Riassunto Esame Biochimica Generale e dello Sport

Biochimica generale e dello sport

Università Cattolica del Sacro Cuore

Anno accademico 2019/2020

Prof. Mordente

Dispensa a cura dello studente: Nicola Pinna

Glucidi

I glucidi vengono classificati in base al numero di unità monomeriche che contengono. I monosaccaridi contengono una singola unità monomerica; gli oligosaccaridi contengono dalle due alle venti unità monomeriche; i polisaccaridi contengono oltre le venti unità monomeriche.

I monosaccaridi vengono definiti zuccheri semplici, e si possono distinguere in base al numero di atomi di carbonio che contengono, con C che va da 3 a 7. Non possono essere idrolizzati in zuccheri più semplici, e sono classificati in aldosi o chetosi in base al fatto che contengano un gruppo aldeidico o un gruppo chetonico. C=3 triosi; C=4 tetrosi; C=5 pentosi; C=6 esosi; C=7 eptosi. Nei monosaccaridi il numero dei gruppi ossidrilici è uguale al numero degli atomi di carbonio -1.

Epimeri

Due zuccheri si definiscono epimeri quando differiscono soltanto per la configurazione intorno ad un atomo di carbonio; ad esempio gli epimeri del glucosio sono il mannosio epimero in C-2 e il galattosio epimero in C-4. La molecola del glucosio è una molecola chirale, quindi esistono due enantiomeri che sono l’uno speculare all’altro (il D-glucosio e L-glucosio). Soltanto il D-glucosio viene utilizzato e prodotto dagli organismi viventi.

Quando la molecola del glucosio si chiude ad anello, può farlo in due modi diversi: il gruppo -OH legato all'atomo di carbonio immediatamente successivo a quello di ossigeno percorrendo l'anello in senso orario può infatti puntare verso il basso o verso l'alto rispetto al piano medio della molecola, nel primo caso si parla di α-glucosio, nel secondo di β-glucosio. In soluzione acquosa le due forme si convertono l'una nell'altra tramite la mutarotazione (che consiste nell’aumento del potere rotatorio di alcuni carboidrati se posti in soluzione acquosa).

Disaccaridi

I disaccaridi sono costituiti da due monosaccaridi uniti mediante legame glicosidico; i più importanti dal punto di vista biomedico sono il maltosio, il lattosio, e il saccarosio.

• Il maltosio si forma per condensazione di due molecole di glucosio tramite legame alfa1->4 glicosidico. L’idrolisi del maltosio porta alla sua scissione in due molecole di glucosio.
• Il lattosio è costituito da una molecola di beta-galattosio e da una molecola di beta-glucosio unite tramite legame beta1->4 glicosidico.
• Il saccarosio è costituito da una molecola di alfa-glucosio e da una molecola di beta-fruttosio unite tramite legame alfa1->2 glicosidico.

Polisaccaridi

I polisaccaridi si distinguono in omopolisaccaridi ed eteropolisaccaridi. Gli omopolisaccaridi sono costituiti da un solo tipo di monosaccaridi, alcuni di essi si trovano all’interno delle cellule ed hanno la funzione di riserva energetica (amido e glicogeno), altri sono i costituenti strutturali delle pareti cellulari (cellulosa) e dell’esoscheletro degli animali (chitina). Gli eteropolisaccaridi sono costituiti da due o più tipi di monosaccaridi; alcuni di essi si trovano nella matrice extracellulare delle cellule, conferendo stabilità e supporto meccanico alle cellule e ai tessuti.

Amido e glicogeno

L’amido è un omopolisaccaride presente nelle cellule vegetali; è un polimero del glucosio ed è presente sotto forma di amilosio e di amilopectina. L’amilosio è un polimero lineare in cui le unità di glucosio sono legate tramite legami alfa1->4 glicosidici. L’amilopectina è un polimero ramificato le cui catene laterali presentano legami alfa1->6 glicosidici.

Il glicogeno è un omopolisaccaride presente nelle cellule animali; è un polimero del glucosio, ed è la principale forma di deposito di glucidi negli animali. È strutturalmente molto simile all’amilopectina da cui si differenzia per il numero delle ramificazioni. Nell’uomo si trova principalmente nel fegato (7-10% della massa) e nel muscolo (1-2% della massa). L’amido e il glicogeno sono idrolizzati dalle alfa-amilasi.

La cellulosa è un omopolisaccaride lineare polimero del glucosio. Nella cellulosa i residui di glucosio sono legati da legami glicosidici beta1->4; non è idrolizzata dall’uomo in quanto non ha enzimi in grado di scindere questo legame.

L’acido ialuronico è un eteropolisaccaride altamente idratato che partecipa alla formazione dei proteoglicani; i proteoglicani sono i principali costituenti dei tessuti connettivi e gli conferiscono resistenza meccanica. Infatti, la proprietà della cartilagine di assorbire gli urti è dovuta alla capacità dei proteoglicani di rilasciare acqua.

In definitiva si può dire che i glucidi hanno un ruolo energetico, un ruolo plastico e un ruolo idrodinamico.

Metabolismo glucidico

Il catabolismo di polisaccaridi, proteine e trigliceridi porta alla formazione di una molecola finale: l’acetil-coenzima A, (oltre a produrre energia). L’acetil-coenzima A segna l’inizio del ciclo di Krebs. Nell’uomo il metabolismo glucidico è fondamentalmente il metabolismo del glucosio, che è l’unico combustibile utilizzato da tutte le cellule dell’organismo.

Trasportatori di glucosio

I glucotrasportatori sono una famiglia di proteine di membrana che consentono il passaggio di glucosio nella cellula attraverso la membrana plasmatica. I trasportatori GLUT sono una famiglia di proteine che consentono il passaggio del glucosio tramite diffusione facilitata. Nell’uomo ne esistono 12 tipi, tra i più importanti troviamo:

• GLUT1 che è distribuito in modo ubiquitario e la sua funzione è quella di garantire l’assunzione basale di glucosio;
• GLUT2 che si trova negli epatociti, nelle cellule beta del pancreas, negli enterociti, e nel rene. Il suo ruolo è quello di rimuovere il glucosio in eccesso nel sangue e di regolare il rilascio di insulina;
• GLUT3 si trova nei neuroni e il suo ruolo è quello di garantire l’assunzione basale di glucosio;
• GLUT4 si trova nel tessuto muscolare e adiposo, e la sua funzione è quella di assunzione del glucosio in risposta all’insulina.

Fosforilazione del glucosio

Il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato dall’enzima esochinasi, mentre nel fegato e nel pancreas viene fosforilato dall’enzima glucochinasi. La fosforilazione impedisce al glucosio di uscire dalla cellula. Il fegato è l’unico tessuto in grado di rilasciare il glucosio nel sangue in quanto contiene l’enzima glucosio-6-fosfatasi che defosforila il glucosio-6-fosfato in glucosio.

Glicolisi

La glicolisi è la via centrale del catabolismo del glucosio, consta di 10 reazioni che avvengono all’interno del citosol mediante gli enzimi glicolitici. Nella glicolisi una molecola di glucosio (monosaccaride a 6 atomi di carbonio) viene ossidata a due molecole di piruvato (monosaccaride a 3 atomi di carbonio), consentendo di ricavare energia sotto forma di ATP e NADH. La glicolisi può essere suddivisa in due parti: una fase preparatoria e una fase di recupero energetico.

Fase preparatoria

Il glucosio è convertito in due molecole di gliceraldeide 3-fosfato con utilizzo di due molecole di ATP.

• La molecola di glucosio viene fosforilata a glucosio-6-fosfato per opera dell’enzima esochinasi, e con utilizzo di una molecola di ATP;
• Il glucosio-6-fosfato viene convertito in fruttosio-6-fosfato per opera dell’enzima fosfoglucosio isomerasi, e con utilizzo di una molecola di ATP;
• Il fruttosio-6-fosfato viene convertito in fruttosio 1,6-bifosfato per opera dell’enzima fosfofruttochinasi;
• Avviene la scissione di uno zucchero fosforilato a 6 atomi di carbonio (il fruttosio 1,6-bifosfato) in due zuccheri fosforilati a 3 atomi di carbonio (triosi), ad opera dell’enzima aldolasi. Si formano due molecole che sono: il diidrossiacetone fosfato (chetone) e il gliceraldeide 3-fosfato (aldeide);
• La quinta reazione interessa solo il diidrossiacetone fosfato che viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato per opera dell’enzima trioso fosfato isomerasi, passando dalla forma chetonica a quella aldeidica;

Fase di recupero energetico

Ciascuna molecola di gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata a piruvato. In questa fase si ottengono 4 molecole di ATP e 2 molecole di NADH.

• La gliceraldeide-3-fosfato viene fosforilata a 1,3-bifosfoglicerato per opera dell’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Questa reazione consente di ottenere due molecole di NADH;
• In questa reazione avviene la fosforilazione a livello del substrato, catalizzata dall’enzima fosfoglicerato chinasi, che porta alla formazione del 3-fosfoglicerato. Questa reazione consente di ottenere due molecole di ATP;
• L’enzima fosfoglicerato mutasi catalizza l’isomerizzazione del 3-fosfoglicerato in 2-fosfoglicerato;
• Il 2-fosfoglicerato viene convertito in fosfoenolpiruvato ad opera dell’enzima enolasi;
• In questa reazione avviene la seconda fosforilazione a livello del substrato, catalizzata dall’enzima piruvato chinasi, che porta alla formazione del piruvato. Questa reazione consente di ottenere due molecole di ATP;

Gli enzimi glicolitici sottoposti a regolazione allosterica sono: l’esochinasi, la fosfofruttochinasi-1 e la piruvato chinasi. La reazione completa della glicolisi è la seguente:

Glucosio + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H₂O + 2 H⁺

Via del pentoso fosfato

È una via catabolica alternativa alla glicolisi che consente di generare NADPH e di convertire zuccheri esosi (a 6 atomi di carbonio) in zuccheri pentosi (a 5 atomi di carbonio); è utile per produrre NADPH e ribosio-5-fosfato. Il NADPH è il coenzima utilizzato dalle cellule per la sintesi di acidi grassi, ormoni, neurotrasmettitori, nucleotidi e colesterolo. Il ribosio-5-fosfato viene utilizzato dalle cellule per produrre acidi nucleici (DNA, RNA), nucleotidi, e coenzimi (NADH, NADPH e FADH₂).

Glicogenosintesi

È un processo che avviene nel citoplasma delle cellule del fegato e dei muscoli e consiste nella conversione del glucosio in glicogeno. Si forma così un glicogeno lineare che successivamente verrà ramificato nella sua struttura definitiva dall'azione di uno specifico enzima ramificante.

• Conversione del glucosio-6-fosfato in glucosio-1-fosfato ad opera dell’enzima fosfoglucomutasi;
• Consiste nella reazione tra il gruppo fosfato del glucosio-1-fosfato e l’ATP, ad opera dell’enzima UDP-glucosio fosforilasi, che catalizza la liberazione di un gruppo fosfato dall’UTP, e la formazione dell’UDP-glucosio;
• Avviene la formazione della catena lineare di glicogeno tramite legami alfa1->4 glicosidici, ad opera dell’enzima glicogeno sintasi, che per iniziare la formazione di una nuova catena necessita la presenza di un primer, la glicogenina, che è una proteina che presenta un residuo di tirosina, a cui viene legata la prima molecola di glucosio; quando la catena supera gli 8 residui di lunghezza, avviene la sua ramificazione ad opera di un enzima ramificante, che forma legami alfa1->6 glicosidici.

Glicogenolisi

È un processo che degrada le molecole di glicogeno al fine di ottenere molecole di glucosio.

• La glicogeno fosforilasi catalizza la scissione di un legame alfa1->4 tra due residui di glucosio, portando alla formazione di glucosio-1-fosfato;
• Deramificazione del glicogeno per trasferimento degli ultimi 3 o 4 residui di glucosio e rottura del legame alfa1->6, ad opera dell’enzima deramificante;
• Conversione del glucosio-1-fosfato in glucosio-6-fosfato ad opera dell’enzima fosfoglucomutasi;

Gluconeogenesi

È la sintesi di glucosio a partire da precursori non glucidici; i principali precursori sono il piruvato, il lattato, il glicerolo e gli amminoacidi (alanina). Nell’uomo avviene principalmente nel fegato, e 7 reazioni su 10 sono catalizzate dagli stessi enzimi della glicolisi, infatti segue il processo inverso della glicolisi. La formazione di una molecola di glucosio dal piruvato richiede 4 molecole di ATP, 2 molecole di GTP e 2 molecole di NADH.

Destino del piruvato

Il piruvato può essere decarbossilato ad Acetil-CoA nel ciclo di Krebs; ridotto a lattato tramite fermentazione lattacida, oppure convertito a fosfoenolpiruvato nella gluconeogenesi.

Lipidi

I lipidi sono un gruppo eterogeneo di composti chimici la cui proprietà comune è l’insolubilità in acqua. Diversamente dalle altre biomolecole non sono dei polimeri e presentano una più ampia varietà strutturale. Possono essere classificati in base alla loro localizzazione e alla loro funzione principale. Si possono distinguere in lipidi semplici e complessi.

Classificazione dei lipidi

• Lipidi semplici: i gliceridi (localizzati nel tessuto adiposo e aventi funzione di riserva energetica), gli steroidi (localizzati nelle cellule animali e vegetali e aventi funzione strutturale e regolatrice), le cere (presenti nei peli, nella pelle, nelle foglie e aventi funzione di rivestimento protettivo), e i terpeni (presenti nel secreto di alcuni insetti e nella resina di conifere, e aventi funzioni diverse).
• Lipidi complessi: i fosfolipidi e i glicolipidi localizzati nelle membrane cellulari e aventi funzione strutturale, e le lipoproteine localizzate nel plasma sanguigno e aventi funzione di trasporto.
• Classificati anche in lipidi neutri e lipidi polari. I lipidi neutri sono gli steroli e i gliceridi (monogliceridi, digliceridi, trigliceridi); i lipidi polari sono i fosfolipidi (glicerofosfolpidi e sfingolipidi) e i glicolipidi.

Acidi grassi

Gli acidi grassi sono degli acidi carbossilici costituiti da una lunga catena idrocarburica che rappresenta la coda apolare, ed un gruppo carbossilico terminale che rappresenta la testa polare. Si differenziano per la lunghezza della catena idrocarburica e per il grado di insaturazione della catena. Gli acidi grassi di importanza biologica sono costituiti da un numero pari di atomi di carbonio compreso tra i 14 e i 20.

In base al numero dei doppi legami si possono distinguere in acidi grassi saturi e acidi grassi insaturi. Gli acidi grassi saturi non presentano doppi legami; gli acidi grassi insaturi presentano doppi legami e sono: gli acidi grassi monoinsaturi (presenza di un doppio legame), e gli acidi grassi poliinsaturi (presenza di 2 o più doppi legami).

Esempi di acidi grassi

• Acidi grassi saturi: acido miristico, palmitico, stearico, arachidico, lignocerico.
• Acidi grassi monoinsaturi: acido oleico, acido palmitoleico.

I doppi legami di quasi tutti gli acidi grassi insaturi presenti in natura si trovano nella configurazione cis; gli acidi grassi trans vengono prodotti per fermentazione o per idrogenazione, ed un loro aumentato consumo alimentare è strettamente collegato con l’insorgenza di malattie cardiovascolari. Il doppio legame cis produce un ripiegamento della catena, e in questo modo le catene degli acidi grassi insaturi non possono impacchettarsi strettamente come avviene per gli acidi grassi saturi. Gli acidi grassi insaturi sono liquidi oleosi a temperatura ambiente.

Negli acidi grassi saturi la conformazione più stabile è quella completamente estesa, e le loro catene non avendo ripiegamenti possono compattarsi strettamente tramite delle interazioni idrofobiche, e formare delle strutture quasi cristalline. Gli acidi grassi saturi hanno una consistenza cerosa a temperatura ambiente.

Gli acidi grassi essenziali, ossia quelli che devono essere introdotti necessariamente con l’alimentazione sono l’acido linoleico capostipite della serie omega 6, e l’acido gamma-linolenico capostipite della serie omega 3.

Trigliceridi

I trigliceridi sono costituiti da 3 acidi grassi legati tramite legame estere ai gruppi alcolici (OH) di una molecola di glicerolo. Sono la principale riserva energetica dell’uomo, in quanto: forniscono una notevole quantità di energia (38kj/g contro i 17kj/g dei carboidrati e delle proteine); occupano poco spazio essendo molecole praticamente prive di acqua.

Glicerofosfolipidi e sfingolipidi

I glicerofosfolipidi sono i principali costituenti lipidici delle membrane biologiche, e svolgono un ruolo importante nella trasduzione del segnale. Gli sfingolipidi differiscono dai glicerofosfolipidi per la presenza della sfingosina al posto del glicerolo, e anch’essi svolgono un ruolo importante nella struttura delle membrane biologiche e nella trasduzione del segnale.

Steroli

Gli steroli sono dei composti chimici derivanti dallo sterolo, e sono i precursori degli ormoni steroidei. Tra questi troviamo il colesterolo che ha un ruolo importante nella struttura delle membrane biologiche. Si può dire che i lipidi svolgono 3 importanti ruoli: ruolo energetico, ruolo plastico e ruolo ormonale.

Metabolismo lipidico

Gli acidi grassi sono la principale fonte di energia per tutti i tessuti dell’organismo ad eccezione degli eritrociti e del cervello. I trigliceridi sono una forma di trasporto e di deposito degli acidi grassi; sono costituiti da 3 acidi grassi legati tramite legame estere ai 3 gruppi alcolici (OH) di una molecola di glicerolo. La lipolisi dei trigliceridi provenienti dalla dieta o dal tessuto adiposo porta alla formazione di acidi grassi. Gli acidi grassi provenienti dalla dieta vengono trasportati nel flusso ematico attraverso le lipoproteine plasmatiche. Gli acidi grassi che vengono mobilizzati dal tessuto adiposo vengono trasportati nel flusso ematico legati all’albumina.

Digestione dei lipidi

Il catabolismo di polisaccaridi, proteine e trigliceridi porta alla formazione di una molecola finale: l’acetil-coenzima A, (oltre a produrre energia). L’acetil-coenzima A segna l’inizio del ciclo di Krebs. La digestione dei lipidi inizia nella bocca per opera delle lipasi linguali, poi si continua nello stomaco tramite la lipasi gastrica, per poi completarsi nell’intestino per opera delle lipasi pancreatiche. Nell’intestino tenue i sali biliari provenienti dalla cistifellea emulsionano le masse lipidiche in particelle più piccole, formando delle micelle miste. Successivamente le lipasi intestinali degradano i trigliceridi in acidi grassi. Gli acidi grassi a media e corta catena si diffondono sotto forma di monomeri verso la mucosa intestinale dalla quale vengono assorbiti.