Domande Biochimica della nutrizione e Malattie Metaboliche

Domande biochimica della nutrizione e malattie metaboliche (mod 1)

Quali aspetti condizionano la digeribilità di una proteina in un alimento?

La digeribilità delle proteine dipende da molti fattori:

• Tipo di proteina (le proteine fibrose sono meno digeribili delle proteine globulari)
• Trattamenti termici (es: lisina del latte)
• Presenza di agenti ossidanti (es. metionina)
• Composizione della dieta (presenza di inibitori proteolitici)

Il trattamento termico tra gli amminoacidi, poiché sono legami covalenti che possono essere rotti solo da agenti enzimatici. Tuttavia, il trattamento termico può modificare i gruppi R degli amminoacidi, ovvero portare alla formazione di amminoacidi non naturali. Ad esempio se gli amminoacidi sono essenziali, diventeranno totalmente indisponibili dal punto di vista nutrizionale. Il primo effetto infatti è la modifica della digeribilità e del valore nutrizionale dell’alimento, poiché gli enzimi digestivi sono in grado di agire su specifici residui e gruppi, che se modificati diventano indisponibili all’enzima.

Descrivere ruolo di uno zucchero nella definizione delle proprietà strutturali di una proteina alimentare

Essendo gli zuccheri composti ricchi in gruppi -OH (come anche i polioli), questi aumentano la stabilità delle strutture proteiche di ordine superiore. Possono avere diversi meccanismi di azione:

• Interazione con regioni specifiche proteiche
• Riduzione della disponibilità d’acqua
• Riduzione della mobilità dell’acqua

Descrivere quali modificazioni chimiche possono avvenire a carico dei gruppi R di alcuni aminoacidi in seguito ad un trattamento

Le principali modifiche consistono in:

• Desulfurazione dei residui di cisteina e cistina, con liberazione di disolfuro di idrogeno (H₂S) che conferisce la classica puzza d’uovo
• Deammidazione di glutammina ed asparagina con risultante formazione di NH₄⁺; la glutammina viene trasformata in acido glutammico e si ha la formazione di ammoniaca
• Disidratazione per eliminazione, con formazione di deidro-β-alanina (DHA); la molecola DHA è reattiva in una reazione spontanea con un residuo di lisina e determina la formazione di lisinoalanina (LAL) che diventa quindi indisponibile
• Ossidazione del gruppo R di amminoacidi aromatici indotta per azione chimica (specie a alte temperature); formazione di composti ad azione mutagena, ad esempio i derivati del triptofano: questi composti si formano durante la cottura delle carni alla griglia, quando la temperatura dell’alimento supera i 200°C
• Reazione di Maillard; interessa gli alimenti che contengono zuccheri, principalmente gli aldosi e in particolare il glucosio. La reazione può essere suddivisa in tre fasi e porta alla formazione di composti più o meno bruni in base all’intensità del trattamento. Da queste reazioni si forma il composto furosina, la cui quantità è alla base della classificazione di molti alimenti

Effetti della reazione di Maillard sulle proteine sono molteplici:

• Sui caratteri organolettici: off-flavour e colore. Durante i processi di conservazione si cerca di evitare che la reazione si verifichi.
• Effetti nutrizionali: minor disponibilità di amminoacidi essenziali, in particolare lisina.

Quali approcci metodologici possono essere impiegati per la caratterizzazione di modificazioni strutturali in alimenti indotte da un trattamento termico?

Per evidenziare le modificazioni strutturali a cui va incontro questa proteina è possibile utilizzare diversi metodi, sia sulla proteina isolata che sulla proteina ancora contenuta all’interno dell’alimento. Le tecniche che studiano la proteina nell’alimento sono:

• Fluorimetria: Il primo metodo prevede la misurazione del posizionamento all’interno della struttura proteica di alcuni particolari residui amminoacidici a seguito del trattamento rispetto alla struttura nativa. Normalmente vengono impiegati i residui di triptofano, poiché sono solo due all’interno della molecola e sono altamente idrofobici, quindi posizionati nelle regioni più interne della molecola, inoltre sono fluorescenti. All’aumento della temperatura, la lunghezza d’onda della luce emessa varia. Ciò avviene poiché i triptofani hanno modificato posizione e quindi la proteina si è modificata.
• Metodo spettroscopico: È basato sul fatto che i residui cisteinici nella struttura proteica devono essere protetti dall’ossigeno, in quanto il gruppo –SH è facilmente ossidabile dall’ossigeno. Se la proteina si denatura, il residuo viene esposto. Posso utilizzare diversi marcatori che hanno un grosso gruppo idrofobico ed un residuo –SH, in grado di legarsi al residuo –SH della proteina e produrre un reattivo di colore giallo. Tuttavia i marcatori sono molto grossi, quindi non riescono ad entrare nella struttura nativa della proteina e raggiungere il gruppo –SH. I marcatori quindi forniscono due tipi di informazione:
• Se la proteina è stata scaldata
• Permettono di seguire le modificazioni della proteina durante il trattamento. Questo metodo può essere utilizzato solo per lo studio di proteine che presentano residui –SH liberi e non impegnati in ponti disolfuro.
• Misurazione delle regioni idrofobiche superficiali: La proteina viene scaldata, subisce una modificazione conformazionale che determina una maggiore esposizione dei residui idrofobici. Quindi al momento del raffreddamento, la proteina cercherà una nuova conformazione oppure tenderà ad associarsi con altre proteine formando aggregati proteici più o meno solubili. Vengono utilizzati marcatori che vanno a legarsi alle regioni idrofobiche della proteina, ed una volta legati cambiano la fluorescenza (blu → rosso). I marker si differenziano per l’ingombro sterico e quindi la loro abilità di penetrare nella struttura proteica.

Quali interazioni e per quale ragione si formano polimeri proteici in seguito ad un trattamento termico?

Il trattamento termico comporta una modificazione della struttura proteica, quindi la rende meno stabile in seguito alla diversa esposizione dei residui idrofobici, della diversa solubilità ecc. A seguito del trattamento la proteina cercherà una nuova conformazione più stabile, o si assocerà con altre proteine formando polimeri più o meno solubili. Può esserci anche uno scambio di disolfuri: se la proteina possiede un gruppo –SH all’interno della catena peptidica che viene esposto, questo può diventare estremamente reattivo nei confronti di un’interazione S-S presente in un’altra proteina. Il gruppo –SH va a rompere il legame S-S e scambiarsi con uno dei residui –S e a formare un legame intercatena; si formano quindi polimeri di proteina, uniti dai gruppi S-S. Il numero dei gruppi –SH non varia, non è una reazione redox.

Come si determina se un latte è un latte pastorizzato di alta qualità?

È stato osservato che le proteine del latte, quando hanno una struttura denaturata possono cambiare la loro solubilità. Se il latte crudo viene posto al punto isoelettrico delle caseine (pH 4.6), la solubilità delle proteine varia, le caseine precipitano ed in soluzione rimangono solo le sieroproteine. Più il latte è trattato termicamente, meno sono le sieroproteine in soluzione a pH 4.6, poiché la struttura denaturata delle proteine le rende meno solubili. Questa osservazione ha indotto la promulgazione di una legge per la valutazione del latte (pastorizzato, trattato UHT...) sulla base della presenza di sieroproteine. Il Fresco Pastorizzato di Alta Qualità deve contenere almeno il 15,5% di sieroproteine e almeno il 3,5% di grassi.

Descrivere le modificazioni che caratterizzano la formazione di un impasto per la produzione di pasta secca

La pasta secca è prodotta a partire da semola ed acqua, per azione meccanica. La semola è costituita da: 10-15% di proteine, 70% di amido, fibra. All’aggiunta di acqua, le proteine si trovano in un ambiente con caratteristiche chimico-fisiche diverse e applicando un’azione meccanica di impastamento, le proteine vengono quindi denaturate. Questo causa una diversa associazione proteica, scambi disolfuro... denaturazione espone residui –SH che vanno ad interagire con legami S-S di altre proteine. Questo reticolo proteico trattiene all’interno il granulo di amido. L’amido durante questa fase di impastamento va incontro a poche modifiche, fino a quando non viene danneggiato dall’azione meccanica (in quanto l’amido va incontro a gelatinizzazione solo in fase di cottura). Quindi si ha la formazione di un impasto caratterizzato da un reticolo di gliadine + glutenine; le proteine citoplasmatiche possono interferire nella formazione del reticolo in quanto questo è stabilizzato da reazioni intercatena, mentre le proteine globulari sono povere di residui –SH quindi non aiutano la formazione del reticolo.

Quali modificazioni strutturali si verificano durante l’essiccazione della pasta?

L’essiccamento ha due effetti:

• Rimozione dell’acqua
• Compatta la struttura proteica: possibilità di formazione di nuovi ponti disolfuro ed associazioni idrofobiche tra le proteine.

L’essiccamento ha un’influenza sui tempi di produzione ma soprattutto può indurre la reazione di Maillard tra i residui di lisina e gli zuccheri contenenti nell’impasto, il quale modifica la colorazione della pasta.

Descrivere le modificazioni a carico delle strutture macromolecolari del latte indotte dal trattamento di omogeneizzazione

Applicando un’azione meccanica sotto pressione, il globulo lipidico viene rotto in più porzioni: questo aumenta la superficie esposta del globulo, tuttavia per azione meccanica si forma anche una membrana mista formata da pezzi della membrana del globulo di grasso e da caseine (ed in minor quantità sieroproteine) che mascherano le zone lipidiche idrofobiche. Quindi i globuli di grasso del prodotto crudo ed omogeneizzato sono molto diversi. Anche le micelle di caseine vengono rotte e ridotte di dimensioni in micelle tutte uguali. L’omogeneizzazione prevede una forte azione meccanica ed una temperatura di 50-60°C (che rende più elastica la struttura) che cambiano fortemente le strutture di micelle di caseina e globuli di grasso rispetto alla struttura nativa; questo rende molto difficile la coagulazione.

Descrivere l’organizzazione strutturale della micella caseinica indicando le interazioni che la stabilizzano

La micella caseinica ha tante strutture diverse: le 4 caseine si associano formando tante piccole sub-micelle costituite dalle 4 componenti caseiniche associate per interazioni idrofobiche; in questa associazione quindi le parti idrofiliche sono esposte verso l’ambiente acquoso. Nella formazione delle sub-micelle un ruolo particolare è svolto dalla K-caseina che si associa con le varie caseine esponendo la parte C-terminale poiché è idrofilica. Le zone idrofiliche possono formare un legame elettrostatico con lo ione calcio ed associarsi tra di loro per interazione elettrostatica legata dal Ca²⁺, ed eventualmente associazioni idrofobiche se nelle sub-micelle vi sono zone idrofobiche esposte.

Descrivere eventi idrolitici che caratterizzano la maturazione di un formaggio