BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI

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1 Seconda Università degli Studi di Napoli DiSTABiF Anno Accademico Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI Prof. Augusto Parente Lezione

2 - Gluconeogenesi - Degradazione dell amido nella germinazione dei cereali - Carboidrati complessi [cellulosa, -galattosani, -glucani (emicellulosa), pectina]; - Degradazione di carboidrati complessi - Biochimica delle proteine alimentari

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4 GLUCONEOGENESI

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6 Le vie anaplerotiche 1 Piruvato + HCO - 3 Piruvato carbossilasi ATP ADP + Pi Biotina Ossalacetato 2 Fosfoenolpiruvato + HCO - 3 PEP carbossichinasi + GDP Ossalacetato + GTP 3 Fosfoenolpiruvato + HCO - 3 PEP carbossilasi Ossalacetato + Pi 4 Piruvato + HCO - 3 Enzima malico NAD(P)H NAD(P)+ Malato

7 Degradazione dell amido nella germinazione dei cereali

8 Intermedi del metabolismo dei carboidrati svolgono ruoli importanti in molti prodotti alimentari - Acido lattico - rigor mortis - Inacidimento e cagliatura del latte - preparazione dei crauti (cavoli acidi) e altri vegetali fermentati (cetriolini e olive) - Etanolo - preparazione di bevande alcooliche - preparazione del pane - in alcuni frutti troppo maturi, in misura minore - Ciclo TCA, fermentazione alcoolica, maturazione dei formaggi e maturazione della frutta.

9 Enzima DEGRADAZIONE DELL AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CEREALI (CHICCHI di GRANO) Reazione α-amilasi (EC ) β-amilasi (EC ) Esochinasi (EC ) α -glucosidasi (maltasi, EC ) oligo-1,6 glucosidasi (destrinasi limite, isomaltasi, EC ) Fosforilasi (EC ) Fosfoglucomutasi (EC ) Glucosio-fosfato isomerasi (EC ) Amido > glucosio + maltosio + maltotriosio + α destrine limite + maltosaccaridi lineari maltosaccaridi lineari > β-maltosio (inversione) D-esoso (glucosio) + ATP --> D-esoso (glucosio)-6-fosfato + ADP Idrolisi, a partire dalla estremità non riducente di α -D-glucosio legato con legami α-1,4, con rilascio di α-d-glucosio α-destrina limite > maltosaccaridi lineari Maltosaccaridi lineari + fosfato > α-d-glucosio-1-fosfato α -D-glucosio-1-fosfato > α-d-glucosio-6-fosfato D-glucosio-6-fosfato > D-fruttosio-6-fosfato

10 DEGRADAZIONE DELL AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CEREALI (CHICCHI DI GRANO) Enzima Reazione Prodotto UTP-glucosio 1-fosfato uridil transferasi (UDP- glucosio pirofosforilasi EC ) UTP + -D-glucosio-1-fosfato > UDP-glucosio + pirofosfato Saccarosio fosfato sintetasi (EC ) Zucchero fosfatasi (EC ) Saccarosio fosfatasi (EC ) Saccarosio sintetasi (EC ) -fruttosio-furanosidasi (invertasi, saccarasi, EC ) UDP-glucosio+ D-fructosio-6-fosfato > saccarosio fosfato + UDP Zucchero fosfato (fruttosio-6-fosfato) > zucchero (fruttosio) + fosfato inorganico Saccarosio -6-fosfato > saccarosio + fosfato inorganico NDP-glucosio + D-fruttosio > saccarosio + NDP (nucleoside difosfato) Saccarosio --> glucosio + fruttosio

11 Glucosio Fruttosio α-d-glucosio-1-fosfato α-d-glucosio-6-fosfato D-fruttosio-6-fosfato Piruvato Utilizzabile in varie reazioni Utilizzabile per la sintesi varie strutture vegetali (cellulosa)

12 CARBOIDRATI COMPLESSI - Cellulosa - -Glucani (emicellulosa) - Pectine: collante cellulare nei tessuti vegetali Fibra alimentare

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14 CELLULOSA

15 EMICELLULOSE Attualmente si conoscono tre tipi di emicellulose o glucani concatenati: Xilani ( -D-xilosio- epimero in C3 del ribosio; tegumento dei chicchi dei cereali, crusca); Galattani-o galattosani/arabinolattani Mannani/glucomannani In contrapposizione alla cellulosa, la cui molecola lineare è formata da unità di solo glucosio, le emicellulose sono invece costituite da zuccheri differenti. Inoltre hanno una struttura ramificata e non fibrosa.

16 XILANI La catena principale degli xilani è costituita da D-β-xilopiranosio le cui unità sono legate fra loro con legame 1 4. acido 4-O-metil-glucuronico Solubilità ridottissima o nulla in acqua

17 Irregolarmente e con frequenza variabile a seconda della specie vegetale e/o della parte della pianta interessata, su questa catena possono innestarsi ramificazioni, costituite ancora da xilosio, oppure da (in ordine di frequenza decrescente): arabinosio (in forma L-arabinofuranosidica), acido 4-O-metil-glucuronico, mannosio, galattosio, ramnosio. L'abbondanza delle ramificazioni costituite da arabinosio, nel più dei casi singole unità legate in posizione 2 e/o 3 sullo xilosio, giustifica l'identificazione di una sottoclasse di emicellulose anch'essa molto frequente in natura, gli arabino-xilani.

18 INULINA (prebiotico- sostanza che, presente nel cibo, non viene assorbita dall'organismo ma è utilizzata dalla flora intestinale). FOS - Frutto-oligosaccaridi) L'inulina è un polimero glucidico con peso molecolare minore dell'amido, solubile in acqua e totalmente accumulato nei vacuoli. Si ottiene dalla polimerizzazione del β-d-fruttosio. Per azione dell'enzima inulasi l'idrolisi risultante produce fruttosio (zucchero consigliato per i diabetici).

19 - I β-glucani (dal lievito di birra-zimosan. -D-glucosio con legami 1-3 e 1-6) sono i maggiori componenti della frazione solubile della fibra alimentare e come tali esercitano, nel nostro organismo, una serie di effetti benefici correlati alla fibra alimentare, quali: - rallentamento dello svuotamento gastrico, - incremento della peristalsi intestinale. Inoltre, numerose evidenze sperimentali, negli ultimi anni, hanno evidenziato il ruolo dei β-glucani dell orzo e dell avena nel contenimento del livello di colesterolo e di glucosio ematico nell uomo e in animali da laboratorio.

20 - glucano di lievito

21 Grado di esterificazione* PECTINA composto estratto dalla frutta- MELE E PERE- gelificante Molecole di acido galatturonico unite da legami α-(1-4). Lungo la catena a base poligalatturonica sono intercalati in proporzione variabile residui di ramnosio. Tali residui si addensano in zone particolari della catena dando vita a strutture le cui ramificazioni assomigliano a peli (dette per questo hairy). Infatti in corrispondenza di tali residui di ramnosio si innestano catene laterali più o meno lunghe, che contengono ancora ramnosio, D-galattosio, L-arabinosio, e D-xilosio, *Pectine fluide per aggiunte di metili ai gruppi carbossilici ad opera di metilesterasi.

22 PROPECTINA Forma colloidi nella parete. Conferisce durezza. Alla maturazione viene metabolizzata in molecole più piccole e quindi i frutti diventano più soffici. Questi cambiamenti sono importanti nella maturazione di pomodori, mele, caki. Innovazioni tecnologiche: pomodori geneticamente modificati e mele fuji con una più lunga shelf life. Nella maturazione anche importante l idrolisi dell amido. Proprietà gelificante in presenza di zuccheri (naturale in mela, pere, limone); Pectine fluide per aggiunte di metili ai gruppi carbossilici (metilesterasi); Possono contenere ramnosio (metile in posizione 6)

23 DEGRADAZIONE DI CARBOIDRATI COMPLESSI Enzima Reazione Degradazione della cellulosa nella germinazione dei semi e maturazione della frutta Cellulasi (EC ) Endoidrolisi di legami 1,4-β-glicosidici nella cellulosa e nei β-d-glucani di cereali 23 Glucan 1,4-β-glucosidasi (Eso-1,4-β-glucosidasi, EC ) Idrolisi di legami 1,4 dell 1,4 β-d-glucano in modo da rimuovere unità successive di glucosio Cellulosa 1,4-β-cellubiosidasi (EC3.2.I.91) Idrolisi di legami 1,4-β-D-glucosidici nella cellulosa e cellotetraoso, con rilascio di cellobiosio dalle estremità non riducenti della molecola Degradazione di β-galattosano β-galattosidasi (EC ) Galattani legati con legame β-(1-4) > D-galattosio

24 Segue DEGRADAZIONE di CARBOIDRATI COMPLESSI Enzima Reazione Degradazione di β glucani Glucano endo -1, 6-glucosidasi (EC ) Glucano endo β-1,4-glucosidasi (EC ) Glucano endo-1,3 β -D-glucanasi (EC ) Glucan 1,3-β glucosidasi (EC ) Idrolisi random di legami 1,6 in 1,6- β-d-glucani Idrolisi di legami 1,4 in 1,4- -D-glucani in modo da rimuovere successive unità di glucosio Idrolisi successiva di unità di β-d-glucosio a partire dalle estremità non riducenti di 1,3-β-D-glucani, con rilascio di β-glucosio 1-3- β-d-glucani-> α-d-glucosio

25 DEGRADAZIONE di CARBOIDRATI COMPLESSI Enzima Reazione SEGUE Degradazione della pectina Poligalatturonasi (EC ) Idrolisi random di legami 1,4-α-D-galattosiduronici in pectati e altri galatturonani 25 Galatturan 1,4- α galatturonidasi [Esopoligalatturonasi, poli (galatturonato) idrolasi, EC ) Pectato liasi (pectato transeliminasi, EC ) Pectina liasi (EC ) (1,4- α -D-galatturoniside)n + H 2 O > (1,4- -Dgalatturoniside)n-1 + D-galatturonato Scissione eliminativa di pectato per dare oligosaccaridi con gruppi 4-deossi-α-D-galact-4-enuronosilici alle loro estremità non-riducenti Scissione eliminativa di pectina per dare oligosaccaridi con gruppi terminali 4-deossi-6-metil- -D-galact-4- enduronosiiici.

26 CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzima o Sistema enzimatico Reazione Formazione di acido lattico Lattase (EC ) Via metabolica del Tagatosio Via metabolica Embden-Meyerhof Lattose + H 2 O --> D-glucosio + D-galattosio Galactosio-6-P > acido lattico Glucosio > piruvato > acido lattico Formazione di piruvato da acido citrico Citrato (pro-3s) liasi (EC ) Citrato ---> ossalacetato Ossalacetato decarbossilasi Ossalacetato > piruvato + CO 2 (EC ) Formazione di acido acetico e propionico Via metabolica del propionato 3 lattato > 2 propionato + 1 acetato + CO 2 + H alanina > acido propionico + 1 acetato + CO ammoniaca Formazione di acido succinico Via metabolica acida mista Acido propionico + CO 2 --> acido succinico

27 Batteri lattici: metabolismo del galattosio Quando è trasportato come galattosio 6P mediante PTS (fosfotransferasi), è fermentato secondo la via del D-Tagatosio-6P.

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30 FIG. 1. Schematic representation of pathways involved in sugar fermentation via glycolysis to lactate and/or other acids and biosynthesis of EPS in L. lactis. Glucose and lactose are transported via phosphotranseferase systems. The following enzymes are involved: Glk, Pgi, Pfk, Gap (glyceraldehyde 3- phosphate dehydrogenase), LacABCD (tagatose-6-phosphate pathway), Pyk (pyruvate kinase), Ldh (lactate dehydrogenase), Pgm, GalU (UDP-glucose pyrophosphorylase), GalE (UDP-galactose epimerase), Rfb (dtdp-rhamnose biosynthetic system consisting of RfbA and glucose-1p thymidylyltransferase), RfbB (dtdp-glucose-4,6 dehydratase), RfbC (dtdp-4- keto-6-deoxy-d-glucose-3,5 epimerase), and RfbD (dtdp-4-keto-l-rhamnose reductase).

31 segue CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzima o Sistema enzimatico Reaction Formazione di acido butirrico * Via metabolica dell acido butirrico 2 lattato > 1 butirrato + CO 2 + 2H 2 Formazione di etanolo Via metabolica fosfochetolasica Glucosio > acetaldeide > etanolo Piruvato decarbossilasi (EC ) Piruvato > acetaldeide + CO 2 Alcool deidrogenasi (EC ) acetaldeide + NADH + H + > etanolo + NAD + Formazione di acido formico Piruvato-formiato liasi (EC ) Piruvato + CoA > acido formico + acetil CoA Formazione di diacetil, acetoina, 2-3 butilen glicole Via metabolica di fermentazione del citrato Citrato > piruvato > acetil CoA > diacetil > acetoina > 2-3 butilen glicol Formazione di acido acetico Piruvato-formiato liasi (EC ) Piruvato + CoA > acido formico + acetil CoA Acetil-CoA idrolasi (EC ) Acetil CoA + H 2 O > acido acetico + CoA * Nel Pecorino Romano, per esempio, c'è prevalenza di acido butirrico. 31

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GLUCOSIO GLUCOSIO-6-FOSFATO ISOMERASI FRUTTOSIO-6-FOSFATO ATP FRUTTOSIO-1,6-DIFOSFATO ALDOLASI ISOMERASI

GLUCOSIO GLUCOSIO-6-FOSFATO ISOMERASI FRUTTOSIO-6-FOSFATO ATP FRUTTOSIO-1,6-DIFOSFATO ALDOLASI ISOMERASI GLUCOSIO ESOCHINASI (costitutivo) inibizione feed-back GLUCOCHINASI (induttivo) GLUCOSIO-6-FOSFATO ISOMERASI - 2 FRUTTOSIO-6-FOSFATO FOSFOFRUTTOCINASI allosterico reg +: e Fr-2,6-dP reg -:, citrato FRUTTOSIO-1,6-DIFOSFATO

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