Biochimica degli alimenti della nutrizione e delle malattie metaboliche. Modulo prof.ssa Iametti

Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche

Parte 1: Prof.ssa Iametti

Appunti a cura di: Alessandro Magro

Anno accademico 2020-2021

Introduzione al corso

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, più avanti inizierà il prof Prinetti. Il voto dell’esame è unico e comprende lezioni di entrambi i moduli. È possibile rifare l'esame per prendere un 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 ciò 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).

Effetti metabolici degli alimenti

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.

• 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.
• 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.
• 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 più 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 più 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 più 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 perché 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 più i casi estremi. È più 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 può 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 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 perché è endopeptidasi. Per rompere questo legame ha nel suo sito catalitico una serina, bersaglio dell’inibitore. Molte proteasi lavorano sulla serina del sito catalitico.
• 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 sì 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 più metile-estere della fenilalanina. Consumo di bevande prive di zuccheri con aspartame sono fonte di fenilalanina.

Composizione e disponibilità delle proteine

Altro aspetto importante è rappresentato dalla composizione amminoacidica delle proteine, ma anche dalla bio-disponibilità e digeribilità della proteina stessa.

• 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 può interagire? Vedere le divisioni di carica. Una proteina con molti amminoacidi acidi come i legumi è più probabile che leghi il calcio. Chimotripsina agisce sugli AA idrofobici quindi bisogna sapere bene la divisione. Serina e treonina sono idrossi perché 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 gruppi tiolici servono per stabilizzare reticoli proteici con interazioni di tipo S - S. Gli aminoacidi con gruppo tiolico sono per esempio la cisteina.
• Amminoacidi essenziali: per l’uomo sono essenziali per la costruzione di proteine. Chimotripsina è specifica per gli idrofobici che sono moltissimi essenziali. Così come la tripsina con gli amminoacidi basici che sono essenziali. Si liberano così 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 perché 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.
• 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 può migliorare o peggiorare. Migliorare perché se il trattamento svolge la proteina allora questa sarà più facilmente accessibile all’azione di una proteasi. Questa proteina sarà più 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 può facilitare o comportare la formazione di aggregati.
• Interazione con altre componenti: le proteine possono, 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 può essere più facilmente aggredibile o meno aggredibile e meno facilmente utilizzabile. Nella definizione di una proteina bisogna valutare molte componenti.

Trattamento tecnologico delle proteine

Il trattamento tecnologico trasforma la qualità della proteina in dipendenza da come questa è organizzata. La struttura di questa può 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 tripla 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 una serie di legami covalenti. Questa tripla elica si organizza a fare microfibrille. Collagene ha sequenze ripetitive x-pro-gly o x-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 Bambini hanno pochissimo collagene e hanno molta flessibilità. Tra manzo e vitello il vitello è più tenero perché il collagene di individuo più giovane ha legami idrogeno che danno flessibilità. Manzo avrà legami covalenti ovvero un prodotto più duro e meno tenero. Colla di pesce si usa perché è più flessibile avendo meno legami covalenti.

Interazione delle proteine con l'acqua

Ultimo aspetto che condiziona il ruolo di una proteina negli alimenti è la capacità di interagire con ciò che la circonda. L’acqua è sempre presente in tutti 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 sì che il prodotto non sia troppo duro. Aspetto importante capacità delle proteine di legare o meno l’acqua. I semi sono ricchi di glutammina perché 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.

Formazione di gel proteici

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 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 sì che abbia un determinato prodotto.

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 così diventare meno digeribili perché non riconosciuti dalla proteasi. Lisina dopo Maillard ha un gruppo R diverso e non riconosciuta più da tripsina.

Lezione 2: proprietà delle proteine negli alimenti

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 dalle 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.

Modifiche delle proteine negli alimenti

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

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: