Gli esseri viventi hanno bisogno di energia per crescere, tenersi in vita e riprodursi. L’energia necessaria per fare ciò deriva dagli alimenti che introduciamo nella dieta. Una volta che il cibo è stato digerito ed assorbito, le reazioni chimiche dell’organismo determineranno l’uso che ne verrà fatto. Il bilancio energetico determina se ingrassiamo oppure dimagriamo. Vediamo come.
Termodinamica
La prima legge della termodinamica afferma che l’energia non si crea e non si distrugge ma si trasforma. Una parte dell’energia introdotta con gli alimenti viene immagazzinata nei legami chimici delle molecole, mentre la maggior parte di essa viene dispersa sotto forma di calore e contribuisce ad aumentare l’entropia del sistema (Energia e metabolismo).
Possiamo riassumere il bilancio energetico con la seguente equazione:
Energia nell’organismo = Energia introdotta – Energia spesa
L’energia spesa rappresenta la somma dell’energia spesa per compiere lavoro e di quella persa sotto forma di calore. L’equazione dell’energia spesa può essere scritta così:
Energia spesa = Lavoro + Calore
Il lavoro è rappresentato sia dai processi biochimici e fisiologici dell’organismo sia dall’attività volontaria del soggetto.
Non è possibile controllare i processi biochimici dell’organismo, quindi l’unico modo per aumentare il lavoro è il movimento volontario. Possiamo tuttavia lavorare sulla prima equazione non per forza focalizzandoci sull’energia spesa, ma anche controllando la quantità di energia introdotta.
Per il calcolo del bilancio energetico dobbiamo fare una stima dell’energia contenuta negli alimenti, e della spesa sotto forma di perdita di calore. Il metodo utilizzato è la calorimetria diretta.
Le calorie
Per calcolare quanta energia possiede un alimento, esso viene bruciato nella bomba calorimetrica dove viene misurato il calore rilasciato misurato in kcal. Una kcal è la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 grado centigrado la temperatura di un litro d’acqua.
L’energia metabolica delle proteine e dei carboidrati corrisponde a 4 kcal/g mentre i grassi ne contengono 9 kcal/g.
Per esempio, se un determinato alimento contiene 5g di grassi, 10g di proteine e 20g di carboidrati il suo contenuto calorico sarà: (5 x 9)+(10 x 4)+(20 x 4) = 165 kcal.
Questo sistema in realtà non può dirci quante calorie assumiamo effettivamente, in quanto i processi di digestione e di assorbimento cambiano da persona a persona. I calcoli servono solo per avere una vaga idea dell’energia che introduciamo ma non potranno mai essere precisi.
Calcolo del consumo energetico
Per calcolare il consumo metabolico di un soggetto possiamo misurare il suo consumo di ossigeno, cioè la quantità di ossigeno che l’organismo consuma mentre metabolizza i cibi.
Il consumo di ossigeno è costante per i diversi alimenti e corrisponde ad 1 litro di ossigeno per ogni 5 kcal rilasciata dall’alimento metabolizzato.
Un altro metodo si basa sulla misurazione della CO2 prodotta in rapporto all’ossigeno consumato. Questo rapporto viene chiamato quoziente respiratorio QR ed ha un valore compreso tra 1 e 0,7. La dieta media occidentale ha un QR di 0,82.
Per ossidare uno zucchero a sei atomi di carbonio sono necessarie sei molecole di ossigeno, con formazione di sei molecole di anidride carbonica:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 H2O + 6 CO2
Il rapporto tra CO2 prodotta e O2 consumato è uguale a 1.
I lipidi hanno meno ossigeno rispetto agli atomi di idrogeno, quindi la loro ossidazione richiederà più ossigeno rispetto a quella degli zuccheri.
Per l’ossidazione della molecola di trioleina si formano 57 molecole di anidride carbonica e vengono consumate 80 molecole di ossigeno:
C57H104O6 + 80 O2 → 57 CO2 + 52 H2O
Il quoziente respiratorio dei lipidi è pari a 0,7.
Per l’ossidazione delle proteine prendiamo come esempio l’aminoacido alanina:
C5H12O5 N + 6 O2 → (NH2 ) 5 CO2 + 5 H2O
Q.R = 5/6 = 0,83
Il quoziente respiratorio per le proteine è arrotondato a 0,8.
Il quoziente respiratorio ci permette di misurare cosa sta consumando l’organismo come fonte primaria di energia.
Formule
Il consumo metabolico è variabile in ogni persona e varia anche da un giorno all’altro nello stesso individuo. Il valore minimo del consumo metabolico viene definito metabolismo basale (BMR). Con le formule che vedremo potremo capire se il nostro bilancio energetico è positivo o negativo.
Esistono diverse formule per calcolare il metabolismo basale a riposo, una semplice formula consiste nel moltiplicare il consumo di ossigeno per le kcal metabolizzate per litro di ossigeno consumato:
Metabolismo = litri di O2 consumati/giorno x kcal/litri di O2
Una dieta con QR di 0,8 richiede un litro di ossigeno ogni 4,8 kcal metabolizzate. Un uomo adulto dal peso di 70 kg consuma a riposo 430 litri di ossigeno:
Metabolismo = 430 L di O2 x 4,8 kcal/L O2 = 2064 kcal
Esistono tante altre formule per calcolare il metabolismo basale. Vediamone alcune prendendo come riferimento sempre un uomo adulto di 70 kg:
- Metabolismo basale: 1 kcal/(kg x h) = 70kg x 24h = 1680 kcal
- Metabolismo basale: 70kg x 32 = 2240 kcal
Formule di Harris-Benedict
- Uomini: Kcal/24 = 66 + (13.7 x peso) + (5 x statura) – (6.8 x età)
- Donne: Kcal/24 = 655 + (9.6 x peso) + (1.9 x statura) – (4.7 x età)
Dove il peso viene espresso in Kg e la statura è espressa in cm
Da ricordare che i calcoli visti fin qui sono soggetti ad errore, si stima che l’errore percentuale sia del 20-30%.
Variabilità del metabolismo
Il metabolismo basale è influenzato da molti fattori:
- età, il metabolismo diminuisce all’aumentare dell’età;
- sesso, il BMR di un uomo è 1 kcal/h/kg, quello della donna di 0,9 kcal/h/kg;
- percentuale di massa magra, il tessuto muscolare consumano più ossigeno rispetto al tessuto adiposo anche a riposo;
- livello di attività fisica;
- dieta, la digestione ha un costo energetico chiamato termogenesi alimentare, la termogenesi è correlata ai macronutrienti. I lipidi hanno una bassa termogenesi mentre le proteine hanno la termogenesi più alta;
- ormoni, gli ormoni tiroidei e le catecolamine aumentano il metabolismo;
- genetica, chi possiede per natura un metabolismo poco efficiente potrà mangiare grandi quantità di cibo senza ingrassare poiché la maggior parte dell’energia sarà dispersa sotto forma di calore.