Biochimica alimentare + domande d'esame

Umberto Zoppis

Biochimica

alimentare

Modulo 2, esame di: Biochimica

Titolari del corso:

Francesco Bonomi

Stefania Iametti Prof.ssa: Stefania Iametti

Umberto Zoppis

AMMINOACIDI ESSENZIALI

Umberto Zoppis

Umberto Zoppis

ACQUA

L’acqua in una matrice alimentare è il componente principale, è in tutti i casi presente in modo

consistente, anche negli alimenti disidratati. L’acqua negli alimenti presenta proprietà chimico-

fisiche diverse da quelle dell’acqua pura e questo significa che quando l’alimento è sottoposto a

determinate condizioni e trattamenti gli effetti saranno diversi. Le diverse proprietà dell’acqua negli

alimenti e quindi i differenti effetti sono da ricercare nel diverso grado di disponibilità dell’acqua,

L’acqua ha attività differenti da prodotto a prodotto, in un alimento ci

detta anche activity water.

possono essere 4 tipologie di acqua:

❖

TIPO I acqua legata a = 0,0-0,25

w SEMPRE presente in un alimento

❖

TIPO II acqua coordinata a = 0,25-0,8

w

❖ Dipende dall’alimento e dal trattamento

TIPO III acqua libera a = 0,8-0,9

w

❖ termico che ha subito

TIPO IV acqua pura a = 1

w

di tipo I è fortemente legata alle molecole dell’alimento e per questo definita non mobile,

-L’acqua

più precisamente, si forma uno strato monomolecolare di acqua legato ad altre molecole con legami

intermolecolari. L’acqua legata aiuta alcune molecole o composti a non interagire che altrimenti

altererebbero il prodotto, dunque rappresenta uno strato di protezione nei confronti di biomolecole.

coordinata non consente alcuna attività microbica ma è utilizzabile per imbrunimenti non

-L’acqua

enzimatici.

libera non essendo legata ha quindi una certa libertà di movimento. In queste condizioni

-L’acqua

l’acqua libera svolge funzioni solvente, è dunque utilizzabile per tutte le attività microbiche,

enzimatiche ma anche per imbrunimenti non enzimatici.

pura è completamente libera da qualsiasi interazione. Il burro chiarificato a differenza del

-L’acqua

burro non ha al suo interno acqua di tipo III e IV ed è per questa ragione che è più stabile e meno

sensibile al calore.

LE FUNZIONI DELL’ACQUA NEGLI ALIMENTI SONO:

SOLVENTE l’acqua ha una funzione di solubilità soprattutto per le piccole molecole ma

anche per macromolecole come ad esempio le proteine. La solubilità di sostanze provocano un

effetto su gli equilibri osmotici e sul pH.

l’acqua

STRUTTURALE regola per molecole semplici la loro biodisponibilità, come ad

esempio vitamine e Sali minerali, in quanto un sale minerale disciolto in acqua è più utilizzabile

rispetto ad un cristallo precipitato. Mentre su macromolecole l’acqua può modificare le

proprietà e le caratteristiche di un alimento. Le proteine ad esempio sono legate all’acqua in

una certa quantità, se quest’ultima ha una variazione troppo importante il prodotto finale avrà

qualità più o meno apprezzabili. La carne se cotta per troppo tempo perde un quantitativo di

acqua troppo elevato che la renderà stopposa e poco gradevole.

MEZZO DI REAZIONE particolarmente importante per le reazioni enzimatiche. Lo yogurt è

il risultato di un cambio di struttura e di solubilità delle proteine in seguito ad una acidificazione

Umberto Zoppis

batterica, formando un coagulo. L’acqua risulta il mezzo per cui l’acidificazione avvenga e si

instaurino modificazioni proteiche.

PROPIETA DELLE PROTEINE

❖

INTERAZIONI ACQUA/PROTEINE solubilità

❖ INTERAZIONI CON MICROMOLECOLErilascio controllato di aromi e nutrienti

❖ formazione

INTERAZIONI INTERFACCIALI e stabilizzazione: schiume, emulsioni

❖ formazione

INTERAZIONI MACROMOLECOLARI e stabilizzazione di gels

INTERAZIONI ACQUA/ PROTEINE → Solubilità

Le proteine in un alimento si trovano molto spesso a dover interagire con molecole d’acqua,

generalmente le si trovano solubilizzate in acqua con concentrazioni più o meno abbondanti. Per

solubilità si intende la formazione di legami H tra le catene idrofile degli AA con l’acqua.

Il fattore che influenza maggiormente la solubilità è l’ambiente. Una proteina in condizioni

disparate può avere una variazione di solubilità più o meno importante, modificando in casi

particolari la struttura tridimensionale, in altri casi non vi è una variazione di struttura indi per cui

la proteina mantiene la struttura nativa. A sua volta l’ambiente è influenzato da:

❖ Forza ionica

❖ pH

❖ ++

Ruolo dei metalli (es. metalli bivalenti come il Ca , riescono a coordinare le cariche

negative degli amminoacidi)

LA FORZA IONICA

Ogni proteina possiede una forza ionica differente, se in una soluzione viene aggiunto del sale

(NaCl) in quantità varabili, la proteina può avere una variazione di solubilità. Si possono verificare

due situazioni differenti chiamati salting in e salting out. Solamente alcuni Sali provocano

fenomeni di salting in/ salting out.

Si parla di salting in quando ad una aggiunta di sale la proteina è perfettamente solubile, in quanto:

❖ La proteina ha una struttura tridimensionale con una sfera di idratazione

❖ La proteina ha una certa carica netta. Le forze di repulsione fanno si che sali e proteine

non si aggreghino.

Nel caso contrario, ad una aggiunta di sale le proteine cambiano la loro solubilità in questo caso si

parla di salting out. Il sale in ambienta acquoso si dissocia in due ioni, essi schermano le cariche

superficiali della proteina, formando degli aggregati. Gli enzimi vengono solitamente venduti in un

ambiente con alta forza ionica perché gli aggregati sono molto più stabili e meno reattivi delle

proteine in “stato libero”.

In condizioni di salting in/salting out generalmente la struttura tridimensionale delle proteine non

varia.

Dato che ogni proteine ha una forza ionica dissimile è possibile separare proteine differenti

usufruendo della variazione di solubilità delle stesse. La dialisi utilizza lo stesso principio,

conoscendo la forza ionica di due proteine diverse è possibile separarle con una membrana

Umberto Zoppis semipermeabile fino al raggiungimento di un equilibrio.

Attraverso il grafico è possibile osservare la variazione di solubilità

dalla differenza di forza ionica di albumine e globuline, di conseguenza

è ben visibile la diversità a parità di forza ionica di salting in/salting out.

Inoltre, nel primo tratto della curva, si nota che la solubilità aumenta in

corrispondenza di una maggiore forza ionica. La concentrazione del sale

non corrisponde alla forza ionica ed è spiegabile attraverso il seguente

esempio:

Ioni differenti a parità di forza ionica non hanno lo stesso

effetto infatti, come si osserva nell’esempio 2, la differenza

+ ++

tra i due ioni è rappresentata dal Na monovalente e il Ca

bivalente. Il calcio dunque riesce a legare due proteine

facendo da ponte aiutando cosi il salting out rendendo

l’aggregato insolubile.

IL PH

Il pH dell’ambiente acquoso influenza il PI di una proteina, (il PI è la somma netta delle cariche di

una proteina uguale a zero). Le proteine risultano meno solubili al PI perché le cariche non

respingendosi fan si che si aggreghino tra loro. Se il pH è diverso dal PI le proteine risultano più

solubili.

VARIAZIONE DI SOLUBILITA ASSOCIATO AD UNA MODIFICA DELLA

STRUTTURA (denaturazione proteica)

Gli agenti che provocano la denaturazione sono:

1) Utilizzo di determinati Sali

2) Trattamenti

Umberto Zoppis

UTILIZZO DI DETERMINATI SALI

CASO 1: L’utilizzo di alcuni Sali modificano la solubilità provocata

da una variazione di struttura, dall’immagine è possibile notare che lo

ione ClO riesce a denaturare la proteina in quanto la sfera di

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idratazione non è sufficiente per allontanare la carica. Lo ione riesce

ad infiltrarsi nella struttura, modificare un interazione elettrostatica

rompendo il ponte e come risultato, denaturare la proteina. Notare che

in entrambe le situazioni si è in salting in.

In questo esempio si nota che nel primo caso le proteine si aggregano

(salting out)e sono insolubili, ma non vi è nessuna alterazione di struttura

e attività. Nel secondo caso gli ioni alterano la struttura delle proteine, li

rendono insolubili ma rimangono in salting in.

ALTERAZIONI

Dopo che un trattamento, che esso sia di tipo: fisico,

chimico o enzimatico le proteine hanno una variazione

di solubilità. Attraverso questo principio esiste una

legge sul latte per controllare la qualità e intensità dei

trattamenti termici effettuati.

Il latte è costituito circa dal 3,5% di proteine, una parte

solubile, una parte insolubile. Per controllare la qualità

del latte, lo si porta a pH=4,6 acidificando al PI delle

caseine che precipitano; dividendosi in siero

(sieroproteine) e coagulo (caseine). A questo punto che le proteine si sono divise è possibile calcolare

la percentuale delle sieroproteine. Il latte pastorizzato risulta avere una percentuale di sieroproteine

maggiore rispetto ad un latte sterilizzato. Cosi facendo è possibile intuire se un latte è di scarsa qualità

(igienica), dunque ha bisogno di trattamenti di pastorizzazione ripetitivi piuttosto che si tratti di un

latte di buona qualità, il primo avrà una percentuale di proteine minori rispetto al secondo.

CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE DEI CEREALI SULLA BASE DELLA

SOLUBILITA 

Prolamine (gliadine ) solubili in alcol 70%

generale specifica del frumento



Albumine solubili in acqua 

Gluteine glutenine ) solubili in soluzioni

generale ( specifica del frumento

Proteine citoplasmatiche:

Proteine di riserva: alcaline o acide (deboli)



Globuline solubili in soluzioni saline

Umberto Zoppis

DOMANDE:

1. Con quali componenti possono interagire le proteine in un alimento?

Qual è il ruolo dell’acqua in un alimento?

2.

3. Quali sono le tipologie di acqua in un alimento?

nella definizione di “water holding”?

4. Qual è il ruolo di una proteina

APPLICAZIONE DI VARIAZIONI DELLA SOLUBILITA DEGLI ALIMENTI

formazione di gel

Sostanza che evidenzia proprietà simile ad un

sistema solido nel quale sono presenti grandi

quantità di solvente. Devono essere presenti due

parametri:

1) Le proteine per poter inglobare grandi

quantità di solvente (con eventuali

componenti), è importante che

abbiano una struttura complessa

(rete).

2) Occorre che le proteine abbiano una

struttura specifica poiché non tutte le

proteine sono adatte a formare gel proteici.

La gelatina è uno dei pochi esempi di gel reversibile cioè che può passare da uno stato di gel a i suoi

componenti.

I gel posso essere classificati in base ai legami che li stabilizzano; possono essere:

❖ Legame idrogeno

❖ Legame elettrostatico

❖ Legame idrofobico

❖ Legame covalente

collagene

LEGAME IDROGENO gelatina

Esempio: il collagene viene solubilizzato nel mezzo (acqua)con una temperatura maggiore di 60°C,

il moto termico fa si che i legami idrogeno si dissocino. Le proteine tendono ad aprirsi ma vengono

tenute in parte da legami covalenti, che non subiscono nessuna variazione. La dilatazione delle

catene peptidiche fa si che l’acqua possa inserirsi e con il raffreddamento i legami idrogeno possano

risaldarsi formando cosi un gel reversibile. La struttura reticolata del collagene ha un vincolo dato

dalla presenza di legami covalenti, maggiore è il numero di essi, maggiormente serrata sarà la

struttura; questo varia da animale ad animale.

LEGAME ELETTROSTATICO caseina/globuline di soia yogurt/tofu

Umberto Zoppis Esempio: le globuline della soia e dei legumi in generale

sono proteine acide che hanno residui acidi (ac. Aspartico

e ac. Glutammico) e hanno una struttura molto compatta.

Essendo proteine acide devono perdere completamente la

carica, cosi vengono alcalinizzate portando la soluzione a

pH=7/8. Cosi facendo ottengo due risultati: il gruppo acido

viene perso ottenendo una carica negativa, inoltre le

proteine cominciano a respingersi. Questi due effetti

portano l’immissione di acqua. Dopodiché, viene aggiunto

il calcio, ione bivalente che riesce a formare legami

elettrostatici tra due proteine bloccando al suo interno

l’acqua. I parametri per cui si riesce a preparare il tofu o altri prodotti simili sono:

❖ Il pH: se esso è basso si formeranno pochi legami, se è alto si formeranno più legami

❖ Ione bivalente sieroproteine

LAGAME IDROFOBICO ricotta

La ricotta è formata da un gel costituito da: sieroproteine, lipidi e acqua. Il siero viene portato a

90°C ed acidificato con ac. Citrico e lasciato in sosta. Le due sieroproteine: alfa-lattoalbumina e

beta-lattoglobulina formano legami idrofilici (cioè legami idrogeno), legami idrofobici e legami

elettrostatici che stabilizzano la struttura gelatinica. Le due proteine hanno struttura ben precisa con

zone deputate all’interazione con altri componenti, la beta-lattoglobulina presenta una tasca

idrofobica atta al trasporto di sostanze idrofobiche. Inoltre ha una struttura quaternaria ed è

costituita da un dimero associato idrofobicamente. Con il trattamento termico la proteina si denatura

con un’esposizione di zone che precedentemente non erano

ciò comporta una struttura disordinata

esposte questo perché il solvente con la temperatura sollecita la modificazione dell’organizzazione

proteica. Mentre con l’acidificazione vengono dissociati i gruppi acidi, le interazioni più deboli e la

struttura ha più facilità a denaturarsi. L’acido citrico inoltre ha una funzione chelante verso il calcio,

cioè la proprietà di rendere meno disponibile il calcio. Nella fase successiva, con il raffreddamento,

il solvente si riorganizza e la proteina cerca di adattarsi al nuovo equilibrio. Le proteine si associano

tra di loro formando una rete con interazioni idrofobiche.

ovoalbumina/gliadine-glutenine

LEGAME COVALENTE uovo sodo/ pane-pasta

I legami covalenti non interessano mai i gruppi dei legami peptidici ma interessano i gruppi laterali

degli AA. La proteine protagonista è l’ovalbumina, una proteina molto ordinata con tanti residui di

cisteina che tende a formare legami disolfuro o a ossidarsi con l’ossigeno cosi che il nostro

riesca a metabolizzarla (proteina essenziale). L’ovoalbumina ha molte cisteine ma

metabolismo non

in numero dispari quindi con un residuo libero. Denaturando la proteina la struttura si apre ed

espone il residuo tiolico ad un ponte disolfuro, questo fa si che si crei un nuovo legame ma a

differenza di quelli precedenti che erano intramolecolari si forma un legame intermolecolare. La

reazione è una reazione di disolfure Exchange e non una reazione redox. La denaturazione provoca

un cambio di colore e consistenza. Gli impasti lievitati hanno caratteristiche analoghe

all’ovoalbumina. caseine

LEGAME IDROFOBICO ELETTROSTATICO con k-idrolizzata formaggio

Umberto Zoppis

Le proteine nel latte sono suddivise in: sieroproteine e caseine. Quest’ultime si suddividono in

4gruppi: beta-caseina (la gamma-caseina è un frammento di beta-caseine), alfaS1-caseina,

alfaS2-caseina, K-caseina. Generalmente queste proteine non hanno strutture ordinate se non per

brevi frammenti chiamati anche random choise. Disordinate poiché il latte è destinato ad un

cucciolo, quindi più facilmente digeribile rispetto ad una proteina ben ordinata. Tutte e 4 le caseine

hanno un alto contenuto di prolina il che le impedisce di organizzarsi ma non vi sono residui di

cisteina. Le 4 caseine devono convivere in un ambiente acquoso cosi si associano in micelle

caseiniche ( struttura quaternaria)

Le proteine alfaS1 e alfaS2 hanno un alto contenuto di amminoacidi idrofobici disposti in modo

uniforme. Inoltre sono presenti residui di serina, con la caratteristica di avere modificazioni post-

traduzionali con la conseguenza di glicosilazione o fosforilazione ( ad opera di fosfochinasi ) con

carica negativa (dissociato a pH circa 6). Queste caratteristiche sono dovute per essere più

facilmente adattabili all’ambiente in cui si trovano.

Le beta-caseine sono molto più idrofobiche perché hanno più residui idrofobici ma alla stesso

tempo hanno una zona idrofilica con residui di serina ( molto polare)

La K-caseina ha dei residui idrofobici però possiede delle treonine glucosilate, quindi con gruppi

idrofilici. Essi si trovano nella zona C-terminale quindi parte idrofilica mentre la parte N-terminale

è caratterizzata da essere idrofobica.

STRUTTURA DELLE MICELLE

Una micella è costituita da sub micelle associate con interazoni idrofobiche ed elettrostatiche. Le

zone idrofiliche sono rivolte verso l’esterno mentre i residui di serina fosforilati ( carichi

++

negativamente) si legano con ioni Ca formando legami tra le sub micelle. Le variazione di pH,

modificano le cariche di conseguenza la struttura può essere destabilizzata.

La struttura delle micelle può essere destabilizzata attraverso:

❖ attraverso l’uso di una proteasi come la

Azione enzimatica: chimosina (proteina del caglio)

è possibile idrolizzare il legame dei residui 105-106 della kappa-caseina. La principale

conseguenza è l’esposizione delle zone idrofobiche che precedentemente erano protetti

all’interno della proteina. La micella viene cosi destabilizzata e ha bisogno di cercare un

nuovo equilibrio, esso viene trovato a