la bomba calorimetrica di berthelot-mahler   L’energia chimica, ovvero l’energia contenuta nei legami chimici delle grosse molecole organiche, non è misurabile direttamente, ma è possibile quantificarla ricorrendo alla  . bomba calorimetrica In questo dispositivo il campione di cui si vuole misurare il valore energetico, per esempio 1 g di proteine, si posiziona dentro la camera di combustione. In seguito, tramite una scossa elettrica il campione viene bruciato; al termine della combustione si ottengono solo ceneri, anidride carbonica e vapore acqueo, tutti prodotti che non possono più fornire energia. Riassumendo: nutrienti + O    CO + H O + ceneri + calore 2 → 2 2 L’energia contenuta inizialmente negli alimenti si trasforma, durante la combustione, in energia termica, la quale si trasferisce prima alle pareti di platino della camera di combustione e in seguito all’acqua circostante, aumentandone la temperatura. L’aumento viene misurato con un termometro: quanto più il campione contiene energia, tanto più l’energia stessa farà salire la temperatura dell’acqua. Nella seguente tabella sono elencati i valori energetici ottenuti bruciando con la bomba calorimetrica 1 g di varie sostanze nutritive. NUTRIENTI carboidrati proteine grassi alcol (etanolo) kcal/grammo 4,1 5,6 9,5 7,1 I valori riportati non rappresentano l’energia messa a disposizione dai nutrienti contenuti negli alimenti, bensì l’ energia totale   contenuta in ciascuna sostanza nutritiva. Infatti, nel calorimetro avviene una combustione;  , cioè nel nostro organismo, l’ossidazione dei principi nutritivi avviene invece tramite reazioni biologiche, che hanno come prodotto molecole organiche (per esempio l’urea, nel caso dell’ossidazione delle proteine) che contengono ancora una parte di energia, la quale però non può essere utilizzata dall’organismo umano. in vivo I nutrienti, inoltre, non vengono assorbiti completamente dall’intestino; in particolare, la percentuale di assorbimento di carboidrati e lipidi è di circa il 97-98%, e per le proteine circa il 90% (mentre per l’alcol è il 100%). Sulla base di queste considerazioni, si può assumere che, in media, per ogni grammo di nutriente assunto si ottengono i valori calorici riportati nella seguente tabella. NUTRIENTI carboidrati proteine grassi alcol (etanolo) kcal/grammo 4 4 9 7 Il contenuto calorico dei singoli macronutrienti e quello complessivo di alcuni alimenti, assieme ad altri dati numerici relativi al loro profilo nutrizionale, sono stati raccolti, verificati e pubblicati dall’INRAN (Istituto Nazionale di Ricerca per gli Alimenti e la Nutrizione) e vengono periodicamente integrati dal CREA (vedi Unità 9, Gruppi alimentari e dieta equilibrata, p. 253). Esistono dunque delle   che riportano il contenuto energetico dei più svariati alimenti. tabelle calorimetriche Anche sulle etichette degli alimenti confezionati si trovano delle   contenenti lo stesso tipo di dati (vedi Unità 12, La filiera, le etichette e gli imballaggi), ma in tal caso è l’azienda produttrice a farsi garante delle informazioni riportate. tabelle nutrizionali Rappresentazione della bomba calorimetrica.  >> pagina 227 il calcolo calorico degli alimenti Mentre la   dell’energia avviene in modo empirico (attraverso la bomba calorimetrica), il   dell’energia avviene in modo astratto. Se si vuole stabilire il valore energetico di un piatto, infatti, è necessario sommare l’energia fornita da ogni singolo ingrediente; questo valore si ottiene moltiplicando il peso di ciascun ingrediente per la sua   (espressa in kcal/grammo), che si trova in apposite tabelle. misurazione calcolo resa energetica Si può procedere allo stesso modo per determinare l’energia fornita da tutto ciò che viene ingerito nell’arco di una giornata, e avere così un quadro preciso dell’energia introdotta quotidianamente. L’idea che il controllo dell’alimentazione sia una delle chiavi più importanti per garantire il benessere di un individuo è ormai comunemente accettata. Sempre più spesso i dietologi richiedono ai pazienti di redigere un   in cui annotare il peso di tutto ciò che mangiano e insegnano loro a usare le tabelle caloriche, affinché prendano coscienza dell’energia presente all’interno del cibo e si abituino a considerare il controllo dell’alimentazione uno degli elementi chiave per una buona salute. diario alimentare La compilazione del diario alimentare prevede che ogni alimento introdotto giornalmente venga pesato e la sua quantità sia trascritta su una lista. È possibile tenere tracciato il diario alimentare anche con numerose app specifiche.  l'ossidazione dei nutrienti   Il processo attraverso cui l’organismo, a livello cellulare, degrada le grandi molecole organiche assimilate con la digestione per ricavarne energia è definito   e avviene appunto in presenza di ossigeno. ossidazione L’apporto costante a ogni singola cellula sia di nutrienti sia di ossigeno avviene attraverso il circolo sanguigno. L’ossidazione non avviene attraverso una singola reazione, ma grazie a un complesso sistema di reazioni interconnesse tra loro che comportano la formazione di molecole, dette intermedi metabolici, che vengono utilizzate in diverse sedi cellulari. Ci sono poi dei prodotti finali, che vengono eliminati come sostanze di scarto. La CO  è il principale fra questi prodotti e, diffondendo nel sangue, passa nei polmoni per essere espulsa in fase di espirazione. 2 Così come gli atti respiratori di una persona avvengono incessantemente, anche l’ossidazione delle molecole organiche e la conseguente produzione di energia non si interrompono mai. Il nostro organismo, infatti, produce di continuo energia, anche quando non ci stiamo nutrendo, e non smette mai di consumare energia, anche quando siamo a riposo. Ciò implica che l’organismo deve disporre di scorte di “combustibile” da ossidare tra un pasto e l’altro, e queste sono contenute nei tessuti adiposo (lipidi), epatico e muscolare (glucidi e proteine). Anche durante il sonno i processi ossidativi continuano senza sosta al fine di consentire all’organismo di ottenere l’energia necessaria per mantenere i processi vitali (per esempio la espirazione e la circolazione).   >> pagina 228  il ruolo dell'atp In termini generali, tutte le reazioni che portano alla produzione delle nuove molecole di cui necessita il nostro organismo avvengono grazie all’energia prodotta con l’ossidazione. Si verifica così un   tra le reazioni cataboliche che liberano energia e quelle anaboliche che la assorbono. trasferimento di energia chimica La molecola che agisce da tramite per tale trasferimento è l’ATP (adenosintrifosfato), costituito da una base azotata (l’adenina), un glucide (il ribosio) e tre gruppi fosfato (Pi) legati in sequenza. Questa molecola viene prodotta soprattutto all’interno dei mitocondri, per unione di un ADP (adenosindifosfato) con un gruppo fosfato. L’energia liberata dall’ossidazione dei macronutrienti viene in parte usata dall’organismo per produrre moltissime molecole di ATP, secondo la reazione: ADP + Pi + energia ATP → L’ATP è dunque una molecola ad alta energia, in grado di cederla attraverso una reazione che comporta il distacco di un gruppo fosfato: ATP ADP + Pi (legato a una molecola) → Le molecole di ATP possono essere trasferite da un organulo all’altro per raggiungere tutte le sedi che necessitino di energia. Nel suo complesso il trasferimento di energia mediato dall’ATP non è molto efficiente: in effetti, sia quando il Pi viene aggiunto all’ATP, sia quando viene rimosso da esso, buona parte dell’energia chimica (quasi il 50%) viene  . Tuttavia, tale calore viene utilizzato per mantenere costante la temperatura corporea. Questo processo di produzione di calore è detto  . dispersa in forma di calore termogenesi Per la sua funzione di navetta fra reazioni cataboliche e anaboliche l’ATP può essere considerata una  : tutte le reazioni biologiche possono infatti avere un costo in molecole di ATP consumate, oppure generare un guadagno in molecole di ATP prodotte. Per esempio, la degradazione completa di una molecola di glucosio produce un massimo di 38 molecole di ATP, mentre la sintesi di una molecola di urea ne richiede 4. “moneta” energetica Dopo l’assunzione di un pasto, solo una parte di glucosio è utilizzata dalle cellule per le richieste di energia a breve termine (tra cui la sintesi di ATP), mentre la parte in eccesso viene accumulata nei tessuti di riserva: principalmente nel fegato e nei muscoli, sotto forma di glicogeno. Ne consegue che l’assunzione di nutrienti oltre il necessario non si traduce immediatamente in una quantità maggiore di energia sotto forma di ATP, ma in un maggior accumulo dei nutrienti nei tessuti di riserva.  >> pagina 229 fissa il concetto reazioni sostanze di partenza prodotti bilancio energetico cataboliche glucidi, lipidi, protidi CO , H O e molecole di scarto 2 2 utilizzano ADP + Pi e producono ATP anaboliche monomeri polimeri utilizzano ATP e producono ADP + Pi GUIDA ALLO STUDIO 1. Che differenza c’è tra misurare l’energia contenuta negli alimenti e calcolare l’apporto energetico di un piatto? Quali strumenti si usano nei due casi?   2. Qual è la resa energetica dei diversi nutrienti?   3. Qual è il ruolo dell’ATP nel metabolismo?    L'energia in uscita    il dispendio energetico   Secondo il primo principio della termodinamica, l’energia non si crea né si distrugge ma si converte da una forma a un’altra, e la sua quantità totale resta invariata. Si può quindi dedurre, con buona approssimazione, che  . tutta l’energia chimica contenuta nel cibo viene dissipata dal nostro corpo sotto forma di calore Infatti, tutti i processi metabolici che avvengono nel corpo umano comportano, prima o poi, una produzione di calore. Di conseguenza, misurando la quantità di calore liberata da un individuo è possibile calcolare il suo  , ossia la quantità di energia complessiva che consuma. Il valore del dispendio energetico può essere misurato in modo diretto (calorimetria diretta) o in modo indiretto (calorimetria indiretta). dispendio energetico Per mantenere l’organismo in buona salute è necessario che, in generale, tutta l’energia in entrata venga utilizzata: una parte per mantenere attivi i processi vitali, e la rimanente per le attività quotidiane (tra cui lo sport).  >> pagina 230  la calorimetria diretta Lo strumento indicato per rilevare l’energia termica “in uscita” da un corpo fisico è il cosiddetto “ ”. Si tratta di una   in cui un individuo deve permanere per ben 24 ore. Al soffitto della camera è posta una serpentina contenente acqua, il cui aumento di temperatura consente di misurare il calore emanato dal corpo. calorimetro umano camera metabolica Il metodo presenta lo svantaggio di essere scomodo e macchinoso per il soggetto all’interno del calorimetro, ma risulta molto preciso e affidabile. Schema del calorimetro di Atwater, Rose e Benedict: la temperatura dell’acqua in ingresso e in uscita è misurata dai termometri. Dalla finestra si osserva il soggetto all’interno del calorimetro. L’aria prelevata da una ventola è fatta passare attraverso acido solforico e calce sodata per privarla di vapore acqueo e anidride carbonica. Le pareti del calorimetro permettono un perfetto isolamento termico della camera interna. la calorimetria indiretta  La quantità di ossigeno consumato e di anidride carbonica eliminata durante le reazioni biologiche è proporzionale all’energia termica prodotta, secondo la reazione: nutrienti + O   CO  + H O + molecole di scarto + calore 2 → 2 2 La calorimetria indiretta sfrutta questo principio per calcolare l’energia termica prodotta dalle reazioni metaboliche. Attraverso uno strumento chiamato  , infatti, è possibile misurare l’ossigeno trattenuto e l’anidride carbonica prodotta e, attraverso opportune equazioni, calcolare l’energia chimica trasformata in calore. spirometro Attraverso lo spirometro è possibile risalire alle kcal utilizzate nei processi metabolici. GUIDA ALLO STUDIO Come viene trasformata l’energia chimica contenuta negli alimenti? 1.   Come si può misurare il dispendio energetico tramite la calorimetria diretta? 2.  Come si può misurare il dispendio energetico tramite la calorimetria indiretta? 3.