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del triptofano (ovvero la struttura terziaria delle proteine, che passano dallo stato anidro a

quello bagnato dell’impasto).

Se le proteine non hanno il triptofano ci sono una serie di misure che mi consentono di

valutare quale sia l’idrofobicità superficiale delle proteine (che condiziona la capacità di

interagire con altre proteine e con altri componenti dell’alimento).

Per misurarla e notare gli eventuali cambiamenti che l’idrofobicità ha subito, uso delle

molecole (probes) che cambiano le loro caratteristiche quando sono legate ad una

proteina (i coloranti che cambiano il loro spettro di assorbimento, shift ipercromico); se

uso una molecola fluorescente, che lo diventa quando è attaccata ad una proteina, siamo

in grado di misurare l’idrofobicità superficiale e i suoi cambiamenti in un sistema solido e

indipendentemente dal fatto che sia insolubile.

Si fa una titolazione della proteina aggiungendo quantità progressive di un marcatore

idrofobico fluorescente. Se non è legato, non fluoresce, ma fluoresce solo se si attacca alla

proteina; quindi piu fluorescenza vedo e più ne sarà attaccato.

La fluorescenza raggiunta a condizioni sature di marcatore esprime il numero dei siti di

legame presenti sulla proteina, ma non dice se questi siti sono affini poco o tanto per il

marcatore.

Ciò invece si desume dal fatto che la concentrazione di marcatore che serve per arrivare al

50% del segnale massimo esprime il reciproco della attività. (quello più affine è quello che

si riempie prima a basse concentrazioni).

Con l’utilizzo di questi marcatori si può dire per esempio quale proteina va meglio per fare

un certo prodotto (stabilizzare un aggregato idrofobico per es.).

Altra applicazione è quello di vedere quanti intermedi di denaturazione ci sono.

Abbiamo una proteina nativa in cui tutti i siti idrofobici sono nascosti all’interno; la rigonfio

ed essa esporrà i suoi siti idrofobici, che ora potranno anche legare il marcatore. Se supero

una certa barriera di trattamento oltre il quale il cambiamento è irreversibile (i siti

idrofobici non possono più tornare all’interno); se i siti idrofobici sono sulla superficie,

quello che possono fare è attaccarsi con altri siti idrofobici formando un aggregato (tipico

evento della cottura, come uovo o pasta). Si arriva poi alla conseguente scomparsa dei siti

idrofobici esposti.

Due casi di proteine:

- la alfa lattoalbumina (senza il calcio e quindi strutturalmente flessibile in quanto

non ha il calcio che la tiene chiusa, molto idrofobica in grado di legare molti

marcatori) scaldata a temperature diverse per tempi diversi in presenza del

marcatore; più la scaldo e più vengono esposti i siti idrofobici, solo che ad un certo

punto il numero di molecole legate (marcatori) scende in quanto le proteine ora

tenderanno ad interagire tra di loro e non più con il marcatore. 34

- Nel caso della proteina con il calcio (oloproteina), a 50°C non succede nulla, lega

poco marcatore, perche la proteina con il calcio la tiene ordinata; intorno ai 70°C si

trasforma e si denatura legando un po’ di marcatore; aumentando ancora la

temperatura sopra i 77°C i siti idrofobici liberi per il marcatore diminuiscono, in

quanto le proteine si legheranno le une alle altre e meno al marcatore.

Se modifico la struttura terziaria della proteina può succedere che escano allo scoperto dei

residui amminoacidici che erano nascosti. È un altro strumento per vedere se sono adatte

a fare un certo tipo di processo.

Per esempio la beta-lattoglobulina ha una sola cisteina che è coperta da una alfa elica

all’interno. Se scaldiamo questa proteina la prima cosa che succede è che la cisteina viene

scoperta e il tiolo diventa esposto.

Ci sono due proteine nel latte che hanno questo tipo di tiolo, una è questa beta-

lattoglobulina, l’altra la k-caseina.

Perché il latte UHT non si riesce a fare coagulare?

Perche le caseine avendo un residuo cisteinco esposto come la beta-lattoglobulina, si

forma un copolimero tra di esse, che non è più aggredibile dalla chimosina (non coagula).

Quindi l’esposizione di gruppi reattivi è uno strumento per verificare se un trattamento su

un prodotto alimentare si è tradotto in una modificazione della struttura terziaria della

proteine.

Altro strumento per capire cosa è successo alla proteina è PROTEOLISI LIMITATA; sfrutta la

diversa accessibilità di certe regioni della struttura della proteina alle azioni delle proteasi.

Esempio abbiamo la beta-lattoglobulina trattata con la tripsina a diverse temperature.

A temperatura ambiente esce la proteina intatta, più scaldo e piu certi siti sono diventati

accessibili alle proteasi, che invece non sono accessibili nella struttura nativa.

Importante per due ragioni, condiziona il valore nutrizionale della proteina e l’attività

biologica della proteina (possono essere eliminati certi epitoti allergenici). 35

VALUTAZIONE STRUTTURA SECONDARIA

- DICROISMO CIRCOLARE (si può usare solo per proteine in soluzione), basato

sull’assorbimento differenziale della soluzione di luce polarizzata circolarmente.

Riconosce la presenza di strutture chirali e ordinate (come l’alfa elica e la beta

foglietto). Se ci sono c’è un segnale, se non ci sono non c’è.

Quello che si può fare è quello di scaldare una proteina e vedere quando il segnale

va via.

- SPETTROSCOPIA DEL VICINO INFRAROSSO (IR), procedura applicabile per campioni

anche solidi o bifasici, questa consente di fare misure nella regione infrarossa dello

spettro (che assorbe il legame peptidico)

- SPETTROMETRO NMR, procedura applicabile per campioni anche solidi o bifasici,

misura la risonanza magnetica di nuclei che contengono un numero dispari di

componenti.

Per esempio l’idrogeno H1 da un segnale al NMR, mentre l’ossigeno 18 non ha alcun

segnale, l’ossigeno 17 ce l’ha, l’azoto 14 nulla, l’azoto 15 si invece.

Si misura quindi a quale campo magnetico queste particelle assorbono un certo

valore di microonde.

Consentono di vedere come le posizioni degli AA cambiano in base al trattamento

che facciamo.

La misura della mobilità degli atomi di idrogeno utilizzato per vedere dove e come si

muove l’acqua in un materiale alimentare.

Esempio spaghetti buoni/difettati (è presente una rimanenza di fibra dalla

lavorazione precedente, c’è più acqua e si rompono più facilmente).

Altro esempio è andare a vedere quanto l’acqua ci impiegava ad entrare negli

spaghetti in cottura.

Spaghetto tipo 1. All’esterno (zona rossa) acqua mobile solo qui (In cottura iniziale).

A 8 min acqua presente in modo uniforme. Spaghetto molle.

Spaghetto tipo 2. Dopo 4 minuti non si è nemmeno bagnato. Ad un certo punto

parte il processo di solvatazione che crea un gradiente di mobilità dell’acqua (più

mobile all’esterno e meno al centro). Spaghetto al dente 36

SECONDO PARZIALE

LEZIONE 8

I POLISACCARIDI

AMIDO

L’amido è composto da due molecole diverse, l’amilosio, un polimero lineare che contiene

un solo tipo di legame (alfa 1-4), in cui dei monomeri di glucosio sono allineati in modo

regolare a dare un unico filo, e l’amilopectina, polimero ramificato che contiene due tipi di

legame (alfa 1-4 e alfa 1-6).

L’amilosio comincia il C1 (carbonio aldeidico del glucosio) e termina con il C4 (carbonio

alcolico del glucosio), mentre l’amilopectina è più complessa, infatti sulla struttura

dell’amilosio con intervalli abbastanza rari si innestano delle ramificazioni che

corrispondono alla presenza di legami alfa 1-6.

Un polimero di amilosio ha circa 1000-1200 unità, mentre l’amilopectina è più grossa (con

un solo carbonio aldeidico che si trova alla radice).

I punti di ramificazione nell’amilopectina sono rare, in media ogni 10 unità glucosidiche.

Nel glicogeno invece la ramificazione è ogni 3-4 unità di glucosio.

Il rapporto tra questi due polisaccaridi è differente nelle diverse specie vegetali (quindi ci

saranno amidi più ricchi di uno e amidi ricchi di un altro). Ciò conferisce caratteristiche

diverse.

L’amilosio ha una notevole tendenza alla cristallinità, formando strutture regolari.

L’amilopectina è meno cristallina, in quanto le uniche regioni che si possono unire

formando dei legami idrogeno sono le regioni distali, lontano dalle ramificazioni.

Ci sono alcune specie in cui l’amilopectina è prevalente e il loro amido avrà una struttura di

tipo cerosa (waxy cereals).

La piu importante modificazione tecnologia a cui l’amido va incontro è la sua capacità di

assorbire l’acqua, fenomeno chiamato gelatinizzazione (dissociazione dei legami idrogeno

presenti tra l’amilosio e l’amilopectina), in cui le strutture ordinate presenti

nell’amilopectina vengono disgregate in quanto l’acqua presente sostituisce le interazioni

che normalmente avverrebbero con altre molecole di glucosio all’interno della struttura.

Ciò avviene a temperatura ambiente solo per molecole molto piccole (detto amido

danneggiato, sono per esempio corte catene di amilosio o frammenti di amilopectina).

Se scaldo una sospensione di amido, la viscosità di questa soluzione aumenta, in quanto le

catene di amilosio e i rami dell’amilopectina si sono staccate. Ho un maggior numero di

molecole presenti in soluzione che occupano un maggior volume, fanno maggior attrito le

une contro le altre, determinando un aumento di viscosità.

Tale viscosità rimane costante a temperatura costante, ma raffreddando la soluzione,

l’amido ricristallizza, con un ulteriore aumento di viscosità. Oltre a ciò abbiamo una

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riassociazione di queste strutture molecolari. Fenomeno noto come retrogradazione

dell’amido.

Questo fenomeno può essere sgradito o meno.

Sgradito in quanto è la principale causa di tutti i fenomeni di staling (raffermimento),

fenomeno molecolare che corrisponde alla riformazione parziale delle strutture ordinate

che esistevano prima della gelatinizzazione.

Ci sono però prodotti, come per esempio gli spaghetti di riso, in cui si cerca di favorire

questo fenomeno di ristrutturazione (in quanto quando si buttano in acqua evitano di

sciogliersi)

Altri interventi fatti su materiali amilacei che danno origine alle tre principali filiere

derivanti dall’amido. Posso prendere l’amido e trattarlo con degli enzimi.

Posso degradare i due polisaccaridi complessi dell’amido in molecole molto più semplici,

per attività diverse:

- Miglioratori

- Nuovi prodotti

- Convertire l’amido in qualcosa di diverso (nuovi materiali)

TIPI DI ENZIMI IDROLITICI (IDROLASI):

1) Alfa amilasi: endoenzimi, che tagliano il legame alfa 1-4 all’interno di sequenze di

glucosio lunghe almeno 8-10 unità. Tagliano lasciando il carbonio alfanumerico nella

conformazione alfa.

Ci sono due grandi famiglie di alfa amilasi, distinguendoli in base all’origine:

- Alfa amilasi procarioti che (da batteri), hanno un ph di funzionamento elevato

(sopra 7). Si suddividono a loro volta in termostabili (temperature di utilizzo tra i 60

e 80°C) e ipertermostabile (80 e 110°C); non si denaturano a temperature così

elevate in quanto contengono uno ione calcio, che funge da elemento di

irrigidimento strutturale al loro interno.

- Alfa amilasi eucariotiche (nelle muffe, lieviti, funghi e nelle piante stesse), lavorano

a basso ph (sotto 6) e non sono termostabili (si inattivano sopra i 60 °C)

Le alfa amilasi vengono utilizzate come agente antistaling (antiraffermimento), in

quanto prendono le molecole di amilosio producendo dei pezzi di amilosio, che nel

momento in cui produco l’alimento avranno molta meno tendenza a riassociarsi e a

ricristallizzare rispetto all’amilosio integro. Si rallenta il processo di retrogradazione

dell’amido, che è il responsabile del raffermimento.

L’enzima andrà aggiunto nel momento dell’impasto e è desiderabile che sia

inattivato alla fine della produzione. L’impasto ha ph acido e durante la cottura la

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temperatura deve superare gli 80°C, quindi per soddisfare queste condizioni, uso un

enzima di origine eucariotica.

2) Beta amilasi: esoenzima che stacca dall’estremità non riducente di un polimero di

glucosio, unità di maltosio (disaccaride) che ha un ossidrile beta in posizione 1.

Supponiamo di idrolizzare con beta amilasi l’amilopectina, taglia dall’estremità fino

a quando incontra una ramificazione, in quanto non ci sono più legami alfa 1-4.

Quello che abbiamo ottenuto è una destrina limite (piu di cosi non si può utilizzare

l’enzima).

Anche per la beta amilasi ci sono due tipologie:

- Beta amilasi procariote (a ph basici), non sono termostabili e facilmente inattivabili

dalla temperatura

- Beta amilasi eucariotiche (funzionano a ph acidi) non sono termostabili e facilmente

inattivabili dalla temperatura.

Una applicazione è quella di miglioratori, infatti il maltosio è il substrato migliore per il

lievito utilizzato nella panificazione (Saccharomyces c.), di norma rendono più regolare,

prevedibile e rapida la lievitazione.

Quindi si mettono nella farina, si fa l’impasto e gli enzimi “riforniscono” di maltosio il

lievito.

3) Pullulanasi, che idrolizza il pullulano (polisaccaride con solo legami alfa 1-6

dominante di una famiglia di alghe marine, non hanno necessità di resistenza

meccanica) (nelle piante terresti invece il polisaccaride dominate è la cellulosa, con

legami beta 1-4 glucosio, con elevata cristallinità). Prende la destrina limite e taglia il

legame alfa 1-6. In questo modo linearizzo le porzioni ramificate dell’amilopectina,

rendendo disponibile sia per la alfa e beta amilasi.

Prodotto da eucarioti.

Applicazione è la birra light.

Si prende l’orzo e si mette nell’acqua e si fa germinare (vengono prodotti enzimi per

idrolizzare l’amido). Si fa tostare il seme di orzo germinato inattivando gli enzimi; si

macinano e si fa un infuso, si estrae ottenendo un mosto che contiene pezzettini di

zuccheri generati dalle amilasi. Si aggiunge il lievito e produce etanolo. Birra.

Nel mosto sono presenti però una quantità di polisaccaridi non ancora tagliati, che

forniscono molte calorie.

Per abbassare il contenuto in zuccheri quindi si aggiunge la pullulanasi (in modo che

degradano ciò che alfa e beta amilasi, naturalmente presenti, non sono riusciti);

meno calorie, più alcool ma posso allungare con acqua la birra, con un contenuto in

nutrienti più basso. 39

4) Glucoamilasi, utilizzato per ottenere nuovi prodotti e per ottenere idrolisi completa

dell’amido (dando glucosio). Endoenzima, non molto termostabile (max 60°C), a ph

acido (4.5), fungino e lavora su corte catene (zuccheri fino a tre unità di glucosio).

Solo con legami alfa 1-4.

Prodotti ottenuti dalla trasformazione dell’amido.

Primo processo chiamato liquefazione, in cui trasformo la pasta d’amido in qualcosa di

liquido. Posso ottenere lo sciroppo di maltosio e il bioetanolo.

Il processo successivo viene definito come saccarificazione, che permette di ottenere

formulazioni a diverso grado di idrolisi (definito DE, dextrose equivalent, che esprime la

percentuale di zuccheri presenti nel sistema che hanno il carbonio libero; se fosse tutto

glucosio, avremmo DE=100, se fosse maltosio DE=50, malto triosio, che sono tre unità di

glucosio unite con legami alfa 1-4, DE=33.3). Si ottiene lo sciroppo di glucosio (DE=96).

Analizziamo la filiera in dettaglio:

La fase iniziale prevede una parziale e grossolana macinazione delle sorgenti di amido

(cereali come il mais negli Stati Uniti e il grano in Europa), ottenendo dei grits.

Si fanno passare in dei cilindri e si ottengono fiocchi di mais.

Si miscela con acqua (30-40% solidi), bacterial alfa amilasi (BA) e Ca(OH) (Calce spenta o

idrossido di calcio, che ha la funzione di alzare il ph e grazie al calcio che ha presente

aumenta la termostabilità). Solo se si vuole ottenere degli sciroppi e non bioetanolo, si

deve aggiungere anche NaH2S03 (metabisolfito), composto che genera della anidride

solforosa utile per impedire fenomeni di ossidazione.

Si inietta del vapore, che cede calore vivo e calore latente di condensazione. La miscela si

allunga leggermente (grazie alla condensa) e la sua temperatura arriva a 110°C. Con queste

temperature l’amido si gelatinizza (permettendo la successiva azione dell’enzima), elimino

i batteri e gli enzimi endogeni e infine si rendono insolubili tutte le proteine presenti nel

sistema.

Si lascia riposare la miscela e la amilasi che ho aggiunto (essendo termostabile) inizierà a

lavorare, ottenendo un amido che resta comunque in soluzione nonostante

l’abbassamento della temperatura. Siamo riusciti ad ottenere la liquefazione.

- Per ottenere bioetanolo ora si prende il tutto e aggiungo il Saccharomyces c., che

inizia a crescere e svolgere il suo metabolismo. Una parte dei carboidrati presenti

quindi viene trasformata in etanolo (ottenendo una soluzione al 18% di etanolo).

Filtro la soluzione e ottengo 82% di acqua e 18% etanolo da una parte, e dall’altra

parte il residuo solido composto da zuccheri non digeriti, il resto delle cariossidi e

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lieviti (denominato distillers grains, venduto in forma solida o liquida agli allevatori,

che è ricco in vitamine).

- Per ottenere sciroppo di maltosio invece, si aggiunge acqua fredda per abbassare la

temperatura a 60-65°C e acido cloridrico (per abbassare il ph). Aggiungo anche beta

amilasi e pullulanasi. In questo modo l’amilopectina vede rimuoversi le

ramificazioni, e la beta amilasi produce maltosio (DE=42-43).

È necessario purificare il tutto, passando su due tipi di assorbenti. Uno è una

colonna riempita con scambiatori forti (cationi o anioni), tolgono i sali dalla

soluzione. Per rimuovere le sostanze colorate si fa passare su una colonna con una

sostanza idrofobica, il carbone attivo (ottenuta dalla combustione di legna o ossa).

- Per ottenere invece sciroppo di glucosio, si acidifica e si abbassa sempre la

temperatura, ma viene impiegato un altro tipo di enzima, glicosidasi, e la

pullulanasi. È un processo estremamente flessibile.

Si parte infatti con l’amido liquefatto che ha un DE=1, e a seconda di quanto

prolunghiamo il processo di saccarificazione, possiamo avere diverse tipologie di

sciroppi, ciascuna caratterizzata da un diverso DE: minore di 5 (utilizzato come

legante, usato per le industrie tessuti e petroliere), 10-20 (sciroppi parzialmente

idrolizzati, usati come ingredienti dei dolciumi morbidi, DE 10, e rigidi, DE 20) e

superiore a 90 (sciroppo di glucosio, venduto come soluzione di glucosio al 45%

(bevande gassate).

Per rendere lo sciroppo di glucosio ancora più dolce, bisogna isomerizzarlo,

facendolo diventare fruttosio (reazione reversibile). Si ottiene una miscela

denominata isomerosio (usato al posto del saccarosio, piu dolce e meno costoso).

Per isomerizzare si usa un enzima (isomerasi) denominato xilosiomerasi (è costoso,

intracellulare, si utilizza riempiendo colonne cromatografiche con una resina a

scambio ionico ancorando l’enzima; per evitare che venga portato via dal materiale

che fluisce viene cross-linkato con glutalaldeide). Si fa passare lo sciroppo in questa

colonna, trasformandolo in fruttosio. 41

LEZIONE 9

POLISACCARIDI INSOLUBILI

CELLULOSA

È un polimero del glucosio cha ha legami beta 1-4. Fa si che i legami idrogeno tra i singoli

atomi siano regolari. Ha un elevato grado di cristallinità e dato che prevalgono i legami tra

le singole fibre rispetto all’acqua, rende il polimero insolubile e meccanicamente stabile

(conferisce rigidità).

La cellulosa è sempre accompagnata da altri polimeri eterogenei, sia in termini di tipologia

di carboidrati presenti, che in presenza-assenza di ramificazioni.

Polisaccaridi che contribuiscono all’elasticità delle cellule vegetali, sono chiamate

EMICELLULOSE (tra cui pentosani, polimeri costituiti prevalentemente da pentosi, xilani,

prevalentemente xilosio, e arabino-xilani, con arabinosio e xilosio).

Costituiscono la fibra alimentare, rilevante per la nutrizione umana, non sono digeribili ne

dal nostro organismo ne dalla nostra microflora.

Partecipano però all’assorbimento di altri componenti, condizionano infatti la velocità con

cui vengono degradati altri componenti (importante per l’idrolisi di carboidrati, rallenta il

rilascio del glucosio).

Questi composti, una volta subito il processo digestivo, sono in grado di trattenere acqua.

La loro capacità di trattenere acqua è legata alle dimensioni di questi componenti (la

masticazione rendono queste componenti completamente accessibili all’acqua, grazie alla

solvatazione).

Le cellulose e le emicellulose hanno la capacità minore o maggiore di interagire con

l’acqua. Ciò dipende dalle dimensioni, più piccole sono e più facilmente legano acqua.

Agiscono anche da tamponi nel trasferimento di acqua tra le diverse fasi che caratterizzano

un alimento (per es. proteine-amido).

Si cerca quindi di modulare la capacità di queste molecole di interagire con l’acqua,

aggiustandone le dimensioni, tagliandole quindi in pezzettini piccoli. Si usano diverse

famiglie di enzimi, le cui più importanti sono le CELLULASI che sono di due tipi:

endocellulari (tagliano il polimero lineare di cellulosa all’interno della struttura) e

esocellulasi, come la cellobioidrolasi (che interviene sul polimero di cellulosa a partire dalla

estremità non riducente, staccando unità disaccaridiche , due glucosii legati 1-4, chiamati

cellobiosi).

Le cellusasi non lavorano su molecole cristalline, ma è necessario staccare le molecole di

cellulosa le une dalle altre.

(ESEMPIO JEANS SCOLORITI, ottenuto da applicazione di enzimi).

Le cellulasi quindi tagliano la cellulosa in modo tale da modulare la sua capacità di

trattenere l’acqua (in genere l’aumentano). È utile per i prodotti da forno, ma dannoso per

le paste integrali. 42

Le EMICELLULASI invece sono enzimi specifici per certi tipi di zucchero (es. mannosidasi,

rannosidasi, rabinosidasi) e per certi tipi di geometria di legame .

Es. yogurt arricchito con beta-glucani (polimeri di glucosio a corta catena) che si

distinguono in quelli con legami beta 1-4 (piante) e in quelli beta 1-3 (lieviti, quest’ultimi

modulano la crescita della flora intestinale).

Varie applicazioni di questi enzimi:

- Si questi enzimi per controllare le dimensioni o degradare queste strutture. (es.

facilitare l’estrazione dell’olio rimasto intrappolato nelle morchie, degradando

questi polimeri; oppure liberare dalle strutture vegetali anche composti aromatici,

oli essenziali, pigmenti).

- Degradazione di componenti che causano problemi come alcuni zuccheri. Le idrolasi

rompono questi zuccheri.

Un esempio è il raffinosio (un trisaccaride, simile allo stachiosio, anch’esso

trisaccaride presente in tutti gli alimenti tipo i fagioli la cui ingestione provoca la

formazione di gas al livello intestinale, dovuta alla fermentazione appunto di questi

polisaccaridi che non siamo in grado di digerire); è composto da una molecola di

saccarosio con un galattosio (legati con alfa 1-4), si trova nelle barbabietole da

zucchero e costituisce una parte consistente della zona non cristallizzabile dello

zucchero, dando problemi condizionando la formazione dei cristalli di zucchero nel

processo. Va quindi eliminato. Si usano quindi delle alfa galattosidasi che tagliano il

legame tra saccarosio e galattosio.

Altro esempio è quello dei beta glucani presenti nei vegetali, in questo caso quelli

del’orzo. In annate piovose, nella produzione della birra (il lievito non utilizzo i beta

glucani) e essendo lunghi rende viscoso il tutto dando problemi al momento della

filtrazione; si interviene quindi con una beta glucanasi che taglia molecole,

consentendo di filtrare la birra più rapidamente.

- Altra applicazione è quella della stabilizzazione dei succhi di frutta (al fine di

ottenere un succo chiaro o succo di polpa senza sedimentazione). Per evitare la

sedimentazione si interviene con questi enzimi.

- Idrolisi di glucoside (molecola idrofobica prodotta dalla pianta sottoforma di

coniugato con uno zucchero. Ha una porzione alcolica che forma un legame

glicosidico con uno zucchero generico). Alcune di queste molecole sono solubili e

altre no, ma se sono coniugate con uno zucchero sono tutte idrofile.

Immaginiamo di avere una molecola aromatica (es. terpenolo) con uno zucchero

attaccato, in questo caso non sentiamo alcun odore in quanto essendo la molecola

aromatica attaccata ad uno zucchero, non riesce ad evaporare in fase gassosa (unico

modo per riuscire a percepirlo).

Questo è molto importante per l’industria enologica. Di norma all’aroma del vino

contribuiscono le sostanze aromatiche presenti nella buccia del vino, sottoforma di

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glucosidi, e vengono rilasciate con tre meccanismi: il primo è quello di utilizzare

enzimi idrolitici specifici presenti nell’acino stesso, prodotti da lieviti naturalmente

presenti sulla buccia (non tutte le uve però hanno lo stesso corredo enzimatico,

alcune ne hanno pochi, altre tanto). Le bocce che hanno un elevato contenuto di

questi enzimi, rimoviamo le bucce dopo la fase di pressatura. Se ne hanno pochi

invece, interveniamo con enzimi specifici liberando, in maniera selettiva e

controllata, certe note aromatiche.

- Rimozione di componenti amare da alcuni succhi (es. pompelmo reso amaro da

alcuni alcaloidi, come la naringina presente sottoforma di glicoside; i nostri sensori

riconoscono il glicoside, mentre non riconoscono l’alcaloide da solo. Quindi si

prende il glicoside e lo si taglia in modo da rimuovere il sapore amaro).

GOMME ALIMENTARI

Sono dei polimeri a base di zuccheri che sono solubili in acqua, utilizzati come agenti

ispessenti o agenti stabilizzanti.

Vengono distinti in base a vari criteri: provenienza (piante, alghe, essudazione di fili

microbici), struttura chimica (cariche, ramificate), funzionalità.

Per provenienza:

- carruba, guar, pectine, cellulosa, amido (ottenute da piante);

- carragenina, agar e alginati (dalle alghe)

- xantano e gellano (da m.o.)

Per struttura chimica:

- gomme senza carica (non ioniche)

- gomme con cariche (acidi deboli, come l’acido galatturonico, o acidi forti, il gruppo

solfato delle carragenine).

Per funzionalità:

- agente ispessente, aumenta la viscosità. Condizionato dalla lunghezza, più un

polimero è lungo e più sarà viscoso, e dalla presenza di ramificazioni (se escono dei

residui dalla catena polimerica e cerco di farli scorrere gli uni sugli altri, non ci

riesco), che quindi aumentano la viscosità. I principali sono la gomma di carrube, il

guar, i derivati della cellulosa, amido e xantano.

- Capacità gelificanti. Per le marmellate per esempio. Sono tutti polimeri carichi.

- Stabilizzante di schiume e emulsioni (per evitare la separazione della componente

grassa da quella zuccherina per esempio).

- Stabilizzazione di cristalli di ghiaccio in una matrice liquida (es. gelato).

GOMMA DI CARRUBE

Ottenuta da un seme.

Solubilità: si scioglie solo a caldo (>80°C). 44

Non raggiunge viscosità elevate.

È un galatto-mannano, ovvero un polimero lineare di mannosio con alcuni galattosio

inseriti, con un legame alfa galattosidico (in rapporto di un galattosio ogni 3-4 molecole di

mannoiso).

Polimero non digeribile, è privo di sapore, usato per fare gelati (assicura che il gelato sia

compatto e con cristalli piccoli che non si rifondono tra loro diventando grossi, quindi

ritarda in qualche modo la loro crescita).

GOMMA DI GUAR

È sempre un galattomannano.

Maggior viscosità rispetto alla carrube, in quanto questo polimero ha un rapporto di un

galattosio ogni due residui di mannosio.

Si scioglie a freddo (il fatto che abbia più ramificazioni riduce le interazioni polimero-

polimero e quindi l’acqua entra più facilmente; nella gomma di carrube invece devo

scaldare il legame idrogeno per consentire all’acqua di entrare).

Fattore negativo è la presenza nei semi di guar di composti sgradevoli dal punto di vista

sensoriale e sono anche presenti altri polimeri che danno caratteristiche “bavose”.

Utilizzata per alimenti che hanno già un sapore forte e dominante (vanno bene per la carne

in scatola, sconsigliato per il gelato per esempio).

PECTINE

Polisaccaride carico, lineare con un solo monomero, l’acido galatturonico (carbonio

ossidato a ossidrile è il C6).

Ciò che le differenzia è la lunghezza e la presenza o assenza di un estere metilico sul

carbossile (l’estereficazione governa la quantità di acqua associabile; nessun metile, tanta

acqua; metili presenti, acqua non associata). La presenza di metile determina anche la

carica (metile presente, nessuna carica; metile assente, carica negativa presente).

Se fossero tutti metilati avremmo un polimero la cui carica non dipende dal ph. Se invece

de metilassimo e idrolizzassimo tutti i legami estere in modo da avere solo acido

galatturonico, avremmo una elevata carica.

Quindi i vari tipi di pectina sono caratterizzati in base al loro grado di esterificazione detto

DE (Degree Esterification) (ovvero la percentuale di carbossili che porta il gruppo metilico).

Pectine a basso metossile (<50%) e alto (>50%).

- Le alto metossile si dividono in quelle che gelificano lentamente e velocemente

(legato alla lunghezza del polimero). Soluzioni con più del 60% di solidi solubili,

usato per le marmellate (a temperature elevate rimane gel) (usate nei succhi di

frutta, fungono da rivestimenti dei granellini di polpa presenti, ritardandone la

sedimentazione). 45

- Le basso metossile possono essere convenzionali o ammidiche. Sono più o meno

solubili in funzione del ph (più è alto e più sono solubili). Sensibili alla presenza di

cationi bivalenti (Ca), che si dispone a ponte tra le cariche negative dei carbossili,

agendo come agente cross-linking. (usate per le confetture a basso contenuto in

zuccheri, semilavorati per prodotti da forno, farciture, in quanto la capacità di

trattenere l’acqua di questi composti ionizzati (pectine) è indipendente dalla

temperatura.

Per modulare le proprietà delle pectine (grado di metilazione e lunghezza della catena) si

usano enzimi pectinolitici, dette PECTINASi:

- Pectionoliasi, endoenzima che taglia il legame alfa 1-4 galattosidico, tra due unità

acido galatturonico all’interno della catena (non importa se è presente o meno il

metile), idrolizzano senza utilizzare l’acqua.

- Poligalatturonasi, endoenzima, che taglia il legame alfa 1-4 galattosidico prendendo

l’acqua dall’ambiente, solo se non è presente il metile sul C6. Non può quindi

lavorare da solo, ma in sinergia con altro enzima, la pectina-metil-esterasi.

- Pectina-metil-esterasi, rimuove il legame estere presente in posizione C6 e rilascia

metanolo.

CARRAGENANI

Dalle alghe, è un polisaccaride ionico, costituito da galattosio e anidro galattosio (con

sostituenti solfato per conferire resistenza alla struttura delle alghe). Ci sono tre tipi di

carragenine che differiscono per il tipo di legame e per la quantità di residui solfato

presenti (le carragenine k ne hanno pochi, 25% degli ossidrili sono esterificati) (per le

carragenine iota circa il 40%) (per le lambda >45%).

- Le k-carragenine, hanno quindi poco solfato, non si sciolgono a freddo, gelificano

solo se vengono neutralizzate un po’ di cariche aggiungendo un sale. Reagiscono

con molecole cariche positivamente, come le caseine. Forma gel tenaci ma fragili.

- Le iota-carragenine, sono solubili anche a freddo, grazie alla presenza maggiore di

solfato. Per creare un gel occorre aggiungere ioni calcio. Il gel formato sarà soffice,

elastico e reversibile.

- Le carragenine lambda, si sciolgono anche a freddo, non si riesce a formare il gel ma

si creano soluzioni viscose. Utilizzato per disperdere i grumi (in quanto alcune

molecole hanno la tendenza a unirsi fortemente non permettendo l’ingresso di

acqua, formando un grumo; ma se prima aggiungo la carragenina quello che si

ottiene è la disperdibilità istantanea.

Utilizzate in generale per i dessert neutri (budini, creme), bevande al latte a ph neutro e

acido, formaggi e prosciutti cotti. 46

AGAR AGAR

Da alghe rosse, composto da agarosio e agaropectina (che ha qualche solfato).

Ha bassa temperatura di formazione di gel (35-50°C).

Usato per la carne in gelatina.

ALGINATO DI SODIO

Polimero con blocchi di acido mannuronico e glucuronico.

Forma gel solo se si aggiunge calcio e è possibile modulare le caratteristiche di un gel di

alginato in base a quanto calcio viene aggiunto.

È un sistema stabilizzato da legami ionici e quindi totalmente insensibile alla temperatura.

Usato per le creme resistenti al forno.

GOMMA XANTANO

Esopolisaccaride (mannosio e acido glucoronico) prodotto dallo Xantomonas Campestris.

Non è sensibile alla temperatura, al ph e alla presenza di sali.

Importante proprietà è la pseudo plasticità, ovvero cambia la viscosità in base allo sforzo

applicato (usato per i prodotti squeezable, es. ketchup, fluido al momento della pressione,

denso all’utilizzo).

POLIMERI SEMISINTETICI

- CARBOSSIMETILCELLULOSA.

Una normale cellulosa (ogni glucosio ha tre ossidrili liberi, a cui si possono attaccare

attraverso un legame etere con l’acido monocloroacetico). Più acido acetico attacco,

più il polimero sarà solubile in acqua.

Cellulose modificate e amidi modificate sono un ingrediente in molte formulazione con

grande capacità di stabilizzare le dispersioni (succhi di frutta, stabilizzanti nei formaggi

freschi). 47

LEZIONE 10

LIPIDI

Trigliceridi sono molecole composte da una molecola di glicerolo esterificato con tre acidi

grassi (quest’ultimi determinano proprietà fisiche e chimiche).

- La lunghezza degli acidi grassi varia da un minimo di 4 atomi di C fino ad un

massimo di 24.

Gli ac. grassi a corta catena sono quelli più facilmente rimovibili dalla azione delle lipasi e

sono responsabili del rilascio di particolari note aromatiche in tutti gli alimenti processati

(sottoposti a modificazioni biochimiche), in quanto l’uscita di questi acidi grassi a corta

catena (C4-C8 MAX) provoca certe note aromatiche (ac. butirrico, caprionico per esempio).

Diversa percezione che si ha di fronte ad una componente aromatica. Considerando una

concentrazione di un ac. grasso a corta catena, come il butirrico, nel nostro organismo

abbiamo due tipi di sensori per questo composto (uno ad alta affinità ed uno a bassa

affinità).

Il sensore ad alta affinità comunica con una regione del cervello che a basse concentrazioni

del mio composto, ho una risposta gradevole, finche questo sensore si saturerà. A questo

punto non risponderà più, ed il composto inizierà a legarsi all’altro sensore, quello a bassa

affinità, che invece comunicano con una regione del cervello che invece fornisce una

sensazione di pericolo, puzza (al di sopra di una certa soglia quindi, quello che prima era

avvertito come aroma gradevole, diventa sgradevole). (basso concentrazioni=nano

grammi; alte conc.=micro grammi).

- La presenza/assenza di insaturazioni è un altro parametro importante.

Un acido grasso saturo ha una struttura regolare, mentre se è insaturo ha una struttura più

irregolare (presenti in geometria cis in natura, mentre se sono stati modificati posso anche

essere in forma trans).

Se si aumenta il contenuto in acidi grassi insaturi, si ha un cambiamento delle

caratteristiche fisiche, in quanto un trigliceride che tutti dei sostituenti saturi ha una

struttura regolare, mentre se nello stesso trigliceride ho presente acidi grassi insaturi la

regolarità non è più presente. Ciò influenza il punto di fusione. Quelli composti con più ac.

grassi saturi, sono solidi a temperatura ambiente, mentre gli insaturi sono liquidi a

temperatura ambiente.

Un esempio è quello del burro di cacao, in cui il trigliceride maggiormente presente è

composto da una molecola di glicerolo e da uno stearato (C18 saturo), oleato (C18

insaturo), stearato (SOS). Confrontando questo tipo di grasso (SOS) con l’olio di oliva

(palmitato, oleina, palmitato, POP), quest’ultimo è liquido a temperatura ambiente mentre

il burro di cacao è solido. Il burro di cacao si scioglie alla temperatura corporea (37°C).

Un altro esempio è la produzione di pasta sfoglia, ottenuta stendendo più piani di pasta

inserendo tra uno e l’altro piano, del burro. Non è possibile sostituire il burro con l’olio, in

48

quanto il burro resta solido anche a temperature di lavoro, altrimenti l’olio penetrerebbe

nell’impasto, interagendo con l’amilosio perdendo l’effetto di stratificazione tipico della

pasta sfoglia.

Un altro esempio. Abbiamo il POP (olio di oliva), OPO (leggermente più insaturo, come

l’olio di germe di mais. Per friggere se si mira alla qualità del fritto (quindi l’olio dovrà

sgocciolare via velocemente; quindi quando si raffredderà il prodotto l’olio dovrebbe

sgocciolare e quindi quello che rimane più liquido a temperatura ambiente è quello che

lascia il fritto meno unto). Migliore è quello più insaturo.

Il processo di frittura raggiunge elevate temperature (180-200°C), portando ad una serie di

reazioni pirolitiche, la cui più importante di tutte è la decomposizione dei composti di

Amadori, per dare l’acrilamide (composto neurotossico), che si forma in prodotti ricchi in

zuccheri e proteine (come le patatine fritte).

- La percezione tattile (non solo mani, ma anche a livello della lingua).

Un esempio è la differenza tra olio (sensazione di unto) e burro (composto a temperatura

ambiente da microsferette, dando una sensazione di tipo “burroso”).

I FAT REPLACES, o sostituti del grasso, imitano l’effetto della percezione tattile data dal

burro, utilizzando qualcosa che non abbia le controindicazioni nutrizionali di un trigliceride;

un esempio è la procedura per ottenere delle microsferette utilizzando del bianco d’uovo

rassodato (si nebulizza il bianco d’uovo, si scalda, ottenendo goccioline piene di acqua,

percepite a livello dei sensori come i burro; utilizzato per le maionesi light).

PUFA (Polinsaturated Fat Acid)

Acidi grassi con più di un doppio legame, sono molto proni ad andare incontro a

ossidazione e polimerizzazione.

Polimerizzazione (es. olio di lino, il principale componente è l’acido linoleico e linolenico;

molto sensibile alla polimerizzazione, tanto da essere utilizzato nella pittura ad olio, in

quanto dopo qualche mese il velo disperso sulla superficie si trasforma in una matrice

polimerica.

In un sistema in cui ci sono dei doppi legami, c’è una estrema facilità all’ossidazione, sia di

tipo biochimico che chimico (causata da contaminati presenti nell’alimento e da agenti

fisici).

Reazione di Fenton, che trasforma una specie apparentemente innocua come l’ossigeno, in

una specie molto reattiva come l’anione superossido; quest’ultimo ha come principale

bersaglio gli acidi grassi polinsaturi, che quindi irrancidiscono con grande facilità.

Un’eccezione è l’olio di oliva che contiene spontaneamente delle molecole antiossidanti

derivanti dalla drupa dell’oliva.

Oltre alla reazione di Fenton, l’ossidazione può avvenire con una scissione omolitica,

avente come protagonista la molecola di acqua, che la rompe in due radicali, quando

incide sul prodotto una quantità di energia luminosa sufficiente (sfruttato per la

49

conservazione di spezie e aromi con l’utilizzo di irraggiamento con raggi di tipo gamma,

producendo specie reattive che vanno a distruggere il DNA dei m.o. presenti.

Ciò può avvenire anche nell’olio di oliva, per questo motivo viene conservato in bottiglie

scure al riparo dalla luce.

MONO e DIGLICERIDI degli ACIDI GRASSI

Molecole (con uno o due acidi grassi esterificati e un o due residui del glicerolo liberi) che

derivano dai trigliceridi, in diversi modi:

1) Reazione chimica in cui si prende il glicerolo e si fa reagire con un cloruro acilico

(tecnica non utilizzata solitamente). Sono i mono e digliceridi degli acidi grassi di

sintesi, ottenuti da paraffine. Si può attuare con facilità per gli acidi grassi saturi,

mentre non è possibile per gli insaturi.

2) Si prende un trigliceride e si idrolizza il legame estere con un trattamento di alcali a

caldo, noto come SAPONIFICAZIONE. (Il trigliceride diventa monogliceride, e da

quello che si è staccato si ottiene anche sale di sodio, potassio, il sapone).

3) Per via enzimatica; si usano delle lipasi, che sono selettive nei confronti della

lunghezza della catena (lavorano facilmente tanto più sono corti gli acidi grassi

presenti) e sono anche regio selettive (staccano prima l’acido grasso al centro del

trigliceride).

I mono e digliceridi degli acidi grassi sono importanti in quanto sono delle molecole

anfifiliche (poco, infatti la porzione idrofobica è sovrabbondante rispetto alla regione

idrofilica), caratteristica ideale per facilitare la stabilità di emulsioni e anche di sistemi

composti da una fase solida e una liquida (es. prodotti da forno, in cui si modula il

passaggio di acqua tra due macropolimeri presenti nel sistema).

FOSFOLIPIDI

Rispetto ai trigliceridi è presente una porzione polare più abbondante.

In un fosfolipide, un terzo ossidrile del glicerolo è esterificato con fosfato.

Nella lecitina per esempio si ha un equilibrio tra le porzioni apolari (le due code idrofobiche

degli acidi grassi) e porzioni polari, molto più spostato verso il polare rispetto ai

monodigliceridi.

La testa polare (fosfatilcolona) a qualunque ph presenta una carica positiva e negativa

(quindi è priva di carica). Quindi ho un sistema dotato di proprietà colligative e quindi in

grado di organizzarsi sia da solo che in presenza di altre matrici.

Alcuni esempi di organizzazioni formate da fosfolipidi:

- Micella, composta da un core idrofobico interno e la porzione idrofilica esterna. Una

struttura di questo tipo all’interno di un monolayer (monostrato) si possono

aggiungere molecole idrofobiche più o meno grosse (es. piccole, come le goccioline

di grasso, più grosse, cristallo di qualcosa) che riescono a stare in soluzione in un

50

ambiente acquoso perché è completamente rivestito da questo monostrato di

fosfolipidi. È possibile crearlo sia per strutture liquide che solide (come il cioccolato,

tutto ciò che è nero, i polifenoli derivanti dal processo di torrefazione, è qualcosa di

insolubile, ma vengono tenuti in soluzione grazie ai fosfolipidi, come la lecitina).

- Micella inversa, se mettiamo i fosfolipidi in un sistema acquoso (molto solvente) e

invertiamo il sistema, i fosfolipidi saranno disposti in modo diverso (all’esterno la

fase organica e idrofobica, mentre all’interno avremo l’acqua; situazione tipica del

burro).

- Vesicles (doppi stati fosfolipidici) o anche detti liposomi, che vengono usti per

veicolare aromi e micronutrienti all’interno di formulazioni alimentari.

Un esempio di liposoma è il SUV (Small Unic Vesicles), una sorta di minicellula, un

doppio strato fosfolipidico che separa due ambienti acquosi (uno interno e uno

esterno).

All’interno di queste microstrutture quindi si possono mettere aromi, coloranti per

esempio ed averne un rilascio controllato soltanto in certe condizioni (per esempio

quando il prodotto viene consumato o cotto)

AZIONE IDROLITICA DELLE LIPASI E ESTERASI

Agiscono su un trigliceride, rompendo un legame estere.

Esistono due classi di enzimi in grado di fare questa idrolisi, le lipasi e le esterasi.

Entrambe hanno lo stesso sito catalitico (necessitano l’aggiunta di una molecola d’acqua

per rompere il legame estere), ma lavorano in modo differente.

Grafico di Michelis-Mentes (asse x conc. del substrato, asse y velocità di azione

dell’enzima).

Nel caso delle esterasi, come quasi tutti gli enzimi, al crescere della concentrazione del

substrato, cresce la facilità con cui si forma il complesso enzima-substrato e quindi cresce

l’abilità catalitica dell’enzima.

Per le lipasi invece è necessario raggiungere una certa concentrazione di substrato prima

che parta l’azione catalitica dell’enzima (solo se è presente una sufficiente quantità di

substrato al fine di creare una interfaccia tra l’acqua e la superficie idrofobica della

gocciolina di grasso). Funzionano come una sorta di “piovra” che si adagiano sopra una

superficie di una gocciolina di grasso. Se non c’è abbastanza grasso non riesce a lavorare.

Le lipasi funzionano bene su catene corte (quindi staccano per primi gli acidi grassi più corti

e in secondo luogo su quelli più lunghi), lavorando meglio sulle posizioni interne del

trigliceride.

Applicazioni degli enzimi lipolitici:

1) Maturasi, maturazione accelerata dei formaggi (oltre all’idrolisi delle proteine,

l’idrolisi dei lipidi genere una serie di contributi aromatici), che sono miscele

51

studiate specificatamente di lipasi e proteasi, che consentono di accelerare i tempi

della maturazione dei formaggi.

2) Usate per i prodotti da forno (come miglioratori), migliora la fragranza (rilascio per

esempio di acido butirrico, aroma di burro) e convertono i trigliceridi in mono e

digliceridi, quindi composti emulsionanti generati in sito (che quindi non vanno

dichiarati in etichetta, clean label).

3) Scaldando l’amido è possibile vedere quanto calore assorbe/cede. Andando a

temperature elevate (circa 110°C) si srotola la catena della amilosio (che in

condizioni native era avvolta a catena, in cui sono presenti anche lipidi) (a basse

temperature invece i trigliceridi conferiscono rigidezza strutturale e questi sono i

punti in cui parte la ricristallizzazione dell’amido, facendo raffermare i prodotti).

Quindi le lipasi vengono usate per eliminare i lipidi all’interno di questa struttura per

rallentare la ricristallizzazione e non è più presente il picco a 110°C.

4) INTERESTIFICAZIONE. Il burro di cacao (SOS) e l’olio di palma (POP, palmitico,

oleico, palmitico, meno caro).

A partire da un olio di palma, con una lipasi e in presenza di tracce di acqua e in

eccesso di acido stearico, si ottiene la fuoriuscita di un acido palmitico e l’olio di

palma si trasforma in burro di cacao.

5) Scopi sintetici. Per catalizzare reazioni di esterasi in soluzioni non acquose (mentre

in ambiente acquoso viene spinta in modo inverso, verso l’idrolisi del legame

estere), per produrre esteri (la maggior parte degli aromi sono esteri). 52

LEZIONE 11

MICROCOSTITUENTI

FERRO

È uno degli elementi più abbondanti del pianeta, e dopo calcio e magnesio è il metallo più

abbondante nel corpo umano (si ritrova soprattutto nelle proteine coinvolte nel trasporto

dell’ossigeno, ovvero la emo e mioglobina, in buona parte anche in proteine come la

ferritina, di deposito in quanto il ferro non va mai in giro da solo, e come ferro funzionale,

enzimi e trasportatori di elettroni, ferro zolfo proteine nei citocromi e nella catena

respiratoria mitocondriale e come proteine in grado di sintetizzare e riparare il DNA).

L’essere umano necessita di assumere il ferro e deve impedire che lo assumano i m.o.

patogeni presenti, in quanto in assenza di ferro i m.o. patogeni non possono crescere

(quindi controllando la quantità di ferro, si controlla la loro crescita; molte funzioni

antisettiche di alimenti si basano proprio sulla capacità di chelare il ferro, non rendendolo

disponibile).

Troppo ferro invece è dannoso e soprattutto la forma Fe2 (ferro ferroso), in quanto è

facilmente ossidabile, formando Fe3 (ferro ferrico) e trasformare successivamente specie

ossidanti blandi in specie altamente reattive (reazione di Fenton, Fe2 + 02 = Fe3 + 02-

(anione superossido)); può formare anche ROS, che creano danni a livello tissutale,

possono alterare il DNA, possono ossidare proteine sensibili o comunemente ossidano i

doppi legami presenti negli acidi grassi insaturi, generando per prima lipossidi e poi

perossidi, determinando la rottura di queste catene). La presenza di ferro e ossigeno libero

è in grado di causar danni incredibili ad alimenti (come olio).

Il ferro ferrico Fe 3 è una specie che in qualunque forma chimica presente è caratterizzata

da una elevata insolubilità ai ph vicini alla neutralità tipici delle cellule.

Questi due fattori, ovvero la tossicità del Fe2 e l’insolubilità del Fe3, rendono necessario

“accompagnare” il ferro nelle funzioni di trasporto e stoccaggio con delle proteine.

Il contenuto in ferro del nostro organismo è molto omeostateizzato (se ne assume poco e

se ne perde poco), il fabbisogno dietetico è modestissimo.

Il ferro in eccesso viene espulso tramite la perdita di epitelio o emorragia mestruale.

Il ferro per far fronte a carenze deve essere assunto tramite trasfusioni, e la forma più

facilmente assorbibile è quella più ridotta Fe0 o associato con un Eme.

Si assumono normalmente 10/20 mg di ferro, e solo il 10-20% viene assorbito. Il 75%

assorbito viene catturato dalla transferina (lo trasporta nel plasma sanguigno e lo rilascia ai

tessuti utenti, ovvero quelli che fabbricano le nuove cellule del sangue come il midollo

osseo e la milza, dove viene sintetizzata la emoglobina). Un quarto di ferro invece viene

accumulato nella ferritina. La restante parte viene processato direttamente in citocromi e

proteine. 53

Quella che entra è uguale alla quantità che esce (omeostasi).

L’assorbimento del ferro (quello presente negli alimenti sottoforma di ferritina o

transferina) avviene principalmente a livello degli enterociti dell’ intestino tenue e la

capacità di assorbimento dipende da quale alimento si accompagna. Infatti, il responsabile

dell’assorbimento di ferro sulla parte luminale dell’enterocita richiede la riduzione del

ferro, tipicamente presente in tutti gli alimenti come Fe3. Ciò può essere mediato da una

serie di composti riducenti, come polifenoli, la vitamina c (es. il limone che abbassa il ph

dell’alimento, rendendolo più gradevole e denatura le proteine presenti, e

successivamente a livello intestinale abbiamo presente simultaneamente il riducente e il

ferro ridotto). La riduzione del ferro è facilitata dai ph acidi.

1) Riduzione Fe3 a FE2.

2) Il ferro viene poi trasferito all’interno della cellula attraverso un trasportatore

dedicato grazie alla proteina DTM1 (divellant metal transporter 1, ovvero

trasportatore dei metalli bivalenti).

Entra in simporto con dei protoni sfruttando il potenziale di membrana (interno

delle cellule è carico negativamente rispetto al lume intestinale quindi l’ingressi di

cariche positive, ovvero il ferro, è termo dinamicamente facilitato).

Il DTM1 funziona non solo per il ferro ma anche per altri metalli bivalenti come lo

zinco e il rame.

1) Per il ferro nella forma Eme invece (la mioglobina, ovvero la parte proteica viene

digerita, mentre l’Eme no) l’assorbimento è diverso e non è necessaria alcuna

riduzione ma serve un trasportatore specifico la Eme Carrier Protein, che porta

l’eme tal quale dentro l’enterocita, che viene espulso poi nei vasi sanguigni (parte

basale) grazie ad un altro trasportatore specifico.

3) Nell’enterocita ci sono due teorie riguardo a cosa succeda al ferro: la prima è che si

riossida a Fe3 e come tale accumulato nella ferritina o sequestrato da alcune

molecole; la seconda teoria è che il Fe2 venga sequestrato da tioli (molecole ricche

in –SH), come il glutatione (un tripeptide che contiene una cisteina avente la

capacità di legarsi al ferro sia 2 che 3) o l’acido lipoico (che esiste in due forme, una

ossidata con un legame disolfuro e una ridotta con due funzioni tioliche;

quest’ultima è in grado di chelare sia il Fe2 e 3, rendendolo solubile anche a valori di

ph elevati che si trovano nella cellula).

4) La proteina per trasportare il ferro nell’organismo dopo che è stato assorbito è in

grado di legare solo il Fe3. Quindi il Fe2 presente nella cellula va ossidato a Fe3.

Ciò viene affidato a due proteine, una presente nell’enterocita detta EFESTINA, e

una presente nel siero, chiamata CERULOPLASMINA (di colore azzurro in quanto

54

contiene rame nello stato di ossidazione 2, relativamente abbondante nel sangue).

Insieme, usando l’ossigeno senza produrre ROS, riescono ad ossidare il ferro.

5) Il ferro quindi ora può uscire dall’enterocita grazie alla FERROPORTINA.

6) Il Fe3 è ora nel sangue venoso (poco ossigenato che sta tornando ai polmoni), che è

pieno di HCO3- (bicarbonato); è presente anche la TRANSFERRINA che lega la

proteina (ha due lobi ed entrambi sono in grado di legare uno ione Fe3 in sinergia

con una molecola di HCO3-; è un legame molto strano, ci sono impegnati vari AA,

come l’arginina per bloccare la HCO3-, il glutammato, l’istidina e la tirosina).

La transferina quindi trasporta il ferro in giro per l’organismo in una forma stabile

(Fe3).

Meccanismo di regolazione basato su una risposta ormonale con la epcidina, ormone

peptidico derivante dalla degradazione selettiva di un precursore a livello epatico. La sua

sintesi o espressione è regolata dai livelli di ferro dentro gli epatociti (dentro le cellule del

fegato). Se il ferro è basso, l’epcidina non viene prodotta; se è abbondante allora viene

prodotta. Lavora sulla proteina che esporta (ovvero il rilascio dagli enterociti nel circolo

ematico) il ferro dagli enterociti, la ferroportina che viene fosforilata e viene degradata.

Quindi non c’è più il trasportatore che porta il ferro fuori dall’enterocita.

Il ferro che è entrato nel sangue (siero) legato alla transferrina.

In tutti i tessuti sono presenti proteine utenti e proteine deposito (ferritina).

Nella transferrina il legame che contiene il ferro, è sensibile al ph, se quindi trasformiamo

lo ione bicarbonato HCO3- in CO2 (si abbassa quindi il ph), il legame viene distrutto e il

ferro non viene più trattenuto.

La transferrina non è l’unica molecola con la funzione di trasporto.

Un esempio è la LATTOFERRINA, la forma secreta dai mammiferi che immettono nel latte

come sorgente di ferro per i neonati. È associata una attività selettiva nei confronti della

microflora, infatti l’idrolisi a livello intestinale della lattoferrina porta alla formazione di

peptidi che conservano la capacità chelante nei confronti del ferro (quindi i m.o. patogeni

non riusciranno a crescere in mancanza di ferro). Oltre al ferro la lattoferrina veicola lo

zinco (importante nei fenomeni di deposizione di calcio a livello del tessuto osseo).

7) Dal sangue all’interno delle cellule. In che modo la transferrina entra nelle cellule

senza perdere il ferro?

Si porta dentro le cellule l’intera proteina.

Ciò si effettua attraverso dei recettori specifici per la transferrina sulla superficie

della cellula. 55

Il recettore sporge sia verso l’interno della cellula stando nel citoplasma e sia verso

l’esterno, dove è presente la parte più grossa del recettore.

Il recettore è un dimero, ovvero due catene polipetidiche separate tenute insieme

da un ponte disolfuro.

La transferrina serica si lega quindi al recettore, produce una modificazione

conformazionale di un insieme di proteine contrattili (clatrina) associate alla

porzione citoplasmatica del recettore, che formano una sorta di invaginatura (un

sacchetto) all’interno della membrana cellulare. Si è quindi formata una “fossa” che

contiene la transferina e il recettore.

8) L’invaginatura si chiude su se stessa e forma un endosoma che si fonde con dei

lisosomi presenti nella cellula. Nei lisosomi è presente una pompa protonica ATP

dipendente, che prende protoni dal citoplasma, li pompa usando ATP all’interno del

lisosoma, facendo abbassare sensibilmente il ph. A basso ph è possibile il rilascio del

ferro (il carbonato HCO3- presente nel sito di legame della transferina diventa CO2 e

non partecipa più al legame).

Il ferro sarà quindi chiuso all’interno del lisosoma come Fe3.

9) È necessario ridurre il Fe3, tramite molecole tioliche.

10) Una volta ridotto, il ferro può uscire dal lisosoma ed essere trasportata sottoforma

di Fe2 nel citoplasma.

Qui con i tioli o composti chelanti il ferro o si dirige verso i mitocondri o entra nella

ferritina.

Il resto della struttura (la vescicola) che ha esaurito la sua funzione, si stacca la

clatrina, e si fonde con la membrana, rendendo ancora disponibile il recettore per la

transferina, pronto per un nuovo ciclo.

11) Se il ferro va verso i mitocondri, nella loro membrana mitocondriale esterna è

presente la FERROCHELATASI, prende parte del ferro, trasformandolo in ema

(struttura tetrapirroica). La restante parte del ferro entra nella matrice

mitocondriale, dove viene convertito nella ferrozolfoproteina.

11) La FERRITINA invece è composta da 24 subunità, coordinate in modo da lasciare

una cavità all’interno, riempita da una forma insolubile di ferro (fino a 4500 atomi di

ferro).

Il ferro è presente come Fe3, nella forma più insolubile FeOOH ossido di ferro idrato

(ruggine).

Il ferro però nella cellula era presente come Fe2, ma nella ferritina non tutte le

subunità sono uguali (di tipo H,cuore, o L, fegato) e ci sono una serie di gruppi di AA

rivolti verso alla cavità interna, che catturano il ferro e usano lo ossigeno

atmosferico per fare una reazione di ossidazione, senza generare ROS (si accoppi

l’ossidazione di due atomi di ferro, ottenendo acqua ossigenata, 2Fe2 + 2H+ = 2Fe3).

56

(Limulus test, serve per vedere se un alimento è stato contaminato da batteri.

Coagulazione in presenza di polisaccaridi di degradazione dei batteri).

Per portare fuori il ferro in caso di necessità ci sono due teorie: la prima è che il

ferro venga ridotto da alcuni sistemi dedicati, la seconda che venga chelato con le

strutture a tioli e accompagnato fino al punto di utilizzo.

OMEOSTASI DEL FERRO

Ci sono due sistemi:

- Un sistema sensore (dice quanto ferro c’è)

- Un sistema attuatore (azioni a seguito del sistema sensore)

Per il sistema sensore è costituito da una famiglia di proteine, la cui più importante è la

IRON REGULATORY PROTEINS (IRP), la cui struttura cambia a seconda che il ferro sia

presente o meno.

Per il sistema attuatore, è invece costituito da IRON REGULATOR ELEMENTS (IRE), sono

specifiche regioni di RNA.

Le IRP si possono legare alle IRE (quindi una proteina, la IRP, sente il ferro; se c’è il ferro

non si lega alle IRE. Se non c’è il ferro, le IRP si legano alle regioni di RNA, le IRE).

In dettaglio il sistema fornisce una risposta immediata a livello di ogni singola cellula.

Per il sistema sensore, la IRP è una proteina ferro zolfo, la aconitasi citoplasmatica. Non

ha una cisteina nella struttura, quindi il ferro è di tipo mobile. Se è presente il ferro avremo

una struttura compatta e chiusa, mentre se è assente la struttura risulterà aperta.

Quando si apre quindi è in grado di interagire con le IRE (la porzione di RNA specifica).

Gli IRE sono delle porzioni di RNA strutturate a forcina (ripiegamento). Su questa estremità

(la forcina), si lega la proteina (IRP).

Queste strutture (IRE) sono presenti in tutti gli RNA delle proteine che hanno a che fare

con il ferro (la ferritina, DTM1, ferroportina etc.). Le posizioni di questi IRE nel RNA non

sono le stesse per le proteine che interagiscono con il ferro.

In condizioni in cui c’è il ferro e non è avvenuto il legame IRP-IRE, l’RNA viene degradato

(con l’RNA-asi) e non vengono prodotte le proteine che interagiscono con il ferro.

Se non c’è il ferro, la struttura IRP è aperta e si lega con l’IRE. L’RNA-asi tenta di degradare

ma trova queste regione annodate, non riuscendovi. Viene creata la proteina richiesto per

il ferro.

Per la ferritina invece bisogna produrla se c’è ferro, non farla se il ferro non c’è.

Non c’è il ferro, IRP si attacca alle IRE, ma blocca la traduzione del RNA, bloccando la

produzione di ferritina.

Se il ferro è presente, occupa il sito vagante del ferro zolfo, la IRP si chiude e non è in grado

di legarsi con le IRE. RNA specifico è leggibile e traduzione permessa (con sintesi della

ferritina). 57

LEZIONE 12

LITIO, SODIO E POTASSO

Tutti piccoli, e simili

LITIO

È il più piccolo, utilizzato nella medicina popolare (senza basi scientifiche) come funzione

antidepressiva.

Dosi eccessive sono tossiche.

SODIO E POTASSIO, sono molto importanti, dobbiamo assicurare al nostro organismo un

opportuno rifornimento di questi metalli.

Per il SODIO è piu semplice, viene introdotto molto spesso ( si pensi al cloruro di sodio); le

dosi raccomandate sono >1.2 g/day.

Nei fluidi biologici (sangue) il sodio è 150 mmolare (millimolare).

Il sodio assicura gli scambi osmotici tra liquidi che entrano e escono.

La concentrazione plasmatica del sodio è più di dieci volte superiore alla concentrazione

intracellulare, in quanto il sodio viene pompato fuori dalle cellule e dentro le cellule

entrano ioni potassio per bilanciare parzialmente le cariche negative in uscita. Il potassio è

più grande del sodio in termini di massa atomica, ma non è quest’ultima ad influenzarne la

permeabilità bensì il volume di quando sono solvati (il volume del sodio solvato è maggiore

di quello del potassio solvato).

Il POTASSIO rappresenta il principale catione monovalente all’interno della cellula.

Le cellule sono molto avide di questo componente, infatti la salinità o forza ionica della

cellula è costituita prevalentemente da sali di potassio (150 millimolare), mentre nel siero

(sangue) è pochissimo (trenta volte in meno). Quindi tutto il potassio in circolo entra nella

cellula grazie alla pompa sodio-potassio (trasporto che avviene contro gradiente, con uso

di ATP.

Il potassio solvato è più piccolo del sodio solvato e quindi mentre il sodio si riesce a

trattenerlo a livello del sistema di escrezione selettiva (i reni), il potassio invece no e quindi

sarà disperso più facilmente. Da qui il fatto che il fabbisogno giornaliero di potassio è

notevolmente più elevato rispetto al sodio.

Il potassio si ritrova soprattutto negli alimenti di origine vegetale (banana) e per sfruttarlo

gli alimenti devono essere poco processati.

Si possono aggiungere quindi sali di potassio in quel tipo di alimento, unico difetto è che i

sali di potassio sono amari.

Si può ricorrere anche alla supplementazione o integratori.

I principali componenti minerali delle acque minerali sono proprio il sodio e il potassio e

queste vengono suddivise i categorie in base al grado di mineralizzazione (oligominerali

hanno un residuo secco molto modesto, le minerali superiore). 58

Le acque povere di sono hanno 100mg/l di sodio (che corrisponde a un decimo della dose

giornaliera) mentre le acque ricche di sodio hanno 500mg/l.

Di conseguenza è irrilevante la quantità di sodio presente nelle acque, sia che siano povere

o ricche, ma è necessario controllare quanto è presente negli alimenti della nostra dieta.

Sodio e potassio sono importanti per la trasmissione dell’impulso nervoso (la trasmissione

dei segnali che avviene grazie ai neuroni e con un meccanismo di depolarizzazione locale

della membrana cellulare. L’interno della cellula è più negativo dell’esterno. Nella

trasmissione dell’impulso nervoso, arrivano dei composti chimici, i neurotrasmettitori, che

bloccano le pompe ioniche che portano all’equilibrio tra l’interno e l’esterno della cellula,

fase detta di depolarizzazione. Il potenziale di membrana quindi si inverte e fa si che

il’interno della cellula sia più positivo rispetto all’esterno. La cellula allora cerca di riparare

la situazione, polarizzazione, e questo stimolo si propaga come un onda lungo tutta la

membrana).

È importante che ci sia un apporto adeguato di questi due elettroliti (sodio e potassio) in

quanto in loro deficienza si ha una serie di risposte negative che possono andare da un

semplice stato di fatica alla paralisi.

METALLI ALCALINO-TERROSI

CALCIO

Elemento abbondante sul nostro pianeta, ma è quello meno abbondante nelle nostre

cellule.

La concentrazione nelle cellule di calcio libero infatti è bassissima (10 nano molare, un

milione di volte più bassa rispetto a quella del sodio) in quanto agisce come trasmettitore

(attiva molte reazioni biochimiche, es. la contrazione muscolare).

La contrazione muscolare è basata sul fatto che il calcio presente nelle vescichette del

reticolo sarcoplasmatico nelle cellule muscolari venga rilasciato associandosi alle proteine

muscolari consentendo la contrazione.

Le carni devono essere frollate prima di essere consumate, in quanto il tessuto di un

animale appena morto ha un metabolismo che per un certo periodo funziona ancora

(finche non finisce l’ATP). Se non è più presente l’ATP, il calcio non può venire rilasciato e il

muscolo resta contratto (RIGOR MORTIS).

Questa fase viene superata grazie al fatto che man mano il calcio viene rilasciato,

portando all’attivazione delle proteasi presenti nella cellula.

Questo è il motivo per cui non si vuole il calcio all’interno della cellula in quanto innesca

una serie di fosforilazioni e di modificazione covalente delle proteine (frolla).

TOSSINE che intervengono sulle pompe di sodio-potassio e calcio. 59

Una è quella del pesce palla, che produce una tossina che impedisce il riassorbimento del

calcio una volta che esce dalle vescichette sarcoplasmatiche, causando una permanenza

dei nostri in uno stato di tensione.

La tossina botulinica invece agisce sulla pompa sodio-potassio (sono dei neuroparalizzanti),

non sono più in grado di portare fuori o dentro i cationi della cellula.

Il calcio nelle cellule ce n’è poco ad eccezione per quelle ossee, dove viene depositato

come fosfato calcio.

Il calcio in realtà circolante nell’organismo è molto (2 millimolare nel plasma), ma nelle

cellule normali entra in piccolissime concentrazioni; entra invece negli osteoblasti (cellule

delle ossa).

L’ingresso negli osteoblasti e la sua trasformazione in idrossipatite è governato da una

serie di trasportatori (simili a quelli del ferro) e proteine specifiche, ed coinvolge anche la

contemporanea assunzione di zinco (per indirizzare il calcio plasmatico verso la sintesi di

tessuto osseo).

Ciò vale per i tessuti ossei di nuova formazione (non vale per i tessuti vecchi), come per la

prima infanzia e nel caso di fratture o impianto di protesi.

La biodisponibilità del calcio, ovvero la quantità che siamo in grado di assumere rispetto a

quella che ingeriamo con la dieta, è condizionata dalla forma chimica con cui il calcio è

presentato.

Per molto tempo nei prodotti alimentari erano presenti i polifosfati, che sequestrano il

calcio e non rendendolo disponibile. Si cerca di sostituirli con altri agenti meno

sequestranti, come l’acido citrico e lattico). Sono specie ricche di cariche e quindi in grado

di trattenere l’acqua in modo molto stabile (si evita la caduta sensoriale del prodotto, il

prosciutto “non rinsecchisce”).

Altro esempio lo yogurt con cerali integrali ha il problema che i cereali integrali sono ricchi

in fitati, anche quest’ultimi sequestrano il calcio.

Per i fitati non abbiamo enzimi in grado di degradarli, ma alcuni dei nostri simbionti invece

li possiedono. Si può in qualche modo migliorare questa capacità dei nostri simbionti

intestinali, attraverso delle linee di batteri che si ingeriscono facilitando ciò.

Ruolo di alcuni specifici delivery agents, molecole in grado di accompagnare il calcio nella

barriera intestinale e indirizzarlo verso il tessuto osseo, che sono peptidi prelevati dalla

caseina (24 AA con 7 fosfati) sequestranti del calcio, che possono essere assorbiti

all’interno delle cellule (formaggi a lunga stagionatura, eccellenti sorgenti di calcio) 60

MAGNESIO

Non si hanno gli stessi problemi di biodisponibilità del calcio, è più piccolo, forma chelati

meno stabili di quelli del calcio (sostanzialmente quello che prendiamo assumiamo).

Principale fonte sono vegetali a foglia verde (magnesio è necessario per la fotosintesi).

Le cellule non sono selettive nell’assunzione del magnesio (le cellule ne sono ricche, 0,8

millimolare).

Ne è presente cosi tanto in quanto un terzo dei nostri enzimi richiedono magnesio per

funzionare (soprattutto quelli che usano ATP).

Il problema è che è facile da perdere, si può quindi fare ricorso agli integratori, ma non

bisogna superare un certo livello di magnesio, in quanto sopra una certa soglia, si ha una

alterazione a livello del colon (dove avviene assorbita una buona parte dei liquidi del bolo

alimentare). Se è presente troppo magnesio questi liquidi non vengono assorbiti, con

conseguente feci liquide (lassativi a base di magnesio per esempio).

Il magnesio si trova anche in molte preparazioni alimentari (come le medicine in forma di

legante,es. aspirina e antiacidi). 61

LEZIONE 13

VANADIO

Tossico per l’uomo.

Ad eccezione di alcune popolazioni asiatiche che si cibano abitualmente di alcuni

invertebrati marini (consumate in oriente sulle coste, generalmente crudi), che hanno delle

cellule in cui è presente il vanadio.

CROMO

Esiste in diversi stati di ossidazione, ma due sono più comuni:

- Cromo 6 (esavalente, che si trova come comune inquinante ambientale, residua dai

processi di cromatura; ha applicazione nel concio delle pentole). Concentrazione

nella falda acquifera ne consegue che è elevata.

Tossico, ha un eccezionale potere ossidante (proteine, DNA); considerato

teratogenico.

- Cromo 3 (trivalente), nei supplementi di alimentari, come sale (un comune

integratore alimentare, ha un effetto stimolante sulla rimozione degli zuccheri dal

circolo, detta insuline like, quindi ipoglicemizzante, ma risultata priva di

fondamento).

MANGANESE

Comune costituente di tutte le piante verdi. Si assorbe facilmente con la dieta.

Nelle piante fa parte dell’enzima che rompe una molecola di acqua e libera lo ossigeno, e

utilizza i protoni per avviare il processo di riduzione della CO2.

Importante per il nostro organismo, in quanto la superossidodismutasi e i globuli rossi

funzionano con questo componente (evita quindi l’accumulo di ioni superossido nella

circolazione).

FERRO

Oltre a tutto ciò già detto in precedenza, ci sono anche altre due tipologie di proteine

(oltre a quelle di stoccaggio e di trasporto) la cui funzionalità dipende dal ferro.

Un’ esempio sono le ossidasi (che non contengono ferro eme e nemmeno ferro zolfo),

enzimi che attivano lo ossigeno (metabolizzano i farmaci, xeno biotici, molecole di non

provenienza umana e trasformano alcuni componenti in qualcosa di indispensabile per

l’organismo, es. gli enzimi microsomiali deputati alla produzione di acidi grassi insaturi). 62

COBALTO

È la porzione attiva della vitamina B12 (che ha una struttura che comprende un eme, con il

cobalto al centro, collegata a una porzione nucleotidca).

Partecipa alla sintesi dell’eme (eritropoiesi, produzione di globuli rossi, che condiziona lo

stato di anemia di una persona) e alla biosintesi di alcuni nucleotidi (corretto sistema di

duplicazione cellulare).

NICKEL

Molto abbondante nella crosta terrestre, ma negli umani non ha alcuna funzione fisiologica

nota.

Sono invece presente molti enzimi a nickel nei batteri, come la ureasi (usato per

mantenere il ph).

È tossico (sopra 1mg/d). Provoca reazioni allergiche topiche (limitato alla epidermide).

Nickel e cromo sono due ingredienti usati per produrre le leghe di ferro chiamate acciaio

inox (sono quindi soggetti a cedere nickel agli alimenti).

I processi di argentatura utilizzano il nickel per far si che l’adesione avvenga nel migliore

dei modi.

RAME

Si trova in forma libera (come l’argento), è presente in quasi tutti gli alimenti, non ha limiti

di tossicità (in quanto non è difficile da smaltire), si assumono circa 3mg/d.

Rame e zinco hanno una proteina di sequestro (per impedire che vadano in giro da soli)

che si trova nel fegato, si chiama metallotionina (un AA su 4 è una cisteina, quindi ricca in

tioli).

Funzione fisiologica del rame è legata alla facilità con cui passa dai suoi stati di ossidazione

Cu2 a Cu1, che lo rende importante per l’attivazione dell’ossigeno (la riduzione

dell’ossigeno molecolare ad acqua, detta citocromo ossidasi; la superossidodismutasi, che

contiene rame e zinco come cofattori).

Nel plasma circola la ceruloplasmina, che è una specie di tampone redox, che funziona nel

cambiare lo stato di ossidazione degli altri metalli circolanti (come il ferro).

I recipienti di rame raramente espongono il rame libero, ma sono sempre ricoperti da uno

strato di stagno per evitare che il rame negli alimenti catalizzi le reazioni di Fenton

(reazioni di attivazione dell’ossigeno che portano alla perossidazione dei lipidi e al loro

irrancidimento). Invece una applicazione in cui il rame viene usato senza rivestimento in

stagno è la produzione degli aromi (distillerie e nei processi che separano componenti

aromatici, in quanto distruggono specie aromatiche sgradevoli, grazie alla capacità di

catalisi del rame nei confronti di alcune molecole; il rame ossida questi solforati a forme

che il nostro olfatto non può percepire come puzzolenti). 63

ZINCO

Ha soltanto uno stato di ossidazione (Zn +2).

Ha una importante rilevanza biologica, in quanto è il cofattore presente in molti enzimi

come la superossidodismutasi e negli enzimi deputati a recuperare gli AA essenziali dalle

proteine che transitano nel tratto digerenti (prima digestione a ph acidi con pepsina, di

carattere non specifico; seconda digestione a livello duodenale chimo tripsina e tripsina,

che tagliano dove ci sono rispettivamente gli AA idrofobici e basici. Ma molti non sono stati

digeriti e il recupero di questi AA è affidato alle amminopeptidasi e alle carbossipeptidasi,

che sono esoproteasi a zinco). Per questo motivo è un supplemento in alimenti per la

prima infanzia, in quanto c’è poca trasmissione tra madre e figlio nel periodo fetale e di

conseguenza quando nasce non ha in circolo sufficiente zinco.

Lo zinco è anche importante per indirizzare il calcio assunto con la dieta verso gli

osteoblasti (ovvero quelli che daranno origine al tessuto osseo). Importante quindi sia per

la prima infanzia (sviluppo osseo) sia per l’età avanzata in cui sia assiste ad una progressiva

decalcificazione e anche per chi ha subito traumi.

Troppo zinco crea un problema di competizione, legato alla saturazione dei trasportatori

dei metalli bivalenti a livello di membrana, con il rame (troppo zinco, rame può essere

assorbito poco). Ciò è alla base di alcuni utilizzi farmacologici (è usato come

batteriostatico, in quanto i batteri per sopravvivere necessitano di rame, ma se si fornisce

loro zinco vengono uccisi).

MOLITENO E TUNGSTENO

Coinvolti nella fissazione dell’azoto, processo svolto in grandi reattori ad alte atmosfere ed

alte temperature, in cui si combinano azoto e idrogeno per fare ammoniaca. Ciò viene

invece svolto a temperatura ambiente da molti batteri, usando ATP e NADH (utilizzando

enzimi che contengono o moliteno o tungsteno).

La xantinossidasi è un moliteno-enzima, responsabile degli ultimi due passaggi ossidativi

che trasformano le basi puriniche in acido urico (eccessivo accumulo di acido urico provoca

la calcolosi renale e la gotta, che hanno come causa una alimentazione scorretta e

predisposizione genetica; per evitare ciò si somministrano farmaci che limitano la

funzionalità di questo enzima, evitando anche di mangiare epiteli, come la trippa, fegato,

rognoni, che sono ricchi in nucleotidi che poi vengono trasformati in nucleotidi e bevendo

grandi quantità di acque oligominerali.

Tra i molindo enzimi ci sono molti indispensabili per la sintesi di cofattori contenti zolfo, tra

cui l’acido lipoico. 64

METALLI PESANTI

ZINCO, PIOMBO, CADMIO E MERCURIO

Hanno un punto di fusione basso, quindi con eventi effusivi, questi sono i primi a fondersi,

uscendo per primi.

Il mercurio infatti è liquido a temperatura ambiente.

Non li si trova in forma di metalli ma come solfuri e sono molto tiofili, formando con lo

zolfo composti molto stabili (molto insolubili).

Sono molto tossici, in quanto bloccano i residui di cisteina (appena vedono lo zolfo si

attaccano) e impedisce quindi a molti enzimi di esercitare la loro funzionalità (il

mercuriocromo per esempio usato come disinfettante).

La pirite o Fe2S3, solfuro di ferro ferrico, è il tiofilo più insolubile esistente. La reazione tra

solfuro che usciva dalle bocche vulcaniche sottomarine e il ferro contenuto nelle acque

dell’oceano primitivo sembra abbia portato alla formazione di strati di pirite, che sono

l’incubatore della vita (dove si sono formate le prime strutture ferro-zolfo).

Se è presente invece solfuro di ferro ferroso la sua solubilità è quasi normale e di

conseguenza questi quattro metalli pesanti, in quanto sono più tiofili del ferro 2 (ferroso),

lo vanno a sostituire (sostituzione isomorfa) in tutte le proteine in cui il ferro è coordinato

con lo zolfo, solo che questi atomi sono monovalenti (a differenza del ferro, che ha due

stati di ossidazione).

ARSENICO

È un comune inquinante ambientale (elevato nelle acque).

Mima il fosfato (l’arsenato è simile al fosfato, non può essere rimosso nel sito in cui si

attacca a differenza del fosfato, determinando una tossicità cronica, ovvero per esempio se

accade ad una proteina, quella proteina sarà morta finche non viene rimpiazzata da una

nuova; ciò non è un problema come i tessuti epiteliali, che si rigenerano, ma altri come

quello nervoso ciò non è possibile).

BISMUTO

È tossico e usato come antiacido.

ALLUMINIO

Molto abbondante sulla superficie, in quanto leggero, fonde a temperature basse.

Si mangia abitualmente (antiacidi).

È uno dei componenti delle batteria da cucina, si credeva che la presenza di alluminio nella

dieta era collegato alla formazione di aggregati di proteine denaturate (fibrille amiloidi),

tipiche del morbo di Alzaimer. Ma in realtà quelle fibrille non sono la specie tossica, ma

sono il sistema con cui la cellula rende innocue le forme parzialmente denaturate delle

stesse proteine, che sono la vera specie tossica (intermedi transienti di denaturazione). 65

NON METALLI

ZOLFO

Le principali sorgenti sono la cisteina e la metionina (AA essenziali).

La cisteina è coordinante di centri metalli.

La metionina è importante come regolatore e donatore di metili.

Lo zolfo ha molti stati di ossidazione (il solfuro presente nelle ferro-zolfo proteine per

esempio), ma alcuni stati sono estremamente reattivi (soprattutto +2 e -2). Per esempio

l’acido solfidrico è molto più velenoso dell’acido cianidrico a parità di concentrazione, in

quanto reagisce con tutto il rame che incontra (inattiva la citocromo ossidasi).

Il solfuro viene creato desolforando (eliminando lo zolfo) la cisteina in un complesso

enzimatico in cui è presente una proteina che lega il ferro che si legherà al solfuro

neoformato (formando un ferro-zolfo).

SELENIO

È presente come seleniometionina in molti enzimi importanti per alcune funzioni del

nostro organismo, coinvolti in meccanismi di difesa (come la glutationeperossidasi, enzima

selenio dipendente che distrugge l’acqua ossigenata prendendo due molecole di glutatione

e le ossida) e di controllo metabolico (produzione di ormoni tirodei).

Il selenio è tossico ma è contenuto negli alimenti grazie a AA che lo contengono (selenio-

cisteina e le selenio-metionina. Come fanno questi AA a entrare nelle proteine?

Il codone che codifica per questi AA è la UGA, normalmente codone di stop (quindi di

norma la sintesi proteica arrivando in questo punto si ferma, ma non sempre), ma negli

RNA che codificano per queste selenio proteine è presente una regione particolare che

avverte

A questa tripletta si può accoppiare il tRNA, che è quello della serina e specifico per la

selenio cisteina, arriva quindi una selenio cisteina sintetasi che riconosce la serina

attaccata al tRNA, capendo che quindi deve essere trasformata in selenio-cisteina (quindi il

residuo di cisteina è convertito in selenio cisteina quando è legato al suo tRNA).

La glutationeperossidasi (acqua ossigenata + due glutationi, si forma un disolfuro tra le due

molecole di glutatione e si forma acqua) ha un meccanismo che sfrutta la capacità di

questi elementi di esistere in diversi stati di ossidazione (SeOH, viene ossidato da una

molecola di acqua ossigenata formando selenio ossido, si forma il disolfuro).

Patate ricche in selenio (quanto selenio è libero nell’acqua della patata, quindi tossico, e

quanto nella forma di selenio-cisteina). 66

ALOGENI

FLUORO

Acido fluoridrico, nel teflon (polimero carbonio-fluoro, che scaldato provoca la formazione

di acido fluoridrico, composto in grado di dissolvere il tessuto osseo).

Ad altre concentrazione partecipa invece all’irrigidimento delle parti più esterne dei tessuti

ossei (smalto dei denti). Per questo motivo vengono aggiunte piccole quantità di fluoruro

nei dentifrici o nell’acqua.

CLORO

Usato principalmente nella sanitizzazione delle acque.

Può essere presente in tre forme diverse:

- Cloro gassoso

- Ipoclorito (o ipoclorito di sodio)

- Clorito

La differenza tra le diverse forme è la comodità di erogazione; in forma gassosa è difficile

da gestire, l’ipoclorito è instabile, mentre il clorito è stabile.

Il problema è legato al fatto che la capacità di sanitizzare le acque dipende dalla distanza

dal punto di approvvigionamento (dove verrà aggiunto anche il cloro) e il punto di

consumo. Più è lontano e si necessiterà di agenti sanitizzanti che durino nel tempo.

BROMO

Presente soprattutto nelle alghe marine.

È un substrato utile e indispensabile per l’assorbimento dello iodio.

Ad alcuni sali di iodio è associato un effetto calmante.

IODIO

I due ormoni da esso derivati sono la T3 e la T4, che hanno la funzione di regolare il

sistema basale (energia usata in riposo).

Lo iodio arriva dal circolo sanguigno sottoforma di ioduro, entra poi nella cellula in

simporto con uno ione sodio. Non si ferma nella cellula e viene pompato dalle cellule della

tiroide da uno spazio extracellulare che riempie il tessuto ghiandolare, chiamato colloide

follicolare.

Qui incontra la iodio perossidasi selenio dipendente, che lo ossida da ioduro (I-) a iodio.

Lo iodio generato viene utilizzato per ossidare la tirosina incorporata in una proteina

denominata tiro globulina (molto grossa, in cui un AA su 10 è una tirosina), e si ha anche

un parziale distacco di queste tirosine; quelle che si staccano formano una di tirosina sulla

molecola della tiro globulina. 67

Una volta fatto ciò, grazie ad un sistema di recettori, importa le proteine modificate

(endocitosi) in un lisosoma di una cellula. Dentro il lisosoma il la proteina viene tagliata

recuperando le porzioni utili, ovvero l’ormone e il suo precursore. Queste vengono

immesse nel circolo sanguigno.

Assumendo poco iodio, si ha comunque una grande produzione di tiro globulina, ma senza

produrre ormoni, determinando l’accumulo di questa proteina utilizzata poco.

Meglio non usare sale iodato per la produzione di prodotti alimentare a livello industriale

(scelta che deve essere fatta dal consumatore). 68

LEZIONE 14

XENOBIOTICI

Sono composti estranei al nostro organismo in seguito all’assunzione di alimenti più o

meno processati o in seguito all’assunzione di molecole sintetiche (farmaci o aggiunte al

materiale alimentare).

La famiglia degli xeno biotici è molto varia (es. la cellulosa, gli alcaloidi del the, caffe,

polifenoli).

Quindi alcuni di essi sono presenti naturalmente altri invece aggiunti intenzionalmente.

MECCANISMO GENERALE PER ELIMINARE COMPOSTI XENOBIOTICI

Questi composti vengono attivati, per poi essere trasformati in una forma più solubile e

infine modificata ulteriormente al fine di essere eliminata attraverso i reni o altre vie.

Il problema è che in questi passaggi si generano talvolta dei metaboliti tossici (specie

chimiche con eccezionale reattività). Possono causare un danno di tipo acuto (che si

manifesta fin quando il metabolita non viene smaltito) o di tipo cronico (modificazioni di

tipo permanente di strutture cellulari e all’accumulo di metaboliti tossici in particolari

tessuti del nostro corpo).

- FASE 1 (OSSIDAZIONE), di trasformazione per mezzo di ossidazione della molecola.

Ci sono vari tipi di ossidanti: i cofattori e l’ossigeno molecolare, entrambi lavorano su un

substrato specifico, sono relativamente indipendenti.

A) COFATTORI

Es. metanolo nel vino (utilizzato per la separazione del vino da distillare da quello da bere)

e nei distillati (degradazione delle pectine, di cui sono ricchi i substrati utilizzati per

ottenere questi alcolici, utilizzando la pectina-metil esterasi, rilasciando il metanolo nel

sistema). Si distilla tutto il materiale fermentato e la prima cosa che evapora è la frazione

basso bollente (quindi molto ricca in metanolo), segue la frazione ricca in etanolo, ed infine

la frazione ricca in alcoli superiori. Il problema è che è difficile separare in base all’odore la

testa (la frazione del metanolo) del cuore (etanolo), in quanto l’etanolo non ha un odore

molto forte; può quindi succedere che quindi arrivino sul mercato delle grappe con

presenza anche di metanolo.

Il metanolo è tossico in quanto il suo metabolismo passa attraverso due stadi di

ossidazione.

Nel primo stadio, ossida le funzioni alcoliche del metanolo a funzioni aldeidiche; nel

secondo stadio altri enzimi ossidano le funzioni aldeidiche ad acidi (formaldeide ad acido

formico).

L’acido formico è il responsabile della tossicità cronica del metanolo (a lungo periodo), in

quanto interferisce con la respirazione a livello mitocondriale. 69

L’intermedio di reazione, la formaldeide, ha un effetto devastante. Essa reagisce con

qualsiasi amminogruppo presente sulle proteine (ad alte dosi, si lega quindi agli enzimi e li

inattiva, ma se sono rigenerabili il problema non è molto grave, mentre lo è se è legato ad

alcune proteine che non vengono rifatte facilmente, come la opsina).

La opsina è una proteina transmembrana, al cui interno è presente una molecola detta

retinale (legata grazie a una base di Shift, tra la sua funzione aldeidica e una lisina

sull’opsina). Se è presente la formaldeide, si legherà al posto del retinale ed il legame è

cosi solido da essere irreversibile. Quindi la opsina smette di essere sensibile alla luce.

Quando invece il retinale è presente nella molecola nella forma cis, colpito dalla luce passa

nella forma trans, determinando un cambiamento conformazionale e innescando un

segnale nervoso. Una volta isomerizzato, il retinale si può staccare, formando nuova

opsina, ricominciando il ciclo.

Se è presente la formaldeide invece il ciclo non può più ricominciare, con il risultato che si

diventa ciechi.

B) Altri modi per ossidare questi composti si basano sull’utilizzo di ossigeno molecolare

per trasformare queste molecole.

Ci sono diverse famiglie di enzimi che attuano ciò (ovvero di attivare l’ossigeno per

trasformare queste molecole) e sono note come vie ossidative non mitocondriali.

- OSSIDASI (come la xantinossidasi, che trasforma la lipoxantina in xantina e sempre con

lo stesso enzima, con una seconda molecola di ossigeno, in acido urico), che

introducono un atomo di ossigeno nel substrato (es. glucosio + ossigeno = acido

gluconico) che proviene dall’acqua. Queste reazioni richiedono un cofattore,

solitamente una flavina (FAD). L’ossigeno serve quindi a riossidare il FAD utilizzato

come cofattore in questa reazione (ottenendo FAD ossidato e acqua ossigenata).

- MONOSSIGENASI o OSSIDASI A FUNZIONE MISTA, data una molecola di ossigeno che

ha due atomi, uno dei due ossigeni viene infilato nel substrato e il secondo viene

ridotto ad acqua da parte di un co-riducente. (es. fenilchetonuria, insorge nei soggetti

carenti dell’enzima Phe-4-monossigenasi, che prende la fenilalanina e con una

molecola di ossigeno utilizzando il cofattore produce una tirosina e acqua).

A questa famiglia di proteine appartengono una serie di enzimi ossidasici responsabili

dei fenomeni di imbrunimento nei vegetali (sistema che porta alla struttura chinonica,

colorata e polimerizzata).

Sono tutti enzimi che incorporano un metallo e quindi per esempio se sottraiamo il

ferro o lo manteniamo in condizioni ridotte, limitiamo moltissimo l’azione di intervento

di questi enzimi (limone nella macedonia o composti antiossidanti, il ferro viene

sequestrato e il ph è basso, rallenta la polimerizzazione che porta alla formazione di

colore marrone nella frutta) 70

- DIOSSIGENASI, in grado di incorporare entrambi gli atomi della molecola di ossigeno,

nella molecola del substrato (ce ne sono diversi tipi, con il ferro, il rame, senza

metallo). Dalla’attività di questi enzimi dipende la sopravvivenza e la assorbibilità di

molti principi attivi che si trovano negli alimenti (es. la quercetina, un polifenolo che si

trova nel vino, grano saraceno; questi enzimi prendono questo composto e lo

distruggono attaccando due atomi di ossigeno e liberando anche monossido di

carbonio. Quindi dobbiamo essere in grado di verificare che i composti sopravvivano

per essere assorbiti).

C) ENZIMI CITOCROMI P450

Sono delle monossigenasi e comprendono proteine diverse per specificità (emoproteine).

Da un qualunque substrato con un protone attaccato, viene ossidato dall’ossigeno e co-

riducente fornisce gli equivalenti riducenti, e alla fine il substrato si idrossila e l’altro

ossigeno diventa una molecola di acqua.

Sono enzimi inducibili e quindi non vengo prodotti se non necessari.

Sono presenti in due tipologie di organelli, i mitocondri e i microsomi (li distingue il

donatore di elettroni; nel mitocondrio è la proteina ferro zolfo, nel microsoma è una flavo

proteina); in tutti i tessuti ad eccezione di quello cardiaco e nervoso.

Il numero di citocromi varia da organismo a organismo, l’uomo ne ha 57 tipi.

Inoltre varia anche la distribuzione delle isoforme di questi citocromi nelle razze umane (in

alcuni sono presenti, altri non sono presenti). Quindi ciò determina una diversa risposta

delle diverse popolazioni a nutrienti, farmaci e additivi (non rispondono allo stesso modo

alla somministrazione di certi elementi).

Quindi molte sostanze hanno un diverso destino metabolico nelle specie umane, un

farmaco può funzionare ad una persona, oppure non funziona con un'altra.

Per esempio in Europa alcune persone non possiedono il citocromi (l’enzima) che

metabolizza la codeina, quindi assumendolo, verrà espulso dopo un certo periodo. Un 10%

invece ha questo gene duplicato, e quindi il farmaco verrà espulso immediatamente.

Molti farmaci non sono attivi in se prima di essere introdotti nell’organismo, ma è il

prodotto della loro forma ossidata ad esserlo (quindi se il prodotto di ossidazione non si

forma il farmaco non serve a nulla).

Il loro meccanismo di funzionamento è dato dal legame tra il substrato e il loro gruppo

eme (ferro in forma Fe3); il ferro viene ridotto a ferroso (Fe2) da un elettrone di un NAD, si

lega l’ossigeno e viene attivato dal Fe2, ossidandosi. Questa è la forma reattiva,

soprattutto per i protoni del solvente con una molecola di acqua formando il complesso

catalitico.

Questo ciclo è molto complesso e per questo soggetto anche a errori, e per esempio

l’ossigeno si può staccare come anione superossido o come acqua ossigenata (che in

presenza di ferro da reazioni di Fenton). 71

L’ossidazione è servita per prendere un composto e trasformarlo in qualcosa di ossidato

(da un fenolo a un alcol per esempio).

Questo non basta, ma è necessario eliminare il prima possibile questi intermedi, in quanto

tal volta, questi sono molecole dannose.

Si deve quindi rendere innocue e secernibili queste molecole intermedie.

Es. Esano, paraffina, vengono ossidate dal citocroma P450 a alcool e viene eliminato.

(Sostanze tossiche dopo l’ossidazione):

Es. Alchene della plastica (PE, PVC), che ossidato genera un epossido, che ha una capacità

di legarsi alle basi azotate (cancerogeno).

Es. Benzopirene (fumo sigaretta, arrosto) che entra nell’organismo e il metabolismo del

P450 generando un potente agente cancerogeno, che poi ossidato e clorurato genera una

diossina.

Es benzene, il cloruro di vinile tutte sostanze i cui metaboliti sono tossici

INTERAZIONI TRA SISTEMI DI ELIMINAZIONE E NUTRIENTI

- ES.1 Il succo di pompelmo non può essere bevuto quando si prendono certi farmaci

(soprattutto quelli cardiaci), in quanto il succo contiene la naringina, un alcaloide

amaro, è un inibitore di alcune classi di questi citocromi P450 (la medicina funzione

perche il citocroma P450 la attiva traformandola in qualcosa, ma se il citocroma è

inattivato il farmaco è inefficacie).

- ES.2 I composti solforati abbondanti, per esempio nell’aglio (allicina),

interferiscono con l’attività di alcuni citocromi P450, soprattutto con alcuni

(CYP1A2) coinvolti nella conversione di steroidi (molti sono ormoni, che hanno la

capacità di far crescere alcuni tessuti rispetto ad altri), rallentando la crescita di

tessuti tumorali per esempio.

- ES.3 l’assunzione di alcuni cibi sembra possano condizionare l’espressione di questi

citocromi, come il the verde (più ricchi in substrati per i citocromi), grazie alle

catechine presenti.

- FASE 2, METODI PER RENDERE INNOCUE E ESPELLERE (RENDERE SOLUBILI) QUESTE

SPECIE

Un modo è quello di trasformarli in glicosidi (formando un legame glucosidico tra la

funzione aldeidica e un alcool oppure formando un legame estere tra un acido glucuronico

e una funzione –OH presente nella molecola).

Un altro modo è quello di trasformarlo in qualcosa di polare ma non troppo, coniugandoli

con un AA, con il vantaggio che ha due gruppi attivi, il carbossile e l’ammina (per bloccare

eventuali gruppi aldeidici che vengono dall’ossidazione).

Si può anche fare una reazione con un glutatione, grazie alla funzione tiolica (del

glutatione). È importante per gli epossidi. 72

(Reazioni di acetilazione e metilazione usate solo per rendere innocuo l’intermedio).

Es. ACIDO SALICINICO (aspirina), ha un potere antisettico (estratto dal salice).

Per eliminarla, in quanto nella struttura ha un ossidrile fenolico e un carbossile, si può o

attaccare l’acido glucuronico all’ossidrile o attaccare la glicina alla funzione carbossilica,

oppure utilizzando anche uno zucchero

Es. BHA, ha una funzione fenolica (non idrosolubile), viene eliminato trasformandolo nel

suo solfato (composto che è idrosolubile e che è carico negativamente, per cui i reni lo

eliminano facilmente in quanto è un anione).

ES. CAFFEINA, ha una struttura simile a una purina, ossidandola si trasforma nella forma

ossidata nella delle lipoxantina, oppure si può rompere con delle ossidasi.

REAZIONI DI METILAZIONE

Es. NICOTINAMIDE, il costituente primario dei nucleotidi. Da sola può formare un

nitrossido, estremamente reattivo. Per impedire ciò è richiesta le metionina e un enzima

chiamato metil transferasi che attacca una funzione metilica (che impedisce l’ossidazione).

REAZIONI DI GLUTATONIZAZIONE

Glutatione è un tripeptide che contiene un legame isopeptidco, la cui forma ridotta

contiene un –SH molto reattivo, che grazie alla sua capacità di ossidarsi, reagisce con

composti instabili, gli epossidi. 73


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tecali

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecnologie alimentari
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher tecali di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica delle trasformazioni alimentari e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Bonomi Francesco.

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