Biochimica degli alimenti e della nutrizione

Biochimica degli alimenti e della nutrizione

Esame a fine giugno (esame unico) – 6 appelli

- 5 domande per modulo aperte

- 90 min

- Due prove in itinere, durante la lezione, da 5 domande da 1 oraà 15/01

QUALITÀ DEGLI ALIMENTI

La qualità di un alimento dipende da diversi fattori:

- Oggettivi= la composizione, nutrizione, sicurezza

- Soggettivi= culturale (paesi che mangiano insetti), convenienza, costo, salutari

- Edonistico= aspetti culturali, religiosi

Un alimento è una matrice complessa in cui interagiscono le macromolecole (proteine,

glucidi, lipidi) con quelli che vengono definiti microelementi (acqua, sali, zuccheri).

Un alimento deve essere apprezzato a livello sensoriale, ed è dato dall’interazione tra

macro, micromolecole e solventi.

Ci soffermeremo principalmente sulle proteine in quanto hanno un ruolo predominante

nella definizione della qualità di un alimento, perché:

- interagiscono molto con gli altri elementi, sia micro che macro. Queste

interazioni però non sono sempre positive, alcune proteine ad esempio legano

alcuni microelementi non rendendoli più disponibili.

- Determinano la struttura, texture e stabilità dell’alimento. esempio formaggio:

se le proteine non si organizzano correttamente, non si ottiene il formaggio. Di

fatto il formaggio fatto con il latte di cavallo non esiste! Inoltre, le proteine sono

in grado di legare l’acqua e questo è un aspetto importante per rendere un

alimento accettabile e apprezzabile dal punto di vista sensoriale.

La biochimica interviene anche sulla sicurezza, per giudicare la qualità delle

proteine

- non esistono allergeni che non sono proteine. Esempio, un’allergia al lievito è

solamente al tipo di lievito naturale, non quello chimico che è formato da

bicarbonato. ®

- INTOLLERANZE C’è un ruolo molto importante delle proteine nella celiachia, in

quanto sono implicate le proteine come la GLIADINA, costituita da sequenze aa

specifiche ripetitive che vengono riconosciute dal s.i. della persona allergica.

Questi amminoacidi e i frammenti peptidici che ne derivano possono attraversare

la barriera intestinale danneggiata, essere modificati dalla transglutaminasi

tissutale (tTG) e scatenare la risposta immunitaria che porta all'infiammazione e

all'atrofia dei villi intestinali, causando malassorbimento. Il mais non causa

problemi nei celiaci, perché nelle zeine del mais sono assenti le sequenze AA

celiacotossiche

- I fattori anti-nutrizionali sono spesso proteine e possono essere inibitori di

proteasi o sequestrati d vitamine. Gli inibitori delle proteasi sono proteine,

esempio l’anti tripsina si lega al sito attivo della tripsina,se denaturata non si lega

più alla tripsina). Sequestrano le vitamine (l’avidina lega fortemente la biotina,

se denaturo la proteina posso rilasciare la biotina).

I fattori anti- nutrizionali sono molto presenti negli alimenti di origine vegetale.

Se le proteine sono piene di fattori anti-nutrizionali, è solamente commerciale.

- Malattie metaboliche: alcune proteine sono coinvolte in difetti metabolici, ad

esempio la fenilchetonuria è un’alterazione nelle vie metaboliche della

fenilalanina, non hanno l’enzima fenialanina idrossilasi. Questo tipo di persone

devono vivere senza mangiare praticamente proteine animali, in quanto

contengono fenilalanina. Attenzione all’aspartame, un comune dolcificante che è

un dipeptide (Asp + methyl ester of Phe) e rappresenta una fonte nascosta di

fenilalanina.

LA QUALITA NUTRIZIONALE DELLE PROTEINE

- COMPOSIZIONEà presenza di aa essenziali. La loro presenza non basta in quanto

possono non essere digeriti. Il problema non è sapere la differenza tra gli aa

essenziali e non, ma la digeribilità e la bioavibilità. Rivedere aa e quali aa

possono essere digeriti e biodisponibili.

Es. la tripsina idrolizza gli aa basici (lisina e arginina) e li riconosce tramite il

gruppo NH3+, per cui se, ad esempio, questo gruppo ha reagito con altro, allora la

tripsina non può idrolizzarla.

Es. metionina —> il gruppo S-OH viene spesso modificato da vari trattamenti e

questo interviene nella qualità nutrizionale che è ridotta

- LA COMPLEMENTAZIONE NUTRIZIONALE, i cereali e i legumi sono poveri di lisina,

ma con molta cisteina

- LA DIGERIBILITA La digeribilità dipende da come sono strutturate le proteine e

à

se sono presenti altre componenti, come i polifenoli, ottimi antiossidanti,

intervengono sulla digeribilità, sono inibitori della digeribilità proteica

- Un altro aspetto è che la qualità è anche TECNOLOGICA, legato all’interazione

della struttura proteica con altre componenti, in particolar modo l’acqua.

Gli alimenti vegetali sono pieni di Glutammina: aa abbondante nelle proteine

vegetali in quanto lega meno l’acqua

AGENTI FISICI E CHIMICI

Gli AGENTI FISICI che modificano le proteine nei processi alimentari sono temperature,

mechanical stress (shear forces), Alte pressioni (>1000 atm), Radiazioni ad alta energia

(raggi gamma)

Gli AGENTI CHIMICI invece sono: pH, agenti chelanti, variazione stato redox,

concentrazione salina

Gli AGENTI BIOLOGICI sono gli enzimi

Gli agenti fisici e chimici possono agire da soli oppure in combinazione

EFFETTI DELLA TEMPERATURA SULLE PROTEINE

LA TEMPERATURA: la struttura tridimensionale della proteina è stabilizzata dalla

struttura terziaria, quindi non dalla catena aa ma dal legame peptidico, idrogeno,

idrofobico, ponti di solfuro e forza ionica.

Il bersaglio della temperatura sono principalmente i legami idrogeno, ovvero legami

non covalenti, quando vengono rotti provocano un grado di libertà della proteina

esponendo le regioni idrofobiche.

LA TEMPERATURA NON ROMPE il LEGAME PEPTIDICO, gli unici trattamenti che

producono peptidi sono enzimi o condizioni estreme (HCl 6N a 120°)

Quindi, questo porta a denaturazione parziale o completa della proteina, alterandone

la struttura tridimensionale. Esposizione del core, le zone idrofobiche, solitamente

sepolte, vengono esposte al solvente. Variazione della pKa cambia la ionizzazione dei

residui cariche, di conseguenza, le interazioni ioniche (ponte salino) nella proteina

possono indebolirsi o sparire.

Le proteine possono subire modifiche strutturali:

- REVERSIBILI= può ritornare alla conformazione nativa

- IRREVERSIBILI= la proteina subisce cambiamenti permanenti, spesso con perdita

completa della struttura tridimensionale

CONSEGUENZE DELLE MODIFICAZIONI STUTTURALI DELLE PROTEINE NEGLI

ALIMENTI

Le modificazioni strutturali delle proteine indotte da agenti fisici (in particolare il

calore) influenzano profondamente la qualità nutrizionale e tecnologica degli alimenti.

Le interazioni tra proteine, acqua, lipidi e glucidi sono per lo più non covalenti e

permettono la formazione di una texture adeguata.

Le proteien possono stabilizzare le emulsioni (latte, panna, salse), perché interagiscono

sia con la fase idrofobica sia con quella idrofila.

Un’applicazione tecnologica è l’aggiunta di siero-proteine nel prosciutto cotto,

utilizzate perché resistono meglio alla denaturazione rispetto alle proteine muscolari e

permettono di trattenere acqua, garantendo una texture morbida.

SOLUBILITA DELLE PROTEINE E BIODISPONIBILITA DEI NUTRIENTI

Un aspetto fondamentale delle modificazioni strutturali è la solubilità proteica.

Durante i trattamenti tecnologici (es. calore), le proteine cambiano organizzazione

strutturale, influenzando:

la loro capacità di legare il solvente (acqua),

• la solubilità dei micronutrienti associati.

•

Se le proteine denaturate aggregano e precipitano possono trascinare con se

micronutrienti associati, rendendoli non disponibili.

È quindi essenziale che, dopo il trattamento, le proteine mantengano una struttura tale

da rimanere in soluzione.

Esempio:

Un eccessivo riscaldamento del latte porta alla separazione in:

una fase liquida

• un precipitato di siero-proteine denaturate, meno digeribili e di qualità

• nutrizionale inferiore

Formazione dei gel proteici

Un’altra importante conseguenza delle modificazioni strutturali è la formazione dei gel

proteici.

Un gel proteico è un aggregato tridimensionale ordinato di proteine che trattiene

acqua.

Si distinguono:

- gel di polisaccaridi (amidi)

- gel proteici

Esempi di gel proteici

- Gelatina: ottenuta solubilizzando il collagene e successivamente raffreddandolo;

le proteine si associano in modo ordinato grazie a legami a idrogeno.

La formazione di un gel ordinato richiede un controllo del trattamento.

- Uovo: durante la coagulazione dell’albume, l’ovoalbumina (ricca di cisteina)

forma ponti disolfuro.

In seguito a denaturazione termica, avviene uno scambio di disolfuri: i ponti SS

intra-catena diventano inter-catena, formando una rete che trattiene acqua.

- Formaggio: la caseina, denaturata enzimaticamente, si organizza in una struttura

ordinata; il formaggio è un gel proteico di caseina che ingloba lipidi.

- Pasta: il glutine forma un gel proteico regolare al cui interno è trattenuto

l’amido.

- Carne: le proteine sono organizzate in una rete che trattiene acqua, conferendo

succosità.

La bassa cottura permette di preservare acqua e microelementi, migliorando

texture e qualità sensoriale.

LA DIGERIBILITA

La digeribilità dipende dall’accessibilità del legame peptidico alle proteasi.

®

- PROTEINE COMPATTA BASSA DIGERIBILITA

®

- PROTEINE DESTRUTTURATE ALTA DIGERIBILITA

®

- AGGREGAZIONE BASSA DIGERIBILITA

Molte proteine alimentari sono naturalmente poco strutturate e ricche di amminoacidi

accessibili

DA COSA DIPENDE LA DIGERIBILITA DI UNA PROTEINA

1. Proteine ricche di -SH (gruppi tiolici)

I gruppi tiolici -SH (LIBERI) possono rompere ponti disolfuro

o ®

intramolecolari, rendendo la proteina più flessibile, più aperta quindi

accessibile agli ENZIMI digeribilità maggiore.

→

Esempi: ovalbumina (uova), proteine dei legumi.

o

2. Proteine stabilizzate da ponti disolfuro

I ponti disolfuro rendono la struttura rigida e compatta, proteggendo la

o proteina dalla denaturazione.

Questo può ridurre l’accessibilità agli enzimi proteolitici digeribilità

→

o minore.

Esempio: β-lattoglobulina (latte).

o

3. Proteine poco strutturate

La mancanza di strutture ordinate (folding complesso) non influenza

o significativamente la digeribilità, perché sono già abbastanza accessibili

agli enzimi® non viene limitata la digeribilità

Esempio: glutelina.

o

Esempi:

- OVALBUMINA = se denaturata è più digeribile

- PROTEINE DEI LEGUMI= sono estremamente compatte, quindi con la denaturazione

sono più digeribili

- B-LATTOGLOBULINA= la denaturazione forma aggregati solubili che comporta una

diminuzione della digeribilità

- GLUTELINA= non c’è nessun cambiamento sulla digeribilità con la denaturazione

LE PROTEASI

Le proteasi idrolizzano il legame peptidico solo in corrispondenza di specifici

amminoacidi bersaglio.

Per poter agire, l’enzima deve raggiungere fisicamente il legame peptidico. Se la

proteina ha una struttura molto compatta, che nasconde i legami peptidici, l’enzima non

riesce a intervenire.

UN RECAP: Un amminoacido è formato da un gruppo amminico (basico, può legarsi ad un

idrogeno o a un altro gruppo per la formazione di legami peptidici), carbossilico (acido,

responsabile della natura acida del aa), l’atomo di CARBONIO centrale legato a un

idrogeno e al gruppo laterale (R) che determina le proprietà chimiche e fisiche

dell’amminoacido:

Polare o non polare

• Carico positivo o negativo

• Aromatico o alifatico

•

Tipi di amminoacidi

Essenziali: il nostro corpo non li può sintetizzare devono essere assunti con la

→

• dieta (lisina, istidina, triptofano, fenilanalina, valina, treonina, metioina, leucina,

isoleucina).

Non essenziali: il corpo li può produrre (es. alanina, glutammina).

•

Si classificano in base al sito di taglio nella catena polipeptidica:

®

1. ENDOPROTEASI tagliano legami peptidici all’interno della catena, non agli

estremi ®

2. ESOPROTEASI tagliano aminoacidi agli estremi della catena polipeptidica.

Si distinguono in due tipi:

• 1. AMINOPEPTIDASI tagliano dall’N-terminale (inizio della catena)

→

2. CARBOSSIPEPTIDASI tagliano dal C-terminale (fine della catena)

→

Si possono poi distinguere in base alla specificità del substrato:

- TRIPSINA= è una endoproteasi che idrolizza riconoscendo solo gli aa BASICI: ARG e

LYS

- CARBOSSIPEPTIDASI= è una esoproteasi che riconosce solo gli aa BASICI: ARG e LYS

- ENDOPROTEINASI= prevalentemente sugli aa acidi, maggiormente ASP

- CHIMOTRIPSINE E PEPSINA= agiscono su aa idrofobici ( leu, phe, val, ile, met, ala)

- ELASTASI= agisce sulla PRO e la GLY

- PROLINASI = è batterica

- Ci sono anche delle proteasi chiamate ASPECIFICHE come la CARBOSSIPEPTIDASI A

che agisce su tutti gli aa tranne arg, lys, pro e la AMINOPEPTIDASI M tranne pro

La maggior parte di queste proteasi taglia su aa essenziali

Possono anche essere classificate in base all’optium del pH

- ACIDE pepsina, papaina

- BASICHE chimotripsina, tripsina, termolisina, prolinasi

- NEUTRE neutrasi

E in base al optimum di temperatura

- MESOFILE = A 37°C (noi)

- TERMOFILE

- IPERTERMOFILE

Le proteasi possono essere divise anche per il meccanismo di azione. Il sito attivo è

una piccola regione della proteina (non tutto l’enzima) dove avviene la reazione

chimica. È formato da alcuni residui amminoacidici chiave che partecipano

direttamente alla catalisi.

La tripsina è classificata come una proteasi digestiva secondo diversi criteri.

Dal punto di vista del sito di taglio, la tripsina è una endoproteasi, perché idrolizza i

legami peptidici all’interno della catena polipeptidica e non agli estremi.

In base alla specificità del substrato, è una proteasi specifica per amminoacidi basici,

poiché riconosce e taglia il legame peptidico a livello dei residui di lisina

(Lys) e arginina (Arg).

Dal punto di vista del meccanismo catalitico, la tripsina appartiene alla classe

delle serina-proteasi, poiché nel suo sito attivo sono presenti i residui catalitici Serina,

Istidina e Aspartato, che partecipano direttamente alla reazione di idrolisi del legame

peptidico.

In base all’optimum di pH, la tripsina è una proteasi basica, attiva in ambiente

alcalino, tipico dell’intestino tenue.

Infine, in base all’optimum di temperatura, è una proteasi mesofila, con massima

attività intorno ai 37 °C, la temperatura corporea umana.

Sito attivo / residui

Tipo di proteasi Esempi principali

catalitici

Serina-proteasi I ASP, SER, HIS Tripsina, Chimotripsina, Elastasi

Serina-proteasi II ASP, SER, HIS Subtilisina

Papaina, Actinidina, Ficina, Bromelaina,

Cisteina-proteasi ASP, CYS, HIS Prolinasi

Aspartico-proteasi ASP, ASP Pepsina, Chimosina

Metallo-proteasi I Zn, GLU, TYR Carbossipeptidasi A, Aminopeptidasi

Metallo-proteasi II Zn, GLU, HIS Termolisina

MECCANISMO DELLA TRIPSINA

1. Stato iniziale

Il peptide si lega al sito attivo

• dell’enzima. (che contiene

tasca di riconoscimento e

triade)

La Ser195 assistita da Hes57 e

• Aso102 (TRIADE CATALITICA) è

pronta per attaccare il legame

peptidico. ®

2. Primo stato di transizione >

dove avviene la rottura del legame

peptidico

⁺

H viene trasferito dalla Ser195

• alla His57. Quindi la SERINA

altamente nucelofila, attacca

il carbonile del legame

peptidico formando uno stato

tetraedrico di transizione con

l’enzima.

Questo stato è molto instabile, ma fondamentale per la rottura del legame

• peptidico.

3. Formazione del complesso acil-enzima

Il peptide C-terminale viene rilasciato.

• Il peptide N-terminale rimane legato alla Ser195 tramite un legame acilico.

• Questo è l’intermedio stabile chiamato acil-enzima.

•

4. Attacco dell’acqua

Una molecola d’acqua entra nel sito attivo, prendendo il posto del peptide

• rilasciato.

L’acqua viene attivata da His57 e colpisce il legame acilico.

•

5. Secondo stato di transizione

L’acqua forma un nuovo stato tetraedrico di transizione con l’acil-enzima.

• Il legame acilico viene scisso, e il protone viene trasferito dalla His57 alla

• Ser195.

6. Enzima libero

Il secondo frammento peptidico viene rilasciato.

• L’enzima torna allo stato iniziale, pronto per catalizzare un’altra reazione.

•

LA MODIFICAZIONE DEI GRUPPI R

Un altro aspetto che influenza la digeribilità è il cambiamento chimico del gruppo R

(Maillard, ossidazioni), in quanto l’enzima può non riconoscere più il sito di taglio,

riducendo la digestione anche se la catena proteica è ancora presente.

LE OSSIDAZIONI

Esempio 1: Cisteina (Cys)

La cisteina possiede un gruppo laterale –SH (tiolico).

• In seguito a trattamento termico intenso o ossidativo, il gruppo –SH può ossidarsi

• (→ –SO o forme simili) quindi modifica chimica dell’aa. Questa modifica:

cambia la natura chimica dell’amminoacido (non viene più ricosnociuto)

o impedisce alla proteasi specifica per la Cys di riconoscere e idrolizzare il

o legame peptidico.

Risultato: ridotta digeribilità della proteina.

•

Esempio 2: Lisina (Lys) ₃⁺

La lisina ha un gruppo –NH molto reattivo.

• Dura