Efficienza metabolica

Questo tratto riguardal’“efficienza metabolica”, ovvero la misura dell’efficacia con cui il corpo converte l’energia chimica proveniente dal cibo in energia chimica utilizzabile dalle cellule per tutti i processi fondamentali alla sopravvivenza.

Le persone che vengono descritte come dotate di un«metabolismo veloce»in realtà hanno un«metabolismo inefficiente»: «sprecano» una maggiore quantità di energia chimica proveniente dal cibo (ovvero calorie) sotto forma di energia termica.

Al contrario, le persone con un«metabolismo lento»hanno unmetabolismopiù«efficiente»e convertono una percentuale minore di energia chimica in energia termica. Lo svantaggio di un metabolismo efficiente è che l'energia in eccesso proveniente dal cibo viene dispersa in misura minore sotto forma di calore, ma è più probabile che venga immagazzinata come grasso, causando un aumento di peso.

La termogenesi, ovvero il processo attraverso il quale il nostro corpo genera energia termica, svolge quindi un ruolo importante nel nostro bilancio energetico complessivo e nel rischio di aumento di peso. Contribuisce inoltre a mantenerci al caldo e i geni alla base della termogenesi non associata ai brividi, come l’UCP1, hanno probabilmente offerto ai nostri antenati un vantaggio in termini di sopravvivenza negli ambienti freddi.

Perché è necessario regolare la temperatura corporea?

Gli esseri umani, come gli altri mammiferi a sangue caldo, devono mantenere una temperatura corporea abbastanza stabile per sopravvivere.

Se la temperatura corporea interna diventa troppo elevata, gli enzimi che svolgono reazioni cellulari vitali iniziano a perdere la loro struttura e smettono di funzionare correttamente. Al contrario, se la temperatura corporea scende troppo, la velocità delle reazioni cellulari diventa troppo lenta per sostenere la vita.

A causa di questi limiti, abbiamo sviluppato diversi meccanismi per mantenere la temperatura corporea a un livello ottimale (circa 37 °C).

Ad esempio, quando abbiamo troppo caldo, le nostre ghiandole sudoripare secernono sudore. Man mano che il sudore evapora dalla superficie della pelle, raffredda il nostro corpo, contribuendo a riportare la temperatura corporea alla normalità.

Quando abbiamo troppo freddo, i peli sulla pelle si rizzano (cioè ci viene la «pelle d’oca»), intrappolando uno strato d’aria che ci isola e ci aiuta a stare al caldo.

Sia la sudorazione che la pelle d'oca sono esempi di termoregolazione, ovvero il processo attraverso il quale manteniamo la temperatura corporea entro un intervallo ristretto (in genere tra i 36 e i 38 gradi).

La termoregolazione è di per sé un esempio di un processo più ampio in biologia chiamato omeostasi: il mantenimento da parte di un organismo di un ambiente interno costante.

PUNTI CHIAVE

• Cerchiamo di mantenere la temperatura corporea interna tra i 36 e i 38 °C.
• Questa è la temperatura ottimale per importanti reazioni chimiche e per il corretto funzionamento degli enzimi.
• Abbiamo sviluppato diversi meccanismi per mantenere una temperatura corporea stabile.

Come facciamo ad aumentare la temperatura corporea quando fa troppo freddo?

Quando la temperatura corporea scende, esistono diversi modi per riscaldarci. Abbiamo già parlato della «pelle d’oca», grazie alla quale i nostri peli intrappolano l’aria dell’ambiente circostante per isolarci termicamente.

Il nostro corpo è anche in grado di generare energia termica autonomamente. Questo processo è noto come termogenesi.

La termogenesi è possibile perché le reazioni metaboliche nel nostro corpo (come quelle legate alla respirazione cellulare, alla digestione e alla contrazione muscolare) non sono efficienti al 100%: generano energia termica come sottoprodotto.

PUNTI CHIAVE

• La termogenesi indica la produzione di calore derivante da reazioni chimiche all'interno dell'organismo.

La conversione delle diverse forme di energia

Se avete ancora in mente le lezioni di fisica delle scuole superiori, forse ricorderete il primo principio della termodinamica. Secondo questo principio, l’energia non può essere né creata né distrutta, ma può solo essere convertita da una forma all’altra.

Prendiamo ad esempio una lampadina. Questa trasforma l'energia elettrica in energia luminosa. Se, tuttavia, vi è mai capitato di toccarla incautamente, avrete notato che diventa anche molto calda. Questo accade perché le lampadine sono inefficienti: non trasformano tutta l'energia elettrica in energia luminosa. Al contrario, una parte significativa dell'energia elettrica viene trasformata o «persa» sotto forma di energia termica.

Le nostre cellule funzionano in modo simile. Durante la respirazione, trasformano l'energia chimica proveniente dal cibo nella forma energetica standard, l'adenosina trifosfato (ATP). L'ATP può quindi essere utilizzato per alimentare i processi cellulari, come il trasporto di molecole, la crescita e la contrazione muscolare. Una parte dell'energia chimica proveniente dal cibo, tuttavia, viene convertita in energia termica. Ciò provoca un aumento della temperatura corporea.

Anche la contrazione muscolare genera una grande quantità di energia termica. Durante la contrazione muscolare, l'energia chimica contenuta nell'ATP viene convertita in energia cinetica man mano che le fibre muscolari si accorciano. Nell'ambito di questo processo, l'ATP viene scisso dall'enzima miosina ATPasi in ADP e fosfato. Questa reazione chimica produce una grande quantità di calore.

A proposito, è proprio per questo motivo che durante l'attività fisica sentiamo caldo, dato che molti muscoli si contraggono. Infatti, alcuni studi indicano che, rispetto allo stato di riposo, il nostro corpo produce 15-20 volte più energia termica durante l'attività fisica.

PUNTI CHIAVE

• Le reazioni chimiche che avvengono durante la contrazione muscolare generano energia termica.
• Durante la respirazione cellulare, le cellule trasformano l'energia chimica proveniente dal cibo in ATP, la valuta energetica del nostro organismo.
• Il processo di respirazione cellulare non è efficiente al 100% e converte anche parte dell'energia chimica in energia termica.

Diversi tipi di termogenesi

Partendo dal principio che le reazioni metaboliche trasformano l'energia chimica in energia termica, esistono due tipi principali di termogenesi:

- Termogenesi da brividi.

I brividi sono causati da contrazioni rapide e ripetute dei muscoli scheletrici. Come spiegato in precedenza, la scomposizione dell'ATP durante la contrazione muscolare genera energia termica.

- Termogenesi senza brividi.

La termogenesi senza brividi consiste nella produzione di calore derivante da reazioni metaboliche senza contrazione muscolare.

Negli esseri umani e in altri mammiferi,ciò comporta principalmente una deviazione o un “disaccoppiamento” della respirazione cellulare, al fine di generare energia termica a scapito della produzione di ATP. In altre parole, si può dire che la termogenesi non associata ai brividi riduce l’efficienza della respirazione cellulare: una percentuale maggiore di energia chimica viene convertita o “persa” sotto forma di energia termica.

Oltre ad aiutarci a mantenerci al caldo quando fa freddo, la termogenesi senza brividi costituisce uno dei principali meccanismi per smaltire l'energia chimica in eccesso assunta con l'alimentazione. Inoltre, il nostro organismo è in grado di modificare il tasso di termogenesi senza brividi per regolare il nostro bilancio energetico complessivo. Questo fenomeno è noto come termogenesi adattativa.

Termogenesi ed efficienza metabolica

Il tratto "Efficienza metabolica e UCP1" si concentra in particolare sulla termogenesi non associata ai brividi.

In linea generale, le persone con una minore efficienza metabolica presentano un tasso più elevato di termogenesi non associata ai brividi e dispendono una maggiore quantità di energia sotto forma di calore attraverso la respirazione.

Al contrario, le persone con una maggiore efficienza metabolica presentano un tasso più basso di termogenesi non associata ai brividi e disperdono meno energia sotto forma di calore.

PUNTI CHIAVE

• La termogenesi senza brividi consiste nella produzione di energia termica senza contrazione muscolare.
• Durante la termogenesi non associata ai brividi, il processo di respirazione cellulare diventa meno efficiente, per cui una percentuale maggiore dell'energia chimica proveniente dal cibo viene convertita in energia termica.

Quali tessuti sono responsabili della termogenesi non associata ai brividi?

Tessuto adiposo bruno

Molti mammiferi, compresi gli esseri umani, possiedono un tipo speciale di tessuto adiposo chiamato tessuto adiposo bruno (BAT). Questo tessuto adiposo svolge un ruolo fondamentale nella produzione di energia termica per mantenerci al caldo. Le cellule del BAT, chiamate«adipociti bruni», sono progettate in modo unico per produrre calore attraverso la respirazione cellulare e, a tal fine, producono una proteina specializzata chiamata UCP1 (ne parleremo più avanti).

In passato si riteneva che il tessuto adiposo bruno fosse presente e utilizzato per la termogenesi solo nei neonati. Prove sempre più numerose dimostrano tuttavia che il tessuto adiposo bruno è presente e metabolicamente attivo anche negli adulti. Ciononostante, la quantità di tessuto adiposo bruno diminuisce con l'avanzare dell'età.

Adipociti beige

L'altro tipo di tessuto adiposo presente nel nostro corpo è chiamato tessuto adiposo bianco. Esso costituisce la maggior parte del nostro tessuto adiposo e funge da riserva energetica. Il tessuto adiposo bianco è composto principalmente da cellule chiamate adipociti bianchi, costituite da grandi goccioline lipidiche e che in genere non svolgono alcun ruolo nella termogenesi non legata ai brividi.

Alcuni adipociti bianchi, tuttavia, possono trasformarsi in adipociti "di tipo bruno". In altre parole, iniziano a produrre la proteina UCP1 e acquisiscono la capacità di generare calore. Queste cellule sono note come adipociti"beige"o"brite".

Il processo di trasformazione degli adipociti bianchi in adipociti beige è noto come«browning». Il «browning» sembra essere una risposta adattativa benefica e si verifica in seguito a un'esposizione prolungata al freddo e all'esercizio fisico.

PUNTI CHIAVE

• La termogenesi non associata ai brividi è prodotta dal tessuto adiposo bruno.
• Il tessuto adiposo bruno è presente e attivo negli esseri umani adulti.
• Il tessuto adiposo bianco può subire un processo di «brunizzazione», in cui le cellule adipose acquisiscono la capacità di produrre calore senza brividi.

In che modo la termogenesi senza brividi produce calore?

Il tessuto adiposo bruno è così chiamato perché appare di colore marrone, principalmente a causa della presenza di elevate quantità di mitocondri.

Come forse ricorderete dall'articolo sulla biogenesi mitocondriale, i mitocondri sono le «centrali energetiche della cellula». Attraverso il processo di respirazione cellulare, i mitocondri convertono l'energia chimica proveniente dal glucosio, dagli acidi grassi e dagli aminoacidi nell'ATP, la principale forma di energia chimica dell'organismo.

I mitocondri del tessuto adiposo bruno, tuttavia, producono una proteina unica chiamata proteina disaccoppiante 1 o UCP1. Questa proteina contribuisce a «disaccoppiare» la respirazione cellulare dalla produzione di ATP, facendo sì che i mitocondri convertano invece l'energia chimica in energia termica.

PUNTI CHIAVE

• I mitocondri presenti nel tessuto adiposo bruno "disaccoppiano" la respirazione cellulare dalla produzione di ATP, generando invece energia termica.

Respirazione mitocondriale

Prima di approfondire il modo in cui i mitocondri “disaccoppiano” la respirazione cellulare per produrre energia termica, vale la pena dare un’occhiata a come la respirazione cellulare produce normalmente l’ATP.

Qui le cose si complicano un po', quindi cercheremo di spiegare tutto nel modo più semplice possibile.

I mitocondri sono responsabili in particolare di due fasi della respirazione cellulare: il ciclo dell'acido citrico (o ciclo di Krebs) e la catena di trasporto degli elettroni. (È proprio quest'ultima fase della respirazione, la catena di trasporto degli elettroni, che viene utilizzata dai mitocondri presenti nel tessuto adiposo bruno per generare calore).

Durante la fase della catena di trasporto degli elettroni del processo respiratorio, i mitocondri trasformano essenzialmente l'energia elettrica derivante dal movimento delle particelle cariche in energia chimica sotto forma di ATP.

I mitocondri sono strutturati appositamente per svolgere questa funzione. Come illustrato nel diagramma sottostante, i mitocondri sono costituiti da una matrice circondata da una membrana mitocondriale interna. All'esterno di questa membrana si trova uno spazio denominato spazio intermembranario. Infine, è presente una membrana mitocondriale esterna.

Quando gli ioni idrogeno [H+] (noti anche come protoni), che sono particelle portatrici di carica elettrica, attraversano la membrana mitocondriale interna, si genera ATP.

Più precisamente, durante la catena di trasporto degli elettroni, gli ioni H+ vengono pompati dalla matrice attraverso la membrana mitocondriale interna nello spazio intermembranario. Ciò crea una differenza di tensione o di potenziale, un po’ come in una batteria.

Gli ioni H+ possono quindi tornare (seguendo un gradiente di tensione) nella matrice, ma solo attraverso un enzima appositamente progettato chiamato ATP sintasi.

L'ATP sintasi funziona un po' come una turbina in una diga. Quando gli ioni idrogeno attraversano la membrana mitocondriale interna, una parte dell'enzima ATP sintasi ruota come un rotore. Questo movimento rotatorio catalizza quindi la produzione di ATP, la fonte di energia delle nostre cellule.

A questo proposito, si dice che l'enzima ATP sintasi «accoppia» il movimento degli ioni H+ (una forma di energia elettrica) alla produzione di ATP (una forma di energia chimica).

PUNTI CHIAVE

• Durante la respirazione cellulare, i mitocondri generano energia elettrica pompando ioni H+ dalla matrice attraverso la membrana mitocondriale interna.
• Gli ioni H+ possono quindi rifluire attraverso l'enzima ATP sintasi.
• L'enzima ATP sintasi converte l'energia elettrica generata dal movimento degli ioni H+ in energia chimica (sotto forma di ATP).

Disaccoppiamento mitocondriale

Come spiegato in precedenza, durante la respirazione cellulare, gli ioni H+ che attraversano la membrana mitocondriale interna sono solitamente costretti a passare attraverso l'enzima ATP sintasi, producendo così ATP.

Dal punto di vista della conversione energetica, questo processo trasforma l'energia elettrica in energia chimica.

La membrana mitocondriale interna, tuttavia, presenta anche dei canali specializzati chiamati proteine di disaccoppiamento (UCP). Una di queste, in particolare, l'UCP1, è presente nella membrana mitocondriale degli adipociti bruni.

L'UCP1 consente agli ioni H+ di tornare nella matrice senza passare attraverso l'enzima ATP sintasi. In questo modo "disaccoppia" il movimento degli ioni H+ dalla produzione di ATP.

Questo processo è noto come disaccoppiamento mitocondriale o perdita di protoni.

Ancora una volta, in termini di conversione energetica, ciò significa che una minore quantità di energia elettrica viene convertita in energia chimica.

Tuttavia, secondo la prima legge della termodinamica, l'energia non può essere distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra. Di conseguenza, invece di essere convertita in energia chimica, l'energia elettrica derivante dal movimento degli ioni H+ attraverso le proteine di disaccoppiamento viene trasformata in energia termica. Questo processo provoca quindi un aumento della temperatura corporea.

PUNTI CHIAVE

• L'UCP1 consente agli ioni H+ di attraversare la membrana mitocondriale interna senza passare attraverso l'enzima ATP sintasi e senza produrre ATP.
• L'UCP1 converte l'energia elettrica generata dal movimento degli ioni H+ in energia termica.
• L'UCP1 riduce la conversione dell'energia elettrica in energia chimica (ATP): disaccoppia la respirazione cellulare dalla produzione di ATP.

Che cos'è l'UCP1?

UCP1 sta per proteina di disaccoppiamento 1.

Esistono diversi tipi di proteine di disaccoppiamento (UCP), tra cui: UCP1, UCP2, UCP3, UCP4 e UCP5.

L'UCP1 è coinvolta principalmente nella termogenesi non tremolante ed è presente esclusivamente nei mitocondri del tessuto adiposo bruno.

Inoltre, durante il processo di “brunimento” del tessuto adiposo bianco, gli adipociti beige iniziano a produrre la proteina UCP1 e acquisiscono la capacità di generare energia termica.

Attivazione dell'UCP1

L'UCP1 viene attivata dagli acidi grassi (che costituiscono uno dei principali elementi costitutivi del grasso).

Durante la termogenesi non associata ai brividi, il tessuto adiposo bruno scompone il grasso in acidi grassi. Questo processo confluisce infine nella fase della catena di trasporto degli elettroni della respirazione cellulare (come spiegato sopra) e determina il pompaggio di ioni H+ attraverso la membrana mitocondriale interna. Quando questi ioni ritornano attraverso i canali UCP1 attivati, generano energia termica. Mettendo insieme questi passaggi, possiamo considerare il tessuto adiposo bruno come in grado di “bruciare” letteralmente il grasso per mantenerci al caldo.

L'esposizione al freddo, l'attività fisica e la stimolazione dei nervi simpatici (responsabili della risposta "lotta o fuga") possono inoltre stimolare la combustione dei grassi nel tessuto adiposo bruno e attivare la proteina UCP1.

PUNTI CHIAVE

• UCP1 sta per proteina di disaccoppiamento 1.
• L'UCP1 è presente esclusivamente nei mitocondri del tessuto adiposo bruno.
• Gli acidi grassi prodotti dalla scomposizione dei grassi attivano l'UCP1.
• Sia l'esposizione al freddo che l'esercizio fisico attivano e aumentano la produzione di UCP1.

Disaccoppiamento, efficienza metabolica e aumento di peso

“Calorie assunte contro calorie bruciate”

Probabilmente avete già sentito questo detto e, sebbene il metabolismo umano sia molto più complesso di quanto questa semplice frase possa far pensare, in sostanza è vero.

L'aumento o la perdita di peso dipendono dal nostro bilancio energetico complessivo: la differenza tra l'apporto energetico derivante dal cibo (cioè le calorie assunte) e il dispendio energetico necessario per i processi vitali, la crescita e il movimento (cioè le calorie bruciate).

Il nostro bilancio energetico si calcola semplicemente con la seguente formula:

Bilancio energetico = Assunzione energetica – Dispendio energetico

Quando l'apporto energetico è superiore al dispendio energetico ( cioè quando si ha un bilancio energetico positivo), l'energia in eccesso viene immagazzinata (principalmente sotto forma di grasso) e si finisce per aumentare di peso.

Sappiamo che il nostro apporto energetico dipende da cosa e quanto mangiamo. Ma in cosa spendiamo esattamente la nostra energia?

Esistono tre grandi categorie di dispendio energetico:

• Energia consumata per digerire e assorbire il cibo.
• Energia consumata durante l'attività fisica.
• L'energia consumata per tutti i processi biologici che ci mantengono in vita a riposo (nota come metabolismo basale).

La termogenesi da disaccoppiamento / non legata ai brividi rappresenta circa il 20-25% del nostro metabolismo basale. Costituisce quindi una parte significativa sia del nostro metabolismo basale che del dispendio energetico totale.

Disaccoppiamento ed efficienza metabolica

Se abbiamo un«metabolismo efficiente», tuttavia, consumiamo / «sprechiamo» meno energia chimica nel processo di disaccoppiamento per generare calore. Ciò significa che il nostro metabolismo basale è più basso e, a parità di condizioni, avremo un dispendio energetico totale inferiore.

Tornando all’equazione del bilancio energetico, un«metabolismo efficiente»rende quindi più facile che l’apporto energetico superi il dispendio energetico. Le persone con un metabolismo efficiente corrono quindi un rischio maggiore di immagazzinare l'energia in eccesso sotto forma di grasso e di aumentare di peso.

Al contrario, le persone con un«metabolismo inefficiente» consumano più energia nel processo di disaccoppiamento. Avranno quindi un metabolismo basale più elevato e, a parità di altre condizioni, un dispendio energetico totale maggiore. Ciò le espone a un rischio minore di immagazzinare l'energia in eccesso sotto forma di grasso e di aumentare di peso. Lo svantaggio, tuttavia, è che tali individui potrebbero generare in modo meno efficiente l'energia chimica necessaria per l'esercizio fisico e la crescita muscolare.

PUNTI CHIAVE

• La termogenesi disaccoppiata / non associata ai brividi, volta a generare calore, costituisce una delle principali fonti di dispendio energetico.
• Il dispendio energetico fa parte del nostro metabolismo basale, ovvero la quantità di energia che bruciamo a riposo.
• Le persone con un metabolismo poco efficiente "sprecano" più energia nel processo di disaccoppiamento e bruciano più calorie a riposo, il che può comportare un maggiore dispendio energetico complessivo.  
• Le persone con un metabolismo efficiente "sprecano" meno energia nel processo di disaccoppiamento e bruciano meno calorie a riposo, il che può comportare un minor dispendio energetico complessivo.
• Un metabolismo efficiente aumenta il rischio di aumento di peso se l'apporto energetico (alimentare) supera il dispendio energetico.

Genetica

Il tuo ultimo tratto analizza le varianti del tuo gene UCP1, che codifica la proteina disaccoppiante UCP1.

Le varianti di questo gene influenzano l'espressione della proteina UCP1 nel tessuto adiposo bruno e, di conseguenza, il tasso di disaccoppiamento mitocondriale / termogenesi non tremolante. Questo, a sua volta, influisce sull'efficienza metabolica, che può alterare il rischio di aumento di peso.

Gli studi suggeriscono che le varianti genetiche associate a una minore espressione e attività della proteina UCP1 portano a un minore disaccoppiamento e quindi a un metabolismo più efficiente. Ciò aumenta il rischio di sovrappeso e obesità.

A prescindere dal proprio corredo genetico, esistono diversi cambiamenti nello stile di vita che è possibile adottare per modificare l’espressione della proteina UCP1. Assicurati di consultare le azioni personalizzate nella sezione «Efficienza metabolica e tratto UCP1».

PUNTI CHIAVE

• Le varianti del gene UCP1 influenzano il tasso di termogenesi non tremolante, l'efficienza metabolica e il rischio di aumento di peso.

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