le proteine, ridisponendosi, si flettono e si legano con il calcio (Ca2+).

Le principali sostanze nutritive introdotte con la dieta possono essere raggruppate in tre principali classi di composti che presentano uno scheletro carbonioso, dal quale si ottiene ATP: proteine, polisaccaridi e lipidi.

Componenti del Dispendio Energetico

La conoscenza della quantità d’energia ottenuta con l’assorbimento e la digestione degli alimenti, e della spesa energetica relativa a tutti i processi vitali di un organismo, è essenziale per una corretta valutazione dei fabbisogni corporei. Il contenuto energetico dei principali macronutrienti ottenuto con tale metodica è, mediamente, il seguente:

Carboidrati 4,1 kcal/g
Proteine 5,3 kcal/g
Grassi 9,3 kcal/g
Etanolo 7,1 kcal/g

Nell’uomo, valori di questa entità sono ottenuti, in condizioni normali, per i carboidrati e per i grassi; l’ossidazione delle proteine è invece incompleta dal momento che fra i prodotti finali vi sono composti azotati che hanno ancora contenuto energetico (in aggiunta ad acqua e anidride carbonica) e pertanto il valore calorico delle proteine è ridotto a 4,1 kcal/g.

Sebbene anche le proteine possano essere catabolizzate per ottenere energia e per tale motivo sono incluse nel computo delle calorie, la maggior parte dell’energia stessa è ricavata da carboidrati e grassi. Infatti, la funzione delle proteine è in realtà molto diversa, in quanto esse rappresentano la fonte di aminoacidi (suddivisi in essenziali e non essenziali), i quali fungono da precursori nella sintesi proteica endogena e, quindi, delle impalcature cellulari e intercellulari. Si definiscono essenziali quegli aminoacidi che non possono essere sintetizzati all’interno dell’organismo e debbono provenire dall’alimentazione; non essenziali sono gli aminoacidi che possono provenire dal metabolismo endogeno.

Quando l’energia contenuta negli alimenti è tale da consentire il mantenimento di un peso corporeo costante, si può affermare che l’individuo si trova in uno stato d’equilibrio energetico. Il fabbisogno calorico medio, per un soggetto adulto, in condizioni di sanità in ambiente temperato, a riposo, si aggira su 25-30 kcal/kg di peso corporeo.

Il consumo energetico complessivo di un individuo deriva dalla termogenesi globale che, anche in questo caso, è in parte obbligatoria (metabolismo basale), in parte facoltativa (esercizio fisico, effetto termico del cibo, nonché temperatura ambientale). La prima è definita obbligatoria perché non può essere modificata dall’esterno, mentre la seconda è suscettibile alle variazioni d’elementi esterni.

Diverse condizioni, sia fisiologiche sia patologiche, determinano una variazione del dispendio energetico: tra le prime segnaliamo la gravidanza e l’allattamento, tra le seconde la febbre, la malnutrizione, traumi, obesità, malattie endocrine, neoplasie e ustioni (queste ultime possono dar luogo a un aumento anche del 100%).

Metabolismo Basale

Viene definito come la quantità di calore liberata dall’organismo a riposo, in assenza di stress fisico e psichico, dopo 12 ore di digiuno in ambiente termoneutro (18-26 °C). Rappresenta l’energia minima necessaria per mantenere i processi vitali ed è soggetto a varie influenze:

Aumenta con altezza e peso in proporzione alla superficie corporea.
È correlato con la massa corporea magra (più rappresentata nel maschio che nella femmina, cosicché il metabolismo basale è maggiormente elevato nel sesso maschile; tale differenza, abbastanza marcata verso la pubertà, si riduce dopo i 20 anni).
È maggiore nel bambino e declina con gli anni (percentuale differente di tessuto metabolicamente attivo ed energia spesa per processi di accrescimento).
Cresce dopo ingestione di cibo, mentre durante il digiuno protratto può scendere fino al 50%.
È incrementato da ansia e tensione ed è invece ridotto dalla depressione.
È sensibile alla temperatura dell’ambiente (quando la temperatura esterna è inferiore a quella corporea si attivano i meccanismi di produzione di calore, per es. con i brividi, cosicché il metabolismo aumenta; un’accelerazione generale del metabolismo si ha anche quando la temperatura esterna è tale da far innalzare quella interna con un incremento di circa il 13% per ogni aumento di grado centigrado di temperatura corporea).
È influenzato da vari ormoni, quali gli ormoni tiroidei, l’ormone della crescita e le catecolamine.

Attività Fisica

In ordine d’importanza, è il secondo fattore, dopo il metabolismo basale, a condizionare il bilancio energetico; può incidere sulla spesa energetica in modo molto variabile, secondo il tipo, la durata dell’esercizio e in base al peso del soggetto. In mancanza d’attività fisica e di una programmazione alimentare adeguata, l’incremento di peso riflette uno sbilanciamento a favore della massa grassa (metabolicamente poco attiva) rispetto a quella magra (metabolicamente più attiva).

Effetto Termico del Cibo

Dopo l’assunzione di un pasto, si osserva un aumento della spesa energetica che varia a seconda dei differenti substrati nutritivi (azione dinamica specifica degli alimenti): è ciò che si definisce anche come effetto termico del cibo. Si distinguono una parte obbligatoria e una parte facoltativa. La termogenesi obbligatoria è legata all’aumento della produzione di calore durante la fase di assorbimento dopo l’ingestione degli alimenti ed è dovuta alla spesa energetica necessaria per l’assorbimento stesso, la digestione e la metabolizzazione, prevalentemente epatica. La termogenesi facoltativa è in rapporto all’aumento dell’attività metabolica che si ha dopo il pasto allo scopo di dissipare, sotto forma di calore, l’eccesso di chilocalorie introdotte (attivazione simpatica). Di media, con l’effetto termico del cibo si determina una perdita di poco meno del 10% delle calorie potenziali di un pasto misto.

Misurazione del Metabolismo

Esistono due metodi sperimentali per la misurazione del metabolismo negli esseri viventi: la calorimetria diretta e quella indiretta. Il metodo della calorimetria diretta prevede che una persona sia introdotta all’interno di una camera isolata, all’interno della quale è possibile valutare il dispendio energetico a partire dalla misurazione della dispersione di calore del soggetto stesso.

Gli specifici contributi dei tre substrati citati sono calcolati mediante equazioni che usano il quoziente respiratorio dei carboidrati, dei grassi e delle proteine. Il quoziente respiratorio (QR) è il rapporto tra CO2 prodotta e O2 consumato nell’unità di tempo; la CO2 prodotta e l’O2 consumato in un organo sono calcolati moltiplicando il flusso ematico per unità di tempo per la differenza arterovenosa di O2 e CO2.

Il QR può essere valutato con buona approssimazione per l’organismo intero con metodi spirometrici. Esso si aggira sull’unità quando si bruciano carboidrati ed è inferiore quando si bruciano grassi e proteine; questi ultimi, infatti, sono più poveri di ossigeno.

Il metabolismo basale delle 24 ore, inteso come spesa energetica basale, è computato sulla base del sesso, del peso, dell’altezza e dell’età di un individuo.

Riserve Energetiche e Loro Regolazione

Il deposito principale di riserva energetica dell’organismo è il tessuto adiposo (in prevalenza trigliceridi). L’elevata concentrazione calorica e la natura idrofobica dei trigliceridi consentono la creazione di riserve energetiche ideali senza effetti osmotici avversi.

In accordo con la prima legge della termodinamica (essa postula che l’energia può essere convertita da una forma in un’altra, ma che non può essere né creata né distrutta; la quantità d’energia immagazzinata è pari alla differenza tra energia introdotta e quella eliminata), la quantità di trigliceridi nel tessuto adiposo è in rapporto con la differenza tra quantità d’energia introdotta (alimenti) e spesa energetica (principalmente metabolismo a riposo e lavoro fisico).

Numerosi meccanismi sono necessari affinché possa esserci un’integrazione armoniosa tra i componenti a breve termine (acidi grassi, glicemia, glicogeno epatico) e le riserve d’energia a lungo termine (massa grassa). L’equilibrio energetico è il risultato dell’attività di un sistema molto complesso che va dalla corteccia cerebrale all’adipocita: nessuna parte della struttura può funzionare da sola.

Vie nervose centrali effettrici anaboliche e cataboliche controllano il bilancio energetico; le prime promuovono l’alimentazione e sopprimono il dispendio energetico favorendo la deposizione di grasso, le seconde hanno effetto contrario. Il bilancio finale di queste due parti determina nel tempo l’entità dei depositi di grasso.

Una fondamentale alterazione del ricambio energetico si può avere quando vengono meno i meccanismi di controllo che regolano il consumo calorico e lo stimolo alimentare. L’obesità è causata dall’eccessivo accumulo di riserve, cui non corrisponde un adeguato consumo. La magrezza insorge quando si abbia una persistente prevalenza del consumo sugli introiti.

Vie Metaboliche

Le reazioni chimiche sono strutturate in sequenze o vie metaboliche nelle quali il prodotto di una reazione rappresenta il substrato di quella successiva. Ogni componente di una via metabolica prende il nome di metabolita.

Via catabolica: Trasforma molecole grandi e complesse in composti più piccoli, scindendo legami chimici. Riguarda processi ossidativi con liberazione d’energia che è conservata come adenosintrifosfato (ATP) e forme ridotte d’energia (nicotinamideadenindinucleotide fosfato-ridotto, NADPH, e nicotinamideadenindinucleotide ridotto, NADH).
Via anabolica: Sintetizza molecole grandi e complesse da sostanze più semplici, formando nuovi legami chimici. Queste vie sono rappresentate dai processi riduttivi che richiedono energia sotto forma di ATP, NADPH e NADH.
Via amfibolica: È una via metabolica che funziona in maniera sia catabolica sia anabolica.

Ogni componente alimentare ha una forma di deposito, una forma di trasporto e dei metaboliti tessutali a basso peso molecolare che convergono principalmente verso l’acetilcoenzima A. Le forme di deposito e quelle di trasporto sono largamente interconvertibili: glucosio, acidi grassi e aminoacidi rappresentano forme di trasporto di combustibili metabolici che vengono immagazzinati rispettivamente come glicogeno, trigliceridi e proteine.

Le interconversioni metaboliche sono di due tipi: permesse (da carboidrati a grassi, da proteine a grassi, da proteine a carboidrati) e non permesse (da grassi a proteine, da carboidrati a proteine, da grassi a carboidrati). Le proteine non sono sintetizzabili direttamente dai carboidrati e dai grassi perché hanno bisogno della supplementazione dietetica di aminoacidi essenziali; i grassi non possono diventare carboidrati perché la reazione che trasforma il piruvato (composto a 3 atomi di carbonio) in acetilcoenzima A (composto a 2 atomi di carbonio) può avvenire in una sola direzione, non esistendo nei tessuti umani un enzima in grado di catalizzare il passaggio inverso da acetilcoenzima A a piruvato.

Ruolo dei Minerali

Il calcio, il fosforo e il magnesio sono tre dei principali elementi chimici dell’organismo. Il calcio, in fase cristallina, contribuisce a formare la struttura ossea, mentre in soluzione regola l’eccitabilità delle membrane plasmatiche, le attività enzimatiche e la deposizione di altri minerali sulla matrice extracellulare dell’osso. Il fosfato è il principale anione intracellulare con funzioni di tampone, di trasportatore d’energia (per es. ATP) e di modulatore di processi molecolari attraverso fosforilazioni e defosforilazioni.

I valori di calcio totale nel sangue oscillano entro un intervallo molto stretto di circa il 5% del valore medio; quest’elemento si trova legato a proteine (principalmente albumina) oppure in forma ionizzata. La misurazione di quest’ultima frazione è un indice accurato dell’omeostasi calcica, che è regolata principalmente dall’ormone paratiroideo, dalla calcitonina, dalla vitamina D. Il fosforo e il magnesio circolano nel sangue in forma libera con variazioni plasmatiche molto ampie.

Soltanto lo 0,1% del calcio totale corporeo è rinvenuto nel sangue e nei liquidi extracellulari. Tale quota di calcio è in rapido equilibrio con quella più grande regolata da osso, intestino e rene. La quantità dei flussi giornalieri è tale che una malattia di uno di questi organi può determinare valori patologici di calcemia.

Il tessuto osseo funge da serbatoio per il calcio, i fosfati e il magnesio. A livello intestinale non esiste una regolazione fine dell’assorbimento del magnesio e dei fosfati, al contrario del calcio. Quest’ultimo viene assorbito principalmente nel piccolo intestino dove circa il 10% del quantitativo ingerito con la dieta è assorbito passivamente; il rimanente è regolato dai metaboliti attivi della vitamina D, soprattutto 1,25-(OH)2-D (originariamente indicata come una vitamina liposolubile, attualmente considerata un ormone steroideo).

A livello renale le frazioni di calcio, magnesio e fosfati non legate a proteine sono filtrate dai glomeruli. La porzione distale del nefrone può riassorbire dal liquido che fluisce nei tubuli più del 99% di questi minerali. Il riassorbimento del calcio tubulare è stimolato principalmente dall’ormone paratiroideo. Il riassorbimento di fosfati è influenzato negativamente dal paratormone.

Metabolismo Muscolare

La cellula muscolare ha a disposizione riserve limitate di ATP (2,5 g/Kg di muscolo, per un totale di circa 50g). Tali riserve sono sufficienti soltanto per lavori massimali della durata di circa un secondo. Nel muscolo, come in altre cellule, esiste una riserva importante di gruppi fosforici attivi chiamata fosfocreatina o creatina fosfato (CP) o fosfageno. La creatina fosfato si forma nel muscolo a riposo associando ad una molecola di creatina una molecola di fosfato inorganico.

Nel meccanismo anaerobico alattacido l'ossigeno non interviene e proprio a questa caratteristica si deve l'aggettivo "anaerobico". Il sistema anaerobico alattacido ha una latenza molto breve, una potenza elevata ed una capacità estremamente ridotta. Le riserve di fosfocreatina, infatti, si esauriscono rapidamente (circa 4-5 secondi). Durante l'attività muscolare intensa e di breve durata, il decremento della forza sviluppata è direttamente collegato al depauperamento delle riserve muscolari di fosfocreatina. ATP e fosfocreatina stivate nei muscoli vengono usate contemporaneamente nel corso di sforzi brevi ed intensi. Anche questo sistema energetico non utilizza ossigeno.

Nel citoplasma delle cellule il glucosio muscolare viene trasformato in acido lattico attraverso una serie di 10 reazioni catalizzate da enzimi. Dal momento che il piruvato in presenza di O2 partecipa alla produzione di ATP, la glicolisi è anche la prima fase della degradazione aerobica dei carboidrati. Sono presenti nei muscoli isoforme di LDH che favoriscono la conversione di piruvato in lattato tipico delle fibre veloci.

In condizioni di riposo od esercizio fisico moderato la risintesi di ATP è garantita dal metabolismo aerobico. Dipende da riserva di glicogeno e di lipidi. Soprattutto la durata di utilizzo dipende da intensità di esercizio e grado di allenamento.

Notiamo per l'ennesima volta, come ATP e fosfocreatina (CP) abbiano un ruolo essenziale nei primi secondi di esercizio (attività di potenza) e come tra i 15 ed i 50 secondi subentri il massimo contributo della glicolisi anaerobica, con produzione di lattato.

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