BIOCHIMICA NUTRIZIONALE Scuola di Specializzazione in Alimentazione Animale

BIOCHIMICA DELLA NUTRIZIONE 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

Uomo Animali di interesse zootecnico NUTRIZIONE = Utilizzazione degli alimenti da parte degli esseri viventi Processi biochimici Uomo Animali di interesse zootecnico Denutrizione Ipernutrizione 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

Composizione corporea Funzionalità corporea Bilancio energetico NURIZIONE E SALUTE STATO DI NUTRIZIONE Composizione corporea Funzionalità corporea Bilancio energetico STATO DI SALUTE

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 Uomo Alcune differenze in altre specie Amminoacidi Istidina, 1isoleucina, leucina, lisina, metionina (cisteina), 2fenilalanina (tirosina), 3treonina, 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 Acidi grassi Acido linoleico 3(acido arachidonico),acido a-linolenico4 L’acido arachidonico è specificatamente richiesto nei gatti Vitamine Idrosolubili Liposolubili Acido ascorbico (C), biotina, 5cobalammina (B12), acido folico, niacina, acido pantotenico, piridossina (B6), riboflavina (B2), tiamina (B1) Vitamina A, D6, E, K5 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 Molte specie possono utilizzare il b-carotene come fonte di vitamina A (retinolo), che deve essere fornita come tale nei gatti Sostanze minerali Macrominerali Microminerali (elementi traccia) Calcio, cloro, magnesio, fosforo, potassio, sodio Cromo, ferro, iodio, manganese, molibdeno, rame, selenio, zinco 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 Fibra Necessario per una condizione di salute ottimale Acqua Il costituente essenziale della dieta 1Necessaria 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 a-linolenico 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 semplici Assorbimento Vie anfiboliche O2 Vie anaboliche Proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici Vie cataboliche CO2 + H2O 2H ~ P Altri processi endoergonici 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

Ossidazione nell’uomo Fattori di conversione standard1 CALORI DI COMBUSTIONE ED ENERGIA FORNITA DALLE PRINCIPALI FONTI ALIMENTARI NELL’UOMO Energia kcal/g (kJ/g) Calore di combustione Ossidazione nell’uomo Fattori di conversione standard1 Proteine Lipidi Carboidrati 5,4 (22,6) 9,3 (38,9) 4,1 (17,2) 4,1 (17,2)2 4 (17) 9 (38) 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. 2 L’ossidazione delle proteine è corretta tenendo conto delle perdite di gruppi amminici eliminati sotto forma di urea con le urine.

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

Fattori che influenzano il 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

Gruppi per età (anni) e sesso Fabbisogno energetico (kcal) FABBISOGNO DIETETICO GIORNALIERO RACCOMANDATO PER UN APPORTO ENERGETICO OTTIMALE Gruppi per età (anni) e sesso Peso (libbre;1 lb = ~ 454 g) Altezza (pollici; 1 in. ~ 2,5 cm) Fabbisogno energetico (kcal) Neonati 0,0-0,5 0,5-1,0 13 20 24 28 650 850 Bambini 1-3 4-6 7-10 29 44 62 35 52 1300 1800 2000 Maschi 11-14 15-18 19-22 23-50 51+ 99 145 160 174 170 69 70 68 2500 3000 2900 2300 Femmine 101 120 128 138 143 64 65 63 2200 1900 Gravidanza 1°trimestre 2°trimestre 3° trimestre +0 +300 Allattamento +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 amilosio, amilopectina, isomaltosio, maltosio a-(1,2) glu-fru saccarosio a-(1,6) glu-glu amilopectina (ramificazione) a-(1,4) gal-glu 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 amilasi adestrina limite G G G G G G G G G amilasi G G G G G G Legame a 1-6 G G G G maltotrioso Key- We must breakdown these very large oligosaccharides into monosaccharides in order to absorb them. Alpha amylase. – Cannot attack a1-4 linkase close to 1-6 branch points. G G Legame a 1-4 G G G G G G maltosio G G isomaltosio

+ PICCOLO INTESTINO a-amilasi Enzimi pancreatici a-amilasi maltotrioso maltosio + G G G G G G G G G G a-amilasi amilosio G G G G G G G G G G G G G G G G G amilopectina a-destrine limite

DIGESTIONE DI OLIGOSACCARIDI Maltasi Lattasi Saccarasi G glucoamilasi (maltasi) o a-destrinasi maltasi glucosio a-destrina limite Maltase – specifically removes a single glucose from the nonreducing end of a linear a1-4 glucose chain…breaking down maltose into glucose. (exosaccharidases) Alpha dextinase – cleaves 1,6-alpha glucosidic linkages

ASSORBIMENTO DEI CARBOIDRATI Il glucosio è assorbito dagli enterociti e attraverso la vena porta viene trasportato al fegato. Monosaccharides are still too large for passive diffusion across brush border membrane. We use facilitated diffusion to absorb these molecules. Glucose and galactose use a sodium-glucose symport (SGLUT1) while fructose uses the glut5 We must transport Na out of the cell to maintain proper electrochemical gradient (sodium potassium pump) Water will also follow sodium into enterocyte. This is critical to maintain proper water balance. 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 Fruttosio GLUT-5 (diffusione facilitata secondo gradiente di concentrazione)

Trasportatori di glucosio e fruttosio 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 Trasportatore di fruttosio GLUT-5 Membrane dei neuroni Muscolo, cuore, adipociti Muscolo, adipociti, spermatozoi Trasporto facilitato Trasporto stimolato da insulina e impulsi nervosi

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

Fosforilazione ossidativa citosol Piruvato mitocondri (aerobico) Acetil CoA Acidi grassi Ciclo di Krebs Equivalenti riducenti Amminoacidi Fosforilazione ossidativa (ATP)

No mitochondria Glucose Glucose The Full Monty Glycogen Lactate Lactate transported back to liver for glucose production “Cori Cycle”. Costs energy

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.

Omeostasi del glucosio Carboidrati Glucosio Fruttosio Galattosio Glicogenolisi Gluconeogenesi Riserve di glicogeno Glicerolo Amminoacidi Lattato trigliceridi I carboidrati della dieta vengono digeriti nel tratto gastrointestinale in semplici monosaccaridi, prima di essere assorbiti. L’amido fornisce dirattamente glucosio, mentre il fruttosio (dal saccarosio della dieta) e il galattosio (dal lattosio della dieta) sono assorbiti e convertiti in glucosio nel fagato.

Insulina e glucagone glucagone insulina iperglicemia secrezione di ormoni gastroenterici bassa glicemia isole di Langerhans cellule α (glucagone) cellule β (insulina) glucagone insulina

Insulina ormone ipoglicemizzante polipeptide di 51 aa (PM 5.808) NH2 S----S S COO COOH 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 dell’ormone in circolo.

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 recettore GDP β γ α GDP GTP citosol proteina G GTP adenilato ciclasi ATP AMPc PKA inattiva subunità regolatrice cAMP PKA attiva ATP ADP fosforilasi chinasi fosforilasi chinasi –PO4 attiva Ca2+ ATP ADP fosforilasi b fosforilasi a –PO4 glicogeno PO43- glucosio -1-PO4 glucosio -6-PO4 glicolisi e ciclo di Krebs glucosio sangue

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

Carenza di insulina dovuta ad un deficit pancreatico 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.

Apparecchi automatizzati 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 3- 4h.

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 Fenilalanina Isoleucina Istidina Leucina Lisina Metionina Tirosina no Treonina Triptofano Valina Glicina

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 derivati dalla degradazione delle proteine organiche 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

Pool degli amminoacidi TURNOVER PROTEICO Proteine alimentari Proteine corporee Pool degli amminoacidi Pool di escrezione

PROTEINE Complete o nobili - forniscono amminoacidi essenziali e non - generalmente di origine animale Incomplete o povere - carenti in uno o più amminoacidi - generalmente di origine vegetale

PROTEINE di origine animale di origine vegetale - 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 e esopeptidasi.

ENZIMI PROTEOLITICI = IDROLASI ASSORBIMENTO INTESTINALE ENDOPEPTIDASI ESOPEPTIDASI OLIGOPEPTIDI AMMINOACIDI –COOH terminali o AMMINOACIDI –NH2 terminali PROTEINE PEPTIDI AMMINOACIDI LIBERI ASSORBIMENTO INTESTINALE endopeptidasi esopeptidasi

Endopeptidasi-Tripsina Enzima Origine pH ottimale Attivatore Pepsina Stomaco 1,5-2,5 HCl-Pepsina Tripsina Pancreas esocrino 7,5-8,5 Endopeptidasi-Tripsina Chimotripsina Elastasi

Dipeptidasi e tripeptidasi Peptidasi intracellulari ESOPEPTIDASI Enzima Presenza pH ottimale Attivatore Carbossipeptidasi A Pancreas esocrino pH del succo intestinale Tripsina Carbossipeptidasi B Aminopeptidasi Mucosa intestinale Dipeptidasi e tripeptidasi Peptidasi intracellulari Citoplasma epitelio intestinale pH citosolico

FASE GASTRICA DELLA DIGESTIONE DELLE PROTEINE Nel succo gastrico: 1) pH < 2 2) proteasi: pepsine pH < 2:  morte dei microrganismi  denaturazione proteine 2) Pepsine:  stabili e attive in ambiente acido  inattive a pH neutro

Pepsinogeno Pepsina A Proteine Peptidi rimozione 44 aa all’NH2 terminale autocatalisi Pepsina A Proteine Peptidi stimolazione fase pancreatica digestione proteine colecistochinina (duodeno)

FASE PANCREATICA DELLA DIGESTIONE DELLE PROTEINE Nel succo pancreatico: - proenzimi precursori di endopeptidasi - proenzimi precursori di carbossipeptidasi Tripsina Chimotripsina Elastasi Carbossi-peptidasi A e B endopeptidasi Tripsinogeno Tripsina esapeptide N-terminale

Peptidasi gastriche e pancreatiche Enzima Proenzima Attivatore Reazione catalizzata Proteasi carbossiliche Pepsina A Pepsinogeno A Autoattivazione, pepsina ↓ R ↓ R CO-NHCHCO-NHCHCO R = tyr, phe, leu Serina-proteasi Tripsina Chimotripsina Elastasi Tripsinogeno Chimotripsinogeno Proelastasi Endopeptidasi, tripsina R ↓ R R = arg, lys R = tyr, trp, phe, met, leu R = ala, gly, ser Zn-peptidasi Carbossipeptidasi A Carbossipeptidasi B Procarbossipeptidasi A Procarbossipeptidasi B ↓ R CO-NHCHCO2 R = val, leu, ile, ala

ENZIMI PROTEOLITICI DELL’APPARATO DIGERENTE Sede e provenienza dell’attività enzimatica Zimogeno Enzima attivo Tipologia e specificità di idrolisi Stomaco (ghiandole del fondo) Pepsinogeno Pepsina Endopeptidasi Leu, aa aromatici Duodeno: enzimi pancreatici Tripsinogeno Chimotripsinogeno Proelastasi Procarbossipeptidasi Tripsina Chimotripsina Elastasi Carbossipeptidasi A e B Lys, Arg aa aromatici, Leu, Met Gly, Ala, Val Esopeptidasi aa aromatici, Lys, Arg Duodeno: enterociti Enterochinasi Endopeptidasi specifica legame Lys-Ile Intestino tenue: enterociti Aminopeptidasi aa N-terminali

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 tri-peptidi. 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 100 Pesce 70 Manzo 69 Latte di vacca 60 Riso 57 Fagioli secchi 34 Grano 44 Arachidi 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 Mortalità del 30% 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

98% trigliceridi - 2% fosfolipidi, colesterolo, glicolipidi 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 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 trigliceridi e colesterolo dall’intestino tenue ai tessuti 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 Composizione chimica (%) 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 0,95-1,006 1,006-1,063 1,063-1,210 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 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 8 Acetil-CoA + 7FADH2 + 7 NADH + 7H+ Reazione Resa in ATP Attivazione del palmitato a palmitoil-CoA 2 Ossidazione di 8 molecole di acetil-CoA 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)