Stress Ossidativo e Antiossidanti (PDF)

Docente Sara Baldelli Lezione Stress ossidativo e Antiossidanti  Sara Baldelli Radicali liberi: caratteristiche generali I radicali liberi sono sostanze chimiche reattive con un elettrone spaiato in un'or...

Docente Sara Baldelli Lezione Stress ossidativo e Antiossidanti  Sara Baldelli Radicali liberi: caratteristiche generali I radicali liberi sono sostanze chimiche reattive con un elettrone spaiato in un'orbita esterna. Molto instabili e reattivi verso le altre molecole per compensare tale squilibrio Autopropagazione per reazioni a catena Pericolosità inversamente proporzionale all’emivita Esistono anche specie reattive di azoto, ferro, rame e zolfo che potrebbero attribuire all'aumento della formazione di ROS e allo stress ossidativo e compromettere l'equilibrio redox. Stress ossidativo e Antiossidanti 2 di 40  Sara Baldelli Radicali liberi: caratteristiche generali I ROS si dividono in: 1. di natura radicalica e comprendono: radicale superossido, radicale ossidrile, radicali alcossilici, radicali perossilici e radicale idroperossido. 2. non radicaliche comprendono: perossido di idrogeno, acido ipocloroso, ossigeno singoletto, ozono e perossidi lipidici Stress ossidativo e Antiossidanti 3 di 40  Sara Baldelli RNS Il capostipite di questi radicali è l'ossido d'azoto o nitrico (NO·), che nei sistemi biologici si genera per ossidazione di uno degli azoti del gruppo guanidinico dell'aminoacido arginina, catalizzata dall'enzima sintetasi dell'ossido nitrico o NO- sintasi (NOS). Stress ossidativo e Antiossidanti 4 di 40  Sara Baldelli Fonti di radicali Stress ossidativo e Antiossidanti 5 di 40  Sara Baldelli Fonti endogene di ROS Generazione durante il normale metabolismo aerobio, in: Membrana plasmatica: NADPH ossidasi, lipoossigenasi, mieloperossidasi. Mitocondri: complessi enzimatici della catena respiratoria, MAO. Perossisomi: numerose ossidasi. REL: sistema monoossigenasico citocromo P450-dipendente (CYP2E1 e 2B). Citosol: xantina ossidasi, prostaglandina H sintasi (PHS). Stress ossidativo e Antiossidanti 6 di 40  Sara Baldelli Fonti endogene di ROS Stress ossidativo e Antiossidanti 7 di 40  Sara Baldelli Mitocondri In condizioni fisiologiche, l’1%-2% di O2 molecolare consumato dalle cellule animali è convertito a ROS attraverso la perdita di elettroni dalla catena di trasporto mitocondriale. Per tale motivo, i mitocondri rappresentano una fonte primaria di ROS endogene. Diverse evidenze in letteratura dimostrano che la produzione e l’accumulo di ROS, aumenta quando la catena respiratoria mitocondriale è danneggiata da componenti chimiche o mutazioni in geni mitocondriali. Stress ossidativo e Antiossidanti 8 di 40  Sara Baldelli Mitocondri Sono stati identificati almeno due siti nella ETC dove si registra una sostanziale perdita di elettroni: a livello del gruppo flavinico del complesso I e a livello del sito dell’ubichinone del complesso III; da qui gli elettroni possono sfuggire e reagire con l’O2 molecolare portando 8 ad una attiva produzione di radicali liberi (McCord, 2000; Maiese et al., 2008) e H2O2 che, anche se non è una specie radicalica, può comunque essere prodotta a livello mitocondriale Stress ossidativo e Antiossidanti 9 di 40  Sara Baldelli Membrana plasmatica Cellule infiammatorie come i neutrofili, gli eosinofili e i macrofagi possono essere produttori di ROS. Questi ultimi, una volta attivati, danno il via ad un incremento dell’assunzione di ossigeno; tale aumento, a sua volta, dà origine alla produzione di una varietà di ROS incluso l’anione superossido, l’ossido nitrico e il perossido di idrogeno ad opera della NADPH ossidasi di membrana. Stress ossidativo e Antiossidanti 10 di 40  Sara Baldelli REL La famiglia del citocromo P 450 (CYP, P450) è una superfamiglia enzimatica di emoproteine appartenente alla sottoclasse enzimatica delle monoossigenasi. Consentono l’incorporazione di un atomo di O2 in un substrato organico (RH) e la riduzione del secondo ad H2O, secondo la seguente reazione: RH + O2 + 2H + + 2 e- ROH + H2O Stress ossidativo e Antiossidanti 11 di 40  Sara Baldelli 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 no di ·O2-. Recentemente, anche l’ossidazione perossisomiale degli acidi grassi è stata riconosciuta come una potenziale importante fonte di produzione di H2O2 Stress ossidativo e Antiossidanti 12 di 40  Sara Baldelli Fonti esogene Gli agenti ambientali possono generare direttamente, o indirettamente, ROS. È stata osservata induzione di stress e danno ossidativo dopo esposizione a diversi tipi di xenobiotici: metalli (ridotti e non ridotti), ioni, radiazioni (UV, raggi gamma, raggi X), farmaci (barbiturici), contaminanti ambientali e agenti cancerogen Stress ossidativo e Antiossidanti 13 di 40  Sara Baldelli Stress ossidativo In tutti gli organismi aerobi esiste un delicato equilibrio, detto ossido-riduttivo, tra la produzione di sostanze ossidanti, tra cui i ROS, e il sistema di difesa antiossidante che ha il compito di prevenire e/o riparare l’eventuale danno prodotto. Il termine stress ossidativo indica l’insieme delle alterazioni che si manifestano a livello di tessuti, cellule e macromolecole biologiche quando queste vengono esposte ad un eccesso di agenti ossidanti Stress ossidativo e Antiossidanti 14 di 40  Sara Baldelli Danni alle macromolecole Disturbi del normale stato redox possono provocare effetti tossici attraverso la produzione di specie chimiche reattive che danneggiano le componenti della cellula incluse proteine, lipidi e acidi nucleici Stress ossidativo e Antiossidanti 15 di 40  Sara Baldelli Danno da radicali liberi Stress ossidativo e Antiossidanti 16 di 40  Sara Baldelli Omeostasi ROS e altre specie reattive vengono continuamente prodotte dal nostro organismo attraverso numerosi processi biochimici. Determinate quantità di sostanze ossidanti sono infatti indispensabili per mantenere il corretto funzionamento cellulare, regolando i meccanismi propri dell’omeostasi. Stress ossidativo e Antiossidanti 17 di 40  Sara Baldelli Stress ossidativo Durante le reazioni di riduzione dell’ossigeno, però, le specie reattive generate possono superare il valore soglia fisiologico. Se tali molecole non vengono neutralizzate dai sistemi antiossidanti, si possono instaurare danni all’interno della cellula, in grado di condurre la stessa ad apoptosi. Quindi, se si genera uno sbilanciamento tra la produzione di ROS e l’efficacia del sistema di difesa antiossidante, si stabilisce una condizione di stress ossidativo. Stress ossidativo e Antiossidanti 18 di 40  Sara Baldelli Antiossidanti Stress ossidativo e Antiossidanti 19 di 40  Sara Baldelli Antiossidanti in base alla natura chimica Stress ossidativo e Antiossidanti 20 di 40  Sara Baldelli Superossido dismutasi Trasforma il superossido in molecole meno pericolose (ossigeno e acqua ossigenata). E’ implicata nella SLA, Sclerosi Laterale Amiotrofica. Questa è una grave malattia degenerativa che porta alla morte selettiva dei motoneuroni nel sistema nervoso centrale e nel midollo spinale, e porta ad una paralisi progressiva e irreversibile nel giro di pochi anni. Stress ossidativo e Antiossidanti 21 di 40  Sara Baldelli Catalasi Enzima che scinde l’acqua ossigenata in acqua e ossigeno, presente in tutti gli esseri viventi a eccezione dei microrganismi anaerobi; nei Mammiferi è concentrata nel fegato e nei globuli rossi del sangue. È una proteina coniugata (peso Protegge le strutture viventi dall’azione nociva dell’acqua molecolare 250.000) contenente ossigenata che continuamente si forma nei tessuti per quattro atomi di ferro per molecola. numerosi processi chimici fisiologici. È uno dei più attivi catalizzatori biologici noti, anche a basse temperature. Trova diffusa applicazione in campo industriale nei processi che utilizzano l’acqua ossigenata e che richiedono, dopo l’uso, una distruzione rapida di questo reattivo (per es., trattamenti conservativi di alimenti, imbianchimento della carta Stress ossidativo e Antiossidanti 22 di 40  Sara Baldelli Glutatione perossidasi Enzima che neutralizza il perossido di idrogeno (acqua ossigenata, HOOH) o altri perossidi (ROOH) trasformandoli in acqua o nell’alcol corrispondente mediante l’ossidazione di molecole organiche riducenti (AH): H(R)OOH + 2 AH → 2H(R)OH + 2 A Il ruolo essenziale di questo enzima è dimostrato dall’insorgenza di una grave malattia nei bambini in regioni della Cina il cui suolo è estremamente povero di selenio, la malattia di Keshan, che può essere prevenuta con l’integrazione di selenio nella dieta. Il selenio è presente nel centro attivo dell’enzima sotto forma di selenocisteina, cioè l’amminoacido cisteina in cui lo zolfo del gruppo tiolico è sostituito dal selenio. Stress ossidativo e Antiossidanti 23 di 40  Sara Baldelli Glutatione Stress ossidativo e Antiossidanti 24 di 40  Sara Baldelli Antiossidanti non enzimatici ACIDO ASCORBICO Sostanza a basso peso molecolare, idrofila, esogena Scavenger nei confronti di vari radicali (HO , ROO e O2 ) Riducendo il radicale tocoferile rigenera la vitamina E Stress ossidativo e Antiossidanti 25 di 40  Sara Baldelli Acido Ascorbico: funzioni Aumenta le difese immunitarie e aiuta l'organismo a difendersi dagli attacchi virali. Interviene nel metabolismo del ferro e nei metabolismi ad esso collegati come la sintesi di tessuto connettivo, il metabolismo della tirosina (amminoacido precursore di diversi ormoni) e sintesi della carnitina. Partecipa al metabolismo del rame, alla sintesi di catecolamine (adrenalina e noradrenalina, gli ormoni prodotti dalle ghiandole surrenali) e di ormoni peptidici (ossitocina, vasopressina, colecistochinina). Prende parte alla cicatrizzazione delle ferite, è coadiuvante contro le anemie ed è importante per la crescita poiché rafforza ossa e denti. Stress ossidativo e Antiossidanti 26 di 40  Sara Baldelli Acido Ascorbico: fonti L’acido ascorbico si trova in agrumi, kiwi, pomodori, peperoni, cavoli, vegetali verdi e più in generale nella frutta e nella verdura fresca. Le concentrazioni possono 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. In cado di somministrazione di dosi eccessive di vitamina C c'è la possibilità di formazione dei calcoli di ossalato nelle vie urinarie, l’eccessivo assorbimento di ferro da parte di alcuni soggetti e un’interazione negativa con l’assorbimento della vitamina B₁₂. Stress ossidativo e Antiossidanti 27 di 40  Sara Baldelli 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 L'acido urico è il prodotto terminale derivante dalla degradazione delle purine. Stress ossidativo e Antiossidanti 28 di 40  Sara Baldelli Acido Urico L’iperuricemia è una condizione asintomatica in cui i valori plasmatici di acido urico risultano superiori a 7 mg/dl. Questa condizione espone il soggetto al rischio di precipitazione dell’acido urico sotto forma di urato: nelle articolazioni, provocando la famosa “gotta”; nei tendini e nei tessuti, formando i “tofi”; a livello renale, con la comparsa della nefropatia gottosa. La “gotta” è caratterizzata dalla precipitazione di cristalli di acido urico a livello articolare, con attacchi ricorrenti di artrite infiammatoria acuta, che si manifestano con dolore, gonfiore, arrossamento Stress ossidativo e Antiossidanti 29 di 40  Sara Baldelli Acido Urico: fonti Alimenti ricchi di Purine: comprendono i prodotti animali ad alto tasso di proteine come le acciughe, la cervella, il consommé, il sugo di carne, le aringhe, le frattaglie, gli estratti di carne, la carne trita, le cozze e le sardine. Nei casi gravi di Gotta è necessario limitare questi cibi a non più di una porzione al giorno; questa classe di alimenti comprende asparagi, fagioli secchi, cavolfiori, lenticchie, funghi, farina, d'avena, piselli secchi, ostriche, spinaci, cereali, pesce, carne e pollame. Stress ossidativo e Antiossidanti 30 di 40  Sara Baldelli Caroteni e xantofille Sostanze lipofile contenute in frutta e verdure Quencher dell’ossigeno singoletto (O2 *) Interrompono le reazioni a catena dei radicali perossili, R-OO Stress ossidativo e Antiossidanti 31 di 40  Sara Baldelli Carotenoidi: funzioni Oltre alla funzione provitaminica, occorre sottolineare come diversi carotenoidi esercitino effetti protettivi nei confronti di svariate patologie: Il licopene, è ormai da anni oggetto di numerose ricerche volte allo studio delle sue proprietà antitumorali ed antiossidanti la luteina, si è dimostrato particolarmente efficace nel prevenire la degenerazione maculare senile, una malattia retinica che può condurre alla cecità. Un'alimentazione ricca di carotenoidi contribuisce a proteggere la pelle dalle radiazioni solari e a determinare un colorito più bronzeo. Stress ossidativo e Antiossidanti 32 di 40  Sara Baldelli Carotenoidi: fonti Carotenoidi: Molto abbondanti in natura, i carotenoidi si trovano un po' in tutte le parti della pianta, compresi frutti, semi, foglie e radici. L'uomo può così assumerli attraverso il regolare consumo di alimenti vegetali; ne sono particolarmente ricchi la zucca, la carota, l'anguria, il peperone, il pomodoro, l'albicocca ed il melone. Stress ossidativo e Antiossidanti 33 di 40  Sara Baldelli Tocoferoli (Vitamina E) Potenti antiossidanti lipofili Doppia azione (chain breaker e scavenger) Oltre a quella antiossidante, esibiscono altre attività biologiche Stress ossidativo e Antiossidanti 34 di 40  Sara Baldelli Tocoferoli (Vitamina E): funzioni Queste molecole contribuiscono soprattutto a prevenire le reazioni di ossidazione dei lipidi polinsaturi, agendo quindi come antiossidanti. Il tocoferolo 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. I vitameri E possono proteggere dalla carcinogenesi e dalla crescita tumorale, attraverso proprietà antiossidanti e/o funzioni immunomodulatorie. Stress ossidativo e Antiossidanti 35 di 40  Sara Baldelli Tocoferoli (Vitamina E): fonti I tocoferoli sono contenuti principalmente negli alimenti di origine vegetale. I cibi più ricchi sono: gli oli (ad esempio l'olio di germe di grano), alcuni ortaggi, le cariossidi intere dei cereali (che includono l'embrione) e i semi oleosi (frutta secca) in genere. I processi di raffinazione degli oli di semi determinano perdite a volte anche considerevoli di vitamina. La cottura provoca una deplezione del contenuto vitaminico soprattutto nelle fritture e cotture al forno. Stress ossidativo e Antiossidanti 36 di 40  Sara Baldelli Polifenoli e flavonoidi Ampia classe di sostanze naturalmente occorrenti in natura Comprendono antociani ed antoxantine (frutta e verdura) Azione scavenger nei confronti dei radicali HO e O2 Possibile azione anti-aterogena Stress ossidativo e Antiossidanti 37 di 40  Sara Baldelli Polifenoli e flavonoidi: funzioni I polifenoli più diffusi in natura sono i flavonoidi, i tannini, le lignine, gli antrachinoni e le melanine. I polifenoli vengono prodotti da vegetali, batteri, funghi e animali e hanno un'importanza primaria nell’alimentazione e in ambito farmacologico Presentano proprietà benefiche: capacità antiossidanti e antinfiammatorie, sarebbero in grado di proteggere le cellule dallo stress ossidativo e avrebbero, tra le altre, proprietà in grado di tenere sotto controllo i livelli di colesterolo; capacità antibatteriche, antipruriginose, antiparassitarie e citotossiche. Stress ossidativo e Antiossidanti 38 di 40  Sara Baldelli Polifenoli e flavonoidi: fonti Le più importanti fonti alimentari sono prodotti di largo consumo e consumati in grandi quantità come frutta e verdura, tè verde, tè nero, vino rosso, caffè, cioccolato , olive e olio extra vergine di oliva. Anche erbe e spezie, frutta a guscio e le alghe sono potenzialmente significative per la presenza di alcuni polifenoli. Anche in prodotti vegetali come frutta, verdura, cereali , legumi , tè e vino. Stress ossidativo e Antiossidanti 39 di 40  Sara Baldelli Conclusioni In questa lezione abbimao trattato di: Radicali liberi; ROS; RNS; Fonti; Stress ossidativo; Danni alle macromolecole; Antiossidanti: enzimatici e non enzimatici; Antiossidanti: esogeni ed endogeni Stress ossidativo e Antiossidanti 40 di 40