Corso di recupero in alimenti ed alimentazione

IPSSEOA “E. DE PANFILIS”Roccaraso

Quarto anno

Programma per il corso di recupero

Elementi di chimica generale 1) Atomo e sua struttura; 2) Legami; 3) Molecole; 4) Soluzioni; 5) PH.

Elementi di chimica organica 6) Chimica del Carbonio; 7) Le molecole organiche più semplici; 8) I gruppi funzionali più importanti.

La cellula 9) Struttura; 10) Metabolismo.

La nutrizione 11) I gruppi alimentari.

I Macronutrienti12) Glucidi; 13) Protidi;14) Lipidi.

Atomo e sua struttura Storicamente già il filosofo greco Democrito nel IV° secolo A.C. ipotizzò che la materia fosse

costituita da unità più piccole, gli atomi appunto, considerati entità indivisibili ( atomo significa appunto unità indivisibile). Soltanto nel XIX secolo Dalton riprese questo modello affermando che: 1) gli atomi sono le particelle più piccole della materia, invisibili ed indivisibili.

2)Gli atomi di un elemento sono tutti uguali mentre gli atomi di elementi diversi sono diversi.

Attraverso la ricerca di diversi autori nei primi anni del 1900 si scoprì, in realtà, che l’atomo è da considerarsi come una struttura vuota costituita da particelle “sub atomiche” così classificate:

Elettrone (e-) di massa trascurabile (9,1 x 10-31 Kg) e carica negativa.

Protone (p) di massa sensibilmente maggiore (1,67 x 10-27 Kg) e carica positiva.

Neutrone (n) di massa leggermente maggiore a quella del protone e privo di carica.

L’assetto di tali particelle nell’atomo, verificato dalle ricerche e dagli esperimenti di studiosi come Rutherford e Bohr, vede la presenza di un nucleo costituito da protoni e neutroni, attorno al quale sono distribuiti gli elettroni su livelli energetici successivi e secondo volumi di carica elettrica negativa (orbitali).

Modello dell’atomo di Elio

L’atomo di elio (He) vede un nucleo formato da due protoni, particelle di carica positiva (rosse), e da due neutroni,particelle neutre (verdi), attorno al quale sono distribuiti due elettroni (gialli) di carica negativa.

Questo atomo è caratterizzato da un numero atomico (Z) pari a 2,

da un peso atomico (A) pari a 4 e da una carica complessiva neutra.

Da ciò si evince che:

- il numero atomico (Z) di un atomo è pari alla somma dei suoi protoni;

- il peso atomico (A) o “massa atomica relativa” di un atomo è pari alla somma dei suoi protoni e dei suoi neutroni;

- in un atomo neutro il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni.

Sarà così possibile classificare le diverse specie atomiche in base a questi parametri ed ordinarle in un sistema organico detto “Tabella Periodica Degli Elementi” (Mendeleev).

Il sistema periodico degli elementi

Nel 1869 il chimico russo Dimitrij Ivanovich Mendeleev osservò che negli elementi le proprietà chimiche simili si ripetono periodicamente. Classificati gli elementi secondo un ordine progressivo di peso atomico, risultò che le proprietà variavano con continuità e periodicità.

Ai tempi di Mendeleev si conoscevano solo 60 elementi chimici (i gas nobili non erano ancora stati scoperti) ed egli propose una tabella divisa in sette colonne dove gli elementi presenti nelle file verticali sono caratterizzati da proprietà molto simili.

Attualmente il sistema periodico degli elementi vede le specie chimiche classificate con un simbolo accompagnato dal numero atomico (Z) e dal peso atomico (A), collocati in una specifica casella del sistema. Esso si divide in periodi (righe orizzontali) e gruppi (linee verticali).

I periodi sono caratterizzati da una successione di elementi con numero atomico (Z) crescente, nel senso che ogni elemento ha un protone in più dell’elemento che lo precede a sinistra. Ogni periodo termina, andando da sinistra verso destra, con un membro del gruppo dei gas nobili a struttura elettronica esterna stabile.

I gruppi sono le colonne verticali in cui gli elementi che li compongono mostrano proprietà chimiche simili in quanto hanno lo stesso numero di elettroni sul livello energetico più esterno.

Configurazione elettronica e regola dell’ottetto

Le proprietà chimiche di un elemento dipendono dagli elettroni e dalla loro distribuzione attorno al nucleo, pertanto, per il chimico, è importante conoscere la struttura elettronica di una specie chimica che viene ordinata per livelli energetici. I livelli energetici che caratterizzano le diverse specie atomiche sono così ordinati: 1° livello = 2 elettroni, 2° livello = 8 elettroni, 3° livello = 18 elettroni, 4° livello = 32 elettroni, 5° livello = 21 elettroni, 6° livello = 9 elettroni, 7° livello = 2 elettroni.

Se si esclude l’idrogeno (H) e l’elio (He), la disposizione degli elementi nel sistema periodico, viene fatta considerando la regola dell’ottetto la quale stabilisce che:

ogni elemento ha la tendenza a raggiungere l’ottetto elettronico sul livello energetico più esterno, cedendo o acquistando, mediante legami chimici, elettroni che permettono di arrivare alla stabilità tipica dei gas nobili.

Questa regola è importante in quanto stabilisce che le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla configurazione esterna degli elettroni detti elettroni di valenza.

Se osserviamo il sistema periodico, solo i gas nobili sono stabili (VIII gruppo), in quanto l’ottetto esterno è completo, mentre gli altri elementi tendono a completare l’ ottetto formando legami chimici con altri atomi che possono appartenere alla stessa specie chimica od a specie chimiche diverse.

Sistema periodico degli elementi

Gli elementi chimici ordinati nel sistema periodico possono essere classificati in metalli e non metalli in base all’elettronegatività, cioè la tendenza ad attrarre su di se elettroni. Gli elementi a destra della tabella sono non metalli, hanno una elevata elettronegatività e tendono ad acquistare elettroni. I metalli, a sinistra, hanno una bassa elettronegatività e tendono a perdere elettroni.

Il legame chimico

Il legame chimico si stabilisce tra due atomi come interazione di natura elettrostatica che, in base alla differenza di elettronegatività tra i duei, si può proporre come legame ionico o legame covalente, scambiando o condividendo elettroni. Ovviamente queste interazioni hanno come obiettivo il raggiungimento dell’ottetto.

Legame ionico e legame covalente

LEGAME IONICO: è un legame che si stabilisce fra atomi con una elevata differenza di elettronegatività per cui un atomo a bassa elettronegatività perde un elettrone, diventando uno ione positivo, cedendolo ad un atomo ad alta elettronegatività che diventa uno ione negativo.

Un tipico esempio è il cloruro di sodio in la cui formula NaCl può essere scritta come Na + Cl – in cui il sodio cede un elettrone diventando Na +. Questo viene acquistato dal cloro che diventa Cl –. Così i due ioni, di carica elettrica opposta, si attraggono. LEGAME COVALENTE: è un legame che si stabilisce tra atomi che hanno una bassa differenza

di elettronegatività ed è caratterizzato dalla messa in comune o compartecipazione degli elettroni di valenza. Tale legame può essere di due tipi:

Legame covalente puro: quando si stabilisce tra atomi della stessa specie e quindi con la stessa elettronegatività, es. H2 , O2 , N2 .

Legame covalente polarizzato: quando si stabilisce tra atomi diversi e quindi con diversa elettronegatività, es. HCl (diapositiva), CH4 , H2O.

Un particolare tipo di legame di natura elettrostatica è il legame idrogeno che si stabilisce tra le molecole d’acqua o tra molecole d’acqua ed alcune molecole biologiche in cui sono presenti atomi di idrogeno polarizzati.

Molecole e composti

Le molecole sono il risultato dell’unione di due o più atomi e vengono definite come le più piccole particelle che mantengono inalterate le proprietà delle sostanze che rappresentano. Possono essere indicate in diversi modi. Es.

Composto o molecola Formula bruta Formula di struttura

Ammoniaca NH3 H – N – H

|

H

La formula bruta di una molecola specifica la qualità e la quantità degli atomi che compongono la molecola stessa.

La formula di struttura fornisce una indicazione precisa sui legami che si formano tra gli atomi che compongono la molecola.

In natura ci sono poi molecole di elementi quando queste sono costituite da atomi della stessa specie ( idrogeno = H2, ossigeno = O2, azoto = N2 ) e molecole di composti quando queste sono formate da atomi diversi (cloruro di sodio = NaCl, acqua = H2O, acido solforico = H2SO4)

Composti

OSSIDI. Ad eccezione dei gas nobili, gli elementi, distinti in metalli e non metalli, reagiscono con l’ossigeno per formare dei composti binari detti ossidi.

Ossidi di metalli: 2Mg + O2 → 2MgO (ossido di magnesio ), 2Na + ½ O2 → Na2O (ossido di sodio)

Ossidi di non metalli: S + O2 → SO2 (diossido di zolfo o anidride solforosa)

C + O2 → CO2 (diossido di carbonio o anidride carbonica)

IDROSSIDI ED OSSIACIDI. I composti binari sopra indicati possono poi reagire con un’altra sostanza molto diffusa in natura, l’acqua, per formare dei composti ternari.

Gli ossidi dei metalli, reagendo con l’acqua, formeranno gli idrossidi:

Na2O + H2O → 2 NaOH (idrossido di sodio); CaO + H2O → Ca(OH)2 (idrossido di calcio).

Gli ossidi dei non metalli o anidridi, reagendo con l’ acqua formeranno gli ossiacidi:

CO2 + H2O → H2CO3 (acido carbonico); SO2 + H2O → H2SO3 (acido solforoso).

SALI. Quando un acido reagisce con un idrossido si forma un sale più acqua.

H2SO4 + Fe(OH)2 → FeSO4 (solfato di ferro) + 2 H2O.

NaOH + HCl → NaCl (cloruro di sodio) + H2O.

Soluzioni e PH

Le soluzioni si possono definire come una miscela omogenea di due o più composti che non reagiscono tra loro. Il componente che è presente in maggior quantità è detto solvente, mentre il componente presente in minor quantità si chiama soluto. La concentrazione di una soluzione è espressa in g di soluto in 100 g di solvente o in g di soluto in 100 ml di solvente. In base al rapporto tra soluto e solvente possiamo definire la soluzione diluita, quando il soluto è presente in piccole quantità, concentrata, quando li soluto è presente in elevate quantità, satura, quando il soluto non si scioglie più e si forma corpo di fondo.

Il PH. Se consideriamo l’acqua allo stato puro e liquido, possiamo verificare che una quantità, se pur piccola, di essa può subire il seguente processo di ionizzazione: H2O ↔ H+ + OH- .

Come si può constatare si formano uno ione idrogeno o protone H+ ed uno ione ossidrile OH-. Nell’acqua pura il prodotto delle concentrazioni dei due ioni, detto prodotto ionico, è pari a:

[ H + ] x [ OH - ] = 10 -14 ([] indicano le concentrazioni).

Nel caso di soluzioni acquose di acidi o di basi le concentrazioni dei due ioni possono variare per cui si definirà acida una soluzione in cui [ H + ] > [ OH -], neutra una soluzione in cui [ H +] = [ OH - ]

basica una soluzione in cui [ H + ] < [ OH -]. Il parametro utilizzato in chimica per misurare l’acidità, la neutralità e la basicità di una soluzione è il PH. In una soluzione acida risulta PH < 7, in una soluzione neutra risulta PH = 7, in una soluzione basica PH > 7. Ovviamente la scala del PH assume valori tra 0 (acidità massima) e 14 (basicità massima).

Test di verifica

1)Indica fra le seguenti molecole gli ossiacidi, gli idrossidi, i sali, gli ossidi.

a) HClO ........................................... c) SO3 .....................................

b) Al(OH)3……………………………. d) CaCO3 .................................

2)Lo ione N3- ha numero atomico 7 e peso atomico 14. Indica il suo numero di protoni,

neutroni, elettroni.

a) 7, 14, 17; b) 7,7,10; c) 7, 4, 4; d) 7,7,3.

3)Se sciolgo 25g di zucchero in 500ml di acqua distillata, la concentrazione della soluzione sarà:

a) 50 g/litro, b) 25 g/litro c)15 g/litro d) 75 g/litro.

4)Una soluzione a PH = 2 è:

a) acida, b) neutra, c) basica.

5)Che cos’è il legame ionico?

6)Che cos’è il legame covalente?

La chimica organica o chimica del carbonio

Il concetto di chimica organica come chimica degli esseri viventi è ormai superato per due ordini di motivi: 1) è possibile produrre in laboratorio molecole organiche a partire da molecole inorganiche; 2)alcune sostanze inorganiche come sali minerali e acqua, appartengono agli esseri viventi e sono fondamentali per la loro struttura e funzionamento.

Tale distinzione rimane comunque valida dal punto di vista didattico.

Si può pertanto dire che la chimica inorganica si occupa dello studio di tutti gli elementi chimici ad eccezione del carbonio in catena carboniosa che è oggetto dello studio della chimica organica.

L’enorme varietà di composti organici dipende dalle caratteristiche dell’atomo di carbonio che è in grado di combinarsi con altri atomi della stessa specie chimica e di poche altre specie chimiche (idrogeno H,Ossigeno O, azoto N, fosforo P, zolfo S), per formare molecole lineari, ramificate, cicliche, diverse ed in numero elevato.

Tale possibilità è legata alle seguenti caratteristiche che le molecole carboniose possono presentare: 1) la lunghezza della catena, 2) la forma della catena, 3) il tipo di legame carbonio – carbonio, 4) la possibilità di formare isomeri (in altre parole stessa formula bruta con diverse formule di struttura), 5) tipi di atomi laterali alla catena (gruppi funzionali).

Le molecole organiche più semplici: gli idrocarburi

Le molecole organiche più semplici sono gli idrocarburi, costituite da catene lineari semplici o ramificate, in cui gli atomi di carbonio si legano tra loro e con atomi di idrogeno. Nella catena carboniosa gli atomi di carbonio possono formare legami semplici doppi o tripli dando luogo alle serie di idrocarburi alifatici degli alcani, alcheni, alchini, come mostrano gli esempi riportati in figura. Da un punto di vista formale gli alcani sono idrocarburi saturi caratterizzati dalla formula generale CNH2N+2. Essi presentano, atomi di carbonio legati con legami semplici. Gli alcheni sono idrocarburi insaturi nella cui catena carboniosa è presente un doppio legame e la cui formula generale è CNH2N. Gli alchini sono idrocarburi insaturi nella cui catena cerboniosa è presente un triplo legame tra gli atomi di carbonio ed hanno una formula generale CNH2N-2. Ci sono poi gli idrocarburi ciclici dei cicloalcani CNH2N e dei benzeni CNH2N-6 (vedi figura).

Le molecole organiche ed i gruppi funzionali

Le diverse categorie di molecole organiche sono in genere caratterizzate dalla presenza di particolari gruppi funzionali che si legano ad una catena carboniosa lineare o ad una molecola ciclica. In tal senso possiamo elencare i principali gruppi funzionali per le diverse categorie di molecole organiche. Dall’alto verso il basso a destra distinguiamo le funzioni:

Aldeidica (CH3CH2CHO, propanale) → delle aldeidi.

Chetonica (CH3COCH3, propanone)→ dei chetoni

Carbossilica (CH3CH2COOH, acido propanoico) → degli acidi carbossilici.

A queste aggiungiamo le funzioni:

Alcolica R - OH (CH3CH2CH2OH, propanolo)→ degli alcoli,

Amminica R - NH2 (CH3CH2CH2NH2, porpanammina) → delle ammine.

I polimeri

Nella maggior parte dei casi, la materia vivente è costituita da macromolecole organiche, e precisamente da polimeri, costituiti da unità dette monomeri, che possono essere uguali o diverse. Nel complesso le reazioni che partendo dai monomeri portano ai polimeri costituiscono processi di condensazione, con produzione di molecole d’acqua; le reazioni che portano dai polimeri ai monomeri vengono invece dette di idrolisi per la scissione di molecole d’acqua. Per le principali categorie di molecole biologiche riportiamo il seguente schema:

Polimerizzazione

Monomeri → Polimeri

Monosaccaridi Polisaccaridi

Glicerolo, acidi grassi Trigliceridi

Amminoacidi Proteine

Nucleotidi Acidi Nucleici

←

Idrolisi

La cellula

La cellula è l’unità fondamentale della vita tanto che, già nella seconda metà del XIX scolo, uno zoologo, Theodor Schwan ed un botanico, Mathias Schleiden elaborarono la Teoria Cellulare che si articola nei seguenti punti:

1) tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule;

2) la cellula è la più piccola unità vivente in cui è organizzato un organismo;

3) tutte le cellule derivano da altre cellule ( punto formulato successivamente dal fisiologo R. Virchow).

Gli esseri viventi costituiti da una sola cellula sono detti organismi unicellulari, mentre quelli costituiti da più cellule sono detti organismi pluricellulari. Si stima che l’uomo sia costituito da circa 50 mila miliardi di cellule ognuna delle quali è dotata di vita propria e coopera al funzionamento dell’intero organismo. Anche se morfologicamente diverse per le diverse funzioni svolte nei diversi tessuti, le cellule sono caratterizzate da componenti cellulari comuni. Una deifferenzia sostanziale esiste però fra la cellula Procariote, più semplice , propria degli organismi unicellulari più semplici cioè le Monere (Batteri ed Alghe Azzurre) e la cellula Eucariote caratteristica degli organismi unicellulari più evoluti, i Protisti ,e degli organismi pluricellulari.

La differenza più rilevante è che la cellula Procariote non ha nucleo, mentre la cellula Eucariote ha un nucleo ben definito.

Cellula Procariote e cellula Eucariote

La cellula Procariote è molto semplice. Rispetto alla membrana cellulare che la definisce, presenta all’interno il citoplasma in cui è immerso il nucleoide, materiale genetico non avvolto da membrana nucleare. Sempre nel citoplasma sono presenti i ribosomi, corpuscoli preposti alla sintesi delle proteine. All’esterno della membrana cellulare sono presenti la parete cellulare e la capsula. E’ poi presente, in generale, un flagello, struttura deputata al movimento.

La cellula Eucariote è molto più complessa ed il materiale genetico è avvolto da una membrana nucleare che lo isola dal citoplasma. Sono presenti poi, oltre ai ribosomi, una serie di organuli cellulari specializzati in funzioni specifiche.

Cellula eucariote animale e vegetale

CELLULA ANIMALE CELLULA VEGETALE

Organuli cellulari nelle cellule animali e vegetali

Nella CELLULA ANIMALE sono presenti:

i MITOCONDRI nei quali avvengono i processi relativi alla respirazione cellulare, l’APPARATO DEL GOLGI che svolge la funzione di produrre sostanze specifiche legate a processi di secrezione cellulare, IL RETICOLO ENDOPLASMATICO su cui sono distribuiti i ribosomi, il quale svolge una funzione di trasporto di sostanze varie nella cellula, I LISOSOMI che contengono enzimi digestivi ed intervengono nei processi digestivi cellulari, IL NUCLEO che contiene il materiale genetico (DNA, RNA). Ovviamente queste strutture sono immerse nel CITOPLASMA, una massa fluida molto ricca in acqua e delimitata, rispetto all’esterno, dalla MEMBRANA CITOPLASMATICA O CELLULARE.

Nella CELLULA VEGETALE sono presenti:

quasi tutti gli organuli citati prima ma, in più, troviamo i CLOROPLASTI, organuli in cui avviene la fotosintesi clorofilliana, LA PARETE CELLULARE, posta all’esterno della membrana citoplasmatica, costituita da cellulosa e preposta ad una funzione di sostegno della cellula. In genere, all’interno della cellula vegetale, possiamo trovare il VACUOLO, un sacchetto pieno di una soluzione ricca d’acqua che conferisce turgidità alla cellula.

Cellula e metabolismo

La cellula cresce, si differenzia, svolge le attività alle quali è preposta, si riproduce e muore. Il continuo alternarsi di questi eventi costituisce il ciclo vitale della cellula. Nell’uomo gli alimenti necessari al nutrimento dell’organismo vengono degradati dall’apparato digerente e distribuiti sottoforma di molecole utilizzabili da tutte le cellule dei tessuti. La nutrizione cellulare avviene mediante il meccanismo dell’assorbimento ed è condizionata dal passaggio del materiale nutritivo attraverso le membrane. Il Metabolismo indica l’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nella cellula. Esso si distingue in Anabolismo, quando si tratta di processi costruttivi come la sintesi di nuove molecole biologiche con assorbimento di energia. Catabolismo quando si tratta di processi distruttivi in cui i polimeri biologici vengono smontati in molecole semplici con liberazione di energia. E’ da ricordare che le vie metaboliche sono una serie ordinata di reazioni biochimiche in cui il prodotto di una costituisce il substrato della successiva. Queste sono catalizzate dagli enzimi. Le vie metaboliche per produrre energia, sono in genere distinte nei seguenti stadi:

1) I° stadio: i processi digestivi scindono le grandi molecole biologiche dei principi nutritivi in molecole più semplici (amminoacidi, acidi grassi, monosaccaridi) che vengono assorbite dalle cellule.

2) II° stadio: all’interno delle cellule queste molecole vengono ulteriormente smontate in composti più semplici fino ad un componente a due atomi di carbonio detto acetil coenzima - A.

3) III° stadio: nelle cellule l’acetil coenzima - A viene ossidato attraverso la via metabolica del ciclo di Krebs in CO2 e H2O per poi produrre energia sottoforma di ATP (fosforilazione ossidativa).

Test di verifica

1) CH3 – CH2 – CH3 è un idrocarburo della serie alifatica caratterizzato dalla formula generale:

a) CNH2N ; b) CNH2N – 6 ; c) CNH2N + 2 ; d) CNH2N – 2.

2) La molecola CH2 = CH – CH2 – CH3 appartiene alla serie dei:

a) cicloalcani; b) alcheni; c) alchini; d) alcani.

3) La seguente molecola CH3 – CH2 – COOH è:

a) una ammina; b) un acido carbossilico; c) un alcol; d) una aldeide.

4) Il citoplasma è:

a) tutto ciò che sta dentro il nucleo;

b) tutto ciò che sta all’interno della membrana citoplasmatica;

c) tutto ciò che si trova compreso tra la membrana citoplasmatica e quella nucleare.

d) tutto ciò che si trova nella matrice mitocondriale.

5) Le più piccole unità funzionali degli esseri viventi sono:

a) le molecole; b) gli atomi; c) le cellule; d) gli enzimi.

6) Non è presente nella cellula animale:

a) mitocondrio; b) ribosoma; c) parete cellulare; d) lisosoma.

La nutrizione

I cibi che ingeriamo per soddisfare il nostro bisogno di energia e di materiali per costruire il nostro corpo,contengono una serie di molecole di varia composizione e complessità, che vengono chiamate nutrienti. In base alle loro caratteristiche chimico – fisiche e funzionali i principi nutritivi o nutrienti si distinguono in:

MACRONUTRIENTI MICRONUTRIENTI ACQUA

Glucidi ( 1g → 4 Kcal) Vitamine Costituisce il

Protidi (1g → 4 Kcal) Sali minerali mezzo disperdente

Lipidi (1g → 9 Kcal) Non forniscono energia dei nutrienti.

Forniscono energia e sono e sono necessari in quantità

necessari in quantità espresse espresse in milligrammi e

in grammi. microgrammi

Prima di iniziare lo studio dei nutrienti diamo una definizione di alimentazione e nutrizione.

Alimentazione: indica il processo di assunzione degli alimenti da parte del nostro organismo.

Nutrizione: comprende l’insieme di fenomeni che riguardano l’utilizzo dei nutrienti necessari alla vita del nostro organismo. Il livello di nutrizione dipende quindi dai principi nutritivi assimilati e dalla attività metabolica dell’organismo.

I gruppi alimentari

Le funzioni fondamentali che la nutrizione deve soddisfare sono:la funzione plastica → consiste nel costruire le cellule che costituiscono i tessuti dell’organismola funzione energetica → consente di fornire all’organismo l’energia necessaria per la sua fisiologiaLa funzione bioregolatrice o protettiva →consiste nella necessità di regolare tutti i processi metabolici.Se consideriamo la loro funzione principale, gli alimenti possono essere ripartiti nei seguenti gruppi:Alimenti plastici Gruppo I Carne, pesce,uova forniscono proteine di elevata qualità ferro, vitamine del gruppo B Gruppo II Latte e derivati forniscono proteine di elevata qualità, calcio, vitamine liposolubili e del gruppo B Gruppo IV Legumi forniscono proteine di media qualità

Alimenti energetici Gruppo III Cereali e tuberi forniscono glucidi e proteine di scarsa qualità Gruppo V Grassi forniscono grassi e ω 3

Alimenti protettivi Gruppo VI Ortaggi e frutta forniscono vitamine e sali minerali con vitamina A Gruppo VII Ortaggi e frutta forniscono vitamine e sali minerali con vitamina C

Glucidi

I glucidi, detti anche zuccheri o carboidrati, sono molecole ternarie, cioè formate da tre specie atomiche: carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O), in cui tali elementi si combinano in proporzioni specifiche e cioè per ogni atomo di carbonio sono presenti due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno, con un rapporto identico a quello dell’acqua : CN (H2O)N da cui il nome di carboidrati (idrati di carbonio). Sono molecole diffusamente presenti nei sistemi viventi, svolgendo una funzione tipicamente energetica ( 1g di glucidi sviluppa 4 Kcal). La prima fonte di queste sostanze è legata ai processi relativi alla fotosintesi clorofilliana che avvengono nelle piante che, in questo modo, sono in grado di prodursi da sé il nutrimento (organismi autotrofi). La restante parte degli organismi (eterotrofi) utilizza come nutrimento la produzione di molecole organiche delle piante ed in particolare gli zuccheri, alimentandosi di esse. La fotosintesi clorofilliana, che utilizza l’energia luminosa per produrre gli zuccheri, può essere schematizzata secondo la seguente reazione:

6CO2 + 6H2O → luce→ C6H12O6 + 6 O2

anidride acqua glucosio ossigeno

carbonica

Con questo processo le piante trasformano la sostanza inorganica( anidride carbonica ed acqua) in sostanza organica (zuccheri) ed ossigeno.

Glucidi

I glucidi vengono definiti chimicamente come aldeidi o chetoni di alcoli poliossidrilici. Esistono glucidi a 3, 4, 5, 6 atomi di carbonio legati fra loro. Ovviamente ci riferiamo ai monomeri cioè a molecole singole. Gli zuccheri più importanti in alimentazione hanno sei atomi di carbonio e sono detti esosi. Nelle molecole di questi composti si possono riconoscere i seguenti gruppi funzionali:

- OH(ossidrile), -CHO(aldeide), o ,-CO-(chetone). Possiamo quindi distinguere aldoesosi (glucosio e galattosio) e chetoesosi (fruttosio).

In base al numero di molecole, o unità di base, i glucidi si possono classificare in:

Monosaccaridi, costituiti da una singola molecola

Oligosaccaridi, costituiti da due fino a dieci molecole (tratteremo solo di disaccaridi)

Polisaccaridi, costituiti da dieci fino a diverse migliaia di molecole

Fra i monosaccaridi più importanti faremo riferimento al Glucosio, Fruttosio, Galattosio.

Fra i disaccaridi tratteremo il Saccarosio, il Lattosio, il Maltosio.

Fra i polisaccaridi tratteremo l’Amido, la Cellulosa, il Glicogeno.

Come vedremo i monosaccaridi possono essere rappresentati in catena aperta (formule di Fischer), rappresentazione che però non giustifica alcune proprietà fisico – chimiche, meglio spiegate da strutture ad anello (formule di Haworth).

Monosaccaridi

Glucosio : a destra è mostrata la formula di Hawort. Si tratta dello zucchero più importante sia perché è il prodotto essenziale della fotosintesi clorofilliana sia perché durante il processo digestivo tutti gli zuccheri vengono degradati in glucosio che è il substrato specifico della respirazione cellulare. E’ un aldoesoso.

Galattosio:a destra è mostrata la formula di Haworth. Si tratta di uno zucchero che non si trova in natura allo stato libero ma nel latte, essendo un componente del lattosio ed è interessante notare che si diversifica dal glucosio per la diversa posizione sul carbonio 4 del gruppo ossidrile. Si tratta comunque di un aldoesoso

Fruttosio: a destra è mostrata la formula di Haworth. E un monosaccaride che si trova nella frutta. Si tratta di un chetoesoso dal forte potere dolcificante e tollerato dai diabetici

Monosaccaridi

Prima di procedere nello studio dei glucidi è il caso di soffermarci un attimo sulle due formule di Fischer qui rappresentate, relative al glucosio. Come si osserva le due molecole sono l’una l’immagine speculare dell’altra e non sono sovrapponibili l’una sull’altra. Da questo punto di vista si tratta di due molecole diverse, vale a dire due isomeri detti enantiomeri che hanno la capacità di far ruotare in modo diverso il piano della luce polarizzata. Esistono quindi due isomeri distinti con le lettere D ed L. In natura si riscontrano solo isomeri appartenenti alla serie D ed in generale si può dire che i processi biochimici riconoscono e selezionano per via enzimatica un solo tipo di isomeri, gli appartenenti alla serie D .

Disaccaridi

Saccarosio: è costituito dall’unione di una molecola di glucosio con una molecola di fruttosio tramite un legame 1, 2 glicosidico. E’ lo zucchero di uso comune, buon dolcificante, estratto dalla barbabietola da zucchero o dalla canna da zucchero.

Lattosio: è formato dall’unione di una molecola di glucosio con una molecola di galattosio tramite un legame 1, 4 glicosidico. E’ sintetizzato dalle ghiandole mammarie e si trova esclusivamente nel latte dei mammiferi.

Maltosio: è formato dall’unione di due molecole di glucosio tramite un legame 1, 4 glicosidico. Viene ottenuto per idrolisi dell’amido e come tale rappresenta una tappa intermedia della digestione dei glucidi. E’ presente anche nel malto d’orzo.

Polisaccaridi

Amido: chimicamente è un polimero del glucosio in cui i monomeri si legano con un legame α glicosidico che si stabilisce fra gli ossidrili dei carboni 1,4 ed 1,6 orientati verso il basso (posizione α del ossidrile sul carbonio 1) (vedi figura a destra). Esiste per l’amido una duplice componente di polimeri: l’ amilosio (vedi figura) , molecola lineare formata da 250 – 300 unità di glucosio, e l’amilopectina, molecola ramificata, formata da 300 – 5.000 unità di glucosio. E’ il carboidrato di riserva prodotto dalle piante.

Cellulosa: chimicamente è costituita da una lunga catena lineare con 3.000 – 12.000 unità di glucosio legate da legami β glicosidici tra gli ossidrili dei carboni 1, 4 (posizione β dell’ossidrile sul carbonio 1, orientato verso l’alto). E’ un polisaccaride prodotto dalle piante con funzione strutturale e di sostegno.

Glicogeno: è un polisaccaride simile all’amilopectina, quindi ramificato, costituito da 3.000 – 30.000 unità di glucosio. Svolge una funzione di riserva negli organismi del regno animale e in alcuni batteri. In genere si concentra nei muscoli e nel fegato.

Funzioni nutrizionali dei glucidi

Il fabbisogno glucidico

In una dieta equilibrata di un adulto i glucidi devono offrire il 55 – 65 % delle calorie totali giornaliere. Per i glucidi semplici, vale a dire gli zuccheri (monosaccaridi ed oligosaccaridi), l’apporto deve attestarsi sul 10 – 12 % delle calorie totali, provenienti da saccarosio, dolci e miele. La restante parte deve essere rappresentata da polisaccaridi, ovvero amido, proveniente da pane, pasta, riso, patate.

Se si esclude la cellulosa, tutti i glucidi che noi consumiamo attraverso i cibi, vengono digeriti ed assorbiti come monosaccaridi, quindi arrivano al fegato dove vengono trasformati in glucosio. Il glucosio è il glucide metabolicamente fondamentale per l’organismo e rappresenta il primo gradino per l’utilizzazione dei glucidi nelle cellule. In condizioni normali il glucosio è presente nel sangue alla concentrazione di 80 – 100mg/ml e quando si trova in eccesso il fegato provvede a immagazzinarlo sottoforma di glicogeno. Quando si verifica invece necessità di glucosio, l’organismo attinge alle riserve di glicogeno idrolizzandole. La fibra alimentare costituisce la frazione di glucidi non disponibili in quanto non digeribile. Essa è costituita prevalentemente da cellulosa. La funzione della fibra alimentare è quella di facilitare la digestione favorendo il transito degli alimenti nell’apparato digerente richiamando in esso acqua.

Protidi

I protidi o proteine sono i composti organici maggiormente presenti nelle cellule dato che costituiscono circa il 50% del loro peso secco. Nell’uomo adulto rappresentano circa il 18% in peso dell’organismo e si ritiene vi siano circa 50.000 tipi di proteine diverse. Un’importante caratteristica di queste molecole è la loro specificità. Per esempio l’insulina umana e diversa da quella di qualunque altro organismo animale.

Le proteine presentano un’ importante funzione biologica e nutrizionale. Svolgono essenzialmente una funzione plastica costituendo le parti strutturali della cellula. Ma molte proteine costituiscono enzimi ed ormoni svolgendo quindi una funzione bioregolatrice.

Nella dieta equilibrata di un adulto, l’apporto proteico deve essere pari ad 1 g per Kg di peso corporeo, costituendo circa il10 - 15% del fabbisogno energetico giornaliero.

L’apporto proteico è legato prevalentemente agli alimenti del primo gruppo quali carne, pesce,uova, e del secondo gruppo,vale a dire latte e derivati. Un apporto importante viene però anche agli alimenti appartenenti al quarto gruppo e cioè le varie tipologie di legumi che rappresentano, insieme ai cereali, la componente proteica di origine vegetale.

Protidi: gli amminoacidi

I protidi sono definiti composti quaternari in quanto formati da carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N). Altri elementi come fosforo (P), zolfo (S) e ferro (Fe) sono presenti in tracce. Chimicamente i protidi sono da considerare come polimeri biologici costituiti da una sequenza lineare di amminoacidi. Questi monomeri (vedi figura a destra) sono costituiti da una parte fissa in cui, legati ad un carbonio centrale, unito ad un atomo di idrogeno, troviamo un gruppo amminico basico – NH2 ed un gruppo carbossilico acido – COOH (da cui il nome amminoacidi ). C’è poi un parte variabile – R, specifica per ogni amminoacido. Per la presenza in queste molecole di una funzione basica (il gruppo amminico) e di una funzione acida (il gruppo carbossilico), gli amminoacidi si comportano in soluzione acquosa sia da basi che da acidi per cui vengono detti sostanze anfotere. Di conseguenza, in base al numero di cariche elettriche distribuite sulla molecola essa può assumere una carica netta positiva o negativa. Ad un determinato PH la molecola assumerà una carica netta uguale a zero ed allora si parlerà di punto isoelettrico, parametro specifico per ogni amminoacido. Gli amminoacidi sono venti e possono combinarsi secondo sequenze variabili che consentono di ottenere un numero rilevante di proteine.

Protidi: il legame peptidico e la struttura primaria

La sequenza di amminoacidi costituisce la struttura primaria della proteina.

Generalmente, in base al numero di amminoacidi presenti nella sequenza della molecola,distinguiamo:

i peptidi, costituiti da una quantità di amminoacidi inferiore a 50 – 100;

le proteine, costituite da una quantità di amminoacidi superiore a 50 – 100.

Gli amminoacidi si legano nelle proteine grazie al legame peptidico (vedi figura sotto). Il legame peptidico è un legame di condensazione che si stabilisce tra il gruppo amminico di un amminoacido ed il gruppo carbossilico dell’amminoacido adiacente, con l’eliminazione di una molecola d’acqua.

Protidi: struttura secondaria, terziaria, quaternaria.

Si è visto dunque che la struttura primaria di una proteina è costituita dalle sequenza di amminoacidi. Es.

Gly – lle – Val – Glu – Gln – Cys – Ala – (ogni amminoacido viene indicato con le sue iniziali)

La struttura secondaria considera la disposizione spaziale che la catena di amminoacidi assume. Questo accade perché gli atomi centrali di ogni amminoacido presentano un certo grado di libertà facendo assumere alla molecola una configurazione stabile. Le più studiate sono le strutture secondarie ad α- elica e a β- lamina.

La struttura terziaria si determina nel momento i cui la struttura secondaria della proteina si ripiega in vari punti conferendo alla molecola una struttura tridimensionale tipica, resa stabile da legami che possono essere di diverso tipo.

La struttura quaternaria è data dall’unione di più molecole proteiche, ognuna caratterizzata da una sua forma e composizione. Tipico è l’esempio dell’emoglobina che è costituita da 4 sub unità o dall’insulina che è costituita da 2 sub unità

Protidi: classificazione.

Le proteine si possono classificare considerando:

1)la composizione chimica, 2) la configurazione spaziale, 3) il valore biologico.

In base alla composizione chimica le proteine si dividono in: semplici, quando sono costituite da soli amminoacidi; coniugate quando sono legate ad altri tipi di molecole (es. emoglobina).

In base alla configurazione spaziale distinguiamo proteine: fibrose come actina e miosina, collagene, elastina; globulari come l’emoglobina.

Il valore biologico delle proteine interessa maggiormente i nutrizionisti. Tale parametro valuta il contenuto in amminoacidi essenziali degli alimenti che fanno parte della nostra dieta. Gli amminoacidi essenziali (dieci nei bambini, otto negli adulti) sono quegli amminoacidi che il nostro organismo non sintetizza ma che sono importanti per la nostra sintesi proteica. Tali amminoacidi devono quindi essere assunti con la dieta. Gli alimenti ad alto valore biologico, come carne , pesce, uova, latte e suoi derivati, contengono tutti gli amminoacidi essenziali nella giusta quantità.

Gli alimenti di medio valore biologico, come i legumi, risultano meno equilibrati nella quantità di amminoacidi essenziali. Gli alimenti di basso valore biologico, come i cereali, non contengono alcuni amminoacidi essenziali e quindi non sono nutrizionalmente validi.

Funzioni nutrizionali dei protidi

I protidi svolgono nel nostro organismo un numero elevato di funzioni biologiche.

La principale funzione svolta nell’organismo è quella plastica, contribuendo a costruire e mantenere le principali strutture cellulari.

Ma svolgono anche una funzione bioregolatrice andando a costituire la struttura di enzimi ed ormoni.

In caso di necessità le proteine possono svolgere anche una funzione energetica qualora l’introduzione di zuccheri fosse insufficiente ( 1g di proteine sviluppa 4 Kcal).

A differenza di glucidi e lipidi non esiste nell’organismo una riserva di proteine, per cui queste molecole devono essere assunte quotidianamente.

Le proteine intervengono poi in una serie di processi di trasporto come nel caso dell’emoglobina che veicola l’ossigeno nell’organismo o come alcune lipoproteine a cui è affidato il trasporto di particolari nutrienti.

Non marginale è poi la funzione di alcune proteine nell’organizzazione del sistema immunitario al fine di difendere l’organismo dai diversi agenti infettivi. Unghie, pelle e capelli costituiti anch’essi da proteine, svolgono poi una azione protettrice, determinando una barriera fisica a protezione del nostro organismo.

E’ importante che la dieta di ogni giorno fornisca il giusto apporto di A.A.E. per garantire un adeguato svolgimento della sintesi proteica.

Lipidi

I lipidi o grassi costituiscono un insieme eterogeneo di sostanze aventi caratteristiche comuni quali la non solubilità in acqua ed il peso specifico inferiore a 1(galleggiano in acqua). Sono importanti dal punto di vista alimentare in quanto rappresentano una sorgente concentrata di energia (1 g di lipidi sviluppa 9 Kcal).

Dal punto di vista chimico i lipidi sono delle sostanze ternarie costituite da carbonio (C), ossigeno (O) ed idrogeno (H) in rapporto variabile.

Tralasciando lo studio dei lipidi complessi, quali ad esempio gli importantissimi fosfolipidi, faremo riferimento a due gruppi specifici di molecole:

1) i gliceridi;

2) glisteridi.

Esiste un altro gruppo di molecole, le cere, ma hanno un’ importanza in campo alimentare marginale.

Lipidi: trigliceridi

I trigliceridi (vedi figura sotto) sono composti chimici che derivano dalla esterificazione (unione con eliminazione di una molecola d’acqua) di un alcol con acidi grassi. Il glicerolo è un alcol costituito da una catena a tre atomi di carbonio con tre gruppi ossidrile – OH che possono essere sostituiti da uno, due, tre acidi grassi per formare rispettivamente un monogliceride, un digliceride, un trigliceride.

Se consideriamo il tipo di acidi grassi che vanno a legarsi con il glicerolo, possiamo distinguere:

1) i gliceridi puri quando c’è la presenza di più molecole dello stesso acido grasso;

2) gliceridi misti quando c’è la presenza di molecole di più acidi grassi (caso della figura).

Nella composizione dei trigliceridi, grande importanza hanno le diverse tipologie di acidi grassi che ora esamineremo.

Lipidi: acidi grassi

Gli acidi grassi sono molecole costituite da catene carboniose lineari, generalmente formate da un numero pari di atomi di carbonio, terminanti con una funzione carbossilica. Sono detti saturi gli acidi grassi, come l’acido palmitico (a 18 atomi), raffigurato qui accanto, formati da catene con legami semplici. In generale si tratta di acidi grassi di origine animale. Gli acidi grassi monoinsaturi come l’acido oleico,raffigurato qui a fianco, presentano un doppio legame nella catena carboniosa (l’acido oleico ha 18 atomi di carbonio). Sono di origine vegetale. Gli acidi grassi polinsaturi presentano più di un doppio legame nella catena carboniosa costituendo gli acidi grassi essenziali ω – 3 ed ω – 6. Qui a fianco è riportato l’acido linolenico a 18 atomi di carbonio. Queste molecole sono sia di origine animale che vegetale e vanno assunte con la dieta in quanto non siamo in grado di sintetizzarli.

Lipidi: il colesterolo

Il colesterolo è un lipide dalla struttura complessa appartenente al gruppo degli steroidi. E’ caratterizzato da una funzione alcolica spesso esterificata da un acido grasso. La sua funzione nell’organismo è complessa;la più importante è quella di entrar a far parte della struttura delle membrane citoplasmatiche . Viene veicolato da due tipi di lipoproteine che ci permettono di classificarlo in colesterolo LDL (low density lipoprotein) ed HDL (high density lipoprotein). Il colesterolo LDL viene trasferito dal fegato ai tessuti dove entra nelle strutture cellulari. Viene detto colesterolo cattivo perché tende a depositarsi nelle arterie ed un suo eccesso può determinare patologie cardiovascolari. Il colesterolo HDL viene trasferito dalle strutture cellulari al fegato dove viene eliminato attraverso la bile. Viene detto colesterolo buono in quanto previene l’arteriosclerosi e le malattie cardiovascolari. Da quanto detto, si evince l’origine del colesterolo per l’ attività di biosintesi che avviene nel fegato, ma molto importante è anche l’apporto di colesterolo attraverso l’alimentazione.

Lipidi: funzioni nutrizionali

I lipidi svolgono nel nostro organismo una importante funzione energetica di riserva ( 1g di lipidi sviluppa 9 Kcal). L’energia di riserva è costituita dai trigliceridi che si accumulano nei tessuti adiposi, svolgendo anche un’ importante ruolo nell’isolamento termico dell’organismo.

Importante è anche la funzione plastica che queste molecole, soprattutto i lipidi complessi quali i fosfolipidi, svolgono nelle cellule, andando a formare le membrane citoplasmatiche. Diverse sono le implicazioni dei lipidi nell’ alimentazione. Oltre a rendere i cibi più appetibili come condimento, rallentano l’assorbimento dei nutrienti e rendono possibile il trasporto delle vitamine liposolubili.

E’ consigliabile limitare il consumo di grassi di origine animale, come burro, strutto, lardo ed altri alimenti di origine animale, per l’elevato apporto di acidi grassi saturi e colesterolo che questi comportano. Al contrario è consigliabile preferire il consumo di grassi di origine vegetale, come olio d’oliva, olio di semi, per il contenuto in acidi grassi insaturi ed acidi grassi essenziali, sostanze che prevengono l’arteriosclerosi ed altre patologie dell’apparato cardiocircolatorio. In una dieta equilibrata, i lipidi non devono superare il 30% del fabbisogno energetico giornaliero, il 25% negli adulti. Secondo le indicazioni prevalenti in Italia, è consigliata l’assunzione di 1/3 di acidi grassi saturi, 1/2 di acidi grassi monoinsaturi, 1/4 di acidi grassi polinsaturi. Quindi, da un punto di vista pratico, i lipidi devono essere per 2/3 di origine vegetale e per 1/3 di origine animale. Per quanto riguarda il colesterolo, la quantità massima che deve essere assunta con la dieta non deve superare i 300 mg giornalieri.

Test di verifica

1)Indica quale fra i seguenti non è un macronutriente:

a) sali minerali; b) glucidi; c) lipidi; d) protidi.

2)Specifica la funzione prevalente dei lipidi:

a) plastica; b) bioregolatrice; c) energetica; d) nervina.

3) Indica qual è la resa energetica di 1g di protidi:

a) 9 Kcal; b) 4 Kcal; c) 7 Kcal.

4) Ordina gli stadi del processo che porta alla produzione di energia sotto forma di ATP:

a) trasformazione delle molecole semplici (monosaccaridi, amminoacidi, acidi grassi) in acetil Co–A;

b) ossidazione dell’ acetil Co – A in CO2 ed H2O con produzione di ATP, attraverso il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

c) digestione degli alimenti e loro trasformazione in molecole semplici (monosaccaridi, amminoacidi, acidi grassi.)

5) Il fruttosio è uno zucchero:

a) aldoesoso; b) chetoesoso; c) chetopentoso; d) aldotrioso.

6) Il saccarosio è uno zucchero formato da:

a) glucosio e galattosio; b) glucosio e fruttosio; c) glucosio e glucosio.

7) Il legame 1,4 β glicosidico è tipico di:

a) cellulosa; b) amido; c) glicogeno.

Test di verifica

8) La parte fissa degli amminoacidi è caratterizzata da:

a) solo dalla funzione – NH2 ; b) solo dalla funzione– COOH ; c) sia dalla funzione – NH2 che – COOH.9) In una proteina le conformazioni ad α elica e β lamina caratterizzano: a) la struttura primaria; b) la struttura secondaria; c) la struttura terziaria; d) la struttura quaternaria.10) L’acido oleico è un acido grasso a 18 atomi di carbonio: a) saturo; b) monoinsaturo; c) polinsaturo.11) La quantità massima giornaliera di colesterolo da assumere con la dieta è pari a: a) 150 mg; b) 200 mg; c) 300mg; d) 450 mg.12) Il fabbisogno glucidico giornaliero rispetto alle calorie totali è pari a: a) il 20 %; b) il 10 %; c) il 55 %; d) il 30 %.13) I cereali sono un alimento: a)di alto valore biologico; b) medio valore biologico; c) basso valore biologico.14)Il fabbisogno proteico rispetto alle calorie totali è pari a: a) il 10 %; b) il 50 %; c) il 30 %; d) il 20 %.15) La ripartizione fra grassi di origine vegetale ed animale è pari a: a) 2/3 di origine vegetale, 1/3 di origine animale; b) 1/3 di origine vegetale 2/3 di origine animale; c) 1/2 di origine vegetale, 1/2 di origine animale.