METABOLISMO E SISTEMI ENERGETICI

Transcript

1 METABOLISMO E SISTEMI ENERGETICI 1

2 Obiettivi della lezione 1) Capire come l organismo converta il cibo che ingeriamo in ATP per fornire ai muscoli l energia che essi necessitano per contrarsi. 2) Esaminare i tre sistemi che rendono disponibile l energia per la contrazione muscolare. 3) Imparare alcuni metodi di misurazione della spesa energetica durante l esercizio fisico. 4) Esplorare come l energia venga utilizzata durante l esercizio fisico e la prestazione sportiva. 2

3 Punti Chiave 1) Energia per il Metabolismo Cellulare Carboidrati, lipidi, e proteine forniscono l energia che l organismo converte in ATP. L ATP è il composto chimico altamente energetico che viene immagazzinato nelle cellule e rilascia una grande quantità di energia quando viene scisso in ADP. Carboidrati e proteine forniscono circa 4.1 kcal/g mentre i lipidi forniscono circa 9.4 kcal/g. L energia dei carboidrati è più accessibile ai muscoli di quella delle proteine e dei grassi. 3 3

4 Sistemi Energetici Fondamentali 1. Sistema ATP-PCr citoplasma 2. Sistema glicolitico citoplasma 3. Sistema ossidativo mitocondri 4 4

6 MOLECOLA DI ATP 6 6

7 RICOSTRUZIONE DI ATP CON PCr 7 7

8 Systema ATP-PCr Questo sistema può prevenire per pochi secondi l esaurimento di energia attraverso la rapida ricostruzione di ATP a partire da ADP e P i. Questo processo è anaerobico ha luogo in assenza di ossigeno. 1 mole di ATP viene prodotta per 1 mole di fosfocreatina (PCr). L energia che deriva dalla demolizione di PCr non è utilizzata per il lavoro cellulare ma solo per ricostruire ATP. 8 8

9 ATP e PCr DURANTE UNO SPRINT 9 9

11 Demolizione e sintesi del Glicogeno Glicolisi Demolizione del glucosio; può aver luogo per via anaerobica o aerobica. Glicogenesi Processo attraverso il quale il glicogeno è sintetizzato dal glucosio per essere immagazzinato nel fegato. Glicogenolisi Processo tramite il quale il glicogeno viene demolito in glucosio-1-fosfato per essere utilizzato dai muscoli

12 Sistema Glicolitico Richiede 12 reazioni enzimatiche di demolizione del glucosio e del glicogeno in ATP. La glicolisi che ha luogo nel sistema glicolitico è in genere anaerobica (senza ossigeno). L acido piruvico prodotto dalla glicolisi anaerobica diviene acido lattico. 1 mole di glicogeno produce 3 moli di ATP; 1 mole di glucosio produce 2 moli di ATP. La differenza è dovuta al fatto che è necessaria 1 mole di ATP per convertire il glucosio in glucosio-6-fosfato, mentre il glicogeno è convertito a glucosio-1-phosphato e poi a glucosio-6- fosfato senza la perdita di 1 ATP

13 Sapevate che? Le azioni combinate dei sistemi ATP-PCr e glicolitico consentono ai muscoli di generare forza in assenza di ossigeno; quindi, sono questi due sistemi energetici che che contribuiscono maggiormente alla trasformazione di energia durante i primi minuti di un esercizio ad alta intensità

15 Sistema Ossidativo Necessita di ossigeno per la demolizione degli alimenti al fine di trasformare energia. Produce ATP nei mitocondri delle cellule. Rende disponibile una maggiore quantità di energia (ATP) rispetto ai sistemi anaerobici. E il sistema energetico principalmente utilizzato durante le attività di endurance

16 Produzione Ossidativa di ATP 1. Glicolisi aerobica citoplasma 2. Ciclo di Krebs mitocondri 3. Sistema di trasporto degli elettroni mitocondri 16 16

17 GLICOLISI AEROBICA E IL SISTEMA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI 17 17

18 CICLO DI KREBS 18 18

19 FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA 19 19

20 Ossidazione dei Carboidrati 1. L acido piruvico dalla glicolisi è convertito ad acetil coenzima A (acetil CoA). 2. L Acetil CoA entra nel ciclo di Krebs e forma 2 ATP, anidride carbonica, e idrogeno. 3. L idrogeno nella cellula si combina con due coenzimi che lo trasferiscono al sistema di trasporto degli elettroni. 4. Il sistema di trasporto degli elettroni ricombina gli atomi di idrogeno per produrre ATP e acqua. 5. Una molecola di glicogeno può generare fino a 39 molecole di ATP

21 Energia liberata dall ossidazione del glicogeno epatico Fase del processo Per fosforilazione Diretto ossidativa a Glicolisi (da glucosio ad acido piruvico) b Da acido piruvico ad acetil coenzima A 0 6 Ciclo di Krebs 2 22 Subtotale Totale a Si riferisce all adenosintrifosfato (ATP) prodotto dal trasferimento di H + ed elettroni alla catena di trasporto degli elettroni. b La quantità di energia accumulata cambia a seconda della molecola trasportatrice che veicola l elettrone attraverso la membrana mitocondriale e lungo la catena di trasporto degli elettroni, NADH oppure FADH; con il NADH si ottengono fino a 39 molecole di ATP, mentre con il 21 FADH se ne ottengono

22 METABOLISMO DEI GRASSI 22 22

23 Ossidazione dei Grassi Lipolisi demolizione dei trigliceridi in glicerolo e acidi grassi liberi (FFAs). I FFAs vengono trasportati attraverso il sangue alle fibre muscolari e vengono demoliti da enzimi nei mitocondri in acido acetico, che è convertito ad acetil CoA. L Acetil CoA entra nel ciclo di Krebs e nel sistema di trasporto degli elettroni. L ossidazione dei grassi richiede una maggiore quantità di ossigeno e genera una maggiore quantità di energia rispetto all ossidazione dei carboidrati

24 Liberazione di Energia dall Ossidazione dell Acido Palmitico (C 16 H 32 O 2 ) Adenosintrifosfato (ATP) prodotto da 1 molecola di acido palmitico Dalla fosforilazione Tappa Diretto ossidativa Attivazione dell acido grasso 0 2 β-ossidazione 0 35 Ciclo di Krebs 8 88 Subtotale Totale

25 Metabolismo delle Proteine L organismo utilizza poco l ossidazione delle proteine sia a riposo che durante esercizio (meno del 5-10%). Alcuni aminoacidi che formano le proteine possono essere convertiti in glucosio (attraverso la gluconeogenesi). L azoto presente negli amminoacidi (che non può essere ossidato) rende difficile la determinazione del prodotto netto di energia proveniente dalle proteine

26 INTERAZIONE DEI SISTEMI ENERGETICI NEL CORSO DI UN ESERCIZIO AD INTENSITA MASSIMALE DI DURATA CRESCENTE 26 26

27 Che cosa determina la Capacita Ossidativa? Livello di enzimi ossidativi nel muscolo Composizione del tipo di fibra e numero di mitocondri Disponibilità di ossigeno nel muscolo 27 27

28 ATTIVITA OSSIDATIVA ENZIMATICA E CAPACITA OSSIDATIVA 28 28

29 Punti Chiave 2) Bioenergetica: Produzione di ATP I sistemi ATP-PCr e glicolitico producono piccole quantità di ATP anaerobicamente e contribuiscono in misura maggiore alla trasformazione di energia durante i primi minuti di un esercizio fisico di alta intensità. Il sistema ossidativo utilizza l ossigeno e rende disponibile una maggior quantità di energia rispetto ai sistemi anaerobici. L ossidazione dei carboidrati avviene attraverso la glicolisi, il ciclo di Krebs e il sistema di trasporto degli elettroni. Alla fine si ottengono aerobicamente fino a 39 molecole di ATP per molecola di glicogeno. (continua) 29 29

30 Punti Chiave 2) (continua dalla precedente) Bioenergetica: Produzione di ATP L ossidazione dei grassi avviene attraverso la β ossidazione degli acidi grassi liberi, il ciclo di Krebs e il sistema di trasporto degli elettroni. La produzione di ATP è piu elevata rispetto ai carboidrati, ma è limitata dalla disponibilita di O 2. Le proteine in genere contribuiscono poco alla produzione di energia (meno del 5%), e la loro ossidazione è complessa perché gli aminoacidi contengono azoto, che non può essere ossidato. La capacità ossidativa delle fibre muscolari depende dai livelli dei loro enzimi ossidativi, dalla composizione del tipo di 30 fibra, e dalla disponibilità di O 2. 30

31 Misura del Costo Energetico dell Esercizio Calorimetria Diretta misura il trasferimento di calore dell organismo per calcolare la spesa energetica. Calorimetria Indiretta calcola la spesa. energetica. a partire dalla misura del VO

32 CAMERA CALORIMETRICA 32 32

33 MISURAZIONE DELLO SCAMBIO DI GAS RESPIRATORI 33 33

34 Misurazione del Costo Energetico dell Esercizio. VO 2 volume di O 2 consumato per minuto (L/min).. VCO 2 volume of CO 2 prodotto per minuto (L/min).... VO 2 = (V I F I O 2 ) - (V E F E O 2 )... VCO 2 = (V E F E CO 2 ) - (V I F I CO 2 ).. Laddove V E = volume di aria espirata; V I = volume di aria inspirata; F I O 2 = frazione di ossigeno nell aria inspirata; F I CO 2 = frazione di anidride carbonica nell aria inspirata; F E O 2 = frazione di ossigeno nell aria espirata; F E CO 2 = frazione di anidiride carbonica nell aria espirata

35 ESEMPIO DI CALCOLO DEL CONSUMO DI OSSIGENO 35 35

36 ESEMPIO DI CALCOLO DEL CONSUMO DI OSSIGENO 36 36

37 Trasformazione di Haldane.. Si puo utilizzare V E per calcolare V I dal momento che il volume di azoto espirato è costante:.. V I = (V E F E N 2 )/F I N 2 e F E N 2 = 1 - (F E O 2 + F E CO 2 )... VO 2 = (V I F I O 2 ) - (V E F E O 2 )... VO 2 = [(V E F E N 2 )/(F I N 2 F I O 2 )] (V E) F E O 2 ) Quindi si possono sostituire i valori noti per F I O 2 di e F I N 2 di :.. VO 2 = (V E {[(1 (F E O 2 + F E CO 2 )) 0.265] F E O 2 } 37 37

38 Quoziente Respiratorio (Respiratory Exchange Ratio RER). Il rapporto fra. CO 2 liberata (VCO 2 ) e ossigeno consumato (VO 2 ).. RER = VCO 2 /VO 2 Il valore di RER a riposo e di solito Il valore di RER può essere utilizzato per risalire al substrato energetico utilizzato a riposo e durante esercizio, con un valore di 1.00 che indica l utilizzo di carboidrati e 0.70 quello di grassi

39 Equivalente Calorico del Quoziente Respiratorio (RER) e % di kcal derivanti da Carboidrati e Grassi Energia % kcal RER kcal/l di O 2 Carboidrati Grassi

40 Caloric Equivalents Food energy equivalents CHO: 4.1 kcal/g Fat: 9.4 kcal/g Protein: 4.1 kcal/g Energy per liter of oxygen consumed CHO: 5.0 kcal/l Fat: 4.7 kcal/l Protein: 4.5 kcal/l. Example: VO 2 rest = L/min 60 min/hr 24 hr/day = 432 L/day 4.8 kcal/l = 2,074 kcal/day 40 40

41 Altre tecniche di misura della spesa energetica Carbon-13 Infuso e rintracciato per deteminare il suo movimento e distribuzione. Acqua a doppia marcatura 2 H 2 18 O viene ingerita e la velocità alla quale il deuterio ( 2 H) e l ossigeno 18 ( 18 O) si diffondono sia nell acqua del corpo che nelle scorte di bicarbonato (dove viene immagazzinata gran parte dell anidride carbonica derivata dal metabolismo), e poi abbandonano l organismo, vengono monitorati e utilizzati per calcolare quanta energia viene spesa

42 Punti Chiave 3) Misurazione dell Utilizzazione di Energia Durante Esercizio La calorimetria diretta misura il calore prodotto dall organismo, mentre la calorimetria indiretta stima la spesa calorica per mezzo della misura del consumo di O 2. Il valore del quoziente respiratorio (RER) può essere utilizzato per determinare quali alimenti sono stati ossidati ed è utilizzato per il calcolo dell energia spesa per litro di O 2 consumato. L indice del metabolismo su tempi lunghi può essere determinato usando gli isotopi. Questi vengono iniettati nell organismo o ingeriti. La velocità alla quale essi vengono eliminati permette di calcolare la produzione di CO42 2 e, quindi, la spesa calorica. 42

43 Domande Descrivere brevemente le tre principali fonti energetiche della contrazione muscolare. Qual è il ruolo del PCr nel rilascio di energia? Descrivere la relazione tra l ATP muscolare e la PCr durante le corse di velocità. Descrivere brevemente la differenza fra metabolismo anaerobico alattacido e lattacido. Descrivere brevemente il metabolismo aerobico. Come si misura il costo energetico dell esercizio? Cos è il quoziente respiratorio (RER)? Spiegare come si usa per valutare l ossidazione dei carboidrati e dei grassi. Cos è l equivalente calorico del litro d ossigeno? 43

44 Lettura Consigliata Wilmore and Costill. Fisiologia dell Esercizio Fisico e dello Sport. Capitolo 4 (fino a pagina 156) 44

45 Lettura Consigliata (per la prossima lezione) Wilmore and Costill. Fisiologia dell Esercizio Fisico e dello Sport. Capitolo 4 (da pagina 156) Capitolo 6 (prima parte) 45

46 Lettura Consigliata (per la parte della prossima lezione, e quella successiva) Wilmore and Costill. Fisiologia dell Esercizio Fisico e dello Sport. Capitolo 6 46