Radicali Liberi e Specie Reattive: Panoramica

Radicali Liberi: Caratteristiche Generali

• I radicali liberi sono sostanze chimiche reattive con un elettrone spaiato in un'orbita esterna.
• Sono molto instabili e reattivi verso le altre molecole per compensare tale squilibrio.
• Subiscono autopropagazione per reazioni a catena.
• La loro pericolosità è inversamente proporzionale all'emivita.
• Esistono specie reattive di azoto, ferro, rame e zolfo che potrebbero contribuire all'aumento della formazione di ROS e allo stress ossidativo, compromettendo l'equilibrio redox.

Specie Reattive dell'Ossigeno (ROS)

• I ROS si dividono in due categorie principali: radicalici e non radicalici.
• Le specie radicaliche includono il radicale superossido, il radicale ossidrile, i radicali alcossilici, i radicali perossilici e il radicale idroperossido.
• Le specie non radicaliche includono il perossido di idrogeno, l'acido ipocloroso, l'ossigeno singoletto, l'ozono e i perossidi lipidici.

Specie Reattive dell'Azoto (RNS)

• Il capostipite degli RNS è l'ossido d'azoto o nitrico (NO•), che si genera nei sistemi biologici attraverso l'ossidazione di uno degli azoti del gruppo guanidinico dell'aminoacido arginina.
• Questa reazione è catalizzata dall'enzima sintetasi dell'ossido nitrico o NO-sintasi (NOS).

Fonti di Radicali

• Esistono fonti endogene ed esogene di radicali.
• Fonti endogene di ROS includono membrana plasmatica, mitocondri, perossisomi, reticolo endoplasmatico liscio (REL) e citosol.
• La membrana plasmatica genera NADPH ossidasi, lipoossigenasi e mieloperossidasi.
• I mitocondri presentano complessi enzimatici della catena respiratoria, inclusi MAO.
• I perossisomi contengono numerose ossidasi.
• Il REL presenta un sistema monoossigenasico citocromo P450-dipendente (CYP2E1 e 2B).
• Il citosol contiene xantina ossidasi e prostaglandina H sintasi (PHS).

Mitocondri come fonte di ROS

• In condizioni fisiologiche, dall'1% al 2% dell'O₂ molecolare consumato dalle cellule animali è convertito a ROS a causa della perdita di elettroni dalla catena di trasporto mitocondriale.
• I mitocondri rappresentano una fonte primaria di ROS endogene.
• La produzione e l'accumulo di ROS aumentano quando la catena respiratoria mitocondriale è danneggiata da componenti chimiche o mutazioni in geni mitocondriali.
• Almeno due siti nella catena di trasporto degli elettroni (ETC) mostrano una sostanziale perdita di elettroni: il gruppo flavinico del complesso I e il sito dell'ubichinone del complesso III.
• Gli elettroni possono sfuggire e reagire con l'O₂ molecolare, portando ad una attiva produzione di radicali liberi e H2O2 a livello mitocondriale.

Membrana Plasmatica

• Cellule infiammatorie come neutrofili, eosinofili e macrofagi possono produrre ROS.
• Quando attivate, queste cellule aumentano l'assunzione di ossigeno, producendo una varietà di ROS tra cui l'anione superossido, l'ossido nitrico e il perossido di idrogeno, grazie all'azione della NADPH ossidasi di membrana.

Reticolo Endoplasmatico Liscio (REL)

• La famiglia del citocromo P450 (CYP, P450) è una superfamiglia enzimatica di emoproteine appartenente alla sottoclasse enzimatica delle monoossigenasi.
• Questi enzimi consentono l'incorporazione di un atomo di O2 in un substrato organico (RH) e la riduzione del secondo ad H₂O, secondo la reazione: RH + O2 + 2H+ + 2e- → ROH + H2O.

Microsomi e Perossisomi

• I microsomi sono responsabili dell'80% dell'H2O2 prodotta in vivo a livello dei siti di iperossia.
• I perossisomi, in condizioni fisiologiche, sono importanti per la produzione di H2O2, ma non di O2•-.
• l'ossidazione perossisomiale degli acidi grassi è stata riconosciuta come una potenziale importante fonte di produzione di H2O2.

Fonti Esogene

• Agenti ambientali possono generare radicali direttamente o indirettamente.
• L'induzione di stress e danno ossidativo è stata associata a diversi tipi di xenobiotici, come metalli (ridotti e non ridotti), ioni, radiazioni (UV, raggi gamma, raggi X), farmaci (barbiturici), contaminanti ambientali e agenti cancerogeni.

Stress Ossidativo

• Negli organismi aerobi esiste un delicato equilibrio tra la produzione di sostanze ossidanti, inclusi i ROS, e il sistema di difesa antiossidante, che previene e/o ripara i danni prodotti.
• Il termine "stress ossidativo" indica l'insieme delle alterazioni che si manifestano a livello di tessuti, cellule e macromolecole biologiche quando vengono esposte ad un eccesso di agenti ossidanti.

Danni alle Macromolecole

• Disturbi del normale stato redox possono provocare effetti tossici generando specie chimiche reattive che danneggiano le componenti cellulari, incluse proteine, lipidi e acidi nucleici.
• I ROS possono portare all'attivazione di pathways cellulari e alla stimolazione della proliferazione cellulare.
• Alte dosi di ROS possono causare morte cellulare.

Omeostasi

• ROS e altre specie reattive sono continuamente prodotte dall'organismo attraverso processi biochimici.
• Determinate quantità di sostanze ossidanti sono indispensabili per mantenere il corretto funzionamento cellulare, regolando i meccanismi dell'omeostasi.

Antiossidanti

• Gli antiossidanti possono essere classificati secondo criteri diversi:
• In base all'origine: endogeni ed esogeni.
• In base alla natura chimica: enzimatici e non enzimatici.
• In base alla solubilità: liposolubili e idrosolubili.
• In base al meccanismo d'azione: preventivi, scavenger, agenti di riparo e agenti di adattamento.

Antiossidanti in Base alla Natura Chimica

• Antiossidanti enzimatici: superossido dismutasi (SOD), catalasi, glutatione perossidasi (GPx) e glutatione reduttasi (GRed).
• Antiossidanti non enzimatici: glutatione (GSH), ubichinone (CoQ10), acido α-lipoico (ALA), vitamina C (ascorbato), α-tocoferolo (vitamina E), carotenoidi, polifenoli, glucosinolati.

Superossido Dismutasi (SOD)

• La SOD trasforma il superossido in molecole meno pericolose: ossigeno e acqua ossigenata.
• È il principale antiossidante cellulare che mantiene bassa la concentrazione di O2- e funziona in collaborazione con la catalasi e la glutatione perossidasi.
• Implicata nella SLA, una grave malattia neurodegenerativa che porta alla morte selettiva dei motoneuroni e a paralisi progressiva.

Catalasi

• La catalasi è un enzima che scinde l'acqua ossigenata in acqua e ossigeno, presente in tutti gli esseri viventi (tranne i microrganismi anaerobi).
• È concentrata nel fegato e nei globuli rossi.
• È una proteina coniugata (peso molecolare 250.000) che contiene quattro atomi di ferro per molecola.

Glutatione Perossidasi

• La glutatione perossidasi neutralizza il perossido di idrogeno (acqua ossigenata, HOOH) o altri perossidi (ROOH), trasformandoli in acqua o nell'alcol corrispondente mediante ossidazione di molecole riducenti (AH).
• Il ruolo essenziale di questo enzima è dimostrato dall'insorgenza della malattia di Keshan (cardiomiopatia endemica) in regioni della Cina con suoli poveri di selenio, prevenibile integrando selenio nella dieta.

Glutatione

• Il glutatione è una proteina non enzimatica (-SH) che agisce principalmente come antiossidante plasmatico.
• Acquisisce un elettrone e dà vita a un radicale sulfidrilico (-S*) più stabile
• È abbondante nel citosol, nel nucleo e nei mitocondri, ed è presente anche a livello plasmatico. Può reagire non enzimaticamente con radicali.

Acido Ascorbico (Vitamina C)

• L'acido ascorbico è una sostanza a basso peso molecolare, idrofila ed esogena.
• E uno scavenger nei confronti di vari radicali (HO•, ROO• e O2•-).
• Riduce il radicale tocoferile rigenerando la vitamina E.

Funzioni dell'Acido Ascorbico

• Aumenta le difese immunitarie e aiuta l'organismo a difendersi dagli attacchi virali.
• Interviene nel metabolismo del ferro e altri metabolismi, come la sintesi di tessuto connettivo, il metabolismo della tirosina e la sintesi della carnitina.
• Partecipa al metabolismo del rame e alla sintesi di catecolamine (adrenalina e noradrenalina) e ormoni peptidici.
• Prende parte alla cicatrizzazione delle ferite, è coadiuvante contro le anemie e rafforza ossa e denti.
• Alte dosi di acido ascorbico possono causare formazione di calcoli di ossalato, eccessivo assorbimento di ferro e interazione negativa con l'assorbimento della B12.

Fonti dell'Acido Ascorbico

• Si trova in agrumi, kiwi, pomodori, peperoni, cavoli, vegetali verdi, frutta e verdura fresca.
• Le concentrazioni variano in relazione alla varietà, alla maturazione e ai metodi di conservazione.
• La cottura a vapore è preferibile per conservare la vitamina durante la cottura.

Acido Urico

• L'acido urico è una sostanza idrofila a basso peso molecolare.
• E un potente scavenger contro vari ossidanti (HO•, O2•-, O3, HClO).
• Chelante contro i metalli di transizione (Fe, Cu).
• Previene l'ossidazione Fe-dipendente dell'ascorbato.
• È il prodotto terminale derivante dalla degradazione delle purine.
• L'iperuricemia e una condizione asintomatica in cui i valori plasmatici di acido urico superano i 7 mg/dL.
• Questa condizione espone al rischio di precipitazione dell'acido urico sotto forma di urato, con conseguente gotta, formazione di tofi e nefropatia gottosa.

Fonti dell'Acido Urico

• Gli alimenti ricchi di purine comprendono prodotti animali ad alto contenuto proteico come acciughe, cervella, consommè, sugo di carne, aringhe, frattaglie, estratti di carne, carne trita, cozze e sardine.
• In caso di gotta, è necessario limitate asparagi, fagioli secchi, cavolfiori, lenticchie, funghi, farina d'avena, piselli secchi, ostriche, spinaci, cereali, pesce, carne e pollame.

Caroteni e Xantofille

• Sostanze lipofile contenute in frutta e verdura.
• Quencher dell'ossigeno singoletto (O2*).
• Interrompono le reazioni a catena dei radicali perossili (R-OO•).

Funzioni dei Carotenoidi

• Oltre alla funzione provitaminica, i carotenoidi hanno effetti protettivi contro varie patologie.
• Il licopene ha proprietà antitumorali e antiossidanti.
• La luteina aiuta a prevenire la degenerazione maculare senile.
• Un'alimentazione ricca di carotenoidi protegge la pelle dalle radiazioni solari e determina un colorito più bronzeo.

Fonti dei Carotenoidi

• I carotenoidi sono abbondanti in natura e si trovano in tutte le parti delle piante, inclusi frutti, semi, foglie e radici.
• L'uomo assume carotenoidi consumando alimenti vegetali, in particolare zucca, carota, anguria, peperone, pomodoro, albicocca e melone.

Tocoferoli (Vitamina E)

• I tocoferoli sono potenti antiossidanti lipofili con doppia azione (chain breaker e scavenger).
• Oltre all'azione antiossidante, esibiscono altre attività biologiche.
• Proteggono dall'ossidazione dei lipidi polinsaturi e riducono gli stress ossidativi collegati all'invecchiamento.

Funzioni dei Tocoferoli

• Sono soprattutto capaci di prevenire i complessi di ossidazione dei lipidi polinsaturi, agendo quindi come antiossidante.
• Inibisce gli stress ossidativi coinvolti nell'invecchiamento, nella patogenesi e nelle complicazioni del diabete (cataratta e problemi cardiovascolari).
• Il tocoferolo può esercitare effetti protettivi nei confronti della malattia coronarica.
• Le vitamine E possono proteggere dalla carcinogenesi e dalla crescita tumorale attraverso proprietà antiossidanti eo funzioni immunomodulatorie.

Fonti dei Tocoferoli

• I tocoferoli sono contenuti principalmente negli alimenti di origine vegetale, in particolare oli (come l'olio di germe di grano), alcuni ortaggi, le cariossidi intere dei cereali e i semi oleosi (frutta secca).
• I processi di raffinazione degli oli di semi e la cottura possono ridurre il contenuto di vitamina E.

Polifenoli e Flavonoidi

• Sono un'ampia classe di sostanze naturali che comprendono antociani ed antoxantine (frutta e verdura).
• Eseguono azione scavenger sui radicali HO• e O2• e hanno una possibile azione anti-aterogena.

Funzioni dei Polifenoli e Flavonoidi

• I polifenoli più diffusi sono flavonoidi, tannini, lignine, antrachinoni e melanine.
• Vengono prodotti da vegetali, batteri, funghi e animali e svolgono un ruolo importante nell'alimentazione e nella farmacologia.
• Hanno proprietà antiossidanti e antinfiammatorie, proteggono le cellule e aiutano a controllare il colesterolo, oltre ad avere capacità antibatteriche, antipruriginose, antiparassitarie e citotossiche.

Fonti dei Polifenoli e Flavonoidi

• Le fonti alimentari più importanti sono frutta e verdura, tè verde, tè nero, vino rosso, caffè, cioccolato, olive e olio extra vergine di oliva.
• Anche erbe, spezie, frutta a guscio e alghe apportano polifenoli.