Alimentazione e Nutrizione Umana

Alimentazione e nutrizione umana

Matteo Corradi

Appunti di alimentazione e nutrizione umana a cura di Matteo Corradi

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a.a. 2017/2018

Concetti di base e fisiologia

Per trasformare una molecola di glucosio in anidride carbonica ed acqua sia necessaria un’energia di attivazione molto elevata. Il processo dissiperebbe così tutta l’energia, e non sarebbe compatibile con la vita. Gli enzimi, agendo dal punto di vista cinetico, abbassano l’energia di attivazione e rendono la reazione più veloce (catalizzatori). Gli enzimi sono presenti grazie ad un fenomeno evoluzionistico. Gli alimenti forniscono sia energia che componenti strutturali.

Il corpo umano è composto dai seguenti apparati o sistemi:

• Apparato cardiovascolare
• Apparato respiratorio
• Apparato digerente
• Apparato renale
• Apparato riproduttore
• Apparato muscolo-scheletrico
• Sistema nervoso
• Sistema endocrino
• Sistema immunitario

Per introdurre il concetto di interno/esterno rispetto all’organismo si parte dall’epitelio. L’epitelio è uno strato di cellule con funzione di separazione. Fin tanto che l’epitelio non è stato attraversato, qualsiasi corpo (nell’ambito oggetto di studio, per corpo si intende un alimento) è all’esterno dell’organismo. Quindi fin tanto che si inserisce un alimento in bocca, lo si mastica, lo si deglutisce ed esso arriva nell’apparato digerente, senza essere assorbito, esso è all’esterno del nostro organismo. Solo ciò che viene assorbito, cioè che transita attraverso l’epitelio, è considerato all’interno dell’organismo. Anche gli alveoli polmonari, fin tanto che non sono superati, sono intesi come esterno. Analogamente la vescica è intesa come esterno, poiché in essa gli elementi arrivano dall’epitelio per essere espulsi al di fuori dell’organismo.

La compartimentazione è quindi la base del funzionamento del nostro organismo, in quanto impedisce a tutto ciò che è estraneo di giungere a contatto con il nostro organismo.

Omeostasi

L’omeostasi è il mantenimento della composizione (e del volume e della temperatura) dei compartimenti interni all’organismo dentro a limiti ben definiti. In omeostasi l’organismo è in condizioni fisiologiche, altrimenti si dice che è in condizioni patologiche. L’organismo necessita di meccanismi regolatori per gestire i cambiamenti nell’ambiente esterno e quelli dovuti all’attività. Si parla quindi di:

• Omeostasi cellulare: composizione dei fluidi intracellulari
• Omeostasi dell’organismo: composizione dei fluidi extracellulari→segnali →Contrazione del cuore elettrici IC (concentrazione interna) e EC (concentrazione esterna) [Na⁺], [K⁺] e [Ca²⁺]. Se IC [K⁺] è troppo elevato→depolarizzazione→contrazione→fibrillazione.

EC [K⁺] deve essere mantenuto entro limiti ristretti.

Come si raggiunge l’omeostasi?

L’omeostasi è raggiunta quando è presente la concentrazione desiderata di molecole. Si attuano quindi dei meccanismi regolatori. Si consideri l’esempio inerente il glucosio. La concentrazione, oltre che in mmol/l (millimoli per litro, anche rappresentabile come mmol l^-1 ma non mmol/l^-1), si può esprimere anche in mM (millimolare). La concentrazione di glucosio ematico aumenta dopo un pasto con carboidrati, e il pancreas produce insulina per riportare la sua concentrazione entro i valori omeostatici. La concentrazione del glucosio ematico diminuisce invece in seguito ad uno sforzo o digiuno prolungato. In questo caso oltre che ad una diminuzione di insulina, si ha anche un aumento del glucagone. Si tratta di un meccanismo a feedback negativo. In generale, ogni meccanismo di controllo è progettato per mantenere le variabili in gioco entro ranges determinati.

Meccanismo a feedback negativo (omeostatico)

Il feedback negativo riduce la deviazione rispetto al valore target. Il meccanismo a feedback negativo è basato sulla cooperazione tra sensore-comparatore-effettore. Il sensore è specifico per la variabile da controllare, il comparatore è il riferimento da confrontare con il sensore e l’effettore, nel caso in cui il valore percepito dal sensore sia diverso dal comparatore, è prodotto in seguito all’emissione di un segnale di errore per riportare la variabile al valore in range.

Nel caso del glucosio l’effettore è l’insulina, la variabile controllata è la concentrazione di glucosio ematico. Nel meccanismo a feedback negativo l’effettore modifica la variabile in senso opposto alla variazione cui è stata soggetta. Un rischio di questo sistema è la produzione di un’insulina troppo efficace, che determina una diminuzione della concentrazione di glucosio troppo al di sotto del valore omeostatico (overcorrezione).

Nel caso del meccanismo a feedback negativo del glucosio abbiamo:

• Sensore: trasportatore GLUT-2
• Comparatore: valore omeostatico di glicemia
• Effettore: insulina

Le limitazioni al feedback negativo sono:

• Il controllo agisce dopo che la variabile è stata disturbata;
• La correzione è dimensionata al segnale di errore, quindi ci può essere una correzione incompleta;
• Possibilità di overcorrezione (sopra descritta), con conseguenti oscillazioni della variabile controllata.

Se è attuato il sistema del controllo multiplo si possono evitare questi svantaggi. Sempre nel caso del glucosio, il suo livello non è controllato solamente dall’insulina, ma anche dal glucagone.

Meccanismo a feedback positivo (non omeostatico)

Il feedback positivo aumenta la deviazione dal setpoint, quindi si tratta di un circolo vizioso (aumenta ciò che è già aumentato). La variazione della variabile causata dall’ormone è nella direzione della variazione iniziale. Ad esempio durante la digestione, nello stomaco, vi è la continua secrezione di acidi ed enzimi, che si arresta poi solamente in seguito ad un segnale di stop proveniente da un altro organo, ovvero dall’intestino.

Controllo feedforward (omeostatico anticipatorio)

Il controllo anticipatorio permette di anticipare i cambiamenti e di mantenere la stabilità (omeostasi). Esempio pratico: il riflesso della salivazione, ovvero quando si avverte l’odore del cibo la bocca e lo stomaco si preparano all’ingestione aumentando la produzione di saliva (fase cefalica della digestione). Esempio complesso: risposta del corpo all’esercizio, ovvero dopo i primi metri di corsa la frequenza cardiaca aumenta molto in vista dello sforzo successivo, anche se in quel dato momento una frequenza così elevata non è necessaria.

Composizione chimica del corpo

L’acqua è la componente principale, grassi e proteine sono molto più presenti dei carboidrati. L’acqua corporea è poi così suddivisa:

• Fluidi intracellulari
• Fluidi extracellulari

Dove i fluidi extracellulari sono quelli di sospensione. Circa il 70% di tutta l’acqua presente nel nostro organismo è localizzata all’interno delle cellule, al fine di conferirle il tono adeguato.

Alcuni concetti importanti

Polarità

La polarità è fondamentale per l’attraversamento delle membrane. La vitamina C e l’acqua sono polari, la vitamina E ed il metano sono apolari.

Movimento attraverso membrane

L’attraversamento della membrana è l’unico modo per entrare nella cellula. Da un compartimento ad un altro il movimento avviene nei tre modi descritti nell’immagine. I fosfolipidi (è necessario saperli disegnare) presentano due ossidrili con acidi grassi ed uno esterificato con un gruppo fosfato. Nella membrana sono poi presenti colesterolo, colesterolo esterificato e proteine di membrana.

Le proteine di membrana

Funzione di trasporto: abbiamo canali (a) e carrier (b), i quali presentano specificità sterica, ovvero dopo aver ospitato la molecola il trasportatore cambia conformazione per rilasciare la molecola stessa dall’altra parte. Attività enzimatica: raramente l’attività dell’enzima avviene su entrambi i lati, di solito solo su di un lato. Recettori per la trasduzione del segnale: la loro attività inizia solamente se si è legato un composto specifico. Giunzione intercellulare: permettono a due membrane di restare adese in modo impenetrabile.

Meccanismi di trasporto

Sono quattro:

• Trasporto passivo: diffusione semplice
• Trasporto passivo: diffusione facilitata
• Trasporto attivo
• Esocitosi, endocitosi, pinocitosi

Trasporto passivo di membrana: diffusione semplice

Consiste nel passaggio di una molecola attraverso una membrana fosfolipidica. Solo le molecole lipofile sono in grado di attraversare una membrana composta da lipidi per diffusione semplice. Il gradiente di concentrazione rappresenta la tendenza delle molecole e degli ioni di diffondersi in tutto lo spazio possibile. Fin che la concentrazione non è equilibrata le molecole continuano a passare.

Diffusione facilitata

Si tratta, come la diffusione semplice, di un trasporto passivo, che non consuma ATP. Tuttavia in questo caso il passaggio di molecole avviene attraverso canali e carrier, perché le molecole che devono passare sono polari e quindi non riuscirebbero ad attraversare la membrana. Attraverso i canali riescono a passare gli ioni solo se è presente un differenziale di concentrazione. Il carrier invece presenta tasche altamente specifiche per selezionare i composti che possono passare. La molecola si lega in un sito specifico, vi è interazione con i residui aminoacidici e la struttura terziaria della proteina di trasporto cambia, facendo scorrere la molecola dalla parte opposta, in cui le condizioni sono diverse ed avviene il rilascio del composto trasportato.

Considerando la diffusione facilitata:

• Esibisce cinetica di saturazione o del primo ordine, la quale è regolata dalla concentrazione dei substrati, secondo la legge di Michaelis-Menten (la velocità di trasporto è direttamente proporzionale alla concentrazione del substrato fino alla Km, che rappresenta metà della velocità massima di trasporto. Se Km=5 mM, allora il trasporto è saturo a 10 mM);
• Stereospecificità, ovvero ospita solo quella molecola;
• Se aumenta la temperatura allora aumenta anche la velocità di trasporto e viceversa, poiché ad alta temperatura le membrane sono più fluide (temperatura-dipendente);
• Inibizione competitiva, ovvero se c’è una molecola simile a quella da trasportare, ci sarà un’entrata netta del componente di interesse minore;
• Dipende da forze passive, ovvero la driving force del trasporto è il gradiente di concentrazione;
• Accoppiamento del trasporto con un’altra sostanza (per svolgere cotrasporto o contro-trasporto).

Nel caso dell’inibizione competitiva si ritrovano molecole identiche a quella di interesse che restano ferme nel sito attivo di trasporto e bloccano il tutto.

Trasporto attivo

Nel trasporto attivo avviene la fosforilazione tramite cessione del terzo gruppo fosforico (il più reattivo) dell’ATP alla lisina del trasportatore. Il trasportatore cambia la conformazione trasportando il tutto. Il cianuro e il dinitrofenolo bloccano la cellula, lasciandola senza ATP.

Nel trasporto attivo la pompa sodio-potassio funziona con ATP, trasportando ioni potassio all’interno e ioni sodio all’esterno, in rapporto 2K⁺ in:3Na⁺ out. Quando 3 ioni Na⁺ si trovano nel sito attivo del trasportatore questo viene fosforilato, la proteina espone il sito attivo all’esterno e gli ioni Na⁺ vengono rilasciati. Ci sono quindi due siti per lo ione K⁺, che si lega, il gruppo fosfato viene rilasciato e la proteina cambia nuovamente verso l’interno.

Questo meccanismo determina la necessità di dover ripristinare sia la carica che la concentrazione di ioni sodio. Per re-introdurre sodio si utilizza un trasportatore passivo, SGLT-1, cotrasportatore di glucosio e sodio. È molto veloce perché la driving force è il gradiente di concentrazione di ioni sodio, assieme ai quali entra anche il glucosio. L’enterocito (tessuto epiteliale dell’intestino tenue) è ricco di questi recettori al fine di permettere un passaggio massivo di glucosio. SGLT-1 può anche essere definito come un trasportatore attivo secondario, poiché per il suo funzionamento utilizza il gradiente di concentrazione di ioni sodio Na⁺ generato dalla pompa sodio potassio, la quale consuma ATP. In passato la selezione naturale ha portato alla sopravvivenza di soggetti molto dotati di SGLT-1, poiché riuscivano ad assorbire più energia dagli alimenti. Oggi questo retaggio evolutivo agisce al contrario.

Esocitosi, fagocitosi, endocitosi

Esocitosi: i composti da espellere all’esterno vengono inseriti in vescicole secretorie espulse all’esterno. L’insulina è espulsa in questo modo dalle cellule del pancreas.

Fagocitosi: è tipica del sistema immunitario.

Endocitosi recettore-mediata: è specifica per certi composti.

Meccanismi di comunicazione

Nel nostro organismo ci sono 75 bilioni di cellule (75 000 000 000 000). I meccanismi di comunicazione sono:

• Endocrino
• Neuroendocrino
• Paracrino

Endocrino: vi è il raggiungimento di cellule a distanze svariate, come per l’insulina espulsa dal pancreas, che raggiunge i diversi recettori sulle cellule. Più la cellula presenta recettori, più è sensibile.

Paracrino: riguarda la trasmissione di informazioni tra cellule vicine tra loro, ne è esempio l’istamina, responsabile di reazioni allergiche da graminacee.

Neuroendocrino: presenta due componenti, una assonica, associata al neurone, ed una endocrina. Il messaggio parte da una cellula sul sistema nervoso e arriva fino a destinazione lungo l’assone (componente neuronale). A destinazione, nel bottone sinaptico dell’assone, vicino alla cellula bersaglio, in uno spazio detto spazio sinaptico, vengono rilasciati i neurotrasmettitori, che si legano ai recettori della cellula bersaglio (componente endocrina). La trasmissione avviene tramite impulso neuroelettrico. Il meccanismo contatto-dipendente avviene per contatto nelle cellule del sistema nervoso. In seguito all’utilizzo di cocaina, la dopamina resta nello spazio interstiziale e non viene ripresa dal neurotrasmettitore.

Apparato cardiocircolatorio

L’apparato cardiocircolatorio (o cardiovascolare) si compone di:

• Cuore
• Vasi sanguinei, i quali comprendono:
  • Arterie
  • Vene
  • Capillari

Le funzioni sono:

• Trasporto di ossigeno, zuccheri, proteine (albumina), globuli bianchi (WBC) e ormoni
• Regolazione termica

Tramite stimoli involontari (vasodilatazione) il nostro organismo è in grado di aumentare il diametro dei vasi e viceversa nella vasocostrizione. La vasodilatazione permette lo scorrimento del sangue nel corpo e quindi il rilascio di calore, mentre la vasocostrizione determina lo scorrimento del sangue verso il cuore, conservando calore. Quando ci si espone a basse temperature il sangue tende a portarsi nelle zone più interne del corpo al fine di rimanere all’adeguata temperatura, e vi è vasocostrizione periferica. Tuttavia in seguito ad una prolungata esposizione al freddo il sangue re-irrora la periferia per evitare delle necrosi. Questo fenomeno è alla base della congestione, infatti quando il sangue re-irrora le zone periferiche non si viene più a trovare nello stomaco, con conseguente blocco della digestione. Per quanto riguarda l’alcol, esso aumenta la vasodilatazione periferica, quindi se si è esposti al freddo aumenta la cessione di calore all’esterno (effetto negativo).

La struttura del cuore

Il cuore ha una struttura triangolare e le dimensioni di un pugno chiuso. Rispetto ad un’ipotetica linea centrale, è situato per 2/3 a sinistra e 1/3 a destra nella cavità toracica. L’apice poggia sul diaframma. Il cuore è composto da atri che ricevono il sangue e da ventricoli che lo pompano, di conseguenza i ventricoli hanno più muscoli perché una volta pompato il sangue deve arrivare fino alle periferie.

Il battito cardiaco è diviso in due fasi: sistole (contrazione) e diastole (rilassamento). Il sangue entra dall’atrio destro, poi giunge nel ventricolo destro (dal quale viene pompato ai polmoni dove si riossigena), nell’atrio sinistro e infine nel ventricolo sinistro. Il ventricolo sinistro presenta una struttura muscolare maggiore rispetto al destro, infatti deve pompare il sangue in tutto il corpo, mentre il destro solo ai polmoni, tramite l’arteria polmonare.

Il sangue compie il seguente percorso: atrio destro, ventricolo destro, polmoni, atrio sinistro, ventricolo sinistro, corpo. In particolare dal ventricolo sinistro il sangue giunge all’aorta, poi alle arterie, alle arteriole, al sistema capillare (rilascio di ossigeno), alle venule, alle vene, alle vene cave superiori ed inferiori e infine torna all’atrio destro. La parte destra del cuore pompa sangue deossigenato ai polmoni per scaricare l’anidride carbonica e per caricarsi di ossigeno, mentre il lato sinistro pompa sangue ossigenato alle cellule del resto del corpo per rilasciare ossigeno e caricarsi di anidride carbonica.