Biochimica II semestre

Nutrizione

Insieme delle operazioni che vanno dalla adeguata scelta degli alimenti, all'utilizzo dei nutrienti in essi contenuti allo scopo di mantenere la “massa” dell’organismo vivente, di accrescerla quando necessario e consentirne sul piano energetico il pieno esercizio delle funzioni.

Tappe della nutrizione

• Assunzione: vengono introdotti gli alimenti.
• Digestione: dagli alimenti vengono estratti i principi nutritivi.
• Assorbimento: i principi nutritivi vengono assorbiti, mentre le scorie indigeribili vengono eliminate.
• Trasporto: tramite il sangue e la linfa i nutrienti arrivano ai tessuti.
• Utilizzazione: i nutrienti vengono metabolizzati all’interno delle cellule.
• Eliminazione: tramite reni, apparato escretore, polmoni e pelle vengono eliminate le scorie metaboliche e CO₂.

Tutte le componenti del processo nutrizionale si compendiano in meccanismi regolatori biochimici e fisiologici il cui equilibrio è percepito come condizione o stato di salute. Dipende da fattori diversi, meccanismi di tipo biochimico e fisiologico che devono essere in equilibrio fra loro.

Alimenti e nutrienti

Alimenti: sostanze naturali o artificiali che, introdotte con la dieta, forniscono i principi nutritivi o nutrienti.

Nutrienti: molecole che fungono da precursori biosintetici e da sorgenti di energia e che vengono assunte dall’ambiente esterno.

• Macronutrienti: glucidi, lipidi, proteine.
• Nutrienti: monosaccaridi, acidi grassi, amminoacidi (unità che derivano dalla degradazione).
• Micronutrienti: ioni, sali minerali e vitamine.

Biodisponibilità dei nutrienti

Affinché i nutrienti possano essere impiegati a livello delle singole cellule è necessario che:

• Vengano liberati, a seguito dei processi di digestione, nel lume intestinale.
• Siano assorbiti dalle cellule intestinali e veicolati attraverso il circolo ematico o linfatico ai differenti tessuti e organi.
• Siano assunti dalle cellule periferiche e vengano regolarmente utilizzati.

I nutrimenti che hanno biodisponibilità bassa sono i minerali. Il 30% di calcio, 250 mg in un uomo adulto, necessario assumere 3 volte tanto per garantire il fabbisogno. Gli elementi di origine animale sono più biodisponibili rispetto a quelli di origine vegetale.

Nutrimenti energetici e plastici

Nutrimenti energetici degradati per ottenere energia: glucosio (da carboidrati), acidi grassi (dai lipidi), amminoacidi (da proteine).

Nutrimenti plastici utilizzati come tali o come precursori per i processi biosintetici: acqua, amminoacidi, acidi grassi, glucosio, vitamine, elementi inorganici.

Nutrienti essenziali

Non possono essere sintetizzati dall’uomo oppure vengono sintetizzati in maniera insufficiente:

• Acqua (non basta quella prodotta mediante la degradazione ossidativa CO + H₂O).
• Amminoacidi: lisina, arginina, istidina, isoleucina, leucina, valina, triptofano, fenilalanina, metionina, treonina.
• Glucosio: la gluconeogenesi non è sufficiente come via, unica fonte utilizzabile dai globuli rossi e dalle cellule nervose.
• Vitamine: idrosolubili (gruppo B e C), liposolubili (A, D, E, K).
• Acidi grassi: acido linoleico (omega 3 e omega 6) precursore degli eicosanoidi.
• Macroelementi: sodio, potassio, cloro, calcio, ferro, fosforo (sintesi nucleotidi), magnesio, zolfo.
• Microelementi: rame, zinco, iodio, manganese.
• Minerali in tracce: cromo, cobalto, selenio.

Apporti alimentari di riferimento

Definiti per la maggior parte dei nutrienti rispetto all’età, al sesso, peso corporeo e stato fisiologico. DRI (dietary reference intakes):

• Fabbisogno medio stimato EAR: Stima dell’apporto medio di un nutriente che soddisfa le necessità di metà degli individui sani appartenenti a un particolare stadio di vita e sesso (estimated average requirement).
• Dose giornaliera raccomandata RDA: Livello di assunzione giornaliera media sufficiente a coprire il fabbisogno di quasi tutti gli individui sani (97-98%) appartenenti a un particolare stadio di vita e sesso (recommended daily allowance).
• Rapporto adeguato AI: Si basa sulla stima della quantità di nutriente assunta dalle persone sane (adequate intake).
• Massimo livello tollerabile di assunzione UL: La più alta dose giornaliera media che non sembra determinare rischi per la salute in quasi tutti gli individui della popolazione generale, a volte non è molto lontano dall’RDA (tolerable upper intake level).

Indice di massa corporea

IMC o BMI = peso corporeo / (altezza)². Normopeso ha un BMI di circa 18-18.5.

Fabbisogno energetico

Formato da tre componenti:

• Metabolismo basale: è la spesa energetica richiesta per mantenere le funzioni vitali dell’organismo in condizioni di riposo (attività metaboliche basali dei vari tessuti, pompe ioniche, secrezioni endocrine, respirazione, attività cerebrale, cardiaca e renale). Per un individuo adulto di sesso maschile è circa 1 kcal/Kg peso/ora (0.8 donna), 60-75% del fabbisogno energetico.
• Termogenesi indotta dalla dieta: è la spesa energetica richiesta per i processi di digestione e assorbimento dei nutrienti, 5-10% del fabbisogno.
• Livello di attività fisica: all’attività muscolare si devono le più ampie variazioni della spesa energetica, 15-30% del fabbisogno.

Distribuzione del fabbisogno nutrizionale

Colazione circa 20% calorie, pranzo circa 40-45% calorie, cena circa 35-40% calorie.

• Carboidrati: circa 45-60% delle calorie totali, minima parte come zuccheri semplici.
• Lipidi: circa il 20-35% di calorie totali (di cui almeno 75% di origine vegetale), acidi grassi saturi 8-10% delle calorie totali, acidi grassi monoinsaturi 6-11% delle calorie totali, acidi grassi poli-insaturi omega 6 4-8%, omega 3 0.5-2%.
• Proteine: circa il 10-30% delle calorie totali, di cui almeno 50% di origine vegetale.

Vitamine

Vitamine sono composti organici essenziali di differente natura chimica necessari in piccole quantità per le funzioni dell’organismo. Vi è una correlazione tra la mancanza di una vitamina e l’insorgenza di una patologia caratterizzata da una sindrome carenziale specifica che generalmente regredisce con la somministrazione della vitamina mancante. Sono classificate in base alla loro solubilità.

Vitamina A

Liposolubile (retinolo, retinale, acido retinoico): Tre composti, ciascuno di origine animale, presentano un anello con catena isoprenica e ossidrile come funzione terminale. Esistono anche delle forme provitaminiche: carotenoidi (α e β carotene) di origine vegetale.

Ruolo biologico:

• Processo visivo (presenta gruppi cromofori che permettono l’assorbimento della luce).
• Riproduzione ed embriogenesi.
• Accrescimento e mantenimento degli epiteli.
• Funzione immunitaria.

Il retinolo e i suoi esteri si trovano in alcuni alimenti animali, il β-carotene si trova invece in alcune piante. Il β-carotene nell’intestino tenue viene convertito in retinolo mediante l’azione della β-carotene diossigenasi. La vitamina A è immagazzinata nel fegato sotto forma di retinolo ed esteri di retinile (retinolo palmitato), legati alle proteine citosoliche che legano il retinolo (CRBP). Il retinolo alimentare è trasportato a livello del circolo linfatico sotto forma di esteri retinilici all’interno dei chilomicroni. Viene secreto dal fegato legato alle proteine che legano il retinolo del siero (RBP). A livello dei tessuti bersaglio, il retinolo viene ossidato in acido retinoico, il quale si lega a dei recettori nucleari e agiscono come dei fattori di trascrizione stimolando i geni sensibili. L’11-retinale è una componente della rodopsina, il pigmento visivo. Energia luminosa provoca l’isomerizzazione dell’11-cis-retinale legato alla rodopsina in retinolo tutto-trans.

Carenza: Provoca cecità crepuscolare, degenerazione dei tessuti epiteliali (xeroftalmina), ritardato accrescimento, anemia.

Fonti alimentari: Olio di fegato di pesce, fegato, carne e derivati, uova, burro, latte, formaggi, frutta e ortaggi di colore giallo/arancione, ortaggi a foglia.

RDA: 1 RE = 1 µg retinicolo = 6 µg β-carotene, 500-700 RE/die.

UL: 3000 RE/die.

Vitamina D

Liposolubile (ergocalciferolo): Due forme, vitamina D₂ (ergocalciferolo), vitamina D₃ (colecalciferolo). La vitamina D₃ (colecalciferolo) si forma normalmente nella pelle dal 7-deidrocolesterolo attraverso una reazione fotochimica che richiede l’intervento della componente UV della luce solare. Di per sé non è biologicamente attiva, ma viene convertita dagli enzimi del fegato e del rene in 1α,25 – diidrossivitamina D₃ (calcitriolo), un ormone che regola il trasporto del calcio nell’intestino e il trasporto del calcio nei reni e nell’osso.

Calcitriolo deriva dalla vitamina D₃ che subisce due reazioni di idrossilazione in posizione 1 e 25. Regolazione dei livelli del calcio e del fosfato ematico. D₃ presente nel regno animale, D₂ è un analogo presente nei lieviti e presenta una catena laterale con doppio legame e metile, entrambe producono gli stessi effetti. Condivide con la vitamina A il meccanismo di azione, simile agli ormoni steroidei e tiroidei; esplica la sua funzione in seguito all’interazione con recettori nucleari e citosolici modificazione trascrizionale di geni specifici.

In condizioni normali, l’esposizione alla luce solare è sufficiente per il fabbisogno di vitamina D nell’organismo. Aumento del fabbisogno nei bambini, donne in gravidanza e che allattano e negli anziani.

Carenza: Rachitismo (bambini), osteomalacia (adulti) ridotto rapporto tra osso mineralizzato e non mineralizzato.

Fonti alimentari: Sintesi endogena, dieta: pesce, carne e derivati, uova.

RDA: 15 µg/die.

UL: 100 µg/die, tra le più tossiche se assunta in eccesso.

Metabolismo e azione: In circolo, la vitamina D₃ viene trasportata legata a specifiche binding protein (DBP). Al fegato, subisce idrossilazione in posizione 25 calcidiolo; ai reni subisce una seconda idrossilazione in posizione 1 calcitriolo, avviene ad opera dell’idrossilasi 1α, regolata da bassi livelli di fosfato e calcio. Il paratormone stimola a livello renale il metabolismo del calcidiolo nella forma attiva in calcitriolo (a seguito dell’ipocalcemia). Alti livelli di calcitriolo agiscono con un meccanismo a feedback negativo e inibiscono la produzione dello stesso.

Calcitriolo agisce interagendo con recettori nucleari a livello di:

• Intestino assorbimento di Ca e Pi²⁺.
• Ossa mobilizzazione di Ca²⁺ e Pi.
• Reni assorbimento di Ca e Pi²⁺.

Vitamina E

Liposolubile (tocoferoli, tocotrienoli): sono di origine vegetale. Il 90% della vitamina E presente nei tessuti umani si trova sotto forma di α-tocoferolo, un isomero naturale. Viene assorbito a livello intestinale in modo simile a quello dei lipidi della dieta, viene trasportato in circolo con le lipoproteine. Ha una porzione aromatica (anello: cromano, condensazione di un anello fenolico con anello del pirano) a cui è legata una lunga coda idrofobica (16 carboni). I tocoferoli hanno una catena satura, mentre i tocotrienoli insatura.

Ha un’azione antiperossidante: scavenger di radicali liberi neutralizzando i radicali perossilici, protegge dalla perossidazione gli acidi grassi poli-insaturi (PUFA). Essenziale per il mantenimento dell’integrità strutturale di tutte le membrane biologiche. Attraverso il gruppo -OH neutralizza i radicali, trasformandosi nel radicale stabile tocofrenilico. Grazie alla catena idrofobica riesce a inserirsi in tutte le membrane cellulari in modo molto semplice (anche all’interno delle lipoproteine), mantenimento degli acidi grassi in uno stato non perossidato. Molto importante per la guaina mielinica.

Carenza: Solo nei bambini pre-termine o in caso di malassorbimento lipidico.

Fonti alimentari: Semi, oli e grassi, frutta secca e alcuni vegetali.

Rapporto adeguato AI: 10-15 mg/die.

UL: 300 mg/die, fabbisogno correlato alla quantità di PUFA.

Vitamina K

Liposolubile (derivati dal naftochinone): vitamina K₁ (fillochinone presente nelle foglie delle piante verdi), vitamina K₂ (menachinone si forma ad opera dei batteri della flora intestinale dei vertebrati), vitamina K₃ (menadione molecola sintetica, priva di catena laterale, parzialmente idrosolubile). Correlata ai processi di coagulazione. Circola come fillochinone ed è depositata nel fegato sotto forma di chinone derivato. È necessaria come coenzima di carbossilasi coinvolte nella modificazione post-traduzionale di proteine che legano il calcio (fattori della coagulazione contenenti alcuni residui di glutammato).

Fattori della coagulazione vengono prodotti come pro-enzimi inattivi a livello del fegato, grazie alla carbossilazione di specifici residui ad opera di un enzima dipendente dalla vitamina K. Carbossilasi introducono una molecola di CO₂ a livello del residuo di glutammato. Formazione di residui di gamma-carbossiglutammato (GLA) con due gruppi carbossilici vicini fortemente negativi reso più efficiente. Legame con il calcio, ponti con fosfolipidi, favorita aggregazione piastrinica. Warfarina competitore anti-coagulante.

Carenza: Nell’uomo solo dopo prolungati trattamenti con antibiotici (problemi alla flora intestinale) e nei primi giorni di vita del neonato.

Fonti alimentari: Verdura e ortaggi a foglia verde, oli e grassi.

AI: 140-170 µg/die.

Vitamina C

Idrosolubile (acido L-ascorbico): Fattore necessario per le reazioni di idrossilazione: sintesi del collagene, carnitina, noradrenalina, acidi biliari, ormoni steroidei, metabolismo della tirosina. Altre funzioni: metabolismo del ferro (concorre al mantenimento dello stato ridotto), attivazione dell’acido folico, protezione dai danni ossidativi. Lattone (formazione legame estere interno) dell'acido deidrogulonico. Composto a 6 atomi di glucosio. Essenziale per l’uomo, primati, cavie e alcuni pipistrelli, manca ultimo enzima delle quattro tappe. Proprietà biologiche riconducibili alle caratteristiche chimiche e strutturali del gruppo enediolo (due ossidrili legati a due atomi di C legati con doppio legame). Ossidrile in C3 ha carattere acido, può dissociarsi in ione ascorbato (in equilibrio in condizioni fisiologiche).

L’ascorbato può andare incontro a ossidazione con formazione di deidroascorbato, il quale ha funzione anti-scorbutica. L’assorbimento dell’ascorbato avviene a livello intestinale mediante un trasportatore specifico (non riconosce deidroascorbato). Il deidroascorbato viene assorbito mediante il trasportatore del glucosio. A livello cerebrale, il glucosio è presente ad altissimi livelli, presenza solo del trasportatore GLUT1 che muove deidroascorbato. Attività biologica: necessario per reazioni di idrossilazione, sintesi di composti come collagene (proteina principale del nostro organismo). Non partecipa direttamente alla reazione, ma mantiene cofattori in uno stato ridotto (metalli che si ossidano e devono essere rigenerati). Rigenera la vitamina E dal suo radicale corrispondente. Vitamina molto instabile, nel limone stabile a pH acido; a pH basico si apre l’anello lattonico mediante una reazione irreversibile. Eccesso di acido ascorbico viene eliminato come ossalato, prima di venire eliminato con urine, vengono saturati i tessuti in cui ci sono delle riserve (come il sistema nervoso, ghiandole surrenali, fegato).

Carenza: Scorbuto, fragilità ed emorragie capillari, ritardo di cicatrizzazione e ossificazione.

Fonti alimentari: Verdura, ortaggi, frutta.

RDA: 85-105 mg/die.

UL: Massimo 1g/die.

Vitamine del gruppo B

Idrosolubili: Esplicano la loro azione fisiologica dopo essere state trasformate nell’organismo nei corrispondenti coenzimi. Alterazioni metaboliche in seguito a: carenze alimentari, presenza di fattori che ne riducono la biodisponibilità, incapacità di conversione nelle forme coenzimatiche.

• Acido folico: Precursore del tetraidrofolato necessario per la sintesi di alcuni amminoacidi e basi pirimidiniche. Trasportatore di unità monocarboniose (metile, idrossimetile). Ha un ruolo importante nella rigenerazione cellulare, le cellule caratterizzate da una veloce proliferazione cellulare (cellule ematopoietiche del midollo osseo) risentono molto della carenza. Solo i microrganismi possono sintetizzare acido folico a partire da un precursore pteridinico + acido p-amminobenzoico + glutammato. Il tetraidrofolato viene sintetizzato dall’acido folico mediante l’enzima diidrofolato reduttasi (vitamina C partecipa nella reazione).

Fonti alimentari: Vegetali a foglia verde, fegato, cereali.

Carenza: Anemia megaloblastica, difetti dello sviluppo del SNC a livello embrionale.

RDA: 400 µg/die.

UL: 1000 µg/die.

• Cobalamina, vitamina B₁₂: Ha una complessa struttura simile a quella della porfirina dell’eme; è formato da un anello corrinico (fatto da 4 anelli pirrolici). Al centro dell’anello si trova uno ione cobalto. Partecipa alle reazioni di riciclo dei folati e nella sintesi della metionina. Il cobalto (coordinato da 4 atomi di azoto) forma inoltre 2 legami perpendicolari all’anello: 1 con 5,6 dimetilbenzimidazolo (DBM) 1 con diversi gruppi funzionali possibili: metile, deossiadenosina, cianuro.

• Metilcobalamina: Coenzima di numerose transmetilasi (insieme a folato).
• 5’- deossiadenosilcobalamina: Coenzima di mutasi, importante nel...