Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! - la chimica dell
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Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! la chimica dell’ultratrailer Sommario Dr. Fabiano Nart Gruppo Divulgazione Scientifica Dolomiti “E. Fermi” www.gdsdolomiti.org [email protected] Belluno, 24/01/2015 1 / 33 Sommario Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! 1 Ultra maratona 2 Metabolismo Ultratrail Catabolismo Carburante Motore Dr. Fabiano Nart 3 I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Sommario 4 Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione 5 Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs Ciclo di Krebs Fosforilazione catena respiratoria 8 Bilancio energetico 9 . . . e adesso corri! 10 Bibliografia 6 7 2 / 33 Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Parte I Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore Introduzione 3 / 33 Ultramaratona Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Ultramaratona: corsa su distanze maggiori di quella tipica della maratona (42km e 195m). Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore 100km 24h ultratrail Ultratrail: corsa in montagna su distanze maggiori di 42km e con elevati dislivelli. 4 / 33 Ultramaratona Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Ultramaratona: corsa su distanze maggiori di quella tipica della maratona (42km e 195m). Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore 100km 24h ultratrail Ultratrail: corsa in montagna su distanze maggiori di 42km e con elevati dislivelli. 4 / 33 Ultramaratona Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart L’uomo non è centometrista Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore L’uomo è ultramaratoneta 5 / 33 Ultratrail - due esempi in Dolomiti Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart distanza: 53km Ultra maratona dislivello: 3800m+ Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore distanza: 57km dislivello: 3700m+ 6 / 33 Metabolismo Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Metabolismo: insieme di tutte le reazioni enzimatiche che avvengono nella cellula. Dr. Fabiano Nart Due vie principali: catabolismo ⇒ degradazione molecole nutritizie complesse → molecole piccole + E Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore anabolismo ⇒ biosintesi molecole piccole + E → componenti cellulari E = ATP, adenosintrifosfato 7 / 33 Metabolismo Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Metabolismo: insieme di tutte le reazioni enzimatiche che avvengono nella cellula. Dr. Fabiano Nart Due vie principali: catabolismo ⇒ degradazione molecole nutritizie complesse → molecole piccole + E Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore anabolismo ⇒ biosintesi molecole piccole + E → componenti cellulari E = ATP, adenosintrifosfato 7 / 33 Catabolismo Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore mezzo auto corpo carburante benzina AcetilCoA propulsione motore ciclo Krebs trasmissione albero ATP moto ruote gambe η 30% 50% Esempio: Francesco Galanzino, deserto del Gobi, 250km. 25.000cal = 3l di gasolio SUV ⇒ 25km utilitaria ⇒ 60km 8 / 33 Catabolismo Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore mezzo auto corpo carburante benzina AcetilCoA propulsione motore ciclo Krebs trasmissione albero ATP moto ruote gambe η 30% 50% Esempio: Francesco Galanzino, deserto del Gobi, 250km. 25.000cal = 3l di gasolio SUV ⇒ 25km utilitaria ⇒ 60km 8 / 33 Catabolismo Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Reazioni accoppiate A + m B + n ∆G > 0 n+o p+q ∆G 0 Enzima: catalizzatore biologico, generalmente una proteina molto grande. Metabolismo Catabolismo Carburante Motore Coenzima: cofattore dell’enzima, molecola semplice non proteica. 9 / 33 Carburante Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Il greggio dell’ultratrailer: carboidrati (benzina) lipidi (gasolio) proteine (benzina) Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Carburante raffinato ⇒ AcetilCoA Motore 10 / 33 Carburante Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Il greggio dell’ultratrailer: carboidrati (benzina) lipidi (gasolio) proteine (benzina) Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Carburante raffinato ⇒ AcetilCoA Motore 10 / 33 Carburante Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! i carboidrati sono immagazzinati come glicogeno (450g) Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore fino ai 20km prevalgono i carboidrati tra i 20 e i 40km prevalgono i lipidi dopo i 40km si iniziano ad usare le proteine ⇒ muscoli! Attenzione! Le tre fonti lavorano in parallelo 11 / 33 Carburante Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! i carboidrati sono immagazzinati come glicogeno (450g) Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore fino ai 20km prevalgono i carboidrati tra i 20 e i 40km prevalgono i lipidi dopo i 40km si iniziano ad usare le proteine ⇒ muscoli! Attenzione! Le tre fonti lavorano in parallelo 11 / 33 Carburante Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo Carburante Motore 12 / 33 Motore - schema generale Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart STADIO I ⇒ degradazione Ultra maratona Ultratrail Metabolismo Catabolismo STADIO II ⇒ conversione ad AcetilCoA Carburante Motore STADIO III ⇒ ciclo di Krebs 13 / 33 Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Parte II Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Vie cataboliche Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 14 / 33 I primi 20km Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi ci si sente forti l’andatura è più sostenuta Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico è il momento peggiore Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs Carburante principale Carboidrati 15 / 33 Glicogenolisi Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 16 / 33 Glicolisi Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 17 / 33 Glicolisi Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Due possibili strade: poco allenato ⇒ anaerobica ⇒ glicolisi ⇒ acido lattico allenato ⇒ aerobica ⇒ AcetilCoA ⇒ ciclo di Krebs I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs ox potere riducente = NADH/H+ da G3P → 1,3BG NAD+ torna nella glicolisi potere riducente trasferito tra molecole, non all’O2 18 / 33 Glicolisi Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Due possibili strade: poco allenato ⇒ anaerobica ⇒ glicolisi ⇒ acido lattico allenato ⇒ aerobica ⇒ AcetilCoA ⇒ ciclo di Krebs I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs ox potere riducente = NADH/H+ da G3P → 1,3BG NAD+ torna nella glicolisi potere riducente trasferito tra molecole, non all’O2 18 / 33 Glicolisi - ciclo di Cori Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Il biforcuto acido lattico, meglio evitarlo . . . Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori =⇒ Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs ATTENZIONE! il fegato ha una capacità limitata . . . 19 / 33 Ossidazione acido piruvico (ciclo di Krebs) Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km acido piruvico ; ciclo di Krebs trasformazione ad AcetilCoA. Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 20 / 33 Tra i 20 e i 40km Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi l’andatura è stabile Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi si sta bene si è superato il muro dei 30km β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs Carburante principale Lipidi 21 / 33 Digestione ed attivazione dei lipidi Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! lipidi, 90% trigliceridi insolubili in H2 O emulsionati dai sali biliari Dr. Fabiano Nart idrolizzati (glicerina + acido grasso 1 ) acido grasso ⇒ AcilCoa I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 1 lipasi pancreatica 22 / 33 β-ossidazione Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km β-ossidazione = retro-Claisen a Glicogenolisi Glicolisi (nC-2)/2 cicli di β-ossidazione Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico AcetilCoA ⇒ ciclo di Krebs Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi se n dispari ⇒ ProprionilCoA β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi a β-chetotioestere → 2 tioesteri Fasi preparative al ciclo di Krebs 23 / 33 Dopo i 40km Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione l’andatura si abbassa si perde la concezione temporale in qualche maniera si arriva. . . Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs Si inizia a consumare proteine Demolizione dei muscoli! 24 / 33 Proteolisi Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Come i lipidi, le proteine sono troppo grandi per entrare nel ciclo di Krebs. ⇒ degradazione ad amminoacidi I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 25 / 33 Fasi preparative al ciclo di Krebs Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Transaminazione ⇒ perdita di NH3 , formazione di α-chetoacido Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi Deaminazione ossidativa ⇒ rigenerazione di α-chetoglutarato Ciclo dell’urea ⇒ eliminazione di NH3 come urea β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 26 / 33 Fasi preparative al ciclo di Krebs Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Transaminazione ⇒ perdita di NH3 , formazione di α-chetoacido Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi Deaminazione ossidativa ⇒ rigenerazione di α-chetoglutarato Ciclo dell’urea ⇒ eliminazione di NH3 come urea β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 26 / 33 Fasi preparative al ciclo di Krebs Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Transaminazione ⇒ perdita di NH3 , formazione di α-chetoacido Dr. Fabiano Nart I primi 20km Glicogenolisi Glicolisi Ciclo di Cori Ossidazione acido piruvico Tra i 20 e i 40km Digestione ed attivazione dei lipidi Deaminazione ossidativa ⇒ rigenerazione di α-chetoglutarato Ciclo dell’urea ⇒ eliminazione di NH3 come urea β-ossidazione Dopo i 40km Proteolisi Fasi preparative al ciclo di Krebs 26 / 33 Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Parte III Ciclo di Krebs Fosforilazione catena respiratoria Bilancio energetico Ciclo di Krebs e fosforilazione catena respiratoria 27 / 33 Ciclo di Krebs Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ciclo di Krebs Fosforilazione catena respiratoria Bilancio energetico prodotto ultimo step è il reagente del primo step primo step regola il ciclo intermedi sono continuamente rigenerati coenzimi FAD e NAD+ ridotti a FADH2 e NADH Il ciclo funziona se . . . . . . ci sono FAD e NAD+ 28 / 33 Fosforilazione catena respiratoria Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ciclo di Krebs Due reazioni accoppiate: 1 trasporto e − (catena respiratoria) NADH/FADH2 + O2 → NAD + /FAD + H2 O + E 2 fosforilazione ossidativa ADP + E + Pi → ATP Fosforilazione catena respiratoria Bilancio energetico 29 / 33 Bilancio energetico Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ciclo di Krebs Fosforilazione catena respiratoria Bilancio energetico Carboidrati glucosio → 2acido piruvico → 2acido lattico + 2H2 O + 2ATP 2 acido piruvico + 5O2 → 6CO2 + 34H2 O + 30ATP 2 Lipidi acido palmitico[C16] + 23O2 → 16CO2 + 145H2 O + 129ATP via glucidi glucidi lipidi ATP 2 36 129 ∆Go(ox) -47,0 -686,0 -2340 ∆G0(ATP) 14,6 262,3 942 η(STP) (%) 31 38 40 kcal/g 4,2 4,2 9,4 ∆Go in kcal/mol. Due vie per le proteine: ciclo di Krebs o gluconeogenesi. Resa in ATP circa quella dei carboidrati, potere calorico 5,6kcal/g. 2 ATP totale = 30 + 2glicolisi +4 extramitocondriale =36. 30 / 33 Bilancio energetico Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ciclo di Krebs Fosforilazione catena respiratoria Bilancio energetico Carboidrati glucosio → 2acido piruvico → 2acido lattico + 2H2 O + 2ATP 2 acido piruvico + 5O2 → 6CO2 + 34H2 O + 30ATP 2 Lipidi acido palmitico[C16] + 23O2 → 16CO2 + 145H2 O + 129ATP via glucidi glucidi lipidi ATP 2 36 129 ∆Go(ox) -47,0 -686,0 -2340 ∆G0(ATP) 14,6 262,3 942 η(STP) (%) 31 38 40 kcal/g 4,2 4,2 9,4 ∆Go in kcal/mol. Due vie per le proteine: ciclo di Krebs o gluconeogenesi. Resa in ATP circa quella dei carboidrati, potere calorico 5,6kcal/g. 2 ATP totale = 30 + 2glicolisi +4 extramitocondriale =36. 30 / 33 Bilancio energetico Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Ciclo di Krebs Fosforilazione catena respiratoria Bilancio energetico Carboidrati glucosio → 2acido piruvico → 2acido lattico + 2H2 O + 2ATP 2 acido piruvico + 5O2 → 6CO2 + 34H2 O + 30ATP 2 Lipidi acido palmitico[C16] + 23O2 → 16CO2 + 145H2 O + 129ATP via glucidi glucidi lipidi ATP 2 36 129 ∆Go(ox) -47,0 -686,0 -2340 ∆G0(ATP) 14,6 262,3 942 η(STP) (%) 31 38 40 kcal/g 4,2 4,2 9,4 ∆Go in kcal/mol. Due vie per le proteine: ciclo di Krebs o gluconeogenesi. Resa in ATP circa quella dei carboidrati, potere calorico 5,6kcal/g. 2 ATP totale = 30 + 2glicolisi +4 extramitocondriale =36. 30 / 33 . . .e adesso corri! Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Echimica ⇒ Emeccanica Dr. Fabiano Nart . . . e adesso corri! 31 / 33 Bibliografia Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Dr. Fabiano Nart Bibliografia The Organic Chemistry of Biological Pathways. J. McMurry, T. Begley. Roberts & Company Publishers, 2005. Biochimica. L. Lehninger. Zanichelli, 1990. Chimica delle Fermentazioni. C. Quaglierini, M. Vannini, E. Paladino. Zanichelli, 1999. La scienza in cucina. P. Barham. Bollati Boringhieri, 2007. Il Trail Running. F. Massa. Edizioni Correre,2010. Resisto dunque sono. P. Trabucchi. Corbaccio, 2012. Appunti di Biochimica. F. Nart. 2003. http://it.wikipedia.org 32 / 33 Carboidrati, lipidi, proteine e...corri! Non siamo dei pazzi, ci piace la dopamina Dr. Fabiano Nart Bibliografia Documento scritto in LATEX. 33 / 33
