Biochimica generale e dello sport

Biochimica generale e dello sport - primo semestre

17/10/2024

Introduzione al corso

Noi dobbiamo conoscere bene la biochimica per poi capire quello che lo sport cambia della biochimica.

• Lo sport è il meccanismo fisiologico più potente per alterare l’omeostasi metabolica.
• Ci dà tante informazioni non solo per lo sportivo ma anche per la gente comune perché ci consente di comprendere meglio la biochimica normale.

3 obiettivi importanti:

1. Conoscere e comprendere le proprietà chimico-fisiche e l’organizzazione strutturale delle principali macromolecole biologiche (glucidi, lipidi…);
2. Conoscere e comprendere le principali vie metaboliche e i meccanismi che regolano il metabolismo di un uomo sano normale;
3. Conoscere e comprendere la biochimica e la bioenergetica del muscolo scheletrico affinché si possano spiegare, dal punto di vista molecolare, i principali adattamenti indotti dall’esercizio fisico.

Il corso è annuale → 10 CFU ed è strutturato in 20 lezioni (10 per semestre).

• Nel secondo semestre, il corso prevede anche un laboratorio di Biochimica della nutrizione con la professoressa Daniela Tavian.

Nessun libro (appunti e attenzione a lezione).

Esame

30 domande a scelta multipla – 5 risposte delle quali 1 sola corretta.

1 punto per risposte esatte, 0 punti per errate o non date.

30 lode → 30 domande esatte.

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La logica molecolare

“Gli organismi viventi sono composti da molecole inanimate” → A. Lehninger.

Queste molecole seguono delle leggi che regolano la vita di queste molecole inanimate. Queste leggi sono quelle della chimica e della fisica.

Lo scopo della biochimica è quello di capire come, dall’interazione di molecole inanimate, si genera e si perpetua la vita → devo conoscere, inizialmente, le molecole.

Biochimica:

• Descrittiva → studio della composizione della materia vivente.
• Dinamica → studio del metabolismo.

Materia:

• È costituita da un elemento.
• È una porzione omogenea (= composta da atomi uguali).

La materia è divisa in:

• Sostanze pure.
• Elementi.
• Composti → composizione di più elementi.
• Miscele.

Soluzione → è una miscela omogenea.

Il solvente è presente in forma maggiore (in questo caso l’acqua).

Il soluto è presente in condizioni minori perché è sciolto.

Solvente + soluto = soluzione.

Una soluzione può essere:

• Gassosa.
• Solida.
• Liquida.

Acqua

Acqua: è formata da due elementi: ossigeno e idrogeno.

• Ossigeno → una molecola.
• Ossigeno due molecole →

In natura ci sono 109 elementi ma, in realtà, solo pochi vengono utilizzati dal corpo umano.

→ 25 sono fondamentali per la vita;

→ → di questi 25, solo 4 compongono il 97% del corpo umano:

• Ossigeno - O.
• Carbonio - C.
• Idrogeno - H.
• Azoto - N.

L’acqua è l’elemento principale che costituisce il corpo umano.

• Più si cresce, meno acqua abbiamo in corpo.
• È il solvente dove hanno luogo la maggior parte delle reazioni biochimiche.

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Le macromolecole biologiche hanno quella struttura/funzione per interagire con l’acqua. Nessun altro solvente ti garantisce quella struttura e, quindi, quel solvente. Impone “conformazioni preferenziali”.

L’acqua è una molecola polare.

• Si viene a creare un dipolo: polo positivo (+) e polo negativo (-).
• L’ossigeno attrae gli elettroni a sé mentre l’idrogeno, perdendoli, diventa positivo.

Non esiste nessun processo che porti ad avere la molecola H₂O → l’acqua a temperatura ambiente che abbiamo nel nostro corpo non ha una formula perché, ogni atomo di ossigeno attrae elettroni a sé mentre, il polo positivo sono i due atomi di idrogeno.

L’acqua è una maglia, una rete di legami idrogeno deboli.

• Se metto insieme tanti legami deboli, formo una struttura forte.
• Ma plastica.

L’acqua può formare fino a quattro legami idrogeno.

Composto polare = idrofilo (= amico dell’acqua) → sostanza capace di reagire con l’acqua e che acquista una conformazione ben definita.

Composti non polari/apolari = sono idrofobici → insolubili in acqua.

→ I lipidi non sono solubili in acqua – assumono la forma della goccia.

→ Micella lipidica – le code vanno all’interno, le teste vanno all’esterno.

L’acqua presente nel nostro corpo

Sotto vediamo la rappresentazione della percentuale di acqua presente nel nostro corpo durante le varie fasce d’età:

• La percentuale di acqua presente all’interno del nostro corpo non è fissa ma varia e dipende anche dal sesso e dall’età;
• Dipende anche da altri fattori costituzionali come, ad esempio, il rapporto tra massa muscolare e massa grassa.

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Biomolecole

1. Glucidi o zuccheri.
2. Lipidi.
3. Proteine.
4. Acidi nucleici.
5. Vitamine:
   1. Sono definite, in termini biochimici, come molecole essenziali (essenziale non inteso come fondamentale o vitale ma che non può essere prodotto dalla cellula, va preso esclusivamente con l’alimentazione).

Proprietà generali delle biomolecole

1. Sono strutture complesse e ben organizzate (l’organizzazione è funzionale al ruolo);
2. La struttura specifica di ogni molecola determina la funzione della stessa;
3. Alcune biomolecole sono informazionali → dalla banca dati vengono informazioni per la sintesi proteica e ogni banca dati è diversa;
4. I legami deboli svolgono un ruolo cruciale nella formazione e nel mantenimento della struttura tridimensionale;
5. Sono composti del carbonio:
   1. Unico degli elementi in grado di formare dei legami chimici stabili – è in grado di legare ossigeno, idrogeno e azoto (unico in grado di legarsi con altri elementi così importanti);
   2. Può formare legami singoli, doppi e tripli (poco utilizzati).

I composti più semplici del carbonio sono gli idrocarburi.

• Gli idrocarburi sono poco importanti dal punto di vista bio-medico.
• Sono invece importanti altre molecole organiche nelle quali uno o più legami tra “C” e.
• “H” sono sostituiti con legami con gruppi funzionali.

Gruppi funzionali

Gruppo ossidrile C – OH.

Gruppo carbonile C – O.

Gruppo carbossile C – COOH → con pH 7.4 abbiamo C – COO +.

Gruppo amminico C – NH₂ → tende ad accettare H e diventa gruppo ammonio = C – NH₃.

Gruppo aldeidico C - || O → ultimo legame del carbonio (dopo “C” hai “H”).

Gruppo chetonico C - || O → legame ad un carbonio interno alla catena (dopo “C” ho “C”).

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Gruppi carbonilici

Non esistono acidi senza basi e viceversa.

I lipidi, a differenza degli zuccheri, sono uno diverso dall’altro.

24/10/2024

I glucidi

• Macromolecola che compone il corpo umano.
• Carboidrati → idrati del carbonio (carbonio + idrogeno).
• Struttura - funzione = se conosco la struttura, capisco la funzione.

Cosa sono?

• Sono le molecole organiche più abbondanti in natura.
• Svolgono un’ampia gamma di funzioni legate alla diversa tipologia di struttura.
• Composti ternari (= formato da tre elementi) formati da: carbonio, ossigeno, idrogeno.

Classificazione dei glucidi

Ci permette di capire come sono strutturati e, di conseguenza, la loro funzione.

• Sono classificati in base al numero delle unità monomeriche che li compongono.
• (Un mattoncino lego è un monosaccaride, da 2 a 20 sono oligosaccaridi, da 20 in poi sono polisaccaridi).

1. Monosaccaridi = singola unità monomerica.
2. Oligosaccaridi = da 2 a 20 unità monomeriche (con 2 sono i disaccaridi).
3. Polisaccaridi = più di 20 unità monomeriche:
   1. Sostanze che hanno un peso molecolare enorme.

Monosaccaridi

→ Sono definiti zuccheri semplici e possono essere classificati in base a:

1. Al numero di atomi di carbonio - da 3 a 7:
   1. Tre atomi = triosi.
   2. Quattro atomi = tetrosi.
   3. Cinque atomi = pentosi.
   4. Sei atomi = esosi.
   5. Sette atomi = eptosi.
2. Alla natura chimica del gruppo carbonilico (gruppo aldeidico o chetonico).

→ Sono poliidrossi aldeidi o poliidrossi chetoni contenenti almeno tre atomi di carbonio.

→ Sono polialcoli (hanno numerosi gruppi alcolici).

N (numero atomi di C) - 1 → il glucosio, che ha 6 atomi di carbonio, ha 5 gruppi alcolici = poli-idrossi-alcol.

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1. Gruppo carbonilico sull’ultimo atomo di carbonio = aldeide:
   1. = Aldotrioso.
2. Gruppo carbonilico non terminale e sul carbonio in mezzo = chetone:
   1. Chetotrioso.

Gruppo aldeidico

Gli zuccheri, oltre ad avere un gruppo alcolico (OH) hanno anche un gruppo carbonilico (C -- O → doppio legame tra carbonio e ossigeno).

Se il gruppo carbonilico è sull’ultimo carbonio abbiamo un gruppo aldeidico (aldo…); se il gruppo carbonilico è un carbonio centrale ho un gruppo chetonico.

Ribosio

RNA → acido ribonucleico.

• Serve per trascrivere le proteine (quelle che ci differenziano dal resto).

Ribosio = zucchero strutturalmente impiegato per fare acidi nucleici.

→ Il “2 - desossi - Ribosio” non ha il gruppo alcolico.

Basta togliere un gruppo alcolico: uno serve per la sintesi del DNA, un altro per la sintesi del DNA.

La differenza tra i due è solo un gruppo alcolico in posizione 2 → questa piccola differenza cambia completamente la struttura e, di conseguenza, la funzione:

• Ribosio → serve per produrre RNA.
• Desossiribosio → serve per produrre DNA.

Con la nostra dieta, introduciamo moltissimi monosaccaridi e oligosaccaridi → tutti questi zuccheri introdotti vengono convertiti obbligatoriamente in un unico monosaccaride: il glucosio. Perché?

• Il metabolismo glucidico, nell’uomo, è il metabolismo del glucosio; solo il glucosio ci permette di ottenere energia dalla sua demolizione. Gli altri zuccheri introdotti devono essere per forza riconvertiti nel fegato in glucosio perché la nostra macchina può utilizzare come combustibile il glucosio e non può utilizzare altri zuccheri.
• Il combustibile per la macchina umana di tipo glucidico è solo il glucosio. Inserendo zuccheri diversi dal glucosio, sono obbligato a convertire questi zuccheri in glucosio. Glucosio e fruttosio (presente nella frutta) sono molto simili ma hanno delle differenze:
  1. Glucosio: aldoso → ha un gruppo aldeidico.
  2. Fruttosio: chetoso → ha un gruppo chetonico.
     1. Uno dei vantaggi: ha un indice glicemico migliore = stimola meglio l’insulina.

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Epimeri

Epimeri: zuccheri molto simili che cambiano solo per la disposizione spaziale.

Tra glucosio e mannosio notiamo come il gruppo “OH” sia a destra nel glucosio e non a sinistra come nel mannosio (dimensione spaziale).

• Il mannosio è un epimero del glucosio in C2.

Le forme cicliche

Gli zuccheri, appena entrano nel corpo umano, ciclizzano = assumono una forma ciclica.

Perché avviene la ciclizzazione?

• Il gruppo aldeidico agisce con un gruppo alcolico (il C1 agisce con il C6) e forma un anello, ma cosa significa formare un anello?
• I gruppi, con la forma ad anello, possono essere sopra o sotto il piano dell’anello. Aggiungo una dimensione ulteriore alla struttura.

In biochimica, la ciclizzazione è una cosa normalissima.

Oltre a cambiare la posizione, cambia anche la disposizione in base all’anello (che può essere sopra o sotto il piano dell’anello).

La ciclizzazione fa sì che uno degli atomi di carbonio diventi chirale = cambia la sua posizione.

Ciclizzando, possiamo avere due tipi di glucosio:

1. Se il gruppo “OH” va sotto, ottengo α-glucosio.
2. Se il gruppo “OH” va sopra, ottengo β-glucosio.

Ho solamente una diversa posizione spaziale.

Mutarotazione → possono ruotare:

• α-glucosio può diventare β-glucosio e viceversa.
• Serve, però, un enzima.

Oligosaccaridi

→ Sono in presenza di uno o più monosaccaridi legati da un legame covalente detto legame glicosidico.

• Termina in “ico” quindi: legame forte.

Se unisco due monosaccaridi, ottengo un disaccaride.

Gli oligosaccaridi più abbondanti in natura sono i disaccaridi e sono costituiti da due unità monosaccaridiche unite insieme da un legame forte: il legame glicosidico.

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Monosaccaride 1 e monosaccaride 2 → legame forte e covalente: legame covalente = legame che si forma condividendo elettroni.

Il gruppo OH del monosaccaride 1 reagisce con il gruppo OH del monosaccaride 2 (il monosaccaride 1 impegna il carbonio in C1 mentre, il monosaccaride 2 impegna il carbonio in C4) - formo un disaccaride con liberazione di una molecola d’acqua = condenso due monosaccaridi e libero una molecola d’acqua → ho la condensazione.

Si forma un ponte 1 - 4:

• Legame α 1 → 4 glicosidico.

Se io rompo questo legame (nella saliva ci sono degli enzimi)?

• Quando prendiamo il caffè con il saccarosio (zucchero) questo arriva nel fegato e viene idrolizzato/rotto quel legame (idrolisi = lisi con l’aggiunta di una molecola d’acqua).
• Acqua + enzima = rottura del legame.
• Idrolisi → opposto della condensazione - rottura di un legame forte ed impegna molta energia perché devi rompere un legame forte con un enzima aggiungendo una molecola d’acqua.

Disaccaridi di interesse biomedico:

• Maltosio - birra.
• Saccarosio - zucchero classico.
• Lattosio - latte (il bianco del lattosio è lo zucchero).

Colore tessuti → non è il colorante ma l’interazione tra materiale e luce.

Formato da due molecole di glucosio unite da un legame α 1 → 4 glicosidico.

• Quando assumo del maltosio (maltodestrine che contengono il maltosio presente nella birra - luppolo).
• Unione di due molecole di glucosio condensate a formare un legame α 1 → 4 glicosidico.
• Gli enzimi maltasi rompono questo legame e ottengo due molecole di glucosio che posso utilizzare, poi, per produrre ATP.

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Saccarosio

Formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio.

• Il glucosio ciclizza e assume una forma a esagono.
• Il fruttosio ciclizza e assume una forma a pentagono.

Dall’unione di un esagono glucosio con un pentagono fruttosio ottengo questo composto chiamato saccarosio.

Il saccarosio ha un legame α 1 - 2 e non 1 - 4 perché è dovuto alla ciclizzazione (che è diversa).

• Presente nella nostra alimentazione.
• La differenza di questo legame è dovuta alla ciclizzazione diversa del fruttosio.
• Gli enzimi saccarasi rompono questo legame e otteniamo una molecola di glucosio e una molecola di fruttosio. Quest’ultima va convertita in glucosio perché non può essere utilizzata per produrre ATP (riconvertito nel fegato e poi utilizzato).

Lattosio

Formato da una molecola di galattosio e una di glucosio.

Qui, il legame è un legame ponte, è un legame β perché coinvolge il gruppo β del galattosio.

Legame β 1 → 4 glicosidico.

Gli enzimi lattasi rompono questo legame e ottengo il glucosio e il galattosio. Quest’ultimo non può essere utilizzato per produrre ATP perché deve essere trasformato il glucosio.

Lattosio → lattasi.

• Se non hai questo enzima, aumenta il galattosio nel sangue e si ha la galattosemia.
• Nei bimbi piccoli, questa malattia aumenta fortemente portando alla morte o a danni al sistema nervoso centrale perché è tossico.
• Si fanno dei test per vedere se un neonato ha questo enzima o no.

Celiachia → dovuta all’incapacità di rompere questo legame.

Destrine

Destrine → cosa sono? Sono oligosaccaridi formati da catene corte (8/9/10 mattoncini di glucosio) di glucosio legate insieme. Formate solo da glucosio.

Noi non produciamo destrine - sono ciclodestrine perché hanno la forma ad anello. Destrine e ciclodestrine sono la stessa cosa perché, tanto, gli zuccheri ciclizzano.

Quando ciclizzano, formano un canestro e viene utilizzato per trasportare i farmaci.

Al centro del canestro metto il farmaco. Questo fatto di far legare il canestro a far trasportare il farmaco, ne rallenta il trasporto → momento dopo momento, rilascia una certa quantità del farmaco permettendo di controllare la pressione arteriosa per le successive 24 h.

• Uso delle destrine come trasportatori di farmaci.
• Nell’ipertensione ma usato anche nei cortisonici.

Usato quando voglio far rilasciare una quantità costante del farmaco (né troppo né troppo poco).

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Maltodestrine

Maltodestrine: sostanze molto ricche di glucosio ma, a differenza dei polisaccaridi, hanno un assorbimento rapido proprio perché sono piccole catene di glucosio molto idratate e ti consentono:

• Da un lato: una migliore idratazione.
• Dall’altro: una carica energetica significativa.

Sono molto utilizzate nell’alimentazione dello sportivo (ciclista, maratoneta…).

Hanno, quindi, due funzioni:

• Una farmacologica.
• Una nutrizionale.

Polisaccaridi

• Sono polimeri ad alto peso molecolare.
• Quando si forma un polisaccaride, il peso molecolare di questa sostanza è molto alto.
• La rosetta di glico