Esame biochimica e propriet funzionali degli alimenti

Gli alimenti nella nutrizione umana

Energia

Gli animali e l’uomo sfruttano indirettamente l'energia solare per ogni loro attività. Gli organismi autotrofi fotosintetici (fotoautotrofi) trasformano l'energia solare in una nuova forma disponibile per gli organismi eterotrofi (erbivori o carnivori). Il cibo fornisce all’organismo le fonti di energia e i materiali per la costituzione o il rinnovo delle strutture del corpo. Gli esseri viventi utilizzano solo due forme di energia:

• Energia luminosa: utilizzata dagli organismi autotrofi attraverso la fotosintesi
• Energia chimica: utilizzata dagli organismi eterotrofi attraverso l'ingestione di molecole organiche

Organismi autotrofi

Tutti gli organismi ricavano dall'ambiente l'energia necessaria per poter svolgere il proprio lavoro. Gli organismi autotrofi, come le piante, sono in grado di costruire da sé le molecole di glucosio e altre biomolecole a partire da acqua e anidride carbonica, utilizzando come fonte di energia luce del sole.

Organismi eterotrofi

Gli organismi eterotrofi, come gli animali, prelevano dall’ambiente molecole organiche complesse già sintetizzate. Gli eterotrofi (come gli autotrofi) utilizzano poi tali molecole (per esempio il glucosio) come combustibile per ricavare energia.

Metabolismo

L’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono nell’organismo e, più in dettaglio, all’interno delle singole cellule permettendone la sopravvivenza, costituisce il metabolismo. Il metabolismo è suddiviso in due fasi fondamentali:

• Catabolismo: è l’insieme delle reazioni chimiche di degradazione che demoliscono composti organici complessi, contenuti negli alimenti, in molecole più semplici; vengono liberati i principi nutritivi e l’energia contenuta nelle biomolecole demolite.
• Anabolismo: è l’insieme delle reazioni chimiche di sintesi che assemblano sostanze semplici in molecole più complesse. È sfruttata l’energia derivante dalle reazioni cataboliche per soddisfare le richieste energetiche, strutturali e funzionali della cellula.

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

Una reazione catabolica, nella quale il contenuto di energia dei prodotti è inferiore rispetto a quello dei reagenti (liberazione di energia all’esterno) è chiamata esoergonica. Una reazione anabolica, nella quale il contenuto di energia dei prodotti è superiore rispetto a quello dei reagenti (assorbimento di energia dall’esterno), è chiamata endoergonica.

Il metabolismo cellulare è l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula e quindi in un organismo. Le reazioni chimiche comportano trasformazioni energetiche:

• Se si libera energia, la reazione è esoergonica
• Se viene assorbita energia, la reazione è endoergonica

Il metabolismo cellulare comprende anabolismo e catabolismo.

ATP

Le reazioni esoergoniche sono legate a quelle endoergoniche dell’ATP che rappresenta la moneta di scambio energetico nella cellula per la sua posizione intermedia tra le reazioni esoergoniche ed endoergoniche. L’ATP ha il compito di assorbire l’energia prodotta dalle reazioni esoergoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari e la costruzione di nuove molecole.

L’adenosintrifosfato (ATP) è un nucleotide trifosfato costituito da: uno zucchero (ribosio), una base azotata (adenina) e 3 fosfati inorganici. I legami tra i gruppi fosfato sono ad alta energia. Per formarli occorre energia (7 kcal/mol) e, viceversa, la loro rottura libera energia utilizzabile in altre reazioni chimiche.

ATP e le reazioni accoppiate

Le reazioni di catabolismo e dell’anabolismo sono accoppiate a reazioni di sintesi e idrolisi dell’ATP. L’energia liberata dalle reazioni di degradazione (catabolismo) viene utilizzata per “ricaricare” l’ATP. L’energia immagazzinata nell’ATP viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare. Quindi l’ATP accoppia quasi tutti i processi metabolici cellulari che liberano energia con quelli che la richiedono. L’ATP è trasportatore dell’energia cellulare.

La vita dell’ATP

L’ATP viene continuamente consumato ma si rigenera per addizione di un fosfato inorganico (Pi) ad una molecola di ADP. La sintesi di ATP richiede energia (7 kcal/mol) ed è resa possibile grazie al suo accoppiamento con le reazioni cataboliche (esoergoniche). L’idrolisi di ATP in ADP+Pi libera energia che la cellula usa per compiere le reazioni anaboliche e tutte le attività cellulari che richiedono energia. L’ATP immagazzina energia chimica nel legame fra due dei suoi gruppi fosfato: il processo è noto come fosforilazione. In esso un enzima trasferisce all’ADP un gruppo fosfato proveniente da una molecola organica che funge da substrato. L’ATP è come una batteria carica, l’ADP è una batteria parzialmente carica, quello con 1 solo gruppo fosfato è una batteria scarica.

Metabolismo energetico

Il metabolismo dell’organismo è costituito da una fitta rete di reazioni enzimatiche, mediante il quale le molecole biologiche vengono scisse e risintetizzate. Questa rete consente di:

• Produrre ed utilizzare energia libera
• Operare numerose interconversioni metaboliche (ad es., si possono ottenere amminoacidi da amminoacidi, glucosio da amminoacidi, acidi grassi da glucosio (non viceversa), acidi grassi da altri acidi grassi).

Gli organismi viventi sono costituiti da strutture ordinate e bene organizzate, le cellule, riunite a loro volta in tessuti, organi e sistemi di organi il cui funzionamento e mantenimento richiede energia. Se le reazioni chimiche degli organismi vengono a cessare, la cellula e l’organismo muore nel giro di pochi minuti. La richiesta di energia dell’uomo (per far avvenire queste reazioni/di mantenimento degli organi) è garantita dal continuo apporto alimentare.

Alimentazione e nutrizione

L’alimentazione è l’atto volontario, influenzato da fattori culturali, sociali, psicologici, climatici, modificabile a piacimento, che il nostro organismo compie per soddisfare l’appetito e la sete. È il processo che comprende tutti i passaggi che vanno dall’introduzione alla digestione degli alimenti. La nutrizione è l’atto, fisiologico, involontario, che l’organismo compie per assumere i nutrienti di cui necessita per potersi mantenere in vita, e che condiziona crescita e sviluppo dell’organismo. È il processo che riguarda l’assorbimento, la distribuzione e quindi l’utilizzo dei nutrienti, direttamente correlato quindi ai processi metabolici.

Un alimento è un prodotto trasformato o non, in tutto o in parte edibile e destinato al consumo da parte degli esseri umani. Gli alimenti si distinguono per l’origine: vegetale, animale o minerale. Ogni alimento è costituito da più nutrienti che legandosi tra loro determinano le caratteristiche degli animali stessi.

Le funzioni dei principi nutritivi

Il corpo umano ricava dai principi nutritivi contenuti negli alimenti:

• Materiale per costruzione e mantenimento dei tessuti (funzione plastica: lipidi, proteine, sali minerali)
• L’energia necessaria per far funzionare gli organi (cervello, polmoni, cuore, ecc) e permette qualsiasi attività fisica. Questi nutrienti sono il “carburante” che viene “bruciato” dalle cellule per svolgere tutte le funzioni dell’organismo (funzione energetica: carboidrati e lipidi)
• Sostanze che regolano e controllano i molteplici processi metabolici (funzione regolatrice: sali minerali, vitamine, acqua, proteine)

Alcuni alimenti (ad es. bevande alcoliche), pur essendo validi nutrienti energetici, vengono definiti accessori in quanto possono essere omessi dall’alimentazione senza conseguenze nocive per l’organismo. Un principio nutritivo è una sostanza che assolve una o più delle suddette funzioni.

I principi nutritivi

I carboidrati

Sono la principale fonte energetica fornita all’organismo dagli alimenti. Coprono circa la metà del fabbisogno energetico e forniscono energia di rapido utilizzo. Sono essenziali per la funzionalità del cervello e dei globuli rossi che dipendono solo dalla disponibilità di glucosio. Quando i bisogni di energia dell’organismo sono soddisfatti, i carboidrati ingeriti in eccesso in parte si depositano nel fegato e nei muscoli sotto forma di glicogeno, in parte vengono depositati sotto forma di grassi. I carboidrati si distinguono in:

• Glucidi semplici (monosaccaridi): sono digeriti velocemente e rappresentano per l’organismo l’energia di pronto impiego
• Glucidi complessi (disaccaridi e polisaccaridi): devono essere scomposti, non sono quindi immediatamente disponibili. Sono però un importante serbatoio di riserva energetica.

I lipidi

Possono essere distinti in:

• Saturi (di origine animale, si trovano in burro, carne rossa, formaggio)
• Insaturi (i polinsaturi si trovano in pesce, vegetali e mandorle; i monoinsaturi si trovano nell’olio EVO)
• Colesterolo (è contenuto in carni, pesce, uova, formaggi)

Hanno funzione energetica, di termoregolazione e plastica. Sono prevalentemente immagazzinati nel tessuto adiposo; vengono mobilizzati quando necessario per essere portati alle cellule che li utilizzano per produrre energia. Se ingeriti in eccesso, la quota di grassi non impiegata a scopo energetico è depositata nel tessuto adiposo, facendolo aumentare.

Le proteine

Sono costituite da singole unità dette amminoacidi che, legandosi tra loro, costituiscono la struttura chimico-fisica della proteina. Sono importanti per la funzione plastica (crescita, sostituzione e riparazioni delle cellule del corpo) e regolatrice (enzimi). Possono essere di:

• Origine animale: contengono tutti gli amminoacidi, anche quelli che l’uomo non è in grado di sintetizzare (amminoacidi essenziali), e sono considerate di elevato valore nutrizionale
• Origine vegetale: sono carenti di uno o più amminoacidi essenziali e sono pertanto di basso valore nutrizionale.

Diversamente da lipidi e carboidrati, l’organismo non è dotato di depositi proteici.

Le vitamine

Non apportano calore ma svolgono funzioni di regolazione in processi metabolici. Sono presenti negli alimenti in piccole quantità, ma non devono mai mancare. Esistono diverse patologie, anche gravi, legate ad una carenza di tali micronutrienti. Alcune vengono sintetizzate direttamente dall’organismo, altre devono essere assunte attraverso l’alimentazione. Sono contenute in tutti gli alimenti in diverse percentuali ma sono abbondanti soprattutto nella frutta e nella verdura. Si distinguono in vitamine idrosolubili e liposolubili.

I sali minerali

Sono sostanze inorganiche presenti nel nostro corpo sia allo stato solido che in soluzione nell’acqua. Si trovano in tutti gli alimenti e, insieme alle vitamine, sono importanti per la funzione regolatrice che svolgono nel nostro organismo. Il calcio, contenuto nei latticini, e il fosforo sono gli unici sali minerali che hanno funzione plastica: sono infatti necessari per la struttura e ricostruzione delle ossa. In base alla loro abbondanza nell’organismo umano, si suddividono in:

• Macronutrienti: calcio, fosforo, magnesio, zolfo, sodio, potassio, cloro
• Microelementi o oligoelementi: ferro, zinco, rame, iodio, selenio, manganese, fluoro

L'acqua

Rappresenta la principale componente inorganica del corpo umano e costituisce circa il 60% del peso corporeo di un adulto. Non fornisce energia ma è essenziale per la sopravvivenza (due giorni senza apporto idrico possono condurre a morte). Il fabbisogno di acqua corrisponde a circa 2,5 -3 litri al giorno e viene coperto:

• Con acqua introdotta attraverso alimenti e bevande
• Con acqua formata nell’organismo dai processi di respirazione cellulare

L'acqua è coinvolta in diverse funzioni come per esempio regolare la temperatura corporea, favorire i processi digestivi e permettere il trasporto di nutrienti e l’eliminazione di scorie metaboliche.

I gruppi alimentari

In base al nutriente presente in maggior quantità, gli alimenti vengono suddivisi in gruppi alimentari.

Carne, pesce e uova

Vi appartengono carne, pesci, molluschi, crostacei e uova e contengono ferro, lipidi, proteine “nobili” e vitamine del gruppo B. Svolgono prevalentemente funzione plastica o costruttiva.

Latte e derivati

Vi appartengono latte vaccino, latticini, formaggio e yogurt e contengono lipidi, proteine, vitamine del gruppo B, calcio, fosforo, glucidi. Svolgono tutte le funzioni alimentari.

Legumi

Vi appartengono fagioli, piselli, lenticchie, ceci, fave, soia e arachidi e contengono ferro, vitamine del gruppo B, glucidi e proteine di medio valore biologico. Svolgono sia funzione costruttiva che energetica.

Cereali e derivati

Vi appartengono riso, frumento, mais, avena, orzo, segale e i loro derivati quali pasta, pane, farine, ecc. Contengono soprattutto glucidi e svolgono una funzione energetica.

Grassi

Vi appartengono olio di oliva, olio di semi vari, margarina, burro, lardo e strutto e contengono lipidi, acidi grassi essenziali e vitamine liposolubili. Svolgono essenzialmente la funzione energetica.

Ortaggi e frutta giallo/verde

Vi appartengono carote, zucca gialla, spinaci, bietole, peperoni, cicoria, lattuga, albicocche ecc. e contengono acqua, fibra, glucidi, minerali, vitamina A. Svolgono la funzione bio-regolatrice /protettiva.

Ortaggi e frutta acidula

Vi appartengono pomodori, broccoli, cavolfiori, patate, arance, limoni, mandarini e contengono vitamina C, minerali, acqua e glucidi. Svolgono nella funzione bio-regolatrice /protettiva.

I nutrienti hanno funzione:

• Energetica
• Plastica
• Regolatrice

Oltre ai nutrienti, negli alimenti si trovano anche gli antinutrienti, ovvero sostanze che interferiscono con la digestione e l’assorbimento dei nutrienti stessi. Alcuni, presenti in cereali e legumi, sono inibitori di enzimi necessari alla digestione. (Un esempio di inibitore è il caffè nei confronti del lievito, in quanto il caffè fa crescere molto più lentamente e con meno sviluppo per esempio le colombe al caffè). Altri, presenti nelle leguminose, cereali, spinaci e cavoli, ostacolano l’assorbimento di sostanze minerali, formando composti insolubili che vengono direttamente eliminati senza essere assorbiti. Molti fattori antinutrizionali sono inattivati con la cottura, e molte di queste sostanze sono utilizzate dalle piante come fattore di protezione da attacchi esterni.

Le fibre alimentari

Le fibre alimentari sono una frazione di alimenti vegetali resistenti all’azione degli enzimi digestivi, ma vengono parzialmente scissi da batteri intestinali, ed appartengono ai carboidrati. Possono essere:

• Solubili: si sciolgono in acqua dando una massa gelatinosa (pectine, mucillagini, polisaccaridi, presenti in frutta e verdura)
• Insolubili: assorbono acqua ma non si sciolgono (cellulosa, emicellulosa, pectine, lignine, presenti in legumi e cereali integrali)

Pur non essendo assimilate e non avendo valore nutrizionale, esercitano effetti importanti sulla salute e sono state messe in relazione alla riduzione del rischio di malattie cronico-degenerative.

Un’alimentazione equilibrata

Un’alimentazione equilibrata dovrebbe:

• Assicurare un apporto di energia adeguato al reale fabbisogno energetico, calcolato in base all'età, sesso, taglia fisica, peso e attività fisica
• Comprendere tutte le categorie di alimenti per fornire all’organismo i principi nutritivi necessari, non esiste quindi un alimento completo che contenga tutti i principi nutritivi.

La piramide alimentare è una sintesi grafica di una corretta alimentazione settimanale e quotidiana. Alla base della piramide sono presenti i cibi da mangiare con più frequenza (frutta, verdura, pasta, olio, pesce, latte e derivati); al vertice sono presenti i cibi da consumare con minor frequenza (dolci, alcol, carne, salumi, legumi).

I nutrienti essenziali

I nutrienti essenziali sono sostanze:

• Richieste per la crescita, la salute e la sopravvivenza
• La cui assenza dall’alimentazione dà origine a segni caratteristici di deficienza (quindi i nutrienti essenziali sono in grado di prevenire i segni di deficienza)

Dal punto di vista biochimico, i nutrienti essenziali sono sostanze che il nostro organismo non riesce a sintetizzare e che quindi bisogna ingerire con la dieta. Questi nutrienti essenziali sono acidi grassi, vitamine e sali minerali. Ad esempio, una dieta carente di proteine che contengono amminoacidi essenziali, si ha una riduzione della sintesi proteica nell'organismo e quindi la comparsa di turbe (=alterazione di una funzione fisiologica, ad esempio turbe digestive, nervose). Nei bambini queste turbe metaboliche possono essere di vari tipi e si manifestano con arresto un ritardo nello sviluppo fisico e mentale.

Un nutriente momentaneamente non essenziale, diventa essenziale in situazioni non fisiologiche come:

• Immaturità di sviluppo: nei neonati pre-termine sono essenziali cisteina, tirosina, taurina, carnitina
• Stati patologici: per la cirrosi epatica sono necessari cisteina e tirosina per i pazienti tumorali, la colina.

Fabbisogno energetico

Il fabbisogno energetico è definito come l’apporto di energia di origine alimentare, necessario a compensare il dispendio energetico di individui che mantengono un livello di attività fisica sufficiente per partecipare alla vita sociale. Un soggetto nella media che svolge una vita normale con moderata attività fisica richiede circa 2000-2500 kcal giornaliere. Il fabbisogno energetico giornaliero dipende dal metabolismo individuale.