Biochimica degli alimenti e della nutrizione, parte 2: dallo stress ossidativo alle tossine

Corso di biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche

Mod. Biochimica degli alimenti e della nutrizione

Prof.ssa Stefania Iametti

Parte 2: dallo stress ossidativo alle tossine

© Laila Pansera - 1

Sommario

• Stress ossidativo e radicali liberi ..................................................................................................................................... 4
• ROS: Natura chimica ....................................................................................................................................................... 5
• ROS: Ruolo fisiologico e produzione ........................................................................................................................ 6
• Reazioni dirette ............................................................................................................................................................ 9
• Attivazione dei processi apoptotici ...................................................................................................................... 9
• ROS: infiammazione e invecchiamento ................................................................................................................. 11
• Meccanismi di difesa e controllo dei ROS ............................................................................................................ 12
• Enzimi coinvolti nell’omeostasi dei ROS ........................................................................................................... 13
• Altri sistemi di controllo dei ROS: metalli e antiossidanti .......................................................................... 16
• OGM ........................................................................................................................................................................................ 20
• Ruolo delle proteine nel metabolismo della cellula .............................................................................................. 24
• Proteine con attività negativa ................................................................................................................................... 24
• Lectine ........................................................................................................................................................................... 24
• Inibitori enzimatici ..................................................................................................................................................... 25
• Proteine con attività positiva ..................................................................................................................................... 25
• Proteine ad effetto sistemico ................................................................................................................................ 26
• Proteine coinvolte nel metabolismo dei micronutrienti ................................................................................. 28
• Ruolo delle proteine nel metabolismo dei micronutrienti ............................................................................. 29
• Iodio ............................................................................................................................................................................. 29
• Ferro ............................................................................................................................................................................ 30
• Rame .............................................................................................................................................................................. 37
• Zinco ............................................................................................................................................................................ 38
• Nutraceutici .......................................................................................................................................................................... 40
• Acidi grassi .............................................................................................................................................................. 40
• Fitoestrogeni ......................................................................................................................................................... 42
• Flavonoidi ................................................................................................................................................................ 42
• Allicina e alliina .................................................................................................................................................. 45
• Cioccolato funzionale .................................................................................................................................. 46

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• Metabolismi secondari ..................................................................................................................................................... 46
• Enzimi coinvolti ............................................................................................................................................................... 48
• Fase I: attivazione ........................................................................................................................................................... 50
• Fase II: trasformazione ................................................................................................................................................. 51
• Aflatossine ............................................................................................................................................................................. 55
• Affinità delle micotossine con le componenti degli alimenti ........................................................................ 55
• Affinità delle aflatossine con i cereali ..................................................................................................................... 57
• Prevenzione dalla contaminazione da aflatossine e trattamenti per detossificare............................... 58
• Metodi per la determinazione delle micotossine nell’alimento ................................................................... 58
• Caso sperimentale: determinazione delle aflatossine M1 nel latte ........................................................ 59
• Ruolo degli alimenti nell’infiammazione ................................................................................................................... 60
• Meccanismo di azione delle citochine .............................................................................................................. 61
• Meccanismi con cui una citochina influenza altre attività .............................................................................. 63
• Cancerogenesi ..................................................................................................................................................................... 67
• Caso studio: consumo di carni rosse e insorgenza di cancro ....................................................................... 68
• Curcuma ................................................................................................................................................................................. 69
• Tossine .................................................................................................................................................................................... 71
• Molecole ............................................................................................................................................................................ 71
• Proteine che inattivano la sintesi proteica (RIP) ................................................................................................. 72
• Enterotossine ................................................................................................................................................................... 73
• Tossine che forano le membrane ............................................................................................................................ 74
• Tossine che controllano la trasmissione a livello nervoso .............................................................................. 75

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Stress ossidativo e radicali liberi

Lo stress ossidativo è la rottura dell’equilibrio tra produzione ed eliminazione di specie ossidanti.

Esse sono prodotte dalla cellula per il proprio funzionamento, per trasmettere segnali, per facilitare la comunicazione fra cellule o all’interno della cellula stessa. Il problema si pone quando queste specie ossidanti, che sono prodotte o che arrivano per altri fenomeni, sono in eccesso, e la cellula non è in grado di neutralizzarle, portando all’alterazione degli equilibri e delle attività cellulari: ci si trova in una situazione di stress ossidativo.

Le specie possono essere direttamente ossidanti o pro-ossidanti, cioè che causano direttamente o indirettamente l’ossidazione. I pro-ossidanti fanno un trasferimento aberrante (non fisiologico, non normale) di elettroni.

I pro-ossidanti possono essere 2 gruppi:

• Molecole attive, ROS:
  • Specie radicaliche (es. radicale superossido, perossido, etc.)
  • Specie non radicaliche (es. perossidi organici, acqua ossigenata derivano da una → reazione catalizzata dall’ossigeno)
• Molecole reattive causate da reazioni dell’azoto (RNS).

Queste specie reattive quando sono presenti in grandi quantità e prevale la loro presenza rispetto alla loro eliminazione o alla loro riduzione, sono dannose, in quanto sono in grado di reagire con le macromolecole; i bersagli su cui agiscono sono:

• DNA: formazione di basi anomale
• Proteine: modificazioni a carico di amminoacidi come Phe, Tyr, Met
• Lipidi: perossidazione dei lipidi insaturi, che porta all’alterazione delle membrane.

L’importante è che la cellula abbia dei meccanismi di difesa da queste specie, perché queste specie ci sono.

Le specie radicaliche hanno diverse origini:

• Vengono prodotte dalla cellula, perché sono il mezzo per comunicare all’interno e all’esterno della cellula (fenomeno normale, dopo essere stati utilizzati vengono neutralizzati)
• Derivano da fattori ambientali (inquinamento, radiazioni, raggi UV, raggi X, etc.)
• Vengono prodotti in seguito a stati fisiologici alterati o patologici, es. durante uno stato di infiammazione si ha una maggiore produzione di queste specie reattive.

Le specie radicaliche sono (ROS):

• Radicale superossido O *2
• Radicale idrossilico *OH
• Radicali alcossilici RO*

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• Radicale perossilico ROO*
• Ossido nitrico NO*

Le specie ossidanti non radicaliche sono:

• Perossido d’idrogeno H O2 2
• Iproclorito OCl-
• Ossigeno singoletto O1 2
• Ozono O3
• Idroperossido ROOH
• Perossinitrito (deriva dall’ossidazione di composti presenti nei prodotti conservati) ONOO-
• Achlperossnitrito (deriva dai nitrati) ROONO-
• Nitrito NO2-
• Disolfuro RSSR
• Solfenato (derivano dall’ossidazione a carico degli SH) RSO-
• Solfinato (derivano dall’ossidazione a carico degli SH) RSO .2-

Alcuni di questi sono fisiologicamente presenti, altri derivano da contaminazioni dell’ambiente (inquinamento e radiazioni), altri possono derivare da alimenti.

ROS: natura chimica

Differenza tra specie radicalica (superossido) e non radicalica (perossido)

Dal punto di vista chimico il radicale superossido presenta un elettrone spaiato, è una specie estremamente reattiva, lo stesso vale per il radicale idrossile (*OH).

Nella formula bruta dei radicali c’è un asterisco che indica l’elettrone spaiato, mentre i non radicali non ce l’hanno.

La principale fonte di questi radicali è rappresentata da metalli che possono avere 2 stati di ossidazione (uno ossidato e uno ridotto). I principali sono ferro e rame. Il Fe (ridotto) può essere 2+ ossidato dall’acqua ossigenata, dando origine a Fe (ossidato) e un radicale idrossilico (*OH), oppure 3+ può reagire direttamente con l’ossigeno (O ) e in questo caso si forma Fe (ossidato) e un radicale 3+2 superossido (O *). Le stesse reazioni possono avvenire col rame: Cu (ridotto) viene ossidato a Cu 1+ 2+2 dall’acqua ossigenata o dall’ossigeno e forma radicale idrossilico o superossido. Per questo motivo ci sono proteine specifiche che chelano questi metalli, come la ferritina, una proteina di deposito del ferro, che contiene ferro non reattivo. Per il rame esiste la ceruloplasmina che chela il metallo e lo deposita, forse ha anche funzione di trasporto.

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ROS: ruolo fisiologico e produzione

Questi radicali vengono fisiologicamente prodotti dalle cellule, quindi non sono sempre negativi. Ci sono diversi metodi di produzione: i mitocondri, le cellule di difesa e quelle deputate alla regolazione.

Vengono prodotti nei mitocondri per regolare dei pattern metabolici. Il mitocondrio utilizza la produzione di radicali (ione superossido, o radicale idrossilico) per regolare l’ipossia (scarsità di ossigeno), oppure per regolare l’apoptosi (morte cellulare); inoltre questi composti (ROS) vengono utilizzati per mandare alcuni segnali fisiologici cellulari (es. se sono in uno stato infiammatorio).

Il mitocondrio produce queste specie radicaliche attraverso la catena di trasporto degli elettroni.

La catena di trasporto degli elettroni parte a livello del succinato (ciclo di Krebs) che diventa fumarato attraverso l’enzima succinico deidrogenasi, un enzima che funziona con il FAD, il quale viene ossidato dagli elettroni derivanti dal ciclo di Krebs, quindi da FAD diventa FADH poi la sua riduzione comporta 2 il passaggio al sistema 1, poi al sistema 2, etc.

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La reazione di riduzione del FAD è una reazione bi-elettronica (richiede 2 elettroni), che avviene per tappe (all’uscita del ciclo di Krebs), passando per una forma radicalica: il FAD prende un primo elettrone e forma una specie radicalica reattiva, che prende un secondo elettrone, formando il FADH .2 La specie radicalica intermedia è quella che il mitocondrio utilizza per mandare dei segnali, quindi il mitocondrio utilizza un intermedio di una redox per produrre dei radicali, che possono innescare dei segnali.

Proseguendo lungo la catena di trasporto degli elettroni, abbiamo il complesso II, che prende gli elettroni che arrivano quando il FADH viene ossidato a FAD (reazione bi-elettronica). Gli elettroni 2 arrivano al complesso III, dove sono presenti delle proteine che catalizzano delle reazioni mono-elettroniche. In questa fase interviene il Coenzima Q, una proteina che permette il passaggio dal complesso II con reazioni bi-elettroniche a quello III con reazioni mono-elettroniche. Questo coenzima presenta un gruppo funzionale che passa dalla forma ossidata alla forma ridotta (attraverso una forma radicalica) in modo da trasportare un elettrone alla volta.

Quindi nella catena di trasporto degli elettroni ho 2 reazioni redox che prevedono la normale formazione di specie radicaliche; tuttavia è possibile aumentarne la concentrazione quando decido che mi servono per mandare un segnale all’interno del mitocondrio.

Il secondo mezzo di produzione di specie radicaliche è a carico di cellule di difesa, es. i macrofagi. Essi producono a livello della membrana cellulare delle specie reattive, in zona extracellulare. Es. producono radicali superossido o acqua ossigenata attraverso una reazione catalizzata da un enzima; queste specie radicaliche vengono prodotte a livello extracellulare come prima difesa contro cellule estranee, in quanto esse sono in grado di danneggiare il DNA, perossidare, i lipidi, modificare le proteine, in modo da produrre danni sulla cellula o sul microrganismo estraneo. Gli enzimi che producono radicali si trovano nella membrana cellulare, e lavorano dalla parte esterna della membrana, e sono spesso enzimi che lavorano a FAD/FADH , quindi si riducono, producono lo 2 ione radicalico, questo reagisce con ossigeno, fa una reazione redox con produzione di acqua ossigenata o ione superossido.

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La stessa reazione, con enzimi diversi, può essere fatta verso l’interno della cellula (verso il citosol), in cellule specializzate per la regolazione. Gli enzimi che lavorano verso l’interno sono le lipossigenasi, che in presenza di ossigeno producono lo ione superossido, il quale serve a regolare precisi pattern a livello della cellula. Questi enzimi hanno del ferro coordinato come cofattore (decide l’enzima quando utilizzare il ferro, il quale non è libero, ma è legato all’enzima e non è in forma eme). Quindi il Fe viene ridotto a Fe , però poi viene riossidato, si forma uno ione radicale superossido 3+ 2+ non libero, ma legato all’acido linoleico (l’ossigeno forma una specie superossido sull’acido linoleico). Questo enzima è posto nella membrana cellulare o nella membrana di altri organelli, in funzione di dove è necessaria la produzione.

Gli enzimi che hanno localizzazione cellulare che formano ROS, che quindi fanno reazioni redox con l’ossigeno (che quindi è un substrato), sono:

• Ossidasi, che possono essere:
  • Flaviniche, che hanno un flavino come cofattore (FMN o un FAD)
  • Metalliche, che hanno un metallo, come Fe o Cu; es. lipossigenasi (ossidasi che contiene ferro)
  • Metallo-flaviniche, più complesse, es. succinico deidrogenasi (ossidasi con un gruppo flavinico).
• Xantina ossidasi
• Amminoacido ossidasi, DAAO.

La xantina ossidasi appartiene alle ossido-reduttasi, contiene un FAD come cofattore, un cofattore molibdeno e 2 centri ferro-zolfo; è un’ossidasi molto complessa. Interviene nella produzione dell’acido urico, nella quale in 2 tappe ho la produzione di acqua ossigenata e ione radicalico superossido. Queste specie vengono prodotte attraverso questa reazione quando la cellula ne ha bisogno.

Questo enzima è interessante dal punto di vista alimentare, perché è il principale enzima presente nei globuli di grasso del latte. Esso viene normalmente sfruttato per una parziale sanitizzazione del

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