Biochimica dell'esercizio fisico

APPUNTI DI BIOCHIMICA DELL’ESERCIZIO FISICO

NOTA: LATTATO

Il lattato è prodotto dal piruvato a spese del NADH⁺H⁺ al fine di riformare NAD⁺ tramite la lattato deidrogenasi permettendo così alla glicolisi di continuare.

DOMANDE E RISPOSTE

D: Cosa determina la spontaneità di un processo?R: La possibilità di passare da un contenuto energetico più alto a uno più basso.

D: Cos’è la termodinamica?R: è la disciplina che studia i trasferimenti energetici.

D: Cos’è la bioenergetica?R: è la disciplina che studia le trasformazioni interne alla cellula dal punto di vista energetico.

D: che cos’è una funzione di stato?R: è una funzione che dipende solo dallo stato iniziale o finale.

D: perché dopo esercizi fisici intensi la contrazione di fa difficoltosa nonostante la presenza di metaboliti energetici?R: La produzione di lattato fa abbassare il pH cellulare e questo provoca la maggior difficoltà delle fibre di miosina a idrolizzare l’ATP, rallentando o addirittura bloccando la contrazione. Inoltre, le miosine di tipo II risentono maggiormente dell’abbassamento del pH rispetto alle miosine di tipo I.

1^° LEGGE DELLA TERMODINAMICA

ΔE = E_B - E_A = Q - L

Dato che i processi biologici avvengono a pressione costante:L = PΔV

Segue cheΔE = Q - PΔV

Siccome nei sistemi biologici la variazione di volume è di trascurabile entità, l’equazione si potrà scrivere:ΔE = Q - ΔH (Entalpia)

Se ΔH<0 il processo è esosergonico e quindi spontaneo.Se ΔH>0 il processo è endoergonico e quindi non si svolge spontaneamente.

2^° LEGGE DELLA TERMODINAMICA

ΔG = ΔH - TΔS

Se ΔG>0 il processo non è spontaneoSe ΔG =0 il processo è all’equilibrioSe ΔG<0 il processo è spontaneo

Data la reazione:A + B ↔ C + D

Ad una determinata temperatura T (k) si avrà che:

ΔG = ΔG⁰ + RTln^{[C] + [D]}/_{[A] + [B]}

ΔG⁰ è detta energia libera standard e corrisponde all’energia libera della reazione calcolata in condizioni standard.

VELOCITÀ DI REAZIONE

Dipende dell’energia di attivazione di una data reazione. Più l’energia di attivazione è elevata, più la reazione si svolgerà lentamente. Il legame enzima-substrato riduce l’entropia delle molecole iniziali a spese delle energie di legame interne all’enzima. Questo permette di abbassare l’energia di attivazione accelerando così la velocità di conversione dei reagenti in prodotti.

Gli enzimi vengono detti trappole entropiche.

Esempio:

L’enzima glicolitico esochinasi catalizza la reazione Glucosio + ATP → Glucosio 6 - fosfato + ADP.

Tale reazione avviene in tempi rapidi perché l’enzima isola le due molecole e rende fattibile lo scambio del gruppo fosfato. Esso si lega a livello del 6° atomo di carbonio del glucosio per via della conformazione dell’enzima.

CARATTERISTICHE DELL’ACQUA

• Lo stato solido è meno denso di quello liquido. Questo ha permesso alla vita acquatica di svilupparsi.
• A livello cellulare, essa contribuisce, tramite le sue interazioni con le cariche polari e non degli amminoacidi, a garantire la particolare conformazione delle proteine.
• È una molecola polare, e questo permette a tale molecola di formare 4 legami ad idrogeno. Nel ghiaccio ogni molecola d’acqua è legata ad altrettante molecole d’acqua con tutti e 4 i legami, quindi si ha la conformazione più stabile. Tale disposizione spaziale però, occupa più volume rispetto a quella dell’acqua allo stato liquido la quale, mediamente, forma 3,4 legami ad idrogeno per ogni molecola.
• Ha una costante dielettrica alta (80) e questo fa sì che le sostanze polari che possono interagire attraverso la formazione di legami ad idrogeno con le molecole d’acqua presentano un’elevata solubilità (come ad esempio il glucosio).
• Quando molecole con proprietà idrofobiche (ossia incapaci d’interagire con le molecole d’acqua) vengono messe a contatto con tale liquido, l’acqua tenderà a circondare tali sostanze ed a contenerle in una porzione ben distinta. Questo riduce l’entropia del sistema, tuttavia la diminuzione è inferiore rispetto a quella che si potrebbe avere mantenendo le molecole idrofobiche distanti tra loro in quanto le molecole d’acqua necessarie a contenere ogni singola molecola idrofobica sono di numero superiore rispetto a quelle richieste per contenere l’insieme delle molecole idrofobiche.

NOTA: CELLULE MIOEPITELIALI

Sono cellule a funzione contrattile che però non sono propriamente cellule muscolari.

GENERALITÀ SULLE FIBRE MUSCOLARI

Le cellule muscolari sono plurinucleate. Le capacità ipertrofiche del muscolo dipendono principalmente dalla rapidità di sintesi ed espressione enzimatica delle cellule muscolari, quindi, dato che i nuclei delle cellule muscolari non si possono dividere, la richiesta di un aumento della sintesi proteica (dovuta all’allenamento) stimolerà la fusione delle cellule satellite del muscolo (mioblasti) con la cellula muscolare, aumentando così il numero dei nuclei.

All’interno di una stessa fibra muscolare i vari nuclei possono generare diversi tipi di strutture (ad esempio si possono avere fibre con miosine di tipo I che però contengono al loro interno porzioni con miosine di tipo II).

Una caratteristica delle cellule muscolari sono i tubuli T che sono introflessioni del sarcolemma a livello delle linee Z dei sarcomeri. Essi permettono la contrazione simultanea di tutte le porzioni della fibra muscolare.

Le cisterne terminali sono porzioni del reticolo sarcoplasmatico intimamente collegate ai tubuli T che permettono la raccolta ed il rilascio degli ioni calcio.

actina. Questa molecola di ATP dovrà rimanere in tale posizione per far sì che l'f-actina mantenga la sua struttura, di conseguenza, questo ATP non sarà più utilizzabile per altri scopi all'interno della cellula. I filamenti di sottili sono composti da due lunghe catene di monomeri di actina polimerizzati (f-actina) ed avvolti tra loro; legati ad un'estremità al disco Z ed all'altra alla tropomodulina. Il filamento sottile è definito bloccato quando, in assenza di calcio, il complesso troponine-tropomiosine copre i siti d'interazione per la miosina. Si definisce chiuso, invece, quando in presenza di calcio, il suo sito d'interazione è parzialmente libero (siti idrofili a bassa affinità). La miosina comincerà ad interagire con l'actina e questo permetterà alle porzioni più idrofobiche (ad alta affinità) del sito di liberarsi dal legame con il complesso troponine-tropomiosine, in modo che le teste miosiniche possano interagire completamente con le molecole di actina.

FILAMENTO SPESSO

Il filamento spesso è formato da 300 molecole di miosina. Ogni filamento è lungo 1,6 μm mentre la parte centrale è 1.500 Å.

Le molecole di miosina agiscono a gruppi di 3, con le teste disposte a 120° l'una dall'altra. La successiva terna miosinica è ruotata di 40° rispetto alla precedente e questo comporta che per avere 2 teste miosiniche sulla stessa linea siano necessarie 3 terne. Inoltre, dato che la lunghezza complessiva di ogni terna è di 14,3 nm, ogni 43 nm si avranno terne perfettamente allineate.

In 1 cm di fibra muscolare sono presenti ben 16*10⁹ filamenti di miosina e 64*10⁹ filamenti di actina. Il filamento di miosina è 10 volte maggiore del filamento di actina, pesa 470 kD e contiene circa 4.000 amminoacidi.

IL CICLO CONTRATTILE

La miosina è in grado d'idrolizzare l'ATP solo in presenza di actina. Quando l'ATP s'inserisce all'interno della tasca nucleotidica la regione nota come switch 1 si sposta verso una seconda regione detta switch 2, che insieme bloccano in tale tasca l'ATP assieme ad un ione Mg²⁺. Questo ione bivalente permette la stabilizzazione dell'ATP (il quale presenta tre cariche negative) permettendo così l'avvicinamento di tale molecola alle porzioni amminoacidiche limitrofe. In questa condizione l'acqua, o più probabilmente la serina (che agisce comunque attraverso una molecola d'acqua), dona un protone all'ultimo gruppo fosforico dell'ATP il quale riesce così a legare l'OH^- liberato (tramite l'idrolisi della molecola d'acqua) permettendo la dissociazione del gruppo fosforico più esterno dell'ATP. A questo punto si ha l'apertura degli switch i quali permettono al gruppo fosforico ora libero di allontanarsi. Questo fa sì che la testa della miosina ruoti di circa 70° sul collo (colpo di forza). Solo ora l'ADP rimasto è libero di uscire permettendo quindi l'ingresso di un nuovo ATP all'interno della tasca nucleotidica, il quale riporterà la testa miosinica nella conformazione iniziale. Questo è il punto centrale che determina il ciclo miosine d'isoforma I, II_a e II_x, ossia la rapidità con cui viene rilasciato l'ADP. Da notare che le miosine del tipo II_x hanno una velocità di contrazione 10 volte superiore alle miosine di tipo I. È da notare il fatto che il legame actina-miosina sia in grado di velocizzare più di 200 volte l'idrolisi dell'ATP da parte dell'ATP-asi miosinica.

La forza esercitata da ogni miosina con 2 teste durante il colpo di forza è di circa 1,5 pN e, sebbene per ogni miosina lavori un'unica testa per volta, è stato osservato che, le miosine con 2 teste producono colpi di forza più potenti rispetto a quelle con una sola testa. Questo dipende probabilmente dal fatto che la testa che non è momentaneamente impegnata nella contrazione contribuisce a garantire alla testa agente una conformazione spaziale favorevole ed esercitare una forza maggiore. Il tempo d'interazione tra actina e miosina è breve (circa il 5% del ciclo contrattile), inoltre non esiste una sincronizzazione nel lavoro delle teste della miosina sull'actina; solo il 20-25% di esse è infatti legato nello stesso momento ai filamenti di actina.