Calorie e bomba calorimetrica

1) Prima legge della termodinamica: l'energia può essere convertita da una forma ad un'altra ma non può essere né creata né distrutta.
2) Quante sono le forme di energia? Molte: elettrica, radiante, meccanica... per rispondere a questa domanda, in particolare, dobbiamo concentrarci soprattutto sull'energia chimica e su quella termica.
3) Poiché le sue molte forme sono interconvertibili (vedi punto 1), l'energia è più convenientemente espressa da una singola unità energetica. Benché esistano molte unità di energia, in biologia le più comunemente usate sono le chilocalorie (kcal) ed i chilojoule (kJ). Pertanto quando parliamo di calorie parliamo di energia, non necessariamente di quella termica!!
4) Il corpo umano è una macchina termica, brucia i nutrienti come una stufetta per produrre energia? Certo che no; il corpo umano utilizza i nutrienti (energia chimica potenziale) per ricavare energia chimica potenziale rapidamente disponibile al bisogno, attraverso la sintesi di ATP. Durante questo laborioso processo, una parte importante di energia (60% circa) viene inevitabilmente perduta sotto forma di calore.
5) Perché l'ATP è una molecola dotata di energia chimica potenziale? Perché chimicamente instabile, come un sasso ai margini di un precipizio: "basta una spinta" e libera una grande quantità di energia (questo per rendere l'idea). Ovviamente non tutta l'ATP viene prodotta e utilizzata all'istante, ma le velocità di sintesi ed utilizzo dipendono dalle richieste metaboliche.
6) Pertanto, partendo da una fonte di energia chimica potenziale (nutrienti) il corpo ricava energia chimica potenziale (ATP), a sua volta utilizzata per produrre energia chimica (necessaria, ad esempio, all'attività degli enzimi che regolano le varie reazioni cellulari), cinetica (perché il corpo umano si muove) ecc. Una parte di energia viene "perduta" sotto forma di calore (le virgolette, perché questo calore è essenziale alla vita stessa dell'organismo, come testimoniano i brividi, durante i quali si consuma volontariamente energia chimica per sviluppare energia termica; le rezioni chimiche ed enzimatiche, infatti, sono estremamente sensibili alla temperatura). Nel caso si presenti la necessità, il corpo umano ha anche la capacità di conservare quantità importanti di energia, sintetizzando nuovi nutrienti e depositandoli come riserva (glicogeno e trigliceridi di riserva). Tutti i processi vitali sono legati a trasformazione di energia!
7) Quando è in salute, il corpo umano è una macchina che rasenta la perfezione. Dobbiamo pertanto aspettarci che la quantità di energia "perduta" sotto forma di calore sia proporzionale alla quantità di energia chimica liberata. Per quanto detto, il calore prodotto dal corpo umano ne riflette l'attività metabolica: se corriamo molto la produzione di energia aumenta, di conseguenza aumenta anche il calore prodotto e la velocità con cui viene eliminato (la temperatura interna, come ricordato, deve rimanere pressoché costante).
8) DOPO QUESTA DOVEROSA PREMESSA
9) Per valutare il fabbisogno di alimenti necessario a coprire le necessità energetiche di un organismo, è necessario da un lato determinare la quantità di energia chimica contenuta negli alimenti e dall'altro la quantità di energia che l'organismo consuma durante le sue attività.
10) Dall'ossidazione completa In vivo dell'acido palmitico (un acido grasso) a CO2 e H2O si producono complessivamente 131 molecole di ATP; un paio di molecole sono spese per l'attivazione dell'acido grasso. Alla fine dalla Beta ossidazione di una mole di acido palmitico (256 grammi) si ottengono quindi 129 moli di ATP, una certa quantità di CO2 ed una certa quantità di acqua.
11) Se bruciamo un grammo di grassi in una bomba calorimetrica, la combustione richiede il consumo di ossigeno e produce anidride carbonica ed acqua (proprio come succede nell'organismo). Ne consegue che il corpo umano ricava dall'acido palmitico la stessa quantità di energia di quella liberata per combustione, certo non sotto forma di calore, ma la quantità di energia ricavata tenendo conto anche della quota dispersa come calore, è sempre la stessa (ricordate il punto uno?!). Nello specifico 9,45 Kcal. A tale quota, però, è necessario sottrarre le Kcal perdute per la Digestione e la metabolizzazione del grasso. Per questo motivo, per i lipidi si approssima un apporto energetico pari a 9 Kcal per grammo, leggermente inferiore rispetto a quello sviluppato per combustione. Se consideriamo che una mole di ATP sviluppa 7,3 KCal, da 256 grammi di acido palmitico si ottiene un'energia chimica potenziale di circa 941,7 KCal, quindi circa il 60% dell'energia potenziale viene "perduta" in gran parte sotto forma di calore ed in piccola parte per la digestione ed il metabolismo dell'acido grasso.
12) Stabilito che l'organismo umano ricava dagli alimenti la stessa quantità di energia che questi sviluppano quando bruciati in una bomba calorimetrica (per le proteine, in realtà, la discussione è più complicata, ma non è questa la sede per parlarne) - al netto della quota di energia perduta per digerirli e metabolizzarli - rimane aperto il problema su come stabilire il consumo energetico quotidiano dell'organismo. Per farlo ci sono diverse tecniche, come la calorimetria diretta (valutazione della spesa energetica a partire dalla misurazione della dispersione del calore di un soggetto posto in una camera adeguatamente attrezzata) e quella indiretta (valutazione della spesa energetica attraverso la misurazione delle variazioni di concentrazione dell'ossigeno e dell'anidride carbonica nei gas respiratori)