Carboidrati: fisiologia, biochimica e nutrizione

I carboidrati (da idrati di carbonio), chiamati anche glucidi (dal greco glucùs, cioè dolce), sono uno dei macronutrienti maggiormente diffuso negli alimenti e costituiscono più della metà dell’apporto energetico totale.

Oltre a fornire energia come alimento, i carboidrati hanno numerose funzioni biologiche, tra cui quella del trasporto e della conservazione dell’energia (amido, glicogeno), quella strutturale (cellulosa nelle piante e cartilagine negli animali), di difesa nel sistema immunitario, di fertilità e di sviluppo biologico.

I carboidrati sono composti organici contenuti principalmente negli alimenti di origine vegetale e chimicamente sono costituiti da carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O), con forma molecolare (CH₂O)_n .

Si possono suddividere, in base al numero di unità ripetitive che li compongono, in:

• Monosaccaridi: formati da una sola unità ripetitiva come il glucosio, il galattosio ed il fruttosio.
• Oligosaccaridi: formati da poche unità ripetitive (in genere da 2 a 9);
• Polisaccaridi: formati da molte unità ripetitive (piu di 10) come l’amido  e la cellulosa.

I monosaccaridi o zuccheri semplici, sono glucidi costituiti da una singola unità e fanno da base strutturale per tutti gli altri carboidrati. A loro volta possono essere suddivisi, sulla base del numero di atomi di carbonico che li compongono, in:

Glucosio e fruttosio sono presenti in forma libera in alcuni frutti e vegetali ed il glucosio è il nutriente fondamentale in quanto entra nelle principali vie metaboliche.

In base al gruppo carbonilico (gruppo funzionale costituito da un atomo di C ed uno di O legati da un doppio legame: C=O) si distinguono inoltre in:

• Aldosi: se il gruppo carbonilico è aldeidico ovvero é legato ad almeno un atomo di idrogeno (esempio glucosio: aldo-esoso).
• Chetosi: se il gruppo carbonilico è chetonico ovvero é legato a due atomi di carbonio (esempio fruttosio: cheto-esoso).

I polisaccaridi (o carboidrati complessi) sono costituiti da lunghe catene di unità di monosaccaridi (maggiori di 9 unitá) che possono essere identiche (omopolisaccaridi) o diverse (eteropolisaccardidi).

Possono avere funzione di riserva, come l’amido (nelle piante) e il glicogeno (nell’uomo), ma anche strutturali, come la cellulosa (costituente della fibra nelle piante).

Per evitare, che in caso di necessità (come in condizioni ipoglicemiche) manchi energia all’organismo, nel fegato e nel muscolo il glucosio è depositato come riserva e impacchettato sotto forma di glicogeno. Quando serve glucosio a livello sistemico, questo viene rilasciato dal fegato, mentre quello depositato nel muscolo viene utilizzato a livello delle fibre muscolari.

Analogamente al glicogeno, nelle piante questa riserva energetica é costituita dall’ amido, che fornisce loro energia, sopratutto nei periodi piú critici come le stagioni fredde.

La differenza strutturale tra questi due polisaccaridi è nel numero di ramificazioni maggiore nel glicogeno rispetto a quelle nell’amido.

Le emicellulose sono invece polisaccaridi eterogenei e ramificati. Sono presenti diversi zuccheri sia nella catena principale che nella catena laterale ed anch’esse vengono idrolizzate e fermentate dalla flora batterica intestinale. La caratteristica principale delle emicellulose è la loro facile idratabilità quando vengono a contatto con l’acqua. In natura sono amorfe e possiedono proprietà adesive: tendono a cementare o ad assumere un aspetto corneo tipico di quando si disidratano. Sono inoltre solubili in ambiente acquoso.

La lignina non è formata da zuccheri, ma è un polimero di molecole aromatiche con una struttura tridimensionale. È costituita da derivati del fenilpropano. È presente nella parete delle cellule vegetali a diretto contatto con la cellulosa ed è completamente indigeribile. La parola lignina proviene dal termine latino “lignum”, che significa “legno”, e per questo motivo le piante che contengono una grande quantità di lignina sono denominate legnose.

Le pectine fanno parte della fibra solubile, sono polimeri dell’acido galatturonico spesso esterificato con metanolo. Le catene laterali sono costituite da arabinosio e galattosio e vengono degradate dalla flora batterica presente nel colon. Le pectine formano dei colloidi gelatinosi, abbondanti nella parete cellulare della frutta, che vengono idrolizzati con la maturazione da alcuni enzimi come la pectasi e la pectinasi (presenti soprattutto nelle mele e nelle pere). Un frutto ha una percentuale di pectina che dipende dalla specie e dalla maturazione. La pectina cementifica lo spazio tra una cellula e l’altra, tenendole unite e dando croccantezza alla frutta. Con il procedere della maturazione questo legame si scioglie e il frutto perde consistenza. La pectina trova impiego nell’industria alimentare come gelificante, soprattutto nella realizzazione di marmellate e confetture ed in tal caso assume la denominazione di E440. 

Le gomme, sono polisaccaridi complessi solubili con alta viscositá, contenenti acido glicuronico e galatturonico, xilosio, arabinosio e mannosio, e sono contenute principalmente nell’avena e nei legumi.

Le mucillagini sono mucopolisaccaridi complessi solubili e si trovano in varie parti di quasi tutte le piante, di solito in percentuali relativamente basse e sono frequentemente associate ad altre sostanze, come tannini ed alcaloidi. Le mucillagini aiutano le piante a trattenere l’acqua evitandone il disseccamento e rendendole quindi più resistenti alla siccità. Si pensa che svolgano un ruolo nella germinazione dei semi e agiscano come addensatore della membrana.

Altri composti presenti nella fibra sono:

• La chitina: presente nell’esoscheletro dei crostacei, indigeribile.
• I betaglucani :presenti nei funghi, nelle alghe e nelle piante superiori. Sono polisaccaridi con legami β-glucosidici ramificati, quindi digeriti dalla flora batterica intestinale.
• Le destrine resistenti o maltodestrine: sono dei componenti idrosolubili ottenuti dall’idrolisi dell’amido dei cereali (mais, avena, frumento, riso) o dei tuberi (patate, tapioca). Nonostante siano composte da polimeri del glucosio, hanno un indice glicemico analogo al glucosio, e proprio per questo motivo, possono mantenere l’apporto di energia in modo sostenuto dato che prima si devono “rompere” i legami, ovvero, scomporre nelle unità di glucosio: infatti durante una gara o un allenamento l’assunzione di maltodestrine garantisce un apporto costante di energia mantenendo relativamente stabile la glicemia. Le ultime scoperte scientifiche hanno messo in risalto alcune proprietà interessanti delle maltodestrine, ricavate dalla lavorazione dell’amido di avena e riso, quali il rallentamento della motilità e l’aumento della tolleranza dell’apparato gastrointestinale. 
• L’amido resistente: si trova incluso nella parete vegetale e quindi è inaccessibile da parte degli enzimi idrolitici. Ne esistono di quattro diversi tipi:
  • RS1: amido fisicamente incluso.
  • RS2: amido granulare nativo.
  • RS3: amido retrogradato.
  • RS4: amido chimicamente trasformato.

Le proprietà della fibra alimentare le vediamo riassunte in questa tabella:

PROPRIETÁ CHIMICO FISICHE	TIPO DI FIBRA	EFFETTI FISIOLOGICI
Viscositá	Gomme, Betaglucani	↑ Transito ileo ciecale
		↓ Svuotamento gastico
		↓ Assorbimento nel tenue
Trattenimento acqua	Pectine, Gomme, Cellulosa	↓ Svuotamento gastico
		↓ Transito ileo ciecale
		↑ Massa fecale
Adsorbimento	Gomme, Lignina	↑ Escrezione fecale di steroidi
Scambio di cationi	Pectine	↑ Piccole perdite di minerali, oligoelementi e metalli pesanti
Anti ossidante	Lignina	↓ Radicali liberi nel tratto digerente
Fermentabilitá	Poliaccaridi	↑ Produzione acidi grassi a catena corta e gas

L’amido, costituito da amilosio e da amilopectina, comincia una parziale digestione a livello della bocca, grazie all’amilasi salivare. Questo enzima idrolizza i legami α[1-4] monoglicosidici del’amido dando origine a destrine dell’amido, glucosio e maltosio.

L’amilasi idrolizza il legame α[1-4] e dà origine a:

Questi primi prodotti di digestione dell’amido vengono poi ulteriormente idrolizzati dagli enzimi presenti sull’orletto a spazzola degli enterociti fino a ridurli nelle unità monosaccaridiche come il glucosio, il fruttosio.

Alcune persone sono peró prive dell’enzima lattasi, deputato alla scissione del lattosio in glucosio e galattosio, a causa di fattori genetici. Un deficit parziale od assoluto di lattasi è responsabile di una delle più comuni forme di intolleranze alimentari (intolleranza al lattosio), che si manifesta con gonfiori intestinali, flatulenza e diarrea in seguito all’ingestione di latte ed alimenti ricchi in lattosio. Tale disaccaride non viene assorbito nell’intestino e giunge quindi indigerito nell’intestino crasso dove viene scisso e digerito dai batteri intestinali.

Uno volta che che le molecole amido sono state digerite le singole unitá saccaridiche vengono assorbite assorbite dall’enterocita. 

Il trasportatore sodio-glucosio (SGLT, Sodium Glucose Trasporter) si trova sulla membrana apicale delle cellule dell’intestino tenue e a livello renale nel tubulo contorto prossimale. La sua funzione è quella di permettere il riassorbimento di glucosio.

La pompa sodio-potassio, detta anche pompa Na⁺/K⁺ ATP-dipendente (Na⁺/K⁺ ATPasi), è il più chiaro esempio di trasporto attivo primario di sostanze attraverso la membrana plasmatica. Questa pompa si comporta da “antiporto”, permettendo di trasportare contro gradiente di concentrazione tre ioni di Na⁺ verso l’ambiente extracellulare e due ioni di K⁺ verso l’ambiente intracellulare, e sfruttando l’energia derivante dall’idrolisi dell’adenosintrifosfato (ATP).

Questo legame provoca con cambio conformazionale della molecola che chiude la porta verso l’interno della cellula e la apre verso l’esterno; il sodio quindi è libero di staccarsi dal trasportatore e al loro posto si possono legare due ioni potassio.  Il legame di due ioni potassio provoca all’interno della cellula il distacco del fosfato, che a sua volta riporta la proteina con la conformazione iniziale (con la porta quindi verso l’interno) dove il potassio si può staccare dalla proteina e liberare.

La pompa sodio potassio si definisce pertanto trasporto attivo in quanto il trasporto é permesso grazie all’idrolisi dell’ ATP mentre il cotrasportatore sodio-glucosio si definisce trasporto attivo secondario perché l’ATP è consumato indirettamente dalla pompa sodio potassio.

Esistono di diversi di trasportatori del glucosio (GLUT, Glucose Trasporter) a seconda della localizzazione e del tipo di trasporto:

• GLUT-1: presente nel muscolo, nell’encefalo e negli eritrociti e che permette il trasporto facilitato secondo gradiente in condizioni basali.
• GLUT-2: presente nel fegato e che permette il trasporto facilitato secondo gradiente sia entrata che in uscita.
• GLUT-3: presente nelle membrane neuronali e che permette un trasporto facilitato.
• GLUT-4: presente nel muscolo, nel cuore e negli adipociti e che permette trasporto stimolato da insulina e da impulsi nervosi
• GLUT-5: trasportatore di fruttosio presente nel muscolo, negli adipociti e negli spermatozoi e che permette un trasporto facilitato secondo gradiente.

I carboidrati rappresentano la nostra fonte energetica principale, soprattutto durante l’attività fisica intensa, e richiedono meno acqua durante la digestione rispetto agli altri alimenti come grassi e proteine. Le proteine ​​ed i grassi sono importanti per la costruzione e la riparazione del tessuto, mentre i carboidrati assolvono tutte le reazioni nell’organismo, compreso la ripartizione di tutte le sostanze nutrienti consumate nella dieta. Sono importanti per il mantenimento della massa muscolare in quanto limitano il catabolismo proteico e, se assunti in un contesto di eccesso energetico insieme a proteine, permettono la crescita del muscolo scheletrico. Inoltre hanno una funzione importante e nella regolazione del metabolismo perché stimolano la leptina, uno dei fattori che contribuiscono ad incrementarlo.

In media i carboidrati forniscono 4 kcal per grammo, anche se il loro valore energetico oscilla dalle 3,74 Kcal del glucosio alle 4,2 Kcal dell’amido. Di queste calorie circa il 10% viene utilizzato dall’organismo per i processi di digestione ed assorbimento.

I valori calorici indicati rappresentano un valore medio ed in alcuni casi le variazioni tra i vari alimenti possono arrivare al 10%. Per esempio 1 grammo di carboidrati di un dolce non sviluppa le stesse calorie di 1 grammo di carboidrati di una mela, senza considerare il fatto che anche per quest’ultima potrebbe variare l’apporto in base alla maturitá.

Tuttavia la media di 4 Kcal viene utilizzata nel calcolo del fabbisogno calorico e nella programmazione delle diete. 

Con il termine glicemia s’intende la concentrazione di glucosio nel sangue.
Il glucosio è fondamentale per l’organismo poiché è il nutriente essenziale per tutte le cellule che lo prelevano direttamente dal sangue ed il organismo possiede un sistema di regolazione intrinseco che consente di mantenere relativamente costante la glicemia durante l’arco della giornata. La regolazione della glicemia avviene ad opera di specifici ormoni: gli ipoglicemizzanti, che abbassano la glicemia (insulina), e gli iperglicemizzanti (glucagone), che la innalzano.

Il controllo omeostatico del nostro organismo ha il compito di mantenere la glicemia il più possibile all’interno dell’intervallo di normalità durante l’intera giornata:

• In soggetti sani, che hanno una vita regolare e un’alimentazione corretta, generalmente nell’arco della giornata i valori della glicemia si mantengono tra i 60 e i 130 mg/dl mentre a digiuno possono variare dai 70 ai 100 mg/dl.
• Tra 100 e 125 mg/dl si tratta di condizione di alterata glicemia a digiuno (IFG), una condizione che dovrebbe invitare il paziente a porre maggior attenzione al suo stile di vita.
• Valori di glicemia uguali o superiori a 126 mg/dl sono da considerarsi probabili sintomi di diabete.

L’Indice Glicemico (IG) è un valore assegnato agli alimenti in base alla velocità con cui questi possono aumentare i livelli ematici di glucosio. Nella tabella degli alimenti a più alto é l’IG, più veloce sarà il rilascio di glucosio nel sangue. Pertanto come conseguenza, avrà un effetto maggiore sulla segregazione da parte del pancreas dell’insulina, ormone preposto al controllo della glicemia. 

D’altra parte, quegli alimenti che hanno un IG più basso, offriranno proprietà energetiche molto più sostenute e con picchi di insulina inferiori.

Gli alimenti si classificano a secondo del loro indice glicemico in:

L’altro fattore che viene utilizzato per capire la questione fisiologica di come ci influenzano i cibi contenenti carboidrati, e che è attualmente risulta più completo, è il Carico Glicemico (GC) poiché tiene conto di diversi fattori quali l’indice glicemico e la quantità di grammi di carboidrati per porzione di alimento. Un alimento infatti può possedere un alto IG, ma tuttavia avere un basso CG in quanto contiene pochi carboidrati che influenzano di poco l’incremento di insulina. Ovviamente il CG di un alimento é direttamente proporzionale alla quantitá che ne consumiamo.

Il Carico Glicemico (GC) si calcola nel seguente modo:

Gli alimenti, in base al valori di CG, si classificano secondo le distribuzioni:

L’apporto giornaliero dei carboidrati nella dieta occidentale varia tra 250 e 800 grammi e le linee guida suggerite dall’ OMS per una corretta alimentazione prevedono di:

• Limitare gli zuccheri dei prodotti industriali in quanto sono molto calorici e possono facilmente far eccedere dal fabbisogno calorico giornaliero.
• Preferire gli zuccheri della frutta.
• Prediligere i carboidrati complessi rispetto a quelli semplici (esempio: frutta, verdura, legumi, cereali, patate dolci, riso, ecc.)
• Scegliere prodotti integrali rispetto ai corrispondenti non integrali.
• Ridurre l’apporto dei carboidrati a elevato carico glicemico.
• Mantenere uno stile alimentare vario: è preferibile cambiare le fonti alimentari di carboidrati.
• Integrare fonti di fibre e di proteine per aumentare l’effetto saziante di un pasto glucidico (esempio legumi).

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