La caseina è una famiglia di fosfoproteine che si trova principalmente nel latte fresco e ne costituisce la prima fonte di proteine per abbondanza: circa i tre quarti di tutte le proteine del latte appartengono a questa famiglia.
Struttura Le caseine sono proteine coniugate, cioè proteine legate ad altre molecole, in questo caso a fosforo sotto forma di acido fosforico esterificato. Questi gruppi fosforici sono importanti sia per la struttura della proteina, sia per la sua proposta funzione. Infatti questo gruppo, caricato negativamente, è in grado di legare ioni calcio e magnesio, da cui la supposta funzione di questa proteina, cioè quella di carrier, di trasportatore di calcio minerale. Sono anche quasi tutte piuttosto idrofobiche.
La conformazione delle caseine è simile a quella delle proteine denaturate a causa della presenza di un alto numero di residui dell'amminoacido prolina che impedisce alla proteina di ripiegarsi per formare strutture più ordinate; inoltre le caseine non possiedono ponti disolfuro (vedi cisteina) in grado anch'essi di conferire alla proteina una struttura più ordinata.
Ad eccezione della K-caseina le caseine sono proteine idrofobiche, per cui in una soluzione acquosa, come per esempio il latte, tendono ad unirsi formando micelle dove vengono intrappolate diverse sostanze, tra cui appunto il calcio minerale, diversi enzimi ed altro ancora. Non è ancora ben chiaro come queste micelle siano strutturate, ma forse sono costituite all'interno dalle varie caseine idrofobiche circondate da uno strato di κ-caseina (idrofila). Al loro interno le micelle si suppone vengano tenute assieme da diversi meccanismi tra cui ponti di calcio, interazioni idrofobiche e legami idrogeno.
Proprietà La mancanza di una struttura terziaria della proteina è la responsabile per la sua stabilità termica: non può essere denaturata al di sotto del punto d'ebollizione poiché non c'è una struttura da denaturare. Sempre a causa di ciò molti dei residui idrofobici sono esposti all'esterno della proteina e quindi in grado di associarsi ad altri residui di altre caseine, costituendo dei complessi colloidali piuttosto grandi ed insolubili in acqua. Questi complessi possono però precipitare in ambiente acido (il loro punto isoelettrico è a pH 4,6) e in seguito all'addizione di caglio.
Classificazione Ci sono 4 gruppi principali di caseine che possono essere distinte in base alla distribuzione delle cariche e alla sensitività di precipitazione in seguito all'addizione di calcio: α(s1)-caseina: costituita da due zone altamente idrofobiche separate da una regione polare (idrofila) contenente 7 degli 8 gruppi fosfati; può precipitare anche con bassi livelli di calcio α(s2)-caseina: tutti gli aminoacidi sono concentrati alle estremità della proteina, in grado di precipitare anch'essa con basse quantità di calcio β-caseina: possiede l'estremità amino-terminale fortemente polare, mentre il resto è apolare (idrofobico): in questo senso assomiglia ad un detergente. Richiede livelli medi di calcio per precipitare κ-caseina: l'unica delle caseine ad essere idrofila (e per questo richiede un'elevata quantità di calcio per precipitare). Stabilizza le altre caseine; una sua idrolisi rimuove questa abilità e porta alla coagulazione (precipitazione) della caseina. gamma caseina: prodotta dalla proteolisi post-secretoria a carico della beta-caseina ad opera della plasmina, una proteasi del latte.
Coagulazione Per coagulazione si intende la precipitazione delle caseine, la separazione del siero e la formazione della cagliata, la base per produrre qualunque tipo di formaggio. Questo può avvenire grazie all'acidità, alla temperatura, ai sali minerali presenti nel latte e all'aggiunta di caglio. Ci sono 2 modi per far avvenire la coagulazione: via acidificazione e via aggiunta di caglio. Acidificazione: a pH normale del latte (6,5-6,7) i gruppi fosfato sono tutti deprotonati, cioè possiedono una carica negativa che impedisce che i vari ammassi si uniscano tra loro diventando ancora più grandi. Abbassando il pH alcuni dei gruppi fosfato vengono protonati finché a un pH di 4,6 si raggiunge il punto isoelettrico della caseina. A questo pH la carica netta diventa zero ed i vari ammassi tendono a raggrupparsi tra loro formando dei legami ionici. Allo stesso modo i minerali intrappolati all'interno di questi ammassi, che ne garantivano una certa stabilità, in seguito all'acidificazione diventano solubili. Come conseguenza si ha la precipitazione di tali ammassi. Coagulazione enzimatica: è un processo a tre stadi che inizia con l'aggiunta di caglio al latte. Il caglio, isolato dallo stomaco di ruminanti, contiene vari enzimi, tra cui la chimosina, in grado di idrolizzare (spezzare in due) la κ-caseina, la responsabile della stabilità degli ammassi di caseina. A causa di ciò e di una diminuzione di pH, nel secondo stadio della coagulazione le micelle si aggregano. Questo processo è favorito dagli ioni calcio presenti che fanno da ponti tra questi ammassi legandoli tra loro. Questa aggregazione viene anche favorita dai legami idrofobici che si vengono a instaurare tra le micelle. La temperatura è un parametro importante durante tutto il processo. Aumentandola a circa le reazioni avvengono più velocemente. Nel terzo stadio si ha un riarrangiamento di questi ammassi ed inizia la cagliatura. A differenza della coagulazione per acidificazione, in questo caso il coagulo conserva tutti i sali di calcio.
Aggregazione della caseina avviene anche portando la temperatura oltre il livello di ebollizione del latte a causa della modifica delle proprietà del latte (tra cui la formazione di acidi e il rilascio di anidride carbonica). Supplemento proteico La caseina viene largamente utilizzata in ambito di integrazione proteica per consentire un aumento della massa muscolare da parte degli atleti. Come le proteine del siero di latte (whey), la caseina è ottenuta dal latte vaccino. A differenza delle whey, i cui amminoacidi nel flusso sanguigno vengono immessi molto rapidamente, la caseina causa l'effetto opposto. Fondamentalmente la caseina è per definizione la proteina ad assorbimento lento sul mercato. Una proprietà interessante legata alle sue capacità di formare un gel o coagulo nello stomaco, che lo rende molto efficiente in termini di apporto di sostanze nutritive. Il coagulo è in grado di fornire un rilascio lento e sostenuto di amminoacidi nel flusso sanguigno, che può durare per diverse ore. Questa caratteristica è ritenuta molto importante per mantenere uno stato anabolico e anti-catabolico sul tessuto muscolare per tempi relativamente lunghi, laddove le proteine del siero favoriscono una maggiore sintesi proteica, ma non sono in grado di limitare il catabolismo proteico. In questo modo favorisce una maggiore ritenzione di azoto e di utilizzo da parte del corpo. Grazie alle sue proprietà di lento assorbimento, la caseina è ampiamente utilizzata tra i pasti e prima di andare a dormire da parte dei bodybuilder per mantenere lo stato anabolico sul tessuto muscolare. Recenti evidenze scientifiche infatti riconoscono l'utilità del pasto proteico a base di caseina poco prima di coricarsi per stimolare la sintesi proteica muscolare e migliorare il bilancio proteico durante il periodo di recupero notturno post-allenamento. Altri studi recenti riconoscono che un pasto assunto poco prima di coricarsi, soprattutto se a base di proteine, provoca effetti favorevoli sul metabolismo e sul dispendio energetico a riposo la mattina successiva. Come le whey e altre fonti proteiche animali, la caseina contiene tutti gli amminoacidi essenziali nella giusta proporzione risultando in un ottimo profilo amminoacidico, favorevole e adatto alla crescita muscolare. È stato riscontrato che il rilascio di amminoacidi da parte della caseina possa durare fino a sette ore. Benefici per la crescita muscolare Alcune proprietà generali delle proteine alimentari:
forniscono i substrati necessari per la sintesi proteica; favoriscono il recupero muscolare a seguito dell'attività fisica; fungono da substrato per la gluconeogenesi (produzione di energia a partire da precursori non glucidici, come gli amminoacidi; un processo importante nel digiuno prolungato e nell'attività fisica di durata); stimolano la sintesi proteica e favoriscono la crescita muscolare; favoriscono il manifestarsi di un profilo ormonale adatto alla crescita muscolare e dimagrimento (GH/IGF-1, testosterone, insulina, glucagone, catecolammine, tiroidei);
Le caseine in aggiunta presentano alcune caratteristiche peculiari: presentano un elevato valore biologico (VB); determinano un lento rilascio amminoacidico che può superare le 7 ore; hanno dunque un bassissimo indice insulinico (II); non esibiscono particolari proprietà sullo stimolo dell'insulina, al contrario delle whey; diversamente dalle whey, inducono un forte stimolo della secrezione endogena del IGF-1, ormone dalle note proprietà anaboliche sul tessuto muscolare; contengono quantità maggiori di glutammina, arginina e fenilalanina rispetto alle whey; includono anche una lunga lista di enzimi, ormoni proteici e fattori di crescita; sono le più adatte a contrastare il catabolismo proteico (proteolisi) al contrario delle whey, o altre proteine a rapida assimilazione; determinano uno stimolo anabolico generalmente inferiore se comparato alle whey protein;
Principali tipologie La caseina è estratta dal latte mediante ultrafiltrazione, senza l'utilizzo di sostanze chimiche. Questo processo incrementa la quantità di peptidi del latte bioattivi che supportano la funzione immunitaria e favoriscono la crescita muscolare. Esistono essenzialmente quattro tipologie di caseina:
Caseina micellare (MC): è la caseina nativa nella sua forma naturale. Caseinato di calcio (CC): ottenuta dall'aggiunta di calcio alla caseina, è la più solubile ed economica. Caseina idrolizzata (HC): caseina sottoposta al processo di idrolisi, che rende la proteina a rapida assimilazione. Isolato delle proteine del latte: un composto che rispetta la proporzione proteica presente nel latte vaccino, con l'80% di caseina e il 20% di siero del latte. Caseina micellare (MC) La caseina micellare (MC, Micellar casein) è la forma naturale nativa della caseina. Viene prodotta separando le proteine della caseina contenute nel latte da lattosio, lipidi e proteine del siero mediante processi di filtraggio, ovvero ultrafiltrazione e microfiltrazione. Il procedimento di ultrafiltrazione si avvale della pressione per separare le proteine dagli altri componenti del latte attraverso una membrana porosa. La microfiltrazione è un procedimento di filtraggio a basse temperature mediante filtri in ceramica; elimina grassi che l'ultrafiltrazione non riesce a separare e non denatura le proteine della caseina. Dopo questo processo di reidratazione consente di riformare le micelle. Il prodotto risulta meno solubile nei liquidi ed è il tipo di proteine della caseina a digestione più lenta. La caseina micellare mantiene intatto l'intero spettro delle funzioni biologiche delle proteine del latte grazie ai trattamenti di filtrazione, al contrario di altri tipi di caseina, come il caseinato.
Caseinato di calcio (CC) Chiamato anche calcio caseinato (CC, Calcium caseinate), o semplicemente caseinato, e spesso confuso con la caseina micellare, viene ottenuto aggiungendo calcio alle proteine della caseina. Contiene mediamente oltre il 90% di proteine ed è la forma di caseina maggiormente solubile. Si scioglie molto più facilmente nei liquidi, senza formare grumi. La maggior solubilità implica minore aggregazione nello stomaco e digestione più rapida rispetto alla caseina micellare, e si rivela meno biodisponibile di quest'ultima. Ha un più alto contenuto di arginina e triptofano.