Appunti dalle lezioni di Biochimica metabolica e della nutrizione PARTE I

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1 Università degli Studi di Enna Kore Facoltà di Scienze dell Uomo e della Società Corso di Laurea magistrale in Scienze e tecniche dell attività motoria e sportiva per la tutela della salute Insegnamento: Biochimica metabolica e della nutrizione, AA PROTEINE Appunti dalle lezioni di Biochimica metabolica e della nutrizione PARTE I Le proteine sono costituenti fondamentali degli organismi viventi rappresentando oltre il 50% dei componenti organici dell organismo umano e circa il 14-18% del peso corporeo totale. Esse assolvono diverse funzioni: funzione plastica (costituzione e riparazione di cellule, organi e tessuti); funzione di regolazione e controllo di processi e trasformazioni metaboliche (enzimi, ormoni, recettori di membrana); funzione di difesa dell organismo (anticorpi); funzione catabolica (ruolo gluconeogenico di alcuni amminoacidi). Le molecole proteiche sono polimeri (catene polipeptidiche) i cui monomeri prendono il nome di amminoacidi (AA). Venti AA sono definiti standard, sono codificati geneticamente e vengono utilizzati nella sintesi proteica. Nove AA (l istidina, la leucina, l isoleucina, la valina, la lisina, la metionina, la fenilalanina, il triptofano e la treonina) sono definiti essenziali in quanto non possono essere sintetizzati dall organismo umano e devono essere introdotti con la dieta. Le principali fonti animali di questi AA sono: pesce, uova, carne e derivati, latte e derivati. Alcuni di questi AA sono inoltre presenti in alcuni alimenti di origine vegetale come i legumi, seppur in proporzioni diverse. Le proteine contenute in alimenti di origine animale o nei legumi vengono definite ad elevato valore biologico, grazie al loro contenuto di AA essenziali. Al contrario, le proteine di cereali, frutta e verdura sono definite di bassa qualità biologica perché fondamentalmente contengono AA non essenziali che l organismo umano è capace di produrre autonomamente. Tutti i 20 AA hanno la stessa struttura base caratterizzata dalla presenza di un gruppo carbossilico (-COOH) e di un gruppo amminico (C-NH2) legati allo stesso atomo di carbonio. Gli altri due sostituenti di tale atomo di carbonio sono rispettivamente un atomo d'idrogeno, comune a tutti gli AA e un quarto gruppo che varia da un AA all altro e ed è definito catena laterale (genericamente indicato con il simbolo R). Nel caso dell'amminoacido più semplice, la glicina R=H. La catena laterale R determina la natura polare (idrofila) o apolare (lipofila o idrofoba) dell AA. AA apolari alifatici: alanina (R=CH3), valina(r=chch3ch3). AA apolari aromatici: fenilalanina (R=CH2-C6H5). AA polari neuutri: serina (R=CH2OH), cisteina (R=CH2SH), tirosina (anello benzenico-oh). AA polari carichi negativamente (acidi): acido aspartico (R=CH2COOH), acido glutammico (R=CH2CH2COOH). AA polari carichi positivamente (basici): lisina (R=CH2CH2CH2CH2NH2). La formazione di un legame peptidico prevede la condensazione di due AA con produzione di una molecola d'acqua e formazione di un legame ammidico. Questo legame (stabilizzato per risonanza)

2 si forma tra il gruppo carbossilico (-COOH) di un AA ed il gruppo amminico (-NH2) dell AA adiacente nella catena peptidica in crescita. La catena peptidica presenta sempre ai due estremi i gruppi NH2 e COOH definiti N-termine e carbossi-termine. La semplice sequenza amminoacidica di un polipeptide viene definita struttura primaria delle proteine caratterizzata dal legame ammidico tra gli AA che lo compongono. La catena peptidica si dispone nello spazio secondo strutture ordinate definite foglietto beta o alfaelica. Tale disposizione spaziale rappresenta la struttura secondaria della proteina. La struttura secondaria delle proteine è stabilizzata da legami d idrogeno. Tale tipo di interazione è puramente elettrostatica e descrivibile mediante la legge di Coulomb (la forza del legame elettrostatico è proporzionale al prodotto dell intensità delle due cariche ed è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza). Il legame idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno legato ad un atomo molto più elettronegativo come N ed un altro atomo molto elettronegativo come O e nel caso della struttura secondaria coinvolge legami ammidici tra AA diversi. La struttura terziaria è determinata da interazioni fra catene laterali di AA spesso molto lontani tra loro. Tali interazioni sono legami d idrogeno, interazioni tra residui amminoacidici lipofili, interazioni ioniche tra residui amminoacidici carichi e ponti disolfuro derivanti dalla ossidazione del gruppo tiolico di residui di cisteina. La struttura quaternaria è una organizzazione spaziale di due o più catene polipeptidiche, anch esse riconducibile ad interazioni deboli. Ad esempio, l'emoglobina è costituita da due catene alfa e due catene beta che interagiscono e si dispongono nello spazio generando una struttura di tipo quaternario. Tale tipo di motivo strutturale non è, invece possibile nel caso della mioglobina che è costituita da un'unica catena peptidica. Parametri quali il ph (ph=-log[h3o + ]) e temperatura (T) determinano modificazioni della struttura delle proteine determinando la loro denaturazione che può essere reversibile o irreversibile. I processi di denaturazione non coinvolgono di solito la struttura primaria. Le proteine invece perdono la loro struttura primaria per idrolisi del legame ammidico catalizzata da enzimi proteolitici (pepsina, tripsina) o in condizioni di acidità, basicità o temperatura estreme. I prodotti della demolizione enzimatica o chimica della struttura primaria sono AA. Il valore biologico (BV) di una proteina ingerita viene espresso valutando la frazione dell azoto contenuto nella proteina stessa trattenuto dall'organismo e non eliminato attraverso feci, urina o sudore. L azoto assorbito e utilizzato per la crescita cellulare, per la riparazione dei tessuti e per il mantenimento delle funzioni vitali (sintesi di ormoni proteici, enzimi e anticorpi). Il valore biologico è dato dal rapporto: BV = quantità azoto assorbito / quantità azoto ingerito *100 Livelli di assunzione raccomandata di proteine. In una corretta alimentazione il fabbisogno proteico giornaliero, per soggetti anziani ed adulti con attività fisica media varia da 0,95 a 1,2 grammi per chilogrammo di peso corporeo.(gr/kg di peso/die). I livelli di assunzione raccomandati variano però in funzione dell età e del momento fisiologico (accrescimento, mantenimento, gravidanza allattamento, senescenza). Tra 0 e 17 anni, il fabbisogno di proteine varia da 1,48 e 1,01 g al chilo di peso, perché il soggetto è in fase di crescita. In gravidanza e durante l'allattamento i livelli raccomandati aumentano significativamente e sono rispettivamente di 7,2 g/die 18g/die.

3 CARBOIDRATI I carboidrati o glucidi sono sostanze organiche di fondamentale importanza per la costituzione della materia vivente e sono composti da Carbonio (C), Idrogeno (H) e Ossigeno (O). Le loro principali funzioni sono: funzione energetica, in quanto forniscono all organismo l energia di rapido utilizzo necessaria a svolgere le sue attività funzionali. 1 grammo di glucidi fornisce circa 4 kcal. Alcune cellule come quelle che costituiscono il sistema nervoso, la midollare dei surreni o gli eritrociti utilizzano il glucosio ottenuto dai glucidi mediante il processo digestivo come unica fonte di energia; funzione plastica (secondaria rispetto alla funzione energetica). I Glucidi devono costituire circa il 55-60% del fabbisogno energetico giornaliero. I Carboidrati posso essere distinti in zuccheri semplici (mono e disaccaridi come fruttosio, glucosio, galattosio, maltosio, saccarosio) ed in zuccheri complessi (polisaccaridi come glicogeno, amido, cellulosa). Essi vengono forniti prevalentemente dal regno vegetale. Le principali fonti alimentari di carboidrati sono: pane, pasta, riso ed altri cereali, patate, saccarosio, miele, frutta. Principali carboidrati: Monosaccaridi: glucosio, galattosio e fruttosio, costituiti da 1 unità monosaccaridica. Disaccaridi: saccarosio, lattosio, costituiti da 2 unità monosaccaridiche. Oligosaccaridi: oligomeri costituiti da un numero di unità monosaccaridiche minore o uguale a dieci. Polisaccaridi: cellulosa, amido, glicogeno, costituiti da un numero elevato di unità monosaccaridiche. La classificazione dei monosaccaridi è basata sul numero di atomi di carbonio che li costituiscono. Tra i monosaccaridi più importanti dal punto di vista metabolico possono essere annoverati gli esosi sono costituiti da 6 atomi di C (glucosio, fruttosio) mentre i pentosi da 5 atomi di C (ribosio e deossiribosio). Questi in soluzione acquosa assumono una struttura ciclica (ciclizzazione). Nei polisaccaridi, il legame tra le singole unità monosaccaridiche è detto legame glicosidico che può avere configurazione alfa o beta. I legami alfa e beta possono essere degradati da enzimi specifici e diversi. I polisaccaridi caratterizzati da legami alfa glicosidici possono essere utilizzati dal nostro organismo mentre quelli contenenti legami beta glicosidici non possono essere utilizzati dall'uomo come fonte di energia a causa della mancanza di specifici enzimi idrolitici. Un esempio di tali polisaccaridi non biodisponibili è la cellulosa. Gli alimenti contenenti carboidrati possono essere classificati in base all indice glicemico (GI), che equivale all'aumento della glicemia conseguente l assunzione di una quantità definita dell'alimento stesso. A parità di contenuto in carboidrati, gli alimenti possono avere un diverso GI. FIBRA ALIMENTARE La fibra è un insieme di carboidrati complessi che possono essere digeriti solo dai ruminanti e non dall uomo. La dose giornaliera raccomandata è pari a 30g/Kg/die per un adulto, mentre per un bambino è di 0,5gr/Kg/die. Le fibre sono distinte in solubili e non solubili. Le prime, pectine, gomme, mucillagini sono presenti soprattutto nella crusca dei cereali Pur non fornendo energia, le fibre solubili hanno diverse funzioni: senso di sazietà, rallentano i tempi di svuotamento gastrico; rallentano/riducono l assorbimento di glucidi e colesterolo.

4 Le fibre non solubili come cellulosa ed emicellulosa sono presenti in cereali integrali e nella verdura. Anche tali fibre, pur non fornendo energia, hanno diverse funzioni benefiche: aumentano la massa fecale; accelerano il transito intestinale; riducono i tempi di contatto con le sostanze tossiche o nocive LIPIDI I lipidi o grassi sono composti organici non solubili in acqua e solubili in solventi organici non polari. I lipidi svolgono nell organismo umano diverse funzioni: funzione energetica (1 grammo di lipidi produce 9 kcal); funzione strutturale (sono componenti fondamentale delle membrane cellulari); funzione trasporto di vitamine liposolubili (i lipidi agevolano l assorbimento delle vitamine liposolubili a livello intestinale); precursori di ormoni (eicosanoidi) che svolgono importanti attività regolatrice dell organismo. Gli acidi grassi essenziali appartenenti alle famiglie omega 6 ed omega 3 sono i precursori di tali composti; migliorano le proprietà organolettiche dell alimento e inducono sazietà; contribuiscono alla termoregolazione. Le principali fonti alimentari di lipidi sono: oli vegetali, burro, strutto, lardo, panna, margarina. Gli acidi grassi sono caratterizzati da catene alifatiche non ramificate di varia lunghezza e contengono un gruppo carbossilico (-COOH). Gli acidi grassi a catena lunga sono spesso insolubili in acqua a causa dell'elevata lipofilia della catena alifatica. Quando interagiscono con l acqua gli acidi grassi si dispongono in modo tale che i gruppi carbossilici (teste) interagiscono con l acqua e le code idrofobiche interagiscono tra loro rimanendo escluse da interazioni con l acqua. Questo processo determina la formazione di micelle. Negli organismi superiori animali, gli acidi grassi sono sintetizzati a partire da unità a 2 atomi di carbonio (acetil-coa). Per questo motivo gli acidi grassi biosintetizzati da tali organismi sono sempre costituiti da un numero pari di atomo carbonio. Gli acidi grassi vengono classificati in base alla lunghezza della catena alifatica ed alla presenza, al numero ed alla posizione di doppi legami nella catena alifatica in: acidi grassi saturi ovvero privi di doppi legami. Gli acidi grassi saturi a lunga catena sono spesso solidi a T ambiente e sono di origine prevalentemente animale (burro, lardo, strutto). Un elevato apporto di acidi grassi saturi è correlato ad un aumento del rischio di patologie cardiovascolari; acidi grassi insaturi che presentano almeno 1 doppio legame. Se il numero di insaturazioni e pari a 1 vengono definiti monoinsaturi (es.: acido oleico C18:1 n-9, che si trova essenzialmente nell olio d oliva); se presentano più doppi legami prendono il nome di polinsaturi (es.: acido linoleico C18:2 n-6, alfa-linolenico C18:3 n-3). Tali acidi grassi sono spesso liquidi a T ambiente e sono prevalentemente di origine vegetale (olio d oliva e oli di semi). Alcuni acidi grassi polinsaturi come l'acido linoleico e l'acido alfa-linolenico non sono sintetizzabili dall organismo e devono essere introdotti con la dieta. Per questo sono definiti essenziali. I grassi devono rappresentare circa il 25% dell apporto calorico giornaliero e vengono introdotti attraverso l'alimentazione sotto forma di acilgliceroli come trigliceridi (95%), fosfolipidi e colesterolo (presente negli alimenti d'origine animale). I trigliceridi sono esteri derivanti dalla condensazione deii tre gruppi ossidrilici del glicerolo ed i gruppi carbossilici di tre molecole di acido grasso (3 legami esterei).

5 I fosfolipidi sono esteri del glicerolo con 2 molecole di acido grasso (legami esterei) ed una di acido fosforico (legame fosfoestereo). I fosfolipidi, al contrario dei trigliceridi, hanno una testa idrofila costituita dal gruppo fosfoestereo carico negativamente che conferisce maggiore polarità e sono i costituenti essenziali delle membrane cellulari. Il colesterolo è un composto policiclico alifatico contenente un gruppo polare alcolico. Il colesterolo è precursore di acidi biliari coinvolti nell'assorbimento intestinale dei lipidi e di ormoni steroidei.