Biochimica degli alimenti e della nutrizione, parte 1: dalla denaturazione termica alla nutrigenomica

MODIFICAZIONI SULLA MICELLA DI CASEINA DURANTE LA CASEIFICAZIONE

Nella formazione del coagulo un ruolo fondamentale è svolto dalla micella di caseina. Nel latte

bovino l’80% delle proteine sono caseine, il 20% sono sieroproteine (nel latte umano abbiamo

prevalenza sieroproteine). Con il termine caseine si intendono 4 gruppi principali di caseine: αs1, αs2,

e k. Le caseine sono proteine polimorfe, ci sono almeno 20 varianti polimorfe per ogni famiglia di

β

caseina. Le caratteristiche strutturali delle caseine sono:

Elevato contenuto di residui di prolina: 10 residui di prolina su 200 amminoacidi circa; questo

- significa che queste proteine non hanno struttura secondaria estesa. La caseina viene presentata

come proteina random, destrutturata, senza struttura secondaria ordinata, perché le zone a

struttura secondaria sono molto limitate

Distribuzione equilibrata tra zone idrofobiche e idrofiliche: questo fa sì che queste proteine siano

- stabilizzanti ideali tra zone idrofobiche e idrofiliche (come già detto per l’omogeneizzazione)

Diversi gruppi con residui amminoacidici OH: serina, treonina. Parecchi residui, soprattutto quelli

- di serina, sono fosforilati (hanno gruppo fosfato) questo è importante perché a pH 7

→

l’amminoacido è carico negativamente, quindi si aumenta la carica superficiale della proteina. La

fosforilazione di questi gruppi non è casuale, ma enzimaticamente mediata, come lo è anche la

defosforilazione.

Queste caratteristiche fanno sì che la caseina raggiunga la sua strutturazione attraverso l’acquisizione

di una struttura quaternaria particolare: la micella caseinica. Le 4 caseine si associano formando

tante piccole submicelle, associando le zone idrofobiche tra di loro, e quelle idrofiliche verso il

solvente (ambiente acquoso). Nella formazione di queste submicelle un ruolo fondamentale è svolto

dalla k-caseina, che espone la parte c-terminale, idrofilica. Sulla parte superficiale della micella

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abbiamo anche eventuali residui fosforilati carichi negativamente. I gruppi fosforilati possono fare

un legame elettrostatico con uno ione calcio; le submicelle si associano tra di loro per interazione

elettrostatica mediata da calcio, che è bivalente, quindi lega 2 residui fosforilati di 2 submicelle. Se

nelle submicelle ci sono delle zone idrofobiche esposte, possono formarsi interazioni idrofobiche

anche tra micelle diverse. Tutte le caratteristiche della micella dipendono dunque dalla formazione

delle submicelle.

Nella formazione del coagulo le micelle presenti si associano a formare una rete proteica formata da

caseine. Perché questo avvenga devo intervenire in modo tale da destabilizzare la micella e favorire

la formazione del coagulo. Utilizzo un enzima, la rennina, che è presente normalmente nello

stomaco. In realtà la rennina prodotta dallo stomaco è una miscela di 2 proteasi: chimosina e pepsina.

Il rapporto delle 2 frazioni dipende dall’animale: nell’animale giovane prevale la chimosina,

nell’animale vecchio prevale la pepsina. Vengono utilizzati stomaci di animali giovani, in base alla

specificità: la chimosina ha una specificità quasi assoluta verso il residuo 105-106 della k-caseina

(Phe-Met), quindi fa un’idrolisi mirata. Questo residuo si trova nella parte c-terminale della k-caseina.

Dopo l’azione della chimosina abbiamo la micella privata di questo piccolo peptide, detto

glicomacropeptide (GMP). L’azione della chimosina è importante perché la micella privata di questi

c-terminali della k-caseina viene destabilizzata: espone le zone idrofobiche, quindi cerca una nuova

stabilità termodinamica, e la trova associandosi idrofobicamente con le altre micelle, minimizzando

le zone idrofobiche esposte per azione enzimatica. Quindi la proteina forma una rete proteica, il

coagulo, che trattiene i lipidi. Io posso avere un coagulo più o meno compatto agendo a livello del

pH, oppure variando la quantità di enzima.

Non utilizzo quindi la rennina di un animale adulto, perché essa contiene perlopiù pepsina, che agisce

sugli amminoacidi acidi e idrofobici di tutte le caseine, quindi otterrei una proteolisi, tanti peptidi

(detto proteolizzato), che non consentono la formazione del coagulo.

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L’affinità della chimosina verso le principali caseine è la velocità di specificità con la quale essa agisce

su un substrato. Vediamo che l’affinità sulla k-caseina è più di 14 000, mentre sull’α- e è

β-caseina

molto più bassa (21 e 2 rispettivamente).

La chimosina esiste anche ricombinante, fatta con microrganismi, ma non tutti la vogliono.

Lo stesso enzima interviene anche nella maturazione dei formaggi. La maturazione del formaggio è

riconducibile a fenomeni idrolitici a carico della componente proteica e lipidica. La lipolisi è

fondamentale per lo sviluppo del prodotto finito: aromi, etc. La proteolisi è ad opera delle proteasi.

Abbiamo:

Idrolisi iniziale della caseina dovuta alla rennina e in minor misura alle proteasi del latte, con

• formazione di peptidi ad alto PM

Idrolisi di questi peptidi da parte degli enzimi presenti nei batteri starter e non

• Liberazione di piccoli peptidi e amminoacidi ad opera di peptidasi e proteasi batteriche.

•

La proteolisi di un formaggio non è così estesa, non rimangono solo peptidi e amminoacidi. In un

formaggio a lunga maturazione ad esempio abbiamo circa il 10% di amminoacidi e peptidi, altrimenti

il formaggio stesso non avrebbe struttura.

Un esempio è mostrato da questa elettroforesi: distribuzione dei peptidi in un taleggio sottoposto a

maturazione. Il 6 è il taleggio che inizia la maturazione, l’8 è il taleggio a commercializzazione

normale e il 9 è un taleggio a maturazione elevata. Sul 6 le 2 bande principali sono l’α- e la β-caseina,

al di sotto abbiamo delle bande che rappresentano una certa quantità di peptidi presenti. Tra il

tracciato 6 e l’8 abbiamo solo una minore intensità dell’α-caseina: il formaggio ha raggiunto la

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maturazione e la proteolisi è avvenuta solo su parte dell’α-caseina. Un prodotto a supermaturazione

ha una proteolisi più spinta, che interessa anche la β-caseina

Quello a fianco è il quartirolo, con cui possiamo fare lo stesso ragionamento.

Spesso i formaggi a lunga maturazione vengono considerati come negativi per la produzione di

peptidi, mentre questo fenomeno è molto più limitato di quanto lo si fa apparire.

Alterazioni compositive indotte da processi di trasformazione delle proteine

L’azione della proteasi sulla proteina intatta di un alimento:

Porta alla formazione di peptidi e a un’accresciuta biodisponibilità di amminoacidi. Questa

• affermazione è stata recentemente messa in discussione, perché alcuni non credono che fornire

peptidi aumenti la loro disponibilità. Una proteolisi però può aiutare se ci troviamo davanti a una

struttura moto compatta.

Diminuisce l’allergenicità, perché rompo la sequenza amminoacidica che viene riconosciuta come

• allergene

Rilascia peptidi bioattivi, ma occorre che queste sequenze specifiche siano già presenti nella

• proteina

Può variare la biodisponibilità di alcuni micronutrienti, sia in senso positivo che negativo. Ad

• esempio la biotina è fortemente legata all’avidina, che non la rende disponibile (la proteina fa da

chelante), se io idrolizzo libero la biotina. In altri casi le proteine sono dei mezzi per solubilizzare

microelementi, come calcio e ferro

Molto spesso i peptidi hanno dei residui amminoacidi c-terminali idrofobici, che rilasciano il

• sapore amaro.

Alterazioni strutturali, che impediscono la formazione di prodotti, es. non posso fare il formaggio.

•

Gli enzimi possono agire anche sugli amminoacidi (sono enzimi di origine microbica). Essi possono

decarbossilare gli amminoacidi. Alcuni mediatori cellulari (tirammina, adrenalina) sono prodotti da

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amminoacidi decarbossilati, quindi io posso produrre alimenti con già presenti dei composti che la

cellula utilizza per mandare dei segnali.

Alcuni enzimi, le ossidasi (o polifenolossidasi), sono responsabili dell’imbrunimento enzimatico: in

presenza dell’ossigeno ossidano il gruppo OH, che può essere quello dei polifenoli, a formare grossi

polimeri marroni, oppure agiscono con lo stesso principio sulla tirosina, formando composti bruni. I

residui di tirosina non sono più disponibili. È lo stesso fenomeno che avviene sulla melanina quando

ci abbronziamo.

MODIFICAZIONI ENZIMATICHE SULLE PROTEINE INTATTE

Le proteine alimentari per azione delle proteasi possono generare i peptidi bioattivi. Essi sono

interessanti non per l’apporto degli amminoacidi, ma perché regolano alcuni meccanismi cellulari. I

peptidi bioattivi sono definiti così perché possono avere:

Azione immunomodulatrice

o Azione antagonista/agonista per recettori neuronali

o Veicolante di micronutrienti

o Antimicrobica

o Etc.

o

Per discriminare un peptide bioattivo da altri composti, devo considerare anche che:

Un peptide bioattivo agisce a livelli micromolare, nanomolare. A livello di g/L ad esempio,

• moltissimi composti hanno funzioni positive, ma non sono peptidi bioattivi

Deve essere provato prima su un sistema isolato, poi sugli animali, poi sull’uomo; se non seguo

• questi step, non posso definire il composto peptide bioattivo

I peptidi possono agire come tali, oppure la loro azione avviene in sinergia con altri peptidi

• bioattivi.

Quindi i peptidi bioattivi sono importanti, ma è difficile individuarli. Alcuni peptidi bioattivi hanno

anche indirettamente la funzione di promuovere microrganismi positivi del microbioma.

I peptidi bioattivi si formano per azione della proteasi, e possono formarsi a diversi livelli:

- Azione proteolitica di enzimi presenti nell’alimento; tali enzimi possono essere presenti

naturalmente nell’alimento o derivare dalla componente microbica già presente o aggiunta al

prodotto

- Azione degli enzimi proteolitici del tratto gastro-intestinale

- Azione di proteasi a livello dell’epitelio intestinale, che durante l’assorbimento di peptidi,

agiscono formando peptidi bioattivi.

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Chiaramente la sequenza che corrisponde al peptide bioattivo deve essere presente nella matrice

della proteina. Questi peptidi poi devono essere prodotti dall’idrolisi. Per cui io posso già sapere

prima che peptidi bioattivi possono uscire da una determinata proteina.

Un aspetto importante è l’accessibilit&ag