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Complessi multienzimatici

I complessi multienzimatici sono strutture discrete e stabili formate da enzimi associati in modo non covalente che catalizzano due o più reazioni consecutive di una via metabolica.
Possono essere considerati come un passo in avanti nell’evoluzione dell’efficienza catalitica in quanto assicurano vantaggi che i singoli enzimi, anche quelli che hanno raggiunto la perfezione catalitica, da soli non avrebbero.

INDICE

Quali vantaggi offrono i complessi multienzimatici?

Nel corso dell’evoluzione alcuni enzimi si sono evoluti sino al raggiungimento della perfezione catalitica. Si tratta cioè di enzimi per i quali quasi ogni collisione con il proprio substrato ne determina la conversione in prodotto. Esempi sono:

  • la fumarasi (EC 4.2.1.2), che catalizza la settima tappa del ciclo dell’acido citrico, ossia l’idratazione/deidratazione reversibile del doppio legame del fumarato a dare malato;
  • l’acetilcolinesterasi (EC 3.1.1.7), che catalizza l’idrolisi dell’acetilcolina, un neurotrasmettitore, in colina e acido acetico, che a sua volta si dissocia a dare acetato e ioni idrogeno;
  • la superossido dismutasi (EC 1.15.1.1), che catalizza la conversione, e quindi l’inattivazione, del radicale superossido (O2.-), una specie molto reattiva, in perossido d’idrogeno od acqua ossigenata (H2O2) ed acqua;
  • la catalasi (EC 1.11.1.6), che catalizza la degradazione di H2O2 in acqua ed ossigeno.

La velocità con cui avviene una reazione enzimatica è dunque in parte è determinata dalla frequenza con cui i substrati e gli enzimi stessi collidono. Ne deriva che un modo semplice per aumentarla sia quello di aumentare le concentrazioni di enzima e substrato. Tuttavia, visto l’enorme numero di reazioni che si verificano all’interno della cellula le loro concentrazioni non potranno essere elevate. Ed infatti nella cellule la concentrazione della maggior parte dei metaboliti è dell’ordine delle micromoli (10-6 M), e per la maggior parte degli enzimi anche più bassa.
L’evoluzione ha quindi imboccato strade differenti per aumentare la velocità di reazione, una delle quali è stata quella di ottimizzare l’organizzazione spaziale degli enzimi con la formazione dei complessi multienzimatici e degli enzimi multifunzionali, ossia strutture che permettono di minimizzare la distanza che il prodotto di una reazione deve percorrere per passare al sito attivo che catalizza la reazione successiva, essendo i siti attivi vicini gli uni agli altri. Si verifica cioè l’incanalamento dei substrati, in inglese substrate o metabolic channeling, incanalamento che può avvenire anche attraverso veri e propri canali intramolecolari che connettono i siti attivi, come nel caso, tra i complessi enzimatici, del complesso della triptofano sintasi (EC 4.2.1.20), il cui tunnel fu il primo ad essere scoperto, e quello della carbamil fosfato sintasi batterica (EC 6.3.4.16).
L’incanalamento dei substrati è in grado di aumentare la velocità di reazione, ma più in generale l’efficienza catalitica, in più modi, di seguito brevemente descritti.

  • Viene limitata al minimo la diffusione di substrati e prodotti nel mezzo circostante, quindi la loro diluizione e riduzione della concentrazione, producendo anzi elevate concentrazioni locali anche quando la loro concentrazione cellulare è bassa, il che porta ad un aumento della frequenza delle collisioni enzima-substrato.
  • Viene ridotto il tempo di transito dei substrati da un sito attivo al sito attivo successivo.
  • Viene ridotta la probabilità che si verifichino reazioni collaterali.
  • Gli intermedi chimicamente labili sono protetti dalla degradazione da parte del solvente.

Un altro vantaggio metabolico apportato dai complessi multienzimatici, analogamente a quanto accade con gli enzimi multifunzionali, è che consentono di controllare in modo coordinato l’attività catalitica degli enzimi che lo compongono. E se si aggiunge il fatto che spesso l’enzima che catalizza la prima reazione della sequenza è l’enzima regolatorio, è possibile evitare:

  • la sintesi di intermedi non necessari, altrimenti prodotti se la sequenza di reazioni fosse regolata a valle della prima reazione;
  • la sottrazione di metaboliti ad altre vie come pure uno spreco di energia.

Esempi di complessi multienzimatici

Da quanto detto in precedenza non sorprende che, specialmente nelle cellule eucariote, i complessi multienzimatici, al pari degli enzimi multifunzionali, siamo comuni e coinvolti in differenti vie metaboliche, sia anaboliche che cataboliche, mentre sono pochi gli enzimi liberamente diffusibili. Di seguito alcuni esempi.

Alfa-chetoacido deidrogenasi

Esempi classici di complessi multienzimatici sono i tre complessi appartenenti alla famiglia delle alfa-chetoacido deidrogenasi o 2-ossiacido deidrogenasi, ossia:

  • il complesso della piruvato deidrogenasi o PDC, acronimo dell’inglese pyruvate dehydrogenase complex;
  • il complesso dell’α-chetoacido deidrogenasi a catena ramificata o BCKDH , acronimo dell’inglese branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex;
  • il complesso della α-chetoglutarato deidrogenasi, o 2-oxoglutarato deidrogenasi o OGDH, acronimo dell’inglese 2-oxoglutarate dehydrogenase.

I tre complessi sono correlati sia dal punto di vista strutturale che funzionale.
Considerando ad esempio il complesso della piruvato deidrogenasi questi è formato da copie multiple di tre enzimi differenti:

PDC, sia nei procarioti che negli eucarioti presenta quindi una struttura di base E1-E2-E3, struttura che si ritrova anche negli altri due complessi. In aggiunta, all’interno di una data specie:

E, sebbene questi enzimi siamo specifici per i rispettivi substrati,  utilizzano gli stessi cofattori, ossia il coenzima A, il NAD, al tiamina pirofosfato, il FAD e la lipoamide.
Al fine di differenziarle vengono indicate, per il complesso della piruvato deidrogenasi, della α-chetoglutarato deidrogenasi e della α-chetoacido deidrogenasi a catena ramificata, rispettivamente come:

  • E1p, E1o ed E1b (EC 1.2.4.4);
  • E3p, E3o, and E3b (EC 1.8.1.4).

Nota: il complesso della piruvato deidrogenasi degli eucarioti è il più grande complesso multienzimatico conosciuto, più grande di un ribosoma e visibile anche al microscopio elettronico.

Il complesso della piruvato deidrogenasi, che rappresenta il ponte di collegamento tra glicolisi e ciclo dell’acido citrico, catalizza la decarbossilazione ossidativa del piruvato, un α-chetoacido. Nel corso delle reazioni il gruppo carbossilico del piruvato viene rilasciato in forma di anidride carbonica (CO2) e si verifica il trasferimento del gruppo acetilico risultante al coenzima A a dare acetil-coenzima A. Inoltre sono rilasciati due elettroni che sono trasferiti al NAD+.

Complessi Multienzimatici
Fig. 1 – Le Cinque Reazioni Catalizzate da PDC

Anche nel corso delle reazioni catalizzate dal complesso della α-chetoglutarato deidrogenasi e dal complesso della α-chetoacido deidrogenasi a catena ramificata, rispettivamente quarta reazione del ciclo dell’acido citrico, ossia l’ossidazione dell’α-chetoglutarato a succinil-CoA, e l’ossidazione degli α-chetoacidi derivanti dal catabolismo degli amminoacidi a catena ramificata valina, leucina ed isoleucina, si verifica:

  • la liberazione del carbonio carbossilico dell’alfa-chetoacido in forma di CO2;
  • il trasferimento del gruppo acilico risultante al coenzima A a dare l’acil-CoA corrispondente;
  • la riduzione del NAD+ a NADH.

Dunque, la notevole somiglianza esistente tra le strutture proteiche, i cofattori richiesti ed i meccanismi di reazione riflettono senza dubbio una origine evolutiva comune.

Che cosa sono i chetoacidi?

I chetoacidi o ossiacidi sono composti organici contenenti due gruppi funzionali: un gruppo carbossilico ed uno chetonico. In base alla posizione del gruppo chetonico si possono individuare alfa-chetoacidi, beta-chetoacidi e gamma-chetoacidi.

  • Negli alfa-chetoacidi o 2-ossiacidi il gruppo chetonico è in posizione α (2) rispetto al carbonio carbossilico, ossia adiacente ad esso. Questi composti sono particolarmente importanti in biologia in quanto coinvolti nella glicolisi, l’acido piruvico, il più semplice degli α-chetoacidi, e nel ciclo dell’acido citrico, l’acido ossalacetico e l’acido α-chetoglutarico.
  • Nei beta-chetoacidi o 3-ossiacidi il gruppo chetonico è in posizione β (3) rispetto al carbonio carbossilico. Un esempio è l’acido acetoacetico, il più semplice tra i β-chetoacidi, e uno dei tre corpi chetonici, assieme all’acetone e l’acido β-idrossibutirrico, prodotti dall’epatocita nel caso in cui ci sia un eccesso di acetil-CoA, come durante il digiuno o diete povere di carboidrati.
  • Nei gamma-chetoacidi o 4-ossiacidi il gruppo chetonico è in posizione γ (4) rispetto al carbonio carbossilico. Un esempio è l’acido levulinico, il più semplice dei γ-chetoacidi, derivante dal catabolismo della cellulosa.
Chetoacidi
Fig. 2 – Chetoacidi

Triptofano sintasi

Il complesso della triptofano sintasi è uno degli esempi di incanalamento dei substrati meglio studiati. Presente nei batteri e nelle piante ma non negli animali, nei batteri è formato da due subunità α e due β assemblate in unità dimeriche αβ, che sembrano esser l’unità funzionale del complesso, a dare una struttura tetramerica αββα.
Il complesso catalizza gli ultimi due passaggi della sintesi del triptofano: dall’indolo-3-glicero fosfato, per azione di una liasi (EC 4.1.2.8) presente sulle subunità α, viene liberata una molecola di gliceraldeide-3-fosfato e l’indolo. L’indolo diffonde quindi verso il sito attivo presente sulla subunità β sfruttando un tunnel idrofobico di circa 30 Å che, in ciascuna coppia αβ, connette i due siti attivi. Nel sito attivo della subunità β avviene, in presenza del piridossal-5-fosfato, la condensazione tra l’indolo ed una serina a dare il triptofano.

Acetil-CoA carbossilasi

L’acetil-CoA carbossilasi o ACC (EC 6.4.1.2), membro della famiglia delle carbossilasi biotina-dipendenti, catalizza la prima tappa di comando della sintesi degli acidi grassi, ossia la carbossilazione dell’acetil-CoA a malonil-CoA, che è utilizzato come donatore di unità bicarboniose dalla acido grasso sintasi (EC 2.3.1.85) durante il processo di allungamento che porterà alla sintesi dell’acido palmitico.
Nei batteri ACC è un complesso multienzimatico composto da due enzimi, la biotina carbossilasi (EC 6.3.4.14) e una carbossitransferasi, cui si aggiunge una proteina trasportatrice della biotina o BCP, acronimo dell’inglese biotin carrier protein.
Nei mammiferi e negli uccelli è invece un enzima multifunzionale, in quanto le due attività enzimatiche sono presenti su una stessa catena polipeptidica, nella quale si ritrova anche BCP.
Nelle piante superiori sono presenti entrambe le forme.

Carbamil fosfato sintasi

Altro esempio ben caratterizzato di incanalamento dei substrati è il complesso della carbamil fosfato sintetasi dei batteri, che catalizza la sintesi del carbamil fosfato, necessario sia per la sintesi delle pirimidine che per quella dell’arginina. Il complesso presenta un tunnel lungo circa 100 Å all’interno del quale si muovono i prodotti delle sue tre attività enzimatiche.
La prima catalizza la cessione dell’azoto ammidico della glutammina in forma di ione ammonio, il quale entra nel tunnel dove nel secondo sito attivo si combina con il bicarbonato, a spese di una molecola di ATP, a dare carbamato, che infine nell’ultimo sito attivo viene fosforilato a carbamil fosfato.

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Glutine: cos’è, dove si trova, proprietà, cereali gluten free

Il glutine non è una semplice proteina, ma è una miscela composta da proteine dei cereali, per circa l’80% del suo peso secco (ad es. gliadine e glutenine per il frumento), lipidi, 5-7%, amido, 5-10%, acqua, 5-8%, e sostanze minerali, <2%.
Si forma quando componenti naturalmente presenti nel chicco del cereale, la cariosside, e nella farina derivata, si uniscono tra di loro, in ambiente acquoso e sotto l’azione di sollecitazioni meccaniche, ossia durante la formazione dell’impasto.
Il termine è associato anche alla famiglia di proteine che causa problemi ai soggetti affetti da celiachia (vedi in seguito).
Isolato per la prima volta dal chimico italiano Jacopo Bartolomeo Beccari nel 1745 dalla farina di frumento, può essere estratto dall’impasto lavando lo stesso in modo delicato sotto acqua corrente: una volta allontanato l’amido, le albumine e le globuline, tutti solubili in acqua, rimane una massa appiccicosa ed elastica, appunto il glutine (termine che deriva dal latino gluten, che significa colla).

INDICE

Dove si trova il glutine?

Tra i cereali che lo contengono si ritrovano:

  • frumento o grano, quali:

grano duro (Triticum durum), da cui si ottengono semole e semolati per pasta alimentare secca;
grano tenero (Triticum aestivum), da cui si ottengono farine per pane, paste fresche e prodotti da forno;

  • segale (Secale cereale);
  • orzo (Hordeum vulgare);
  • farro, nelle tre specie:

farro piccolo o monococco (Triticun monococcum);
farro medio (Triticum dicoccum Schrank);
farro grande o granfarro o spelta (Triticum spelta)

  • grano khorasan, di cui il Kamut® ne è una varietà;
  • triticale, che è un ibrido tra la segale ed il grano tenero (× Triticosecale Wittmack);
  • bulgur o grano spezzato(grano duro integrale germogliato e successivamente lavorato);
  • seitan, che non è un cereale ma un derivato del frumento, da alcuni definito anche “bistecca di glutine”.

Dato che la maggior parte del glutine assunto con l’alimentazione proviene dalle farine di frumento, di cui se ne raccoglie circa 700 milioni di tonnellate annue, che rappresentano circa il 30% della produzione mondiale dei cereali, la discussione seguente sarà incentrata sul glutine di frumento, ed in particolare sulle sue proteine.

Nota: il termine glutine viene anche utilizzato per indicare il residuo proteico che rimane dopo aver allontanato l’amido e le proteine solubili dall’impasto ottenuto con farina di mais o granturco: questo “glutine di mais” è tuttavia “funzionalmente” differente rispetto a quello ottenuto dal frumento.

Le proteine dei cereali

Lo studio delle proteine dei grani, come visto, ebbe inizio con il lavoro di Beccari.
In seguito, nel 1924, quindi ben 150 anni dopo, l’inglese Osborne T.B., che a ragione può essere considerato il padre della chimica delle proteine vegetali, ne sviluppò una classificazione sulla base della loro solubilità in vari solventi.
La classificazione, ancora in uso, suddivide le proteine vegetali in 4 famiglie.

  • Albumine, solubili in acqua.
  • Globuline, solubili in soluzioni saline, come l’avenalina dell’avena.
  • Prolamine, solubili in soluzione alcolica al 70%, ma non in acqua o alcol assoluto.
    Comprendono:

gliadine del frumento;
zeina del mais;
avenina dell’avena;
ordeina dell’orzo;
secalina della segale.

Sono le responsabili dell’effetto tossico del glutine per il celiaco.

  • Gluteline, insolubili in acqua e soluzioni saline neutre, ma solubili in soluzioni acide e basiche.
    Comprendono le glutenine del frumento.
Glutine
Fig. 1 – Proteine dei Cereali

Albumine e globuline sono proteine citoplasmatiche, spesso di natura enzimatica, ricche di aminoacidi essenziali, quali lisina, triptofano e metionina. Si ritrovano nell’aleurone e nell’embrione della cariosside.
Prolamine e gluteline sono le proteine di riserva dei cereali. Sono ricche in asparagina, glutammina, arginina e prolina, ma molto povere in lisina,triptofano e metionina. Si ritrovano nell’endosperma, e rappresentano la grande maggioranza delle proteine presenti (fare tabella) nel frumento, mais, orzo, avena e segale.
Sebbene la classificazione di Osborne sia ancora ampiamente utilizzata, sarebbe più corretto suddividere le proteine dei grani in tre gruppi: di riserva, strutturali e metaboliche, e con funzioni difensive.

Le proteine del glutine di frumento

Nel frumento le proteine rappresentano il 10-14% del peso della cariosside (circa l’80% del peso è costituito da carboidrati).
Seguendo la classificazione di Osborne, il 15-20% delle proteine sono rappresentate dalla albumine e globuline, mentre il restante 80-85%, è costituito da prolamine e gluteline, rispettivamente gliadine, 30-40%, e glutenine, 40-50%. Quindi, e a differenza delle prolamine e gluteline degli altri cereali, gliadine e gluteine sono presenti in quantità simili, circa il 40% (vedi Fig. 2).

Glutine
Fig. 2 – Proteine del grano

Gliadine e glutenine hanno una notevole importanza dal punto di vista tecnologico. Perché?
Le proteine appartenenti alle due classi sono insolubili in acqua, e nell’impasto, dunque in un ambiente ricco d’acqua, si legano tra loro attraverso legami quali:

  • legami covalenti, ossia ponti disolfuro;
  • legami non covalenti, quali interazioni idrofobiche, forze di van der Waals, legami idrogeno e legami ionici.

Grazie alla formazione di questi legami intermolecolari, si crea un reticolo tridimensionale, che intrappola i granuli di amido e le bolle di anidride carbonica che si formano durante la lievitazione, e conferisce resistenza ed elasticità all’impasto di farina ed acqua, due proprietà del glutine ampiamente sfruttate industrialmente.
Nella dieta abituale della popolazione europea adulta, ed in particolare di quella italiana che è molto ricca di derivati del frumento, gliadine e glutenine sono le proteine maggiormente rappresentate, circa 15 g al giorno. Che significa? Che la dieta gluten-free è una dieta che impegna sia sotto l’aspetto psicologico che sociale la persona affetta da celiachia.

Nota: i lipidi componenti il glutine sono strettamente legati alle zone idrofobiche di gliadine e glutenine e, rispetto a quanto è possibile fare con la farina originale, sono rimossi con maggiore difficoltà (il contenuto in lipidi del glutine dipende dal contenuto in lipidi della farina da cui è stato ottenuto).

Gliadine: estensibilità e viscosità

Le gliadine sono prolamine idrofobiche monomeriche, cioè formate da una sola subunità, di natura globulare e con basso peso molecolare. Sulla base della mobilità elettroforetica in condizioni di basso pH, sono state suddivise nei seguenti gruppi:

  • alfa/beta, e gamma, ricche di zolfo, contenendo residui di cisteina, coinvolti nella formazione di ponti disolfuro intramolecolari, e di metionina;
  • omega, povere di zolfo, data l’assenza o quasi di cisteina e metionina.

Hanno uno scarso valore nutrizionale ed un’altissima tossicità per il celiaco per la presenza di particolari sequenza aminoacidiche nella struttura primaria, in particolare prolina-serina-glutammina-glutammina e glutammina-glutammina-glutammina-prolina.
Le gliadine si associano tra di loro e con le glutenine attraverso legami non covalenti; grazie a ciò, nella formazione dell’impasto agiscono come “plasticizzanti”. Infatti, a loro si deve la viscosità e l’estensibilità proprie del glutine, il cui reticolo tridimensionale proteico si può deformare permettendo l’aumento di volume della massa a seguito della produzione di gas con la lievitazione. Questa proprietà è importante nella panificazione.
Un loro eccesso comporta la formazione di un impasto assai estensibile.

Glutenine: elasticità e tenacità

Le glutenine sono proteine polimeriche, ossia formate da più subunità, di natura filamentosa legate insieme da ponti disolfuro intermolecolari. Dopo riduzione dei suddetti legami, tramite SDS-PAGE possono essere suddivise in due gruppi.

  • Glutenine ad elevato peso molecolare o HMW, acronimo dell’inglese high molecolar weight.
    Povere di zolfo, rappresentano circa il 12% del totale delle proteine del glutine. I legami non covalenti che si stabiliscono tra le subunità di questo gruppo sono responsabili dell’elasticità e tenacità delle network di proteine del glutine, ossia delle proprietà viscoelastiche del glutine stesso e quindi anche dell’impasto che lo contiene.
  • Glutenine a basso peso molecolare o LMW, acronimo dell’inglese low molecolar weight.
    Ricche di zolfo (cisteina), formano ponti disolfuro tra di loro e con le subunità HMW, formando così un macropolimero di glutenina.

Le glutenine fanno si che l’impasto mantenga la sua forma durante gli stress meccanici (impastamento) e non meccanici (aumento di volume dovuto alla lievitazione e all’aumento di volume dei gas che intrappola a seguito del riscaldamento dovuto alla cottura) cui è sottoposto. Questa proprietà è importante nella pastificazione.
Se in eccesso, le glutenine portano alla formazione di un impasto forte e rigido.

Proprietà del glutine di frumento

Dal punto di vista nutrizionale le proteine che compongono il glutine non hanno un elevato valore biologico, essendo povere di lisina, un aminoacido essenziale. Dunque una dieta senza glutine non comporta alcuna carenza significativa di nutrienti importanti.
Di contro, il glutine ha un grande valore per l’industria alimentare: la matrice proteica tridimensionale derivante dalla combinazione in soluzione acquosa di gliadine e glutenine, conferisce proprietà viscoelastiche, ossia di estensibilità-viscosità ed elasticità-tenacità, all’impasto di cui fa parte, e quindi una struttura ben definita al pane, alla pasta, e in generale a tutti gli alimenti che si fanno con la farina di frumento.
Ha un alto grado di palatabilità.
Ha un elevato potere fermentante a livello dell’intestino tenue.
E’ un’esorfina: alcuni peptidi derivati dalla digestione delle proteine del glutine possono andare ad agire a livello del sistema nervoso centrale.

Cereali senza glutine

Di seguito una lista di cereali, cereali minori, e pseudocereali gluten-free utilizzati a fini alimentari.

  • Cereali

Mais o granturco (Zea mais)
Riso (Oryza sativa)

  • Cereali minori
    Definiti “minori” non perché di scarsa importanza nutrizionale, quanto perché coltivati in piccole aree ed in quantità inferiori rispetto a frumento, riso e mais.

Fonio (Digitaria exilis)
Miglio (Panicum miliaceum)
Panico (Panicum italicum)
Sorgo (Sorghum vulgare)
Teff (Eragrostis tef)
Teosinte; gruppo composto da 4 specie appartenenti al genere Zea. Sono piante che crescono in Messico (Sierra Madre), Guatemala e Venezuela.

  • Pseudocereali
    Così definiti perché associano nella loro botanica e nei loro aspetti nutrizionali caratteristiche peculiari dei cereali e dei legumi, quindi di un’altra famiglia di piante.

Amaranto, nelle specie più diffuse:

Amaranthus caudatus;
Amaranthus cruentus;
Amarantus hypochondriacus.

Grano saraceno (Fagopyrum esculentum)
Quinoa (Chenopodium quinoa), uno pseudocereale con ottime proprietà nutritive, contenendo fibre, ferro, zinco e magnesio, che fa parte della famiglia delle Chenopodiaceee, come le barbabietole.

  • Manioca, anche nota come tapioca, yuca e cassava (Manihot utilissima). Coltivata principalmente nel sud del Sahara e nell’America del Sud, è una radice tubero commestibile da cui si origina la fecola di tapioca.

Nota: non sempre i prodotti naturalmente privi di glutine al momento della commercializzazione sono effettivamente gluten-free. Infatti per gli alimenti preparati a livello industriale ci può essere o l’utilizzo di derivati contenenti gliadina o una contaminazione nella filiera produttiva, e questo è ovviamente importante in quanto anche tracce di glutine nella dieta possono causare problemi al celiaco.

Avena e glutine

Discorso a parte merita l’avena (Avena sativa), che è tra i cereali concessi ai celiaci. Studi condotti negli ultimi anni hanno evidenziato che è tollerata dal celiaco, adulto e bambino, anche nel soggetto con dermatite erpetiforme. Ovviamente, deve essere certificata per l’assenza di glutine (da contaminazione).

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Digestione dell’amido ed alfa-amilasi

alfa-Amilasi
alfa-Amilasi

Amilosio ed amilopectina, le due famiglie di omopolisaccaridi costituenti l’amido, nel corso della loro sintesi all’interno delle cellule vegetali sono depositati in particelle altamente organizzate dette granuli, di diametro variabile da 3 a 300 µm e con una struttura parzialmente cristallina.
L’accesso della alfa-amilasi (EC 3.2.1.1), l’enzima che catalizza l’idrolisi di amilosio ed amilopectina a dare maltosio, maltotriosio e destrine alfa-limite, ai carboidrati che compongono i granuli varia in funzione di:

  • rapporto tra amilosio e amilopectina;
  • temperatura e impaccamento di amilosio e amilopectina;
  • proteine presenti nei granuli;
  • presenza di fibre.

Rapporto tra amilosio e amilopectina

L’amido per uso alimentare è ottenuto da diverse fonti, le più importanti delle quali sono il mais (normale, ceroso o ad alto contenuto in amilosio), le patate, il riso, la tapioca ed il frumento.
A seconda dell’origine botanica varierà il peso molecolare, il grado di ramificazione e le proporzioni in cui sono presenti amilosio ed amilopectina, che in genere sono per il 20-30% amilosio e 70-80% amilopectina, anche se esistono amidi con elevato contenuto in amilosio o amilopectina (es. mais ceroso). Queste differenze giustificano l’esistenza di amidi con caratteristiche chimico fisiche diverse e, in una certa misura, diversa digeribilità.

  • mais: amilosio 24%, amilopectina 76%
  • mais ceroso: amilosio 0,8%, amilopectina 99,2%
  • mais Hylon VII: amilosio 70%, amilopectina 30%
  • patate: amilosio 20%, amilopectina 80%
  • riso: amilosio 18,5%, amilopectina 81,5%
  • tapioca: amilosio 16,7%, amilopectina 83,3%
  • frumento: amilosio 25%, amilopectina 75%

Temperatura e impaccamento di amilosio e amilopectina

Le catene di amilosio, ed in misura minore le ramificazioni dell’amilopectina, grazie alla formazione di legami ad idrogeno con molecole vicine e all’interno delle molecole stesse, hanno la tendenza ad aggregarsi. Per questo motivo amilosio ed amilopectina puri risultano scarsamente solubili in acqua al di sotto dei 55°C, e più resistenti alla digestione enzimatica (amido resistente), ossia difficilmente attaccabili dalla alfa-amilasi.
Va comunque notato che i granuli posti in soluzione acquosa si idratano, con un conseguente aumento di volume di circa il 10%.
Al di sopra dei 55 °C la struttura parzialmente cristallina viene persa, i granuli assorbono ulteriore acqua, si gonfiano e si passa ad una struttura disorganizzata, ossia si verifica la gelatinizzazione con cui l’amido assume una struttura amorfa più facilmente attaccabile dalla α-amilasi.

Proteine legate all’amido

Nei granuli, l’amido si trova in associazione con proteine, molte delle quali sono idrofobiche, cioè con bassa affinità per l’acqua. L’associazione tra amido e proteine ha come effetto quello di ostacolare l’interazione nel lume intestinale tra l’alfa-amilasi, proteina polare, ed i polisaccaridi costituenti i granuli.
I processi fisici cui sono sottoposti i cereali prima di essere consumati, quali la macinatura e/o la cottura per diversi minuti, modificano la relazione tra amido e proteine ad esso legate, rendendo i polisaccaridi maggiormente accessibili all’azione della α-amilasi.

Fibra

L’azione della alfa-amilasi sull’amido può essere ostacolata anche dalla presenza di polisaccaridi non digeribili, le fibre: cellulosa, emicellulosa e pectina.

Conclusioni

La presenza di inibitori, di natura sia chimica che fisica, rallenta la digestione dell’amido, anche nel caso in cui la secrezione della alfa-amilasi pancreatica proceda senza problemi. Questo fa si che una quota variabile dall’1% al 10% possa sfuggire all’azione dell’enzima, vendo poi metabolizzata dai batteri del colon.
L’amido raffinato viene invece idrolizzato in modo efficiente anche in caso di insufficienza pancreatica esocrina, una condizione in cui la concentrazione della alfa-amilasi nel lume intestinale può essere ridotta al 10% del normale.

Bibliografia

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Fabbisogno proteico giornaliero dello sportivo

Fabbisogno Proteico
Fig. 1 – Cibi Ricchi di Proteine

E’ oramai accettato da atleti, allenatori e preparatori che la corretta alimentazione è uno dei cardini fondamentali per il raggiungimento della migliore prestazione sportiva.
Nonostante questo assunto comune molti, anche ai livelli più alti, ritengono che nella dieta dell’atleta sia basilare un elevato apporto di proteine. Questa idea non è recente ed è ampiamente radicata quasi come se, nutrendosi di carne, magari di animali grandi e forti, si riuscisse ad acquisirne anche la forza e la vitalità.
La funzione energetica delle proteine per il muscolo che lavora venne ipotizzata per la prima volta da Von Liebig nel ‘800, ed è proprio ai suoi studi che si deve molta dell’importanza a fini energetici che ancor oggi le proteine animali, e quindi le carni, hanno nell’alimentazione dell’atleta, nonostante siano trascorsi quasi due secoli nei quali la biochimica e la medicina sportiva hanno fatto enormi progressi.
In realtà già alla fine dell‘800 von Pettenkofer e Voit, e agli inizi del ‘900 Christensen e Hansen, ridimensionarono la loro importanza per scopi energetici, anche per il muscolo sottoposto a prestazione sportiva, facendo invece emergere il ruolo predominante svolto da carboidrati e lipidi.
Quanto detto ovviamente non deve far pensare che le proteine non siano utili per l’atleta, o per le persone sedentarie. La domanda cui invece è necessario cercare di rispondere è quale sia il fabbisogno proteico quotidiano di un atleta agonista, dunque impegnato in allenamenti intensi, spesso in due sedute giornaliere (per 3-6 ore), anche 7 giorni su 7 per più di 10 mesi all’anno. Possiamo da subito affermare che, rispetto alla popolazione generale (con l’esclusione di alcuni tipi di sport, vedi sotto), è maggiore.

Destino metabolico delle proteine a riposo e durante l’attività

Nel soggetto adulto che svolga un’attività fisica normale e sia in salute il fabbisogno proteico giornaliero è di circa 0,9 g/kg di peso corporeo desiderabile, come indicato nei LARN 2014 e dal WHO.
Il turnover proteico, che si attesta sui 3-4 g/Kg peso corporeo al giorno (circa 210-280 g considerando un soggetto di 70 kg di peso corporeo), è più lento per il muscolo rispetto agli altri tessuti, in calo con l’età, ed è legato alla quantità di aminoacidi assunti con la dieta ed al catabolismo proteico.
A riposo i processi anabolici, ossia di sintesi, impiegano circa il 75% degli aminoacidi mentre il restante 25% è soggetto a processi ossidativi che porteranno alla liberazione di CO2 e urea (per la rimozione dell’ammoniaca).
Durante l’attività fisica, a seguito della minore disponibilità di zuccheri, glicogeno muscolare e glucosio ematico utilizzati a scopi energetici, nonché dell’intervento del cortisolo, si riduce la percentuale di aminoacidi destinati ai processi anabolici, mentre aumenta quella degli aminoacidi deviati verso i processi catabolici, ossia si verifica un aumento della distruzione delle proteine tessutali.
Al termine dell’attività fisica, per circa due ore, i processi anabolici rimangono bassi dopo di che si verifica un loro deciso incremento che li porta a valori superiori rispetto a quelli basali, ossia l’allenamento induce un incremento della sintesi proteica anche in assenza di un incremento dell’apporto proteico.

Cosa influenza il fabbisogno proteico quotidiano?

I fattori da tenere in considerazione nel calcolo del fabbisogno proteico giornaliero sono molteplici.

  • L’età del soggetto (se ad esempio si trova nella fase di sviluppo).
  • Il sesso: le atlete possono aver bisogno di valori più alti in quanto il loro apporto energetico è più basso.
  • L’apporto di carboidrati con la dieta, che se adeguato ne riduce il consumo.
    Nel corso dell’esercizio gli aminoacidi possono essere utilizzati come fonte di energia direttamente nel muscolo, dopo essere stati convertiti in glucosio nel fegato. Un adeguato apporto di carboidrati prima e durante il lavoro di endurance riduce gli usi a scopo energetico delle proteine.
  • La quantità di riserve muscolari ed epatiche di carboidrati, ossia di glicogeno (vedi sopra).
  • L’apporto energetico della dieta.
    Un ridotto apporto energetico fa aumentare il fabbisogno proteico, mentre maggiore è l’apporto energetico e minore sarà la quantità di proteine richieste per raggiungere l’equilibrio azotato; in genere si parla di una ritenzione di azoto pari a 1-2 mg per ogni chilocaloria introdotta.
    Se l’atleta è impegnato in allenamenti/prestazioni molto duri, o se necessita di un incremento delle masse muscolari (come per gli sport di potenza), il bilancio azotato deve essere positivo.
    Un bilancio azotato negativo indica una perdita di massa muscolare.
    Il bilancio azotato si calcola come differenza tra l’azoto assunto con le proteine (pari a: grammi di proteine/6,25) e quello eliminato (pari a: urea urinaria nelle 24 ore, in grammi, x0,56]; in formula:

Nb (bilancio di azoto)=(g. proteine/6,25)–[g. urea urinaria nelle 24 ore x0,56)].

  • Il tipo di prestazione che l’atleta sta svolgendo, ossia di forza o resistenza, come anche la sua durata e l’intensità.
    A livello muscolare, l’esercizio di forza determina un aumento del turn over proteico stimolando sia la sintesi, in misura maggiore, che la degradazione delle proteine. Entrambe i processi sono influenzati dal recupero tra un allenamento ed il successivo, come anche dal grado di allenamento (maggiore l’allenamento, minore la perdita).
    Nella prestazioni di forza e resistenza il fabbisogno proteico ottimale nei più giovani, come in quelli che si allenano da minor tempo, è stimato in 1,3-1,5 g proteine/Kg di peso corporeo, mentre negli atleti adulti che si allenano da più tempo è poco inferiore, circa 1-1,2 g/Kg di peso corporeo.
    Perché?
    Nell’atleta impegnato in un’attività fisica importante le proteine sono utilizzate non solo per fini plastici, che sono incrementati, ma anche a scopi energetici, potendo soddisfare in alcuni casi fino al 10-15% della richiesta energetica totale.
    Infatti prestazioni aerobiche intense, quindi di durata, che superino i 60 minuti, ricavano circa un 3-5% dell’energia utilizzata dall’ossidazione di substrati proteici; se a questo si aggiungono le proteine necessarie per la riparazione delle strutture proteiche dei tessuti danneggiate se ne ricava un fabbisogno proteico quotidiano di circa 1,2-1,4 g/Kg di peso corporeo.
    Se lo sforzo è intenso e supera i 90 minuti (come può accadere nel ciclismo su strada, corsa, nuoto, o sci di fondo), in relazione anche alla quantità di glicogeno disponibile nel muscolo e nel fegato (vedi sopra), la quota proteica utilizzata a fini energetici può arrivare, nelle fasi finali del lavoro, a soddisfare il 15% del fabbisogno energetico dell’atleta.
  • La condizione atletica.
  • Nel caso in cui ce ne sia bisogno, il peso desiderato.
    Gli atleti che stanno perdendo peso o debbano mantenere un peso basso possono aver bisogno di più proteine.

Da quanto detto il fabbisogno proteico anche dell’atleta adulto impegnato in allenamenti/competizioni che comportino sforzi intensi e protratti non supera gli 1,5 g/Kg di peso corporeo, mentre se si considera la quota di proteine utilizzata a scopi energetici, di solito non si va oltre il 15% del fabbisogno energetico del soggetto.
E’ pertanto evidente che diete che forniscano quantità superiori (a volte molto superiori) di proteine rispetto al fabbisogno proteico consigliato non servono a nulla, stimolano la perdita di calcio dalle ossa e vanno a sovraccaricare di lavoro fegato e reni. Inoltre, le proteine in eccesso non si accumulano ma sono utilizzate anche per la produzione di grasso.

Come soddisfare l’aumentato fabbisogno proteico dell’atleta

Fabbisogno Proteico
Fig. 2 – Ciclismo su Strada

Una dieta che fornisca il 12-15% delle calorie giornaliere in forma di proteine sarà più che sufficiente a soddisfare le necessità della quasi totalità degli atleti, anche di quelli impegnati in allenamenti faticosi.
Con l’eccezione di alcune discipline sportive dove l’apporto energetico è modesto, vicino a quello del soggetto non sportivo (il tiro a segno, o la ginnastica artistica e ritmica), nella restante maggioranza dei casi l’atleta necessita di una quantità di calorie elevata e, per alcune discipline come il ciclismo, il nuoto o lo sci di fondo, anche doppia/tripla rispetto a quella del soggetto sedentario.
L’aumento della razione alimentare è accompagnato da un parallelo incremento dell’apporto proteico poiché solo pochi alimenti quali miele, maltodestrine, fruttosio, zucchero da cucina ed l’olio di oliva sono privi o quasi di proteine.

Calcolo del fabbisogno proteico dell’atleta

Consideriamo una richiesta energetica non particolarmente elevata, 3500 kcal/die: con un apporto proteico che soddisfi il 15% dell’apporto calorico totale si ottiene:

3500 x 0,15 = 525 kcal

poiché un grammo di proteine apporta circa 4 kcal avremo:

525/4 = 131 g di proteine

Se dividiamo il numero trovato per il fabbisogno proteico più alto visto in precedenza (1,5 g/Kg di peso corporeo/die) saranno soddisfatte le necessità di un atleta di alto livello impegnato in allenamenti intensi e del peso di:

131/1,5 = 87 Kg

Ripetendo gli stessi calcoli per un apporto calorico di 5000 kcal si ottiene un dato pari a 187 g/die di proteine, che diviso per 1,5 fa 125 Kg, ossia riusciremmo a soddisfare il fabbisogno proteico di un atleta di 125 Kg.

Questi apporti proteici possono essere ottenuti con una normale alimentazione di tipo mediterraneo, senza ricorrere ad una supplementazione con integratori proteici o aminoacidici.

Bibliografia

Giampietro M. L’alimentazione per l’esercizio fisico e lo sport. Il Pensiero Scientifico Editore. Prima edizione 2005

Protein and amino acid requirements in human nutrition. Report of a joint FAO/WHO/UNU expert consultation. 2002 (WHO technical report series ; no. 935).

Stipanuk M.H., Caudill M.A. Biochemical, physiological, and molecular aspects of human nutrition. 3rd Edition. Elsevier health sciences, 2013 [Google eBooks]