Biochimica 1

Tipi di esercizio fisico e loro effetti

Esercizio aerobico e anaerobico

L'esercizio aerobico (con O₂) è prolungato e costante, ad esempio la camminata, mentre quello anaerobico (senza O₂) richiede invece potenza, come i 100 metri.

Consumo energetico

Kl/h Kcal
4 200
Camminata in piano → 5,2 240
6 267
Camminata in pendenza →6% 4 405
6 540
12% 4 600
6 720

Camminata in pendenza

Una camminata ad una pendenza del 12% segue una biomeccanica non fisiologica.

Indicazioni per chi ha il diabete

Chi ha il diabete dovrebbe svolgere 3 sedute settimanali da 700 Kcal per perdere in un anno circa 4 Kg. Se la cellula (del muscolo scheletrico) viene stimolata, modifica la propria struttura e funzione. Dopo 3 settimane il muscolo riesce a sostenere un'intensità più alta.

Metabolismo degli zuccheri e acidi grassi

Inizialmente non andiamo a consumare gli zuccheri, dopo 9/12 di allenamento passiamo però agli acidi grassi. Aumentando i mitocondri aumentiamo l'energia a disposizione e quindi l'intensità.

Dettagli sul DNA mitocondriale e muscolare

Il DNA mitocondriale ha 16580 basi azotate, mentre quello muscolare ne ha 3,5 miliardi.

Bruciare calorie

Per bruciare ogni volta 700 Kcal (persone di 55 anni), bisogna andare gradualmente (fase di riscaldamento 18 minuti), in modo da evitare errori biochimici e fisiologici. Servono 84 minuti a pendenza 8% a 6 Km/h. Nella fase di riscaldamento bruciamo 50% zuccheri e 50% acidi grassi, 350 Kcal / 9 Kcal = 38 g. Per bruciare 1 Kg di acidi grassi servono quasi 2 mesi, questi si bruciano biochimicamente, utilizzando l'ossigeno e svolgendo esercizio aerobico (non saune, massaggi ecc.).

Intensità dell'esercizio e fame

Negli esercizi intensi di breve durata si bruciano gli zuccheri e dopo un po' si è stimolati dalla fame. Se l'energia che introduciamo è maggiore rispetto a quella che bruciamo, viene convertita in acidi grassi e accumulata a livello di tessuto adiposo.

Definizione di obesità

Una persona è da considerare obesa se il suo peso è il 20% in più rispetto a quello standard.

Metabolismo

Ossidazione e produzione di energia

Ossidare = Metabolizzare. Ricavo energia elettrica attraverso le vie metaboliche, degradando le molecole principali. Questa energia non è conservabile pertanto la devo produrre solo quando è necessario. Durante il metabolismo l'energia elettrica viene accumulata dai coenzimi (NADH₂ e FADH₂).

Definizione di metabolismo

Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo, avviene attraverso una serie di azioni catalizzate da enzimi che costituiscono le vie metaboliche.

Catabolismo e anabolismo

Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo, in cui le molecole organiche dei nutrienti (carboidrati, grassi e proteine) vengono convertite in prodotti finali più semplici (es. acido lattico, CO₂, NH₃). Le vie cataboliche rilasciano energia, parte della quale viene conservata mediante la produzione di ATP e di trasportatori di e- in forma ridotta (NADH, NADPH e FADH₂), la parte rimanente viene rilasciata sotto forma di calore.

Nell'anabolismo (o biosintesi) i precursori semplici vengono uniti tra loro per costruire molecole complesse più grandi, come i lipidi, i polisaccaridi, le proteine, gli acidi nucleici. Le reazioni anaboliche hanno bisogno di un rifornimento di energia, in genere sotto forma del potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell'ATP e del potere riducente di NADH, NADPH e FADH₂.

Glucosio e glicolisi

Caratteristiche del glucosio

Nel glucosio, nel C 3 il gruppo OH è a sinistra (mentre negli altri è a destra). Se in un atomo di C i 4 legami riguardano 4 gruppi chimici diversi, quell'atomo di C è detto asimmetrico. Se l'asimmetria è a destra (OH - C) allora avrò D-.... se invece si trova a sinistra (C - OH) sarà L-... Glucosio, mannosio e galattosio sono isomeri, più esattamente epimeri (ossia diasteroisomeri che presentano una differente configurazione presso un solo stereocentro). La formula del glucosio in forma lineare non è vera, ma è ciclica. Se nel C, l'H è sopra e OH è sotto si parla di alfa, in caso contrario di beta. Gli aldosi hanno la struttura a esagono (pirannosi). I chetosi hanno una struttura pentagono (furanosi).

Processo di glicolisi

Nella glicolisi una molecola di glucosio viene degradata mediante una serie di reazioni catalizzate da enzimi che produce 2 molecole di un composto a tre atomi di carbonio, il piruvato. Durante le reazioni in sequenza della glicolisi parte dell'energia rilasciata dal glucosio viene recuperata sotto forma di ATP e di NADH.

Avviene in 10 tappe; le prime 5 costituiscono la fase preparatoria, nella quale viene spesa energia (2 molecole di ATP) per aumentare il contenuto in energia libera degli intermedi della via metabolica. Il guadagno energetico inizia nella fase di recupero energetico 6 – 10 (4 ATP e 2 NADH).

Fasi della glicolisi

1. Fosforilazione del glucosio

Nella prima tappa abbiamo il trasferimento di un gruppo fosfato, il quale viene legato covalentemente ad un substrato. Da una molecola di glucosio passiamo ad una molecola di glucosio 6 – fosfato. È una reazione irreversibile ed è catalizzata dall'esochinasi, un enzima altamente specifico che riconosce solo gli esosi (compresi i stereoisomeri) in questo caso il D – glucosio.

L'esochinasi ha bisogno di ioni Mg²⁺ per la sua attività catalitica, dato che il vero substrato non è l'ATP^4-, ma il complesso MgATP^2-. Ioni Mg²⁺ proteggono le cariche negative dei gruppi fosforici dell'ATP rendendo l'atomo di fosforo terminale un bersaglio più accessibile all'attacco nucleofilico da parte di un – OH del glucosio.

2. Conversione del glucosio 6 – fosfato a fruttosio 6 – fosfato

L'enzima fosfoglucosio isomerasi catalizza l'isomerizzazione reversibile del glucosio 6 – fosfato (aldosio) a fruttosio 6 – fosfato (chetosio). La reazione procede in entrambe le direzioni (è reversibile), come è suggerito dalla variazione relativamente piccola dell'energia libera standard. Questa isomerizzazione ha un ruolo fondamentale nella chimica complessiva della vita glicolitica; il riarrangiamento dei gruppi carbonilici e ossidrilici in C – 1 e C – 2 è la premessa necessaria alle due tappe successive.

3. Fosforilazione del fruttosio 6 – fosfato a fruttosio 1, 6 – fosfato

In questa tappa l'enzima fosfofruttochinasi (PFK -1) catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dall'ATP al fruttosio 6 – fosfato per formare il fruttosio 1,6 – bifosfato. È una reazione irreversibile. Quando il glucosio entra nelle cellule avviene spendendo energia (trasporto attivo), un trasportatore lega degli ioni sodio al glucosio in modo da aprire la cellula e far sì che essi vengano rilasciati al suo interno. Il glucosio uscirebbe spontaneamente dalla membrana, per impedire ciò si lega un gruppo fosfato, il quale essendo altamente carico negativamente fa sì che la molecola venga legata dall'acqua e diventi molto più grande.

Il ruolo della fosfofruttochinasi è quello di indirizzare il glucosio nella direzione della glicolisi. Il glucosio se è fosfato può essere accumulato sotto forma di riserva e per questo è il primo regolatore del ciclo glicolitico. La fosfofruttochinasi -1 è soggetta ad una complessa regolazione allosterica. La sua attività aumenta quando la quantità di ATP cellulare diminuisce e quando prodotti della demolizione dell'ATP, l'ADP e l'AMP si accumulano. L'enzima viene inibito quando i livelli di ATP sono elevati, in quanto viene generato anche dal metabolismo di altri combustibili.

4. Scissione del fruttosio 1,6 – bifosfato

L'enzima fruttosio 1,6 – bifosfato aldolasi, o più semplicemente aldolasi, catalizza una condensazione aldolica reversibile. Il fruttosio 1,6 – bifosfato viene scisso in due diversi triosi fosforilati, le gliceraldeide 3 – fosfato (un aldosio) e il didrossiacetone fosfato (un chetosio). Anche se la reazione aldolesica ha una variazione di energia libera standard positiva nella direzione della scissione del fruttosio 1,6 – bifosfato, alle basse concentrazioni dei reagenti presenti nella cellula la variazione di energia è modesta, perciò la reazione aldolasica è facilmente reversibile.

5. Interconversione dei triosi fosfato

Solo uno dei due triosi fosfato formati dall'aldolasi può essere degradato direttamente nelle tappe successive della glicolisi, questo è la gliceraldeide 3 – fosfato. Il diidrossiacetone viene rapidamente e reversibilmente convertito in gliceraldeide 3 – fosfato dall'enzima triosio fosfato isomerasi. Ha ora inizio la fase di recupero energetico della glicolisi, la quale comprende le tappe della fosforilazione che conservano parte dell'energia della molecola del glucosio sotto forma di ATP e NADH. Una molecola di glucosio genera due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato e le due metà della molecola di glucosio vengono metabolizzate allo stesso modo nella seconda fase della glicolisi. La conversione di due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato in due molecole di piruvato è accompagnata dalla formazione di 4 molecole di ATP dall'ADP. La resa netta in ATP per molecola di glucosio è quindi di due molecole di ATP perché 2 sono state consumate nella fase preparatoria.

6. Ossidazione della gliceraldeide 3 – fosfato a 1,3 – bifosfoglicerato

La prima tappa della seconda fase è l'ossidazione della gliceraldeide 3 – fosfato a 1,3 – bifosfoglicerato, catalizzata dalla gliceraldeide 3 – fosfato deidrogenasi. Questa è la prima delle due reazioni della glicolisi, in cui viene recuperata l'energia necessaria alla formazione di ATP. Il gruppo aldeico della gliceraldeide 3 – fosfato viene ossidato (perde e-), formando un'anidride tra un gruppo carbossilico e l'acido fosforico. Questa anidride è detta acil fosfato e ha un'elevata energia libera standard di idrolisi, ΔG = 49,3 KJ/mole. Gran parte dell'energia libera dell'ossidazione del gruppo aldeidico della gliceraldeide 3 – fosfato viene conservata con la formazione dell'acil fosfato nella posizione C – 1 dell'1,3 – bifosfoglicerato. Il coenzima NAD+ accetta (si riduce) temporaneamente gli e- e si va a formare il NADH (NAD+ + H- = NADH). Vi sono ora 4 cariche negative, le quali avvicinandosi si respingono provocando instabilità.

7. Trasferimento del gruppo fosfirico dall'1,3 – fosfoglicerato all'ADP

L'enzima fosfoglicerato chinasi trasferisce all'ADP il gruppo fosforico ad alta energia del gruppo carbossilico dell'1,3 – bifosfoglicerato formando ATP e 3 – fosfoglicerato. Senza la molecola di fosfato la molecola è più stabile. La formazione di ATP per trasferimento di un gruppo fosforico da un substrato (come 1,3 – bifosfoglicerato) è detta fosforilazione a livello del substrato. In questa tappa vengono prodotte 2 molecole di ATP, pareggiando quindi quella usata nella prima e nella terza tappa.

8. Conversione del 3 – fosfoglicerato in 2 – fosfoglicerato

L'enzima fosfoglicerato mutasi catalizza lo scambio del gruppo fosforico tra il C – 2 e il C – 3. Il gruppo fosfato passa da C – 3 a C – 2.

9. Deidratazione del 2 – fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato

L'enalasi rimuove una molecola d'acqua dal 2 – fosfoglicerato, generando il fosfoenolpiruvato (PEP). La reazione converte un composto con un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico relativamente basso (il ΔG di idrolisi del 2 – fosfoglicerato è -17,6 KJ/mole) in uno con un elevato potenziale di trasferimento (il ΔG di idrolisi del PEP è -61,9 KJ/mole).

10. Trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all'ADP

L'ultima tappa della glicolisi è il trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all'ADP catalizzato dalla piruvato chinasi, che richiede K+ e Mg²⁺ oppure Mn²⁺. La reazione complessiva ha una variazione di energia libera standard fortemente negativa, dovuta in gran parte alla conversione spontanea della forma enolica del piruvato nella forma chetonica. L'ATP è un nucleotide costituito da adenina, ribosio e 3 molecole di fosfato. Nonostante possieda 4 cariche negative (poste nei gruppi fosfati) che si respingono tra loro causando così una condizione di instabilità, la molecola è stabile. Nel passaggio da ATP ad ADP le cariche negative diventano 3.

L'idrolisi dell'ATP oltre a produrre ADP, produce anche un gruppo fosfato e uno ione H⁺, il quale va nel mezzo ed è importante per le reazioni successive. Attraverso questa reazione vengono liberate 7,6 Kcal. All'ATP e all'ADP si può legare il magnesio (il quale funge da attivatore), che forma delle interazioni elettrostatiche con 2 ioni O^2-: formano MgATP o l'MgADP^2-. L'energia ricavata dall'idrolisi dell'MgATP è uguale a quella dell'ATP normale.

Metabolismo del glicogeno negli animali

Glicogeno nel corpo

Nei diversi organismi, dai batteri, alle piante, ai vertebrati, l'eccesso di glucosio viene convertito in forme polimeriche di deposito, cioè il glicogeno nei vertebrati e in molti microorganismi e l'amido nelle piante. Nei vertebrati il glicogeno si trova soprattutto nel fegato e nel muscolo scheletrico. Il glicogeno muscolare costituisce una riserva di energia immediatamente disponibile per il metabolismo aerobico e anaerobico e può essere totalmente consumato in meno di un'ora di esercizio fisico intenso. Il glicogeno epatico, invece, può essere considerato una riserva di glucosio per gli altri tessuti quando non è disponibile il glucosio della dieta (tra un pasto e l'altro o durante il digiuno).

Questo è particolarmente importante per i neuroni, che non possono utilizzare gli acidi grassi come combustibile metabolico. Il glicogeno del fegato può essere consumato in 12 – 24 ore. Nell'uomo l'energia totale immagazzinata sotto forma di glicogeno è nettamente inferiore a quella conservata sotto forma di grassi, ma queste sostanze non possono essere convertite in glucosio o essere catabolizzate anaerobicamente. I meccanismi generali deputati all'immagazzinamento e alla mobilizzazione del glicogeno sono gli stessi nel muscolo e nel fegato ma gli enzimi differiscono per alcune importanti proprietà che riflettono i differenti ruoli del glicogeno nei due tessuti.

Glicogenolisi o demolizione del glucosio

Nel muscolo scheletrico e nel fegato, le unità di glucosio delle ramificazioni del glicogeno entrano nella glicolisi per azione di 3 enzimi: la glicogenofosforilasi, l'enzima deramificante e la fosfoglucomutasi. Il primo catalizza una reazione, nella quale un legame (α 1 → 4) glicosilico tra due residui di glucosio alle estremità non riducenti di una ramificazione viene scisso usando il fosfato inorganico (Pi), con formazione di α – D – glucosio 1 – fosfato. Il piridossol fosfato è un cofattore essenziale della glicogeno fosforilasi: il suo gruppo fosforico agisce come un catalizzatore acido generale, promuovendo l'attacco da parte del Pi sul legame glicosidico.

La glicogeno fosforilasi agisce ripetitivamente sulle estremità non riducenti delle ramificazioni del glicogeno, fino a che non raggiunge un punto che dista quattro residui di glucosio da una ramificazione (α 1 → 6), dove la sua azione si blocca. L'ulteriore degradazione da parte della glicogeno fosforilasi può avvenire solo dopo che l'enzima deramificante, oligo (α 1 → 6) (α 1 → 4) glucan-trasferasi, catalizza altre due reazioni di trasferimento delle ramificazioni. Una volta avvenuto il trasferimento della ramificazione e l'idrolisi del residuo di glucosio in C-6, l'azione della glicogeno fosforilasi può continuare.

Il glucosio 1-fosfato, il prodotto finale della glicogeno fosforilasi, viene convertito in glucosio 6-fosfato dalla fosfoglucomutasi, che catabolizza la reazione reversibile:

• Glucosio 1-fosfato ↔ glucosio 6-fosfato

L'enzima, inizialmente fosforilato a livello di un residuo di ser (serina, un amminoacido polare, chirale), dona il suo gruppo fosforico all'atomo C-6 del substrato e quindi accetta il gruppo fosforico dell'atomo C-1. Questa reazione è divisa in due tappe:

1. L'enzima cede il suo gruppo fosforico al glucosio 1-fosfato, producendo glucosio 1,6 – bifosfato.
2. Il gruppo fosforico sull'atomo C – 1 del glucosio 1,6 bifosfato viene riportato sull'enzima, riformando il fosfoenzima e producendo glucosio 6 – fosfato.

Il glucosio 6 – fosfato, formato dal glicogeno nel muscolo scheletrico può entrare nella glicolisi e servirà come fonte energetica per la contrazione muscolare. Nel fegato la scissione del glicogeno ha un ulteriore scopo: il rilascio del glucosio nel sangue, quando il livello di glucosio tende a diminuire, come nell'intervallo tra due pasti.