PROTEINE (dal greco proteios, che occupa il primo posto)

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1 PRTEIE (dal greco proteios, che occupa il primo posto) costituite da una o più catene polipeptidiche; i peptidi sono eteropolimeri lineari formati da 0-50 amminoacidi (aa); si conoscono centinaia di aa diversi, ma solo venti fanno parte delle proteine; le catene polipeptidiche contengono aa; in natura esistono presenti nell uomo; proteine diverse di cui sono il PM delle proteine è compreso tra alcune migliaia e diversi milioni; hanno sequenza aa unica e codificata nel nostro corredo genetico; nelle cellule costituiscono il 50% della sostanza secca; nell organismo umano rappresentano il 14-18%; negli alimenti, rappresentano lo 0-30% del prodotto fresco.

2 ALCUE FUZII BICIMICE modulano l espressione dei geni (repressori) e intervengono nella duplicazione, trascrizione e traduzione del DA; regolano il metabolismo, come enzimi e come ormoni; trasportano diverse molecole (ad es. emoglobina) attraverso i liquidi circolanti e attraverso le membrane cellulari ( pompe e canali proteici ); intervengono nella coagulazione del sangue (ad es. fibrinogeno); proteggono l organismo dalle infezioni (anticorpi); danno luogo a strutture contrattili (ad es. actina, miosina); partecipano alla generazione e trasmissione degli impulsi nervosi; costituiscono la struttura di sostegno dei tessuti animali (ad es. cheratina, collageno, elastina); rappresentano forme di deposito di principi nutritivi a cui attingono l embrione animale o vegetale oppure il lattante (ad es. ovoalbumina, caseina).

3 CARATTERISTICE GEERALI delle PRTEIE CTEUTE negli ALIMETI le troviamo in quasi tutti gli alimenti eccetto zucchero, olio, bevande alcoliche; molto importanti dal punto di vista nutritivo quelle dei tessuti muscolari (40% actina e miosina) e quelle di deposito (del latte, delle uova, dei semi); alcune, contenute negli alimenti, sono dannose per l organismo: fattori antinutrizionali (vengono inattivati con la cottura, ad es. le lectine, con potere emoagglutinante, presenti nelle leguminose, nei cereali; gli inibitori di enzimi ad es. dell amilasi, contenuti nella cariosside del frumento); allergeni (possono esserlo, in individui sensibili, proteine del latte vaccino, dell uovo, dei crostacei, delle arachidi, provocando reazioni allergiche più o meno gravi); tossine (prodotte da microrganismi contaminanti o presenti nell animale o nella pianta; ad es. tossina botulinica). prioni (responsabili di alcune malattie degenerative del sistema nervoso negli animali, come lo scrapie negli ovini e la malattia della mucca pazza e più raramente nell uomo, encefalopatia spongiforme).

4 PEPTIDI Possono essere di origine non proteica e quindi contenere amminoacidi diversi dai 20 che costituiscono le proteine; nelle cellule svolgono importanti funzioni biologiche: alcuni hanno funzione ormonale (ad es. l ossitocina ha grande importanza nel parto perché stimola la muscolatura liscia dell utero); interessanti esempi di peptidi non proteici vengono dal mondo dei microrganismi e dei vegetali: le amatossine e le fallotossine dei funghi velenosi (amanita) sono oligopeptidi che resistono al calore e all essiccamento; distruggono tessuto epatico e renale.

5 AMMIACIDI L importanza alimentare delle proteine è dovuta ai loro costituenti, cioè gli amminoacidi (aa); il nostro organismo ha bisogno di aa per costruire le sue proteine ed altre molecole; nove aa in particolare sono essenziali e vanno quindi introdotti con la dieta perché l organismo o non riesce a sintetizzarli da solo, o lo fa molto lentamente;

6 gli aa possono essere classificati in base alla natura del gruppo R: R carico (a p neutro) aa carichi positivamente o aa basici: lisina, arginina, istidina aa carichi negativamente o aa acidi: acido glutammico e aspartico. R neutro R apolare alifatico: glicina, alanina, leucina, isoleucina, valina, prolina. R apolare aromatico: fenilalanina, tirosina, triptofano. R polare: - (serina, treonina); - S (cisteina); -SC 3 (metionina); - C 2 (asparagina e glutammina) Poco o affatto solubili in 2 Molto più solubili in 2

7 *amminoacidi essenziali * * * * * * * * * * *

8 gli aa hanno almeno un atomo di carbonio asimmetrico (C α) per cui sono molecole chirali; quelli proteici appartengono alla serie L; R 2 Struttura prospettica di un L-aa. 2 C R Proiezione di Fischer di un L-aa. R in soluzione acquosa neutra esistono come ioni dipolari o zwitterioni; solidificano come cristalli ionici, con p.f. >200 C; essendo anfoliti, li troviamo in forme diverse a seconda del p a cui si trovano;

9 AMMIACID pi ogni aa ha un preciso valore di p (pi = punto isoelettrico) in cui si trova in forma zwitterionica, cioè in cui non presenta carica netta; il valore di pi dipende dalle costanti di dissociazione dei gruppi acidi e basici presenti nella molecola; per aa monoamminomonocarbossilici il pi è vicino a sei; oltre ai venti aa che costituiscono le proteine ve ne sono altri con importanti funzioni biologiche (citrullina, ornitina, β-alanina, ecc.); Glicina 5,97 Alanina 6,02 Valina 5,97 Leucina 5,98 Isoleucina 6,02 Metionina 5,06 Fenilalanina 5,48 Triptofano 5,88 Serina 5,68 Treonina 5,60 Cisteina 5,02 Tirosina 5,67 Asparagina 5,41 Glutammina 5,70 Acido aspartico 2,98 Acido glutamminico 3,22 Arginina 10,76 Lisina 9,74 Istidina 7,59 Prolina 6,30

10 alcuni aa proteici possono essere presenti in forma modificata (metilata ad es. 3-metilistidina della miosina; ossidrilata ad es. idrossiprolina del collageno, carbossilata, ad es. acido γ-carbossiglutammico della protrombina attiva; fosforilata, ad es. fosfoserina dalla fosforilasi); tali modificazioni sono indispensabili per le funzioni delle proteine cui appartengono. STRUTTURA DELLE PRTEIE Anche la struttura tridimensionale delle catene polipeptidiche determina le funzioni biologiche della molecola.

11 Struttura primaria E determinata dalla specifica sequenza amminoacidica che ogni proteina ha. Minimi cambiamenti nella struttura primaria possono ripercuotersi anche gravemente sulle funzioni biologiche della proteina; ad es. cambiamento di un aa con un altro: es. l anemia falciforme è dovuta alla sostituzione della valina in posizione 6 della catena β con l acido glutammico, nell emoglobina. La struttura primaria è determinata geneticamente: le sequenze aa di tutte le proteine di un individuo sono codificate in tratti del suo DA (geni).

12 Le conformazioni strutturali possibili per una proteina sono innumerevoli, ma una è quella favorita, quella a minore energia, detta forma nativa. Stabilità della struttura primaria: legame peptidico e ponti disolfuro (tra residui di cisteina anche lontani nella sequenza aa). Legame peptidico C C 60 % R C R C + 40 % C 2 δ- C C x δ+ C R 2 R 2 Rotazione bloccata intorno al legame C-

13 Struttura secondaria E data dalle conformazioni spaziali assunte dalle catene peptidiche singolarmente, in tratti più o meno estesi della proteina. E dovuta agli angoli tra i piani su cui giacciono i vari legami peptidici. Le principali sono: α elica, frequente, ma per brevi tratti, più frequentemente destrorsa; angoli 80 ; 3.6 aa ogni spira; gruppi R all esterno; leg. stabilizzanti; alcune sequenze aa non sono compatibili per carica o ingombro; alcune α eliche si attorcigliano insieme, con leg., ad es. α cheratina dei capelli e delle unghie;

14 lamina β, frequente, es. fibroina della seta; (angoli 120, struttura molto più distesa; gli aa si susseguono formando un foglio pieghettato; gli R emergono dagli spigoli alternativamente al di sopra e al di sotto del foglio; due o più catene aa si trovano affiancate attraverso ponti di. R 11 R 12 R 10 R 9 R 8 R 7 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6

15 - β turn: inversioni a U della catena (elica α o foglio β) dovute ad un legame R 10 R 9 R 8 R 11 R 7 tra il carbonile di un aa e l del terzo successivo - elica del collageno: tre catene polipeptidiche avvolte ad elica levogira ed attorcigliate insieme. Legami a solo intermolecolari. gni spira è costituita da tre aa di cui uno è sempre la glicina, gli altri due spesso prolina e idrossiprolina. Il collageno è la proteina più abbondante nei mammiferi (muscoli, cartilagini, ossa, tendini, pelle, ecc.). Ci possono essere tratti della catena privi di struttura secondaria (random coil, tratto casuale o a gomitolo).

16 Struttura terziaria ulteriore organizzazione tridimensionale compatta della molecola data dalla reciproca disposizione spaziale delle strutture secondarie. è presente soprattutto nelle proteine globulari. Le proteine fibrose, con funzione essenzialmente meccanica sono strutturate in modo più semplice e in genere non vanno oltre la struttura secondaria. Le diverse strutture terziarie si riflettono sulla funzione specifica delle singole proteine. E stabilizzata da una serie di legami: covalenti (ponti disolfuro); ionici; a ; idrofobici. I domini sono le parti della molecola che si distinguono per la particolare struttura spaziale ( aa).

17 Struttura quaternaria associazione di più catene polipeptidiche aventi già struttura terziaria. riguarda proteine molto complesse, con particolari funzioni. Ad es. l emoglobina formata da 4 subunità: 2 catene α e 2 β a ciascuna delle quali è legato un gruppo eme. CLASSIFICAZIE DELLE PRTEIE in base alla forma Fibrose: funzione meccanica (fibroina, miosina, cheratina, collageno, elastina, ecc.; Globulari: tutte le altre; in base alla composizione chimica Semplici: dall idrolisi si ottengono solo aa; composizione: C50%, 23%, 16%, 7%, S3%max; Coniugate: contengono un gruppo prostetico legato covalentemente o non;

18 in base alle proprietà chimicofisiche Protammine e istoni: basiche, solubili in acqua, contengono diamminoacidi; associate agli acidi nucleici, si trovano nei cromosomi (nucleoproteine); le protammine non coagulano al calore; Albumine: solubili in acqua, coagulano al calore; es. lattoalbumina, ovoalbumina, ecc. Globuline: solubili in sol. saline dil. a p neutro, coagulano al calore; es. ovoglobulina, fibrinogeno, ecc. Prolammine: solubili in etanolo al 70%; es. gliadina nel frumento. Gluteline: solubili in acidi e alcali diluiti; es. glutenina nel frumento. Scleroproteine: insolubili in acqua, acidi, alcali e sol. saline; il collagene bollito in acqua e lasciato raffreddare gelatinizza. G l o b u l a r i F i b r o s e

19 PRPRIETA UTRIZIALI la loro importanza è dovuta al fatto che ci forniscono aa che hanno funzione: plastica ( mattoni per la sintesi di proteine umane); regolatrice (precursori di molecole biologicamente importanti); energetica (ossidazione con il ciclo di Krebs o trasformazione in glucosio, gluconeogenesi). idrolisi nell apparato digerente ad opera di pepsina e peptidasi che le scindono in aa liberi, di- e tripeptidi; gli aa vengono assorbiti a livello intestinale e sono poi portati al fegato che è l organo chiave: regola l utilizzazione ed il metabolismo degli aa.

20 BISGI PRTEICI ed in aa ESSEZIALI le proteine del nostro corpo vengono in parte riutilizzate, ma ca. 1/5 viene utilizzata per la sintesi di sostanze non proteiche, per cui è necessario assumere aa essenziali e non, con la dieta. Il bisogno proteico totale è maggiore durante la crescita, la gravidanza e l allattamento, nel corso o in seguito a stati patologici; l adulto sano dovrebbe assumere con la dieta 0,75 g/kg di peso corporeo al giorno di proteina di alta qualità (52,5 g/die per un uomo di 70 Kg), ca. 10% dell energia totale; le proteine in eccesso rispetto ai fabbisogni non vengono immagazzinate, mentre se la dieta non assicura abbastanza calorie, gli aa vengono utilizzati in tutto o in parte per produrre energia;

21 il fabbisogno in aa essenziali è massimo nei primi mesi di vita e decresce con l età in maniera molto maggiore di quanto non sia per il fabbisogno proteico totale (notevole capacità dell organismo adulto di riciclare gli aa essenziali); anche il carente apporto di un solo aa compromette la sintesi proteica e gli aa presenti vengono degradati. VALRE PRTEIC degli ALIMETI è dato da quantità, qualità, digeribilità delle proteine contenute nell alimento; proteine ad alto valore biologico: di origine animale, hanno composizione aa vicina a quella delle proteine umane; Latte vaccino: 3,5 % uova: 13 % carne, pesce: % formaggi: % Le proteine globulari hanno maggiore digeribilità rispetto alle fibrose.

22 Cereali e legumi: 8-40 %; sono proteine con discreto valore biologico, ma la loro disponibilità è abbassata per l associazione alla fibra nell alimento e per la presenza di fattori antinutrizionali. Contengono tutti gli aa essenziali, ma alcuni in quantità troppo basse: lisina, treonina e triptofano per i cereali, metionina per i legumi. Piccole quantità di proteine animali (in particolare quelle del latte hanno un adatta composizione) sono sufficienti ad integrare quelle dei cereali. Anche le proteine dei legumi possono compensare il contenuto proteico dei cereali, tuttavia si ritiene opportuno che almeno il % del fabbisogno proteico giornaliero sia di origine animale. Frutta e ortaggi: bassi contenuti (ca. 3 %) sia qualitativi che quantitativi. aminoacidi essenziali in proteine di diversi alimenti in relazione al loro contenuto nelle proteine del latte materno Whole egg Ph Peas Wheat Isoleucine Leucin Vaccine milk Beef Methionine Soy Peas + wheat Lysine P h Threonine Ph Ph Phenylalanine Valin ystidin Tryptophan Phen ylala nine

23 PRPRIETA FUZIALI DELLE PRTEIE Sono proprietà chimico-fisiche che determinano alcuni caratteri organolettici (aspetto, consistenza, ecc.) degli alimenti ed il loro comportamento nelle trasformazioni alimentari (assorbimento di acqua, rigonfiamento, formazione di gel, schiume, ecc.). idratazione; interazione con altre proteine; di superficie; Dipendono anche da c, p, T, presenza di altre sostanze, ecc. Interazioni proteine-acqua l acqua degli alimenti si trova quasi sempre associata alle proteine, ne modifica forma e ne influenza proprietà chimico-fisiche; l acqua può essere libera (o congelabile, acqua di imbibizione si è insinuata nei pori per capillarità ed è trattenuta fisicamente)

24 oppure legata (incongelabile, di struttura o adsorbita sulla superficie); la solubilità in acqua è una proprietà a cui spesso sono legate altre funzioni della proteina e dipende da diversi fattori: ad es. aumenta allontanandosi dal pi e diminuisce con la denaturazione (sovente si ha precipitazione a seguito di riscaldamento a T > 50 C). Interazioni proteina- proteina le proteine tendono ad aggregarsi tra di loro attraverso legami (a, covalenti di -S-S-, idrofobici, dipolari) in due modi: disordinato (precipitazione) o con ordine (gelificazione); affinchè si formi un gel (importante nella preparazione di cibi) si deve avere un dispiegamento delle proteine con esposizione dei gruppi R che possono così interagire ordinatamente.

25 le interazioni idrofobiche sono favorite ad alte T, mentre i legami, a basse T; i gel stabilizzati da ponti disolfuro (es. ovoalbumina) sono termoirreversibili, quelli stabilizzati da leg. sono termoreversibili (es. gelatina del collageno). Proprietà di superficie fondamentali nella formazione e stabilizzazione di schiume ed emulsioni: schiume: bolle d aria disperse in una fase liquida o semiliquida continua (es. albume montato a neve); emulsioni: minute gocce di un liquido (fase dispersa) sospese in un altro (fase continua); di solito la fase dispersa è costituita da lipidi e quella continua da acqua (es. latte), ma a volte è il contrario (es. burro).

26 le proteine facilitano la formazione di schiume ed emulsioni disponendosi sulla superficie all interfaccia tra la fase dispersa e la fase continua abbassando la tensione superficiale (per far ciò devono essere povere di strutture secondarie e terziarie oppure devono aver subito parziale denaturazione, svolgendosi); le emulsioni sono stabilizzate da proteine con gruppi R idrofobici che possono instaurare legami con le bolle lipidiche (es. caseine); le proteine con superficie molto idrofila (es. proteine del siero del latte) hanno scarso potere emulsionante; le schiume sono stabilizzate da proteine molto flessibili e mobili che contrastano la rottura delle bolle d aria.

27 DSAGGI delle PRTEIE Si fa riferimento alla quantità di azoto presente in un determinato peso di un alimento, assumendo che provenga tutto da fonti proteiche. Scandalo melamina nel latte, settembre 2008, Cina Metodo Kjeldahl Scaldando a lungo pochi grammi dell alimento in esame con 2 S 4, si ottiene la completa mineralizzazione della frazione organica. Tutto l azoto presente si trasforma in ammonio(solfato), il quale trattato con una base forte, libera ammoniaca che viene titolata. La quantità di va moltiplicata per un fattore di conversione (circa 6) ottenuto calcolando la percentuale media di azoto nelle proteine (ca.16%). Latte 6.68 (15.0%) Uova 6.38 (15.7%) Cereali 5.70 (17.5%) Carne 6.25 (16%)

28 Dosaggio degli amminoacidi Al campione proteico viene addizionato Cl 6 e si porta all ebollizione che viene protratta per 24h. In tal modo si ha un idrolisi totale, con liberazione di tutti gli aa della proteina che possono essere poi dosati ed identificati con diversi metodi. 2 R 2 +, R 1 R 3 R 1 R 2 R 3 METD CRMATGRAFIC: Si usano resine a scambio cationico, polimeri insolubili a cui sono legati gruppi -S 3-. Si fa passare attraverso una colonna impaccata con resina a scambio cationico, una soluzione acida contenente la miscela di aa. Questi sono trattenuti dalla resina a causa delle forze attrattive che si esercitano tra i gruppi solfonato ed i gruppi e le cariche positive degli aa. Gli aa più basici (con più cariche positive) sono trattenuti più fortemente dalla resina. Si fa eluire la miscela di aa con una soluzione tampone a p acido, poi mano a mano si aumenta il p dell eluente cambiando la soluzione tampone, in modo da spostare dalla resina anche gli aa più basici.

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