Metabolismo energetico umano

“Il corpo umano è una 'macchina' in grado di liberare energia chimica contenuta nel 'carburante' del cibo; questo 'carburante' è costituito da carboidrati, grassi, proteine e alcol” (OMS).

L'uso preferenziale di una qualsiasi delle fonti elencate presenta caratteristiche diverse in termini di entità dello scambio energetico e dei relativi cambiamenti metabolici.

Caratteristiche delle varie fonti metaboliche di approvvigionamento energetico alimentare

Indicatori	Glucosio	Palmitato	Proteina
Rilascio di calore, kcal:
Per 1 mole ossidata	673	2398	475
Per 1 g ossidato	3.74	9.30	5.40
Consumo di ossigeno:
Falena	66.0	23.0	5.1
L	134	515	114
Produzione di anidride carbonica:
Falena	66.0	16.0	4.1
L	134	358	92
Produzione di ATP, moli:	36	129	23
Costo dei prodotti ATP:
Inferno	18.7	18.3	20.7
V/d	3.72	3,99	4,96
S/d	3.72	2.77	4.00
Quoziente respiratorio	1,00	0,70	0,81
Energia equivalente per 1 litro di ossigeno utilizzato	5.02	4.66	4.17

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Fasi dello scambio energetico

Sebbene la dissimilazione e la sintesi delle strutture proteiche, lipidiche e glucidiche presentino caratteristiche e forme specifiche, esistono diverse fasi e modelli fondamentalmente comuni nella trasformazione di queste diverse sostanze. In relazione all'energia rilasciata durante il metabolismo, il metabolismo energetico può essere suddiviso in tre fasi principali.

Nella fase I, le molecole più grandi di nutrienti vengono scomposte in molecole più piccole nel tratto gastrointestinale. I carboidrati formano 3 esosi (glucosio, galattosio, fruttosio), le proteine 20 amminoacidi, i grassi (trigliceridi) glicerolo e acidi grassi, oltre a zuccheri più rari (ad esempio, pentosi, ecc.). È stato calcolato che in media, durante la vita di un individuo, attraversano il corpo umano 17,5 tonnellate di carboidrati, 2,5 tonnellate di proteine e 1,3 tonnellate di grassi. La quantità di energia rilasciata nella fase I è insignificante e viene rilasciata sotto forma di calore. Pertanto, circa lo 0,6% dell'energia totale viene rilasciato durante la degradazione di polisaccaridi e proteine, e lo 0,14% dei grassi, che si forma durante la loro completa degradazione nei prodotti metabolici finali. Pertanto, l'importanza delle reazioni chimiche nella fase I consiste principalmente nella preparazione dei nutrienti per l'effettivo rilascio di energia.

Nella fase II, queste sostanze subiscono un'ulteriore degradazione per combustione incompleta. Il risultato di questi processi, la combustione incompleta, appare inaspettato. Delle 25-30 sostanze, oltre a CO₂ e H₂O, si formano solo tre prodotti finali: acido α-chetoglutarico, acido ossalacetico e acido acetico sotto forma di acetil coenzima A. Quantitativamente, l'acetil coenzima A predomina. Nella fase II, viene rilasciato circa il 30% dell'energia contenuta nei nutrienti.

Nella fase III, il cosiddetto ciclo degli acidi tricarbossilici di Krebs, i tre prodotti finali della fase II vengono bruciati in anidride carbonica e acqua. In questo processo, viene rilasciato il 60-70% dell'energia dei nutrienti. Il ciclo di Krebs rappresenta il percorso finale generale della degradazione di carboidrati, proteine e grassi. È una sorta di punto nodale nello scambio, dove convergono le trasformazioni di diverse strutture ed è possibile la transizione reciproca delle reazioni di sintesi.

A differenza della fase I, ovvero le fasi di idrolisi nel tratto gastrointestinale, nelle fasi II e III della scomposizione delle sostanze non viene rilasciata solo energia, ma anche un tipo particolare della sua accumulazione.

Reazioni di scambio energetico

Il risparmio energetico si ottiene convertendo l'energia derivante dalla degradazione degli alimenti in una forma speciale di composti chimici chiamati composti macroergici. I trasportatori di questa energia chimica nell'organismo sono vari composti del fosforo, in cui il legame del residuo di acido fosforico è il legame macroergico.

Il ruolo principale nel metabolismo energetico spetta al legame pirofosfato con la struttura dell'acido adenosina trifosfato. Sotto forma di questo composto, dal 60 al 70% di tutta l'energia rilasciata durante la degradazione di proteine, grassi e carboidrati viene utilizzata nell'organismo. L'utilizzo dell'energia (ossidazione sotto forma di ATP) è di grande importanza biologica, poiché questo meccanismo consente di distinguere il luogo e il momento del rilascio di energia dal suo effettivo consumo durante il funzionamento degli organi. È stato calcolato che in 24 ore la quantità di ATP formata e degradata nell'organismo è approssimativamente pari al peso corporeo. La conversione di ATP in ADP rilascia 41,84-50,2 kJ, ovvero 10-12 kcal.

L'energia generata dal metabolismo viene spesa per il metabolismo di base, ovvero per il mantenimento della vita in uno stato di completo riposo a una temperatura ambiente di 20 °C, per la crescita (metabolismo plastico), per il lavoro muscolare e per la digestione e l'assimilazione del cibo (azione dinamica specifica del cibo). Esistono differenze nel dispendio di energia generata dal metabolismo negli adulti e nei bambini.

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BX

In un bambino, come in tutti i mammiferi nati prematuri, si verifica un aumento iniziale del metabolismo basale di 1 anno e mezzo, che poi continua ad aumentare costantemente in termini assoluti e a diminuire altrettanto regolarmente per unità di massa corporea.

Spesso si utilizzano metodi di calcolo per calcolare il metabolismo basale. Le formule sono solitamente orientate verso indicatori di lunghezza o peso corporeo.

Calcolo del metabolismo basale in base al peso corporeo (kcal/giorno). Raccomandazioni FAO/OMS

Età	Ragazzi	Ragazze
0-2 anni	60.9 R-54	61 R - 51
3-9 anni	22,7 R + 495	22,5 R + 499
10-17 »	17.5 R +651	12.2 R +746
17-30»	15.3 R +679	14.7 R + 496

L'energia totale assunta con il cibo viene distribuita per garantire il metabolismo di base, l'azione dinamica specifica del cibo, la perdita di calore associata all'escrezione, l'attività fisica (motoria) e la crescita. Nella struttura della distribuzione dell'energia, ovvero il metabolismo energetico, si distingue tra:

• Energia ricevuta (dal cibo) = Energia depositata + Energia utilizzata.
• Energia assorbita = Energia ricevuta - Energia escreta con gli escrementi.
• Energia metabolizzata = Energia ricevuta - Energia di mantenimento (vita) e di attività, o "costi di base".
• L'energia dei costi principali è pari alla somma:
  • metabolismo basale;
  • termoregolazione;
  • effetto riscaldante del cibo (WEF);
  • costi di attività;
  • costi di sintesi di nuovi tessuti.
• L'energia di deposizione è l'energia spesa per la deposizione di proteine e grassi. Il glicogeno non viene preso in considerazione, poiché la sua deposizione (1%) è insignificante.
• Energia depositata = Energia metabolizzata - Energia di spesa fondamentale.
• Costo energetico della crescita = Energia di sintesi di nuovi tessuti + Energia depositata nel nuovo tessuto.

Le principali differenze di età risiedono nel rapporto tra i costi della crescita e, in misura minore, dell'attività.

Caratteristiche legate all'età della distribuzione della spesa energetica giornaliera (kcal/kg)

Età	BX	SDDP	Perdite di escrezione	Attività	Altezza	Totale
Precoce	60	7	20	15	50	152
8 settimane	55	7	11	17	20	110
10 mesi	55	7	11	17	20	110
4 anni	40	6	8	25	8-10	87-89
14 anni	35	6	6	20	14	81
Adulto	25	6	6	10	0	47

Come potete vedere, i costi di crescita sono molto significativi per un neonato sottopeso e durante il primo anno di vita. Naturalmente, sono semplicemente assenti in un adulto. L'attività fisica comporta un dispendio energetico significativo anche in un neonato e in un bambino, dove si manifesta con suzione al seno, irrequietezza, pianto e urla.

Quando un bambino è irrequieto, il dispendio energetico aumenta del 20-60%, e quando urla, di 2-3 volte. Le malattie richiedono un dispendio energetico specifico. Aumentano soprattutto con l'aumento della temperatura corporea (per 1 °C di aumento, il metabolismo aumenta del 10-16%).

A differenza degli adulti, i bambini consumano molta energia per la crescita (metabolismo plastico). È ormai accertato che per accumulare 1 g di massa corporea, ovvero nuovo tessuto, è necessario consumare circa 29,3 kJ, ovvero 7 kcal. La seguente stima è più accurata:

• "Costo" energetico della crescita = Energia di sintesi + Energia di deposizione nel nuovo tessuto.

In un neonato prematuro e sottopeso, l'energia di sintesi è compresa tra 1,3 e 5 kJ (da 0,3 a 1,2 kcal) per 1 g di peso corporeo aggiunto. In un neonato a termine, è pari a 1,3 kJ (0,3 kcal) per 1 g di nuovo peso corporeo.

Costo energetico totale della crescita:

• fino a 1 anno = 21 kJ (5 kcal) per 1 g di nuovo tessuto,
• dopo 1 anno = 36,5-50,4 kJ (8,7-12 kcal) per 1 g di nuovo tessuto, ovvero circa l'1% dell'energia totale del contenuto nutritivo.

Poiché l'intensità della crescita nei bambini varia nei diversi periodi, la quota del metabolismo plastico sul dispendio energetico totale è diversa. La crescita più intensa si verifica nel periodo intrauterino dello sviluppo, quando la massa dell'embrione umano aumenta di 1 miliardo e 20 milioni di volte (1,02 x 109). Il tasso di crescita continua a rimanere piuttosto elevato nei primi mesi di vita. Ciò è dimostrato da un aumento significativo del peso corporeo. Pertanto, nei bambini dei primi 3 mesi, la quota del metabolismo "plastico" sul dispendio energetico è del 46%, poi diminuisce nel primo anno, ma a partire dai 4 anni, e soprattutto nel periodo prepuberale, si osserva un aumento dell'intensità della crescita, che si riflette nuovamente nell'aumento del metabolismo plastico. In media, il 12% del fabbisogno energetico viene speso per la crescita nei bambini di età compresa tra 6 e 12 anni.

Costi energetici per la crescita

Età	Peso corporeo, kg	Aumento di peso, g/giorno	Valore energetico , kcal/giorno	Valore energetico, kcal/(kg-giorno)	In percentuale del metabolismo basale
1 mese	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8.0	20	126	16	28
1 anno	10.4	10	63	6	11
5 anni	17.6	5	32	2	4
14 anni, ragazze	47.5	18	113	2	8
16 anni, ragazzi	54.0	18	113	2	7

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Consumo energetico per perdite difficilmente contabilizzabili

Le perdite difficili da spiegare includono la perdita di grassi, succhi gastrici e secrezioni prodotte nella parete del tratto digerente e nelle ghiandole con le feci, con l'esfoliazione delle cellule epiteliali, con la caduta delle cellule di rivestimento di pelle, capelli e unghie, con il sudore e, al raggiungimento della pubertà nelle ragazze, con il sangue mestruale. Purtroppo, questo problema nei bambini è stato scarsamente studiato. Si ritiene che nei bambini di età superiore a un anno rappresenti circa l'8% del dispendio energetico.

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Spesa energetica per l'attività e il mantenimento della temperatura corporea

La quota di dispendio energetico per l'attività e il mantenimento della temperatura corporea varia con l'età del bambino (dopo i 5 anni, questo è incluso nel concetto di lavoro muscolare). Nei primi 30 minuti dopo la nascita, la temperatura corporea di un neonato diminuisce di quasi 2 °C, il che causa un dispendio energetico significativo. Nei bambini piccoli, il corpo del bambino è costretto a spendere 200,8-418,4 kJ/(kg • giorno), o 48-100 kcal/(kg • giorno) per mantenere una temperatura corporea costante a una temperatura ambiente inferiore a quella critica (28...32 °C) e per l'attività. Pertanto, con l'età, il dispendio energetico assoluto per mantenere una temperatura corporea costante e l'attività aumenta.

Tuttavia, la quota di spesa energetica per mantenere una temperatura corporea costante nei bambini del primo anno di vita è minore quanto più è piccolo il bambino. Successivamente, la spesa energetica diminuisce nuovamente, poiché la superficie corporea per 1 kg di peso corporeo diminuisce nuovamente. Allo stesso tempo, la spesa energetica per l'attività (lavoro muscolare) aumenta nei bambini di età superiore a un anno, quando il bambino inizia a camminare, correre, fare educazione fisica o praticare sport in modo autonomo.

Costo energetico dell'attività fisica

Tipo di movimento	Cal/min
Andare in bicicletta a bassa velocità	4.5
Andare in bicicletta a velocità media	7.0
Andare in bicicletta ad alta velocità	11.1
Ballare	3.3-7.7
Calcio	8.9
Esercizi ginnici sugli attrezzi	3.5
Corsa veloce	13.3-16.8
Corsa di lunga distanza	10.6
Pattinaggio sul ghiaccio	11.5
Sci di fondo a velocità moderata	10.8-15.9
Sci di fondo alla massima velocità	18.6
Nuoto	11.0-14.0

Nei bambini di età compresa tra 6 e 12 anni, la quota di energia spesa per l'attività fisica è pari a circa il 25% del fabbisogno energetico, mentre negli adulti è pari a 1/3.

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Azione dinamica specifica degli alimenti

L'effetto dinamico specifico del cibo varia a seconda della natura della dieta. È più pronunciato con gli alimenti ricchi di proteine, meno con grassi e carboidrati. Nei bambini del secondo anno di vita, l'effetto dinamico specifico del cibo è del 7-8%, nei bambini più grandi è superiore al 5%.

Costi di implementazione e superamento dello stress

Questa è una direzione naturale delle normali attività quotidiane e del dispendio energetico. Il processo di vita e di adattamento sociale, l'istruzione e lo sport, la formazione di relazioni interpersonali: tutto ciò può essere accompagnato da stress e da un ulteriore dispendio energetico. In media, questo rappresenta un ulteriore 10% della "razione" energetica giornaliera. Allo stesso tempo, in caso di malattie o infortuni acuti e gravi, il livello di dispendio energetico dovuto allo stress può aumentare in modo significativo, e questo aspetto richiede attenzione nel calcolo della razione alimentare.

Di seguito vengono presentati i dati sull'aumento del fabbisogno energetico in situazioni di stress.

Stati	Cambiamento del fabbisogno energetico
Ustioni a seconda della percentuale di superficie corporea ustionata	+ 30...70%
Lesioni multiple con ventilazione meccanica	+ 20...30%
Infezioni gravi e traumi multipli	+ 10...20%
Periodo postoperatorio, infezioni lievi, fratture ossee	0... + 10%

Uno squilibrio energetico persistente (eccesso o carenza) causa alterazioni del peso corporeo e della lunghezza a tutti gli indici di sviluppo e di età biologica. Anche una carenza energetica moderata (4-5%) può causare un ritardo dello sviluppo in un bambino. Pertanto, l'apporto energetico alimentare diventa una delle condizioni più importanti per una crescita e uno sviluppo adeguati. Il calcolo di questo apporto deve essere effettuato regolarmente. Per la maggior parte dei bambini, le raccomandazioni relative all'energia totale della dieta giornaliera possono fungere da parametri di riferimento per l'analisi; per alcuni bambini con condizioni di salute o di vita particolari, è necessario un calcolo individuale basato sulla somma di tutti i componenti che consumano energia. I seguenti metodi per calcolare il dispendio energetico possono servire come esempio di utilizzo di standard generali di apporto per età e della possibilità di una correzione individuale di tali standard.

Metodo di calcolo per la determinazione del metabolismo basale

Fino a 3 anni	3-10 anni	10-18 anni
Ragazzi
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Ragazze
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

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Spese aggiuntive

Compensazione del danno: il metabolismo basale viene moltiplicato: per piccoli interventi chirurgici per 1,2; per traumi scheletrici per 1,35; per sepsi per 1,6; per ustioni per 2,1.

Azione dinamica specifica degli alimenti: + 10% del metabolismo basale.

Attività fisica: costretto a letto + 10% del metabolismo basale; seduto su una sedia + 20% del metabolismo basale; paziente ricoverato in un reparto ospedaliero + 30% del metabolismo basale.

Costi della febbre: per ogni 1°C di aumento medio giornaliero della temperatura corporea +10-12% del metabolismo basale.

Aumento di peso: fino a 1 kg/settimana + 1260 kJ (300 kcal) al giorno.

È accettato che vengano stabiliti alcuni standard per l'apporto energetico della popolazione in base all'età. Molti paesi hanno adottato tali standard. Tutte le razioni alimentari dei gruppi organizzati vengono elaborate sulla base di tali standard. Anche le razioni alimentari individuali vengono confrontate con questi standard.

Raccomandazioni per il valore energetico degli alimenti per bambini dalla tenera età fino a 11 anni

	0-2 mesi	3-5 mesi	6-11 mesi	1-3 anni	3-7 anni	7-10 anni
Energia, totale, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energia, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Raccomandazioni per la standardizzazione energetica (kcal/(kg • giorno))

Età, mesi	FAO/OMS (1985)	ONU (1996)
0-1	124	107
1-2	116	109
2-3	109	111
3^	103	101
4-10	95-99	100
10-12	100-104	109
12-24	105	90

Il calcolo e la correzione del metabolismo energetico mirano a eliminare le carenze dei principali vettori energetici, ovvero principalmente carboidrati e grassi. Allo stesso tempo, l'uso di questi vettori per gli scopi specificati è possibile solo tenendo conto e correggendo l'apporto di molti micronutrienti di accompagnamento fondamentalmente necessari. Pertanto, è particolarmente importante prescrivere potassio, fosfati, vitamine del gruppo B, in particolare tiamina e riboflavina, a volte carnitina, antiossidanti, ecc. Il mancato rispetto di questa condizione può causare condizioni incompatibili con la vita, che si verificano proprio con un'alimentazione energetica intensiva, soprattutto parenterale.