Nella parte 1 e nella parte 2 di questo articolo, abbiamo analizzato gli effetti di diete estreme in composizione in macronutrienti (proteine, carboidrati e grassi) sull’equilibrio ormonale e neurotrasmettitoriale.
Oltre ai singoli ormoni, un aspetto cruciale per comprendere le differenze tra dieta chetogenica e dieta high-carb è l’effetto sui mitocondri, i “motori” cellulari dove carburanti come glucosio e acidi grassi vengono ossidati per produrre energia (ATP). In particolare, considereremo:
- l’efficienza dell’ossidazione di carboidrati vs grassi;
- il rapporto NAD⁺/NADH nella funzione mitocondriale;
- il ruolo dello stress ossidativo in relazione al carburante metabolico preferenziale.
Efficienza dell’ossidazione: carboidrati vs grassi
Quando parliamo di alimentazione e metabolismo, un aspetto fondamentale è come il nostro corpo utilizza i diversi tipi di carburante, ovvero carboidrati e grassi. I mitocondri, le “centrali energetiche” delle cellule, trasformano questi nutrienti in energia (ATP), ma il modo in cui lo fanno cambia a seconda del tipo di carburante utilizzato.
Carboidrati e grassi, infatti, non forniscono energia nello stesso modo. Essi si distinguono per l’efficienza con cui usano l’ossigeno e per i sottoprodotti che generano. Un parametro utile è il Quoziente Respiratorio (RQ), cioè il rapporto tra CO₂ prodotta e O₂ consumato:
- Per i carboidrati, il RQ è circa 1,0 (ogni molecola di O₂ consumata produce una quantità uguale di CO₂).
- Per i grassi, il RQ è circa 0,7 (ossia servono più molecole di O₂ per la loro ossidazione, con meno CO₂ prodotta).
A parità di ossigeno disponibile, i carboidrati producono circa il 13% in più di energia (ATP) rispetto ai grassi, risultando più efficienti.
Un altro punto da sottolineare è l’importanza della CO₂ prodotta. Lontano dall’essere un mero scarto, la CO₂ svolge invece numerosi ruoli benefici (per approfondire, clicca qui): migliora il rilascio di ossigeno dai globuli rossi ai tessuti (effetto Bohr) e ha proprietà anti-infiammatorie e anti-ossidanti, proteggendo contro ROS e RNS (specie reattive dell’azoto) e contro la perossidazione dei lipidi. Aiutando a mantenere un ambiente cellulare ben ossigenato e mitigando lo stress ossidativo la CO2 sostiene l’efficienza energetica e il buon funzionamento delle cellule.
Bruciare carboidrati genera il 43% in più di CO₂ rispetto ai grassi, ottimizzando la disponibilità di ossigeno alle cellule e favorendo il metabolismo. Al contrario, se si ossidano prevalentemente grassi, la minor produzione di CO₂ può ridurre l’efficacia del rilascio di ossigeno ai tessuti e aumentare lo stress ossidativo mitocondriale.
Il glucosio, quindi, è un “combustibile più pulito”, che si trasforma completamente in CO₂ e acqua, mentre i grassi richiedono più lavoro ai mitocondri e generano meno CO₂ per unità di ossigeno.
Ciò non significa che i grassi siano un “cattivo” carburante – l’elevato contenuto energetico li rende ottimi per immagazzinare riserve e per fornire energia a bassa intensità e lungo termine. Nella dieta chetogenica, l’organismo si adatta a utilizzare i grassi in modo più efficiente possibile (aumenta i mitocondri, enzimi beta-ossidativi, etc.), ma rimane il fatto che per ogni “giro” di ossidazione lipidica si consuma più O₂ e si produce meno anidride carbonica rispetto alla combustione di zuccheri.
Un altro elemento di efficienza è dove avviene l’ossidazione. I carboidrati possono essere ossidati interamente nei mitocondri attraverso la glicolisi (citoplasmatica) seguita dal ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa, oppure parzialmente nel citosol producendo lattato (se l’ossigeno scarseggia). I grassi vengono ossidati nei mitocondri ma anche nei perossisomi (organelli che avviano la beta-ossidazione generando però H₂O₂, una specie reattiva dell’ossigeno, invece di ATP quando degradano acidi grassi molto lunghi). L’evoluzione dei perossisomi, come notato in alcuni studi, è servita proprio a gestire il carico ossidativo e i radicali derivanti da un eccesso di FADH₂/NADH generato dalla beta-ossidazione. Questo porta al prossimo punto: il bilancio tra NAD⁺ e NADH.
Carboidrati vs. grassi: effetti sull’equilibrio redox
Il metabolismo è un sistema dinamico che si basa su un delicato equilibrio tra ossidazione e riduzione, due processi chimici complementari che regolano la produzione di energia nelle cellule.
- OSSIDAZIONE: è il processo in cui una molecola perde elettroni. Nel metabolismo, questo avviene quando il nostro corpo utilizza il cibo per produrre energia: i nutrienti vengono “ossidati” e rilasciano elettroni, che vengono poi usati per produrre ATP (adenosina trifosfato), la “moneta energetica” delle cellule.
- RIDUZIONE: è il processo opposto, in cui una molecola acquista elettroni (e spesso anche protoni, H+). Un esempio tipico è la riduzione del NAD⁺ a NADH (NAD+ + 2e− + H+→ NADH) un processo, come vedremo, essenziale per mantenere l’equilibrio tra consumo e produzione di energia e per la protezione dallo stress ossidativo.
La riduzione è essenziale per l’equilibrio energetico perché permette l’accumulo di energia sotto forma di elettroni ad alta energia: è inoltre fondamentale per bilanciare i processi ossidativi. Senza la riduzione, non ci sarebbe un corretto flusso di elettroni nella catena respiratoria, e il metabolismo energetico mitocondriale non potrebbe funzionare in modo efficiente.
Durante la glicolisi, il ciclo di Krebs e la β-ossidazione—le principali vie metaboliche che convertono il cibo in energia—NAD⁺ e FAD vengono ridotti a NADH e FADH₂.
Durante la fosforilazione ossidativa—la fase terminale del metabolismo responsabile della sintesi di ATP—questi coenzimi vengono riossidati (NADH → NAD⁺ e FADH₂ → FAD), rilasciando energia per la produzione di ATP.
NADH e FADH2 servono quindi come “batterie” che immagazzinano energia che viene poi utilizzata nella catena di trasporto degli elettroni per produrre ATP.
La continua riduzione e ossidazione dei coenzimi assicura che la cellula possa produrre energia in modo sostenibile.
Se la riduzione non avviene correttamente, non si potrebbero immagazzinare elettroni e il metabolismo si bloccherebbe. Se troppo NADH si accumula senza essere riossidato (senza cedere elettroni), la cellula entra in uno stato ridotto e il metabolismo rallenta.
Il Rruolo del rapporto NAD⁺/NADH nella funzione mitocondriale
Il rapporto tra NAD⁺ e NADH è un indicatore fondamentale dello stato metabolico della cellula. NAD⁺ è la forma ossidata, necessaria per accettare elettroni e permettere il corretto funzionamento della catena respiratoria mitocondriale. NADH, invece, è la forma ridotta, che dona elettroni per la produzione di energia.
Un rapporto NAD⁺/NADH elevato (ovvero la presenza nella cellula di più NAD⁺ disponibile rispetto a NADH) è positivo perché indica un ambiente più ossidato, favorevole all’ingresso di substrati nel ciclo di Krebs e a una robusta attività respiratoria.
Un rapporto basso (accumulo di NADH e scarsità di NAD⁺) segnala un ambiente più ridotto, in cui i mitocondri faticano a ossidare ulteriormente substrati perché la “coda” della catena di montaggio elettronica è intasata. In uno stato più ridotto il metabolismo rallenta, predisponendo la cellula a inefficienze e producendo uno stato simile a quello osservato in condizioni di ipossia o stress cronico.
La scelta del carburante influenza questo rapporto.
L’ossidazione dei carboidrati (glucosio) produce relativamente più NADH e meno FADH₂ rispetto all’ossidazione dei grassi. Ad esempio, durante la glicolisi e la decarbossilazione del piruvato a acetil-CoA si generano NADH; ogni unità di glucosio, entrando nei mitocondri, produce un flusso di NADH significativo e una maggiore produzione di CO₂, che aiuta a stabilizzare l’ambiente cellulare.
Mentre la beta-ossidazione degli acidi grassi genera per ogni acetil-CoA una molecola di NADH e una di FADH₂, alterando il flusso elettronico nei mitocondri e la rigenerazione del NAD. Se il metabolismo dei grassi diventa predominante in assenza di carboidrati, può verificarsi un progressivo abbassamento del rapporto NAD⁺/NADH, che rallenta il metabolismo mitocondriale e ostacola la completa ossidazione dei substrati.
In condizioni prolungate di basso NAD⁺, infatti, alcuni enzimi chiave della produzione energetica vengono inibiti, riducendo l’efficienza del ciclo di Krebs e promuovendo un maggiore utilizzo del glucosio verso la produzione di lattato piuttosto che di ATP. Spostare il metabolismo dal glucosio ai grassi sposta lo stato di ossidoriduzione verso il lato ridotto, allontanandolo dallo stato ottimale ossidativo. Questo stato metabolico può contribuire all’invecchiamento cellulare e a condizioni patologiche legate alla disfunzione mitocondriale.
In sintesi, una dieta che supporta un metabolismo più ossidativo, come quella ricca di carboidrati, favorisce un flusso energetico più coerente, un uso più efficiente dell’ossigeno e una produzione ottimale di energia, mentre un metabolismo troppo sbilanciato sui grassi, specialmente in condizioni di restrizione glucidica, può rallentare la produzione di ATP e mantenere i mitocondri in uno stato prevalentemente ridotto (NADH alto, NAD⁺ basso), non ideale per una salute cellulare ottimale.
Va detto che il corpo ha sistemi di compensazione: durante la chetosi, l’aumento di chetoni come il beta-idrossibutirrato può influenzare direttamente il rapporto NAD⁺/NADH (il beta-idrossibutirrato è una molecola che porta equivalenti di potere riducente, convertendosi in acetoacetato rilascia NADH nel processo). Alcuni studi su animali suggeriscono che la chetosi cronica attivi vie di segnalazione (come le sirtuine) che aumentano NAD⁺ per controbilanciare. Quindi, gli effetti netti sul rapporto NAD⁺/NADH in vivo possono variare: in alcune condizioni la keto diet a basso apporto di proteine può mimare la restrizione calorica e aumentare NAD⁺ (attivando SIRT1, PGC1α e biogenesi mitocondriale).
Scelta del carburante e stress ossidativo
Lo stress ossidativo deriva da uno squilibrio tra produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e la capacità delle cellule di neutralizzarle. Il tipo di carburante metabolico può influire su questo bilancio. Come accennato, l’ossidazione dei grassi genera meno CO₂, il che può ridurre il rilascio di ossigeno ai tessuti e portare più facilmente a condizioni di pseudo-ipossia dove i mitocondri, pur avendo ossigeno vicino legato all’emoglobina, non lo utilizzano appieno e accumulano NADH.
Lo squilibrio nel rapporto NAD⁺/NADH altera la dinamica della catena di trasporto degli elettroni, favorendo una maggiore produzione di specie reattive dell’ossigeno.
In tali condizioni, infatti, gli elettroni in eccesso nella catena respiratoria hanno una maggiore probabilità di reagire con l’ossigeno, formando anione superossido (O₂⁻) e altre ROS. Un basso rapporto NAD⁺/NADH è quindi direttamente associato a una maggiore fuga di elettroni e a un incremento della produzione di radicali liberi, contribuendo allo stress ossidativo.
Inoltre, l’ossidazione incompleta dei grassi può portare ad accumulo di intermedi e al coinvolgimento dei perossisomi, che producono perossido di idrogeno (H₂O₂) quando metabolizzano gli acidi grassi troppo lunghi per i mitocondri. Anche gli acidi grassi insaturi presenti nelle membrane cellulari sono soggetti a perossidazione lipidica in ambiente ossidativo, generando radicali liberi che possono danneggiare membrane e proteine. Le catecolamine elevate (più probabili in low-carb) e il cortisolo contribuiscono ad aumentare la lipolisi liberando molti acidi grassi nel sangue, il che in certe circostanze può incrementare lo stress ossidativo (acidi grassi liberi alti sono associati a insulino-resistenza e danno endoteliale, ad esempio).
I carboidrati, producendo più CO₂ e mantenendo un flusso respiratorio elevato, tendono a minimizzare la generazione di ROS per unità di ATP prodotta.
Il piruvato (derivato dal glucosio) inoltre ha proprietà antiossidanti indirette, in quanto se non entra nei mitocondri può essere convertito in lattato che chela radicali, o in alanina che esporta azoto. In presenza di abbondante glucosio, le cellule producono anche più glutatione (uno dei principali antiossidanti intracellulari) perché il NADPH generato dalla via dei pentoso fosfati aiuta a mantenerlo ridotto. All’opposto, un metabolismo centrato sui grassi potrebbe deviare meno glucosio in quella via, potenzialmente riducendo la disponibilità di NADPH per difese antiossidanti.
La CO₂, come già menzionato, non è solo un prodotto neutro ma protegge contro ROS e RNS (specie reattive dell’azoto) e contro la perossidazione dei lipidi. Inoltre agisce da tampone e modula il pH in senso acido, il che paradossalmente protegge, poiché molti radicali sono meno stabili in ambiente leggermente acido.
