Biochimica della nutrizione

Biochimica

Alimentazione e nutrizione

Alimentazione e nutrizione non sono sinonimi, anche se nel quotidiano si tende a considerarli come tali. Si parla di alimentazione considerando tutto ciò che precede l’assunzione degli alimenti e quindi composizione chimica degli alimenti, scelta degli alimenti, scelta della combinazione di questi, la cottura (in base a questa, ci può essere una variazione della composizione chimica. Ad esempio, la cottura o meno della verdura, può determinare un impoverimento nel contenuto delle vitamine idrosolubili → in acqua abbiamo una dissoluzione delle vitamine idrosolubili). È tutto volontario, noi decidiamo.

Quando l’alimento viene introdotto nel nostro organismo si parla di nutrizione. Si parla di un’attività involontaria. Una volta dentro, si procede alla digestione, assorbimento, smistamento degli alimenti contenuti attraverso il torrente circolatorio, finché le molecole saranno utilizzate dai destinatari finali. L’alimentazione pone al centro l’alimento; la nutrizione pone al centro la biomolecola o nutriente.

Scienza dell’alimentazione

Studia gli aspetti relativi alla composizione degli alimenti e alla loro validità nutrizionale e si pone l’obiettivo di indicare le scelte più idonee per soddisfare i bisogni nutrizionali.

Alimenti

Fonti di nutrienti o di altre sostanze con effetto positivo (es. probiotici) o con effetto negativo (es. tossine) sulla salute.

Scienza della nutrizione

Studia gli aspetti relativi all’impatto dei nutrienti sulle componenti strutturali e funzionali dell’organismo ed è in grado di determinare le scelte più idonee per soddisfare i bisogni nutrizionali.

Nutrienti

Sostanze specifiche che devono essere assunte in quantità sufficienti per soddisfare il benessere dell’organismo. Possono avere una funzione energetica, plastica o costitutiva o regolatrice.

Suddivisione dei nutrienti

La suddivisione dei nutrienti (biomolecole) non si riferisce all’importanza biologica di questi, ma alla quantità che deve essere assunta, perciò si dividono in:

• Macronutrienti: devono essere assunti in grandi quantità (grammi) poiché hanno una funzione energetica come carboidrati, lipidi e proteine (queste ultime hanno marginalmente una funzione energetica, per lo più strutturale e plastica).
• Micronutrienti: devono essere assunti in quantità inferiore (milligrammi, microgrammi o inferiori ancora) e comprendono vitamine e sali minerali. La funzione è regolatoria, quasi “catalitica”, in quanto sono richiesti in quantità basse perché quando sono utilizzati dal nostro organismo non vengono consumati, ma utilizzati per svolgere processi fisiologici o alcune reazioni, venendo poi liberati con la stessa struttura iniziale, senza essere consumati, ma riciclati → una volta che vengono assunti, non è necessaria integrazione. Dato che però vengono persi con feci e urine in piccole quantità, è necessario l’intake di queste sostanze con la dieta per bilanciare la quota “persa”.

La distinzione tra macronutrienti e micronutrienti non è nettissima → il calcio per esempio è un minerale. L’assunzione giornaliera di quest’ultimo è di circa 1 g, idem per sodio e potassio → l’assunzione è quindi nell’ordine dei grammi e in base a questo criterio dovrebbero essere macronutrienti, ma la loro funzione è regolatoria (omeostasi idrico-salina, calcificazione ossea nel caso del calcio), quindi vengono considerati come micronutrienti → in caso di queste sovrapposizioni prevale la funzione piuttosto che la quantità che deve essere assunta.

Classificazione degli alimenti

Ce ne sono tante, dipendono dal comitato scientifico. Quella più accettata è la seguente:

• Carne, uova e pesce: nutrienti forniti proteine ad alta qualità (proteine che possiedono un elevato contenuto in amminoacidi essenziali, ovvero quelli che non possono essere sintetizzati dall’organismo ma devono essere introdotti con l’alimentazione, ad esempio Phe), alcune vitamine del gruppo B e ferro (è uno degli elementi distintivi rispetto al gruppo 2; nella carne è presente molto ferro a causa dei mitocondri contenenti proteine ferrose e depositi di ferro).
• Latte e derivati: nutrienti forniti simili al gruppo 1, ma è presente un elevato tasso di calcio e carboidrati come il lattosio.
• Cereali, tuberi e derivati: nutrienti vitamine del gruppo B, carboidrati (la differenza è la presenza di proteine a minore qualità, rispetto ai gruppi precedenti, quindi bassa percentuale di amminoacidi essenziali).
• Legumi: nutrienti composizione simile a quella della carne (carne dei poveri), ma la differenza è il contenuto proteico (proteine di media qualità, circa la metà degli amminoacidi essenziali presenti nella carne), carboidrati.
• Olii e grassi da condimento: nutrienti lipidi (o meglio, triacilgliceroli o trigliceridi).
• Ortaggi e frutta: nutrienti elevato contenuto di micronutrienti (vitamine (A e C), minerali e fibra).

Biodisponibilità di un nutriente

La quantità percentuale che è disponibile a livello periferico nell’organismo. Spesso pensiamo che la stessa quantità che noi ingeriamo di un nutriente, è esattamente la quantità che si distribuisce a tutte le cellule e non consideriamo che da quando viene ingerito a quando viene digerito, ci sono una serie di barriere che devono essere superate:

• Digestione;
• Assorbimento dell’intestino;
• Raggiungere il torrente circolatorio;
• Entrare nella cellula.

Ogni barriera può determinare un filtraggio. [Ex. Se noi consideriamo la cellulosa, la biodisponibilità è zero perché non viene digerita, passa integralmente attraverso il tubo digerente ed eliminata con le feci; in altri casi abbiamo una biodisponibilità pari a 100, e in altri c’è un’ampia variabilità: per il ferro, ad esempio, la biodisponibilità è molto variabile e dipende da tanti fattori.

Essenzialità di un nutriente

Due criteri:

• La sostanza non può essere sintetizzata dall’organismo umano. Questa condizione di per sé non è sufficiente per indicarlo come essenziale.
• La sua assenza porta a caratteristici sintomi e i segni di deficienza sono prevenuti dalla somministrazione di quel nutriente.

Questi sono:

• Acidi grassi: quelli saturi sono tutti sintetizzabili dal nostro organismo, quindi non sono essenziali. Noi disponiamo dell’acido grasso sintasi che sintetizza l’acido palmitico che può essere allungato mediante processi di allungamento presenti nei mitocondri e nel reticolo endoplasmatico. Il problema riguarda quelli insaturi che hanno i doppi legami (tipo cis – negli acidi grassi biologici) → risultano essenziali quelli indicati come omega-3 e omega-6. Ricordando che gli acidi grassi hanno un gruppo carbossilico + lunga catena idrocarburica. È prioritario il carbonio carbossilico (1), da lì si numera delta1, 2 e 3. Un’altra classificazione è quella biologica che indica come prioritario l’ultimo C (metilico-omega) e da quello si parte a contare → le nostre cellule non riescono a mettere doppi legami prima di 7 atomi di carbonio dal carbonio omega → ecco perché gli acidi grassi omega 3 e omega 6 non possono essere sintetizzati dal nostro organismo. Sono essenziali solo i capostipiti (LINOLEICO (omega-6) E α-LINOLENICO (omega-3)) che una volta assunti, possono essere utilizzati per sintetizzare gli altri. [Esempio: acido arachidonico con 4 doppi legami (poliinsaturo), può essere sintetizzato da quello linoleico].
• Minerali e oligoelementi: calcio, ferro, fosforo, magnesio, cromo, iodio, manganese, rame, selenio, zinco, sodio, potassio, cloro tutti sono essenziali perché l’uomo non può sintetizzarli.
• Amminoacidi: sono essenziali 9 amminoacidi standard che non possono essere sintetizzati dall’organismo: fenilalanina, istidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano e valina tuttavia, in determinate circostanze di crescita, fisiologiche, metaboliche e patologiche anche gli amminoacidi non essenziali possono diventare essenziali e sono perciò chiamati “semi-essenziali o condizionatamente essenziali” → (definizione non circoscritta solo agli aminoacidi, ma anche ad altri nutrienti: es. il glucosio non è essenziale perché può essere sintetizzato autonomamente mediante gluconeogenesi. Tuttavia lo diventa se ad esempio il digiuno è prolungato e gli amminoacidi non vengono più utilizzati per la gluconeogenesi).
• Vitamine: A, D, E, K (liposolubili: coinvolte nella visione, coagulazione e omeostasi del calcio) e C, tiamina, riboflavina, niacina, B, pantotenato, fosfato, biotina (idrosolubili e sono precursori di enzimi e intervengono nel metabolismo).

La niacina (o vitamina B3) può essere sintetizzata dall’uomo a partire dal triptofano, però viene considerata essenziale perché la quantità di niacina ricavata dal triptofano è talmente bassa da doverla necessariamente acquisire con l’alimentazione → Il triptofano è anche un amminoacido essenziale; quindi, l’organismo tende → a proteggerlo, utilizzandolo prevalentemente per la sintesi proteica e non per la sintesi di niacina. Se aumenta la quantità di triptofano assunta, vengono soddisfatte le esigenze proteiche in primis e quel “surplus” di triptofano viene deviato verso la sintesi della niacina → metabolismi correlati tra di loro.

I nutrienti seminessenziali o condizionatamente essenziali

Tirosina

È un idrossiaminoacido aromatico, standard, non è essenziale grazie ad una reazione riusciamo a sintetizzarla: la fenilalanina (essenziale) può essere convertita in tirosina grazie alla fenilalanina idrossilasi.

• Primo fattore: Se la fenilalanina è poco disponibile nell’organismo, la tirosina dall’essere non → essenziale diventa essenziale quindi la tirosina può diventare semi-essenziale. Questa reazione richiede l’intervento dell’ossigeno molecolare. Deve avvenire una ossidoriduzione in cui si ossidano due composti: la fenilalanina (con formazione di un gruppo ossidrilico) e il NADH o NADPH e contemporaneamente si verifica la riduzione dell’ossigeno molecolare che diventa acqua. Il trasferimento degli equivalenti riducenti dal NADH/NADPH (forme ridotte) avviene attraverso la mediazione di un cofattore (tetraidrobiopterina); questo è un composto parente all’acido folico (una vitamina, quindi essenziale), ma → a differenza di questo può essere sintetizzata dal nostro organismo a partire dal GTP non è un composto essenziale. La tetrabiopterina si comporta come donatore transitorio di equivalenti riducenti. Questi per poter raggiungere l’ossigeno molecolare, passano prima sulla diidrobiopterina che diventa tetraidrobiopterina e li trasferisce all’ossigeno.
• Secondo fattore: La sintesi di tetraidrobiopterina presenta variabilità individuale e quindi la disponibilità del cofattore è variabile e lì dove c’è una minore disponibilità di tetraidrobiopterina, viene inficiato questo trasferimento di elettroni e può essere ridotta l’efficienza della conversione della fenilalanina in tirosina → secondo fattore che rende la tirosina un amminoacido condizionatamente essenziale.
• Terzo fattore: l’enzima “fenilalanina idrossilasi” non è uguale in tutti noi, funziona in modo diverso. Polimorfismo amminoacidico si riflette nelle caratteristiche dell’enzima (Condiziona Vmax e Km).

Cisteina

È un amminoacido condizionatamente essenziale: questo si osserva in caso di deficienza di metionina la cisteina infatti è un amminoacido solforato e può essere prodotto a partire dalla metionina grazie ad una via metabolica particolare. Prevede l’intervento coordinato di una serie di enzimi:

• Il primo enzima della serie è quello che converte la metionina in SAM (S-adenosil-metionina), un → composto che si ottiene per reazione tra metionina e ATP è una sintetasi.
• La metionina si comporta da donatore di gruppi metilici, ma per farlo essa deve essere attivata: ciò richiede che la metionina reagisca con ATP, attraverso cui si forma il legame tra lo S della metionina → e l’adenosina (adenina + ribosio; il ribosio è quello che si lega allo S della metionina) questa reazione è definita adenosilazione.
• L’adenosilazione porta lo zolfo ad avere una carica positiva questa facilita la liberazione del → metile da parte della metionina ecco spiegato il ruolo da donatore di gruppi metilici della metionina.
• Il gruppo metilico viene donato ad un accettore X con conversione del SAM in S-adenosil- → omocisteina catalisi portata avanti da metil-transferasi.
• A questo punto, viene staccata l’adenosina (mediante una specifica idrolasi) e di conseguenza si → ottiene l’omocisteina questa differisce dalla cisteina per la presenza di un -CH in più.
• Le reazioni successive dunque hanno il compito di convertire omocisteina in cisteina: la conversione è però anomala, in quanto questo avviene trasferendo il gruppo tiolico dell’omocisteina su una molecola di serina (amminoacido non essenziale che presenta un ossidrile al posto del gruppo sulfidrilico della → cisteina) si forma cistationina (unione della serina con l’omocisteina con lo zolfo che si pone a → ponte) in seguito, mediante un taglio, viene formata la cisteina.

In questo caso, la sintesi della cisteina dipende dalla disponibilità dell’amminoacido essenziale metionina. È importante però osservare che nel corso del tempo è stata dimostrata una correlazione tra attività del DNA, espressione del DNA e disponibilità di cisteina → l’espressione e il metabolismo del DNA dipende infatti largamente dall’attività delle metil-trasferasi: più sono efficienti le metil-trasferasi, più è efficiente la trasformazione della metionina in cisteina. Maggiore è l’espressione del DNA cellulare che dipende da queste metil-trasferasi, migliore sarà la conversione della metionina in cisteina. Questo è interessante perché ci sono alcune cellule che possono entrare in uno stato di quiescenza (fase G0) → in queste condizioni, la cisteina diventa essenziale perché queste metil trasferasi subiscono una → anche riduzione dell’attività a tal punto che la conversione metionina-cisteina diventa poco efficiente le condizioni cellulari possono rendere una sostanza da non essenziale ad essenziale.

Standard nutrizionali

Necessità di individuare dei parametri di riferimento che sono validi per tutti gli individui della popolazione a prescindere da polimorfismi/problemi → standard nutrizionali. Questi standard nutrizionali vengono determinati sperimentalmente prendendo in considerazione un campione di individui ai quali vengono somministrate varie quantità di nutrienti e viene poi valutato il livello del “benessere” che non è un dato soggettivo, ma deve essere un dato collegato ad un’analisi clinica. I dati si riportano in un grafico: lungo l’asse delle x viene indicata la quantità di nutriente somministrata; lungo l’asse delle y il numero di individui per i quali si riscontra una condizione di benessere valutata in base ad analisi oggettive → si ottiene quindi una campana gaussiana: per pochi individui è sufficiente una piccola somministrazione di nutrienti, via via se consideriamo quantità di nutrienti crescenti, viene soddisfatta una porzione maggiore di popolazione. Per soddisfare integralmente tutta la popolazione di individui, bisogna considerare una somministrazione di nutrienti crescente.

3 sono gli standard nutrizionali:

• Bisogno medio o fabbisogno medio (BM/EAR): quantità di nutriente che è in grado di soddisfare il maggior numero di individui della popolazione in termini percentuali (corrisponde al → picco). Conoscere il fabbisogno medio è utile, ma non soddisfa tutta la popolazione quindi non possiamo utilizzarlo come riferimento.
• LARN = assunzione giornaliera raccomandata: in questi studi viene calcolata la deviazione standard, e quindi quanto sono variabili questi dati. Da ciò emerge che considerando il bisogno medio più o meno due volte la deviazione standard, rientra il 95-99% della popolazione. L’assunzione giornaliera raccomandata (LARN) è sempre uguale a BM + 2DS (2 volte la deviazione → standard) analisi sperimentali di classi omogenee di individui.
• Soglie di tolleranza (UL) = quantità massima di nutriente che può essere tollerata nella dieta, al di sopra della quale ci possono essere degli effetti negativi.

Ma come ci si regola se i dati ricavati non danno luogo ad una classica campana gaussiana? Senza ricorrere a definizioni scientifiche al 100%, si ricorre al concetto di assunzione adeguata (AI) = si definisce dai dati statistici quella assunzione di nutriente in grado di soddisfare le esigenze della maggior parte della popolazione (si determina senza fabbisogno medio e quindi senza LARN).

RDA = LARN

DRI = Dietary Reference Intakes

Sull’asse delle ascisse sono riportati i livelli di assunzione di nutriente per una popolazione di individui. Lungo le ordinate sono riportate a sinistra il rischio di inadeguatezza dell’assunzione del nutriente, mentre sulla destra, il rischio di avere effetti avversi. Quando l’assunzione è zero, per il 100% degli individui, l’assunzione è inadeguata; questa tende ad essere meno inadeguata all’aumentare dell’assunzione dei nutrienti: quando si arriva al fabbisogno medio si soddisfa il 50% degli individui. Per arrivare al 100% della popolazione dobbiamo arrivare ai LARN (è errato dire “100%” perché c’è inadeguatezza del 2-3% da analisi).