Principi di Biochimica - Nutrizione

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
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
Materia: Atomi e Molecole
Elementi:
sostanze composte da un solo
tipo di atomo es. H2 O2
H2
O2
Composti:
sostanze composte da
molecole che contengono
più specie atomiche es.
H2O.
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
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
Reazioni Chimiche
Allora, se due atomi posti a contatto reagiscono
tra loro spontaneamente, si potrà scrivere:
A + B = AB + energia
A
B
ENERGIA
+
Energia
-
AB
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
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
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
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 .
Reazioni Chimiche
Catalizzatore:
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
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
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 Fe2+ o
Mn2+) 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
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
Monomeri
Polimeri
Monosaccaridi
Polisaccaridi
Aminoacidi
Proteine
Acidi Grassi
Grassi, Lipidi
Nucleotidi
Acidi Nucleici
Monomeri
Polimeri
12
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
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
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
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
Accumula
Energia
ATP
P
P
P
Adenosina
Processi di
Biosintesi
(Anabolismo)
Catabolismo
dei Nutrienti
ADP + P
P
E
P
Adenosina
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
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
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
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
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
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 10-12 ore
In posizione supina, sveglio ma rilassato,
Con temperatura corporea normale
A temperatura ambiente costante di 27°-29°C
In assenza di stimoli psicofisici esterni
21
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
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, 1993. Modificato da SINU
www.sinu.it/larn/energia
Età
BMR
Maschi
Femmine
<3
59,5xPc-31
58,3xPc-31
3-9
22,7xPc+504
20,3xPc+485
10-17
17,7xPc+650
13,4xPc+693
18-29
15,3xPc+679
14,7xPc+496
30-59
11,6xPc+879
8,7xPc+829
60-74
11,9xPc+700
9,2xPc+688
75
8,4xPc+819
9,8xPc+624
Bioenergetica
23
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
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
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
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
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,
macronutrienti
profondamente
eseguire lavoro
complesso.
la varietà e le proporzioni dei
nella dieta quotidiana influiscono
sulla qualità della vita, sulla capacità di
(esercizio fisico), e sulla salute nel suo
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
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
Il Flusso di Energia dei Nutrienti
Fase del
Substrato
Fase
Cefalica
Fase
Gastrica
Insulina
Fase del
Digiuno
Glucagone
Pasto
Il Flusso di Energia dei Nutrienti
Pasto ad alto
carico glicemico
Pasto a basso
carico glicemico
30