Scienze dell'alimentazione

Scienza dell'alimentazione

Introduzione

Il concetto di alimentazione è strettamente collegato all’organismo vivente. Un organismo per essere definito vivente deve presentare delle specifiche caratteristiche:

• Complessità: un organismo è complesso, cioè organizzato, e questo favorisce il mantenimento di un ordine tale da potersi opporre alla morte.
• Cellularità: un organismo vivente vede la cellula come elemento base, che sia unicellulare che pluricellulare.
• Metabolismo: l’insieme di reazioni chimiche anaboliche e cataboliche che sostengono energicamente la vita.
• Ereditarietà: la presenza di genoma è essenziale per garantire il corretto ordine nella struttura di un organismo.
• Riproduzione: consente il perpetuarsi di una specie, che sia per scissione binaria sia per partenogenesi o riproduzione sessuata.
• Crescita: fasi vitali in cui l’organismo si sviluppa e può cambiare alcune sue caratteristiche.
• Adattamento: capacità essenziale di un organo che gli consente di sopravvivere.
• Omeostasi: condizione di mantenimento di parametri fisiologici entro determinati intervalli. Eventuali variazioni vengono compensate con una risposta, ad esempio ormonale.

Gli organismi viventi seguono una distribuzione gaussiana. Vi è una classificazione in base alle fonti energetiche:

• Autotrofi: prendono energia dalla luce solare, trasformando sostanza inorganica in CO₂ e H₂O. Le piante sono fotoautotrofi mentre alcuni batteri sono chemioautotrofi.
• Eterotrofi: si nutrono di materiale organico creato dagli autotrofi e da esso ricavano l’energia che gli consente di sintetizzare le macromolecole di cui hanno bisogno.

La prima relazione che lega tra loro i componenti di un ecosistema è il cibo, il nutrimento. Tale relazione è espressa dalla catena alimentare. I tipi di nutrizione sono diversi e ricordiamo l’olozoica, tipica degli animali. Essa comporta la demolizione di complessi cibi solidi in molecole più semplici che poi sono assorbite. Vi è un meccanismo volontario (scelgo cosa mangiare) e involontario (una volta che ingoio non posso più controllare e la digestione è portata fino in fondo).

La nutrizione olozoica si divide in:

• Ingestione: inserimento del cibo (fase volontaria).
• Digestione: trattamento del cibo (fase involontaria), che avviene sia a livello fisico, meccanico che chimico.
• Assorbimento: ingresso di molecole semplici all’interno del corpo (lipidi, amminoacidi e monosaccaridi).
• Assimilazione: ingresso di molecole semplici nelle cellule che poi vengono usate da essa.
• Eliminazione: le molecole che non possono essere assorbite vengono eliminate. Ad esempio, le fibre danno matrice e consistenza alle feci cosicché escano con facilità e con un certo ritmo.

Gli olozoici si classificano in:

• Erbivori: si cibano di materiale vegetale, poiché il loro intestino ha determinati batteri che degradano la cellulosa grazie a determinati enzimi.
• Insettivori: si cibano di insetti che sono ricchi di carboidrati, proteine e grassi.
• Carnivori: si cibano di altri animali.
• Onnivori: si cibano di animali, piante ed insetti.

Osservando l’insieme delle reazioni metaboliche ci rendiamo conto che tramite il catabolismo ricaviamo delle molecole, come l’acetil-CoA, che è l’intermedio del ciclo di Krebs, dal quale otteniamo NADH e NADPH i quali andranno in catena respiratoria (fosforilazione ossidativa) per ottenere ATP. Inoltre, dall’acetil-CoA è possibile, tramite l’anabolismo, sintetizzare altre molecole (corpi chetonici, lipidi, colesterolo).

L’ATP è la molecola biologica che consente di immagazzinare energia che, altrimenti, sarebbe dissipata sotto forma di calore. Senza ATP moriremmo nel giro di pochi minuti.

Alimentazione e nutrizione

È necessario fare una distinzione tra alimentazione e nutrizione:

• Con alimentazione indichiamo l’atto di introduzione di cibo nel nostro corpo il quale, tramite il metabolismo, ne ricaverà le sostanze fondamentali per rifornirsi (atto volontario).
• Con nutrizione intendiamo l’insieme dei fenomeni di trasformazione del cibo, che comprendono la digestione degli alimenti, l’assorbimento ed il trasporto delle molecole digerite all’interno dell’organismo (atto involontario).

Possiamo suddividere gli alimenti in 7 gruppi:

1. Latte e derivati
2. Carne
3. Pesce
4. Uova
5. Legumi secchi
6. Cereali e derivati
7. Grassi ed oli da condimento, ortaggi e frutta

Ricorda:

• Nessun alimento è completo.
• Nessun alimento è indispensabile, poiché tutti possono essere sostituiti da un altro con analoghe caratteristiche.
• La dieta deve essere composta in modo che si assuma un alimento per ogni gruppo.
• L’alimentazione monotona è dannosa e porta a squilibri e carenze.

Principi nutritivi

Gli alimenti contengono nutrienti. I principi nutritivi sono le sostanze contenute nel cibo. Sono classificabili in due categorie:

• Di origine organica (carboidrati, lipidi, proteine e vitamina).
• Di origine inorganica (sali minerali e acqua).

Inoltre, possiamo dividerli in macronutrienti (proteine, carboidrati, grassi e acqua) e micronutrienti (sali minerali e vitamine). I cibi possono contenere anche non nutrienti che possono essere dannosi (colesterolo, coloranti e conservanti).

I nutrienti in un alimento non sono quasi mai utilizzati completamente dall’organismo e la parte utilizzata è detta quota biodisponibile, la quale dipende dalla digeribilità (caratteristiche chimico-fisiche del nutriente, sua composizione), assorbimento (funzionalità dell’enterocita e della microflora intestinale), dalla utilizzazione (stato fisiologico, nutrizionale e di salute) e da altri fattori intrinseci (età, sesso). Quindi, in linea generale, dipende in parte dalla natura dell’alimento ed in parte dalle caratteristiche dell’organismo che lo assume.

I carboidrati danno energia, le proteine sono composti strutturali che andranno a costituire enzimi, proteine cellulari, etc., mentre i lipidi sono molecole energetiche di seconda importanza rispetto ai carboidrati. Le vitamine invece servono come cofattori, come i coenzimi, mentre i minerali servono per la struttura ossea e delle terminazioni nervose.

Dagli alimenti ricaviamo materiale plastico, fonte d’energia e molecole regolatrici.

Classificazione degli alimenti

Alimenti plastici

Sono alimenti che partecipano alla costruzione, alla crescita, al mantenimento e alla riparazione cellulare. Li troviamo nella carne, nel pesce, nel latte, nelle uova e nei legumi secchi. In particolare, le molecole che fungono da materiale plastico sono le proteine, gli amminoacidi essenziali, le vitamine, gli acidi grassi essenziali ed elementi inorganici come il P, Fe e Ca.

Alimenti energetici

Sono alimenti che forniscono energia al nostro corpo, sotto forma di calorie, e ci permettono di compiere ogni attività. Li troviamo in cereali, legumi, grassi animali e vegetali e, in particolare, le molecole energetiche sono i carboidrati, i lipidi e, in minor misura, le proteine.

Alimenti regolatori

Sono alimenti che forniscono materiale essenziale per lo svolgimento di tutte le reazioni cellulari ed espletano funzioni regolatrici, equilibratrici e protettive. Li troviamo nella frutta, nella verdura, nelle fibre vegetali, nel pesce e nelle uova. In particolare, tali molecole sono le vitamine idrosolubili e liposolubili, i microelementi come il Fe, Zn, Cu, Mg, I, F, Se.

Alcuni alimenti, come la frutta, le verdure e le fibre vegetali, contengono inoltre delle sostanze indigeribili come gli antociani, i flavonoidi, la cellulosa e la lignina.

Relazione tra nutrizione e salute

La nutrizione collega l’alimentazione alla salute. La salute è definita come un perfetto equilibrio psico-fisico dell’intero organismo (salute fisica, emotiva e sociale) e non come la mera assenza di malattia. A concorrere come determinante essenziale della salute c’è anche la corretta alimentazione.

Bioenergetica

Abbiamo visto le funzioni dei nutrienti, ossia:

• Plastica e strutturale: materiali per lo sviluppo, il mantenimento e la riparazione dell’organo.
• Regolatrice e protettiva.
• Energetica: forniscono l’energia necessaria per il mantenimento di tutte le funzioni fisiologiche.

Parliamo ora dell’energia, ovvero della capacità di un corpo di compiere lavoro. Tale energia è ricavata dai nutrienti ed è quantificata in calorie (o chilocalorie) e misurata tramite la bomba calorimetrica.

La chilocaloria è la quantità di energia necessaria ad aumentare 1 °C la temperatura di una quantità d’acqua pari a 1 kg (1 L). Mentre la caloria è l’energia necessaria per innalzare la temperatura di 1 ml d’acqua.

Tale energia contenuta negli alimenti viene liberata durante il loro catabolismo. Esiste un tetto minimo di calorie necessarie a sostenere le attività giornaliere del nostro organismo e tale valore dipenderà da vari fattori intrinseci (sesso, età, salute). Il consumo di alimenti, tuttavia, non deve essere solo quantitativo ma anche qualitativo: non è corretto raggiungere il tetto minimo mangiando cibi scadenti o sempre gli stessi. Ecco dunque che la correttezza del regime alimentare diventa fondamentale.

Tramite l’adeguatezza quali-quantitativa possiamo anche prevenire le carenze nutrizionali, mantenere ottimali le funzioni dell’organismo e avremo adeguate riserve corporee di nutrienti.

Tramite studi scientifici, si sono determinati i LARN (Livello di Assunzione di Riferimento di Nutrienti): essi studiano i bisogni alimentari tenendo in considerazione fattori quali età, sesso, etc. Per esempio, una donna in gravidanza avrà la necessità di un apporto calorico maggiore.

I LARN indicano gli apporti di energia e nutrienti più idonei ad assicurare la copertura delle necessità nutrizionali di tutte le diverse componenti di una popolazione, massimizzando le funzioni fisico-mentali e minimizzando lo sviluppo di patologie. Più ristretta sarà la classificazione in gruppi, più precisa e corretta sarà la quantità di nutrienti definita idonea. In questo modo si determina un range entro cui la popolazione è coperta. Ad esempio, se il valore consigliato è di 50 g giornalieri, noi ne prendiamo 100 g così da essere sicuri di recuperare le energie spese durante la giornata.

In questo modo, gli obiettivi dei LARN sono di:

• Proteggere la popolazione dal rischio di carenze nutrizionali.
• Pianificare la politica agro-alimentare di uno stato.
• Etichettare gli alimenti.
• Svolgere educazione alimentare.

D’altra parte, abbiamo le linee guida che si occupano della tutela della salute in situazioni in cui vari fattori abbiano determinato sovrabbondanza di risorse e conseguenti eccessi e/o squilibri alimentari. Hanno dunque un valore epidemiologico, per prevenire dalle malattie legate ad un’alimentazione inadeguata, ed un valore ecologico per le caratteristiche ambientali dei singoli sistemi e siti di produzione agro-alimentare (ad esempio, non andrà mai a coltivare il riso in montagna).

Metabolismo

Per metabolismo s’intende l’insieme delle reazioni chimiche che si verificano in una cellula e/o in un organismo. Avremo una via catabolica ed una via anabolica, vie interconnesse al fine di avere una corretta e fine regolazione.

L’assunzione degli alimenti fornisce energia, mentre l’attività umana determina un consumo: la differenza rappresenta il bilancio energetico.

Il metabolismo basale (MB) rappresenta la quantità di energia utilizzata per le funzioni vegetative necessarie per il mantenimento della vita. La dieta deve fornire le calorie necessarie a coprire le richieste per le attività fisiche volontarie ed il metabolismo basale.

La spesa energetica dipenderà quindi da:

• Superficie corporea
• Metabolismo basale
• Attività fisica
• Temperatura ambiente

Se la quantità di energia introdotta con gli alimenti è in eccesso rispetto ai bisogni, tale eccesso è accumulato sotto forma di tessuto adiposo. Se, invece, la quantità di energia introdotta è inferiore, sarà il tessuto adiposo a fornire la quota mancante.

Apparato digerente

L’apparato gastrointestinale è costituito da diversi organi: oltre alle strutture gastriche ed enteriche, vanno ricordati anche il fegato, la colecisti e il pancreas.

Il processo è suddivisibile in 5 fasi:

1. Ingresso dei nutrienti (lipidi, proteine, carboidrati), vitamine, acqua e minerali.
2. Attività degli enzimi digestivi e scissione in unità assorbibili (=digestione).
3. Ottenimento dei prodotti della digestione (monosaccaridi, amminoacidi, acidi grassi).
4. Assorbimento tramite la mucosa gastrica e, soprattutto, intestinale.
5. Le molecole vengono assorbite nel sangue e nella linfa. Il sangue passa nel fegato dove avviene una detossificazione.

I meccanismi di assorbimento sono di diffusione semplice, trasporto passivo facilitato, e trasporto attivo pinocitosi.

Struttura anatomica del tubo digerente

• Tonaca mucosa: costituita da cellule epiteliali.
• Tonaca sottomucosa: di connettivo vascolarizzato.
• Tonaca muscolare interna: circolare.
• Tonaca muscolare esterna: longitudinale.
• Tonaca sierosa: all’esterno in contatto con la parete addominale, tramite mesenteri.

Tra i diversi strati muscolari, troviamo il cosiddetto sistema enterico, costituito da plessi. Il plesso mioenterico, localizzato tra la muscolatura circolare e quella longitudinale, regola la peristalsi mentre il plesso sottomucoso, localizzato tra la muscolare circolare e la sottomucosa, regola la secrezione e raccoglie informazioni di tipo chimico-fisico dal lume (pH, tensione parete, etc).

Tali plessi sono raggiunti sia dall’ortosimpatico che dal parasimpatico. L’ortosimpatico giunge tramite i gangli paravertebrali e celiaco, mesenterico superiore e inferiore e induce un’inibizione della digestione: aumenta la vasocostrizione, impedendo al sangue di nutrire adeguatamente le ghiandole. Il parasimpatico raggiunge i plessi tramite il nervo vago che parte dal nucleo ambiguo e induce un aumento della digestione.

Questa fitta rete nervosa, a volte, fa sì che lo stato emotivo influisca sulla peristalsi.

La regolazione dell’appetito avviene a livello di due aree ipotalamiche antagoniste:

• Nei nuclei laterali vi è il centro della fame
• Nei nuclei ventromediali vi è il centro sazietà

Bocca

La digestione inizia nella bocca, dove si introduce il cibo e dove avvengono la masticazione e la salivazione.

La masticazione avviene grazie ai 32 denti presenti nella cavità orale e ha più funzioni:

• Triturazione del cibo
• Rottura dell’involucro di cellulosa di frutta e verdura
• Frammentazione in piccole particelle per l’accessibilità agli enzimi digestivi

Il cibo viene, inoltre, impastato dalla salivazione in cui si produce muco che consente:

• Adesione del cibo alle pareti
• Protezione della mucosa orale dagli enzimi
• Lubrificazione per far scorrere il cibo

La secrezione salivare avviene ad opera delle ghiandole salivari, ovvero le parotidi (a secrezione sierosa priva di mucina), le sottomandibolari (a secrezione mista sierosa e mucosa) e le sottolinguali (a secrezione mista).

La saliva è costituita da acqua, elettroliti e diverse sostanze organiche, come proteine e glicoproteine. La ptialina (digerisce l’amido cotto, è un’α-amilasi) e la mucina (funzione lubrificante) costituiscono la maggior parte della secrezione organica. Inoltre, la saliva contiene una certa quantità di albumina, immunoglobuline, tiocianato ed altre sostanze ad azione batteriostatica o battericida, come il lisozima e la sialoperossidasi.

Dunque, nella secrezione sierosa avremo il rilascio di ptialina la cui attività inizia nel cavo orale e prosegue nello stomaco, fino alla sua inattivazione per denaturazione operata dal pH dello stomaco. Nella secrezione mucosa vi è il rilascio di mucina che determina azione protettiva e lubrificante.

La saliva ha un pH>7 e contiene grandi quantità di HCO^3- e K⁺ e poco Na⁺ e Cl^-.

La secrezione salivare avviene principalmente in 2 steps:

1. Gli acini rilasciano una saliva primaria, contenente ptialina e/o mucina, creando una saliva isotonica a concentrazione simile a quella del LEC.
2. La saliva inizia a fluire nei dotti dove avvengono due processi:
• Vi è il riassorbimento di Na⁺ nei dotti e la secrezione di K⁺ senza che le cariche a cavallo della membrana si equilibrino (ciò significa che viene riassorbito più sodio di quanto potassio venga secreto). Per cui, nel lume si crea un potenziale negativo di -70 mV che causa il riassorbimento di Cl^- il quale seguirà il proprio gradiente transepiteliale.
• Contemporaneamente, gli ioni cloro vengono scambiati con HCO₃^-.

Le ghiandole salivari sono innervate da ramificazioni del sistema parasimpatico che prendono origine dai nuclei salivatori superiore e inferiori e sono attivati da:

• Stimoli gustativi
• Stimoli tattili provenienti dalla cavità orale
• Stimoli provenienti da centri nervosi legati all’olfatto
• Stimoli gastrici o intestinali

Esofago

L’esofago è un organo tubulare che attraversa la gabbia toracica e che collega il cavo orale all'apparato digestivo.