Riassunto di Biochimica degli alimenti

Biochimica degli alimenti

L'energia e la regolazione omeostatica dell'organismo

Fondamentalmente il nostro organismo deve assimilare alimenti di varia natura (lipidica, proteica o glucidica) per ricavare l'energia necessaria affinché possano verificarsi tutti quei processi biologici volti alla sopravvivenza dell'organismo stesso. Tutto ciò è reso possibile grazie a una serie di reazioni biochimiche, di natura anabolica e catabolica, che formano di fatto il cosiddetto metabolismo.

Il problema è che il nostro organismo è molto più complicato di quanto già sembri. Basti pensare che ogni essere umano è caratterizzato da miliardi e miliardi di cellule che a loro volta formano:

• Tessuti
• Organi
• Apparati che cooperano al fine di dar vita all'organismo stesso

Queste cellule però non sono tutte uguali, infatti presentano una diversa struttura morfo-funzionale e danno vita a differenti tessuti, organi ed apparati. Avremo pertanto le cellule dei tessuti nervosi (come le cellule della glia o i neuroni), quelle del tessuto muscolare, epiteliale, ghiandolare, miocardico e così via, ed ognuna di esse, essendo diversa in struttura e funzione, necessiterà di determinati nutrienti specifici.

Ad esempio, il tessuto muscolare predilige gli zuccheri poiché deve fare movimenti molto rapidi e necessita di energia costante e a rapido rilascio, mentre il cervello può, oltre agli zuccheri, utilizzare anche i lipidi (come i corpi chetonici) come fonte di energia, in caso di necessità. La fonte di energia principalmente utilizzata dal nostro organismo è ovviamente il glucosio che dev'essere pertanto sempre biodisponibile e facilmente assimilabile. Infatti, il glucosio viene prodotto anche a partire dai grassi e dagli amminoacidi, in maniera tale che i livelli di glucosio non scendano mai sotto determinati valori critici.

I valori di glucosio nel sangue vengono definiti come valori glicemici, detti generalmente anche “Glicemia”, e devono rimanere sempre fra i 60-110 mg/dl di sangue, che corrispondono a circa 0,6-1,1 g/l. Se i valori di glicemia sono:

• < 40 mg/dl c'è addirittura il rischio di coma ipoglicemico seguito da morte dell'organismo
• > 110 mg/dl si ha il fenomeno di iperglicemia

Come quindi possiamo notare, la cosa più importante che deve fare il nostro organismo a livello metabolico è sicuramente regolare i valori di glicemia e di fatto regolare quel che si definisce come “omeostasi corporea”.

Il primo modo con cui il nostro organismo mantiene costanti i valori glicemici è rappresentato dalle riserve di glicogeno, un polimero di glucosio che viene catabolizzato nel caso in cui ci sia carenza di glucosio nel sangue. Infatti, anche quando non assimiliamo nessuna fonte glucidica, i valori della glicemia rimangono comunque entro un determinato range per un arco di tempo molto lungo, perché abbiamo anche delle scorte di glucosio che vengono riservate a livello epatico e muscolare sotto forma di glicogeno. Le riserve di glicogeno maggiormente abbondanti sono sicuramente quelle di glicogeno muscolare, in quanto il fegato è un organo di 1,5 Kg circa, che occupa un volume esiguo del nostro organismo e può pertanto riservare una quantità di glicogeno esigua. Mentre i muscoli rappresentano il 50-60% dell'intero peso e volume corporeo e possono riservare una quantità di glicogeno nettamente superiore. Sommate fra loro, le riserve di glicogeno epatico e muscolare durano circa dalle 20 alle 24 ore a patto che non si pratichi attività sportiva o movimenti estremamente dispendiosi a livello energetico.

Il glicogeno epatico e quello muscolare però non sono utilizzati analogamente. Infatti:

• Il glicogeno epatico è presente nel fegato in grandi quantità e funge soprattutto da stoccaggio di riserva. Nel caso in cui manchi il glucosio nel sangue, il glicogeno epatico viene demolito nella via metabolica della glicogenolisi per dar vita a tanti monomeri di glucosio che entrano in circolo e mantengono costante i valori di glicemia (60-110 mg/dl).
• Il glicogeno muscolare si trova prevalentemente a livello dei muscoli scheletrici (ossia coloro che supportano il sistema scheletrico dell'essere umano), e tale glicogeno non è utilizzato per stoccaggio di riserva, bensì viene utilizzato quasi interamente dal muscolo scheletrico per permettere la contrazione muscolare ed il sostegno continuo dell'intero apparato scheletrico.

Infatti, i muscoli vengono definiti pertanto come “strutture egoiste”, proprio perché tendono a usufruire dell'energia senza metterla a disposizione di nessun altro tessuto del nostro organismo!

Una volta passate 20-24 ore, se non assimila dall'alimentazione fonti di glucosio, il nostro organismo deve accingere ad altri meccanismi biochimici e ad altre fonti di natura lipidica o proteica per mantenere costanti i valori della glicemia:

1. Ricavare glucosio a partire dal glicogeno: Glicogeno → Glicogenolisi → Glucosio (energia)
2. Ricavare glucosio a partire dai lipidi: Trigliceridi → Acidi grassi → Glicerolo → Gluconeogenesi → Glucosio
3. Ricavare glucosio a partire dagli amminoacidi: Amminoacidi → Gluconeogenesi → Glucosio

Al termine anche di queste scorte, in caso di prolungato digiuno, il nostro organismo oltre a dover regolare l'omeostasi corporea deve soprattutto mantenere in vita due organi: il cervello ed il cuore, senza i quali non potremmo ovviamente sopravvivere. Il primo dei due ad andare in deficit glicemico è sicuramente il cuore, in quanto è pur sempre un muscolo e necessita di energia sempre biodisponibile per essere contratto. Pertanto, il cervello, per evitare che il cuore si fermi, preferisce dare metà dei propri zuccheri al cuore ed utilizzare come fonte energetica sostitutiva altre molecole energetiche come i corpi chetonici.

I corpi chetonici conosciuti sono:

• Beta-idrossil-butirrico
• Acido acetoacetico
• Acetone

Tali corpi chetonici vengono biosintetizzati a partire dagli acidi grassi liberi che vanno incontro a β-ossidazione dando vita all'acetil-CoA. Dall'acetil-CoA successivamente verranno a formarsi i corpi chetonici elencati precedentemente. Questo processo prende il nome di “Chetogenesi”.

I corpi chetonici possono svolgere attività energetica come il beta-idrossil-butirrico e l'acido acetoacetico, oppure possono essere utilizzati come indici biologici per capire la concentrazione ematica degli stessi corpi chetonici, come nel caso dell'acetone. Fondamentalmente, oltre agli zuccheri, sono utilizzati come fonte energetica soprattutto dal nostro sistema nervoso centrale, poiché riescono a penetrare la barriera emato-encefalica e raggiungere il cervello, grazie alla loro natura e composizione. Il problema è che in caso di digiuno molto prolungato, i corpi chetonici vengono prodotti in grandi quantità e tendono ad acidificare il sangue e gli organi nei quali vengono assimilati, cervello compreso. Ovviamente, le cellule della glia e i neuroni, via via che l'ambiente cellulare viene acidificato, muoiono, portando in casi estremi anche alla morte cerebrale dell'intero organismo. I neonati sono molto soggetti alla formazione dei corpi chetonici in quanto presentano un metabolismo enormemente più accelerato rispetto agli adulti. Pertanto, consumano rapidamente le loro riserve di glucosio e altrettanto rapidamente biosintetizzano corpi chetonici in grandi quantità. Ecco perché i neonati vanno incontro molto frequentemente a condizioni di acidosi, detta anche “Acetone”, in cui presentano rigurgiti acidi, alito pesante e bruciori di stomaco.

Acidi grassi → β-ossidazione → acetil-CoA → Corpi chetonici (come l'acetone, il beta-idrossil-butirrico e l'acido acetoacetico)

Il metabolismo e le modalità di dispendio energetico

Il metabolismo rappresenta l'insieme delle reazioni anaboliche e cataboliche volte alla degradazione e alla biosintesi di molecole. Le attività cataboliche sono rappresentate dal cosiddetto catabolismo, ossia l'insieme delle reazioni volte alla degradazione di molecole complesse in molecole semplici, solitamente monomeriche. Generalmente, le reazioni cataboliche sono tutte esoergoniche, ossia liberano un certo quantitativo di energia. Le attività anaboliche sono rappresentate dall'anabolismo, ossia l'insieme delle reazioni volte alla sintesi di molecole complesse a partire da molecole semplici, generalmente monomeriche. Le reazioni anaboliche sono endoergoniche, ossia necessitano di energia dall'ambiente per poter avvenire.

Le attività metaboliche all'univoco sono influenzate da vari fattori, come:

• Dimensioni corporee
• Quantità di massa muscolare
• Presenza di malattie
• Sesso
• Età
• Stato fisiologico
• Fattori genetici
• Stato ormonale
• Assunzione di farmaci o sostanze stimolanti come teina, caffeina e nicotina

Sostanzialmente, gli alimenti una volta ingeriti vengono metabolizzati affinché possiamo ricavarne energia. Tale energia viene fondamentalmente ripartita per garantire il corretto andamento dei meccanismi biologici dell'individuo, infatti:

• Il 60-75% serve per garantire il corretto funzionamento del metabolismo basale (MB). Quando parliamo di metabolismo basale, intendiamo tutti quei processi volti al mantenimento della vita dell'organismo stesso. Processi come la respirazione cellulare, l'attivazione dei processi involontari (come il battito del cuore, l'attività di proliferazione e ricambio cellulare, il corretto andamento delle attività del sistema nervoso simpatico). Il sistema nervoso simpatico infatti regola il processo di termogenesi, importantissimo per mantenere la temperatura corporea costantemente attorno a valori di 36-36,5 gradi centigradi. La termogenesi avviene all'interno dei mitocondri, grazie a una proteina chiamata “Termogenina”. Le termogenine si aggregano a formare dei canali dai quali passano continuamente i protoni. I protoni formano un gradiente protonico che a sua volta è in grado di generare energia dissipata sotto forma di calore. Generalmente, ricordo che per misurare il metabolismo basale non è così facile come sembra. Una persona infatti deve trovarsi in un ambiente termostatato alla temperatura di 36,5 gradi, per evitare che ci sia dispendio di energia dovuto a termogenesi. Deve trovarsi a stomaco vuoto per diminuire l'attività digestiva (termogenesi indotta dalla dieta). Deve trovarsi infine in condizioni di inattività fisica, per ridurre al minimo il dispendio energetico indotto dall'attività fisica, quindi sostanzialmente dovrà essere in stato di dormi-veglia (una via di mezzo fra dormiente e attivo).
• Il 15-25% viene utilizzato durante l'attività fisica quotidiana. Sostanzialmente si fa riferimento soprattutto all'energia che serve per mettere in funzione il nostro apparato muscolare. Nel caso degli atleti, avendo una muscolatura più grande, possono arrivare anche a utilizzare fino al 30-50% dell'intera energia ricavata dagli alimenti ingeriti. Ovviamente poi l'energia necessaria al compimento dell'attività fisica è generalmente correlata alla sua durata, all'intensità, alla quantità di ossigeno accumulabile (che dipende a sua volta dal volume polmonare dell'individuo considerato) e dalla velocità di consumo dell'ossigeno accumulato (che dipende dall'efficienza e dalla resistenza dell'individuo considerato). Infatti, il consumo energetico totale relativo all'attività fisica è calcolabile tramite la formula: [Consumo energetico = 20,3 * VO2] con VO2 → Velocità del consumo di ossigeno. Il consumo di energia nell'attività fisica è correlato anche al tipo di sport praticato. Ogni tipo di attività può essere equiparato per capire più o meno le differenze di consumo da uno all'altro. Questo è possibile grazie agli equivalenti metabolici (EM). Ad esempio: riposo (EM=1), danza (EM=2,9), nuoto (EM=4,4), corsa (EM=8) e salto della corda (EM=12). Questo significa che a parità di condizioni fisiche (peso, altezza ecc.) una persona che salta la corda consuma ben 12 volte di più rispetto a una a riposo! Per capire i livelli di attività fisica possiamo dare un'occhiata anche all'indice LAF (acronimo che sta per Livelli di Attività Fisica). Tale indice tiene conto della TID (Termogenesi indotta dalla dieta) e del consumo energetico post-esercizio, ed è possibile grazie ad esso delineare lo stile di vita delle persone in sedentario (LAF compresa fra 1-1,39), moderata attività (LAF compresa fra 1,4-1,59), buona attività fisica (LAF compresa fra 1,6-1,89) ed infine elevata attività fisica (LAF compresa fra 1,9-2,5). L'indice del dispendio energetico totale dovuto all'attività fisica prende il nome di “TEE” (Total Energy Expenditure), ed è il dato sicuramente più preciso in assoluto, poiché tiene conto del LAF, dell'età, del peso e dell'altezza dell'individuo. Infatti, il TEE è ricavabile tramite la formula: [TEE = A+B*(Età)+LAF*(C*peso*D*altezza)] con B, C e D → coefficienti di età, peso ed altezza!
• Il 10-20% viene utilizzato per la termogenesi indotta dalla dieta (TID). Sostanzialmente quindi quest'energia viene utilizzata per permettere l'attivazione di tutti quei processi metabolici volti alla digestione degli alimenti ingeriti. Ogni tipo di alimento avrà bisogno di una determinata quantità di energia per essere digerito, a seconda della sua complessità e composizione. Infatti, i grassi per essere digeriti solitamente non necessitano di grandi quantità di energia (0-5% dell'intero 100% iniziale) poiché la maggior parte viene direttamente accantonata come fonte di riserva energetica o per la formazione di strutture cellulari o biomolecole varie. I carboidrati per essere degradati necessitano di esigue quantità di energia, sia se si parla di carboidrati semplici che complessi (5-10% dell'intero 100% iniziale). Le proteine sono le biomolecole più complesse da digerire e pertanto necessitano di grandi quantità di energia (fino al 30% dell'intero 100% iniziale).

Le vitamine come micronutrienti

Le vitamine sono delle biomolecole organiche definite a livello metabolico come “Micronutrienti”, poiché basta assimilarne basse concentrazioni per arrivare a soddisfare le richieste giornaliere raccomandate. Si parla generalmente di microgrammi, milligrammi o al massimo di qualche grammo nel caso in cui si parli di specifiche vitamine, come la vitamina-C. Generalmente, le vitamine sono fondamentali per il corretto andamento del nostro organismo, poiché svolgono innumerevoli funzioni metaboliche senza le quali non potremo vivere, come ad esempio:

• Fungono da coenzimi, ossia interagiscono con gli enzimi, permettendo la maggior parte delle reazioni metaboliche volte alla produzione di energia
• Partecipano al trasporto di protoni ed elettroni
• Stabilizzano le membrane cellulari
• Hanno un'azione ormone-simile, attivando o inibendo alcuni meccanismi biologici
• La carenza di alcune vitamine porta alla manifestazione di numerose patologie molto molto gravi

Le vitamine, sulla base della loro natura, possono essere suddivise in: idrosolubili e liposolubili.

Le vitamine idrosolubili (caratteristiche, funzioni ed importanza)

Le vitamine idrosolubili si definiscono così perché sono solubili nell'acqua, ed è proprio lì che si trovano maggiormente negli alimenti. Generalmente, queste vitamine vengono assorbite a livello intestinale, soprattutto nel tratto prossimale dell'intestino, ma una volta assimilate, possono anche essere facilmente eliminate dal nostro organismo tramite urina, sudorazione, defecazione ed ogni altro processo che comporta l'eliminazione di acqua. Proprio per questo motivo, le vitamine idrosolubili devono essere assunte quotidianamente, per evitare condizioni di ipovitaminosi e la nascita quindi di patologie talvolta anche molto gravi.

Siccome vengono facilmente eliminate, queste vitamine possiamo prenderle in quantità discretamente alte, nel caso della vitamina C addirittura possiamo arrivare anche a qualche grammo al giorno, con le dovute precauzioni. Talvolta però, anche a seguito di assunzioni molto elevate di queste vitamine, alcuni soggetti risultano comunque esserne carenti. Questo succede soprattutto quando i soggetti in questione presentano diete squilibrate o patologie debilitanti come:

• Ridotto assorbimento intestinale, e quindi le vitamine idrosolubili vengono solo in parte assorbite, mentre la maggior parte espulsa con le feci
• Alterazioni genetiche
• Diarrea cronica, che comporta una perdita di liquidi esageratamente alta, e quindi anche la perdita delle vitamine idrosolubili
• Ipertiroidismo, in cui il soggetto necessita di un quantitativo di vitamine ed altri nutrienti maggiore, per via del suo metabolismo accelerato
• Soggetti che necessitano di maggior quantità di nutrienti, come gli sportivi (che perdono le vitamine)