Alimentazione e nutrizione

Nutrizione

umana

UNIPR III° anno

A.A. 2018/2019

Corso: scienze e tecnologie

alimentari NUTRIZIONE UMANA

LE BASI CONCETTUALI DELLA NUTRIZIONE 4

Cenni di fisiologia 7

ACQUA COME “NUTRIENTE” ESSENZIALE 12

Apporti d’acqua 13

Alterazione dello stato di idratazione 14

Fabbisogno di acqua 15

CENNI DI ANATOMIA E FISIOLOGIA DEL SISTEMA CARDIOCIRCOLATORIO18

CENNI DI ANATOMIA E FISIOLOGIA DELL’APPARATO DIGERENTE UMANO20

Cavo orale 22

Esofago 22

Stomaco 23

Fasi della digestione gastrica 25

Intestino tenue 28

Intestino crasso 31

Fegato 32

Pancreas 36

MACRODIGESTIONE E ASSORBIMENTO 40

Carboidrati 40

Lipidi 44

Proteine 48

ETANOLO E BEVANDE ALCOLICHE 52

Effetti negativi del consumo di etanolo 55

FIBRA ALIMENTARE 59

VITAMINE e MINERALI 63

Vitamine liposolubili 64

Vitamine idrosolubili 70

Minerali 82

I MACRONUTRIENTI: CARATTERISTICHE, SIGNIFICATO E QUALITA’ 95

Le proteine 95

I carboidrati 100

I lipidi 103

EPIDEMIOLOGIA NUTRIZIONALE E METODI DI STUDIO DEL RAPPORTO DIETA-

SALUTE 111

Percorso di una ricerca scientifica 115

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Enrico Masotto NUTRIZIONE UMANA

NUTRIZIONE

LE BASI CONCETTUALI DELLA NUTRIZIONE

Qualsiasi organismo vivente è formato da composti chimici

inorganici (minerali) ed organici (a base di carbonio,

idrogeno ed ossigeno). Per lo sviluppo ed il mantenimento

dell’organismo tali composti devono essere introdotti con

gli alimenti, inoltre le funzioni vitali richiedono l’impiego di

energia chimica. Per ottenere energia l’organismo utilizza

(ossida) composti organici, anch’essi contenuti negli

alimenti, mediante complesse reazioni biologiche, l’insieme

delle quali prende il nome di metabolismo.

Dal punto di vista energetico il nostro organismo si è

evoluto in maniera brillante: se si ossidasse una molecola di

glucosio solamente mediante combustione, questa

richiederebbe un’elevata energia di attivazione per la

reazione diretta, portando la temperatura a valori non

compatibili con la vita umana. L’evoluzione ha portato

quindi a dividere la reazione di ossidazione del glucosio

mediante tante piccole reazioni con energia di attivazione

ridotta, in modo tale da rendere le condizioni di reazione

compatibili con la vita umana: questo viene reso possibile

grazie alla presenza di enzimi che catalizzano le diverse

reazioni. Gli alimenti forniscono sia energia che componenti

strutturali. La fisiologia è lo studio di come funzionano gli organismi

viventi, come si alimentano, come si muovono, come si

adattano ai cambiamenti e come si riproducono.

I processi vitali sono basati sulle leggi della chimica e

della fisica. Molti di questi processi sono comuni a tutti

gli organismi ma altri sono altamente specifici.

Affinché un alimento o qualsiasi materiale diverso dagli

alimenti possa definirsi “interno all’organismo”, questo

deve superare necessariamente una barriera cellulare, ovvero degli epiteli (strati monocellulari che

separano l’interno di un organo dall’esterno o da un tessuto).

La valigetta rappresenta a pieno il rapporto tra l’esterno e l’interno dell’organismo, ovvero la

ripartizione del nostro organismo, dove nessun alimento può essere definito interno all’organismo

fino a quando non passa una barriera rappresentata dalle frecce. L’attraversamento delle

membrane è cruciale per il funzionamento dell’organismo. Si può definire quindi che all’interno

dell’organismo si ha un coordinamento tra apparati. ! 4

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Per OMEOSTASI si intende il

mantenimento della composizione (e

del volume e della temperatura) dei

comportamenti interni all’organismo

dentro a limiti ben definiti.

Le variabili cruciali per la fisiologia

devono essere contenute all’interno

di un range più o meno elastico, e

non è data solamente da un valore

univoco. Si tratta, ad esempio, di tutti

i composti solubilizzati nel sangue

(glucosio, trigliceridi, …), il pH del

sangue e dello stomaco, la frequenza

cardiaca, la temperatura corporea, …

L’omeostasi, in altre parole, è la

tendenza naturale al mantenimento di

un relativo stato di equilibrio interno

delle proprietà chimico-fisiche di un qualsiasi organismo vivente. I meccanismi omeostatici nella

fisiologia umana sono necessari per il mantenimento della vita perché permettono di mantenere

alcuni parametri dell’organismo entro limiti accettabili anche al variare delle condizioni esterne,

attraverso precisi meccanismi auto-regolatori. Il sistema omeostatico si basa su quattro principali

componenti, che assieme prendono il nome di meccanismo a feedback, cioè retroazione o anche

reazione o risposta. Si parla di:

Stimolo: è il cambiamento nell’equilibrio dell’organismo. Ad esempio il picco glicemico che si

• verifica dopo un pasto, o l’abbassamento della temperatura corporea quando l’organismo è

esposto al freddo, o la diminuzione della tensione di ossigeno nel sangue;

Recettore: ha il compito di percepire le condizioni esterne e interne, ad esempio la

• temperatura, la pressione arteriosa, la concentrazione di una data molecola nel sangue;

Centro di controllo: riceve l’informazione dal recettore, confronta tale valore con quello

• ottimale e decide come comportarsi, mettendo in funzione sistemi per aumentare lo specifico

valore se è troppo basso o per abbassarlo se troppo alto. Il sistema nervoso, nella sua interezza,

è il livello più elevato di controllo sull’omeostasi;

Effettore: esegue quello che gli viene ordinato dal centro di controllo. Una ghiandola endocrina

• è un esempio di effettore, che rilascia ormoni specifici in risposta all’ordine ricevuto dal centro

di controllo.

Per fare questo, l’organismo ha sviluppato una serie di strategie in modo tale che nel momento in

cui una di queste variabili varia, venga riportata all’interno del valore ottimale (come una sorta di

sistema tampone) mediante adattamenti immediati sia mediante adattamenti a lungo termine.

Ad esempio, il glucosio ematico deve essere pari a circa 4-5 mmol/litro in condizioni di digiuno,

ed aumenta nel momento in cui si consuma un pasto. La glicemia non può stare per tempi elevati

al di fuori di questo valore, e per questo si attiva un meccanismo (insulina) che permette il

raggiungimento dei valori ottimali. Tale meccanismo, l’organismo, lo attiva anche al

raggiungimento di valori inferiori, mediante la glicogenolisi e gluconeogenesi (con la secrezione

di glucagone).

In realtà questo meccanismo appena spiegato è noto come “feedback negativo”, dove due

processi distinti lavorano non simultaneamente per riportare all’equilibrio un determinato valore. Il

! 5

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feedback negativo è il sistema di retroazione principale di tutta l’omeostasi e consente di

produrre un cambiamento opposto allo stimolo iniziale, facendo sì che il prodotto finale di un

processo inibisca il processo stesso, ciò significa che all’aumentare dello stimolo iniziale, il

prodotto finale tende a diminuire (i due fattori sono inversamente proporzionali). La retroazione

negativa è il feedback più diffuso nel nostro corpo perché permette, ad un valore che si sta

troppo alzando o abbassando, di tornare a livelli medi e normali. Questa regola vale non solo nel

corpo umano, ma anche nei circuiti elettrici.

Si parla di feedback negativo o retroazione negativa o negative feedback quando in un sistema il

segnale di uscita retroagisce sottraendosi parzialmente al segnale di ingresso e contrastando gli

effetti di quest’ultimo.

I limiti di questo meccanismo sono che spesso e volentieri “over-correggono” la variabile, ovvero

il controllo a feedback negativo inizia dopo che la variabile è stata disturbata e la correzione è

dimensionata al segnale di errore (correzione incompleta). L’overcorrezione è quindi l’oscillazione

della variabile controllata.

Il feedback positivo è il contrario del negativo poiché consente di accelerare o intensificare un

processo in seguito agli stimoli ricevuti, ciò significa che all’aumentare dello stimolo iniziale, il

prodotto finale tende ad aumentare (come in un “circolo vizioso”: i due fattori sono direttamente

proporzionali). E’ meno diffuso del feedback negativo. Come intuibile, qualsiasi circuito a

feedback positivo è potenzialmente mortale se non interrotto da un qualche segnale, dal

momento che è un circolo vizioso che porta virtualmente qualsiasi situazione fisiologica a livelli

estremi e patologici; fortunatamente i feedback dell’organismo hanno la capacità di

autoregolarsi. La regola del feedback positivo vale non solo nel corpo umano, ma anche nei

circuiti elettrici. Si parla di feedback positivo o retroazione positiva o positive feedback quando in

un sistema il segnale di uscita retroagisce aumentandosi parzialmente al segnale di ingresso ed

aumentando gli effetti di quest’ultimo.

Il controllo feedforward (o anticipatorio) è un meccanismo per il quale la variabile viene corretta

ancora prima che venga modificata (esempi sono la salivazione, la frequenza cardiaca durante

l’attività fisica, la gestione della glicemia assieme al feedback negativo, …). I controlli anticipatori

quindi modificano il valore di riferimento per evitare la correzione di variazioni che sono funzionali

e comunque conosciute dall'organismo. L’ambito di operazione del sistema a feedback è diverso

da quello normalmente considerato.

CENNI DI COMPOSIZIONE CORPOREA

Il corpo umano è costituito in peso da diversi elementi in

composizione differente. I principali costituenti sono i carboidrati, i

grassi, le proteine e gli acidi nucleici. La percentuale di acqua nel

corpo è di circa 60% nell’uomo adulto, mentre è attorno al 50%

nella donna adulta. L’acqua è presente sia in fluidi intra-cellulari 67%

sia in quelli extra-cellulari 26% (presenti rispettivamente nel plasma

e nei fluidi interstiziali).

Essendo noi stessi costituiti di ambiente fortemente acquoso (a

parte alcune zone come le membrane cellulari a carattere

prettamente lipidico), la polarità delle molecole influisce

notevolmente la loro capacità di essere dissolte in tale ambiente. ! 6

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L’acqua corporea, quindi è suddivisa tra:

Fluidi intracellulari (67%)

• Fluidi extracellulari (26%):

•

- Plasma (dentro ai vasi sanguigni) (7%);

- Fluidi interstiziali.

Cenni di fisiologia

La polarità, caratteristica specifica delle molecole organiche e non, serve all’attraversamento delle

membrane cellulari caratterizzate dal doppio strato fosfolipidico.

I metodi di attraversamento delle membrane cellulari sono essenzialmente tre:

Diffusione libera;

• Diffusione facilitata;

• Trasporto attivo.

•

Ciò che differenzia una

membrana cellulare

dall’altra è di fatto la

caratteristica degli acidi

grassi, che possono

essere più o meno

saturi: se sono molto

saturi allora non vi sono

gradi di libertà di

“bending”, ovvero non

si possono ripiegare

con elevata flessibilità;

se vi è una o più

instaurazioni allora

l’angolazione di

movimento che ha la

molecola è maggiore e

quindi è più fluida.

Le membrane troppo rigide non ospitano volentieri proteine di membrana e quindi non sono

funzionali, così come le membrane troppo fluide (entrambe in eccesso): questo descrive la fluidità

di membrana come una delle variabili che devono rimanere all’interno di un range ben

definito.

Il colesterolo aumenta la fluidità delle membrane, ma in eccesso è un fattore di rischio come

marker circolatorio: questo però non ne riduce la sua importanza nel corpo umano come

precursore per la formazione di ormoni e nel garantire la fluidità di membrana.

La membrana ospita proteine di vario tipo, e dal punto di vista nutrizionale sono cruciali in quanto

permettono il trasporto dei nutrienti dall’ambiente extracellulare a quello intracellulare.

I sei tipi di proteine di membrana sono:

Proteine di trasporto: specifici ioni ed un certo numero di molecole polari non possono

• attraversare le membrane cellulari da sole. Tuttavia, queste sostanze idrofile possono evitare il

contatto con il doppio strato lipidico grazie alla presenza di proteine di trasporto che ! 7

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attraversano tutto lo spessore della membrana. Alcune proteine di trasporto come le proteine

canale (a) svolgono la loro funzione formando un

canale idrofilo utilizzato come un tunnel da

alcune molecole o ioni monoatomici per

attraversare la membrana. In certe cellule, per

esempio, l’attraversamento di membrana da

parte delle molecole di acqua è notevolmente

facilitato dalla presenza di proteine canale note

come acquaporine. Il glucosio, ad esempio, per

entrare nella cellula non può penetrare direttamente, in quanto molecola polare. La proteina

canale determina dunque un notevole aumento della velocità di trasporto. Altre proteine di

trasporto note come trasportatori o Carrier (b) racchiudono la specie che deve essere

trasportata al loro interno, e grazie a un cambiamento conformazionale, la trasferiscono sull’altro

lato della membrana;

Proteine ad attività enzimatica: una proteina presente nella membrana può essere un enzima

• con il sito attivo esposto verso le sostanze nella soluzione adiacente. In alcuni casi molti enzimi

di membrana agiscono come una “squadra” che catalizza reazioni in

sequenza di uno specifico pathway metabolico;

Recettori: sono proteine ospitate nella membrana citoplasmatica e hanno la

• capacità di legare specificatamente una molecola (ligando) reagendo a

questa interazione. Quando il recettore interagisce con il proprio ligando

(presente in ambiente extracellulare), cambia la sua conformazione e

guadagna la capacità di catalizzare una reazione in ambiente intra-membrana

(esempio il recettore per l’insulina). I ligandi sono a loro volta proteine, ma

anche ormoni di natura non proteica;

Proteine di membrana che servono alla giunzione tra due membrane

• adiacenti: sono proteine in grado di tenere le cellule dell’epitelio congiunte

tra di loro (mantengono adese una cellula all’altra). Sono essenziali per il

mantenimento della separazione tra l’esterno e l’interno nonché per il

mantenimento del controllo. Quando l’organismo evolve da feto ad adulto

queste proteine evitano che le cellule neo-replicate vadano in giro per

l’organismo ma rimangano in una regione definita;

Proteine per il riconoscimento cellula-cellula: è una caratteristica del sistema immunitario, ma

• è poco rilevante dal punto di vista nutrizionale. Diverse glicoproteine presentano dei gruppi

che vengono direttamente riconosciuti da altre proteine di membrana presenti su altre cellule

(richiedono il contatto);

Proteine a funzione di ancoraggio del citoscheltro: mantengono la struttura interna della

• cellula ancorando alla membrana il citoscheltro.

Queste sei categorie sono molto importanti così come il

trasporto attraverso membrana. I meccanismi che queste

cellule utilizzano per dare origine allo scambio di molecole o

ioni tra un ambiente e l’altro possono essere differenti. In

particolare ritroviamo:

Diffusione semplice: le molecole possiedono energia

• termica, dovuta al loro moto costante. Una conseguenza di

questo moto è la diffusione, ovvero la tendenza delle ! 8

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molecole di una qualsiasi sostanza a disperdersi nello spazio disponibile. Sebbene ciascuna

molecola si muova in modo casuale, lo spostamento dell’intera popolazione di molecole può

avvenire in una direzione precisa. Per comprendere le modalità di tale processo, è opportuno

immaginare una membrana artificiale che separi un recipiente in due parti, una che contenga

acqua pura e l’altra in soluzione acquosa di un colorante. A quel punto, si stabilirà una

condizione di equilibrio dinamico, in cui il numero di molecole di colorante che attraversa la

membrana nei due sensi nell’unità di tempo è lo stesso. È ora possibile enunciare una semplice

regola che guida la diffusione: in assenza di altre forze, una sostanza diffonderà dalla zona in cui

è più concentrata verso quella in cui è meno concentrata. In altri termini, ciascuna sostanza

diffonderà seguendo il proprio gradinate di concentrazione, la regione in cui la densità di una

sostanza chimica aumenta o diminuisce. Affinché ciò avvenga non è necessario alcun tipo di

lavoro: la diffusione è dunque un processo spontaneo che non richiede alcun dispendio

energetico. La maggior parte degli spostamenti molecolari avviene per diffusione. La diffusione

di una sostanza attraverso una membrana biologica viene detto trasporto passivo o diffusione

semplice perchè la cellula non consuma energia in questo processo;

Diffusione facilitata: numerose molecole polari e ioni non sono in grado di attraversare

• liberamente il doppio strato lipidico e diffondono passivamente grazie all’aiuto di proteine di

trasporto inserite nella membrana. Questo fenomeno è noto come diffusione facilitata. I due

casi sono quelli delle proteine di trasporto viste prima, i “canali” ed i “carriers”. Il Carrier è una

proteina che presenta un sito specifico per un suo substrato. Quando la molecola incontra

causalmente il sito attivo, la molecola si lega mediante legami o interazioni deboli, p