biochimica nutrizionale
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BIOCHIMICA NUTRIZIONALE Scuola di Specializzazione in Alimentazione Animale TERMINOLOGIA • Scienza dell’alimentazione studia gli aspetti relativi alla composizione degli alimenti e alla loro validità nutrizionale ed è in grado di indicare le scelte più idonee a soddisfare i fabbisogni nutrizionali • Scienza della nutrizione studia gli aspetti relativi all’impatto dei nutrienti sulle componenti strutturali e funzionali dell’organismo ed è in grado di determinare i fabbisogni nutrizionali BIOCHIMICA DELLA NUTRIZIONE NUTRIZIONE = Utilizzazione degli alimenti da parte degli esseri viventi Processi biochimici Uomo Denutrizione Ipernutrizione Animali di interesse zootecnico Nutrizione ottimale Fabbisogno alimentare qualitativo e quantitativo per mantenere un buono stato di salute ( migliore produttività) IMPORTANZA DELLA NUTRIZIONE • Salute • Performance • Prevenzione di malattie • Produttività • Longevità NURIZIONE E SALUTE STATO DI NUTRIZIONE Composizione corporea Funzionalità corporea STATO DI SALUTE Bilancio energetico APPROCCIO ALLA NUTRIZIONE • Valutazione dello stato di nutrizione • Determinazione dei fabbisogni nutrizionali • Valutazione della biodisponibilità dei nutrienti • Relazioni tra nutrienti e metabolismo FABBISOGNI NUTRIZIONALI ESSENZIALI Amminoacidi Uomo Alcune differenze in altre specie Istidina, 1isoleucina, leucina, lisina, 2fenilalanina metionina (cisteina), 3 (tirosina), treonina, triptofano, valina coperto dall’attività della flora batterica L’arginina2 è necessaria per i ratti in crescita e nei gatti, sia in crescita sia adulti. La glicina è necessaria nei polli e la taurina nei gatti. La maggior parte degli amminoacidi non sono essenziali nei ruminanti; in altri erbivori la maggior parte del fabbisogno è coperto dall’attività della flora batterica intestinale L’acido arachidonico è specificatamente richiesto nei gatti Acidi grassi 3(acido Acido linoleico 4 arachidonico),acido a-linolenico Vitamine Idrosolubili Acido ascorbico (C), biotina, 5cobalammina (B12), acido folico, niacina, acido pantotenico, piridossina (B6), riboflavina (B2), tiamina (B1) La maggior parte dei mammiferi può sintetizzare l’acido ascorbico, che è essenziale solo per primati, cavie e certi pipistrelli dell’India. Le vitamine idrosolubili non sono essenziali nei ruminanti; in altri erbivori il fabbisogno è coperto dall’attività della flora batterica intestinale Vitamina A, D6, E, K5 Molte specie possono utilizzare il b-carotene come fonte di vitamina A (retinolo), che deve essere fornita come tale nei gatti Liposolubili Sostanze minerali Macrominerali Microminerali (elementi traccia) Calcio, cloro, potassio, sodio magnesio, fosforo, Cromo, ferro, iodio, manganese, molibdeno, rame, selenio, zinco Fibra Necessario per una condizione di salute ottimale Acqua Il costituente essenziale della dieta 1Necessaria E’ stato dimostrato che silicio, vanadio, nichel, arsenico, fluoro e stagno sono essenziali in molte specie e forse anche nell’uomo Il cobalto è necessario nei microrganismi del rumine per la sintesi della cobalamina per i neonati e probabilmente nei bambini e negli adulti; 2Può essere in parte essenziale nei neonati; 3Cisteina, tirosina e acido arachidonico permettono di ridurre il fabbisogno di metionina, fenilalanina e acido linoleico. 4Non è chiaro se l’acido alinolenico sia essenziale nella dieta umana; 5Sintetizzata dai microrganismi intestinali; fabbisogno alimentare incerto; 6 L’esposizione della pelle alla luce solare ne riduce il fabbisogno alimentare. LE PIÙ IMPORTANTI VIE METABOLICHE Molecole alimentari Digestione Molecole Assorbimento Vie anfiboliche semplici Proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici 2H ~ P Altri processi endoergonici O2 CO2 + H2O Le vie cataboliche rilasciano energia libera sotto forma di equivalenti riducenti (2H) o fosfato ad alta energia (P) per potenziare le vie anaboliche. Le vie anfiboliche collegano le altre due vie. FABBISOGNO ENERGETICO Apporto di energia, di origine alimentare, necessario a compensare il dispendio energetico (trasferimento di energia da un organismo all’ambiente esterno) Metabolismo basale + Termogenesi indotta dalla dieta + Attività fisica = DISPENDIO ENERGETICO TOTALE Unità di misura dell’energia Kilocaloria (kcal) Quantità di calore necessaria per elevare da 14,5°C a 15,5°C 1 kg di acqua Kilojoule (KJ) Forza costante che imprime ad 1 Kg l’accelerazione di 1 m/s2 per lo spostamento di 1 m nella direzione e nel senso della forza 1 kcal: 4,186 kJ; 1 kJ: 0,2388 kcal CALORI DI COMBUSTIONE ED ENERGIA FORNITA DALLE PRINCIPALI FONTI ALIMENTARI NELL’UOMO Energia kcal/g (kJ/g) Proteine Lipidi Carboidrati Calore di combustione Ossidazione nell’uomo Fattori di conversione standard1 5,4 (22,6) 9,3 (38,9) 4,1 (17,2) 4,1 (17,2)2 9,3 (38,9) 4,1 (17,2) 4 (17) 9 (38) 4 (17) 1 I fattori di conversione sono ottenuti arrotondando i calori di combustione e correggendo i valori ottenuti con la stima relativa all’efficienza di assorbimento. L’ossidazione delle proteine è corretta tenendo conto delle perdite di gruppi amminici eliminati sotto forma di urea con le urine. 2 FATTORI DA CUI DIPENDE LA SPESA ENERGETICA Superficie corporea (altezza, peso), età (accrescimento, % fibra muscolare), sesso Metabolismo Basale (MB) = spesa energetica necessaria per alimentare le funzioni biologiche di base in condizioni standard Effetto termogenetico = spesa energetica legata alla digestione ed agli effetti biochimici di stimolazione del metabolismo legati all’assunzione di nuovi substrati Attività fisica Temperatura dell’ambiente METABOLISMO BASALE (MB) Quantità di energia utilizzata da un individuo a riposo, a T.A. costante (+20°C), a digiuno da 12-24 h, in condizioni di rilassamento fisico e psicologico Fattori che influenzano il METABOLISMO BASALE (MB) Età, sesso, composizione corporea, temperatura corporea, temperatura ambientale, stato nutrizionale, situazione ormonale, assunzione di farmaci Termogenesi indotta dalla dieta (TID) Incremento del dispendio energetico in risposta all’assunzione di alimenti Termogenesi obbligatoria: 75% (digestione, assorbimento, trasporto e metabolismo). Varia in funzione della qualità dei nutrienti ingeriti Termogenesi facoltativa: 25% (attivazione del sistema nervoso simpatico mediata dall’insulina, dall’assunzione di sostanze tossiche) Metodi di valutazione dello stato di nutrizione Diretti: • antropometrici (valutazione composizione corporea) • biochimici • clinici Indiretti: • rilevazione dei consumi alimentari Metodi antropometrici Peso, statura, circonferenza arti, grasso sottocutaneo Metodi antropometrici: peso corporeo BMI Body Mass Index o IMC Indice di Massa Corporea Peso in Kg (Statura in m)2 Indici biochimici • Test chimico-clinici: glicemia, azotemia, colesterolemia, trigliceridemia • Bilanci metabolici: bilancio d’azoto • Indicatori di nutrienti: transferrina, attività di enzimi vitamino-dipendenti FABBISOGNO DIETETICO GIORNALIERO RACCOMANDATO PER UN APPORTO ENERGETICO OTTIMALE Gruppi per età (anni) e sesso Neonati 0,0-0,5 0,5-1,0 Bambini 1-3 4-6 7-10 Maschi 11-14 15-18 19-22 23-50 51+ Femmine 11-14 15-18 19-22 23-50 51+ Gravidanza 1°trimestre 2°trimestre 3° trimestre Allattamento Peso (libbre;1 lb = ~ 454 g) Altezza (pollici; 1 in. ~ 2,5 cm) Fabbisogno energetico (kcal) 13 20 24 28 650 850 29 44 62 35 44 52 1300 1800 2000 99 145 160 174 170 62 69 70 70 68 2500 3000 2900 2900 2300 101 120 128 138 143 62 64 65 64 63 2200 2200 2200 2200 1900 +0 +300 +300 +500 BILANCIO ENERGETICO • Se la quantità di energia introdotta con gli alimenti è in eccesso rispetto ai bisogni, tale eccesso è accumulato nell’organismo sottoforma di tessuto adiposo (acquisto di peso) • Se la quantità di energia introdotta è in difetto rispetto ai bisogni, sarà il tessuto adiposo a fornire la quota mancante (perdita di peso) NUTRIENTI Sostanze specifiche che devono essere assunte in quantità sufficienti per soddisfare i fabbisogni dell’organismo Nutrienti essenziali: non possono essere sintetizzati dall’organismo Nutrienti non essenziali: possono essere sintetizzati dall’organismo CATEGORIE DEI NUTRIENTI • Acqua • Carboidrati • Proteine • Lipidi • Vitamine • Minerali ACQUA Composto più diffuso in natura; costituisce circa il 70% del peso corporeo. Coinvolta in una serie di funzioni: solvente per numerose sostanze chimiche regola la temperatura corporea ed il volume cellulare permette il trasporta di nutrienti e l’eliminazione di scorie metaboliche favorisce i processi digestivi è fonte di sali minerali CARBOIDRATI Risorsa energetica • Età • Crescita • Specie • Sesso • Livello di attività • Stato riproduttivo • Condizioni di malattia CARBOIDRATI • Forniscono l’energia per la crescita, la riproduzione e altre funzioni • Costituiti da C, O e H • Comprendono zuccheri semplici e complessi • Contengono elevate quantità di fibre (importanti per la digestione) CARBOIDRATI Monosaccaridi: singola unità poliossidrilica aldeidica o chetonica Oligosaccaridi: corte catene di unità monosaccaridiche unite da legami glicosidici Polisaccaridi: lunghe catene lineari o ramificate costituite da centinaia o migliaia di unità monosaccaridiche unite da legami glicosidici MONOSACCARIDI DIGESTIONE E ASSORBIMENTO DEI CARBOIDRATI Inizia nella bocca - enzimi salivari e pancreatici disaccaridi e trisaccaridi - enzimi dell’orletto a spazzola monosaccaridi L’assorbimento dei monosaccaridi avviene attraverso l’epitelio intestinale DIGESTIONE ENZIMOLOGICA DEI CARBOIDRATI Solo alcuni tipi di carboidrati possono essere idrolizzati da enzimi intestinali • a-(1,4) glu-glu • a-(1,2) glu-fru • a-(1,6) glu-glu • a-(1,4) gal-glu amilosio, amilopectina, isomaltosio, maltosio saccarosio amilopectina (ramificazione) lattosio I prodotti finali assorbiti sono: glucosio, fruttosio e galattosio AMILASI SALIVARE L’a-amilasi salivare (endoamilasi). Taglia i legami a-(1,4 glicosidici) solo all’interno della catena. Viene inattivata nello stomaco Non è secreta nei gatti, cani, uccelli e cavalli La b-amilasi (esoamilasi). Assente negli animali, presente nelle piante e nei microrganismi DIGESTIONE Bocca – amilasi salivare : a-1,4 endoglicosidasi G G G G G G G G G G Legame a 1-4 G G G G G amilasi Legame a 1-6 G G G G G G adestrina G G G G G G G G limite maltotrioso G G G maltosio G G isomaltosio PICCOLO INTESTINO Enzimi pancreatici a-amilasi maltotrioso G G G G G G G G amilosio G G a-amilasi G G G G G G G G G G G amilopectina + maltosio G G G G G G a-destrine limite DIGESTIONE DI OLIGOSACCARIDI Maltasi Lattasi Saccarasi G G G a-destrina limite G glucosio G G G G G G maltasi G G G glucoamilasi (maltasi) o a-destrinasi a-destrinasi G G G G G G G G G G G G ASSORBIMENTO DEI CARBOIDRATI Il glucosio è assorbito dagli enterociti e attraverso la vena porta viene trasportato al fegato. apicale basolaterale TRASPORTO DEI CARBOIDRATI Trasporto degli esosi negli enterociti Esoso Membrana apicale Membrana basolaterale Glucosio Trasportatore Na-dipendente (trasporto attivo) GLUT-2 (diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione) Galattosio Trasportatore Na-dipendente (trasporto attivo) GLUT-2 (diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione) Fruttosio GLUT-5 (diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione) GLUT-2 (diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione) Trasportatori di glucosio e fruttosio Trasportatori di glucosio Localizzazione Tipo di trasporto GLUT-1 Muscolo, encefalo, eritrociti Trasporto facilitato (secondo gradiente di concentrazione) GLUT-2 Fegato Trasporto facilitato (secondo gradiente di concentrazione GLUT-3 GLUT-4 Membrane dei neuroni Muscolo, cuore, adipociti Trasporto facilitato Trasporto stimolato da insulina e impulsi nervosi Muscolo, adipociti, spermatozoi Trasporto facilitato (secondo gradiente di concentrazione Trasportatore di fruttosio GLUT-5 CARBOIDRATI Fonte primaria di energia in tutte le cellule Glucosio Citosol - anaerobico esochinasi via del pentoso-fosfato Glucosio-6-P Glc-1- phosphate glicolisi Glicogeno Piruvato citosol mitocondri (aerobico) Piruvato Acetil CoA Acidi grassi Ciclo di Krebs Equivalenti riducenti Amminoacidi Fosforilazione ossidativa (ATP) No mitochondria Glucose Glycogen Lactate Glucose Glucose Glucose The Full Monty SINTESI DEL GLICOGENO METABOLISMO DEI CARBOIDRATI Utilizzo-Specificità tissutale Muscolo-cardiaco e scheletrico • Ossidazione del glucosio/Sintesi e conservazione del glicogeno • Glicogenolisi Tessuto adiposo e fegato • Glucosio acetil CoA • Glucosio a glicerolo per la sintesi dei trigliceridi • Il fegato rilascia il glucosio per altri tessuti Sistema nervoso • Sempre glucosio Ghiandola mammaria • Lattosio Globuli rossi Assenza di mitocondri • Ossidano il glucosio a lattato • Il lattato ritorna al fegato per la gluconeogenesi REGOLAZIONE DEI LIVELLI DI GLUCOSIO NEL SANGUE • Iperglicemia • Ipoglicemia Organi che controllano i livelli di glucosio nel sangue Fegato Pancreas (insulina e glucagone) ORMONI COINVOLTI NELL’ OMEOSTASI DEL GLUCOSIO L’omeostasi del glucosio è un processo complesso che interessa quattro ormoni essenziali: 1. INSULINA → ipoglicemizzante agisce nella normale alimentazione. 2. GLUCAGONE → iperglicemizzante agisce in stato di digiuno. 3. CORTISOLO → agisce in situazioni di stress prolungato. 4. ADRENALINA → agisce in situazioni di stress improvviso. Carboidrati Glucosio Glucosio Glucosio Glucosio Fruttosio Galattosio Riserve di glicogeno Glicogenolisi Gluconeogenesi Lattato Glucosio Amminoacidi Glucosio Riserve di glicogeno Glicerolo Riserve di trigliceridi Omeostasi del glucosio Insulina e glucagone iperglicemia bassa glicemia secrezione di ormoni gastroenterici isole di Langerhans cellule α (glucagone) cellule β (insulina) glucagone insulina Insulina NH2 COOH COO NH2 S S S S catena A catena B ormone ipoglicemizzante polipeptide di 51 aa (PM 5.808) costituito da due catene lineari di aa, A e B, legate da due ponti disolfuro fra 4 molecole di cisteina, in posizione 7 e 20 nella catena A e 7 e 19 nella catena B. un ponte disolfuro è disposto tra due molecole di cisteina in posizione 6 e 11 nella catena A la catena A è composta da 21 aa, la catena B da 30 aa Insulina • Ormone che influenza i livelli di glucosio ematico • Sintetizzata dalle cellule beta delle isole di Langerhans del pancreas • Agisce attaverso recettori di membrana e i principali tessuti bersaglio sono: fegato, muscolo e tessuto adiposo • Effetti dell’insulina opposti a quelli di glucagone, adrenalina, glucocorticoidi e ormone della crescita. Biosintesi dell’insulina: coinvolti due precursori inattivi la pre-proinsulina e la proinsulina, che vengono scissi in tappe successive, formando l’ormone attivo ed il peptide C (indispensabile per il corretto ripiegamento della proinsulina). L’emivita plasmatica dell’insulina è breve (~ 6 min.); ciò permette la rapida variazione del livello circolo. dell’ormone in Meccanismo di rilascio dell’insulina Meccanismo d’azione dell’INSULINA L’insulina si lega a specifici recettori presenti nella membrana plasmatica delle cellule della maggior parte dei tessuti (fegato, muscolo e t. adiposo). Il legame dell’insulina è seguito dalla internalizzazione del complesso ormone-recettore. Una volta nella cellula, l’insulina è degradata dagli enzimi lisosomiali. I recettori possono essere anch’essi degradati ma in genere ritornano sulla superficie cellulare. Trasporto di glucosio indotto dall’insulina Il glucosio non ha la capacità di entrare nelle cellule liberamente, il suo passaggio è legato alla presenza di una proteina trasportatrice per il trasporto facilitato. I due più importanti trasportatori per il glucosio a livello delle cellule muscolari sono il GLUT1 e il GLUT4. Il GLUT 4, nello stato basale, è presente in un deposito intracellulare ed è richiamato sulla faccia esterna della membrana plasmatica in presenza di insulina Stimolo alla secrezione di insulina Trasporto di glucosio mediato dall’insulina. Trasduzione del segnale insulinico Traslocazione del GLUT4 sulla membrana cellulare Fattori che influenzano la secrezione di insulina Glucosio ematico: con una normale glicemia la secrezione di insulina è bassa. L’aumentare della glicemia è seguita da un aumento nella concentrazione di insulina circolante (circa 10-30 volte). Amminoacidi, acidi grassi: alcuni amminoacidi, tra cui l’Arg, stimolano la secrezione di insulina. L’assunzione di un pasto ricco di proteine determina l’aumento ematico dell’ormone. Stesso effetto da parte degli acidi grassi. Ormoni gastrointestinali (GI): dopo un pasto la secretina e la gastrina inviano segnali alle cellule del pancreas che il glucosio ematico aumenterà. Sistema nervoso autonomo: l’attivazione dei neuroni parasimpatici che proiettano alle isole, durante la digestione, determina un aumento di insulina tramite la secrezione di acetilcolina. L’attivazione delle fibre simpatiche che vanno alle isole o il rilascio di adrenalina dalla midollare del surrene, come avviene in seguito ad una risposta allo stress, determina un’inibizione del rilascio di insulina. Ormoni insulari: il glucagone aumenta la secrezione di insulina stimolata dal glucosio, mentre la somatostatina ne inibisce la secrezione. L’insulina “accende” vie metaboliche e processi coinvolti nell’assunzione cellulare e nell’immagazzinamento di combustibili metabolici e “spegne” vie metaboliche che riguardano la demolizione di combustibili. ORMONI IPERGLICEMIZZANTI ● GLUCAGONE: si attiva in situazioni di digiuno. ● ADRENALINA: si attiva in seguito a situazioni di stress. ● CORTISOLO: si attiva in situazioni di stress cronico legato a trauma e malattia. Glucagone ormone iperglicemizzante polipeptide di 29 amminoacidi (PM 3.485) catena lineare che si avvolge su se stessa in modo casuale biosintesi: formazione di pre-pro-glucagone (PM 18.000) da cui deriva, per distacco di catene polipeptidiche, il pro-glucagone (PM 12.000) di 100 aa già parzialmente attivo, da cui deriva l’ormone attivo accumulato nelle cellule α in granuli secretori dai quali viene liberato per esocitosi emivita nel sangue circolante di ~ 6 min GLUCAGONE Agisce sul fegato, tessuto adiposo e muscolo. AZIONE EPATICA: inibisce la sintesi di acidi grassi (inibisce la ACETIL CoA CARBOSSILASI acetil CoA in malonilCoA) AZIONE SUL TESSUTO ADIPOSO: attiva le LIPASI AZIONE A LIVELLO MUSCOLARE: liberazione di amminoacidi che vengono deaminati e trasformati in chetoacidi. Nel muscolo la fonte primaria di amminoacidi è rappresentata da actina e miosina: in caso di digiuni prolungati viene persa massa muscolare. Fattori che influenzano la secrezione di glucagone glucosio ematico: una diminuzione della concentrazione ematica di glucosio stimola la secrezione. Le concentrazioni di glucagone ematico sono più alte a digiuno e tendono a diminuire dopo un pasto. amminoacidi: stimolano la secrezione di glucagone. acidi grassi: un aumento di acidi grassi circolanti inibisce la secrezione di glucagone. insulina: la glicemia elevata inibisce la secrezione di glucagone in presenza di insulina. Se l’insulina è mancante, le cellule α non sono in grado di rilevare l’aumento di glucosio ematico e i livelli di glucagone rimangono alti. ormoni gastroenterici: gastrina e colecistochinina stimolano la produzione di glucagone, mentre la secretina e la somatostatina la inibiscono. sistema nervoso autonomo: l’innervazione ortosimpatica del pancreas e un’aumentata concentrazione di catecolamine surrenali stimola la produzione di glucagone. Meccanismo d’azione del GLUCAGONE Il glucagone si lega a specifici recettori presenti sulla membrana plasmatica degli epatociti. Il legame al recettore provoca l’attivazione dell’adenilato ciclasi del cAMP (secondo messaggero) che, attivando la proteina chinasi cAMP dipendente, fa la fosforilazione di specifici enzimi del metabolismo dei carboidrati e dei lipidi. Meccanismo d’azione del glucagone glucagone recettore adenilato ciclasi β γ GDP α proteina G citosol GTP α GDP GTP ATP AMPc subunità regolatrice PKA inattiva cAMP PKA attiva ATP ADP fosforilasi chinasi inattiva fosforilasi chinasi –PO4 attiva Ca2+ ATP glucosio sangue glucosio -6-PO4 glicolisi e ciclo di Krebs ADP fosforilasi b inattiva fosforilasi a –PO4 attiva glucosio -1-PO4 PO43- glicogeno CORTISOLO Ormone steroideo, rilasciato dalla ghiandola surrenale. Nel sangue è associato alla proteina CBP che lo veicola nel circolo sanguigno. Presenta dei recettori specifici nel nucleo; il sistema di trasmissione del segnale avviene: ● CBP arriva sulla membrana; ● libera nel citosol l’ormone; ● il cortisolo incontra il suo recettore a livello nucleare. ADRENALINA Ormone stimolatorio per reazioni di stress rapido, agisce a livello: ➢ EPATICO: stimola la glicogenolisi e la liberazione nel sangue di glucosio essenziale per la muscolatura. ➢ ADIPOSO ➢MUSCOLARE: provoca incremento del cAMP libero, glicogenolisi ➢ PANCREATICO: stimola la secrezione di INSULINA Iperglicemia Aumento del tasso ematico di glucosio Cause: • Eccesso di glucagone • Malattie autoimmuni che determinano la produzione di anticorpi specifici contro l’insulina • Eccesso di insulinasi (enzima prodotto dal rene per metabolizzare l’insulina) • Diabete mellito Diabete mellito Carenza di insulina dovuta ad un deficit pancreatico Un calo dell’insulinemia deprime la capacità delle cellule di assorbire glucosio dal sangue Aumento del tasso glicemico Parte del glucosio filtra attraverso il glomerulo renale nell’urina e NON tutto è riassorbito dall’epitelio tubulare Glicosuria Test per la glicemia Campione biologico richiesto: plasma o siero Effettuare l’analisi in tempi brevi dopo il prelievo: le cellule continuano i processi di glicolisi, pertanto i risultati saranno invalidati Test enzimatici Test su singola goccia Apparecchi automatizzati Test enzimatici • Il principio su cui si basa la misura dei più comuni glucometri validati per uso clinico consiste nella quantificazione di una reazione enzimatica, l’ossidazione del glucosio (proporzionale alla sua concentrazione nel sangue). • La reazione avviene ponendo un campione di sangue su una striscia reattiva alla glucosio-ossidasi. • La misura può essere ottenuta valutando l’intensità di colore determinata dal cromogeno che si sviluppa dall’ossidazione del glucosio. Test su singola goccia • Una goccia di sangue intero viene deposta su carta bibula • Si determina una variazione di colore Apparecchi automatizzati Test di carico del glucosio • Animale a digiuno per 24 h. • Prelievo di un campione di sangue e determinazione della glicemia. • Immediata somministrazione di glucosio per via orale (4 g/kg di peso corporeo) oppure per via endovenosa (soluzione di glucosio al 50% inoculata in ragione di 0,5 g/kg di peso corporeo). • Prelievi di sangue ad intervalli regolari (ogni 30-40 min) per 34h. Incremento della glicemia Somministrazione per os Il tasso glicemico aumenta in modo notevole non appena il glucosio viene assorbito in circolo dall’organismo. Il picco della glicemia viene raggiunto nell’arco di 30-60 min. Inoculazione per via endovenosa L’incremento della glicemia compare più rapidamente dal momento che il glucosio non deve essere assorbito dall’intestino. Fisiologicamente La glicemia inizia a diminuire per raggiungere, nel giro della II ora, il livello che aveva prima di iniziare la prova. Soggetto diabetico Il tasso glicemico è superiore alla norma fino al termine della prova. PROTEINE • Costituenti strutturali • Enzimi • Anticorpi • Ormoni PROTEINE • Essenziali per la crescita ed i processi riparativi • Indispensabili per i muscoli, organi interni, pelle, capelli, lana, piumaggio, zoccoli, corna • Contengono C, H, O e N • Formate dalla combinazione di 20 amminoacidi, 9 dei quali sono “essenziali” Animali (carne, pesce, uova, latte) Vegetali (tofu, pasta, pane, legumi, cereali, riso) DIGESTIONE E ASSORBIMENTO DELLE PROTEINE Nell’uomo: 70-100 g di proteine assunte con gli alimenti + 35-200 g di proteine endogene digestione + assorbimento feci 1-2 g di azoto 6-12 g di proteine AMMINOACIDI ESSENZIALI E NON ESSENZIALI Amminoacidi essenziali Amminoacidi non essenziali Arginina Alanina Istidina Asparagina Isoleucina Aspartato Leucina Cisteina Lisina Glutammato Metionina Glutammina Fenilalanina Glicina Treonina Prolina Triptofano Serina Valina Tirosina AMMINOACIDI ESSENZIALI IN ALCUNE SPECIE ANIMALI Suino Pulcino Ratto Arginina si si si Fenilalanina si si si Isoleucina si si si Istidina si si si Leucina si si si Lisina si si si Metionina si si si Tirosina si si no Treonina si si si Triptofano si si si Valina si si si Glicina no si no • Principale fonte di azoto per l’organismo • Soggette ad un continuo processo di demolizione e sintesi che va sotto il nome di turnover proteico • Il turnover consente all’organismo di modulare la sintesi delle proprie proteine in dipendenza dell’evolversi delle sue esigenze • In un uomo adulto le proteine corporee ammontano a circa 10Kg; di questi giornalmente circa 250gr sono soggetti a turnover Flusso di amminoacidi in entrata: • amminoacidi derivati dalla digestione delle proteine alimentari • amminoacidi organiche derivati dalla degradazione delle proteine Flusso di amminoacidi in uscita: • amminoacidi avviati al catabolismo e alla produzione di urea • amminoacidi indirizzati verso la biosintesi ex novo di proteine corporee CARATTERISTICHE DEL TURNOVER PROTEICO • tutte le proteine sono soggette a turnover • avviene a velocità diversa per le diverse proteine • regolato da fattori nutrizionali, ormonali • varia nelle diverse specie animali in rapporto alla taglia • varia per i diversi organi e tessuti • nell’uomo la velocità del turnover diminuisce dalla nascita all’età adulta • richiede energia TURNOVER PROTEICO Proteine alimentari Proteine corporee Pool degli amminoacidi Pool di escrezione PROTEINE Complete o nobili - forniscono amminoacidi essenziali e non essenziali - generalmente di origine animale Incomplete o povere - carenti in uno o più amminoacidi - generalmente di origine vegetale PROTEINE • di origine animale - contengono tutti gli amminoacidi in concentrazioni relativamente elevate • di origine vegetale - di qualità inferiore per carenza di uno o più amminoacidi Legumi: carenti in metionina Cereali: carenti in lisina DIGESTIONE E ASSORBIMENTO DELLE PROTEINE • Nello stomaco enzimi specifici scindono le proteine complesse in peptidi • I peptidi vengono scissi in singoli amminoacidi grazie ad altri enzimi nell’intestino tenue • I singoli amminoacidi vengono assorbiti nell’intestino tenue e trasportati al fegato • Il fegato li risintetizza in proteine complesse utili per l’organismo o li invia ai tessuti periferici per una sintesi proteica tissutale • Solo in caso di prolungato digiuno essi vengono utilizzati come fonte di energia BIOSINTESI DI ENZIMI DIGESTIVI Localizzazione: polisomi del reticolo endoplasmatico rugoso Sequenza amminoacidica segnale all’N-terminale • • Ancoraggio dei ribosomi alla membrana del reticolo Rilascio della proteina sintetizzata all’interno delle cisterne del reticolo Processing delle proteine prima della secrezione Accumulo delle proteine in piccole vescicole Zimogeni: precursori inattivi Granuli di zimogeno: esocitosi Attivazione dei zimogeni DIGESTIONE DELLE PROTEINE Inizia nello stomaco ad opera della pepsina, è completata dalle proteasi intestinali dei succhi pancreatici e da quelle poste sull’orletto a spazzola. Le proteasi si dividono in endopeptidasi esopeptidasi. e ENZIMI PROTEOLITICI = IDROLASI ENDOPEPTIDASI OLIGOPEPTIDI endopeptidasi PROTEINE PEPTIDI ESOPEPTIDASI AMMINOACIDI –COOH terminali o AMMINOACIDI –NH2 terminali esopeptidasi AMMINOACIDI LIBERI ASSORBIMENTO INTESTINALE ENDOPEPTIDASI Enzima Origine pH ottimale Attivatore Pepsina Stomaco 1,5-2,5 HCl-Pepsina Tripsina Pancreas esocrino 7,5-8,5 EndopeptidasiTripsina Chimotripsina Pancreas esocrino 7,5-8,5 Tripsina Elastasi Pancreas esocrino 7,5-8,5 Tripsina ESOPEPTIDASI Enzima Presenza pH ottimale Attivatore Carbossipeptidasi A Pancreas esocrino pH del succo intestinale Tripsina Carbossipeptidasi B Pancreas esocrino pH del succo intestinale Tripsina Aminopeptidasi Mucosa intestinale pH del succo intestinale Dipeptidasi e tripeptidasi Mucosa intestinale pH del succo intestinale Peptidasi intracellulari Citoplasma epitelio intestinale pH citosolico FASE GASTRICA DELLA DIGESTIONE DELLE PROTEINE Nel succo gastrico: 1) pH < 2: 2) Pepsine: 1) pH < 2 2) proteasi: pepsine morte dei microrganismi denaturazione proteine stabili e attive in ambiente acido inattive a pH neutro autocatalisi Pepsinogeno Pepsina A rimozione 44 aa all’NH2 terminale Proteine Pepsina A Peptidi stimolazione fase pancreatica colecistochinina (duodeno) digestione proteine FASE PANCREATICA DELLA DIGESTIONE DELLE PROTEINE Nel succo pancreatico: - proenzimi precursori di endopeptidasi - proenzimi precursori di carbossipeptidasi endopeptidasi Tripsinogeno Tripsina esapeptide N-terminale Tripsina Chimotripsina Elastasi Carbossi-peptidasi AeB Peptidasi gastriche e pancreatiche Enzima Proteasi carbossiliche Pepsina A Proenzima Pepsinogeno A Attivatore Autoattivazione, pepsina Serina-proteasi Tripsina Tripsinogeno Endopeptidasi, tripsina Chimotripsina Chimotripsinogeno Tripsina Elastasi Proelastasi Tripsina Zn-peptidasi Carbossipeptidasi A Procarbossipeptidasi A Tripsina Carbossipeptidasi B Procarbossipeptidasi B Tripsina Reazione catalizzata ↓ R ↓ R CO-NHCHCO-NHCHCO R = tyr, phe, leu R ↓ R CO-NHCHCO-NHCHCO R = arg, lys R ↓ R CO-NHCHCO-NHCHCO R = tyr, trp, phe, met, leu R ↓ R CO-NHCHCO-NHCHCO R = ala, gly, ser ↓ R CO-NHCHCO2 R = val, leu, ile, ala ↓ R CO-NHCHCO2 R = arg, lys ENZIMI PROTEOLITICI DELL’APPARATO DIGERENTE Sede e provenienza dell’attività enzimatica Stomaco (ghiandole del fondo) Zimogeno Pepsinogeno Enzima attivo Pepsina Tipologia e specificità di idrolisi Endopeptidasi Leu, aa aromatici Tripsinogeno Tripsina Endopeptidasi Lys, Arg Chimotripsinogeno Chimotripsina aa aromatici, Leu, Met Proelastasi Elastasi Gly, Ala, Val Procarbossipeptidasi Carbossipeptidasi A e B Esopeptidasi aa aromatici, Lys, Arg Duodeno: enterociti Enterochinasi Endopeptidasi specifica legame LysIle Intestino tenue: enterociti Aminopeptidasi Esopeptidasi aa N-terminali Duodeno: enzimi pancreatici Tripsina, chimotripsina ed elastasi • attive solo a pH neutro • dipendenti dalla produzione pancreatica di NaHCO3 • serin-proteasi Carbossipeptidasi A e B • prodotte nel pancreas, sono attive nell’intestino • metallo-enzimi • richiedono ioni Zn2+ Risultato della digestione pancreatica delle proteine aa liberi peptidi (2-8 aa) ASSORBIMENTO DELLE PROTEINE Assorbimento: le cellule epiteliali intestinali assorbono singoli amminoacidi, di- e tripeptidi. I singoli aminoacidi: entrano nella cellula intestinale mediante co-trasporto facilitato con il Na+ e passano nel sangue per diffusione facilitata. I di- e tri-peptidi: entrano nella cellula intestinale mediante specifici trasportatori PEPT1 H+ dipendenti. I peptidi vengono idrolizzati a singoli amminoacidi dalle proteasi del citoplasma e passano nel sangue per diffusione facilitata. ASSORBIMENTO DELLE PROTEINE L’assorbimento degli amminoacidi è rapido nel duodeno e nel digiuno e lento nell’ileo e richiede l’intervento di un trasportatore Sembra esistere un unico trasportatore per gli amminoacidi neutri (ala, ser), uno per quelli basici (arg, lys), uno per gli acidi (glu, asp) ed uno per glicina, prolina e idrossiprolina CATABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI • Dopo l’assorbimento gli amminoacidi sono trasportati al fegato attraverso il sistema portale • Il fegato è il sito principale sia del metabolismo dello scheletro carbonioso e sia dell’azoto, è l’organo più attivo per la sintesi e per il catabolismo • La maggior parte dell’azoto è rimosso dagli amminoacidi tramite l’azione di enzimi epatici per ossidazione o transaminazione ESCREZIONE DELL’AZOTO Metaboliti urinari g/24 h % totali Urea 30 86 Ioni ammonio 0,7 2,8 Creatinina 1,0-1,8 4-5 Acido urico 0,6-1,0 2-3 REGOLAZIONE DEGLI AMMINOACIDI Controllo ormonale del metabolismo degli amminoacidi INSULINA • favorisce la sintesi delle proteine GLUCAGONE • favorisce la degradazione delle proteine • favorisce la gluconeogenesi DESTINO DEGLI AMMINOACIDI Chetogenici: sono metabolizzati ad acetil-CoA Glucogenici: i metaboliti possono essere trasformati in glucosio attraverso la gluconeogenesi Glucogenici: Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Met Pro Ser Thr Val Chetogenici: Leu Lys Entrambi: Ile Phe Trp Tyr VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ PROTEICA Il valore proteico di un alimento dipende non solo dalla quantità, ma anche dalla qualità delle proteine in esso contenute VALORE BIOLOGICO E’ la stima della capacità della proteina di soddisfare le necessità dell’organismo VALORE BIOLOGICO DI ALCUNI ALIMENTI Alimento Valore biologico Uova Pesce Manzo Latte di vacca 100 70 69 60 Riso Fagioli secchi Grano Arachidi 57 34 44 43 MALASSORBIMENTO DI PROTEINE • Digestione incompleta = deficit di enzimi pancreatici (pancreatiti) • Malassorbimento/trasporto = deficit congenito di un recettore per un gruppo di AA (celiachia) MALNUTRIZIONE PROTEICO-ENERGETICA • Alterazioni derivanti da un’alimentazione inadeguata • Si tratta generalmente di sindromi policarenziali Kwashiorkor: malnutrizione proteica Marasma: malnutrizione energetica KWASHIORKOR • Ritardo nella crescita, depigmentazione dei capelli, desquamazione, edema e fegato steatosico • Mortalità del 30% • Lesione biochimica: diminuzione della capacità di sintesi proteica epatica La carenza di aa porta ad una diminuita sintesi di albumina che nel plasma funge da osmoregolatore, ciò porta ad un aumento del liquido interstiziale e edema Il fegato “grasso” è una conseguenza di diminuita sintesi di apolipoproteine il cui compito è di trasportare i grassi dal fegato ai tessuti periferici MARASMA • Peso molto basso rispetto all’altezza, che è inferiore a quella corrispondente all’età, aspetto grinzoso e carenza di grasso sottocutaneo, addome teso e rigonfio • Mortalità elevata • Lesione biochimica: diminuita sintesi dell’albumina che determina un aumento di produzione di cortisolo, che ha un’azione catabolica sulle proteine muscolari che diventerebbero disponibili per il fegato LIPIDI • Forniscono energia • Servono come “carriers” per le vitamine liposolubili • Formano colesterolo e steroidi • Costituiti da C, O e H, hanno maggiore quantità di C e H rispetto ai carboidrati • Possono essere SATURI (solidi a T.A.) ed INSATURI (generalmente liquidi) ACIDI GRASSI Gli insaturi possono essere: • monoinsaturi • polinsaturi • acidi grassi omega-3 • idrogenati (acidi grassi insaturi che sono chimicamente modificati e trasformati in saturi) TRIACILGLICEROLI O TRIGLICERIDI Costituiti da 1 molecola di glicerolo a cui sono legati 3 acidi grassi mediante legami esterei Alimentazione: 98% trigliceridi - 2% fosfolipidi, colesterolo, glicolipidi Secrezione nel lume del duodeno: 1-2 g di colesterolo 7-22 g di fosfatidilcolina (lecitina) Difficoltà nella digestione dei lipidi Insolubilità in ambiente acquoso dei lipidi difficoltà di accesso agli enzimi digestivi Tendenza all’aggregazione e formazione di complessi di grandi dimensioni dei costituenti elementari prodotti dall’idrolisi dei lipidi alimentari difficoltà di assorbimento da parte delle cellule della mucosa intestinale Superamento delle difficoltà Aumento della superficie di contatto tra la fase acquosa e la fase lipidica Solubilizzazione dei prodotti di idrolisi delle molecole lipidiche per mezzo di detergenti FASI DELLA DIGESTIONE E ASSORBIMENTO DEI LIPIDI • Idrolisi dei trigliceridi ad acidi grassi liberi e monoacilgliceroli • Solubilizzazione degli acidi grassi liberi e dei monoacilgliceroli ad opera di detergenti (acidi biliari) e loro trasporto dal lume intestinale alla superficie delle cellule assorbenti • Assunzione degli acidi grassi liberi e dei monoacilgliceroli da parte delle cellule e resintesi dei trigliceridi • Introduzione delle molecole neosintetizzate di trigliceridi in micelle ricche di lipidi dette chilomicroni • Esocitosi dei chilomicroni dalle cellule e loro immissione nella linfa ACIDI BILIARI • detergenti biologici sintetizzati nel fegato e secreti con la bile nel duodeno • si formano dal colesterolo • a pH fisiologici si presentano come anioni • veicolano le molecole lipidiche dal lume intestinale alla superficie delle cellule assorbenti FASE GASTRICA DELLA DIGESTIONE DEI LIPIDI Nel succo gastrico: LIPASI GASTRICA acido-stabile (pH ottimale=4) • secreta dalle ghiandole del fondo dello stomaco (nei roditori è prodotta dalle ghiandole sublinguali) • responsabile della digestione del 10-30% dei trigliceridi negli adulti • molto importante per la digestione dei grassi nel lattante (alla nascita la lipasi pancreatica è poco attiva). Indispensabile per la digestione dei globuli di grasso del latte FASE PANCREATICA DELLA DIGESTIONE DEI LIPIDI LIPASI PANCREATICA: pH ottimale = 7 inibita dagli acidi biliari, attivata dalla colipasi (proteina secreta nel succo pancreatico) LIPIDE o COLESTEROLO-ESTERASI: attivata dagli acidi biliari meno specifica agisce sugli esteri del colesterolo, monoacilgliceroli e sugli esteri lipidici FOSFOLIPASI A2: idrolizza specificatamente i fosfolipidi, attivata dagli acidi biliari FASE INTESTINALE DELLA DIGESTIONE DEI LIPIDI • Assorbimento mediante semplice diffusione attraverso la membrana citoplasmatica delle cellule della mucosa dell’intestino tenue Acidi grassi e monoacilgliceroli assorbimento completo Colesterolo 30%-40% assorbimento • Metabolizzazione dei lipidi non assorbiti da parte della flora batterica • Escrezione con le feci (steatorrea) DESTINO DEGLI ACIDI GRASSI NELLE CELLULE INTESTINALI 1) Acidi grassi a catena media (6-10 C) flusso sanguigno fegato 2) Acidi grassi a catena lunga (> 12 C) legame ad una specifica proteina citosolica trasporto nel reticolo endoplasmatico resintesi dei trigliceridi associazione in chilomicroni migrazione dall’apparato del Golgi alla membrana citoplasmatica basolaterale riversamento nello spazio extracellulare sistema linfatico tessuto adiposo muscolare VIE DI ASSORBIMENTO DEGLI ACIDI GRASSI E DEI MONOACILGLICEROLI TRASPORTO DEI LIPIDI Lipoproteine Chilomicroni trasportano dall’intestino tenue ai tessuti trigliceridi e colesterolo VLDL trasportano lipidi di natura endogena dal fegato ai tessuti LDL si formano dalla degradazione delle VLDL e si arricchiscono di colesterolo e dei suoi esteri HDL trasportano il colesterolo e gli esteri del colesterolo dai tessuti al fegato STRUTTURA MOLECOLARE DEI CHILOMICRONI La superficie dei chilomicroni è rivestita da uno strato di fosfolipidi disposti con la loro testa polare verso la fase acquosa. I trigliceridi sono raggruppati all’interno. Sulla superficie sporgono le apolipoproteine che agiscono come segnali per il metabolismo del contenuto dei chilomicroni. CARATTERISTICHE DELLE LIPOPROTEINE PLASMATICHE UMANE CHILOMICRONI VLDL LDL HDL Peso molecolare x 10-6 > 400 5-6 2,3 0,18-0,36 Densità (g cm-3) < 1,006 0,951,006 1,0061,063 1,0631,210 Composizione chimica (%) Triacilgliceroli 85 50 10 4 Colesterolo libero 1 7 8 2 Esteri del colesterolo 3 12 37 15 Fosfolipidi 9 18 20 24 Proteine 2 10 23 55 Assunzione dei lipidi della dieta nell’intestino degli animali e trasporto degli acidi grassi al muscolo e al tessuto adiposo SECREZIONE E RIASSORBIMENTO DEGLI ACIDI BILIARI Circolo entero-epatico degli acidi biliari Mentre il riassorbimento degli acidi grassi è completo a circa metà del digiuno, i sali biliari vengono riassorbiti a livello dell’ileo. I sali biliari vengono riassorbiti quando la loro funzione è espletata. Gli acidi biliari riassorbiti a livello dell’ileo vengono poi rimossi dal sangue portale dagli epatociti. METABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI DESTINO DEL GLICEROLO ATTIVAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI TRASPORTO DEGLI ACILI TRAMITE CARNITINA BETA-OSSIDAZIONE: TAPPA 1 BETA-OSSIDAZIONE: TAPPA 2 BETA-OSSIDAZIONE: TAPPA 3 BETA-OSSIDAZIONE: TAPPA FINALE Resa energetica dell’ossidazione degli acidi grassi Palmitoil-CoA (C16) + 7 CoA-SH + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O 7FADH2 + 7 NADH + 7H+ Reazione Attivazione del palmitato a palmitoilCoA 8 Acetil-CoA + Resa in ATP 2 - Ossidazione di 8 molecole di acetilCoA 8 x 10 = 80 Ossidazione di 7 molecole di FADH2 7 x 1,5 = 10,5 Ossidazione di 7 molecole di NADH 7 x 2,5 = 17,5 Somma: 106 molecole di ATP BIOSINTESI DEI CORPI CHETONICI SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI METABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI: TAPPA INIZIALE SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI: I TAPPA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI: II TAPPA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI: III TAPPA METABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI BIODISPONIBILITA’ I nutrienti contenuti in un alimento non sono quasi mai utilizzati completamente dall’organismo La parte utilizzata viene definita quota biodisponibile Fattori che influenzano la biodisponibilità Digeribilità (caratteristiche chimico-fisiche del nutriente, composizione della dieta, funzionalità gastro-intestinali, disponibilità enzimatica) Assorbimento (interazioni chimico-fisiche tra nutrienti, funzionalità dell’enterocita, microflora intestinale) Utilizzazione (stato fisiologico, stato nutrizionale, stato di salute)
