Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche. Moduli Prof. Iametti e Prinetti

BIOCHIMICA DEGLI ALIMENTI

DELLA NUTRIZIONE E DELLE

MALATTIE METABOLICHE

PARTE 1: PROF.SSA IAMETTI

APPUNTI A CURA DI: ALESSANDRO MAGRO

ANNO ACCADEMICO 2020-2021

giovedì 1 ottobre 2020

Biochimica - Lezione 1

Prof Iametti UD1 5 CFU Biochimica degli alimenti e della nutrizione e Prinetti malattie

metaboliche UD2 4 CFU.

Il corso si svolge in parallelo, piu avanti inizierà il prof Prinetti. Il voto dell’esame è unico e

comprende lezioni di entrambi i moduli. Possibile rifare esame per prendere voto migliore

annullando quello già fatto. Primo esame alla fine delle lezioni ovvero fine gennaio. Esami

prima della fine del semestre non sono dedicati a noi. Non c’è salto d’appello o limitazione.

Nel momento in cui si rifà l’esame il voto precedente viene annullato. Domande a scelta

multipla.

Esame scritto. Modulo 1 domande aperte e modulo 2 domande a scelta multipla. Voto

complessivo dei due moduli. Su ariel c’è il calendario delle lezioni di UD1. Fine il 19/11. Si

fa a distanza in remoto usando zoom ed exam.net . A gennaio non si sa come si farà, se dal

vivo o in presenza.

Materiale didattico: slide delle lezioni + articoli monografici

Testi consigliati

Inizio 15.30 e fine 17

Prima di ogni lezione lascia delle domande che riguardano cio fatto nella lezione precedente.

Queste domande servono a capire i concetti fondamentali che sono stati fatti a lezione. Può

essere che ci siano all’esame (come in triennale).

Andremo a vedere negli aspetti biochimici della nutrizione gli effetti metabolici di certi

composti, quali eventi attivano o inattivano. Il corso va ad indagare il ruolo di un alimento (in

particolare le proteine) nel condizionare una serie di aspetti nutrizionali molto importanti.

Qualità nutrizionale delle proteine: Che ruolo hanno nell’alimento le proteine. Le proteine

possono intervenire nella qualità complessiva dell’alimento sulla safety. Pagina 1 di 164

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SAFETY:

1. Bona fide allergens. Solo per alcune fasce di persone. Una proteina può essere un

allergene. Se questa proteina è un allergene ciò significa che condiziona la qualità

dell’alimento stesso. Questo alimento che contiene la proteina allergene, per una

determinata fascia, è di qualità negativa e tale alimento è da non considerare. Questa

definizione di qualità negativa dell’alimento per la presenza dell’allergene dipende anche

dal trattamento che subisce il prodotto.

2. Relevant to intolerant subjects: intolleranze. In particolar modo intolleranza al glutine

quindi celiachia. Dipende dal fatto che ci sono proteine con sequenze precise e ben

definite che sono tossiche per persone predisposte quali i celiaci. Un alimento se contiene

queste proteine e con certe sequenze, può essere un alimento negativo che non ha qualità

per questa fascia di consumatori. Lo stesso alimento ha alta qualità per il consumatore se

non possiede le sequenze tossiche.

3. Attività anti-nutrizionale delle proteine: alcune proteine sono sequestranti di piccoli

composti che sono importanti come l’avidina presente nell’uovo che sequestra la biotina

legando in modo non covalente. Questo legame è tale per cui la biotina non è utilizzabile

dalla cellula. È così legata che di fatto questa biotina non verrà mai liberata per essere

utilizzata dalla cellula. Se ho un alimento ricco in avidina, questa biotina non sarà mai

bio-disponibile. L’avidina è altamente strutturata e organizzata. Una proteina altamente

organizzata sarà piu difficilmente aggredibile dalle nostre proteasi, tende a essere

compatta e tenersi stretta la biotina. Anche altre proteine fanno questo come la niacina.

Alcune proteine legano i metalli e lo legano fino a quando mantengono la loro struttura

tridimensionale. Se perdono la struttura 3D non possono piu legarli. Perde la struttura

dopo l’azione di proteasi o dopo trattamenti termici che denaturano la struttura nativa.

Alcune proteine sono inibitori di alcuni enzimi. Per esempio enzimi importanti quali la

tripsina che idrolizza le macromolecole. Molte proteine sono inibitori di enzimi come

proteasi che idrolizzano le proteine. Proteasi piu importanti sono pepsina, chimotripsina e

tripsina. In molti alimenti ci sono proteine che bloccano altre proteine che sono enzimi.

Se io consumo un alimento (come molti vegetali, quali i semi che devono germogliare

solo quando serve) ricco di inibitori di proteasi. Anche l’amido viene demolito da enzimi

quali l’amilasi. Nei semi ci sono inibitori di amilasi e sono proprio proteine che bloccano

l’azione degli enzimi. Se ho delle proteine che bloccano l’azione di enzimi è importante

saperlo perche tali inibitori possono a loro volta precludere l’azione dei nostri enzimi

proteolitici naturalmente presenti. Un inibitore della tripsina è una proteina strutturata e

molto compatta. Quando una proteina ha una struttura molto compatta allora supporta di

piu i casi estremi. È piu difficile da denaturare e modificare sia per azione fisiologica (pH

dello stomaco) che per altre azioni. Gli inibitori possono rallentare azione anche degli

enzimi idrolitici naturalmente presenti a livello del nostro tratto gastrointestinale. Per

esempio un inibitore della tripsina puo inibire la tripsina del vegetale, ma anche quella

presente a livello del nostro intestino. La permanenza di un alimento all’interno del

processo digestivo dura per un periodo ben definito e in questo periodo agiscono le

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proteasi, che se trovano inibitori rallentano il lavoro. SERPINS sono inibitori delle

proteasi. INS= inibitore. SER= serina. Tutti questi inibitori di proteasi agiscono

bloccando tutte quelle proteasi che nel sito catalitico hanno una serina. Un enzima

proteolitico rompe le proteine a livello del legame peptidico, per avere una rottura di

questo tipo c’è nel sito catalitico dell’enzima che rompe una serina. La serina rompe il

legame peptidico. L’inibitore va a bloccare la serina nel sito catalitico e ne impedisce la

funzionalità. Le proteasi rompono legame peptidico a livello di C o N terminale colpendo

e riconoscendo un determinato amminoacido. La tripsina libera amminoacidi basici

quindi arginina e lisina, all’interno della proteina perche è endopeptidasi. Per rompere

questo legame ha nel suo sito catalitico una serina, bersaglio dell’inibitore. Molte proteasi

lavorano sulla serina del sito catalitico.

4. Presenza o assenza di proteine e derivati sono importanti per regolare alcune

malattie metaboliche. Per esempio la fenilchetonuria: malattia molto grave di tipo

metabolico, esame fatto alla nascita ad ogni bambino. Questa malattia metabolica è legata

al catabolismo della fenilalanina. Viene degradata in vari intermedi fino ad aceto acetato.

Dei difetti genetici fanno si che il catabolismo non sia possibile. Questo comporta un

accumulo dell’AA che deriva dalla degradazione delle proteine con effetti anche mortali.

Quando ho un individuo con questa carenza metabolica, devo dargli alimenti che non

contengono fenilalanina. Alimenti di origine animale ne sono ricchi. Fenilalanina non si

trova solo nelle proteine ma anche nell’aspartame, un dolcificante, costituito da aspartico

piu metile-estere della fenilalanina. Consumo di bevande prive di zuccheri con aspartame

sono fonte di fenilalanina.

Altro aspetto importante è rappresentato dalla composizione amminoacidica delle proteine,

ma anche dalla bio-disponibilità e digeribilità della proteina stessa.

1.Composizione: aspetto di

classificazione vecchio. in

tabella si vedono quali AA sono

essenziali e quali no. Importante

la divisione dei colori, sapere

quali sono basici ecc. lo ione

calcio è carico positivamente,

con quali amminoacidi puo

interagire? Vedere le divisioni di

carica. Una proteina con molti

amminoacidi acidi come i

legumi è piu probabile che leghi

il calcio. Chimotripsina agisce

sugli AA idrofobici quindi bisogna sapere bene la divisione. Serina e treonina sono

idrossi perche hanno un gruppo OH. Per fare una fosforilazione il residuo fosforilato sarà

quello con un gruppo OH. Nelle caseine, che sono fosforilate infatti abbiamo la serina. I

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gruppi tiolici servono per stabilizzare reticoli proteici con interazioni di tipo S - S. Gli

aminoacidi con gruppo tiolico sono per esempio la cisteina.

2. Amminoacidi essenziali: per l’uomo sono essenziali per la costruzione di proteine.

Chimotripsina è specifica per gli idrofobici che sono moltissimi essenziali. Cosi come la

tripsina con gli amminoacidi basici che sono essenziali. Si liberano cosi immediatamente

AA essenziali e senza i quali non potrei fare le proteine. I bersagli delle due proteasi

principali sono verso quelli essenziali, idrofobici e basici. In alimento le proteine possono

avere tanti AA essenziali di un gruppo piuttosto che di un altro. Da qui nasce il concetto

di complementazione dietetica. Cereali e legumi si accoppiano con il latte perche i cereali

sono poveri in lisina ma ricchi in cisteina. Latte ricco in lisina ma povero in cisteina.

Complementazione per gli AA essenziali in presenza minore.

3. Non basta avere tanti amminoacidi essenziali, questi devono essere resi disponibili dopo

l’azione delle proteasi o essere bio-disponibili. Come si rendono bio-disponibili o

digeribili? Ci sono tanti aspetti.

- Accessibilità strutturale: una proteina molto compatta ha un AA non accessibile alla

proteasi che non potrà tagliare l’enzima che non sarà utilizzato. Il fattore intervenuto è

rappresentato dalla cottura che modifica la composizione della proteina.

- Ruolo del processo che viene fatto sull’alimento: non c’è una risposta univoca, il processo

puo migliorare o peggiorare. Migliorare perche se il trattamento svolge la proteina allora

questa sarà piu facilmente accessibile all’azione di una proteasi. Questa proteina sarà piu

facilmente idrolizzata. Negativamente, alcune proteine possono comportare la formazione

di aggregati di specie polimeriche e associazioni complesse di proteine. Questi sono meno

accessibili. Dipende pertanto dal tipo di trattamento, che puo facilitare o comportare la

formazione di aggregati.

- Le proteine posso, in seguito al trattamento, trovarsi in interazione con altre componenti.

Possono interagire con zuccheri, sali o altri additivi. Le proteine possono sempre interagire

con altre macromolecole e formare delle fasi, essere ad interfaccia tra una fase polare e

apolare come in tutte le emulsioni. In questa situazione le proteine hanno una specifica

organizzazione che puo essere piu facilmente aggredibile o meno aggredibile e meno

facilmente utilizzabile. Nella definizione di una proteina bisogna valutare molte

componenti.

Il trattamento tecnologico trasforma la qualità della proteina in dipendenza da come questa è

organizzata. La struttura di questa puo condizionare inevitabilmente il ruolo che ha

nell’alimento, ma anche l’utilizzo di questa proteina. Un esempio molto classico è legato al

ruolo del collagene. Principale proteina del tessuto connettivo: serve a conferire solidità a

denti, arterie… permette la trasmissione alle ossa della forza esercitata dai muscoli. Questa

funzione dipende dalla sequenza, ma anche dalla struttura a trip elica che conferisce la sua

funzionalità. Questa sua struttura è legata al fatto che gli AA che costituiscono la proteina

hanno subito modifiche post-traduzionali che generano un serie di legami covalenti. Questa

tripla elica si organizza a fare microfibrille. Collagene ha sequenze ripetitive x-pro-gly o x-

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hyp-gly. Stabilizzazione della proteina dovuta a legami H intercatena. Questi legami vengono

irrobustiti da legami cross-linking trasversali covalenti. Uniscono le varie catene

polipeptidiche. Questi legami sono legati all’ossidazione della lisina da parte della ossidasi

che ha acido ascorbico come cofattore. La presenza di acido ascorbico è fondamentale per

intervenire nella strutturazione di una proteina. L’assenza di acido ascorbico da origine allo

scorbuto. La non formazione di questi legami covalenti fa perdere al collagene la sua

funzione meccanica. Il numero dei legami covalenti aumenta con l’età e il peso del soggetto.

I Bambin hanno pochissimo collagene e hanno molta flessibilità. Tra manzo e vitello il vitello

è piu tenero perche il collagene di individuo piu giovane ha legami idrogeno che danno

flessibilità. Manzo avrà legami covalenti ovvero un prodotto piu duro e meno tenero. Colla di

pesce si una perche è piu flessibile avendo meno legami covalenti.

Ultimo aspetto che condiziona il ruolo di una proteina negli alimenti è la capacità di

interagire con cio che la circonda. L’acqua è sempre presenti in tuti gli alimenti e in alcuni è

componente principale. Cambia interazione con acqua e capacità di trattenere acqua

nell’alimento con diversa definizione della texture. In molti alimenti c’è aggiunta di

sieroproteine, sono ideali nel trattenere acqua. Ci sono in molti salumi per far si che il

prodotto non sia troppo duro. Aspetto importante capacità delle proteine di legare o meno

l’acqua. I semi sono ricchi di glutammina perche è una proteina non carica e lega pochissimo

l’acqua. Il glutammico invece è acido ed è carico pertanto potrebbe formare una serie di

legami H con l’acqua.

Un ruolo molto importante delle proteine è quello di formare dei gel proteici. Struttura

tridimensionale proteica definita che trattiene acqua. Moltissimi alimenti sono delle reti

proteiche contenenti acqua. Il

fatto che ci siano queste reti

proteiche è fondamentale per

ottenere il prodotto finito.

Il collagene forma un gel. Il

formaggio è un gel, una rete

proteica formata dalle caseine

che sono unite da interazioni

idrofobiche e elettrostatiche e si forma la rete proteica con il suo interno acqua e lipidi. Uovo

cotto è una rete proteica fondamentale. Albume cotto cambia di aspetto diventano traslucido,

bianco e compatto. È una struttura proteica formata da ovoalbumina con all’interno acqua.

Anche pane e pasta impasti a base frumento hanno una rete proteica al cui interno c’è l’acqua

e l’amido. Questa rete deve trattenere l’amido, se non ci fosse non potrei avere quel prodotto.

Questa rete proteica è stabilizzata da interazioni idrofobiche e disolfuro. Un altro ruolo

importante è nella carne. È una rete proteica unita da alcune proteine specifica quali miosina

e actina. All’interno della carne c’è molta acqua che le da caratteristiche di texture e aspetto

particolari. Acqua è trattenuta in un certo modo dalla rete proteica. Interazione con acqua è

molto importante per far si che abbia un determinato prodotto. Pagina 5 di 164

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Per la formazione dei gel —> muscolo già strutturato in modo che ci sia la rete proteica. Per

altri esempi la formazione dei gel è subordinata a delle denaturazioni che possono essere

interventi meccanici o termici. La BLG in base all’intensità del trattamento termico ha un

comportamento diverso. In base al trattamento termico ho una modificazione a livello dei

gruppi R degli amminoacidi. Possono cosi diventare meno digeribili perche non riconosciuti

dalla proteasi. Lisina dopo Maillard ha un gruppo R diverso e non riconosciuta piu da

tripsina. Pagina 6 di 164

lunedì 5 ottobre 2020

Biochimica - lezione 2

La lezione scorsa stavamo vedendo le proprietà delle proteine all’interno di un alimento. È

importante l’interazione delle proteine con il materiale non proteico, tra cui l’acqua. L’acqua

come solvente definisce una serie di caratteristiche dell’alimento stesso. Importante è la

capacità di trattenere e legare l’acqua, in modo che non costituisca una fase separata. Ruolo

importante svolto dalle proteine è quello di formare i gel che sono strutture macromolecolari.

I gel sono reti proteiche ben definite con dimensioni definite e struttura regolare. La gelatina

è un gel formato da proteine collagene stabilizzate da interazioni idrogeno a formare una rete

precisa e definita con all’interno l’acqua. Anche il formaggio è un gel proteico, formato dalla

caseina, e le interazioni di questo reticolo sono di tipo elettrostatico ed idrofobico. In questo

gel c’è acqua e lipidi, che danno la texture all’alimento. Gel che si forma scaldando l’albume

ha struttura regolare costituita da ovoalbumina

e all’interno del gel c’è l’acqua. Anche gli

impasti sono dei gel proteici formati della

proteine del frumento quali gliadine e

glutenine, stabilizzate da interazioni

idrofobiche e disolfuro. Anche la carne

rappresenta un gel proteico, ci sono le proteine

miosina e actina che danno struttura definita e trattengono soluti e acqua.

Cosa va a modificare le interazioni delle proteine con gli altri componenti presenti negli

alimenti?

Agenti di tipo chimico:

• pH

• Sali

• Agenti chelanti che coordinano fortemente determinati composti

• Composti che danno origine a reazioni redox

• Cambiamento di fase per due solventi non miscibili (acqua-olio)

• Aggiunta di solventi miscibili in acqua come l’alcool

• Detergenti Pagina 7 di 164

lunedì 5 ottobre 2020

Agenti di tipo fisico:

• Temperatura

• Stress meccanici (shear stress)

• Alte pressioni (>1000 atm)

• Radiazioni ad alta energia (raggi gamma)

Questi agenti possono agire da soli, ma anche combinati tra di loro. Vediamo alcuni esempi:

effetto che può avere il pH su una proteina presente in un alimento.

Il pH su una proteina ha diversi effetti:

1. Modifica lo s