Convenzione di Fischer-Rosanoff

Nel 1906, il chimico russo-americano Martin André Rosanoff, allora alla New York University, scelse la gliceraldeide, un monosaccaride, come standard per descrivere la stereochimica dei carboidrati e di altre molecole con almeno un centro di chiralità, un sistema di nomenclatura noto come convenzione di Fischer-Rosanoff, o convenzione di Rosanoff, o sistema D-L.
Non conoscendo la configurazione assoluta della gliceraldeide, Rosanoff assegnò in modo del tutto arbitrario:

  • la lettera D, dal latino dexter che significa “destra”, alla (+)-gliceraldeide, l’enantiomero destrorotatorio, ipotizzando che la configurazione, nelle proiezioni di Fischer, fosse quella con il gruppo idrossilico (–OH) legato al centro chirale disposto sul lato destro della molecola;
  • la lettera L, dal latino laevus che significa “sinistra”, alla (-)-gliceraldeide, l’enantiomero levorotatorio, ipotizzando che la configurazione, nelle proiezioni di Fischer, fosse quella con il gruppo idrossilico legato al centro chirale disposto sul lato sinistro della molecola.

Convenzione di Fischer-Rosanoff: D- ed L-gliceraldeide come standard per la stereochimica di molecole chirali

E, sebbene Fischer lo respinse, questo sistema di nomenclatura fu universalmente accettato ed utilizzato per derivare le configurazioni relative delle molecole chirali. In che modo? La configurazione attorno ad un centro chirale viene messa in relazione con quella della gliceraldeide convertendo i gruppi della molecola in esame in quelli del monosaccaride attraverso reazioni che avvengano con ritenzione di configurazione, ossia reazioni che non comportano la rottura di nessuno dei legami del centro chirale. Grazie a ciò la disposizione spaziale dei gruppi attorno al centro chirale nel prodotto è la stessa che si ha nel reagente. La convenzione di Fischer-Rosanoff permette quindi di suddividere le molecole chirali, come gli amminoacidi ed i monosaccaridi, in due gruppi, la serie D e la serie L, a seconda che la configurazione attorno al centro chirale sia correlata alla D-gliceraldeide o alla L-gliceraldeide.

Nota: non c’è correlazione tra ritenzione di configurazione e segno del potere rotatorio: il sistema D-L non specifica il segno della rotazione del piano della luce polarizzata provocato dalla molecola chirale, ma semplicemente correla la configurazione della molecola a quella della gliceraldeide.

INDICE

Convenzione di Fischer-Rosanoff e carboidrati

I monosaccaridi possono essere aldosi o chetosi. Gli aldosi, ed i chetosi con più di tre atomi di carbonio hanno almeno un centro chirale, e, per convenzione, apparterranno alla serie D o alla serie L se la configurazione del carbonio chirale più lontano dal carbonio carbonilico, il carbonio più ossidato presente nella molecola, è rispettivamente la stessa della D-gliceraldeide o della L-gliceraldeide.
Nelle proiezioni di Fischer la catena di atomi di carbonio più lunga è orientata verticalmente, e gli atomi di carbonio sono numerati in modo che il carbonio carbonilico abbia il numero più basso possibile, quindi C-1 negli aldosi e C-2 nei chetosi.

Aldosi, chetosi, carbonio carbonilico, e centro chirale di riferimento

Nota: in Natura, i carboidrati della serie D sono molto più abbondanti di quelli della serie L.

Se nel nome della molecola deve essere specificato anche il segno della rotazione del piano della luce polarizzata, i prefissi (+) e (-) possono essere utilizzati assieme ai prefissi D ed L. Ad esempio, il fruttosio, che è levorotatorio, verrà indicato come D-(-)-fruttosio, mentre il glucosio, che è destrorotatorio, sarà indicato come D-(+)-glucosio.

Convenzione di Fischer-Rosanoff e alfa-amminoacidi

Gli amminoacidi, sulla base della posizione del gruppo amminico (–NH2) rispetto a quella del gruppo carbossilico (–COOH) sono classificati come:

  • α-amminoacidi, se il gruppo amminico è legato al carbonio α;
  • β-amminoacidi, se il gruppo amminico è legato al carbonio β;
  • γ-amminoacidi, se il gruppo amminico è legato al carbonio γ;
  • δ-amminoacidi, se il gruppo amminico è legato al carbonio δ.

Alfa-Amminoacidi della serie D e della serie L secondo la convenzione di Fischer-Rosanoff

Considerando gli α-amminoacidi, questi apparterranno rispettivamente alla serie D o alla serie L se la configurazione dei gruppi –NH2, –COOH, ed –R, e dell’atomo di idrogeno legati al carbonio α, il centro chirale, è la stessa di quella dei gruppi idrossile, aldeidico (–CHO), ed idrossimetilico (–CH2OH) e dell’atomo di idrogeno rispettivamente della D-gliceraldeide o della L-gliceraldeide.
Nelle proiezioni di Fischer le molecole sono disposte in modo che il gruppo carbossilico, ossia il carbonio più ossidato, sia in alto, e il gruppo R in basso.
Tra gli α-amminoacidi, gli amminoacidi proteinogenici, con l’eccezione della glicina il cui carbonio α  non è chirale, hanno configurazione L, e si parlerà dunque di L-α-amminoacidi.

Nota: in Natura gli L-α-amminoacidi sono molto più abbondanti rispetto a tutti gli altri tipi di amminoacidi, i quali non partecipano alla sintesi delle proteine.

Configurazioni relative e assolute

Quando Rosanoff assegnò arbitrariamente il prefisso D alla (+)-gliceraldeide ed il prefisso L alla (-)-gliceraldeide, aveva il 50% di probabilità di avere ragione.
Nei primi anni ’50 del secolo scorso divenne disponibile la tecnologia per stabilire la configurazione assoluta delle molecole chirali, la cristallografia a raggi X, e nel 1951 un chimico olandese, Johannes Martin Bijvoet, stabilì la configurazione assoluta del (+)-tartrato di rubidio e sodio tetraidrato, e, confrontandola con quella della gliceraldeide dimostrò che la supposizione di Rosanoff era corretta. Di conseguenza, le configurazioni dei composti chirali ottenute mettendole in relazione con quelle della gliceraldeide erano configurazioni assolute, ossia le configurazioni relative divennero configurazioni assolute.

Limiti della convenzione di Fischer-Rosanoff

La convenzione di Fischer-Rosanoff da luogo ad incertezze quando si ha a che fare con molecole con più di un centro chirale. Se ad esempio si considera il D-(+)-glucosio, il sistema D-L ci da informazioni circa la configurazione del solo carbonio 2, quando nella molecola sono presenti altri tre centri asimmetrici, i carboni 3, 4 e 5.
Centri asimmetrici del D-(+)-glucosioIn questi casi il sistema RS, sviluppato nel 1956 da Robert Sidney Cahn, Christopher Ingold, e Vladimir Prelog, analizzando ogni singolo centro chirale permette di descrivere senza incertezze la stereochimica della molecola. Nel caso del D-(+)-glucosio si ha la configurazione (2R,3S,4R,5R).
Va anche notato che, utilizzando la convezione di Fischer-Rosanoff, in base al centro chirale scelto come centro di riferimento, una stessa molecola può appartenere sia alla serie D che a quella L.

Bibliografia

  1. Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010
  2. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the “Gold Book”). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook
  3. Mason S.F. Molecular optical activity and the chiral discriminations. Cambridge University Press, 2009
  4. Moran L.A., Horton H.R., Scrimgeour K.G., Perry M.D. Principles of Biochemistry. 5th Edition. Pearson, 2012
  5. Rosanoff. On Fischer’s classification of stereo-isomers. J Am Chem Soc 1906:28(1);114-121. doi:10.1021/ja01967a014

Proiezioni di Fischer

Nel 1891 il chimico tedesco Hermann Emil Fischer, premio Nobel per la chimica nel 1902, sviluppò un metodo sistematico per la rappresentazione bidimensionale delle molecole chirali, le cosiddette proiezioni di Fischer o formule proiettive di Fischer.
Le proiezioni di Fischer, pur essendo strutture bidimensionali, preservano l’informazione circa la stereochimica della molecola, e, sebbene non siano una rappresentazione di come le molecole potrebbero apparire in soluzione, sono largamente utilizzate dai biochimici per definire la stereochimica degli amminoacidi, dei carboidrati, degli acidi nucleici, dei terpeni, degli steroidi e di molte altre molecole di interesse biologico.

INDICE

Come disegnare le proiezioni di Fischer

Considerando una molecola con un solo centro chirale, supponiamo un atomo di carbonio, per la costruzione della sua proiezione di Fischer la struttura tetraedrica viene ruotata in modo che due legami siano orientati verso il basso mentre gli altri legami siano orientati verso l’alto. Si traccia quindi una croce, al centro della quale si fa cadere il centro chirale, e si dispone la molecola in modo che i gruppi orientati verso il basso, ossia al di sotto del piano del foglio, siano legati alle estremità della linea verticale, mentre i gruppi orientati verso l’alto, dunque al di sopra del piano del foglio, siano legati alle estremità della linea orizzontale.
Come disegnare le proiezione di Fischer di una molecola con un centro chiraleIn presenza di più centri chirali si applica lo stesso procedimento ad ognuno di essi.
E’ anche possibile convertire una proiezione di Fischer in una rappresentazione tridimensionale, ad esempio utilizzando i cunei e tratteggi delle formule prospettiche, dove i due legami orizzontali sono rappresentati da cunei solidi, mentre quelli verticali da linee tratteggiate.

Regole per utilizzare le formule proiettive di Fischer

Poiché le proiezioni di Fischer rappresentano in forma bidimensionale strutture tridimensionali, ci sono alcune regole che vanno rispettate per evitare un cambio di configurazione.

  • Le proiezioni non devono essere ribaltate dal piano del foglio ma traslate o girate; con il ribaltamento si ottiene l’altro enantiomero.
  • Se si ruota sul piano la proiezione, per ottenere lo stesso enantiomero dovremo ruotare la figura di 180°, a prescindere dalla direzione di rotazione, in quanto i gruppi verticali devono giacere sotto il piano del foglio mentre quelli orizzontali sopra. Di contro, se le proiezioni sono ruotate di 90° o 270° non verrebbe rispettata la convenzione e un enantiomero è convertito nell’altro.Regole per utilizzare le proiezione di Fischer
  • Un numero dispari di scambi di due gruppi porta all’altro enantiomero.

Bibliografia

  1. Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010
  2. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the “Gold Book”). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook
  3. Moran L.A., Horton H.R., Scrimgeour K.G., Perry M.D. Principles of Biochemistry. 5th Edition. Pearson, 2012
  4. Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011

Resa energetica del glicogeno in condizioni anaerobiche ed aerobiche

Il glicogeno è, con lipidi, un riserva di energia cui l’organismo può attingere nel momento del bisogno. Sebbene quantitativamente inferiore rispetto ai lipidi, il glicogeno ha alcuni vantaggi metabolici.

  • E’ mobilizzato più velocemente rispetto ai lipidi.
  • E’ una riserva di glucosio cui attingere per mantenere entro l’intervallo di normalità la glicemia nel digiuno, durante l’attività fisica e tra i pasti.
  • Può essere utilizzato come fonte di energia sia in condizioni aerobiche che in condizioni anaerobiche.

Considerando l’ultimo punto, la resa energetica del glicogeno, o meglio del glucosio rilasciato dal glicogeno è differente in condizioni anerobiche ed aerobiche. Di seguito si analizzeranno le basi metaboliche di queste differenze.

INDICE

Resa energetica del glicogeno in condizioni anaerobiche

In condizioni anaerobiche, l’ossidazione di una molecola di glucosio a lattato attraverso la glicolisi anaerobica porta alla produzione di due molecole di ATP.
Di seguito viene analizzata la resa in ATP dall’ossidazione anaerobica del glucosio rilasciato dal glicogeno nel corso della glicogenolisi per azione della glicogeno fosforilasi (EC 2.4.1.1), che porta alla liberazione di circa il 90% del glucosio immagazzinato in forma di glucosio-1-fosfato, abbreviato G-1-P, e dell’enzima deramificante (EC 3.2.1.33), responsabile del rilascio del restante 10% delle unità monosaccaridiche in forma non fosforilata, quindi come glucosio.

Glicogeno fosforilasi e ossidazione del G-1-P in condizioni anaerobiche

La sintesi del glicogeno dal glucosio comporta il consumo di due molecole di ATP per ogni molecola immagazzinata.
Il rilascio di una molecola di glucosio-1-fosfato per azione della glicogeno fosforilasi permette il risparmio di una delle due molecole di ATP utilizzate nella fase preparatoria della glicolisi. L’ossidazione anaerobica del glucosio-6-fosfato, prodotto dal glucosio-1-fosfato nella reazione catalizzata dalla fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2), porta alla produzione di tre molecole di ATP e non due, in quanto:

  • nella fase preparatoria della glicolisi è consumata una molecola di ATP e non due, essendo bypassata la reazione catalizzata dalla esochinasi (EC 2.7.1.1);
  • quattro molecole di ATP sono prodotte nella fase di recupero energetico della glicolisi.

Il rapporto spesa-guadagno è 1/3, quindi si ha una resa energetica di circa il 66,7%.
La reazione complessiva è:

Glicogeno(n residui di glucosio) + 3 ADP + 3 Pi → Glicogeno(n-1 residui di glucosio) + 2 Lattato + 3 ATP

Considerando le due molecole di ATP spese nel corso della sintesi del glicogeno e l’ossidazione anaerobica del glucosio-1-fosfato a lattato, si ha una resa pari ad una molecola di ATP per molecola di glucosio immagazzinata.
La reazione complessiva è:

Glucosio + ADP + Pi → 2 Lattato + ATP

Enzima deramificante e ossidazione del glucosio in condizioni anaerobiche

Considerando il glucosio liberato per azione dell’enzima deramificante, la resa in ATP è pari a zero in quanto:

  • la sintesi del glicogeno dal glucosio comporta la spesa di due molecole di ATP;
  • l’enzima deramificante libera glucosio, dunque nella fase preparatoria della glicolisi saranno spese due molecole di ATP;
  • quattro molecole di ATP sono prodotte nella fase di recupero energetico della glicolisi.

Se ora si considera l’ossidazione sino a lattato di tutto il glucosio provenienti dal glicogeno si ha una resa energetica pari a:

1-{[(1/3)*0,9]+[(2/2)*0,1]}=0,60

Ne consegue che in condizioni anaerobiche, si ha una resa energetica pari al 60%, e quindi il glicogeno rappresenta una buona forma di riserva di energia.

Resa energetica del glicogeno in condizioni aerobiche

In condizioni aerobiche, l’ossidazione di una molecola di glucosio a CO2 e H2O attraverso glicolisi, complesso della piruvato deidrogenasi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni mitocondriale e fosforilazione ossidativa porta alla produzione di circa 30 molecole di ATP.
Di seguito viene analizzata la resa in ATP dall’ossidazione aerobica del glucosio rilasciato dal glicogeno per azione della glicogeno fosforilasi e dell’enzima deramificante.

Glicogeno fosforilasi e ossidazione del G-1-P in condizioni aerobiche

Dall’ossidazione del glucosio-6-fosfato, prodotto dal glucosio-1-fosfato per azione della fosfoglucomutasi, a CO2 e H2O si ottengono 31 molecole di ATP e non 30, grazie all’ATP risparmiato nella fase preparatoria della glicolisi. Dunque, il rapporto spesa-guadagno è di 1/31, con una resa energetica di circa il 97%.
La reazione complessiva è:

Glicogeno(n residui di glucosio) + 31 ADP + 31 Pi → Glicogeno(n-1 residui di glucosio) + 31 ATP + 6 CO2 + 6 H2O

Considerando le due molecole di ATP spese per molecola di glucosio immagazzinata nel glicogeno e l’ossidazione aerobica del glucosio-1-fosfato a CO2 e H2O, si ha una resa pari a 29 molecole di ATP per unità di glucosio immagazzinata.
La reazione complessiva è:

Glucosio + 29 ADP + 29 Pi → 29 ATP + 6 CO2 + 6 H2O

Enzima deramificante e ossidazione del glucosio in condizioni aerobiche

Considerando le unità di glucosio liberate dall’enzima deramificante, la resa in ATP è pari a 30 molecole in quanto la fase preparatoria della glicolisi comporta la spesa di due molecole di ATP. Quindi, il rapporto spesa-guadagno è 2/30, con una resa energetica di circa il 93,3%.
Se ora si considera l’ossidazione a CO2 e H2O di tutte le unità di glucosio provenienti dal glicogeno, si ha una resa energetica pari a:

1-{[(1/31)*0,9]+[(2/30)*0,1]}=0,96

Resa energetica del glicogeno in condizioni anaerobiche ed aerobiche
Ne consegue che, in condizioni aerobiche, si ha una resa energetica pari al 96%, e quindi il glicogeno rappresenta una forma di riserva di energia estremamente efficiente, con un guadagno del 36% rispetto alle condizioni anaerobiche.

Bibliografia

  1. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 6th Edition. W.H. Freeman and Company, 2012
  2. Roach P.J., Depaoli-Roach A.A., Hurley T.D and Tagliabracci V.C. Glycogen and its metabolism: some new developments and old themes. Biochem J 2012;441:763-87. doi:10.1042/BJ20111416
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  4. Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011

Sistema RS: le regole di priorità

Nel 1956, Robert Sidney Cahn, Christopher Ingold, e Vladimir Prelog misero a punto un sistema di nomenclatura che, basandosi su poche e semplici regole, permette di assegnare la configurazione assoluta ad ogni centro di chiralità presente in una molecola.
Questo sistema di nomenclatura, chiamato sistema RS o convenzione di Cahn-Ingold-Prelog, quando accoppiato con il sistema di nomenclatura IUPAC, permette di assegnare in maniera accurata e priva di ambiguità il nome alle molecole chirali, anche quando è presente più di un centro asimmetrico.
Le molecole chirali sono, nella maggior parte dei casi, in grado di far ruotare il piano della luce polarizzata quando questa attraversa una soluzione che le contenga. A questo riguardo va sottolineato che il segno del potere rotatorio non da alcuna informazione circa la configurazione RS dei centri chirali della molecola.
La convenzione di Fischer-Rosanoff è un altro sistema di nomenclatura per le molecole chirali. Tuttavia, rispetto al sistema RS, non analizza ogni singolo centro chirale ma assegna un nome all’intera molecola, e spesso presenta ambiguità con molecole con più centri chirali.

INDICE

Le regole di priorità del sistema RS

Il sistema RS assegna un ordine di priorità ai gruppi legati ad un centro chirale e, tracciando una circonferenza dal gruppo a priorità maggiore verso quello a priorità minore, assegna la configurazione R o S al centro chirale.

Prima regola

Si assegna un ordine di priorità ai gruppi, sulla base del numero atomico dell’atomo direttamente legato al centro chirale.

  • L’atomo con il numero atomico più alto ha la priorità più alta.
  • L’atomo con il numero atomico più basso ha la priorità più bassa.

Ad esempio, se un atomo di ossigeno, O, numero atomico 8, di carbonio, C, numero atomico 6, di cloro, Cl, numero atomico 17, e di bromo, Br, numero atomico 35, sono legati ad un centro chirale, l’ordine di priorità sarà: Br > Cl> O > C.
Considerando gli isotopi, l’atomo con la massa atomica più alta ha la priorità più alta.

Seconda regola

Quando gruppi differenti sono legati al centro di chiralità attraverso identici atomi, l’ordine di priorità è assegnato in base al numero atomico dell’atomo successivo a quello legato al centro, allontanandoci dal centro chirale finché non si raggiunge il primo punto di differenza.
Se, per esempio, i gruppi –CH3, –CH2CH3 e –CH2OH sono legati al centro di chiralità, ci sono tre atomi identici attaccati direttamente ad esso. Analizzando gli atomi successivi, si ha:

per il gruppo metilico –CH3 H, H, H
per il gruppo etilico –CH2CH3 H, H, C
per il gruppo idrossimetilico –CH2OH H, H, O

Sistema RS e assegnazione dell'ordine di priorità: la seconda regola

Poiché il numero atomico dell’atomo di ossigeno è maggiore di quello dell’atomo di carbonio, che a sua volta è maggiore di quello dell’atomo di idrogeno, l’ordine di priorità sarà –CH2OH > –CH2CH3 > –CH3.
Per alcuni gruppi l’ordine di priorità è il seguente:

–I > –Br > –Cl > –SH > –OR > –OH > –NHR > –NH2 > –COOR > –COOH > –CHO > –CH2OH > –C6H5 > –CH3 > –2H > –1H

Si noti che i gruppi legati ad un centro chirale devono avere un differente grado priorità altrimenti il centro non può essere chirale.

Stabilito l’ordine di priorità, si orienta la molecola nello spazio in modo che il gruppo a priorità più bassa sia diretto in direzione opposta a quella dell’osservatore, quindi dietro il centro chirale. A questo punto si congiungono i gruppi rimasti con una circonferenza, in modo che la successione sia secondo priorità decrescente: dal gruppo a priorità più alta verso quello a priorità più bassa.

  • Se tracciando questa circonferenza si segue una direzione oraria, la configurazione del centro chirale è R, dal latino rectus che significa “destra”.
  • Se tracciando la circonferenza si segue una direzione antioraria, la configurazione del centro chirale è S, dal latino sinister che significa “sinistra”.Centro chirale con configurazione R

Terza regola

Questa può essere considerata come la terza regola del sistema RS, grazie alla quale è possibile assegnare la configurazione ad un centro chirale anche quando sono presenti di doppi o tripli legami nei gruppi legati al centro stesso.
Ai fini dell’attribuzione delle priorità, gli atomi impegnati nei legami multipli sono considerati duplicati, nel caso di un doppio legame, e triplicati, nel caso di un triplo legame.
Sistema RS e assegnazione dell'ordine di priorità: la terza regolaNel caso di doppio legame C=Y, un atomo Y sarà da legare sull’atomo di carbonio, e un atomo di carbonio sull’atomo Y.
Nel caso di un triplo legame C≡Y, due atomi Y verranno legati sull’atomo di carbonio, e due atomi di carbonio sull’atomo Y.

Sistema RS in presenza di più centri chirali

Quando in una molecola sono presenti due o più centri chirali, si procede analizzando in modo indipendente ciascun centro, utilizzando le regole viste in precedenza.
Consideriamo il 2,3-butandiolo. La molecola ha due centri chirali, il carbonio 2 ed il carbonio 3, e tre stereoisomeri: due enantiomeri ed un composto meso. Qual è la configurazione RS dei centri chirali dell’enantiomero in figura?

Configurazione RS dei centri chirali del (2R,3R)-2,3-butandioloSi consideri il carbonio 2. L’ordine di priorità dei gruppi legati è: –OH > –CH2OHCH3 > –CH3 > –H. Si ruoti la molecola in modo che l’idrogeno, il gruppo con la priorità più bassa, sia diretto in direzione opposta all’osservatore. Disegnando una circonferenza partendo dal gruppo –OH, il gruppo con la priorità più alta, verso il gruppo –CH3, il gruppo a priorità più bassa, ci si muove in senso antiorario, per cui la configurazione del carbonio 2 è R. Applicando la stessa procedura al carbonio 3, si scopre che la sua configurazione è R. Quindi l’enantiomero in figura è il (2R,3R)-2,3-butandiolo.

Aminoacidi e gliceraldeide

Nella convenzione di Fischer-Rosanoff tutti gli aminoacidi proteinogenici sono L-aminoacidi. Nel sistema RS, con l’eccezione della glicina che è achirale, e della cisteina che, per la presenza del gruppo tiolico è la (R)-cisteina, tutti gli altri aminoacidi proteinogenici hanno configurazione S.
La treonina e l’isoleucina posseggono due centri chirali, il carbonio alfa ed un atomo di carbonio sulla catena laterale, e tre stereoisomeri: due enantiomeri ed un composto meso. Le forme dei due amminoacidi isolate dalle proteine sono la (2S,3R)-treonina e la (2S,3S)-isoleucina, secondo la convenzione di Fischer-Rosanoff la L-treonina e la L-isoleucina.
Nel sistema RS, la L-gliceraldeide ha il centro chirale con configurazione S, per cui è indicata come (S)-gliceraldeide; ovviamente la D-gliceraldeide sarà la (R)-gliceraldeide.

Bibliografia

  1. Cahn R.S., Ingold C., Prelog V. Specification of molecular chirality. Angew Chem 1966:5(4); 385-415. doi:10.1002/anie.196603851
  2. Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010
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  7. Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011

Chiralità in chimica organica

La definizione di chiralità, dal greco cheir che significa “mano”, si deve a Lord Kelvin che la enunciò nel corso delle “Baltimore Lectures”, una serie di lezioni tenute alla Johns Hopkins University di Baltimora a partire dal primo ottobre del 1884, e pubblicate venti anno dopo, nel 1904, in cui lo scienziato inglese, tra le altre cose, affermava: “I call any geometrical figure, or groups of points, chiral, and say it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself”.
Dunque, la chiralità è la proprietà geometrica di un insieme di punti o atomi nello spazio, o di oggetti solidi, di non essere sovrapponibili alla loro immagine speculare. Questi strutture, definite chirali, hanno la caratteristica peculiare di essere prive di elementi di simmetria del secondo ordine, ossia un piano di simmetria, un centro di inversione, o un asse di roto-riflessione.
L’ambiente che ci circonda è ricco di oggetti chirali: le nostre mani ne sono l’esempio per eccellenza, ma ce ne sono moltissimi altri, dal guscio di una chiocciola sino ad una galassia a spirale. In chimica, e in special modo in chimica organica, la chiralità è una proprietà di importanza primaria, in quanto molecole come i carboidrati, molti amminoacidi, nonchè moltissimi farmaci, sono chirali.
Le molecole chirali possono esistere in due forme, l’una immagine speculare dell’altra e non sovrapponibili, ossia, non esiste una combinazione di rotazioni o traslazioni sul piano del foglio che consenta la loro sovrapposizione. Queste molecole sono dette enantiomeri, dal greco enántios che significa “contrario” e meros che significa “parte”.
La causa più comune di chiralità in una molecola è la presenza di un centro di chiralità o centro chirale, anche detto centro asimmetrico, cioè un atomo che leghi un insieme di ligandi disposti nello spazio in modo che la molecola risultante possa esistere come due enantiomeri.
Gli enantiomeri a loro volta sono un tipo di stereoisomeri, i quali possono essere definiti come isomeri che hanno lo stesso numero e tipo di atomi e legami, ma che differiscono nell’orientamento spaziale degli atomi.

INDICE

Enantiomeri

Due enantiomeri di una molecola chirale, non essendo sovrapponibili, sono composti differenti. In che cosa differiscono?
Ciascuna coppia di enantiomeri possiede identiche proprietà fisiche e chimiche verso tutto ciò che non è chirale come il punto di fusione, il punto di ebollizione, l’indice di rifrazione, lo spettro infrarosso, la solubilità in uno stesso solvente, o la velocità di reazione con i reagenti achirali.
Le differenze emergono quando la coppia enantiomerica viene fatta interagire con fenomeni chimici e fisici che abbiano natura chirale.

  • Dal punto di vista chimico, due enantiomeri possono essere distinti quando si trovano ad interagire con strutture chirali, come il sito di legame di un recettore chirale o il sito attivo di un enzima chirale.
  • Dal punto di vista fisico due enantiomeri differiscono nelle interazioni con la luce polarizzata, che ha proprietà chirali, sono cioè dotati di attività ottica.

Chiralità e attività ottica

L’attività ottica di materiali come il quarzo e, più importante, di composti organici come zuccheri o l’acido tartarico, fu scoperta nel 1815 dallo scienziato francese Jean-Baptiste Biot.
Le molecole chirali possono essere classificate sulla base della direzione in cui viene ruotato il piano della luce polarizzata quando attraversa una soluzione che le contenga.

  • Se una soluzione di un enantiomero ruota il piano della luce polarizzata in senso orario dal punto di vista dell’osservatore, la molecola viene definita destrogira o destrorotatoria, dal latino dexter che significa “destro”, ed suo nome è preceduto dai prefissi (+), o d, da dextro-.
  • Se una soluzione di un enantiomero ruota il piano della luce polarizzata in senso antiorario dal punto di vista dell’osservatore, la molecola è definita levogira o levorotatoria, dal latino laevus che significa “sinistro”, ed il suo nome è preceduto dai prefissi (-), o l, da laevo-.

Ovviamente, considerando una coppia di enantiomeri, uno sarà destrogiro e l’altro non potrà che essere levogiro.
Al momento non è ancora possibile predire in modo affidabile ne la grandezza, la direzione, o il segno della rotazione del piano della luce polarizzata indotta da un enantiomero. D’altro canto, neppure l’attività ottica di una molecola da alcun tipo di informazione riguardo alla disposizione spaziale dei gruppi chimici legati al centro di chiralità.
Nota: un sistema contenente molecole che abbiamo lo stesso senso di chiralità è chiamato enantiomericamente puro o enantiopuro.

Pasteur e la scoperta degli enantiomeri

Nel 1848, trentatre anni dopo il lavoro di Biot, studi sull’attività ottica delle molecole portarono Louis Pasteur, che di Biot era stato studente, a notare che, a seguito della ricristallizzazione di una soluzione acquosa concentrata di sodio ammonio tartrato, di per se otticamente inattiva, precipitavano due tipi di cristalli che erano l’uno l’immagine speculare dell’altro e non sovrapponibili. Dopo averli separati con delle pinzette, Pasteur si accorse che le soluzioni ottenute sciogliendo quantità equimolari dei due cristalli erano otticamente attive e, cosa forse più interessante, l’angolo di rotazione del piano della luce polarizzata era lo stesso ma di segno opposto. Poiché queste differenze nell’attività ottica erano dovute alle molecole di sodio ammonio tartrato disciolte, Pasteur ipotizzò che le molecole stesse dovessero essere l’una l’immagine speculare dell’altra e non sovrapponibili, al pari dei loro cristalli, quelli che oggi chiamiamo enantiomeri. E fu Pasteur che per primo coniò il termine asimmetria per descrivere questa proprietà, definita in seguito chiralità da Lord Kelvin.

Miscele racemiche

Una soluzione che contenga quantità equimolari di ciascun membro di una coppia di enantiomeri è detta miscela racemica o racemo. Queste soluzioni sono otticamente inattive in quanto l’effetto rotatorio di un enantiomero è esattamente compensato da quello dell’altro enantiomero.
A differenza di quanto accade nei processi biochimici, la sintesi chimica di molecole chirali che non preveda il ricorso a reagenti chirali, o che non sia seguita da metodiche di separazione degli enantiomeri, porta inevitabilmente alla produzione di una miscela racemica.
Il settore che più a risentito di questo fenomeno è quello della chimica farmaceutica. Come detto in precedenza, due enantiomeri sono molecole differenti. Molti farmaci chirali sono sintetizzati come miscele racemiche, ma molto spesso l’attività farmacologica desiderata è presente solamente in uno dei due enantiomeri, detto eutomero. L’altro enantiomero, detto distomero, è inattivo o meno attivo. Un esempio è il farmaco antiinfiammatorio ibuprofene, un derivato arilpropionico: solamente l’enantiomero S è dotato di attività farmacologica.

Enantiomeri dell'Ibuprofene

I derivati arilpropionici vengono venduti come miscele racemiche perché a livello epatico una racemasi converte il distomero in eutomero.
Tuttavia è anche possibile che il distomero produca effetti dannosi e debba essere eliminato dalla miscela racemica. Un tragico esempio è la talidomide, un sedativo ed anti-nausea commercializzato come miscela racemica dagli anni ‘50 fino al 1961, ed utilizzato anche in gravidanza.

Enantiomeri della TalidomideIl distomero, l’enantiomero S, poteva causare gravi difetti alla nascita, in particolare la focomelia. Questo è forse l’esempio più eclatante dell’importanza delle proprietà chirali delle molecole, che ha poi spinto gli organismi di salute pubblica a promuovere, da parte dell’industria farmaceutica , la sintesi di farmaci, talidomide compresa, contenenti un singolo enantiomero.

Centri di chiralità

Un qualsiasi atomo tetraedrico che leghi quattro ligandi differenti può essere un centro chirale.
L’esempio classico è l’atomo di carbonio, ma anche altri atomi appartenenti al gruppo IVA della tavola periodica, come i semimetalli silicio (Si) ed il germanio (Ge), formano composti a struttura tetraedrica e possono essere centri di chiralità. Anche l’atomo di fosforo negli organofosfati ha una geometria tetraedrica, quindi, quando lega quattro diversi sostituenti, è un centro chirale.
L’atomo di azoto di un’ammina terziaria, un’ammina dove tre gruppi organici differenti sono legati all’azoto, è un centro chirale. In questi composti l’atomo di azoto è disposto al centro di un tetraedro ed i suoi quattro orbitali ibridi sp3 sono diretti verso i vertici, tre dei quali sono occupati dai tre sostituenti, mentre verso il quarto è diretta la coppia di elettroni solitaria.

Inversione dell'azoto nelle ammine terziarieA temperatura ambiente, l’azoto inverte rapidamente la sua configurazione. Il fenomeno è noto come inversione dell’azoto, ossia, una rapida oscillazione dell’atomo e dei suoi ligandi, nel corso della quale l’azoto passa attraverso uno stato di transizione planare in cui ha ibridazione sp2. Come conseguenza, se l’atomo di azoto è il solo centro chirale della molecola, non c’è attività ottica in quanto si viene a formare una miscela racemica. L’inversione di configurazione viene evitata solamente in alcuni casi in cui l’azoto fa parte di una struttura ciclica che la impedisce. Dunque, la presenza di un centro chirale può non essere sufficiente per permettere la separazione dei rispettivi enantiomeri.

Nota: nel 1874, Jacobus Henricus van ‘t Hoff e Joseph Achille Le Bel basandosi anche sui risultati ottenuti da Pasteur, per primi ipotizzarono la “teoria dell’atomo di carbonio tetraedrico”. Per questo lavoro van ’t Hoff ricevette il primo premio Nobel per la chimica nel 1901.

Molecole chirali senza centri chirali

La chiralità può essere presente anche in assenza di un centro chirale, ed essere conseguenza della mancanza di libera rotazione attorno ad un legame doppio o singolo, come nel caso dei:

  • derivati allenici, composti organici che presentano due doppi legami cumulati, cioè due doppi legami localizzati sullo stesso atomo di carbonio;
  • derivati bifenilici.

Chiralità conseguente alla presenza di un asse chirale

In questo caso la chiralità è conseguente alla presenza di un asse chirale.

Composti meso

I composti meso o forme meso sono stereoisomeri che possiedono due o più centri chirali ma sono sovrapponibili alla loro immagine speculare, dunque sono achirali, e come tali otticamente inattivi. Inoltre posseggono un piano di simmetria interno che taglia la molecola in due metà, ognuna immagine speculare dell’altra. I composti meso possono quindi essere classificati come diastereoisomeri, ossia stereoisomeri diversi dagli enantiomeri.
Per una molecola con n centri di chiralità il numero massimo di possibili stereoisomeri è 2n.
Si consideri il 2,3-butandiolo. La molecola presenta due centri di chiralità, i carboni 2 e 3, quindi si potrebbero avere 22 = 4 stereoisomeri, le cui strutture sono riportate in figura, secondo le proiezioni di Fischer, ed indicate come A, B, C, D.

Stereoisomeri, centri di chiralità e mesocomposti

Le strutture A e B sono l’una l’immagine speculare dell’altra e non sono sovrapponibili, dunque sono una coppia di enantiomeri.
Le strutture C e D sono l’una l’immagine speculare dell’altra, ma sono sovrapponibili. Se infatti si ruota la struttura C o D di 180°, le due strutture si possono sovrapporre. Quindi non sono enantiomeri: sono la stessa molecola scritta con orientamento differente. Inoltre hanno un piano di simmetria interno che le suddivide in due metà, l’una immagine speculare dell’altra. Dunque, la struttura C (o D) è un composto meso perché ha centri chiarali, è sovrapponibile alla sua immagine speculare e presenta un piano di simmetria interno che divide la molecola in due metà speculari.

Bibliografia

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  5. Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011

Isomeria di struttura e stereoisomeria: definizione, tipi, ed esempi

Il fenomeno per cui due o più composti chimici differenti presentano la stessa formula molecolare è chiamato isomeria, dal greco isos che significa uguale e meros che significa parte, concetto e termine introdotti dallo scienziato svedese Jacob Berzelius nel 1830.
L’isomeria è conseguenza del fatto che gli atomi presenti in una stessa formula molecolare possono unirsi in diversi modi a dare composti, detti isomeri, che posseggono proprietà fisiche e chimiche differenti.
L’isomeria può essere di due tipi: isomeria di struttura e stereoisomeria, a loro volta suddividibili in ulteriori sottotipi.

Schema delle diverse tipologie di isomeria

INDICE

Isomeria di struttura

Nella isomeria di struttura, anche detta strutturale o di costituzione, gli isomeri differiscono tra di loro in quanto gli atomi costituenti sono legati in modi e sequenze differenti.
Esistono diversi sottotipi di isomeria di struttura: l’isomeria di posizione, di gruppo funzionale e di catena.

Isomeri di posizione

Nella isomeria di posizione o posizionale gli isomeri hanno gli stessi gruppi funzionali ma disposti in posizioni diverse sulla stessa catena carboniosa.
Un esempio è il composto di formula molecolare C6H4Br2, di cui esistono tre isomeri: l’1,2-dibromobenzene, l’1,3-dibromobenzene e l’1,4-dibromobenzene. I tre isomeri differiscono per la posizione degli atomi di bromo sulla struttura ciclica.

Esempio di isomeri di posizione: il dibromobenzene

Un altro esempio è il composto di formula molecolare C3H8O, di cui esistono due isomeri: 1-propanolo o alcol n-propilico, ed il 2-propanolo o alcol isopropilico. Questi isomeri differiscono per la posizione del gruppo ossidrilico lungo la catena carboniosa.

Isomeri di gruppo funzionale

Nella isomeria di gruppo funzionale, anche detta isomeria funzionale, gli atomi sono organizzati in modo da dare luogo alla formazione di gruppi funzionali diversi.
Un esempio è il composto di formula molecolare C2H6O, di cui esistono due isomeri: il dimetiletere o etere dimetilico e l’etanolo o etil alcool, che presentano gruppi funzionali diversi, un gruppo etere, –O–, ed un gruppo ossidrilico, –OH.

Isomeri di catena

Esempio di isomeria di catena: n-pentano, 2-metilbutano e 2,2-dimetilpropano

Nella isomeria di catena gli isomeri differiscono nella disposizione delle catene carboniose, che possono essere ramificate o lineari.
Un esempio è il composto di formula molecolare C5H12, di cui esistono tre isomeri: l’n-pentano, il 2-metilbutano o isopentano ed il 2,2-dimetilpropano o neopentano.

Stereoisomeria

Nella stereoisomeria gli isomeri hanno lo stesso numero e tipo di atomi e legami ma differiscono nella orientazione degli atomi nello spazio. Questi isomeri sono detti stereoisomeri, dal greco stereos che significa “solido”.
La stereoisomeria può essere di due tipi: isomeria conformazionale ed isomeria configurazionale. Quest’ultima è suddividibile in due ulteriori sottotipi, l’isomeria ottica e l’isomeria geometrica.

Isomeria conformazionale

Nella isomeria conformazionale gli stereoisomeri possono essere interconvertiti tra a seguito di rotazioni attorno ad uno o più legami singoli, i legami σ. Queste rotazioni producono disposizioni differenti degli atomi nello spazio che non sono sovrapponibili. Inoltre, il numero delle possibili conformazioni che una molecola può assumere è in teoria infinito, variando dalla struttura a più bassa energia, la più stabile, a quella a più alta energia, la meno stabile. Ciascun isomero è definito conformero.
Se ad esempio si considera l’etano, di formula molecolare C2H4, guardando la molecola da una estremità lungo la direzione del legame carbonio-carbonio, gli atomi di idrogeno di un gruppo metilico possono trovarsi rispetto agli atomi di idrogeno dell’altro gruppo metilico in una delle seguenti conformazioni.

  • In conformazione eclissata, nella quale gli atomi di idrogeno di un gruppo metilico sono nascosti da quelli dell’altro gruppo metilico, quindi l’angolo tra i legami carbonio-idrogeno tra i carboni anteriori e posteriori, detto angolo diedro, può essere 0, 120, 240 o 360 gradi. Questa è la conformazione a più alta energia, dunque la meno stabile.
  • In conformazione sfalsata, nella quale gli atomi di idrogeno di un gruppo metilico sono completamente sfalsati rispetto a quelli dell’altro gruppo metilico, quindi l’angolo diedro può essere 60, 180 o 300 gradi. Questa è la conformazione a più bassa energia, quindi la più stabile.
  • In conformazioni sgembe, che corrispondono ad una qualsiasi delle conformazioni intermedie tra le due precedenti.

Proiezioni di Newman e conformeri dell'etano

La maggiore o minore stabilità dei conformeri dipende dal grado di sovrapposizione delle coppie di elettroni dei legami carbonio-idrogeno dei due gruppi metilici:

  • nella conformazione sfalsata la distanza è la massima possibile;
  • nella conformazione eclissata le coppie elettroniche sono alla distanza minima possibile.

La barriera di energia potenziale tra le due conformazioni opposte è piccola, circa 2,8 kcal/mole (11,7 kJ/mole). A temperatura ambiente l’energia cinetica posseduta dalle molecole è di 15-20 kcal/mole (62,7-83,6 kJ/mole), più che sufficiente a permettere la libera rotazione attorno al legame carbonio-carbonio. Di conseguenza non è possibile isolare i singoli conformeri dell’etano.
Nota: considerando il doppio legame carbonio-carbonio, la barriera di energia potenziale che si oppone alla libera rotazione attorno al doppio legame è di circa 63 kcal/mole (264 kJ/mole), e corrisponde all’energia necessaria per rompere il legame π (Vedi isomeria geometrica). Questa quantità di energia è circa tre volte l’energia cinetica posseduta dalle molecole a temperatura ambiente, alla quale quindi la libera rotazione è impedita. Solamente a temperature superiori ai 300° le molecole acquistano un’energia termica sufficiente a rompere il legame π, permettendo così la libera rotazione intorno al legame σ rimanente, e quindi l’interconversione tra gli isomeri cis e trans.

Isomeria configurazionale

Nella isomeria configurazionale l’interconversione tra gli isomeri non avviene a seguito di rotazioni attorno a legami singoli ma comporta la rottura di legami e la formazione di nuovi legami, quindi a temperatura ambiente non avviene spontaneamente.
Esistono due sottotipi di isomeria configurazionale: l’isomeria ottica e l’isomeria geometrica.

Isomeri ottici

L’isomeria ottica è caratteristica delle molecole che hanno uno o più centri di chiralità o centri chirali, ossia un atomo tetraedrico che leghi quattro ligandi differenti. Il centro chirale può essere un atomo di carbonio, fosforo, zolfo o azoto.

Atomo tetraedrico che lega quattro ligandi differenti

Nota: la parola chiralità deriva dal greco cheiros che significa “mano”.
Gli isomeri ottici mancano di un centro di simmetria o di un piano di simmetria, sono immagini speculari gli uni degli altri, e non sono sovrapponibili. Questi stereoisomeri sono detti enantiomeri, dal greco enántios che significa “contrario”.
A differenza degli altri isomeri, due enantiomeri hanno identiche proprietà fisiche e chimiche con due sole eccezioni.

  • La direzione di rotazione del piano della luce polarizzata, da cui il nome di isomeria ottica.
    Se una soluzione di un enantiomero ruota il piano della luce polarizzata in senso orario, l’enantiomero viene indicato con il simbolo (+). Di contro, una soluzione dell’altro enantiomero ruota il piano della luce polarizzata in senso antiorario dello stesso angolo, e l’enantiomero è indicato con il simbolo (-).
  • Sebbene spesso indistinguibili dalla maggior parte delle tecniche, due enantiomeri possono essere distinti in un ambiente chirale, come il sito attivo di enzimi chirali.

Si noti che per una molecola con n centri chirali esiste un numero massimo di stereoisomeri pari a 2n.


Isomeri geometrici

L’isomeria geometrica, anche detta isomeria cis-trans, è caratteristica delle molecole dove non è possibile la libera rotazione tra due atomi per la presenza di strutture rigide come:

  • i composti con doppi legami carbonio-carbonio, carbonio-azoto o azoto-azoto, dove la rigidità è dovuta al doppio legame;
  • i composti ciclici, dove la rigidità è dovuta alla presenza dell’anello.

Un esempio di isomeria geometrica dovuta ad un doppio legame carbonio-carbonio si ha con lo stilbene, composto di formula molecolare C14H12, di cui esistono due isomeri. In uno, definito isomero cis, i gruppi uguali sono dalla stessa parte rispetto al piano individuato dal doppio legame, mentre nell’altro, detto isomero trans, i gruppi uguali sono da parti opposte.

Esempio di isomeri cis-trans: il trans-stilbene ed il cis-stilbene

Nota: i termini trans e cis derivano dal latino trans che significa “al di la”, e cis che significa “di qua”.
Tra i composti ciclici, l’isomeria cis-trans non complicata dalla presenza di centri chirali si osserva nei sistemi con numero pari di atomi di carbonio e sostituiti in posizioni opposte, ossia para-sostituiti. Un esempio è l’1,4-dimetilcicloesano, un cicloalcano, idrocarburi ciclici di formula generale CnH2n,, di cui esistono due stereoisomeri, il cis-1,4-dimetilcicloesano ed il trans-1,4-dimetilcicloesano.

Esempio di isomerismo geometrico: il cis-1,4-dimetilcicloesano ed il trans-1,4-dimetilcicloesano
Questo tipo di stereoisomeria non può esistere nel caso in cui uno dei due atomi non liberi di ruotare leghi due gruppi identici. Perché? Per passare dallo stereoisomero cis a quello trans è necessario scambiare tra di loro i due gruppi legati ad uno dei due atomi impegnati nel doppio legame. Se i due gruppi sono uguali lo scambio porta alla formazione della stessa molecola.
Nota: gli isomeri geometrici sono un caso particolare di diastereomeri o diastereoisomeri, che, a loro volta, sono stereoisomeri che non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro. Gli altri diastereomeri sono i composti meso e gli isomeri ottici non enantiomerici.

Bibliografia

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Pressione osmotica

In una soluzione, le molecole di solvente tendono a spostarsi dalla regione dove la loro concentrazione è maggiore verso quella a concentrazione minore. Se si considerano due soluzioni separate da una membrana semipermeabile, ossia una membrana che consenta il passaggio solo a certi ioni o molecole, in questo caso le molecole di solvente, si verrà a creare attraverso la membrana un flusso netto di molecole di solvente dalla soluzione a concentrazione maggiore di solvente verso quella a concentrazione minore. Questo porta allo sviluppo di una pressione detta pressione osmotica, indicata con Π, che può essere definita come la forza che deve essere applicata per impedire lo spostamento delle molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile.
Pressione osmotica: due soluzioni differenti separate da una membrana semipermeabile
Assieme all’innalzamento del punto di ebollizione, all’abbassamento del punto di congelamento e alla tensione di vapore, la pressione osmotica è una delle quattro proprietà colligative delle soluzioni, proprietà che dipendono solo dal numero di particelle di soluto presenti in soluzione, ioni, molecole o strutture sopramolecolari che siano, e non dalla natura delle particelle stesse o dalla loro massa.
Per soluzioni con n soluti, l’equazione che descrive la pressione osmotica è la somma dei contributi di ciascun soluto:

Π = RT(i1c1 + i2c2 + … + incn)

L’equazione è conosciuta come equazione di van ‘t Hoff, dove:

  • T è la temperatura assoluta, che è espressa in Kelvin;
  • R è la costante dei gas, pari a 8,314 J/mole K;
  • c è la concentrazione molare del soluto;
  • i è il fattore di van ‘t Hoff.

INDICE

Fattore di van ‘t Hoff

Il fattore di van ‘t Hoff è una misura del grado di dissociazione del soluto in soluzione, ed è descritto dall’equazione:

i = 1 + α(n-1)

dove:

  • α è il grado di dissociazione delle molecole di soluto, pari al rapporto tra le moli delle molecole di soluto che hanno subito dissociazione e il numero delle moli iniziali, e può assumere valori compresi tra 0, per sostanze che non si ionizzano o dissociano, ed 1, per sostanze che si ionizzano o dissociano completamente in soluzione;
  • n è il numero di ioni ottenuti dalla dissociazione completa della molecola di soluto.

Se si considerano specie non ionizzabili, come il glucosio, il glicogeno o l’amido, n = 1 e i = 1.
Per specie che in soluzione diluite si dissociano completamente, come acidi e basi forti o sali, il fattore di van ‘t Hoff è un numero intero maggiore di uno, essendo α = 1 e n pari ad almeno 2. Se ad esempio si considera il cloruro di sodio, NaCl, il cloruro di potassio, KCl, o il cloruro di calcio, CaCl2, si ha:

NaCl → Na+ + Cl
KCl → K+ + Cl
CaCl2 → Ca2+ + 2 Cl

Quindi nei primi due casi i = 2, mentre con il cloruro di calcio è pari a 3.
Infine, per sostanze che non si ionizzano completamente, come acidi e basi deboli, i non è un numero intero.

Il termine ic, il prodotto del fattore di van ‘t Hoff e la concentrazione molare del soluto, è l’osmolarità della soluzione, ossia la concentrazione delle particelle di soluto osmoticamente attive per litro di soluzione.

Pressione osmotica, osmosi e membrane cellulari

L’osmosi può essere definita come il movimento o flusso netto di un solvente attraverso una membrana semipermeabile, sotto la spinta delle differenze di pressione osmotica tra i due lati della membrana, al fine di cercare di uguagliare la concentrazione del soluto ai due lati della membrana stessa.
Nei sistemi biologici l’acqua è il solvente e le membrane plasmatiche sono le membrane semipermeabili. Le membrane plasmatiche consentono il passaggio alle molecole d’acqua, grazie alla presenza di canali proteici, le acquaporine, nonché a piccole molecole non polari che possono diffondere rapidamente attraverso esse, mentre sono stanzialmente impermeabili a ioni e macromolecole. La presenza all’interno della cellula di macromolecole come acidi nucleici, proteine, glicogeno e aggregati sopramolecolari, ad esempio i complessi multienzimatici, ma anche ioni in concentrazione maggiore rispetto a quella dell’ambiente extracellulare, fa si che la pressione osmotica guidi l’acqua dall’esterno all’interno della cellula. Se questo flusso netto di acqua verso l’interno della cellula non fosse controbilanciato si avrebbe in breve una distensione della membrana plasmatica tale da comportarne la rottura, ossia la cellula scoppierebbe a causa di un eccesso di acqua al suo interno, si verificherebbe cioè una lisi osmotica. In condizioni fisiologiche questo non avviene in quanto nel corso dell’evoluzione si sono sviluppati diversi meccanismi che si oppongono, e in alcuni casi addirittura sfruttano, queste forze osmotiche. Due di questi sono le pompe ioniche energia dipendenti e, nei batteri, nei fungi e nelle cellule vegetali, la parete cellulare.

Pompe ioniche energia dipendenti

Le pompe ioniche riducono, con spesa di ATP, le concentrazioni intracellulari di determinati ioni rispetto alle loro concentrazioni nell’ambiente extracellulare, creando quindi una ineguale distribuzione degli ioni stessi sui due lati della membrana plasmatica, ossia creando un gradiente ionico. In questo modo la cellula controbilancia le forze osmotiche dovute agli ioni e macromolecole intrappolate al suo interno. Un esempio di pompa ionica energia dipendente è la Na+/K+ ATPasi, che riduce la concentrazione intracellulare di Na+ rispetto all’esterno della cellula.

Parete cellulare

Le cellule vegetali sono circondate da una matrice extracellulare, la parete cellulare, che, essendo non espandibile e posizionata in prossimità della membrana plasmatica, permette alla cellula di resistere alle forze osmotiche che potrebbero causarne il rigonfiamento e infine la lisi. In che modo? Nelle cellule vegetali mature i vacuoli sono gli organelli di dimensioni maggiori, arrivando ad occupare circa l’80% del volume cellulare. Al loro interno vengono accumulate grandi quantità di soluti, per la maggior parte acidi organici ed inorganici, i quali osmoticamente richiamano acqua, il che determina il rigonfiamento del vacuolo stesso. A sua volta questo fa si che il tonoplasto, la membrana che circonda l’organello, spinga la membrana plasmatica contro la parete cellulare, la quale, opponendosi meccanicamente a queste forze, permette di evitare la lisi osmotica. Questa pressione osmotica è chiamata pressione di turgore e può raggiungere le 20 atmosfere, 2 MPa, un valore circa 10 volte maggiore rispetto alla pressione dei pneumatici. La pressione di turgore è responsabile della rigidità delle parti non legnose delle piante, è coinvolta nella crescita della pianta, nonchè:

  • nell’avvizzimento della verdura, a seguito di una sua riduzione;
  • nei movimenti delle piante, quali:
    • i movimenti circadiani delle foglie;
    • i movimenti delle foglie della Dionaea muscipula, una pianta carnivora, o delle foglie delle Mimosa pudica.

Anche nei batteri e funghi la membrana plasmatica è circondata da una parete cellulare sufficientemente rigida e non espandibile da impedire la lisi osmotica della cellula.

Soluzioni isotoniche, ipotoniche ed ipertoniche

Dal confronto tra la pressione osmotica di sue soluzioni separate da una membrana semipermeabile è possibile definire tre tipi di soluzioni, di seguito brevemente descritte.

  • Due soluzioni che abbiano la stessa pressione osmotica sono definite isotoniche.
  • Se due soluzioni hanno differenti pressione osmotica, quella a pressione maggiore viene definita ipertonica rispetto all’altra.
  • Se due soluzioni hanno differenti pressioni osmotiche, quella a pressione minore viene definita ipotonica rispetto all’altra.

Nei sistemi biologici la soluzione di riferimento è rappresentata dal citosol; quindi, ponendo una cellula in una soluzione:

  • isotonica, non si avrà trasferimento netto di acqua tra l’interno e l’esterno della cellula stessa;
  • ipertonica, sia avrà un trasferimento netto di acqua dalla cellula verso l’esterno, la cellula perde acqua e si raggrinzisce;
  • ipotonica, si verifica un trasferimento netto di acqua al suo interno, la cellula si rigonfia e può arrivare a scoppiare, ossia si può verificare una lisi osmotica.

In aggiunta alle pompe ioniche e alla parete cellulare, nel corso dell’evoluzione gli organismi pluricellulari hanno sviluppato un’altra soluzione per opporsi alle forze osmotiche: circondare le cellule con soluzioni isotoniche o prossime all’isotonicità che impediscano o comunque limitino un influsso o un efflusso netto di acqua. Un esempio è il plasma, ossia il sangue privato della componente cellulare, che, grazie alla presenza di sali e proteine, nell’uomo principalmente l’albumina, ha un’osmolarità simile a quella presente nel citosol.

Pressione osmotica, amido e glicogeno

Gli organismi immagazzinano glucosio non in forma libera ma come polimeri, glicogeno gli animali, i funghi ed i batteri, amido le piante, in questo modo evitando che la pressione osmotica esercitata dalle riserve di carboidrati diventi troppo grande. Infatti, dato che la pressione osmotica, al pari delle altre proprietà colligative, dipende solo dal numero delle molecole di soluto, immagazzinare milioni di molecole di glucosio in forma di un numero notevolmente inferiore di polisaccaridi permette di evitarne un aumento abnorme. Di seguito alcuni esempi.

  • Se si considera un polisaccaride, come il glicogeno o amido, formato da 1000 unità di glucosio e del peso di un grammo, questi ha un effetto sulla pressione osmotica inferiore a quello di un milligrammo di glucosio libero.
  • Considerando un epatocita, se il glucosio immagazzinato in forma di glicogeno fosse presente come glucosio libero, la sua concentrazione sarebbe di circa 0,4 M, contro una concentrazione del glicogeno di circa 0,04 μM. Questo causerebbe un flusso netto di acqua verso l’interno della cellula tale da portare a lisi osmotica.
    Inoltre, se anche si riuscisse ad evitare la lisi osmotica, si avrebbero problemi riguardo al trasporto del glucosio all’interno della cellula. Nell’uomo, in condizioni fisiologiche, la concentrazione ematica del glucosio è compresa nell’intervallo 3,33-5,56 mmol/L o 60-100 mg/dL; se il glucosio fosse immagazzinato in forma libera la sua concentrazione intracellulare sarebbe da 120 a 72 volte maggiore di quella sanguigna, e il suo trasporto nell’epatocita comporterebbe un grande dispendio energetico.

Diarrea osmotica

In presenza di malattie che causano l’accumulo di soluti non assorbiti ed osmoticamente attivi nella porzione distale dell’intestino tenue e nel colon, si verifica una condizione nota come diarrea osmotica.
Tra le cause fisiopatologiche si annoverano, ad esempio, infezioni batteriche, malattie del pancreas, la celiachia, un’enteropatia autoimmune indotta dall’assunzione di glutine in soggetti geneticamente predisposti, o un deficit congenito di una delle disaccaridasi dell’orletto a spazzola degli enterociti, come nel caso dell’intolleranza al lattosio. In queste condizioni la digestione dei carboidrati può essere incompleta a causa di un deficit a carico della alfa-amilasi e/o di una o più disaccaridasi. Inoltre, i soluti osmoticamente attivi non assorbiti passano nel colon dove possono essere fermentati dai batteri del microbiota intestinale, che fa parte del microbiota umano, con conseguente eccessiva produzione di gas come idrogeno, anidride carbonica e metano. Ciò provoca una condizione nota come diarrea osmotico-fermentativa.
La diarrea osmotica può anche essere consente all’uso di lassativi osmotici come polietilenglicole o PEG ed il solfato di magnesio.
L’accumulo di soluti osmoticamente attivi derivanti dalla digestione incompleta al pari dei lassativi osmotici portano ad un aumento della pressione osmotica intraluminale e inibiscono il normale assorbimento di acqua ed elettroliti, provocando una riduzione della consistenza delle feci e un aumento della motilità intestinale.

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Enzimi multifunzionali

Gli enzimi multifunzionali sono proteine in cui due o più siti attivi che catalizzano reazioni consecutive di una via metabolica sono presenti in una catena polipeptidica. Sembra probabile che derivino da eventi di fusione genica rappresentando, al pari dei complessi multienzimatici, una soluzione adottata dall’evoluzione per massimizzare l’efficienza catalitica, assicurando vantaggi che non si avrebbero nel caso in cui le singole attività enzimatiche fossero presenti su proteine distinte e libere.

INDICE

Quali vantaggi offrono gli enzimi multifunzionali?

Gli organismi viventi combattono con l’inevitabile processo di decadimento che, se non contrastato, conduce ad un crescente aumento del disordine, sino alla morte. A livello molecolare il mantenimento della vita è reso possibile dalla grande efficienza raggiunta dagli enzimi nell’accelerare le reazioni chimiche e nell’evitare reazioni collaterali. Un’idea della velocità con cui procede il metabolismo cellulare è fornita dalla velocità del turn over dell’ATP in una cellula di mammifero: ogni 1-2 minuti l’intero pool del trifosfato è idrolizzato e risintetizzato. Tradotto in numeri questo corrisponde al turn over di circa 107 molecole di ATP al secondo, e, per il corpo umano, a circa 1 grammo di ATP al minuto. Alcuni enzimi hanno addirittura raggiunto la perfezione catalitica, ossia sono talmente efficienti che quasi ogni collisione con il proprio substrato porta alla catalisi.
Enzimi multifunzionaliE uno dei fattori limitanti la velocità di una reazione enzimatica è la proprio frequenza con cui enzimi e substrati collidono. Il modo più semplice per aumentare la frequenza delle collisioni sarebbe quello di aumentare la concentrazione di substrati ed enzimi. Tuttavia, dato l’elevatissimo numero di differenti reazioni che avvengono all’interno della cellula, questa strada non è praticabile. Esiste cioè un limite alle concentrazioni che substrati ed enzimi possono raggiungere, concentrazioni che sono dell’ordine delle micromoli per i substrati, e anche più basse per gli enzimi. Fanno eccezione gli enzimi della glicolisi nelle cellule muscolari e negli eritrociti, presenti in concentrazioni dell’ordine delle 0.1 mM e anche maggiori.
Una delle strade percorse dall’evoluzione per aumentare la velocità con cui procedono le reazioni enzimatiche è stata quella di selezionare strutture molecolari, quali gli enzimi multifunzionali ed i complessi multienzimatici, che permettano, attraverso l’ottimizzazione dell’organizzazione spaziale degli enzimi di una via metabolica, di minimizzare la distanza che il prodotto della reazione A deve percorrere per raggiungere il sito attivo che catalizza la reazione successiva B, e così via, ottenendo cioè l’incanalamento dei substrati della via stessa. Per alcuni enzimi multifunzionali e complessi multienzimatici l’incanalamento è ottenuto grazie alla presenza di veri e propri tunnel intramolecolari. L’incanalamento dei substrati migliora l’efficienza catalitica, e quindi la velocità di reazione, in vari modi, di seguito brevemente descritti.

  • Minimizza la diffusione nel mezzo circostante del reagente, quindi la sua diluizione, permettendo così di raggiungere concentrazioni locali elevate, anche quando la sua concentrazione nella cellula è bassa, aumentando quindi la frequenza delle collisioni enzima-substrato.
  • Riduce il tempo di transito dei substrati da un sito attivo al successivo.
  • Minimizza la probabilità che si verifichino reazioni collaterali.
  • Minimizza la probabilità che intermedi chimicamente labili siano degradati.

Gli enzimi multifunzionali offrono vantaggi anche dal punto di vista della regolazione della loro sintesi, essendo possibile coordinare la sintesi di tutte le attività enzimatiche interessate grazie al fatto che la struttura è codificata da un singolo gene.

Infine, analogamente ai complessi multienzimatici, è possibile regolare in modo coordinato le attività enzimatiche presenti. Se a questo si aggiunge che spesso l’enzima che catalizza la tappa di comando della sequenza è quello che catalizza la prima reazione, è possibile sia evitare la sintesi di molecole non necessarie, che sarebbero invece prodotte se la tappa di comando fosse a valle della prima reazione, come pure uno spreco di energia e la sottrazione di metaboliti ad altre vie metaboliche.

Esempi di enzimi multifunzionali

Al pari dei complessi multienzimatici, anche gli enzimi multifunzionali sono molto comuni e coinvolti in vie metaboliche sia anaboliche che cataboliche.
Di seguito alcuni esempi.

Acetil-CoA carbossilasi

L’acetil-CoA carbossilasi o ACC (EC 6.4.1.2), una carbossilasi biotina-dipendente, è formata da due enzimi, la biotina carbossilasi (EC 6.3.4.14) e una transcarbossilasi, più la proteina trasportatrice della biotina o BCCP, acronimo dell’inglese biotin carboxyl-carrier protein. ACC catalizza la sintesi del malonil-CoA via carbossilazione dell’acetil-CoA. La reazione, che rappresenta la tappa di comando della sintesi degli acidi grassi, procede in due tappe. Nella prima la biotina carbossilasi catalizza il trasferimento di una molecola di anidride carbonica (CO2) dallo ione bicarbonato ad un atomo di azoto dell’anello della biotina, che funge da trasportatore temporaneo di CO2. La reazione comporta il consumo di una molecola di ATP. Nella seconda tappa la transcarbossilasi catalizza il trasferimento del gruppo carbossilico dalla carbossi-biotina all’acetil-CoA a dare malonil-CoA. Il malonil-CoA verrà di seguito utilizzato come donatore di unità bicarboniose dalla acido grasso sintasi (EC 2.3.1.85) durante l’allungamento degli acidi grassi.
Nei mammiferi e negli uccelli l’acetil-CoA carbossilasi è un enzima multifunzionale essendo le due attività enzimatiche, e BCCP, presenti su un’unica catena polipeptidica. Nei batteri invece ACC è un complesso multienzimatico formato dall’aggregazione di tre catene polipeptidiche, ossia i due enzimi più BCCP.
Nelle piante superiori sono presenti entrambe le forme.

Acido grasso sintasi di tipo I

L’acido grasso sintasi o FAS, acronimo dell’inglese fatty acid synthase, catalizza la sintesi dell’acido palmitico utilizzando il malonil-CoA, che è il prodotto della reazione catalizzata dalla acetil-CoA carbossilasi, come donatore di unità bicarboniose.
Esistono due tipi di acido grasso sintasi.
Negli animali e nei funghi è un enzima multifunzionale, ed è detto di tipo I. Negli animali è un omodimero, ed in ogni catena polipeptidica sono presenti le sette le attività enzimatiche e la proteina trasportatrice di acili o ACP, acronimo dell’inglese acyl carrier protein. Nei lieviti e nei funghi FAS è formata da due subunità multifunzionali, dette α and β, disposte a formare una struttura eterododecamerica α6β6.
Nella maggior parte dei procarioti e nelle piante l’acido grasso sintasi, detta di tipo II, non è un enzima multifunzionale ma un complesso multienzimatico essendo composto da enzimi distinti più  ACP.

PRA isomerasi:IGP sintasi

La sintesi dell’aminoacido triptofano a partire dal corismato coinvolge diversi passaggi, di seguito brevemente descritti.
Nel primo, la glutammina dona un atomo di azoto all’anello indolico del corismato, che è convertito in antranilato, e la glutammina in glutammato; la reazione è catalizzata dalla antranilato sintasi (EC 4.1.3.27). L’antranilato è fosforibosilato a spese del 5-fosforibosil-1-pirofosfato o PRPP, acronimo dell’inglese 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate, a dare N-(5’-fosforibosil)-antranilato o PRA, acronimo dell’inglese N-(5′-phosphoribosyl)-anthranilate, nella reazione catalizzata dalla antranilato fosforibosiltransferasi (EC 2.4.2.18). Nel passaggio successivo, catalizzato dalla PRA isomerasi (EC 5.3.1.24), PRA è isomerizzato a dare enol-1-o-carbossifenilamino-1-desossiribulosio fosfato o CdRP, acronimo dell’inglese enol-1-o-carboxyphenylamino-1-desoxyribulose phosphate. PRA e CdRP sono un esempio di isomeria di struttura. CdRP, è convertito in indolo-3-glicerolo fosfato o IGP, acronimo dell’inglese indole-3-glycerol phosphate, nella reazione catalizzata dalla indolo-3-glicerofosfato sintasi o IGP sintasi (EC 4.1.1.48). Infine, la triptofano sintasi (EC 4.2.1.20) catalizza gli ultimi due passaggi della via: la conversione di IGP in indolo, una idrolisi, e la reazione dell’indolo con una serina a dare il triptofano.
In E. coli, PRA isomerasi e IGP sintasi sono presenti su un’unica catena polipeptidica, che è quindi un enzima bifunzionale. In altri microorganismi, come Bacillus subtilis, Salmonella typhimurium e Pseudomonas putida le due attività enzimatiche sono presenti su catene polipeptidiche distinte.
La triptofano sintasi è invece un esempio di complesso multienzimatico, ed uno degli esempi meglio caratterizzati di canalizzazione del flusso dei metaboliti.

Glutammina-PRPP amido transferasi

La glutammina-PRPP ammidotransferasi (EC 2.4.2.14) catalizza la prima della 10 tappe che portano alla sintesi de novo delle purine, ossia la formazione della 5-fosforibosilammina a seguito del trasferimento dell’azoto ammidico della glutammina, che funge quindi da fonte di azoto, al PRPP.
La reazione procede in due tappe, catalizzate nei due siti attivi dell’enzima, un sito N-terminale ed uno C-terminale. Nella prima tappa, il sito attivo N-terminale catalizza l’idrolisi dell’azoto ammidico della glutammina a dare ammoniaca e glutammato. Nella seconda tappa, catalizzata dal sito attivo C-terminale, che ha attività fosforibosiltransferasica, l’ammoniaca precedentemente rilasciata viene legata al C-1 del PRPP a dare la 5-fosforibosilammina. In questa reazione si verifica l’inversione della configurazione del C-1 del ribosio, da α a β, stabilendo la forma anomerica del nucleotide in via di sintesi.
Ci sono tre punti di controllo che cooperano nella regolazione della sintesi de novo dei nucleotidi purinici, e la reazione catalizzata dalla glutammina-PRPP ammidotransferasi, che è anche la prima reazione esclusiva della via, è il primo.
Al pari del complesso della carbamil fosfato sintetasi batterica, anche i siti attivi di questo enzima multifunzionale sono connessi attraverso un canale intramolecolare. Tuttavia questo canale è più corto, essendo lungo circa 20 Å, ed è delimitato da residui amminoacidici non polari, quindi è altamente idrofobico. Mancando gruppi in grado di stabilire legami idrogeno, il tunnel permette la diffusione dell’ammoniaca verso il secondo sito attivo.

CAD

La sintesi de novo dei nucleotidi pirimidinici avviene attraverso una serie di reazioni enzimatiche che, a differenza di quanto accade nella sintesi de novo dei nucleotidi purinici, comporta dapprima la formazione dell’anello pirimidinico e quindi il suo legame al ribosio-5-fosfato. Le prime tre tappe della via sono catalizzate in sequenza dalla carbamil fosfato sintetasi (EC 6.3.4.16), aspartato transcarbamilasi (EC 2.1.3.2) e diidroorotasi (EC 3.5.2.3), e sono comuni a tutte le specie.
Nella prima tappa, la carbamil fosfato sintetasi, che presenta due attività enzimatiche, ossia una attività amidotransferasica glutammina dipendente ed un’attività sintasica, catalizza la sintesi del carbamil fosfato a partire da glutammina, ione bicarbonato ed ATP. Nella seconda tappa, che è quella di comando della via metabolica ed è catalizzata dalla aspartato transcarbamilasi, il carbamil fosfato reagisce con l’aspartato a dare l’N-carbamil aspartato. Infine la diidroorotasi, catalizzando la rimozione di una molecola d’acqua dall’N-carbamil aspartato, porta alla chiusura dell’anello pirimidinico a formare L-diidroorotato.
Negli eucarioti, in particolare nei mammiferi, in Drosofila e Dictyostelium, un genere di amebe, le tre attività sono presenti su una singola catena polipeptidica, codificata da un singolo gene derivante da una fusione avvenuta almeno 100 milioni di anni fa. L’enzima multifunzionale, abbreviato come CAD, è un omomultimero composto da tre subunità o più.
Nei procarioti invece i tre enzimi sono indipendenti, e la carbamil fosfato sintetasi è un esempio di complesso multienzimatico.
Nei lieviti l’attività diidroorotasica è presente su una proteina separata.
Studi sull’attività enzimatica hanno rivelato l’esistenza di un incanalamento dei substrati, più efficace nella proteina del lievito, riguardo ai primi due passaggi, rispetto a quella dei mammiferi.

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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 sintetasi 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:

  • piruvato deidrogenasi o E1 (EC 1.2.4.1);
  • diidrolipoil transacetilasi o E2 (EC 2.3.1.12);
  • diidrolipoil deidrogenasi o E3 (EC 1.8.1.4).

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:

  • la diidrolipoil deidrogenasi è identica;
  • la piruvato deidrogenasi e la diidrolipoil transacetilasi sono omologhe

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+.
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.Complessi multienzimatici, le alfa-chetoacido deidrogenasi ed i 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 BCCP, acronimo dell’inglese biotin carboxyl-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 BCCP.
Nelle piante superiori sono presenti entrambe le forme.

Carbamil fosfato sintetasi

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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Complesso della piruvato deidrogenasi: struttura, reazioni e regolazione

Il complesso della piruvato deidrogenasi o PDC, acronimo dell’inglese pyruvate dehydrogenase complex, è un complesso multienzimatico mitocondriale composto da tre differenti enzimi:

  • piruvato deidrogenasi o E1 (EC 1.2.4.1);
  • diidrolipoil transacetilasi o E2 (EC 2.3.1.12);
  • diidrolipoil deidrogenasi o E3 (EC 1.8.1.4).

Ognuno di questi enzimi è presente in più copie il cui numero, e quindi le dimensioni del complesso stesso, varia da specie a specie, con una massa molecolare che oscilla da 4 a 10 milioni di Dalton.

Fanno parte del complesso multienzimatico anche:

  • cinque differenti coenzimi;
  • nelle piante, nei funghi e, tra gli animali, nei volatili e nei mammiferi, due enzimi con attività regolatoria: la piruvato deidrogenasi chinasi (EC 2.7.1.99), enzima Mg2+-dipendente, e la piruvato deidrogenasi fosfatasi) (EC 3.1.3.43), enzima attivato dagli ioni calcio (Ca2+);
  • negli eucarioti, una proteina con funzione di legame, E3BP.

Il complesso della piruvato deidrogenasi catalizza, attraverso una sequenza di cinque reazioni, la decarbossilazione ossidativa del piruvato, un α-chetoacido, a dare il gruppo il gruppo acetilico dell’acetil-coenzima A o acetil-CoA, una molecola di CO2, e due elettroni trasportati dal NAD. La stechiometria complessiva della sequenza delle cinque reazioni è:

La decarbossilazione ossidativa del piruvato catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi
PDC: Reazione Complessiva

La reazione complessiva è essenzialmente irreversibile, con un ΔG°’ pari a -8,0 kcal/mol (-33,4 kJ/mol), e richiede l’intervento sequenziale di tutti e tre gli enzimi, le cui attività risultano coordinate. Nel corso delle reazioni i prodotti intermedi rimangono legati agli enzimi e al termine della sequenza catalitica il complesso multienzimatico è pronto per il ciclo successivo.

Schema delle cinque reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi
Le Cinque Reazioni Catalizzate da PDC

Nota: il complesso della piruvato deidrogenasi catalizza le stesse reazioni attraverso meccanismi simili in tutti gli organismi in cui è presente.

INDICE

Coenzimi del complesso della piruvato deidrogenasi

Cinque coenzimi partecipano alle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi: la tiamina pirofosfato o TPP, acronimo dell’inglese thiamine pyrophosphate, la flavina adenina dinucleotide o FAD, il coenzima A o CoA, la nicotinammide adenina dinucleotide o NAD, e l’acido lipoico.

  • La tiamina pirofosfato deriva dalla tiamina o vitamina B1 di cui rappresenta la forma biologicamente attiva.TPP è il coenzima della piruvato deidrogenasi cui è strettamente, ma non covalentemente, legata. Il suo ruolo è quello di trasportatore di gruppi idrossietilici o “aldeidici attivati”.
  • La flavina adenina dinucleotide deriva dalla riboflavina o vitamina B2, di cui rappresenta una delle forme attive; l’altra è la flavina mononucleotide o FMN.
    Forma ossidata e ridotta della flavina adenina dinucleotide o FAD, la forma attiva della vitamina B2
    Forma Ridotta ed Ossidata della Flavina Adenina Dinucleotide

    Il FAD è il coenzima della diidrolipoil deidrogenasi cui è saldamente legato. Il suo ruolo, analogamente al NAD, è quello di trasportatore di elettroni o ioni idruro (:H o H+ + 2e).

  • Il coenzima A è formato da una β-mercaptoetilamina legata attraverso legame ammidico all’acido pantotenico o vitamina B5, che a sua volta è unito, attraverso un ponte pirofosfato, ad una 3’-fosfoadenosina.
    Il CoA partecipa alla reazione catalizzata dalla diidrolipoil transacetilasi. Il suo ruolo è quello di trasportatore di gruppi acilici.

    Formula di struttura del coenzima A dell’acetil-coenzima A
    CoA e Acetil-CoA

    La porzione del coenzima A corrispondente alla β-mercaptoetilamina termina con un gruppo sulfidrilico (–SH), un tiolo reattivo cruciale per il ruolo svolto dal coenzima in quanto i gruppi acilici trasportati, legati attraverso un legame tioestere, hanno una elevata energia libera standard di idrolisi. Ciò fornisce loro un elevato potenziale di trasferimento, pari a -31,5 kcal/mol (-7,5 kJ/mol), che risulta addirittura più esoergonico, anche se di solo 0,2 kcal/mol (1 kJ/mol), rispetto a quello per l’idrolisi dell’ATP ad ADP e Pi. Pertanto i tioesteri hanno un elevato potenziale di trasferimento del gruppo acilico e sono in grado di donarlo a numerose molecole accettrici. In altre parole il gruppo acilico legato al coenzima A può essere considerato come una forma attivata pronta per il trasferimento. E’ anche possibile affermare che la formazione del legame tioestere permette di conservare parte dell’energia metabolica derivante dall’ossidazione del carburante metabolico. E va sottolineato che il coenzima A è anche abbreviato come CoA-SH, proprio per enfatizzare il ruolo svolto dal gruppo tiolico.
    Nota: nel legame tioestere è presente un atomo di zolfo nella posizione in cui nel legame estere è presente un atomo di ossigeno.

    Legami estere e tioestere

  • La nicotinammide adenina dinucleotide può essere prodotta a partire dal triptofano, un aminoacido essenziale, o dalla niacina o vitamina B3 o vitamina PP, da Pellagra-Preventing, la fonte della parte nicotinammidica.
    Formula di struttura della nicotinammide adenina dinucleotide in forma ridotta ed ossidata
    Forma Ridotta ed Ossidata della Nicotinammide Adenina Dinucleotide

    Il NAD è coinvolto nella reazione catalizzata dalla diidrolipoil deidrogenasi. Il suo ruolo, analogamente al FAD, è quello di trasportatore di elettroni, o ioni idruro.

  • A differenza degli altri coenzimi del complesso della piruvato deidrogenasi, l’acido lipoico non deriva, direttamente o indirettamente, da vitamine e/o aminoacidi essenziali, ossia da precursori che non possono essere sintetizzati de novo dall’organismo e devono essere assunti con la dieta.
    L’acido lipoico è il coenzima della diidrolipoil transacetilasi, cui è covalentemente legato, attraverso legame ammidico, all’ε-ammino gruppo di un suo residuo di lisina a formare un residuo di lipoil-lisina o lipoammide. Il coenzima accoppia il trasferimento di elettroni con quello di gruppi acilici.

    Lipoammide, la forma attiva dell’acido lipoico, il coenzima della diidrolipoil transacetilasi
    Lipoammide o Lipoil-lisina

    L’acido lipoico possiede due gruppi tiolici che possono andare incontro ad ossidazione intramolecolare reversibile a dare un ponte disolfuro (-S-S-), similmente a quanto può accadere tra due residui di cisteina (Cys) di una proteina.
    Poiché il ponte disolfuro (nota: un disolfuro ciclico) può andare incontro a reazioni di ossidoriduzione, nel corso delle reazioni catalizzate dal complesso è dapprima ridotto a diidrolipoammide, un ditiolo o la forma ridotta del gruppo prostetico, e quindi riossidato nel disolfuro ciclico.

Nota
Molti enzimi necessitano per la loro attività catalitica di piccoli componenti non proteici chiamati cofattori. I cofattori possono essere ioni metallici o piccole molecole organiche o metallo-organiche e sono classificati come coenzimi e gruppi prostetici.
Un gruppo prostetico è un cofattore che si lega saldamente a un enzima con un legame non covalente o covalente, vale a dire che è legato in modo permanente alla proteina.
Un coenzima è un cofattore che non è legato in modo permanente all’enzima.

Localizzazione del complesso della piruvato deidrogenasi

Negli eucarioti il complesso della piruvato deidrogenasi, al pari degli enzimi del ciclo dell’acido citrico e di quelli per l’ossidazione degli acidi grassi, si trova nel mitocondrio, associato alla superficie della membrana mitocondriale interna che guarda la matrice.
Nei procarioti si trova nel citosol.

Funzioni del complesso della piruvato deidrogenasi

Il complesso della piruvato deidrogenasi ha essenzialmente due funzioni: produrre acetil-CoA e NADH.

  • Il gruppo acetilico legato al coenzima A, un acetato attivato, a seconda delle condizioni metaboliche della cellula e/o del tipo di cellula, potrà essere:

ossidato a due molecole di anidride carbonica attraverso le reazioni del ciclo dell’acido citrico, il che permette la “raccolta” di una parte dell’energia potenziale immagazzinata in forma di ATP o GTP;
utilizzato per la sintesi di acidi grassi, colesterolo, steroidi, isoprenoidi, corpi chetonici e acetilcolina.

E’ quindi possibile affermare che, a seconda delle condizioni metaboliche e/o del tipo di cellula, il complesso della piruvato deidrogenasi indirizza intermedi carboniosi dal catabolismo degli aminoacidi e del glucosio verso:

il ciclo dell’acido citrico, e quindi la produzione di energia, come ad esempio nel muscolo scheletrico in condizioni aerobiche, e, sempre, nel muscolo cardiaco;
la sintesi dei lipidi e di acetilcolina.

  • Negli organismi aerobi il NADH potrà essere ossidato a NAD+ a seguito della cessione di uno ione idruro alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale che, a sua volta, trasferisce i due elettroni all’ossigeno molecolare (O2), trasferimento che permette la produzione di 2,5 molecole di ATP per coppia di elettroni.Nota: negli organismi anaerobi è presente un accettore di elettroni alternativo all’ossigeno, come ad esempio un nitrato o un solfato.

Dal punto di vista concettuale il complesso della piruvato deidrogenasi rappresenta il ponte di collegamento tra glicolisi e ciclo dell’acido citrico. Tuttavia, vista l’irreversibilità della reazione complessiva catalizzata dal complesso, questo ponte è “a senso unico”: il piruvato può essere decarbossilato, ossidato e l’unità acetilica rimanente legata al CoA, ma non è possibile compiere il percorso inverso, ossia convertire acetil-CoA in piruvato.
L’irreversibilità di questa reazione e l’assenza di vie metaboliche alternative spiega perché non è possibile utilizzare l’acetil-CoA, e quindi gli acidi grassi, per la gluconeogenesi (vedi sotto).

Altre fonti di acetil-CoA

Il gruppo acetilico dell’acetil-CoA può derivare, oltre che dal piruvato, dall’ossidazione degli acidi grassi e dal catabolismo di molti aminoacidi. Tuttavia, a prescindere dalla sua origine, l’acetil-CoA rappresenta un veicolo di ingresso di nuove unità carboniose nel ciclo dell’acido citrico. E’ anche possibile affermare che il gruppo acetilico dell’acetil-CoA rappresenta la forma in cui la maggior parte del carbonio entra nel ciclo.

Fonti di piruvato

Il piruvato può derivare da diverse fonti citosoliche.

  • In condizioni fisiologiche nella maggior parte delle cellule deriva principalmente dalla glicolisi: dall’ossidazione di una molecola di glucosio se ne vengono a formare due di piruvato.
  • Il lattato, nella reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi (EC 1.1.1.27), può essere ossidato a piruvato. Infatti, gli isoenzimi in cui predomina la subunità H, come LDH1 o H4, un omopolimero di subunità H presente nel muscolo cardiaco, un tessuto completamente aerobico, catalizzano preferenzialmente l’ossidazione del lattato.
    L’ossidazione del lattato può avvenire anche negli epatociti, nel corso della gluconeogenesi, favorita dal basso rapporto NADH/NAD+ nel citosol. Si noti comunque che il lattato è un metabolita derivante dal catabolismo del glucosio, e quindi dei carboidrati.
  • Altra fonte importante è rappresentata dal malato, nella reazione catalizzata dall’enzima malico citosolico (EC 1.1.1.40), enzima che svolge un ruolo importante nel trasporto di intermedi del ciclo dell’acido citrico, quali ossalacetato, malato e citrato, tra il citosol e la matrice mitocondriale.

Malato + NADP+ → Piruvato + CO2 + NADPH + H+

  • Infine, anche gli scheletri carboniosi di sei aminoacidi, ossia alanina, cisteina, glicina, serina, treonina e triptofano, possono essere convertiti in toto o in parte in piruvato.

A sua volta il piruvato è un intermedio metabolico che può essere utilizzato in numerose vie metaboliche, sia anaboliche che cataboliche, quali la gluconeogenesi, la sintesi dei lipidi, e il metabolismo ossidativo. Inoltre, può avere anche una funzione anaplerotica, avendo un ruolo nel mantenimento del flusso di metaboliti attraverso il ciclo dell’acido citrico.

Trasporto del piruvato nella matrice mitocondriale

Negli eucarioti, la glicolisi avviene nel citosol mentre tutti i passaggi successivi del metabolismo aerobico, quindi le reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi, il ciclo dell’acido citrico, la catena di trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa, si svolgono nel mitocondrio.
Similmente a quanto accade per la maggior parte degli altri anioni e metaboliti, il passaggio del piruvato attraverso la membrana mitocondriale esterna è probabilmente mediato da un canale anionico voltaggio-dipendente relativamente non specifico. Il passaggio attraverso la membrana mitocondriale interna è invece assicurato da uno specifico trasportatore formato da due proteine denominate MPC1 e MPC2, acronimo dell’inglese mitochondrial pyruvate carrier, che vanno a formare un complesso etero-oligomerico nella membrana.

Struttura del complesso della piruvato deidrogenasi

Sebbene il complesso della piruvato deidrogenasi sia formato da copie multiple di tre enzimi differenti e catalizzi le medesime reazioni tramite meccanismi simili in tutti gli organismi in cui è presente, ha una struttura quaternaria molto varia.
Il primo complesso di cui fu analizzata la struttura fu quello di E. coli, grazie al lavoro di Lester Reed. Nel complesso multienzimatico, che ha un peso di circa 4600 kD ed un diametro di circa 300 Å, 24 unità di diidrolipoil transacetilasi vanno a formare una struttura con simmetria cubica, ossia, gli enzimi, associati in trimeri, sono disposti agli angoli del cubo. Dimeri di piruvato deidrogenasi si associano al nucleo di diidrolipoil transacetilasi, al centro di ognuno dei 12 bordi del cubo, per un totale 24 unità. Infine, dimeri di diidrolipoil deidrogenasi si vanno a disporre al centro di ognuna delle sei facce del cubo, per un totale di 12 unità. Si noti che l’intero complesso è costituito da 60 unità. Anche nella maggior parte degli altri batteri Gram-negativi si osserva una analoga struttura con simmetria cubica.
In alcuni batteri Gram-positivi e negli eucarioti il complesso della piruvato deidrogenasi presenta una struttura dodecaedrica, ossia quella di un poliedro regolare con 20 vertici, 12 facce pentagonali e 30 bordi, con simmetrica icosaedrica, anche detta simmetria I. Se si considera ad esempio il complesso presente nei mitocondri, questi è il più grande complesso multienzimatico conosciuto, con un peso di circa 1000 kD ed un diametro di circa 500 Å, dunque ben 5 volte le dimensioni di un intero ribosoma, e abbastanza grande da poter essere visualizzabile con il microscopio elettronico. Il complesso è costituito da un nucleo dodecaedrico avente un diametro di circa 25 nm e formato, come nei batteri Gram-negativi, dalla diidrolipoil transacetilasi, ma composto da 20 trimeri dell’enzima, per un totale di 60 unità, disposti ai vertici della struttura. Il nucleo è circondato da 30 unità di piruvato deidrogenasi, una centrata su ogni bordo, e 12 unità di diidrolipoil deidrogenasi, una centrata su ogni faccia. L’intero complesso è quindi costituito da 102 unità.

La struttura quaternaria del complesso è ulteriormente complicata, come menzionato in precedenza, dalla presenza di tre subunità addizionali: la piruvato deidrogenasi chinasi, la piruvato deidrogenasi fosfatasi, e la E3BP.
La chinasi e la fosfatasi sono legate al nucleo di diidrolipoil transacetilasi.
E3BP è legata ad ognuna della 12 facce pentagonali, e dunque presente in circa dodici copie. La proteina è necessaria il legame della diidrolipoil deidrogenasi al nucleo formato dalla diidrolipoil transacetilasi, come dimostrato dal fatto che la sua proteolisi parziale riduce la capacità di legame della deidrogenasi. Nella E3-bindign protein è possibile individuare un dominio C-terminale, privo di attività catalitica, ed un dominio che contiene una lipoil-lisina, simile a quella della diidrolipoil transacetilasi, in grado anche di accettare un gruppo acetilico. Tuttavia, la rimozione di questo dominio non comporta alcuna riduzione dell’attività catalitica del complesso multienzimatico.

Struttura della piruvato deidrogenasi o E1

La piruvato deidrogenasi degli eucarioti e di alcuni batteri Gram-positivi è composta da due differenti catene polipeptide, indicate come α e β, disposte a formare un eterotetramero α2β2 simmetrico. Di contro in E. coli e in altri batteri Gram-negativi le subunità sono fuse a formare un’unica catena polipeptidica e l’enzima risulta un omodimero.
L’enzima presenta due siti attivi.
Considerando la struttura eterotetramerica della piruvato deidrogenasi di Bacillus stearothermophilus, un batterio Gram-positivo, ogni tiamina pirofosfato si lega tra i domini N-terminali di una subunità α e di una β, al termine di un canale a forma di imbuto profondo circa 21 Å che porta al sito attivo, con l’anello tiazolico (vedi fig. 3), il suo gruppo reattivo, posizionato vicino all’ingresso del canale stesso. All’ingresso del canale sono inoltre presenti due anse peptidiche conservate, essenziali sia per l’attività catalitica dell’enzima che per la sua regolazione. L’analisi ai raggi X dell’enzima di B. stearothermophilus, quando lega sia la tiamina pirofosfato che PSBD della diidrolipoil transacetilasi, che si lega al dominio C-terminale delle subunità β, ha evidenziato, oltre ad un eterotetramero con un struttura estremamente compatta, che i due siti attivi hanno una struttura differente, in particolare riguardo alla disposizione delle due anse peptidiche conservate. Infatti, in una subunità dell’enzima, in presenza della forma attivata della tiamina pirofosfato, l’ansa più interna è disposta in modo da bloccare l’ingresso al sito attivo, mentre l’ansa all’ingresso dell’altro sito attivo ha una conformazione tale da non bloccarne l’ingresso. Questo spiega dal punto di vista strutturale le differenze osservate nella velocità di legame del substrato esibite dai due siti attivi. Una disposizione ed una asimmetria simili sono state osservate anche in tutti gli altri enzimi tiamina pirofosfato dipendenti di cui sia nota la struttura.
Oltre alla tiamina pirofosfato e ad uno ione magnesio (Mg2+), localizzati in ciascuno dei due siti attivi dell’enzima, un terzo Mg2+ è posizionato al centro del tetramero, all’interno di un tunnel lungo circa 20 Å, riempito di solvente, che collega i due siti attivi. Il tunnel è in gran parte delimitato da 10 residui amminoacidici conservati, rispettivamente sei residui di glutammato (Glu) e quattro di aspartato (Asp), che provengono da tutte e quattro le subunità, più altri residui acidi attorno all’anello amminopirimidinico della TPP. Va invece sottolineata l’assenza di residui basici che neutralizzino i precedenti. Tunnel simili sono stati osservati in tutti gli enzimi tiamina pirofosfato dipendenti con struttura dimerica o tetramerica di cui sia nota la struttura cristallina, ad esempio nella transchetolasi, enzima della via del pentoso fosfato.

Nota: Bacillus stearothermophilus è un membro del phylum Firmicutes ed è stato da poco rinominato Geobacillus stearothermophilus.

Qual’è la funzione del tunnel acido?

Attraverso esperimenti di mutagenesi condotti sulla piruvato deidrogenasi di B. stearothermophilus è stato dimostrato che il tunnel ha un ruolo nel meccanismo catalitico.
La sostituzione di alcuni dei suddetti residui acidi con amminoacidi neutri non alterava, rispetto alla forma wild-type:

  • l’efficienza dell’incorporazione dell’enzima modificato nel complesso multienzimatico;
  • la struttura dei siti attivi;
  • la struttura quaternaria dell’enzima.

Tuttavia, la velocità di decarbossilazione risultava ridotta di oltre il 70% rispetto all’enzima wild-type, come pure, una volta che l’enzima mutante era inserito nel complesso della piruvato deidrogenasi, l’attività del complesso stesso di oltre l’85%, sempre in confronto alla forma wild-type. Ma a che cosa sono dovute queste riduzioni dell’efficienza catalitica?
Poiché la distanza tra gli amminoacidi sostituiti ed i siti attivi dell’enzima è di 7 o più Å, questi amminoacidi sono troppo lontani dai siti attivi per poterne influenzare direttamente l’attività catalitica. E’ stato quindi proposto il meccanismo di seguito descritto.
Considerando l’apoenzima, la tiamina pirofosfato si lega velocemente e fortemente al primo sito attivo, viene attivata, ed il sito attivo viene chiuso, proteggendo così lo zwitterione tiazolico dall’ambiente esterno.
Nel secondo sito attivo invece la tiamina pirofosfato si lega, ma non viene attivata, e quindi il sito attivo rimane in conformazione aperta.
Nel primo sito attivo il piruvato reagisce con il C-2 tiazolico e la tiamina pirofosfato del secondo sito attivo, che è un acido generale, dona un protone al primo sito. Il risultato è una reazione di decarbossilazione nel primo sito attivo e l’attivazione del coenzima nel secondo sito, che quindi viene chiuso.
Si noti che mentre l’attivazione della prima tiamina pirofosfato è conseguente al legame al sito attivo, l’attivazione della seconda, e quindi del secondo sito attivo, è accoppiata alla decarbossilazione del piruvato nel primo sito attivo. O, da un altro punto di vista, mentre un sito attivo richiede un acido generale, l’altro richiede una base generale.
I protoni sono necessari per l’attività catalitica, ed il loro trasferimento tra i siti attivi avviene attraverso il tunnel acido. Si verifica cioè il loro trasporto reversibile lungo una catena di gruppi accettori-donatori forniti dai residui di glutammato ed aspartato e dalle molecole d’acqua presenti nel tunnel, che nell’insieme agiscono come un vero e proprio filo protonico, in inglese proton wire.
Sembra quindi che, a differenza di quanto accade in molti altri enzimi, in cui la comunicazione tra i siti attivi avviene attraverso modificazioni conformazionali e riarrangiamenti delle subunità che costituiscono l’enzima stesso, nella piruvato deidrogenasi e negli altri enzimi tiamina pirofosfato dipendenti il “proton wire” sia la base molecolare di tale comunicazione.
A questo punto l’oloenzima è formato ed i siti attivi si trovano in un equilibrio dinamico, passando vicendevolmente dallo stato dormiente a quello attivato. Questo sembra essere lo stato in cui si trova l’enzima in vivo all’inizio di ogni ciclo catalitico.
Una conseguenza di un tale meccanismo è che, a mano a mano che i cicli catalitici si susseguono, i due siti attivi sono fuori fase tra di loro, ossia mentre uno richiede una base generale, l’altro necessita di un acido generale, e vice versa.
Da notare infine che un tale meccanismo permette anche il cambio di conformazione delle anse che chiudono i siti attivi, in modo da:

  • coordinare l’uptake dei substrati ed il rilascio dei prodotti:
  • spiegare l’asimmetria esistente tra i due siti attivi.

Nota: un apoenzima è un enzima privo dei suoi cofattori, mentre un oloenzima è un enzima che lega tutti i suoi cofattori. L’apoenzima è la forma cataliticamente inattiva dell’enzima, mentre l’oloenzima ne è la forma cataliticamente attiva.

Struttura della diidrolipoil transacetilasi o E2

Nella struttura della diidrolipoil transacetilasi è possibile individuare tre domini funzionalmente distinti: un dominio lipoilico N-terminale, un dominio centrale di legame o PSBD, acronimo dell’inglese peripheral subunit-binding domain, ed un dominio catalitico C-terminale o acetiltransferasico. Questi domini sono connessi da sequenze di circa 20-40 residui amminoacidici ricche in alanina e prolina, aminoacidi idrofobici che sono inframezzati da residui dotati di carica. Queste sequenze di collegamento sono altamente flessibili ed estese, il che permette di tenere lontani gli uni dagli altri i tre domini.

Domini della diidrolipoil transacetilasi
Domini di E2

Nota: analoghe sequenze di collegamento flessibili sono presenti anche in E3BP.

  • Il dominio lipoilico N-terminale, composto da circa 80 residui amminoacidici, è così chiamato in quanto lega l’acido lipoico. Il numero di questi domini dipende dalla specie considerata, variando da uno a tre. Ad esempio è presente con una copia in B. stearothermophilus e nei lieviti, con due nello Streptococcus faecalis e nei mammiferi, e con tre in Azotobacter vinelandii ed E. coli.
    Il legame tra l’ɛ-amino gruppo della catena laterale di una lisina e l’acido lipoico porta alla formazione di un braccio flessibile, la lipoil-lisina o lipoammide, che alla sua massima estensione ha una lunghezza di circa 14 Å. Se a questo si aggiunge la sequenza che collega il dominio N-terminale al dominio adiacente, la cui lunghezza è superiore ai 140 Å, si ottiene un braccio flessibile in grado di far oscillare il gruppo lipoilico tra i siti attivi della piruvato deidrogenasi e della diidrolipoil deidrogenasi, nonché di interagire con le unità di diidrolipoil transacetilasi vicine.
    Si noti che il numero di queste braccia flessibili in E. coli è pari a 3 x 24 = 72, mentre nei mammiferi a 2 x 60 = 120, sulla base del numero dei domini N-terminali e delle unità di diidrolipoil transacetilasi.
    Da tutto ciò consegue che una piruvato deidrogenasi può acetilare numerose diidrolipoil transacetilasi, e una diidrolipoil deidrogenasi può riossidare diversi gruppi diidrolipoamidici.
    Inoltre, si verifica anche:

un interscambio di gruppi acetilici tra i gruppi lipoilici del nucleo di diidrolipoil transacetilasi;
lo scambio sia di gruppi acetilici che di disolfuri tra le braccia flessibili sopracitate.

  • PSBD è composto da circa 35 residui amminoacidici disposti a formare una struttura globulare che si lega sia alla piruvato deidrogenasi che alla diidrolipoil deidrogenasi, ossia tiene insieme il complesso multienzimatico.
  • Il dominio catalitico C-terminale, che, ovviamente, contiene il sito attivo, è composto da circa 250 residui amminoacidici disposti a formare una struttura simile ad una gabbia vuota che contiene canali sufficientemente larghi da permettere ai substrati e prodotti di diffondere fuori e dentro. Ad esempio, la lipoamide ed il coenzima A, i due substrati della diidrolipoil transacetilasi, si legano in conformazione estesa alle estremità opposte di un canale che si trova localizzato all’interfaccia tra ogni paio di subunità di ciascun trimero.

Struttura della diidrolipoil deidrogenasi o E3

La struttura della diidrolipoil deidrogenasi è stata desunta dalla studio dell’enzima in numerosi microrganismi. Presenta una struttura omodimerica, con ciascuna catena polipeptidica, formata da circa 470 residui amminoacidici, ripiegata a dare quattro domini, dall’estremità N-terminale a quella C-terminale: un dominio legante il FAD, uno legante il NAD, un dominio centrale, ed un dominio di interfaccia. Tutti prendono parte alla formazione del sito attivo.
Il FAD si trova quasi completamente all’interno della proteina in quanto, a differenza del NADH o dei tioli, è facilmente ossidabile e quindi deve essere protetto dalla soluzione circostante, ossia dall’ossidazione ad opera di O2. E infatti, in assenza del NAD+, la catena laterale fenolica di uno specifico residuo di tirosina (Tyr), ad esempio nel batterio Gram-negativo Pseudomonas putida la Tyr181, va a coprire la tasca dove si va a legare la nicotinamide proteggendo il FADH2 dal contatto con la soluzione.
Quando invece il NAD+ è in posizione nel sito attivo, la catena laterale fenolica della suddetta tirosina si va a disporre tra l’anello nicotinamidico e quello flavinico.
Nel sito attivo della forma ossidata dell’enzima è presente anche un ponte disolfuro redox-attivo che si forma tra due residui di cisteina presenti in un segmento della catena polipeptidica altamente conservato, ad esempio in P. putida tra la Cys43 e la Cys48. Il disolfuro è localizzato dal lato dell’anello flavinico opposto rispetto a quello che guarda l’anello nicotinammidico, e lega due giri consecutivi di un segmento di un’α-elica distorta. Da notare che in assenza della distorsione dell’ α-elica i Cα delle due cisteine sarebbero troppo distanti per poter permettere la formazione del ponte disolfuro.
La diidrolipoil deidrogenasi possiede quindi due accettori di elettroni: il FAD e il ponte disolfuro redox-attivo.
Nota: i due anelli eterociclici del NAD e del FAD sono paralleli ed in contatto attraverso interazioni di van der Waals; anche S48 è in contatto di van der Waals con l’anello flavinico, dal lato opposto rispetto all’anello nicotinamidico.

Reazione della piruvato deidrogenasi o E1

La piruvato deidrogenasi, nella sequenza delle cinque reazioni catalizzate dai componenti del complesso della piruvato deidrogenasi, ne catalizza le prime due, ovvero:

  • la decarbossilazione del piruvato a dare CO2 e l’intermedio idrossietil-TPP;
  • l’acetilazione riduttiva del gruppo lipoilico della diidrolipoil transacetilasi.

La prima reazione è essenzialmente identica alla reazione catalizzata dalla piruvato decarbossilasi (EC 4.1.1.1), che opera una decarbossilazione non ossidativa nel corso della fermentazione del glucosio ad etanolo. Quello che differisce è il destino del gruppo idrossietilico legato alla tiamina pirofosfato che, nella reazione catalizzata dalla piruvato deidrogenasi viene trasferito all’enzima successivo della sequenza, la diidrolipoil transacetilasi, mentre nella reazione catalizzata dalla piruvato decarbossilasi è convertito in acetaldeide.

Meccanismo di reazione della piruvato deidrogenasi o E1

Nelle reazioni catalizzate da enzimi TPP-dipendenti, l’anello tiazolico rappresenta la parte attiva, ma solo in forma di carbanione dipolare o ilide, ossia uno ione dipolare o zwitterione, con carica positiva sull’N-3 e carica negativa sul C-2. Di contro, l’anello tiazolico con carica positiva, ossia una carica positiva sull’azoto e nessuna carica sul C-2, può essere definito come la forma “dormiente” o inattiva.
La reazione ha inizio con l’attacco nucleofilo da parte del carbanione sul C-2 al carbonio carbonilico del piruvato, che ha lo stato di ossidazione di un’aldeide. L’attacco porta alla formazione di un legame covalente tra il coenzima e il piruvato.
Segue la scissione del legame tra il C-1 ed il C-2 del piruvato. Questo porta al distacco del gruppo carbossilico, ossia del C-1, in forma di CO2, mentre i due restanti atomi di carbonio, il C-2 ed il C-3, rimangono legati alla tiamina pirofosfato in forma di gruppo idrossietilico. La scissione del legame C-1–C-2, e quindi la decarbossilazione del piruvato, è favorita dal fatto che la carica negativa sul C-2, che è instabile, viene stabilizzata grazie alla presenza nell’anello tiazolico dell’azoto imminico carico positivamente, N-3, (C=N+), ossia grazie alla presenza di una struttura elettrofila o elettron deficiente che funge da “pozzo” o “trappola” per gli elettroni, nella quale gli elettroni del carbanione possono delocalizzarsi per risonanza.
A questo punto l’intermedio stabilizzato per risonanza può essere protonato a dare idrossietil-TPP.
Nota: questo primo passaggio della reazione catalizzata dalla piruvato deidrogenasi è quello dove il complesso della privato deidrogenasi esercita la sua specificità di substrato ed è anche il più lento dell’intera sequenza, ossia è quello che limita la velocità della reazione complessiva.

Meccanismo catalitico della piruvato deidrogenasi, uno dei componenti del complesso della piruvato deidrogenasi
Meccanismo Catalitico della Piruvato Deidrogenasi

Di seguito, l’enzima catalizza l’ossidazione del gruppo idrossietilico a gruppo acetilico ed il suo trasferimento sul braccio lipoamidico della diidrolipoil transacetilasi. La reazione ha inizio con la formazione di un carbanione sul carbonio idrossilico della idrossietil-TPP, a seguito della rimozione del protone legato al carbonio stesso da parte di una base dell’enzima. Segue l’attacco nucleofilo del carbanione al disolfuro della lipoamide, con formazione di un legame acetil-tioestere ad alta energia con uno dei due tioli. In questa reazione l’ ossidazione del gruppo idrossietilico a gruppo acetilico è accompagnata dalla concomitante riduzione del ponte disolfuro della lipoamide: i due elettroni rimossi dal gruppo idrossietilico sono utilizzati per ridurre il ponte disolfuro. Questa reazione è quindi una acetilazione riduttiva, cui si accoppia la rigenerazione della forma attiva della piruvato deidrogenasi, ossia l’enzima con il C-2 dell’anello tiazolico nella forma deprotonata, la forma ilide o carbanione dipolare.
Si noti che l’energia derivante dall’ossidazione del gruppo idrossietilico a gruppo acetilico permette la formazione del legame tioestere tra il gruppo acetilico ed il coenzima A.

Nota: come detto in precedenza, il braccio di lipoil-lisina, presente in conformazione estesa nel canale dove si trova anche la TPP, permette il trasferimento dell’idrossietile dalla idrossietil-TPP al coenzima A, ossia braccio di lipoil-lisina si può spostare dal sito attivo della piruvato deidrogenasi a quelli della diidrolipoil transacetilasi e quindi della diidrolipoil deidrogenasi;.

Proprietà della tiamina pirofosfato

Nella molecola della tiamina pirofosfato è possibile individuare tre parti distinte, da cui dipendono le sue proprietà chimiche ed enzimologiche: l’anello tiazolico, l’anello 4’-amminopirimidinico, e il gruppo difosfato (vedi fig. 3).
Il difosfato lega il cofattore all’enzima attraverso la formazione di legami elettrostatici tra le cariche negative portate dai suoi gruppi fosforici e quelle positive degli ioni Ca2+ ed Mg2+ che, a loro volta, sono legati a sequenze altamente conservate, rispettivamente: GlyAspGly (GDG) e GlyAspGly-X26-AsnAsn (GDG-X26-NN).
L’anello tiazolico ha un ruolo centrale nella catalisi grazie alla capacità di formare un carbanione, ossia un centro nucleofilo sul C-2.
Nota: come accennato in precedenza, una volta legatasi all’enzima, la tiamina pirofosfato si dispone nel sito attivo in modo che l’anello tiazolico sia posizionato vicino all’ingresso del canale che porta al sito attivo stesso.
L’anello amminopirimidinico ha una duplice funzione:

  • ancora il coenzima tenendolo in posizione;
  • ha uno specifico ruolo catalitico, partecipando ad una catalisi acido/base, come evidenziato da studi condotti utilizzando analoghi della tiamina pirofosfato in cui, a turno, erano stati sostituiti i tre atomi di azoto dell’anello. Questi studi hanno dimostrato che l’atomo N-1’ ed il gruppo amminico legato ad N-4’ sono necessari per l’attività del coenzima, mentre l’atomo N-3’ lo è meno.

Come si forma il carbanione dipolare della tiamina pirofosfato?

E’ possibile individuare tre forme tautomeriche in cui si presenta l’anello amminopirimidinico della tiamina pirofosfato legata allo specifico enzima ancora non impegnato nella reazione:

  • la forma canonica, ossia la 4’-amminopirimidina;
  • la forma protonata su N-1’, ossia lo ione 4’-amminopirimidinio;
  • l’1’,4’-imminopirimidina.

E sembra che la 1’,4’-imminopirimidina sia il tautomero che, prima dell’arrivo del substrato nel sito attivo, subisce la deprotonazione. Il C-2 dell’anello tiazolico è, come spiegato anche nell’articolo sulla via del pentoso fosfato, assai più acido rispetto alla maggior parte degli altri gruppi =C-H presenti in altre molecole. La maggior acidità, ossia il fatto che il protone legato al C-2 sia facilmente dissociabile, è dovuta alla presenza dell’atomo di azoto quaternario con carica positiva dell’anello tiazolico che è in grado di stabilizzare elettrostaticamente il carbanione risultante. Nel processo di deprotonazione sembra avere un ruolo essenziale il gruppo amminico dell’anello amminopirimidinico: il gruppo funge da base ed è posizionato opportunamente per accettare il protone. Tuttavia, nella forma canonica, la 4’-amminopirimidina, uno dei suoi protoni collide stericamente con il protone legato al C-2; in aggiunta anche il suo pK è troppo basso per operare la deprotonazione in modo efficiente. E’ stato quindi proposto un meccanismo in cui la catena laterale di un residuo conservato di glutammato, ad esempio βGlu59 in B. stearothermophilus, o Glu51 nella piruvato decarbossilasi di Saccharomyces uvarum (lievito di birra), donando un protone all’amminopirimidina la converte nella sua forma immino tautomerica, la 1’,4’-imminopirimidina, che, accettando il protone dal C-2, torna alla forma canonica 4’-amminopirimidinica e permette la formazione del carbanione.

Nota: la formazione del carbanione sul C-2 è quindi conseguenza di un trasferimento protonico intramolecolare.

Deprotonazione della tiamina pirofosfato e chiusura del sito attivo

La perdita del protone dal C-2 dell’anello tiazolico porta, da una situazione con carica positiva sull’anello, alla formazione di uno ione dipolare o zwitterione. Questo cambio nello stato di carica innesca una modificazione conformazionale in una delle due anse peptidiche conservate presenti all’ingresso del canale che immette al sito attivo, nello specifico la più interna, modificazione che, a sua volta, porta alla chiusura dello canale rispetto all’ambiente acquoso circostante. In questa conformazione chiusa il carbanione tiazolico è protetto dall’attacco di reagenti vari, come elettrofili.
Riassumendo, la deprotonazione della tiamina pirofosfato determina la chiusura del sito attivo e la protezione del carbanione dipolare neoformato; in altri termini, gli enzimi TPP-dipendenti sarebbero attivi solo nella conformazione chiusa.
Se invece si considera l’altro sito attivo, la sua tiamina pirofosfato non è in forma di ilide, il è canale aperto, ed il sito stesso risulta inattivo.

Reazione della diidrolipoil transacetilasi o E2

La diidrolipoil transacetilasi catalizza la terza reazione della sequenza delle cinque catalizzate dai componenti del complesso della piruvato deidrogenasi, ossia il trasferimento del gruppo acetilico dall’acetil-diidrolipoammide al coenzima A, a dare acetil-CoA e la forma completamente ridotta della lipoammide, la diidrolipoammide, il ditiolo.
Va notato che il gruppo acetilico, inizialmente legato tramite legame estere ad uno dei gruppi –SH della lipoammide è di seguito legato al gruppo –SH del coenzima A, di nuovo attraverso legame estere, da cui il termine di transesterificazione.

Meccanismo di reazione della diidrolipoil transacetilasi o E2

Nel corso della reazione, il gruppo sulfidrilico del coenzima A porta un attacco nucleofilo al carbonio carbonilico del gruppo acetilico dell’acetil diidrolipoammide-diidrolipoil transacetilasi a formare un intermedio tetraedrico transiente che si “decompone” a dare acetil-CoA e diidrolipoammide-diidrolipoil transacetilasi.

Meccanismo catalitico della diidrolipoil transacetilasi, un componente del complesso della piruvato deidrogenasi
Meccanismo Catalitico della Diidrolipoil Transacetilasi

Come già detto, nel meccanismo di reazione gioca un ruolo centrale la mobilità della lipoammide.

Reazione della diidrolipoil deidrogenasi o E3

La diidrolipoil deidrogenasi catalizza la quarta e la quinta reazione della sequenza delle cinque catalizzate dai componenti del complesso della piruvato deidrogenasi.
L’enzima catalizza trasferimenti di elettroni necessari per rigenerare il ponte disolfuro della lipoammide della diidrolipoil transacetilasi, ossia per rigenerare la forma ossidata del gruppo prostetico e completare così il ciclo catalitico della transacetilasi.
La reazione segue un meccanismo a ping-pong, procedendo attraverso due semireazioni consecutive nelle quali i due substrati, la diidrolipoammide ed il NAD+, reagiscono uno in assenza dell’altro. Inoltre durante la prima semireazione, il rilascio del primo prodotto e la formazione di un complesso enzima-intermedio si verificano prima che il secondo substrato si leghi, mentre l’enzima va incontro ad un cambio strutturale, mentre nella seconda semireazione si verificano il rilascio del secondo prodotto ed il ritorno dell’enzima allo stato iniziale, di nuovo attraverso una modificazione strutturale.
Considerando la cinetica del meccanismo a ping-pong della diidrolipoil deidrogenasi:

  • nella prima semireazione si verifica l’ossidazione della diidrolipoamide a lipoammide;
  • nella seconda semireazione si verifica la riduzione del NAD+ a NADH.

Meccanismo di reazione della diidrolipoil deidrogenasi o E3

Di seguito viene descritto il meccanismo di reazione della diidrolipoil deidrogenasi di P. putida.
Nella prima semireazione l’enzima in forma ossidata (E), ossia con il ponte disolfuro tra la Cys43 e la Cys48, lega la diidrolipoammide (LH2) a formare il complesso enzima-diidrolipoammide (E●LH2). A questo punto un atomo di zolfo della diidrolipoammide porta un attacco nucleofilo allo zolfo della Cys43, con formazione di un ponte disolfuro lipoammide-Cys43, (E–S–S–L), mentre lo zolfo della Cys48 viene rilasciato in forma di ione tiolato (S48).
Il protone che è rimasto sul secondo gruppo tiolico della lipoammide è quindi estratto ad opera dell’istidina (Hys) 451, che agisce come catalizzatore acido-base generale, il che porta alla formazione di un secondo ione tiolato, stavolta sulla lipoamide (E–S–S–L●S), il quale, attraverso un attacco nucleofilo, va a sostituire lo zolfo della Cys43, S43, aiutato in questo attacco dalla catalisi acida generale ad opera della Hys451 che dona un protone ad S43. L’azione catalitica della Hys451 è essenziale, come dimostrato da studi di mutagenesi in cui la sua sostituzione con un residuo di glutammina fa si che l’enzima mantenga solamente circa lo 0,4% dell’attività catalitica rispetto alla forma wild-type.
L’anione tiolato S48 entra quindi in contatto, mediante interazioni non covalenti, con l’anello flavinico in vicinanza della sua posizione 4a (vedi fig. 4), ossia una coppia di elettroni di S48, che funge da donatore di elettroni, è parzialmente trasferita all’anello flavinico ossidato, che a sua volta funge da accettore di elettroni. La struttura derivante è chiamata complesso a trasferimento di carica.
Nel frattempo la catena laterale fenolica della Tyr181 continua a bloccare l’accesso all’anello flavinico, proteggendolo così dall’ossidazione da parte di O2.

Ossidazione della diidrolipoammide da parte della diidrolipoil deidrogenasi (E3)
Ossidazione della Diidrolipoammide ad Opera di E3

Riassumendo, quello che si verifica è una reazione di interscambio di ponti disolfuro che porta alla formazione della forma ossidata della lipoammide, il primo prodotto, che è rilasciata, e della forma ridotta della diidrolipoil deidrogenasi.

La seconda semireazione comporta la riduzione del NAD+ a NADH + H+ mediante il trasferimento di elettroni dal disolfuro reattivo dell’enzima via FAD.

Ossidazione della diidrolipoil deidrogenasi (E3) ridotta mediante NAD+
Ossidazione di E3 Ridotta

Il tutto ha inizio con l’ingresso nel sito attivo del NAD+ ed il suo legame a formare il complesso EH2●NAD+. Si noti che l’ingresso del coenzima determina lo spostamento a lato della catena laterale fenolica della Tyr181 ad opera dell’anello nicotinammidico.
A seguito del collasso del complesso a trasferimento di carica si forma un legame covalente tra il C-4a dell’anello flavinico ed S48, a cui si accompagna l’estrazione di un protone da parte dell’N-5 flavinico, con formazione del corrispondente anione tiolato S43.
S43 porta un attacco nucleofilo ad S48, attacco che determina la formazione del ponte disolfuro redox-attivo tra la Cys43 e la Cys48, cui segue la rottura del legame covalente tra S48 e il C-4a dell’anello flavinico a dare l’anione FADH, con carica negativa su N-1. Si noti che la diidrolipoil deidrogenasi è nuovamente nella forma ossidata (E).
Il FADH ha un’esistenza transitoria in quanto si verifica il trasferimento praticamente immediato del protone legato ad N-5, in forma di ione idruro, al C-4 dell’anello nicotinamidico, che è giustapposto all’N-5 flavinico. Questo porta alla formazione di FAD e del secondo prodotto della reazione, il NADH, che lascia l’enzima.
In definitiva gli elettroni che sono stati rimossi dal gruppo idrossietilico derivato dal piruvato passano, via FAD, al NAD+. In questo modo si è completato il ciclo catalitico della diidrolipoil deidrogenasi, essendo l’enzima ed il suo coenzima nella loro forma ossidata. A questo punto anche il ciclo catalitico dell’intero complesso della piruvato deidrogenasi si è completato, ed il complesso stesso è pronto per un altro ciclo di reazioni.

Nota: a differenza dell’anello tiazolico della tiamina pirofosfato, il FAD non ha la funzione di “trappola” o “pozzo” per gli elettroni quanto piuttosto di condotta per gli elettroni tra il disolfuro redox-attivo, nella sua forma ridotta, ed il NAD+.

Nota: il meccanismo catalitico della diidrolipoil deidrogenasi è stato in gran parte determinato in analogia con quello della glutatione reduttasi (EC 1.8.1.7), al 33% identica ma strutturalmente molto meglio caratterizzata. Va tuttavia notato che, sebbene i due enzimi catalizzino reazioni simili, queste normalmente corrono in direzione opposta:

  • la diidrolipoil deidrogenasi utilizza il NAD+ per ossidare due gruppi –SH a dare un disolfuro (–S–S–);
  • la glutatione reduttasi utilizza il NADPH per ridurre un –S–S– a due gruppi tiolici.

Nonostante ciò, i siti attivi dei due enzimi sono strettamente sovrapponibili.

Regolazione dell’attività del complesso della piruvato deidrogenasi

Nei mammiferi, la regolazione dell’attività del complesso della piruvato deidrogenasi è essenziale, sia nello stato di digiuno che in quello alimentato. Infatti, il complesso multienzimatico svolge un ruolo centrale nel metabolismo in quanto, catalizzando la decarbossilazione ossidativa irreversibile del piruvato, rappresenta la porta di ingresso dello scheletro carbonioso dei carboidrati e di circa il 50% dello scheletro carbonioso degli amminoacidi glucogenici, che nell’insieme costituiscono circa il 60% dell’apporto calorico giornaliero, verso:

  • il ciclo dell’acido citrico, e quindi alla completa ossidazione a CO2;
  • la sintesi degli lipidi (nello stato alimentato) e dell’acetiolcolina (vedi sopra).

L’importanza della regolazione della conversione del piruvato in acetil-CoA è sottolineata anche dal fatto che i mammiferi, sebbene siano in grado di produrre glucosio dal piruvato, non sono in grado di farlo dall’acetil-CoA, sia a causa della irreversibilità della reazione catalizzata dalla piruvato deidrogenasi che dell’assenza di vie metaboliche alternative in grado di farlo. L’inibizione dell’attività del complesso permetterà quindi di risparmiare glucosio e gli aminoacidi che possono essere convertiti in piruvato, come l’alanina, quando sono disponibili altri carburanti, ad esempio l’acetil-CoA derivante dall’ossidazione degli acidi grassi.
Per questi motivi l’attività del complesso è finemente regolata attraverso:

  • inibizione a feed-back, anche nota come inibizione da prodotto finale;
  • nucleotidi;
  • modificazioni covalenti, ossia fosforilazioni e defosforilazioni di specifiche proteine bersaglio.

Regolazione dell’attività del complesso della piruvato deidrogenasi attraverso inibizione da prodotto finale e stato energetico della cellula

L’attività della forma defosforilata del complesso della piruvato deidrogenasi è regolata attraverso inibizione a feed-back o inibizione da prodotto finale.
Acetil-CoA e NADH inibiscono allostericamente gli enzimi che ne catalizzano la sintesi, rispettivamente diidrolipoil transacetilasi e la diidrolipoil deidrogenasi.
Inoltre, il CoA e l’acetil-CoA, così come il NAD+ ed il NADH, competono per i siti di legame sui rispettivi enzimi, i quali catalizzano reazioni reversibili. Questo significa che, in presenza di elevati valori dei rapporti [NADH]/[NAD+] e [Acetil-CoA]/[CoA], le reazioni di transacetilazione e deidrogenazione vanno nella direzione opposta rispetto a quella della formazione dell’acetil-CoA; di conseguenza la diidrolipoil transacetilasi non può accettare il gruppo idrossietilico dalla TPP in quanto è mantenuta nella forma acetilata. Questo fa si che la tiamina pirofosfato rimanga legata alla piruvato deidrogenasi nella sua forma idrossietilica, il che a sua volta riduce la velocità di decarbossilazione del piruvato. Quindi, elevati valori dei rapporti [NADH]/[NAD+] e [Acetil-CoA]/[CoA] influenzano indirettamente l’attività della piruvato deidrogenasi.

Inibizione a feed-back del complesso della piruvato deidrogenasi
PDC: Inibizione a Feed-back

Acetil-CoA e NADH sono prodotti anche durante l’ossidazione degli acidi grassi, via metabolica che, al pari delle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi, si verifica nel mitocondrio. Questo significa che la cellula, attraverso la regolazione dell’attività del complesso multienzimatico, è in grado di preservare le riserve di carboidrati quando sono disponibili acidi grassi per la produzione di energia. Questo per esempio è quanto accadde nel digiuno, quando il fegato, il muscolo scheletrico e molti altri organi e tessuti si affidano principalmente all’ossidazione degli acidi grassi per la produzione di energia. Di contro, l’attività del complesso è aumentata nello stato alimentato, quando molti differenti tipi di cellule e tessuti utilizzano in prevalenza il glucosio come fonte di energia.
Più in generale, quando la produzione di NADH e/o acetil-CoA supera la capacità della cellula di utilizzarli per la produzione di ATP, l’attività del complesso della piruvato deidrogenasi è inibita. Analogo discorso vale nella condizione in cui non ci sia necessità di produrre ulteriore ATP. Infatti l’attività catalitica del complesso multienzimatico è sensibile anche allo stato energetico della cellula. Attraverso meccanismi allosterici, elevati livelli di ATP inibiscono l’attività della componente piruvato deidrogenasi del complesso multienzimatico, mentre elevati livelli di ADP, che segnalano che la cellula potrebbe entrare in una fase di carenza di energia, lo attivano, indirizzando quindi lo scheletro carbonioso dei carboidrati e di alcuni aminoacidi verso la produzione di energia.

Nota: nel muscolo scheletrico l’attività del complesso della piruvato deidrogenasi aumenta con l’aumento dell’attività aerobica, il che si traduce in una maggiore dipendenza del muscolo dal glucosio come fonte di energia.

Regolazione dell’attività del complesso della piruvato deidrogenasi attraverso fosforilazione/defosforilazione

A differenza di quanto accade nei procarioti, nei mammiferi l’attività del complesso della piruvato deidrogenasi è regolata anche attraverso modificazioni covalenti, ossia fosforilazioni e defosforilazioni di tre specifici residui di serina presenti sulla subunità α della piruvato deidrogenasi, l’enzima che catalizza il primo passaggio, irreversibile dell’intera sequenza di reazioni.
Nota: poiché la piruvato deidrogenasi dei mammiferi è un eterotetramero, ci sono sei potenziali siti di fosforilazione.

Regolazione mediante modificazione covalente del complesso della piruvato deidrogenasi
PDC: Regolazione Mediante Modificazione Covalente

La fosforilazione, che inattiva la piruvato deidrogenasi, e quindi blocca l’intera sequenza di reazioni, è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi chinasi. Due delle suddette serine si trovano su una delle due anse presenti all’ingresso del canale per il substrato che porta al rispettivo sito attivo, quella più vicina all’estremità C-terminale, e la fosforilazione di uno solo di questi residui inattiva la piruvato deidrogenasi, dimostrando così la l’accoppiamento fuori fase tra i due siti attivi.
Nello stato defosforilato invece il complesso risulta attivo. La defosforilazione è catalizzata da una specifica protein fosfatasi, la piruvato deidrogenasi fosfatasi.
Le attività della piruvato deidrogenasi chinasi e della piruvato deidrogenasi fosfatasi sono a loro volta soggette a regolazione allosterica da parte di numero effettori.

Regolazione dell’attività della piruvato deidrogenasi chinasi

L’attività della piruvato deidrogenasi chinasi dipende dal valore dei rapporti [NADH]/[NAD+], [acetil-CoA]/[CoA], e [ATP]/[ADP], come anche dalla concentrazione del piruvato, nella matrice mitocondriale (vedi fig. 19).

  • Elevati valori dei rapporti [NADH]/[NAD+] e [acetil-CoA]/[CoA], come nel corso dell’ ossidazione degli acidi grassi e dei corpi chetonici, attivano la chinasi, la piruvato deidrogenasi viene fosforilata, e il complesso multienzimatico risulta inibito. Questo permette ai tessuti, come ad esempio il muscolo cardiaco, di risparmiare glucosio quando si stanno utilizzando acidi grassi e/o corpi chetonici per la produzione di energia, in quanto la sintesi di acetil-CoA dal piruvato, e quindi dai carboidrati (e da alcuni aminoacidi) e bloccata.
    Quando invece le concentrazioni di NAD+ e coenzima A sono elevate l’attività catalitica della chinasi è inibita ed il complesso risulta attivo.
    Quindi, acetil-CoA e NADH, due dei tre prodotti finali delle reazione catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi, controllano allostericamente la propria sintesi regolando direttamente e indirettamente, tramite la regolazione dell’attività della piruvato deidrogenasi chinasi, l’attività del complesso multienzimatico.
  • Elevati valori del rapporto [ATP]/[ADP] attivano la chinasi, e quindi inibiscono il complesso multienzimatico.
    Nota: a differenza di molte altre chinasi, come quelle che intervengono nel controllo del metabolismo del glicogeno, la piruvato deidrogenasi chinasi non è regolata dai livelli di cAMP, bensì da molecole che segnalano variazioni nel livello della carica energetica della cellula e nella disponibilità di intermedi biosintetici, ossia rispettivamente ATP e NADH e acetil-CoA.
  • Il piruvato è un effettore allosterico negativo della piruvato deidrogenasi chinasi.
    Quando i suoi livelli sono elevati, il suo legame alla chinasi la inattiva, la piruvato deidrogenasi non viene fosforilata, ed il complesso della piruvato deidrogenasi rimane attivo.
  • La piruvato deidrogenasi chinasi è attivata anche a seguito dell’interazione con la diidrolipoil transacetilasi nella sua forma acetilata, ossia quando è presente la acetil-diidrolipoamide.

Altri attivatori della piruvato deidrogenasi chinasi sono gli ioni potassio e magnesio.

Regolazione dell’attività della piruvato deidrogenasi fosfatasi

L’attività della piruvato deidrogenasi fosfatasi dipende dal valore dei rapporti [NADH]/[NAD+] e [acetil-CoA]/[CoA], come anche dalla [Ca2+], nella matrice mitocondriale (vedi fig. 19).

  • Bassi valori dei rapporti [NADH]/[NAD+] e [acetil-CoA]/[CoA] attivano la fosfatasi, la piruvato deidrogenasi viene defosforilata, e il complesso multienzimatico risulta attivo.
    Al contrario, in presenza di elevati valori dei suddetti rapporti l’attività della fosfatasi si riduce, quella della chinasi aumenta, e il complesso multienzimatico viene inibito.
  • Lo ione calcio attiva la piruvato deidrogenasi fosfatasi.
    Ca2+ è un importante secondo messaggero che segnala la necessità da parte della cellula di ulteriore energia. Quindi, quando è presente in elevate concentrazioni, come nelle cellule muscolari cardiache a seguito della stimolazione da parte dell’adrenalina, o nella cellule muscolari scheletriche nel corso della contrazione muscolare, la fosfatasi è attiva, il complesso è defosforilato, e quindi attivato.
  • Anche l’insulina interviene nel controllo dell’attività catalitica del complesso della piruvato deidrogenasi attraverso l’attivazione della piruvato deidrogenasi fosfatasi. L’ormone, in risposta all’aumento della glicemia, stimola sia la sintesi del glicogeno che dell’acetil-CoA, precursore nella sintesi degli lipidi.

Anche il digiuno e la successiva rialimentazione influiscono sull’attività del complesso multienzimatico.
In tessuti come il muscolo scheletrico, il muscolo cardiaco o il rene, il digiuno riduce in modo significativo l’attività del complesso, mentre la rialimentazione inverte la situazione.
Nel cervello invece non si osservano queste variazioni poiché l’attività del complesso della piruvato deidrogenasi è essenziale per la produzione di ATP.

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Via del pentoso fosfato

La via del pentoso fosfato, anche detta via del fosfogluconato, è una via metabolica, comune a tutti gli organismi viventi, per il metabolismo ossidativo del glucosio alternativa alla glicolisi da cui si ramifica a livello del glucosio-6-fosfato, e le cui funzioni principali sono la produzione, in rapporti variabili, di NADPH, un coenzima ridotto, e ribosio-5-fosfato, uno zucchero fosforilato a cinque atomi di carbonio, ossia un pentoso fosfato, da cui il nome della via.

La via del pentoso fosfato, gli enzimi coinvolti, gli intermedi ed i prodotti
Via del Pentoso Fosfato

In aggiunta alla produzione di NADPH e ribosio-5-fosfato, questa via metabolica ha altre funzioni, sia anaboliche che cataboliche.

  • In molti batteri e nei lieviti è coinvolta nel catabolismo degli zuccheri a cinque atomi di carbonio ribosio, xilosio e arabinosio.
    Anche nell’uomo questa è coinvolta nel catabolismo dei suddetti pentosi e dei meno comuni carboidrati a tre, quattro e sette atomi di carbonio assunti con la dieta, nonché per il catabolismo dei:

pentosi derivanti dal catabolismo dei carboidrati strutturali;
ribosio-5-fosfato derivante dal catabolismo dei nucleotidi.

  • Negli organismi fotosintetici contribuisce all’incorporazione dell’anidride carbonica (CO2) nella molecola del glucosio nel corso del ciclo di Calvin.
  • Porta alla sintesi oltre che di ribosio-5-fosfato, anche di altri intermedi utilizzati in vari processi biosintetici come:

eritrosio-4-fosfato, utilizzato per la sintesi dei tre aminoacidi aromatici triptofano, tirosina e fenilalanina;
ribulosio-5-fosfato, utilizzato per la sintesi della riboflavina;
sedoeptulosio-7-fosfato che, nei batteri Gram-negativi, è utilizzato per la sintesi delle unità di eptosio dello strato lipopolisaccaridico della membrana esterna.

La via del fosfogluconato, ramificandosi dalla glicolisi, è anche detta shunt dell’esoso monofosfato, dove shunt può essere tradotto come derivazione o smistamento.

E’ stato stimato che più del 10% del glucosio metabolizzato è trasportato attraverso questa via metabolica che, degno di nota, pur ossidando il monosaccaride non comporta alcuna produzione diretta, ma neppure consumo, di ATP.

INDICE

Delucidazione della via del pentoso fosfato

Le prime evidenze dell’esistenza della via del fosfogluconato emersero negli anni trenta del secolo scorso dagli studi di Otto Warburg, premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1931, che scoprì il NADP durante studi sull’ossidazione del glucosio-6-fosfato a 6-fosfogluconato.
Ulteriori indicazioni emersero dall’osservazione che nei tessuti il glucosio continuava ad essere metabolizzato anche in presenza di inibitori della glicolisi, quali gli ioni fluoruro e iodoacetato, inibitori rispettivamente della enolasi (EC 4.2.1.11) e della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12).
Tuttavia la delucidazione completa della via avvenne solo negli anni cinquanta del secolo scorso grazie al lavoro di diversi ricercatori e principalmente dei gruppi di Efraim Racker, Fritz Lipmann, vincitore del premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1953 anche grazie alla scoperta del coenzima A, Bernard Horecker e Frank Dickens.

Funzioni del NADPH e del ribosio-5-fosfato

Il NADPH è necessario per le biosintesi riduttive, quali la sintesi degli acidi grassi, del colesterolo, degli ormoni steroidei e degli aminoacidi non essenziali prolina e tirosina, rispettivamente dal glutammato e dalla fenilalanina, nonché per la riduzione del glutatione ossidato. Nelle suddette reazioni il coenzima ridotto funge da donatore di elettroni, o meglio da donatore di uno ione idruro (:H), equivalente ad un protone e due elettroni.

Formula di struttura della nicotinammide adenina dinucleotide fosfato in forma ridotta ed ossidata
Nicotinammide Adenina Dinucleotide Fosfato

Nota: nei vertebrati circa la metà del NADPH necessario per i passaggi riduttivi della sintesi degli acidi grassi deriva dalla via del pentoso fosfato, mentre la restante parte dalla reazione catalizzata dall’enzima malico (EC 1.1.1.40), di cui di seguito è indicata la reazione.

Malato + NADP+ ⇄ Piruvato + NADPH + H++ HCO3

Il ribosio-5-fosfato viene utilizzato nella sintesi dei nucleotidi e degli acidi nucleici, DNA ed RNA, dell’ATP, di coenzimi come il coenzima A, il NAD, il NADP ed il FAD, e degli aminoacidi essenziali triptofano ed istidina.
Lo zucchero fosforilato non viene utilizzato direttamente come tale ma previa conversione, attivazione, a 5-fosforibosil-1-pirofosfato o PRPP, acronimo dell’inglese 5-phosphoribosyl 1-pyrophosphate, nella reazione catalizzata dalla ribosio fosfato pirofosfochinasi o PRPP sintetasi (EC 2.7.6.1).

Ribosio-5-fosfato + ATP → 5-Fosforibosil-1-pirofosfato + AMP

Dove avviene la via del pentoso fosfato?

Nelle cellule animali la via del pentoso fosfato, al pari della glicolisi, della sintesi degli acidi grassi, e della maggior parte delle reazioni della gluconeogenesi, avviene nel citosol, analogamente a quanto accade nei batteri. E, considerando glicolisi, gluconeogenesi e via del pentoso fosfato è possibile affermare che queste tre vie metaboliche sono collegate tra di loro tramite diversi enzimi e/o intermedi condivisi.
Nelle cellule vegetali la via del fosfogluconato avviene invece nei plastidi, ed i suoi intermedi possono raggiungere il citosol attraverso i pori di membrana di questi organelli.

Considerando invece la distribuzione tissutale nell’uomo, i livelli di espressione degli enzimi della via variano ampiamente da tessuto a tessuto.
Livelli relativamente elevati si ritrovano nel fegato, nella corteccia surrenale, nei testicoli e nelle ovaie, nella tiroide, nelle ghiandole mammarie durante l’allattamento e, nel sangue, nei globuli rossi. In tutte queste sedi è richiesto un apporto continuo di NADPH per sostenere le biosintesi riduttive e/o per contrastare gli effetti dei radicali liberi dell’ossigeno o ROS, acronimo dell’inglese reactive oxygen species, su strutture cellulari sensibili come il DNA, i lipidi di membrana e le proteine, attraverso la riduzione del glutatione ossidato (GSSG) nella reazione catalizzata dalla glutatione reduttasi (EC 1.8.1.7).

GSSG + NADPH + H+ → 2 GSH + NADP+

Nota: il glutatione è il principale antiossidante nei globuli rossi, come nella maggior parte della altre cellule. La molecola è un tripeptide, la g-glutammil-cisteinilglicina, che nello stato ridotto presenta nel residuo di cisteina un gruppo sulfidrilico (-SH), da cui l’abbreviazione GSH.

L’azione di contrasto sugli effetti dei ROS è particolarmente importante in cellule come i globuli rossi e le cellule della cornea e del cristallino che sono direttamente esposte all’ossigeno.
Elevati livelli degli enzimi di questa via metabolica sono presenti anche in cellule in rapida divisione quali quelle dell’embrione nelle prime fasi di sviluppo, gli enterociti, le cellule della pelle e del midollo osseo e, in condizioni patologiche, le cellule tumorali, tutte cellule che richiedono elevate quantità di ribosio-5-fosfato per la sintesi dei nucleotidi.
Di contro nel muscolo scheletrico sono presenti livelli estremamente bassi degli enzimi della via del pentoso fosfato, via che in questa sede è praticamente assente e dove il glucosio-6-fosfato è utilizzato principalmente per la produzione di energia attraverso la glicolisi ed il ciclo dell’acido citrico.

Le due fasi della via del pentoso fosfato

Dal punto di vista concettuale, nella via del pentoso fosfato è possibile individuare due fasi.

  • Nella prima fase, la fase ossidativa, una molecola di glucosio-6-fosfato, uno zucchero fosforilato a 6 atomi di carbonio, viene convertita in una di ribulosio-5-fosfato, uno zucchero fosforilato a 5 atomi di carbonio, con la concomitante produzione di due molecole di NADPH e la liberazione del C-1 del glucosio in forma di CO2.
  • Nella seconda fase, la fase non ossidativa, viene prodotta una varietà di carboidrati fosforilati il cui destino dipende dalle necessità relative di NADPH, ribosio-5-fosfato e ATP da parte della cellula.

Tappe della fase ossidativa della via del pentoso fosfato

La fase ossidativa della via del fosfogluconato si compone di tre tappe, due ossidazioni irreversibili, rispettivamente la prima e la terza reazione, ed una idrolisi.

Fase ossidativa della via del pentoso fosfato
Fase ossidativa della via del pentoso fosfato

Di seguito sono descritti i meccanismi di reazione e, per quanto riguarda la glucosio-6-fosfato deidrogenasi o G6PD, acronimo dell’inglese glucose 6-phosphate dehydrogenase (EC 1.1.1.49), anche la regolazione dell’attività enzimatica.

Ossidazione del glucosio-6-fosfato a 6-fosfoglucono-delta-lattone

Nella prima tappa della fase ossidativa, il glucosio-6-fosfato viene ossidato a 6-fosfoglucono-δ-lattone, un estere intramolecolare, reazione catalizzata dalla glucosio-6-fosfato deidrogenasi.
Nella reazione il NADP+ funge da agente riducente accettando uno ione idruro dal carbonio 1 del glucosio-6-fosfato, e riducendosi quindi a NADPH.

Glucosio-6-fosfato + NADP+ → 6-Fosfoglucono-δ-lattone + NADPH + H+

Si noti che questa è la prima molecola di NADPH prodotta nella via del pentoso fosfato.
La reazione catalizzata dalla glucosio-6-fosfato deidrogenasi è una reazione “esclusiva” della via del pentoso fosfato. Analogamente a quanto accade nella maggior parte delle altre vie metaboliche, anche in questo caso, la prima reazione esclusiva della via è essenzialmente irreversibile, con un ΔG nel fegato pari a -4,21 kcal/mol (-17,6 kJ/mol), ed altamente regolata per via allosterica. L’enzima infatti rappresenta il principale punto di controllo del flusso di metaboliti attraverso la via stessa.
Nell’uomo i livelli più elevati di G6PD sono presenti nei neutrofili e macrofagi, cellule fagocitarie in cui, durante l’infiammazione, il NADPH viene utilizzato per la produzione di radicali superossido (O2.) dall’ossigeno molecolare nella reazione catalizzata dalla NADPH ossidasi (EC 1.6.3.1 ).

2 O2 + NADPH → 2 O2. + NADP+ + H+

Di seguito i radicali superossido potranno essere utilizzati per la sintesi, a scopi difensivi, ossia l’uccisione dei microrganismi fagocitati, di altri ROS come anche di radicali liberi dell’azoto o RNS, acronimo dell’inglese reactive nitrogen species, quali:

  • il perossido di idrogeno o acqua ossigenata (H2O2), nella reazione catalizzata dalla superossido dismutasi o SOD (EC 1.15.1.1)

2 O2. + 2 H+ → H2O2 + O2

  • il perossinitrito (O=N–O–O), a seguito della reazione con il monossido di azoto (•NO)

O2. + •NO → O=N–O–O

  • il radicale idroperossido (HOO•)

O2. + H+ → HOO•

Meccanismo catalitico della glucosio-6-fosfato deidrogenasi

Il meccanismo catalitico dell’enzima è stato ampiamente studiato nel microorganismo Leuconostoc mesenteroides, la cui glucosio-6-fosfato deidrogenasi ha la peculiare caratteristica di poter utilizzare come coenzima il NAD+ e/o il NADP+.

Meccanismo catalitico della glucosio-6-fosfato deidrogenasi, enzima della via del pentoso fosfato
Meccanismo Catalitico della glucosio-6-fosfato deidrogenasi

L’enzima non necessita della presenza di ioni metallici per la propria attività; uno dei residui presenti nel sito attivo funge da base generale, ossia è in grado di estrarre uno ione idruro dal gruppo ossidrilico legato al C-1 del glucosio-6-fosfato.
Nell’enzima batterico questo è effettuato dall’atomo Nɛ2 dell’anello imidazolico della catena laterale di un residuo di istidina, azoto che presenta un doppietto elettronico disponibile portare un l’attacco nucleofilo. Questa fa si che il glucosio-6-fosfato, un emiacetale ciclico con il C-1 nello stato di ossidazione aldeidico, sia ossidato ad estere ciclico, ossia un lattone. Ciò consente il trasferimento dello ione idruro legato al C-1 del glucosio sul C-4 dell’anello nicotinamidico del NADP+ a dare NADPH.
Poiché l’istidina suddetta è conservata in molte delle glucosio-6-fosfato deidrogenasi sequenziate, è probabile che questo meccanismo catalitico sia generalizzabile a tutte le glucosio-6-fosfato deidrogenasi.

Regolazione della glucosio-6-fosfato deidrogenasi

La glucosio-6-fosfato deidrogenasi rappresenta l’enzima chiave nella regolazione del flusso metabolico attraverso la via del pentoso fosfato, e quindi il principale punto di controllo della velocità di produzione del NADPH.
Nell’uomo l’enzima è presente in due forme: quella monomerica, inattiva, e in un equilibrio tra una forma dimerica ed una tetramerica, le conformazioni attive.
Uno dei principali modulatori della sua attività è il rapporto citosolico NADP+/NADPH. Elevati livelli di NADPH inibiscono l’enzima poiché il coenzima ridotto è un potente inibitore competitivo della G6PD, mentre il NADP+ è necessario sia per la sua attività catalitica che per il mantenimento della conformazione attiva. Infatti il legame del coenzima ossidato ad un sito specifico, distante dal sito attivo ma vicino all’interfaccia del dimero, è necessario per mantenerne la conformazione dimerica.

Regolazione dell'attività catalitica della glucosio-6-fosfato deidrogenasi
Regolazione dell’Attività della G6PD

Nella maggior parte delle condizioni metaboliche il rapporto NADP+/NADPH è basso, meno NADP+ è disponibile per legarsi all’enzima e di conseguenza si riduce l’attività dell’enzima stesso, a prescindere dai livelli della sua espressione genica. In queste condizioni la fase ossidativa è praticamente inattiva.
Se invece si considerano cellule in cui siano particolarmente attive vie metaboliche e/o reazioni che utilizzano NADPH, si verifica la riduzione della sua concentrazione citosolica, un aumento di quella del NADP+ e quindi una stimolazione dell’attività dell’enzima. Ne consegue un’attivazione della fase ossidativa della via dell’esoso monofosfato.
Quindi è anche possibile affermare che il destino del glucosio-6-fosfato, un intermedio comune alla glicolisi e alla via del fosfogluconato, dipende anche dal fabbisogno contingente di NADPH.
Un secondo meccanismo di regolazione dell’attività della glucosio-6-fosfato deidrogenasi chiama in causa l’accumulo di acil-CoA, intermedi nella sintesi degli acidi grassi. Queste molecole, legandosi alla forma dimerica dell’enzima ne causano la dissociazione nei due monomeri costitutivi, e quindi la perdita dell’attività catalitica.
L’insulina up-regola l’espressione del gene per la glucosio-6-fosfato deidrogenasi e per la 6-fosfogluconato deidrogenasi, per cui l’ormone, nello stato ben alimentato, concorre ad aumentare il flusso di carbonio attraverso la via del pentoso fosfato, promuovendo quindi la sintesi di NADPH.
Nota: l’insulina promuove anche la sintesi degli acidi grassi.

Idrolisi del 6-fosfoglucone-delta-lattone a 6-fosfogluconato

Nella seconda tappa della fase ossidativa si verifica l’idrolisi del 6-fosfoglucone-δ-lattone a dare il 6-fosfogluconato, una molecola lineare. Il 6-fosfoglucone-δ-lattone è di per se idroliticamente instabile e va incontro ad una idrolisi spontanea che apre l’anello, reazione che avviene ad una velocità significativa. Tuttavia nella cellula la reazione è accelerata dall’azione catalitica di una specifica lattonasi (EC 3.1.1.31).

6-Fosfoglucone-δ-lattone + H2O → 6-Fosfogluconato + H+

Decarbossilazione ossidativa del 6-fosfogluconato a ribulosio-5-fosfato

Nella terza tappa della fase ossidativa si verifica la decarbossilazione ossidativa del 6-fosfogluconato a dare ribulosio-5-fosfato, un cheto pentoso, una molecola di CO2 e una di NADPH. La reazione è catalizzata dalla 6-fosfogluconato deidrogenasi (EC 1.1.1.44), enzima che richiede la presenza di ioni magnesio, Mg2+.

6-Fosfogluconato + NADP+ → Ribulosio-5-fosfato + NADPH + CO2

Si noti che questa è la seconda molecola di NADPH prodotta nella via del pentoso fosfato.

Meccanismo catalitico della 6-fosfogluconato deidrogenasi

Il meccanismo catalitico, simile a quello dell’enzima del ciclo dell’acido citrico isocitrico deidrogenasi (EC 1.1.1.41), consiste in una catalisi acido/base e procede attraverso tre passaggi in cui sono coinvolti in particolare due residui conservati presenti nel sito attivo, una lisina (Lys) ed un glutammato (Glu), nell’uomo rispettivamente la Lys185 e il Glu192. La lisina agisce sia come  acido che come base mentre il glutammato come acido.

Meccanismo catalitico della 6-fosfogluconato deidrogenasi, enzima della via del pentoso fosfato
Meccanismo Catalitico della 6-Fosfogluconato Deidrogenasi

Nel primo passaggio, il passaggio ossidativo, il 6-fosfogluconato viene ossidato in un β-cheto acido, il 3-cheto-6-fosfogluconato.
In questo passaggio l’ε-amino gruppo della catena laterale del suddetto residuo di lisina funge da base, da nucleofilo, estraendo un protone dal gruppo ossidrilico legato sul C-3, cui segue il trasferimento dello ione idruro legato al C-3 sul C-4 dell’anello nicotinamidico del NADP+. In questo modo si viene a formare il 3-cheto intermedio ed una molecola di NADPH che lascia il sito attivo.
Nel secondo passaggio, il passaggio decarbossilativo, il 3-cheto-6-fosfogluconato, che è estremamente suscettibile a decarbossilazione, perde, in forma di CO2, il C-1 del glucosio-6-fosfato a dare il cis-1,2-enediolo del ribulosio-5-fosfato, un intermedio ad elevata energia. In questo passaggio la lisina agisce come acido donando un protone all’ossigeno carbonilico legato al C-3.
Infine l’enzima catalizza una conversione stereospecifica enolo-chetone con formazione del ribulosio-5-fosfato. In questo passaggio il residuo di acido glutammico suddetto funge da acido donando un protone al C-1 del cis-1,2-enediolo, mentre l’ε-amino gruppo della lisina accetta un protone dal gruppo ossidrilico legato sul C-2. Il risultato è la formazione del ribulosio-5-fosfato.

Nota: un enediolo è un composto organico contenente due atomi di carbonio uniti da un doppio legame ed un gruppo ossidrile (-OH) legato ad ognuno dei due atomi di carbonio. L’enediolo può avere configurazione cis o trans. Ad esempio, nel mondo vegetale molti polifenoli possiedono strutture enedioliche.

Dunque, la fase ossidativa della via del pentoso fosfato termina con la produzione del ribulosio-5-fosfato che è il substrato di partenza per le reazioni della fase non ossidativa.
L’equazione complessiva della fase ossidativa è:

3 Glucosio-6-fosfato + 6 NADP+ + H2O  → 6 NADPH + 6 H+ + 3 CO2 + 3 Ribulosio-5-fosfato

Tappe della fase non ossidativa della via del pentoso fosfato

La fase non ossidativa della via si compone di cinque tappe, tutte facilmente reversibili, nel corso delle quali si verifica una serie di interconversioni di zuccheri fosforilati.
Questa fase ha inizio con due possibili reazioni a carico del ribulosio-5-fosfato: una isomerizzazione e una epimerizzazione che portano alla formazione rispettivamente di ribosio-5-fosfato e xilulosio-5-fosfato.

Nota: le reazioni enzimatiche di isomerizzazione ed epimerizzazione svolgono un ruolo importante nel metabolismo dei carboidrati.
Le Epimerasi (EC 5.1), un sottogruppo delle Isomerasi (EC 5.), catalizzano l’inversione reversibile della configurazione di un atomo di carbonio asimmetrico, in genere attraverso la rimozione e l’aggiunta di un atomo di idrogeno.
Nelle reazioni di isomerizzazione lo scambio di gruppi chimici si verifica tra atomi di carbonio.

Isomerizzazione del ribulosio-5-fosfato a ribosio-5-fosfato

Nella reazione di isomerizzazione il ribulosio-5-fosfato, un chetoso, viene convertito nell’aldoso corrispondente, il ribosio-5-fosfato. La reazione è catalizzata dalla fosfopentoso isomerasi o ribosio-5-fosfato isomerasi (EC 5.3.1.6).

Ribulosio-5-fosfato ⇄ Ribosio-5-fosfato

Le due molecole sono un esempio di isomeria di gruppo funzionale.

Meccanismo catalitico della ribosio-5-fosfato isomerasi

Il meccanismo catalitico, simile a quello dell’enzima glicolitico fosfoglucosio isomerasi (EC 5.3.1.9), procede attraverso la formazione dell’intermedio ad alta energia cis-1,2-enediolo del ribulosio-5-fosfato. La formazione del cis-1,2-enediolo è conseguente ad un meccanismo di trasferimento protonico comune alle isomerizzazione aldoso-chetoso.
Di seguito viene descritto il possibile meccanismo catalitico dell’enzima di E. coli nella direzione della formazione del ribulosio-5-fosfato dal ribosio-5-fosfato, che è anche la direzione seguita nel ciclo di Calvin della fotosintesi.

Meccanismo catalitico della fosfopentoso isomerasi, enzima della via del pentoso fosfato
Meccanismo Catalitico della Fosfopentoso Isomerasi

Il primo passaggio consiste nell’apertura dell’anello furanosico del ribosio-5-fosfato, apertura rara in soluzione acquosa (<0.5%), ed indotta dall’interazione con un residuo di acido aspartico (Asp81) che accetta un protone dal gruppo idrossilico legato al C-1, mentre è probabile che sia l’acqua il donatore di un protone.
Una volta aperta la catena un residuo di acido glutammico (Glu103) funge da base generale, da nucleofilo, estraendo il protone legato sul C-2, mentre Asp81 dona un protone. Come risultato si forma il cis-1,2-enediolo.
Di seguito, la base iniziale, Glu103 adesso protonata, funge da acido e dona un protone al C-1 dell’intermedio enediolico, mentre Asp81 funge da base generale accettando un protone dal gruppo ossidrilico legato al C-2. Il risultato è la formazione del ribulosio-5-fosfato.

Il meccanismo di reazione per la sintesi del ribosio-5-fosfato dal ribulosio-5-fosfato è semplicemente l’inverso di quanto appena descritto.

Epimerizzazione del ribulosio-5-fosfato a xilulosio-5-fosfato

L’altro destino metabolico del ribulosio-5-fosfato nella via del pentoso fosfato è quello di essere epimerizzato a xilulosio-5-fosfato, un chetoso come il ribulosio-5-fosfato, nella reazione catalizzata dalla fosfopentoso epimerasi (EC 5.1.3.1).

Ribulosio-5-fosfato ⇄ Xilulosio-5-fosfato

Nota: lo xilulosio-5-fosfato, oltre ad essere un intermedio della via del pentoso fosfato ha anche azione regolatoria: stimola la glicolisi ed inibisce la gluconeogenesi, intervenendo nel controllo della concentrazione del fruttosio-2,6-bisfosfato nel fegato.

Meccanismo catalitico della fosfopentoso epimerasi

Anche questa reazione, come quelle catalizzate dalla 6-fosfogluconato deidrogenasi e dalla ribosio-5-fosfato isomerasi, procede attraverso la formazione di un intermedio enediolico, ma con il doppio legame non tra i carboni 1 e 2  ma tra quelli 2 e 3.
Quello che accade nel corso della reazione è che un residuo aminoacidico presente nel sito attivo dell’enzima funge da base generale, da nucleofilo, ed estrae un protone dal C-3, il che porta alla formazione dell’intermedio cis-2,3-enediolico. Di seguito un residuo aminoacidico acido dona un protone al C-3, ma sul lato opposto, e dunque determinando l’inversione della configurazione sul C-3 a formare lo xilulosio-5-fosfato.

Meccanismo catalitico della fosfopentoso epimerasi, enzima della via del pentoso fosfato
Meccanismo Catalitico della Fosfopentoso Epimerasi

Arrivati a questo punto la via dell’esoso monofosfato ha portato alla formazione, per ogni molecola di glucosio-6-fosfato metabolizzata, di:

  • un pool di tre pentoso-5-fosfati, ossia ribulosio-5-fosfato, ribosio-5-fosfato e xilulosio-5-fosfato, che coesistono all’equilibrio;
  • 2 molecole di NADPH.

Nelle tre tappe successive, dalla sesta all’ottava, la  transchetolasi (EC 2.2.1.1) e la transaldolasi (EC 2.2.1.2), enzimi esclusivi della via del pentoso fosfato, catalizzano una serie di riarrangiamenti degli scheletri carboniosi che porteranno alla formazione di unità carboniose a tre, quattro, sei e sette atomi che potranno essere utilizzate per vari scopi metabolici, a seconda delle necessità della cellula.
In termini di analisi dei flussi di metaboliti tra le differenti vie metaboliche, l’azione concertata della transchetolasi e della transaldolasi permette l’interazione della via del pentoso fosfato, in particolare la sua fase non ossidativa, con la glicolisi, e la gluconeogenesi, nonché con le vie che portano alla formazione di numerose vitamine, coenzimi e precursori degli acidi nucleici.

Transchetolasi: tappe 6 e 8

La transchetolasi è l’enzima che catalizza la tappa limitante della fase non ossidativa della via del pentoso fosfato, ed il primo enzima che agisce a valle delle reazioni catalizzate dalla ribosio-5-fosfato isomerasi e della fosfopentoso epimerasi.
Scoperta indipendentemente nel 1953 da Horecker e Racker, e così chiamata da quest’ultimo, catalizza, nella sesta ed ottava tappa, il trasferimento di unità a due atomi di carbonio da un donatore chetoso, ossia lo xilulosio-5-fosfato, il sedoeptulosio-7-fosfato o il fruttosio-6-fosfato, ad un aldoso accettore, ribosio-5-fosfato, gliceraldeide-3-fosfato o eritrosio-4-fosfato.

Reazione generale catalizzata dalla transchetolasi, e la sesta e l’ottava tappa della via del pentoso fosfato
Reazioni della Transchetolasi

Considerando come esempi le reazioni “in avanti”, nella sesta tappa il chetoso donatore è lo xilulosio-5-fosfato mentre l’aldoso accettore è il ribosio-5-fosfato, a formare gliceraldeide-3-fosfato, il frammento a tre atomi di carbonio rimanente dello xilulosio-5-fosfato, e sedoeptulosio-7-fosfato, uno zucchero fosforilato a sette atomi di carbonio che sarà utilizzato nel passaggio successivo, il settimo.

Nell’ottava tappa il chetoso donatore è lo xilulosio-5-fosfato mentre l’aldoso accettore è l’eritrosio-4-fosfato, a dare una seconda molecola di gliceraldeide-3-fosfato ed una di fruttosio-6-fosfato.

Da notare che tre dei quattro prodotti delle reazioni catalizzate dalla transchetolasi, due molecole di gliceraldeide-3-fosfato ed una di fruttosio-6-fosfato, sono anche intermedi della glicolisi.

Transchetolasi e tiamina pirofosfato

La transchetolasi appartiene al gruppo degli enzimi che richiedono la tiamina pirofosfato o TPP, acronimo dell’inglese thiamine pyrophosphate, come cofattore.
La tiamina pirofosfato è la forma biologicamente attiva della tiamina o vitamina B1, ed è saldamente legata all’enzima.

Formula di struttura della tiamina pirofosfato, la forma attiva della vitamina B1
Tiamina Pirofosfato

Altri enzimi che richiedono la TPP come cofattore sono:

  • la piruvato decarbossilasi (EC 4.1.1.1), che interviene nella fermentazione alcolica;
  • la componente piruvato deidrogenasi o E1 (EC 1.2.4.1) del complesso della piruvato deidrogenasi;
  • la componente α-chetoacido deidrogenasi o subunità E1 (EC 1.2.4.4) del complesso della α-chetoacido deidrogenasi dei chetoacidi a catena ramificata;
  • la componente 2-chetoglutarato deidrogenasi o subunità E1 (EC 1.2.4.2) del complesso della α-chetoglutarato deidrogenasi, enzima del ciclo dell’acido citrico.

La funzione della tiamina pirofosfato è quella di contribuire al trasferimento di intermedi aldeidici attivati stabilizzando il carbanione a due atomi di carbonio che si forma durante la reazione.

Meccanismo catalitico della transchetolasi

L’atomo di carbonio compreso tra l’atomo di zolfo e quello di azoto dell’anello tiazolico della tiamina pirofosfato, ossia l’atomo C-2, è molto più acido rispetto alla maggior parte dei gruppi =C- presenti in altre molecole a causa dell’adiacente atomo di azoto caricato positivamente che stabilizza elettrostaticamente il carbanione derivante dalla dissociazione del protone. Questo fa si che l’atomo di idrogeno ad esso legato sia facilmente dissociabile a formare un carbanione, ossia un atomo di carbonio con carica negativa. L’estrazione del protone è catalizzata dalla transchetolasi
Il carbanione reagisce con il carbonio carbonilico del substrato chetonico, nella tappa 6 lo xilulosio-5-fosfato o il sedoeptulosio-7-fosfato nella reazione in direzione opposta, oppure, considerando la tappa 8, di nuovo lo xilulosio-5-fosfato o il fruttosio-6-fosfato nella reazione in direzione opposta.
Prendendo come esempio la reazione “in avanti” della tappa 6, il composto di addizione tra la tiamina pirofosfato e lo xilulosio-5-fosfato va incontro a frammentazione a seguito della scissione del legame C2-C3 dello xilulosio-5-fosfato, a dare gliceraldeide-3-fosfato, che è rilasciata, e un’unità a due atomi di carbonio, un gruppo idrossietilico con carica negativa, che rimane legato al C-2 dell’anello tiazolico.

Meccanismo catalitico della tranchetolasi, enzima della via del pentoso fosfato
Meccanismo Catalitico della Tranchetolasi

La carica negativa presente sull’intermedio idrossietilico, ossia l’intermedio carbanionico, viene stabilizzata dall’anello tiazolico della tiamina pirofosfato grazie alla presenza dell’atomo di azoto carico positivamente che funge da “trappola” o “pozzo” per gli elettroni. Quindi l’anello tiazolico fornisce una struttura elettron deficiente o elettrofila nella quale gli elettroni del carbanione possono delocalizzarsi per risonanza.
Nell’ultimo passaggio si verifica la condensazione tra il gruppo idrossietilico e il ribosio-5-fosfato, l’aldeide accettore, attraverso l’attacco del carbanione sul carbonio aldeidico del ribosio-5-fosfato, a formare un addotto covalente legato alla tiamina pirofosfato.
La successiva scissione dell’addotto porta alla liberazione di sedoeptulosio-7-fosfato, rigenerando il carbanione della tiamina pirofosfato.

Nota: la transchetolasi può utilizzare come substrati, oltre allo xilulosio-5-fosfato, al sedoeptulosio-7-fosfato e al fruttosio-6-fosfato anche altri 2-chetozuccheri nonché diversi altri aldoso fosfati, agendo in modo simile a quanto appena visto.

Carbanioni e carbocationi

Un carbanione è una specie chimica  contenente un carbonio trivalente con carica negativa.
Si tratta di un intermedio di reazione estremamente reattivo, derivante dalla rottura eterolitica di un legame tra un atomo di carbonio ed un altro atomo o gruppo.
I carbanioni, disponendo di una coppia elettronica non condivisa, sono dei potenti nucleofili, e delle basi forti, ed attaccano, al fine di formare un legame covalente, un protone o un centro elettrofilo, come un centro polarizzato o carico positivamente. Data la loro forte reattività, con l’esclusione di poche eccezioni, sono intermedi transienti nelle reazioni organiche, al pari dei radicali liberi e dei carbocationi.
Un carbocatione è una specie chimica  contenente un carbonio trivalente con carica positiva. Al pari dei radicali liberi, i carbocationi sono specie caratterizzate da una lacuna elettronica, avendo nell’orbitale di valenza non otto elettroni ma solo sei elettroni. I radicali liberi invece presentano nell’orbitale di valenza sette elettroni. A causa di questa lacuna elettronica entrambe le specie sono potenti elettrofili, e, al pari dei carbanioni, sono intermedi di reazione estremamente reattivi. Nel corso delle reazioni accettano elettroni, uno i radicali liberi, due i carbocationi, al fine di raggiungere la struttura elettronica stabile dell’ottetto.

Considerando due atomi legati da un legame covalente, esistono due possibili modi per rompere suddetto legame: l’omolisi e l’eterolisi.

  • Nell’omolisi, a seguito della rottura del legame, ciascun atomo prende uno dei due elettroni di legame. Le due molecole formatesi hanno quindi un numero dispari di elettroni, ossia un elettrone spaiato, e sono senza carica; tali specie sono definite radicali liberi.
  • Nell’eterolisi la rottura del legame porta invece alla formazione di due molecole dotate di carica, ossia due ioni, un catione ed un anione, in quanto entrambe gli elettroni di legame sono presi da una delle due specie prodotte.
Rottura omolitica ed eterolitica di un legame covalente
Omolisi ed Eterolisi

Nota: la scissione eterolitica è più comune di quella omolitica.

Transaldolasi: tappa 7

La transaldolasi, scoperta nel 1953 da Horecker e Smyrniotis nel lievito Saccharomyces cerevisiae, interviene nella settima tappa della via del pentoso fosfato dove catalizza il trasferimento di una unità a tre atomi di carbonio da un substrato donatore, il sedoeptulosio-7-fosfato, ad un substrato accettore, la gliceraldeide-3-fosfato, a dare fruttosio-6-fosfato ed eritrosio-4-fosfato.

Sedoeptulosio-7-fosfato + Gliceraldeide-3-fosfato ⇄ Fruttosio-6-fosfato + Eritrosio-4-fosfato

Da notare che, in analogia con quanto visto per le reazioni catalizzate dalla transchetolasi, anche in questo caso il donatore dell’unità carboniosa trasferita è un chetoso mentre l’accettore è un aldoso.
Nella reazione in direzione opposta il chetoso donatore sarà il fruttosio-6-fosfato mentre l’aldoso accettore l’eritrosio-4-fosfato.

Meccanismo catalitico della transaldolasi

A differenza della transchetolasi, la transaldolasi non necessita per la propria attività della presenza di cofattori.
La reazione si compone di una parte equivalente ad una scissione aldolica e di una equivalente ad una condensazione aldolica. Di seguito verrà analizzato il meccanismo di catalitico della transaldolasi B di E. coli, considerando la reazione nella direzione della formazione dell’eritrosio-4-fosfato e del fruttosio-6-fosfato.
Nel primo passaggio l’ε-amino gruppo della catena laterale di un residuo di lisina (Lys132) presente nel sito attivo, a seguito del trasferimento di un protone ad un residuo di acido glutammico (Glu96), trasferimento mediato da una molecola d’acqua, porta un attacco nucleofilo al C-2 del sedoeptulosio-7-fosfato, il carbonio carbonilico. Il risultato è la formazione di una carbinolammina con il sedoeptulosio-7-fosfato.

Meccanismo catalitico della transaldolasi B di E. coli
Meccanismo Catalitico della Transaldolasi

Segue la perdita di una molecola d’acqua dalla carbinolammina con formazione di una immina, o base di Schiff, legata all’enzima; anche in questo passaggio interviene il trasferimento di un protone da Glu96 alla molecola d’acqua “catalitica”.
Nota: l’intermedio covalente enzima-substrato che si è formato è simile a quello che quello che si forma nella reazione catalizzata dalla aldolasi (EC 4.1.2.13) nella quarta tappa della glicolisi.
Nel passaggio successivo, il gruppo carbossilico di un residuo di acido aspartico (Asp17) estrae un protone dal gruppo idrossilico legato sul C-4, con conseguente rottura del legame covalente tra C-3 e C-4, una scissione aldolica che porta alla liberazione dell’aldoso eritrosio-4-fosfato, il primo prodotto della reazione, mentre rimane legato all’enzima un carbanione a tre atomi di carbonio che è stabilizzato per risonanza, analogamente a quanto visto per la transchetolasi. Infatti, al pari dell’atomo di azoto dell’anello tiazolico della tiamina pirofosfato, anche l’atomo di azoto con carica positiva della base di Schiff agisce da trappola per gli elettroni stabilizzando la carica negativa del carbanione.
Una volta che il secondo substrato, la gliceraldeide-3-fosato, si trova in posizione nel sito attivo, il carbanione porta un attacco nucleofilo al carbonio carbonilico della gliceraldeide-3-fosfato a formare, mediante una condensazione aldolica, un nuovo legame C-C e un chetoso legato all’enzima.
Infine l’idrolisi della base di Schiff porta al rilascio del fruttosio-6-fosfato, un chetoso ed il secondo prodotto della reazione, e permette l’inizio di un nuovo ciclo di reazione.

A questo punto, come visto in precedenza, nell’ottava tappa della via del pentoso fosfato, interviene nuovamente la transchetolasi che catalizza la formazione di fruttosio-6-fosfato e glicealdeide-3-fosfato a partire da eritrosio-4-fosfato e xilulosio-5-fosfato.

Regolazione della via del pentoso fosfato

Il glucosio-6-fosfato è un metabolita che può entrare sia nella glicolisi che nella via del pentoso fosfato a seconda dei fabbisogni relativi di ATP, NADPH e ribosio-5-fosfato da parte della cellula.
Nel caso di un aumentato fabbisogno di ATP, la maggior parte del glucosio-6-fosfato sarà incanalata nella via glicolitica.
Se invece sono aumentati i fabbisogni di NADPH e/o ribosio-5-fosfato, la maggior parte dello zucchero fosforilato sarà incanalato nella via del pentoso fosfato.
Dal punto di vista molecolare il destino del glucosio-6-fosfato dipende in larga parte dalle attività relative degli enzimi che lo metabolizzano nella via glicolitica e nello shunt dell’esoso monofosfato, rispettivamente la fosfofruttochinasi-1 o PFK-1,  acronimo dell’inglese phosphofructokinase-1 (EC 2.7.1.11), e la glucosio-6-fosfato deidrogenasi, enzimi la cui attività è altamente regolata.

Nota: sebbene nella via glicolitica il glucosio-6-fosfato sia substrato della fosfoglucosio isomerasi, questo enzima catalizza la sua isomerizzazione reversibile in fruttosio-6-fosfato, quest’ultimo substrato della fosfofruttochinasi-1.

La PFK-1 è inibita quando aumenta la concentrazione dell’ATP e/o di citrato, ossia quando la carica energetica della cellula è alta, mentre è attivata quando aumenta la concentrazione dell’AMP e/o del fruttosio-2,6-bisfosfato, ossia quando la carica energetica della cellula è bassa. Ne consegue che, quando la carica energetica della cellula è alta il flusso di carbonio, e quindi di glucosio-6-fosfato, attraverso la glicolisi si riduce.
La glucosio-6-fosfato deidrogenasi è invece inibita dal NADPH e dagli acil-CoA, intermedi nella biosintesi degli acidi grassi. Se quindi la concentrazione citosolica del NADPH aumenta il flusso di glucosio-6-fosfato attraverso la via del pentoso fosfato è inibito. Viceversa, se i livelli di NADPH cadono, l’inibizione viene meno, la via si “riaccende” e vengono sintetizzati NADPH e ribosio-5-fosfato.

Tuttavia, anche quando la glucosio-6-fosfato deidrogenasi è attiva, la cellula è ancora in grado di rispondere al quelle che sono le necessità relative di NADPH, ribosio-5-fosfato ed ATP regolando di conseguenza il flusso di carbonio attraverso la via del fosfogluconato. E, in base alle necessità della cellula di NADPH, ribosio-5-fosfato ed ATP, quello che accadrà è una “combinazione” di alcune reazioni della via glicolitica, della gluconeogenesi e della via del pentoso fosfato al fine di sintetizzare i metaboliti richiesti, sfruttando anche il fatto che la fase non ossidativa dello shunt dell’esoso monofosfato è controllata essenzialmente dalla disponibilità dei substrati.
Di seguito sono analizzate le quattro principali possibilità.

Fabbisogno di NADPH molto maggiore di quello di ribosio-5-fosfato e ATP

Quando il fabbisogno di NADPH è molto maggiori di quello di ribosio-5-fosfato e la cellula non ha bisogno di ulteriore produzione di ATP, ossia la carica energetica della cellula è alta, il glucosio-6-fosfato entra nella via del pentoso fosfato e può essere completamente ossidato a CO2. Una condizione metabolica del genere si ritrova ad esempio nel tessuto adiposo nel corso di una intensa sintesi di acidi grassi.
Nella fase ossidativa della via, per ogni molecola di glucosio-6-fosfato ossidata a ribulosio-5-fosfato, sono prodotte due molecole di NADPH. Attraverso una combinazione delle reazione della fase non ossidativa e di alcune reazioni della gluconeogenesi, nello specifico quelle catalizzate dagli enzimi  trioso fosfato isomerasi (EC 5.3.1.1), aldolasi (EC 4.1.2.13), fosfoglucosio isomerasi (EC 5.3.1.9), e fruttosio-1,6-bisfosfatasi (EC 3.1.3.11), sei molecole di ribulosio-5-fosfato vengono convertite in cinque di glucosio-6-fosfato. E’ quindi anche possibile affermare che le reazioni della fase non ossidativa permettono alle reazioni della fase ossidativa di procedere.
In questo processo è possibile individuare tre gruppi di reazioni che operano in sequenza.

  • Nel primo gruppo si ritrovano le reazioni catalizzate dagli enzimi della fase ossidativa, e si ha la formazione di due molecole di NADPH ed una di ribulosio-5-fosfato.

6 Glucosio-6-fosfato + 12 NADP+ + 6 H20 → 6 Ribulosio-5-fosfato + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+

  • Al secondo gruppo appartengono le reazioni catalizzate dagli enzimi fosfopentoso epimerasi, ribosio-5-fosfato isomerasi, transchetolasi e transaldolasi, ossia quelli della fase non ossidativa della via, che portano alla conversione del ribulosio-5-fosfato in fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato.

6 Ribulosio-5-fosfato → 4 Fruttosio-6-fosfato + 2 Gliceraldeide-3-fosfato

  • Infine, attraverso le suddette reazioni della gluconeogenesi il fruttosio-6-fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato sono “riciclati” a glucosio-6-fosfato, di modo che il ciclo possa ricominciare.

4 Fruttosio-6-fosfato + 2 Gliceraldeide-3-fosfato + H2O → 5 Glucosio-6-fosfato + Pi

Sommando le ultime due reazioni si evince che sei molecole di ribulosio-5-fosfato sono convertite in cinque di glucosio-6-fosfato.

6 Ribulosio-5-fosfato + H2O → 5 Glucosio-6-fosfato + Pi

Dalla somma delle reazioni del primo, secondo e terzo gruppo si ottiene la reazione complessiva:

Glucosio-6-fosfato + 12 NADP+ + 7 H20 → 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi

Dunque, una molecola di glucosio-6-fosfato, attraverso sei cicli della via del pentoso fosfato accoppiati con alcune reazioni della reazioni gluconeogenesi, sarà convertita in 6 molecole di CO2, con la concomitante produzione di 12 molecole di NADPH, ma nessuna produzione netta di ribosio-5-fosfato.

Fabbisogno di NADPH ed ATP molto maggiore di quello di ribosio-5-fosfato

Quando il fabbisogno di NADPH è molto maggiore di quello di ribosio-5-fosfato e la carica energetica della cellula è bassa, ossia la cellula necessita di ATP, il ribulosio-5-fosfato prodotto nella fase ossidativa viene convertito in fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato attraverso le reazioni della fase non ossidativa. Di seguito i due intermedi, attraverso le reazioni della glicolisi, sono ossidati a piruvato con concomitante produzione di ATP.
La reazione complessiva è:

3 Glucosio-6-fosfato + 6 NADP+ + 5 NAD+ + 5 Pi + 8 ADP → 5 Piruvato + 3 CO2 + 6 NADPH + 5 NADH + 8 ATP + 2 H2O + 8 H+

Se la cellula necessita di altro ATP, il piruvato prodotto potrà essere ossidato attraverso il ciclo dell’acido citrico. Se invece non è necessario produrre ulteriore ATP, il piruvato potrà essere utilizzato come precursore in diverse vie biosintetiche.

Da notare che anche in questo caso, come nel precedente, non si verifica alcuna produzione netta di ribosio-5-fosfato.

Fabbisogno di ribosio-5-fosfato molto maggiore di quello di NADPH

Quando il fabbisogno di ribosio-5-fosfato è molto maggiore rispetto a quello di NADPH, come nelle cellule che si dividono rapidamente, nelle quali è quindi in corso una rapida sintesi di nucleotidi precursori del DNA, le reazioni della fase ossidativa della via del pentoso fosfato non hanno luogo, e non vi è sintesi di NADPH. Al contrario, poiché le reazioni della fase non ossidativa sono facilmente reversibili, la riduzione della concentrazione del ribosio-5-fosfato, causata dal suo rapido utilizzo, avrà come effetto quello di stimolarne la sintesi.
Quello che accade è che, attraverso la via glicolitica, molto del glucosio-6-fosfato viene convertito in fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. A questo punto la transaldolasi e la transchetolasi portano alla sintesi di ribosio-5-fosfato e xilulosio-5-fosfato. Quest’ultimo, attraverso le reazione catalizzate dalla fosfotopentoso epimerasi e di seguito dalla ribosio-5-fosfato isomerasi, verrà convertito in ribosio-5-fosfato.
La reazione complessiva è:

6 Glucosio-6-fosfato + ATP → 6-Ribosio-5-fosfato + ADP + H+

In questo caso quindi quello che si verifica è una combinazione di reazioni della glicolisi e della fase non ossidativa della via del fosfogluconato, con queste ultime nella direzione della sintesi del ribosio-5-fosfato.
Da notare che nessun metabolita torna alla glicolisi.

I fabbisogni di ribosio-5-fosfato e NADPH si equivalgono

Se una molecola di ribosio-5-fosfato e due molecole di NADPH per molecola di glucosio-6-fosfato metabolizzata sono sufficienti a soddisfare le necessità metaboliche della cellula, quello che si verifica sono le prime quattro reazioni della via del pentoso fosfato, ossia l’intera fase ossidativa, più la reazione catalizzata dalla ribosio-5-fosfato isomerasi.
La reazione complessiva è:

Glucosio-6-fosfato + 2 NADP+ + H2O → Ribosio-5-fosfato + 2 NADPH + 2 H+ + CO2

Anche in questa condizione metabolica nessun metabolita torna alla glicolisi.

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Glicolisi: dove avviene, prodotti e regolazione

La glicolisi, dal greco glykys, dolce e lysis, sciogliere, può essere definita come la sequenza di reazioni enzimatiche che, nel citosol della cellula, anche in assenza di ossigeno, porta alla conversione di una molecola di glucosio, un composto a sei atomi di carbonio, in due di piruvato, un composto a tre atomi di carbonio, con la concomitante produzione di due molecole di ATP, la moneta di scambio energetico della cellula.

Le dieci tappe della glicolisi, gli enzimi coinvolti e gli intermedi
La Via Glicolitica

La glicolisi, che si è evoluta prima che nell’atmosfera si accumulasse una quantità sostanziale di ossigeno, è la via metabolica con il maggior flusso di carbonio nella maggior parte degli esseri viventi, ed è presente in quasi tutti gli organismi.
Grazie al fatto di poter procedere in assenza di ossigeno, ha svolto un ruolo cruciale nei processi metabolici durante i primi due miliardi di anni di evoluzione della vita sulla terra, e probabilmente rappresenta il modo più antico che gli organismi hanno sviluppato per ottenere energia dalle molecole organiche quando la disponibilità del gas è scarsa. E’ inoltre una fonte di precursori per il catabolismo aerobico e per vari processi biosintetici.
Nota: la glicolisi è conosciuta anche come la via di Embden-Meyerhof, dal nome dei due ricercatori che delucidarono l’intero processo nel muscolo.

INDICE

Glicolisi: la prima via metabolica ad essere delucidata

Lo sviluppo della biochimica è andato di pari passo con la comprensione del metabolismo del glucosio e in particolare della glicolisi, la prima via metabolica ad essere stata chiarita.
Sebbene la delucidazione di questa via fu completata negli anni quaranta del secolo scorso, la scoperta chiave sul metabolismo del glucosio venne fatta in modo casuale nel 1897, a seguito di un problema sorto un anno prima quando un chimico tedesco, M. Hahn, nel tentativo di ottenere e conservare estratti proteici privi di cellule dal lievito, incontrò difficoltà nella loro conservazione. Un suo collega, Hans Buchner, ricordando quanto veniva, e viene tuttora fatto per la conservazione delle marmellate, suggerì di addizionare saccarosio all’estratto.
Eduard Buchner, fratello di Hans, mise in pratica l’idea di Hans, osservando però che dalla soluzione si sviluppavano bollicine. Questo indusse Eduard a concludere che fosse in corso una fermentazione, per l’epoca una scoperta sorprendente. Infatti sino ad allora la fermentazione, secondo quanto affermato da Pasteur nel 1860, era stata inestricabilmente legata alle cellule viventi, mentre ora veniva dimostrato che poteva avvenire anche al di fuori delle cellule stesse. In breve, questi due ricercatori demolirono il dogma vitalistico e diedero il via alla moderna biochimica.
Eduard Buchner grazie a queste ricerche fu insignito del premio Nobel per la Chimica nel 1907, e fu il primo di una serie di ricercatori che vinsero il premio grazie alle loro scoperte sulla via glicolitica.
In seguito fu dimostrato, lavorando con estratti muscolari, che molte delle reazioni della fermentazione lattica erano le stesse della fermentazione alcolica, il che evidenziò l’esistenza di una unità nella biochimica.
Come anticipato, la glicolisi fu poi chiarita in modo esaustivo nella prima metà del secolo scorso in gran parte grazie al lavoro di ricercatori quali Gerty and Carl Cori, Carl Neuberg, Arthur Harden, William Young, Jacob Parnas, Otto Warburg, Hans von Euler-Chelpin, Gustav Embden e Otto Meyerhof.

Perché la glicolisi è importante

La glicolisi è una via metabolica essenziale sia dal punto di vista energetico che come fonte di precursori per diverse altre vie metaboliche. E la velocità del flusso di carbonio attraverso di essa, ossia la velocità con cui il glucosio viene convertito in piruvato, è regolata in modo da soddisfare queste due necessità fondamentali della cellula.
Dal punto di vista energetico, sebbene sia un processo relativamente inefficiente, può avvenire in assenza di ossigeno, la condizione in cui si è sviluppata la vita sulla Terra e in cui tutt’oggi molte cellule, sia eucariote che procariote, si ritrovano. Di seguito alcuni esempi.

  • I muscoli di molti animali presentano una anaerobiosi dipendente dall’attività, ossia possono funzionare in assenza di ossigeno per brevi periodi. Ad esempio, quando gli animali, ma anche gli atleti, compiono esercizi molto intensi, il loro fabbisogno di ATP aumenta più rapidamente della capacità del corpo di rifornire di ossigeno il muscolo. In questa situazione il muscolo ricava l’energia metabolica necessaria al suo funzionamento in modo anaerobico, appunto attraverso la sola glicolisi.
    Un altro esempio è la cornea dell’occhio, un tessuto scarsamente vascolarizzato.
  • Molti microorganismi, come quelli che vivono in ambienti quali il suolo, le profondità marine ma anche i pori della pelle, si ritrovano in zone in cui l’ossigeno è scarso o assente. Ed esistono microrganismi, definiti anaerobi obbligati, che non possono sopravvivere in presenza di ossigeno, una molecola altamente reattiva; esempi sono il batterio responsabile della gangrena gassosa, Clostridium perfringens, del tetano, Clostridium tetani, e del botulismo, Clostridium botulinum.

Va inoltre sottolineato che la glicolisi gioca un ruolo centrale anche in tutte quelle cellule e tessuti nei quali il glucosio rappresenta la sola fonte di energia, come:

  • i globuli rossi, privi di mitocondri;
  • le cellule spermatiche;
  • il cervello, che solo in particolari condizioni può usare anche i corpi chetonici per produrre energia;
  • la midollare del surrene.

Una situazione simile si ritrova anche nel mondo vegetale dove molte piante acquatiche e alcuni tessuti vegetali specializzati nell’accumulo di amido, come i tuberi delle patate, utilizzano il glucosio come principale fonte di energia.

Nota: esistono organismi che sono anaerobi facoltativi, ossia possono sopravvivere in presenza ed in assenza di ossigeno, come gli animali appartenenti al genere Mytilus, che quindi mostrano un funzionamento anaerobico dipendente dall’ambiente, o anaerobico habitat-dipendente, una situazione simile a quanto visto in precedenza nel muscolo sottoposto a lavori molto intesi.

Infine non va dimenticato che in condizioni aerobiche, nelle cellule dotate di mitocondri, la via glicolitica rappresenta la parte iniziale della via metabolica che porta alla completa ossidazione del glucosio ad anidride carbonica (CO2) ed acqua a scopi energetici.

La glicolisi come fonte di precursori per le vie biosintetiche della cellula
Precursori Derivanti dalla Via Glicolitica

Diversi intermedi glicolitici, come il glucosio-6-fosfato (G-6-P, acronimo dell’inglese glucose 6-phosphate), il fruttosio-6-fosfato (F-6-P, acronimo dell’inglese fructose 6-phosphate), il diidrossiacetone fosfato (DHAP, acronimo dell’inglese dihydroxyacetone phosphate) o il piruvato possono essere utilizzati come precursori biosintetici in vie metaboliche quali ad esempio quelle che portano alla sintesi del glicogeno, degli acidi grassi, dei trigliceridi, dei nucleotidi, di alcuni amminoacidi, o del 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG, acronimo dell’inglese 2,3-bisphosphoglycerate).

Tappe della glicolisi

Le 10 tappe che compongono la glicolisi possono essere suddivise in due fasi.
La prima, detta fase preparatoria, si compone di 5 reazioni e comporta dapprima la conversione di una molecola di glucosio in una di fruttosio-1,6-bisfosfato (F-1,6-BP, acronimo dell’inglese fructose 1,6-bisphosphate), attraverso tre passaggi: una prima fosforilazione sul C-1, una isomerizzazione ed una seconda fosforilazione, stavolta sul C-6, con consumo complessivo di 2 ATP. Segue la scissione, la lisi, del fruttosio-1,6-bisfosfato in due intermedi fosforilati a tre atomi di carbonio, la gliceraldeide-3-fosfato ed il diidrossiacetone fosfato, ed infine l’isomerizzazione di quest’ultimo in gliceraldeide-3-fosfato. Dunque, nella fase preparatoria una molecola di glucosio viene scissa in due di gliceraldeide-3-fosfato e si consumano due ATP.
Nella seconda fase, detta fase di recupero energetico, composta dalle restanti 5 reazioni, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato sono convertite in altrettante molecole di piruvato, con concomitante produzione di 4 molecole di ATP. Quindi nella seconda fase si verifica l’estrazione e conservazione in forma di ATP di parte dell’energia chimica presente nella molecola del glucosio. Inoltre sono estratti anche equivalenti riducenti, immagazzinati nella molecola del NADH. Quello che sarà poi il destino del NADH dipende dal tipo di cellula e dalla presenza o meno di quantità adeguate di ossigeno.

Nota: nella via glicolitica è metabolizzato sia il glucosio di derivazione ematica, che entra nella cellula attraverso un trasporto mediato da specifici trasportatori proteici di membrana, che il glucosio-6-fosfato derivante dalla glicogenolisi.

Reazione 1: fosforilazione del glucosio a glucosio-6-fosfato

Nella prima tappa della via glicolitica il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato a spese di una molecola di ATP.

Glucosio + ATP → Glucosio-6-fosfato + ADP + H+

Nella maggior parte delle cellule questa reazione è catalizzata dalla esochinasi (EC 2.7.1.1), enzima presente nelle cellule di tutti gli organismi, e negli esseri umani con quattro forme isoenzimatiche.
L’esochinasi e la piruvato chinasi (EC 2.7.1.40), l’altra chinasi della via glicolitica, al pari di molte altre chinasi, richiede per il corretto funzionamento la presenza dello ione magnesio (Mg2+) o di un altro ione metallico bivalente come il manganese (Mn2+). Considerando lo ione magnesio, questi si va a legare all’ATP a formare il complesso MgATP2-, che è il vero substrato dell’enzima. E va sottolineato che l’attacco nucleofilo da parte di un gruppo ossidrilico (-OH) del glucosio all’atomo di fosforo terminale dell’ATP è facilitato proprio dall’azione degli ioni magnesio che vanno ad interagire con le cariche negative dei gruppi fosforici del nucleoside trifosfato.
La formazione del legame fosfoestereo tra un gruppo fosforico ed il gruppo ossidrilico sul C-6 è termodinamicamente sfavorita e richiede energia per procedere, energia che è fornita dall’ATP. Infatti, mentre la fosforilazione del glucosio sul C-6 ad opera del solo fosfato inorganico ha un ΔG°’ pari a 3,3 kcal/mol (13,8 kJ/mol), ossia è una reazione endoergonica, l’idrolisi dell’ATP a dare ADP e Pi ha un ha un ΔG°’ pari -7,3 kcal/mol (30,5 kJ/mol), ossia è una reazione esoergonica. La reazione netta avrà un ΔG°’ = -7,3 + 3,3 = -4,0 kcal/mol (-30,5 + 13,8 = -16,7 kJ/mol). Nelle condizioni presenti nella cellula la reazione è ancora più favorevole, con un ΔG pari a -8,0 kcal/mol (-33,5 kJ/mol).
Dunque si tratta di una reazione essenzialmente irreversibile.

Nota: in biochimica le fosforilazioni sono reazioni fondamentali catalizzate da enzimi detti chinasi, una sottoclasse delle transferasi. Le chinasi catalizzano il trasferimento del gruppo fosforico terminale, o gruppo fosforico in posizione γ, di un nucleoside trifosfato ad un nucleofilo accettore a formare un legame fosfoestereo. Nello specifico, le esochinasi catalizzano il trasferimento del gruppo fosforico in posizione γ dell’ATP a vari zuccheri a sei atomi di carbonio, o esosi, tra cui, oltre ovviamente al glucosio, anche al fruttosio ed al mannosio.

Perché la fosforilazione del glucosio è importante?

La fosforilazione della molecola del glucosio è importante per almeno alcuni motivi.

  • Il glucosio-6-fosfato grazie alla sua carica negativa e all’assenza sulla membrana plasmatica di trasportatori per gli zuccheri fosforilati non può diffondere attraverso di essa. Quindi, dopo la fosforilazione iniziale non è più necessario spendere energia per mantenere la molecola fosforilata all’interno della cellula, nonostante la grande differenza esistente tra le sue concentrazioni intra- ed extracellulari.
    Considerazioni analoghe valgono per gli altri otto intermedi fosforilati che si ritrovano tra il glucosio-6-fosfato ed il piruvato.
  • La rapida fosforilazione del glucosio mantiene la concentrazione intracellulare dell’esoso bassa, favorendo così il suo passaggio all’interno della cellula.
  • La fosforilazione comporta l’aumento del contenuto in energia della molecola, ossia inizia a destabilizzarla, facilitandone il successivo metabolismo.

Altri destini metabolici del glucosio-6-fosfato

Il glucosio-6-fosfato rappresenta un punto di ramificazione importante del metabolismo del glucosio. Infatti, oltre che proseguire nella via glicolitica, in condizioni anaboliche, può avere destini differenti. Di seguito alcuni esempi.

  • Può essere utilizzato per la sintesi di:
    glicogeno, immagazzinato principalmente nel fegato e nel muscolo;
    polisaccaridi complessi presenti nella matrice extracellulare;
    galattosio;
    glucosammina ed altri zuccheri utilizzati per la glicosilazione delle proteine.
  • Può essere entrare nella via del pentoso fosfato, via attraverso la quale le cellule producono:

NADPH, necessario in generale per le biosintesi riduttive, come quella degli acidi grassi, del colesterolo, degli ormoni steroidei, e dei desossiribonucleotidi, ma anche indispensabile nella prevenzione del danno ossidativo in cellule come i globuli rossi;
riboso-5-fosfato, utilizzato nella sintesi dei nucleotidi ma anche del NADH, FADH2 e del coenzima A.

Reazione 2: isomerizzazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato

Nella seconda tappa della via glicolitica si verifica l’isomerizzazione del glucosio-6-fosfato, un aldoso, a fruttosio-6-fosfato, un chetoso, nella reazione catalizzata dalla fosfoglucosio isomerasi (EC 5.3.1.9).

Glucosio-6-fosfato ⇄ Fruttosio-6-fosfato

Come l’esochinasi, anche la fosfoglucosio isomerasi necessita della presenza di Mg2+.
Il ΔG°’ della reazione è pari a 0,4 kcal/mol (1,7 kJ/mol), mentre il ΔG è di -0,6 kcal/mol (-2,5 kJ/mol). Questo piccolo valore sta ad indicare che la reazione è prossima all’equilibrio ed è facilmente reversibile.
La reazione consiste essenzialmente nel passaggio del gruppo carbonilico  presente sul C-1 della forma a catena aperta del glucosio-6-fosfato al C-2 della forma a catena aperta del fruttosio-6-fosfato.
La reazione enzimatica può essere suddivisa in almeno tre passaggi. Poiché entrambe gli esosi in soluzione acquosa sono presenti principalmente nella forma ciclica, l’enzima deve dapprima aprirne l’anello, catalizzare l’isomerizzazione, e infine richiudere l’anello stesso, portando alla formazione dell’anello a 5 atomi di carbonio del fruttosio-6-fosfato.

I tre passaggi della reazione catalizzata dalla fosfoglucosio isomerasi
Reazione Catalizzata dalla Fosfoglucosio Isomerasi

Questa reazione di isomerizzazione è un passaggio cruciale per la via glicolitica in quanto prepara per le due tappe successive.
Perché?

  • La fosforilazione che si verifica nella reazione successiva, la terza, richiede la presenza di un gruppo alcolico sul C-1, e non di un gruppo carbonilico.
  • Nella quarta tappa si verifica la scissione del legame tra il C-3 ed il C-4, scissione facilitata dalla presenza del gruppo carbonilico sul C-2.

Reazione 3: fosforilazione del fruttosio-6-fosfato a fruttosio-1,6-bisfosfato

Nella terza tappa della via glicolitica si verifica una seconda reazione di fosforilazione nella quale il fruttosio-6-fosfato viene fosforilato sul C-1 a dare fruttosio-1,6-bisfosfato, a spese di una molecola di ATP. La reazione è catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1 o PFK-1, acronimo dell’inglese phosphofructokinase-1 (EC 2.7.1.11).

Fruttosio-6-fosfato + ATP → Fruttosio-1,6-bisfosfato + ADP + H+

La PFK-1 è così chiamata per distinguerla dall’enzima che catalizza la fosforilazione del fruttosio-6-fosfato a fruttosio-2,6-bisfosfato, ossia la fosfofruttochinasi-2 o PFK-2 (EC 2.7.1.105).
Al pari della reazione catalizzata dalla esochinasi/glucochinasi, anche questa fosforilazione è un passaggio essenzialmente irreversibile della glicolisi, irreversibilità di nuovo assicurata dall’accoppiamento, grazie alla PFK-1, con l’idrolisi dell’ATP. Infatti la fosforilazione del fruttosio-6-fosfato ad opera del solo fosfato inorganico è una reazione endoergonica, con un ΔG°’ pari a 3,9 kcal/mol (16,3 kJ/mol), mentre, quando la reazione è accoppiata all’idrolisi dell’ATP, la reazione complessiva diviene esoergonica, con un ΔG°’ = 7,3-3,9 = -3,4 kcal/mol (-30,5 + 16,3 = -14,2 kJ/mol) e un ΔG di -5,3 kcal/mol (-22,2 kJ/mol).
Mentre la esochinasi permette alla cellula di “intrappolare” il glucosio al suo interno, la fosfofruttochinasi-1 evita che lo scheletro carbonioso del monosaccaride sia utilizzato per la sintesi del glicogeno o per la produzione di altri zuccheri), ma venga invece metabolizzato nella via glicolitica. Infatti, a differenza del glucosio-6-fosfato, il fruttosio-1,6-bisfosfato è un metabolita esclusivo della glicolisi/gluconeogenesi. In altri termini, la fosfofruttochinasi-1 catalizza la prima tappa di comando della via glicolitica. Reazioni di questo tipo sono di solito sono catalizzate da enzimi regolati per via allosterica, la cui regolazione impedisce l’accumulo sia dei prodotti intermedi che di quelli finali. La PFK-1 non fa eccezione essendo soggetta ad una fine regolazione allosterica da parte di numerosi metaboliti che segnalano il livello di energia e lo stato ormonale dell’organismo.
Alcuni batteri e protisti, e forse tutte le piante, posseggono una fosfofruttochinasi che utilizza, nella sintesi del fruttosio-1,6-bisfosfato, come donatore del gruppo fosforico non l’ATP ma il pirofosfato, una reazione con un ΔG°’ pari a -12,1 kcal/mol (-2,9 kJ/mol).

Fruttosio-6-fosfato + PPi → Fruttosio-1,6-bisfosfato + Pi

Nota: il prefisso bis– in bisfosfato, come fruttosio-1,6-bisfosfato, sta ad indicare la presenza di due gruppi fosforici separati, mentre il prefisso di– in difosfato, come in adenosina difosfato, indica che sono presenti due gruppi fosforici connessi da un legame anidridico a dare un gruppo pirofosforico.
Regole simili si applicano anche per la denominazione di molecole che presentano tre gruppi fosforici separati, come l’inositolo 1,4,5-trisfosfato, o connessi da legame anidridico come l’ATP o la guanosina trifosfato o GTP.

Reazione 4: scissione del fruttosio-1,6-bisfosfato

Nella quarta tappa della via glicolitica si verifica la scissione reversibile del fruttosio-1,6-bisfosfato in gliceraldeide-3-fosfato, un aldoso, e diidrossiacetone fosfato, un chetoso. La reazione è catalizzata dalla fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi o semplicemente aldolasi (EC 4.1.2.13), che catalizza la scissione del legame tra il C-3 ed il C-4.

Fruttosio-1,6-bisfosfato ⇄ Diidrossiacetone Fosfato + Gliceraldeide-3-fosfato

Tutti gli intermedi glicolitici a valle di questa reazione sono molecole a tre atomi di carbonio anziché a 6 come le precedenti.
Il ΔG°’ della reazione nella direzione della produzione di gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato è positivo, pari a 5,7 kcal/mol (23,8 kJ/mol), mentre la Km è pari a circa 10-4 M, valori che indicherebbero che la reazione non procede da sinistra verso destra. In realtà nelle normali condizioni cellulari, a causa delle basse concentrazioni dei reagenti presenti nella cellula, il ΔG è pari a -0,3 kcal/mol (-1,3 kJ/mol), un valore molto piccolo, per cui la reazione è facilmente reversibile, ossia essenzialmente all’equilibrio.

Nota: l’enzima aldolasi deriva il nome proprio nome dalla natura della reazione inversa, ossia una condensazione aldolica.

Reazione 5: isomerizzazione del diidrossiacetone fosfato a gliceraldeide-3-fosfato

Dei due prodotti della reazione catalizzata dalla aldolasi, la gliceraldeide-3-fosfato si trova sulla via diretta della glicolisi, al contrario del diidrossiacetone fosfato che come tale non può proseguire. Per farlo deve essere convertito, isomerizzato, a gliceraldeide-3-fosfato. Suddetta isomerizzazione avviene nella reazione catalizzata dalla trioso fosfato isomerasi (EC 5.3.1.1).

Diidrossiacetone fosfato ⇄ Gliceraldeide-3-fosfato

La trioso fosfato isomerasi, nel convertire il diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide-3-fosfato, catalizza il trasferimento di un atomo di idrogeno dal C-1 a C-2, ossia una ossidoriduzione intramolecolare. In pratica l’enzima fa si che i carboni C-1, C-2 e C-3 della molecola di glucosio di partenza divengano equivalenti rispettivamente ai carboni C-6, C-5 e C-4.
Il risultato netto dell’azione della aldolasi e della trisofosfato isomerasi è dunque la produzione di due molecole di gliceraldeide-3-fosfato.
Il ΔG°’ della reazione è pari a 1,8 kcal/mol (7,5 kJ/mol), mentre il ΔG è pari a 0,6 kcal/mol (2,5 kJ/mol). All’equilibrio, circa il 96% del triosofosfato presente sarebbe rappresentato dal diidrossiacetone fosfato. Tuttavia ciò non accade, e la reazione procede rapidamente verso la formazione della gliceraldeide-3-fosfato grazie alla tappa successiva della via glicolitica che rimuove la gliceraldeide-3-fosfato prodotta.
Una delle caratteristiche distintive della trioso fosfato isomerasi è la sua grande capacità catalitica. L’enzima è infatti considerato cineticamente perfetto. Perché? Se si considera la velocità con cui avviene l’isomerizzazione in presenza di un catalizzatore basico come può essere l’acetone, l’enzima è in grado di accelerarla di un fattore 1010. Infatti, analizzando il rapporto Kcat/KM questi è pari a 2×108 M-1s-1, valore prossimo alla limite controllato dalla diffusione. Quindi, il passaggio limitante nella catalisi è l’incontro tra enzima e substrato controllato appunto dalla diffusione.
Considerando dal punto di vista energetico gli ultimi due passaggi della glicolisi, questi sono sfavorevoli, con ΔG°’ pari a 7,5 kcal/mol (31,3 kJ/mol), mentre il ΔG°’complessivo dei primi 5 passaggi è pari a 0,5 kcal/mol (2,1 kJ/mol), con una Keq complessiva di circa 0,43. Ed è l’energia libera derivante dall’idrolisi delle due molecole di ATP che, in condizioni standard, sposta la costante di equilibrio complessiva vicino ad uno. Se invece si considera il ΔG questi è ampiamente negativo, -13,6 kcal/mol (-56,8 kJ/mol).

Nota: il diidrossiacetone fosfato può anche essere ridotto a glicerolo-3-fosfato nella reazione catalizzata dalla glicerolo-3-fosfafo deidrogenasi (EC 1.1.1.8).

Diidrossiacetone fosfato + NADH + H+ ⇄ Glicerolo-3-fosfato + NAD+

L’enzima fa da ponte tra il metabolismo glucidico e lipidico in quanto il glicerolo-3-fosfato prodotto è utilizzato nella sintesi di lipidi come i trigliceridi.
Questa via è particolarmente importante nel tessuto adiposo e nell’intestino tenue.

Reazione 6: da gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato

Nella sesta tappa della via glicolitica, la prima della seconda fase, si verifica l’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato a dare 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG, acronimo dell’inglese 1,3-bisphosphoglycerate) e la concomitante riduzione del NAD+ a NADH. La reazione è catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12).

Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + Pi ⇄ 1,3-Bisfosfoglicerato + NADH + H+

Questa reazione è la prima delle due reazione della glicolisi in cui viene resa disponibile l’energia chimica necessaria per la successiva sintesi dell’ATP; l’altra è quella catalizzata dalla enolasi (EC 4.2.1.11). Perché?
La reazione è la somma di due processi.

  • Nella prima reazione si verifica l’ossidazione del gruppo aldeidico a gruppo carbossilico, passaggio nel quale il NAD+ funge da agente ossidante. La reazione è fortemente esoergonica, con un ∆G’° di -10,3 kcal/mol (-43 kJ/mol).
  • Nella seconda reazione si verifica la formazione del legame tra l’ortofosfato ed il gruppo carbossilico sul C-1 dell’1,3-bisfosfoglicerato a dare un’anidride mista, detta acil fosfato. Questa reazione è fortemente endoergonica, con ∆G’° di 11,8 23kcal/mol (49,3 kJ/mol).

Affinché possa verificarsi la formazione dell’acil fosfato, le due reazioni precedenti non debbono avvenire in successione ma debbono essere accoppiate. In questo modo l’ossidazione dell’aldeide viene utilizzata per guidare la formazione dell’anidride mista, con un ΔG°’ complessivo leggermente endoergonico, 1,5 kcal/mol (6,3 kJ/mol), mentre il valore del ΔG è 0,6 kcal/mol (2,5 kJ/mol).
Dunque la maggior parte dell’energia libera derivante dall’ossidazione del gruppo aldeidico anziché dissiparsi in calore viene conservata  grazie alla formazione dell’acil fosfato.

Nota: la riduzione, reversibile dell’anello nicotinamidico del NAD+ o del NADP+ è conseguente alla perdita di due atomi di idrogeno da parte di un’altra molecola, in questo caso il gruppo aldeidico della gliceraldeide-3-fosfato, che quindi si ossida, e al successivo trasferimento di uno ione idruro, ossia due elettroni ed un protone, all’anello suddetto. L’H+ rimanente è rilasciato nel mezzo acquoso. Di seguito le semireazioni per entrambe i coenzimi.

NAD+ + 2 e + 2 H+ → NADH + H+

NADP+ + 2 e + 2 H+ → NADPH + H+

Reazione 7: fosfoglicerato chinasi e produzione di ATP

Nella settima tappa della via glicolitica si verifica il trasferimento del gruppo fosforico ad alta energia dall’acil fosfato dell’1,3-bisfosfoglicerato all’ADP con formazione di ATP e 3-fosfoglicerato. La reazione è catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi (EC 2.7.2.3).

1,3-Bisfosfoglicerato + ADP + H+ ⇄ 3-Fosfoglicerato + ATP

Il ΔG°’ della reazione è pari a -4,4 kcal/mol (-18,5 kJ/mol), quindi si tratta di una reazione esoergonica. Il ΔG è pari a 0,3 kcal/mol (1,3 kJ/mol).
L’elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell’acil fosfato viene sfruttato per la fosforilazione dell’ADP, reazione definita fosforilazione a livello del substrato. In altri termini, parte dell’energia rilasciata nel corso dell’ossidazione del gruppo aldeidico nel passaggio precedente viene ora conservata attraverso la formazione di ATP dall’ADP e Pi.
La reazione catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi è la prima delle due reazione della glicolisi in cui parte dell’energia chimica presente nella molecola del glucosio viene conservata in forma di ATP. E, poiché dall’azione dell’aldolasi e della trioso fosfato isomerasi, reazione 4 e 5, si formano due molecole di gliceraldeide-3-fosfato per molecola di glucosio, in questo passaggio sono prodotte due molecole di ATP che vanno a “pareggiare” le due molecole di ATP consumate nella fase preparatoria.
Nota: la fosfoglicerato chinasi prende il nome dalla reazione che procede nella direzione opposta rispetto a quella appena descritta, ossia la fosforilazione del 3-fosfoglicerato a dare 1,3-bisfosfoglicerato a spese di una  molecola di ATP. L’enzima infatti, al pari di tutti gli altri enzimi, è in grado di catalizzare la reazione in entrambe le direzioni. E la direzione che porta alla sintesi dell’1,3-bisfosfoglicerato è seguita durante la fissazione fotosintetica della CO2 e la gluconeogenesi.

La reazione sei e la sette nel loro insieme rappresentano un processo di accoppiamento energetico in cui l’intermedio comune è rappresentato dall’1,3-bisfosfoglicerato. Mentre la reazione che porta alla sintesi dell’1,3-bisfosfoglicerato è endoergonica, con un ΔG°’ = 1,5 kcal/mol (6,3 kJ/mol), la seconda è esoergonica, ΔG°’ = -4,4 kcal/mol (-18,5 kJ/mol). Il ΔG°’ complessivo è pari a (-4,4 + 1,5) = 2,9 kcal/mol (-18,5 + 6,3 = 12,2 kJ/mol), ossia la razione catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi è sufficientemente esoergonica da “trascinare” anche la precedente, rendendo la reazione complessiva esoergonica.

Gliceraldeide-3-fosfato + ADP + Pi + NAD+ ⇄ 3-Fosfoglicerato + ATP + NADH + H+

In verità, la reazione della fosfoglicerato chinasi è sufficientemente esoergonica da trascinare anche le reazioni catalizzate dalla aldolasi e dalla trioso fosfato isomerasi.

Che cos’è la fosforilazione a livello del substrato?

Viene definita fosforilazione a livello del substrato la produzione di ATP a seguito del trasferimento di un gruppo fosforico da un substrato all’ADP, un processo che coinvolge enzimi solubili e intermedi chimici.
Esiste anche un secondo tipo di fosforilazione per la sintesi dell’ATP definita fosforilazione accoppiata alla catena respiratoria o fosforilazione ossidativa, che invece coinvolge enzimi di membrana e gradienti protonici transmembrana.

Poiché l’energia libera standard di idrolisi del gruppo fosforico sul C-3 del 3-fosfoglicerato è pari a -3 kcal/mol (-12,5 kJ/mol), non è possibile alcuna sintesi di ATP dall’ADP e dal 3-fosfoglicerato stesso. Le due reazioni successive della glicolisi porteranno alla conversione del 3-fosfoglicerato in fosfoenolpiruvato, una molecola con un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico sufficientemente alto da permettere la sintesi di ATP.

Reazione 8: da 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato

Nell’ottava tappa della via glicolitica il 3-fosfoglicerato viene convertito in 2-fosfoglicerato, in una reazione reversibile catalizzata dalla fosfoglicerato mutasi (EC 5.4.2.1). La reazione richiede la presenza di Mg2+, ha un ΔG molto basso, pari a circa 0,2 kcal/mol (0,8 kJ/mol) ed un ΔG°’ pari a 1,1 kcal/mol (4,4 kJ/mol).
L’enzima è una mutasi, enzimi che catalizzano lo spostamento intramolecolare di un gruppo chimico, in questo caso lo spostamento di un gruppo fosforico dal C-3 al C-2 del 3-fosfoglicerato. A loro volta le mutasi sono una sottoclasse delle isomerasi.
Il meccanismo con cui si svolge questa reazione dipende dal tipo di organismo considerato. Ad esempio, nel lievito o nel muscolo di coniglio la reazione avviene in due passaggi e comporta la formazione di un intermedio fosfo-enzima. Nella prima parte della reazione un gruppo fosforico legato covalentemente ad un residuo di istidina presente nel sito attivo viene trasferito all’ossidrile presente sul C-2 del 3-fosfoglicerato a dare il 2,3-bisfosfoglicerato. Nel passaggio successivo l’enzima opera come una fosfatasi convertendo il 2,3-bisfosfoglicerato in 2-fosfoglicerato; tuttavia il gruppo fosforico presente sul C-3 non viene rilasciato ma si lega al residuo di istidina del sito attivo a rigenerare l’intermedio enzima-His-fosfato. Schematicamente:

Enzima-His-fosfato + 3-Fosfoglicerato ⇄ Enzima-His + 2,3-Fosfoglicerato

Enzima-His + 2,3-Bisfosfoglicerato ⇄ Enzima-His-fosfato + 2-Fosfoglicerato

Vale la pena notare che il gruppo fosforico del 2-fosfoglicerato prodotto non è lo stesso di quello del substrato 3-fosfoglicerato.
All’incirca una volta ogni 100 passaggi catalitici il 2,3-bisfosfoglicerato si dissocia dal sito attivo dall’enzima, lasciandolo privo dell’istidina fosforilata, e quindi in forma inattiva. L’enzima in forma inattiva può essere riattivato dal 2,3-BPG, che è quindi necessario sia sempre presente in piccole quantità. E il 2,3-bisfosfoglicerato è in effetti presente in piccole quantità nella maggior parte delle cellule, tranne i globuli rossi, dove agisce anche come inibitore allosterico riducendo l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno, e dove la sua concentrazione è di circa 4-5 mM.

Nota: il 3-fosfoglicerato, oltre che proseguire nella via glicolitica, può essere utilizzato anche per la sintesi della serina, da cui derivano glicina e cisteina. La sintesi della serina ha inizio con la reazione catalizzata dalla fosfoglicerato deidrogenasi (EC 1.1.1.95), in cui si verifica l’ossidazione del 3-fosfoglicerato a 3-fosfoidrossipiruvato e la concomitante riduzione del NAD+ a NADH. Questa reazione costituisce anche il passaggio limitante dell’intera via biosintetica, in quanto la serina inibisce l’attività della deidrogenasi.

Sintesi del 2,3-bisfosfoglicerato e lo shunt glicolitico di Rapoport-Luebering

L’1,3-bisfosfoglicerato può essere convertito, oltre che in 3-fosfoglicerato, anche in 2,3-bisfosfoglicerato.
Nei globuli rossi la reazione è catalizzata dalla bisfosfoglicerato mutasi, una delle tre isoforme con cui nei mammiferi è presente la fosfoglicerato mutasi. L’enzima necessita della presenza del 3-fosfoglicerato in quanto catalizza il trasferimento intermolecolare di un gruppo fosforico dal C-1 dell’1,3-bisfosfoglicerato al C-2 del 3-fosfoglicerato. Nella reazione quindi il 3-fosfoglicerato di partenza diviene il 2,3-BPG, mentre l’1,3-BPG diviene il nuovo 3-fosfoglicerato. L’attività di mutasi dell’enzima è riconosciuta come EC 5.4.2.4.

Sintesi del 2,3-bisfosfoglicerato dall'1,3-bisfosfoglicerato
Sintesi del 2,3-BPG

Il 2,3-bisfosfoglicerato può essere quindi idrolizzato a dare 3-fosfoglicerato nella reazione catalizzata dall’attività fosfatasica della bisfosfoglicerato mutasi, che rimuove il gruppo fosforico in posizione C-2. Tale attività è riconosciuta come EC 3.1.3.13. L’enzima è anche capace di catalizzare l’interconversione del 2-fosfoglicerato e 3-fosfoglicerato per cui è un enzima trifunzionale. Il 3-fosfoglicerato può quindi rientrare nella via glicolitica. Questa deviazione dalla glicolisi, chiamata anche ciclo o shunt glicolitico di Rapoport-Luebering, porta si alla sintesi del 3-fosfoglicerato ma senza alcuna produzione di ATP.
Le altre due isoforme della fosfoglicerato mutasi, la fosfoglicerato mutasi 1 o tipo M, presente nel muscolo, e la 2 o tipo B, presente in tutti gli altri tessuti, sono capaci di catalizzare, oltre che l’interconversione del 2-fosfoglicerato e 3-fosfoglicerato, anche i due passaggi dello shunt glicolitico di Rapoport-Luebering, sebbene con efficacia inferiore rispetto alla reazione glicolitica. Dunque sono anch’essi enzimi trifunzionali.

Reazione 9: produzione del fosfoenolpiruvato

Nella nona tappa della via glicolitica si verifica la deidratazione, la rimozione di una molecola di acqua, del 2-fosfoglicerato a dare fosfoenolpiruvato, un enolo. La reazione, reversibile, è catalizzata dalla enolasi.

2-Fosfoglicerato ⇄ Fosfoenolpiruvato + H2O

La reazione richiede la presenza di Mg2+ che va a stabilizzare l’intermedio enolico che si forma nel corso del processo.
Il ΔG°’ della reazione è pari a 1,8 kcal/mol (7,5 kJ/mol), mentre il ΔG è pari a -0,8 kcal/mol (-3,3 kJ/mol).
Come anticipato fosfoenolpiruvato ed 1,3-bisfosfoglicerato sono gli unici due intermedi della glicolisi a possedere un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico sufficiente a permettere la sintesi dell’ATP. Da dove deriva l’elevata energia libera standard di idrolisi del gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato?
Sebbene fosfoenolpiruvato e 2-fosfoglicerato contengano all’incirca la stessa quantità totale di energia, rispetto alla decomposizione a CO2 e H2O e Pi, la deidratazione del 2-fosfoglicerato porta ad una diversa ridistribuzione della stessa, tale che l’energia libera standard di idrolisi dei due gruppi fosforici corrisponde a:

  • -4,2 kcal/mol (-17,6 kJ/mol) per il 2-fosfoglicerato, un estere fosforico;
  • -14,8 kcal/mol (-61,9 kJ/mol) per il fosfoenolpiruvato, un enol fosfato.

Quello che accade è che il gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato intrappola la molecola nella sua forma enolica, instabile. Quando, nell’ultima reazione della via glicolitica, il fosfoenolpiruvato cede il gruppo fosforico all’ADP si formano ATP e la forma enolica del piruvato, instabile, che rapidamente e non enzimaticamente tautomerizza alla più stabile forma chetonica, prevalente a pH 7. Quindi, alla base dell’elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato c’è la successiva tautomerizzazione enolo-chetone del piruvato.

Reazione 10: produzione di piruvato e ATP

Nell’ultimo passaggio della via glicolitica si verifica il trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all’ADP con produzione di una molecola di ATP e una di piruvato.

Fosfoenolpiruvato + ADP + H+ → Piruvato + ATP

La reazione, la seconda fosforilazione a livello del substrato della glicolisi, è catalizzata dalla piruvato chinasi, enzima tetramerico la cui attività, al pari della PFK-1, è altamente regolata. Infatti l’enzima possiede siti di legame per numerosi effettori allosterici. Inoltre nei vertebrati sono presenti tre forme isoenzimatiche, di cui una prevalente nel fegato, indicata come forma L, e un’altra, detta forma M, prevalente nel muscolo e nel cervello. I diversi isoenzimi hanno molte proprietà in comune, ma differiscono, oltre che nella distribuzione tissutale, anche nella risposta ad ormoni quali glucagone, epinefrina ed insulina.
L’attività dell’enzima è stimolata dallo ione potassio, K+, e da alcuni altri cationi monovalenti.
La reazione è essenzialmente irreversibile, con un ΔG°’ pari a -7,5 kcal/mol (-31,4 kJ/mol), e un ΔG pari a -4,0 kcal/mol (-16,7 kJ/mol), irreversibilità in gran parte dovuta, come anticipato nel paragrafo precedente, alla rapida tautomerizzazione spontanea del piruvato dalla forma enolica a quella chetonica.

Forme tautomeriche, enolica e chetonica, del piruvato
Tautomeri, Enolico e Chetonico, del Piruvato

E, delle 14,8 kcal/mol (-61,9 kJ/mol) derivanti dall’idrolisi dell’enol fosfato del fosfoenolpiruvato, circa la metà viene conservata grazie alla formazione del legame fosfoanidridico tra Pi e ADP, il cui ΔG°’ di idrolisi è pari a -7,3 kcal/mol (-30,5 kJ/mol). La restante energia, -7,5 kcal/mol (-31,4 kJ/mol), è la forza trainante che spinge la reazione verso la produzione di ATP.
Se, con la reazione catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi venivano pareggiate le due molecole di ATP spese nella fase preparatoria della glicolisi, con la reazione catalizzata dalla piruvato chinasi si ha un guadagno netto di due molecole di ATP per molecola di glucosio.

Destino del piruvato e del NADH prodotti nella glicolisi

I prodotti della glicolisi sono tre: ATP, piruvato e NADH.
Il NADH deve essere riossidato a NAD+ per permettere alla glicolisi di procedere.
Il NAD+, un coenzima derivante dalla vitamina niacina, è presente nella cellula in quantità limitata, ≤ 10-5M, valore ben inferiore a quello del glucosio metabolizzato in pochi minuti, e deve essere quindi continuamente rigenerato. E il passaggio finale della via glicolitica è proprio la sua rigenerazione dal NADH attraverso vie metaboliche aerobiche o anaerobiche, ognuna delle quali comporta un ulteriore metabolismo del piruvato, vie che permettono quindi il mantenimento del bilancio redox della cellula.
Il piruvato è una molecola assai versatile che può entrare in diverse vie metaboliche, sia anaboliche che cataboliche, a seconda del tipo di cellula, dello stato energetico della cellula e della disponibilità di ossigeno.

Tre possibili destini catabolici del piruvato prodotto nella glicolisi
Catabolismo del Piruvato

Con l’esclusione di alcune “variazioni” che si incontrano nel mondo dei batteri, sfruttate anche dall’industria alimentare per la produzione di vari alimenti tra cui molti formaggi, sono essenzialmente tre le vie cataboliche che possono essere imboccate dal piruvato:

  • la riduzione ad acido lattico, attraverso la fermentazione lattica;
  • la riduzione ad alcol etilico, attraverso la fermentazione alcolica;
  • l’ossidazione aerobica.

Questo permette alla glicolisi di procedere sia in condizioni anaerobiche che aerobiche.
E’ quindi anche possibile affermare, ampliando la visuale, che il destino catabolico dello scheletro carbonioso del glucosio è influenzato dal tipo di cellula, dal suo stato energetico e dalla disponibilità di ossigeno.

Fermentazione lattica

Negli animali, con poche eccezioni, ed in molti microrganismi quando la disponibilità di ossigeno non è sufficiente a soddisfare le richieste energetiche della cellula, o se la cellula è priva di mitocondri, il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ridotto a lattato nella reazione catalizzata dall’enzima citosolico lattico deidrogenasi (EC 1.1.1.27).

Piruvato + NADH + H+ ⇄ Lattato + NAD+

Nella reazione il NADH fornisce gli equivalenti riducenti e si ossida a NAD+. L’equilibrio complessivo della reazione favorisce fortemente la formazione del lattato, come testimoniato anche del valore del ΔG°’ pari a -6 kcal/mol (-25,1 kJ/mol).
La conversione del glucosio in acido lattico viene definita fermentazione lattica. L’equazione complessiva del processo è:

Glucosio + 2 Pi + 2 ADP + 2 H+ → 2 Lattato + 2 ATP + 2 H2O

Si noti che la fermentazione, scoperta da Louis Pasteur che la definì “la vie sans l’air”, è un processo che:

  • estrae energia dalla molecola del glucosio immagazzinandola in forma di ATP;
  • non consuma ossigeno;
  • non modifica la concentrazione del NAD+ o del NADH.

Riguardo ai coenzimi si noti che nell’equazione complessiva della fermentazione lattica non compaiono ne NAD+ ne NADH, sebbene entrambe cruciali nel processo. Quindi non si verifica alcuna ossidoriduzione netta. In altri termini, nel passaggio da glucosio C6H12O6, a lattato, C3H6O3, il rapporto H:C non varia.
Dal punto di vista energetico va sottolineato che la fermentazione permette di estrarre una ridotta quantità dell’energia chimica contenuta nella molecola del glucosio.

Nell’uomo molto del lattato prodotto entra nel ciclo di Cori, per essere riutilizzato nella gluconeogenesi. In definitiva si può anche affermare che la produzione di lattato sposta parte del carico metabolico dalla periferia, ad esempio dal muscolo scheletrico di un atleta impegnato in un esercizio molto inteso, come uno sprint, quando la velocità della glicolisi può quasi istantaneamente aumentare anche di 2000 volte, al fegato.
Al contrario del muscolo scheletrico che rilascia in circolo lattato, il muscolo cardiaco è in grado di assumere lattato ed utilizzarlo come carburante per produrre ATP, grazie alle proprietà dell’isoenzima cardiaco della lattico deidrogenasi, indicato come H4, e al suo metabolismo completamente aerobico. Quindi, parte del lattato rilasciato dal muscolo scheletrico sottoposto ad un lavoro inteso sarà utilizzato dal muscolo cardiaco come carburante.

Nota: il lattato prodotto dai microorganismi durante la fermentazione lattica è responsabile sia del profumo che del gusto dei crauti, ossia dei cavoli fermentati, come anche del gusto del latte acido.

Fermentazione alcolica

In microorganismi come il lievito di birra e il lievito da panificazione, ma anche in certi tessuti vegetali, e in alcuni invertebrati e protisti, il piruvato, in condizioni ipossiche o anerobiche, può essere ridotto in due passaggi ad alcol etilico o etanolo, con liberazione di CO2.
Il primo passaggio comporta la decarbossilazione non ossidativa del piruvato a dare acetaldeide, una reazione essenzialmente irreversibile. La reazione è catalizzata dalla piruvato decarbossilasi (EC 4.1.1.1), enzima che richiede la presenza di Mg2+ e tiamina pirofosfato, un coenzima derivante dalla vitamina tiamina o vitamina B1. L’enzima è assente nei tessuti dei vertebrati e negli altri organismi che operano la fermentazione lattica.
Nel secondo passaggio si verifica la riduzione dell’acetaldeide ad etanolo nella reazione catalizzata dalla alcol deidrogenasi (EC 1.1.1.1), enzima che ha un atomo di zinco legato nel sito attivo. Nella reazione il NADH fornisce gli equivalenti riducenti e si ossida a NAD+. A pH neutro, l’equilibrio della reazione è fortemente spostato verso la formazione dell’alcol etilico.
La conversione del glucosio in etanolo e CO2 viene definita fermentazione alcolica. La reazione complessiva è:

Glucosio + 2 Pi + 2 ADP + 2 H+ → 2 Etanolo + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

E, al pari della fermentazione lattica, anche nella fermentazione alcolica non si verifica alcuna ossido-riduzione netta.

La fermentazione alcolica è alla base della produzione della birra  e del vino. Da notare che la CO2 prodotta dal lievito di birra è responsabile delle caratteristiche bollicine della birra, dello champagne e dello spumante, mentre quella prodotta dal lievito usato nella panificazione porta alla lievitazione dell’impasto.

Destino del piruvato e del NADH in condizioni aerobiche

Nelle cellule dotate di mitocondri e in condizioni aerobiche, la situazione più comune negli organismi multicellulari e in molti unicellulari, l’ossidazione del NADH ed il catabolismo del piruvato seguono vie distinte.
Il piruvato viene dapprima convertito in acetil-CoA nelle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi, un  complesso multienzimatico mitocondriale. Nella reazione, una decarbossilazione ossidativa, la molecola perde un atomo di carbonio in forma di CO2, e l’unità a due atomi di carbonio rimanente è legata al coenzima A a dare acetil-coenzima A o semplicemente acetil-CoA.

Piruvato + NAD+ + CoA → Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

Il gruppo acetilico dell’acetil-CoA è quindi completamente ossidato a CO2 attraverso le reazioni del ciclo dell’acido citrico, con produzione di ulteriore NADH, ed anche di FADH2. Il complesso della piruvato deidrogenasi rappresenta quindi un ponte tra la glicolisi, che si verifica nel citosol, e il ciclo dell’acido citrico, una via metabolica mitocondriale.
Gli elettroni derivati dalle ossidazioni che si verificano durante la glicolisi sono trasportati nel mitocondrio a seguito della riduzione di intermedi metabolici citosolici. In questo modo nel citosol viene rigenerato NAD+ dal NADH, mentre l’intermedio ridotto, una volta nella matrice mitocondriale, è riossidato grazie al trasferimento dei suoi equivalenti riducenti al Complesso I della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale. In questa sede gli elettroni passano all’ossigeno a dare H2O, trasferimento che fornisce l’energia necessaria per la sintesi dell’ATP attraverso il processo della fosforilazione ossidativa. Ovviamente anche gli elettroni trasportati dal NADH prodotto nelle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi e nel ciclo dell’acido citrico, e quelli del FADH2, seguono un analogo destino.
Nota: il FADH2 cede i suoi equivalenti riducenti non al Complesso I ma al Complesso II.

Destino anabolico del piruvato

In condizioni anaboliche lo scheletro carbonioso del piruvato può avere destini diversi dalla completa ossidazione a CO2, o dalla conversione in lattato. Infatti, previa conversione in acetil-CoA, potrà essere utilizzato ad esempio per la sintesi degli acidi grassi, o dell’aminoacido alanina.

Glicolisi e produzione di ATP

Nella via glicolitica una molecola di glucosio viene convertita in due di piruvato.
Nella prima fase, la fase preparatoria, sono consumate due molecole di ATP nelle reazioni catalizzate dalla esochinasi e dalla PFK-1. Nella seconda fase, la fase di recupero energetico, sono prodotte 4 molecole di ATP attraverso fosforilazioni a livello del substrato nelle reazioni catalizzate dalla fosfoglicerato chinasi e dalla piruvato chinasi. Quindi si ha un guadagno netto di due molecole di ATP per molecola di glucosio metabolizzata. In più, nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, per ogni molecola di glucosio sono prodotte due molecole di NADH.

Variazioni dell'energia libera delle reazioni della glicolisi
ΔG°’ e ΔG delle Reazioni della Glicolisi

Il ΔG°’ dell’intero processo è pari a -20,3 kcal/mol (-85 kJ/mol), valore che deriva dalla differenza tra il ΔG°’ della conversione del glucosio in due molecole di piruvato, pari a -34,9 kcal/mol (146 kJ/mol), e il ΔG°’ della formazione dell’ATP da ADP e Pi, pari a 2 x 7,3 kcal/mol = 14,6 kcal/mol (2 x 30,5 kJ/mol = 61 kJ/mol). Di seguito le due reazioni.

Glucosio + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 NADH + 2 H+

2 ADP + 2 Pi → 2 ATP + 2 H2O

La somma delle due reazioni da la reazione complessiva della glicolisi.

Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H20

Dunque, in condizioni standard, la quantità di energia libera rilasciata che viene immagazzinata nell’ATP corrisponde a: (14,6/34,9) x 100 = 41,8 % .

Nota: l’equazione complessiva della glicolisi può anche essere derivata considerando tutti i reagenti in ingresso ed i prodotti.

Glucosio + 2 ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi → 2 Piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2 H+ + 4 ATP + 2 H20

Eliminando i termini comuni si ottiene l’equazione complessiva mostrata sopra.

Glicolisi e produzione di ATP in condizioni anaerobiche

In condizioni anaerobiche, a prescindere da quello che sarà il destino metabolico del piruvato, conversione in lattato, etanolo o altre molecole, non sono prodotte altre molecole di ATP a valle della glicolisi.
Quindi in queste condizioni la glicolisi permette di estrarre solamente una frazione dell’energia chimica contenuta nella molecola del glucosio, pari a 679 kcal/mol (2840 kJ/mol) rilasciate a seguito della sua ossidazione a CO2 e H20. Infatti, la conversione del glucosio in due molecole di piruvato porta al rilascio di 34,9 kcal/mol, il che significa che solamente il 5%, [(34,9/679) x 100], dell’energia chimica contenuta nella molecola del glucosio è rilascia a seguito della sua conversione in piruvato. Quindi il piruvato contiene ancora la maggior parte dell’energia chimica del glucosio.
Analogamente, neppure i 4 elettroni, in forma di ioni idruro, trasportati dalle due molecole di NADH potranno essere utilizzati per la produzione di ATP.
Considerando la fermentazione lattica, il ΔG°’ associato alla conversione di una molecola di glucosio in due di lattosio è pari a -43,9 kcal/mol (-183,6 kJ/mol) e la percentuale dell’energia libera rilasciata ed immagazzinata in forma di ATP sarà pari a: (14,6/43,9) x 100 = 33,2%, mentre se si considera la sola glicolisi la percentuale è del 41,8%. Da notare che nelle condizioni intracellulari la quantità di energia libera necessaria per la sintesi dell’ATP da ADP e Pi è molto più elevata di quella in condizioni standard, per cui la percentuale dell’energia libera disponibile immagazzinata è maggiore, pari a circa il 50% del totale.

Glicolisi e produzione di ATP in condizioni aerobiche

In condizioni aerobiche, nelle cellule dotate di mitocondri, la quantità di energia chimica che può essere estratta dalla molecola del glucosio ed immagazzinata in forma di ATP è molto maggiore rispetto a quanto accade in assenza di ossigeno.
Se si considerano solo le due molecole di NADH prodotte durante la glicolisi, il trasferimento dei loro 4 equivalenti riducenti lungo la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale permette la produzione di 2-3 molecole di ATP per coppia di elettroni attraverso la fosforilazione ossidativa. In questo caso si avrà una produzione netta di ATP compresa tra 6 ed 8 molecole per ogni molecola di glucosio ossidata a due di piruvato, dalla glicolisi e 4-6 dalla fosforilazione ossidativa.

Nota: la quantità complessiva di ATP prodotta dagli equivalenti riducenti del NADH dipende dal sistema attraverso cui gli equivalenti riducenti del coenzima ridotto entrano nel mitocondrio.

Se invece si analizza l’azione concertata della glicolisi, del complesso della piruvato deidrogenasi, del ciclo dell’acido citrico, della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale e della fosforilazione ossidativa, viene estratta ed immagazzinata in forma di ATP molta altra dell’energia chimica disponibile presente nel monosaccaride. In questo caso, secondo quanto riportato dal Lehninger sono prodotti 30-32 ATP/molecola di glucosio, sebbene recenti stime suggeriscano una produzione netta pari a 29,85 ATP/molecola di glucosio, o 29,38 ATP/molecola di glucosio se anche l’ATP derivato dal GTP, prodotto dal ciclo dell’acido citrico, viene esportato. Considerando entrambe le stime, la produzione di ATP è circa 15 volte maggiore rispetto a quanto accade in assenza di ossigeno.

Vie di alimentazione della glicolisi

Oltre al glucosio, altri carboidrati, sia semplici che complessi, possono essere catabolizzati attraverso la glicolisi, previa conversione enzimatica in uno degli intermedi della via metabolica stessa.
Tra i più importanti si ritrovano:

  • due polisaccaridi di deposito, il glicogeno e l’amido;
  • diversi disaccaridi quali saccarosio, maltosio, lattosio e trealosio;
  • i monosaccaridi galattosio e fruttosio; un terzo monosaccaride è il mannosio, meno comune rispetto ai precedenti.
Vie metaboliche per catabolizzare carboidrati differenti dal glucosio nella glicolisi
Vie di Alimentazione della Glicolisi

L’amido ed i disaccaridi assunti con l’alimentazione debbono subire il processo di digestione a livello intestinale nei rispettivi monosaccaridi prima essere assorbiti. Una volta nel circolo venoso raggiungono attraverso la vena porta il fegato, ed è principalmente in questa sede che sono metabolizzati.

Glicogeno ed amido

Per quanto riguarda il catabolismo fosforolitico dell’amido e del glicogeno endogeno si rimanda ai rispettivi articoli.

Fruttosio

In condizioni fisiologiche, il fegato rimuove dal circolo ematico molto del fruttosio ingerito, prima che lo stesso possa raggiungere i tessuti extraepatici.
La via metabolica epatica che porta alla conversione del monosaccaride in intermedi della glicolisi si compone di alcuni passaggi.
Nel primo il fruttosio viene fosforilato a fruttosio-1-fosfato nella reazione catalizzata dalla fruttochinasi (EC 2.7.1.4), con consumo di una molecola di ATP.

Fruttosio + ATP → Fruttosio-1-fosfato + ADP + H+

La reazione richiede la presenza di ioni magnesio.
Come per il glucosio, anche per il fruttosio la fosforilazione ha come effetto quello di intrappolare la molecola all’interno della cellula.
Nel secondo passaggio il fruttosio-1-fosfato viene scisso a diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide, nella reazione catalizzata dalla fruttosio-1-fosfato aldolasi.

Fruttosio-1-fosfato→ Diidrossiacetone Fosfato + Gliceraldeide

Il diidrossiacetone fosfato è un intermedio della glicolisi e prosegue lungo la via previa conversione in gliceraldeide-3-fosfato. Invece, la gliceraldeide, che non è un intermedio della via glicolitica, viene fosforilata a gliceraldeide-3-fosfato nella reazione catalizzata dalla trioso chinasi (EC 2.7.1.28), con consumo di una seconda molecola di ATP.

Gliceraldeide + ATP → Gliceraldeide-3-fosfato + ADP + H+

La reazione richiede la presenza di ioni Mg2+.
Quindi nell’epatocita, una molecola di fruttosio viene convertita in due di gliceraldeide-3-fosfato, con consumo di due molecole di ATP, come per il glucosio.

Fruttosio + 2 ATP → 2 Gliceraldeide-3-fosfato +2 ADP +2 H+

Fruttosio ed esochinasi

In sedi extraepatiche come il muscolo scheletrico, il rene o il tessuto adiposo non è presente la fruttochinasi, ed il fruttosio entra nella via glicolitica in forma di fruttosio-6-fosfato. Infatti tra i substrati della esochinasi c’è anche il fruttosio, che viene fosforilato in posizione C-6.

Fruttosio + ATP → Fruttosio-6-fosfato + ADP + H+

L’affinità dell’enzima per il fruttosio è però circa 20 volte minore rispetto a quella per il glucosio, per cui nell’epatocita, dove il glucosio è molto più abbondante del fruttosio, o nel muscolo scheletrico in condizioni di scarsa disponibilità di ossigeno, quando cioè il glucosio diviene il carburante preferito, si forma poco fruttosio-6-fosfato. Al contrario, nel tessuto adiposo il fruttosio è più abbondante del glucosio per cui la sua fosforilazione ad opera della esochinasi non è inibita competitivamente in modo significativo dal glucosio. In questo tessuto quindi la sintesi del fruttosio-6-fosfato rappresenta il modo principale per incanalare il monosaccaride nella via glicolitica.
Ai fini degli effetti metabolici del fruttosio è importante sottolineare che nel fegato il monosaccaride, essendo fosforilato in posizione C-1, entra nella glicolisi a livello dei trioso fosfati, dunque a valle della reazione catalizzata dalla PFK-1, enzima che gioca un ruolo chiave nella regolazione del flusso del carbonio attraverso la glicolisi stessa. Al contrario, quando il monosaccaride viene fosforilato sul C-6, entra nella via glicolitica a monte della reazione catalizzata dalla PFK-1.

Sorbitolo

Il fruttosio rappresenta il punto d’ingresso nella via glicolitica anche per il sorbitolo. La molecola, presente in molti frutti e vegetali ed utilizzata anche come dolcificante e stabilizzante, nel fegato è convertita in fruttosio nella reazione catalizzata dall’enzima citosolico sorbitolo deidrogenasi (EC 1.1.99.21).

Sorbitolo + NAD+ → Fruttosio + NADH + H+

La reazione richiede la presenza di ioni Zn2+.

Galattosio

Il galattosio, che per la maggior parte deriva dalla digestione intestinale del lattosio, raggiunto il fegato viene convertito, attraverso la via di Leloir, in glucosio-1-fosfato.
Per una trattazione più approfondita della via di Leloir si rimanda all’articolo sul galattosio.
Il destino del glucosio-1-fosfato dipende dallo stato energetico della cellula.
In condizioni che favoriscono il deposito di glucosio, la molecola può essere incanalata nella via di sintesi del glicogeno.
In condizioni che favoriscono l’utilizzo del glucosio per la produzione di energia, il glucosio-1-fosfato viene isomerizzato in glucosio-6-fosfato nella reazione reversibile catalizzata dalla fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2).

Glucosio-1-fosfato ⇄ Glucosio-6-fosfato

A sua volta il glucosio-6-fosfato prodotto potrà essere incanalato nella via glicolitica per essere utilizzato per la produzione di energia, o essere defosforilato a glucosio nella reazione catalizzata dal complesso proteico della glucosio-6-fosfatasi ed essere quindi rilasciato nel circolo ematico.

Mannosio

Il mannosio è presente in vari polisaccaridi, glicolipidi e glicoproteine della dieta. Una volta liberato da queste fonti, viene assorbito, e raggiunto il fegato è fosforilato in posizione C-6 a dare mannosio-6-fosfato, nella reazione catalizzata dalla esochinasi.

Mannosio + ATP → Mannosio-6-fosfato + ADP + H+

Il mannosio-6-fosfato è quindi isomerizzato a fruttosio-6-fosfato nella reazione catalizzata dalla mannosio-6-fosfato isomerasi (EC 5.3.1.8.).

Mannosio-6-fosfato ⇄ Fruttosio-6-fosfato

Regolazione della glicolisi

Il flusso di carbonio attraverso la via glicolitica viene regolato in base alle condizioni metaboliche all’interno e all’esterno della cellula, rispondendo essenzialmente a due bisogni: la produzione di ATP e la produzione di precursori per molte vie biosintetiche.
Inoltre, nel fegato, per evitare uno spreco di energia, glicolisi e gluconeogenesi sono finemente regolate in modo che quando una via procede l’altra rallenta. Come spiegato negli articoli sulla gluconeogenesi e sul metabolismo del glicogeno, nel corso dell’evoluzione ciò è stato ottenuto selezionando enzimi differenti per catalizzare le reazioni essenzialmente irreversibili delle due vie, enzimi la cui attività è regolata separatamente. Se infatti queste reazioni procedessero simultaneamente ad elevata velocità creerebbero un ciclo futile o ciclo del substrato. Una regolazione così fine non potrebbe essere ottenuta se uno stesso enzima catalizzasse la reazione nelle due direzioni.
Il controllo del flusso di carbonio attraverso la glicolisi coinvolge principalmente le reazioni catalizzate dagli enzimi esochinasi, PFK-1 e piruvato chinasi, la cui attività è regolata mediante:

  • meccanismi allosterici, che si svolgono in un arco temporale di millisecondi e sono istantaneamente reversibili;
  • modificazioni covalenti, ossia fosforilazioni e defosforilazioni, che si svolgono in secondi;
  • modificazioni nella concentrazione degli enzimi coinvolti, conseguenti a modifiche nella loro velocità di sintesi/degradazione, che avvengono in ore.

Nota: per la gluconeogenesi i principali punti di regolazione sono le reazioni catalizzate dagli enzimi piruvato carbossilasi (EC 6.4.1.1) e fruttosio-1,6-bisfosfatasi (EC 3.1.3.11).

Esochinasi

Nell’uomo la esochinasi è presente con quattro forme isoenzimatiche tessuto specifiche, designate da I a IV, e codificate da altrettanti geni differenti.
La esochinasi I è l’isoenzima prevalente nel cervello, mentre nel muscolo scheletrico si ritrova sia l’esochinasi I, che costituisce il 70-75% del totale, che la esochinasi II, che rappresenta il restante 25-30%.
L’esochinasi IV, detta anche glucochinasi (EC 2.7.1.2) è presente prevalentemente negli epatociti e nelle cellule β del pancreas, dove è il principale isoenzima. Nel fegato, con la glucosio-6-fosfatasi, catalizza il ciclo del substrato tra glucosio e glucosio-6-fosfato.
La glucochinasi differisce dalle altre isoforme della esochinasi per quanto riguarda la cinetica e le proprietà regolatorie.

Nota: gli isoenzimi o isozimi sono proteine differenti che catalizzano la stessa reazione, e che in genere si differenziano per le proprietà cinetiche e regolatorie, distribuzione subcellulare, o per i cofattori utilizzati. Possono essere presenti contemporaneamente in una stessa specie, tessuto o anche cellula.

Proprietà cinetiche delle esochinasi

Le esochinasi I, II e III hanno proprietà cinetiche simili.
La esochinasi I e la II hanno una Km per il glucosio, ossia la concentrazione del glucosio alla quale l’enzima è per metà saturato, rispettivamente pari a 0,03 mM e 0,1 mM. Pertanto questi due isoenzimi lavorano in modo molto efficiente ai normali valori di glicemia, che sono pari a circa 4-5 mM.
Invece la glucochinasi ha una Km per il glucosio assai più alta, pari a circa 10 mM; questo significa che l’attività dell’enzima diviene importante solo quando i valori della glicemia sono alti, come dopo un pasto ricco di carboidrati ad alto indice glicemico.

Regolazione delle esochinasi I-III

Le esochinasi I-III sono inibite allostericamente dal glucosio-6-fosfato, il prodotto della loro reazione. Questo assicura che il glucosio-6-fosfato non si accumuli nella cellula quando non è richiesto ulteriore glucosio per la produzione di energia, la sintesi del glicogeno, la via del pentoso fosfato, o come fonte di intermedi per la sintesi di altre molecole, e al contempo permette di ridurre l’assunzione dal circolo di altro glucosio che rimane quindi disponibile per altri organi e tessuti. Ad esempio, quando la PFK-1 è inibita, si accumula fruttosio-6-fosfato e, grazie alla reazione catalizzata dalla fosfoglucosio isomerasi, glucosio-6-fosfato. Dunque, l’inibizione della PFK-1 porta alla inibizione delle esochinasi I-III.

Nel muscolo scheletrico l’attività della esochinasi I e II è coordinata con quella di GLUT4, un trasportatore del glucosio con una bassa Km per il monosaccaride (5 mM), la cui traslocazione sulla membrana plasmatica è indotta sia dall’insulina che dall’attività fisica. L’azione combinata delle esochinasi e di GLUT4 mantiene un equilibrio tra l’ingresso del glucosio nella cellula e la sua fosforilazione. Considerando che la concentrazione ematica del monosaccaride è compresa tra 4 e 5 mmol/L, il suo ingresso nel miocita per mezzo di GLUT4 può portare la sua concentrazione a valori sufficientemente elevati da saturare o quasi l’enzima, che dunque può lavora vicino o addirittura alla sua Vmax.

Regolazione della glucochinasi epatica

La glucochinasi differisce per almeno tre aspetti dalle esochinasi I-III, ed è particolarmente idonea per il ruolo che il fegato svolge nel controllo della glicemia. Perché?

  • Come detto in precedenza, la glucochinasi ha una Km per il glucosio pari a circa 10 mM, molto più elevata rispetto alla Km per il glucosio delle esochinasi I-III, e più alta anche del valore della glicemia a digiuno, pari a circa 4-5 mM. Nel fegato, dove rappresenta l’isoenzima prevalente, il suo ruolo è quello di fornire glucosio-6-fosfato per la sintesi del glicogeno e degli acidi grassi. L’enzima lavora in modo coordinato con il trasportatore del glucosio GLUT2, il principale carrier per il glucosio nell’epatocita, la cui Km per lo zucchero è circa 10 mM. Quindi GLUT2 è molto attivo quando la glicemia è elevata, equilibrando rapidamente la concentrazione del glucosio nel citosol dell’epatocita con quella presente nel sangue. In queste condizioni la glucochinasi è attiva e catalizza la conversione del glucosio in glucosio-6-fosfato, e, grazie alla elevata Km per il glucosio la sua attività continua ad aumentare anche quando la concentrazione intracellulare dello zucchero raggiunge o supera le 10 mM. Quindi la velocità con cui il monosaccaride entra nella cellula e di seguito viene fosforilato è determinata dal valore della stessa glicemia.
    Quando invece la disponibilità del glucosio è scarsa, la sua concentrazione nel citosol dell’epatocita è altrettanto bassa, ben più bassa del valore della Km della glucochinasi, per cui il glucosio prodotto attraverso la gluconeogenesi e/o la glicogenolisi non viene fosforilato e può lasciare la cellula.
    Una situazione simile si verifica anche nelle cellule β del pancreas, dove il sistema GLUT2/glucochinasi fa si che la concentrazione intracellulare del glucosio-6-fosfato equipari quella del glucosio nel sangue, permettendo alla cellula di rilevare e rispondere ad elevate glicemie.
  • A differenza delle esochinasi I-III, la glucochinasi non è inibita dal glucosio-6-fosfato, per cui continua a catalizzarne la sintesi anche quando questi si accumula.
  • La glucochinasi viene inibita a seguito del legame reversibile ad una specifica proteina regolatrice detta anche GKRP, acronimo dell’inglese glucokinase regulatory protein. Il meccanismo con cui la proteina regolatrice agisce implica l’ancoraggio della glucochinasi all’interno del nucleo, dove rimane separata dagli altri enzimi della glicolisi.
    Regolazione dell'attività della glucochinasi epatica
    Regolazione della Glucochinasi Epatica Regolazione dell’Attività della Glucochinasi del Fegato

    Il legame tra glucochinasi e GKRP è molto più forte in presenza del fruttosio-6-fosfato mentre è indebolito dal glucosio e dal fruttosio-1-fosfato.
    In assenza di glucosio la glucochinasi si trova nella sua conformazione “super-aperta” che è dotata di bassa attività. L’aumento nei livelli citosolici di glucosio determina una transizione concentrazione-dipendente dell’enzima verso la sua conformazione chiusa, la conformazione attiva che non è accessibile alla GKRP. Ne consegue che la glucochinasi è attiva e non più inibita.
    Da notare che il fruttosio-1-fosfato è presente nell’epatocita solamente quando viene metabolizzato il fruttosio, che quindi, quando disponibile fa venire meno l’inibizione della glucochinasi da parte di GKRP.
    Esempio.
    Quando dopo un pasto ricco di carboidrati la glicemia sale, il glucosio tramite il GLUT2 entra nella cellula epatica, e quindi attraverso i pori nucleari nel suo nucleo dove determina la transizione della glucochinasi verso la sua conformazione chiusa, attiva e non accessibile a GKRP, permettendo così all’enzima di diffondere nel citosol dove potrà fosforilare il glucosio.
    Viceversa, quando il glucosio è scarso, come nel digiuno quando la glicemia può scendere sotto il valore di 4 mM, la concentrazione del glucosio nell’epatocita è bassa, ed il fruttosio-6-fosfato associandosi a GKRP permette a quest’ultima di legarsi in modo più saldo alla glucochinasi. Da ciò ne risulta una inibizione molto efficace dell’enzima. Questo concorre ad evitare che il fegato, in condizioni di bassa glicemia, competa con gli altri organi, in primis il cervello, per il poco glucosio disponibile.
    Nella cellula il fruttosio-6-fosfato è presente in equilibrio con il glucosio-6-fosfato grazie alla reversibilità della reazione catalizzata dalla fosfoglucosio isomerasi. Tramite la sua associazione con GKRP, il fruttosio-6-fosfato opera quindi un feedback negativo segnalando alla cellula che non è necessario produrre altro glucosio-6-fosfato, ossia che l’attività della glucochinasi può ridursi per prevenire l’accumulo di intermedi.

Riassumendo si può dire che quando i valori della glicemia sono normali, il glucosio viene fosforilato prevalentemente ad opera delle esochinasi I-III, mentre quando la glicemia è elevata l’esoso è fosforilato ad opera della glucochinasi.

Regolazione della fosfofruttochinasi-1

La fosfofruttochinasi-1 è il principale punto di controllo del flusso di carbonio attraverso la via glicolitica.
L’enzima, oltre ai siti di legame per i substrati, presenta molti altri siti su cui vanno a legarsi effettori allosterici sia inibitori che attivatori.
Tra gli effettori allosterici negativi si ha l’ATP, che è anche un substrato dell’enzima ed un prodotto finale della glicolisi, il citrato e gli ioni idrogeno.
Tra gli effettori allosterici positivi si ritrovano l’AMP, il Pi ed il fruttosio-2,6-bisfosfato.

Regolazione dell'attività della fosfofruttochinasi-1 e della fruttosio-1,6-bisfosfatasi
Regolazione di PFK-1 e della Fruttosio-1,6-bisfosfatasi

Nota: la PFK-1 presenta due siti di legame distinti per l’ATP, uno nel sito attivo e dotato di grande affinità per la molecola, e l’altro, regolatorio, a bassa affinità.
Che cosa segnalano i diversi effettori allosterici?

  • ATP, AMP e Pi segnalano lo stato energetico della cellula.
    L’attività della fosfofruttochinasi-1 aumenta quando la cellula necessita di energia, ossia quando c’è necessità di ATP, mentre si riduce quando lo stato energetico della cellula è alto, ossia quando la cellula è ricca di ATP. In che modo?
    Quando la concentrazione di ATP è elevata, quando cioè il nucleotide viene prodotto ad una velocità superiore a quella con cui è consumato, lo stesso legandosi allo specifico sito allosterico va ad inibire la fosfofruttochinasi-1, riducendone l’affinità per il fruttosio-6-fosfato. Dal punto di vista cinetico l’aumento della concentrazione dell’ATP determina una cambiamento della rapporto tra la velocità di reazione e la concentrazione del fruttosio-6-fosfato che diviene sigmoide da iperbolico, e quindi si ha un aumento della Km dell’enzima per il fruttosio-6-fosfato stesso. Tuttavia nella maggior parte delle condizioni cellulari la concentrazione dell’ATP non varia più di tanto. Ad esempio, nel muscolo durante un esercizio vigoroso si possono avere riduzioni della concentrazione di ATP di circa un 10% rispetto alla situazione di riposo mentre la velocità della glicolisi varia molto di più rispetto a quanto ci si aspetterebbe da tale riduzione.
    Quando la velocità di produzione dell’ATP è inferiore a quella con cui viene consumato, si verifica l’aumento della concentrazione dell’AMP e dell’ADP, e in particolare dell’AMP, grazie all’azione dell’enzima adenilato chinasi (EC 2.7.4.3 ), secondo la reazione di seguito descritta.

ADP + ADP ⇄ ATP + AMP

La costante di equilibrio Keq della reazione è:

Keq = [ATP][AMP]/[ADP]2= 0,44

Nelle normali condizioni cellulari la concentrazione dell’ADP e dell’AMP corrispondono rispettivamente a circa il 10% e a meno dell’1% di quella dell’ATP. Pertanto, considerando che il pool dell’adenilato è costante nel breve periodo, anche una piccola variazione nella concentrazione dell’ATP porterà, grazie all’attività della adenilato chinasi, ad una variazione relativa molto maggiore della concentrazione dell’AMP. A sua volta l’AMP agisce rimuovendo l’inibizione dovuta all’ATP.
Quindi, l’attività della fosfofruttochinasi-1 dipende dallo stato energetico della cellula:

quando l’ATP è abbondante l’attività dell’enzima si riduce;

quando i livelli di AMP aumentano l’attività dell’enzima aumenta.

Perché l’ADP non è un effettore allosterico positivo della fosfofruttochinasi-1? Ci sono due ragioni.
Quando la carica energetica della cellula si riduce, l’ADP è utilizzato per riformare l’ATP, nella reazione catalizzata dalla adenilato chinasi. Inoltre, come detto in precedenza, una piccola riduzione nei livelli di ATP porta una più elevata variazione percentuale nei livelli dell’ADP e soprattutto dell’AMP.

  • Gli ioni idrogeno inibiscono la fosfofruttochinasi-1. Tale inibizione previene, controllando la velocità della glicolisi, l’eccessivo accumulo di lattato e la conseguente caduta del pH ematico.
  • Il citrato è un inibitore allosterico della fosfofruttochinasi-1 che agisce aumentando l’effetto inibitorio dell’ATP.
    Il citrato è il prodotto del primo passaggio del ciclo dell’acido citrico, una via metabolica che fornisce intermedi metabolici per le vie biosintetiche e indirizza gli elettroni verso la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale per la sintesi dell’ATP via fosforilazione ossidativa. Elevati livelli citosolici di citrato indicano che nel mitocondrio si sta verificando la produzione di un eccesso di precursori e che le richieste energetiche della cellula sono state soddisfatte, ossia, il ciclo dell’acido citrico ha raggiunto la saturazione; pertanto la glicolisi, che rifornisce il ciclo in condizioni aerobiche, può rallentare, risparmiando glucosio.
    Quindi, va sottolineato che la PFK-1 accoppia la glicolisi ed il ciclo dell’acido citrico.
  • Nel fegato il punto centrale per la regolazione sia della glicolisi che della gluconeogenesi è rappresentato dal ciclo del substrato tra fruttosio-6-fosfato e fruttosio-1,6-bisfosfato, catalizzato dagli enzimi fosfofruttochinasi-1 e fruttosio-1,6-bisfosfatasi.
    Il fegato gioca un ruolo cruciale nel mantenimento della glicemia entro valori normali.
    Se la glicemia scende, il glucagone a livello epatico stimola la sintesi, via glicogenolisi e gluconeogenesi, di glucosio, e al contempo segnala all’organo di non consumare l’esoso per soddisfare i propri fabbisogni.
    Quando invece la glicemia è elevata, l’insulina induce il fegato ad utilizzare il glucosio per produrre energia, sintetizzare glicogeno e trigliceridi.
    In quest’ottica, la regolazione della glicolisi e della gluconeogenesi è mediata dal fruttosio-2,6-bisfosfato, una molecola che permette all’organo di svolgere un ruolo di primo piano nella regolazione della glicemia segnalando il rapporto tra insulina e glucagone.
    A seguito del legame allo specifico sito allosterico sulla fosfofruttochinasi-1, il fruttosio-2,6-bisfosfato aumenta l’affinità dell’enzima per il fruttosio-6-fosfato, il suo substrato, mentre diminuisce quella per gli inibitori allosterici citrato e ATP. Ed è notevole sottolineare che in presenza di concentrazioni fisiologiche dei substrati e degli effettori allosterici sia positivi che negativi l’enzima, in assenza di fruttosio-2,6-bisfosfato, è praticamente inattivo.
    Viceversa, il legame del fruttosio-2,6-bisfosfato alla fruttosio-1,6-bisfosfatasi ne comporta l’inibizione, anche in assenza di AMP, un altro inibitore allosterico dell’enzima.
    Grazie a queste azioni la molecola aumenta il flusso netto di glucosio attraverso la glicolisi.
    Per la trattazione approfondita del metabolismo del fruttosio-2,6-bisfosfato si rimanda all’articolo sulla gluconeogenesi.
  • Altro metabolita importante per il controllo del flusso del carbonio attraverso la glicolisi e la gluconeogenesi è lo xilulosio-5-fosfato, un intermedio della via del pentoso fosfato, la cui concentrazione nell’epatocita aumenta a seguito dell’ingestione di un pasto ricco di carboidrati. La molecola, attivando la protein fosfatasi 2A porta infine ad un aumento della concentrazione del fruttosio-2,6-bisfosfato e quindi ad un incremento del flusso del carbonio attraverso la glicolisi e alla riduzione di quello attraverso la gluconeogenesi.

Regolazione della piruvato chinasi

Un ulteriore punto di regolazione del flusso di carbonio attraverso la glicolisi e la gluconeogenesi è rappresentato dal ciclo del substrato tra il fosfoenolpiruvato ed il piruvato, catalizzato dalla piruvato chinasi, per la glicolisi, e dall’azione combinata della piruvato carbossilasi e della fosfoenolpiruvato carbossichinasi (EC 4.1.1.32) per la gluconeogenesi.
Tutte le isoforme della piruvato chinasi sono allostericamente inibite da elevate concentrazioni di ATP, acetil-CoA e acidi grassi a catena lunga, segnali che la cellula si trova in uno stato energetico ottimale. Anche l’alanina, che può essere sintetizzata dal piruvato attraverso una reazione di transaminazione, è un inibitore allosterico dell’enzima; il suo accumulo segnala l’abbondanza di precursori per le vie biosintetiche.

Regolazione dell'attività dell'isoforma epatica della piruvato chinasi
Regolazione della Piruvato Chinasi Epatica

Di contro la piruvato chinasi è allostericamente attivata dal fruttosio-1,6-bisfosfato, il prodotto della prima reazione esclusiva della glicolisi, il che permette all’enzima di tenere il passo con il flusso di intermedi in arrivo. E va sottolineato il fatto che, in una situazione di concentrazioni fisiologiche di substrato, ossia il fosfoenolpiruvato, e degli inibitori ATP ed alanina, la piruvato chinasi sarebbe completamente inibita senza l’effetto stimolatorio del fruttosio-1,6-bisfosfato.
L’isoenzima epatico, ma non quello muscolare, è soggetto anche a regolazione attraverso fosforilazione ad opera della:

  • protein chinasi A, attivata a seguito del legame del glucagone allo specifico recettore o dell’epinefrina ai recettori β-adrenergici;
  • protein chinasi calcio/calmodulina dipendente, attivata dal legame dell’epinefrina ai recettori α1-adrenergici.

La fosforilazione dell’enzima ne riduce l’attività a seguito di un aumento della sua Km per il fosfoenolpiruvato, e rallenta la glicolisi.
Ad esempio, a seguito di una riduzione della glicemia, la fosforilazione indotta dal glucagone riduce l’attività dell’enzima. Nella forma fosforilata l’enzima è anche meno facilmente stimolato dal fruttosio-1,6-bisfosfato ma più facilmente inibito dall’alanina e dall’ATP. Di contro, l’enzima in forma defosforilata è più sensibile al fruttosio-1,6-bisfosfato, e meno agli inibitori allosterici ATP ed alanina. In questo modo quando la glicemia è bassa, il fegato rallenta l’ossidazione del glucosio a scopi energetici, e lo zucchero rimane quindi disponibile per altri tessuti ed organi, come il cervello. Va comunque notato che la piruvato chinasi non subisce la fosforilazione indotta dal glucagone in presenza del fruttosio 1,6-bisfosfato.
Di contro, un aumento nel rapporto insulina/glucagone porta infine alla defosforilazione dell’enzima e quindi alla sua attivazione. Nella forma defosforilata l’enzima è meno sensibile agli inibitori allosterici alanina ed ATP, ma più sensibile al suo attivatore allosterico, il fruttosio-1,6-bisfosfato.

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Gluconeogenesi: tappe e regolazione

La gluconeogenesi è la via metabolica che permette, anche agli organismi non fotosintetizzanti, di produrre glucosio a partire dal piruvato e da altri precursori non glucidici.
E’ presente in tutti gli animali, piante, funghi e microorganismi, con essenzialmente le stesse reazioni, che portano, da due molecole di piruvato, alla sintesi di una molecola di glucosio. Dunque è essenzialmente l’inverso della glicolisi, che invece procede dal glucosio fino al piruvato, e con essa condivide molti enzimi.

Confronto tra via glicolitica e gluconeogenesi
Gluconeogenesi vs Glicolisi

La glicogenolisi è ben distinta dalla gluconeogenesi, non corrispondendo ad una sintesi de novo del monosaccaride, come si può facilmente evidenziare osservando la sua reazione complessiva:

Glicogeno o (glucosio)n → n molecole di glucosio

La discussione successiva verterà sulla gluconeogenesi che avviene negli animali superiori, ed in particolare nel fegato dei mammiferi.

INDICE

Perché la gluconeogenesi è importante?

La gluconeogenesi è una via metabolica di grande importanza per almeno due motivi.

  • Assicura il mantenimento di una adeguata concentrazione ematica di glucosio quando le riserve epatiche di glicogeno sono prossime all’esaurimento e lo zucchero non viene assunto con l’alimentazione.
    Il mantenimento della glicemia entro il range di normalità, 3,3-5,5 mmol/L (60 e i 99 mg/dL), è essenziale in quanto molte cellule e tessuti dipendono largamente o totalmente dal glucosio per soddisfare le loro richieste di ATP; tra questi i globuli rossi, i neuroni, il muscolo scheletrico quando lavora in anaerobiosi, la midollare del rene, i testicoli, la lente e la cornea dell’occhio, ed i tessuti embrionali. Considerando ad esempio il cervello, il suo fabbisogno giornaliero di glucosio è di circa 120 g, una quantità pari a:

oltre il 50% delle riserve corporee totali del monosaccaride, circa 210 g, di cui 190 g immagazzinato come glicogeno muscolare ed epatico, e 20 g in forma libera nei fluidi corporei;
circa il 75% del fabbisogno giornaliero di glucosio dell’intero organismo, quindi sui 160 g.

Nel digiuno breve, come nell’intervallo tra i pasti o durante la notte, la glicemia è mantenuta entro il range di normalità grazie alla glicogenolisi epatica e al rilascio di acidi grassi dal tessuto adiposo e corpi chetonici dal fegato. Acidi grassi e corpi chetonici, utilizzati di preferenza dal muscolo scheletrico, consentono un risparmio di glucosio che sarà disponibile per le cellule ed i tessuti che da esso dipendono. Tuttavia, dopo circa 18 ore di digiuno, le riserve di glicogeno sono prossime all’esaurimento, riserve che possono divenire insufficienti anche durante l’attività fisica intensa e prolungata. Ed è a questo punto che, se non sono assunti carboidrati con l’alimentazione, la gluconeogenesi diviene essenziale.
E, a sottolineare ulteriormente l’importanza della sintesi de novo del glucosio il fatto che se i valori della glicemia scendono al di sotto di 2 mmol/L si verifica la perdita di coscienza.

  • L’eventuale escrezione del piruvato comporterebbe la perdita della possibilità di produrre ATP attraverso la sua ossidazione aerobica, ossia più di 10 molecole di ATP per ogni piruvato ossidato.

Dove si verifica la gluconeogenesi?

Negli animali superiori la gluconeogenesi avviene nel fegato, nella corticale del rene e nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue, gli enterociti.
Quantitativamente il fegato rappresenta la sede principale, producendo circa il 90% di tutto il glucosio sintetizzato, seguito dalla corticale del rene, con circa il 10%. La maggiore capacità di sintesi del fegato rispetto alla corticale del rene è dovuta solo alle sue maggiori dimensioni; se infatti si considera il rapporto peso/sintesi, la corticale del rene produce più glucosio del fegato.
A livello della corticale del rene, le cellule che portano a termine la gluconeogenesi sono quelle del tubulo prossimale, la porzione del nefrone successiva al glomerulo. Molto del glucosio prodotto nel rene viene utilizzato dalla midollare del rene stesso, mentre l’azione dell’organo sul mantenimento della omeostasi glicemica diviene più importante durante il digiuno prolungato e nell’insufficienza epatica. Va tuttavia sottolineato che il rene, essendo privo di depositi di glicogeno, può contribuire al mantenimento della glicemia solo attraverso la gluconeogenesi e non anche attraverso la glicogenolisi, come invece può fare il fegato.
Parte della via gluconeogenetica può verificarsi anche nel muscolo scheletrico e cardiaco e nel cervello, anche se a velocità estremamente ridotta. Nell’adulto il muscolo ha circa 18 volte la massa del fegato, per cui la sua sintesi di glucosio potrebbe avere una qualche importanza quantitativa. Tuttavia in questi tessuti la sintesi de novo del glucosio non porta alla sua liberazione in circolo, essendo assente la glucosio-6-fosfatasi (EC 3.1.3.9), l’enzima che catalizza l’ultima tappa della via (vedi sotto). Quindi, l’eventuale produzione di glucosio-6-fosfato, compreso quello derivante dalla glicogenolisi, non contribuirà al mantenimento della glicemia ma aiuterà solo a ripristinare le scorte del glicogeno, per la verità nel cervello piccole e limitate per lo più agli astrociti. L’unico contributo diretto al mantenimento della glicemia operato da questi tessuti, ed in particolare dal muscolo scheletrico, vista la sua grande massa, deriva dalla  piccola quota di glucosio rilasciata dall’enzima deramificante (EC 3.2.1.33) della glicogenolisi.
Per quello che riguarda la localizzazione cellulare, la maggior parte delle reazioni della gluconeogenesi avvengono nel citosol, alcune nel mitocondrio, e la tappa finale all’interno delle cisterne del reticolo endoplasmatico.

Tappe irreversibili della gluconeogenesi

Come detto, glicolisi e gluconeogenesi sono essenzialmente una l’inverso dell’altra. E, delle dieci reazioni che costituiscono la gluconeogenesi, ben 7 sono in comune con la glicolisi. Si tratta di reazioni caratterizzate da un ΔG prossimo allo zero, per cui facilmente reversibili. Ma nelle normali condizioni cellulari, il ΔG complessivo della glicolisi è pari a circa -63 kJ/mole (-15 kcal/mole) e quello della gluconeogenesi a circa -16 kJ/mole (-3,83 kcal/mole), ossia si tratta di processi irreversibili.
Nel caso della glicolisi l’irreversibilità è conseguenza di tre reazioni fortemente esoergoniche, che non potranno essere utilizzate nella gluconeogenesi, e di seguito elencate.

  • La fosforilazione del glucosio a glucosio-6 fosfato, catalizzata dalla esochinasi (EC 2.7.1.1) o dalla glucochinasi (EC 2.7.1.2).
    ΔG = -33,4 kJ/mole (-8 kcal/mole)
    ΔG°’ = -16,7 kJ/mole (-4 kcal/mole)
  • La fosforilazione del fruttosio-6-fosfato a fruttosio-1,6-bisfosfato, catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1 o PFK-1 (EC 2.7.1.11).
    ΔG = -22,2 kJ/mole (-5,3 kcal/mole)
    ΔG°’ = -14,2 kJ/mole (-3,4 kcal/mole)
  • La conversione del fosfoenolpiruvato o PEP, acronimo dell’inglese phosphoenolpyruvate, in piruvato, catalizzata dalla piruvato chinasi (EC 2.7.1.40).
    ΔG = -16,7 kJ/mole (-4,0 kcal/mole)
    ΔG°’ = -31,4 kJ/mole (-7,5 kcal/mole)

Nella gluconeogenesi queste tre tappe unidirezionali sono superate grazie ad enzimi specifici che catalizzano passaggi irreversibili nella direzione della sintesi del glucosio. In questo modo è assicurata l’irreversibilità dell’intera via metabolica.
Di seguito sono analizzate tali reazioni.

Conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato

Il primo passaggio della gluconeogenesi che by-passa una tappa irreversibile della glicolisi, nello specifico quella catalizzata dalla piruvato chinasi, è la conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato.
La sintesi del fosfoenolpiruvato è ottenuta attraverso una sequenza di due reazioni catalizzate nell’ordine dagli enzimi:

  • piruvato carbossilasi (EC 6.4.1.1);
  • fosfoenolpiruvato carbossichinasi o PEP carbossichinasi (EC 4.1.1.32).

Piruvato → Ossalacetato → Fosfoenolpiruvato

La piruvato carbossilasi catalizza la carbossilazione del piruvato in ossalacetato, con consumo di una molecola di ATP. L’enzima richiede la presenza di ioni manganese o magnesio.

Piruvato + HCO3 + ATP → Ossalacetato + ADP + Pi

L’enzima, scoperto nel 1960 da Merton Utter, è una proteina mitocondriale formata da quattro subunità identiche, ognuna dotata di attività catalitica. Le subunità hanno come coenzima la biotina, legata attraverso legame ammidico al gruppo amminico ε di un residuo di lisina, e la cui funzione è quella di trasportatore di CO2 attivata nel corso della reazione enzimatica. In ogni subunità è presente anche un sito di legame per l’acetil-CoA.
Va notato che la reazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi, portando alla produzione di ossalacetato, fornisce intermedi anche al ciclo dell’acido citrico o di Krebs.
La fosfoenolpiruvato carbossichinasi è presente, all’incirca nelle stesse quantità, sia nel mitocondrio che nel citosol dell’epatocita. Le due forme isoenzimatiche sono codificate da distinti geni nucleari.
L’enzima catalizza la decarbossilazione e fosforilazione dell’ossalacetato a dare fosfoenolpiruvato, in una reazione in cui il GTP funge da donatore di un gruppo fosfato, e richiede la presenza sia di ioni manganese che magnesio. La reazione nelle normali condizioni cellulari è reversibile.

Ossalacetato + GTP ⇄ PEP + CO2 + GDP

Nella reazione la CO2 aggiunta nella tappa catalizzata dalla piruvato carbossilasi viene rimossa. Nella reazione la CO2 aggiunta nella tappa catalizzata dalla piruvato carbossilasi viene rimossa. La sequenza di carbossilazione e decarbossilazione è un modo per “attivare” il piruvato, poiché la decarbossilazione dell’ossalacetato facilita, rende termodinamicamente possibile la formazione del fosfoenolpiruvato.
Più in generale le sequenze carbossilazione-decarbossilazione sono utilizzate per favorire reazioni che altrimenti sarebbero fortemente endoergoniche, e sono utilizzate anche nel ciclo dell’acido citrico, nella via del pentoso fosfato, detta via dell’esoso monofosfato, e nella sintesi degli acidi grassi.
Prima della nascita i livelli di PEP carbossichinasi sono molto bassi, mentre, poche ore dopo il parto la sua attività aumenta di diverse volte. Questo è il motivo per cui la gluconeogenesi è attiva solo dopo la nascita.

La somma delle reazioni catalizzate dalla piruvato carbossilasi e dalla fosfoenolpiruvato carbossichinasi è:

Piruvato + ATP + GTP + HCO3 → PEP + ADP + GDP + Pi + CO2

Il ΔG°’ della reazione è pari a 0,9 kJ/mole (0,2 kcal/mole), mentre la variazione di energia libera standard associata alla formazione di piruvato dal fosfoenolpiruvato per semplice inversione della reazione catalizzata dalla piruvato chinasi è di + 31,4 kJ/mole (7,5 kcal/mole).
Sebbene il ΔG’° dei due passaggi che portano alla formazione di fosfoenolpiruvato dal piruvato sia leggermente positivo, il ΔG calcolato dalle concentrazioni intracellulari degli intermedi è molto negativo, -25 kJ/mole (-6 kcal/mole), grazie al rapido consumo del fosfoenolpiruvato in altre reazioni, il che mantiene la sua concentrazione molto bassa. Quindi, nelle condizioni esistenti nella cellula la suddetta sintesi del PEP dal piruvato è un processo irreversibile.
Particolarità della sintesi del fosfoenolpiruvato dal piruvato è che la via seguita dipende dal precursore prevalente: piruvato o alanina, oppure il lattato.

Substrato prevalente piruvato o alanina

I passaggi di seguito descritti prevalgono quando i substrati gluconeogenetici prevalenti sono piruvato o alanina.
La piruvato carbossilasi è un enzima mitocondriale, per cui il piruvato dovrà essere trasportato dal citosol nell’organello. Ciò avviene grazie a due trasportatori presenti sulla membrana mitocondriale interna, indicati come MPC1 and MPC2, che, associandosi, formano un eteropolimero che facilita il passaggio della molecola.
Il piruvato può anche essere prodotto direttamente all’interno del mitocondrio dall’alanina per transaminazione, nella reazione catalizzata dalla alanina aminotransferasi o ALT (EC 2.6.1.2), mentre il gruppo amminico sarà infine convertito in urea attraverso il ciclo dell’urea.

Sintesi del fosfoenolpiruvato da piruvato e alanina durante la gluconeogenesi
Da Piruvato e Alanina a PEP

Poiché gli enzimi che intervengono nelle tappe successive della gluconeogenesi, fino alla formazione del glucosio-6-fosfato, sono citosolici, l’ossalacetato prodotto nei mitocondri dovrà essere trasportato nel citosol. La membrana mitocondriale interna è però priva di trasportatori per l’ossalacetato. Il suo passaggio nel citosol avviene a seguito della sua riduzione a malato, che al contrario può attraversare la membrana mitocondriale interna. La reazione è catalizzata dalla malato deidrogenasi mitocondriale (EC 1.1.1.37), un enzima che interviene anche nel ciclo dell’acido citrico dove però il flusso dei metaboliti procede in direzione opposta. Nella reazione il NADH viene ossidato a NAD+.

Ossalacetato + NADH + H+ ⇄ Malato + NAD+

Sebbene ΔG°’ della reazione sia piuttosto elevato, il ΔG calcolato sulla base della concentrazione intracellulare dell’ossalacetato, molto bassa, è prossimo allo zero per cui la reazione è facilmente reversibile.
Il malato prodotto attraversa la membrana mitocondriale interna grazie ad un componente dello shuttle del malato-aspartato, il trasportatore malato-α-chetoglutarato. Una volta nel citosol il malato è riossidato a ossalacetato nella reazione catalizzata dalla malato deidrogenasi citosolica, con produzione di NADH.

Malato + NAD+ → Ossalacetato + NADH + H+

Nota: lo shuttle del malato-aspartato è il più attivo nel trasporto degli equivalenti riducenti del NADH dal citosol all’interno del mitocondrio, ed è presente nei mitocondri del fegato, rene, e cuore.
Grazie a questa reazione equivalenti riducenti mitocondriali, in forma di NADH, sono trasferiti nel citosol. Tale trasferimento è necessario per il proseguimento della gluconeogenesi, in quanto nel citosol il NADH, utilizzato nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12), è presente in bassa concentrazione, con un rapporto [NADH]/[NAD+] pari a 8 x 10-4, circa 100000 volte più basso di quello osservato nei mitocondri.
Infine l’ossalacetato viene convertito in fosfoenolpiruvato nella reazione catalizzata dalla PEP carbossichinasi.

Substrato prevalente lattato

Il lattato è un importante precursore gluconeogenico. Esempi di cellule e tessuti che lo producono in grande quantità sono i globuli rossi, che, completamente dipendenti dalla glicolisi anaerobica, lo producono continuamente, ed il muscolo scheletrico in forte attività, quando la velocità della glicolisi supera la velocità del ciclo dell’acido citrico e della fosforilazione ossidativa.
Quando il lattato è il precursore gluconeogenico prevalente la sintesi del PEP segue una via differente rispetto a quanto visto in precedenza.
Nel citosol dell’epatocita, dove come detto la concentrazione del NAD+ è elevata, il lattato viene ridotto a piruvato nella reazione catalizzata dall’isoenzima epatico della lattico deidrogenasi (EC 1.1.1.27). Nella reazione il NAD+ viene ridotto a NADH.

Lattato + NAD+ → Piruvato + NADH + H+

La produzione citosolica di NADH rende non necessaria l’esportazione di equivalenti riducenti dal mitocondrio.
Il piruvato passa nella matrice mitocondriale per essere convertito in ossalacetato nella reazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi. Nel mitocondrio l’ossalacetato è convertito in fosfoenolpiruvato nella reazione catalizzata dall’isoenzima mitocondriale della piruvato carbossilasi, che, a mezzo di un trasportatore anionico della membrana mitocondriale interna, esce dal mitocondrio per continuare nella via gluconeogenetica.

Nota: la sintesi del glucosio dal lattato può essere considerata anche come una parte del “ramo epatico” del ciclo di Cori.

Conversione del fruttosio-1,6-bisfosfato in fruttosio-6-fosfato

Il secondo passaggio della gluconeogenesi che supera una reazione irreversibile della via glicolitica, quella catalizzata dalla  PFK-1, è la defosforilazione del fruttosio-1,6-bisfosfato a fruttosio-6-fosfato.
La reazione, catalizzata dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi o FBPasi-1 (EC 3.1.3.11), enzima citosolico e Mg2+ dipendente, comporta l’idrolisi del fosfato sul C-1, senza alcuna produzione di ATP.

Fruttosio-1,6-bisfosfato + H2O → Fruttosio-6-fosfato + Pi

Il ΔG°’ della reazione è pari a -16,3 kJ/mol (-3,9 kcal/mol), dunque una reazione irreversibile.

Conversione del glucosio-6-fosfato a glucosio

Il terzo passaggio esclusivo della gluconeogenesi permette di superare la reazione della glicolisi catalizzata dalla esochinasi o dalla glucochinasi. Nello specifico si tratta della defosforilazione del glucosio-6-fosfato a glucosio catalizzata dall’unità catalitica della glucosio-6-fosfatasi, un complesso proteico presente nella membrana del reticolo endoplasmatico degli epatociti, enterociti e cellule del tubulo prossimale del rene. La glucosio-6-fosfatasi è composta da una subunità catalitica dotata di attività fosfatasica e un trasportatore bidirezionale specifico per il glucosio-6-fosfato detto glucosio-6-fosfato traslocasi o T1.
La subunità catalitica della glucosio-6-fosfatasi presenta il sito attivo rivolto verso la superficie luminale dell’organello: quindi l’enzima catalizza una idrolisi intraluminale del substrato. Il glucosio-6-fosfato, sia quello derivante dalla gluconeogenesi, rilasciato dalla reazione catalizzata dalla glucosio-6-fosfato isomerasi o fosfoglucosio isomerasi (EC 5.3.1.9), che dalla glicogenolisi, rilasciato dalla reazione catalizzata dalla fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2), è prodotto nel citosol, e dovrà entrare nel lume del reticolo endoplasmatico per essere defosforilato. Il suo passaggio è operato dalla glucosio-6-fosfato traslocasi.

La subunità catalitica della glucosio-6-fosfatasi, un enzima Mg2+-dipendente, catalizza la reazione corrisponde all’ultima tappa sia della gluconeogenesi che della glicogenolisi. E, al pari della reazione che porta alla sintesi del fruttosio-6-fosfato, anche questa è una semplice idrolisi di un estere fosforico.

Glucosio-6-fosfato + H2O → Glucosio + Pi

Va inoltre sottolineato che, grazie all’orientamento del sito attivo, la cellula separa questa reazione dal citosol, e dunque dalla glicolisi, che verrebbe bloccata dall’azione dell’enzima sul glucosio-6-fosfato.
Il ΔG°’ della reazione è pari a -13,8 kJ/mol (-3,3 kcal/mol), dunque una reazione irreversibile. Se invece la reazione fosse l’inverso di quella catalizzata dalla esochinasi/glucochinasi, comporterebbe il trasferimento di un gruppo fosforico all’ADP dal glucosio-6-fosfato, una reazione con ΔG pari a +33,4 kJ/mole (+8 kcal/mol), quindi fortemente endoergonica. Analoghe considerazioni possono essere estese alla reazione catalizzata dalla FBPasi-1.

Sembra che il glucosio ed il gruppo Pi prodotti siano trasportati nel citosol da due distinti trasportatori, indicati rispettivamente come T2 e T3, quest’ultimo un trasportatore anionico.
Infine, grazie al trasportatore di membrana GLUT2, il glucosio potrà lasciare l’epatocita ed entrare in circolo per essere trasportato ai tessuti che lo richiedano. Come accennato in precedenza invece, il glucosio prodotto nel rene, in condizioni di normale efficienza epatica, viene utilizzato per la maggior parte dalla midollare del rene stesso.

La gluconeogenesi: energeticamente costosa

Al pari di quanto accade nella glicolisi, sono le tappe irreversibili della gluconeogenesi le responsabili del consumo della maggior parte dell’energia necessaria al processo.
Sono consumati sei legami fosforici ad alta energia, due forniti dal GTP e quattro dall’ATP, cui vanno aggiunte due molecole di NADH per la riduzione di altrettante molecole di 1,3-bisfosfoglicerato nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Il consumo dei due NADH comporta la mancata produzione di 5 molecole di ATP che sarebbero potute essere sintetizzate nel caso in cui gli elettroni del coenzima ridotto fossero stati utilizzati per la sintesi di ATP nel mitocondrio attraverso la fosforilazione ossidativa.
Anche da queste considerazioni prettamente energetiche emerge che la gluconeogenesi non è semplicemente l’inverso della glicolisi, nel qual caso necessiterebbe del consumo di sole due molecole di ATP, come si evince dalla equazione glicolitica complessiva.

Glucosio + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Per la gluconeogenesi invece:

2 Piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 4 H2O → Glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+

Almeno nel fegato, l’ATP necessario a sostenere la gluconeogenesi deriva di solito dall’ossidazione degli acidi grassi, o dall’ossidazione degli scheletri carboniosi degli aminoacidi, a seconda del “carburante” disponibile.

Regolazione coordinata della glicolisi e della gluconeogenesi

Se la glicolisi e la gluconeogenesi procedessero simultaneamente ad alta velocità nella stessa cellula, ne risulterebbe solo il consumo di ATP e la produzione di calore, in particolare in corrispondenza delle tappe irreversibili dei due processi, e nulla di più.
Ad esempio, considerando PFK-1 e FBPasi-1:

ATP + Fruttosio-6-fosfato → ADP + Fruttosio-1,6-bisfosfato

Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O → Fruttosio 6-fosfato + Pi

E, dalla somma delle due reazioni:

ATP + H2O → ADP + Pi + Calore

Quando reazioni contrapposte di questo tipo procedono simultaneamente si parla di ciclo futile o ciclo del substrato. E’ una situazione che apparentemente sembra senza benefici, ma che in realtà permette il controllo della direzione netta del flusso metabolico. Infatti un ciclo del substrato coinvolge enzimi differenti, almeno due, la cui attività può essere regolata separatamente, cosa che non potrebbe accadere nel caso di un solo enzima che operasse in entrambe le direzioni.
La contemporanea attività ad alta velocità di enzimi che catalizzano reazioni contrapposte è evitata grazie alla controllo dell’attività degli enzimi stessi, che può avvenire mediante:

  • meccanismi allosterici;
  • modificazioni covalenti, in particolare fosforilazioni e defosforilazioni;
  • modificazioni nella concentrazione degli enzimi coinvolti, conseguenti a variazioni del rapporto tra la loro sintesi e degradazione.

I meccanismi allosterici sono molto rapidi e istantaneamente reversibili, avvenendo in un arco temporale di millisecondi. Gli altri, innescati da segnali che provengono dall’esterno della cellula e trasportati da ormoni quali insulina, glucagone, o adrenalina, richiedono tempi più lunghi, dai secondi ai minuti per le modificazioni covalenti, e fin’anche ad ore per le modificazioni della concentrazione degli enzimi.
Grazie a questi meccanismi regolatori è possibile ottenere una regolazione coordinata delle due vie, tale da assicurare che quando il flusso di piruvato procede attraverso la gluconeogenesi, il flusso del glucosio attraverso la glicolisi rallenta, e viceversa.

La gluconeogenesi è regolata a livello di diversi passaggi

La regolazione della gluconeogenesi e della glicolisi avviene attraverso controlli esercitati sugli enzimi specifici delle singole vie, e non su quelli comuni.
Mentre i principali punti di regolazione della glicolisi sono le reazioni catalizzate dagli enzimi PFK-1 e piruvato chinasi, i principali punti di regolazione della via gluconeogenetica sono le reazioni catalizzate dagli enzimi fruttosio-1,6-bisfosfatasi e piruvato carbossilasi. Anche gli altri due enzimi esclusivi della via gluconeogenetica, glucosio-6-fosfatasi e PEP carbossichinasi, sono soggetti a regolazione ma solo a livello trascrizionale.

Piruvato carbossilasi

Nel mitocondrio il piruvato può essere convertito in:

  • acetil-CoA, nelle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi, che lega la glicolisi al ciclo di Krebs;
  • ossalacetato, nella reazione catalizzata dalla privato carbossilasi, l’enzima che catalizza la prima tappa della gluconeogenesi.

Il destino metabolico del piruvato dipende dai livelli dell’acetil-CoA e dunque dalla disponibilità di acidi grassi nel mitocondrio.
Quando gli acidi grassi sono disponibili, la loro β-ossidazione porta alla liberazione di molecole di acetil-CoA, che entrano nel ciclo di Krebs per dar luogo alla formazione di GTP e NADH. Una volta che i fabbisogni energetici della cellula sono soddisfatti, la fosforilazione ossidativa rallenta, il rapporto NADH/NAD+ cresce, il NADH inibisce il ciclo dell’acido citrico e si verifica un accumulo di acetil-CoA nella matrice mitocondriale.
L’acetil-CoA è un effettore allosterico positivo della piruvato carbossilasi ed un effettore allosterico negativo della piruvato chinasi. Inoltre inibisce il complesso della piruvato deidrogenasi sia attraverso una inibizione da prodotto finale che mediante la sua fosforilazione, a seguito dell’attivazione di una specifica chinasi.

Destino del piruvato: precursore per la gluconeogenesi o substrato energetico e ruolo dell’acetil-Co
Destini del Piruvato

Dunque, quando la carica energetica della cellula è alta, quello che accade è che la formazione di acetil-CoA dal piruvato è rallentata, mentre viene stimolata la conversione del piruvato in glucosio. L’acetil-CoA è quindi un segnale metabolico che indica che un’ulteriore ossidazione del glucosio a scopo energetico non è necessaria e che i metaboliti carboniosi possono essere utilizzati per la sintesi ed il deposito di glucosio.
Viceversa, quando i livelli di acetil-CoA si riducono, l’attività della piruvato chinasi e del complesso della piruvato deidrogenasi aumentano, e quindi anche il flusso di metaboliti attraverso il ciclo di Krebs, il tutto per rifornire di energia la cellula.
Si potrebbe riassumere dicendo che la piruvato carbossilasi è attiva quando la carica energetica della cellula è alta e che il primo punto di controllo della gluconeogenesi determina quello che sarà il destino del piruvato nel mitocondrio.

Fruttosio-1,6-bisfosfatasi

Il secondo punto principale di controllo della gluconeogenesi è rappresentato dalla reazione catalizzata dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi. L’enzima è inibito allostericamente dall’AMP. Quindi quando la concentrazione dell’AMP è alta, e di conseguenza quella dell’ATP è bassa, la gluconeogenesi rallenta. Ossia, come visto in precedenza, l’enzima è attivo quando la carica energetica della cellula è adeguata a sostenere la sintesi de novo del glucosio.
Di contro la PFK-1, l’enzima glicolitico corrispondente, è stimolata allostericamente dall’AMP e dall’ADP ed inibita dall’ATP e dal citrato, quest’ultimo derivante dalla condensazione tra l’acetil-CoA e l’ossalacetato. Quindi riassumendo:

  • quando la concentrazione dell’AMP è alta la gluconeogenesi rallenta, mentre la glicolisi accelera;
  • quando la concentrazione dell’ATP è elevata, e quindi è bassa quella di ADP e AMP, o quando l’acetil-CoA o il citrato sono presenti in concentrazioni adeguate, viene promossa la gluconeogenesi mentre rallenta la glicolisi.
    L’aumento della concentrazione del citrato segnala che l’attività del ciclo dell’acido citrico può rallentare; in questo modo il piruvato potrà essere utilizzato per la sintesi del glucosio.

Fruttosio-1,6-bisfosfatasi, PFK-1 e fruttosio-2,6-bisfosfato

Il fegato ha un ruolo centrale nel mantenimento della glicemia a valori costanti: questo richiede la presenza di meccanismi regolatori che coordinino il consumo e la produzione del glucosio. Due sono gli ormoni principalmente coinvolti: il glucagone e l’insulina.
Il glucagone, rilasciato in circolo quando la glicemia scende, segnala al fegato di ridurre il suo consumo di glucosio e di aumentarne la produzione de novo ed il rilascio dal glicogeno.
L’azione degli ormoni suddetti è mediata da un effettore allosterico della PFK-1 e della fruttosio-1,6-bisfosfatasi: il fruttosio-2,6-bisfosfato, una molecola strutturalmente correlata al fruttosio-1,6-bisfosfato ma che non è ne un intermedio della glicolisi nel della gluconeogenesi.
La molecola fu scoperta nel 1980 da Emile Van Schaftingen and Henri-Gery Hers come un potente stimolatore della PFK-1; l’anno successive gli stessi ricercatori dimostrarono che è anche un potente inibitore dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi.
A seguito del legame allo specifico sito allosterico sulla PFK-1, il fruttosio-2,6-bisfosfato svolge un duplice effetto: riduce l’affinità della proteina per i suoi inibitori allosterici ATP e citrato e ne aumenta l’affinità per il fruttosio-6-fosfato, il suo substrato. La PFK-1, in assenza di fruttosio-2,6-bisfosfato, e in presenza di concentrazioni fisiologiche di ATP, fruttosio-6-fosfato, e dei suoi effettori allosterici AMP, ATP e citrato, è praticamente inattiva. La presenza di fruttosio-2,6-bisfosfato ha invece l’effetto di attivare l’enzima quindi stimolare la glicolisi nell’epatocita. Nel contempo la molecola rallenta la gluconeogenesi, inibendo la fruttosio-1,6-bisfosfatasi, anche in assenza di AMP. Tuttavia gli effetti di AMP e fruttosio-2,6-bisfosfato sull’inibizione di FBPasi-1 sono sinergici.

Ruolo del fruttosio-2,6-bisfosfato nella regolazione della glicolisi e gluconeogenesi
F2,6BP e Regolazione della Glicolisi e Gluconeogenesi

La concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato è regolata dalle velocità relative della sua sintesi e degradazione. Viene sintetizzato a partire dal fruttosio-6-fosfato nella reazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi 2 o PFK-2 (EC 2.7.1.105), ed idrolizzato a fruttosio-6-fosfato nella reazione catalizzata dalla fruttosio-2,6-bisfosfatasi o FBPasi-2 (EC 3.1.3.46). Le due attività enzimatiche sono presenti su una stessa proteina, che dunque è un enzima bifunzionale, anche detto enzima tandem, e nel fegato sono regolate dall’insulina e dal glucagone, nel modo di seguito descritto.

  • Il glucagone, a seguito del legame allo specifico recettore di membrana, stimola la adenilato ciclasi (EC 4.6.1.1) presente sulla membrana plasmatica a produrre 3’-5’ AMP ciclico o cAMP, che, a seguito del legame alla protein chinasi cAMP-dipendente o protein chinasi A o PKA (EC 2.7.11.11), la attiva. La chinasi attivata catalizza la fosforilazione, a spese di una molecola di ATP, di uno specifico residuo di serina  (Ser32) di PFK-2/FBPasi-2. La fosforilazione comporta un aumento dell’attività fosfatasica a spese di quella chinasica, che si riduce in conseguenza di un aumento della Km per il fruttosio-6-fosfato. Tutto ciò porta ad una riduzione dei livelli di fruttosio-2,6-bisfosfato, con conseguente stimolazione della gluconeogenesi ed inibizione della glicolisi. Quindi, in risposta al segnale trasportato dal glucagone, aumenta la produzione epatica di glucosio attraverso la gluconeogenesi, il che rende l’organo capace di contrastare la riduzione della glicemia segnalata dall’ormone.
    Nota: il glucagone, al pari dell’adrenalina, stimola la gluconeogenesi in parte anche aumentando la disponibilità di substrati quali il glicerolo e gli aminoacidi.
  • L’insulina, a seguito del legame agli specifici recettori di membrana dell’epatocita, va ad attivare una protein fosfatasi, la fosfoprotein fosfatasi 2A che catalizza la rimozione del gruppo fosforico dalla PFK-2/FBPasi-2, attivando così la PFK-2 e riducendo l’attività della FBPasi-2. (Nel contempo stimola anche una cAMP fosfodiesterasi che idrolizza il cAMP ad AMP). Il risultato è l’aumento dei livelli intracellulari di fruttosio-2,6-bisfosfato e la conseguente inibizione della gluconeogenesi ed attivazione della glicolisi.
    Inoltre il fruttosio-6-fosfato inibisce allostericamente la FBPasi-2 mentre attiva la PFK-2. Riguardo l’attività dell’enzima bifunzionale PFK-2/FBPasi-2 va sottolineato che entrambe le attività sono inibite dai rispettivi prodotti di reazione, e tuttavia i fattori predominanti sono la concentrazione del fruttosio-6-fosfato e lo stato di fosforilazione dell’enzima stesso.

Glucosio-6-fosfatasi

A differenza della piruvato carbossilasi e della fruttosio-1,6-bisfosfatasi , la subunità catalitica della glucosio-6-fosfatasi non è soggetta a regolazione allosterica o covalente, mentre viene regolata a livello trascrizionale. La bassa glicemia ed il glucagone, dunque fattori che determinano una maggiore produzione di glucosio, ed i glucocorticoidi ne stimolano la sintesi, che al contrario è inibita dall’insulina.
Inoltre la sua Km per il glucosio-6-fosfato è decisamente più alta rispetto al normale intervallo di concentrazione della molecola stessa. Ne risulta che l’attività dell’enzima mostra una dipendenza quasi lineare rispetto alla concentrazione del substrato. Per questo si dice che l’enzima è sotto controllo da parte della concentrazione del substrato.

PEP carbossichinasi

La regolazione dell’enzima avviene principalmente a livello della sua sintesi e demolizione. Ad esempio elevati livelli di glucagone o il digiuno ne aumentano la produzione, a seguito della stabilizzazione del suo mRNA e dell’aumento della sua velocità di trascrizione. Glicemie elevate o l’insulina hanno effetto opposto.

Xilulosio-5-fosfato

Anche un altro meccanismo regolatorio scoperto di recente, attraverso l’azione dello xilulosio-5-fosfato, un intermedio della via del pentoso fosfato, stimola la glicolisi ed inibisce la gluconeogenesi, intervenendo nel controllo della concentrazione del fruttosio-2,6-bisfosfato nell’epatocita.
Quando la concentrazione ematica del glucosio aumenta, come dopo un pasto ricco di carboidrati, nel fegato si verifica l’attivazione della glicolisi e della via dell’esoso monofosfato. In quest’ultima via metabolica viene prodotto anche xilulosio-5-fosfato che è in grado di attivare la protein fosfatasi 2A. Ciò porta alla defosforilazione della PFK-2/FBPasi-2, inibendo così la FBPasi-2 e stimolando la PFK-2. Ne risulta un aumento della concentrazione del fruttosio-2,6-bisfosfato, e quindi l’inibizione della gluconeogenesi e la stimolazione della glicolisi, con conseguente aumento della produzione di acetil-CoA, il principale substrato per la sintesi dei lipidi. Il concomitante aumento del flusso attraverso la via dell’esoso monofosfato produce NADPH, fonte di elettroni per la sintesi dei lipidi. Infine, la protein fosfatasi 2A defosforila anche ChREBP, acronimo dell’inglese carbohydrate-responsive element-binding protein, un fattore di trascrizione che attiva l’espressione dei geni epatici per la sintesi dei lipidi. Quindi, in risposta ad un aumento della glicemia, a livello epatico sarà stimolata la sintesi dei lipidi.

Risulta dunque evidente che lo xilulosio-5-fosfato è un regolatore chiave del metabolismo sia dei carboidrati che dei grassi.

Precursori della gluconeogenesi

Oltre al piruvato, i principali precursori gluconeogenici sono il lattato, di cui si è parlato in precedenza, il glicerolo, la maggior parte degli aminoacidi, e comunque qualunque composto che possa essere convertito in piruvato od ossalacetato.

Glicerolo

Il glicerolo deriva dalla lipolisi nel tessuto adiposo. Con l’esclusione del propionil-CoA, è l’unica parte delle molecole dei lipidi che negli animali possa essere utilizzata per la sintesi de novo del glucosio.
Il suo punto di ingresso nella gluconeogenesi, o nella glicolisi, a seconda delle condizioni energetiche in cui si trova la cellula, è rappresentato dal diidrossiacetone fosfato, la cui sintesi avviene in due passaggi.
Nel primo il glicerolo è fosforilato a glicerolo-3-fosfato, nella reazione catalizzata dalla glicerolo chinasi (EC 2.7.1.30). La reazione consuma una molecola di ATP.

Glicerolo + ATP → Glicerolo-3-fosfato + ADP + Pi

L’enzima assente negli adipociti, ma presente nel fegato. Ciò significa che il glicerolo dovrà raggiungere il fegato prima di essere ulteriormente metabolizzato.
Il glicerolo-3-fosfato viene quindi ossidato a diidrossiacetone fosfato, nella reazione catalizzata dalla glicerolo-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.1.1.8). Nella reazione il NAD+ viene ridotto a NADH.

Glicerolo-3-fosfato + NAD+ ⇄ Diidrossiacetone fosfato + NADH + H+

Durante il digiuno prolungato il glicerolo è il principale precursore gluconeogenetico, essendo responsabile  della produzione di circa il 20% del glucosio.

Aminoacidi glucogenici

Piruvato e ossalacetato rappresentano i punti di ingresso per gli aminoacidi glucogenici, ossia quelli il cui scheletro carbonioso o parte di esso può essere utilizzato per la sintesi de novo di glucosio.
Gli aminoacidi derivano dalla demolizione delle proteine, sia di origine alimentare che endogena, come quelle del muscolo scheletrico nel corso del digiuno o dell’attività fisica intensa e prolungata.
I processi catabolici a carico di ognuno dei venti aminoacidi che compongono le proteine convergono verso la sintesi di sette prodotti principali: acetil-CoA, acetoacetil-CoA, α-chetoglutarato, succinil-CoA, fumarato, ossalacetato e piruvato.
Con l’esclusione di acetil-CoA e acetoacetil-CoA, le altre cinque molecole possono essere utilizzate per la sintesi del glucosio; quindi gli aminoacidi glucogenici possono essere definiti anche come quelli il cui scheletro carbonioso, in parte o in toto, può essere convertito in una o più delle suddette molecole.
Di seguito sono elencati gli aminoacidi glucogenici con i rispettivi punti di ingresso.

  • Piruvato: alanina, cisteina, glicina, serina, treonina e triptofano.
  • Ossalacetato: aspartato e asparagina.
  • α-Chetoglutarato: glutammato, arginina, glutammina, istidina e prolina.
  • Succinil-CoA: isoleucina, metionina, treonina e valina.
  • Fumarato: fenilalanina e tirosina.
Aminoacidi glucogenici e chetogenici e punti di ingresso nel ciclo dell'acido citrico
Aminoacidi Glucogenici e Chetogenici

α-Chetoglutarato, succinil-CoA e fumarato, tutti intermedi del ciclo dell’acido citrico, entrano nella via gluconeogenetica previa conversione in ossalacetato.
L’utilizzo degli scheletri carboniosi degli aminoacidi deve essere preceduto dalla rimozione del loro gruppo amminico. Alanina e glutammato, le principali molecole responsabili del trasporto dei gruppi amminici dai tessuti extraepatici al fegato, sono aminoacidi glucogenici particolarmente importanti nei mammiferi. L’alanina è il principale substrato gluconeogenetico per il fegato, e arriva all’organo dal muscolo e da altri tessuti periferici seguendo la via del ciclo glucosio-alanina.

Aminoacidi chetogenici

Acetil-CoA e acetoacetil-CoA non possono essere utilizzati per la gluconeogenesi, ma sono precursori per la sintesi di acidi grassi e corpi chetonici. L’analisi della stechiometria del ciclo dell’acido citrico chiarisce perché non possano essere utilizzati per la sintesi de novo del glucosio.
L’acetil-CoA condensando con l’ossalacetato, nella reazione catalizzata dalla citrato sintasi, porta alla formazione di citrato, composto a 6 atomi di carbonio anziché 4 come l’ossalacetato. Tuttavia, sebbene i due atomi di carbonio dell’acetato compaiano nell’ossalacetato, due atomi di carbonio sono perduti, in forma di CO2, nelle reazioni catalizzate dalla isocitrico deidrogenasi (EC 1.1.1.42) e dal complesso dell’α-chetoglutarato deidrogenasi. Quindi l’acetil-CoA non comporta alcun guadagno netto di carbonio per il ciclo dell’acido citrico.
Inoltre la reazione che dal piruvato porta alla formazione di acetil-CoA, catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi, che rappresenta il ponte tra glicolisi e ciclo dell’acido citrico, è irreversibile, e non esiste altra via metabolica per convertire l’acetil-CoA in piruvato.

Piruvato + NAD+ + CoASH → Acetil-CoA + NADH + H+ + C02

Per questo, gli aminoacidi dal cui catabolismo derivano solamente acetil-CoA e/o acetoacetil-CoA sono definiti chetogenici.
Solamente due aminoacidi sono puramente chetogenici: leucina ed lisina.

Nota: piante, lieviti, e molti batteri possono utilizzare l’acetil-CoA per la sintesi de novo di glucosio grazie alla via metabolica chiamata ciclo del gliossilato. Tale ciclo ha alcune reazioni in comune con il ciclo dell’acido citrico, due esclusive, catalizzate dalla isocitrato liasi (EC 4.1.3.1) e malato sintasi (EC 2.3.3.9), ma non ha reazioni di decarbossilazione (vedi sopra). Quindi gli organismi che possiedono il ciclo del gliossilato sono in grado di utilizzare gli acidi grassi per la sintesi del glucosio.

Cinque aminoacidi, isoleucina, fenilalanina, tirosina, treonina e triptofano sono sia chetogenici che glucogenici, poiché una parte del loro scheletro carbonioso può essere utilizzata per la gluconeogenesi, mentre l’altra da origine a corpi chetonici.

Propionato

Il propionato, un acidi grasso a tre atomi di carbonio, in forma di propionil-CoA è un precursore gluconeogenetico in quanto può essere convertito in succinil-CoA.
Di seguito sono analizzate le diverse fonti di propionato.

  • Può derivare dalla β-ossidazione di acidi grassi a catena dispari, come ad esempio l’acido margarico, acido grasso saturo con 17 atomi di carbonio. Tali acidi grassi sono molto rari rispetto a quelli a catena pari, e presenti in quantità significative nei lipidi di alcuni organismi marini, delle piante, e nel grasso dei ruminanti. Nell’ultimo passaggio del loro ciclo di ossidazione, il substrato è non a 4 ma a 5 atomi di carbonio, per cui una volta ossidato e scisso in due frammenti, darà origine ad un acetil-CoA e un propionil-CoA.
  • Altra fonte è la ossidazione degli acidi grassi a catena ramificata, con ramificazioni costituite da gruppi alchilici con un numero dispari di atomi di carbonio. Un esempio è l’acido fitanico, prodotto nei ruminanti dall’ossidazione del fitolo, un derivato della degradazione della clorofilla.
  • Nei ruminanti, è prodotto anche a partire dal glucosio liberato dall’idrolisi della cellulosa ad opera di batteri presenti nel rumine, una delle quattro camere che compongono lo stomaco di questi animali. Sempre nel rumine, gli stessi batteri convertono, attraverso fermentazione, il glucosio in propionato, che potrà, una volta assorbito, essere utilizzato per la gluconeogenesi, essere ossidato per la produzione di energia, od essere utilizzato per la sintesi degli acidi grassi.
    Nei ruminanti, dove la gluconeogenesi tende ad essere un processo continuo, il propionato è il più importante precursore gluconeogenetico.
  • Il propionato può derivare anche catabolismo della valina, leucina ed isoleucina (vedi sopra).

L’ossidazione del propionil-CoA a succinil-CoA avviene attraverso tre reazioni che si verificano nel fegato ed in altri tessuti.
Nella prima reazione il propionil-CoA è carbossilato a dare D-metilmalonil-CoA, nella reazione catalizzata dalla propionil-CoA carbossilasi (EC 6.4.1.3), enzima che ha come cofattore la biotina. La reazione consuma un ATP.

Propionil-CoA + HCO3 + ATP → D-Metilmalonil-CoA+ ADP + Pi

Nella reazione successiva il D-metilmalonil-CoA viene epimerizzato nello stereoisomero L. La reazione è catalizzata dalla metilmalonil-CoA epimerasi (EC 5.1.99.1).

D-Metilmalonil-CoA ⇄ L-Metilmalonil-CoA

Infine l’L-metilmalonil-CoA, nella reazione catalizzata dalla metilmalonil-CoA mutasi (EC 5.4.99.2), enzima che richiede come coenzima la 5-deossiadenosilcobalamina, un derivato della cobalamina o vitamina B12, subisce un riarrangiamento intramolecolare a dare succinil-CoA.

L-Metilmalonil-CoA ⇄ Succinil-CoA

Bibliografia

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Ciclo glucosio-alanina

Il ciclo glucosio-alanina, anche detto ciclo di Cahill, proposto per la prima volta tra il 1969 ed il 1970 da Mallette, Exton e Park, e Felig e collaboratori, consiste in una serie di reazioni attraverso le quali i tessuti extraepatici, come ad esempio il muscolo scheletrico, esportano al fegato piruvato e gruppi amminici in forma di alanina, e ricevono, attraverso il circolo sanguigno, glucosio prodotto nel fegato.
Di seguito ne sono riassunte le tappe.

  • Quando nei tessuti extraepatici gli amminoacidi sono utilizzati a fini energetici, il piruvato, prodotto dal glucosio attraverso la glicolisi, funge da accettore del loro gruppo amminico α, formando alanina, un aminoacido non essenziale.
  • L’alanina diffonde nel circolo sanguigno, grazie al quale raggiunge il fegato.
  • Nel fegato, il gruppo amminico dell’alanina viene trasferito all’α-chetoglutarato a dare rispettivamente piruvato e glutammato.
  • Il glutammato cede per la maggior parte il gruppo amminico al ciclo dell’urea, mentre in parte funge da donatore di azoto in molti processi biosintetici.
    Il piruvato entra nella gluconeogenesi e viene utilizzato per la produzione di glucosio.
  • Il glucosio neoformato diffonde dall’epatocita nel circolo sanguigno e raggiunge i tessuti periferici dove, grazie alla glicolisi, può essere convertito in piruvato, di nuovo disponibile per accettare il gruppo amminico α degli amminoacidi liberi, chiudendo così il ciclo.

Il ciclo glucosio-alanina fornisce quindi un collegamento tra il metabolismo dei carboidrati e quello degli amminoacidi.
In breve:

Glucosio → Piruvato → Alanina → Piruvato → Glucosio

Tappe, tessuti ed organi coinvolti nel ciclo glucosio-alanina o ciclo di CahillIl ciclo glucosio-alanina esiste non solo tra il muscolo scheletrico, il primo tra i tessuti in cui fu osservato, ed il fegato, ma coinvolge anche altre cellule e tessuti extraepatici tra cui le cellule del sistema immunitario, ad esempio gli organi linfoidi.

INDICE

Tappe del ciclo glucosio-alanina

L’analisi successiva verrà fatta considerando il ciclo tra muscolo scheletrico e fegato.
Le proteine, sia intracellulari che extracellulari, sono continuamente idrolizzate nei loro amminoacidi costituenti e risintetizzate; e la velocità con cui avvengono i due processi è tale da evitare una perdita netta di massa magra dall’organismo.
Tuttavia, in condizioni cataboliche, come nel digiuno o nell’esercizio intenso e prolungato, la velocità con cui avviene l’idrolisi delle proteine muscolari supera quella della loro sintesi de novo. Questo porterà alla liberazione di amminoacidi, alcuni dei quali sono utilizzati a fini energetici, altri a fini glucogenetici. Infatti, l’ossidazione dello scheletro carbonioso degli amminoacidi, in particolare di quelli a catena ramificata (valina, leucina, ed isoleucina), rappresenta una significativa fonte di energia per il muscolo. Ad esempio, dopo circa 90 minuti dall’inizio di un esercizio fisico intenso, l’ossidazione intramuscolare degli amminoacidi fornisce il 10-15% dell’energia necessaria alla contrazione.
L’utilizzazione degli scheletri carboniosi degli amminoacidi a fini energetici implica la rimozione del loro gruppo amminico α, e quindi il successivo smaltimento di tale azoto in una forma non tossica.
La rimozione del gruppo amminico α avviene attraverso reazioni di transaminazione che possono essere schematizzate come segue:

α-Chetoacido + Aminoacido ⇄ Nuovo aminoacido + Nuovo α-chetoacido

Tali reazioni, catalizzate da enzimi detti amminotransferasi o transaminasi (EC 2.6.1) sono liberamente reversibili (vedi sotto).
Gli amminoacidi ramificati, ad esempio, trasferiscono il gruppo amminico α all’α-chetoglutarato o acido 2-ossoglutarico, a dare glutammato e l’α-chetoacido derivato dall’amminoacido stesso, in una reazione catalizzata dalla transaminasi specifica per tale gruppo di amminoacidi o BCAT (EC 2.6.1.42), acronimo dell’inglese branched chain aminotransferases.

Ciclo di Cahill nel muscolo scheletrico

Nel muscolo scheletrico, il glutammato prodotto potrà accettare un altro gruppo amminico a dare glutammina, per molti tessuti ed organi, come ad esempio il cervello, la principale forma di trasporto interorgano dell’azoto. La reazione è catalizzata dall’enzima citosolico glutammina sintetasi (EC 6.3.1.2) e consuma un ATP.

Glutammato + NH4+ + ATP → Glutammina + ADP + Pi

In questo caso tuttavia si uscirebbe dal ciclo glucosio-alanina.
In alternativa, e a differenza di quanto accade nella maggior parte degli altri tessuti, il glutammato prodotto potrà partecipare ad una reazione di transaminazione catalizzata dalla alanina aminotransferasi o ALT (EC 2.6.1.2), enzima presente nella maggior parte dei tessuti animali e vegetali. In tale reazione il glutammato dona il gruppo amminico α al piruvato, derivante dalla glicolisi, a dare alanina ed α-chetoglutarato:

Piruvato + Glutammato ⇄ Alanina + α-Chetoglutarato

L’alanina prodotta e quella derivante dalla degradazione delle proteine, e le proteine muscolari ne sono piuttosto ricche, può lasciare la cellula ed essere veicolata dal circolo ematico al fegato, trasportandovi quindi il gruppo amminico. La velocità con cui l’alanina formata per transaminazione dal piruvato viene trasferita in circolo è proporzionale alla produzione intracellulare del piruvato.
Nota: alanina e glutammina sono le principali fonti di azoto e carbonio nel metabolismo interorgano degli amminoacidi.

Ciclo di Cahill nel fegato

Una volta nel fegato si verifica una transaminazione catalizzata dalla alanina aminotransferasi epatica, in cui l’alanina, il principale amminoacido gluconeogenico, funge da donatore del gruppo amminico α, e l’α-chetoglutarato da chetoacido accettore. I prodotti della reazione sono il piruvato, ossia lo scheletro carbonioso dell’alanina, ed il glutammato.

Alanina + α-Chetoglutarato ⇄ Piruvato + Glutammato

Il glutammato, nella reazione catalizzata dalla glutammato deidrogenasi (EC 1.4.1.2), enzima presente nella matrice mitocondriale, rilascia ione ammonio, che entra nel ciclo dell’urea, ed una molecola di α-chetoglutarato, che può entrare nel ciclo di Krebs. Questa reazione rappresenta processo anaplerotico che lega il metabolismo degli amminoacidi con il ciclo di Krebs.

Glutammato + H2O + NAD+ ⇄ α-Chetoglutarato + NH4+ + NADH + H+

Tuttavia il glutammato potrà entrare anche nella reazioni di transaminazione, catalizzata dalla aspartato amminotransferasi (EC 2.6.1.1), con l’ossalacetato a dare aspartato e α-chetoglutarato. L’aspartato è uno degli amminoacidi coinvolti nella produzione di urea attraverso il ciclo dell’urea, ma può essere utilizzato pure nella sintesi delle purine e pirimidine.

Glutammato + Ossalacetato ⇄ Aspartato + α-Chetoglutarato

Anche il piruvato prodotto potrà seguire destini metabolici differenti: essere ossidato per la produzione di ATP, e quindi uscire dal ciclo glucosio-alanina, o entrare nella via gluconeogenetica, e dunque proseguire nel ciclo glucosio-alanina.
Il glucosio prodotto verrà rilasciato dall’epatocita e attraverso il circolo ematico distribuito ai vari tessuti che lo richiedono, tra cui il muscolo scheletrico, dove viene utilizzato per la produzione di piruvato, di nuovo disponibile per accettare il gruppo amminico α del glutammato, chiudendo così il ciclo.

Transaminasi

Come detto in precedenza, la rimozione del gruppo amminico α degli amminoacidi avviene in reazioni di transaminazione (vedi sopra per la reazione generale), catalizzate da enzimi detti amminotransferasi o transaminasi.
Sono enzimi citosolici, presenti in tutte le cellule e particolarmente abbondanti nel fegato, rene, intestino e muscolo, la maggior parte dei quali richiede come coenzima il piridossal fosfato o PLP (acronimo dell’inglese pyridoxal phosphate), la forma attiva della vitamina B6 o piridossina. Il coenzima è legato strettamente al sito attivo dell’enzima.
Nelle reazioni di transaminazione il gruppo amminico α degli amminoacidi liberi, con l’esclusione della treonina e lisina, è “incanalato” verso un numero ristretto di α-chetoacidi, in particolare piruvato, ossalacetato e α-chetoglutarato.
Le cellule contengono diversi tipi di amminotransferasi: molte sono specifiche per l’α-chetoglutarato come α-chetoacido, ma differiscono nella specificità per l’amminoacido, da cui prendono parte del nome. Esempi sono le già citate alanina aminotransferasi, anche detta alanina transaminasi e glutammico piruvico transferasi (GPT), e l’aspartato aminotransferasi (AST) o glutammico ossalacetico transaminasi (GOT) (EC 2.6.1.1).
Va sottolineato che nelle reazioni di transaminazione non si verifica alcuna deaminazione netta, nessuna perdita di gruppi amminici, in quanto l’α-chetoacido accettore viene amminato e l’amminoacido deaminato.

Funzioni del ciclo glucosio-alanina

Tale ciclo ha diversi ruoli.

  • Trasporta azoto in una forma non tossica dai tessuti periferici al fegato.
  • Trasporta al fegato piruvato, un substrato gluconeogenico.
  • Rimuove piruvato dai tessuti periferici nei quali è così possibile ottenere una maggior produzione di ATP dal glucosio. Infatti il NADH prodotto durante la glicolisi può entrare nei mitocondri ed essere ossidato attraverso la fosforilazione ossidativa.
  • Permette di mantenere nell’epatocita una concentrazione relativamente alta di alanina, tale da inibire la degradazione delle proteine.
  • Può avere un ruolo nella difesa dell’ospite nei confronti delle malattie infettive.

Infine è importante sottolineare che nel ciclo glucosio-alanina non c’è sintesi netta di glucosio.

Costo energetico del ciclo glucosio-alanina

Al pari del ciclo di Cori, anche il ciclo glucosio-alanina ha un costo energetico netto, che corrisponde a 3-5 molecole di ATP.
La parte del ciclo che si svolge nei tessuti periferici comporta la produzione di 5-7 molecole di ATP per molecola di glucosio:

  • 2 ATP sono prodotti dalla glicolisi;
  • 3-5 ATP derivano dal trasferimento degli elettroni dal NADH/FADH2 (vedi sotto) alla catena di trasporto degli elettroni.

Nel fegato invece la gluconeogenesi e il ciclo dell’urea consumano 10 ATP:

  • 6 ATP sono consumati nel corso della gluconeogenesi;
  • 4 ATP sono necessari per il ciclo dell’urea per ogni molecola di urea prodotta.

Il ciclo glucosio-alanina, al pari del ciclo di Cori, sposta parte del carico metabolico dai tessuti extraepatici al fegato. Tuttavia il prezzo pagato dal fegato è ampiamente giustificato dai vantaggi che il ciclo apporta all’intero organismo in quanto consente, in particolari condizioni, un efficiente catabolismo delle proteine nei tessuti extraepatici, il che a sua volta permette di ottenere substrati per la gluconeogenesi come anche l’utilizzazione a fini energetici degli aminoacidi nei tessuti extraepatici.

Analogie e differenze tra ciclo glucosio-alanina e di Cori

Tra i due cicli esistono alcune analogie di seguito elencate.

  • Il ciclo di Cahill in parte si sovrappone al ciclo di Cori quando il piruvato viene convertito in glucosio e lo stesso trasportato ai tessuti extraepatici, dove attraverso la via glicolitica rigenera piruvato.
  • L’ingresso nella gluconeogenesi epatica è simile per i due cicli: sia l’alanina che il lattato sono infatti convertiti in piruvato.
  • Al pari del ciclo di Cori, anche il ciclo glucosio-alanina si “estende” attraverso tipi cellulari differenti, al contrario di quanto accade con vie metaboliche come la glicolisi, il ciclo di Krebs o la gluconeogenesi che  sono confinate all’interno di singole cellule.
Analogie e differenze tra il ciclo di Cori ed il ciclo glucosio-alanina
Ciclo di Cori vs Ciclo Glucosio-Alanina

Di seguito, alcune differenze tra i due cicli.

  • La principale riguarda l’intermedio a tre atomi di carbonio che dai tessuti periferici raggiunge il fegato: il lattato nel il ciclo di Cori e l’alanina nel ciclo glucosio-alanina.
  • Un’altra differenza riguarda il destino del NADH prodotto dalla glicolisi nei tessuti periferici.
    Nel ciclo di Cori il coenzima funge da donatore di agenti riducenti nella riduzione del piruvato a lattato, nella reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi (EC 1.1.1.27).
    Nel ciclo glucosio-alanina tale riduzione non si verifica e gli elettroni del NADH potranno essere trasportati all’interno del mitocondrio dai sistemi navetta del malato-aspartato o del glicerolo-3-fosfato, generando NADH la prima navetta e FADH2 l’altra, da cui si otterranno rispettivamente 2,5 e 1,5 molecole di ATP.
  • Infine, dal punto precedente emerge che, a differenza del ciclo di Cori, per il ciclo glucosio-alanina è richiesta nei tessuti periferici anche la presenza di ossigeno e mitocondri.

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Ciclo di Cori: a cosa serve, dove avviene e reazioni

Il ciclo di Cori, anche detto ciclo dell’acido lattico, fu scoperto grazie agli studi condotti negli anni 30 e 40 del secolo scorso dai coniugi Carl e Gerty Cori, i quali scoprirono l’esistenza di una cooperazione metabolica, una suddivisione del lavoro, tra il muscolo scheletrico che lavora in condizioni di limitata disponibilità di ossigeno ed il fegato.
Di seguito ne sono riassunte le tappe.

  • La conversione del glucosio ad acido lattico, attraverso la glicolisi anaerobica, in cellule muscolari scheletriche.
  • La diffusione dell’acido lattico dalla cellula muscolare scheletrica al circolo sanguigno, grazie al quale raggiunge il fegato, che è il suo principale utilizzatore.
  • La conversione dell’acido lattico a glucosio attraverso la gluconeogenesi.
  • La diffusione del glucosio dall’epatocita al circolo sanguigno, grazie al quale raggiunge il muscolo scheletrico chiudendo il ciclo.

In breve, parte dell’acido lattico prodotto nel muscolo scheletrico viene convertito in glucosio nel fegato, per tornare infine al muscolo chiudendo così il ciclo.

Glucosio → Acido lattico → Glucosio

L’importanza del ciclo di Cori è testimoniata dal fatto che può rappresentare circa il 40% del normale turn over del glucosio plasmatico.

INDICE

Dove avviene il ciclo di Cori?

Questa cooperazione metabolica è stata dimostrata esistere anche tra il fegato e tessuti extraepatici diversi dal muscolo scheletrico. Si può infatti affermare che, come per il ciclo glucosio-alanina, al ciclo di Cori possono partecipare i tessuti che non ossidino completamente il glucosio a CO2 e H2O, nel qual caso verrebbe a mancare il piruvato da cui ottenere l’acido lattico o, per transaminazione l’alanina (vedi sotto).  Esempi di cellule che producono continuamente acido lattico, oltre alle cellule muscolari scheletriche, sono i globuli rossi, le cellule proliferanti del midollo osseo, le cellule immunitarie dei noduli linfatici e le cellule epiteliali nella pelle.
Da notare che il muscolo scheletrico produce acido lattico anche a riposo, sebbene a bassa velocità.

Passaggi, tessuti ed organi coinvolti nel ciclo di Cori o ciclo dell'acido lattico
Ciclo di Cori

Dal punto di vista biochimico, il ciclo di Cori connette la glicolisi anaerobica con la gluconeogenesi, utilizzando tessuti differenti per compartimentalizzare processi opposti. In una stessa cellula infatti, a prescindere dal tipo, tali vie metaboliche non sono molto attive simultaneamente. Quando la cellula necessita di ATP, la glicolisi è più attiva; quando invece la richiesta di ATP è bassa, la gluconeogenesi, nelle cellule dove avviene, è più attiva.
Ed degno di nota anche il fatto che sebbene tradizionalmente le vie metaboliche, come la glicolisi, il ciclo dell’acido citrico, o la gluconeogenesi, siano considerate confinate all’interno delle singole cellule, il ciclo di Cori, come anche il ciclo glucosio-alanina, si “estende” attraverso tipi cellulari differenti.
Va infine sottolineato che il ciclo di Cori coinvolge anche la corteccia renale, in particolare i tubuli prossimali, essendo questi un altro sito dove avviene la gluconeogenesi.

Passaggi del ciclo di Cori

L’analisi dei passaggi del ciclo di Cori verrà fatta considerando l’acido lattico prodotto nel globulo rosso e nel muscolo scheletrico.
Il globulo rosso è una cellula priva di mitocondri, nucleo e ribosomi, che ricava l’energia necessaria dalla sola glicolisi. La possibilità di procedere della glicolisi, come la sua velocità, dipendono anche dalla disponibilità di NAD+. Il coenzima nella sua forma ossidata è infatti necessario per l’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12).

Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ → 1,3-Bisfosfoglicerato + NADH + H+

L’accumulo di NADH è evitato dalla riduzione del piruvato ad acido lattico, nella reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi (EC 1.1.1.27) o LDH, acronimo dell’inglese lactate dehydrogenase, reazione nella quale il NADH funge da donatore di agenti riducenti, ossidandosi a NAD+.

Piruvato + NADH + H+ → Acido lattico + NAD+

Il muscolo scheletrico, e in particolare le fibre a contrazione rapida che posseggono un numero ridotto di mitocondri, in condizioni di limitata disponibilità di ossigeno, come nel corso di un intenso lavoro, producono notevoli quantità di acido lattico. In queste condizioni infatti:

  • la velocità di produzione del piruvato attraverso la via glicolitica eccede la capacità del ciclo dell’acido citrico di ossidarlo, tanto che meno del 10% del piruvato prodotto entra nel ciclo stesso;
  • la velocità alla quale l’ossigeno è assunto dalle cellule non è sufficiente per assicurare l’ossidazione aerobica di tutto il NADH formato.

E come nel globulo rosso, la reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi, rigenerando NAD+, permette alla glicolisi di procedere.
L’acido lattico è però un prodotto finale del metabolismo, e per essere utilizzato dalla cellula deve essere convertito in piruvato.
La membrana plasmatica della maggior parte delle cellule è liberamente permeabile sia al piruvato che all’acido lattico, che possono quindi raggiungere il circolo ematico. E, considerando ad esempio il muscolo scheletrico, la quantità di acido lattico che lascia la cellula è maggiore rispetto a quella del piruvato grazie all’elevato rapporto NADH/NAD+ intracellulare e alle proprietà catalitiche dell’isoenzima muscolare della lattico deidrogenasi.
Una volta in circolo l’acido lattico raggiunge il fegato, che è il suo principale utilizzatore, e nel citosol dell’epatocita viene ossidato a piruvato, nella reazione catalizzata dall’isoenzima epatico della lattico deidrogenasi.

Acido lattico + NAD+ → Piruvato + NADH + H+

Nell’epatocita questa ossidazione è favorita dal basso rapporto NADH/NAD+ presente nel citosol.
Il piruvato è quindi disponibile per entrare nella gluconeogenesi.
Il glucosio prodotto lascia il fegato e, tramite il circolo ematico raggiunge il muscolo, il globulo rosso, i neuroni, e gli altri tessuti e cellule che lo richiedono, chiudendo così il ciclo.

Lattico deidrogenasi

L’enzima è un tetramero composto da due differenti tipi di subunità, indicate come:

  • H, dall’inglese heart, o subunità B;
  • M, dall’inglese muscle, o subunità A.

La subunità H predomina nel cuore, mentre la M nel muscolo scheletrico e nel fegato. In genere i tessuti con un metabolismo prevalentemente o esclusivamente aerobico, come il cuore, sintetizzano in misura maggiore la subunità H, mentre nei tessuti dove anche il metabolismo anaerobico è importante, come il muscolo scheletrico, la subunità M è prodotta in misura prevalente.
Le due subunità si associano in 5 modi differenti a dare altrettanti isoenzimi, che possono essere omopolimeri, ossia macromolecole formate da subunità identiche ripetute, o eteropolimeri, macromolecole formate da subunità differenti variamente assortite. I differenti isoenzimi della LDH hanno differenti proprietà catalitiche, oltre che differente distribuzione nei vari tessuti, come indicato di seguito:

  • H4, anche detto tipo 1, LDH1, o A4, un omopolimero di subunità H, si ritrova nel muscolo cardiaco, rene e globuli rossi;
  • H3M1, anche detto tipo 2, LDH2, o A3B, ha una distribuzione simile ad LDH1;
  • H2M2, anche detto tipo 3, LDH3, o A2B2, si ritrova nella milza, cervello, globuli bianchi, rene e polmone;
  • H1M3, anche detto tipo 4, LDH4, o AB3, si ritrova nella milza, polmone, muscolo scheletrico, globuli rossi e rene;
  • M4, anche detto tipo 5, LDH5, o A4, un omopolimero di subunità M, si ritrova nel fegato, muscolo scheletrico e polmone.

L’isoenzima H4 ha un’affinità per il substrato maggiore rispetto all’isoenzima M4.
L’isoenzima H4 è inibito allostericamente da elevati livelli di piruvato (il suo prodotto), mentre l’isoenzima M4 non lo è.
Gli isoenzimi “intermedi” hanno proprietà intermedie, più o meno spostate verso un estremo o l’altro, a seconda del rapporto tra i due tipi di subunità.
Si ritiene che l’isoenzima H4 sia il più idoneo per catalizzare l’ossidazione dell’acido lattico a piruvato, che nel cuore, grazie al suo metabolismo completamente aerobico, viene poi ossidato a CO2 e H2O.
Nel muscolo scheletrico prevale invece l’isoenzima M4, più idoneo per catalizzare la riduzione del piruvato ad acido lattico, consentendo quindi alla glicolisi di procedere in condizioni anaerobiche.

Altri destini metabolici dell’acido lattico

Da quanto detto in precedenza è chiaro che l’acido lattico non rappresenta un  binario morto del metabolismo ne un prodotto di scarto del metabolismo del glucosio. E può avere anche un destino diverso da quello di entrare nel ciclo di Cori.
Ad esempio nel muscolo scheletrico in fase di recupero da un esercizio esaustivo, quando cioè l’ossigeno diviene nuovamente sufficiente, o quando l’esercizio è condotto a bassa intensità, l’acido lattico può essere ossidato a piruvato, grazie alla disponibilità di NAD+, e di seguito a CO2 e H20, con produzione di una notevole quantità di energia. In queste condizioni verrà recuperata anche l’energia immagazzinata nel NADH prodotto durante la sua conversione in piruvato, ottenendo 2,5 molecole di ATP per molecola di NADH.
L’acido lattico può anche essere assunto da tessuti esclusivamente aerobici, come il muscolo cardiaco, dove sarà ossidato a CO2 e H2O.

Costo energetico del ciclo dell’acido lattico

Il ciclo di Cori comporta un consumo netto di 4 molecole di ATP.
La parte del ciclo che comprende la gluconeogenesi consuma 6 equivalenti di ATP, nello specifico 4 ATP e 2 GTP, nelle reazioni catalizzate dagli enzimi:

  • piruvato carbossilasi (EC 6.4.1.1): un ATP;
  • fosfoenolpiruvato carbossichinasi (EC 4.1.1.32): un GTP;
  • gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi: un ATP.

Poiché sono utilizzate due molecole di acido lattico per la sintesi di ogni molecola di glucosio, il costo totale è di 2 x 3 = 6 legami ad alta energia per molecola di glucosio.
Di contro, la parte del ciclo che comprende la glicolisi anaerobica ne produce solo 2.
In definitiva, è richiesta più energia per produrre glucosio dall’acido lattico nel fegato rispetto a quella ottenuta dall’ossidazione anaerobica del glucosio nei tessuti extraepatici. Questo spiega perché il ciclo di Cori non può essere sostenuto indefinitamente.

Il ciclo di Cori è un ciclo futile?

La continua demolizione e risintesi del glucosio caratteristica del ciclo dell’acido lattico può sembrare un inutile spreco di energia. In realtà questo ciclo permette l’efficace funzionamento di numerose cellule extraepatiche a spese del fegato e in parte della corteccia renale. Di seguito alcuni esempi.

  • Globuli rossi
    Gli eritrociti, essendo privi di nucleo, ribosomi e mitocondri, sono più piccoli rispetto a molte altre cellule, e le ridotte dimensioni permettono loro il passaggio attraverso gli stretti capillari. Ma la mancanza dei mitocondri li rende completamente dipendenti dalla glicolisi anaerobica per la produzione di ATP. L’acido lattico inevitabilmente formato sarà poi smaltito in parte dal fegato e dal rene.
  • Muscolo scheletrico
    Queste cellule, ed in particolare quelle delle fibre a contrazione rapida, quando soggette ad un intenso lavoro in condizioni di limitata disponibilità di ossigeno producono molto acido lattico. In tali condizioni la glicolisi anaerobica porta alla produzione di 2 molecole di ATP per molecola di glucosio, 3 se il glucosio proviene dal glicogeno muscolare, una quantità decisamente inferiore rispetto alle 29-30 molecole di ATP prodotte a seguito della completa ossidazione del glucosio ad H2O e CO2. Ma la velocità di produzione dell’ATP attraverso la glicolisi anaerobica è maggiore rispetto a quella ottenibile dalla completa ossidazione del glucosio. Dunque, per il muscolo che ha fame di ATP, la glicolisi anaerobica rappresenta una efficace sorgente del nucleotide trifosfato. Ma questo potrebbe portare ad un accumulo intracellulare di acido lattico, e ad una pericolosa diminuzione del pH intracellulare. Ovviamente tale accumulo non si verifica, anche grazie al ciclo di Cori, che scarica parte dell’acido lattico muscolare e del costo energetico per il suo smaltimento sul fegato, permettendo al muscolo di utilizzare l’ATP disponibile per sostenere la sua contrazione.
    E il debito di ossigeno, il “fiatone”, che sempre si presenta dopo un’attività fisica sostenuta, è in gran parte dovuto all’aumentata richiesta di ossigeno da parte degli epatociti per sostenere l’ossidazione degli acidi grassi, il loro principale carburante, che porterà alla produzione dell’ATP necessario per la gluconeogenesi.
  • Nel corso di traumi, sepsi, ustioni, o dopo grossi interventi chirurgici, si verifica un’intensa proliferazione cellulare nelle ferite, che sono tessuti ipossici, e nel midollo osseo. Questo a sua volta risulta in una maggiore produzione di acido lattico, un aumento del flusso attraverso il ciclo di Cori e quindi del consumo di ATP a livello epatico, che, come detto, è sostenuto da un incremento dell’ossidazione degli acidi grassi. Quindi l’alimentazione di questi pazienti deve tenere in conto questo aumento nei consumi.
  • Una situazione simile alla precedente sembra presentarsi anche in quei pazienti oncologici che vanno incontro ad una progressiva perdita di peso.
  • Il ciclo di Cori è fondamentale anche durante il digiuno.

Ciclo di Cori e ciclo glucosio-alanina

Questi due cicli sono vie metaboliche che contribuiscono ad assicurare un continuo rifornimento di glucosio a tessuti per i quali il monosaccaride è la fonte primaria di energia.
La principale differenza tra i due cicli consiste nell’intermedio a tre atomi di carbonio che viene riciclato: nel ciclo di Cori il carbonio torna al fegato in forma di piruvato, mentre nel ciclo glucosio-alanina in forma di alanina.
Per ulteriori informazioni si veda: ciclo glucosio-alanina.

Bibliografia

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Sali biliari: cosa sono, a cosa servono, sintesi

Gli acidi ed i sali biliari sono derivati polari del colesterolo, e rappresentano la principale via per l’eliminazione dello steroide dal corpo.
Sono un gruppo di specie molecolari con struttura chimica simile ma non identica, proprietà fisiche differenti e caratteristiche biologiche anche più divergenti.
Sono sintetizzati nel fegato, immagazzinati nella cistifellea, secreti nel duodeno, ed infine per la maggior parte riassorbiti  nell’ileo.
Poiché a pH fisiologico sono presenti in forma di anioni, i termini acido biliare e sale biliare saranno di seguito utilizzati come sinonimi.

INDICE

Struttura chimica dei sali biliari

I sali biliari presentano analogia e differenze con la molecola del colesterolo.
Al pari dello steroide posseggono un nucleo formato da 4 anelli fusi, tre a sei atomi di carbonio, indicati come A, B e C, ed uno, indicato come D, a 5; tale struttura è il ciclopentanoperidrofenantrene, più comunemente noto come nucleo steroideo.

Struttura e nome dei più comuni acidi e sali biliari e dei loro coniugati
Acidi BiIiari e Loro Coniugati

Negli vertebrati superiori sono formati da 24 atomi di carbonio, poiché hanno una coda idrocarburica più corta di tre atomi di carbonio rispetto a quella del colesterolo. Nei vertebrati inferiori sono formati a 25, 26 o 27 atomi di carbonio. La coda idrocarburica termina con un gruppo carbossilico, spesso ionizzato a pH 7, che può essere legato all’aminoacido glicina o taurina (vedi sotto).
Oltre al gruppo ossidrilico in posizione 3, possono avere gruppi ossidrilici in posizione 7 e/o 12.
Tutto ciò rende queste molecole molto più polari del colesterolo.
Poiché gli anelli A e B sono fusi in configurazione cis, la struttura del nucleo steroideo risulta curva, ed è possibile individuarvi:

  • un lato concavo, verso cui sono orientati i gruppi idrossilici ed il gruppo carbossilico della catena laterale, con o senza l’aminoacido ad esso legato, e che risulta idrofilico;
  • un lato convesso, verso cui sono orientati i gruppi metilici presenti in posizione 18 e 19, che risulta idrofobico.
Rappresentazione del lato concavo, idrofilico, e convesso, idrofobico, dell’acido colico
Rappresentazione dell’Acido Colico

Dunque, possedendo sia gruppi polari che non polari sono molecole anfifiliche ed ottimi surfattanti. Tuttavia la loro struttura chimica li rende molto diversi rispetto ai surfattanti tradizionali, dove spesso si individua una testa polare ed una lunga coda non polare.

Acidi e sali biliari primari, coniugati e secondari

Sono definiti acidi biliari primari le molecole sintetizzate negli epatociti direttamente dal colesterolo. Nell’uomo i principali sono l’acido colico e l’acido chenodesossicolico, che da soli formano fino all’80% di tutti gli acidi biliari.
Prima di essere secreti nell’albero biliare sono coniugati quasi per intero, sino al 98%, con gli amminoacidi glicina o taurina, a dare rispettivamente glicoconiugati e tauroconiugati. In particolare circa il 75% dell’acido colico e chenodesossicolico sono coniugati con la glicina, a dare acido glicocolico e acido glicochenodesossicolico, il restante 25% con la taurina, a dare acido taurocolico e acido taurochenodesossicolico.

Coniugazione degli acidi colico e chenodesossicolico con taurina e glicina
Acidi Biliari Coniugati

Gli acidi biliari coniugati sono molecole dotate di gruppi maggiormente idrofilici rispetto a quelle di origine, dunque con una capacità emulsionante superiore. La coniugazione ha infatti l’effetto di ridurre il loro pKa facendo si che rimangano ionizzate in un intervallo più ampio di pH. Se infatti il pKa tipico dei non coniugati è di circa 6, si passa a circa 4 con l’acido glicocolico, e circa 2 con l’acido taurocolico.
L’idrofilicità dei comuni acidi e sali biliari decresce secondo il seguente ordine: coniugati della glicina < coniugati della taurina < acido litocolico < acido desossicolico < acido chenodesossicolico < acido colico < acido ursodesossicolico.
Infine la coniugazione ha anche l’effetto di ridurre la citotossicità delle molecole di origine.

Gli acidi biliari secondari derivano dai primari che non sono stati riassorbiti durante il loro passaggio nell’intestino tenue. Una volta raggiunto il colon, gli acidi biliari primari possono infatti subire diverse modificazioni ad opera del microbiota intestinale, che è parte del più ampio microbiota umano, a dare appunto gli acidi biliari secondari (vedi sotto), che formano il restante 20% del pool corporeo totale degli acidi biliari.

Un altro modo di suddividere i sali biliari fa riferimento alla loro coniugazione con aminoacidi e al grado di idrossilazione. Su queste base si individuano tre categorie.

  • I coniugati triidrossilati, quali l’acido taurocolico e il glicocolico.
  • I coniugati diidrossilati, come l’acido glicodesossicolico, glicochenodesossicolico, taurochenodesossicolico e taurodesossicolico. Nella bile rappresentano circa il 60% del totale dei sali biliari.
  • Forme non coniugate come l’acido colico, desossicolico, chenodesossicolico, e litocolico.

Funzione dei sali biliari

Premessa: tutte le funzioni fisiologiche sono portate a termine dai sali biliari in forma coniugata.

  • Rappresentano la via principale per l’eliminazione del colesterolo. Nell’uomo infatti non esiste il corredo enzimatico necessario per rompere nessuno dei quattro anelli del nucleo steroideo, ne per ossidare il colesterolo ad anidride carbonica ed acqua.
    L’altro modo per eliminare il colesterolo è con la bile, in forma libera.
  • I sali biliari sono potenti surfattanti. E in particolare, i coniugati di- e triidrossilati sono i surfattanti migliori, molto più efficaci rispetto ai corrispettivi non coniugati, avendo un numero maggiore di gruppi polari.
    Una volta a contatto con i lipidi apolari nel lume del piccolo intestino, il lato convesso apolare va ad interagire con il lipidi idrofobici, quali trigliceridi, esteri del colesterolo e delle vitamine liposolubili, mentre il lato concavo polare prende contatto con il mezzo acquoso circostante. Ciò incrementa la dispersione nel mezzo acquoso dei lipidi apolari, favorendo la formazione di minuscole goccioline lipidiche, che subiranno l’attacco delle lipasi, in particolare della lipasi pancreatica, nella cui attivazione i sali biliari hanno un ruolo diretto, e delle esterasi intestinali. In seguito facilitano l’assorbimento dei prodotti della digestione lipidica stessa, nonché delle vitamine liposolubili, ad opera della mucosa intestinale grazie alla formazione di micelle miste.
    Una funzione simile è svolta nella cistifellea dove, formando micelle miste con i fosfolipidi, prevengono la precipitazione del colesterolo.
    Nota: grazie alla disposizione dei gruppi polari e non polari, una volta in soluzione acquosa, i sali biliari tendono a formare micelle, di solito composte da meno di 10 monomeri, purché la loro concentrazione sia superiore alla cosiddetta concentrazione micellare critica.
  • A livello intestinale modulano la secrezione degli enzimi pancreatici e della colecistochinina.
  • Sia nell’intestino tenue che nel colon hanno una potente attività antimicrobica, in primis l’acido desossicolico, in particolare contro i batteri Gram-positivi. Questa attività potrebbe essere dovuta a danno ossidativo al DNA e/o al danno alle membrane cellulari batteriche. Sono dunque importanti nella prevenzione della sovracrescita batterica, ma sembra abbiano anche un ruolo nella regolazione della composizione del microbiota intestinale.
  • Negli ultimi anni è divenuto evidente il loro ruolo regolatorio sul controllo del metabolismo energetico, ed in particolare per la “movimentazione” epatica del glucosio.

Circolo enteroepatico dei sali biliari

A seguito del consumo di lipidi con la dieta, le cellule enteroendocrine del duodeno secernono in circolo la colecistochinina. Il successivo legame dell’ormone alle cellule muscolari lisce della parete della cistifellea ne promuove la contrazione; inoltre l’ormone causa anche il rilascio dello sfintere di Oddi. Da tutto ciò risulta la secrezione pulsatile della bile, e degli acidi biliari in essa contenuti, nel duodeno.

In condizioni fisiologiche il pool corporeo di acidi biliari è costante, e pari a circa 3-5 g; ciò è reso possibile da due processi:

  • il loro riassorbimento a livello intestinale;
  • la loro sintesi de novo (vedi sotto).

Fino al 95% dei sali biliari secreti viene riassorbito a livello intestinale, non assieme ai prodotti della digestione lipidica, ma attraverso un processo definito circolo enteroepatico.
Si tratta di un sistema di recupero estremamente efficiente, che sembra avvenire almeno due volte per ogni pasto, cui partecipano il fegato, l’albero biliare, il duodeno, il colon, ed il circolo portale attraverso cui le molecole riassorbite tornano al fegato. Tale ricircolo è reso necessario dal fatto che la capacità dell’epatocita di produrre acidi biliari è limitata ed insufficiente a soddisfare le necessità fisiologiche intestinali se gli stessi sali andassero perduti in elevate quantità.
La maggior parte dei sali biliari è riassorbita una volta raggiunto l’ileo distale, la parte più bassa dell’intestino tenue, a mezzo di un trasportatore sodio-dipendente presente nell’orletto a spazzola degli enterociti, detto ASBT, acronimo dell’inglese apical sodium-dependent bile acid transporter, che opera un cotrasporto di due ioni sodio ed un acido biliare.
Una volta nell’enterocita si ritiene che, a mezzo della proteina IBABP, acronimo dell’inglese ileal bile acid-binding protein, siano trasportati attraverso il citosol alla membrana basolaterale, che attraversano grazie  all’intervento del trasportatore OSTα/OSTβ, acronimo dell’inglese organic solute transporter alpha and beta. Tramite il circolo portale, veicolati dall’albumina, raggiungono il fegato.
Da notare che una piccola parte di acidi biliari raggiunge il fegato attraverso l’arteria epatica.
A livello epatico la loro estrazione dal circolo è molto efficiente, tanto che dal 50 al 90% sono rimossi al primo passaggio, percentuale che varia in funzione della struttura molecolare. Gli acidi biliari coniugati sono in gran parte rimossi  attraverso un meccanismo di trasporto attivo sodio-dipendente, a mezzo del trasportatore NTCP, acronimo dell’inglese Na+-dependent taurocholate co-transport polipeptide. Tuttavia può avvenire anche un trasporto sodio-indipendente ad opera di proteine della famiglia OATP, acronimo dell’inglese organic anion transporting polypeptides, principalmente le isoforme OATP1B1 e OATP1B3.
Nel circolo enteroepatico il passaggio limitante è rappresentato dalla loro secrezione nei canalicoli biliari, in gran parte ad opera di BSEP, acronimo dell’inglese bile salt export pump, in un processo ATP-dipendente. Questa pompa trasporta gli acidi biliari monoanionici, che sono la maggior parte. Gli acidi biliari solforati o glucuronati, dianionici, sono secreti a mezzo di trasportatori differenti, quali MRP2 e BCRP.

Nota: il livello sierico degli acidi biliari varia sulla base della velocità di riassorbimento e quindi è più alto durante i pasti, quando il circolo enteroepatico è più attivo.

Metabolismo intestinale dei sali biliari

Gli acidi biliari che sfuggono al riassorbimento ileale passano nel colon dove in parte subiscono l’azione di enzimi della flora batterica e sono trasformati in acidi biliari secondari.
Di seguito sono elencate le principali reazioni.

  • Deconiugazione
    A livello della catena laterale si può verificare l’idrolisi del legame con l’aminoacido coniugato in posizione 24, con liberazione di acidi biliari non coniugati e glicina o taurina. Le reazioni sono catalizzate da idrolasi batteriche presenti sia nell’intestino tenue che nel colon.
  • 7α-Deidrossilazione
    E’ la reazione quantitativamente più importante, portata a termine da deidratasi batteriche coloniche che rimuovono il gruppo ossidrilico in posizione 7 dando origine ad un 7-deossi acido biliare. In particolare, dall’acido colico si formerà l’acido desossicolico, mentre dal chenodesossicolico il litocolico, due acidi biliari secondari tossici.
    Da notare che la 7α-deidrossilazione, a differenza di quanto accade con l’ossidazione e l’epimerizzazione (vedi sotto), può avvenire solamente sugli acidi biliari non coniugati, per cui la deconiugazione è un prerequisito essenziale.
  • Ossidazione ed epimerizzazione
    Sono reazioni che interessano i gruppi idrossilici in posizione 3, 7 e 12, catalizzate da idrossisterolo deidrogenasi batteriche. Ad esempio, l’epimerizzazione dell’acido chenodesossicolico da origine all’acido ursodesossicolico.
Ossidazione ed epimerizzazione dei sali biliari ad opera del flora batterica intestinale
Metabolismo Intestinale degli Acidi Biliari

Parte degli acidi biliari secondari sono poi riassorbiti e tornano al fegato, per essere riconiugati, se necessario, e secreti nuovamente. Quelli che invece sfuggono al riassorbimento saranno perduti con le feci.

Mentre le reazioni di deconiugazione ed ossidazione sono portate a termine da un ampio spettro di batteri anaerobi, le 7α-deidrossilazioni sono effettuate da un numero ristretto di anaerobi.
La 7α-deidrossilazione e la deconiugazione hanno come effetto quello di aumentare il pKa e dunque l’idrofobicità degli acidi biliari, permettendone un certo grado di recupero passivo attraverso l’epitelio colonico.
L’aumento di idrofobicità è associato anche ad un aumento della loro citotossicità. E una elevata concentrazione di acidi biliari secondari nelle feci, sangue e bile è stata associata alla patogenesi del cancro al colon.

Riassorbimento dei sali biliari e fibre solubili

Il riassorbimento degli sali biliari può essere ridotto dall’azione chelante delle fibre solubili, come quelle presenti nella frutta fresca, legumi, avena e crusca d’avena. Tutto questo ha come effetto quello di incrementare la loro sintesi de novo, up-regolando l’espressione della colesterolo 7α-idrossilasi e della sterolo 12α-idrossilasi (vedi sotto), e quindi ridurre la concentrazione del colesterolo negli epatociti.
La deplezione del colesterolo epatico aumenta l’espressione del recettore per le LDL, e quindi abbassa la concentrazione plasmatica del colesterolo LDL. Di contro però stimola anche la sintesi della HMG-CoA reduttasi, l’enzima chiave nella sintesi dello steroide.
Anche diversi farmaci agiscono legando gli acidi biliari a livello intestinale, impedendone così il riassorbimento.

Sintesi degli acidi biliari

Dal punto di vista quantitativo, gli acidi biliari sono il prodotto principale del metabolismo del colesterolo.
Come detto in precedenza, il circolo enteroepatico e la loro sintesi de novo assicurano la costanza del pool corporeo. In particolare, la sintesi de novo permette la sostituzione di quel 5-10%, circa 0,5 g/die, che viene perduto con le feci.
Di seguito verrà presa in esame la sintesi dell’acido colico e dell’acido  chenodesossicolico, e la loro coniugazione con gli aminoacidi taurina e glicina.
Esistono due vie principali per la sintesi dei suddetti acidi: la via classica e quella alternativa. A queste si aggiungono alcune vie minori.

Sintesi degli acidi biliari primari e dei loro coniugati: la via classica e la via alternativa
Sintesi de Novo degli acidi Biliari Primari e dei loro Coniugati

La via classica o neutra

Nell’uomo fino al 90% dei sali biliari sono sintetizzati attraverso la via classica (vedi fig. 5), definita anche “neutra” in quanto i suoi intermedi sono steroli neutri.
E’ una via presente solo nel fegato, cui prendono parte numerosi enzimi localizzati nel citosol, nel reticolo endoplasmatico, nei mitocondriale e perossisomi, ed i cui prodotti finali sono i coniugati degli acidi colico e chenodesossicolico.

  • La prima reazione è l’idrossilazione in posizione 7 del colesterolo, a dare il 7α-idrossicolesterolo. La reazione è catalizzata dalla colesterolo 7α-idrossilasi o CYP7A1 (E.C. 1.14.14.23). E’ un enzima localizzato sul reticolo endoplasmatico, e catalizza il passaggio limitante dell’intera via.

Colesterolo + NADPH + H+ + O2 → 7α-Idrossicolesterolo + NADP+ + H2O

  • Il 7α-idrossicolesterolo subisce l’ossidazione del gruppo 3β-ossidrilico e lo spostamento del doppio legame dalla posizione 5,6 alla posizione 4,5 a dare il 7α-idrossi-4-colesten-3-one. La reazione è catalizzata dalla 3β-idrossi-Δ5-C27-steroide ossidoreduttasi o HSD3B7 (E.C. 1.1.1.181), un enzima del reticolo endoplasmatico.
  • Il 7α-idrossi-4-colesten-3-one può seguire due vie:

entrare nella via che porta alla sintesi dell’acido colico, attraverso la reazione catalizzata dalla 7α-idrossi-4-colesten-3-one 12α-monoossigenasi o sterolo 12α-idrossilasi o CYP8B1 (E.C. 1.14.18.8), enzima del reticolo endoplasmatico;

entrare nella via che porta la sintesi dell’acido chenodesossicolico, attraverso la reazione catalizzata dalla 3-osso-Δ4-steroide 5β-reduttasi o AKR1D1 (E.C. 1.3.1.3), enzima citosolico.

Ed è l’attività della sterolo 12α-idrossilasi che determinerà il rapporto tra gli acidi colico e chenodesossicolico prodotti, e, in definitiva, quella che sarà la potenza detergente del pool degli acidi biliari. Ed infatti la regolazione della trascrizione del gene corrispondente è uno dei punti di regolazione principali dell’intera via di sintesi.

Dunque, se il 7α-idrossi-4-colesten-3-one fluisce attraverso la reazione catalizzata dalla sterolo 12α-idrossilasi si avranno le seguenti reazioni.

  • La molecola è idrossilata in posizione 12 dall’enzima suddetto, a dare il 7α,12α-diidrossi-4-colesten-3-one.
  • Il 7α,12α-diidrossi-4-colesten-3-one subirà la riduzione del doppio legame in posizione 4,5, nella reazione catalizzata dalla 3-osso-Δ4-steroide 5β-reduttasi, a dare 5β-colestan-7α,12α-diol-3-one.
  • Il 5β-colestan-7α,12α-diol-3-one subirà a sua volta la riduzione a gruppo ossidrilico del gruppo in posizione 4, nella reazione catalizzata dalla 3α-idrossisteroide deidrogenasi o AKR1C4 (EC 1.1.1.213), enzima citosolico, a dare 5β-colestan-3α,7α,12α-triolo.
  • Il 5β-colestan-3α,7α,12α-triolo subirà l’ossidazione della catena laterale in tre reazioni catalizzate dalla sterolo 27-idrossilasi o CYP27A1 (EC 1.14.15.15). Si tratta di un enzima mitocondriale presente anche in tessuti extraepatici e nei macrofagi, che introduce un gruppo ossidrilico in posizione 27. Il gruppo ossidrilico è poi ossidato ad aldeide e quindi ad acido carbossilico, con formazione di acido 3α,7α, 12α-triidrossi-5β-colestanoico.
  • L’acido 3α,7α, 12α-triidrossi-5β-colestanoico è attivato a seguito del legame con il coenzima A, nella reazione catalizzata dagli enzimi BACS, acronimo dell’inglese bile acid CoA synthetase (EC 6.2.1.7), o VLCS, acronimo dell’inglese very long chain acyl CoA synthetase (EC 6.2.1.-), entrambe localizzati nel reticolo endoplasmatico.
  • Il 3α,7α,12α-triidrossi-5β-colestanoilCoA è trasportato nei perossisomi dove va incontro a 5 reazioni consecutive, catalizzate da altrettanti enzimi differenti. Nelle ultime due la catena laterale è accorciata a quattro atomi di carbonio e viene prodotto il colilCoA.
  • L’ultimo passaggio coinvolge la coniugazione, attraverso legame ammidico, del gruppo carbossilico terminale della catena laterale con l’aminoacido glicina o taurina, nella reazione catalizzata da BAAT, acronimo dell’inglese bile acid-CoA:amino acid N-acyltransferase (EC 2.3.1.65), enzima a localizzazione prevalentemente perossisomiale.
    I prodotti della reazione saranno quindi gli acidi biliari coniugati glicocolico e taurocolico.

Nel caso in cui il 7α-idrossi-4-colesten-3-one non entri nella reazione catalizzata dalla sterolo 12α-idrossilasi prenderà la via che porta alla sintesi dei coniugati dell’acido chenodesossicolico attraverso le reazioni di seguito descritte.

  • Il 7α-idrossi-4-colesten-3-one viene convertito in 7α-idrossi-5β-colestan-3-one nella reazione catalizzata dall’enzima 3-osso-Δ4-steroide 5β-reduttasi.
  • Il 7α-idrossi-5β-colestan-3-one nella reazioni dalla 3α-idrossisteroide deidrogenasi, viene convertito in 5β-colestan-3α,7α-diolo.

Quindi, a seguito di modificazione analoghe a quelle viste per la sintesi dei coniugati dell’acido colico, e catalizzate per la maggior parte dagli stessi enzimi, si formeranno gli acidi biliari coniugati glicochenodesossicolico e taurochenodesossicolico.

Nota: gli acidi biliari deconiugati a livello intestinale dovranno raggiungere il fegato per essere riconiugati.

La via alternativa o acida

E’ prevalente nel feto e nel neonato, mentre nell’adulto porta alla sintesi di meno del 10% dei sali biliari.
Questa via (vedi fig. 5) si differenzia da quella classica, in quanto:

  • i prodotti intermedi sono acidi, per cui viene definita anche come “via acida”;
  • l’ossidazione della catena laterale precede le modificazioni del nucleo steroideo;
  • i prodotti finali sono i coniugati dell’acido chenodesossicolico.

Il primo passaggio comporta la conversione del colesterolo in 27-idrossicolesterolo nella reazione catalizzata dalla sterolo 27-idrossilasi.
A questo punto sono possibili due vie.

Via A

  • In una reazione catalizzata dalla sterolo 27-idrossilasi, il 27-idrossicolesterolo è convertito in acido 3β-idrossi-5-colestenoico.
  • L’acido 3β-idrossi-5-colestenoico nella reazione catalizzata dalla ossisterolo 7α-idrossilasi o CYP7B1 (EC  1.14.13.100), un enzima del reticolo endoplasmatico, viene idrossilato in posizione 7 a dare l’acido 3β-7α-diidrossi-5-colestenoico.
  • L’acido 3β-7α-diidrossi-5-colestenoico viene convertito in acido 3-osso-7α-idrossi-4-colestenoico, nella reazione catalizzata dalla 3β-idrossi-Δ5-C27-steroide ossidoreduttasi.
  • L’acido 3-osso-7α-idrossi-4-colestenoico, a seguito di modificazioni della catena laterale, darà origine all’acido chenodesossicolico e quindi ai suoi coniugati.

Via B

  • Il 27-idrossicolesterolo è convertito in 7α,27-diidrossicolesterolo nella reazione catalizzata dalla ossisterolo 7α-idrossilasi e colesterolo 7α-idrossilasi.
  • Il 7α,27-diidrossicolesterolo è convertito in 7α,26-diidrossi-4-colesten-3-one nella reazione catalizzata dalla 3β-idrossi-Δ5-C27-steroide ossidoreduttasi.
  • Il 7α,26-diidrossi-4-colesten-3-one può ora proseguire come tale o essere convertito in acido 3-osso-7α-idrossi-4-colestenoico e subire le modifiche alla catena laterale e le altre reazioni che portano alla sintesi dei coniugati dell’acido chenodesossicolico.

Le vie minori

Esistono anche vie minori (vedi fig. 5) che possono contribuire, sebbene in misura ridotta, alla sintesi degli acidi biliari.
Ad esempio:

  • Nel fegato viene espressa una colesterolo 25-idrossilasi (EC 1.14.99.38).
  • Nel cervello è espressa una colesterolo 24- idrossilasi o CYP46A1 (EC 1.14.14.25), e quindi, sebbene l’organo non sia in grado di esportare colesterolo, può esportare ossisteroli.
  • E’ stata scoperta anche una 7α-idrossilasi non specifica espressa in tutti i tessuti, che sembra essere coinvolta nella generazione di ossisteroli che possono poi essere trasportati al fegato per essere convertiti in acido chenodesossicolico.

Inoltre, la sterolo 27-idrossilasi è espressa in vari tessuti, per cui i suoi prodotti di reazione possono essere trasportati al fegato ed essere convertiti in sali biliari.

Regolazione della sintesi degli acidi biliari

La regolazione avviene attraverso un feedback negativo, in particolare sull’espressione degli enzimi colesterolo 7α-idrossilasi e sterolo 12α-idrossilasi.
In caso di eccesso di acidi biliari, sia coniugati che liberi, gli stessi si vanno a legare al recettore nucleare FRX, acronimo dell’inglese farnesoid X receptor, attivandolo. L’acido biliare più efficace nell’attivare FRX è l’acido chenodesossicolico, mentre altri, come l’acido ursodesossicolico non lo attivano.
FRX induce l’espressione del repressore trascrizionale SHP, acronimo dell’inglese small heterodimer partner, che a sua volta interagisce con altri fattori trascrizionali, come LRH-1, acronimo dell’inglese liver receptor homolog-1, e HNF-4α, acronimo dell’inglese hepatocyte nuclear factor-4α, che si legano ad una sequenza presente nella regione del promotore dei geni per la 7α-idrossilasi e 12α-idrossilasi, regione definita BAREs, acronimo dell’inglese bile acid response elements, inibendone la trascrizione.
Uno dei motivi per cui la sintesi dei sali biliari è strettamente regolata è perché molti dei loro metaboliti sono tossici.

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Microbiota intestinale: definizione, composizione, effetti della dieta

Il tratto gastrointestinale dell’uomo è una delle più feroci e competitive nicchie ecologiche presenti in natura. Vi si ritrovano virus, eucarioti, batteri, ed una sola specie di Archeobatteri, Methanobrevibacter smithii.
I batteri variano in proporzione e quantità lungo tutto il tratto gastrointestinale. La presenza maggiore si ha nel colon, con oltre 400 specie diverse appartenenti a 9 fila o divisioni, ed è a questi che ci si riferirà parlando di microbiota intestinale, che a sua volta è parte del più ampio microbiota umano. Di seguito, l’elenco dei phyla suddetti e di alcuni tra i loro generi maggiormente rappresentati.

  • Actinobacteria (Gram-positivi); Bifidobacterium, Collinsella, Eggerthella e Propionibacterium.
  • Bacteroidetes (Gram-negativi); oltre 20 generi tra cui Bacteroides, Prevotella e Corynebacterium.
  • Cyanobacteria (Gram-negativi).
  • Firmicutes (Gram-positivi); almeno 250 generi tra cui Mycoplasma, Bacillus, Clostridium, Dorea, Faecalibacterium, Ruminococcus, Eubacterium, Staphylococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, Sporobacter e Roseburia.
  • Fusobacteria (Gram-negativi); Sneathia.
  • Lentisphaerae (Gram-negativi).
  • Proteobacteria (Gram-negativi); Escherichia, Klebsiella, Shigella, Salmonella, Citrobacter, Helicobacter e Serratia.
  • Spirochaeates (Gram-negativi).
  • Verrucomicrobia (Gram-negativi).

La presenza nel colon di un piccolo sottoinsieme del mondo batterico, 9 phyla sui 30 esistenti nel dominio Bacteria, è il risultato di una forte pressione selettiva che nel corso dell’evoluzione ha agito sia sui colonizzatori microbici, selezionando organismi  adattati eccezionalmente bene a questo ambiente ed in grado di dominare il processo di colonizzazione, che sulla nicchia intestinale. E tuttavia, ciascun individuo possiede nel proprio intestino una comunità batterica unica.
Nonostante la grande variabilità esistente sia riguardo ai taxa presenti che tra gli individui, è stato proposto, ma non da tutti accettato, che nella maggior parte dei soggetti adulti il microbiota intestinale, nella sua componente batterica, possa essere classificato in varianti od “enterotipi” sulla base del rapporto tra l’abbondanza di Bacteroides e Prevotella. Questo sembra indicare che esista un numero limitato di stati simbiotici ben bilanciati, che potrebbe rispondere in maniera differente a fattori quali la dieta, l’età, la genetica e l’assunzione di farmaci (vedi sotto).

L’intestino degli adulti ospita un’ampia e varia comunità di virus a DNA ed RNA, formata da circa 2000 genotipi differenti, dove però non se ne individua uno dominante, considerando che il virus più abbondante rappresenta solo circa il 6% dell’intera comunità (al contrario di ciò che accade nei neonati dove il genotipo più abbondante rappresenta oltre il 40% dell’intera comunità). La maggior parte dei virus a DNA sono batteriofagi o fagi, ossia virus che infettano i batteri (che sono anche l’entità biologica più abbondante presente sulla terra, con un una popolazione stimata di circa 1031 unità), mentre la maggior parte di quelli ad RNA sono virus vegetali.

INDICE

Influenze sulla composizione e sviluppo del microbiota intestinale

La comunità batterica intestinale è regolata da diversi fattori, molti dei quali sono di seguito elencati.

  • La dieta
    La dieta dell’ospite sembra essere il fattore più importante, a partire dal primo alimento assunto, il latte materno.
    Sebbene considerato sterile, il latte materno contiene un ricco microbiota formato da oltre 700 specie, dominato da stafilococchi, streptococchi, bifidobatteri e  batteri lattici. Dunque, nei i bambini allattati al seno rappresenta una fonte importante per la colonizzazione dell’intestino, ed è stato suggerito che questa modalità di colonizzazione giochi un ruolo cruciale per la salute, in quanto, tra le altre funzioni potrebbe proteggere il neonato dalle infezioni e contribuire alla maturazione del sistema immunitario. Il latte materno influenza il microbiota intestinale anche indirettamente, grazie alla presenza di oligosaccaridi con attività prebiotica che stimolano la crescita di gruppi batterici specifici quali stafilococchi e bifidobatteri.
    Anche uno studio che ha confrontato il microbiota intestinale di bambini europei ed africani (rispettivamente da Firenze ed un villaggio rurale del Burkina Faso) di età compresa tra 1 e 6 anni, ha messo in evidenza il ruolo decisivo della dieta rispetto ad altre variabili quali il clima, la geografia, l’igiene ed i servizi sanitari (è stata inoltre osservata un’assenza di differenze significative nell’espressione di geni chiave nel regolare la funzione immune, che suggerisce quindi una similarità funzionale tra i due gruppi). Infatti i bambini di entrambe i gruppi, fintanto che sono allattati al seno, presentano un microbiota intestinale con caratteristiche molto simili, ricco in Actinobacteria, principalmente Bifidobacterium (vedi sotto). La successiva introduzione di una dieta solida differente nei due gruppi, di tipo Occidentale negli europei e dunque ricca in grassi e proteine animali, povera in proteine animali ma ricca in carboidrati complessi nei bambini africani, porta ad una differenziazione del rapporto Firmicutes/Bacteroidetes nei due gruppi. Nei bambini europei erano più abbondanti i Gram-positivi, principalmente Firmicutes, rispetto ai Gram-negativi, mentre nei bambini africani prevalevano i Gram-negativi, principalmente Bacteroidetes, rispetto ai Gram-positivi.
    E la dieta a lungo termine è associata in modo molto stretto alla ripartizione in enterotipi. E’ stato infatti osservato che:

una dieta ricca in grassi e proteine animali, dunque di tipo occidentale, porta ad un microbiota intestinale dominato da taxa dell’enterotipo Bacteroides;
una dieta ricca in carboidrati, tipica delle società agricole, vede la prevalenza dell’enterotipo Prevotella.

Analoghi risultati sono emersi dallo studio sopracitato sui bambini. Negli europei, il microbiota intestinale era dominato da taxa tipici dell’enterotipo Bacteroides, mentre in quelli del Burkina Faso, dominano taxa dell’enterotipo Prevotella.
Con cambiamenti a breve termine della dieta (10 giorni), quali il passaggio da una povera in grassi e ricca in fibre ad una ricca in grassi e povera in fibre e viceversa, sono stati osservati cambiamenti nella composizione del microbioma (già dopo 24 ore), ma nessuno scambio stabile nella suddivisione in enterotipi. E questo rimarca come per un cambiamento dell’enterotipo del microbiota intestinale sia necessaria una dieta a lungo termine.
Modifiche a carico della dieta si traducono anche in cambiamenti a carico del viroma intestinale, che si sposta verso un nuovo stato, ossia si osservano alterazioni delle proporzioni delle popolazioni preesistenti, verso il quale convergono individui che seguano la stessa dieta.

  • Il pH, sali biliari ed enzimi digestivi
    Lo stomaco, a causa del pH estremamente acido del suo contenuto, è un ambiente ostile per i batteri, che non sono presenti in numero elevato, circa 102-103 cellule batteriche/grammo di tessuto. Oltre ad Helicobacter pylori, capace di causare gastriti ed ulcere gastriche, sono presenti anche batteri del genere Lactobacillus.
    Dal duodeno si osserva un incremento nel numero di unità, 104-10cellule batteriche/grammo di tessuto; e quantità simili si ritrovano nel digiuno e nelle prime parti dell’ileo. Il numero contenuto di microorganismi presente nell’intestino tenue è dovuto all’ambiente inospitale conseguente al fatto che nel tratto discendente del duodeno è presente l’apertura dell’ampolla di Vater dalla quale viene riversata la bile e il succo pancreatico ossia sali biliari ed enzimi pancreatici, entrambe in grado di causare danni ai microrganismi presenti.
    Nella porzione terminale dell’ileo, dove l’attività dei sali biliari e degli enzimi pancreatici è meno intensa, la conta batterica è di circa 10cellule batteriche/grammo di tessuto, fino ad arrivare nel colon a valori pari a 1012-1014 cellule batteriche/grammo di tessuto, tanto che le feci sono costituite per il 40% da batteri.
    La distribuzione di batteri lungo l’intestino è strategica. Nel duodeno e nel digiuno la quantità di nutrienti ancora disponibile è molto più alta rispetto a quella presente nell’ileo terminale, dove sono rimasti acqua, fibre, ed elettroliti. Dunque non è un problema trovare nell’ileo terminale, e ancor più nel colon, un numero elevato di batteri. Il problema sarebbe trovarli in numero eccessivo nel duodeno, digiuno e prima parte dell’ileo; ed esiste una condizione patologia, definita sindrome da sovracrescita batterica nel tenue o SIBO, acronimo dell’inglese small intestinal bacterial overgrowth, nella quale il numero di batteri nel tenue aumenta di circa 10-15 volte, il che li mette in condizione di poter competere con l’ospite per i nutrienti e dare origine a disturbi gastrointestinali quali ad esempio diarrea.
  • La posizione geografica e le conseguenti differenze riguardo lo stile di vita, di alimentazione, di religione ecc.
    E’ stato ad esempio osservata una sorta di gradiente geografico nel microbiota dei neonati europei, con un numero più elevato di specie di Bifidobacterium ed alcune di Clostridium nei bambini delle zone settentrionali, mentre in quelli delle zone meridionali è stata trovata una maggiore abbondanza di Bacteroides, Lactobacillus ed Eubacterium.
  • La modalità di nascita (vedi sotto).
  • L’assetto genetico dell’ospite.
  • Lo stato di salute, anche della madre nel corso della gravidanza.
    Ad esempio, in pazienti con malattia infiammatoria intestinale o IBD, acronimo dell’inglese inflammatory bowel disease, risulta depleta Faecalibacterium prausnitzii, una tra le specie produttrici di butirrato, un’importante fonte di energia per le cellule intestinali, e dotata anche di un’azione antiinfiammatoria in vitro e nei topi, mentre si osserva un aumento nel numero di Escherichia coli aderenti.
  • L’assunzione di antibiotici.
  • Le infezioni batteriche ed i predatori.
  • Le batteriocine, ossia proteine dotate di attività antibatterica, ed i batteriofagi.
    Questi ultimi sono una forza importante nel controllo dell’abbondanza e composizione del microbiota intestinale. In particolare potrebbero avere un ruolo di primo piano nel corso della colonizzazione dell’intestino del neonato, infettando via via gli ospiti dominanti e creando così l’opportunità per un altro ceppo di divenire abbondante. Questo modello di dinamiche preda-predatore, definito “kill the winner”, suggerisce che le fioriture di determinate specie batteriche porterebbero a fioriture dei loro corrispondenti fagi, seguite da riduzioni dell’abbondanza di entrambe. Di conseguenza il genotipo fagico più abbondante non sarà lo stesso in momenti differenti. E sebbene alcune sequenze virali presenti nell’intestino del neonato siano stabili nel corso dei primi tre mesi di vita, sono state osservate drammatiche variazioni nella composizione complessiva della comunità virale fecale tra la prima e la seconda settimana. Infine, anche la comunità batterica nel corso di questo periodo è estremamente dinamica (vedi sotto).
  • La competizione per lo spazio ed i nutrienti.

Composizione nel corso della vita

Lo sviluppo dell’ecosistema microbico intestinale è un evento complesso e cruciale nella vita dell’uomo, altamente variabile da individuo ad individuo, ed influenzato dai fattori visti in precedenza.

Sviluppo e modificazioni del microbiota intestinale nel corso della vita

Nell’utero materno i bambini sono considerati sterili, e dunque soggetti al momento del parto alla colonizzazione da parte dei microbi, grazie anche al fatto di nascere con una tolleranza immunitaria “insegnata” dalla madre.
Tuttavia alcuni lavori stanno evidenziando la presenza di batteri nel tessuto placentare, nel sangue del cordone ombelicale, nelle membrane fetali e nel liquido amniotico di neonati sani senza indicazioni di infezioni o infiammazioni. E ad esempio, il meconio di neonati prematuri nati da madri sane contiene un microbiota specifico, con i Firmicutes come phylum principale e predominanza di stafilococchi, mentre nelle prime feci i più abbondanti sono i Proteobacteria, in particolare specie quali Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Serratia marcescens, ma anche gli enterococchi.
Nota: il meconio è privo di particelle virali rilevabili.
Sembra che sia i batteri vaginali che quelli intestinali possano avere accesso al feto, anche se attraverso vie differenti: per via ascendente i primi, tramite le cellule dendritiche del sistema immunitario i secondi. Dunque potrebbe esistere anche un microbiota fetale.

Al momento del parto si verifica la colonizzazione ad opera di un piccolo inoculo di origine materna, formato in genere da aerobi obbligati e facoltativi (inizialmente l’intestino contiene ossigeno), poi sostituiti da anaerobi obbligati, i batteri tipici presenti nell’età adulta, cui i primi colonizzatori hanno preparato l’ambiente idoneo.
Inoltre è presente un basso numero di taxa differenti, con dominio relativo dei phyla Proteobacteria e Actinobacteria, che rimane tale anche durante il primo mese di vita, ma non nei successivi dove si verifica un grande aumento della variabilità, parallelo a quello di nuove varianti genetiche. Si ritiene che l’esposizione microbica iniziale sia importante nel definire le “traiettorie” che porteranno agli ecosistemi adulti. Infine, le comunità iniziali possono fungere da fonte diretta di batteri protettivi o patogeni molto presto nel corso della vita.
Nei bambini nati con parto naturale le più importanti fonti di inoculo sono il microbiota vaginale e fecale della madre. Infatti i neonati ospitano comunità microbiche dominate dai specie dei generi Lactobacillus (i più abbondanti nel microbiota vaginale ed anche nell’intestino neonatale nei primi giorni), Bifidobacterium, Prevotella, o Sneathia. E sembra probabile che gli anaerobi, quali i membri dei phyla Bacteroidetes e Firmicutes, non potendo vivere all’esterno dei loro ospiti, facciano affidamento allo stretto contatto tra genitore e figli per la trasmissione. Infine la trasmissione degli anerobi stretti, data la presenza nell’intestino del neonato di ossigeno, potrebbe avvenire in seguito per mezzo di spore e non direttamente al momento del parto.
In caso di parto cesareo, i primi batteri incontrati sono quelli della pelle e dell’ambiente ospedaliero, ed i neonati ospitano un microbiota dominato da specie appartenenti ai generi Corynebacterium, Staphylococcus e Propionibacterium, con una conta batterica intestinale più bassa ed una minore diversità nelle prime settimane di vita rispetto ai bimbi nati con parto naturale.
Ulteriore prova che avvalora l’ipotesi di una trasmissione verticale è il fatto che esista una somiglianza tra il microbiota intestinale presente nel meconio, e campioni prelevati dai possibili siti di contaminazione. Queste “firme” materne non persistono indefinitamente, ma vengono sostituite da altre popolazioni microbiche entro il primo anno di vita.
Fonti successive di inoculo sono la bocca e la pelle dei parenti, oggetti, animali, ma sembra essere il latte materno (vedi sotto) ad avere il ruolo primario nel determinare la successione microbica a livello intestinale.
La variazione e la diversità presente invece tra i bambini rifletterebbe l’individualità di queste esposizioni accidentali.
Nota: il tipo di parto sembra influenzare anche le funzioni immunologiche nel corso del primo anno di vita, forse attraverso l’influenza esercitata sullo sviluppo del microbiota intestinale. I bambini nati con il cesareo avrebbero:

  • una più bassa conta di cellule batteriche nei campioni di feci ad un mese dalla nascita, dovuta soprattutto alla più elevata presenza di Bifidobacterium nei bambini nati con parto naturale;
  • un più alto numero di cellule secretrici anticorpi (IgA, IgG ed IgM), il che potrebbe riflettere un’eccessiva esposizione agli antigeni che riuscirebbero ad attraversare la più vulnerabile barriera intestinale.

Entro giorni dalla nascita si viene a creare una fiorente comunità la cui popolazione è molto più variabile in composizione e meno stabile nel tempo rispetto a quella dell’adulto, e che ben presto supererà in numero quella delle cellule del neonato stesso, evolvendo secondo un pattern temporale notevolmente variabile da individuo ad individuo.
I virus, assenti alla nascita, dalla fine della prima settimana di vita raggiungono un numero di circa le 108 unità/grammo di peso fresco di feci, e quindi rappresentano una componente abbondante e dinamica del microbiota intestinale in via di sviluppo, ma con una diversità estremamente bassa, al pari di quella batterica. La comunità virale è dominata dai fagi, che probabilmente influenzano anche la diversità ed abbondanza dei batteri concomitanti come visto in precedenza. La sorgente iniziale di virus non è nota; tra le possibili fonti ci sono ovviamente quelle materne e ambientali. D’altro canto i primi virus potrebbero essere il risultato dell’induzione dei profagi della “neonata” flora batterica, ipotesi avvalorata dall’osservazione che oltre il 25% delle sequenze fagiche sembrano essere molto simili a quelle dei fagi che infettano batterici come Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, e Streptococcus (abbondanti nel latte materno).

Dal termine del primo mese di vita si ritiene che la fase iniziale di rapida acquisizione di microbi seguente alla nascita sia terminata.
Dal punto di vista tassonomico nei bambini di un mese i microrganismi più abbondanti sembrano essere quelli appartenenti ai generi Bacteroides ed Escherichia, mentre i Bifidobacterium compaiono e crescono fino a dominare, assieme a Ruminococcus, il tratto gastrointestinale del bambino allattato al seno tra il primo e l’undicesimo mese di vita.
I bifidobatteri, come Bifidobacterium longum subspecies infantis,  sono:

  • strettamente correlati all’allattamento al seno;
  • tra i meglio caratterizzati fra i batteri commensali benefici;
  • probiotici, ossia microrganismi in grado di apportare effetti benefici sulla salute dell’ospite.

La loro abbondanza conferisce benefici anche attraverso un’esclusione competitiva con cui sono di ostacolo alla colonizzazione da parte di patogeni. Ed infatti Escherichia e Bacteroides possono divenire preponderanti se i  Bifidobacterium non colonizzano in modo adeguato.
Al contrario, nei bambini allattati artificialmente batteri dei generi Escherichia (ad es. E. coli), Clostridium (ad es. C. difficile), Bacteroides (ad es. B. fragilis) e Lactobacillus sono presenti in modo significativamente maggiore rispetto a quanto osservato nei bambini allattati al seno.
Anche se prima dello svezzamento la dieta del neonato allattato al seno è piuttosto costante, il suo microbiota non lo è altrettanto. Si osservano infatti ampie fluttuazioni nell’abbondanza dei taxa batterici, con differenze tra soggetti che riguardano anche i pattern temporali di variazione. Le variazioni osservate potrebbero essere dovute ad eventi casuali di colonizzazione, malattie, assunzione di antibiotici, cambiamenti nel comportamento dell’ospite o ad altri aspetti legati allo stile di vita, come anche a differenze nelle risposte immunitarie ai microbi colonizzatori. Ma come questi fattori contribuiscano a plasmare il microbiota intestinale del bambino non è ancora chiaro.
Sembra che anche il viroma si modifichi molto rapidamente dopo la nascita, in quanto la maggior parte delle sequenze virali presenti nella prima settimana di vita non si ritrova dopo la seconda, ed il repertorio si espande rapidamente in diversità e numero nel corso dei primi tre mesi. E questo contrasta con la stabilità che si osserva nell’adulto dove il 95% delle sequenze si conserva nel tempo.

In condizioni normali, verso la fine del primo anno di vita, il neonato è stato esposto ad una dieta complessa per un periodo significativo e dovrebbe aver sviluppato una comunità microbica con caratteristiche analoghe a quelle del microbiota intestinale adulto, quali:

  • una composizione più stabile, filogeneticamente più complessa, e progressivamente più simile tra soggetti diversi;
  • una preponderanze di Bacteroidetes e Firmicutes, una comune presenza di Verrucomicrobia e un’abbondanza molto bassa di Proteobacteria;
  • un aumento del carico batterico come dei livelli di acidi grassi a catena corta o SCFA, acronimo dell’inglese short chain fatty acids, nelle feci;
  • un aumento dei geni associati all’utilizzo dei carboidrati, alla biosintesi delle vitamine e alla degradazione degli xenobiotici.

Interessante notare che il significativo turn-over di taxa che si verifica dalla nascita al termine del primo anno è accompagnato da una notevole costanza nelle capacità funzionali complessive.
Verso la fine del primo anno di vita anche i colonizzatori virali sono oramai stati sostituiti da virus specifici del bambino.

Verso i due anni e mezzo di vita il microbiota intestinale raggiunge un suo equilibrio, somigliando in modo completo a quello dell’adulto.
La selezione dei batteri più altamente adattati è conseguenza di vari fattori.

  • Il passaggio ad una dieta solida.
  • Una maggiore idoneità all’ambiente intestinale dei taxa che tipicamente dominano il microbiota colonico adulto rispetto agli opportunisti iniziali.
  • I cambiamenti progressivi nell’ambiente intestinale, dovuti ai cambiamenti legati allo sviluppo della mucosa stessa.
  • Gli effetti del microbiota medesimo.

Quindi i primi 2-3 anni di vita sono il periodo più critico in cui intervenire al fine di ottenere il miglior microbiota possibile così da ottimizzare la crescita e lo sviluppo del bambino.

Tutto questo, partendo da un inizio caotico, porta alla costituzione dell’ecosistema intestinale tipico del giovane adulto, che è relativamente stabile nel tempo (comprese le componenti virale, eucariotica e gli Archeobatteri), sino alla vecchiaia, dominato almeno nella popolazione occidentale da specie dei phyla Firmicutes, che rappresentano circa il 60% della comunità batterica intestinale, Bacteroidetes ed Actinobacteria (principalmente con il genere Bifidobacterium), ognuno circa il 10% della comunità batterica, seguiti da Proteobacteria e Verrucomicrobia. I generi Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium, Ruminococcus ed Eubacterium, costituiscono, assieme a Methanobrevibacter smithii, la grande maggioranza della comunità batterica intestinale dell’adulto.
Risultati contrastanti con i dati esposti stanno emergendo dall’analisi di popolazioni ad esempio di villaggi rurali dell’Africa, come visto sopra.
Ed il microbiota intestinale è sufficientemente simile tra gli individui da permettere l’individuazione di un nucleo microbiomico condiviso.
La stabilità e resilienza è però soggetta a numerose variabili tra cui, come detto, la dieta sembra essere una delle più importanti, variabili che quindi dovranno essere mantenute costanti, o nel caso della malattie evitate (ad esempio attraverso le vaccinazioni), al fine di mantenere la stabilità del microbiota. Va comunque sottolineato che stabilità e resilienza potrebbero essere dannose nel caso in cui la comunità intestinale dominante sia patogena.

Negli anziani, come già visto nei neonati, il microbiota intestinale va incontro a sostanziali cambiamenti. In uno studio condotto in Irlanda su 161 persone sane di 65 o più anni, nella maggior parte dei soggetti il microbiota intestinale è distinto da quello degli adulti più giovani, con una composizione che sembra essere dominato dai phyla Bacteroidetes, i principali, seguiti dai Firmicutes, con percentuali quasi inverse rispetto a quelle trovate negli adulti più giovani (anche se sono state osservate notevoli variazioni tra i soggetti). E tra i generi più abbondanti si trovano Faecalibacterium, che rappresenta circa il 6% dei 15 generi principali, seguiti dalle specie dei generi Ruminococcus, Roseburia e Bifidobacterium (quest’ultimo intorno allo 0,4%).
Anche la variabilità nella composizione delle comunità è più grande rispetto ai giovani adulti, il che potrebbe essere dovuto alla maggior morbilità associata con l’età, e quindi il successivo utilizzo di medicinali, nonché a variazioni della dieta.

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Microbiota umano: definizione, specie rappresentative, e funzioni

E’ noto da quasi un secolo che gli esseri umani ospitano un ecosistema microbico, definito microbiota umano, straordinariamente denso e diversificato, formato da un numero di virus e cellule molto superiore a quello che compone il corpo umano, e che rappresenta dall’uno al tre per cento del peso corporeo.
I geni che i microrganismi componenti il microbiota umano codificano, che sono circa 1000 volte più numerosi rispetto a quelli del nostro genoma,  formano il microbioma umano.
I microrganismi colonizzano tutte le superfici del corpo esposte all’ambiente. Distinte comunità microbiche sono infatti presenti sulla pelle, nella vagina, nelle vie aeree, e lungo tutto il tubo digerente, a partire dalla bocca, passando attraverso lo stomaco sino a raggiungere le parti terminali dell’intestino.

INDICE

Composizione del microbiota umano

E’ costituito da organismi provenienti da tutti i taxa.

  • I batteri, presenti con almeno cento trilioni (1014) di cellule, un numero dieci volte maggiore rispetto a quelle che compongono il corpo umano. Si ritrovano per la maggior parte a livello del tratto intestinale, dove, con concentrazioni sino a 1012-1014/grammo di tessuto, formano uno degli habitat più densamente popolati esistenti sulla terra. In questa sede sono particolarmente abbondanti membri dei phyla Firmicutes, ma anche di Bacteroidetes e Actinobacteria.
    Nota: le comunità microbiche di una data sede si “somigliano” tra di loro molto di più di quanto le stesse non somiglino a quelle presenti in altri siti dello stesso soggetto; ad esempio, le comunità delle vie aeree superiori sono molto più simili tra individui differenti che non a quelle della pelle o dell’intestino di uno stesso soggetto.
  • I virus, in assoluto i componenti più numerosi essendo presenti con quadrilioni di unità. I genomi di tutti i virus ospitati costituiscono il viroma umano.
    In passato i virus e gli eucarioti (vedi sotto) del microbiota umano sono stati studiati focalizzandoci sui microrganismi patogeni, ma negli ultimi anni l’attenzione si è spostata anche sui numerosissimi membri non patogeni di questi gruppi. E riguardo ai virus, molte delle sequenze geniche trovate sono nuove, il che suggerisce che ci sia ancora molto da conoscere sul viroma umano.
    Infine, al pari dei batteri, anche per i virus esiste una notevole variabilità interpersonale.
  • Archeobatteri, in particolare microrganismi appartenenti all’ordine dei  Methanobacteriales, con Methanobrevibacter smithii predominante nell’intestino umano (rappresentando sino al 10% di tutti gli anaerobi).
  • Eucarioti, e tra i primi identificati probabilmente ci sono i parassiti del genere Giardia e Entamoeba. Ma vi è anche una grande abbondanza e diversità di funghi, appartenenti ad esempio a generi quali Candida, Penicillium, Aspergillus, Hemispora, Fusarium, Geotrichum, Cryptococcus, Hormodendrum, Saccharomyces e Blastocystis.
Candida albicans, una componente del microbiota umano:
Candida albicans

Sulla base dei rapporti che stabiliscono con l’ospite, i microrganismi possono essere suddivisi in due categorie: commensali e patogeni.

  • I commensali non causano danno all’ospite, con cui anzi instaurano una simbiosi di tipo mutualistico che in genere porta benefici ad entrambe.
  • I patogeni sono al contrario in grado di causare malattie, ma fortunatamente rappresentano una minima percentuale della nostra flora microbica. Si tratta di microrganismi che stabiliscono una simbiosi con l’ospite traendone beneficio a suo svantaggio.
    In genere causano malattia se si verifica:

un “cambio di sede”, ossia se si spostano dalla loro normale nicchia, ad esempio l’intestino, ad un’altra impropria, quale la vagina o la vescica (come nel caso del fungo Candida albicans presente normalmente, ma in piccolissima quantità, nell’intestino);
un indebolimento delle difese immunitarie dell’ospite, come dopo un trapianto o comunque una terapia immunosoppressiva.

Funzione del microbiota umano

Talvolta definito “l’organo dimenticato”, il microbiota umano, ed in particolare la sua componente batterica intestinale, svolge numerose ed importanti funzioni che possono portare a benefici nutrizionali, immunologici, e di sviluppo, ma può anche essere causa di malattie per l’ospite.
Di seguito alcuni esempi.

  • E’ coinvolto nello sviluppo del sistema gastrointestinale, come dimostrato da esperimenti condotti su animali germ-free nei quali, ad esempio, lo spessore della mucosa intestinale è più sottile rispetto a quella di animali colonizzati, dunque più facilmente soggetto ad insulti che ne causino la rottura.
  • Concorre all’estrazione dell’energia dai nutrienti, grazie alla sua capacità di fermentare carboidrati per noi indigeribili; inoltre promuove l’assorbimento dei monosaccaridi ed il deposito dell’energia ricavata. Tutto ciò con molta probabilità ha rappresentato una forza evolutiva molto forte che ha giocato a favore del fatto che questi batteri siano diventati nostri simbionti.
  • Concorre al mantenimento del pH acido della pelle e del contenuto del colon.
  • E’ coinvolto nel metabolismo degli xenobiotici e di molti polifenoli.
  • Migliora l’assorbimento di acqua e sali minerali (ferro, calcio e magnesio) nel colon.
  • Aumenta la velocità di transito intestinale, più lenta negli animali germ-free.
  • Ha un ruolo importante nella resistenza alla colonizzazione da parte di microrganismi patogeni, in particolare nella vagina e nell’intestino.
  • E’ coinvolto nella biosintesi di isoprenoidi e vitamine attraverso la via del metileritritolo fosfato.
  • Stimola l’angiogenesi.
  • Interagisce con il sistema immunitario, fornendo segnali per promuovere la maturazione delle cellule immunitarie ed il normale sviluppo delle funzioni immuni. E questo è forse l’effetto più importante derivante dalla simbiosi tra uomo e microrganismi. Esperimenti condotti su animali germ-free hanno infatti evidenziato che:

i macrofagi, le cellule che hanno il compito di fagocitare i patogeni e poi presentarne gli antigeni al sistema immunitario, sono presenti in scarsissima quantità rispetto all’intestino colonizzato, e se messi in presenza di batteri non riescono a trovarli e quindi a fagocitarli, a differenza dei macrofagi estratti da un intestino colonizzato;
manca la flogosi cronica aspecifica, una condizione normale del nostro intestino dovuta alla presenza di un tessuto immunitario molto sviluppato e allenato, proprio grazie alla presenza dei batteri nel lume intestinale (ed anche di ciò che mangiamo).

  • Cambiamenti nella sua composizione possono contribuire allo sviluppo di obesità e sindrome metabolica.
  • Protegge dallo sviluppo del diabete di tipo I.
  • Molte malattie, sia del bambino che dell’adulto, tra cui il tumore dello stomaco e del colon, i linfomi del tessuto linfoide associato alla mucosa, l’enterocolite necrotizzante (un’importante causa di morbilità e mortalità nei prematuri) o le malattie croniche intestinali, sono ed altre appaiono essere collegate al microbiota intestinale.

Sembra quindi molto probabile che l’organismo umano rappresenti un superorganismo frutto di tanti anni di evoluzione, composto oltre che dalle proprie cellule e capacità metaboliche e fisiologiche che ne derivano, anche da un altro organo aggiunto, il microbiota.

Human Microbiome Project

La componente batterica del microbiota umano è l’oggetto di vari studi tra i quali un progetto molto ampio partito nel 2008 chiamato “Human Microbiome Project”, che ne analizza il microbioma associato a vari habitat del corpo, quali pelle, bocca, naso, vagina ed intestino, in una popolazione sana di 242 adulti. Questi studi hanno evidenziato l’esistenza di una grande variabilità nella composizione del microbiota umano, con i gemelli che condividono meno del 50% dei loro taxa batterici a livello di specie, ed una percentuale anche minore riguardo i virus.
I fattori che modellano la composizione delle comunità microbiche iniziano ad essere compresi; ad esempio le caratteristiche genetiche dell’ospite hanno un ruolo importante nel creare e plasmare le comunità batteriche presenti, anche se questo non è vero per quelle virali. E studi di metagenomica hanno evidenziato che, nonostante la grande variabilità interpersonale nella composizione delle comunità microbiche, esiste un ampio nucleo condiviso di geni codificante vie del segnale e metaboliche. Sembra cioè che l’assemblaggio e la struttura delle comunità microbiche non avvenga in base alle specie quanto al gruppo più funzionale di geni. E da questo ne deriverebbe che stati di malattia di queste comunità possano essere meglio identificati da distribuzione atipiche di classi di geni funzionali.

Effetti degli antibiotici

l microbiota di un individuo adulto sano è generalmente stabile nel tempo. Tuttavia la sua composizione può essere alterata ad opera di fattori esterni come l’urbanizzazione, i viaggi , le modifiche della dieta, ma soprattutto l’uso di antibiotici a largo spettro.
Gli antibiotici hanno un profondo effetto.

  • Vi è una riduzione a lungo termine nella diversità batterica.
  • I taxa colpiti variano da individuo ad individuo (posso essere interessati fino ad un terzo di quelli presenti).
  • Alcuni taxa non recuperano anche dopo 6 mesi dal trattamento.
  • Una volta che la comunità batterica si è rimodellata dopo il trattamento con il farmaco, si osserva una ridotta resistenza alla colonizzazione. Ciò permette a microbi estranei e/o patogeni in grado di crescere più dei commensali di causare cambiamenti permanenti nella struttura del microbiota umano, come anche malattie sia acute, ad esempio la pericolosa colite pseudomembranosa, che croniche, come si sospetta per l’asma a seguito dell’uso ed abuso di antibiotici nell’infanzia.
    Inoltre il loro ripetuto uso sembra aumentare la riserva di geni per la resistenza agli antibiotici nel nostro microbioma. A supporto di questa ipotesi in alcune nazioni europee è stata osservata una riduzione nel numero dei patogeni antibiotico-resistenti a seguito di un calo nel numero degli antibiotici prescritti.

Infine non va sottovalutato il fatto che la microflora batterica intestinale è implicata in molte trasformazioni chimiche, per cui una sua alterazione potrebbe avere implicazioni nello sviluppo del cancro come dell’obesità.
Tuttavia, riguardo all’uso degli antibiotici va sottolineato che se abbiamo un’aspettativa di vita molto superiore al passato è anche perché non moriamo più di malattie infettive!

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Biosintesi dei flavonoidi nelle piante

La biosintesi dei flavonoidi, probabilmente la via metabolica meglio caratterizzata tra quelle del metabolismo secondario delle piante, fa parte della via biosintetica dei fenilpropanoidi, che porta alla formazione, oltre che dei flavonoidi, anche di un’ampia gamma di composti fenolici quali gli acidi idrossicinnamici, gli stilbeni, i lignani e le lignine.
La biosintesi dei flavonoidi è legata al metabolismo primario da intermedi di derivazione sia mitocondriale che plastidica. Queste molecole dovranno essere trasportate nel citoplasma per essere utilizzate, in quanto sembra che la maggior parte degli enzimi coinvolti sino ad ora caratterizzati lavorino uniti in complessi localizzati nel citosol della cellula.
I prodotti finali raggiungono i vari distretti intra- od extracellulari, con i flavonoidi coinvolti nella pigmentazione in genere trasportati all’interno dei vacuoli.
La biosintesi di questo ampio gruppo di polifenoli richiede come substrati iniziali una molecola di p-cumaril-CoA e tre di malonil-CoA.

Biosintesi dei flavonoidi
Biosintesi dei Polifenoli Flavonoidi

INDICE

Biosintesi del p-cumaril-CoA

Il p-cumaril-CoA rappresenta il più importante punto di ramificazione della via dei fenilpropanoidi, essendo il precursore di un’ampia varietà di prodotti fenolici, di natura sia flavonoide che non flavonoide.
E’ prodotto a partire dalla fenilalanina attraverso un nucleo di tre reazioni catalizzate da enzimi ad azione citosolica detti enzimi del gruppo I od ad azione precoce, in ordine di azione:

  • fenilalanina ammoniaca liasi (EC 4.3.1.24);
  • trans-cinnamato 4-monoossigenasi (EC:1.14.14.91);
  • 4-cumarato:CoA ligasi (EC 6.2.1.12).
Biosintesi del p-cumaril-CoA dalla fenilalanina
Biosintesi del p-Cumaril-CoA

Sembra che questi enzimi si associno a formare un complesso multienzimatico ancorato al reticolo endoplasmatico, ancoraggio probabilmente assicurato dalla cinnamato 4-idrossilasi che inserisce il proprio dominio N-terminale nella membrana del reticolo stesso. Queste strutture, definite “metaboloni”, fanno si che il prodotto di una reazione sia incanalato direttamente verso il sito attivo dell’enzima che catalizza la reazione successiva.
Con l’esclusione della cinnamato 4-idrossilasi, in tutte le specie analizzate gli enzimi che intervengono a valle della fenilalanina ammoniaca liasi sono codificati da piccole famiglie di geni.
Le diverse forme isoenzimatiche mostrano pattern di espressione temporali, tissutali e indotti da elicitori, distinti; sembra infatti che ogni membro di ciascuna famiglia possa essere utilizzato soprattutto per la sintesi di uno specifico composto, agendo in questo modo come punto di controllo del flusso del carbonio verso le vie di biosintesi dei flavonoidi, lignani e lignine.

Nota: la fenilalanina, che da il nome alla via dei fenilpropanoidi, è un prodotto della via dell’acido shikimico, via che converte semplici precursori derivanti dal metabolismo dei carboidrati, fosfoenolpiruvato e eritrosio-4-fosfato, intermedi rispettivamente dalla glicolisi e della via del pentoso fosfato, negli aminoacidi aromatici fenilalanina, tirosina e triptofano. Poiché gli animali non posseggono questa via metabolica, presente invece nelle piante e nei microorganismi, non sono in grado di sintetizzare i tre aminoacidi suddetti, che dunque risultano essenziali.

Fenilalanina ammonica liasi

E’ uno degli enzimi meglio studiati e caratterizzati del metabolismo secondario delle piante. Non richiede cofattori e catalizza la reazione che lega il metabolismo primario e quello secondario: la deaminazione della fenilalanina in acido trans-cinnamico, con liberazione dell’azoto in forma di ammoniaca ed inserzione di un doppio legame trans tra il C7 ed il C8 della catena laterale.

Fenilalanina ⇄ Acido trans-Cinnamico + NH3

Quindi dirige il flusso di carbonio dalla via dello shikimato a quella delle varie branche del metabolismo fenilpropanoico. L’ammoniaca rilasciata viene probabilmente fissata nella reazione catalizzata dalla glutammina sintetasi.
L’enzima presente nelle  monocotiledoni è anche in grado di agire come tirosina ammoniaca liasi (EC 4.3.1.25), convertendo direttamente la tirosina in acido p-cumarico (saltando quindi la idrossilazione in posizione 4), anche se con efficienza minore rispetto all’attività sulla fenilalanina.
In tutte le specie sono state trovate numerose copie dei geni per la fenilalanina ammoniaca liasi, copie che probabilmente rispondono in maniera differente a stimoli interni ed esterni. La trascrizione del gene e dunque l’attività dell’enzima è infatti sottoposta a regolazione da parte di fattori interni legati allo sviluppo e fattori esterni. Di seguito alcuni esempi che richiedono un aumento dell’attività dell’enzima.

  • La fioritura.
  • La produzione di lignina per il rafforzamento della parete cellulare secondaria delle cellule dello xilema.
  • La produzione di pigmenti per attrarre gli impollinatori.
  • L’attacco di patogeni che richieda la produzione di fitoalessine di natura fenilpropanoica, o l’esposizione a raggi UV.

trans-Cinnamato 4-monoossigenasi

Enzima della famiglia del citocromo P450 (EC 1.14.-.-), è una monossigenasi a localizzazione microsomiale, contenente un gruppo eme come cofattore, e dipendente dal NADPH e dall’ossigeno molecolare. Catalizza l’introduzione del gruppo ossidrilico in posizione 4 dell’acido trans-cinnamico (gruppo ossidrilico che si osserva nella maggior parte dei flavonoidi conosciuti) e formazione di acido p-cumarico.

Acido trans-Cinnamico + NADPH + H+ + O2 ⇄ Acido p-Cumarico + NADP+ + H2O

Questa reazione fa parte anche della via di sintesi degli acidi idrossicinnamici.
Aumenti nei livelli di trascrizione del gene e di attività dell’enzima sono stati osservati in correlazione con la sintesi di fitoalessine in risposta ad infezioni  fungine, la lignificazione o lesioni alla pianta.

4-Cumarato:CoA ligasi

In presenza di Mg2+ che agisce da cofattore, permette l’attivazione ATP-dipendente del gruppo carbossilico dell’acido p-cumarico e degli altri acidi idrossicinnamici, di per se piuttosto inerti, attraverso la formazione dei corrispondenti CoA-tioestere.

Acido p-Cumarico + ATP + CoA ⇄ p-Cumaril-CoA + AMP + PPi

In genere l’acido p-cumarico e l’acido caffeico sono i substrati preferiti, seguiti dall’acido ferulico e dall’acido 5-idrossiferulico, mentre si osserva una bassa attività nei confronti dell’acido trans-cinnamico e nessuna nei confronti dell’acido sinapico. I CoA-tioesteri prodotti sono in grado di entrare in differenti vie metaboliche come:

  • la riduzione ad aldeidi ed alcol (monolignoli);
  • l’addizione di unità di acetato fornite dal malonil-CoA, nel caso della biosintesi dei flavonoidi e degli stilbeni;
  • il trasferimento a molecole accettrici.

Va infine sottolineato che l’attivazione del gruppo carbossilico può essere ottenuta anche attraverso il trasferimento al glucosio dipendente non dall’ATP ma dall’UDP-glucosio.

Biosintesi del malonil-CoA

Il malonil-CoA non deriva dalla via dei fenilpropanoidi, ma si forma nella reazione catalizzata dall’acetil-CoA carbossilasi (EC 6.4.1.2, la forma citosolica, vedi sotto). L’enzima, che ha come cofattori la biotina ed il Mg2+, catalizza la carbossilazione ATP-dipendente dell’acetil-CoA, utilizzando lo ione bicarbonato come donatore di anidride carbonica (CO2).

Acetil-CoA + HCO3 + ATP → Malonil-CoA + ADP + Pi

Si trova sia nei plastidi, dove interviene nella sintesi degli acidi grassi, che nel citoplasma, ed è quest’ultimo che catalizza la formazione del malonil-CoA che sarà utilizzato nella biosintesi dei flavonoidi e di altri composti. Aumenti dei livelli di trascrizione del gene e dell’attività dell’enzima sono indotti in risposta a stimoli che aumentano la biosintesi di questi polifenoli, come l’esposizione a funghi patogeni o raggi UV.
A sua volta l’acetil-CoA può essere prodotto nei mitocondri, plastidi, perossisomi e nel citosol attraverso differenti vie metaboliche. Quello che è utilizzato nella biosintesi del malonil-CoA e quindi dei flavonoidi è di derivazione citosolica, prodotto nella reazione catalizzata dalla ATP-citrato liasi (EC 2.3.3.8) che converte citrato, ATP e CoA in acetil-CoA, ossalacetato, ADP e fosfato inorganico.

Passaggi iniziali della biosintesi dei flavonoidi

Il primo passo nella biosintesi dei flavonoidi è catalizzato dalla calcone sintasi (EC 2.3.1.74), un enzima ancorato al reticolo endoplasmatico e privo di cofattori noti.
In presenza di una molecola di p-cumaril-CoA e tre di malonil-CoA, catalizza una serie di decarbossilazioni e condensazioni sequenziali, nel corso delle quali si forma un intermedio polichetide che subisce ciclizzazioni ed aromatizzazioni che portano alla formazione dell’anello A, e la risultante struttura dei calconi. Il prodotto delle reazioni suddette è la naringenina calcone (2’,4,4′,6′-tetraidrossicalcone),  un 6’-idrossicalcone ed il primo flavonoide prodotto.

p-Cumaril-CoA + 3 Malonil-CoA → Naringenina Calcone + 4 CoA + 3 CO2

La reazione, citosolica, è irreversibile grazie al rilascio di tre molecole di CO2 e 4 di CoA.
L’anello B e il ponte centrale a 3 atomi di carbonio della molecole derivano dal p-cumaril-CoA (e quindi dalla fenilalanina), mentre l’anello A dalle tre unità di malonil-CoA.

Biosintesi dei flavonoidi: da dove derivano gli atomi dello scheletro carbonioso
Origine dello Scheletro di Base dei Flavonoidi

Altro possibile prodotto della reazione è il 6’-deossicalcone, la cui sintesi sembra coinvolgere un passaggio addizionale di riduzione catalizzata da una polichetide reduttasi (EC. 1.1.1.-).
Le calcone sintasi di alcune specie, ad esempio l’orzo (Hordeum vulgare), possono accettare come substrati anche il caffeoil-CoA, il feruloil-CoA e il cinnamoil-CoA.
E’ l’enzima più abbondante della via dei fenilpropanoidi, probabilmente perché ha una bassa attività catalitica, ed è infatti considerato l’enzima limitante della via di biosintesi dei flavonoidi.
Come per la fenilalanina ammoniaca liasi, anche la sua sintesi è soggetta a controlli multipli dell’espressione genica ad opera di fattori interni ed esterni. In alcune piante, sono state trovate una o due isoforme, mentre in altre fino a 9.
Appartiene al gruppo delle polichetide sintasi, presenti nei batteri, funghi e piante. Sono enzimi in grado di formare catene polichetidiche attraverso la condensazione sequenziale di unità di acetato provenienti da malonil-CoA. Questa classe di enzimi comprende anche la stilbene sintasi (EC 2.3.1.146), che catalizza la formazione di resveratrolo, un polifenolo non flavonoide difensivo delle piante che ha suscitato molto interesse per la salute umana.
Di solito le piante non accumulano calconi, ed infatti dopo la sua formazione la naringenina calcone, nella reazione catalizzata dalla calcone isomerasi (EC 5.5.1.6) viene convertita in (2S)-naringenina, un flavanone.
L’enzima, il primo della via di biosintesi dei flavonoidi ad essere scoperto, catalizza una isomerizzazione stereospecifica, chiudendo l’anello C. Sono state ritrovate due tipi di calcone isomerasi, indicate come tipo I e II. Il tipo I può utilizzare come substrati solo i 6’-idrossicalconi, come la naringenina calcone, mentre il tipo II, prevalente nelle leguminose, può catalizzare l’isomerizzazione sia dei 6’-idrossi- che dei 6’-deossicalconi.
Da notare che con i 6’-idrossicalconi l’isomerizzazione può avvenire anche non enzimaticamente a formare una miscela racemica, sia in vitro che in vivo; addirittura sembra con un grado tale da permettere una moderata sintesi di antociani. Al contrario in condizioni fisiologiche i 6’-deossicalconi sono stabili, per cui è richiesta la catalisi ad opera della isomerasi di tipo II per convertirli in flavanoni.
L’enzima assicura un aumento della velocità di reazione di 107 volte rispetto alla reazione spontanea, ma con una cinetica decisamente più lenta con i 6’-deossicalconi rispetto ai 6’-idrossicalconi. Infine permette l’ottenimento dei (2S)-flavanoni, che sono quelli biosinteticamente necessari.
Al pari di altri enzimi della biosintesi dei flavonoidi, anche la sua sintesi è soggetta ad uno stretto controllo. E come la fenilalanina ammoniaca liasi e la calcone sintasi, è indotta dagli elicitori.
Nella reazione catalizzata dalla flavanone-3β-idrossilasi (EC 1.14.11.9) i (2S)-flavanoni vanno incontro ad una isomerizzazione stereospecifica che li converte nei rispettivi (2R,3R)-diidroflavonoli. In particolare la naringenina è convertita in diidrocampferolo.
L’enzima, citosolico, è una non-eme diossigenasi dipendente dal Fe2+ e dal 2-ossiglutarato, e dunque appartenente alla famiglia delle diossigenasi 2-ossiglutarato-dipendenti (il che le distingue delle altre idrossilasi della via di biosintesi dei flavonoidi che sono enzimi citocromo P450).

La naringenina calcone, la (2S)-naringenina ed il suo derivato diidrocampferolo (diidroflavonolo) sono intermedi centrali nella biosintesi dei flavonoidi, essendo punti di ramificazione da cui si diparte la sintesi di distinte sottoclassi di flavonoidi. Ad esempio, direttamente o indirettamente:

  • dai calconi derivano gli isoflavoni;
  • dai flavanoni i flavoni ed i flavan-4-oli;
  • dai diidroflavanoli i flavan-3,4-dioli, le antocianidine, le antocianine, le catechine, le proantocianidine o tannini condensati, ed i flavonoli.

Non tutte queste vie di sintesi sono presenti in tutte le piante, o sono attive all’interno di ogni tessuto di una data pianta. Al pari degli enzimi visti in precedenza, anche l’attività di quelli coinvolti in queste vie metaboliche “collaterali” è soggetta ad uno stretto controllo, che risulta in un profilo di metaboliti di natura flavonoide tessuto specifico. L’esempio è il chicco d’uva, dove la buccia, la polpa ed i semi hanno un profilo ben distinto riguardo al contenuto in antociani, catechine, tannini condensati e flavonoli, la cui sintesi ed accumulo è strettamente e temporalmente coordinata nel corso dello sviluppo.

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Lignani: cosa sono, struttura, sintesi, metabolismo, dove si trovano

I lignani sono un sottogruppo di polifenoli non flavonoidi.
Sono ampiamente distribuiti nel regno vegetale, essendo presenti in oltre 55 famiglie di piante, dove svolgono funzioni difensive nei confronti di attacchi da parte di funghi e batteri patogeni, ed agiscono anche come antiossidanti.
Nell’uomo, studi epidemiologici e fisiologici hanno dimostrato che sono in grado di esercitare effetti positivi nella prevenzione di patologie correlate allo stile di vita, quali il diabete di tipo II ed il cancro. Ad esempio, un aumento del loro consumo nella dieta si correla con una riduzione dell’insorgenza di alcuni tipi di tumori estrogeno-dipendenti, come il tumore al seno in donne in postmenopausa.
Inoltre alcuni lignani hanno suscitato anche interesse farmacologico. Esempi o sono:

  • la podofillotossina, ottenuta da piante del genere Podophyllum (famiglia Berberidaceae), una tossina mitotica i cui derivati sono stati utilizzati come chemioterapici;
  • l’arctigenina e la tracheologina, ottenute da piante rampicanti tropicali, che posseggono proprietà antivirali e sono state testate nella ricerca di un farmaco per la cura dell’AIDS.

INDICE

Struttura chimica dei lignani

La loro struttura chimica di base si compone di due unità di fenilpropano legate attraverso un legame carbonio-carbonio che si stabilisce principalmente tra gli atomi centrali delle rispettive catene laterali (posizione 8 o β), legame anche detto β-β’. Meno frequentemente si osservano legami 3-3’, 8-O-4’, o 8-3’; in questi casi i dimeri sono definiti neolignani.
Dunque la loro struttura chimica può essere indicata come (C6-C3)2 e pertanto, al pari degli acidi idrossicinnamici da cui derivano (vedi sotto), appartengono alla classe dei fenilpropanoidi.

Unità di fenilpropano dei lignani
Fig. 1 – Unità di Fenilpropano

Sulla base dello scheletro carbonioso, del pattern di ciclizzazione e del modo in cui l’ossigeno è incorporato nello scheletro della molecola, possono essere suddivisi in 8 sottogruppi: furani, furofurani, dibenzilbutani, dibenzilbutirrolattoni, dibenzocicloottadieni, dibenzilbutirrolattoli, ariltetraline e arilnafatleni. In aggiunta esiste una notevole variabilità riguardo i livelli di ossidazione delle catene laterali propiliche e di entrambe gli anelli aromatici.
In natura non sono presenti in forma libera ma legati ad altre molecole, in genere glicosilati.
Tra i più comuni si ritrovano il secoisolariciresinolo, il più abbondante, ma in buone quantità anche lariciresinolo, pinoresinolo, matairesinolo e 7-idrossimatairesinolo.

Nota: i lignani si possono presentare non solo in forma di dimeri ma anche di oligomeri più complessi, come i dilignani ed i sesquilignani.

Biosintesi dei lignani

Di seguito verrà presa in esame la biosintesi di alcuni tra i lignani più comuni.
La via metabolica ha inizio a partire da 3 dei 4 acidi idrossicinnamici alimentari più comuni: l’acido p-cumarico, l’acido sinapico e l’acido ferulico (l’acido caffeico non è un precursore dei questo sottogruppo di polifenoli). Quindi in ultima analisi derivano dalla fenilalanina e dunque dalla via dell’acido shikimico.

Vie di sintesi dei lignani
Fig. 2 – Sintesi dei Lignani

Le prime tre reazioni riducono i gruppi carbossilici degli idrossicinnamati a gruppi alcolici, con formazione di alcol detti monolignoli, ossia l’alcol p-cumarilico, l’alcol sinapilico e l’alcol coniferilico, molecole che entrano anche nella biosintesi della lignina.

  • La prima reazione, che porta all’attivazione degli acidi idrossicinnamici, è catalizzata dalla idrossicinnamato:CoA ligasi o 4-cumarato:CoA ligasi (EC 6.2.1.12), con formazione del corrispettivo idrossicinnamato-CoA, e dunque feruloil-CoA, p-cumaril-CoA e sinapil-CoA.
  • Di seguito intervengono le cinnamoil-CoA ossidoreduttasi NADPH-dipendenti o cinnamoil-CoA reduttasi (EC1.2.1.44), che catalizzano la formazione dell’aldeide corrispondente, con liberazione del coenzima A.
  • Nell’ultima delle tre tappe suddette le cinnamil alcol deidrogenasi o monolignolo deidrogenasi NADPH-dipendenti (EC 1.1.1.195) riducono ulteriormente il gruppo aldeidico ad alcol, con formazione di alcol coniferilico, alcol p-cumarilico e alcol sinapilico.

Il passaggio successivo, la dimerizzazione, comporta l’intervento di meccanismi stereoselettivi, o più precisamente enantioselettivi. Infatti la maggior parte dei lignani delle piante esiste in forma di (+)- o (-)-enantiomeri, ossia isomeri dotati di almeno un centro di chiralità, le cui quantità relative possono variare da specie a specie, ma anche all’interno di organi differenti della stessa pianta, a seconda del tipo di reazioni coinvolte.
La dimerizzazione può essere ottenuta attraverso reazioni catalizzate da laccasi (EC 1.10.3.2). Questi enzimi di per se catalizzano la formazione di radicali che dimerizzando creano una miscela racemica, il che dunque non spiega come si formino le miscele racemiche presenti nelle piante. Il meccanismo più accreditato per spiegare la sintesi stereospecifica chiama in causa l’azione degli enzimi suddetti e di una proteina in grado di dirigere la sintesi verso una o l’altra delle due forme enantiomeriche: la proteina dirigente. Lo schema di reazione potrebbe essere il seguente: l’enzima forma i radicali che sono orientati in modo da ottenere l’accoppiamento stereospecifico desiderato dalla proteina dirigente.

Formula di struttura del lignano (-)-matairesinolo
Fig. 3 – (-)-Matairesinolo

Ad esempio, la pinoresinolo sintetasi, composta da laccasi e proteina dirigente, catalizza la sintesi stereospecifica del (+)-pinoresinolo a partire da due residui di alcol coniferilico. Di seguito il (+)-pinoresinolo, in due reazione stereospecifiche consecutive catalizzate dalla pinoresinolo/lariciresinolo reduttasi NADPH-dipendente (EC 1.23.1.2), viene dapprima ridotto a (+)-lariciresinolo e poi a (-)-secoisolariciresinolo. Il (-)-secoisolariciresinolo, nella reazione catalizzata dalla secoisolariciresinolo deidrogenasi NAD(P)-dipendente (EC 1.1.1.331 ), è ossidato a (-)-matairesinolo.

Metabolismo intestinale

La loro importanza per la salute dell’uomo deriva in larga misura dalla metabolizzazione che subiscono nel colon da parte del microbiota intestinale, che è parte del più ampio microbiota umano, e che opera deglicosilazioni, para-deidrossilazioni e meta-demetilazioni senza inversione enantiomerica. Le trasformazioni batteriche infatti portano alla formazione di metaboliti dotati di una modesta attività simil-estrogenica, una situazione analoga a quella alcuni isoflavoni, come quelli della soia, di alcuni stilbeni e alcune cumarine. Si parla pertanto di fitoestrogeni. Il prodotto delle reazioni suddette sono i cosiddetti lignani dei mammiferi o enterolignani, come gli agliconi dell’enterodiolo e dell’enterolattone, prodotti rispettivamente a partire dal secoisolariciresinolo e dal matairesinolo.
Osservazioni condotte in  animali alimentati con diete ricche di lignani hanno evidenziato la loro presenza in forma non modificata, in basse concentrazioni, nel siero, dimostrando così che possono essere assorbite anche intatti a livello intestinale. Queste molecole esercitano azioni estrogeno-indipendenti, sia in vivo che in vitro, quali l’inibizione dell’angiogenesi, la riduzione del diabete e la soppressione della crescita tumorale.
Nota: con il termine di “fitoestrogeno” si intende una molecola dotata di attività estrogenica o antiandrogenica, almeno in vitro.

Dopo essere stati assorbiti, entrano nel circolo enteroepatico, e a livello epatico possono subire le reazione di fase II ed essere solforati o glucoronidati, ed infine escreti nelle urine.

Fonti alimentari

La fonte più ricca è rappresentata dai semi di lino, che contengono in prevalenza secoisolariciresinolo, ma in buone quantità anche lariciresinolo, pinoresinolo e matairesinolo (in totale oltre 3,7 mg/100 g di prodotto secco). Si ritrovano anche nei semi di sesamo.

Formula di struttura del lignano (-)-secoisolariciresinolo
Fig. 4 – (-)-Secoisolariciresinolo

Un’altra fonte importante è rappresentata dai cereali integrali.
Sono presenti anche in altri alimenti, ma in concentrazioni tra le cento e le mille volte inferiori rispetto a quelle osservate nei semi di lino. Esempi sono:

  • le bevande, dove in genere sono più abbondanti nel vino rosso, seguito in ordine decrescente dal tè nero, latte di soia e caffè;
  • la frutta come albicocche, pere, pesche e fragole;
  • le verdure, come le Brassicaceae, l’aglio, gli asparagi e le carote;
  • lenticchie e fagioli.

La loro presenza nei cereali integrali e, in misura minore, nel vino rosso e nella frutta fa si che, almeno nella popolazione che segua una dieta di tipo mediterraneo, rappresentino la principale fonte di fitoestrogeni.

Bibliografia

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Acidi idrossicinnamici: definizione, struttura, sintesi, alimenti

Gli acidi idrossicinnamici o idrossicinnamati sono composti fenolici che fanno parte del gruppo dei polifenoli non flavonoidi.
Sono presenti praticamente in tutte le parti della frutta e verdura anche se le concentrazioni maggiori si ritrovano nelle porzioni esterne dei frutti maturi, concentrazioni che si riducono nel corso della maturazione, mentre il contenuto totale aumenta grazie all’aumentare delle dimensioni del frutto.

Il loro consumo con i cibi è stato associato ad un effetto di prevenzione dello sviluppo di malattie croniche come:

  • le malattie cardiovascolari;
  • il cancro;
  • il diabete di tipo 2.

Questi effetti sembra non siano dovuti solamente al loro notevole potere antiossidante (potere che variare in base al pattern metilazione, e soprattutto di idrossilazione dell’anello aromatico), ma anche ad altri meccanismi d’azione come ad es. la riduzione dell’assorbimento intestinale del glucosio o la modulazione della secrezione di alcuni ormoni intestinali.

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Struttura chimica degli acidi idrossicinnamici

La struttura chimica di base è composta da un anello benzenico cui è legata una catena di tre atomi di carbonio, struttura che è indicata anche come C6-C3. Pertanto possono essere inseriti nel gruppo dei fenilpropanoidi.

Formula di struttura dello scheletro di base degli acidi idrossicinnamici, polifenoli non flavonoidi
Scheletro di Base degli Acidi Idrossicinnamici

Gli idrossicinnamati più comuni sono:

  • l’acido caffeico o acido 3,4-diidrossicinnamico;
  • l’acido ferulico o acido 4-idrossi-3-metossicinnamico;
  • l’acido sinapico o acido 4-idrossi-3,5-dimetossicinnamic
  • l’acido p-cumarico o acido 4-cumarico o acido 4-idrossicinnamico.

In natura si trovano associati ad altre molecole, in genere in forma di derivati glicosilati o di esteri dell’acido chinico, tartarico e shikimico (o acido scichimico). Inoltre sono state identificate diverse centinaia di antociani acilati con gli idrossicinnamati sopracitati (in ordine decrescente con l’acido p-cumarico, oltre 150, acido caffeico, circa 100, acido ferulico, circa 60, e acido sinapico, circa 25).
Raramente sono presenti in forma libera, tranne che nei cibi lavorati che abbiano subito congelamento, fermentazione o sterilizzazione. Ad esempio, una conservazione eccessivamente lunga delle arance rosse  provoca una idrolisi massiva dei derivati idrossicinnamici a dare acidi liberi, e questo a sua volta potrebbe portare alla formazione di composti maleodoranti quali i vinil-fenoli, indicatori di una senescenza troppo avanzata del frutto.

Biosintesi degli acidi idrossicinnamici

La biosintesi degli idrossicinnamati consiste in una serie di reazioni successive a quella catalizzata dalla  fenilalanina ammonio liasi (PAL, acronimo dell’inglese phenylalanine ammonia lyase).

Fenilalanina ⇄ Acido trans-Cinnamico + NH3

La reazione,  deaminando la fenilalanina a dare acido trans-cinnamico, lega l’aminoacido aromatico agli acidi idrossicinnamici e alle loro forme attivate.

Via di sintesi degli acidi idrossicinnamici dalla fenilalanina
Biosintesi degli Idrossicinnamati

Nel primo passaggio viene introdotto un gruppo ossidrilico in posizione 4 dell’anello aromatico dell’acido trans-cinnamico a dare l’acido p-cumarico. La reazione catalizzata dalla trans-cinnamato 4-monoossigenasi (EC:1.14.14.91).

Acido trans-Cinnamico + NADPH + H+ + O2 ⇄ Acido p-Cumarico + NADP+ + H2O

L’addizione di un secondo gruppo ossidrilico in posizione 3 dell’anello dell’acido p-cumarico porta alla formazione di acido caffeico. La reazione catalizzata dalla p-cumarato 3-idrossilasi (EC 1.14.13.-).

Acido p-cumarico + NADPH + H+ + O2 ⇄ Acido caffeico + NADP+ + H2O

La O-metilazione del gruppo ossidrilico in posizione 3 dell’acido caffeico produce acido ferulico. La reazione catalizzata dalla caffeato 3-O-metiltransferasi (EC:2.1.1.68).

Acido caffeico + SAM ⇄ Acido ferulico + SAH

L’acido ferulico a sua volta è convertito in acido sinapico attraverso due reazione: una idrossilazione in posizione 5 a dare l’acido 5-idrossiferulico, reazione catalizzata dalla ferulato 5-idrossilasi(EC:1.14.-.-), e la successiva O-metilazione dello stesso ossidrile, reazione catalizzata ancora dalla caffeato 3-O-metiltransferasi.

Acido ferulico + NADPH + H+ + O2 ⇄ Acido-5-idrossiferulico + NADP+ + H2O

Acido-5-idrossiferulico + SAM ⇄ Acido sinapico + SAH

Gli idrossicinnamati non sono presenti in quantità elevate in quanto sono rapidamente convertiti in esteri del coenzima A (CoA) o in esteri del glucosio, nelle reazioni catalizzate da idrossicinnamato:CoA ligasi o da O-glucosiltransferasi. Questi intermedi attivati rappresentano punti di ramificazione in quanto in grado di partecipare ad un’ampia gamma di reazioni successive, quali la condensazione con il malonil-CoA a dare flavonoidi, o la riduzione NADPH-dipendente a dare lignani (che saranno di seguito utilizzati nella sintesi della lignina).

Acidi idrossicinnamici nei cibi

Tra le fonti più ricche si ritrovano kiwi, mirtilli, prugne, ciliegie, mele, pere, cicoria, carciofi, carote, lattuga, melanzane, grano e caffè.

Acido caffeico

In genere, sia in forma libera che legata ad altre molecole, è l’acido idrossicinnamico più abbondante nella verdura e nella maggior parte della frutta, dove rappresenta il 75-100% del totale degli idrossicinnamati.
Le fonti più ricche sono il caffè, inteso come bevanda, le carote, la lattuga, le patate, anche quelle dolci, ma anche frutti di bosco quali mirtilli, mirtilli rossi e more.
Fonti minori sono rappresentate da uva e prodotti derivati, succo d’arancia, mele, prugne, pesche, e pomodori.
L’acido caffeico e il chinico si legano a formare l’acido clorogenico, presente in molti tipi di frutta ed in concentrazione elevata nel caffè.

Acido ferulico

E’ l’acido idrossicinnamico più abbondante nei cereali, che ne sono anche la fonte alimentare principale.
Nel grano il contenuto è compreso tra 0,8 e 2 g/kg di peso secco, che rappresenta fino al 90% del totale dei polifenoli. Si ritrova quasi esclusivamente, fino al 98% del totale, nelle parti più esterne del chicco, ossia lo strato aleuronico ed il pericarpo, e quindi il suo contenuto nelle farine dipende dal loro livello di raffinazione, mentre la principale fonte è ovviamente rappresentata dalla crusca. La molecola è presente principalmente nella forma trans, esterificata con arabinoxilani e emicellulose. Infatti solamente il 10% si ritrova in forma libera solubile nella crusca.
Nei cereali sono state ritrovati anche dimeri che formano strutture a ponte tra le catene di emicellulosa.
Nei frutti e nella verdura è molto meno comune dell’acido caffeico. Le principali fonti sono asparagi, melanzane e broccoli, mentre concentrazioni più basse sono state ritrovate nelle more, mirtilli, mirtilli rossi, mele, carote, patate, barbabietole, caffè e succo d’arancia.

Acido sinapico

Le quantità più elevate si ritrovano nella buccia e nei semi degli agrumi (il contenuto del succo d’arancia è decisamente più basso); buoni valori sono presenti anche nel cavolo cinese (o cavolo di Pechino), e in alcune varietà di mirtilli rossi.

Acido p-cumarico

Elevate quantità sono presenti nelle melanzane, le più ricche, nei broccoli ed asparagi; altre fonti sono le ciliegie dolci, le prugne, i mirtilli, anche rossi, la buccia ed i semi degli agrumi, ed il succo d’arancia.

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Polifenoli dell’uva e del vino: contenuto, proprietà e attività biologiche

Il consumo di uva e prodotti derivati, in primis il vino rosso ma solo durante i pasti, è stato associato a numerosi effetti positivi sulla salute, che non si limitano al solo effetto antiossidante/antiradicalico, ma includono anche un’azione:

  • antiinfiammatoria;
  • cardioprotettiva;
  • anticancerosa;
  • antimicrobica;
  • neuroprotettiva

Nell’uva sono presenti numerosi nutrienti quali zuccheri, vitamine, sali minerali, fibre e fitochimici. Tra questi ultimi, i polifenoli si sono dimostrati i composti più importanti nel determinare gli effetti positivi del frutto e dei prodotti derivati.
L’uva è infatti uno dei frutti più ricchi in polifenoli, la cui composizione è fortemente influenzata da diversi fattori quali la varietà o cultivar, le condizioni ambientali in cui avviene la maturazione, eventuali malattie quali infezioni fungine, come anche la lavorazione che subisce.
Al momento le specie di vite principalmente coltivate a livello mondiali sono: l’europea, Vitis vinifera, le nordamericane, Vitis labrusca e Vitis rotundifolia, ed ibridi francesi.
Nota: l’uva in realtà non è un frutto ma un’infruttescenza ossia un raggruppamento di frutti: il grappolo. A sua volta il grappolo è composto dal peduncolo, dal raspo o graspo, dai pedicelli, e dalle bacche o acini o chicchi.

INDICE

Quali sono i polifenoli dell’uva e del vino?

I polifenoli sono presenti sia in quantità che in varietà decisamente maggiori nell’uva rossa, e quindi nel vino rosso, rispetto a quella bianca. Questo, secondo molti ricercatori, sarebbe alla base dei maggiori benefici sulla salute derivanti al consumo di uva/vino rosso rispetto a quella bianca ed i suoi derivati.
I polifenoli dell’uva e del vino sono una complessa miscela di composti flavonoidi, il gruppo più abbondante, e non flavonoidi.
Tra i flavonoidi si ritrovano:

Tra i polifenoli non flavonoidi:

La maggior parte dei flavonoidi presenti nel vino derivano dallo strato epidermico della buccia, mentre il 60-70% del totale dei polifenoli è presente nel vinacciolo. Da notare che oltre il 70% dei polifenoli dell’uva non sono estratti e rimangono nella vinaccia.
Le complesse interazioni chimiche che si stabiliscono tra questi composti, e tra di loro e gli altri composti di natura differente presenti nell’uva e nel vino, sono probabilmente essenziali nel determinare sia la qualità delle uve e del vino che l’ampio spettro di effetti terapeutici propri di questi alimenti.
Nel vino la miscela di polifenoli svolge importanti funzioni essendo in gradi di influenzare:

  • il gusto amaro;
  • l’astringenza;
  • il colore rosso, di cui sono tra i maggiori responsabili;
  • la sensibilità all’ossidazione, essendo sostanze facilmente ossidabili quando esposte all’aria.

Infine sono un conservante importante per il vino stesso e la base per un lungo invecchiamento.

Antociani o antocianine

Sono flavonoidi ampiamente presenti nella frutta e verdura.
Nell’uva si accumulano in modo principale nella buccia (nei primi strati esterni del tessuto ipodermico), cui conferiscono il colore, avendo tonalità che variano dal rosso al blu. In alcune varietà, dette “teinturier”, si accumulano anche nella polpa dell’acino.
Esiste una stretta correlazione tra la sintesi degli antociani e lo sviluppo dell’acino. Quando l’acino raggiunge l’invaiatura, ossia il momento in cui termina la sua crescita, ha inizio la loro sintesi, che determina anche il cambiamento di colore dell’acino stesso che diventa viola. La sintesi raggiunge il massimo livello alla maturazione completa dell’acino.
Tra i flavonoidi del vino sono uno degli antiossidanti più potenti.
Ogni specie e varietà d’uva ha una composizione unica in antocianine. Inoltre nelle uve di Vitis vinifera, a seguito di una mutazione a carico del gene che codifica per 5-O-glucosiltransferasi, mutazione che determina la sintesi di un enzima inattivo, sono prodotti solo 3-monoglucosidi, mentre nelle uve derivanti da altre specie avviene anche la glicosilazione in posizione 5. Interessante notare che i derivati 3-glucosidici sono colorati più intensamente dei 3,5-diglucosidi.

Formula di struttura della malvidina-3-glucoside, un antociano
Fig. 1 – Malvidina-3-glucoside

Nell’uva e nel vino rosso i più abbondanti sono i 3-monoglucosidi della malvidina, la più abbondante sia nell’uva che nel vino, e della petunidina, delfinidina, peonidina, cianidina.
L’idrossile in posizione 6 del glucosio può a sua volta essere acilato con un gruppo acetilico, caffeico o cumarico, acilazione che ne aumenta ulteriormente la stabilità.
Le antocianidine, ossia le forme non coniugate, non sono presenti ne nell’uva ne nel vino, se non in tracce.
Gli antociani sono scarsamente presenti nelle uve bianche, e dunque nel vino bianco.
La composizione in antociani del vino è fortemente influenzata sia dal tipo di cultivar che dalle tecniche di vinificazione, ritrovandosi nel vino in conseguenza di processi di estrazione dalla buccia dovuti alla macerazione delle uve. Di conseguenza vini derivanti da varietà simili di uve possono avere composizioni in antocianine molto diverse.
Insieme alla proantocianidine, sono i polifenoli dell’uva più importanti nel determinare alcune importanti proprietà organolettiche del vino rosso, in quanto sono i principali responsabili dell’astringenza, amarezza, stabilità chimica nei confronti dell’ossidazione, come anche del colore del vino giovane.
Riguardo al colore va sottolineato che con il tempo la loro concentrazione si riduce, mentre il colore è dovuto sempre più alla formazione di pigmenti polimerici prodotti della condensazione degli antociani sia tra di loro che  con altre molecole.
Nel corso dell’invecchiamento del vino gli antociani e le proantocianidine possono interagire a dare molecole con struttura complessa che possono parzialmente precipitare.

Flavanoli o catechine

Sono, insieme ai tannini condensati, i flavonoidi più abbondanti, rappresentando fino al 50% del totale dei polifenoli nelle uve bianche e dal 13% al 30% in quelle rosse.
Il loro livello nel vino dipende dal tipo di cultivar.

Formula di struttura della catechina, un flavanolo e uno dei polifenoli dell'uva
Fig. 2 – Catechina

In genere il flavanolo più abbondante nel vino è la catechina, ma si ritrovano anche epicatechina ed epicatechina-3-gallato.

Proantocianidine o tannini condensati

Formate da unità di catechine, sono presenti nella buccia, nel vinacciolo e nel raspo del grappolo d’uva in forma di:

  • dimeri, di cui i più comuni sono le proacianidine B1-B4, ma possono essere presenti anche le procianidine B5-B8;
  • trimeri, e tra questi la procianidina C1 è la più abbondante;
  • tetrameri;
  • polimeri, formati fino da 8 monomeri.
Formula di struttura della procianidina C1, una proantocianidina
Fig. 3 – Procianidina C1

Il loro livello nel vino dipende dalle tecniche di vinificazione e dalla varietà dell’uva e, al pari degli antociani, sono molto più abbondanti nei vini rossi, in particolare in quelli invecchiati, rispetto ai bianchi.
Inoltre, come detto in precedenza, insieme agli antociani, i tannini condensati sono importanti nel determinare alcune proprietà organolettiche del vino.

Flavonoli

Sono presenti in una grande varietà di frutta e verdura, anche se in basse concentrazioni.
Nell’uva sono il terzo gruppo di flavonoidi più abbondanti, dopo proantocianidine e catechine.
Si ritrovano principalmente nell’epidermide esterna della buccia, dove agiscono come agenti protettivi nei confronti della radiazione UV-A e UV-B, ed hanno un ruolo di copigmentazione insieme agli antociani.
La loro sintesi inizia nel germoglio; la concentrazione più elevata è raggiunta poche settimane dopo l’invaiatura, per poi ridursi quando il chicco aumenta di dimensioni. Il loro contenuto totale è molto variabile, con le varietà rosse spesso più ricche rispetto a quelle bianche.
Nell’uva sono presenti come 3-glucosidi. Il loro profilo dipende dal tipo di uva e cultivar:

  • nell’uva bianca si ritrovano i derivati della quercetina, campferolo ed isoramnetina;
  • i derivati della miricetina, laricitrina e siringetina si ritrovano, insieme ai precedenti, solo in quella rossa, a causa della mancata espressione nell’uva bianca del gene che codifica per la flavonoide-3’,5’-idrossilasi.
Formula di struttura della quercetina-3-glucoside, un flavonolo e uno dei polifenoli dell'uva
Fig. 4 – Quercetina-3-glucoside

In generale i 3-glucosidi ed i 3-glucoronidi della quercetina sono i principali flavonoli nella maggior parte delle uve. Nelle uve moscate invece i più rappresentati sono la quercetina-3-ramnoside e la quercetina aglicone.
A differenza dell’uva, nel vino e nel succo d’uva i flavonoli sono presenti anche come agliconi, in conseguenza dell’idrolisi acida che si verifica durante la lavorazione e la conservazione. Si ritrovano nel vino in quantità variabile, e i principali sono i glicosidi della miricetina e quercetina, che da soli rappresentano il 20-50% del totale dei flavonoli del vino rosso.

Idrossicinnamati

Gli acidi idrossicinnamici sono la principale classe di polifenoli dell’uva  non flavonoidi ed i principali polifenoli del vino bianco.
I più importanti sono gli acidi p-cumarico, caffeico, sinapico e ferulico, presenti nel vino in forma di esteri con l’acido tartarico.
Sono molecole dotate di attività antiossidante e in alcune cultivar bianche di Vitis vinifera, assieme ai flavonoli, sono i principali polifenoli responsabili dell’assorbimento della radiazione ultravioletta a livello dell’acino.

Stilbeni

Sono fitoalessine che, al contrario dei flavonoidi che sono presenti in tutte le piante superiori, sono prodotti in basse concentrazioni solo da poche specie edibili, tra cui la vite.
Insieme agli altri polifenoli dell’uva e del vino anche gli stilbeni, ed in particolare il resveratrolo, sono stati associati agli effetti benefici sulla salute conseguenti al consumo della bevanda.

Formula di struttura del trans-resveratrolo, uno stilbene e uno dei polifenoli dell'uva
Fig. 5 – trans-Resveratrolo

Il loro contenuto aumenta dall’invaiatura sino alla maturazione del chicco, ed è influenzato dal tipo di cultivar, dal clima, dalle tecniche di vinificazione e dalla pressione fungina.
I principali stilbeni presenti nell’uva e nel vino sono:

  • cis– e trans-resveratrolo (3,5,4’-triidrossistilbene);
  • piceide o resveratrolo-3-glucopiranoside e astringina o  3’-idrossi trans-piceide;
  • piceatannolo;
  • dimeri ed oligomeri del resveratrolo, detti viniferine, di cui le più importanti sono:

α-viniferina, un trimero;
β-viniferina, un tetramero ciclico;
γ-viniferina, un oligomero altamente polimerizzato;
ε-viniferina, un dimero ciclico.

Nell’uva sono state identificati in tracce anche altri isomeri e forme glicosilate del resveratrolo e del piceatannolo, come il resveratroloside, l’opeafenolo, il resveratrolo di- e triglucoside.
La glicosilazione degli stilbeni è importante per la conservazione, il trasporto, la modulazione dell’attività antifungina e la protezione dalla degradazione ossidativa del vino.
La sintesi di dimeri ed oligomeri del resveratrolo, prodotti sia nell’uva che nel vino, rappresenta un meccanismo di difesa nei confronti di attacchi esogeni, o al contrario è il risultato dell’azione di enzimi extracellulari rilasciati da patogeni nel tentativo di eliminare composti tossici indesiderati.

Idrossibenzoati

I derivati dell’acido idrossibenzoico sono componenti minori dell’uva e del vino.
Nell’uva i principali sono gli acidi gentisico, gallico, p-idrossibenzoico e protocatechico.

Formula di struttura dell'acido gallico, un acido idrossibenzoico
Fig. 6 – Acido Gallico

A differenza degli idrossicinnamati, che nel vino sono presenti come esteri con l’acido tartarico, si ritrovano in forma libera.
Insieme ai flavonoli, proantocianidine, catechine ed idrossicinnamati sono tra i responsabili dell’astringenza del vino.

Bibliografia

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Composizione chimica dell’olio di oliva

Dal punto di vista chimico nell’olio di oliva è possibile individuare, sulla base del comportamento in presenza di soluzioni fortemente alcaline (soluzioni concentrate di KOH o NaOH) e calore, due frazioni:

  • la frazione saponificabile, che rappresenta il 98-99% del peso totale, ed è formata da lipidi che, nelle condizioni suddette, formano saponi;
  • la frazione insaponificabile, che costituisce il restante 1-2% del peso, e che nelle condizioni suddette non forma saponi.

INDICE

Frazione saponificabile

E’ composta da acidi grassi saturi ed acidi grassi insaturi, quasi per intero legati al glicerolo a formare trigliceridi (o triacilgliceroli). In misura molto minore si ritrovano anche digliceridi (o diacilgliceroli), monogliceridi (o monoacilgliceroli) e acidi grassi liberi.
Gli acidi grassi insaturi costituiscono il 75-85% del totale degli acidi grassi. I più abbondanti sono gli acidi oleico (O) e linoleico (L); in quantità inferiori si ritrovano anche gli acidi palmitoleico, eptadecenoico, gadoleico e alfa-linolenico (Ln).

Tabella IOOC degli acidi grassi

Acidi grassi

Numero di carboni

Intervallo permesso %

Acido miristico C14:0 <0,03
Acido palmitico C16:0 7,5-20
Acido palmitoleico C16:1 0,3-3,5
Acido eptadeconoico C17:0 ≤0,3
Acido eptadecenoico C17:1 ≤0,3
Acido stearico C18:0 0,5-5,0
Acido oleico C18:1 55,0-83,0
Acido linoleico C18:2 2,5-21,0
Acido alfa-linoleinico C18:3 ≤1,0
Acido arachidico C20:0 ≤0,6
Acido gadoleico C20:1 ≤0,4
Acido beenico C22:0 ≤0,2
Acido lignocerico C24:0 ≤0,2

L’acido oleico è l’acido grasso più abbondante dell’olio di oliva, con una concentrazione che, in base alle norme stabilite dall’International Olive Oil Council (IOOC) deve essere compresa tra il 55% e 83% del totale degli acidi grassi.
L’acido linoleico è l’acido grasso polinsaturo più abbondante, con una concentrazione che deve essere comprese tra il 2,5% ed il 21%. A causa del suo elevato grado di insaturazione è soggetto facilmente ad ossidazione; questo significa che un olio che ne contenga quantità elevate irrancidisce con più facilità, e dunque può essere conservato per un tempo minore rispetto ad un olio che ne contenga meno.
In una alimentazione di tipo mediterraneo, l’olio di oliva è la principale fonte di grassi: dunque l’acido oleico, tra gli acidi grassi monoinsaturi, ed il linoleico, tra i polinsaturi, sono i principali acidi grassi presenti.
L’acido alfa-linolenico deve essere presente in quantità molto bassa, secondo gli standard IOOC ≤1%. Si tratta di un acido grasso polinsaturo della famiglia omega-3, che può apportare benefici dal punto di vista nutrizionale, ma, a causa della forte insaturazione, al pari dell’acido linoleico, è molto suscettibile ad ossidazione, e quindi favorisce l’irrancidimento dell’olio che lo contiene.
Gli acidi grassi saturi costituiscono circa il 15-25% del totale degli acidi grassi.
I più abbondanti sono gli acidi palmitico (P) (7,5-20%) e stearico (S) (0,5-5%); in tracce possono essere presenti anche gli acidi miristico, eptadecanoico, arachidico, beenico e lignocerico.

La presenza di acidi grassi che non dovrebbero essere presenti, o che dovrebbero essere presenti in percentuali diverse rispetto a quelle osservate, sono indici di adulterazione dell’olio, che è stato “tagliato” con altri oli di semi. A questo riguardo particolare attenzione viene rivolta agli acidi miristico, arachidico, beenico, lignocerico, gadoleico e alfa-linolenico, le cui percentuali ammissibili sono specificate dal regolamento IOOC.

La composizione in acidi grassi è influenzata da diversi fattori.

  • Il clima.
  • La latitudine.
  • La zona di produzione.
    Gli oli prodotti in Italia, Spagna e Grecia sono ricchi in acido oleico e poveri in acido linoleico e palmitico, mentre l’olio tunisino è ricco in acido linoleico e palmitico e più povero in acido oleico. Dunque, gli oli d’oliva possono essere suddivisi in due gruppi:

uno con elevato contenuto di acido oleico e basso di acido linoleico e palmitico;
l’altro con un elevato contenuto in acido linoleico e palmitico e basso di acido oleico.

  • Il tipo di cultivar.
  • Il grado di maturazione delle olive al momento dell’estrazione dell’olio.
    Va notato che l’acido oleico è formato per primo nel frutto, e i dati sembrano indicare una forte rapporto antagonistico tra l’acido oleico e gli acidi palmitico, palmitoleico e linoleico.

Trigliceridi

Come detto, gli acidi grassi dell’olio di oliva sono quasi per intero legati a formare molecole di trigliceridi.
In piccola percentuale si ritrovano anche legati in molecole di digliceridi, monogliceridi, oppure in forma libera.

Numerazione stereospecifica o sn della molecola dei trigliceridi o triacilgliceroli

Durante la biosintesi dei trigliceridi, grazie alla presenza di specifici enzimi, solo circa il 2% delle molecole del glicerolo legherà in posizione sn-2 una molecola di acido palmitico (anche la percentuale di acido stearico in posizione 2 è molto bassa); per la maggior parte la posizione sn-2 sarà invece occupata da acido oleico.
Al contrario, se si considerano oli che abbiano subito processi di esterificazione artificiali, viene a mancare la specificità dell’azione enzimatica, per cui la percentuale di acido palmitico in posizione sn-2 aumenta in modo significativo.
Nota: sn- è l’acronimo dell’inglese sterospecific numbering, che significa numerazione sterospecifica.

Tra i trigliceridi presenti in proporzioni più significative si ritrovano:

  • OOO (40-59%);
  • POO (12-20%);
  • OOL (12,5-20%);
  • POL (5,5-7%);
  • SOO (3-7%).

Si ritrovano anche quantità minori di POP, POS, OLnL, OLnO, PLL, PLnO.
La trilinoleina (LLL) è un trigliceride contenente tre molecole di acido linoleico. Un suo basso livello è indice di buona qualità dell’olio.
Non sono stati osservati trigliceridi con soli acidi grassi saturi e neppure contenenti solo residui di acido alfa-linolenico.

Digliceridi e monogliceridi

La loro presenza è dovuta sia ad una incompleta sintesi dei trigliceridi che a parziali reazioni di idrolisi dei trigliceridi stessi.
La concentrazione dei digliceridi nell’olio di oliva vergine varia tra 1% ed il 2,8%.
Nell’olio fresco prevalgono gli 1,2-digliceridi, rappresentando oltre l’80% dei digliceridi. Nel corso della conservazione dell’olio si verifica una isomerizzazione con un progressivo incremento della forma 1,3, più stabile, che dopo circa 10 mesi diviene la forma principale. Dunque il rapporto tra 1,2- ed 1,3-digliceridi può essere utilizzato come indicatore del grado di invecchiamento dell’olio.
I monogliceridi sono presenti in quantità inferiori rispetto ai digliceridi, meno dello 0,25%, con gli 1-monogliceridi ben più abbondanti dei 2-monogliceridi.

Frazioni insaponificabile

E’ composta da un elevato numero di molecole differenti molto importanti dal punto di vista nutrizionale, in quanto contribuiscono in modo considerevole a quelli che sono gli effetti salutari dell’olio di oliva. Inoltre sono responsabili della stabilità e del sapore dell’olio di oliva, e sono utilizzati anche per determinarne una eventuale adulterazione con altri oli.
Vi si ritrovano tocoferoli, steroli, polifenoli, pigmenti, idrocarburi, alcol aromatici ed alifatici, acidi triterpenici, cere, e composti minori.
Il loro contenuto è influenzato da fattori in parte analoghi a quelli visti per la composizione in acidi grassi, quali:

  • il tipo di cultivar;
  • il grado di maturazione dell’oliva;
  • la zona di produzione;
  • l’anno di raccolta e le modalità di raccolta delle olive;
  • il tempo di stoccaggio delle olive;
  • il tipo di lavorazione per l’estrazione dell’olio;
  • le condizioni di conservazione dell’olio.

Da sottolineare che negli oli di oliva raffinati molti di questi composti non sono presenti in quanto rimossi durante la lavorazione.

Polifenoli

Rappresentano il 18-37% della frazione insaponificabile.
Sono un gruppo molto eterogeneo di molecole con proprietà sia nutrizionali che organolettiche (ad esempio oleuropeina ed idrossitirosolo danno all’olio un gusto amaro e pungente).
Per una loro più ampia trattazione si rimanda all’articolo: “Polifenoli dell’olio di oliva: variabilità e composizione”.

Idrocarburi

Rappresentano il 30-50% della frazione insaponificabile.
I principali sono lo squalene ed il beta-carotene.
Lo squalene, isolato per la prima volta dal fegato di squalo, è il principale componente della frazione insaponificabile, e rappresenta oltre il 90% della frazione idrocarburica; la sua concentrazione oscilla tra i 200 ed i 7500 mg/kg di olio.

Squalene, un idrocarburo della frazione insaponificabile dell'olio di oliva

E’ un intermedio nella via di sintesi del nucleo a 4 anelli degli steroidi. Sembra essere responsabile, almeno in parte, degli effetti benefici dell’olio di oliva.
Nella frazione idrocarburica dell’olio vergine di oliva, oltre allo squalene, si ritrovano anche idrocarburi diterpenici e triterpenici, poliolefine isoprenoidi ed n-paraffine.
Il beta-carotene agisce sia come antiossidante, proteggendo l’olio durante la conservazione, che come colorante (vedi sotto).

Steroli

Sono un’importante gruppo di lipidi dell’olio di oliva che hanno:

  • diversi effetti salutari;
  • si correlano con la qualità dell’olio;
  • sono ampiamente utilizzati per testarne la genuinità.
    A questo riguardo c’è da sottolineare il fatto che sono molecole specie specifiche, per cui trovare ad esempio nell’olio di oliva elevate concentrazioni di brassicasterolo, uno sterolo tipico delle Brassicaceae, come la colza, indica una sua adulterazione con olio di canola.

Si individuano 4 classi di steroli: steroli comuni, 4-metilsteroli, alcol triterpenici, e dialcol triterpenici. Il loro livello nell’olio di oliva oscilla tra 1000 mg/kg, il valore minimo richiesto dagli standard IOOC, e 2000 mg/kg. I valori più bassi si osservano negli oli raffinati, dove il processo di raffinazione può causare perdite anche del 25%.

Steroli comuni o 4α-desmetilsteroli

Gli steroli comuni sono presenti per la maggior parte in forma libera ed esterificata, sebbene siano stati rinvenuti anche come lipoproteine e steril glucosidi. I principali sono il beta-sitosterolo, che rappresenta dal 75 al 90% del totale degli steroli, il Δ5-avenasterolo, tra il 5 ed il 20%, ed il campesterolo, 4%.Beta-sitosterolo, uno sterolo della frazione insaponificabile dell'olio di olivaAltre molecole presenti in quantità inferiori o tracce sono ad esempio il stigmasterolo, 2%, colesterolo, brassicasterolo, ergosterolo.

4-Metilsteroli

Sono intermedi nella biosintesi degli steroli, e si ritrovano sia in forma libera che esterificata. Sono presenti in piccole quantità, molto minori rispetto a quelle degli steroli comuni e degli alcol triterpenici, oscillando tra 50 e 360 mg/kg. Le molecole principali sono l’obtusifoliolo, il gramisterolo, cicloeucalenolo, e il citrostadienolo.

Alcol triterpenici o 4,4-dimetilsteroli

Sono una classe molto complessa di steroli, e si ritrovano sia in forma libera che esterificata. Sono presenti in quantità variabili tra 350 e 1500 mg/kg.
I principali sono β-amirina, butirrospermolo, 24 metilen cicloartanolo, e cicloartenolo; altre molecole presenti in quantità inferiori sono ad esempio il ciclobranolo, il ciclosadolo, dammaradienolo, ed il germanicolo.

Dialcol triterpenici

I principali dialcol triterpenici dell’olio di oliva sono l’eritrodiolo e l’uvaolo.
L’eritrodiolo è presente sia in forma libera che esterificata, in quantità totale, nell’olio vergine di oliva, oscillante tra i 19 ed i 69 mg/kg, mentre la forma libera è in genere inferiore a 50 mg/kg.

Tocoferoli

I tocoferoli rappresentano il 2-3% della frazione insaponificabile, ed includono la vitamina E.
Degli otto vitameri della vitamina E, nell’olio di oliva vergine l’alfa-tocoferolo costituisce circa il 90% dei tocoferoli. E’ presente in forma libera ed in quantità molto variabile, ma comunque in media superiore ai 100 mg/kg d’olio. Grazie alle sue proprietà antiossidanti in vivo, la sua abbondante presenza è un fattore molto positivo per la salute. La concentrazione dell’alfa-tocoferolo sembra essere correlata agli alti livelli di clorofille e alla concomitante richiesta di disattivazione dell’ossigeno singoletto.
Beta-tocoferolo, delta-tocoferolo e gamma-tocoferolo sono in genere presenti in basse quantità.

Pigmenti

In questo gruppo si ritrova le clorofille ed i carotenoidi.
Le clorofille sono presenti come feofitine, in particolare nella forma alfa (una clorofilla cui è stato rimosso il magnesio), e conferiscono all’olio di oliva il caratteristico colore verde. Sono molecole fotosensibilizzanti per cui contribuiscono alla foto-ossidazione dell’olio stesso.
I principali carotenoidi sono il beta-carotene e la luteina; sono presenti anche xantofille, quali anteraxantina, beta-criptoxantina, luteoxantina, mutatoxantina, neoxantina, violaxantina.
Il colore dell’olio di oliva è la risultante della presenza di clorofille e carotenoidi e delle loro tonalità verde e giallo. La loro presenza è strettamente correlata.

Acidi triterpenici

Gli acidi triterpenici sono componenti importanti dell’oliva dove sono presenti in tracce.
I principali acidi triterpenici presenti nell’olio vergine di oliva sono l’acido oleanolico e l’acido maslinico, ritrovandosi nella sansa da cui possono essere estratti in piccola quantità durante la lavorazione.

Alcol alifatici ed aromatici

I più importanti sono gli alcol grassi e gli alcol diterpenici.
Gli alcol alifatici hanno un numero di atomi di carbonio pari, compreso tra 20 e 30, e per la maggior parte sono localizzati all’interno del nocciolo, da dove sono parzialmente estratti attraverso processi meccanici.

Alcol grassi

Sono alcol saturi lineari con più di 16 atomi di carbonio, presenti nell’olio vergine di oliva in quantità di solito non superiori a 250 mg/kg. Possono essere presenti sia in forma libera che esterificata.
I principali sono il docosanolo, tetracosanolo, esacosanolo, e l’octacosanolo, mentre le molecole con un numero dispari di atomi di carbonio sono presenti in tracce. Tetracosanolo ed esacosanolo sono quelli presenti in quantità maggiore.
Le cere, componenti minori dell’olio di oliva, sono esteri degli alcol grassi con acidi grassi.
Le principali cere presenti sono esteri dell’acido palmitico ed oleico. Possono essere utilizzate come criterio per differenziare i vari tipi di olio di oliva; ad esempio nell’olio vergine ed extravergine di oliva devono essere presenti in quantità inferiori a 150 mg/kg, in accordo con gli standard stabiliti dalla IOOC.

Alcol diterpenici

Fitolo e geranilgeraniolo sono due alcol diterpenici aciclici, presenti sia in forma libera che esterificata. Tra gli esteri nella frazione cerosa dell’olio extravergine di oliva si ritrovano quelli con l’oleato, eicosanoato, eicosenoato, docosanoato e tetracosanoato, principalmente in forma di fitil derivati.

Composti volatili

Nell’olio di oliva sono stati identificati oltre 280 composti volatili, tra cui idrocarburi, i più abbondanti, alcol, aldeidi, chetoni, esteri, acidi, eteri ed altri. Solo circa 70 di questi composti sono presenti a livelli superiori a quella che è la soglia di percezione oltre la quale le molecole contribuiscono all’aroma dell’olio vergine di oliva.

Componenti minori

Tra i componenti minori si ritrovano fosfolipidi, di cui i principali sono la fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositolo e fosfatidilserina.
Possono essere presenti, negli oli non filtrati, quantità minime di proteine.

Bibliografia

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Glutine: cos’è, dove si trova, a cosa serve, 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.

Cereale

Albumine

Globuline

Prolamine*

Gluteline**

Frumento 9 5 40 46
Mais 4 2 55 39
Orzo 13 12 52 23
Avena 11 56 9 23
Riso 5 10 5 80
* Nel frumento gliadine ** Nel frumento glutenine

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, gliadine, glutenine e altre proteine del frumento
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).

Bibliografia

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  2. Bender D.A. “Benders’ dictionary of nutrition and food technology”. 8th Edition. Woodhead Publishing. Oxford, 2006
  3. Berdanier C.D., Dwyer J., Feldman E.B. Handbook of nutrition and food. 2th Edition. CRC Press. Taylor & Francis Group, 2007
  4. Phillips G.O., Williams P.A. Handbook of food proteins. 1th Edition. Woodhead Publishing, 2011
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  6. Yildiz F. Advances in food biochemistry. CRC Press, 2009

Polifenoli dell’olio d’oliva: variabilità e composizione chimica

L’olio di oliva, che si ottiene dalla spremitura delle olive o drupe, il frutto della pianta dell’olivo (Olea europaea), è la principale fonte di lipidi della dieta mediterranea e un’ottima fonte di polifenoli.
I polifenoli, molecole con proprietà antiossidanti, sono presenti nella polpa dell’oliva e, a seguito della spremitura, passano nell’olio.
La concentrazione dei polifenoli dell’olio di oliva è il risultato di una complessa interazione tra vari fattori, sia ambientali che legati al processo di estrazione dell’olio stesso, quali:

  • il luogo di coltivazione;
  • il cultivar (la varietà);
  • il grado di maturazione delle olive al momento del raccolto.
    Il loro livello di solito si riduce con l’eccessiva maturazione delle drupe, anche se ci sono delle eccezioni a queste regole. Ad esempio le olive coltivate nei climi più caldi, a dispetto della loro maturazione più veloce, producono oli più ricchi in polifenoli.
  • il clima;
  • il processo di estrazione. A questo riguardo c’è da sottolineare il fatto che nell’olio d’oliva raffinato il contenuto in polifenoli non è significativo.

Ogni variazione nella concentrazione dei differenti polifenoli dell’olio influenza il gusto, le proprietà nutrizionali e la stabilità dell’olio di oliva stesso. Ad esempio, l’idrossitirosolo e l’oleuropeina (vedi sotto), conferiscono all’olio extravergine di oliva un sapore pungente ed amaro.

INDICE

Classi di polifenoli dell’olio d’oliva

Tra i polifenoli dell’olio d’oliva sono presenti sia molecole con struttura semplice, come gli acidi fenolici e gli alcool fenolici, che complessa, quali i flavonoidi, i secoiridoidi ed i lignani.

Flavonoidi

I flavonoidi comprendono glicosidi dei flavonoli (rutina o quercetina-3-rutinoside), dei flavoni (luteolina-7-glicoside), e degli antociani (glicosidi della delfinidina).

Acidi fenolici ed alcol fenolici

Tra gli acidi fenolici, i primi polifenoli con struttura semplice ad essere osservati nell’olio d’oliva, si ritrovano:

  • gli acidi idrossibenzoici, come l’acido gallico, l’acido protocatecuico, e l’acido 4-idrossibenzoico (tutti con struttura C6-C1);
  • gli acidi idrossicinnamici, come gli acidi caffeico, vanillico, siringico, p-cumarico e o-cumarico (tutti con struttura C6-C3).

Tra gli alcoli fenolici, i più abbondanti sono l’idrossitirosolo (3,4-diidrossifeniletanolo), e il tirosolo [2-(4-idrossifenil)-etanolo].

Idrossitirosolo

L’idrossitirosolo può essere presente sia libero che esterificato con l’acido elenoico a dare oleuropeina ed il suo aglicone, sia come componente della molecola verbascoside. Inoltre si può ritrovare in diverse forme glicosidiche, a seconda del gruppo ossidrile cui si va a legare il glucoside.

Idrossitirosolo, un alcol fenolico, ed uno dei polifenoli dell'olio di oliva
Idrossitirosolo

E’ uno dei principali composti fenolici presente nelle olive, nell’olio extravergine di oliva e nelle acque di vegetazione.
In natura, la sua concentrazione, come quella del tirosolo, aumenta durante la maturazione del frutto, in parallelo con l’idrolisi di composti con peso molecolare più elevato, mentre il contenuto totale dei composti fenolici e dell’alfa-tocoferolo diminuisce. Può quindi essere considerato come un indicatore del grado di maturazione delle olive.
Nell’olio extravergine di oliva fresco l’idrossitirosolo per la maggior parte si trova impegnato in un legame in forma esterifica, mentre con il passare del tempo, grazie a reazioni di idrolisi, la forma non esterificata diventa quella prevalente.
Infine, la sua concentrazione si correla con la stabilità dell’olio.

Secoiridoidi

Sono i polifenoli dell’olio d’oliva con struttura più complessa, e sono il prodotto del metabolismo secondario dei terpeni.
Sono composti che legano uno zucchero e sono caratterizzati dalla presenza nella loro struttura di acido elenolico (sia nella sua forma glucosidica che agliconica), la molecola comune ai glicosidi secoiroidi della famiglia delle Oleaceae.
A differenza dei tocoferoli, flavonoidi, ed acidi ed alcol fenolici che di ritrovano in molta frutta e verdura appartenente a famiglie botaniche differenti, i secoiridoidi sono presenti soltanto nelle piante della famiglia delle Oleaceae.
I principali secoiridoidi sono l’oleuropeina, la demetiloleuropeina, il ligstroside e la nuzenide.
In particolare, l’oleuropeina e la demetiloleuropeina (come la verbascoside) sono abbondanti nella polpa, ma si ritrovano anche nelle altre parti del frutto. La nuzenide è presente solo nei semi.

Oleuropeina

L’oleuropeina, il secoiridoide più importante ed il principale tra i polifenoli dell’olio d’oliva, è l’estere tra l’idrossitirosolo e l’acido elenoico.

Oleuropeina, uno dei secoiridoidi, polifenoli dell'olio di oliva
Oleuropeina

E’ presente in quantità molto elevate nelle foglie dell’olivo, come anche in tutte le parti del frutto, buccia, polpa e nocciolo compreso.
Si accumula nell’oliva durante la fase di crescita, sino a raggiungere il 14% del peso netto; quando il frutto diventa più verde, la sua quantità si riduce. Infine, quando la drupa vira verso il marrone scuro, colore dovuto alla presenza di antociani, la riduzione nella concentrazione della oleuropeina diventa più evidente. E’ stato inoltre dimostrato che nelle cultivar verdi il suo contenuto è maggiore rispetto alle cultivar nere.
Nel corso della riduzione dei livelli di oleuropeina e di altri secoiridoidi, è possibile osservare un aumento di composti come i flavonoidi, i verbascosidi, ed i fenoli semplici. La riduzione del suo contenuto è accompagnata anche da un aumento dei suoi prodotti secondari glicosilati, che raggiungono i valori massimi nelle olive nere.

Lignani

Un altro gruppo di polifenoli dell’olio d’oliva sono i lignani, in particolare (+)-1-acetossipinoresinolo e (+)-pinoresinolo.
Il (+)-pinoresinolo è un composto comune della frazione lignana di diverse piante come il sesamo (Sesamun indicum) e i semi della specie Forsithia, appartenente alla famiglia delle Oleaceae. E’stato ritrovato anche nel nocciolo delle olive.
Il (+)-1-acetossipinoresinolo e (+)-1-idrossipinoresinolo, ed i loro glicosidi, sono stati ritrovati nella corteccia dell’oliva (Olea europeae).

Esempi di lignani, una classe di polifenoli, presenti nell'olio di oliva
Lignani

I lignani non sono presenti nel pericarpo delle drupe, ne nei rametti e foglie che possono accidentalmente essere spremuti insieme alle olive.
Pertanto, come riescano a passare nell’olio divenendone una delle frazioni fenoliche più importanti non è ancora noto.
(+)-1-acetossipinoresinolo e (+)-pinoresinolo non sono presenti negli oli di semi, e sono virtualmente assenti dagli oli di oliva vergini raffinati, mentre nell’olio extravergine di oliva possono raggiungere una concentrazione di 100 mg/kg.
Come per i fenoli semplici ed i secoiridoidi, esiste una notevole variazione nella loro concentrazione tra gli oli di oliva di varia origine, variabilità probabilmente legata alle differenze tra le zone di produzione, clima, varietà di olive e tecniche di produzione dell’olio.

Bibliografia

  1. Cicerale S., Lucas L. and Keast R. Biological activities of phenolic compounds present in virgin olive oil. Int. J. Mol. Sci. 2010;11: 458-479. doi:10.3390/ijms11020458
  2. de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010
  3. Manach C., Scalbert A., Morand C., Rémésy C., and Jime´nez L. Polyphenols: food sources and bioavailability. Am J Clin Nutr 2004;79(5):727-747. doi:10.1093/ajcn/79.5.727
  4. Owen R.W., Mier W., Giacosa A., Hull W.E., Spiegelhalder B. and Bartsch H. Identification of lignans as major components in the phenolic fraction. Clin Chem 2000;46:976-988.
  5. Tripoli E., Giammanco M., Tabacchi G., Di Majo D., Giammanco S. and La Guardia M. The phenolic compounds of olive oil: structure, biological activity and beneficial effects on human health. Nutr Res Rev 2005:18;98-112. doi:10.1079/NRR200495

Consumo energetico e perdita di acqua e sali nella corsa

Consumo di calorie, carboidrati, lipidi e proteine, e perdita di sali minerali ed acqua nella corsaNella corsa il runner va incontro ad un consumo calorico e ad una perdita di acqua e sali minerali che dipendono da diversi fattori quali la tecnica, il grado di allenamento, le condizioni ambientali e le caratteristiche fisiologiche proprie di ciascun atleta. Ne consegue che la loro conoscenza permette di impostare un’alimentazione adeguata sia nella fase di allenamento che in quella di recupero tra un allenamento ed il successivo, con l’obbiettivo di ottimizzare la performance.
Di seguito verrà analizzato il consumo calorico del runner impegnato in allenamenti su diverse distanze, e, nel dettaglio la quantità di carboidrati, lipidi, e proteine ossidati per ricavare l’energia necessaria a sostenere il lavoro muscolare, e quali sono i sali minerali maggiormente persi con la sudorazione.

INDICE

Consumo calorico nella corsa

Nella corsa il consumo calorico è pari a 0,85-1,05 kcal per kg di peso corporeo al chilometro.
Il range è conseguenza del fatto che gli atleti dotati di un’ottima tecnica consumano  meno energia rispetto a quelli con una tecnica meno raffinata.
Un runner di 70 kg avrà un consumo calorico al chilometro compreso tra:

70 x 0,85 x 1 = 59,5 kcal
e
70 x 1,05 x 1 = 73,5 kcal

Nella tabella sono mostrati i calcoli per derivare la spesa calorica sostenuta dall’atleta per correre 10, 20, 30, e 40 km.

Distanza

Consumo calorico

10 km 0,85 x 70 x 10 = 595 kcal
1,05 x 70 x 10 = 735 kcal
20 km 0,85 x 70 x 20 = 1190 kcal
1,05 x 70 x 20 = 1470 kcal
30 km 0,85 x 70 x 30 = 1785 kcal
1,05 x 70 x 30 = 2205 kcal
40 km 0.85 x 70 x 40 = 2380 kcal
1.05 x 70 x 40 = 2940 kcal

Nota: chi ha cominciato a correre da poco avrà spese maggiori di 1,05 Kcal per kg di peso corporeo al chilometro.

L’energia richiesta per sostenere il lavoro muscolare nella corsa deriva dall’ossidazione di carboidrati, lipidi, e proteine. Carboidrati e lipidi rappresentano la principale fonte di energia, ed il loro utilizzo è influenzato dall’intensità dell’esercizio: al suo aumentare si riduce la percentuale dei lipidi ossidati mentre aumenta quella dei carboidrati, come riassunto di seguito.

Intensità

Carburante

<30% VO2max principalmente grassi
40-60% VO2max grassi e carboidrati egualmente
75% VO2max principalmente carboidrati
>80% VO2max circa 100% carboidrati

Nota: L’impossibilità di utilizzare il carburante metabolico adeguato può promuovere la fatica e portare al sovrallenamento.

Quindi per andature maggiori della soglia anerobica, l’ossidazione dei carboidrati può arrivare a soddisfare l’intera richiesta energetica. Nell’andatura tipica della maratona, i carboidrati forniscono il 60-70% dell’energia necessaria, mentre per andature inferiori la percentuale si riduce a valori inferiori al 50%.
Di seguito verrà analizzato il consumo di carboidrati, lipidi e proteine nell’allenamento, nel corso del quale il dispendio energetico è sostenuto per circa il 60% dai carboidrati, per circa il 40% dai lipidi, mentre la percentuale residua, compresa tra il 3% ed il 5%, dalle proteine

Ossidazione dei carboidrati nell’allenamento

Per un runner di 70 kg, il consumo di carboidrati al chilometro sarà compreso tra:

(0,6 x 59,5) / 4 = 8,9 g/km
e
(0,6 x 73,5) / 4 = 11 g/km

Nota: un grammo di carboidrati apporta circa 4 kcal.
Nella tabella sono mostrati i calcoli per derivare il consumo di carboidrati per correre 10, 20, 30, e 40 km.

Distanza Consumo di carboidrati
10 km [(0,85 x 70 x 10) x 0,6] / 4 = 89 g
[(1,05 x 70 x 10) x 0,6] / 4 = 110 g
20 km [(0,85 x 70 x 20) x 0,6] / 4 = 179 g
[(1,05 x 70 x 20) x 0,6] / 4 = 221 g
30 km [(0,85 x 70 x 30) x 0,6] / 4 = 268 g
[(1,05 x 70 x 30) x 0,6] / 4 = 331 g
40 km [(0,85 x 70 x 40) x 0,6] / 4 = 357 g
[(1,05 x 70 x 40) x 0,6] / 4 = 441 g

Ossidazione delle proteine nell’allenamento

Il fabbisogno proteico giornaliero di un soggetto adulto è pari a 0,9 grammi per kg di peso corporeo, e, per un atleta di 70 kg corrisponde a:

70 x 0,9 = 63 g

Durante la corsa circa il 3-5% dell’energia consumata per sostenere il lavoro muscolare deriva dall’ossidazione delle proteine.
Nella tabella sono mostrati i calcoli per derivare la quantità di proteine ossidate quando l’atleta corre per 10, 20, 30 e 40 km, considerando che le proteine forniscano il 3% dell’energia necessaria..

Distanza

Consumo di proteine  al 3%

10 km [(0,85 x 70 x 10) x 0,03)] / 4 = 4,5 g
[(1,05 x 70 x 10) x 0,03)] / 4 = 5,5 g
20 km [(0,85 x 70 x 20) x 0,03)] / 4 = 8,9 g
[(1,05 x 70 x 20) x 0,03)] / 4 = 11 g
30 km [(0,85 x 70 x 30) x 0,03)] / 4 = 13,4 g
[(1,05 x 70 x 30) x 0,03)] / 4 = 16,5 g
40 km [(0,85 x 70 x 40) x 0,03)] / 4 = 17,9 g
[(1,05 x 70 x 40) x 0,03)] / 4 = 22,1 g

Nota: un grammo di proteine apporta circa 4 kcal.

Considerando il dispendio energetico di 0,85 e 1,05 kcal per kg di peso corporeo al chilometro, il fabbisogno proteico medio aggiuntivo per chilo di peso corporeo per correre 10, 20, 30, e 40 chilometri, approssimato alla seconda cifra decimale, è pari a:

  • 10 km: [(4,5 + 5,5) / 2] / 70 = 0,07 g
  • 20 km: [(4,5 + 5,5) / 2] / 70 = 0,14 g
  • 30 km: [(4,5 + 5,5) / 2] / 70 = 0,21 g
  • 40 km: [(4,5 + 5,5) / 2] / 70 = 0,29 g

Infine, considerando anche il fabbisogno proteico giornaliero del soggetto adulto si ottiene il fabbisogno proteico complessivo di un atleta di 70 kg impegnato nelle quattro distanze:

  • 10 km: 0,07 + 0,9 = 0,97 g
  • 20 km: 0,14 + 0,9 = 1,04 g
  • 30 km: 0,21 + 0,9 = 1,11 g
  • 40 km: 0,29 + 0,9 = 1,19 g

Con calcoli analoghi ai precedenti si ottiene il fabbisogno proteico complessivo nel caso di un’ossidazione delle proteine pari al 5%.

  • 10 km: 0,12 + 0,9 = 1,02 g
  • 20 km: 0,24 + 0,9 = 1,14 g
  • 30 km: 0,36 + 0,9 = 1,26 g
  • 40 km: 0,48 + 0,9 = 1,38 g

Se si escludono gli atleti che si allenano tutti i giorni per 30 km o più, i valori ottenuti sono di poco superiori a 0,9 grammi per kg di peso corporeo.
In realtà il fabbisogno proteico giornaliero è leggermente superiore a quello calcolato in quanto una certa quantità di azoto, dunque di proteine si perde, oltre che con le urine, anche attraverso la sudorazione.

Perdita di acqua e sali minerali nella corsa

Le perdite di acqua dipendono dalla quantità di sudore che l’atleta produce, che a sua volta dipendente da:

  • temperatura ed umidità dell’aria;
  • irraggiamento solare.

La perdita sarà tanto maggiore quanto più alti sono questi valori.
Va comunque sottolineato che il sudore è prodotto in quantità diverse da soggetto a soggetto.

Con la sudorazione i principali sali minerali persi sono:

  • il sodio (Na+) e il cloro (Cl), circa 1 grammo per litro di sudore nell’atleta abituato ad allenarsi in condizioni ambientali che provocano una intensa sudorazione;
  • il potassio (K+), in quantità corrispondente a circa il 15% del sodio perso;
  • il magnesio (Mg2+) in quantità corrispondente a circa l’1% del sodio perso.

La quantità di sali persi è funzione del volume di sudore prodotto ed aumenta negli atleti non acclimatati al caldo.
Nella tabella sono mostrati i valori, espressi in grammi/litro, dei minerali presenti nel sudore di atleti non acclimatati e acclimatati.

Atleti non acclimatati

Atleti acclimatati

Sodio 1,38 0,92
Cloro 1,5 1,00
Potassio 0,20 0,15
Magnesio 0,01 <0,01
Totale 3,09 2,08

Da quanto detto deriva che nel corso dell’attività fisica il minerale più utile da assumere è il sodio.
Dopo l’attività fisica il corridore, o chi suda molto, tende a mangiare più salato. Il fenomeno, scoperto nel corso di studi condotti su operai di fonderie, è conosciuto come fame selettiva. Per il potassio ed il magnesio probabilmente non esiste la fame selettiva.

Bibliografia

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Alfa-amilasi e digestione dell’amido

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.

alfa-Amilasi
alfa-Amilasi

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 carboidrati 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.

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  2. Bender D.A. “Benders’ Dictionary of Nutrition and Food Technology”. 8th Edition. Woodhead Publishing. Oxford, 2006
  3. Osorio-Dıaz P., Bello-Perez L.A., Agama-Acevedo E., Vargas-Torres A., Tovar J., Paredes-Lopez O. In vitro digestibility and resistant starch content of some industrialized commercial beans (Phaseolus vulgaris L.). Food Chem 2002;78:333-7 doi:10.1016/S0308-8146(02)00117-6
  4. Stipanuk M.H.. “Biochemical and physiological aspects of human nutrition” W.B. Saunders Company-An imprint of Elsevier Science, 2012

GLA e fisiologia e fisiopatologia della pelle

L’acido gamma-linolenico (GLA), un acido grasso essenziale omega-6, come il suo precursore acido linoleico (il più abbondante acido grasso polinsaturo nell’epidermide, dove è coinvolto nel mantenimento della barriera epidermica all’acqua) svolge un ruolo importante nella fisiologia e fisiopatologia della pelle.
Studi condotti sugli esseri umani hanno rivelato che l’acido gamma-linolenico:

  • migliora l’umidità della pelle;
  • migliora la fermezza e la rugosità della pelle;
  • diminuisce la perdita d’acqua transepidermica (una delle anomalie della pelle negli animali sottoposti a carenza di acidi grassi essenziali).

Utilizzando epidermide di cavia come un modello di epidermide umana (sono funzionalmente simili) è stato dimostrato che la supplementazione di animali con cibi ricchi di acido gamma-linolenico si traduce in una grande produzione nella pelle di PGE1 e 15-HETrE (come già dimostrato in a esperimenti in vitro).

Formula di struttura della PGE1, un derivato dell'acido gamma-linolenico, un omega-6
PGE1

Poiché queste molecole hanno entrambe proprietà anti-inflammatorie/anti-proliferative, la supplementazione con alimenti ricchi di acido gamma-linolenico può essere un’aggiunta alla terapia standard per i disturbi infiammatori/proliferativi della pelle.

Fonti principali di acido gamma-linolenico

Le principali fonti di acido gamma-linolenico sono gli oli di semi di:

  • borragine (20% -27% degli acidi grassi totali),
  • ribes nero (da 15% al 19% degli acidi grassi totali);
  • enotera (dal 7% al 14% degli acidi grassi totali);

Pressione arteriosa e acido gamma-linolenico

La relazione tra assunzione di acidi grassi con la dieta e la pressione arteriosa provengono principalmente da studi condotti su ratti geneticamente modificati che spontaneamente sviluppano ipertensione (un modello animale comunemente usato per l’ipertensione umana.
In questi studi sono state osservate molte anomalie della membrana. Pertanto l’ipertensione nel “modello ratto” potrebbe essere correlata ai cambiamenti nel metabolismo degli acidi grassi polinsaturi a livello della membrana cellulare.
Riguardo agli acidi grassi polinsaturi, vari gruppi di ricerca hanno riportato che l’acido gamma-linolenico riduce la pressione arteriosa in ratti normali e geneticamente modificati (effetto maggiore) ed è stato ipotizzato che si verifichi attraverso l’interferenza con il sistema renina-angiotensina (che promuove la resistenza vascolare e la ritenzione renale), alterando le proprietà della membrana cellulare delle cellule muscolari lisce vascolari e quindi interferendo con l’azione dell’angiotensina II.
Un altro possibile meccanismo d’azione dell’acido gamma-linolenico per ridurre la pressione arteriosa potrebbe essere attraverso il suo metabolita acido diomo-gamma-linolenico (DGLA). DGLA può essere incorporato nei fosfolipidi della membrana delle cellule muscolari lisce vascolari, poi rilasciato dall’azione della fosfolipasi A2 e trasformato dalla COX-1 in PGE1che induce il rilassamento della muscolatura liscia vascolare.

Artrite reumatoide e acido gamma-linolenico

In uno studio condotto da Leventhal e colleghi nel 1993 è stato dimostrato che l’assunzione di una elevata concentrazione di olio di borragine (circa 1400 mg/die di acido gamma-linolenico) per 24 settimane, ha portato ad una riduzione clinicamente significativa dei segni e sintomi di attività dell’artrite reumatoide.
In uno studio successivo condotta da Zurier e colleghi nel 1996, l’assunzione di una dose più alta (circa 2,8 g/die di acido gamma-linolenico) per 6 mesi ha ridotto, in modo clinicamente rilevante, segni e sintomi dell’attività della malattia. I pazienti che sono rimasti per un anno sulla dose di 2,8 g/die  nella dieta hanno mostrato un miglioramento continuato dei sintomi (l’uso di acido gamma-linolenico anche alla dose più alta, è ben tollerato, con minimi effetti collaterali).
Questi dati sottolineano che la quantità giornaliera e la durata dell’assunzione di acido gamma-linolenico con la dieta si correlano con l’efficacia clinica.

Bibliografia

  1. Akoh C.C. and Min D.B. “Food lipids: chemistry, nutrition, and biotechnology” 3th ed. 2008
  2. Chow Ching K. “Fatty acids in foods and their health implication” 3th ed. 2008
  3. Fan Y.Y. and Chapkin R.S. Importance of dietary γ-linolenic acid in human health and nutrition. J Nutr 1998;128:1411-1414. doi:10.1093/jn/128.9.1411
  4. Leventhal L.J., Boyce E.G. and Zurier R.B. Treatment of rheumatoid arthritis with gammalinolenic acid. Ann Intern Med 1993;119:867-873. doi:10.7326/0003-4819-119-9-199311010-00001
  5. Miller C.C. and Ziboh V.A. Gammalinolenic acid-enriched diet alters cutaneous eicosanoids. Biochem Biophys Res Commun 1988;154:967-974. doi:10.1016/0006-291X(88)90234-3
  6. Zurier R.B., Rossetti R.G., Jacobson E.W., DeMarco D.M., Liu N.Y., Temming J.E., White B.M. and Laposata M. Gamma-linolenic acid treatment of rheumatoid arthritis. A randomized, placebocontrolled trial. Arthritis Rheum 1996;39:1808-1817. doi:10.1002/art.1780391106

Alcool, pressione arteriosa e prevenzione dell’ipertensione

Molti studi hanno dimostrato una relazione diretta, dose-dipendente tra l’assunzione di alcool e la pressione sanguigna, in particolare per assunzioni superiori a due drink/die.
Tale relazione è indipendente da:

  • età;
  • apporto di sale;
  • obesità;
  • infine, persiste a prescindere dal tipo di bevanda.

Inoltre il forte consumo di bevande alcoliche per lunghi periodi di tempo è uno dei fattori predisponenti all’ipertensione; dal 5 al 7% dei casi della malattia sono dovuti ad un eccessivo consumo di alcool.
Una meta-analisi di 15 studi clinici controllati randomizzati ha mostrato che la riduzione dell’assunzione di bevande alcoliche porta benefici terapeutici sia per gli ipertesi che i normotesi con riduzioni simili della pressione sistolica e diastolica (negli ipertesi la riduzione si verifica in poche settimane).

INDICE

Assunzione di alcool e prevenzione dell’ipertensione

Le linee guida sulla prevenzione primaria dell’ipertensione raccomandano che il consumo di alcool (etanolo) nella maggior parte degli uomini, in assenza di controindicazioni, dovrebbe essere inferiore ai 28 g/die, limite entro il quale può ridurre il rischio di malattia cardiaca coronarica.
Relazione tra Assunzione di Alcolici ed IpertensioneIl consumo limitato a questi quantitativi deve essere ottenuto con l’assunzione di bevande a basso contenuto alcolico, preferibilmente ai pasti (bere quantità anche piccole o moderate al di fuori dei pasti aumenta la probabilità di sviluppare ipertensione): ciò significa non più di 680 ml di una birra normale o 280 ml di vino (12% vol), soprattutto in caso di ipertensione; per le donne ed i soggetti esili il consumo dovrebbe essere dimezzato1.
Da evitare il consumo di bevande ad alta gradazione alcolica anche se il contenuto totale di etanolo non supera i 28 g/die.

Effetti dell’etanolo sulla pressione arteriosa

In ogni caso resta incertezza riguardo i benefici o i rischi attribuibili ad un consumo di etanolo leggero/moderato sul rischio di ipertensione.
In uno studio pubblicato nell’aprile 2008 gli autori hanno esaminato l’associazione tra l’assunzione di etanolo e il rischio di sviluppare ipertensione in 28848 donne arruolate nel “Women’s Health Study” e 13455 uomini dal “Physicians’ Health Study” (il follow-up è durato rispettivamente 10,9 e 21,8 anni). Lo studio conferma che un forte consumo di bevande alcoliche (superiore a 2 drink/die) aumenta il rischio di ipertensione sia negli uomini che nelle donne ma, sorprendentemente, ha rilevato che l’associazione tra un consumo leggero/moderato (fino a due drink/die) ed il rischio di sviluppare l’ipertensione è diverso nei due sessi. Le donne hanno un rischio potenziale ridotto di ipertensione da un consumo di alcool leggero/moderato con un’associazione a forma di J2; gli uomini non hanno benefici da tale consumo ma anzi un aumento del rischio.
Tuttavia, le linee guida per la prevenzione primaria dell’ipertensione limitano il consumo di bevande alcoliche a meno di due drink/die negli uomini e meno di uno nei soggetti più esili e nelle donne.

1. Un drink standard contiene circa 14 g di etanolo, vale a dire una birra normale da 340 ml, 140 ml di vino (12% vol), o 42 ml di bevande alcoliche distillate (sconsigliate).

2. Molti studi hanno mostrato una relazione a forma di J tra l’assunzione di etanolo e la pressione sanguigna. I bevitori leggeri (non più di 28 g di etanolo/die) hanno una pressione più bassa rispetto agli astemi; invece chi consuma più di 28 g di etanolo/die ha una pressione più alta dei non bevitori. Quindi l’alcool potrebbe essere un vasodilatatore a basse dosi e un vasocostrittore a dosi maggiori.

Bibliografia

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  2. Sesso H.D., Cook N.R., Buring J.E., Manson J.E. and Gaziano J.M. Alcohol consumption and the risk of hypertension in women and men. Hypertension 2008;51:1080-1087. doi:10.1161/HYPERTENSIONAHA.107.104968
  3. Writing Group of the PREMIER Collaborative Research Group. Effects of comprehensive lifestyle modification on blood pressure control: main results of the PREMIER Clinical Trial. JAMA 2003;289:2083-2093. doi:10.1001/jama.289.16.2083
  4. World Health Organization, International Society of Hypertension Writing Group. 2003 World Health Organization (WHO)/International Society of Hypertension (ISH) statement on management of hypertension. Guidelines and recommendations. J Hyperten 2003;21:1983-1992.

Sovrappeso, attività fisica e pressione arteriosa

Il peso corporeo, in particolare il sovrappeso e l’obesità, è un fattore determinante della pressione arteriosa ad ogni età; infatti:

  • è stato stimato che il rischio di sviluppare una pressione elevata è da due a sei volte maggiore nelle persone in sovrappeso rispetto ai normopeso;
  • c’è una correlazione lineare tra la pressione arteriosa ed il peso corporeo o l’indice di massa corporea (BMI) (un BMI maggiore di 27 è correlato con un aumento della pressione): anche quando l’assunzione di sodio nella dieta è mantenuta costante la correlazione tra la variazione di peso e la pressione arteriosa è lineare;
  • il 60% degli ipertesi sono più del 20% in sovrappeso;
  • la distribuzione centrale del grasso corporeo (associata anche alla resistenza all’insulina), come fattore determinante l’aumento della pressione arteriosa (una circonferenza addominale superiore a 88 cm nelle donne e 102 negli uomini), è più importante della localizzazione “periferica” del grasso stesso, sia negli uomini che nelle donne;
  • è stato dimostrato che la perdita di peso, sia negli ipertesi che nei normotesi, può ridurre la pressione arteriosa, e la riduzione si verifica prima, e senza, il raggiungimento di un peso corporeo desiderabile.

In considerazione delle difficoltà connesse al mantenimento della perdita di peso, è di cruciale importanza prevenirne l’aumento nei soggetti normopeso.

Come calcolare il BMI

Il BMI è il prodotto del rapporto tra il peso corporeo, espresso in chilogrammi [kg], e l’altezza, espressa in metri al quadrato.
Può essere calcolato utilizzando la seguente equazione:

BMI = peso [kg]/altezza2 [m]

Il BMI da buone indicazioni riguardo al grasso corporeo in quanto la maggior parte della differenza di peso tra gli adulti è dovuta proprio al grasso.
Il principale difetto del BMI è che soggetti con masse muscolari molto sviluppate possono essere classificati come in sovrappeso od obesi, anche se non lo sono.
Un sano BMI è compreso tra 18 e 24,9 (normopeso).
Un BMI compreso tra 25 a 29,9 è indice di sovrappeso.
Un BMI superiore a 30 è indice di obesità; in base ai valori di BMI l’obesità è suddivisa in tre gradi:

  • obesità I grado: da 30 a 34,9
  • obesità di II grado: 35-40

Attività fisica, sovrappeso e pressione arteriosa

Mantenere un elevato livello di attività fisica è un fattore critico nel sostenere la perdita di peso nel tempo.
Oltre all’effetto sul peso, l’attività e l’esercizio riducono di per se l’aumento della pressione arteriosa.
Attività fisica come aiuto al controllo del sovrappeso e della pressione alta
L’attività fisica produce un calo della pressione sistolica e diastolica; quindi per la prevenzione primaria dell’ipertensione è importante aumentare l’attività fisica di bassa o moderata intensità per 30-45 minuti per 3-4 volte alla settimana fino ad un’ora quasi tutti i giorni, come raccomandato dalla Organizzazione Mondiale della Sanità. Le persone meno attive hanno dal 30 al 50% di probabilità in più di sviluppare ipertensione rispetto a quelle attive.
Ricordatevi: sulla pietra che rotola non si accumula muschio!

Bibliografia

  1. Writing Group of the PREMIER Collaborative Research Group. Effects of comprehensive lifestyle modification on blood pressure control: main results of the PREMIER Clinical Trial. JAMA 2003;289:2083-2093. doi:10.1001/jama.289.16.2083
  2. World Health Organization, International Society of Hypertension Writing Group. 2003 World Health Organization (WHO)/International Society of Hypertension (ISH) statement on management of hypertension. Guidelines and recommendations. J Hyperten 2003;21:1983-92

Acidi grassi trans: cosa sono, perché fanno male, in quali alimenti si trovano

Gli acidi grassi trans o grassi trans o TFA, acronimo dell’inglese trans fatty acids, sono acidi grassi insaturi, una sottoclasse di lipidi, con almeno un doppio legame in configurazione trans.
I doppi legami carbonio-carbonio hanno una conformazione planare e quindi possono essere considerati come dei piani ai cui lati opposti si attacca e prosegue la catena di atomi di carbonio. “L’ingresso” e “l’uscita” della catena può avvenire sullo stesso lato del piano, e in questo caso il doppio legame è detto in configurazione cis, o su lati opposti, ed in quel caso si parla di configurazione trans. Questo è un esempio di isomeria geometrica o isomeria cis-trans.

Esempi di acidi grassi trans, cis e saturi a 18 atomi di carbonio: acido vaccenico, oleico e stearico
Fig. 1 – Acidi Grassi trans, cis e saturi

Gli acidi grassi insaturi più comunemente hanno i loro doppi legami in configurazione cis; l’altra configurazione meno comune è appunto la trans.
Il legame cis determina una curvatura nella catena carboniosa dell’acido grasso, mentre la geometria del legame trans raddrizza la catena, impartendo alla molecola una struttura più simile a quella degli acidi grassi saturi.

INDICE

Proprietà dei grassi ricchi in acidi grassi trans

Di seguito alcune caratteristiche distintive dei grassi ad elevato tenore di acidi grassi trans, particolarmente vantaggiose per produrre margarine e grassi da pasticceria, ristorazione commerciale e per i processi di lavorazione industriale.

  • Le molecole curve non possono impacchettarsi facilmente mentre quelle lineari possono farlo.
    Ciò significa che i grassi trans concorrono, assieme ai geometricamente simili acidi grassi saturi, alla compattezza del grasso in cui si trovano conferendogli un punto di fusione più alto.
    Innalzare il punto di fusione dei grassi significa che è possibile convertirli dalla forma liquida a quella semisolida o solida a temperatura ambiente.
    Nota: gli acidi grassi trans tendono ad essere meno solidi rispetto agli acidi grassi saturi.
  • Hanno, oltre ad un punto di fusione, anche consistenza e gusto simili a quelli del burro.
  • Si conservano a lungo a temperatura ambiente.
  • Non vanno incontro a variazioni di sapore.
  • Sono stabili durante la frittura.

Origine degli acidi grassi trans

Gli acidi grassi trans presenti nella dieta possono essere di origine industriale, casalinga, vegetale  o animale.

  • Nei paesi industrializzati la maggior parte dei grassi trans consumati nella dieta, negli Usa circa l’80% del totale, sono prodotti industrialmente, in quantità variabili, nel corso della parziale idrogenazione di oli alimentari ricchi di acidi grassi insaturi (vedi sotto).
  • Sono prodotti a livello casalingo durante la frittura utilizzando oli vegetali contenenti acidi grassi insaturi.
  • Derivano dalla trasformazione batterica nel rumine dei ruminanti degli acidi grassi insaturi ingeriti dagli animali (vedi sotto).
  • Un’altra fonte naturale è rappresentata da alcune piante come porri, piselli, lattuga e spinaci che contengono l’acido trans-3-esadecenoico, e l’olio di colza dove sono presenti gli acidi brassidico (22:1∆13t) e gondoico (C20:1∆11t). In queste alimenti i grassi trans sono presenti in piccole quantità.
  • Piccolissime quantità, inferiori al 2%, si formano nel corso della deodorizzazione degli oli vegetali. Si tratta di un processo necessario nella raffinazione degli oli commestibili nel corso del quale si formano piccole quantità di acidi grassi trans con più di due doppi legami. Questi isomeri sono presenti anche nei cibi fritti ed in quantità elevate in alcuni oli vegetali parzialmente idrogenati (vedi sotto).

Acidi grassi trans industriali

L’idrogenazione è una reazione chimica nella quale l’idrogeno gassoso reagisce, in presenza di un catalizzatore, con una molecola.
L’idrogenazione degli acidi grassi insaturi consiste nell’addizione di atomi di idrogeno ai doppi legami presenti lungo la catena carboniosa degli acidi grassi. La reazione avviene in presenza di catalizzatori metallici ed è favorita dal riscaldamento degli oli vegetali in cui sono presenti i suddetti acidi grassi.

La parziale idrogenazione degli oli vegetali

Il processo di idrogenazione venne scoperto nel 1897 dal francese Paul Sabatier, premio Nobel per la chimica, insieme con il collega francese Victor Grignard, utilizzando come catalizzatore il nickel.
La parziale idrogenazione degli oli vegetali venne sviluppata nel 1903 da un chimico tedesco, Wilhelm Normann, che depositò un brevetto britannico intitolato “Process for converting unsaturated fatty acids or their glycerides into saturated compounds”. Il termine acidi grassi trans comparve per la prima volta nella Remark column della quinta edizione di “Standard Tables of Food Composition” in Giappone.
Nella parziale idrogenazione si verifica una saturazione incompleta dei doppi legami lungo la catena carboniosa dell’acido grasso insaturo.  Ad esempio, per quanto riguarda l’olio di pesce il contenuto in acidi grassi trans in assenza di idrogenazione e in caso di forte idrogenazione è rispettivamente dello 0,5 e 3,6% mentre nel parziale idrogenazione è e del 30%.

Conversione cis-trans del doppio legame dell'acido oleico a dare acido vaccenico
Fig. 2 – Da Acido Oleico ad Acido Vaccenico

Ma, cosa più importante, alcuni dei doppi legami che restano possono cambiare posizione lungo la catena e produrre isomeri geometrici e di posizione, ossia i doppi legami possono essere modificati sia nella posizione che nella conformazione, con formazione appunto dei legami trans.
Inoltre si verificano anche le seguenti modificazioni.

  • Gran parte dell’acido α-linolenico presente, l’acido omega-3 base delle piante, viene distrutto.
  • Si formano monomeri ciclici e dimeri intramolecolari lineari.

Gli oli vegetali parzialmente idrogenati furono sviluppati per la produzione di grassi vegetali, un’alternativa più economica rispetto ai grassi animali. Infatti tramite questo processo, oli come quello di semi di lino, semi di cotone, germe di grano, soia, mais, girasole, sesamo, cartamo e vinacciolo, ricchi in acidi grassi insaturi, sono convertiti in grassi semisolidi (vedi sopra).
Il primo olio idrogenato fu l’olio di semi di cotone negli USA nel 1911 per la produzione di grasso vegetale per pasticceria.
Negli anni ’30 la parziale idrogenazione divenne popolare con lo sviluppo della margarina.
Attualmente negli USA sono prodotte 2,7-3,6 milioni di tonnellate di oli idrogenati all’anno.

Acidi grassi trans dai ruminanti

Gli acidi grassi trans di origine animale sono prodotti dai batteri presenti nel rumine dei ruminanti, ad esempio mucche, pecore e capre, utilizzando come substrato una parte della relativamente piccola quantità degli acidi grassi insaturi contenuti negli alimenti di cui si nutrono, quindi mangimi, piante ed erbe.
E, considerando un animale che viva almeno un anno ed abbia la possibilità di pascolare e/o mangiare fieno, esiste una variabilità stagionale che interessa gli acidi grassi insaturi assunti e i grassi trans prodotti. Infatti, in estate e primavera i pascoli possono contenere più acidi grassi insaturi rispetto ai mangimi che gli animali consumano durante l’inverno.
Si ritrovano di seguito in piccole ma significative quantità nei trigliceridi della carne e dei prodotti lattiero-caseari non magri, dove costituiscono tipicamente meno del 5% del totale degli acidi grassi.
Nei trigliceridi, tali acidi grassi sono localizzati in posizione sn-1 e sn-3 della molecola, mentre nelle margarine e negli altri prodotti idrogenati di origine industriale sembrano essere concentrati in posizione sn-2.
Gli acidi grassi trans prodotti dai ruminanti sono principalmente acidi grassi monoinsaturi, con un numero di atomi di carbonio compreso tra 16 e 18, e costituiscono una piccola percentuale degli acidi grassi trans assunti con l’alimentazione (vedi sotto).

Isomeri degli acidi grassi trans

Sia per gli acidi grassi trans industriali che di origine animale, il gruppo più importante è rappresentato dagli isomeri trans del C18:1, ossia molecole contenenti 18 atomi di carbonio e un doppio legame trans la cui posizione varia tra il carbonio Δ6 e quello Δ16, con gli isomeri più comuni per entrambe le fonti con il doppio legame in posizione tra Δ9 e Δ11.
Tuttavia, sebbene una stessa molecola possa essere presente sia nel gruppo di derivazione industriale che animale, esiste una considerevole differenza quantitativa. Ad esempio, nel gruppo prodotto nei ruminanti, l’acido vaccenico (C18:1Δ11t) costituisce oltre il 60% degli isomeri trans-C18:1, mentre in quelli industriali l’acido elaidico (C18:1Δ9t) rappresenta il 15-20%, e il C18:1Δ10t e l’acido vaccenico oltre il 20% ciascuno.

 Isomeri trans dell'acido grasso C18:1, il gruppo più importante di acidi grassi trans
Fig. 3 – Isomeri trans del C18:1

Acidi grassi trans: effetti sulla salute

Gli acidi grassi trans che derivano dai ruminanti, nelle quantità effettivamente consumate nella dieta, non sono pericolosi per la salute umana (vedi sotto).
Al contrario, il consumo dei grassi trans industriali non ha effetti benefici evidenti ne alcun valore intrinseco, oltre al loro contributo calorico, e, dal punto di vista della salute è solo dannoso, avendo effetti nocivi su:

  • livelli dei lipidi sierici;
  • cellule endoteliali;
  • processo infiammatorio;
  • altri fattori di rischio per le malattie cardiovascolari.

Inoltre sono associati positivamente con il rischio di cardiopatia coronarica, e di morte improvvisa per cause cardiache e diabete.
Nota: nel proseguo dell’articolo, se non diversamente specificato, ci si riferirà agli acidi grassi trans industriali, che verranno indicati semplicemente come acidi grassi trans o grassi trans.

Acidi grassi trans: effetti al livello plasmatico

I livelli plasmatici del colesterolo LDL e del colesterolo HDL sono marcatori di rischio ben documentati per lo sviluppo di malattia coronarica o CHD, acronimo dell’inglese coronary heart disease:

  • elevati livelli di colesterolo LDL sono associati con un’aumentata incidenza di malattia cardiaca ischemica;
  • elevati livelli di colesterolo HDL si associano ad una ridotta incidenza del rischio.

Per questo motivo il rapporto tra il livello del colesterolo totale e del colesterolo HDL è spesso usato come indicatore di rischio combinato per questi due componenti in relazione allo sviluppo della malattia cardiaca: maggiore è il rapporto, maggiore è il rischio.
I grassi trans, come detto in precedenza, hanno effetti nocivi sui lipidi sierici.
Questi effetti sono stati valutati in numerosi studi di alimentazione controllata nei quali veniva effettuata una sostituzione isocalorica di acidi grassi saturi o cis-insaturi con grassi trans. E’ stato dimostrato che tale sostituzione:

  • aumenta livelli del colesterolo LDL;
  • riduce quelli del colesterolo HDL, a differenza degli acidi grassi saturi che invece aumentano i livelli di colesterolo HDL se utilizzati come sostituti in studi analoghi;
  • aumenta il rapporto tra colesterolo totale e colesterolo HDL, fino a valori pari a circa il doppio di quelli ottenuti con acidi grassi saturi, e, sulla base di questo solo effetto, è stato stimato che gli acidi grassi trans provochino circa il 6% degli eventi coronarici negli Stati Uniti.

Inoltre gli acidi grassi trans:

  • causano un pericoloso aumento delle LDL piccole e dense, che sono associate ad un notevole aumento del rischio di CHD, anche in presenza di colesterolo LDL relativamente normale;
  • aumentano i livelli ematici dei trigliceridi, e questo è un fattore di rischio indipendente per la CHD;
  • aumentano i livelli della lipoproteina(a) o Lp(a), un altro importante fattore di rischio coronarico.

E tuttavia nel 2004 studi prospettici hanno dimostrato che la relazione tra l’assunzione di grassi trans e l’incidenza di CHD è maggiore di quella prevista da cambiamenti nei livelli dei lipidi sierici da soli. Ciò suggerisce che tali acido grassi influenzino altri fattori di rischio per la CHD, come l’infiammazione e la disfunzione delle cellule endoteliali.

Acidi grassi trans, infiammazione e disfunzione delle cellule endoteliali

Il ruolo dell’infiammazione nell’aterosclerosi, e di conseguenza nella CHD, è cresciuto nell’ultimo decennio.
L’interleuchina-6, la proteina C-reattiva o CRP, acronimo dell’inglese C-reactive protein,  e un’aumentata attività del fattore di necrosi tumorale o TNF, acronimo dell’inglese tumor necrosis factor, sono marcatori dell’infiammazione.
Nelle donne una maggiore assunzione di grassi trans è associata ad un’aumentata attività del sistema TNF, e in quelle con un elevato indice di massa corporea con aumentati livelli di interleuchina-6 e CRP. Ad esempio, la differenza nei livelli di proteina C-reattiva osservata con un’assunzione media di grassi trans pari al 2,1% dell’assunzione di energia giornaliera totale, rispetto allo 0,9%, corrisponde ad un aumento del rischio di malattia cardiovascolare del 30%. Risultati simili sono stati riportati in pazienti con malattia cardiaca, in studi randomizzati e controllati, in studi in vitro e in studi in cui sono stati analizzati i livelli di membrana degli acidi grassi trans, un biomarker della loro assunzione dietetica.
Quindi, i grassi trans promuovono l’infiammazione, e la loro azione pro-infiammatoria può  spiegare parte dei loro effetti sulla CHD che, come visto, sono maggiori di quanto ci si aspetterebbe a seguito dei soli effetti sulle lipoproteine sieriche.
Attenzione: la presenza di infiammazione è un fattore di rischio indipendente non solo per la CHD ma anche per la resistenza all’insulina, il diabete, le dislipidemie e l’insufficienza cardiaca.

Un altro sito di azione degli acidi grassi trans può essere la funzione endoteliale.
Diversi studi hanno suggerito l’associazione tra una loro maggiore assunzione ed un aumento dei livelli dei biomarcatori circolanti della disfunzione endoteliale, come E-selectina, sICAM-1 e sVCAM-1.

Altri effetti degli acidi grassi trans

Studi in vitro hanno dimostrato che i grassi trans influenzano il metabolismo lipidico attraverso diversi percorsi.

  • Alterano la secrezione, la composizione lipidica e le dimensioni dell’apolipoproteina B-100 o Apo B-100.
  • Aumentano l’accumulo cellulare e la secrezione di colesterolo libero e di esteri del colesterolo da parte degli epatociti.
  • Alterano, negli adipociti, l’espressione dei geni per il PPAR-γ, acronimo dell’inglese peroxisome proliferator-activated receptor gamma, la lipoprotein lipasi e la resistina, proteine con un ruolo centrale nel metabolismo degli acidi grassi e del glucosio.

Acidi grassi trans e cardiopatia coronarica

Gli acidi grassi trans sono un fattore di rischio cardiovascolare indipendente.
Dai primi anni ’90 del secolo scorso l’attenzione si è focalizzata sui loro effetti sui lipidi plasmatici e sulla concentrazione delle lipoproteine (vedi sopra).
Dal punto di vista epidemiologico, quattro importanti studi prospettici, che hanno coinvolto circa 140.000 soggetti monitorati per 6-14 anni, hanno tutti trovato riscontri positivi tra i livelli di questi acidi grassi nella dieta, valutati con l’aiuto di un questionario dettagliato sulla composizione della dieta, ed il rischio di CHD.
I quattro studi sono:

  • “The Health Professionals Follow-up study” (2005);
  • “The Alpha-Tocopherol Beta-Carotene Cancer Prevention Study” (1997);
  • “The Nurses’ Health Study” (2005);
  • “The Zutphen Elderly Study” (2001).

Questi studi riguardano popolazioni talmente diverse che molto probabilmente i risultati sono applicabili all’intera popolazione mondiale.
Una meta-analisi degli studi suddetti ha mostrato che un 2% di aumento nell’apporto energetico dai grassi trans era associato con un incremento del 23% nell’incidenza di cardiopatia coronarica. Il rischio relativo di malattia cardiaca era di 1,36 nel “The Health Professionals Follow-up Study”, 1,14 nel “The Alpha-Tocopherol Beta-Carotene Cancer Prevention Study”; 1,93 (1,43-2,61) nel “The Nurses’ Health Study” e 1,28 (1,01-1,61) nel “The Zutphen Elderly Study”.
Quindi, anche un piccolo incremento del loro consumo si associa ad un sostanziale aumento del rischio: il 2% dell’apporto energetico giornaliero, per una dieta di 2000 Kcal corrisponde a 40 Kcal o 4-5 grammi di grasso cioè l’equivalente di un cucchiaino di grasso!
Inoltre, in tre di questi studi l’associazione tra l’assunzione di grassi trans e il rischio di cardiopatia coronarica era più forte di una corrispondente associazione con l’assunzione di acidi grassi saturi. Nel “The Zutphen Elderly Study” questa associazione non è stata indagata.
A causa degli effetti negativi degli acidi grassi trans, per gli autori della meta-analisi non è etico condurre studi clinici randomizzati a lungo termine per saggiarne gli effetti sull’incidenza della cardiopatia coronarica. Per questi autori “studi osservazionali eseguiti in modo accurato forniscono un approccio ragionevole per valutarne gli effetti sulla salute cardiovascolare”.
Quindi, per evitare i loro effetti nocivi, di gran lunga peggiori in media a quelli dovuti ai contaminanti alimentari o ai residui dei pesticidi, è necessario evitarli o limitarne il consumo a meno dello 0,5% dell’apporto energetico giornaliero.

Ulteriori prove
Uno studio condotto su una popolazione australiana con un primo attacco di cuore e nessuna precedente storia di cardiopatia coronarica o iperlipidemia ha evidenziato un’associazione positiva tra i livelli di acidi grassi trans nel tessuto adiposo ed il rischio di un infarto miocardico non fatale.
E’ stato dimostrato che la presenza nel tessuto adiposo di un acido grasso trans 18:1 con il doppio legame in posizione 7 (C18:1Δ7t), che si ritrova sia nei grassi animali che vegetali, era un predittore indipendente di un primo infarto miocardico, ossia il suo livello nel tessuto adiposo rimane un fattore predittivo per la malattia cardiaca dopo aggiustamento per i livelli di colesterolo totale. Di nuovo, sembra che solo una minima parte degli effetti negativi di grassi trans si attui per mezzo delle lipoproteine plasmatiche.
Nel corso di questo studio, a metà del 1996, i grassi trans furono eliminati dalle margarine vendute in Australia (vedi sotto). Questa è stata un’opportunità unica per studiare la relazione temporale tra la loro l’assunzione ed i loro livelli nel tessuto adiposo. E’ stato dimostrato che scomparivano dal tessuto adiposo sia dei pazienti che dei controlli con un tasso di circa il 15% del totale degli acidi grassi trans/anno.
Un altro studio condotto in Costarica ha trovato un’associazione positiva tra infarto miocardico ed acidi grassi trans .
E’ interessante notare che in uno studio più grande, basato su una comunità caso-controllo, i livelli dei  grassi trans nelle membrane dei globuli rossi sono stati associati, dopo correzione per gli altri fattori di rischio, con un aumento del rischio di morte cardiaca improvvisa. Inoltre, l’aumento del rischio sembra essere correlato ai livelli dei trans-C18:2, i cui livelli sono stati associati con una triplicazione del rischio di morte improvvisa per cause cardiache, ma non con i livelli nella membrana cellulare di trans-C18:1, la principale classe di isomeri degli acidi grassi trans presenti nei cibi (vedi sopra).

Acidi grassi trans e diabete

In uno studio prospettico che ha coinvolto 84.204 infermiere di età compresa tra i 34 ed i 59 anni, senza nessuna storia pregressa di diabete, malattia cardiovascolare e cancro, analizzate tra il 1980 ed il 1996, e appartenenti al “The Nurses’ Health Study”, l’apporto di acidi grassi trans era correlato in modo significativo con il rischio di sviluppare il diabete di tipo 2. Dopo aggiustamenti per altri fattori di rischio l’apporto di grassi trans era positivamente associato con l’incidenza del diabete, con un incremento del rischio superiore al 39% .
Dati da studi di intervento controllati hanno mostrato che gli acidi  grassi trans potrebbero danneggiare la sensibilità all’insulina in soggetti con resistenza all’insulina e diabete di tipo 2 più di quanto facciano gli acidi grassi insaturi, in particolare gli isomeri dell’acido linoleico coniugato o CLA, acronimo dell’inglese  conjugated linoleic acid, trans-10,cis-12-CLA.
Attenzione perché alcuni integratori contengono isomeri del CLA e possono essere diabetogeni e proaterogenici in soggetti con resistenza all’insulina.
Nota: anche gli acidi grassi saturi innescano la medesima risposta, con nessuna differenza significativa tra loro e gli acidi grassi trans).

Nessun effetto significativo riguardo alla sensibilità all’insulina è stato invece osservato in soggetti sani e magri.

Acidi grassi trans dai ruminanti e cardiopatia coronarica

Quattro studi prospettici hanno valutato la relazione tra l’assunzione di acidi grassi trans dai ruminanti ed il rischio di CHD: non è stata identificata alcuna associazione significativa.
In un altro studio pubblicato nel 2008 sono stati analizzati i dati provenienti da quattro studi di coorte danesi, che coinvolgevano 3686 adulti, arruolati tra il 1974 ed il 1993, e seguiti per una mediana di 18 anni. In Danimarca il consumo di prodotti lattiero-caseari è relativamente alto e l’intervallo di assunzione dei grassi trans che provengono dai ruminati piuttosto ampio, sino al 1,1% dell’energia. Negli altri paesi, per la maggior parte delle persone, il consumo di grassi trans dai ruminati è sostanzialmente più basso del 1% dell’energia; negli USA è circa lo 0,5%. Dopo correzione per altri fattori di rischio, non è stata trovata alcuna significativa associazione tra il loro consumo e l’incidenza di CHD, confermando, in una popolazione con un’assunzione relativamente alta di questo tipo di acidi grassi, le conclusioni dei quattro precedenti studi prospettici.
Quindi gli acidi grassi trans dai ruminanti, nelle quantità effettivamente consumate nella dieta, non aumentano il rischio di cardiopatia coronarica.
L’assenza di rischio rispetto ai grassi trans industriali può essere dovuta alla minore assunzione. Basti considerare ad es. che per gli Statunitensi la maggior parte degli acidi grassi trans sono di origine industriale (vedi sopra), e che i livelli di grassi trans nel latte e nella carne sono relativamente bassi, dall’1% all’8% del totale dei grassi.
L’assenza di un rischio più elevato di CHD può essere dovuta anche alla presenza di isomeri diversi. Gli acidi grassi trans dai ruminanti e quelli industriali condividono molti isomeri, ma ci sono alcune differenze quantitative:

  • il livello di acido vaccenico è più alto nei grassi dei ruminanti, 30-50% degli isomeri trans-C18:1 (vedi fig. 4);
  • il gruppo del trans-C18:2, presente negli oli fritti, deodorinizzati e in alcuni oli parzialmente idrogenati, non lo è in quantità apprezzabile nel grasso dei ruminanti.

Infine altri fattori, ancora non noti e potenzialmente protettivi, potrebbero superare gli effetti nocivi dovuti ai grassi trans dai ruminanti.

Acidi grassi trans: esempi di legislazione in diversi paesi

USA
Fino al 1985 non erano stati dimostrati effetti avversi dei grassi trans sulla salute umana e, addirittura, nel 1975 uno studio della Procter & Gamble non mostrò alcun effetto avverso sul colesterolo.
Il loro uso nei fast food crebbe dagli anni ’80, quando divenne chiaro il ruolo degli acidi grassi saturi nell’aumento del rischio cardiovascolare. Fu quindi condotta con successo una campagna per indurre la McDonald a passare dall’utilizzo del sego di bue a quello dell’olio vegetale per cucinare le patatine fritte. Nel frattempo diversi studi iniziarono a sollevare dubbi riguardo gli effetti dei grassi trans sulla salute.
Nel 1985 la Food and Drug Administration (FDA) concluse che tali acidi grassi e l’acido oleico influenzavano il livello di colesterolo in maniera simile ma, dalla seconda metà del 1985 la pericolosità degli acidi grassi trans divenne chiara e la prova finale arrivò da studi di alimentazione controllata e da studi epidemiologici prospettici.
Nel 2003 la FDA ha stabilito che nei valori nutrizionali degli alimenti, sia per i cibi classici che per gli integratori, sia mostrato il loro contenuto a partire dal primo gennaio 2006. In particolare, questa ordinanza rappresenta il primo sostanziale cambiamento alla etichettatura dei prodotti alimentari dall’obbligo, risalente al 1990, di mettere le informazioni per porzione.
Nel 2005 il Dipartimento dell’Agricoltura statunitense ha fatto di un apporto minimo di grassi trans una raccomandazione chiave della nuova piramide alimentare.
Nel 2006 l’American Heart Association raccomanda di limitarne l’apporto all’1% del consumo calorico giornaliero e suggerisce ai produttori di alimenti e ai ristoranti di passare ad altri grassi.
Nel 2006 il Dipartimento della Sanità della città di New York annuncia il divieto del loro utilizzo nei suoi 40.000 ristoranti entro il primo giugno 2008, seguito nel 2010-2011 dallo stato della California.

Australia
Dopo il giugno 1996 sono stati eliminati dalla margarina venduta in Australia, che in passato contribuiva per circa il 50% al loro apporto giornaliero in quel paese.

Europa
Dall’11 marzo 2003 il governo danese, dopo un dibattito iniziato nel 1994 e due nuovi rapporti nel 2001 e nel 2003, ha deciso di eliminarne gradualmente l’uso nei cibi prima della fine del 2003. Due anni più tardi però, la Commissione Europea ha chiesto alla Danimarca di ritirare questa legge che, sfortunatamente, non è stata accettata a livello comunitario. Tuttavia, nel 2007, la stessa Commissione Europea ha ritirato la procedura d’infrazione nei confronti della Danimarca grazie alle maggiori prove scientifiche sulla pericolosità di questo tipo di acidi grassi.
L’esempio danese è stato seguito nel 2009 dall’Austria e dalla Svizzera, nel 2011 dall’Islanda, dalla Norvegia e Ungheria nel 2014, e più di recente Estonia e Georgia. Quindi circa il 10% della popolazione della Comunità Europea, circa 500 milioni di persone, vive in paesi dove è illegale vendere prodotti con un elevato contenuto di grassi trans. I governi degli altri paesi della Comunità Europea fanno invece affidamento sulla volontà dei produttori di alimenti di ridurne il contenuto nei propri prodotti. Tale strategia si è dimostrata efficace solo nei paesi dell’Europa Occidentale (vedi sotto).

Canada
Il Canada sta considerando la legislazione per eliminarli dalle forniture alimentari e nel 2005 ha introdotto l’obbligo di mostrare il loro contenuto negli alimenti preconfezionati.

In conclusione, con l’eccezione di pochi paesi nei quali l’uso a scopi alimentari dei grassi trans è stato vietato, negli altri l’unico modo per ridurne l’apporto è la scelta del consumatore di preferire cibi in cui non siano presenti, leggendo sempre gli ingredienti, anche nel caso in cui il loro contenuto sulla confezione sia dichiarato pari a 0, potendo provenire dalla margarina, dai grassi vegetali per pasticceria, dall’olio vegetale e dalla frittura. Infatti ad esempio negli USA, i produttori di alimenti che ne contengano meno di 0,5 g per porzione possono dichiararne sulla confezione un contenuto pari a 0. Questo contenuto è basso, ma se un consumatore mangia più porzioni, ne consuma quantità sostanziali.

Attenzione: la lista degli ingredienti non è obbligatoria nei ristoranti, forni ed in molti altri esercizi alimentari al dettaglio.

Riformulazione degli alimenti per ridurre gli acidi grassi trans

Le organizzazioni di sanità pubblica, compresa l’Organizzazione Mondiale della Sanità a partire dal settembre del 2006, hanno raccomandato di ridurre il consumo di acidi grassi trans. Solo negli USA la loro quasi eliminazione potrebbe evitare tra i 72.000 e i 280.000 casi di malattie cardiovascolari degli 1,2 milioni che si verificano annualmente.
I produttori di alimenti ed i ristoranti possono ridurre l’uso dei grassi trans scegliendo alternative agli oli parzialmente idrogenati.
In Danimarca la loro eliminazione dagli oli vegetali (vedi sopra) non ha aumentato il consumo dei grassi saturi in quanto sono stati per lo più sostituiti con acidi grassi cis-insaturi. Inoltre, non ci sono stati effetti evidenti per i consumatori: ne aumenti nei costi ne riduzioni della disponibilità e della qualità dei prodotti alimentari.
Nel 2009, Stender e colleghi, analizzando ciò che è accaduto negli USA, in Sud Africa e molte nazioni europee, hanno dimostrato che gli acidi grassi trans in alimenti come patatine fritte, biscotti, torte e pop corn per il microonde possono essere sostituiti, ad un prezzo simile, con una miscela di acidi grassi saturi, monoinsaturi e polinsaturi. Una tale sostituzione assicura anche maggiori benefici nutrizionali rispetto a quella uno a uno tra i grassi trans ed i grassi saturi da soli. Tuttavia attenzione perché ad esempio solamente nelle patatine fritte con bassi livelli di grassi trans la percentuale di acidi grassi saturi rimane costante, mentre nei biscotti e nelle torte è in media del 33% maggiore e nei pop corn per forno a microonde del 24%: gli acidi grassi saturi sono si meno pericolosi degli grassi trans ma di più rispetto agli acidi grassi mono- e polinsaturi.
Lo stesso gruppo di ricerca, analizzando alcuni cibi di comune consumo in Europa, acquistati in supermercati, anche della stessa catena, e in fast food (McDonald’s e Kentucky Fried Chicken, KFC) dal 2005 al 2014, ha dimostrato come il loro contenuto in grassi trans sia ridotto o addirittura assente in diversi paesi dell’Europa Occidentale mentre rimanga ancora alto in paesi dell’Europa dell’Est e del Sud-Est.
Nel 2010 Mozaffarian e colleghi  hanno valutato i livelli degli acidi grassi trans e dei grassi saturi nei cibi dei principali supermercati di marca statunitensi e dei ristoranti dopo la riformulazione per ridurre il contenuto dei primi in due momenti: dal 1993 sino al 2006 e dal 2006 al 2009. E’ stata rilevata una generale riduzione del loro contenuto senza alcun sostanziale od equivalente aumento nel contenuto degli acidi grassi saturi.

Alimenti ricchi di acidi grassi trans: esempi e valori

Nel mondo sono molti gli alimenti ricchi di grassi trans comunemente consumati.
Negli USA gran parte proviene da oli vegetali parzialmente idrogenati, con un consumo medio da questa fonte che è rimasto costante dagli anni ’60 dello scorso secolo.
Da notare che i valori degli acidi grassi trans che si incontreranno  devono essere interpretati con cautela perché molti fast food, ristoranti e industrie possono aver cambiato il tipo di grasso utilizzato per la frittura e la cottura da quando gli articoli analizzati sono stati pubblicati.
I valori riportati, se non diversamente specificato, si riferiscono al contenuto percentuale in acidi grassi trans/100 g di acidi grassi.

Margarina

Tra gli alimenti ricchi di grassi trans la margarina, in bastoncini o dura, ne ha avuto la percentuale più alta. Tuttavia, i loro livelli hanno iniziato a ridursi quando il miglioramento della tecnologia ha permesso la produzione di margarine più morbide, che nel tempo sono divenute popolari. Esistono comunque differenze nel contenuto di grassi trans di margarine provenienti da diversi paesi. Di seguito alcuni esempi.

  • Il contenuto più alto, 13-16,5%, si ritrova nelle margarine morbide provenienti dall’Islanda, Norvegia e Regno Unito.
  • Un contenuto minore è presente in quelle dall’Italia, Germania, Finlandia e Grecia, rispettivamente il 5,1%, 4,8%, 3,2%, e 2,9%.
  • In Portogallo, Paesi Bassi, Belgio, Danimarca, Francia, Spagna e Svezia il contenuto è inferiore al 2%.

USA e Canada sono in ritardo rispetto all’Europa, ma negli USA sono in corso dei cambiamenti a seguito dell’introduzione dei grassi trans nell’etichettatura degli alimenti (vedi sporta) e della maggior conoscenza dei pericoli associati al loro consumo da parte degli acquirenti. Per questo motivo, al momento, negli USA la margarina è considerata contribuire in misura minore al totale dei grassi trans, mentre le fonti principali sono i prodotti commerciali da forno e dei fast food, come torte, biscotti, wafer, cracker, crocchette di pollo, patatine fritte o pop corn per il forno a microonde (vedi sotto).

Grassi da pasticceria

Il contenuto in grassi trans dei grassi da pasticceria è compreso tra il 6% ed il 50%, e varia nei diversi paesi: in Germania, Austria e Nuova Zelanda è più basso che in Francia o negli USA.
Tuttavia, come per la margarina, anche per i grassi da pasticceria il loro contenuto è in diminuzione. In Germania è calato dal 12% nel 1994 al 6% nel 1999, in Danimarca è il 7% (1996), mentre in Nuova Zelanda è di circa il 6% (1997).

Oli vegetali

Al momento gli oli vegetali non idrogenati utilizzati per condire le insalate o per cucinare non contengono acidi grassi trans o ne contengono solo piccole quantità.
La lavorazione di questi oli può comportarne la produzione di piccole quantità, variabili da 0,05 g/100 g di prodotto per l’olio extra vergine di oliva a 2,42 g/100 g di prodotto per l’olio di colza. Quindi il loro contributo al contenuto di grassi trans dei cibi attualmente consumati è molto piccolo.
Un’eccezione è rappresentata dagli oli vegetali idrogenati pachistani, che ne possono contenere dal 14% al 34%.

Minestre pronte

Tra gli alimenti ricchi di grassi trans le minestre pronte ne contengono quantità significative, che variano dal 10% del brodo di manzo al 35% della crema di cipolle; quindi, se consumate di frequente contribuiscono in grande misura all’apporto di tali acidi grassi nella dieta.

Prodotti alimentari trasformati

Gli acidi grassi trans, grazie alle loro proprietà (vedi sopra), sono utilizzati nella preparazione di molti alimenti trasformati come biscotti, torte, cornetti, dolci ed altri prodotti da forno. E, nella dieta consumata in Nord America, i prodotti da forno ne sono la principale fonte.
Naturalmente, il contenuto in grassi trans dipende dal tipo di grassi utilizzati nella lavorazione (vedi sopra).

Salse

La maionese, i condimenti per le insalate ed altre salse apportano quantità di grassi trans piccole o nulle.

Latte umano e alimenti per neonati

Il contenuto di acidi grassi trans del latte umano riflette il contenuto in tali grassi della dieta materna nel giorno precedente, è compreso tra 1% ed il 7% ed è in diminuzione dal 7,1% del 1998 al 4,6% del biennio 2005-2006.
Gli alimenti per lattanti hanno valori di grassi trans in media di 0,1%-4,5%, con una marca che raggiunge il 15,7%.
Gli alimenti per bambini ne contengono più del 5%.

Fast food e ristoranti

Nei fast food e ristoranti, per la frittura, vengono utilizzati grassi usati anche in pasticceria, quindi con elevate quantità di acidi grassi trans; pertanto i cibi venduti possono contenerne quantità relativamente alte. Fonti sono le torte fritte, le patatine fritte, le crocchette di pollo, gli hamburger, le fritture di pesce e il pollo fritto.
In lavori pubblicati da Stender e colleghi dal 2006 al 2009 viene dimostrato che il contenuto di grassi trans delle patatine fritte e delle crocchette di pollo variava ampiamente da paese a paese ma, anche all’interno della stessa catena di fast food, in uno stesso paese, e addirittura in una stessa città, a causa dell’olio utilizzato per cucinare. Ad esempio, l’olio utilizzato per le patatine fritte nei punti vendita di McDonald’s negli USA e in Perù ne conteneva il 23-24%, mentre l’olio utilizzato nella stessa catena in molti paesi europei ne contiene circa il 10%, con alcuni paesi, come la Danimarca, ad un livello più basso del 5% e 1%.
E, considerando un pasto a base di patatine fritte e crocchette di pollo, in porzioni rispettivamente da 171 e 160 g, acquistato da McDonald a New York, lo stesso conteneva oltre 10 g di  grassi trans mentre, se veniva acquistato da KFC in Ungheria si arrivava a quasi a 25 g.
Di seguito, sempre dai lavori di Stender e colleghi si può osservare una comparazione tra diversi paesi per quanto riguarda il contenuto di grassi trans delle crocchette di pollo e delle patatine fritte acquistate da McDonald o da KFC.

Crocchette di pollo e patatine fritte da McDonald:

  • meno di un grammo solo se i pasti sono stati acquistati in Danimarca;
  • 1-5 g in Portogallo, Paesi Bassi, Russia, Repubblica Ceca o Spagna;
  • 5-10 g negli USA, Perù, Regno Unito, Sud Africa, Polonia, Finlandia, Francia, Italia, Norvegia, Spagna, Svezia, Germania o Ungheria.

Crocchette di pollo e patatine fritte da KFC:

  • meno di 2 g se i pasti sono stati acquistati nel Regno Unito (Aberdeen), Danimarca, Russia o Germania (Weisbaden);
  • 2-5 g in Germania (Amburgo), Francia, Regno unito (Londra o Glasgow), Spagna o Portogallo;
  • 5-10 g alle Bahamas, Sud Africa o USA;
  • 10-25 g in Ungheria, Polonia, Perù o Repubblica Ceca.

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Lavorazione, proprietà e benefici per la salute del tè nero

Il tè nero, al pari delle altre varietà di tè, è un infuso di foglie lavorate di Camellia sinensis, pianta appartenente alla famiglia delle Theaceae.
A differenza di quanto accade per il tè verde, nel corso della lavorazione delle foglie per la produzione del tè nero si verifica la quasi completa ossidazione delle sostanze in esse contenute, in particolare le catechine, un tipo di polifenoli appartenenti al gruppo dei flavonoidi.
Il colore delle foglie lavorate è scuro e l’infuso, da preparare utilizzando un filtro a persona, o un cucchiaino a persona nel caso del prodotto sfuso, per un tempo di infusione di 3-4 minuti in acqua a 95-100 °C, è di colore rosso bruno.
Il tè è una bevanda che ha origini molto antiche, risalenti a quasi 4000 anni fa. E’ una delle bevande più consumate, soprattutto in Asia, dove prevale, in special modo in Cina e Giappone, il consumo del tè verde. Di contro in occidente il tè nero è la varietà più consumata, e lo è anche a livello globale rappresentando circa il 78% del mercato della bevanda.
L’ossidazione subita dalle foglie nel corso della lavorazione riduce i potenziali effetti benefici ascritti ai polifenoli inizialmente presenti.

INDICE

Come si produce il tè nero

Per la produzione di tutti i tipi di tè si utilizzano le foglie fresche e più giovani di Camellia sinensis, ritenute di qualità superiore rispetto a quelle più vecchie.
La lavorazione che porterà alla produzione di foglie essiccate pronte per la preparazione del tè nero si compone di quattro fasi: appassimento o asciugatura, arrotolamento, ossidazione, ed essicazione. Questo tipo di lavorazione porta alla quasi totale ossidazione delle sostanze presenti, in particolare delle catechine.
L’appassimento o asciugatura è il processo attraverso il quale viene rimossa l’acqua presente nelle foglie, che ne costituisce circa il 75% del peso, determinando quindi la concentrazione della linfa. L’appassimento, che migliora anche la lavorazione successiva, può essere ottenuto in tre modi differenti:

  • esponendo le foglie alla luce solare;
  • attraverso processi indoor, riscaldando in maniera appropriata le stanze in cui sono riposte le foglie;
  • ricorrendo all’utilizzo di macchinari che ventilano le foglie.

All’appassimento segue l’arrotolamento che, rompendo il tessuto fogliare, facilita la fuoriuscita della linfa e promuove la successiva ossidazione dei polifenoli.
La fase successiva è quella dell’ossidazione, impropriamente detta anche fermentazione. In questo passaggio si verifica l’ossidazione enzimatica, ad opera della polifenolo ossidasi (EC 1.10.3.1), e non enzimatica, per azione dell’ossigeno atmosferico, di circa il 90-95% dei polifenoli presenti. L’ossidazione è accompagnata anche da altri cambiamenti che renderanno le foglie da verdi a rosse. Fattori cruciali sono anche la temperatura, in genere sui 25°C, il pH, l’umidità, 95% o più, la ventilazione e la durata. Questo passaggio è fondamentale nel determinare la qualità del tè, in quanto gli conferisce le sue caratteristiche organolettiche e la composizione in polifenoli, ben diverse da quelle del tè verde che viene prodotto in modo tale da minimizzare i processi di ossidazione.
Da notare che il contenuto in caffeina non varia significativamente.
L’ultima fase è quella dell’essiccazione. Viene condotta ad una temperatura di 80-90 °C per circa 20-25 minuti. L’elevata temperatura inattiva la polifenolo ossidasi arrestando i processi di ossidazione enzimatica.

Tearubigine e teaflavine

I processi ossidativi che si verificano durante la produzione del tè nero interessano le catechine monomeriche e gallate, in misura minore i glicosidi delle catechine, in special modo la miricetina, e composti non flavonoidi, ad esempio la teagallina, e portano alla formazione di polifenoli complessi quali le tearubigine, le teaflavine e gli acidi teaflavici.
Le tearubigine, polimeri di catechine di colore brunastro non ancora ben caratterizzati, sono i principali polifenoli del tè nero, rappresentando circa il 20% del peso dell’estratto. Contribuiscono alla ricchezza di gusto, il cosiddetto “corpo”, oltre che al colore.
Le teaflavine, dimeri di catechine di colore rosso-arancio, costituiscono circa il 3-5% del peso dell’estratto e contribuiscono al gusto vivace ed astringente, oltre che al colore.
Le principali teaflavine sono:

  • teaflavina-3-gallato;
  • teaflavina-3’-gallato;
  • teaflavina-3-3’-digallato, la più abbondante.

Formule di struttura delle teaflavine, dimeri di catechine presenti nel tè nero

Benefici per la salute del tè nero

I benefici per la salute del te nero sono dovuti in gran parte ai suoi polifenoli complessi, tearubigine e teaflavine, essendo le catechine per la maggior parte ossidate nel corso della lavorazione delle foglie.
Di seguito tre esempi.

  • Sono stati messi in evidenza effetti antivirali delle teaflavine che, analogamente alle catechine, sembrano essere efficaci in particolare nei confronti dei virus a RNA singolo a filamento positivo. Tra questi virus si annoverano anche SARS-CoV-1 e SARS-CoV-2, virus appartenenti alla famiglia dei Coronaviridae. Al pari delle catechine, anche per l’azione antivirale delle teaflavine sembrano essere importanti i gruppi galloile.
  • I fitochimici presenti nel tè nero, come quelli del tè verde, sembrano in grado di ridurre l’indice glicemico degli alimenti ricchi di amido. L’effetto sembra dovuto all’inibizione dell’attività della alfa-amilasi pancreatica e di altri enzimi digestivi, e al legame diretto con l’amido, in conseguenza del quale si verrebbe a ridurre la superficie disponibile all’attacco degli enzimi digestivi stessi. L’inibizione è maggiore per gli alimenti privi di glutine, sembra a causa dell’azione del glutine sui polifenoli complessi che quindi non sarebbero in grado di interagire con il polisaccaride. Per approfondimenti si veda l’articolo sui polifenoli del tè.
  • Tearubigine e teaflavine sembrano avere un effetto anticariogeno dovuto all’azione inibitoria sulla amilasi batterica e salivare, azione che appare più efficace di quella delle catechine del tè verde. Il tè nero sembra anche in grado di ridurre la produzione di acidi nella cavità orale.

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Relazione tra assunzione di potassio, pressione arteriosa e ipertensione

L’elevata assunzione di potassio (K+con gli alimenti e la pressione arteriosa sono inversamente correlate: studi condotti su animali, studi epidemiologici osservazionali, sperimentazioni cliniche e meta-analisi di queste sperimentazioni supportano la tesi.
Inoltre, nelle popolazioni con un’assunzione elevata del minerale, la prevalenza dell’ipertensione tende ad essere inferiore rispetto a quelle con un’assunzione bassa.
Infine, un aumento nell’apporto di K+ (2,5-3,9 g/die) riduce la pressione arteriosa nei normotesi e negli ipertesi, e in misura maggiore nei neri rispetto ai bianchi.

Dieta ricca di potassio, pressione arteriosa e ictus

Studi di alimentazione controllata come “The Dietary Approaches to Stop Hypertension (DASH) Study” e “OmniHeart trial” hanno messo in evidenza l’importanza di una buona assunzione di potassio, insieme ad altri minerali e alla fibra, nella riduzione della pressione arteriosa. Questi studi hanno mostrato come un’alimentazione ricca in frutta, verdura, prodotti caseari a basso contenuto di grassi, cereali integrali, pollo, pesce e frutta a guscio, ma povera in grassi, carne rossa, dolciumi e bevande zuccherate, riduca la pressione. Un’alimentazione di questo tipo fornisce ottimi apporti del minerale, oltre che di magnesio, calcio e fibra, mentre è povera in grassi, totali e saturi, e colesterolo. I migliori risultati sull’abbassamento della pressione sono stati ottenuti nei partecipanti neri rispetto ai bianchi.
In un altro studio è stata condotta una revisione sistematica della letteratura e delle meta-analisi riguardanti l’assunzione del minerale e lo stato di salute in adulti e bambini apparentemente sani e senza insufficienza renale. L’analisi ha mostrato che negli adulti affetti da ipertensione un aumentata assunzione di potassio riduce la pressione arteriosa sistolica di 3,49 mm Hg e la diastolica di 1,96 mm Hg. Nessun effetto è stato osservato negli adulti non ipertesi e nei bambini. Inoltre, negli adulti non sono stati osservati effetti legati alla maggiore assunzione di potassio ne sui lipidi ematici ne sui livelli delle catecolamine, mentre è stata osservata una associazione inversa statisticamente significativa tra l’apporto del minerale e il rischio di ictus. Lo studio suggerisce quindi che, nelle persone senza compromissione della funzionalità renale, l’aumento dell’assunzione di potassio è potenzialmente utile per la prevenzione e il controllo della pressione sanguigna elevata e dell’ictus.

Potassio, sodio e pressione sanguigna

Gli effetti del minerale sulla pressione arteriosa dipendono dalla concomitante assunzione di sodio e viceversa:

  • un suo maggior consumo ha una capacità di ridurre la pressione maggiore quando l’assunzione di sodio è alta e minore quando è bassa;
  • d’altra parte, la riduzione della pressione da ridotto apporto di sodio è maggiore quando la sua assunzione è bassa.

Un elevato apporto di potassio aumenta anche l’escrezione urinaria di sodio, il cosiddetto effetto natriuretico.
Nella popolazione generale sana con una normale funzione renale il livello di assunzione giornaliera raccomandata di K+ nell’adulto è di 3,1 g/die.
Al contrario, in presenza di una compromissione dell’escrezione urinaria di potassio, a causa degli effetti cardiaci avversi (aritmie) derivanti dalla iperkaliemia o iperpotassiemia (concentrazione ematica di potassio superiore ai valori normali), è appropriata un’assunzione del minerale inferiore ai 3,1 g/die.

Ruolo della Dieta Mediterranea

Come già sottolineato, la strategia migliore per aumentare l’apporto di potassio è quella di consumare frutta e verdura di stagione, e legumi, che sono naturalmente ricchi del minerale, che è accompagnato anche da una varietà di altri nutrienti. Non sono invece necessari integratori.Alimenti ricchi di potassio
Dunque è sufficiente seguire un’alimentazione di dieta di tipo mediterraneo, che è caratterizzata da un elevato apporto di prodotti di origine vegetale, per:

  • soddisfare i fabbisogni giornalieri del minerale;
  • assumerne in quantità adeguata da garantire i suoi effetti di abbassamento della pressione.

Contenuto in potassio in alcuni alimenti

Alto contenuto: > 250 mg/100 g di prodotto

  • Legumi secchi (ceci, fagioli, lenticchie, piselli e soia) e fagioli freschi;
  • aglio, bieta, cavolfiore, cavoli, cavoletti di Bruxelles, broccoli, carciofi, cardi, finocchi, funghi, patate, pomodori, spinaci, zucchine;
  • avocado, albicocche, banane, castagne fresche e secche, cocomero, kiwi, melone, nocciole;
  • frutta secca sia zuccherina (albicocche, datteri, fichi, prugne, uva passa, uva passa, ecc.) che oleosa (arachidi, mandorle, noci, pinoli, pistacchi, ecc.);
  • farina di avena, farina di frumento integrale e farro;
  • ketchup;
  • caffè tostato;
  • latte in polvere (ricchissimo anche di sodio);
  • lievito di birra;
  • cacao in polvere.

Medio contenuto: 150-250 mg/100 g di prodotto

  • asparagi, barbabietole, carote, cicoria, fagiolini, fave fresche, indivia, lattuga, peperoni, piselli freschi, pomodori, porri, ravanelli, sedano, succo di pomodoro o carote, zucca;
  • ananas,arance, lamponi, mirtilli, nespole, pere, pesche, pompelmo, uva;
  • carni/prodotti della pesca sia freschi che conservati (questi ultimi sono però da evitare a causa dell’elevato contenuto in sodio).

Nota: i metodi di cottura in genere tendono a ridurre la quantità di potassio dell’alimento. Da evitare la bollitura in abbondante acqua, prolungata per più di un’ora, magari su verdure tagliate in piccoli pezzi (in questo modo aumenta la “superficie di scambio” con l’acqua).

Bibliografia

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Produzione, proprietà e benefici per la salute del tè verde

Il tè verde, al pari degli altri tipi di tè, è un infuso di foglie lavorate di Camellia sinensis, un membro della famiglia delle Theaceae.
La lavorazione delle foglie che porterà al prodotto pronto per l’infusione è tale da ridurre al minimo i processi ossidativi, sia enzimatici che chimici, a carico delle sostanze in esse contenute, in particolare i fitochimici come le catechine, polifenoli appartenenti alla classe dei flavonoidi e le principali responsabili dei benefici per la salute ascritti al tè verde.
Avendo subito modificazioni chimiche poco significative, le foglie mantengono il loro colore verde, mentre la bevanda, da ottenersi utilizzando un filtro a persona, o nel caso del tè sfuso un cucchiaino a persona, per un tempo di infusione circa tre minuti in acqua a 75 °C, è di colore giallo oro.
Ed è al tipo di lavorazione delle foglie che si deve parte delle peculiari proprietà organolettiche della bevanda, come il sapore, che risulta più delicato e leggero rispetto a quello del tè nero, e le sue proprietà salutari, da sempre riconosciute nella cultura orientale.
Solo di recente la comunità scientifica ha iniziato a studiarne i benefici per la salute, riconoscendone il valore preventivo riguardo lo viluppo di molte malattie, come le malattie cardiovascolari ed alcuni tipi di tumore.
E’ stato dimostrato che i polifenoli del tè, in particolare le catechine, sono in grado di attivare vie di segnalazione intracellulari a seguito del legame a specifici recettori di membrana e/o al passaggio all’interno della cellula dove poi si legano a specifici recettori citoplasmatici, mitocondriali o nucleari, in entrambe i casi attivando o inibendo, a seconda del tipo cellulare, determinati processi cellulari.
Dato l’elevato consumo di tè a livello mondiale, anche piccoli effetti sulla salute delle persone potrebbero avere grandi effetti sulla salute pubblica.

INDICE

Camellia sinensis

Camellia sinensis è una pianta sempre verde originaria del Sud, Est, e Sud-Est asiatico, che attualmente viene coltivata in almeno 30 paesi, principalmente con clima sub-tropicale o tropicale, sebbene ci siano varietà coltivate in Cornovaglia e nello stato di Washington.
In natura, se indisturbata, può crescere fino a 15-20 metri, mentre nelle piantagioni è tenuta, per facilitarne la coltivazione e la raccolta delle foglie, ad un’altezza inferiore al metro e mezzo.
La sua coltivazione si può spingere fino a 1500-2000 metri di altitudine, e molte delle varietà più pregiate di tè sono ottenute da coltivazioni montane grazie al fatto che la pianta cresce più lentamente permettendo alla foglia di acquisire più aromi.
Le varianti maggiormente coltivate, delle quattro conosciute, sono Camellia sinensis var. sinensis, originaria della Cina, e Camellia sinensis var. assamica, originaria dell’India.
Per la produzione delle differenti varietà di tè sono utilizzate le foglie fresche, tra le quali sono scelte le più giovani poiché quelle vecchie sono ritenute di qualità inferiore.
Le foglie fresche sono ricche di polifenoli solubili in acqua, in particolare catechine e catechine glicosilate. Le principali catechine presenti sono l’epigallocatechina-3-gallato o EGCG, la più attiva, l’epigallocatechina, la epicatechina-3-gallato, l’epicatechina. Sono presenti, anche se in quantità minore, la catechina, la gallocatechina, la catechina gallato e la gallocatechina gallato.

Formula di struttura della gallocatechina gallato, una delle catechine del tè verde
Gallocatechina gallato

Questi polifenoli costituiscono il 30-42% del peso secco della foglia. La caffeina costituisce circa il 3% del peso secco della foglia, con variazioni dall’1,4 al 4,5%.
Il cultivar, le caratteristiche del suolo, i metodi di coltivazione, l’altitudine, il clima, il periodo dell’anno in cui avviene la raccolta delle foglie, ovviamente assieme alla lavorazione delle foglie, sono tutti fattori che influenzeranno le caratteristiche organolettiche della bevanda.

Come si produce il tè verde?

Le differenze nella lavorazione delle foglie, che portano alla produzione dei diversi tipi di tè, causano differenti gradi di ossidazione delle sostanze in esse presenti, soprattutto delle catechine.
La lavorazione che porta alla produzione del tè verde è tale da ridurre al minimo i processi ossidativi, sia enzimatici che non enzimatici. Dopo la raccolta, le foglie sono esposte al sole per 2-3 ore e fatte appassire/asciugare. Di seguito, la lavorazione vera e propria procede attraverso tre fasi principali:

  • trattamento termico;
  • arrotolamento;
  • essicazione.

Il trattamento termico, breve e delicato, è il passaggio cruciale per la qualità e le proprietà finali della bevanda. Può essere effettuato sia con il vapore, che è il metodo tradizionale giapponese, che mediante cottura a secco in pentole calde, dei grandi wok, una sorta di torrefazione, che è il metodo tradizionale cinese. Il trattamento termico permette di inattivare gli enzimi presenti nei tessuti fogliari bloccando i processi di ossidazione enzimatica, in particolare quelli a carico dei polifenoli. Inoltre elimina l’odore d’erba, facendo così risaltare quello del tè, e fa evaporare, nel caso del metodo tradizionale cinese, parte dell’acqua della foglia, di cui ne costituisce circa il 75% del peso, rendendola più morbida, così da facilitare il passaggio successivo.
Al trattamento termico segue una fase di arrotolamento che ha lo scopo di facilitare la fase successiva di essiccamento e di distruggere il tessuto fogliare per favorire il rilascio degli aromi della foglia, migliorando la qualità del prodotto.
L’ultima fase è quella dell’essiccazione, che comporta anche la formazione di nuovi composti e migliora l’aspetto del prodotto.

Benefici per la salute del tè verde

L’assunzione di tè è da sempre associata, almeno nella cultura orientale, Cina e Giappone in primis, a benefici per la salute. Di seguito una breve rassegna di risultati di studi epidemiologici e di laboratorio che hanno indagato il ruolo preventivo che l’assunzione di tè verde può avere nei confronti dello sviluppo di molte patologie. La EGCG, che è la catechina più abbondante presente nel tè verde rappresentando quasi il 60% dei polifenoli presenti nelle foglie secche, sembra svolgere il ruolo principale.
A livello molecolare, per molti degli effetti esercitati dalle catechine sembrano essere essenziali i gruppi galloile presenti nelle posizione 3 e/o 3’.

Malattie cardiovascolari

Le malattie cardiovascolari sono la principale causa di morte nel mondo, in particolare nei paesi a basso e medio reddito, con una stima di 17,3 milioni di decessi nel 2008, valore che potrebbe aumentare fino a 23,3 milioni entro il 2030.
Un consumo giornaliero di tè, soprattutto tè verde, sembra essere associato ad una riduzione del rischio della loro comparsa, in particolare ipertensione ed ictus.
Tra i meccanismi proposti sembra essere importante l’accresciuta bioattività del monossido di azoto endoteliale, un potente vasodilatatore, dovuta all’azione dei polifenoli che ne aumenterebbero la sintesi e/o ne ridurrebbero la degradazione mediata dall’anione superossido.

Neoplasie

Molti studi epidemiologici e di laboratorio hanno dato risultati incoraggianti riguardo al possibile ruolo preventivo del tè, in particolare il tè verde, nei confronti dello sviluppo di alcune neoplasie quali i tumori del cavo orale, del tratto digestivo, e del polmone tra coloro che non hanno mai fumato.
I polifenoli del tè sembrano agire non solo come antiossidanti, ma anche come molecole che, direttamente, possono influenzare l’espressione genica e l’attività di diverse vie metaboliche.

Attività antivirale

Recenti studi hanno messo in evidenza gli effetti antivirali delle catechine, in particolare della EGCG del tè verde, e delle teaflavine del tè nero, soprattutto nei confronti dei virus a RNA a singolo filamento positivo. A questo tipo di virus appartiene anche la famiglia dei Coronaviridae, che a sua volta comprende sia il SARS-CoV-1 che il SARS-CoV-2.
Le proprietà antivirali della EGCG sembrano essere dovute alle sue caratteristiche strutturali, ossia alla presenza di gruppi pirogallici e galloilici.

Digestione dell’amido

Studi in vitro hanno evidenziato come i polifenoli del tè verde e del tè nero siano in grado di ridurre l’indice glicemico di alimenti ricchi di amido. Di conseguenza potrebbero essere utili nel controllo del loro indice glicemico. L’effetto sembra essere dovuto all’inibizione della alfa-amilasi pancreatica e di altri enzimi digestivi, e ad un’interazione diretta tra l’amido ed i fitochimici che ridurrebbe la superficie dei granuli di amido disponibile per l’attacco degli enzimi digestivi stessi. Il tè verde appare essere ugualmente efficace sia nei confronti dei cibi contenenti glutine, nei confronti dei quali il tè nero appare meno efficace, che di quelli gluten-free. Per approfondimenti si veda l’articolo sui polifenoli del tè.

Perdita di peso

Nella fase di perdita di peso, come durante la fase di mantenimento, è importante mantenere il più costante possibile il dispendio energetico giornaliero.
A partire dagli anni ‘90 dello scorso secolo è stato proposto che il tè verde, grazie al suo contenuto in caffeina e catechine fosse di aiuto per:

  • mantenere o addirittura aumentare la spesa energetica giornaliera;
  • incrementare l’ossidazione dei grassi.

Oltre a questi potenziali effetti termogenici e lipolitici, catechine e caffeina potrebbero essere utili agendo su altri bersagli quali l’assorbimento intestinale dei grassi e l’apporto energetico, forse attraverso il loro impatto sul microbiota intestinale, che è parte del più ampio microbiota umano, e sull’espressione genica.
Sono stati quindi commercializzati prodotti per la perdita di peso e il mantenimento del peso perso a base di estratti di tè verde, contenenti concentrazioni di catechine e caffeina molto maggiori rispetto alla bevanda.
Ma quanto c’è di scientificamente comprovato nelle proprietà “brucia grassi” del tè verde?
La questione sembra essere stata risolta da una accurata meta-analisi di 15 studi che ha analizzato la relazione tra perdita di peso e assunzione dei suddetti prodotti. Lo studio ha evidenziato che i prodotti a base di tè verde inducono, in adulti obesi ed in sovrappeso, una diminuzione di peso che:

  • non è statisticamente significativa;
  • è molto piccola;
  • probabilmente non è clinicamente importante.

Quindi, sulla base delle ricerche scientifiche, il tè verde non sembra essere di aiuto nella perdita di peso ne nel mantenimento del peso perso.

Attività anticariogena

Studi in vitro e su animali hanno messo in evidenza che il tè, e nello specifico i suoi polifenoli, sembrano possedere:

  • proprietà antibatteriche nei confronti di patogeni ad azione cariogena, ad es. Streptococcus mutans, come nel caso della EGCG del tè verde;
  • azione inibitoria sulla amilasi salivare e batterica, ruolo in cui le tearubigine e teaflavine del tè nero sembrano più efficaci delle catechine del tè verde;
  • azione inibitoria sulla produzione di acidi nella cavità orale.

Tutte queste caratteristiche rendono il tè verde ed il tè nero bevande con una potenziale attività anticariogena.

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Pressione, ipertensione ed assunzione di sodio

Un elevata assunzione di sodio (Na+), di cui la principale fonte è il sale da cucina o cloruro di sodio (NaCl) contribuisce ad aumentare la pressione arteriosa e allo sviluppo dell’ipertensione; ciò è supportato da molti studi epidemiologici, su animali, di migrazione delle popolazioni, e meta-analisi di studi, con la “prova finale” derivante da studi accuratamente controllati dose-risposta. Inoltre, nelle società primitive, dove l’apporto di Na+ è molto basso, i soggetti raramente vanno incontro ad ipertensione, e con l’avanzare dell’età non si verifica l’aumento della pressione arteriosa.
Probabilmente le dimensioni dell’effetto della sua assunzione sulla pressione arteriosa sono sottostimate.

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Consumo raccomandato

Il fabbisogno giornaliero del minerale è molto basso; infatti la quantità minima richiesta dall’uomo per il mantenimento della vita è di 250 mg/die (Nota: il sale iodato è un’importante fonte alimentare di iodio in tutto il mondo).
L’americano medio consuma Na+ in grande eccesso rispetto alle richieste fisiologiche; nonostante le linee guida pubblicate dal Departments of Agriculture and Health and Human Services, nel periodo compreso tra il 2005 ed il 2006 l’apporto medio di sale negli USA è stato di 10,4 g/die per l’uomo e 7,3 g/die per la donna, una quantità superiore rispetto agli anni precedenti.
Uno studio pubblicato a febbraio 2010 su “The New England Journal of Medicine” ha mostrato che “una riduzione di 3 g/die dell’apporto di sale (1200 mg di Na+/die) che coinvolga un’ampia fascia di popolazione dovrebbe ridurre il numero annuale di nuovi casi di malattia cardiovascolare di 60000/120000, di ictus di 32000/66000, di infarto del miocardio di 54000/99000 e ridurre il numero annuale di morti per qualsiasi causa di 44000/92000″ (Bibbins-Domingo et all., vedi Bibliografia).
Questi benefici, simili in ampiezza a quelli ottenibili da:

  • una riduzione del 50% del consumo di tabacco;
  • una riduzione del 5% dell’indice di massa corporea (BMI, acronimo dell’ingles Body Mass Index) negli adulti obesi;
  • una riduzione dei livelli di colesterolo.

Questi benefici riguardano tutte le fasce d’età adulta, i neri e i non neri, ed entrambe i sessi. I benefici per i neri sono maggiori rispetto a quelli per i non neri, in entrambe i sessi e in tutte le fasce d’età adulta. E’ stato stimato un risparmio annuale nelle spese sanitarie oscillante tra i 10 ed i 24 miliardi di dollari.
Studi clinici hanno anche documentato che una ridotta assunzione di sodio è in grado di abbassare la pressione arteriosa in un quadro di assunzione di farmaci antipertensivi, e può facilitare il controllo dell’ipertensione stessa.
Nonostante ciò il suo consumo negli USA è in aumento!
Pertanto si raccomanda, per prevenire lo sviluppo dell’ipertensione, una riduzione del suo apporto e, in ragione degli alimenti a disposizione e dell’elevato consumo corrente, una raccomandazione ragionevole può essere di porre come limite superiore 2,3 g/die (5,8 g/die di sale).
Come raggiungere questo livello?
Può essere raggiunto:

  • usando meno sale possibile durante la preparazione dei cibi;
  • evitando di aggiungerlo una volta che i cibi sono in tavola;
  • limitando i cibi trasformati molto salati.

Alimenti ricchi di sodio

Quali sono le principali fonti di sodio alimentare? Sono tre, di cui una in genere trascurabile.

  • Il sale utilizzato a tavola: rappresenta fino al 20% dell’apporto giornaliero;
  • Il sale o i composti del sodio aggiunti durante la preparazione o la trasformazione dei cibi: tra il 35 e 80% del sodio assunto giornalmente proviene dai cibi trasformati.Una delle principali fonti di sodio: il sale da cucinaIn quali cibi sono presenti?
    Carne e pesce trasformati, affumicati o sotto sale quali affettati, salsicce, salumi, tonno sott’olio ecc; estratti di carne e salse, snack salati, salsa di soia, salsa piccante, salse industriali pronte; alimenti preconfezionati surgelati; minestre in scatola, legumi in scatola, formaggi soprattutto a lunga stagionatura ecc.
    Ci sono anche molti additivi alimentari che contengono il minerale quali il fosfato disodico (ad es. nei cereali, gelati, formaggi), il glutammato monosodico (es. nella carne, minestre, condimenti), il sodio alginato (es. nei gelati), il sodio benzoato (es. nei succhi di frutta), il sodio idrossido (es. nei salatini e nei prodotti con cacao), il sodio propinato (es. nel pane), il sodio solfito (es. nella frutta secca), il sodio pectinato (es. negli sciroppi, gelati, marmellate), il sodio caseinato (es. nei gelati ed in altri prodotti surgelati), il sodio bicarbonato (es. nel lievito in polvere, zuppa di pomodoro, confetture).
    Quindi attenzione agli ingredienti!
  • Il sodio naturalmente presente negli alimenti. In genere basso negli alimenti freschi.

La risposta pressoria alla riduzione dell’apporto dietetico di Na+ è eterogenea, con gradi minori o maggiori a seconda degli individui. Di solito l’effetto della riduzione tende ad essere maggiore nei neri, nelle persone di mezza età e negli anziani, e nei soggetti con ipertensione, diabete e malattia renale cronica.
Inoltre la risposta a tale riduzione è influenzata da fattori sia genetici che dietetici.

Dieta e risposta pressoria al sodio

Alcuni componenti della dieta possono modificare la risposta pressoria al sodio.

  • Un elevato apporto dietetico di cibi ricchi di potassio e calcio, quindi frutta, verdura, legumi (ad es. la dieta mediterranea) e latticini magri (ad es. la dieta DASH) può prevenire o attenuare l’aumento della pressione a seguito di un dato aumento dell’apporto di Na+.
  • Alcuni dati, osservati principalmente in modelli animali, suggeriscono che una elevata assunzione di saccarosio potrebbe potenziare la sensibilità della pressione sanguigna verso sodio.

Nota: elevati apporti di Na+ possono contribuire allo sviluppo dell’osteoporosi: determinano infatti un aumento dell’escrezione renale di calcio, in modo particolare se l’assunzione giornaliera di calcio è bassa.

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Antocianine: i cibi più ricchi, l’assorbimento e il metabolismo

Insieme con le catechine e le proantocianidine, le antocianine o antociani ed i loro prodotti di ossidazione sono i flavonoidi più abbondanti nella dieta umana. Le antocianine si ritrovano:

  • in certe varietà di cereali pigmentati, come il riso nero o il mais viola;
  • in alcune verdure a foglia e a radice come melanzane, cavoli rossi, cipolle rosse e ravanelli, nei fagioli;
  • ma soprattutto nella frutta rossa.

Esempio di un alimento ricco di antocianine
Anche nel vino rosso sono presenti antociani (200-350 mg/L) che, nel corso dell’invecchiamento del vino stesso, sono trasformate in varie molecole complesse. Il contenuto nei cibi è generalmente proporzionale all’intensità del colore del frutto o verdura: aumenta nel corso della maturazione e raggiunge valori fino a 2-4 g/kg di peso fresco nel ribes nero e mirtilli rossi americani (cranberries). Questi polifenoli si trovano principalmente nella buccia, tranne che in certi tipi di frutta rossa, come ciliegie e frutti di bosco rossi (ad es. le fragole), dove sono presenti sia nella buccia che nella polpa. Gli antociani più comuni nei cibi sono i glicosidi della cianidina.

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Antocianine nella frutta

  • I frutti di bosco sono la principale fonte di antocianine, con valori variabili tra 66,8 e 947,5 mg/100 g di peso fresco.
  • Altri frutti, come l’uva rossa, le ciliegie e le prugne hanno contenuti variabili tra 2 e 150 mg/100 g di peso fresco.
  • Infine in frutti come pesche, nettarine ed alcuni tipi di pere e mele sono scarsamente presenti, con un contenuto inferiori a 10 mg/100 g peso fresco.

Il mirtillo rosso americano (cranberry), oltre ad avere un contenuto notevolmente elevato di antociani, è uno dei rari alimenti che contiene glicosidi delle sei antocianidine più comunemente trovate nei cibi: cianidina, peonidina, malvidina, pelargonidina, delfinidina, e petunidina. Gli antociani predominanti sono i 3-O-galattosidi e 3-O-arabinosidi della cianidina e peonidina; sono stati rilevati un totale di 13 antociani, principalmente in forma di 3-O-monoglicosi.

Assorbimento intestinale

Fino a poco tempo fa si riteneva che gli antociani, insieme alle proantocianidine e ai derivati dell’acido gallico delle catechine, fossero i polifenoli meno ben assorbiti dall’intestino, con un tempo di comparsa nel plasma coerente con l’assorbimento sia nello stomaco che nell’intestino tenue. In realtà, alcuni studi hanno rivelato che la loro biodisponibilità è stata sottovalutata dal momento che tutti i loro metaboliti potrebbero non essere ancora stati identificati. A questo riguardo va sottolineato che solo una piccola parte delle antocianine presenti negli alimenti è assorbita come tale o come prodotti di idrolisi in cui lo zucchero è stato rimosso. Quindi, una grande quantità di questi polifenoli ingeriti entra nel colon, dove possono anche subire reazioni di glucuronidazione, solfatazione, metilazione ed ossidazione.

Antocianine e microbiota del colon

Sono pochi gli studi che hanno esaminato il metabolismo degli antociani da parte del microbiota intestinale del colon, che è parte del più ampio microbiota umano.
Entro due ore sembra che tutti siano privati della loro componente zuccherina, liberando quindi antocianidine. Le antocianidine sono molecole chimicamente instabili nel pH neutro del colon che possono essere metabolizzate dalla microflora del colon o semplicemente essere degradate chimicamente con produzione di una serie di nuove molecole non ancora completamente identificate ma che comprendono acidi fenolici come:

  • acido gallico;
  • acido protocatecuico;
  • acido siringico;
  • acido vanillico;
  • floroglucinolo (1,3,5-triidrossibenzene).

Queste molecole, grazie alla loro maggiore stabilità sia chimica che microbica, potrebbero essere le principali responsabili delle attività antiossidanti e degli altri effetti fisiologici osservati in vivo ed attribuiti agli antociani.

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Polifenoli del tè: composti bioattivi dalle foglie del tè

Le foglie della pianta del tè, Camellia sinensis, sono ricche di composti dotati di molte attività biologiche, che spaziano dalla prevenzione dello sviluppo di patologie croniche alla riduzione dell’indice glicemico degli alimenti ricchi di amido.
Nell’infuso sono state individuate più di 4000 molecole differenti, di cui circa un terzo sono polifenoli, i fitochimici più importanti nel determinare il valore nutrizionale della tè.
La maggior parte dei polifenoli del tè appartengono al gruppo dei flavonoidi. Esempi sono le catechine del tè verde, tra cui la più importante e abbondante è la epigallocatechina-3-gallato o EGCG, e le tearubigine e teaflavine del tè nero, per le cui azioni a livello molecolare sembrano essere importanti i gruppi galloile presenti nelle posizioni 3 e/o 3’.

Formula di struttura della epigallocatechina gallato, una catechina, ed uno dei polifenoli del te
Epigallocatechina Gallato

Altri composti naturalmente presenti nelle foglie di Camellia sinensis sono:

  • alcaloidi, come caffeina, teofillina e teobromina;
  • aminoacidi, tra i quali uno dei più importanti è la teanina o R-glutamiletilamide, che è anche un neurotrasmettitore cerebrale ed uno dei più importanti aminoacidi presenti nel tè verde;
  • proteine;
  • carboidrati;
  • clorofilla;
  • acidi organici volatili, ossia molecole facilmente vaporizzabili che contribuiscono all’aroma della bevanda;
  • fluoro, alluminio ed oligoelementi.

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Attività biologiche dei polifenoli

I polifenoli, sia in vitro che in vivo, hanno un ampio spettro di attività biologiche che includono:

  • proprietà antiossidanti/pro-ossidanti;
  • un ruolo protettivo nei confronti dello sviluppo del diabete, delle iperlipidemie e di vari tipi di tumori;
  • inibizione dell’infiammazione;
  • attività antivirali;
  • un’attività inibitoria sulla digestione dell’amido;
  • attività anticariogene.

Data la loro abbondante presenza nel tè, negli ultimi anni è cresciuto l’interesse riguardo ai possibili effetti preventivi della bevanda nei confronti di diverse malattie, in particolare delle malattie cardiovascolari, ad esempio nello sviluppo e progressione dell’aterosclerosi.

Meccanismi d’azione dei polifenoli del tè

Attualmente si stanno accumulando molte informazioni sui meccanismi cellulari e molecolari attraverso cui i polifenoli del tè esercitano i loro effetti.
Sembra, almeno in vitro, che siano le catechine per il tè verde e le teaflavine e tearubigine per il tè nero, le molecole responsabili degli effetti fisiologici e dei benefici per la salute esercitati dalla bevanda.
Tra gli meccanismi molecolari con cui i polifenoli del tè sembrano agire, sono state osservate modifiche nell’attività di varie protein chinasi conseguenti al loro legame a specifici recettori presenti sulla membrana plasmatica. Le chinasi a loro volta andranno a fosforilare proteine bersaglio, quali ad esempio fattori di trascrizione che potranno così traslocare nel nucleo modificandone l’espressione genica. Questo sembra essere il meccanismo d’azione di EGCG e il meccanismo proposto per le tearubigine, molecole di grandi dimensioni che potrebbero non essere in grado di attraversare la membrana plasmatica.
In aggiunta al legame polifenolo-recettore di membrana, alcuni polifenoli potrebbero essi stessi passare all’interno della cellula legandosi poi a specifici bersagli citoplasmatici, mitocondriali o nucleari.
E, a seconda del tipo cellulare e della loro quantità, i polifenoli del tè potranno attivare o inibire determinati processi cellulari.

Polifenoli del tè e digestione dell’amido

I polifenoli del tè esercitano un effetto inibitorio sulla digestione dell’amido.
Studi in vitro hanno evidenziato che estratti di tè verde, che contengono polifenoli monomerici, hanno una pari efficacia inibitoria sulla digestione dell’amido del pane con e senza glutine, mentre estratti di tè nero, ricchi di tannini, ossia polifenoli polimerici, risultano meno efficaci nel caso del pane con glutine.
Sembra quindi che l’azione inibitoria operata dai tannini sia influenzata negativamente dal glutine, mentre il glutine ha uno scarso effetto inibitorio nei confronti dell’azione dei polifenoli monometrici.
L’effetto inibitorio dei fitochimici è stato attribuito a diversi meccanismi, di seguito brevemente descritti.

  • Un’inibizione competitiva sulla alfa-amilasi pancreatica, azione in cui sembrano essere importante i gruppi galloile.
  • L’inibizione di altri enzimi digestivi presenti nel tratto gastrointestinale.
  • L’interazione con l’amido. I polifenoli potrebbero interagire direttamente con i granuli di amido, attraverso legami idrogeno e forze idrofobiche, riducendo in questo modo la superficie disponibile all’attacco da parte degli enzimi digestivi.
  • Di contro il glutine potrebbe ridurre la quantità di polifenoli in grado di interagire con l’amido e quindi in grado di inibirne la digestione.

I polifenoli del tè potrebbero rappresentare un mezzo per il controllo dell’indice glicemico dei cibi ricchi di amido. Tuttavia va sottolineato che, ad esempio nel caso del pane, per raggiungere un effetto inibitorio reale, l’ingestione di 100 g di pane deve essere accompagnata dalla coingestione di due tazze e mezzo di tè verde o due di tè nero.

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Isoflavoni: cosa sono, dove si trovano, a cosa servono

Gli isoflavoni sono polifenoli privi di colore appartenenti alla famiglia dei flavonoidi.
A differenza della maggior parte degli altri flavonoidi, hanno una distribuzione tassonomica limitata, trovandosi quasi esclusivamente nelle piante appartenenti alla famiglia delle Leguminose o Fabacee, in particolare nella soia.
Poiché i legumi, la soia in primis, sono una parte importante della dieta in molte culture, questi flavonoidi potrebbero avere un grande impatto sulla salute umana.
Si trovano anche nei fagioli e nelle fave, ma in concentrazioni molto minori rispetto a quelle presenti nella soia e nei prodotti derivati.
Un’altra buona fonte di tali molecole è il trifoglio rosso o trifoglio dei prati (Trifolium pratense), anch’esso appartenente alla famiglia delle Leguminose.
Nella frutta e verdura, al momento, non ne sono stati trovati.

Insieme agli acidi fenolici, quali l’acido caffeico e l’acido gallico, e ai glicosidi della quercetina, sono i polifenoli meglio assorbiti, seguiti dalle catechine (ma non le gallocatechine) e dai flavanoni.

Nelle piante alcuni isoflavoni sono dotati di attività antimicrobica e sono sintetizzati in risposta ad attacchi da parte di batteri o funghi; agiscono quindi come fitoalesine.

INDICE

Struttura chimica degli isoflavoni

Mentre nella maggior parte dei flavonoidi l’anello B si lega all’anello C in posizione 2, negli isoflavoni l’anello B si lega all’anello C in posizione 3.

Formula di struttura dello scheletro di base degli isoflavoni, polifenoli della famiglia dei flavonoidi
Scheletro di Base degli Isoflavoni

Anche se non sono steroidi, sono strutturalmente simili agli estrogeni, in particolare all’estradiolo. Questo conferisce loro proprietà pseudormonali, compresa la capacità di legarsi ai recettori per gli estrogeni, e sono per questo considerati fitoestrogeni o estrogeni vegetali. I benefici spesso ascritti alla soia e ai cibi a base di soia (es. il tofu) si ritiene derivino dalla capacità degli isoflavoni presenti di agire come fitoestrogeni.
Va però sottolineato che il legame ai recettori per gli estrogeni sembra perdere forza con il tempo, per cui la loro efficacia non andrebbe sopravvalutata.
Negli alimenti sono presenti in quattro forme:

  • aglicone;
  • 7-O-glucoside;
  • 6’-O-acetil-7-O-glucoside;
  • 6’-O-malonil-7-O-glucoside.

Isoflavoni della soia: genisteina, daidzeina e gliciteina

La soia ed i derivati della soia, come il latte di soia, il tofu, il tempeh e il miso, sono la principale fonte di isoflavoni nella dieta umana.
Il contenuto in isoflavoni della soia e dei prodotti derivati varia in modo considerevole in funzione della zona geografica e delle condizioni di crescita e lavorazione; ad es. la soia ne contiene tra 580 e 3800 mg/kg di peso fresco mentre il latte di soia tra i 30 e i 175 mg/L. I più abbondanti in questi alimenti sono la genisteina, la daidzeina e la gliciteina, in genere presenti in rapporto di concentrazione 1:1:0,2; altri isoflavoni presenti sono la biocanina A e la formononetina.

Formule di struttura degli isoflavoni genisteina, daidzeina, gliciteina, biocanina A, formononetina
Esempi di Isoflavoni

I 6’-O-malonil derivati hanno un gusto sgradevole, amaro e astringente, e quindi conferiscono un cattivo sapore ai cibi in cui sono contenuti. Tuttavia, essendo sensibili alla temperatura, sono spesso idrolizzati a glicosidi nel corso dei processi industriali, come la produzione del latte di soia.
I processi di fermentazione che sono necessari nella preparazione di certi cibi come il tempeh ed il miso determinano a loro volta l’idrolisi dei glicosidi ad agliconi, ossia la molecola priva di zucchero.
I glicosidi degli isoflavoni della soia e dei prodotti della soia possono essere deglicosilati anche ad opera delle β-glicosidasi dell’intestino tenue umano.
Gli agliconi sono molto resistenti al calore.
Sebbene molti composti presenti nella dieta siano convertiti dai batteri intestinali in molecole meno attive, in altri casi si verifica la conversione in molecole dotate di maggiore attività biologica. Questo è il caso degli isoflavoni, ma anche dei prenilflavonoidi del luppolo (Humulus lupulus), e dei lignani, anch’essi fitoestrogeni.

Fitoestrogeni e menopausa

Nelle donne in perimenopausa, anche detta transizione menopausale, e in menopausa vera e propria, i sintomi vasomotori, come le vampate di calore e le sudorazioni notturne, e la perdita di massa ossea sono molto comuni. La terapia sostitutiva ormonale (TOS) si è dimostrata un trattamento molto efficace per queste problematiche.
Il ricorso a terapie alternative a base di fitoestrogeni è aumentato a seguito della pubblicazione dei risultati del “Women’s Health Initiative” (WHI), i quali suggeriscono che la terapia sostitutiva ormonale potrebbero portare più rischi, in particolare un aumento della probabilità di sviluppare di alcune malattie croniche, che benefici.
Tra i fitoestrogeni più utilizzati dalle donne in menopausa ci sono gli isoflavoni della soia, spesso assunti in forma di alimenti fortificati o compresse. Molti studi hanno però messo in evidenza la mancanza di efficacia degli isoflavoni di soia, e del trifoglio rosso, anche in grandi dosi, nella prevenzione dei sintomi vasomotori (vampate di calore e sudorazioni notturne) e della perdita di massa ossea durante la menopausa.

Bibliografia

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Proantocianidine e procianidine: alimenti e benefici

L’interesse sulle proantocianidine, e sul loro contenuto nei cibi, è accresciuto a seguito della scoperta, conseguente a studi clinici e di laboratorio, delle loro proprietà antiinfiammatorie, anti-infettive, anti-carcinogeniche e cardioprotettive. Questi effetti protettivi sono stati attribuiti alla:

  • loro capacità di agire come scavenger nei confronti dei radicali liberi e di inibire la perossidazione lipidica;
  • sono inoltre in grado di agire su vari bersagli molecolari proteici all’interno della cellula, modulandone l’attività.

Le proantocianidine in alimenti differenti variano notevolmente in termini di:

  • contenuto totale;
  • distribuzione degli oligomeri e polimeri;
  • unità di catechine che le costituiscono;
  • collegamenti tra le unità costitutive.

In alcuni alimenti, come gli anacardi ed i fagioli neri, sono presenti solamente dimeri, le procianidine di tipo A e B, mentre nella maggior parte degli altri si ritrovano in una vasta gamma di polimerizzazioni, da 2 a 10 unità ed oltre.

Gli alimenti più ricchi di proantocianidine sono la cannella ed il sorgo, che ne contengono rispettivamente circa 8000 e fino a 4000 mg/100 g di prodotto fresco.
Un’altra ricca fonte sono i semi d’uva (Vitis vinifera), con un contenuto di circa 3500 mg/100 g di peso secco.
Altre fonti importanti sono la frutta ed i frutti di bosco, alcuni legumi, il vino rosso e in misura minore la birra, nocciole, pistacchi,mandorle, noci e il cacao.
Il caffè non è una buona fonte.
Nella maggior parte delle verdure le proantocianidine non sono rilevabili; in piccole concentrazioni sono state trovate nella zucca indiana.
Anche nel mais, riso e grano non sono rilevabili, mentre sono presenti nell’orzo.

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Fonti alimentari di procianidine di tipo A

Sebbene molti alimenti vegetali e prodotti derivati contengano elevate quantità di proantocianidine, solo pochi, come le prugne, l’avocado, le arachidi o la cannella, contengono procianidine di tipo A, ma nessuno in quantità pari ai mirtilli rossi americani (Cranberries, Vacciniun macrocarpon).

Formula di struttura di una delle procianidine: la procianidina A2

Nota: le procianidine di tipo A mostrano, in vitro, una capacità di inibizione dell’adesione di Escherichia coli P-fimbriata alle cellule uroepiteliali (adesione che rappresenta la fase iniziale delle infezioni urogenitali) maggiore rispetto alle procianidine di tipo B.

Fonti alimentari di procianidine di tipo B

Le procianidine di tipo B, formate da catechina e/o epicatechina come unità costitutive, sono state rilevate come proantocianidine esclusive in 20 tipi di alimenti tra cui mirtilli neri (Vaccinium myrtillus), more, bacche dell’Aronia, semi d’uva, mele, pesche, pere, nettarine, kiwi, mango, datteri, banane, zucca indiana, sorgo, orzo, piselli occhio nero, fagioli neri, noci ed anacardi.

Proantocianidine nella frutta

Nella dieta occidentale la frutta rappresenta la fonte più importante di proantocianidine.
Le principali fonti sono rappresentate dai:

  • frutti di bosco (ad es. mirtilli neri, mirtilli rossi americani e ribes nero) e susine (prugne), con un contenuto di circa 200 mg/100 g di prodotto fresco;
  • fonti intermedie sono mele ed uva (60-90 mg/100 g);
  • negli altri frutti il contenuto è inferiore a 40 mg/100 g.

Nella frutta, le più comuni proantocianidine sono tetrameri, esameri e polimeri.
Buone fonti di proantocianidine sono anche alcuni succhi di frutta.

Proantocianidine nei semi d’uva

Come detto, una fonte particolarmente ricca di proantocianidine è rappresentata dai semi dell’uva.
Le proantocianidine presenti nei semi dell’uva sono solo procianidine di tipo B, per la maggior parte presenti come dimeri, trimeri e oligomeri altamente polimerizzati.
Le proantocianidine da questa fonte si sono dimostrate potenti antiossidanti e scavenger di radicali liberi, essendo più efficaci della vitamina C (acido ascorbico) o della vitamina E.
Esperimenti condotti sia in vivo che in vitro supportano l’idea che le proantocianidine, ed in particolare quelle dei semi dell’uva, possano agire come agenti anti-carcinogenici; sembra che , nelle cellule cancerose, siano coinvolte nella:

  • riduzione della proliferazione cellulare;
  • nell’aumento dell’apoptosi;
  • nell’arresto del ciclo cellulare;
  • nella modulazione dell’espressione e dell’attività di NF-kB e dei geni bersaglio di NF-kB.

Bibliografia

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Flavonoli: cosa sono, struttura e alimenti

I flavonoli sono polifenoli appartenenti alla famiglia dei flavonoidi.
Sono molecole prive di colore che si accumulano principalmente nei tessuti esterni ed aerei, quindi pelle e foglie, di frutta e verdura, poiché la loro biosintesi è stimolata dalla luce solare. Sono praticamente assenti nella polpa.
Sono i flavonoidi più diffusi nella frutta e verdura, dove sono presenti generalmente in concentrazioni relativamente basse.
Data la loro diffusione in natura e nei cibi consumati dall’uomo, tali molecole devono essere tenute in considerazione quando si va ad analizzare l’effetto positivo sulla salute associato al consumo di frutta e verdura. Il loro effetto è probabilmente legato alla loro capacità di:

  • agire come antiossidanti;
  • agire come agenti ad azione antiinfiammatoria;
  • agire come fattori antitumorali;
  • modulare diverse vie di segnalazione cellulare; un esempio è l’azione della quercetina, il flavonolo più diffuso, sulla attività ossidante delle MAPK indotta dallo stress.

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Struttura chimica dei flavonoli

Chimicamente si distinguono da molti altri flavonoidi in quanto presentano un doppio legame tra le posizioni 2 e 3 e un ossigeno in posizione 4 dell’anello C, al pari dei flavoni da cui però differiscono per la presenza di un gruppo ossidrilico in posizione 3. Dunque si può dire lo scheletro dei flavonoli è un 3-idrossiflavone.

Formula di struttura dello scheletro di base dei flavonoli, polifenoli della famiglia dei flavonoidi
3-Idrossiflavone

Il gruppo ossidrilico in posizione 3 può legare uno zucchero ossia può essere glicosilato.
Al pari di molti altri flavonoidi, la maggior parte di essi si trova nella frutta e verdura, e nei prodotti derivati, in forma glicosilata. Lo zucchero associato ai flavonoli è spesso rappresentato dal glucosio o dal ramnosio, ma possono essere coinvolti anche altri zuccheri, come:

  • galattosio;
  • arabinosio;
  • xilosio;
  • acido glucuronico.

I flavonoli sono rappresentati principalmente dai glicosidi di:

  • quercetina;
  • campferolo;
  • miricetina;
  • isoramnetina.
Formule di struttura dei flavonoli quercetina, campferolo, miricetina, isoramnetina
Flavonoli

I più diffusi sono i derivati glicosilati di quercetina e campferolo; in natura queste due molecole hanno rispettivamente almeno 279 e 347 diverse combinazioni glicosidiche.
Va infine sottolineato che il residuo di zucchero influenza la biodisponibilità del flavonolo.

Alimenti ricchi di flavonoli

Le fonti principali nell’alimentazione umana sono:

  • frutta;
  • verdura;
  • bevande quali il tè ed il vino rosso.

La fonte più ricca è rappresentata dai capperi, che ne contengono fino a 490 mg/100 g di peso fresco, ma si trovano abbondanti anche nelle cipolle, nel cavolo riccio, broccoli, porri, frutti di bosco (ad es. nei mirtilli), nell’uva e in alcune erbe e spezie, come ad es. l’aneto (Anethum graveolens). In queste fonti il loro contenuto varia da 10 a 100 mg/100 g di peso fresco.
Anche il cacao, il te verde ed il te nero, ed il vino rosso ne sono fonti. Nel vino, insieme ad altri polifenoli  come le catechine, le proantocianidine e polifenoli a basso peso molecolare, concorrono al carattere astringente della bevanda.

Principali flavonoli negli alimenti

I principali flavonoli presenti negli alimenti, in ordine decrescente di abbondanza, sono la quercetina, il kempferolo, la miricetina e la isoramnetina

Quercetina

L’alimento più ricco di quercetina è rappresentato dai capperi, seguiti da cipolle, asparagi, lattuga e frutti di bosco; in molta altra frutta e verdura è presente in quantità minori, attorno a 0,1-5 mg/100 g di peso fresco.
Questo flavonolo è presente anche nel cacao e potrebbe essere uno dei suoi principali fattori di protezione nei confronti dell’ossidazione delle LDL.
Insieme agli isoflavoni, i glicosidi della quercetina sono i polifenoli meglio assorbiti, seguiti dai flavanoni e dalle catechine (al contrario dei derivati dell’acido gallico delle catechine che sono tra i polifenoli meno assorbiti, insieme con gli antociani e le proantocianidine).

Campferolo

Fonti caratteristiche di campferolo sono gli ortaggi, come indivia, cavolo e spinaci, con concentrazioni di circa 0,1-26,7 mg/100 g peso fresco, e alcune spezie, come erba cipollina, dragoncello, e finocchio, con concentrazioni di circa 6,5-19 mg/100 g di peso fresco.
I frutti sono una fonte povera della molecola, con un contenuto inferiore a 0,1 mg/100 g di peso fresco.

Miricetina

La miricetina è il terzo flavonolo più abbondante e si trova in alcune spezie, come prezzemolo, origano e finocchio con concentrazioni di circa 2-19,8 mg/100 g di peso fresco, ma anche nel tè, 0,5-1,6 mg/100 ml, e nel vino rosso, 0-9,7 mg/100 ml.
Nella frutta è presente in elevate concentrazioni solo nei frutti di bosco, mentre nella maggior parte dell’altra frutta e nella verdura è presente con un contenuto inferiore a 0,2 mg/100 g di peso fresco.

Isoramnetina

Un quarto flavonolo, meno abbondante rispetto ai precedenti, è la isoramnetina, presente solo in alcuni alimenti come ad es. alcune spezie quali: finocchio 9,3 mg/100 g di peso fresco, erba cipollina 5,0-8,5 mg/100 g di peso fresco, dragoncello 5 mg/100 g di peso fresco.
Nella frutta e verdura è presente solo nelle mandorle, dove varia tra 1,2 e 10,3 mg/100 g di peso fresco, nelle pere e cipolle.

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Antociani: cosa sono, dove si trovano, struttura, pH

Gli antociani o antocianine sono un sottogruppo di flavonoidi, e dunque di polifenoli, che conferisce alle piante i colori caratteristici.
Sono pigmenti solubili in acqua, si trovano disciolti nella linfa vacuolare dei tessuti epidermici di fiori e frutta, e sono responsabili dei colori della maggior parte dei petali, della frutta e verdura, e di alcune varietà di cereali come il riso nero.
A loro si devono i colori rosso, rosa e dal viola al blu dei frutti di bosco, delle mele rosse, dell’uva rossa, delle ciliegie, e di molti altri frutti, della lattuga rossa, del cavolo rosso, della cipolla o delle melanzane, ma anche del vino rosso.
Insieme ai carotenoidi, sono responsabili del colore delle foglie in autunno.
Infine le antocianine concorrono ad attrarre gli animali quando il fiore è pronto per l’impollinazione o il frutto è pronto per essere mangiato.

Sono composti bioattivi presenti nei cibi di origine vegetale che hanno un duplice interesse per l’uomo:

  • tecnologico, conseguente al loro impatto sulle caratteristiche sensoriali del prodotto;
  • salutare, essendo implicati nella protezione nei confronti del rischio cardiovascolare.

in vitro, le antocianine hanno un’attività antiossidante, grazie alla loro capacità di delocalizzare gli elettroni e formare strutture di risonanza, ed un ruolo protettivo nei confronti dell’ossidazione delle LDL;

al pari di altri polifenoli, come le catechine, le proantocianidine e altri flavonoidi non colorati, possono regolare diverse vie di segnalazione coinvolte nella sopravvivenza, crescita e differenziazione della cellula.

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Struttura chimica degli antociani

La struttura chimica di base è il catione flavilio o 2-fenilbenzopirilio cui si legano gruppi idrossilici (-OH), metossilici (-OCH3) ed uno o più zuccheri.
La molecola priva di zucchero è detta antocianidina.

Formula di struttura dello scheletro di base degli antociani: il catione flavilio o 2-fenil benzopirilio
Catione Flavilio

In base al numero e alla posizione dei gruppi idrossilici e metossilici sono state descritte varie antocianidine, e di queste, sei si trovano comunemente nella frutta e verdura:

  • pelargonidina
  • cianidina
  • delfinidina
  • petunidina
  • peonidina
  • malvidina
Formule di struttura di differenti antociani
Antociani o Antocianine

Le antocianine, come la maggior parte degli altri flavonoidi, sono presenti nelle piante e nei cibi derivati in forma di glicosidi, ossia legati ad una o più unità glucidiche.
I tipi più comuni di carboidrati presenti in questi pigmenti naturali sono:

Gli zuccheri sono legati principalmente in posizione C3 come 3-monoglicosidi, in C3 e C5 come diglicosidi (con le possibili forme 3-diglicoside, 3,5-diglicosidi e 3-diglicoside-5-monoglicoside).
Sono state osservate anche glicosilazioni in posizione C7, C3’ e C5’.
La struttura di queste molecole è ulteriormente complicata dal legame allo zucchero di diversi tipi di sostituenti acilici quali:

  • acidi alifatici, come l’acido acetico, malico, succinico e malonico;
  • acidi cinnamici (aromatici), come l’acido sinapico, ferulico e p-cumarico;
  • infine, si ritrovano pigmenti con sostituenti sia alifatici che aromatici.

Inoltre in alcuni antociani si osserva la presenza di diversi zuccheri acilati nella struttura; questi antociani sono talvolta definiti come poliglicosidi.
Sulla base del tipo di idrossilazione, metossilazione e glicosilazione, come dei diversi sostituenti legati allo zucchero, sono state individuate oltre 500 antocianine differenti che si basano su 31 monomeri di antocianidine. Tra questi 31 monomeri:

  • il 30% deriva dalla cianidina;
  • il 22% dalla delfinidina;
  • il 18% dalla pelargonidina.

I derivati metilati delle sopracitate antocianidine, ossia peonidina, malvidina e petunidina, insieme rappresentano il 20% degli antociani.
Quindi il 90% degli antociani che si incontrano più di frequente sono relati alla cianidina, delfinidina e pelargonidina più i loro derivati metilati.

Ruolo del pH

Il colore delle antocianine dipende dal pH del vacuolo cellulare dove sono immagazzinate, variando dal:

  • rosso, in condizioni molto acide;
  • viola-blu, in condizioni di pH intermedio;
  • giallo-verde, in ambiente alcalino.

Oltre che dal pH, il colore di questi flavonoidi può essere influenzato dal grado di idrossilazione o dal tipo di metilazione degli anelli aromatici, come dal tipo di glicosilazione.
Infine il colore di certi pigmenti vegetali deriva da complessi tra antocianine, flavoni e ioni metallici.
Da notare che le antocianine sono spesso utilizzati come indicatori di pH grazie alle differenze nella struttura chimica che si verificano in risposta a cambiamenti di pH.

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Proantocianidine: cosa sono, struttura ed assorbimento

Le proantocianidine o tannini condensati, chiamate anche picnogenoli o leucocianidine, sono una sottogruppo di polifenoli, ed in particolare di flavonoidi, ampiamente distribuito nel regno vegetale, e seconde solo alla lignina come fenolo più abbondante in natura.
Sono presenti in elevata concentrazione in varie parti delle piante come i fiori, i frutti, le bacche, i semi (ad es. i semi d’uva) e la corteccia (ad es. la corteccia di pino).

Insieme agli antociani ed i loro prodotti di ossidazione, e alle catechine, sono i flavonoidi più abbondanti nella dieta dell’uomo ed è stato suggerito che costituiscano una frazione significativa dei polifenoli ingeriti nella dieta occidentale.
Dunque i tannini condensati vanno presi in considerazione quando si studia l’associazione epidemiologica tra l’assunzione di polifenoli, ed in particolare dei flavonoidi, e le malattie croniche.

INDICE

Struttura chimica delle proantocianidine

Le proantocianidine hanno una struttura chimica complessa essendo oligomeri (da dimeri a pentameri) o polimeri  (sei o più unità, fino a 60) delle catechine o flavanoli, legate tra di loro da ponti carbonio-carbonio.

Formula di struttura dello scheletro di base delle procianidine
Struttura di Base delle Procianidine

Possono essere costituite da sole subunità di:

  • (epi)catechina, e sono definite procianidine;
  • (epi)afzelechina, e sono definite propelargonidine;
  • <(epi)gallocatechina, e sono definite prodelfinidine.

Propelargonidine e prodelfinidine sono meno frequenti in natura e nei cibi rispetto alle procianidine.

In base ai legami che si stabiliscono tra i monomeri le proantocianidine posso avere una struttura definita:

  • di tipo B se la polimerizzazione avviene tramite legame carbonio-carbonio tra la posizione 8 dell’unità terminale e la 4 della successiva o tra le posizioni 4 e 6;
  • di tipo A, meno frequente, se i monomeri sono doppiamente legati tramite un legame etere C2-O-C7 o C2-O-C5 e un legame di tipo B.

Procianidine

I dimeri più comuni sono procianidine di tipo B, da B1 a B8, formati da catechina o epicatechina, unite da legami C4-C8, da B1 a B4, o C4-C6,da B5 a B8.

Formula di struttura della procianidine B1, B2, B3 e B4
Procianidine B1-B4

La procianidina C1 è un trimero di tipo B.

La procianidina A2 è un esempio di procianidina di tipo A.

Assorbimento intestinale delle proantocianidine

I tannini condensati sono scarsamente assorbiti a livello intestinale e, con gli antociani ed i derivati esteri con l’acido gallico delle catechine del tè, sono i polifenoli meno ben assorbiti.
Sembra che gli oligomeri a basso peso molecolare (2-3 monomeri) possano essere assorbiti come tali mentre i polimeri non lo sono.
Nella circolazione sistemica i dimeri raggiungono concentrazioni di due ordini di grandezza inferiori rispetto a quelle delle catechine.
Le proantocianidine con un grado di polimerizzazione maggiore di tre sembra che attraversino lo stomaco e l’intestino tenue senza significative modificazioni, per poi essere catabolizzate ad opera della microflora del colon. I prodotti di degradazione includono gli acidi fenilacetico, fenilpropionico e fenilvalerico, acidi fenolici che sono stati suggeriti essere i principali metaboliti delle proantocianidine oligomeriche e polimeriche negli esseri umani sani.

Procianidine e catechine

In passato era stato proposto che il catabolismo intestinale delle procianidine portasse alla liberazione di catechine monomeriche, contribuendo così al loro pool sistemico negli esseri umani.
In realtà è stato dimostrato che ciò non accade in quanto le procianidine non contribuiscono in maniera significativa:

  • alla concentrazione dei metaboliti delle catechine nella circolazione sistemica;
  • al totale dei metaboliti delle catechine escreti con le urine;
  • infine, non influenzano in modo significativo il profilo dei metaboliti plasmatici derivanti dall’attività della catecol-O-metiltransferasi.

Pertanto quando si vanno ad analizzare i potenziali effetti benefici sulla salute associati all’assunzione di cibi contenenti questi fitochimici, catechine e procianidine debbono essere considerate classi distinte di composti correlati.

Bibliografia

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Catechine: cosa sono, struttura, in quali alimenti si trovano

Le catechine o flavanoli, con i flavonoli come la quercetina, ed i flavoni come la luteolina, sono un sottogruppo di flavonoidi tra più diffusi in natura.
Flavanoli e proantocianidine, insieme con le antocianine ed i loro prodotti di ossidazione sono i flavonoidi più abbondanti nella dieta dell’uomo.

INDICE

Struttura chimica delle catechine

Chimicamente si distinguono da molti altri flavonoidi in quanto:

  • mancano del doppio legame tra la posizione 2 e 3 dell’anello C;
  • non presentano un gruppo chetonico in posizione 4;
  • in posizione 3 hanno un gruppo ossidrilico e per questo sono anche chiamati flavan-3-oli.
Formula di struttura dello scheletro di base delle catechine, tra i flavonoidi più abbondanti nella dieta
Scheletro di Base delle Catechine

Altra caratteristica distintiva dei flavan-3-oli è quella di formare oligomeri (da 2 a 10 unità) o polimeri (da 10 fino a 60 unità) detti proantocianidine o tannini condensati.

Alimenti ricchi di catechine

Nei prodotti di origine vegetale si trovano di solito catechina, epicatechina, gallocatechina, epigallocatechina ed i loro derivati esteri con l’acido gallico: catechina gallato, gallocatechina gallato, epicatechina gallato ed epigallocatechina gallato (EGCG).

Formule di struttura di catechina, gallocatechina, epicatechina e epigallocatechina
Catechine

I flavanoli presenti con frequenza maggiore sono la catechina e la epicatechina, che sono anche tra i flavonoidi più comuni conosciuti, e quasi altrettanto diffusi come il flavonolo correlato quercetina.
Le fonti di gran lunga più ricche di flavanoli sono il cacao ed il tè verde, dove i principali flavonoidi sono oltre che catechina ed epicatechina (il cacao è una buona fonte anche di epigallocatechina), anche i loro derivati esteri con l’acido gallico, le gallocatechine.

Formule di struttura dei derivati gallati di catechina, gallocatechina, epicatechina e epigallocatechina
Derivati Gallati delle Catechine

Sono comunque presenti anche in molti tipi di frutta, soprattutto nelle bucce di mele, mirtilli neri (Vaccinium myrtillus)  ed uva, nelle verdure, nel vino rosso, nella birra e nelle arachidi.
Poiché in molti casi i flavanoli sono presenti nelle bucce o nei semi di frutta e verdura, la loro assunzione può essere limitata dal fatto che queste parti sono eliminate prima di mangiare frutta e verdura o durante la loro lavorazione.
Inoltre rispetto alle altre classi di flavonoidi, le catechine presenti nei cibi non sono glicosilate.
Nei cibi di origine vegetale si trovano comunemente anche flavan-3-oli polimerici, le proantocianidine; è stata riportata la loro presenza nella buccia di arachidi e mandorle, come nei frutti di bosco.

Tè verde e nero

Il tè verde rappresenta un’ottima fonte di flavonoidi, e, come per i semi del cacao, anche nelle foglie del tè i principali flavonoidi presenti sono i flavanoli monomerici, catechina ed epicatechina, insieme con i loro derivati gallati, come ad es, laEGCG.
La epigallocatechina gallato è la catechina più abbondante nel tè verde e sembra avere un ruolo importante nel determinare gli effetti salutari della bevanda, come:

  • la riduzione dell’infiammazione vascolare;
  • l’abbassamento della pressione;
  • la riduzione della concentrazione delle LDL ossidate.

Il tè nero (tè fermentato) contiene meno flavanoli monomerici, in quanto vengono ossidati durante il processo di fermentazione delle foglie con produzione di polifenoli più complessi come le teaflavine teaflavina digallato, teaflavina-3-gallato, e teaflavina-3’-gallato (tutte dimeri) e le tearubigine (polimeri).
Teaflavine e tearubigine sono catechine presenti solamente nel tè, le cui concentrazioni misurate nell’infuso sono circa 50-100 volte più basse rispetto a quelle presenti nelle foglie.

Degno di nota è il fatto che le epicatechine del tè sono notevolmente stabili quando esposte al calore fin quando il pH è acido: solamente il 15% è degradato dopo 7 ore in acqua bollente a pH 5 (quindi ad es. l’aggiunta di succo di limone all’infuso di tè non determina alcuna riduzione del loro contenuto).

Cacao e prodotti derivati

Il cacao ha il più alto contenuto in polifenoli e flavanoli per porzione, una concentrazione maggiore rispetto a quelle trovate nel tè verde e nel vino rosso. La maggior parte dei flavonoidi che si trovano nei semi di cacao e nei prodotti derivati come il cioccolato nero sono flavanoli monomerici, catechina ed epicatechina, ma anche epigallocatechina, ed i loro derivati come ad es. le gallocatechine; tra i polimeri sono importanti anche le proantocianidine.

Frutta, verdura e legumi

La catechina e la epicatechina sono i principali flavanoli presenti nella frutta; si ritrovano in molti frutti in concentrazioni variabili rispettivamente tra 5-3 e 0,5-6 mg/100 g di peso fresco.
Al contrario gallocatechina, epicatechina gallato, epigallocatechina e epigallocatechina gallato sono presenti in diversi frutti come uva rossa, frutti di bosco, mele, pesche e prugne ma in concentrazioni molto basse, inferiori a 1mg/100 g di peso fresco.
Con l’eccezione di lenticchie e fave, pochi legumi e verdure contengono catechine ed in concentrazioni molto basse, inferiori a 1,5 mg/100 g di peso fresco.

Bibliografia

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Flavonoidi: cosa sono, struttura e classificazione

I flavonoidi sono i polifenoli più abbondanti nella dieta dell’uomo, rappresentandone circa i 2/3 di tutti i quelli assunti. Come gli altri fitochimici sono il prodotto del metabolismo secondario delle piante e, al momento, non è possibile stabilire precisamente il loro numero, anche se ne sono stati identificati oltre 4000.
Nella frutta e nella verdura si trovano generalmente in forma di glicosidi e in alcuni casi acilglicosidi, mentre meno frequentemente, ed in concentrazioni minori, in forme acilate, metilate e solfate.
Sono molecole idrosolubili e si accumula all’interno dei vacuoli cellulari.

INDICE

Struttura chimica dei flavonoidi

La loro struttura di base è costituita da uno scheletro di difenilpropano, ossia due anelli benzenici (indicati come A e B, vedi figura) collegati da una catena di tre atomi di carbonio che forma un anello piranico (anello eterociclico contenente ossigeno) chiuso con l’anello benzenico A, che è detto anello C. La loro struttura è pertanto definita anche come C6-C3-C6.

Formula di struttura dello scheletro di base dei flavonoidi, i polifenoli più abbondanti nella dieta
Scheletro di Base dei Flavonoidi

Nella maggior parte dei casi l’anello B si lega all’anello C in posizione 2, ma può legarsi anche in posizione 3 o 4; questo, insieme con le caratteristiche strutturali dell’anello B e gli schemi di glicosilazione ed idrossilazione dei tre anelli, fa si che i flavonoidi siano il gruppo di fitochimici, quindi non solo di polifenoli, più ampio e diversificato presente in natura.
Le attività biologiche di questi composti, ad esempio sono dei potenti antiossidanti, dipendono sia dalle caratteristiche strutturali che dallo schema di glicosilazione.

Classificazione dei flavonoidi

Possono essere suddivisi in diverse sottoclassi sulla base del carbonio dell’anello C su cui va a legarsi l’anello B, e del grado di insaturazione ed ossidazione dell’anello C.
I flavonoidi in cui l’anello B si lega in posizione 3 dell’anello C sono detti isoflavoni; quelli in cui l’anello B si lega in posizione 4 neoflavonoidi, mentre quelli in cui l’anello B si lega in posizione 2 a loro volta essere suddividi in sei sottogruppi sulla base delle caratteristiche strutturali dell’anello C: flavoni, flavonoli, flavanoni, flavanonoli, flavanoli o catechine ed antociani.
Infine, i flavonoidi con l’anello C aperto sono detti calconi.

Formule di struttura di base di flavoni, flavonoli, flavanoni, flavanonoli, catechine, antociani
Sottogruppi di Flavonoidi

Flavoni

Hanno un doppio legame tra la posizione 2 e 3 ed un chetone in posizione 4 dell’anello C. La maggior parte dei flavoni della verdura e frutta presenta un gruppo idrossilico in posizione 5 dell’anello A, mentre l’idrossilazione in altre posizioni, per la maggior parte in posizione 7 dell’anello A o 3’ e 4’ dell’anello B, possono variare a seconda della classificazione tassonomica della particolare verdura o frutta.
La glicosilazione si verifica per la maggior parte sulle posizione 5 e 7, la metilazione e l’acilazione sui gruppi idrossilici dell’anello B.
Alcuni flavoni, come la nobiletina e la tangerina, sono polimetossilati.

Flavonoli

I flavonoli rispetto ai flavoni presentano un gruppo ossidrilico in posizione 3 dell’anello C, gruppo ossidrilico che può essere anche glicosilato. Di nuovo, al pari dei flavoni, anche i flavonoli sono molto vari per quello che riguarda l’idrossilazione e la metilazione, e, considerando i vari schemi di glicosilazione, i sono forse il sottogruppo più comune ed ampio di flavonoidi nella frutta e verdura. Ad esempio, la quercetina è presente in moltissimi alimenti vegetali.

Flavanoni

I flavanoni, anche detti diidroflavoni, hanno l’anello C saturo; quindi, a differenza dei flavoni, mancano del doppio legame tra le posizione 2 e 3 e questa è l’unica differenza strutturale tra i due sottogruppi di flavonoidi. I flavanoni possono essere multi-idrossilati, e diversi gruppi idrossilici possono essere metilati e/o glicosilati. Alcuni hanno modelli unici di sostituzione, ad esempio, flavanoni prenilati, furanoflavanoni, piranoflavanoni o flavanoni benzilati, dando un gran numero di derivati sostituiti.
Negli ultimi 15 anni il numero dei flavanoni scoperti è notevolmente aumentato.

Flavanonoli

I flavanonoli, anche detti diidroflavonoli, sono i 3-idrossi derivati dei flavanoni; sono un sottogruppo altamente diversificato e multisostituito.

Isoflavoni

Come anticipato, gli isoflavoni sono flavonoidi in cui l’anello B si lega in posizione 3 dell’anello C. Hanno analogie strutturali con gli estrogeni, come l’estradiolo, e per questo sono anche detti fitoestrogeni.

Catechine

Le catechine o flavanoli sono dette anche flavan-3-oli poiché il gruppo ossidrilico è quasi sempre legato in posizione 3 dell’anello C; altro nome comune è catechine.
A differenza di molti flavonoidi non presentano un doppio legame tra le posizione 2 e 3; altro carattere distintivo, ad es. rispetto ai flavanonoli, con cui condividono un ossidrile in posizione 3, è l’assenza di un carbonile, un gruppo chetonico, in posizione 4. Questa particolare struttura chimica permette ai flavanoli di avere due centri di chiralità nella molecola, sulle posizioni 2 e 3, quindi quattro possibili diastereoisomeri. La catechina è l’isomero con configurazione trans e la epicatechina è quello con configurazione cis. Ciascuna di queste due configurazioni ha due stereoisomeri, cioè, (+)-catechina e (-)-catechina, (+)-epicatechina e (-)-epicatechina.
La (+)-catechina e (-)-epicatechina sono i due isomeri spesso presenti nelle piante commestibili.
Un’altra importante caratteristica dei flavanoli, in particolare della catechina e della epicatechina, è quella di formare polimeri, detti proantocianidine o tannini condensati. Il nome “proantocianidine” deriva dal fatto che un clivaggio acido catalizzato produce antocianidine.
Le proantocianidine in genere contengono da 2 a 60 monomeri di flavanolo (catechina o epicatechina).
Sia i flavanoli monometrici che quelli oligomerici (da 2 a 7 monomeri) sono potenti antiossidanti.

Antocianidine

Chimicamente, le antocianidine sono cationi di flavilio e per la maggior parte si trovano come sali di cloruro.
Le antocianine o antociani sono i glicosidi delle antocianidine; lo zucchero si lega per la maggior parte dei casi in posizione 3 dell’anello C, zucchero che spesso si coniuga con acidi fenolici come l’acido ferulico.
Sono l’unico gruppo di flavonoidi che conferisce colore ai vegetali (tutti gli altri flavonoidi sono privi di colore). Il colore degli antociani dipende dal pH e dall’acilazione o metilazione dei gruppi idrossilici sugli anelli A e B.

Calconi

I calconi ed i diidrocalconi vengono considerati flavonoidi con struttura aperta; sono classificati tra i flavonoidi in quanto hanno vie di sintesi simili.

Bibliografia

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Polifenoli: cosa sono, struttura, classificazione ed alimenti

I polifenoli sono uno dei più importanti e sicuramente il più numeroso tra i gruppi di sostanze fitochimiche presenti nel regno vegetale.
Attualmente sono note oltre 8000 strutture fenoliche, di cui più di 4000 appartenenti alla classe dei flavonoidi, e diverse centinaia sono presenti nei vegetali commestibili. Si ritiene però che il contenuto totale dei polifenoli nei vegetali sia sottostimato in quanto molti dei composti fenolici presenti nella frutta, verdura e derivati non sono stati ancora  identificati, sfuggendo alle tecniche di analisi utilizzate, e la composizione in polifenoli per la maggior parte dei frutti e alcune varietà di cereali non è ancora nota.

Queste molecole sono presenti in molti vegetali commestibili sia per gli uomini che per gli animali e si ritiene che sia alla loro presenza, insieme a quella di altre molecole come i carotenodi, la vitamina C o la vitamina E, che si debbano gli effetti salutari di frutta e verdura.
Nella dieta umana sono gli antiossidanti naturali più abbondanti, e le principali fonti sono frutta, verdura, cereali integrali, ma anche altri tipi di alimenti e bevande da essi derivati come il vino rosso, ricco di resveratrolo, l’olio extravergine di oliva, ricco di idrossitirosolo, il cioccolato e il tè, in particolare il tè verde, ricco di epigallocatechina gallato (EGCG).

INDICE

Struttura chimica dei polifenoli

Con il termine di polifenoli si indica una grande varietà di molecole che possono essere suddivise in molte sottoclassi, suddivisioni che possono essere fatte sulla base della loro origine, funzione biologica svolta o struttura chimica.
Chimicamente sono composti con caratteristiche strutturali fenoliche, che si possono associare a carboidrati differenti.

Modello ad asta e sfera del fenolo

Nelle piante la maggior parte si trova legata a zuccheri, e quindi in forma di glicosidi, e ad acidi organici; in entrambe i casi i sostituenti si possono posizionare in posizioni differenti sugli scheletri polifenolici.
Tra i polifenoli si trovano molecole semplici, come gli acidi fenolici, o strutture complesse come le proantocianidine o tannini condensati, molecole altamente polimerizzate.

Classificazione

Possono essere suddivisi in diverse sottoclassi in base al numero di anelli fenolici presenti nella loro struttura, agli elementi strutturali che legano questi anelli tra di loro, e ai sostituenti legati agli anelli. Possono quindi essere individuati due grandi gruppi: i flavonoidi ed i non flavonoidi.
I flavonoidi, che condividono una struttura formata da due anelli aromatici, indicati come A e B, legati insieme da 3 atomi di carbonio che formano un eterociclo ossigenato, l’anello C, possono essere ulteriormente suddivisi in 6 sottoclassi principali, in funzione del tipo di eterociclo coinvolto (l’anello C):

Tra i polifenoli non flavonoidi si individuano:

  • fenoli semplici
  • acidi fenolici
  • aldeidi benzoiche
  • tannini idrolizzabili
  • acetofenoni e acidi fenilacetici
  • acidi idrossicinnamici
  • cumarine
  • benzofenoni
  • xantoni
  • stilbeni
  • lignani
  • secoiridoidi

Variabilità del contenuto in polifenoli dei prodotti vegetali

Anche se diverse classi di molecole fenoliche, come la quercetina (un flavonolo, vedi figura), si trovano nella maggior parte dei cibi vegetali (tè, vino, cereali, legumi, frutta, succhi di frutta, ecc.) altre classi si trovano solo in un particolare tipo di cibo (ad es. i flavanoni negli agrumi, gli isoflavoni nella soia, la florizina nelle mele, ecc.).
Tuttavia in natura è comune che diversi tipi di polifenoli si trovino nello stesso prodotto; e tale è il caso delle mele che contengono flavanoli, acido clorogenico, acidi idrossicinnamici, glicosidi della floretina, glicosidi della quercetina e antociani.
La composizione in polifenoli può essere influenzata anche da altri parametri come il grado di maturazione al momento del raccolto, fattori ambientali, la lavorazione, sia casalinga che industriale, la conservazione e la varietà vegetale.
Dai dati attualmente disponibili sembra che i frutti con il contenuto più alto in polifenoli siano le fragole, i litchi e l’uva, mentre le verdure con concentrazione maggiore sono i carciofi, il prezzemolo e i cavoletti di Bruxelles. Meloni ed avocado hanno le concentrazioni più basse.

Bibliografia

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Salute umana e carotenoidi: quale ruolo?

carotenoidi fanno parte della categoria di composti bioattivi assunti con l’alimentazione, ossia molecole in grado di fornire protezione nei confronti di numerose patologie quali le malattie cardiovascolari, i tumori e la degenerazione maculare. Sono importanti anche per il corretto funzionamento del sistema immunitario, dunque essenziali per la salute umana.
Tra i meccanismi che sembrano essere alla base dei loro effetti sulla salute umana sono stati riportati (Olson, 1999, in Bibliografia):

  • l’azione di quencher dell’ossigeno singoletto;
  • lo scavenging dei radicali superossido e di specie reattive dell’azoto;
  • la modulazione del metabolismo dei carcinogeni;
  • l’inibizione della proliferazione cellulare;
  • l’aumento della risposta del sistema immunitario;
  • l’azione di filtro nei confronti della luce blu;
  • l’aumento della differenziazione cellulare (attraverso i retinoidi);
  • la stimolazione della comunicazione tra le cellule.

Attività antiossidante dei carotenoidi

I carotenoidi, con l’adattamento degli organismi all’ambiente aerobico, e quindi alla presenza di ossigeno, hanno offerto protezione nei confronti del danno ossidativo da radicali liberi, in particolare ad opera dell’ossigeno singoletto, un potentissimo ossidante.
La stabilizzazione dell’ossigeno singoletto operata dai carotenoidi è sia di natura chimica che fisica:

  • l’azione di natura chimica comporta l’unione tra le due molecole;
  • in quella di natura fisica, il radicale trasferisce la sua energia di eccitazione al carotenoide, divenendo un radicale a bassa energia, mentre il carotenoide risulta eccitato. L’energia acquisita dal carotenoide è in seguito rilasciata in forma di calore nell’ambiente circostante e la molecola, che risulta intatta, può svolgere altri cicli di stabilizzazione.
Salute Umana e Carotenoidi
Fig. 1 – Radicale Libero

La capacità dei carotenoidi di neutralizzare l’ossigeno singoletto è dovuta al sistema di doppi legami coniugati presente nella molecola, e la massima protezione è data da quei carotenoidi che posseggono nove o più doppi legami coniugati (ma sembra avere un ruolo anche la presenza nella molecola dell’ossigeno, come nelle xantofille).
I carotenoidi sono coinvolti non solo nella neutralizzazione dell’ossigeno singoletto, ma anche nello scavenging di altri specie reattive sia dell’ossigeno, come i radicali perossidici (contribuendo così alla riduzione della perossidazione lipidica) che dell’azoto, molecole che si generano durante il metabolismo aerobico ed i processi patologici.

Licopene, xantofille e salute umana

Il licopene, un carotene, la cantaxantina e la astaxantina, due xantofille presenti in cibi di origine animale, si sono dimostrati antiossidanti più efficaci rispetto al beta-carotene ma anche alla zeaxantina che, con la luteina, è implicata nella prevenzione della degenerazione maculare legata all’età.
Il licopene, oltre che agire sui radicali liberi dell’ossigeno, agisce come antiossidante anche sui radicali della vitamina E e della vitamina C, che si generano durante i processi antiossidanti in cui sono coinvolte, “riparandoli”.
Infine il licopene esercita la sua azione antiossidante anche indirettamente, inducendo la sintesi di enzimi coinvolti nella protezione nei confronti dell’azione dei radicali liberi dell’ossigeno ed altre specie elettrofile; gli enzimi in questione sono la superossido dismutasi, la glutatione S-transferasi e la chinone reduttasi (che fanno parte del sistema antiossidante di natura enzimatica).

Vitamina A e salute umana

La vitamina A (retinolo o beta-apo-15′-carotenale), la cui carenza colpisce oltre 100 milioni di bambini in tutto il mondo causando più di un milione di vittime e mezzo milione di casi di cecità, è un ben noto derivato di alcuni carotenoidi con moltissime funzioni biologiche, essendo essenziale per la crescita, la riproduzione, la vista, la funzione immune e la salute umana in generale.

Le principali fonti della vitamina A sono la vitamina preformata, presente in prodotti di origine animale (carne, uova, latte, ecc.), ed i carotenoidi con azione di provitamina A, presenti nella frutta e verdura, che rappresentano la principale fonte della vitamina nei paesi poveri.
Degli oltre 750 carotenoidi identificati in natura, solo una cinquantina hanno attività di provitamina A, e tra questi, il beta-carotene (all-trans-beta-carotene) è il precursore principale.
Tra gli altri carotenoidi, l’alfa-carotene, il gamma-carotene, la beta-criptoxantina l’alfa-criptoxantina, e il beta-carotene-5,6-epossido hanno circa la metà della bioattività del beta-carotene come precursori della vitamina A.

Attività di provitamina A
Carotenoide Attività relativa (%)
all-trans-beta-Carotene 100
9-cis-beta-Carotene 38
13-cis-beta-Carotene 53
all-trans-alfa-Carotene 53
9-cis-alfa-Carotene 13
13-cis-alfa-Carotene 16
all-trans-Criptoxantina 57
9-cis-Criptoxantina 27
15-cis-Criptoxantina 42
beta-Carotene-5,6-epossido 21
beta-Carotene-5,8-epossido 50
gamma-Carotene 42-50
delta-Zeacarotene 20-40

Gli spinaci, le carote, le patate dolci (a pasta gialla) e le zucche sono alcuni vegetali ricchi di beta-carotene ed altri carotenoidi con azione di provitamina A.
I caroteni aciclici, come il licopene (il principale carotenoide presente nella dieta umana), e le xantofille, tranne le tre sopramenzionate (beta-criptoxantina, alfa-criptoxantina, e beta-carotene-5,6-epossido), non possono essere convertiti in vitamina A.

Bibliografia

  1. de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010
  2. Johnson E.J. The role of carotenoids in human health. Nutr Clin Care 2002;5(2):56-65. doi:10.1046/j.1523-5408.2002.00004.x
  3. Olson, J.A. 1999. Carotenoids. p. 525-541. In: Shils M.E., Olson J.A., Shike M., Ross A.C. “Modern nutrition in health and disease” 9th ed., by Lippincott, Williams & Wilkins, 1999
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Ruolo dei carotenoidi nelle piante ed alimenti

I carotenoidi nel corso dell’evoluzione, grazie alle loro proprietà chimiche e fisiche uniche, si sono dimostrati molecole estremamente versatili, essendo in grado di svolgere molte funzioni sia nelle piante che negli animali.

Carotenoidi e fotosintesi

I carotenoidi, nelle prime fasi della comparsa degli organismi unicellulari fotosintetizzanti sono probabilmente serviti per l’assorbimento dell’energia luminosa a lunghezze d’onda differenti rispetto a quelle coperte dalla clorofilla.
Dunque i carotenoidi, agendo come pigmenti fotoassorbenti accessori, hanno permesso di espandere l’intervallo di radiazione solare assorbibile e quindi utilizzabile per la fotosintesi, energia che poi trasferiscono alla clorofilla stessa.
I principali carotenoidi coinvolti nell’assorbimento della luce, che si accumulano nei tessuti verdi delle piante, sono la luteina, il beta-carotene, la violaxantina e la neoxantina, che assorbono nell’intervallo tra 400 e 500 nanometri.
Inoltre proteggono la clorofilla dalla foto-ossidazione (nell’uomo possono concorrere alla protezione dal danno foto-ossidativo causato dai raggi UV, dunque agire come foto-protettori endogeni).

Carotenoidi e colori delle foglie in autunno

Il colore assunto nelle diverse stagioni dalle foglie delle piante caducifogli, verde, giallo, arancio o rosso, è dovuta alla presenza al loro interno di pigmenti naturali.
Carotenoidi e Colori delle Foglie delle Piante in AutunnoIn primavera ed estate il pigmento presente in quantità maggiore nelle foglie è la clorofilla per cui il colore predominante è il verde.
Durante l’autunno il colore vira dal verde al giallo, arancio o rosso, a seconda del tipo di pianta: ciò è conseguenza del cambiamento, sia qualitativo che quantitativo, nel contenuto in pigmenti. Infatti, a seguito della diminuzione della temperatura e delle ore di luce, la produzione di clorofilla si interrompe e quella presente viene demolita in metaboliti privi di colore; in questo modo i pigmenti predominanti diventano i carotenoidi (giallo-arancio), molecole molto più stabili rispetto alla clorofilla, che quindi permangono nella foglia colorandola (non sembra siano sintetizzati de novo), e gli antociani (rosso-porpora), che a differenza dei carotenoidi non sono presenti durante la stagione di crescita ma sono sintetizzate in autunno, poco prima della caduta delle foglie. Si può quindi concludere che il colore rosso-porpora assunto dalle foglie di certi alberi non è un semplice effetto collaterale della senescenza bensì deriva da una sintesi de novo di antociani.
A seconda della prevalenza di carotenoidi o antociani il colore della foglia virerà dal verde al giallo/arancio, come nel Ginkgo biloba (giallo), o al rosso-porpora, come in alcuni aceri.

E le piante con foglie non verdi?
Il loro colore è dovuto non all’assenza di clorofilla bensì alla presenza di quantità molto elevate di altri pigmenti, in genere carotenoidi ed antociani, che “coprono” la clorofilla, determinando il colore della foglia.

Alcune funzioni degli apocarotenoidi nelle piante e negli alimenti

Questi carotenoidi ossigenati, formati da meno di 40 atomi di carbonio, svolgono molteplici funzioni nelle piante e negli animali e sono importanti anche per l’aroma ed il sapore dei cibi.
Di seguito alcune delle loro principali funzioni.

  • Hanno ruoli significativi nei segnali di risposta coinvolti nello sviluppo e nella risposta all’ambiente (come l’acido abscissico).
  • Possono fungere da segnali visivi o volatili per attirare gli agenti impollinatori.
  • Sono importanti nei meccanismi di difesa delle piante.
  • Hanno un ruolo nella regolazione dell’architettura vegetale.
  • Un apocarotenale, il trans-beta-apo-8’-carotenale, presente negli spinaci e agrumi, con una debole attività di pro-vitamina A, è utilizzato nella farmaceutica e cosmesi, ed è anche uno tra gli  additivi (E160e) autorizzati dalla Commissione europea per l’alimentazione umana.
  • Contribuiscono in modo importante al sapore e alla qualità nutrizionale di diversi tipi di alimenti quali frutta, tè, e vino. Due ben noti apocarotenoidi naturali, la bixina e la crocetina, hanno importanza economica come pigmenti e aromi negli alimenti.
  • Infine, una vasta gamma di apocarotenali sono prodotti da reazioni ossidative durante la lavorazione dei cibi e sono intermedi nella formazione di molecole più piccole, importanti per il colore e sapore del cibo.

Bibliografia

  1. Archetti, M., Döring T.F., Hagen S.B., Hughes N.M., Leather S.R., Lee D.W., Lev-Yadun S., Manetas Y., Ougham H.J. Unravelling the evolution of autumn colours: an interdisciplinary approach. Trends Ecol Evol 2009;24(3):166-73. doi:10.1016/j.tree.2008.10.006
  2. de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010

Maltodestrine e fruttosio per gli sport di resistenza

L’assunzione di carboidrati può migliorare la capacità di resistenza e la prestazione.
L’ingestione di diversi tipi di carboidrati, che utilizzano trasportatori intestinali differenti, può:

  • aumentare l’assorbimento totale dei carboidrati;
  • aumentare l’ossidazione dei carboidrati assunti;
  • migliorare la prestazione.

Dagli studi condotti la migliore combinazione è risultata essere maltodestrine e fruttosio nel rapporto 2:1.

Glucosio e fruttosio

Quando durante l’esercizio fisico prolungato viene assunta una miscela di glucosio e fruttosio (nella letteratura analizzata rispettivamente 1,2 e 0,6 g/min, rapporto 2:1, per una velocità di assunzione complessiva pari a 1,8 g/min) c’è una minor competizione per l’assorbimento intestinale rispetto all’ingestione di una quantità isoenergetica di solo glucosio o solo fruttosio, essendo coinvolti due trasportatori differenti. Inoltre, l’assorbimento del fruttosio è stimolato dalla presenza del glucosio.
Tutto ciò può:

  • contribuire ad ottenere una velocità di assorbimento intestinale dei carboidrati maggiore;
  • aumentare la disponibilità di carboidrati esogeni nel sangue;
  • produrre una velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni maggiore rispetto al solo glucosio.

Dalla coingestione di glucosio e fruttosio si ottiene una velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni di circa 1,26 g/min, quindi maggiore rispetto a quella osservata con l’assunzione del solo glucosio (1 g/min) anche in alte concentrazioni.
La differenza osservata (+0,26 g/min) può essere attribuita per intero all’ossidazione del fruttosio ingerito.

Saccarosio e glucosio

L’ingestione di saccarosio e glucosio, nelle stesse condizioni dell’ingestione di glucosio e fruttosio (quindi rispettivamente 1,2 e 0,6 g/min, in rapporto 2:1, per apporto complessivo di carboidrati pari a 1,8 g/min), dà risultati simili.

Glucosio, saccarosio e fruttosio

Con la combinazione di glucosio, saccarosio e fruttosio si ottengono velocità di ossidazione molto elevate (nella letteratura analizzata rispettivamente 1,2, 0,6 e 0,6 g/min, in rapporto 2:1:1, per apporto complessivo di carboidrati pari a 2,4 g/min; tuttavia, notare la maggiore quantità di carboidrati assunta).

Maltodestrine e fruttosio

Velocità di ossidazione elevate si osservano anche con combinazioni di maltodestrine e fruttosio, nelle stesse condizioni dell’ingestione di glucosio e fruttosio (quindi rispettivamente 1,2 e 0,6 g/min, in rapporto 2:1, per apporto complessivo di carboidrati pari a 1,8 g/min).

Queste elevate velocità di ossidazione possono essere raggiunte con carboidrati disciolti in una bevanda, presenti in un gel o in barrette a basso contenuto di grassi, proteine e fibra.

La migliore combinazione di carboidrati da assumere durante l’esercizio fisico prolungato è probabilmente la miscela di maltodestrine e fruttosio in rapporto 2:1, in una soluzione al 5%, per un apporto di circa 80-90 g/h.

Maltodestrine e fruttosio: Ossidazione dei Carboidrati Ingeriti
Fig. 1 – Ossidazione dei Carboidrati Ingeriti

Perche?

  • Questa miscela ha il miglior rapporto tra la quantità di carboidrati ingerita e la loro velocità di ossidazione e questo significa che quantità più piccole di carboidrati rimangono nello stomaco o nell’intestino riducendo il rischio di complicanze/disturbi gastrointestinali durante esercizio prolungato (vedere la parentesi grafa nella figura).
  • Una soluzione che contenga diversi tipi di carboidrati e che ne abbia un contenuto non superiore al 5% ottimizza lo svuotamento gastrico e migliora l’apporto di liquidi.

Esempi di soluzioni di carboidrati al 5% contenenti circa 80-90 g di maltodestrine e fruttosio in rapporto 2:1; tempo di ingestione di circa un’ora:

  • 1,5 L di soluzione: 80 g di carboidrati, rispettivamente circa 55 g di maltodestrine e circa 25 g di fruttosio.
  • 1,8 L di soluzione: 90 g di carboidrati, rispettivamente 60 g di maltodestrine e 30 g di fruttosio.

Conclusioni

Durante l’esercizio fisico prolungato, quando sono necessarie elevate velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni, è preferibile l’ingestione di carboidrati differenti rispetto a quella di grandi quantità di un singolo carboidrato.
La migliore combinazione sembra essere quella tra maltodestrine e fruttosio, in rapporto di 2:1, in una soluzione al 5%, e con una velocità di ingestione di circa 80-90 g/h.

Bibliografia

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Esercizio fisico prolungato e carboidrati

Durante l’esercizio fisico prolungato (>90 min), ad es. la maratona, l’Ironman, lo sci di fondo, il ciclismo su strada o il nuoto in acque libere, gli effetti della supplementazione con carboidrati sulla performance sono principalmente metabolici piuttosto che centrali e comprendono:

  • la fornitura di una apporto energetico addizionale per il muscolo quando le riserve di glicogeno sono prossime all’esaurimento;
  • il risparmio del glicogeno muscolare;
  • la prevenzione delle ipoglicemie.

Quanti carboidrati dovrebbe assumere l’atleta?

La quantità ottimale di carboidrati da assumere è quella che determina la massima velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni senza causare disturbi gastrointestinali“. (Jeukendrup A.E., 2008, vedi Bibliografia)

Esercizio fisico prolungato: quali carboidrati assumere?

Fino al 2004 si riteneva che i carboidrati ingeriti durante l’esercizio, anche l’esercizio fisico prolungato, potessero essere ossidati ad una velocità non superiore a 1 g/min, ossia 60 g/h, indipendente dal tipo di carboidrato.
L’ossidazione dei carboidrati esogeni è limitata dal loro assorbimento intestinale e l’ingestione di più di circa 60 g/min di un singolo tipo di carboidrato non porta ad aumenti nella loro velocità di ossidazione mentre è probabile che si associ con disturbi gastrointestinali.
Perché?
A livello intestinale, l’assorbimento del glucosio (e del galattosio) è mediato da un trasportatore sodio dipendente chiamato SGLT1. Questo trasportatore si satura ad con apporti di glucosio di circa 60 g/h e ciò (e/o la distribuzione del glucosio da parte del fegato che ne regola il trasporto nel sangue) ne limita la velocità di ossidazione a 1g/min o 60 g/h. Per questo motivo, anche quando il glucosio è assunto a velocità molto elevate (>60 g/h) non si ottengono velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni superiori 1,0-1,1 g/min.
Un esempio può aiutare a capire che succede a livello intestinale: se di fronte ad un ascensore (il nostro trasportatore SGLT1) che può portare 30 persone (il glucosio) ce ne sono 60, 30 rimarranno in attesa, magari iniziando a litigare tra di loro (disturbi gastrointestinali).

Importanza della corretta alimentazione nello esercizio fisico prolungato

La velocità di ossidazione del maltosio, saccarosio, delle maltodestrine e di polimeri del glucosio ingeriti è molto simile a quella del glucosio ingerito.

Il fruttosio utilizza un differente trasportatore, sodio indipendente, chiamata GLUT5. Rispetto al glucosio, ma come il galattosio, ha una minore velocità di ossidazione, probabilmente a causa della più bassa velocità di assorbimento intestinale e della necessità di essere convertito in glucosio nel fegato, di nuovo come il galattosio, prima di poter essere ossidato.
Tuttavia, se l’atleta ingerisce diversi tipi di carboidrati, che utilizzano trasportatori intestinali differenti, la velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni può aumentare significativamente.
La miscela migliore da assumere nel corso di un esercizio fisico prolungato sembra essere quella composta da maltodestrine e fruttosio.

Nota: l’elevata velocità di assunzione dei carboidrati si può associare ad un ritardato dello svuotamento gastrico e dell’assorbimento dei liquidi. Questo può essere minimizzato dalla contemporanea assunzione di carboidrati che utilizzino trasportatori intestinali differenti: si osserva infatti un miglioramento nell’apporto di liquidi rispetto all’assunzione di un singolo tipo di carboidrato, cui consegue anche un disagio gastrointestinale modesto, se presente.

Conclusioni

L’ingestione di diversi tipi di carboidrati, che utilizzano trasportatori intestinali differenti, può:

  • aumentare l’assorbimento totale di carboidrati;
  • aumentare l’ossidazione dei carboidrati esogeni;
  • migliorare la prestazione fisica.

Bibliografia

  1. Burke L.M., Hawley J.A., Wong S.H.S., & Jeukendrup A. Carbohydrates for training and competition. J Sport Sci 2011;29:Sup1,S17-S27. doi:10.1080/02640414.2011.585473
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Assunzione di carboidrati nell’esercizio breve di alta intensità

Alta Intensità: L'alimentazione Durante l'Esercizio
Fig. 1 – L’alimentazione Durante l’Esercizio

L’assunzione di carboidrati nel corso di un’attività fisica intermittente ad alta intensità, o prolungata (maggiore di 90 minuti) sub-massimale, può:

  • aumentare la capacità di fare esercizio;
  • migliorare la prestazione;
  • ritardare l’insorgenza della fatica.

L’assunzione di piccole quantità di carboidrati o il risciacquo della bocca con soluzioni contenenti carboidrati (in inglese mouth rinse, ad es. con una soluzione di maltodestrine al 6%) può migliorare la prestazione del 2-3 %, quando l’esercizio è di durata relativamente breve (minore di un’ora) e di alta intensità (maggiore del 75 % VO2max), ossia lavori che non sono limitati dalla disponibilità delle riserve di glicogeno muscolare, ammesso il consumo di una dieta adeguata.
I meccanismi alla base dell’effetto ergogenico dei carboidrati durante questo tipo di attività non sono di natura metabolica, ma possono risiedere a livello del sistema nervoso centrale: sembra che i carboidrati vengano rilevati nella cavità orale da recettori non ancora identificati, promuovendo un maggiore senso di benessere e un miglioramento dell’andatura.
Questi effetti sono indipendenti gusto o dalla dolcezza o meno dei carboidrati ma sono specifici dei carboidrati.

Dato che gli effetti sulla prestazione conseguenti all’ingestione di bevande sono simili a quelli ottenuti con il mouth rinse, gli atleti, quando non soffrano di disturbi gastrointestinali successivi all’assunzione di troppi fluidi, potrebbero ottenere un vantaggio dall’assunzione della bevanda in quanto negli sport di resistenza, la disidratazione, insieme con l’esaurimento dei carboidrati sono le cause più probabili alla base dell’insorgenza della fatica.

Conclusioni
Sembra che durante l’esercizio di durata relativamente breve ( minore di un’ora) e di alta intensità (maggiore del 75 % VO2max) non sia necessario ingerire grandi quantità di carboidrati: il mouth rinse con soluzioni contenenti carboidrati o la loro assunzione piccole quantità possono essere sufficienti per ottenere un miglioramento della prestazione.

Bibliografia

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Carotenoidi: definizione, struttura, classificazione

Una Fonte di Carotenoidi: le Carote
Fig. 1 – Carote

I carotenoidi sono pigmenti liposolubili (si sciolgono nei grassi) ampiamente presenti in natura.
I carotenoidi sono stati scoperti nel corso del XIX secolo.
Nel 1831 Wachen propose il termine “carotene” per un pigmento cristallizzato dalla carota.
Berzelius chiamò i pigmenti gialli più polari estratti dalle foglie durante l’autunno “xantofille” (in origine “filloxantine”), dal greco xanthos, che significa giallo, e phyllon, che significa foglia.
Tswett riuscì a separare molti pigmenti e chiamò l’intero gruppo “carotenoidi”.
Si ritrovano nei cromoplasti delle piante e di alcuni altri organismi fotosintetici come le alghe, in alcuni tipi di funghi e batteri, e sono prodotti anche da alcuni invertebrati (Afidi).
Si contano più di 750 diverse molecole con colorazione variabile dal rosso (ad es. il licopene) all’arancio (ad es. l’alfa-carotene, il beta-carotene, e il gamma-carotene) fino al giallo (ad es. la luteina, la alfa-criptoxantina o la violaxantina); più di 100 sono stati trovati nella frutta e verdura.
In alcune piante verdi e nelle loro parti in genere più il verde è intenso e maggiore è in contenuto in carotenoidi; ad esempio, il contenuto in carotenoidi del cavolo verde pallido è inferiore all’1% rispetto a quella del cavolo verde scuro.
I carotenoidi della frutta sono molto vari, e quelli dei frutti maturi possono essere diversi da quelli dei frutti acerbi.
Sono ampiamente presenti anche negli animali e nei microorganismi.
Negli organismi in cui sono presenti i carotenoidi svolgono diverse e importanti funzioni.

INDICE

Struttura chimica dei carotenoidi

I carotenoidi una classe di composti idrocarburici contenenti 40 atomi di carbonio (tetraterpeni), con una struttura caratterizzata dalla presenza di numerosi doppi legami coniugati che ne determinano il colore (funzionano come un cromoforo fotoassorbente): all’aumentare del numero dei doppi legami coniugati il colore vira dal giallo pallido, all’arancione fino al rosso.
In natura si ritrovano principalmente nella configurazione isomerica trans, più stabile, sebbene siano presenti anche piccole quantità di isomeri cis (che possono essere prodotti dalle forme trans anche durante la lavorazione).
Tradizionalmente, ai carotenoidi sono stati assegnati nomi comuni provenienti dalla fonte biologica da cui sono stati isolati. Tuttavia esiste anche una nomenclatura semisistematica che permette di assegnare ai carotenoidi nomi in modo da definirne e descriverne la struttura.

Classificazione

Sulla base della presenza o meno di ossigeno nella molecola possono essere suddivisi in:

  • xantofille, che contengono ossigeno, come:

Anteraxantina
Astaxantina (rosso)
Auroxantina
Bixina, E160b
Cantaxantina (rosso), E161g
Capsantina, E160c
Capsorubina, E160c
β-Carotene-5,6-epossido
alfa-Criptoxantina (giallo)
beta-Criptoxantina (arancio)
Crocetina
Luteina (giallo), E161b
Luteina-5,6-epossido o taraxantina
Luteoxantina
Licofilla
Licoxantina
Neoxantina
Rubixantina
Tunaxantina
Violaxantina (giallo)
Zeaxantina (giallo-araancio)
Zeinoxantina

  • caroteni, privi di ossigeno, come:

alfa-Carotene (arancio)
beta-Carotene (arancio), E160a
delta-Carotene
gamma-Carotene (arancio)
Fitoene (senza colore)
Fitofluene
Licopene (rosso), E160d
Neurosporene
alfa-Zeacarotene
beta-Zeacarotene
zeta-Carotene

Sulla base della struttura chimica possono essere suddivisi in:

  • caroteni aciclici: costituiti da una catena carboniosa lineare, come:

zeta-Carotene
Fitoene (incolore)
Licopene (rosso), E160d
Neurosporene
Fitofluene

  • caroteni ciclici: contenenti una o due strutture cicliche, come:

alfa-Carotene (arancio)
beta-Carotene (arancio), E160a
gamma-Carotene (arancio)
delta-Carotene
alfa-Zeacarotene
beta-Zeacarotene

  • idrossicarotenoidi o carotenoli: contenenti almeno un gruppo idrossilico (quindi xantofille), come:

alfa-Criptoxantina (giallo)
beta-Criptoxantina (arancio)
Luteina (giallo), E161b
Licofilla
Licoxantina
Rubixantina
Zeaxantina (giallo-arancio)
Zeinoxantina

  • epossicarotenoidi: contenenti almeno un gruppo epossidico (quindi xantofille), come:

Anteraxantina
Auroxantina
beta-Carotene-5,6-epossido
Luteina-5,6-epossido
Luteoxantina
Neoxantina
Violaxantina (giallo)

  • carotenoidi non comuni o specie-specifici, come:

Bixina, E160b
Capsantina, E160c
Capsorubina, E160c
Crocetina

Nota: mentre le foglie verdi contengono idrossi-carotenoidi non esterificati, la maggior parte dei carotenoidi presenti nei frutti maturi sono esterificati con acidi grassi, una classe di molecole appartenenti al gruppo dei lipidi. Tuttavia, quelli di alcuni frutti, in particolare di quelli che rimangono verdi a maturazione come il kiwi, subiscono una limitata o assente esterificazione.

Gli apocarotenoidi

Gli apocarotenoidi sono una classe di carotenoidi, contenenti meno di 40 atomi di carbonio, assai diffusa in natura, con strutture estremamente differenti.
Derivano dalla perdita, per scissione ossidativa, di parte dello scheletro a 40 atomi dei carotenoidi classici; la scissione può avvenire attraverso meccanismi aspecifici, come la foto-ossidazione, o attraverso l’azione di enzimi specifici (queste attività enzimatiche, identificate nelle piante, negli animali e nei microorganismi, sono collettivamente indicate come “carotenoid cleavage dioxygenases”).
Di seguito alcuni tra gli apocarotenoidi più noti:

  • vitamina A
  • acido abscissico
  • bixina, E160b
  • crocetina
  • trans-β-apo-8’-carotenale, E160e

Bibliografia

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Idratazione prima degli sport di resistenza

Pre-idratazione
Fig. 1 – Pre-idratazione

Negli sport di resistenza, quali l’Ironman, il nuoto in acque libere, il ciclismo su strada, la maratona o lo sci di fondo, le cause più probabili che portano alla fatica sono la disidratazione e la deplezione dei carboidrati, in particolare del glicogeno muscolare ed epatico

La pre-idratazione

Poiché la disidratazione, conseguente alle perdite di sudore necessarie per dissipare il calore generato durante l’attività, può compromettere la prestazione, è importante iniziare esercizio in uno stato buona idratazione (e con normali livelli di elettroliti plasmatici), mantenendolo anche durante l’attività.
Se l’atleta ha assunto con i pasti un’adeguata quantità di bevande ed è trascorso un periodo di recupero prolungato (8-12 h) dall’ultimo esercizio, l’atleta dovrebbe trovarsi in uno stato di buona idratazione.
Tuttavia, se non ha avuto tempo a sufficienza o non è riuscita/o ad assumere quantità adeguate di liquidi/elettroliti per ristabilire il corretto stato di idratazione, può essere utile, prima di iniziare l’esercizio successivo, un programma di pre-idratazione per correggere eventuali deficit di liquidi/elettroliti precedentemente accumulati.

Programma di pre-idratazione

Se durante l’esercizio il target nutrizionale è quello di ridurre le perdite di sudore a meno del 2-3% del peso corporeo, nella fase di precedente l’esercizio l’atleta dovrebbe assumere bevande almeno 4 ore prima dell’inizio della attività, ad esempio circa 5-7 mL/kg di peso corporeo.
Se l’urina è ancora scura (molto concentrata) e/o è poca l’atleta dovrebbe assumere,