Seconda Università degli Studi di Napoli DiSTABiF Anno Accademico 2013-14 Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI Prof. Augusto Parente Lezione 6- 28.03.14 - Gluconeogenesi - Degradazione dell’amido nella germinazione dei cereali - Carboidrati complessi [cellulosa, -galattosani, -glucani (emicellulosa), pectina]; - Degradazione di carboidrati complessi - Biochimica delle proteine alimentari GLUCONEOGENESI Le vie anaplerotiche Piruvato carbossilasi Biotina 1 Piruvato + HCO3 2 Fosfoenolpiruvato + HCO + GDP 3 3 Fosfoenolpiruvato + HCO 3 4 Piruvato + HCO 3 ATP ADP + Pi PEP carbossichinasi PEP carbossilasi Enzima malico NAD(P)H Ossalacetato NAD(P)+ Ossalacetato + GTP Ossalacetato + Pi Malato Degradazione dell’amido nella germinazione dei cereali Intermedi del metabolismo dei carboidrati svolgono ruoli importanti in molti prodotti alimentari - Acido lattico - rigor mortis - Inacidimento e cagliatura del latte - preparazione dei crauti (cavoli acidi) e altri vegetali fermentati (cetriolini e olive) - Etanolo - preparazione di bevande alcooliche - preparazione del pane - in alcuni frutti troppo maturi, in misura minore - Ciclo TCA, fermentazione alcoolica, maturazione dei formaggi e maturazione della frutta. DEGRADAZIONE DELL’AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CEREALI (CHICCHI di GRANO) Enzima Reazione____________________ α-amilasi (EC 3.2.1.1) Amido —> glucosio + maltosio + maltotriosio + α –destrine limite + maltosaccaridi lineari β-amilasi (EC 3.2.1.2) maltosaccaridi lineari—> β-maltosio (inversione) Esochinasi (EC 2.7.1.1) D-esoso (glucosio) + ATP --> D-esoso (glucosio)-6-fosfato + ADP α -glucosidasi (maltasi, EC 3.2.1.20) Idrolisi, a partire dalla estremità non riducente di α -D-glucosio legato con legami α-1,4, con rilascio di α-D-glucosio oligo-1,6 glucosidasi (destrinasi limite, isomaltasi, EC 3.2.1.10) α-destrina limite —> maltosaccaridi lineari Fosforilasi (EC 2.4.1.1) Maltosaccaridi lineari + fosfato —> α-D-glucosio-1-fosfato Fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2) α -D-glucosio-1-fosfato —> α-D-glucosio-6-fosfato Glucosio-fosfato isomerasi (EC 5.3.1.9) D-glucosio-6-fosfato —> D-fruttosio-6-fosfato DEGRADAZIONE DELL’ AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CEREALI (CHICCHI DI GRANO) Enzima Reazione Prodotto UTP-glucosio 1-fosfato uridil transferasi (UDP- glucosio pirofosforilasi EC 2.7.7.9) UTP + -D-glucosio-1-fosfato —> UDP-glucosio + pirofosfato Saccarosio fosfato sintetasi (EC 2.4.1.14) UDP-glucosio+ D-fructosio-6-fosfato —> saccarosio fosfato + UDP Zucchero fosfatasi (EC 3.1.3.23) Zucchero fosfato (fruttosio-6-fosfato) —> zucchero (fruttosio) + fosfato inorganico Saccarosio -6-fosfato —> saccarosio + fosfato inorganico Saccarosio fosfatasi (EC 3.1.3.24) Saccarosio sintetasi (EC 2.4.1.13) NDP-glucosio + D-fruttosio —> saccarosio + NDP (nucleoside difosfato) -fruttosio-furanosidasi (invertasi, saccarasi, EC 3.2.1.26) Saccarosio --> glucosio + fruttosio Glucosio Fruttosio α-D-glucosio-1-fosfato α-D-glucosio-6-fosfato D-fruttosio-6-fosfato Piruvato Utilizzabile in varie reazioni Utilizzabile per la sintesi varie strutture vegetali (cellulosa) CARBOIDRATI COMPLESSI - Cellulosa - -Glucani (emicellulosa) - Pectine: collante cellulare nei tessuti vegetali Fibra alimentare CELLULOSA EMICELLULOSE Attualmente si conoscono tre tipi di emicellulose o glucani concatenati: • Xilani (-D-xilosio- epimero in C3 del ribosio; tegumento dei chicchi dei cereali, crusca); • Galattani-o galattosani/arabinolattani • Mannani/glucomannani In contrapposizione alla cellulosa, la cui molecola lineare è formata da unità di solo glucosio, le emicellulose sono invece costituite da zuccheri differenti. Inoltre hanno una struttura ramificata e non fibrosa. XILANI La catena principale degli xilani è costituita da D-β-xilopiranosio le cui unità sono legate fra loro con legame 1→4. acido 4-O-metil-glucuronico Solubilità ridottissima o nulla in acqua Irregolarmente e con frequenza variabile a seconda della specie vegetale e/o della parte della pianta interessata, su questa catena possono innestarsi ramificazioni, costituite ancora da xilosio, oppure da (in ordine di frequenza decrescente): arabinosio (in forma L-arabinofuranosidica), acido 4-O-metil-glucuronico, mannosio, galattosio, ramnosio. L'abbondanza delle ramificazioni costituite da arabinosio, nel più dei casi singole unità legate in posizione 2 e/o 3 sullo xilosio, giustifica l'identificazione di una sottoclasse di emicellulose anch'essa molto frequente in natura, gli arabino-xilani. INULINA (prebiotico- sostanza che, presente nel cibo, non viene assorbita dall'organismo ma è utilizzata dalla flora intestinale). FOS - Frutto-oligosaccaridi) L'inulina è un polimero glucidico con peso molecolare minore dell'amido, solubile in acqua e totalmente accumulato nei vacuoli. Si ottiene dalla polimerizzazione del β-D-fruttosio. Per azione dell'enzima inulasi l'idrolisi risultante produce fruttosio (zucchero consigliato per i diabetici). - I β-glucani (dal lievito di birra-zimosan. -D-glucosio con legami 1-3 e 1-6) sono i maggiori componenti della frazione solubile della fibra alimentare e come tali esercitano, nel nostro organismo, una serie di effetti benefici correlati alla fibra alimentare, quali: - rallentamento dello svuotamento gastrico, - incremento della peristalsi intestinale. Inoltre, numerose evidenze sperimentali, negli ultimi anni, hanno evidenziato il ruolo dei β-glucani dell’orzo e dell’avena nel contenimento del livello di colesterolo e di glucosio ematico nell’uomo e in animali da laboratorio . - glucano di lievito Grado di esterificazione* PECTINA composto estratto dalla fruttaMELE E PERE- gelificante Molecole di acido galatturonico unite da legami α-(1-4). Lungo la catena a base poligalatturonica sono intercalati in proporzione variabile residui di ramnosio. Tali residui si addensano in zone particolari della catena dando vita a strutture le cui ramificazioni assomigliano a peli (dette per questo hairy). Infatti in corrispondenza di tali residui di ramnosio si innestano catene laterali più o meno lunghe, che contengono ancora ramnosio, D-galattosio, L-arabinosio, e D-xilosio, *Pectine fluide per aggiunte di metili ai gruppi carbossilici metilesterasi. ad opera di PROPECTINA Forma colloidi nella parete. Conferisce durezza. Alla maturazione viene metabolizzata in molecole più piccole e quindi i frutti diventano più soffici. Questi cambiamenti sono importanti nella maturazione di pomodori, mele, caki. Innovazioni tecnologiche: pomodori geneticamente modificati e mele fuji con una più lunga shelf life. Nella maturazione anche importante l’idrolisi dell’amido. Proprietà gelificante in presenza di zuccheri (naturale in mela, pere, limone); Pectine fluide per aggiunte di metili ai gruppi carbossilici (metilesterasi); Possono contenere ramnosio (metile in posizione 6) DEGRADAZIONE DI CARBOIDRATI COMPLESSI Enzima Reazione Degradazione della cellulosa nella germinazione dei semi e maturazione della frutta 23 Cellulasi (EC 3.2.1.4) Endoidrolisi di legami 1,4-β-glicosidici nella cellulosa e nei β-D-glucani di cereali Glucan 1,4-β-glucosidasi (Eso-1,4-β-glucosidasi, EC 3.2.1.74) Idrolisi di legami 1,4 dell’ 1,4 β-D-glucano in modo da rimuovere unità successive di glucosio Cellulosa 1,4-β-cellubiosidasi (EC3.2.I.91) Idrolisi di legami 1,4-β-D-glucosidici nella cellulosa e cellotetraoso, con rilascio di cellobiosio dalle estremità non riducenti della molecola Degradazione di β-galattosano β-galattosidasi (EC 3.21.1.23) Galattani legati con legame β-(1-4) —> D-galattosio Segue DEGRADAZIONE di CARBOIDRATI COMPLESSI Enzima Reazione Degradazione di β–glucani Glucano endo -1, 6-glucosidasi (EC 3.2.1.75) Idrolisi random di legami 1,6 in 1,6- β-D-glucani Glucano endo β-1,4-glucosidasi (EC 3.2.1.74) Idrolisi di legami 1,4 in 1,4--D-glucani in modo da rimuovere successive unità di glucosio Glucano endo-1,3 β -D-glucanasi (EC 3.2.1.58) Idrolisi successiva di unità di β-D-glucosio a partire dalle estremità non riducenti di 1,3-β-D-glucani, con rilascio di β-glucosio Glucan 1,3-β–glucosidasi (EC 3.2.1.39) 1-3- β-D-glucani-> α-D-glucosio SEGUE DEGRADAZIONE di CARBOIDRATI COMPLESSI Enzima Reazione Degradazione della pectina Idrolisi random di legami 1,4-α-D-galattosiduronici in pectati e altri galatturonani Galatturan 1,4- α galatturonidasi [Esopoligalatturonasi, poli (galatturonato) idrolasi, EC 3.2.1.67) (1,4- α -D-galatturoniside)n + H2O —> (1,4--Dgalatturoniside)n-1 + D-galatturonato Pectato liasi (pectato transeliminasi, EC 4.2.2.2) Scissione eliminativa di pectato per dare oligosaccaridi con gruppi 4-deossi-α-D-galact-4-enuronosilici alle loro estremità non-riducenti Pectina liasi (EC 4.2.2.10) Scissione eliminativa di pectina per dare oligosaccaridi con gruppi terminali 4-deossi-6-metil--D-galact-4enduronosiIici. 25 Poligalatturonasi (EC 3.2.1.15) CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzima o Sistema enzimatico Reazione Formazione di acido lattico Lattase (EC 3.2.1.108) Lattose + H2O --> D-glucosio + D-galattosio Via metabolica del Tagatosio Via metabolica Embden-Meyerhof Galactosio-6-P —> acido lattico Glucosio —> piruvato —> acido lattico Formazione di piruvato da acido citrico Citrato (pro-3S) liasi (EC 4. 1.3.6) Ossalacetato decarbossilasi (EC 4.1.1.3) Citrato ---> ossalacetato Ossalacetato —> piruvato + CO2 Formazione di acido acetico e propionico Via metabolica del propionato Formazione di acido succinico Via metabolica acida mista 3 lattato —> 2 propionato + 1 acetato + CO2 + H20 3 alanina —> acido propionico + 1 acetato + CO2 + 3 ammoniaca Acido propionico + CO2 --> acido succinico Batteri lattici: metabolismo del galattosio Quando è trasportato come galattosio 6P mediante PTS (fosfotransferasi), è fermentato secondo la via del D-Tagatosio-6P. FIG. 1. Schematic representation of pathways involved in sugar fermentation via glycolysis to lactate and/or other acids and biosynthesis of EPS in L. lactis. Glucose and lactose are transported via phosphotranseferase systems. The following enzymes are involved: Glk, Pgi, Pfk, Gap (glyceraldehyde 3phosphate dehydrogenase), LacABCD (tagatose-6-phosphate pathway), Pyk (pyruvate kinase), Ldh (lactate dehydrogenase), Pgm, GalU (UDP-glucose pyrophosphorylase), GalE (UDP-galactose epimerase), Rfb (dTDP-rhamnose biosynthetic system consisting of RfbA and glucose-1P thymidylyltransferase), RfbB (dTDP-glucose-4,6 dehydratase), RfbC (dTDP-4keto-6-deoxy-D-glucose-3,5 epimerase), and RfbD (dTDP-4-keto-L-rhamnose reductase). segue CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzima o Sistema enzimatico Reaction Formazione di acido butirrico * Via metabolica dell’acido butirrico 2 lattato —> 1 butirrato + CO2 + 2H2 Formazione di etanolo Via metabolica fosfochetolasica Piruvato decarbossilasi (EC 4.1.1.1) Alcool deidrogenasi (EC 1.1.1.1) Glucosio —> acetaldeide —> etanolo Piruvato —> acetaldeide + CO2 acetaldeide + NADH + H+ —> etanolo + NAD+ Formazione di acido formico Piruvato-formiato liasi (EC 2.3.1.54) Piruvato + CoA —> acido formico + acetil CoA Formazione di diacetil, acetoina, 2-3 butilen glicole Via metabolica di fermentazione del citrato Citrato —> piruvato —> acetil CoA —> diacetil —> acetoina —> 2-3 butilen glicol Formazione di acido acetico Piruvato-formiato liasi (EC 2.3.1.54) Piruvato + CoA —> acido formico + acetil CoA Acetil-CoA idrolasi (EC 3.1.2.1) Acetil CoA + H2O —> acido acetico + CoA * Nel Pecorino Romano, per esempio, c'è prevalenza di acido butirrico. 31