Biochimica della nutrizione

Biochimica della nutrizione – Riassunto

Vitamine

Scoperte tutte in relazione a una patologia che derivava dalla loro carenza, sono molecole indispensabili per il funzionamento dell'organismo.

Vitamine idrosolubili (B, C, H)

Solubili in H₂O (polari), no ipervitaminosi (eliminate velocemente attraverso le urine), trasformate in coenzimi; le vitamine del gruppo B partecipano al metabolismo energetico e le loro carenze causano danni ai tessuti che si rigenerano rapidamente (pelle).

Vitamina B1 (tiamina)

Alimenti: cereali, verdura, uova.

Ipovitaminosi: Beri-beri (affaticamento muscolare, liquido torace, problemi vascolari fino a scompenso cardiaco), Sindrome Wernicke-Korsakoff (alcolisti cronici, danni cerebrali). La tiamina libera (introdotta con la dieta) viene convertita in TPP (tiamina pirofosfato), dalla tiamina pirofosfato sintasi (usa 1 ATP) per trasferire un gruppo fosfato; TPP partecipa a:

• Decarbossilazione α-chetoacidi
• Glicolisi (da glu-6-P a Fru-6-P; da piruvato a acetil CoA; da α-chetoglut a succinil CoA)
• Fermentazione alcolica

Vitamina B2 (riboflavina)

Fonti: verdure fresche, latticini, uova.

Ipovitaminosi: disturbi alla pelle, lesioni agli angoli della bocca. Troviamo 3 anelli condensati che costituiscono l'anello Isoallozinico, rendono possibile la conversione da forma ridotta a ossidata e viceversa. Precursore di due coenzimi: FMN (flavin mononucleotide -> catena trasporto elettroni: ridossidazione NADH, complesso 1 e trasferimento di due elettroni sull'ubichinone), FAD (flavinadeninidinucleotide -> ciclo di Krebs: da succinato a fumarato); vengono usati dai Flavoenzimi. Viene sintetizzata dalla flora batterica di alcuni ruminanti, ma nella maggior parte degli animali viene introdotta con la dieta. Le ossido riduzioni permettono la trasformazione reversibile del flavochinone in flavoidrochinone; sia FAD che FMN donano 1 o 2 elettroni alla volta. Una flavoproteina ridotta viene successivamente riossidata tramite il trasferimento di un elettrone per volta attraverso l'intermedio semichinonico.

Vitamina B3 (niacina)

Fonti alimentari: cereali, legumi.

Ipovitaminosi: pellagra (3D: demenza, dermatite, diarrea). È una piridina con un sostituente in posizione 3 che può essere un gruppo carbossilico (acido nicotinico o niacina) o amminico (nicotinammide o niacinammide). Non è essenziale perché esiste una via biosintetica per la niacina a partire dal triptofano. La niacina è il precursore di 2 coenzimi NAD e NADP, entrambi sono coenzimi delle deidrogenasi (in particolare NAD); molto importanti che partecipano alle reazioni di deidrogenazione; gli enzimi piridicini usano questi coenzimi e possiedono il Ripiegamento di Rossman. Es. lattato DH: piruvato a lattato (NAD= NADH) -> fermentazione lattica. NAD, NADH si inseriscono nella tasca solo durante la reazione; per il resto del tempo sono liberi nel citosol. Invece FAD, FMN sono parte dei flavoenzimi.

Vitamina B5 (acido pantotenico)

Fonti alimentari: verdure fresche, uova. Costituito da acido pantoico legato alla β-alanina tramite un legame carbammidico, è un componente del coenzima A; il CoA è un trasportatore di gruppi acilici fondamentale nella B-ossidazione e nel ciclo di Krebs. Acido pantotenico (alimenti), il legame carbammidico viene riconosciuto dalle proteasi e scisso; la biosintesi avviene tramite l'azione di enzimi cellulari e utilizzando ATP:

• Pantotenato convertito in 4'-fosfopantotenato per intervento della pantotenato chinasi
• 4'-fosfopantotenato si lega alla cisteina e si forma 4'-fosfopantotenil-cisteina (4'-fosfopantenil-cisteina sintasi)
• 4'-fosfopantotenil-cisteina subisce decarbossilazione portando alla sintesi del primo coenzima che poi viene convertito in CoA

Vitamina B6 (piridossina)

È presente in 3 forme diverse: piridossina (OH), piridossale (COH), piridossammina (NH₂); la piridossina assunta con gli alimenti viene convertita nel fegato in piridossale e piridossammina. La sua forma attiva è il PLP (piridossal-5-fosfato). Il PLP è il coenzima del metabolismo azotato (transamminazione, racemizzazione, decarbossilazione), inoltre partecipa alla sintesi di GABA e alla glicogenolisi. In particolare, la transamminazione è una tappa fondamentale nel catabolismo degli amminoacidi a livello del fegato. Transamminazione degli amminoacidi nel fegato: PLP si complessa con la lisina, si forma un aldimmina interna; si lega un alfa-chetoacido, il PLP cede il gruppo amminico al chetoacido e si forma così l'amminoacido corrispondente. Importante per atleti perché facilita la liberazione di glicogeno dai muscoli e regola l'equilibrio tra Na+ e K+.

Vitamina B9 (acido folico)

Ipovitaminosi: anemia megaloblastica (B9 è fondamentale per la sintesi di metionina, senza di essa non avviene la sintesi del DNA e gli eritrociti muoiono) -> globuli rossi più grandi del normale; abbiamo anche disturbi alla pelle, sistema nervoso e apparato digerente. Anemia perniciosa (manca B9 e B12). I folati naturali contengono catene poliglutammiche (+ residui di glutammato), nell'intestino è presente la Folato Coniugasi che rimuove le catene glutammiche; il folato rimane legato a un solo residuo e può entrare nell'enterocita attraverso il trasportatore RFC-1. Nell'enterocita il folato subisce due riduzioni successive catalizzate dalla diidrofolato reduttasi ottenendo così diidrofolato e tetraidrofolato; il tetraidrofolato viene convertito in N5-tetraidrofolato e messo in circolo legato all'albumina. Negli epatociti subisce una demetilazione e viene conservato in forma poliglutammica, quando deve essere usato la γ-glutammil idrolasi. La diidrofolato reduttasi è l'enzima bersaglio di due tipi di farmaci: Amminopterina (chemioterapico), Sulfammidici (antibatterico); essi inibiscono l'enzima, non avviene sintesi DNA, stop proliferazione. Il THF (tetraidrofolato) è il coenzima degli enzimi folici fondamentali nel metabolismo di amminoacidi, acidi nucleici, sintesi metionina e neurotrasmettitori; le posizioni N5, N10 sono importanti poiché trasportano gruppi carboniosi necessari per le reazioni di metilazione di lipidi, ormoni, DNA, proteine. Per la biosintesi delle basi puriniche, N5 fornisce unità carboniosa che costituirà gli atomi C2 e C8 dell'anello purinico. La maggior parte degli organismi si procura le unità monocarboniose a partire dalla serina. La glicina dà una molecola di metilen THF con il sistema di scissione della glicina.

Vitamina B12 (cobalammina)

Ipovitaminosi: anemia perniciosa (manca il fattore intrinseco per assorbire B12, avviene accumulo di omocisteina e folati, no sintesi metionina quindi eritrociti muoiono). Costituita da un anello di corrina e due anelli pirridici, al centro c'è un atomo di cobalto; in C6 può esserci un sostituente diverso CN, OH, CH₃, Adenosina. La sua forma attiva è la 5'-deossiadenosil-cobalammina, viene in parte accumulata nel fegato e partecipa al metabolismo di proteine, lipidi, carboidrati e alla produzione degli eritrociti. Ci sono 15 reazioni B12-dipendenti, la maggior parte sono nei batteri, 2 nei mammiferi:

• Sintesi metionina: rigenerazione folato -> senza S-adenosilmetiotina avviene demielinizzazione nervi periferici e del midollo spinale.
• Isomerizzazione metil-manolin-CoA a succinil-CoA (metabolismo propionato e aa glucogenici).

La B12 assunta con la dieta, nello stomaco si lega alle aptocorrine (glicoproteine) che la proteggono dal pH acido; nel duodeno le proteasi pancreatiche degradano le aptocorrine, la B12 si lega al fattore intrinseco ed il complesso viene assorbito per endocitosi mediata da recettore (cubuline). Negli enterociti nei lisosomi viene degradato il fattore intrinseco, la B12 esce e si lega alla transcobalammina II.

Vitamina C (acido ascorbico)

Ipovitaminosi: scorbuto -> nelle modifiche post-traduzionali del collagene, la prolin-4-idrossilasi effettua l'idrossilazione del residuo 4 di prolina; questo enzima contiene un atomo di Fe, quando è Fe³⁺ (ossidato) è inattivo, quando ha Fe²⁺ (ridotto) è attivo, è la vitamina C che ripristina l'enzima. Senza la vitamina C, non avviene la corretta produzione del collagene, quindi ho lo scorbuto (fragilità tissutale, anche a livello dei vasi sanguigni, quindi emorragie fino alla morte). È un lattone prodotto da molti organismi, ma non dall'uomo; a pH fisiologico è sotto forma di Ascorbato (anione monovalente). La vitamina C viene assorbita nell'intestino attraverso 2 trasportatori Na⁺-dipendenti SVTC1, AVCT2; nel sangue viene trasportata dall'albumina. È un cofattore a funzione mista e partecipa anche a diverse ossidoriduzioni, partecipa a:

• Monossigenasi/diossigenasi
• Biosintesi di carnitina, catecolammine, ammidazione ormoni, metabolismo tirosina
• Redox
• Elimina radicali (è un antiossidante)

Vitamina H (biotina)

È formata da un anello imidazolico con anello tiofenolico. La biotina è presente negli alimenti e viene anche sintetizzata dalla flora intestinale. La biotina presente negli alimenti è sotto forma di biocitina o incorporata nelle proteine biotina-dipendenti, nell'intestino le biotinasi pancreatiche ed intestinali staccano la biotina dalle proteine che entra negli enterociti attraverso il trasportatore SMVT; nei tessuti si lega alla lisina formando biocitina. La biotina è il coenzima delle carbossilasi (effettuano carbossilazione, usano CO₂), essa si lega all'enzima tramite legame peptidico e grazie al suo braccio mobile trasferisce molecole di CO₂ al sito catalitico ed in questo modo l'enzima può attuare la carbossilazione di diversi substrati. La biotina partecipa a gluconeogenesi e liponeogenesi. Esempio di carbossilazione per la sintesi degli acidi grassi: acetil-CoA carbossilasi produce manonil-CoA. La biotina è presente nell'albume dell'uovo legata all'avidina tramite un legame che non viene scisso dai nostri enzimi (avidina è un antinutrizionale); tramite la cottura avviene la denaturazione dell'avidina e la biotina diventa così disponibile per l'assorbimento.

Vitamine liposolubili (A, D, E, K)

Le vitamine liposolubili non possiedono gruppi polari, vengono accumulate in tessuto adiposo e fegato (possibile ipervitaminosi), non necessitano di attivazione e non vengono convertite in coenzimi. Ipovitaminosi: vomito, nausea, cefalea.

Vitamina A (retinolo)

Ipovitaminosi: primo sintomo cecità notturna, poi anemie (transferrina non funziona). La vitamina A è presente in 3 diversi stati di ossidazione: retinolo (OH), retinale (COH), acido retinoico (COOH). Negli animali troviamo retinolo, mentre nei vegetali i caroteni (in particolare β-carotene: scisso in 2 molecole di retinale). La vitamina A è fondamentale per la vista, la crescita e lo sviluppo.

A livello intestinale, il β-carotene viene scisso in 2 molecole di retinale (β-carotene monossigenasi); il retinale viene poi ridotto a retinolo (retinale reduttasi) che può subire due destini diversi:

• Essere inserito nei chilomicroni per raggiungere fegato, tessuto adiposo dove viene immagazzinato
• Essere ossidato a 11-cis-retinale (retinale deidrogenasi) -> questa molecola compone i pigmenti visivi (opsine: colori, rodopsina: buio) e per effetto della luce diventa 11-trans-retinale, abbiamo poi enzimi che lo riconvertono nella forma cis.

L'acido retinoico agisce da ormone, si lega ai recettori dell'acido retinoico stimolando la trascrizione genica; in particolare stimola la produzione degli ormoni steroidei.

Vitamina D (colecalciferolo)

Ipovitaminosi: rachitismo (bambini), osteomalacia (adulti). La vitamina D proviene dalla dieta e viene sintetizzata a livello cutaneo (7-deidrocolesterolo viene convertito dall'azione dei raggi UV in colecalciferolo che giunge al fegato); il colecalciferolo raggiunge il fegato e subisce l'azione della 25-idrossilasi diventando 25-idrossicalciferolo che viene trasportato nel rene dove la α1-idrossilasi produce 1,25-diidrossicolecalciferolo.

La vitamina D regola l'assorbimento di calcio e fosforo a livello intestinale, inoltre partecipa alla trascrizione delle proteine del ciclo cellulare ed ha un ruolo immunitario. Abbiamo 3 possibili situazioni:

• Ipocalcemia (poco Ca²⁺ nel sangue): il paratormone (paratiroidi) stimola a livello renale la produzione di 1,25-diidrossicolecalciferolo che induce un maggior assorbimento di Ca²⁺ a livello intestinale e la demineralizzazione delle ossa.
• Ipercalcemia (troppo Ca²⁺ nel sangue): la calcitonina (tiroide) inibisce l'azione dell'α1-idrossilasi, non viene prodotto 1,25-diidrossi, ma 24,25-diidrossicolecalciferolo (forma inattiva della vitamina D₃); in questo modo viene inibito l'assorbimento di calcio a livello intestinale e stimolata la mineralizzazione delle ossa. [situazione simile ad eccesso vitamina D₃]
• Carenza vitamina D: non avviene l'assorbimento di calcio a livello intestinale, quindi per mantenere la calcemia avviene demineralizzazione delle ossa e questo conduce a rachitismo ed osteomalacia.

Vitamina E (tocoferolo)

Ipovitaminosi: danni a encefalo, eritrociti (cellule che hanno tasso più alto di danno ossidativo causato da radicali). Ci sono 8 vitameri che differiscono per il sostituente, inoltre possiamo avere tocoferoli (catena satura) o tocotrienoli (catena insatura). L'alfa tocoferolo acetato è prodotto sinteticamente e venduto a livello commerciale. Il ruolo della vitamina E è quello di antiossidante -> è presente nelle membrane plasmatiche e protegge i fosfolipidi dall'azione dei radicali liberi (molecole che staccherebbero un elettrone, determinando la perdita di funzionalità del lipide); il radicale stacca l'elettrone dalla vitamina E, che delocalizza la carica sul proprio anello e così la reazione si spegne.

Vitamina K (fillochinone)

La vitamina K è presente in 3 forme diverse: fillochinone (assorbito con dieta), menachinone (prodotto da flora intestinale), menadione (sintetico, somministrato in caso di emorragia -> warfarina: anticoagulante). La vitamina K è fondamentale nei processi di coagulazione del sangue in quanto permette la conversione della protrombina in trombina, partecipa alla formazione di 4 precursori della coagulazione ed inoltre le proteine che inibiscono la coagulazione sono K-dipendenti.

Sali minerali

Costituiscono il 6% dell'organismo e sono indispensabili per le funzioni biologiche e l'accrescimento; possono essere solidi (ossa, denti) o dispersi nei fluidi corporei; vengono regolati tramite maggior/minor assorbimento intestinale o eliminazione/assorbimento renale. Il loro assorbimento diminuisce in presenza di fattori antinutrizionali, mentre aumenta in presenza di vitamina C e amminoacidi.

Calcio

Deficit: simile a carenza vitamina D (rachitismo). Minerale più abbondante presente in ossa e nei liquidi corporei; nei liquidi è presente in 3 forme: ionizzato (caematico), legato a proteine (albumina, globulina), complessato con altri ioni (citrato, fosfato). Il calcio permette contrazione muscolare, conduzione impulso nervoso, rilascio di ormoni/neurotrasmettitori, coagulazione del sangue; l'assorbimento intestinale del calcio può essere: attivo (tratto prossimale), passivo (tratto distale). La calcemia è controllata da paratormone, calcitonina e vitamina D.

Magnesio

Cofattore enzimatico che interviene in contrazione muscolare, trasmissione nervosa, metabolismo energetico, sintesi proteica e di acidi nucleici. Carenza in alcolismo e con l'uso di diuretici.

Ferro

Deficit: anemia. Eccesso: emocromatosi (eccesso di ferro nel sangue) che porta a disfunzioni epatiche. Il ferro è presente in diversi compartimenti corporei: 65% emoglobina (trasporto O₂), 25% riserva (legato a ferritina, in fegato e milza), 10% mioglobina (riserva O₂ nel muscolo), 0,1-0,5% plasma (legato a transferrina o ceruloplasmina). Il ferro plasmatico è sempre legato a una proteina in quanto il ferro libero è soggetto alla reazioni di Fenton in cui si generano ROS (Fe + H₂O₂). Giornalmente vengono perse quantità di ferro a causa dello sfaldamento delle cellule intestinali ed epiteliali; il ferro deriva dalla dieta, ma viene anche recuperato dall'emoglobina. A livello intestinale viene assorbito solo il 5-10% del ferro contenuto negli alimenti, il ferro emico (carni rosse) è più facilmente assorbibile rispetto al ferro non emico (vegetali) il quale è presente sotto forma di Fe³⁺ e viene ossidato dalla ferro reduttasi a Fe²⁺ in modo che possa entrare nell'enterocita attraverso il trasportatore di ioni bivalenti. Ferritina: forma di deposito di ferro nelle cellule (milza, fegato). Transferrina, ceruloplasmina: trasporto di Fe nel sangue.