Tiamina

La tiamina, conosciuta anche come aneurina e come vitamina B1, è un micronutriente essenziale nell’alimentazione umana e animale per il suo ruolo nel metabolismo cellulare. Essa è contenuta nei cereali integrali, nei legumi, nella frutta, nel lievito di birra, nel fegato, nelle uova e nel latte. I nutrizionisti consigliano di assumerne 0,4 mg per ogni 1000 kcal di apporto energetico giornaliero.

Scoperta e caratterizzazione

La scoperta della tiamina è legata al beri-beri, una malattia da carenza che impedisce alle cellule di utilizzare il glucosio come fonte di energia. Di conseguenza la muscolatura liscia dei visceri non funziona, dando luogo a sintomi quali inappetenza e indigestione, e anche le pareti delle arterie e il cuore stesso non riescono a far circolare bene il sangue, e ne derivano accumuli di liquidi tra i tessuti. Poiché il cervello funziona esclusivamente grazie al glucosio, il beri-beri ha anche dei rilevanti sintomi neurologici. Nei primi anni del XX secolo si scoprì che il beri-beri era provocato dal consumo esclusivo di cereali raffinati, cioè privati delle porzioni più esterne del seme: la crusca e il germe.

La scoperta della tiamina

Nel 1910 lo scienziato giapponese Umetaro Suzuki isolò per la prima volta la tiamina dalla crusca di riso, descrivendola come una sostanza che: si scioglie nell’acqua, cura il beri-beri ed è essenziale nella nutrizione umana. Purtroppo le traduzioni europee dal giapponese non riconobbero la nuova scoperta di Suzuki, e il suo lavoro venne letteralmente ignorato. L’anno successivo, nel 1911, il chimico polacco Casimir Funk isolò la stessa sostanza, e riconoscendovi la presenza del gruppo amminico, coniò il termine “vitamina”, cioè “amina (ammina) della vita”. Tuttavia Funk non riuscì a stabilire la struttura chimica della sua vitamina, per la quale si dovette attendere fino agli studi di Robert Runnels Williams del 1934. Data la presenza dello zolfo (in greco “theío”), Williams ribattezzò la vitamina di Funk con il nome di thiamine, in italiano tiamina.

Caratteristiche chimico-fisiche della tiamina

La tiamina si scioglie bene sia nell’acqua che negli altri solventi polari, e invece non si scioglie per niente negli altri solventi organici; è stabile nelle soluzioni acide, ma si degrada in quelle alcaline o se esposta al calore oppure ai raggi ultravioletti. L’energia fornita innesca la reazione di Maillard tra la tiamina e gli zuccheri riducenti, un fenomeno che si verifica durante la cottura dei cibi, che abbassa il contenuto di tiamina della pietanza. Per quantificare il contenuto di tiamina in un campione, lo si tratta con una sostanza ossidante come il ferricianuro, che trasforma la tiamina in tiocromo, una sostanza dotata di fluorescenza la quale può essere facilmente misurata.

Struttura molecolare

La tiamina si compone di un anello di tiazolo unito attraverso un gruppo metilene ad un secondo anello formato da una pirimidina (Fig.1).

Funzioni biologiche della tiamina

La tiamina nella sua forma attivata di tiamina pirosfato è un coenzima fondamentale del processo di degradazione di zuccheri e aminoacidi necessario per svolgere la respirazione cellulare e poter così ottenere energia. Grazie alla parziale carica positiva sul carbonio 2 del tiazolo, la tiamina pirofosfato accetta e modifica alcuni metaboliti intermedi. I principali enzimi, che sfruttano la tiamina pirosfato come coenzima (Fig. 2), comprendono:

• La piruvato deidrogenasi (PDH) e la α-chetoglutarato deidrogenasi (αKGDH) sono due enzimi responsabili di importanti passaggi del metabolismo dei carboidrati, che avvengono all’interno dei mitocondri, nella respirazione cellulare. Entrambi gli enzimi staccano una molecola di anidride carbonica dal loro substrato e traferiscono ciò che ne rimane sul coenzima A, producendo rispettivamente acetil-CoA e succinil-CoA oltre a una coppia di elettroni donati a un altro coenzima, il NAD⁺. Il graduale trasferimento di questi elettroni verso l’ossigeno, contribuisce a fornire l’energia affinché siano ricaricate le batterie della cellula, cioè le molecole di ATP. Nel sistema nervoso la piruvato deidrogenasi partecipa anche alla produzione del neurotrasmettitore acetilcolina e della mielina, che è la guaina isolante che avvolge gli estesi prolungamenti delle cellule nervose.
• Il complesso dell’α-chetoacido deidrogenasi a catena ramificata (BCKADH) agisce nei mitocondri con lo stesso meccanismo di reazione, ma come substrati ha gli α-chetoacidi derivati dalla transaminazione degli aminoacidi a catena ramificata (valina, leucina e isoleucina).
• La 2-idrossifitanoil-CoA liasi (HACL1) catalizza un passaggio dell’α-ossidazione degli acidi grassi a catena ramificata, che ha luogo nei perossisomi.
• La transchetolasi (TKT) interviene in due passaggi della via dei pentoso fosfati (Pentose Phosphate Pathway, PPP), una serie di reazioni che avvengono nel citosol e producono NADPH impiegato nei vari processi di biosintesi, e ribosio-5-fosfato, un precursore dei nucleotidi.

Via biosintetica della tiamina

Gli animali, inclusi gli esseri umani, non sono in grado di sintetizzare la tiamina, che pertanto deve essere assunta attraverso l’alimentazione. Nei regni delle piante, dei funghi e dei batteri, la biosintesi della tiamina origina da composti precursori diversi. In ogni caso ci sono inizialmente due vie metaboliche, una per la sintesi del tiazoloe l’altra per la produzione della pirimidina, che convergono quando i due composti ad anello vengono uniti. Si forma quindi, in un primo momento la tiamina monofosfato, che viene poi attivata a tiamina pirofosfato (Fig. 3).

Immagini

Applicazioni biotecnologiche, mediche, industriali

La tiamina, sintetizzata chimicamente, è venduta come farmaco o come integratore alimentare e in qualità di farmaco generico è inclusa nella lista dei farmaci essenziali dell’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità). Il processo industriale per ottenere la tiamina (Fig. 4), sviluppato da Hoffmann-La Roche, si compone fondamentalmente di quattro passaggi:

• Sintesi della diammina di Grewe, molecola contenente l’anello di pirimidina e il gruppo metilene (passaggi da 2 a 5);
• Allungamento della catena laterale (passaggi 6 e 7);
• Formazione dell’anello del tiazolo (passaggio 8);
• Conversione finale del composto a tiamina cloridrato (passaggi 9 e 1) o mononitrato.

Il mononitrato di tiamina può essere utilizzato dall’industria alimentare durante il processo di fortificazione delle farine di grano, riso e mais. Il sale mononitrato è preferito rispetto al sale cloridrato, in quanto il mononitrato risulta più stabile e non assorbe l’umidità dell’aria. Inoltre, visto che durante la raffinazione dei cereali, i semi vengono privati della maggior parte delle loro vitamine, contenute nella crusca e nel germe, si rende necessario ripristinarne la quota aggiungendo alle farine alcune vitamine mancanti, tra queste la tiamina.

Applicazioni mediche

La tiamina è utilizzata per prevenire e curare condizioni di carenza come il già citato beri-beri. I farmaci e gli integratori alimentari a base di tiamina cloridrato sono generalmente assunti per via orale, ma in alcuni casi possono essere somministrati attraverso iniezione endovenosa o intramuscolare.

Le donne in gravidanza hanno bisogno di un maggior apporto di tiamina, specialmente durante gli ultimi tre mesi prima del parto, quando la tiamina attraversa la placenta ed entra nel sistema circolatorio del feto. Nei casi di iperemesi gravidica, il vomito provoca una carenza di tiamina, per cui le pazienti rischiano di sviluppare l’invalidante encefalopatia di Wernicke. Allo scopo di trattare l’iperemesi gravidica si prevede l’assunzione di liquidi e nutrienti quasi esclusivamente per via endovenosa, compresa una dose di tiamina pari a 100 mg al giorno per tre giorni.

Inoltre la tiamina viene impiegata per curare:

• la malattia delle urine a sciroppo d’acero, dovuta a un difetto nel metabolismo degli aminoacidi ramificati;
• la sindrome di Leigh, che provoca la morte cellulare precoce in importanti aree del cervello.

Fonti

Articoli di riviste scientifiche

• Hutson SM, Sweatt AJ, Lanoue KF. Branched-chain [corrected] amino acid metabolism: implications for establishing safe intakes. J Nutr. 2005 Jun;135(6 Suppl):1557S-64S.
• Chuang DT, Chuang JL, Wynn RM. Lessons from genetic disorders of branched-chain amino acid metabolism. J Nutr. 2006;136(1 Suppl):243S-9S.
• Whitfield KC, Bourassa MW, Adamolekun B, Bergeron G, Bettendorff L, Brown KH et al. Thiamine deficiency disorders: diagnosis, prevalence, and a roadmap for global control programs. Ann N Y Acad Sci. 2018 Oct;1430(1):3-43.
• Oudman E, Wijnia JW, Oey M, van Dam M, Painter RC, Postma A. Wernicke’s encephalopathy in hyperemesis gravidarum: A systematic review. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 2019 May;236:84-93.
• Meggs WJ, Lee SK, Parker-Cote JN. Wernicke encephalopathy associated with hyperemesis gravidarum. Am J Emerg Med. 2020 Mar;38(3):690.e3-690.e5.

Libri

• Patrizia Cappelli, Vanna Vannucchi; Chimica degli alimenti – Terza edizione 2005; Zanichelli; ISBN 978-88-08-07589-5.
• Maurice E Shils, Moshe Shike; Modern Nutrition in Health and Disease – 10th edition 2006; Lippincott Williams & Wilkins; ISBN 9780781741330.
• Paul M. Coates, Joseph M. Betz, Marc R. Blackman, Gordon M. Cragg, Mark Levine, Joel Moss, Jeffrey D. White; Encyclopedia of Dietary Supplements – 2nd edition 2010; CRC Press; ISBN 9781498702256.
• John W. Erdman Jr., Ian A. Macdonald, Steven H. Zeisel; Present Knowledge in Nutrition – 10th edition 2012; Wiley-Blackwell; ISBN 978-1-119-94604-5.
• A Catharine Ross; Modern Nutrition in Health and Disease – 11th edition 2014; Lippincott Williams & Wilkins; ISBN 9781605474618.
• Silvia Bencivelli; Eroica, folle e visionaria – Storie di medicina spericolata – 2023; Bollati Boringhieri; ISBN 978-8833941745.
• Società Italiana di Nutrizione Umana (SINU); LARN. Livelli di Assunzione di Riferimento di Nutrienti ed energia per la popolazione italiana. V revisione – 2024; Biomedia; ISBN 978-8886154765. 

Crediti Immagini

• Immagine in evidenza: https://cdn.gvmnet.it/admingvm/media/immagininews/cervelloesistemanervoso/vitamina_b1_alimentazione_1.jpeg
• Figura 1: https://www.researchgate.net/publication/257884875/figure/fig1/AS:203204575928322@1425459154815/Chemical-structures-of-thiamine-vitamin-B1-thiamin-and-the-active-co-enzyme-thiamine.png
• Figura 2: https://www.researchgate.net/publication/332213178/figure/fig1/AS:11431281255273093@1719411480482/Thiamine-metabolism-A-Chemical-structure-of-thiamine-and-phosphorylated-derivatives.tif
• Figura 3: https://www.researchgate.net/profile/Zetty-Norhana-Balia-Yusof/publication/323637476/figure/fig1/AS:601904333746176@1520516584309/The-thiamine-biosynthesis-pathway-which-consists-of-pyrimidine-branch-and-thiazole-branch.png
• Figura 4: https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S2095809923002394-gr2_lrg.jpg