Domande biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche

Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche - 2020/2021

Domande biochimica degli alimenti - Iametti

Qualità nutrizionale di una proteina

1. Quali aspetti condizionano la qualità nutrizionale di una proteina in un alimento?

La qualità nutrizionale di una proteina in un alimento è condizionata da quattro fattori:

• Safety
• Componente nutrizionale
• Struttura della proteina
• Componente edonistica

Food safety

La qualità nutrizionale di una proteina in un alimento può essere condizionata dalla sicurezza alimentare poiché può essere un allergene, intervenire nelle intolleranze, avere attività antinutrizionale ed essere coinvolta in malattie metaboliche.

Proteina allergenica

La presenza di una in un alimento ne condiziona la qualità nutrizionale poiché per la fascia di popolazione allergica quell’alimento ha qualità nutrizionale nulla, dato che provoca manifestazioni negative (può essere pericolosa per la vita).

Intervenire nelle intolleranze

Le proteine possono intervenire nelle intolleranze, un esempio è la celiachia. La presenza nell’alimento di specifiche sequenze amminoacidiche provoca delle manifestazioni negative in una fascia di popolazione geneticamente predisposta. Anche in questo caso, l’alimento che contiene le specifiche sequenze amminoacidiche ha una qualità nutrizionale nulla per la fascia di popolazione intollerante.

Attività antinutrizionale

Le proteine possono avere attività antinutrizionale, quindi si possono comportare da agenti sequestranti di metalli e vitamine e da inibitori di enzimi. Un esempio di proteina che si comporta da agente sequestrante è l’avidina (presente nell’albume d’uovo), che sequestra la biotina (vitamina B6), ossia l’avidina lega in modo forte ma non covalente la biotina, non rendendola biodisponibile. Un esempio di proteina che si comporta da inibitrice di enzimi (generalmente proteasi e amilasi) è l’antitripsina, presente nei semi. L’antitripsina è in grado di inibire la tripsina, rallentando l’idrolisi delle proteine nel tratto gastrointestinale. Inoltre, l’antitripsina è una serpina, ossia una proteina in grado di inibire le proteasi che hanno nel sito catalitico una serina (es. tripsina). Perciò nel definire la qualità nutrizionale di una proteina in un alimento si deve tenere in considerazione la presenza di proteine con attività antinutrizionale.

Proteine coinvolte in malattie metaboliche

La presenza di proteine coinvolte in malattie metaboliche condiziona la qualità nutrizionale dell’alimento poiché, per la fascia di popolazione affetta dalla malattia metabolica, quell’alimento ha qualità nutrizionale nulla, dato che provoca manifestazioni negative (può avere effetti mortali).

Fenilchetonuria

Un esempio è la fenilchetonuria, una malattia metabolica molto grave legata ad un deficit dell’enzima fenilalanina idrossilasi, enzima coinvolto nella metabolizzazione della fenilalanina. In assenza dell’enzima la fenilalanina non è trasformata in tirosina, con un conseguente accumulo dell’amminoacido. I soggetti affetti da fenilchetonuria devono seguire una dietoterapia che comprende alimenti non contenenti fenilalanina, spesso artificiali. La fenilalanina è contenuta principalmente nelle proteine di origine animale, ma non solo, anche nell’aspartame (dolcificante).

Componente nutrizionale

La qualità nutrizionale di una proteina in un alimento può essere condizionata dalla componente nutrizionale, che a sua volta dipende dalla composizione in amminoacidi e dalla biodisponibilità/digeribilità della proteina.

Composizione in amminoacidi

La composizione in amminoacidi condiziona la qualità nutrizionale di una proteina in un alimento poiché:

• Determina le interazioni con altri componenti se un amminoacido è acido interagisce con ioni carichi positivamente (es. le proteine dei legumi sono ricche di residui acidi quindi legano facilmente lo ione calcio);
• Se sono essenziali, sono fondamentali per la sintesi proteica;
• Le proteasi del tratto gastrointestinale sono specifiche per determinati amminoacidi, molti dei quali sono amminoacidi essenziali (es. la tripsina è specifica per gli amminoacidi basici, la chimotripsina è specifica per gli amminoacidi idrofobici), per cui la composizione in amminoacidi influisce sulla digestione delle proteine;
• Le proteine non contengono tutti gli amminoacidi essenziali nelle proporzioni necessarie all’uomo, quindi è necessario effettuare la complementazione dietetica, in modo tale da raggiungere l’adeguato fabbisogno di amminoacidi essenziali. La complementazione dietetica consiste nel consumare due alimenti, uno dei quali è povero di un amminoacido essenziale di cui è ricco l’altro (es. latte e cereali, i cereali sono poveri in lisina ma ricchi in cisteina, mentre il latte è ricco in lisina ma povero in cisteina).

Digeribilità/biodisponibilità della proteina

La digeribilità/biodisponibilità della proteina nell’alimento può essere condizionata da:

• Accessibilità della proteina agli enzimi digestivi: se la proteina è estremamente compatta per cui l’amminoacido riconosciuto dall’enzima non è accessibile, allora non è digeribile. Per questo motivo molte proteine presenti negli alimenti (es. caseine e proteine di riserva nei cereali, ossia prolamine e gluteline) hanno strutture terziarie poco compatte o assenti;
• Processo che subisce l’alimento: può essere più o meno intenso e modificare la struttura proteica a livello della struttura secondaria, terziaria e quaternaria (quando c’è).

Un processo tecnologico può determinare:

• Modifica del gruppo R di alcuni amminoacidi: la lisina se sottoposta ad elevate temperature e in presenza di zuccheri riducenti va incontro alla reazione di Maillard che determina una modifica del suo gruppo R, di conseguenza l’organismo umano la considera come xenobiota e attiva reazioni per la sua eliminazione;
• Modifica della struttura tridimensionale: un processo determina una maggiore biodisponibilità se, denaturando la proteina, ne modifica la struttura tridimensionale rendendola meno compatta, quindi più accessibile alle proteasi. Un processo determina una minore biodisponibilità se, denaturando la proteina, si ha la formazione di specie polimeriche (associazioni complesse di proteine), meno accessibili alle proteasi. Esempio: l’ovoalbumina denaturata è più digeribile per due motivi: 1) è più facilmente attaccabile dalle proteasi, poiché la struttura è meno organizzata e 2) non ha più struttura simile alle proteine inibitrici di proteasi. Esempio: la β-lattoglobulina denaturata a temperatura di pastorizzazione è più digeribile poiché ha una struttura meno ordinata, mentre denaturata a temperatura di sterilizzazione è meno digeribile poiché forma polimeri più difficilmente aggredibili dalle proteasi;
• Legame con altri componenti dell’alimento: (sali, zuccheri, additivi, fibra, amido) possono condizionare l’accessibilità delle proteine alle proteasi. Le regioni idrofobe possono finire in fasi apolari (come accade nelle comuni emulsioni, come il gelato o la maionese, ma anche nel latte omogeneizzato), e i co-soluti (come acidi, zuccheri, sale o altri additivi) possono influire sulla forza di vari tipi di interazioni rilevanti per la stabilità strutturale delle proteine.

Struttura

La qualità nutrizionale di una proteina in un alimento può essere condizionata dalla struttura della stessa, poiché condiziona il ruolo della proteina nell’alimento e il suo utilizzo.

Un esempio è il collagene, la principale proteina del tessuto connettivo, che conferisce solidità ai denti, alle arterie, e consente la trasmissione alle ossa della forza esercitata dai muscoli. Le sue proprietà meccaniche dipendono dalla sua sequenza e dalla sua struttura, che sono in reciproca relazione.

Modificazioni post-traduzionali

Il collagene acquisisce la sua struttura dopo glicosilazione e idrossilazione di alcuni amminoacidi per la formazione dei legami idrogeno che stabilizzano la tripla elica e cross-link tra triple eliche, necessari per irrobustire la struttura ancora fragile del collagene. La formazione di cross-link avviene solo in presenza di acido ascorbico come cofattore della lisina ossidasi. I cross-link aumentano con l’età e il peso, infatti la carne di vitello è più tenera della carne di manzo, proprio perché il collagene del vitello ha prevalentemente legami idrogeno, che conferiscono flessibilità, mentre la carne di manzo ha legami covalenti (cross-link), che conferiscono rigidità. Un altro esempio è rappresentato dalla colla di pesce e d’osso. La colla di pesce presenta prevalentemente legami idrogeno, quindi quando forma la gelatina trattiene più acqua. Questo dimostra come la stessa proteina, con la stessa sequenza amminoacidica, può avere un ruolo differente in base ai legami che stabilizzano la sua struttura.

Water holding capacity

La composizione in amminoacidi e la struttura della proteina influenzano la water holding capacity (WHC). La WHC è la capacità della proteina di interagire/legare l’acqua e definisce la texture di molti alimenti. Tutti gli alimenti contengono acqua, molti sono principalmente composti da essa. La WHC di una proteina dipende dalla composizione in amminoacidi, per esempio, i semi sono ricchi in glutammina, amminoacido non carico, quindi non lega l’acqua, se fossero ricchi in glutammato, amminoacido acido, esso formerebbe ponti idrogeno con l’acqua e porterebbe alla germogliazione.

I processi tecnologici che subisce una proteina in un alimento possono permettere alla proteina di formare/stabilizzare gel ed emulsioni/schiume. La capacità di formare/stabilizzare gel ed emulsioni/schiume di una proteina è data dalla sua struttura tridimensionale. Un gel proteico è una struttura tridimensionale proteica stabilizzata da specifiche interazioni, che trattiene l’acqua. Le proteine sono in grado di formare un gel solo dopo denaturazione, che comporta una modifica della struttura tridimensionale.

Degli esempi di gel proteici sono:

• Gelatina: il collagene riscaldato e poi raffreddato è in grado di formare una rete proteica, stabilizzata da legami idrogeno, in grado di trattenere acqua;
• Uovo: l’ovoalbumina riscaldata e poi raffreddata è in grado di formare una rete proteica in grado di trattenere al suo interno acqua;
• Impasto per pane/pasta: gliadine e glutenine, in seguito ad impastamento (intervento meccanico) e in presenza di acqua, formano una rete proteica, stabilizzata da interazioni idrofobiche e disolfuro, in grado di trattenere acqua e amido;
• Formaggio: la caseina, in seguito a denaturazione enzimatica, forma una rete proteica, stabilizzata da interazioni idrofobiche ed elettrostatiche, in grado di trattenere acqua e componente lipidica;
• Carne: actina e miosina formano un gel proteico, stabilizzato da interazioni ioniche, in grado di trattenere acqua e soluti.

Emulsioni/schiume

Le emulsioni/schiume sono sistemi all’interfaccia stabilizzati da proteine, che devono essere denaturate per svolgere questa funzione.

Componente edonistica

La qualità nutrizionale è condizionata, infine, da una componente edonistica, ossia motivi culturali, religiosi, etici, gusti personali, costo, e tipo di processo utilizzato per produrre un certo alimento.

2. Perché la biotina è biodisponibile nell’uovo cotto e non in quello crudo?

La biotina (vitamina B6) è biodisponibile nell’uovo cotto e non in quello crudo poiché, in seguito alla cottura, si ha la denaturazione di una proteina, l’avidina. Questa proteina, presente nell’albume d’uovo, lega in modo forte ma non covalente la biotina non rendendola disponibile. Se denaturata non è più in grado di legare la biotina, rendendola biodisponibile.

3. Descrivere il ruolo di un processo tecnologico nel definire la qualità nutrizionale di una proteina.

I processi tecnologici che subisce un alimento possono essere più o meno intensi e denaturano/modificano la struttura proteica a livello della struttura: la proteina, ossia secondaria, terziaria e quaternaria (quando c’è). Un processo tecnologico può determinare:

• Modifica del gruppo R di alcuni amminoacidi: la lisina se sottoposta ad elevate temperature e in presenza di zuccheri riducenti va incontro alla reazione di Maillard che determina una modifica del suo gruppo R, di conseguenza l’organismo umano la considera come xenobiota e attiva reazioni per la sua eliminazione;
• Modifica della struttura tridimensionale: un processo determina una maggiore biodisponibilità se, denaturando la proteina, ne modifica la struttura tridimensionale rendendola meno compatta, quindi più accessibile alle proteasi. Un processo determina una minore biodisponibilità se, denaturando la proteina, si ha la formazione di specie polimeriche (associazioni complesse di proteine), meno accessibili alle proteasi. Esempio: l’ovoalbumina denaturata è più digeribile per due motivi: 1) è più facilmente attaccabile dalle proteasi, poiché la struttura è meno organizzata e 2) non ha più struttura simile alle proteine inibitrici di proteasi. Esempio: la β-lattoglobulina denaturata a temperatura di pastorizzazione è più digeribile poiché ha una struttura meno ordinata, mentre denaturata a temperatura di sterilizzazione è meno digeribile poiché forma polimeri più difficilmente aggredibili dalle proteasi.

Agenti chimici in grado di modificare le interazioni delle proteine e applicazioni

4. Descrivere l’apporto (contributo) del solvente nel condizionare il ruolo delle macromolecole in un alimento / Ruolo del solvente nel condizionare il ruolo delle macromolecole in un alimento.

Il solvente negli alimenti è l’acqua, che rappresenta in molti alimenti la componente principale. L’acqua solvata le macromolecole, cioè le circonda formando uno strato attorno ad esse con una precisa geometria, che dipende dalla carica superficiale delle macromolecole con cui interagisce e dal loro ingombro. L’acqua direttamente interagente con le macromolecole ne definisce le proprietà strutturali, quindi modificata la sua geometria, quando viene per esempio durante un trattamento termico, l’effetto è una modifica della struttura della macromolecola. La struttura della macromolecola è fortemente legata al ruolo che svolgerà nell’alimento.

5. Cosa si intende per gel proteici?

Un gel proteico è una struttura tridimensionale proteica stabilizzata da specifiche interazioni, che trattiene l’acqua. Le proteine sono in grado di formare un gel solo dopo denaturazione, che comporta una modifica della struttura tridimensionale.

Degli esempi di gel proteici sono:

• Gelatina: il collagene riscaldato e poi raffreddato è in grado di formare una rete proteica, stabilizzata da legami idrogeno, in grado di trattenere acqua;
• Uovo: l’ovoalbumina riscaldata e poi raffreddata è in grado di formare una rete proteica in grado di trattenere al suo interno acqua;
• Impasto per pane/pasta: gliadine e glutenine, in seguito ad impastamento (intervento meccanico) e in presenza di acqua, formano una rete proteica, stabilizzata da interazioni idrofobiche e disolfuro, in grado di trattenere acqua e amido;
• Formaggio: la caseina, in seguito a denaturazione enzimatica, forma una rete proteica, stabilizzata da interazioni idrofobiche ed elettrostatiche, in grado di trattenere acqua e componente lipidica;
• Carne: actina e miosina formano un gel proteico, stabilizzato da interazioni ioniche, in grado di trattenere acqua e soluti.

6. Descrivere quali modificazioni chimiche possono avvenire a carico del gruppo R di alcuni amminoacidi in seguito ad un trattamento chimico.

I gruppi R degli amminoacidi possono subire delle modificazioni chimiche in seguito a due trattamenti chimici:

• Modificazione del pH: il pH modifica lo stato di ionizzazione dei gruppi R degli amminoacidi carichi e, di conseguenza, la carica netta della proteina, che può essere positiva, negativa o nulla. La ionizzazione dei gruppi R degli amminoacidi carichi influenza tre parametri importanti:
  • Solvatazione della proteina: ossia quanta acqua circonda la proteina è legata alla capacità di formare legami idrogeno con l’acqua;
  • Solubilità della proteina nel mezzo: in particolare, al pH corrispondente al pI, ossia il punto isoelettrico (pH al quale la carica netta della proteina è pari a 0), le proteine si trovano nella loro forma più insolubile, poiché la loro carica netta è nulla, quindi tendono ad aggregarsi tra di loro per cercare una nuova conformazione stabile nel solvente polare. Un esempio è la produzione di yogurt, in cui il latte viene portato al pI delle caseine (4,6), determinando la loro aggregazione in un coagulo;
  • Capacità di interazione con altre molecole: (ioni, gruppi fosfato, cofattori organici), affinché avvenga l’interazione, i gruppi R degli amminoacidi devono essere dissociati.