Valor Energètic dels Aliments

Tema 6: Valor Energètic dels Aliments

• El tema tracta sobre el valor energètic dels aliments i com el cos intercanvia i transforma l'energia.

Mesura de l'energia dels aliments

• 1 kiloCaloria és la quantitat de calor necessària per augmentar la temperatura d'1Kg d'aigua en 1°C.
• Si un aliment té 400 kcal, l'energia acumulada en els seus enllaços químics allibera l'energia necessària per augmentar 1°C la temperatura de 400 litres d'aigua.
• La temperatura mesura quant fred o calent està un objecte.
• La calor fa referència a l'energia que es transmet o s'intercanvia entre dos objectes.
• Al Sistema Internacional, el joule (J), definit per James Prescott Joule, és la quantitat de treball o energia necessària per desplaçar una massa d'1 Kg, un metre de longitud en la mateixa direcció de la força.
• 1kCal=4.19Kj

Bombes Calorimètriques

• Per mesurar l'energia dels aliments s'utilitzen les bombes calorimètriques.
• Aquestes bombes mesuren directament la calor alliberada quan un aliment es crema.
• La calor de combustió és la calor alliberada per l'oxidació d'un aliment específic i representa l'energia total de l'aliment.
• Una culleradeta de margarina allibera 100kcal de calor.

Calor de Combustió dels Aliments

• El calor de combustió dels lípids varia entre 9.25 (mantega) i 9.50 (greix de porc) kCal depenent de l'estructura dels àcids grassos.
• La mitjana és de 9.4 kcal/g.
• El calor de combustió dels glúcids varia entre 3.74 (glucosa) i 4.20 (midó) kcal/g depenent de l'estructura, amb una mitjana de 4.2 kcal/g.
• L'energia dels aliments proteics depèn de la quantitat de proteïna i de la quantitat de nitrogen.
• Una major quantitat de nitrogen implica més energia.
• La mitjana és de 5.65 kcal/g.
• El cos no degrada el nitrogen, sinó que l'elimina en forma d'urea (NH₂CONH₂).
• Això redueix un 19% l'energia neta de les proteïnes de 5.65 a 4.6 kcal/g.
• Glúcids: 4.2 kcal/g
• Lípids: 9.4 kcal/g
• Proteïnes: 4.6 kcal/g
• Els lípids són els més energètics, ja que tenen més quantitat d'hidrogen.
• Un got de llet conté 160 kcal, mentre que un got de llet descremada en conté 90.
• La llet conté menys àcids grassos saturats (5.1g a 0.4g) i menys colesterol (33mg a 0.3mg).

Coeficient de Digestibilitat

• El coeficient de digestibilitat és el percentatge d'aliment ingerit que és digerit i absorbit.
• La fibra disminueix el coeficient de digestibilitat ja que augmenta la velocitat amb què l'aliment passa per l'intestí, disminuint l'absorció i erosionant la mucosa, cosa que requereix energia per resintetitzar-se.
• Mitjana del coeficient de digestibilitat: Glúcids: 97%, Lípids: 95%, Proteïna: 92%.
• A la Regla d'Atwater determinada (Wilbur Olin Atwater 1844-1907): 4 kcal per gram per a hidrats de carboni dietètics, i 9 kcal per gram per a lípids dietètics i 4 kcal per gram per a proteïna dietètica.

Obesitat i metabolisme

• L'obesitat redueix la capacitat d'incrementar el metabolisme en resposta a un estímul.
• Estudi comparatiu entre 10 persones primes i 10 persones obeses en diferents condicions:
  • A: exercici màxim
  • B: exercici moderat
  • C: repòs
• En vermell: Exercici després d'ingerir 910 kcal.
• En groc: En dejuni.
• La diferència entre dejuni i ingesta és molt més elevada en gent prima.
• La gent obesa dissipa menys calor.

Transferència d'Energia

• Aquesta secció explora el flux i les conversions d'energia en els sistemes biològics.

Energia

• L'energia no es pot definir en termes de massa, mida o forma. Reflecteix un estat dinàmic relacionat amb el canvi i només apareix quan es produeix un canvi d'estat.
• Primera llei de la Termodinàmica: l'energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transforma.
• Bioenergètica: és el flux i intercanvi d'energia d'un sistema viu, com el cos humà, que transforma l'energia d'un estat a un altre.

Sistemes Físics

• Un sistema és el conjunt de molècules compreses en un espai definit i l'entorn formen l'Univers.
• Hi ha 3 tipus de sistemes: tancat, obert i aïllat.

Els organismes són sistemes oberts

• Els organismes són sistemes oberts que intercanvien matèria i energia amb l'entorn.
• Extreuen energia de l'entorn, la transformen i retornen part d'aquesta energia en forma de calor i compostos més senzills.
• Els organismes sintetitzen compostos complexos que disminueixen l'entalpia del sistema.

Energia Potencial i Cinètica

• L'energia potencial i l'energia cinètica constitueixen l'energia total d'un sistema.
• L'energia potencial es transforma en energia cinètica i en calor.
• En el cas de la pedra, tota l'energia potencial es transforma en energia cinètica dissipant-se en forma de calor.
• En un molí d'aigua, part de l'energia cinètica es transforma en energia mecànica.

Tipus d'Energia

• Química
• Mecànica
• Calorífica
• Lumínica
• Elèctrica
• Nuclear

Energia Química

• Els macronutrients tenen energia potencial als enllaços químics, que es transforma en energia cinètica i aquesta en energia mecànica o química que permet la síntesi d'ATP (catabolisme).
• En la biosíntesi o anabolisme, l'energia potencial es transfereix a molècules menys energètiques, augmentant l'energia potencial d'aquestes últimes per sintetitzar molècules més complexes.
• La biosíntesi de molècules estructurals o d'ATP i PCr serveix per transferir energia.

Un ésser viu és un sistema obert

• Un sistema reaccionant és el conjunt de matèria que experimenta un procés químic o físic, que pot ser un organisme, una cèl·lula o compostos d'una reacció.
• Aquest sistema, juntament amb l'entorn, formen l'Univers.
• Els éssers vius intercanvien energia i matèria amb l'exterior.

Entalpia H

• Primera llei de la termodinàmica: l'energia total d'un sistema i el seu voltant es manté constant.
• L'entalpia (H) és el contingut de calor intern d'un sistema a pressió constant.
• El canvi d'entalpia (ΔH) d'una reacció química és la diferència d'energia entre el producte i el substrat, determinant la quantitat d'energia absorbida o cedida.
• Les reaccions endotèrmiques absorbeixen calor, mentre que les reaccions exotèrmiques cedeixen calor.
• Les cèl·lules obtenen energia de les reaccions exotèrmiques i l'usen per les endotèrmiques (catabolisme-anabolisme).

Entropia S

• Segona llei de la termodinàmica: Per tal que un procés es doni de manera espontània el desordre augmentarà, es a dir augmentarà l'entropia
• L'entropia (S) mesura el grau de desordre d'un sistema.
• Les cèl·lules, que són sistemes complexos i ordenats (baixa entropia), necessiten energia constantment per mantenir les seves estructures.
• La cèl·lula tendeix a ordenar les molècules, disminuint la S, però compensa això obtenint energia de l'entorn i augmentant la S de l'entorn.
• Aquest intercanvi és més gran que l'ordre intern, fent que el sistema augmenti la S i es compleixi la segona llei de la termodinàmica.
• Els éssers vius mantenen un ordre intercanviant energia i incrementant l'entropia externa.

Energia Lliure de Gibbs

• L'energia lliure de Gibbs (ΔG) expressa la quantitat d'energia capaç de realitzar un treball durant una reacció a temperatura (T) i pressió (P) constants.
• Enllaça les entalpies (H) i entropies (S).
• ΔG = ΔH - TΔS determina l'espontaneïtat dels processos.
  • Si ΔG<0, la reacció és espontània (exergònica).
  • Si ΔG=0, la reacció està en equilibri.
  • Si ΔG>0, la reacció no és espontània (endergònica) i necessita energia.
• ΔG es mesura en Kj/mol o Kcal/mol.

Fotosíntesi: Endergònica

• La fotosíntesi és una reacció endergònica que acopla l'energia del sol a molècules senzilles per sintetitzar molècules més complexes que aporten energia als animals a més d'oxigen.

Respiració: Exergònica

• La respiració és una reacció exergònica que transfereix part de l'energia dels macronutrients a components químics i la resta a l'entorn en forma de calor.
• Aquesta energia química s'usa per realitzar treball mecànic, químic i de transport.

Enzims

• El metabolisme cel·lular és el conjunt de reaccions químiques a l'interior de les cèl·lules que condueixen a obtenir matèria per créixer i energia per dur a terme les tres funcions vitals.
• Les reaccions químiques, tot i ser exergòniques, es donen molt lentament.
• Els enzims acceleren les reaccions de tal manera que es donin a velocitats compatibles amb les necessitats dels organismes vius.

Enzims

• Les reaccions són possibles per la intervenció de catalitzadors.
• El rendiment esportiu depèn de la capacitat d'extreure, conservar i transferir l'energia química dels aliments a les fibres musculars.
• Catalitzador: substància que augmenta la velocitat d'una reacció química, no altera les propietats i no es consumeix durant el procés.
• Una manera d'incrementar la velocitat de les reaccions és incrementant la temperatura.
• Els enzims (biocatalitzadors) incrementen la velocitat de les reaccions químiques a 37ºC i pH 7 (biològiques).
• Els enzims no es consumeixen amb la reacció.

Característiques dels enzims

• Enzims venen del grec "enzim" que significa transformat.
• La majoria són proteïnes, amb l'excepció dels Ribozims (RNA -una minoria- rRNA).
• Els enzims poden ser proteïnes monomèriques o oligomèriques, l'activitat enzimàtica catalítica depèn de la conformació nativa i es troben a tots els compartiments cel·lulars.
• Incrementen la velocitat de reacció (10⁶-10¹²). Sense enzims la reacció es dona amb molta lentitud.
• Treballen normalment en condicions fisiològiques, pH=7 i 37°C, són altament específics sobre el substrat sobre el qual actuen (també estereoespecífics) i per la reacció que catalitzen.
• Es regulen per diferents senyals químics, nivells d'enzims i substrats.

Enzims

• Els Enzims són Específics del Substrat sobre el qual actuen (també estereoespecífics) i de la reacció que catalitzen.
  • El substrat s'uneix específicament al centre actiu de l'enzim.
  • L'enzim catalitza la reacció alliberant els productes, i l'enzim és lliure per catalitzar una nova reacció.

Cofactors

• Alguns enzims requereixen per a ser actius grups químics addicionals anomenats Cofactors i poden ser:
  • Cations metàl·lics: Zn2+, Ca2+, Fe2+ o Mg2+
  • Molècules orgàniques: NAD+, FMN, FAD+, NADP+, etc i moltes vitamines anomenades Coenzims
• Quan l'enzim requereix d'un cofactor la Proteïna no funcional s'anomena APOENZIM (Enzim inactiu) i l'enzim més el cofactor s'anomena Holoenzim.
• HOLOENZIM = APOENZIM + COFACTOR/COENZIM
• Quan el cofactor o coenzim es troba unit a l'enzim esdevé el grup prostètic de la proteïna.

Vitamines del Complex B formen molts Coenzims

• Les Vitamines del Complex B formen molts Coenzims
• Les vitamines B, juntament amb la C, són hidrosolubles i no s'emmagatzemen al cos.
• Les vitamines B són coenzims o precursors de coenzims.

Classificació i nomenclatura

• Nomenclatura: es fa servir el nom de la reacció que catalitzen més el sufix "-asa".
• Exemple: Pepsina del grec pepsis (digestió), Lisozim, Tripsina del grec Tryein (desgastar).
• L'EC (Enzyme Commission) ha creat 6 grups principals per realitzar la seva classificació:
  • Oxidoreductases - transferència d'electrons.
  • Transferases - transferència de grups funcionals o radicals.
  • Hidrolases - transferència de substàncies a l'aigua.
  • Liasas - catalitzen l'addició d'aigua a un enllaç.
  • Isomerasas - isomerització de les funcions.
  • Ligases/Sintetasas - formació de relacions senzilles quan està lligada a ATP.

Funcionament dels Enzims

• Reacció, pas de S (Substrat) a P (producte).
• Estat de transició: Quan es dona una reacció química el substrat cal que arribi a un estat de Transició (més energia) on o bé retorna a S o canvia a P (S→P).
• L'energia que es requereix per arribar a l'Estat de transició és l'Energia d'activació i és el que manté les molècules estables.
• Si la AG + és petita la velocitat de la reacció serà més gran (↑[P]/t o↓[R]/t).
• Si l'AG+ és gran la velocitat serà més lenta (↓ [P]/t o↑ [R]/t).
• Els enzims no canvien ∆G'° (energia lliure estàndard) de la reacció sinó que disminueixen la AG+ accelerant les reaccions químiques.

pH i T

• La influència del pH i la temperatura sobre l'activitat enzimàtica (Inhibició enzimàtica): Enzims treballen en un interval de pH òptim i T òptima on l'activitat de l'Enzim és màxima i solen ser pH 7 i 37°C.
• El pH afecta als enzims per la desnaturalització i per a què afecta el nombre de H+ dels residus necessaris per realitzar la catàlisi.

Regulació de l'activitat enzimàtica

• La regulació de l'activitat enzimàtica té 2 mecanismes:
  1. Control de la quantitat d'E: Lent. Regulació de la síntesi dels enzims
  2. Regulant l'activitat de l'E: Ràpida i afecta a l'activitat de l'enzim. .Hi ha tres tipus de regulació: regulació al·lostèrica, modificacions Covalents i proteòlisi

Regulació de l'activitat enzimàtica

• La regulació de l'activitat enzimàtica es fa mitjançant el control de la quantitat d'enzim: Lent.
• L'exercici indueix la transcripció d'enzims, però aquest només es traduiexen a llarg termini incrementant la concentració d'enzims i millorant el rendiment.

Regulació al.lostèrica

• Enzims Al·lostèrics: Tenen centre al·lostèric diferent del Centre actiu que permet la seva regulació.
• Efector Al·lostèric Negatiu disminueix l'afinitat de l’E pel S i incrementa la K0,5 mentre que la Vmax no canvia.
• Els efectors al·lostèrics negatius són els responsables de la inhibició per feedback de les rutes metabòliques quan el producte final inhibeix al·lostèricament un enzim de la via.
• Efectors Al·lostèrics positius incrementen l'afinitat, disminueixen la K0,5 i la corba cap a l'esquerra mentre que la Vmax no canvia: si augmenta la concentració de substrat [S], augmenta la velocitat.

Regulació per Fosforilació

• Regulació per Fosforilació, que és l més habitual mitjançant addició d'un o més P sobre la molècula d'E.
• El fosfat P pot ACTIVAR o DESACTIVAR, mitjançant quinases i fosfatases, enzims que respectivament afegeixen i treuen un P.

Regulació per Roptura Proteolítica

• Regulació per Roptura Proteolítica.
• Els enzims es sintetitzen en forma inactiva: Proenzims o Zimògens.
• El ProE (forma inactiva) es processa en E (actius) i un pèptid, generalment les accions són catalitzades per una proteasa per separar els segments peptídics de l'E actiu.
• Per exemple les proteases digestives es troben en forma de Zimogen.
• Els factors que intervenen en la coagulació o les proteïnes presents en forma inactiva s'activen quan és necessari.

Digestió: Hidròlisi

• Les bases per digerir i Sintetitzar molècules són la Hidròlisi i la Condensació:
  • La hidròlisi degrada els glúcids, lípids i proteïnes en formes simples usant Lactasa, maltasa, lipases, proteases.
• A + B → A-H + B-OH

Condensació: Biosíntesi

• La condensació permet enllaçar molècules senzilles produint molècules complexes i l'enllaç glicosídic o peptídic es formen per condensació d'una molècula d'aigua.
• A + B → A-H + B-OH

Oxidació-Reducció

• Les reaccions d'oxidació transfereixen d'oxigen, d'hidrogen o d'electrons i es dona quan hi ha una pèrdua d'electrons, molts cop en forma de pèrdua de H+.
• La Reducció és quan hi ha un guany d'electrons, molts cops en forma de H+, per Agent reductor que cedeix els electrons o Agent oxidant, que és el que rep els electrons.
• Les oxido-reduccions estan sempre acoblades, sempre que algun compost s'oxida un altre es redueix.

Cadenes respiratòries

• Les cadenes respiratòries són el principal exemple de reaccions Redox i són el producte del FADH2 y NADH es transfereixen fins a reduir O₂ per formar H₂O

ReDox

• Glicòlisi i hipòxia produeix gran quantitat de NADH, que les cadenes respiratòries trasnferien els electrons, is a dir redueixen el Piruvatl per formar Lactat quan les cadenes respiratòries no poden oxidar.
• Després de l'exercici, el lactat és oxidat de nou a piruvat.