Energia e funzione alimentare

1. Energia e funzione alimentare Tutte le funzioni vitali possono avvenire solo mediante un supporto energetico! Es. metabolismo basale, accrescimento, riproduzione, movimento, equilibrio osmotico e termico, ecc. Negli organismi viventi la fonte immediata più universale di energia è contenuta nelle molecole di ATP (energia chimica). E' necessario, quindi, procurarsi le materie prime da cui sintetizzare questo composto.

2. Glucidi Acqua I PRINCIPI NUTRITIVI Lipidi Sali minerali Protidi Vitamine

3. Se analizziamo il corpo umano vediamo che è costituito dal 65% di Acqua, dal 30% di Proteine e Grassi e dal 5% di Minerali, Zuccheri e Vitamine.

4. Nutrienti • Elementi necessari al mantenimento delle funzioni dell’organismo • Si dividono in: • macronutrienti • micronutrienti

5. Macronutrienti • Carboidrati (glucidi) • Grassi (lipidi) • Proteine (protidi) • Composti da cui l’organismo ricava principalmente energia

6. Utilizzazione dei Macronutrienti I macronutrienti sono molecole complesse. Per poterli utilizzare l’organismo deve ridurli in composti semplici ed internalizzarli. Quindi, trasformarli in anidride carbonica ed acqua (ossidarli) con liberazione di energia o, eventualmente, utilizzarli per la sintesi dei suoi componenti strutturali…

7. CARBOIDRATI • Svolgono varie funzioni: • energetica: forniscono mediamente 4 kcal/g e • sono una fonte di energia di rapido utilizzo. • Circa il 50-60% delle calorie della dieta. • strutturale: entrano nella costituzione dei glicolipidi • e delle glicoproteine delle membrane cellulari • ecologia intestinale: gli oligosaccaridi stimolano • la flora bifidogena intestinale

8. LIPIDI • Svolgono nell’organismo tre principali funzioni: • energetica: forniscono 9 kcal per grammo, permettendo di risparmiare • proteine a scopi energetici • strutturale: entrano nella composizione delle membrane cellulari condizionandone la funzione • metabolica: veicolano le vitamine liposolubili, sono precursori di sostanze regolatrici del sistema immunitario e coagulativo

9. PROTEINE Svolgono funzioni fondamentali di tipo Plastico: formazione di nuovo tessuto Catalitico: enzimi Immunitario: anticorpi Energetico: ossidazione di aminoacidi Strutture più o meno complesse costituite da AMINOACIDI (AA) essenziali non sintetizzabili endogenamente non essenziali sintetizzabili dagli enzimi dell’organismo

10. In campo nutrizionale, si definiscono "micronutrienti" le sostanze ingerite dall'organismo la cui funzione non è direttamente correlata alla produzione di energia e alla crescita. Sono presenti nei normali alimenti, ma una dieta non equilibrata può causarne la ridotta assunzione, e quindi i problemi e le malattie dovuti alla carenza di uno o più micronutrienti. Le vitaminesono sostanze organiche, assunte con gli alimenti, indispensabili ai nostri organismi. Esse sono incluse tra i micronutrienti che devono essere assunti con la dieta quotidianamente poiché non vengono sintetizzati dall'organismo umano. Considerando la loro solubilità si distinguono e classificano in: vitamine liposolubili, cioè solubili nei grassi: sono le vitamine A, D, E, K, F; vitamine idrosolubili, cioè solubili in acqua: sono le vitamine C, B1, B2, B5, B6, PP, B12, Bc, H. Le vitamine idrosolubili svolgono principalmente la funzione di coenzimi, mentre non tutte quelle liposolubili hanno una simile attività. Non tutte le vitamine vengono assunte nella loro forma biologicamente utilizzabile ma piuttosto come precursori che vanno sotto il nome di provitamine. Una volta assunti, tali composti vengono trasformati da specifici enzimi metabolici nella loro forma attiva, al fine di renderli utilizzabili

11. Vitamine idrosolubili Vitamina B1 (tiamina) Vitamina B2 (riboflavina) Vitamina B3 o Vitamina PP (niacina o acido nicotinico) Vitamina B5 o Vitamina W (acido pantotenico) Vitamina B6 o Vitamina Y (piridossina o piridossamina o piridossale) Vitamina B8 o Vitamina H (biotina) Vitamina B9 o Vitamina Bc o Vitamina M (acido folico) Vitamina B12 (cobalamina) Vitamina C (acido ascorbico) Vitamine liposolubili Vitamina A (retinolo ed analoghi) Vitamina D (ergocalciferolo D2 e colecalciferolo D3) Vitamina E (tocoferolo) Vitamina K (naftochinone e derivati) Vitamina F (linoleico e derivati) Vitamina Q (ubichinone e derivati)

12. Coenzimi • Molti enzimi per poter essere attivi richiedono la presenza di ioni metallici o di altre molecole, talvolta legate con legami covalenti. • Queste molecole vengono indicate come cofattori o coenzimi. 1) Cofattore: ione o molecola NON PROTEICA la cui presenza è indispensabile perché l’enzima possa svolgere la sua attività catalitica. • Tra i cofattorihanno rilevante importanza gli ioni di alcuni elementi metallici, in particolare Fe,Ca, Mg, Mn, Zn, Cu (p.es. tutti gli enzimi che utilizzano ATP richiedono la presenza di ioni Mg2+). 2) Coenzimi: sono molecole organiche (alcuni di essi derivano da vitamine). • prendono parte direttamente all’azione catalitica dell’enzima • spesso si ritrovano modificati chimicamente al termine della reazione (es. NAD+ / NADH).

13. I coenzimi da soli sono cataliticamente inattivi ma, unendosi all’apoenzima, formano l’enzima cataliticamente attivo. • Uno stesso coenzima può essere unito a diverse proteine per cui si deduce che la specificità dell’azione enzimatica è proprietà dell’apoenzima e non del coenzima. • La maggior parte dei coenzimi è strettamente legata alle vitamine. • Per diventare coenzima, la vitamina subisce delle trasformazioni che vanno dalla semplice fosforilazione (uno dei casi più comuni) a trasformazioni più complesse. • La trasformazione della vitamina in coenzima avviene all’interno delle cellule ed è di natura enzimatica. • I coenzimi possono essere classificati in gruppi diversi, in base al tipo di reazione catalizzata.

14. Coenzimi trasportatori di idrogeno • Coenzimi piridinici • Derivano dall’ acido nicotinico o niacina (vit. B3) • Le forme coenzimatiche con attività biologica sono la nicotinammide adenina dinucleotide (NAD+) e la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP+). • Può essere sintetizzato dal Trp assunto con la dieta • Sono i coenzimi di deidrogenasi • Fungono da accettori di idrogeno nell’ossidazione di svariati composti (reazioni di ossido-riduzione). • La loro riduzione avviene per trasferimento di uno ione idruro (H -) dal substrato all’anello piridinico del coenzima, con liberazione nel mezzo di un H+. • La forma ossidata viene indicata come NAD(P)+ e quella ridotta NAD(P)H • Il loro legame all’apoenzima è labile

15. Struttura e biosintesi del NAD+ e del NADP+. Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

16. DOVE SI TROVA: Lievito Carne Fegato Cereali Legumi Latte Verdure a foglia verde pesce CARENZA Pellagra La pellagra è responsabile di un quadro clinico detto "delle tre D": demenza, dermatite e diarrea. I sintomi della pellagra sono disepitelizzazione (desquamazione - perdita - della pelle) delle mani e del collo, diarrea, perdita di appetito e di peso, lingua arrossata e gonfia, depressione e ansia.

18. 2) Coenzimi flavinici (FMN e FAD) (flavinmononucleotide) ( flavinadenindinucleotide) • Sono le forme coenzimatiche della riboflavina o vit. B2. • Le due forme biologicamente attive sono la flavina mononucleotide (FMN), forma fosforilata della riboflavina, e la flavina adenina dinucleotide (FAD) che si forma con il trasferimento dell’AMP (derivante da una molecola di ATP) alla FMN • Il FMN non è un vero e proprio nucleotide in quanto non contiene uno zucchero (il ribosio) ma un alcool a 5 atomi di C • I coenzimi flavinici, a differenza di quelli piridinici, accettano 2H+ e 2e- pertanto le loro forma ridotte sono FMNH2 e FADH2 • FMN e FAD sono strettamente legati ai propri apoenzimi con un legame covalente. • Il FMN ed il FAD sono legati saldamente, talvolta mediante un legame covalente, ad enzimi (flavoenzimi) che catalizzano l’ossidazione o la riduzione di un substrato

19. Il FMN si forma per fosforilazione della riboflavina La combinazione del FMN con una molecola di ATP genera il FAD

20. Glutatione reduttasi GS-SG + NADPH + H+ → 2GSH + NADP+ Negli eritrociti il glutatione ridotto mantiene il ferro dell’eme dell’emoglobina nello stato di ossidazione Fe2+ l glutatione o GSH è un tripeptide con proprietà antiossidanti formato da cisteina, glicina e acido glutammico Rilevante è la sua azione sia contro i radicali liberi o molecole come perossido di idrogeno, nitriti, nitrati, benzoati e altre. Svolge un'importante azione nel globulo rosso, proteggendo tali cellule da pericoli ossidativi che causerebbero l'emolisi

21. NADPH H2O GS-SG glutatione reduttasi (FAD) glutationeperossidasi G-6-P deidrogenasi H2O2 perossidi 2 GSH NADP + DIFESA DAL DANNO OSSIDATIVO Glutatione ridotto funzionale GSH gGlu-Cys-Gly La glutatione perossidasi è un enzima a selenio: contiene Se-cisteina (Sec)

22. Perossido Glutatione ossidato Glutatione ridotto Proteina ossidata Glutatione ossidato Proteina ridotta Glutatione ridotto Il GSH viene ossidato a GS-SG da perossidi. Il GSH cellulare mantiene allo stato ridotto i gruppi tiolici di proteine endocellulari.

23. La rigenerazione di GSH a partire dal GSSG è catalizzata dalla GSH Reduttasi NADPH dipendente. L’aspetto più interessante della biochimica del GSH, per i fondamentali risvolti che assume nella fisiologia cellulare, è rappresentato dal ruolo che svolge nell’omeostasi dei gruppi sulfidrilici delle proteine. Lo stato redox delle cisteine (RSH ↔ RSSR) di molte proteine è fondamentale per la loro attività.

24. DOVE SI TROVA: CARNE POLLO PESCE UOVA LATTE BROCCOLI ASPARAGI SPINACI CARENZA Aumento della perossidazione lipidica Degenerazione del sistema nervoso Riduzione della sintesi di emoglobina

25. Coenzimi trasportatori di gruppi 1) Difosfotiammina Estere pirofosforico della vit. B1 (tiamina) E’ il coenzima di enzimi che trasportano gruppi aldeidici Necessaria ai diversi enzimi che catalizzano la decarbossilazione non ossidativa degli alfa chetoacidi (piruvato decarbossilasi) Coinvolta nella transchetolazione nella via dei pentoso fosfati (permette la interconversione reversibile di zuccheri 3,4,5,6 e 7 atomi di carbonio attraverso il trasferimento di porzioni contenenti 2 o 3 atomi di carbonio) . Gli enzimi TPP dipendenti sono: la piruvico deidrogenasi che converte l'acido piruvico in acetil-CoA; l'α-chetoglutarico - deidrogenasi che trasforma l'α-chetoglutarato in succinil CoA; la deidrogenasi degli α-chetoacidi a catena ramificata, che trasforma questi ultimi nei corrispondenti acil CoA.

26. DOVE SI TROVA: carne fresca le uova i legumi i cereali integrali le verdure a foglia verde la frutta il latte. CARENZE BERI BERI Le alterazioni neurologiche più importanti si hanno nei nervi periferici, particolarmente degli arti inferiori. I segmenti distali sono caratteristicamente colpiti per primi e più gravemente. Si può verificare una degenerazione della guaina midollare in tutti i tratti del midollo spinale qando il deficit è grave si verificano nel cervello le lesioni caratteristiche della poliencefalite emorragica. Il cuore è dilatato e ingrossato; le fibre muscolari sono edematose, frammentate e vacuolizzate, con spazi interstiziali dilatati dai liquidi. Si osserva anche una vasodilatazione che può causare edemi prima che si verifichi una chiara insufficienza cardiaca ad alta gittata. n fase precoce il deficit determina astenia, irritabilità, turbe della memoria, disturbi del sonno, dolore precordiale, anoressia, disturbi addominali e costipazione.

27. Coenzimi trasportatori di gruppi 2) Coenzima A • Deriva dall’acido pantotenico. • È un attivatore metabolico degli acidi carbossilici • Aiuta nel trasferimento acidi grassi dal citoplasma a mitocondri. • Catalizza tutte le reazioni di trasporto di acili. Tale trasporto si realizza per la formazione di tioesteri tra il -COOH dell’acido ed il -SH del Coenzima A. • Donatore di acetato nelle proteine (processo che fa parte anche della trasduzione del segnale) • L’energia per la formazione del legame C-S deriva dalla scissione dell’ATP in AMP e PP. • Il legame C-S degli acil-CoA è ad alto contenuto energetico.

28. Esempio di un Acil-Coenzima A

29. DOVE SI TROVA: Fegato Tuorlo dell’uovo Broccolo Merluzzo Latte umano CARENZA: vista la disponibilità ampiamente diffusa dell’acido pantotenico è difficile riscontrarne una carenza negli esseri umani

30. 3) Piridossalfosfato (PLP) • Deriva dalla vit. B6. • E’ la forma coenzimaticamente attiva, gli altri membri del gruppo B6 svolgono la loro azione vitaminica per la possibilità di interconvertirsi in PLP. • E’ coenzima di enzimi che catalizzano una vasta gamma di reazioni degli amminoacidi, quali la decarbossilazione e la transamminazione.

31. transaminazione o decarbossilazione degli amminoacidi, deaminazione ossidativa delle ammine reazioni di racemizzazione, metabolismo del triptofano, con trasformazione dell’acido xanturenico in acido nicotinico, metabolismo lipidico, con trasformazione dell’acido linoleico in acido arachidonico e formazione degli sfingolipidi (evento importante per la produzione di guainemieliniche), glicogenolisi, in quanto è il coenzima della glicogeno fosforilasi, sintesi di vari neurotrasmettitori (serotonina,dopamina, noradrenalina e acido gamma-amminobutirrico diminuzione dell’azione degli ormoni steroidei, per la sua capacità di legarsi ai loro recettori, Sintesi dell’eme Conversione dell’omocisteina in cisteina Catabolismo del glicogeno (La B6 è inoltre coenzima delle fosforilasi per il metabolismo del glicogeno)

32. DECARBOSSILAZIONE DELL’ACIDO GLUTAMMICO IN ACIDO GAMMA-AMMINOBUTIRRICO (GABA) CATALIZZATA DALLA GLUTAMMATO DECARBOSSILASI IL GABA agisce come neurotrasmettitore ad azione inibitoria e quindi come moderatore dell’eccitabilità delle cellule nervose E’ il coenzima del delta-amminolevulinato sintasi enzima mitocondriale che catalizza la prima tappa della sintesi dell’eme Coenzima della glicogeno fosforilasi enzima chiave nel metabolismo del glicogeno

33. DOVE SI TROVA: Carote Nocciole lievito di birra germe di grano riso tonno salmone CARENZA: Il deficit di vitamina B6 è raro e può causare irritabilità, crampi muscolari e convulsioni.

34. 4) Biotina E’ un coenzima in diverse carbossilasi; agisce fissando inizialmente la molecola di CO2 e trasferendola successivamente alla molecola da carbossilare. La carbossilazione della biotina a carbossi-biotina utilizza il bicarbonato come donatore di carbossile e richiede la presenza di magnesio e di ATP. Nell'uomo, la biotina è il coenzima di quattro importanti carbossilasi la piruvato carbossilasi nella gluconeogenesi. la propionil CoA carbossilasi per il metabolismo del propionato; la metilcrotonil CoA carbossilasi per il metabolismo degli aminoacidi ramificati e l'acetil CoA carbossilasi nella sintesi degli acidi grassi Biotinilazione degli istoni attraverso il legame con specifici residui di lisina silenziamento genico, proliferazione cellulare e risposta al danno al DNA.

35. DOVE SI TROVA: Carne Fegato Tuorlo d’uovo cereali CARENZA: Dermatite Ritardo dello sviluppo convulsioni

36. 5) Coenzimi folici • L’acido folico è coenzima di enzimi coinvolti nel trasferimento di unità monocarbonioseche includono alcune fasi del metabolismo degli amminoacidi e delle basi azotate • Coinvolto nella formazione del principale agente metilante S- adenosilmetionina (SAM) • La forma coenzimatica è l’acido tetraidrofolico (FH4). • Il coenzima trasporta gruppi monocarboniosi a vari livelli di ossidazione • Proliferazione cellulare • Formilazione del tRNA iniziatore della sintesi proteica

37. SINTESI DEL TIMILIDATO catalizzata dalla timidilato sintasi, limitante per la replicazione del DNA, catalizzata dalla timidilato sintasi, limitante per la replicazione del DNA e dipendente dalla disponibilità del metilene-FH4 coenzima donatore del gruppo metilico SINTESI EX-NOVO DELLE BASI PURINICHE (biosintesi adenina e guanina) OMOCISTEINA/METIONINA L’omocisteina è un aminoacido non proteico prodotto dal metabolismo della metionina, un’aminoacido solforato essenziale che viene introdotto nel nostro organismo con la dieta. Il metabolismo dell’omocisteina può seguire due vie: -via della rimetilazione: utilizza gli enzimi metionina-sintasi, metilenetetraidrofolatoreduttasi (MTHFR), betaina-sintasi e ha come catabolita finale la metionina. In tale via l’omocisteina può essere ri-metilata a metionina mediante due processi. Nel primo, in cui è fondamentale l’acido folico, la reazione chiave avviene grazie all’enzima MTHFR che riduce il 5,10-metilene-tetraidrofolato a 5-metiltetraidrofolato; quest’ultimo fornirà poi, in presenza di un coenzima, la vitamina B12, il gruppo metilico necessario per la riconversione dell’omocisteina in metionina. Nel secondo processo invece la reazione di rimetilazione è svolta dall’enzima betaina-sintasi che produce metionina catalizzando il trasferimento di un gruppo metilico dalla betaina all’omocisteina. La metionina è il precursore del SAM. -via della transulfurazione: sfrutta l’enzima cistationina-sintasi e ha come prodotto finale l’aminoacido cisteina. La cistationina-sintasi, coadiuvata dal coenzima vitamina B6, catalizza la reazione di condensazione tra omocisteina e serina con formazione di cistationina che successivamente viene degradata a cisteina. Mentre la via metabolica della rimetilazione è attiva per basse concentrazioni di omocisteina e di metionina, la via della transulfurazione entra in gioco quando le concentrazioni dei due aminoacidi aumentano

39. DOVE SI TROVA: SPINACI ASPARAGI BROCCOLI ARANCIA FRAGOLA LEGUMI ARACHIDI CARENZA: Anemia macrocitica megaloblastica (forme immature di eritrociti) Disturbi gastrointestinali caratterizzati da un malassorbimento Sintesi difettosa del DNA nei tessuti con alto ricambio cellulare Malformazione del sistema nervosocentrale (mancanza della chiusura del tubo neurale nello sviluppo del feto) Rischio di cancro (SAM-metilazione-regolazione dell’espressione genica) Malattie cardiovascolari (omocisteina)

40. 6) Coenzimi derivati dalla vit. B12 Le forme coenzimaticamente attive sono: la metil-cobalamina (metionina sintasi) la 5’-desossi-adenosil-cobalammina (metilmalonil-CoA mutasi) Il meccanismo delle reazioni catalizzate dai coenzimi della vit. B12 consiste nello scambio intramolecolare tra un atomo di H ed un gruppo legati a due atomi di C adiacenti. • Cianocobalammina • (vitamina B12) • b) Metilcobalammina (MeCbl) • c) 5’-deossiadenosilcobalammina • o adenosilcobalammina (AdoCbl) • (coenzima B12)

41. metilmalonil-CoA mutasi: Enzima della matrice mitocondriale, coinvolto nel metabolismo del propionil-CoA che è il prodotto della degradazione di alcuni amminoacidi e del catabolismo di acidi grassi a numero dispari di atomi di C

42. Dal ciclo finale della -ossidazione di questi acidi grassi si forma propionil-CoA, che viene convertito in succinil-CoA per entrare ciclo dell’acido citrico. Per la conversione di propionil-CoA a succinil-CoA sono necessari 3 enzimi. La I reaz., catalizzata da propionil-CoA carbossilasi, richiede un gruppo prosteico biotina e viene promossa dall’idrolisi di ATP Il prodotto della reazione, (S)-metilmalonil-CoA, viene convertito nella forma R dalla metilmalonil-CoA racemasi. (R)-metilmalonil-CoA è un substrato per la metilmalonil-CoA mutasi che catalizza la sua conversione a succinil-CoA L’enzima usa quale gruppo prosteico la 5’-deossiadenosilcobalammina (Coenzima B12) Il succinil-CoA è utilizzato nel ciclo di Krebs e nella Biosintesi dell’eme

43. La metionina sintasi è un enzima appartenente alla classe delle transferasi, che catalizza la seguente reazione: • 5-metiltetraidrofolato + L-omocisteina ⇄ tetraidrofolato + L-metionina

44. DOVE SI TROVA: Lla vitamina B12 è prodotta da microrganismi, quindi non è presente negli alimenti vegetali tranne quando questi sono contaminati da materia fecale. La fonte di vitamina negli alimenti di origine vegetale dipende dall’ingestione da parte dell’animale dei microrganismi contenenti vitamina B12. Si trova nel fegato, nel latte intero, nelle uova, nella carne di maiale e di pollo, nelle ostriche e nei gamberetti. CARENZE: Anemia megaloblastica (presenza nel midollo ed a volte anche nel circolo sanguigno, di megaloblasti abnormi) Anormalità neurologiche (dovuta a perdita di mielina) Disturbi gastrointestinali

45. La vitamina A è una vitamina liposolubile, in natura si trova in 3 diverse forme: alcolica (retinolo), aldeidica (retinaldeide) acida (acido retinoico) Anche i carotenoidi posseggono l'attività biologica della vitamina A in quanto possono fungere da provitamine

46. Sezione dell’occhio La luce è focalizzata attraverso le lenti; - La quantità di luce che raggiunge la retina è controllata dall’apertura dell’iride; - La luce raggiunge la retina neurale che contiene cellule neurali, fotorecettrici e accessorie; - La retina neurale termina nel fascio di nervi ottici.

47. Struttura della retina neurale I fotorecettori non sono i primi ad essere colpiti dalla luce - Le cellule più vicine alla luce sono i neuroni che integrano il segnale Nell’uomo ci sono diversi tipi di cellule recettive: Cellule a forma di bastoncino (“rods”) per la visone notturna Cellule a forma di cono (“cones”) per la visione del colore (blu, verde e rosso). - Epitelio pigmentato.

48. Cellula “rod” e rodopsina Schema del corpo della cellula, segmento interno e segmento esterno. La rodopsina, recettore primario, è presente nei dischi del segmento esterno L’opsina è un polipeptide con 348 aminoacidi L’opsina si combina con l’11-cis retinale per formare la rodopsina

49. Struttura della rodopsina La rodopsina è una proteina di membrana con 7 α-eliche di transmembrana e tre domini (citoplasmatico, transmembrana e intradiscale o extracellulare) - Il retinale è ancorato covalentemente in posizione K296