Biochimica dell'esercizio fisico

MUSCOLO:

proprietà: contrattilità, estensibilità , elasticità , eccitabilità

tipi: scheletrico, cardiaco , liscio , cellule mioepiteliali

costituenti: acqua(75%) ; proteine (20%) —> actina e miosina ; glucidi (glicogeno ) ; grassi neutri ,colesterolo e

fosfolipidi ; sali minerali; sostanze estrattive azotate (creatina) e sostanze estrattive non azotate (acido lattico) ;

mioglobina

3 strati di tessuto connettivo:

epimisio: esterno

perimisio: circonda fasci muscolari (insieme di fibre )

endomisio: circonda le fibre muscolari

FIBRE MUSCOLARI ( miociti)

-sincizio polinucleato di diametro 10-100 nano micron ; composto da miofibrille che determinano il bandeggiamento

delle fibre striate

Organizzate in :

SARCOLEMMA: membrana che circonda il sarcoplasma

MIOFIBRILLE:costituiscono le suddivisioni di una fibra muscolare. Sono formate da fasci di filamenti di proteine

(MIOFILAMENTI : scorrendo gli uni sugli altri provocano della contrazione —> si dividono in spessi(+ miosina) e sottili

(+actina)

TUBULI T: Si trovano tra le miofibrille ; linee di confine tra banda A e I . trasmettono il potenziale d’azione attraverso

una cellula ,facendo contrarre la fibra muscolare

SARCOMERO:

Unità contrattile del muscolo

Ha bande chiare e scure dovute a organizzazione di miofibrille

ORGANIZZAZIONE

2 bande :

A (scure) —>filamenti spessi

I (chiare) —> filamenti sottili

Disco z: punto di ancoraggio dei filamenti sottili

Linea M : punto di mezzo del sarcomero (al centro della banda A)

Linea Z: allee due estremità del sarcomero( al centro della banda I)

ZONA DI SOVRAPPOSIZIONE: sovrapposizione dei filamenti spessi e filamenti sottili

FILAMENTI DI TITINA: filamenti di proteina dall’estremità dei filamenti spessi alla linea z ;stabilizzano il filamento

FILAMENTI SOTTILI: formati da :

doppia elica di F-ACTINA(actina filamentosa) formata da molecole di G-ACTINA (actina globulare ;actina

monomerica) ,

TROPOMIOSINA:si trova nel solco fra le due eliche dell’actina . DURANTE LO STATO RILASCIATO LA

CONTRAZIONE è IMPEDITA DALLA TROPOMIOSINA CHE BLOCCA L’INTERAZIONE ACTO-MIOSINICA

TROPONINA :si trovano lungo i filamenti di tropomiosina; è costitutita da 3 subunità:

TnC: lega il calcio

TnI: inibisce ATPasi acto-miosinica

TnT: responsabile del legame alla tropomiosina

Complesso troponina-tropomiosina in assenza di calcio inibisce l’interaizione actina-miosina

FILAMENTO SPESSO: formati da

MIOSINA : è formata da 6 subunita: 2 catene pesanti e 4 leggere

TITINA: stabilizza la miosina e da elasticità

PROTEINE DEL SARCOMERO STRUTTURALI:

CONTRATTILI: titina : da elasticità ; stabilizza la miosina

actina nebulina: allineamento actina

miosina Tropomodulina:lega e blocca estremità negativa

dell’actina; regola la sua lunghezza

REGOLATORIE: miomesina: delinea Linea M

troponina Cap. z : ricopre estremità dei filamenti di actina

tropomiosina

RETICOLO SARCOPLASMATICO

Associato con tubuli T

Accumula ioni calcio

Forma avvolgimento intorno ad ogni miofibrilla

TRIADE

Formato da tubulo T centrale affiancato da due cisterne

Regola la contrazione tramite sequestro(rilassamento) e rilascio(contrazione) degli ioni calcio

CONTRAZIONE MUSCOLARE

actina

Scorrimento dei filamenti di (proteina che viene attivata con legame con il calcio ) su quelli di miosina

Il sarcomero si accorcia , la banda I diventa piu piccola ; la banda A rimane uguale

L’INTERAZIONE TRA ACTINA E MIOSINA DEVE ESSERE REGOLATA IN MODO CHE LA CONTRAZIONE POSSA

AVVENIRE SOLO IN RISPOSTA A SEGNALI APPROPRIATI PROVENIENTI DAL SN .

LA REGOLAZIONE è MEDIATA DA UN COMPLESSO FORMATO DA TROPOMIOSINA E TROPONINA . LA

TROPOMIOSINA SI LEGA AI FILAMENTI SOTTILI BLOCCANDO I SITI DI LEGAME PER LE TESTE DELLA MIOSINA

TROPONINA LEGA IL CALCIO .

IMPULSO NERVOSO STIMOLA IL RILASCIO DI CALCIO DAL RETICOLO SARCOPLASMATICO

IL CALCIO RILASCIATO SI LEGA ALLA TROPONINA E CAUSA UNA VARIAZIONE CONFORMAZIONALE DEL

COMPLESSO TROPOMIOSINA-TROPONINA ESPONENDO I SITI DI LEGAME DELLA MIOSINA PRESENTI NEL

FILAMENTO SOTTILE E PERMETTENDO LA CONTRAZIONE

CICLO DEI PONTI TRASVERSI

è la sequenza di eventi nel corso dei quali la testa di miosina si lega alla catena di actina trascinandola e sviluppando

forza.

Diviso in 6 fasi ; processo continuo

Stato di rigor, è unita fortemente alla miosina,

1- l’actina però non c’è ATP unito alla miosina.miosina forma

angolo di 45 gradi rispetto ai due filamenti paralleli tra loro ATP si unisce alla testa di miosina

2-arriva lo stimolo della contrazione muscolare .Una molecola di che si dissocia

dall’actina idrolizza ATP

3-la miosina con la sua attivita ATPasica e lo scinde in ADP+ Pi. questi rimangono attaccati alla

miosina .

testa di miosina, unirsi debolmente a una nuova molecola di actina

4-La che è rimasta libera ,si flette e torna ad

G insieme ai prodotti dell’idrolisi. Il ponte traversale è disposto con un angolo di 90 gradi rispetto ai filamenti

rilascio di Pi induce il colpo di forza

5-il . La testa della miosina ruota sul proprio cardine ,spingendo il filamento di

actina verso il centro del sarcomero ****

colpo di forza miosina rilascia ADP stato di rigor

6-al termine del la testa della e riassume lo e di legame stretto .

*** ATPasi miosinica idrolizza ATP liberando l’energia necessaria per consentire la rotazione della testa della miosina

che spinge l’actina verso il centro del sarcomero. La testa si stacca, torna alla posizione di partenza e si attacca ad

un’altra molecola di actina . ***

5 EVENTI DELLA CONTRAZIONE MUSCOLARE

1-ESPOSIZIONE DEI SITI ATTIVI DELLA F-ACTINA PER IL RIMODELLAMENTO DEL COMPLESSO TROPONINA-

TROPOMIOSINA A SEGUITO DELL’AUMENTO DELLA CONCDENTRAZIONE DI CALCIO

2- FORMAZIONE DEI PONTI (legami crociati) FRA LE TESTE DELLA MIOSINA E I SITI ATTIVI DELLA F-ACTINA

3 - MOVIMENTO DELLE TESTE DELLA MIOSINA

4- DISTACCO DELLE TESTE DELLA MIOSINA CON LA ROTTURA DEI PONTI

5- RIATTIVAZIONE DELLA MIOSINA CON L’IDROLISI DELL’ATP

I SITI ATTIVI DELLA F-ACTINA SI ESPONGONO PER IL RIMODELLAMENTO DEL COMPLESSO TROPONINA-

TROPOMIOSINA A SEGUITO DELL’AUMENTO DELLA CONCENTRAZIONE DI CALCIO . SI FORMANO I PONTI FRA

LE TESTE DELLA MIOSINA E I SITI ATTIVI DELL’ F-ACTINA. SI GENERA IL MOVIMENTO DELLE TESTE DELLA

MIOSINA CHE IN SEGUITO SI DISTACCANO CON LA ROTTURA DEI PONTI. AVVIENE POI LA RIATTIVAZIONE

DELLA MIOSINA CON L’IDROLISI DELL’ATP

- QUANDO NON C’E CALCIO LA TROPOMIOSINA BLOCCA I SITI ATTIVI SULLA ACTINA (stato rilasciato della

contrazione)

- QUANDO IL CALCIO SI LEGA ALLA TROPONINA C , IL COMPLESSO DELLA TROPONINA CAMBIA

CONFIGURAZIONE CHE CONSENTE SULL’ACTINA LA LIBERAZIONE DEI SITI DI ATTACCO PER LA MIOSINA (inizio

della contrazione )

La troponina sposta la tropomiosina,espondendo i siti di legame dell’actina per la miosina. Actina e miosina possono

interagire

DA DOVE ARRIVA IL CALCIO? DAL RETICOLO SARCOPLASMATICO

RETICOLO SARCOPLASMATICO : rete di cisterne intracellulari che immagazzinano e rilasciano calcio

canale di rilascio del calcio o recettore per la ryanodina

Contiene un grosso complesso proteico denominato

Nella membrana dei tubuli t vi sono recettori DHPR (sensori di potenziale) .metà di questi sono in opposizione ai

recettori della rianodina , questi vengono attivati quando il potenziale di azione invade i tubuli t

(rettori DHPR sentono la varianzione di potenziale e cambiano conformazione . Alla fine il calcio fuoriesce dal reticolo

sarcoplasmatico,la concentrazione di calcio intracellulare aumenta ,diffonde verso i recettori per la rianiodina e li

attiva. La concentrazione di calcio aumenta ancora ,raggiunge i miofilamenti e inizia il ciclo dei ponti trasversi )

TIPI DI FIBRE MUSCOLARI -classificazione istologica

LENTE ( ROSSE ) VELOCI(BIANCHE ) INTERMEDIE

Sfruttano metabolismo aerobico Sfruttano metabolismo Intermedie fra le precedienti

anaerobico

Si contraggono lentamente , ma Si contraggono molto Si affaticano lentamente

si affaticano lentamente velocemente

Diametro piccolo Diametro maggiore rispetto alle Poca mioglobina

fibre lente

Molti mitocondri Maggiori riserve di glicogeno

Molto ossigeno e contengono Pochi mitocondri

mioglobina Sostengono un lavoro intenso ,

per un breve periodo di tempo e

si affaticano rapidamente

Produzione di ATP attraverso Produzione di ATP attraverso Produzione di atp tramite

fosforilazione ossidativa glicolisi ( anaerobico lattacido ) fosforilazione

(aerobico) e fosfocreatina ( anaerobico ossidativa(aerobico ) e

alattacido ) glicolisi (anaerobico lattacido )

Substrati per generare atp Substrati per generare atp Substrati per generare atp

durante la contrazione: durante la contrazione : durante la contrazione:

- lipidi - carboidrati - carboidrati

- carboidrati

- Amminoacidi

TIPI DI FIBRE MUSCOLARI - classificazione metabolico-funzionale

FIBRE DI TIPO 1 FIBRE DI TIPO 2A FIBRE DI TIPO 2X FIBRE DI TIPO 2B

TIPI DI FIBRE LENTE (ROSSE) INTERMEDIE INTERMEDIE VELOCI

(BIANCHE ) (BIANCHE )

FIBRE DI TIPO 1 FIBRE DI TIPO 2A FIBRE DI TIPO 2X FIBRE DI TIPO 2B

TEMPO DI Lento Velocita moderata Veloce Molto veloce

CONTRAZIONE

MIOGLOBINA Elevata MODERATA POCA Poca

MITOCONDRI Molti MODERATI POCHI Pochi

POCA RICCHE DI MOLTO RICCHE DI

FOSFOCREATINA GLICOGENO GLICOGENO E GLICOGENO

FOSFOCREATINA

ATTIVITA LUNGA E RAPIDA E RAPIDA E

PROLUNGATA INTENSA INTENSA

PROPRIETA’ BIOCHIMICHE

METABOLISMO ENERGETICO

Componenti degli alimenti vengono digeriti in composti di piccole dimensioni ,utilizzati come combustibili biologici

- carboidrati —> glucosio

- Grassi (trigliceridi ) —> acidi grassi

- Proteine —> amminoacidi

Attraverso il torrente ematico ,i substrati energetici vengono portati al muscolo che li trasforma in ATP

ATP:moneta di scambio utilizzata da tessuti per soddisfare richiesta energetica delle cellule

CARBOIDRATI

Forma principale implicata nel metabolismo energetico è il glucosio che viene immmagazzinato nel fegato e nel

muscolo sotto forma di glicogeno . Attaverso il circolo ematico raggiunge i tessuti .

ATP viene prodotto piu velocemente dai carboidrati che da grassi e proteine

GRASSI

Depositati nel tessuto adiposo e nel muscolo . Il muscolo usa acidi grassi come fonte energetica

PROTEINE

Digerite come amminoacidi nell’intestino . Funzione delle proteine : fornire enzimi per svolgimento delle funzioni

metaboliche ed elementi strutturali per costruzione dei tessuti

Muscolo in grado di produrre ATP piu di quanto ne consumano

ATP porodotto attraverso 3 vie :

Via aerobica —> impiegato per esercizi di resistena

Viana anaerobica lattacida—> esercizi di velocita

Via anaerobica alattacida —> esercizi di potenza

ATP E FOSFOCREATINA

ATP —> MOLECOLA PER PRODUZIONE DI ENERGIA

FOSFOCREATINA —> MOLECOLA CON CUI IL MUSCOLO A RIPOSO ACCUMULA ENERGIA PRONTAMENTE

TRASFORMABILE IN ATP

CREATINA

fegato

Si forma da

- Arginina , glicina e metionina

3 amminoacidi da

- Dalla dieta (integratori ) FIBRE BIANCHE FIBRE ROSSE

SUBSTRATI UTILIZZATI GLUCOSIO ACIDI GRASSI E GLUCOSIO

PRODOTTI FINALI ACIDO LATTICO CO2+ACQUA

ATTIVITA GLICOLITICA ALTA BASSA

FOSFOCREATINA NOTEVOLE BASSA

- ed è utilizzato nei muscoli per rigenerare ATP durante i primi secondi della contrazione muscolare.

- Il 95 % di creatina si trova nel muscolo

fegato, reni e pancreas.

E’ prodotta da

Dopo la produzione è trasportata a muscoli (95%), cervello e cuore,

Creatina chinasi —> da creatina a creatina fosfato

EFFETTO DI TAMPONAMENTO ENERGETICO DELLA FOSFOCREATINA

Tecnica NMR —> per misurare il contenuto di PCr (proteina C reattiva ) ,ATP ,Pi nel muscolo .

Creatina chinasi e adenilato chinasi agiscono per tamponare temporaneamente la ATP durante la contrazione

anaerobica

CARICA ENERGETICA :[ ATP] + 1/2[ ADP] / [ATP] + [ADP] +[ AMP]

Indica la metà del numero medio di legami fosforici ad alto contenuto energetico contenuti in un residuo adenosinico

Puo variare da 0 a 1

CREATINA CHINASI : enzima deputato al trasporto di ATP dall’interno dei mitocondri al citoplasma delle cellule

muscolari .

Catalizza la Produzione di energia(ATP) a partire da fosfocreatina

CREATINA+ATP <—> FOSFOCREATINA +ADP

(Essendo alta la concentrazione di ATP nei mitocondri la reazione puo procedere verso destra)

Nei muscoli a riposo la concentrazione di fosfocreatina è maggiore della concentrazione di ATP .è una proteina

dimerica : una di tipo M(muscle) e una di tipo B (brain)

3 tipi di isoforme citosoliche :

CK - MM : muscolo scheletrico

CK- MB : cuore

CK-BB: cervello

MIOCHINASI :

Catalizza la reazione : 2ADP <—> ATP +AMP

Questa reazione contribuisce a mantenere relativamente costanti le concentrazioni di ATP durante sforzo muscolare

ADP connverito in AMP

Concentrazione di AMP molto bassa rispetto a ATP Segnala un urgente bisogno di

AMP : attivatore allosterico di molti enzimi e l’aumento della sua concentrazione

energia

AMP Stimola : glicogeno fosforilasi b

Glicogenolisi attivando la

Glicolisi (PFK1)

Entrata di glucosio nel miocita attraverso GLUT 4

Entrata di acidi grassi nei mitocondri dove vengono ossidati

Attivazione di proteina chinasi attraverso AMPK , enzima che segnala il bisogno di energia nella cellula

CATABOLISMO AMP

Da AMP si libera ADENOSINA per opera della NUCLEOTIDASI .

ADENOSINA attraverso l’enzima adenosina deamminasi viene deamminata a inosina ,che diventa ipoxantina che

diviene xantina che diventa acido urico .

ALTA ATP —>NO DEGRADAZIONE DI AMP

BASSA ATP —> DEAMMINAZIONE DI AMP PER MANTENERE ALTA CARICA ENERGETICA E FORNIRE ATPasi

miosinica con ATP

Nelle fibre bianche la deamminazione dell’AMP avvine piu velocemente rispetto alle fibre rosse

METABOLISMO ENERGETICO :Produzione di ATP

creatina fosfochinasi ADP in ATP

Enzima (CPK) consente di convertire .questo consente di rimpiazzare la perdita di

ATP che si genera durante la contrazione

Pcr , miochinasi e adenilato chinasi possono tamponare temporalmente la perdita di ATP solo per pochi

secondi .

Quando lo sforzo si protrae il muscolo necessita di una nuova fonte di energia

Le cellule producono ATP in due modi :

- glicolisi anaerobica nel citoplasma

- Metabolismo aerobico : b-ossidazione (mitocondri ) ; ossidazione del glucosio e degli amminoacidi .

Per uno sforzo massimale di 10 minuti possiamo ignorare il metabolismo proteico e in gran parte quello lipidico

GLICOLISI ANAEROBICA

- Costituisce la fonte principale di energia durante un esercizio massimale ( contrazione in condizioni anaerobiche)

- 2 molecole di ATP

Consente di produrre per ogni molecola di glucosio catabolizzata

- Utilizza glucosio proveniente da scissione del glicogeno(GLICOGENOLISI) muscolare o il glucosio ematico

FASE 1 investimento : reazione endoergoniche —> 1 glucosio —> 2 gliceraldeide 3p

Vengono utilizzate 2 ATP

FASE 2 rendimento :reazione esoergoniche —> 2 gliceraldeide 3 p —> 2 piruvato

Vengono prodotte 4 molecole di ATP

6 REAZIONE : si produce NADH

GLUCOSIO—>2 PIRUVATO —> 2 LATTATO (1,5 ATP per lattato )

Se si ottiene glucosio da parte di glicogeno muscolare la resa energetica aumenta del 50 %

REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI

PFK1 (controlla la velocita della via glicolitica) —> da fruttosio 6 p a fruttosio 1,6 bisfosfato : reazione attivata da AMP

,ADP ,FRUTTOSIO 2,6 BISFOSFATATO . Inibita da ATP e CITRATO .

Glicolisi e gluconeogenesi : reciprocamente regolate e controllate

Fruttosio 2,6 bisfosfato : modulatore il cui livello intracellulare dipende da presenza di glucagone nel sangue . Il

glucagone viene secreto quando i livelli di glucosio sono bassi . Attiva PFK1 ,inibisce fruttosio 1,6 bisfosfatasi

PFK1 e FBPasi 1 catalizzano la formazione e demolizione di fruttosio 1,6 bisfosfato

Sono diversi da PFK2 e FBPasi 2 (2 subunita distinte di una stessa proteina bifuzionale)

PFK-2 : da fruttosio 6 p a fruttosio 2,6 bisfosfato

FBPasi 2: da fruttosio 2,6 bisfosfato a fruttosio 6p

ADRENALINA : nono inibisce la glicolisi nel muscolo perche l’isoenzima muscolare perde il sito di fosforilazione

(Isoenzima catalizzano la stessa reazione ,ma hanno struttura diversa)

REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI NEL MUSCOLO IN BASE A ATP

Riposo —> glicolisi inibita ; ATP inibsce i 3 enzimi: PIRUVATO CHINASI ,PFK1 , ESOCHINASI

Durante esecizio —> glicolisi stimolata : necessità di ATP attiva PFK

L’esercizio fisico puo aumentare i tassi della glicolisi piu di 100 volte :

-aumento di disponibilità del substrato . Glicogenolisi aumenta e aumenta la concentrazione di glucosio e glucosio 1

p

Glucosio 6 p inibisce esochinasi

I muscoli durante l’esercizio fisico aumentano il loro assorbimendo di glucosio nel sangue , sia a causa dell’aumento

del flusso sanguigno ,sia perche aumentano il numero dei trasportatori di glucosio nella membrana (GLUT 4)

GLUT4 : piu presenti nelle fibre di tipo 1 rispetto a quelle di tipo 2.

- attivazione allosterica di PFK e piruvato chinasi

DIFFERENZA ESOCHINASI E GLUCOCHINASI

Esochinasi nel muscolo : alta affinità per il glucosio . Inibita da glucosio 6 p.

Glucochinasi : minore affinita per il glucosio . Inibita da una proteina regolatrice specifica del fegato che si lega

all’enzima .

GLICOGENO

- Polimero di glucosio . Legami alfa 1-4 tra i residui di glucosio ; legami alfa 1-6 nei punti di ramificazione.

- Polisaccaride di riserva

- Deposito di glucosio

- Sintetizzato nel fegato dopo i pasti ,grazie a insulina

- Degradato dal fegato grazie a glucagone

- Rilasciato durante il digiuno come glucosio

Questo permette di mantenere la glicemia nei livelli normali( 77-110 mg/100 ml)

Abbondante anche nel muscolo dove viene utilizzato solo nel muscolo

(glicogenolisi —> glucosio—> glicolisi —> ATP —> contrazione muscolare )

Conentrazione ema