Principi di Biochimica

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1 Principi di Biochimica Dr. Augusto Innocenti, PhD Biologo Nutrizionista Prof. a contratto Università di Parma Perfezionamento in Biochimica e Biologia Molecolare Phd in Neurobiologia e Neurofisiologia Materia: Atomi e Molecole La materie è costituita da particelle elementari chiamati Atomi che legandosi tra di loro formano le Molecole. Nelle molecole gli atomi sono tenuti assieme da forze di vario tipo che formano i cosiddetti legami chimici. 1

2 Materia: Atomi e Molecole Gli Atomi sono costituiti da tre tipi di particelle: Protoni (carica positiva), Neutroni (carica neutra) ed Elettroni (carichi negativa). I protoni ed i neutroni formano il nucleo, attorno al quale girano gli elettroni. Materia: Atomi e Molecole Gli atomi si associano spontaneamente tra loro attraverso i legami chimici, formando le molecole I legami chimici sono le forze che tengono uniti gli atomi che formano le molecole. Un legame è formato dalla condivisione o dal trasferimento di elettroni tra atomi e dall'attrazione elettrostatica tra protoni ed elettroni 2

3 Materia: Atomi e Molecole Elementi: sostanze composte da un solo tipo di atomo es. H 2 O 2 O 2 H 2 Composti: sostanze composte da molecole che contengono più specie atomiche es. H 2 O. Energetica L energia sfugge ad una definizione in termini di forma, dimensioni e massa, ma implica una condizione dinamica di cambiamento di stato: in realtà l energia può essere definita come la capacità di compiere un lavoro. In base al primo principio della termodinamica l energia non può essere né creata né distrutta, ma semplicemente si trasforma da una forma all altra. 3

4 Legami Chimici L Energia di Legame è l energia necessaria per rompere un certo legame. Più è forte un legame chimico più alta sarà la sua energia di legame. La stabilità di una molecola, quindi, è tanto maggiore, quanto più alta è la sua energia di legame. Reazioni Chimiche La propensione degli atomi a formare molecole può essere ricondotto alla tendenza di un sistema a raggiungere una situazione stabile, a minore contenuto di energia (II principio della Termodinamica). Infatti l energia della molecola così formata è inferiore rispetto a quella dei due atomi isolati. 4

5 Reazioni Chimiche Allora, se due atomi posti a contatto reagiscono tra loro spontaneamente, si potrà scrivere: A + B = AB + energia + A B ENERGIA - AB Energia Reazioni Chimiche Trasformazioni della materia in cui gli atomi, pur restando inalterati si legano e si ridistribuiscono in modo diverso da quello originario, formando così sostanze diverse da quelle di partenza. Le sostanze da cui si parte sono dette reagenti, le sostanze ottenute al termine della reazione sono dette prodotti. 5

6 Reazioni Chimiche Energia di Attivazione: Il composto X è in uno stato metastabile perché viene liberata energia quando è convertito nel composto Y. Affinché avvenga questa trasformazione ad X deve essere somministrata una certa energia per superare la barriera che lo separa dal composto Y. Reazioni Chimiche Reazioni esoergoniche: L energia dei prodotti è minore rispetto a quella dei reagenti: si ha una liberazione di energia verso l'esterno. Reazioni endoergoniche: L energia dei prodotti è maggiore rispetto a quella dei reagenti: si ha un assorbimento di energia dell'esterno. 6

7 Reazioni Chimiche Reazioni Accoppiate: A) Reazione spontanea che produce energia (calore); B)L energia prodotta da A viene in parte accumulata; C)L energia accumulata in B viene utilizzata per produrre lavoro in un altra reazione. Reazioni Chimiche Velocità di Reazione: La velocità con cui si svolge una reazione, ossia il numero di reazioni che avvengono nell unità di tempo. Si può esprimere come diminuzione della concentrazione di un reagente (o aumento della concentrazione di un prodotto) nell unità di tempo. 7

8 Reazioni Chimiche La velocità di una reazione ad una data temperatura è proporzionale alla concentrazione dei suoi reagenti (legge dell azione di massa), ma anche alla concentrazione della specie allo stato di transizione. La velocità di reazione è anche proporzionale alla temperatura a cui si svolge (la temperatura fornisce energia termica ai reagenti), generalmente la velocità raddoppia ad un aumento di 10 C della Temperatura. Catalizzatore: Reazioni Chimiche Sostanza che modifica la velocità di una reazione chimica, risultando inalterata al termine del processo: Catalisi positiva aumenta la velocità di reazione. Catalisi negativa diminuisce la velocità di reazione. 8

9 Reazioni Chimiche Pur rimanendo inalterato al termine della reazione il catalizzatore prende parte alla reazione chimica combinandosi con i reagenti e formando un complesso intermedio attivato che poi si separa nei prodotti e rilascia il catalizzatore. Enzimi Gli enzimi sono molecole di natura proteica che svolgono la funzione di catalizzatori biologici, facilitando le interazioni biochimiche ed accelerando la velocità delle reazioni di sintesi o di degradazione che avvengono all'interno della cellula (la velocità di tali reazioni può essere aumentata fino a 10 milioni di volte). 9

10 Enzimi Ciascun enzima è specifico di una data reazione o di un gruppo di reazioni simili. Molti enzimi sono attivi solo se associati a un cofattore (uno ione metallico come Fe 2+ o Mn 2+ ) o a una struttura organica più complessa, detta coenzima (che spesso è una vitamina). Enzimi L enzima ed i reagenti che in questo caso prendono il nome di Substrato entrano in contatto e si legano tra loro Gli enzimi ed il substrato formano dei complessi altamente instabili detti Stati di Transizione. 10

11 Enzimi In definitiva gli enzimi accelerano le reazioni chimiche diminuendo l energia di attivazione. Enzimi Le cellule riescono a operare con tanta facilità le trasformazioni grazie alla presenza degli enzimi che adeguano la velocità delle reazioni alle necessità della cellula stessa. 11

12 Monomeri Monosaccaridi Aminoacidi Acidi Grassi Nucleotidi Polimeri Polisaccaridi Proteine Grassi, Lipidi Acidi Nucleici Monomeri Polimeri 12

13 Bioenergetica Bioenergetica Tutte le attività biologiche richiedono energia e questa energia viene fornita dai nutrienti ed in particolare dai macronutrienti. Gli stessi principi fisici che regolano la conservazione dell energia si applicano anche ai sistemi biologici. 13

14 Bioenergetica Le molecole contenute negli alimenti contengono energia potenziale che viene liberata attraverso le reazioni chimiche di idrolisi e ossidazione del metabolismo energetico, seguendo il secondo principio della termodinamica, passando cioè da molecole a più alto contenuto energetico a molecole a minor contenuto energetico con liberazione di energia (reazioni esoergoniche). Bioenergetica L energia prodotta da queste reazioni non viene trasferita direttamente alle cellule che devono compiere lavoro, ma viene utilizzata attraverso una reazione accoppiata per sintetizzare un composto altamente energetico: l adenosintrifosfato (ATP). 14

15 Bioenergetica L energia potenziale contenuta nella molecola di ATP può essere usata successivamente dalla cellula per ogni forma di lavoro biologico, quindi le cellule sintetizzano continuamente ATP e continuamente l ATP libera energia quando le cellule ne hanno bisogno. Bioenergetica 15

16 Bioenergetica Schema del ciclo ATP-ADP: L ATP viene idrolizzato in ADP liberando energia nei processi di sintesi e viene da esso riformato, accumulando energia attraverso il catabolismo dei nutrienti. Libera Energia P P P ATP Adenosina Accumula Energia Processi di Biosintesi (Anabolismo) ADP + P Catabolismo dei Nutrienti P P Adenosina E P E Metabolismo: il complesso di tutte le reazioni organiche di trasformazioni tra energia e materia. Si divide in: Anabolismo caratterizzato dalla sintesi di molecole complesse con relativo consumo energetico Catabolismo caratterizzato dalla degradazione di molecole complesse in molecole più semplici con liberazione di energia. 16

17 Catabolismo Primo stadio demolizione dei macronutrienti nei loro blocchi costitutivi. Non si ha liberazione di energia Secondo stadio demolizione dei blocchi costitutivi in intermedi fondamentali formati da pochi atomi di carbonio, attraverso vie metaboliche specifiche per ogni tipo di composto. A questo stadio è associata la liberazione di una parte relativamente piccola dell energia totale racchiusa nei legami delle biomolecole. Terzo stadio gli intermedi ottenuti precedentemente sono incanalati in un unico processo ciclico terminale, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. È in quest ultimo stadio comune che viene liberata e conservata la maggior quantità dell energia chimica presente nelle molecole da metabolizzare. Carboidrati Lipidi Proteine Glicogenolisi Lipolisi Proteolisi Monosaccaridi Acidi Grassi Amminoacidi Glicolisi -Ossidazione Deaminazione Piruvato Acetil CoA Ossalacetato Ciclo di Krebs Fosforilazione Ossidativa Le varie vie del catabolismo dei nutrienti che convergono nel ciclo di Krebs che poi conduce alla fosforilazione ossidativa. 17

18 Anabolismo Comprende quel complesso di reazioni enzimatiche, definito anche BIOSINTESI che permette all'organismo di utilizzare i principi nutritivi introdotti con gli alimenti per la sintesi delle molecole complesse. Anabolismo Produzione di: riserve energetiche enzimi ormoni formazione dei tessuti mantenimento strutturale e funzionale dell organismo. 18

19 Anabolismo Le reazioni anaboliche di biosintesi sono prevalentemente endoergoniche richiedono, cioè, un apporto di energia. Possiamo dire che i processi anabolici spendono l energia prodotta dai cicli catabolici e immagazzinata sotto forma di molecole ATP. Anabolismo Esistono alcuni intermedi comuni ai due aspetti del metabolismo e, come abbiamo già introdotto, lo stesso ciclo di Krebs, la fornace catabolica comune a tutte le vie aerobiche, ha la caratteristica di poter dar vita a reazioni di biosintesi, pertanto viene definito come una via ANFIBOLICA 19

20 Anabolismo L'anabolismo comprende i seguenti processi: Sintesi dei carboidrati. Sintesi dei lipidi. Sintesi delle proteine. Duplicazione e Replicazine dell acido desossiribonucleico (DNA). Sintesi dell'acido ribonucleico (RNA). Bioenergetica Bilancio Energetico La risultanza tra l energia immessa con i cibi e quella consumata per mantenere in vita ed in movimento il corpo viene definito Energia in entrata degradazione chimica dei macronutrienti attraverso le vie cataboliche. Energia in uscita: TDEE (Total Daily Energy Expediture) dispendio energetico totale giornaliero 20

21 Bioenergetica Il dispendio energetico giornaliero totale può essere scomposto in tre componenti Metabolismo basale (BMR 60%-75%), Termogenesi indotta dagli alimenti (DIT 7%-15%), Attività fisica (AEE 15%-30) Bioenergetica Metabolismo Basale (BMR) rappresenta l energia che è necessaria all organismo per mantenere l omeostasi dell organismo (trasporto di membrana, cicli biochimici, funzionalità vegetativa degli organi, turnover proteico ecc.) Il BMR viene definito come il consumo energetico di un individuo per unità di tempo nelle seguenti condizioni : Digiuno da ore In posizione supina, sveglio ma rilassato, Con temperatura corporea normale A temperatura ambiente costante di C In assenza di stimoli psicofisici esterni 21

22 Bioenergetica L 80% della variabilità individuale del BMR dipende da: Peso corporeo Età Sesso Per il restante 20% si rileva l influenza delle seguenti caratteristiche: Temperatura corporea Composizione corporea Familiarità e fattori genetici Condizioni fisiopatologiche Quadro ormonale. L estrapolazione del BMR nelle 24 ore viene definito come Spesa Energetica Basale (BEE ovvero Basal Energy Expenditure). Bioenergetica Misura del BMR Calorimetria Diretta Calorimetria Indiretta Equazioni Predittive del BMR BEE M = 66+(13,7xPeso)+(5xAltezza)-(6,8xEtà) BEE F = 655+(9,6xPeso)+(1,85Altezza)-(4,7xEtà) 22

23 Bioenergetica Equazioni predittive del BEE, espresso in Kcal/dì, a partire dal peso corporeo espresso in Kg. Le equazioni perdono di significatività in individui obesi. Pc = Peso Corporeo Fonti: Commission of the European Communities, Modificato da SINU Età Maschi BMR Femmine < ,5xPc-31 22,7xPc ,7xPc ,3xPc ,6xPc ,9xPc+700 8,4xPc ,3xPc-31 20,3xPc ,4xPc ,7xPc+496 8,7xPc+829 9,2xPc+688 9,8xPc+624 Bioenergetica 23

24 Bioenergetica Termogenesi Indotta dagli Alimenti (DIT) detta anche azione dinamico-specifica dei nutrienti, viene definita come l'incremento del dispendio energetico in risposta all'assunzione del cibo. L apporto al dispendio energetico totale può essere valutato in una proporzione di circa il 7-15%. La DIT varia a seconda della distribuzione dei macronutrienti nel pasto, il consumo energetico indotto è: basso per i Lipidi (2-5%) medio per i carboidrati (5-10%) elevato per le proteine (circa 30%). Bioenergetica Costo Energetico dell Attività Fisica (AEE) L attività fisica viene definita come qualunque azione esercitata dal sistema muscoloscheletrico che si traduca in un consumo di energia superiore a quello in condizioni di riposo Il costo energetico dell attività fisica, così come l introduzione calorica, è una variabile controllabile dal soggetto in contrasto con le altre componenti del TDEE. 24

25 Bioenergetica I consumi energetici dovuti all attività fisica dipendono da: Tipo Frequenza Intensità Quantità delle attività condotte dall'individuo Possono variare da poco più del 15% del dispendio energetico totale per stili di vita estremamente sedentari a valori pari a 3-4 volte il BEE. Bioenergetica L attività fisica ha un azione stimolante sul metabolismo basale influenzando positivamente alcuni dei fattori coinvolti nel dispendio energetico basale quali: Composizione corporea Condizione ponderale Metabolismo glucidico Metabolismo lipidico Produzione Endorfine e Serotonina 25

26 Bioenergetica Bioenergetica Chilocaloria la quantità di energia necessaria ad innalzare di 1 C (da 14,5 a 15,5) la temperatura di 1 Kg di acqua a livello del mare Chilojoule multiplo di un joule, unità di misura dell energia nel Sistema Internazionale. 1kcal=4,2 kj ovvero 1kJ=0,24 kcal 26

27 Bioenergetica È possibile stabilire la quantità di energia, che si ottiene bruciando i diversi tipi di sostanze nutritive, e che viene espressa in chilocalorie (kcal) o chilojoule (kj). Il contenuto energetico medio dei vari macronutrienti è: 4,1 kcal/gr per i carboidrati 5,3 kcal/gr per le proteine (4,1 per la loro incompleta ossidazione) 9,3 kcal/gr per i grassi 7,1 kcal/gr per l etanolo Sebbene anche le proteine possano essere catabolizzate per ottenere energia, la maggior parte del metabolismo energetico avviene grazie alla demolizione di carboidrati e lipidi. Bioenergetica Sebbene anche le proteine possano essere catabolizzate per ottenere energia, la maggior parte del metabolismo energetico avviene grazie alla demolizione di carboidrati e lipidi. I carboidrati sono il tipo di alimento più abbondante al mondo, mentre i grassi costituiscono la fonte di energia più concentrata e semplice da immagazzinare. In situazioni particolari, come in caso di prolungata attività fisica intensa o di deplezione glucidica, l'organismo si trova costretto a utilizzare, a fini energetici, le proteine ottenute dall'alimentazione o, in casi di deperimento estremo, dai propri tessuti. 27

28 Bioenergetica Deplezione glucidica quello stato fisiologico estremo in cui un organismo ha esaurito le proprie scorte di carboidrati, non solo a livello ematico (glucosio), ma anche, e soprattutto, a livello epatico e muscolare (glicogeno di riserva), pertanto non è più in grado di mobilizzare zuccheri. In questo caso si innesca un processo (gluconeogenesi) che genera zuccheri da molecole non glucidiche, tra cui gli aminoacidi, attivando quindi il catabolismo proteico. Bioenergetica La quantità, la varietà e le proporzioni dei macronutrienti nella dieta quotidiana influiscono profondamente sulla qualità della vita, sulla capacità di eseguire lavoro (esercizio fisico), e sulla salute nel suo complesso. Un corretto piano nutrizionale deve quindi avere un giusto equilibrio tra modalità di assunzione e quantità del cibo ingerito, tenendo conto del dispendio energetico del soggetto. 28

29 Il Flusso di Energia dei Nutrienti L assunzione del cibo include quattro fasi durante le quali si attuano quattro atti fisiologici correlati all ingestione del cibo, ricercare e mangiare, digerire, assorbire ed infine consumare le riserve. Tali fasi sono associate ad altrettanti processi del metabolismo energetico che possono essere definite come fase cefalica, fase gastrica, fase del substrato e fase del digiuno. Il Flusso di Energia dei Nutrienti Durante le quattro fasi il flusso di energia derivante dal catabolismo dei vari nutrienti viene controllato ed indirizzato dagli ormoni insulina glucagone. 29

30 Il Flusso di Energia dei Nutrienti Fase Cefalica Fase Gastrica Fase del Substrato Insulina Fase del Digiuno Glucagone Pasto Il Flusso di Energia dei Nutrienti Pasto ad alto carico glicemico Pasto a basso carico glicemico 30