Pagine da biochimica sport

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Fondamenti di biochimica dell'esercizio fisico
Michael E. Houston
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Pagine da biochimica sport

  1. 1. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:28 Pagina 3 CAPITOLO 1 Aminoacidi, Peptidi e Proteine L e 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, che catalizzano tutte le reazioni chimiche nell’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. I peptidi sono piccole proteine che hanno spesso uno specifico ruolo regolatorio, come gli ormoni, quali l’insulina, e i fattori di crescita, come l’insulino simile (IGFs). 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 acido desossiribonucleico (DNA), macromolecola costituita da quattro differenti basi azotate, e la sequenza di basi in un gene definisce la sequenza di aminoacidi per una proteina. A causa dell’enorme grandezza della molecola di DNA, solo piccoli segmenti dei geni sono copiati ogni volta e le copie assumono la forma di una nuova molecola, l’acido ribonucleico messaggero (mRNA): tale processo è noto col termine di trascrizione. L’informazione trascritta sull’mRNA è quindi usata per ordinare il legame dei 100 o più aminoacidi che compongono una proteina. Questo processo, noto come traduzione, avviene all’esterno del nucleo. Le proteine sono continuamente soggette a ricambio: le vecchie proteine sono scisse, in un processo noto come degradazione, nei loro aminoacidi costituenti e continuamente vengono sintetizzate nuove molecole. Questo processo di continua sintesi e degradazione di proteine nelle cellule è noto come turnover proteico (figura 1.1). Gli aminoacidi rilasciati quando una proteina è degradata possono essere riutilizzati. La velocità di turnover di una determinata proteina si misura attraverso il tempo necessario per il ricambio della metà delle molecole della stessa; tale valore prende il nome di emivita. 3
  2. 2. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:29 Pagina 21 CAPITOLO 2 Gli enzimi G li enzimi sono le proteine che catalizzano le migliaia di differenti reazioni chimiche che costituiscono la struttura del nostro metabolismo. Come tutte le proteine, gli enzimi sono macromolecole formate da 20 diversi aminoacidi. 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 relativamente corto e, pertanto, la concentrazione di molti enzimi in un determinato momento ne riflette l’effettivo utilizzo. Questo capitolo inizia con un’analisi dei catalizzatori, del ruolo degli enzimi quali catalizzatori biologici e dei fattori chiave critici per l’azione enzimatica nelle cellule. Molti enzimi agiscono con l’ausilio di cofattori, in modo particolare in quelle reazioni nelle quali avvengono ossidazioni e riduzioni. Come conclusione, viene proposta una panoramica sulle modalità di modulazione dell’azione degli enzimi e su come sia possibile misurare l’azione enzimatica. GLI ENZIMI COME CATALIZZATORI Gli enzimi velocizzano le reazioni abbassando la loro barriera energetica, chiamata anche energia di attivazione; in tal modo, le reazioni si ottengono anche alla temperatura, relativa- mente bassa, di un organismo. In laboratorio, le reazioni chimiche possono avvenire poiché le sostanze reagenti vengono riscaldate, superando così la barriera energetica che ne impedisce la realizzazione a basse temperature. Nel corpo umano, che lavora a una temperatura relativamente bassa e costante (37°C), gli enzimi sono essenziali per abbassare la barriera energetica. In tal modo, le migliaia di reazioni che strutturano il metabolismo umano possono avvenire speditamente, proprio perché gli enzimi sono così efficaci da incrementare di milioni di volte la velocità delle reazioni, rispetto alle stesse reazioni non catalizzate. La molecola (o le molecole) sulla quale agisce l’enzima è conosciuta come substrato e sarà convertita nel prodotto (o prodotti). Per esempio, quando le proteine assunte con la dieta (il substrato) vengono digerite, l’azione degli enzimi proteolitici digestivi nell’intestino tenue dà luogo a singoli aminoacidi e piccoli peptidi. Gli enzimi sono altamente specifici, catalizzando una sola reazione o tipo di reazione. Lasciate a se stesse, molte sostanze chimiche possono interagire fra di loro fino a raggiungere in tempi molto lunghi una situazione di equilibrio, nella quale non c’è variazione netta di concentrazione di substrato o prodotto. L’enzima permette alla reazione di raggiun- 21
  3. 3. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:29 Pagina 45 CAPITOLO 3 Sistemi energetici e bioenergetica L’ abilità di utilizzare l’energia è una caratteristica di tutti gli organismi viventi. Questa energia, sotto forma di ATP (adenosina trifosfato), anche se in piccole quantità - da circa 3 mmoli per chilogrammo in molti tessuti a 6 mmoli per chilogrammo nel muscolo scheletrico - è riscontrabile in tutte le cellule. Il contenuto cellulare di ATP rimane costante perché, anche se esso è costantemente utilizzato, nello stesso momento viene rigenerato alla stessa velocità. L’adenosina trifosfato viene utilizzata per guidare svariati processi nella cellula, quali la sintesi delle proteine cellulari, l’immagazzinamento degli alimenti, la sintesi di RNA (acido ribonucleico) e il trasporto di sostanze all’interno delle cellule e degli organelli, nonché per la segnalazione necessaria a regolare i processi cellulari. Il muscolo scheletrico, specialmente negli atleti di alto livello, è un sistema che ha dell’incredibile. Basti considerare che un maratoneta di alto livello copre i 42 km della gara in meno di 130 minuti, ma nel frattempo: - spende circa 3.000 chilocalorie (12.600 chilojoules); - ossida circa 700 g di carboidrati; - ossida più di 30 g di grassi; - utilizza 600 litri di ossigeno; - scinde e riforma più di 150 mmoli di ATP che , pesano in totale circa 63 kg. In questo capitolo, verrano trattate le richieste energetiche del muscolo scheletrico e il ruolo svolto dall’ATP, un composto ricco di energia che alimenta direttamente la contrazione muscolare. Poiché nel muscolo la concentrazione di ATP è molto bassa, si tratterà approfonditamente anche dei tre sistemi energetici responsabili nelle cellule del mantenimento della concentrazione di ATP L’ultima parte del capitolo sarà . focalizzata sugli aspetti quantitativi del metabolismo energetico cellulare. LE NECESSITÀ ENERGETICHE DEL MUSCOLO SCHELETRICO Il muscolo scheletrico è un tessuto molto particolare, che può all’improvviso, come nel caso di uno sprint, aumentare la sua velocità di utilizzo di ATP di 100 volte rispetto alla condizione di riposo. Il muscolo scheletrico può mantenere una contrazione isometrica, come quando si tiene in braccio un bimbo, oppure può essere utilizzato, in contrazioni ripetute ad alta intensità per lungo tempo, come nel caso di una maratona. Lo studio inizia con la conoscenza della struttura del muscolo scheletrico e con la comprensione di come si contrae il muscolo scheletrico. 45
  4. 4. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:29 Pagina 79 CAPITOLO 4 Fosforilazione ossidativa G li esseri umani sono sistemi termodinamici aperti, cioè scambiano continuamente materia ed energia con l’ambiente circostante. In particolare, dall’ambiente attingono ossigeno, alimenti, acqua e, a volte, anche un po’ di calore; nell’ambiente, invece, il corpo umano rilascia sostanzialmente biossido di carbonio, urina e feci. La fonte di energia per svolgere tutte le azioni associate alla vita deriva dal cibo ingerito. Questo capitolo studia gli eventi metabolici in cui è coinvolto l’ossigeno e che generano più del 90% dell’ATP di cui gli esseri umani necessitano. Poiché è la prima volta che si affronta in questo testo lo studio dettagliato di una via metabolica, è opportuno iniziare con uno sguardo generale sul metabolismo energetico cellulare. La fosforilazione ossidativa è un processo complesso che avviene nei mitocondri. Il ciclo dell’acido citrico è (CAC) la prima via metabolica importante, perché genera la maggior parte degli elettroni da trasferire all’ossigeno che viene respirato. L’energia rilasciata durante questo trasferimento viene utilizzata per produrre ATP. La fosforilazione ossidativa deve essere accoppiata alla richiesta di energia di ogni individuo e deve essere regolata da questa; pertanto il capitolo include un riscontro dettagliato della regolazione della fosforilazione ossidativa, compresi gli aspetti quantitativi a essa associati. A conclusione, viene inserita una sezione dedicata all’analisi degli ossidanti e degli antiossidanti. UNO SGUARDO GENERALE SUL METABOLISMO Gli alimenti ingeriti sono scissi nel tratto digestivo in composti più semplici, che vengono poi assorbiti, riversati nel circolo ematico e distribuiti ai vari tessuti. Qui le molecole semplici assorbite possono essere ulteriormente scisse, per produrre energia sotto forma di ATP, oppure essere immagazzinate, quali molecole fonti di energia per utilizzi futuri (glicogeno e triacilgliceroli) o utilizzate per sintetizzare macromolecole (per esempio proteine) specifiche per le necessità umane; nel caso dei minerali e delle vitamine, possono essere utilizzate per mantenere l’ambiente interno e per supportare il metabolismo. Riassumendo quanto già detto, i principali sistemi presenti nel muscolo e deputati alla rigenerazione di ATP sono: la fosfocreatina, la glicolisi e la fosforilazione ossidativa. L’unica fonte energetica della glicolisi sono i carboidrati, mentre la fosforilazione ossidativa può utilizzare carboidrati, grassi e aminoacidi. Gli aminoacidi che vengono ossidati sono ottenuti dal normale rinnovo delle proteine, oppure dall’eccesso nella dieta di proteine, che non sono immediatamente convertite in grassi o glucoso. La maggior parte dei grassi è immagazzinata in cellule specializzate, dette cellule grasse o adipociti, ma una piccola quantità è immagazzinata anche in altri tipi cellulari, per esempio nel muscolo. Quando il 79
  5. 5. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:29 Pagina 135 CAPITOLO 5 Il metabolismo dei carboidrati M olte persone attive sanno dell’importanza dei carboidrati per la prestazione fisica. Altri sono a conoscenza del fatto che una dieta a base di carboidrati, piuttosto che di grassi, è migliore per la salute. Poche persone, comunque, conoscono le reazioni chimiche che nell’organismo riguardano i carboidrati o il modo in cui il loro corpo, specialmente i muscoli scheletrici, si organizza per utilizzare con parsimonia i carboidrati, a meno che le riserve non siano abbondanti, ovvero il fabbisogno di ATP non sia elevato. I carboidrati sono il cibo del cervello e la biochimica di questi composti ne favorisce il continuo apporto proprio al cervello. I carboidrati hanno avuto cattiva pubblicità, come dimostrano le diete cosiddette a basso contenuto di carboidrati. L’obesità, uno dei maggiori e attuali problemi mondiali, è associata con una diminuita abilità di “maneggiare” i carboidrati e ciò può sfociare, in ultimo, nello sviluppo del diabete di tipo 2, una condizione che mina la salute di un numero sempre crescente di persone. Il capitolo inizia dando uno sguardo ai vari carboidrati e alle modalità in cui viene regolato l’ingresso del glucoso nelle cellule. Questo studio sul metabolismo dei carboidrati include un dettagliato esame della via glicolitica e anche del metabolismo del glicogeno e come la sua sintesi e il suo catabolismo nel fegato e nel muscolo siano riconducibili alla priorità di immagazzinare e utilizzare questo polisaccaride. Il lattato, un composto prodotto durante l’esercizio intenso, è un importante punto nodale, seguito dai meccanismi mediante i quali gli elettroni generati nel citosol vengono trasferiti nella catena di trasporto degli elettroni. Ci sono importanti modalità di sintetizzare carboidrati quando le fonti dietetiche sono inadeguate. La gluconeogenesi ovvero la biosintesi di glucoso da fonti non zuccherine è di vitale importanza. La via del pentoso fosfato è spesso trattata in maniera sommaria, in quanto non è tanto attiva nel muscolo, ma è comunque molto importante. Il capitolo si chiude con uno sguardo dettagliato alle vie segnale (signalling) che controllano il metabolismo cellulare. Il materiale è organizzato in vie metaboliche principali, seguite dai meccanismi che regolano queste vie; ogni sezione termina con una discussione sul ruolo ricoperto dai carboidrati nell’esercizio. I CARBOIDRATI I carboidrati vengono classificati come monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Esempi di monosaccaridi sono il glucoso, il fruttoso e il galattoso; questi zuccheri semplici sono chiamati esosi perché contengono sei atomi di carbonio (es- indica sei atomi di carbonio e -oso sta per zucchero). Più avanti si vedranno due altri monosaccaridi che sono pentosi, il riboso 135
  6. 6. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:30 Pagina 193 CAPITOLO 6 Il metabolismo dei lipidi M olte persone sanno bene che i grassi (o lipidi) sono combustibili molto importanti per l’organismo e, molto probabilmente, hanno sentito dire che troppi grassi nella dieta sono pericolosi, che l’immagazzinamento di un eccesso di grassi è il principale problema per la salute e che i lipidi sono insolubili in acqua. Ma pochi si rendono conto che i lipidi sono anche elementi strutturali e sono coinvolti nella trasduzione del segnale. I grassi sono immagazzinati nelle cellule adipose sotto forma di triacilgliceroli (trigliceridi). Gli scienziati usano distinguere il tessuto adiposo in bianco (WAT: white adipose tissue) e bruno (BAT: brown adipose tissue), utilizzato dagli animali di piccola taglia come fonte di calore. I depositi di grasso sono considerati una riserva energetica a lungo termine, al contrario del glicogeno che è considerato una riserva a breve termine. Per comprendere l’importanza dei lipidi, bisogna conoscerne i vari tipi e il loro metabolismo. In questa parte verranno esaminati l’immagazzinamento dei lipidi, come essi e i corpi chetonici vengono ossidati per formare ATP e come gli esseri umani sintetizzano i lipidi. I lipidi depositati nel tessuto adiposo e nel muscolo giocano un ruolo importante nel metabolismo dell’esercizio. Inoltre, saranno affrontati altri temi: come viene regolata la competizione tra l’ossidazione dei lipidi e quella dei carboidrati e le ultime scoperte concernenti l’abilità del tessuto adiposo di secernere peptidi regolatori, che agiscono in una maniera molto simile agli ormoni. Il capitolo si conclude con una discussione sul colesterolo. TIPI DI LIPIDI I lipidi sono classificati come acidi grassi, triacilgliceroli, fosfolipidi e steroli e i loro ruoli nell’organismo sono largamente determinati dalle loro strutture chimiche. Alla fine del capitolo verrà chiarito il ruolo del colesterolo, lo sterolo dominante. I lipidi sono per la maggior parte idrofobici, cioè contengono solo componenti non-polari, ma possono essere anche anfipatici, cioè contenere qualche gruppo polare. Abbiamo già incontrato gli acidi grassi nel capitolo 4, quando si è detto che la β-ossidazione degli acidi grassi fornisce acetil-CoA per il ciclo del citrato. Gli acidi grassi sono quindi molecole combustibili molto importanti. Gli acidi grassi Gli acidi grassi sono acidi carbossilici a lunga catena, quindi presentano una lunga coda idrocarburica e una testa rappresentata dal gruppo carbossilico. La maggior parte di acidi 193
  7. 7. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:30 Pagina 243 CAPITOLO 7 Il metabolismo degli aminoacidi N el capitolo 1 è stata affrontata la chimica degli aminoacidi. Il presente capitolo riguarderà invece gli aminoacidi da un punto di vista differente. Gli aminoacidi si ottengono dalle proteine presenti nella dieta e sono considerati macronutrienti. Le proteine, come i carboidrati, forniscono approssimativamente 17 chilojoule/grammo (4 kcal/g) di energia fisiologica, mentre per i lipidi si hanno circa 38 chilojoule/grammo (9 kcal/g). Gli esseri umani tipicamente ingeriscono circa il 10-15% delle loro calorie sotto forma di proteine; da quest’ultime si ottengono gli aminoacidi, che vengono utilizzati per sintetizzare proteine utili all’organismo e altre importanti sostanze. Gli aminoacidi vengono utilizzati anche come fonte di energia. Il capitolo inizierà con uno sguardo generale sul metabolismo degli aminoacidi, poi affronterà il loro catabolismo, la modalità che l’organismo usa per allontanare l’azoto sotto forma di urea e disporre della rimanente catena carboniosa, quando gli aminoacidi vengono ossidati. Gli aminoacidi possono essere utilizzati come combustibili metabolici e le vie di utilizzo durante l’esercizio sono molto importanti. Il capitolo si chiude rivisitando il ruolo degli aminoacidi come combustibili o componenti delle proteine. UNO SGUARDO GENERALE SUL METABOLISMO DEGLI AMINOACIDI La figura 7.1 riporta, in maniera schematica, il metabolismo degli aminoacidi. La principale fonte di aminoacidi per l’organismo umano è rappresentata dalle proteine che derivano dagli alimenti. Durante la digestione, le proteine vengono degradate ad aminoacidi liberi, che possono essere assorbiti e immessi nel sistema sanguigno. Il pool degli aminoacidi è rappresentato dagli aminoacidi plasmatici, più quelli presenti nei fluidi extracellulari. Sebbene la consistenza di questo pool sia piccola rispetto alla massa totale delle proteine, esso presenta un elevato turnover (ricambio). Gli aminoacidi dalle proteine della dieta entrano in questo pool attraverso l’intestino, oppure per rilascio da parte delle cellule. Gli aminoacidi vengono prelevati dal pool, trasportati entro la cellula e utilizzati per sintetizzare le proteine. Ogni cellula è in grado di sintetizzarsi le proprie proteine, attingendo gli aminoacidi necessari dalle proteine idrolizzate all’interno della cellula o dal pool. In una donna normale di circa 60 kg sono presenti circa 10 kg di proteine e circa 170 grammi (132 lb) di aminoacidi liberi. Come riportato nel ca- 243
  8. 8. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:30 Pagina 267 CAPITOLO 8 La trascrizione del gene e il suo controllo I n questo capitolo e nel successivo verranno tracciati i punti che, dall’espressione di un gene, cioè di una sequenza di basi del DNA, portano alla formazione di una proteina. Il contenuto di DNA di un nucleo è fisso e, quando la cellula si divide per formare nuove cellule nel processo della mitosi, il DNA deve essere dapprima duplicato. Quando una parte di DNA viene copiata nel nucleo nel processo della trascrizione, quello che si ottiene è l’acido ribonucleico o RNA, che gioca un ruolo da intermediario molto importante: converte infatti l’informazione contenuta nel DNA in una sequenza di aminoacidi, che costituiranno la proteina. In questo capitolo saranno presi in considerazione i diversi tipi di RNA, il codice genetico, la trascrizione del gene e come la trascrizione venga regolata. Quest’ultimo punto verrà trattato con particolare attenzione, specialmente attraverso le modalità di segnale che giocano un ruolo critico nel determinare la giusta velocità di espressione genica nelle singole cellule, in rapporto ai fabbisogni generali dell’organismo. Il capitolo inizia con una rivisitazione sul DNA. La trascrizione del gene e il suo controllo Il DNA Il DNA presenta una struttura a doppia elica, è situato all’interno del nucleo e fornisce l’informazione che permette a tutti gli esseri umani di crescere dal piccolissimo embrione fino all’età adulta. Con l’eccezione della cellula uovo e dello spermatozoo, ogni nucleo di tutte le altre cellule contiene 46 cromosomi; ogni cromosoma consiste di una singola, ma lunghissima, molecola di DNA, associata a molte proteine di diversi tipi. Gli uomini hanno 22 coppie di cromosomi (dal cromosoma 1 fino al cromosoma 22), più un cromosoma X e uno Y. Anche le donne hanno 22 coppie di cromosomi, ma hanno due cromosomi X (invece di un Y e un X). Il nostro genoma consiste di 3,1647 x 109 basi e l’informazione in esso contenuta corrisponde a circa 30.000 geni. Per quanto si pensi che gli uomini siano uno diverso dall’altro - e in effetti è così - in termini di impronta genetica e di DNA, il 99,9% della sequenza di basi di ogni DNA è esattamente lo stesso in ogni individuo. 267
  9. 9. Houston.qxp:Biochimica 19-09-2008 16:30 Pagina 295 CAPITOLO 9 Sintesi e degradazione delle proteine I capitoli 1, 5 e 7 riguardavano il ricambio (turnover) delle proteine. Il costante ciclo di sintesi (traduzione) e catabolismo (degradazione) delle proteine è così importante che rappresenta il punto di partenza di questo testo (vedi figura 1.1). Un ciclo costante di turnover delle proteine copre tre funzioni importanti. Innanzitutto permette alla cellula di distruggere le proteine che hanno subito una qualche modifica o che sono state erroneamente sintetizzate, riducendo il rischio dei danni che si possono verificare nella cellula. In secondo luogo, le proteine corporee rappresentano una potenziale fonte di combustibile metabolico ossidabile, nei casi in cui l’organismo non assuma sufficiente energia sotto forma di alimenti. Quindi, durante un digiuno prolungato (o breve) la velocità di sintesi diminuisce, mentre quella di degradazione aumenta, con un apparente incremento di aminoacidi endogeni pronti per essere ossidati. Infine, variazioni di velocità nella sintesi e nella degradazione delle proteine permettono all’organismo intero, e a specifici tessuti, di adattarsi alle diverse condizioni ambientali e nutrizionali. Per esempio, un eccesso di carboidrati nella dieta stimola la formazione di enzimi epatici idonei per la lipogenesi de novo. Nel muscolo scheletrico allenato, i ripetuti esercizi fisici possono indurre variazioni riguardanti il contenuto di specifiche proteine. Questo capitolo avrà come temi principali i Sintesi e degradazione delle proteine meccanismi relativi alla sintesi e alla regolazione della sintesi proteica, il modo in cui i polipeptidi appena sintetizzati si combinano con altri polipeptidi per costituire un’unità funzionale (spesso descritto come riarrangiamento posttraduzionale) e, infine, come le proteine vengono degradate nelle cellule, i vari processi attraverso i quali ciò avviene e i principali fattori che controllano la velocità di tutto il processo biosintetico. Le proteine vengono sintetizzate dai ribosomi nel citosol. Il messaggio presente sull’mRNA è tradotto in una sequenza di aminoacidi, ma prima che ciò avvenga le molecole di RNA derivanti dalla trascrizione devono essere modificate per generare le forme attive di RNA di trasferimento (tRNA), RNA ribosomiale (rRNA) e RNA messaggero (mRNA). MODIFICAZIONI POST-TRASCRIZIONALI DELL’RNA Come riportato nel capitolo 8, l’acido ribonucleico è il prodotto della trascrizione dei geni. In ogni cellula la maggior parte delle molecole di RNA derivano da geni espressi in singola copia e forniscono l’informazione per la sequenza di aminoacidi in un polipeptide; tuttavia ci sono copie multiple di geni che forniscono l’informazione per la sintesi di molecole di RNA destinate a divenire rRNA e tRNA. 295

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