Riassunto esame Biochimica dell'esercizio fisico, prof Piccoli

Biochimica dell'esercizio fisico

Capitolo 1: Aminoacidi, peptidi e proteine

Le proteine, responsabili di tutto ciò che accade nelle cellule e negli organismi, si possono considerare le molecole d'azione del corpo e possono essere:

• Enzimi, i quali catalizzano tutte le reazioni chimiche dell'organismo;
• Recettori, molecole endocellulari o di membrana oppure localizzate sulla membrana e deputate a legare specifiche sostanze;
• Proteine contrattili, coinvolte nella contrazione del muscolo scheletrico, liscio e cardiaco;
• Molecole trasportatrici, responsabili del trasporto di sostanze nel sangue, all'interno delle cellule e attraverso le membrane.

Le proteine sono elementi costituenti di ossa, legamenti e tendini e, nella forma di anticorpi o di recettori nei linfociti, assumono la funzione di agenti coadiuvanti nella protezione dalle malattie. Nella costituzione delle proteine sono utilizzati 20 differenti aminoacidi.

I geni presenti nei nuclei delle cellule contengono le informazioni necessarie a specificare quali aminoacidi siano necessari per costituire una proteina e quale debba essere il loro ordine. I geni nei cromosomi sono segmenti di DNA e la sequenza di basi in un gene definisce la sequenza di aminoacidi per una proteina. Le proteine sono soggette a turnover, il turnover proteico appunto, e l'emivita rappresenta il tempo necessario per il ricambio della metà della molecola.

Gli aminoacidi hanno le caratteristiche chimiche degli acidi organici e hanno anche almeno un gruppo aminico che agisce da base (sono anfoteri). Le cellule operano in un ristrettissimo ambito di pH, le cui deviazioni vengono definite alcalosi e acidosi a seconda che siano sopra o al di sotto del valore normale.

L'intensa attività fisica causa, dapprima nella cellula muscolare e successivamente nel sangue, una momentanea acidosi, che può essere correlata a un indebolimento dell'attività muscolare e alla fatica. L'intervallo di acidità e basicità del corpo umano oscilla intorno a 7. La scala del pH è basata sul logaritmo decimale dell'inverso del valore della concentrazione molare dello ione idrogeno.

Un acido è un donatore di protoni, mentre una base è un accettore di protoni. Il pKa è il logaritmo negativo del valore di Ka, costante di dissociazione acida. Il pKa per un acido equivale al pH della soluzione nella quale l'acido è dissociato per metà. Durante l'esercizio fisico molto intenso, l'ammoniaca viene prodotta per deaminazione dall'AMP. Essa può rimuovere un protone dal citoplasma delle cellule muscolari interessate dall'esercizio e concorrere quindi al mantenimento del pH nelle cellule muscolari.

I tamponi sono specie chimiche che tendono a ostacolare le variazioni di pH di una soluzione. Essi mantengono la concentrazione degli ioni H⁺ entro un ridottissimo intervallo, attraverso l'assorbimento di eventuali aggiunte di protoni o riducendo gli effetti di aggiunte di ioni OH^-. Un tampone consiste normalmente in una miscela di un acido debole con un suo sale. Operano al meglio in un intervallo di valori di pH leggermente più alti o più bassi rispetto al pKa dell'acido impegnato nel tampone stesso.

Ogni aminoacido possiede un gruppo carbossilico, ovvero un acido debole, un gruppo amminico, cioè una base debole, un carbonio centrale identificato come carbonio alfa (o 2) e una regione variabile, detta catena laterale (R). Ciò che rende unico un aminoacido è la sua catena laterale.

Il valore di pH per il quale una molecola possiede un ugual numero di cariche positive e negative rappresenta il suo punto isoelettrico, indicato con pI. I peptidi si formano quando gli aminoacidi legano fra loro i rispettivi gruppi carbossilato e ammonio, tramite un legame detto peptidico. Poiché gli aminoacidi nell'organismo si trovano in un ambiente con un pH intorno a 7, il gruppo amminico risulta essere protonato ed è un gruppo ammonio, mentre il gruppo carbossilico è deprotonato ed è quindi carbossilato.

La precisa struttura biologica di una proteina, e quindi la sua funzione, è determinata dagli aminoacidi che essa contiene. La struttura primaria di una proteina è la sequenza degli aminoacidi partendo dalla sua estremità N-terminale. Lo specifico aminoacido presente nella sequenza viene indicato insieme alla posizione che esso occupa nella catena. Lo studio del corredo proteico espresso da una singola cellula è detto proteoma.

La struttura secondaria è la disposizione spaziale del C alfa e dei gruppi amminico e carbossilico impiegati nel legame peptidico. Le catene laterali non sono considerate nella struttura secondaria. Il risultato in cui la struttura principale del polipeptide si auto-organizza può essere o ad alfa-elica o beta-fogliettino, e sono stabilizzate da legami a H che si instaurano fra elementi vicini del legame peptidico.

La struttura terziaria è il completo arrangiamento tridimensionale di una catena polipeptidica, includendo in ciò la struttura secondaria e ogni interazione non ordinata che coinvolga i residui di aminoacidi a volte molto distanti fra loro. La struttura quaternaria rende conto dell'arrangiamento delle singole subunità l'una rispetto all'altra. Le subunità in una proteina oligomerica sono tenute assieme da legami non covalenti.

Il termine dominio indica una parte della proteina, generalmente di forma globulare, che ha in sé una specifica funzione, ovvero quella catalitica o di legame.

Capitolo 2: Gli enzimi

Gli enzimi sono le proteine che catalizzano le migliaia di differenti reazioni chimiche che costituiscono la struttura del nostro metabolismo. In quanto catalizzatori, sono in grado di velocizzare le reazioni chimiche senza essere degradati durante il processo. In quanto proteine, il loro tempo di vita è abbastanza corto, e pertanto, la concentrazione di molti enzimi in un determinato momento ne riflette l'effettivo utilizzo.

Molti enzimi agiscono con l'ausilio di cofattori, in modo particolare in quelle reazioni nelle quali avvengono ossidazioni e riduzioni. Gli enzimi velocizzano le reazioni abbassando la loro barriera energetica, o di attivazione.

La molecola (o molecole) sulla quale agisce l'enzima è il substrato e sarà convertita nel prodotto. Gli enzimi sono altamente specifici, ossia, catalizzano una sola reazione o tipo di reazione. L'enzima possiede residui aminoacidici che legano il substrato e altri che effettuano la catalisi. Esistono quindi una regione dell'enzima detta sito di legame e una detta sito catalitico, mentre con il termine sito attivo si intende entrambe le regioni.

La Km o costante di Michaelis-Menten è la concentrazione di substrato necessaria a indurre, in una reazione catalizzata da enzima, una velocità di reazione pari alla metà della velocità massima. La Vmax è il valore massimo della velocità di una reazione enzimatica a una determinata concentrazione di enzima. Tale velocità si raggiunge quando i siti attivi dell'enzima sono totalmente saturati dal substrato al punto che, quando una molecola di substrato è convertita in prodotto e lascia l'enzima, immediatamente un'altra molecola di substrato si lega e la rimpiazza.

La Vmax e la Km sono noti come parametri cinetici di una reazione catalizzata da enzima. Se un enzima è saturo di substrato e pertanto lavora alla sua massima velocità, l'aggiunta di un ulteriore enzima determina un aumento della velocità di reazione. La Vmax è quindi proporzionale alla concentrazione enzimatica ma, comunque, la variazione di concentrazione di enzima incrementa solo la Vmax, mentre non ha nessuna influenza sulla Km.

Molti enzimi mostrano un particolare valore di pH o un piccolo intervallo, in cui è massima l'attività enzimatica. Una variazione di pH può alterare il substrato di un enzima e anche questo fattore può influenzare la velocità di catalisi. L'affaticamento del muscolo è in parte dovuto all'acidificazione dello stesso e ciò, può quindi, far diminuire l'attività di certi enzimi, rischiando di compromettere in tal modo la funzione del muscolo.

Come tutte le reazioni chimiche, le reazioni catalizzate da enzimi tendono a un aumento di velocità all'aumentare della temperatura. Comunque, poiché le forze che garantiscono la conformazione tridimensionale di un enzima sono generalmente deboli, riscaldando troppo si può compromettere la conformazione nativa della proteina, con conseguente diminuzione dell'attività enzimatica.

Il numero di turnover, noto anche come costante catalitica (Kcat), è definito come il massimo numero di molecole di substrato trasformate in prodotto per sito attivo dell'enzima e per unità di tempo. Esso rappresenta una misura di quanto velocemente un enzima possa convertire il substrato in prodotto, essendo considerato una misura della massima attività catalitica di un enzima.

Siccome molti enzimi non operano nelle condizioni di costante saturazione da substrato, un modo migliore esprimere l'efficienza catalitica è quello di utilizzare il rapporto Kcat/Km, che fornisce una descrizione più veritiera della funzione di un enzima in condizioni fisiologiche.

Gli enzimi possono essere inibiti da una varietà di sostanze. Gli inibitori competitivi somigliano strutturalmente al normale substrato di un enzima e pertanto si legano al sito attivo. In tal modo essi agiscono come sostanze mimetiche ma, poiché possiedono piccole differenze col normale substrato, non possono essere alterati chimicamente dall'enzima e trasformati in prodotto. Occupano, quindi, semplicemente in modo reversibile il sito attivo. Questa inibizione può essere rimossa aggiungendo un eccesso di substrato, inoltre, non influenza la Vmax dell'enzima ma determina un aumento del valore della Km, poiché sarà necessaria una quantità maggiore di substrato per superare gli effetti dell'inibitore competitivo.

Un inibitore non competitivo non assomiglia al normale substrato dell'enzima, non si lega al sito attivo e quando è legato all'enzima interferisce con esso, rendendo in tal modo l'enzima incapace di svolgere la propria funzione. Pertanto, abbassa la Vmax ma non altera la Km.

Per svolgere le loro funzioni di catalizzatori, gli enzimi spesso necessitano di altri gruppi reattivi non disponibili sugli aminoacidi e che vengono forniti dai cosiddetti cofattori. Questi possono essere degli ioni, quali Zn²⁺, Mg²⁺ o Mn²⁺, oppure delle molecole organiche chiamate coenzimi. La parte polipeptidica dell'enzima è detta apoenzima e quando questa è combinata con lo specifico cofattore, si ha il cosiddetto oloenzima.

Un cofattore, se è sempre fortemente legato all'enzima, è chiamato gruppo prostetico (es. l'eme).

Le reazioni di ossidazione e riduzione, o reazioni redox, sono reazioni in cui qualcosa viene ossidato (perdita di e) e contemporaneamente qualcosa viene ridotto (acquisizione di e). Lo ione idruro è semplicemente un atomo di H (con un p e un e) più un elettrone addizionale e pertanto esso possiede una carica netta negativa. In definitiva, le reazioni di deidrogenazione sono reazioni di ossidazione nelle quali due e vengono persi come parti di atomi di H o di ioni idruro.

Nella maggior parte delle reazioni redox che avvengono nella cellula, come accettori di e vengono utilizzati due coenzimi. La forma ossidata del coenzima FAD può accettare due atomi di H, trasformandosi in FADH₂. Il coenzima FAD è coinvolto nelle reazioni redox nelle quali da una struttura chimica vengono rimossi due atomi di H. Reazioni simili coinvolgono invece il coenzima NAD⁺, il quale accettando uno ione idruro si trasforma in NADH.

La direzione netta delle reazioni redox dipende dalle concentrazioni relative delle forme ossidate e ridotte dei substrati e dei coenzimi. Durante l'esercizio, quando aumenta nel muscolo la velocità di formazione di piruvato, l'enzima lattato deidrogenasi produce lattato, nel tentativo di mantenere un equilibrio redox (rigenerando NAD⁺). Il lattato può transitare dalla cellula muscolare al sangue, dove la sua concentrazione è spesso utilizzata come indicatore dell'intensità dell'esercizio. Il lattato deriva dall'acido lattico, un acido moderatamente forte (pKa 3,1); a pH neutro, dove avviene la reazione, l'acido lattico esiste in forma di ione lattato, avendo perso il protone. Lo stesso si può affermare per l'acido piruvico, presente sotto forma di piruvato.

In una cellula, ogni reazione chimica è catalizzata da uno specifico enzima e la velocità di una reazione catalizzata da essi dipende dalla concentrazione del substrato. Le velocità di reazione possono anche essere controllate dal luogo in cui questo enzima è localizzato all'interno della cellula.

Ci sono due principali modi con i quali l'attività degli enzimi coinvolti nel controllo del metabolismo, ossia quelli con proprietà o cinetica complesse, può essere controllata: la modificazione tramite molecole effettrici e le modificazioni covalenti.

L'attività di un gruppo di enzimi non dipende solo dalle concentrazioni di substrato e prodotto, ma anche dalla presenza di effettori positivi e negativi. Tali enzimi sono abitualmente composti da varie subunità con molti siti attivi e tipicamente sono collocati in punti strategici delle vie metaboliche, delle quali sono in grado di regolare la velocità. Questi enzimi vengono detti allosterici in quanto posseggono siti diversi dal sito attivo, nei quali possono legarsi gli effettori (detti effettori allosterici). Questo legame influenza la velocità della reazione catalizzata dall'enzima allosterico, facendo aumentare o diminuire la velocità di catalisi per una determinata concentrazione di substrato.

Gli effettori possono essere i substrati o i prodotti dell'enzima allosterico stesso, oppure molecole diverse, la cui concentrazione funge da segnale di quanto attivo debba essere l'enzima in questione e quindi la via metabolica da esso regolata. Le molecole che si legano alle macromolecole sono note come ligandi, e possono essere definiti tali sia i substrati o i prodotti che si legano al sito attivo di un enzima, come pure gli effettori allosterici che si legano ai siti allosterici.

In generale, gli enzimi allosterici sono formati da più subunità e la cinetica segue un andamento sigmoidale dove la presenza di effettori allosterici modifica sostanzialmente la risposta dell'enzima al suo specifico substrato. Hanno questo andamento in quanto si viene ad avere un effetto cooperativo nel legame del substrato al sito attivo di ciascuna subunità, cioè il legame di una molecola di substrato al sito attivo di una delle subunità che compongono l'enzima influenza il legame successivo delle altre molecole di substrato ai siti attivi delle altre subunità dell'enzima. Gli effettori allosterici influenzano marcatamente il valore di Km di un enzima.

Il numero di molecole attive di un enzima è direttamente proporzionale al valore di Vmax, i risultati delle misure vengono espressi in termini di velocità di reazione per unità di peso del tessuto, o per quantità di proteina oppure per volume di fluido analizzato. Ad esempio:

• Micromoli di prodotto formate al minuto per grammo di tessuto;
• Millimoli di substrato trasformate al minuto per milligrammo di proteina;
• Micromoli di prodotto formate al minuto per millilitro di sangue.

Per esprimere l'attività di un enzima si usa il termine unità internazionale (IU). Essa è la quantità di enzima che converte in prodotto una micromole di substrato al minuto. Poiché l'attività di un enzima è sensibile alla temperatura, alla composizione del mezzo e al pH, bisogna specificare queste condizioni.

Capitolo 3: Sistemi energetici e bioenergia

Il contenuto cellulare di ATP rimane costante perché, anche se costantemente utilizzato è rigenerato con la stessa velocità. Il muscolo scheletrico può aumentare la sua velocità di utilizzo di ATP di 100 volte rispetto alla condizione di riposo. Il muscolo scheletrico consiste in un numero di cellule allungate dette fibre, le quali contengono un certo numero di miofibrille disposte parallelamente. Le fibre muscolari possiedono una membrana cellulare, il sarcolemma, e dei mitocondri disposti al di sotto del sarcolemma e fra le miofibrille. La forma molto allungata delle fibre giustifica la presenza di più nuclei.

I neuroni, provenienti dal midollo spinale, innervano ciascuna fibra muscolare nella giunzione neuromuscolare e l'impulso nervoso, passando dal neurone al sarcolemma, attiva le fibre facendole contrarre. La contrazione inizia quando gli ioni calcio vengono rilasciati dalle vescicole intracellulari che si trovano nel reticolo sarcoplasmatico, dove il calcio è depositato. Le strie visibili nelle cellule muscolari sono dovute, nei due tipi di filamenti paralleli, alla disposizione delle proteine allineate in ciascuna miofibrilla.

Il filamento spesso è composto di singole molecole di miosina disposte parallelamente e sovrapposte fra di loro, ognuna delle quali presenta delle teste sporgenti dette cross bridge (ponti crociati). Gli ioni calcio si legano a una proteina del filamento sottile, la troponina, permettendo l'instaurarsi di una interazione tra miosina e actina, generando forza; l'energia utilizzata per il processo proviene dall'idrolisi di ATP. La somma delle forze generate da milioni di teste di miosina, ognuna attaccata a una molecola di actina, porta all'accorciamento dell'intera fibra muscolare.

Il filamento leggero contiene 3 tipi di proteine diverse. Le singole mole...