L’organismo umano costantemente genera, per il suo metabolismo aerobio, specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto (ROS=Reactive Oxigen Species, RNS=Reactive Nitrogen Species) ed altre molecole radicali, in modo controllato, inattivandoli con sistemi tali da mantenere l’ambiente intracellulare in un equilibrio, tra radicali ossidanti dannosi, e molecole antiossidanti (endogene ed esogene) protettive.
Nei processi di fosforilazione ossidativa mitocondriale, il 4-5% dell’ossigeno della respirazione cellulare, non è ridotto a H2O, e forma prodotti intermedi altamente reattivi, cioè molecole con elettroni spaiati.
Condizioni di “stress ossidativo”, secondario a un’aumentata produzione di ROS/RNS e/o a una ridotta efficienza dei sistemi fisiologici di difesa antiossidante, sono generate da radiazioni ionizzanti (UV, X, gamma), farmaci e xenobiotici.
I radicali liberi o ROS sono molecole di scarto che si generano incessantemente nel nostro organismo come sottoprodotti dei naturali processi di respirazione cellulare. I radicali liberi sono responsabili dell’ossidazione cellulare che è causa del nostro invecchiamento e rappresentano una minaccia per la nostra salute mettendo a dura prova le nostre difese antiossidanti. Lo “stress ossidativo” causato dai radicali liberi è correlato all’insorgenza di malattie cardiovascolari, tumori, diabete e sue complicanze periferiche (retinopatia, arteriopatia, neuropatia, piede diabetico, nefropatia etc) e altre patologie croniche.
Dal punto di vista chimico, un “radicale libero” è una particella che possiede uno o più elettroni non accoppiati sul suo strato esterno. La presenza di un elettrone spaiato conferisce alla molecola una grande instabilità. Ogni radicale libero in pratica ha perduto il “partner” chimico cui era legato a causa di processi metabolici o di molti altri fattori (inquinamento, raggi UVA, stress prolungato, fumo etc). Da quel momento inizia la ricerca di un nuovo “partner” da cui recuperare l’elettrone mancante. Tale ricerca avviene in modo spasmodico, indiscriminato e velocissimo (si parla di frazioni di secondi!): in questa brama di “accoppiamento” i radicali sono molto aggressivi e attaccano parti fondamentali delle cellule, per esempio i grassi (perossidazione lipidica) e le proteine presenti sulle membrane cellulari ma anche degli organuli interni della cellula e gli acidi nucleici (DNA e RNA, patrimonio genetico) custoditi nel nucleo delle cellule.
Il nostro organismo è in grado di difendersi dalla presenza dei radicali liberi e dall’ossidazione cellulare grazie a un sistema di sostanze antiossidanti naturali, che hanno il compito di fornire ai radicali liberi gli elettroni di cui sono privi. Altre sostanze che svolgono un importante ruolo antiossidante sono assunte con l’alimentazione.
Le principali sono: pigmenti vegetali: polifenoli, bioflavonoidi, antocianine; vitamine: vitamina C (acido ascorbico), vitamina E (α- o γ-tocoferolo), beta-carotene (detto anche provitamina A, in quanto è il precursore da cui si forma tale vitamina); micronutrienti: selenio, rame, zinco, altri enzimi: glutatione, coenzima Q10, altri altre sostanze: melatonina, acido urico ecc.
Gli agenti antiossidanti possono agire singolarmente o cooperare tra loro. Solo un’alimentazione completa ed equilibrata può garantire un’efficace azione antiossidante: gli esperti consigliano un consumo giornaliero di almeno 5-6 porzioni di frutta e, soprattutto nel caso del diabete, di verdura fresche e di stagione e una dieta povera di grassi saturi (principalmente di origine animale) e di grassi idrogenati, fonti di radicali liberi.
Numerosi fattori contribuiscono alla rottura dell’equilibrio tra produzione ed eliminazione dei radicali liberi, determinando l’insorgenza del cosiddetto stress ossidativo. Tra i fattori più comuni vi sono: le infiammazioni, il fumo di sigaretta (il tabacco è una vera propria miniera di sostanze tossiche), lo stress psico-fisico intenso e prolungato, l’elevato consumo di alcolici, le diete troppo ricche di proteine e di grassi animali saturi, gli alimenti non tollerati, la presenza di un eccesso di ferro (che è in grado di attivare reazioni chimiche dannose), l’esposizione ad ambienti inquinati, le radiazioni ionizzanti e ultraviolette (ozono in eccesso e raggi UVA e UVB), l’attività fisica troppo intensa, alcuni farmaci.
In effetti è così. Come si difende il nostro corpo dall’attacco dei radicali liberi?
L’attività di scavenging (spazzino dei radicali liberi) dei polifenoli (PC) trasforma i radicali liberi in composti non radicalici, privi di reattività e quindi di tossicità per le strutture cellulari come ossidabilità delle lipoproteine di membrana, DNA (legata all’oncogenesi), lipoproteine plasmatiche LDL (legata all’aterosclerosi), neuroni (legata alle malattie neurodegenerative).
Tale attività è legata alla struttura molecolare dove l’anello fenolico può cedere un atomo di idrogeno (del gruppo -OH) ai radicali liberi, interrompendo la catena ossidativa (chain-breaking); l’anello, diventa, a sua volta, un radicale più stabile, resistente al nuovo assetto elettronico per l’elettrone spaiato che apparteneva all’idrogeno, delocalizzandolo negli orbitali di legame C6 dell’anello stesso.
Il meccanismo d’azione dei polifenoli prevede la cessione di un atomo di idrogeno da parte del gruppo ossidrilico ai radicali liberi, diventando esso stesso un radicale, successivamente i radicali si stabilizzano neutralizzandosi nella forma chinonica dell’ossidrile. È quindi facile capire che più gruppi idrossilici possiede la molecola, più radicali possono essere stabilizzati, di conseguenza maggiore sarà l’attività antiossidante espressa. La conversione dei radicali liberi in composti non radicalici li rende privi di attività e tossicità per le cellule.
I PC, dopo ingestione, resistono all’azione dei succhi gastrici, sono velocemente assorbiti a livello intestinale e attraverso il circolo enteroepatico giungono al fegato dove vengono coniugati, in un processo di esterificazione (enzimatico-specifico) dei due gruppi fenolici (-OH), in forma glucuronata e/o solfatata. La coniugazione epatica serve a rendere i PC, xenobiotici per l’organismo, maggiormente solubili ed eliminabili per via renale. In forma coniugata li ritroviamo nel plasma ad una concentrazione bassissima per poi, entro breve, essere eliminati dall’apparato urinario.
Ci domandiamo come i PC possano avere un’azione antiossidante visto che la concentrazione è così bassa (da micromoli a nanomoli/ g tessuto) e per di più se il sito attivo fenolico è bloccato dalla coniugazione?
Le attuali conoscenze del DNA umano e gli studi di omica (nutrigenomica, transcrittomica, epigenomica, proteomica, metabolomica) hanno permesso di capire che gli alimenti possono modificare il nostro DNA e l’espressione di alcuni geni.
Nel caso dei PC del vino possiamo avere due vie di attività secondo la concentrazione: via diretta, se questa è elevata ed è di tipo antiossidante scavenging dei radicali mentre, se è bassa, come nel distretto citoplasmatico e plasmatico, via indiretta. Questa tipo di risposta, dipendente dalla dose, viene definita di tipo ormetico e nel caso dei PC, effetto “ormetico positivo”.
Le molecole di PC che hanno ceduto il loro atomo di idrogeno, per impedire che altre strutture fondamentali fossero danneggiate dai radicali liberi, diventano PC-ossidati (chinonici o semichinonici) capaci di indurre uno stress ossidativo transitorio e debbono essere smaltiti. Conseguentemente possono innescare un segnale di sovraregolazione degli enzimi endogeni antiossidanti che possano portare la cellula a un livello superiore di protezione agli effetti dannosi dello stress ossidativo.
I Pc-ossidati, entrati nella cellula, si legano al complesso Keap1-SH--Nrf2--Keap1-SH. Questo legame porta all’ossidazione dei gruppi tiolici (-SH) formando Keap1-SS-SS-Keap1, si libera il fattore di trascrizione Nrf2 che migra nel nucleo, si lega alla sequenza del DNA di 16 basi (5’-T-A/C-A-nn-ATGA-C/T-nnn-GCA-3’ dove n= qualsiasi base) denominata ARE (Antioxidant Response Element) attivando i geni dai quali vengono trascritti RNA-messaggeri e quindi sintetizzati dalla cellula una serie di enzimi antiossidanti e detossificanti di fase II della via ossidoriduttasica in risposta a stimoli nocivi.
La risposta è l’aumento dell’attività di enzimi come GPX plasmatica (glutatione perossidasi- degrada perossidi), CAT eritrocitaria (catalasi- degrada perossidi) e GSH plasmatici (glutatione ridotto- forte antiossidante che può ossidarsi a G-S-S-G), e altri enzimi antiossidanti.
Non dobbiamo dimenticare che il fattore nucleare Nrf2 è un punto chiave, oltre al mantenimento dell’omeostasi redox cellulare, di azioni detossificanti (metabolismo dei farmaci), metabolismo dell’emoglobina dei globuli rossi, metabolismo dei lipidi e lipogenesi, gluconeogenesi, autofagia e apoptosi (morte cellulare programmata, attività che perdono le cellule tumorali).
Se la concentrazione di PC è così bassa nel plasma e di breve durata, dopo l’ingestione, con quale meccanismo viene impedita l’ossidazione dei lipidi delle lipoproteine a bassa densità (LDL) come prevenzione dell’aterosclerosi? Potrebbero i PC concentrarsi nello spazio interno delle particelle LDL e agire con un meccanismo antiossidante diretto.
La scoperta di nuovi antiossidanti di origine naturale ha una notevole rilevanza farmaceutica e nutrizionale. L’attuale tendenza è quella di sostituire gli antiossidanti di sintesi per la stabilizzazione di prodotti alimentari, cosmetici e farmaceutici con composti di origine naturale.
È stata valutata l'attività antiossidante di due capsinoidi naturali, il capsiato e il diidrocapsiato, presenti nei frutti di una cultivar non piccante di Capsicum annuum L. (CH-19 Sweet), di due acilfloroglucinoli oligomerici, il semimirtocummulone ed il mirtocummulone A, presenti nelle foglie del mirto (Myrtus communis), piante molto utilizzate nella dieta mediterranea. L'abilità dei vari composti fenolici di inibire la perossidazione lipidica è stata studiata in vitro durante l’autossidazione e l’ossidazione mediata dal ferro e dall'EDTA dell’acido linoleico a 37°C in assenza di solvente. L'andamento del processo ossidativo è stato seguito monitorando il consumo dell'acido grasso e la formazione dei suoi principali prodotti di ossidazione, gli idroperossidi isomeri “cis,trans” e “trans,trans”.
L’attività di queste molecole è stata comparata a quella di composti naturali come l'-tocoferolo, i flavonoidi apigenina e luteolina e i composti cumarinici dafnetina e dafnoretina, precedentemente testati negli stessi sistemi sperimentali.
Durante l’autossidazione dell’acido linoleico il capsiato ha esercitato un'ottima attività antiossidante, comparabile a quella della luteolina, dei dimeri del vanillil nonanoato e dell'-tocoferolo, seguito dal semimirtocummulone e dal diidrocapsiato, con attività paragonabile alla dafnetina, e al mirtocummulone. Durante l'ossidazione catalizzata dal ferro, i composti naturali hanno protetto l'acido linoleico dall'attacco dei radicali liberi secondo la sequenza: capsiato e dafnetina > diidrocapsiato > luteolina > semimirtocummulone > -tocoferolo > mirtocummulone.
Lo misura dello spostamento della produzione degli idroperossidi verso gli isomeri cis-trans, ha permesso di evidenziare l’ attività di donazione di atomi di idrogeno dal gruppo fenolico. Il capsiato e il diidrocapsiato hanno mostrato una notevole efficacia come antiossidanti chain-braking nell'attività di scavenger dei radicali LOO•, agendo come donatori di atomi di idrogeno, e di protezione dal danno ossidativo mediato dal ferro. Il semimirtocummulone ha esercitato una significativa ed elevata attività antiossidante durante l’autossidazione dell’acido linoleico, dove anche il mirtocummulone A ha mostrato un’azione significativa, e l’ossidazione mediata dal ferro.
La vitamina E, o tocoferolo, è la più diffusa e comune tra le vitamine e ha proprietà antiossidanti, combatte i radicali liberi e favorisce il rinnovo cellulare. La funzione più nota della vitamina E nell'organismo è quella antiossidante: attraverso un meccanismo di "chain breaking", essa blocca la propagazione delle reazioni a catena innescate dai radicali liberi. Inoltre è interessante considerare che sempre più evidenze supportano l'importanza biologica e funzionale del gamma-tocoferolo per le sue proprietà come nucleofilo in grado di bloccare composti mutageni elettrofili. Esso sembra, in particolare, svolgere una funzione specifica nella disattivazione del perossinitrito (derivato dell'ossido nitrico sugli acidi grassi delle membrane) che causa disfunzione a livello endoteliale.
La vitamina E è presente principalmente nei semi e di conseguenza negli oli da essi derivati; alcuni oli sono più ricchi in gamma-tocoferolo (ad es. soia e mais), mentre l'olio d'oliva contiene alfa-tocoferolo. Data la loro struttura chimica, i tocoferoli sono soggetti a reazioni ossidative: tali reazioni sono accelerate dalla luce, dal calore, dalla presenza di alcali, di ferro e di rame. L’olio rappresenta la principale fonte di alfa-tacoferolo nella dieta italiana poiché fornisce circa 59% della vitamina assunta. Altre fonti importanti sono rappresentate da frutta, verdure e ortaggi che forniscono insieme un ulteriore 22%.
L’azione protettiva dei polifenoli, avvalorata da molti studi epidemiologici, è invece molto importante in altri compartimenti del corpo umano, ad esempio nell’apparato gastro-intestinale (GI). Infatti in questo distretto possono avvenire una serie di processi che coinvolgono radicali altamente reattivi che sono responsabili di danni diretti e indiretti. Alcuni dei danni ossidativi diretti alle strutture del tratto GI, possono portare alla formazione di tumori. Fra i danni indiretti si possono considerare la distruzione delle vitamine e carotenoidi presenti negli alimenti, distruzione che incide sulle loro caratteristiche nutrizionali, e la formazione di composti altamente elettrofili che hanno attività cito-tossiche e geno-tossiche. Fra questi ultimi i perossidi degli acidi grassi insaturi o loro derivati, che si formano a seguito di reazioni che coinvolgono radicali durante il processo digestivo e possono essere inglobati nei chilomicroni, e conseguentemente nelle VDL e LDL, concorrendo alla formazione delle placche aterosclerotiche e all’insorgenza di patologie cardiovascolari.
Un’ alimentazione ricca di antiossidanti, può contribuire a ridurre drasticamente e/o a prevenire danni ossidativi nel tratto gastrointestinale grazie all’assenza di problemi di biodisponibilità.
Uno dei processi che determina la formazione dei composti altamente elettrofili sopracitati è la perossidazione lipidica generata dall’interazione fra i lipidi insaturi e tracce di ferro assunti con la dieta. L’aggiunta al sistema di molecole antiossidanti, come ad esempio flavonoidi, comporta una forte inibizione del processo di perossidazione lipidica grazie all’attività di “chain breaking “tipica dei composti fenolici.
Per valutare correttamente le proprietà degli antiossidanti nell’inibire il processo di perossidazione, e in particolare lo scavenging dei radicali liberi che si formano nelle reazioni a catena, si devono considerare due distinti parametri e cioè il numero dei radicali bloccati da una molecola di antiossidante e l’efficienza con cui queste molecole presenti negli alimenti bloccano il processo prima che questi radicali altamente reattivi possano provocare danni a molecole o strutture biologiche fondamentali quali membrane, DNA e proteine.
Alimentazione e prevenzione delle malattie neurologiche
Il metodo sviluppato permette di ottenere, mediante un singolo esperimento, i due parametri che sono legati alla capacità e all’efficienza degli antiossidanti nel bloccare i radicali perossidici. Questi parametri sono stati definiti: PRTC (Peroxyl Radical Trappig Capacity) e PRTE (Peroxyl Radical Trapping Efficiency). In particolare il PRTC rappresenta il numero di radicali bloccati per mole di antiossidante mentre il PRTE rappresenta l’inverso dell’ IC50, che è la concentrazione di antiossidante che dimezza la concentrazione dei radicali perossidici.
Si è constatato che il metodo e il sistema di calcolo sviluppati permettono di ottenere i due parametri sopra definiti praticamente per tutti gli alimenti che contengono composti fenolici. Infatti per questi alimenti, in cui è sempre presente una grande varietà di questi composti aventi generalmente valori di PRTC e PRTE molto diversi fra loro, le equazioni cinetiche sono irrisolvibili dato il grande numero di variabili, e quindi il modello sviluppato basato sulla presenza di un singolo antiossidante in linea di principio non poteva essere impiegato. Tuttavia si è constatato per la quasi totalità degli alimenti presi in considerazione per le loro proprietà antiossidanti, un perfetto fitting (R2 >0.99) fra i dati sperimentali e quelli calcolati sulla base del modello sviluppato assumendo la presenza di un solo antiossidante.
In altre parole i vari alimenti considerati si comportano come se in essi fosse presente un singolo antiossidante in grado di reagire con i radicali perossidici in accordo ad una cinetica di primo ordine rispetto ai radicali perossidici stessi, la cui concentrazione nello stato stazionario è regolata dalle reazioni di terminazione che avvengono fra i radicali stessi e fra i radicali e gli antiossidanti. Questo comportamento consente di attribuire a ciascun alimento valori ben definiti e caratteristici di PRTC e PRTE, permettendo così la loro comparazione sia su basi stechiometriche che su basi cinetiche.
Il tessuto nervoso è tra i più sensibili all’azione ossidante.
L’integrazione di polifenoli, seppur ancora oggetto di dibattito per potenziali effetti negativi in alcuni contesti, è generalmente considerata sicura e proattiva, grazie alla vasta gamma di studi che ne supportano le proprietà benefiche.
La pratica sportiva, soprattutto se intensa, causa all’organismo stress principalmente a livello muscolo-tendineo: da un lato si generano nuovi ROS, dall’altro si azzerano le riserve di antiossidanti inducendo così una condizione di possibile danno cellulare. Risulta quindi importante assicurarsi un corretto apporto di antiossidanti, specialmente nella fase di preallenamento. Da uno studio basato sulla valutazione degli effetti protettivi dei polifenoli del tè verde sul muscolo, emerge che, se assunte, queste molecole hanno la capacità di ridurre i microtraumi legati all'esercizio fisico intenso, ridurre lo stato di ossidazione di proteine e lipidi muscolari, limitare l'incidenza di infortuni muscolo tendinei, ritardare l'insorgenza di fatica muscolare, migliorare tempi e capacità di recupero.
In contrasto con quanto detto finora riguardo agli effetti positivi dei polifenoli, uno studio ne riporta una possibile azione tossica suggerendo la possibilità che l’integrazione di polifenoli possa esercitare un effetto negativo sulla ricostruzione muscolare e, in alcuni casi, addirittura esercitare un’azione citotossica anche in distretti lontani da quello muscolare. Tuttavia, queste ipotesi sono ancora ricoperte da molte ombre e mettono in disaccordo numerosi studiosi del settore. Ad oggi, basandosi sui dati di letteratura scientifica, non è possibile chiarire con certezza se questi ipotetici effetti negativi siano reali; tuttavia, la quasi totalità degli studi effettuati e di quelli in corso hanno identificato i polifenoli come molecole sicure e proattive.
Diversi sono i sistemi sviluppati per poter fronteggiare la bassa stabilità e biodisponibilità dei polifenoli utilizzati in ambito alimentare, medico, cosmetico e sportivo. Con biodisponibilità si intende la frazione di nutriente o farmaco non modificato che raggiunge la circolazione sistemica a seguito di somministrazione attraverso una qualsiasi via. Il metodo dell’incapsulazione sembrerebbe essere tra i più promettenti. Questa tecnologia si basa sulla possibilità di rivestire con un substrato, o matrice più o meno omogenea (polimeri naturali o sintetici e/o lipidi), piccole particelle solide, goccioline liquide o molecole gassose, in maniera tale da consentirne il costante rilascio al verificarsi di determinate condizioni o in seguito a specifici stimoli.
L’incapsulazione viene eseguita seguendo diverse metodiche, raggruppabili in tre grosse categorie: fisiche (es.: spry drying, fluidi supercritici), chimico-fisiche (es.: emulsioni o/a o a/o), chimiche (es.: polimerizzazione). Indipendentemente dal metodo utilizzato, il prodotto finale può presentarsi allo stato liquido oppure anidro per ottenere polveri - anche mediante liofilizzazione. A sostegno di quanto detto ci sono diversi studi, molti dei quali basati sull’utilizzo di polifenoli quali la curcumina e il resveratrolo come agenti chemoprotettivi, cardioprotettivi, antimicrobici e antinfiammatori in formulazioni che prevedono l’incapsulazione dell’attivo medianti sistemi liposomiali.
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