Chimica degli alimenti

Chimica degli alimenti

Prof. Procida Giuseppe D'incà Levis Roberta

C.D.L Chimica e Tecnologia Farmaceutiche

Università degli Studi di Trieste | A.A. 2016/2017

Capitolo 1 – Introduzione

• Funzione dei componenti alimentari
• Metabolismo

1 | Introduzione chimica degli alimenti 2017

Introduzione

Distinguiamo due tipi di componenti negli alimenti:

• Macrocomponenti: carboidrati, lipidi e proteine
• Microcomponenti: sali, ioni inorganici, … → I microcomponenti non hanno funzione energetica ma regolatoria e spesso servono da catalizzatori

Le funzioni principali dei macrocomponenti alimentari sono:

• Primaria energetica/biologica
• Plastica per crescita e riparazione dei tessuti
• Regolatoria del metabolismo

In vivo, una sostanza ha sempre più di una funzione, ma può essere che una sia prevalente rispetto ad un'altra. La funzione fondamentale degli alimenti è comunque la primaria.

Carboidrati: energetici?

Polimeri ad alto peso molecolare che necessitano di essere idrolizzati prima di essere utilizzati dall'organismo. Ne esistono di biodisponibili (utilizzabili dall'organismo) oppure non biodisponibili (fibra alimentare, non digeribile). Ridotti tutti a glucosio, monomero energetico che non produce alcun catabolita tossico quando metabolizzato.

Una grande quantità di glucosio nell'organismo porta ad utilizzarlo in parte per produrre energia (funzione energetica), ma un'altra parte finisce nel fegato come piruvato dove si lega ai gruppi amminici delle proteine per creare amminoacidi (funzione plastica).

Il glucosio non è un elemento essenziale anche se fondamentale. Sostanza essenziale: non sintetizzabile per una via metabolica dall'organismo. Sostanza fondamentale: essenziale per la sopravvivenza dell'organismo. Sempre le sostanze fondamentali non sono essenziali, perché l'organismo si è adattato in modo tale da non rimanere mai senza le sostanze fondamentali al suo funzionamento.

Un esempio di sostanza fondamentale e quindi non essenziale è l'ossalacetato. Nel ciclo di Krebs è la prima molecola che lega l'Acetil-CoA ed è quindi di vitale importanza (=non essenziale). Permette infatti di produrre energia partendo da sostanze di natura diversa: piruvato, amminoacidi, acidi grassi. È sintetizzato a partire dal piruvato dalla piruvato carbossilasi. Un atleta usa il piruvato per produrre ossalacetato e acidi grassi come fonte energetica. Il suo nutrizionista si preoccupa che non finisca mai l'ossalacetato, mantenendo la funzione plastica del piruvato.

Il galattosio è un altro tipo di carboidrato epimero C4 al glucosio. Si trova nel lattosio. È uno zucchero di struttura quindi la funzione più importante è quella plastica, meno quella energetica. È usato per produrre sfingolipidi e cerebrosidi (permette la crescita dei neuroni), fondamentale quindi non essenziale. È sintetizzato a partire dal glucosio. Viene usato come energia solamente se prima è trasformato in glucosio, ma è un processo difficile perché coinvolge 3 enzimi e inoltre spesso chi è galattosemico non è in grado di utilizzarlo come energia. Sono però in grado di produrre galattosio dal glucosio.

[Galattosemia: intolleranza non allergia. Intolleranza: mancanza nel patrimonio genetico che porta ad un'incapacità di produrre enzimi efficienti.]

Altri carboidrati con funzione plastica sono ribosio e desossiribosio.

Lipidi: energetici?

Comprendono numerose classi di sostanze. La più vasta sono i gliceridi, che fanno parte della frazione glicerica. Danno all'organismo acidi grassi, fonti di energia perché sostanze più termogeniche tra tutte (danno tanta energia). Vengono classificati in base al grado di insaturazione e alla lunghezza delle catene:

• Saturi
• Insaturi → o Monoinsaturi acido oleico o Poliinsaturi

Dicono che gli acidi grassi saturi abbiano funzione energetica, in realtà solo quelli a catena corta (4-10C). Questi hanno un metabolismo molto veloce e vengono trasformati in Acetil-CoA in fretta. Gli altri, anche se saturi, finiscono nel tessuto adiposo come fonte di energia a lungo termine. L'organismo si oppone al loro consumo perché unica fonte di fatto di energia in momenti di magra.

In commercio esistono oli EMC che sono trigliceridi a catena corta. Se assunti producono energia in grande quantità e in modo insulino-indipendente (insulina serve a far entrare il glucosio nelle cellule). Gli acidi grassi monoinsaturi sono meno energetici ma hanno funzione plastica perché formano le membrane cellulari. Non sono essenziali.

Solamente le categorie omega 6 e omega 3 sono acidi grassi essenziali. Non hanno funzione energetica ma vengono usati per produrre altre sostanze fondamentali e impediscono la formazione di placche ateromatose nelle arterie. Gli acidi grassi insaturi sono preziosi ma si ossidano facilmente: formano radicali liberi. È meglio quindi nella dieta assumere olio di oliva perché è insaturo ma contiene l'80% di acido oleico che è monoinsaturo e solo il 20% di poliinsaturi.

Proteine: strutturali?

Hanno per lo più funzione plastica. Sono formate da 20 amminoacidi, che sono:

• 10 non essenziali
• 8 essenziali
• 2 pseudo-essenziali (dai 18 anni sono sintetizzabili dall'organismo autonomamente)

Sono fondamentali perché l'unica fonte alimentare di azoto possibile: vengono metabolizzate e utilizzate per produrre derivati azotati non proteici.

Glucidi

Glucidi degradati a glucosio, monomero funzionale. Immagazzinato in glicogeno nel fegato e nei muscoli striati, o utilizzato. ATP ottenuto da ossidazione del glucosio da 6C a 3C (piruvato). Glucosio prodotto da vegetali dalla riduzione di CO₂ + H₂O.

Quando è necessaria energia si scindono molecole organiche per formare ATP tramite la glicolisi. Glucosio trasformato in piruvato, poi in lattato. Utilizzato dalle cellule quando non è possibile ottenere O₂, in condizioni anaerobie: è una via veloce che permette di produrre energia velocemente. È una via fermentativa obbligata negli organismi anaerobi, possibile anche nell'uomo.

Per avere la massima potenza bisogna minimizzare i tempi. Lattato si accumula nel muscolo. Differenzia dal glucosio per una riduzione. Più si accumula acido lattico più il muscolo inibisce la propria contrazione, perché l'acido lattico libera H⁺ nel muscolo che viene acidificato. Non può essere considerato un catabolita tossico perché poi viene ritrasformato dal fegato in glucosio per anabolismo. Utilizza ATP prodotto dall'idrolisi dei lipidi endogeni per catabolismo aerobico.

Sia lattato che piruvato possono essere trasformati in glucosio (glucogenetici). Il glucosio normalmente viene ossidato completamente, il lattato prodotto solo in caso di sforzo prolungato. Questo processo è molto lungo (20 reazioni) e ha quindi una potenza limitata.

Protidi

Se si eliminano i glucidi e si aumentano le proteine si ha la loro trasformazione in amminoacidi, normalmente utilizzati per produrre proteine endogene. In assenza di glucidi questi invece vengono usati per produrre energia. Per utilizzarli, il fegato elimina il gruppo amminico per deamminazione ossidativa formando un chetoacido.

Si formano in questo modo cataboliti tossici (NH₃) eliminati per via gassosa attraverso gli scambi alveolari oppure per via urinaria tramite produzione di urea (ciclo dell'urea nel fegato). Esistono proteine complesse, che presentano un gruppo prostetico: alcune proteine chiamate nucleoproteine presentano un acido nucleico come gruppo prostetico. Enzimi chiamati nucleoproteasi degradano l'acido nucleico in acido urico, che si accumula nel fegato. Anche questo è un catabolita tossico.

Urea, acido urico e creatinina sono chiamate complessivamente l'azotemia: il livello di azoto presente nel sangue. Se il regime alimentare è scorretto allora ne aumenta la concentrazione. Se la funzionalità dei reni è corretta però la concentrazione è mantenuta più o meno costante: il loro aumento identifica un'insufficienza renale. C'è anche un'insufficienza epatica (gotta).

In mancanza di glucidi l'organismo idrolizza l'unica riserva di proteine disponibile: i muscoli. In mancanza di glucosio i chetoacidi prodotti vengono anche trasformati in glucosio tramite neoglucogenesi dagli amminoacidi glucogenetici. Fisiologicamente questo avviene ogni giorno in periodi lontano dai pasti.

Lipidi

La dieta squilibrata si effettua solo con lo scopo di costringere l'organismo ad utilizzare i lipidi presenti negli adipociti. In mancanza di glucosio nel livello ematico il glucagone libera gli acidi grassi, che vanno nel fegato e vengono trasformati in Acetil-CoA. Parte di questo entra nel ciclo di Krebs, mentre parte viene utilizzata per produrre i corpi chetonici: acetone, aceto acetato, β-idrossi butirrato, che sono composti altamente energetici e che vengono utilizzati ad esempio dal cuore. Vengono prodotti per aiutare organi fondamentali che vanno in deficit di glucosio.

In condizioni fisiologiche vengono normalmente prodotti. In caso di produzione eccessiva si arriva alla chetoacidosi, che è una sovraacidificazione del sangue per la presenza di troppi corpi chetonici. I lipidi quindi in questo caso producono cataboliti tossici perché si producono troppi corpi chetonici, poiché sono stati eliminati troppi glucidi. Squilibrare la dieta in maniera esagerata quindi non è buono.

Glicolisi

Trasformazione del glucosio a piruvato è un passaggio obbligato in ogni caso: via centrale del glucosio. La fermentazione lattica viene effettuata nei muscoli ma anche nella degradazione di prodotti caseari. Vantaggio: si elimina il lattosio perché viene degradato a produrre glucosio (che può essere quindi utilizzato anche negli intolleranti al lattosio).

La fermentazione alcolica invece non interessa l'organismo umano. Più c'è fermentazione alcolica più è elevata la quantità di etanolo prodotto. Avviene soprattutto negli sfarinati, dove la produzione della CO₂ porta alla lievitazione, mentre l'etanolo viene eliminato attraverso la cottura. Con la produzione di lattato dal glucosio si libera un AG= -47 kcal/mol, mentre con la produzione di CO₂ e acqua si arriva invece a ulteriori AG= -686 kcal/mol. Nel primo caso però il processo è reversibile, nel secondo no.

La glicolisi è obbligatoria, e avviene tramite 10 passaggi catalizzati da enzimi diversi: 5 reazioni iniziali e 5 finali. L'organismo fa un investimento energetico iniziale per portare il substrato ad un livello di energia tale da superare lo stato di transizione, in modo tale poi da poter immagazzinare il AG prodotto dalla formazione dei prodotti.

Fase preparatoria

Scopo: inserire zuccheri di tipo diverso nella glicolisi, in modo da permettere all'organismo di utilizzare come punto di partenza uno qualunque di questi per produrre energia.

1. Glucosio attivato utilizzando energia
2. Glucosio 6-fosfato
3. Fruttosio 6-fosfato utilizzo di energia
4. Fruttosio 1,6-difosfato
5. Gliceraldeide 3-fosfato

Fase 2

Scopo: formare ATP da una molecola energetica come la gliceraldeide 3P. Il substrato si lega agli enzimi solo se fosforilato. Tutti gli intermedi della glicolisi devono essere fosforilati per tre motivi chimici:

1. A pH neutro il gruppo fosfato è carico negativamente viene respinto dalle membrane cellulari anch'esse cariche. Gli intermedi non possono essere persi dalle cellule
2. Il gruppo fosfato serve per formare energia partendo da ADP
3. Tutti gli enzimi della glicolisi hanno dei recettori specifici per il gruppo fosfato riconoscono e legano solo molecole fosforilate

Fase 1: Fosforilazione del glucosio e conversione in gliceraldeide 3P

Step 1

Due enzimi sono in grado di attivare il glucosio:

• Esochinasi trasferisce un gruppo fosfato ad un substrato a 6C (eso-). Esiste solo nei muscoli.
• È un enzima aspecifico: può fosforilare (-chinasi) anche molecole diverse dal glucosio.
• È molto reattivo per minime concentrazioni di glucosio: ha una Km ≈ 0,5 mm (costante di Michaelis Menten).
• Viene inibito dal suo prodotto finale. Ha quindi funzione regolatoria: è in grado di regolare l'intera cinetica della glicolisi perché la reazione è a senso unico e non è possibile ritornare al glucosio, proprio perché l'organismo deve essere sicuro di ottenere il glucosio 6-fosfato.
• Viene attivato da stimoli come l'adrenalina.
• Viene inibito dal glucosio 6-fosfato perché ha senso trasformare il glucosio solo se la glicolisi può arrivare al termine
• Glucochinasi trasferisce un gruppo fosfato al glucosio. È presente solo a livello epatico.
• È specifico: può attivare solo il glucosio.
• Ha una Km molto alta: lavora bene a concentrazioni di glucosio epatico molto elevate. È un enzima post-prandiale, ovvero si attiva dopo i pasti.
• Non viene inibito dal prodotto finale.
• Il glucosio 6P prodotto in questo modo non entra nella glicolisi ma viene trasformato in glicogeno epatico attraverso il processo di glicogeno-sintetasi non è un enzima energetico

Esistono patologie relative alla biosintesi della glucochinasi: diabete di tipo 1 insulino dipendente. In tale patologia l'enzima glucochinasi non funziona in maniera corretta. Per quanto riguarda l'esochinasi invece non esistono intolleranze o patologie. È inutile fare attività fisica dopo i pasti perché si impedirebbe solamente il corretto funzionamento di tali enzimi. L'ATP non viene legato dagli enzimi che lo utilizzano se questo non si trova complessato con il magnesio a formare 2−. Gli integratori di magnesio hanno come scopo aumentare l'utilizzo di glucosio come energia.

Step 2

È una reazione di equilibrio in cui il gruppo aldeidico è trasformato a gruppo alcolico e il secondo carbonio ossidato a gruppo carbonilico. L'enzima che catalizza tale reazione si chiama fosfoglucoisomerasi e permette di effettuare tale reazione in un solo passaggio.

Step 3

La molecola di fruttosio 6P così ottenuta deve essere nuovamente attivata con consumo di ATP. L'enzima che agisce si chiama fosfofruttochinasi. La reazione non è di equilibrio: la tappa è decisiva per l'intera cinetica della reazione e l'enzima infatti è un enzima regolatore. L'enzima non viene inibito dalla concentrazione del prodotto finale, ma va a controllare in maniera costante la concentrazione energetica a livello cellulare.

Va a verificare il modo in cui varia, istante per istante, l'equilibrio [ ] + [ ] = ↔ [ ][ ] Se il rapporto di azione è alto allora non è necessario utilizzare ATP per produrre fruttosio 1,6 difosfato.

Step 4

La fruttosio difosfato aldolasi scinde una molecola a 6C (fruttosio 1,6-difosfato) in due molecole a 3C: diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. Un enzima è in grado di trasformare il diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide 3P in modo da non sprecare alcun atomo di carbonio. L'aldolasi è un metallo-enzima zinco dipendente. Lo zinco ha due funzioni:

• Energetica: permette il funzionamento enzimatico
• Plastica: partecipa nella sintesi del materiale genetico

Gli integratori di magnesio contengono quindi anche zinco.

Fase 2: Trasformazione della gliceraldeide 3P a lattato

Step 1

Lo scopo è aggiungere un altro P alla gliceraldeide per formare un pirofosfato: molecola a basso peso molecolare con due gruppi fosfato. La molecola che si forma è quella a energia maggiore di tutta la glicolisi. L'enzima che catalizza questa reazione è una gliceraldeide fosfato deidrogenasi: deve eliminare l'idrogeno aldeidico per permettere l'assunzione di un gruppo fosfato senza utilizzare una terza molecola di ATP. Non è un enzima essenziale ma necessita del coenzima NAD per effettuare tale reazione. Si crea un'anidride fosforica.

Il NAD ha una funzione pseudoessenziale: la porzione nicotinammidica può essere sintetizzata nell'organismo ma a partire dal triptofano, un amminoacido essenziale. Si può comprare in sottoforma di vitamina B3, unica vitamina non essenziale perché sintetizzabile dal triptofano. Il NAD è composto da nicotinammide, ribosio e fosfati inorganici: Forma ridotta. Se non si è in grado di assumere tale metabolita nella dieta, la glicolisi si blocca allo stadio di gliceraldeide, portando alla pellagra. Era endemica in popolazioni in cui la dieta consisteva solo di mais, privo di triptofano (il grano duro invece lo contiene). Si fermano tutte le cellule a ricambio veloce: pelle, intestino.

Step 2

Fosfoglicerato chinasi trasferisce un gruppo fosfato all'ADP per formare ATP. Non è un enzima essenziale ma necessita della presenza di magnesio.

Step 3

Trasferimento da parte di una mutasi del gruppo fosfato dall'ossigeno legato al C3 a quello legato al C2.

Step 4

La molecola è trasformata in fosfoenolpiruvato (enolo) tramite una enolasi, dipendente da Mg e K. Tutti gli integratori che aiutano la funzione muscolare contengono quindi Zn, Mg e K.

Step 5