Radicali Liberi, ROS e RNS

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, compensando uno squilibrio.
• Subiscono autopropagazione attraverso reazioni a catena.
• La loro pericolosità è inversamente proporzionale all'emivita.
• Specie reattive di azoto, ferro, rame e zolfo aumentano la formazione di ROS, causando stress ossidativo e compromettendo l'equilibrio redox.

ROS (Specie Reattive dell'Ossigeno)

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

RNS (Specie Reattive dell'Azoto)

• Il capostipite degli RNS è l'ossido d'azoto o nitrico (NO•).
• Viene generato nei sistemi biologici per ossidazione di uno degli azoti del gruppo guanidinico dell'aminoacido arginina.
• Questo processo di ossidazione è catalizzato dall'enzima sintetasi dell'ossido nitrico, noto come NO-sintasi (NOS).

Fonti di Radicali

• Esistono fonti endogene ed esogene.

Fonti Endogene di ROS

• I ROS si generano durante il normale metabolismo aerobio, in diversi compartimenti cellulari.
• Membrana plasmatica: produzione tramite NADPH ossidasi, lipoossigenasi, mieloperossidasi.
• Mitocondri: produzione da complessi enzimatici della catena respiratoria e MAO.
• Perossisomi: produzione tramite numerose ossidasi.
• REL (Reticolo Endoplasmatico Liscio): sistema monoossigenasico citocromo P450-dipendente (CYP2E1 e 2B).
• Citosol: produzione tramite xantina ossidasi e prostaglandina H sintasi (PHS).

Mitocondri come Fonte di ROS

• In condizioni fisiologiche, l'1-2% dell'O2 molecolare consumato dalle cellule animali è convertito a ROS.
• La conversione avviene tramite la perdita di elettroni dalla catena di trasporto mitocondriale.
• I mitocondri quindi sono una fonte primaria di ROS endogeni.
• La produzione e l'accumulo di ROS aumentano quando la catena respiratoria mitocondriale è danneggiata.
• Il danneggiamento è causato da componenti chimiche o mutazioni in geni mitocondriali.
• Almeno due siti nella catena di trasporto degli elettroni (ETC) mitocondriale perdono elettroni: il gruppo flavinico del complesso I e il sito dell'ubichinone del complesso III.
• Gli elettroni possono sfuggire, reagire con l'O2 molecolare e portare a una produzione attiva di radicali liberi e H2O2.

Membrana Plasmatica e ROS

• Le cellule infiammatorie come neutrofili, eosinofili e macrofagi sono produttori di ROS.
• Attivandosi, queste cellule aumentano l'assunzione di ossigeno.
• Questo aumento dà origine alla produzione di una varietà di ROS.
• Inclusi l'anione superossido, l'ossido nitrico e il perossido di idrogeno, ad opera della NADPH ossidasi di membrana.

REL (Reticolo Endoplasmatico Liscio)

• La famiglia del citocromo P450 (CYP, P450) è una superfamiglia enzimatica di emoproteine appartenente alla sottoclasse enzimatica delle monoossigenasi.
• E' in grado di incorporare un atomo di O2 in un substrato organico (RH).
• Riduce anche il secondo atomo di O2 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 una potenziale fonte importante di produzione di H2O2.

Fonti Esogene di Radicali

• Gli agenti ambientali (xenobiotici) possono generare ROS direttamente o indirettamente.
• Inducono stress e danno ossidativo dopo esposizione a metalli (ridotti e non ridotti), ioni, radiazioni (UV, raggi gamma, raggi X).
• Sono anche fattori i farmaci (barbiturici), contaminanti ambientali e agenti cancerogeni.

Stress Ossidativo

• Negli organismi aerobi esiste un delicato equilibrio, detto ossido-riduttivo.
• L'equilibrio esiste tra la produzione di sostanze ossidanti (inclusi i ROS) e il sistema di difesa antiossidante.
• Quest'ultimo ha il compito di prevenire e/o riparare l'eventuale danno prodotto.
• Lo stress ossidativo indica l'insieme delle alterazioni che si manifestano a livello di tessuti, cellule e macromolecole biologiche.
• Si manifestano quando queste vengono esposte a un eccesso di agenti ossidanti.

Danni alle Macromolecole

• Disturbi del normale stato redox possono provocare effetti tossici attraverso la produzione di specie chimiche reattive.
• Le specie chimiche reattive danneggiano: proteine, lipidi e acidi nucleici.

Danni da Radicali Liberi

• I ROS (Specie Reattive dell'Ossigeno) possono portare all'attivazione di pathways cellulari.
• Possono portare alla stimolazione della proliferazione cellulare e al danno cellulare a:
  • Lipidi: attaccano i lipidi di membrana (lipoperossidazione).
  • Proteine: ossidano i residui amminoacidici delle proteine.
  • DNA: causano rotture delle catene del DNA ed alterazioni delle basi.
• Alte dosi di ROS possono causare la morte cellulare.

Omeostasi

• ROS e altre specie reattive vengono continuamente prodotte dal nostro organismo attraverso numerosi processi biochimici.
• La presenza di sostanze ossidanti è indispensabile per mantenere il corretto funzionamento cellulare.
• Servono a regolare i meccanismi propri dell'omeostasi.

Sbilanciamento e Stress Ossidativo

• Durante le reazioni di riduzione dell'ossigeno, le specie reattive generate possono superare il valore soglia fisiologico.
• Se tali molecole non vengono neutralizzate dai sistemi antiossidanti, si possono instaurare danni.
• I danni all'interno della cellula possono condurre la stessa ad apoptosi.
• Uno sbilanciamento tra la produzione di ROS e l'efficacia del sistema di difesa antiossidante stabilisce una condizione di stress ossidativo.

Antiossidanti

• Gli antiossidanti possono essere classificati secondo diversi criteri:
  • 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, agenti di adattamento.

Antiossidanti in Base alla Natura Chimica

• Gli antiossidanti vengono classificati in base alla natura chimica.
• Antiossidanti enzimatici: superossido dismutasi (SOD), catalasi, glutatione perossidasi (GPx) e glutatione reduttasi (GRed).

Superossido Dismutasi (SOD)

• Trasforma il superossido in molecole meno pericolose.
• Le molecole in cui lo trasforma sono: ossigeno e acqua ossigenata.
• E' implicata nella SLA, conosciuta anche come Sclerosi Laterale Amiotrofica.
• La SLA è una grave malattia degenerativa che porta alla morte selettiva dei motoneuroni nel sistema nervoso centrale e nel midollo spinale.
• Causa dunque una paralisi progressiva ed irreversibile nel giro di pochi anni.

Catalasi

• Enzima che scinde l'acqua ossigenata in acqua e ossigeno.
• E' presente in tutti gli esseri viventi a eccezione dei microrganismi anaerobi.
• Nei Mammiferi è concentrata nel fegato e nei globuli rossi del sangue.
• E' una proteina coniugata (peso molecolare 250.000), contenente quattro atomi di ferro per molecola.
• Protegge le strutture viventi dall'azione nociva dell'acqua ossigenata che si forma continuamente nei tessuti.
• Continua per numerosi processi chimici fisiologici.
• È uno dei più attivi catalizzatori biologici noti, anche a basse temperature.
• Trova applicazioni in campo industriale.
• Nello specifico nei processi che utilizzano l'acqua ossigenata e che richiedono una distruzione rapida di questo reattivo dopo l'uso.
• Esempi sono i trattamenti conservativi di alimenti e l'imbianchimento della carta.

Glutatione Perossidasi

• Neutralizza il perossido di idrogeno (acqua ossigenata, HOOH) o altri perossidi (ROOH) trasformandoli in acqua o nell'alcol corrispondente.
• La trasformazione avviene mediante l'ossidazione di molecole organiche riducenti (AH): H(R)OOH + 2 AH → 2H(R)OH + 2 A.
• Il ruolo essenziale è dimostrato dall'insorgenza di una grave malattia nei bambini nelle regioni della Cina, ovvero la malattia di Keshan.
  • Il suolo di queste regioni è estremamente povero di selenio; La malattia di Keshan può essere prevenuta con l'integrazione di selenio nella dieta.
  • Il selenio è presente nel centro attivo dell'enzima sotto forma di selenocisteina, dove l'amminoacido cisteina ha lo zolfo del gruppo tiolico sostituito dal selenio.

Glutatione

• Proteina non enzimatica, il glutatione (-SH) agisce principalmente come antiossidante plasmatico.
• Acquisita un elettrone dando vita ad un radicale sulfidrilico (-S*) più stabile.
• È abbondante nel citosol, nel nucleo e nei mitocondri ed è presente anche a livello plasmatico.
• Può reagire anche non enzimaticamente con radicali (ONOO-, tocoferile, ascorbile).

Acido Ascorbico

• È una sostanza a basso peso molecolare, idrofila ed esogena (deriva dall'esterno).
• Agisce come scavenger (spazzino) nei confronti di vari radicali (HO•, ROO• e O2•).
• Riducendo il radicale tocoferile è in grado di rigenerare la vitamina E.
• Aumenta le difese immunitarie e aiuta l'organismo a difendersi dagli attacchi virali.
• Interviene nel metabolismo del ferro e nei metabolismi ad esso collegati (sintesi del tessuto connettivo, metabolismo della tirosina, sintesi della carnitina).
• Partecipa al metabolismo del rame, alla sintesi di catecolamine (adrenalina e noradrenalina, prodotte dalle ghiandole surrenali) e di ormoni peptidici (ossitocina, vasopressina, colecistochinina).
• Prende parte alla cicatrizzazione delle ferite ed è coadiuvante contro le anemie.
• È importante per la crescita poiché rafforza ossa e denti.
• Si trova in agrumi, kiwi, pomodori, peperoni, cavoli, vegetali verdi e più in generale nella frutta e nella verdura fresca.
• La concentrazione può variare in relazione alla varietà, alla maturazione, ai tempi e ai modi di stoccaggio dopo la raccolta.
• Quando i cibi vengono conservati o cotti c'è una rapida ossidazione dell'ascorbato; per conservare la vitamina è preferibile la cottura al vapore.
• Dosaggi eccessivi di vitamina C possono portare alla formazione di calcoli di ossalato nelle vie urinarie, all'eccessivo assorbimento di ferro e un'interazione negativa con l'assorbimento di vitamina B12.

Acido Urico

• Sostanza a basso peso molecolare, idrofila.
• Potente scavenger contro vari ossidanti (HO•, O2•*, O3, HClO).
• Chelante nei confronti di metalli di transizione (Fe, Cu).
• Previene l'ossidazione Fe-dipendente dell'ascorbato.
• È il prodotto terminale derivante dalla degradazione delle purine.
• L'iperuricemia è una condizione asintomatica con valori plasmatici di acido urico superiori a 7 mg/dl; ciò espone ad un rischio di precipitazione sotto forma di urato nelle articolazioni (gotta), nei tendini (tofi) o a livello renale (nefropatia gottosa).
• Alimenti ricchi di purine includono i prodotti animali ad alto tasso di proteine: acciughe, cervella, consommé, sugo di carne, aringhe, frattaglie, estratti di carne, carne trita, cozze e sardine.
• Nei casi gravi di gotta è necessario limitare questi cibi.
• Altri alimenti da limitare sono asparagi, fagioli secchi, cavolfiori, lenticchie, funghi, farina, piselli secchi, pesce, carne e pollame.

Caroteni e Xantofille

• Sono sostanze lipofile contenute in frutta e verdure.
• Agiscono come quencher dell'ossigeno singoletto (O2*).
• Interrompono le reazioni a catena dei radicali perossili (R-OO•).

Carotenoidi: Funzioni

• Oltre alla funzione provitaminica, i carotenoidi hanno effetti protettivi contro svariate patologie.
• Il licopene ha proprietà antitumorali ed antiossidanti.
• La luteina è efficace nel prevenire la degenerazione maculare senile.
• Un'alimentazione ricca di carotenoidi protegge la pelle dalle radiazioni solari e favorisce l'abbronzatura.

Carotenoidi: Fonti

• Si trovano in tutte le parti della pianta (frutti, semi, foglie, radici).
• Si assumono tramite il consumo di vegetali, soprattutto zucca, carota, anguria, peperone, pomodoro, albicocca e melone.

Tocoferoli (Vitamina E)

• Sono composti liposolubili con un'elevata attività antiossidante.
• Hanno un'azione duplice di "chain breaker" (interrompono le reazioni a catena) e "scavenger" (spazzini, rimuovono i radicali liberi).
• Oltre all'attività antiossidante, esibiscono anche altre attività biologiche.
• Proteggono dall'ossidazione dei lipidi polinsaturi.
• Inibiscono gli stress ossidativi coinvolti nell'invecchiamento, nella patogenesi e nelle complicazioni del diabete e di problemi cardiovascolari.
• Esercitano effetti protettivi nei confronti di malattie coronariche.
• I Tocotrienoli proteggono anche dalla carcinogenesi.
• Si trovano negli alimenti di origine vegetale, in particolare negli oli (ad esempio olio di germe di grano), in alcuni ortaggi, nelle cariossidi intere dei cereali, nei semi oleosi.
• La raffinazione degli oli di semi riduce il loro contenuto.
• La cottura (frittura e al forno) causa riduzione del contenuto.

Polifenoli e Flavonoidi

• Sono una classe ampia di sostanze naturali.
• Comprendono antociani ed antoxantine (frutta e verdura).
• Agiscono come scavenger nei confronti dei radicali HO• e O2•.
• Hanno una possibile azione anti-aterogena.
• I polifenoli più diffusi in natura sono flavonoidi, tannini, lignine, antrachinoni e melanine.
• Sono prodotti da vegetali, batteri, funghi ed animali.
• Presentano proprietà antiossidanti e antinfiammatorie, proteggendo le cellule dallo stress ossidativo.
• Possiedono proprietà in grado di tenere sotto controllo i livelli di colesterolo, capacità antibatteriche, antipruriginose, antiparassitarie e citotossiche.
• Le più importanti fonti alimentari sono frutta e verdura, tè verde, tè nero, vino rosso, caffè, cioccolato, olive e olio extra vergine di oliva, erbe e spezie, frutta a guscio e alghe.