I radicali liberi dell’ossigeno gli antiossidanti Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Tossicità dell’ossigeno Produzione di radicali liberi dell’ossigeno Radicali liberi Atomi o molecole che contengono un numero dispari di elettroni, ossia che posseggono uno o più elettroni spaiati nell’orbita esterna. Le specie radicaliche sono molto reattive dal momento che tendono ad accoppiare l’elettrone spaiato con un altro di spin opposto strappato ad un’altra molecola. R·+ R’ R + R·’ Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

SPECIE REATTIVE DELL’OSSIGENO (REACTIVE OXYGEN SPECIES, ROS) L’ossigeno può essere ridotto per aggiunta di un elettrone alla volta producendo tutte le corrispondenti forme intermedie chiamate generalmente SPECIE REATTIVE DELL’OSSIGENO (REACTIVE OXYGEN SPECIES, ROS) Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

ROS: prodotti della riduzione incompleta dell’ossigeno molecolare anione superossido (O2·- ) perossido di idrogeno (H2O2) radicale idrossile (·OH) Riduzione monovalente dell’ossigeno molecolare O2 e- e- + 2H+ e- + H+ O2.- H2O2 .OH H2O Fenton 1O2 Haber-Weiss Quando all’ossigeno è fornita sufficiente energia da invertire lo spin Fe2+ H2O2 + Fe2+  Fe3+ + OH + •OH Fe3+ + O2•  Fe2+ + O2 O2• + H2O2  OH + •OH + O2 2O2• + 2H+  H2O2 + O2 SOD Anione superossido Ossigeno singoletto Perossido di idrogeno Radicale idrossile Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

La pericolosità dell’ossigeno dipende anche: dagli idroperossidi (LOOH); dai radicali perossilici (ROO·) e alcossilici (RO·). Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

…su quali molecole biologiche agiscono i radicali liberi? Acidi grassi insaturi Acidi nucleici Proteine Enzimi Polisaccaridi Perossidazione Basi modificate Inattivazione Denaturazione Polimerizzazione Depolimerizzazione Alterazioni delle membrane Mutazioni Alterazioni varie strutturali e metaboliche Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Altri prodotti di degradazione amplificano il danno. Negli organismi animali o vegetali si possono realizzare dei processi perossidativi nei quali possono anche intervenire enzimi specifici (cicloossigenasi, lipossigenasi). Azione sulle proteine I radicali liberi modificano o distruggono gli aminoacidi che compongono le proteine. Gli aminoacidi più sensibili sono quelli contenenti zolfo (cisteina, cistina, metionina) e quelli aromatici (fenilalanina, tirosina, istidina e triptofano). Altri prodotti di degradazione amplificano il danno. Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Azione sugli acidi nucleici I radicali liberi possono interagire con il DNA e con gli altri acidi nucleici provocando una serie di danni che vanno dallo svolgimento e frammentazione delle catene polinucleotidiche al distacco delle basi azotate o all’alterazione della loro struttura. Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Spazio intermembrane Membrana esterna Matrice DY DpH R O S Membrana interna Spazio intermembrane R O S H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + c FMN I e- III IV Q e- e- M.M.I. e- e- - - - - - - - - FAD ½ O2 H2O ATPasi II ADP + Pi ATP NAD+ NADH +H+ SUCC FUM Matrice Seminario DIOR 25 Febbraio 2011 10

- Stato di riduzione DY (DpH) ATP ROS Intermedi C.R. + Sistemi dissipativi Calore

Strategie di difesa dei mitocondri contro lo stress ossidativo La catena di trasporto elettronico mitocondriale è mantenuta adeguatamente ossidata dall’attivazione dei sistemi dissipativi: Mitochondrial Uncoupling Protein (UCP). Nei mitocondri vegetali funzionano anche altri sistemi dissipativi: Ossidasi Alternativa (AOX) Plant Mitochondrial Potassium Channel (PmitoKATP) Prevenzione della produzione di ROS

Mitochondrial Uncoupling Protein (UCP) DY ROS Tessuto adiposo bruno degli animali ibernanti DpH Spazio intermembrane H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + c FMN I e- III IV UCP acidi grassi Q e- e- e- M.M.I. e- - - - - - - - - - FAD ½ O2 H2O II NAD+ SUCC FUM NADH +H+ Matrice Seminario DIOR 25 Febbraio 2011 13

Ossidasi Alternativa (AOX) Aracee (Arum pictum L. Fil.) ROS DY Spazio intermembrane DpH H+ H+ H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - c FMN I NAD(P)H DH ex III IV e- Q e- e- e- e- e- M.M.I. e- AOX - - - - - - - - - - - NAD(P)H DH in FAD 1 O2 2 H2O II ATPasi 1 O2 2 H2O SUCC FUM NADH +H+ NAD+ ADP + Pi ATP H+ H+ H+ Matrice Seminario DIOR 25 Febbraio 2011 14

Plant Mitochondrial Potassium Channel (PmitoKATP) DY Frumento duro (Triticum durum Desf.) ROS DpH Spazio intermembrane K+ H+ H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + c FMN I e- III IV Q e- e- PmitoKATP K+/H+ e- M.M.I. e- - - - - - - - - - FAD ½ O2 H2O II NADH +H+ NAD+ SUCC FUM H+ H+ H+ Matrice Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Sistemi di detossificazione dei ROS Sistemi esogeni ed endogeni Sistemi endogeni Sistemi esogeni ed endogeni Enzimi antiossidanti Enzimi di riparazione Antiossidanti Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Superossido dismutasi (SOD) Sistemi enzimatici I principali sistemi antiossidanti di natura enzimatica sono: Serie di enzimi metallo-proteici che catalizzano la dismutazione dell’anione superossido. O2·- + O2·- + 2H+ O2 + H2O2 E’ presente in tutti gli organismi aerobi. Superossido dismutasi (SOD) Sono enzimi che servono ad eliminare l’acqua ossigenata. Catalasi: presente in tutti gli organismi aerobi. H2O2 + H2O2 2 H2O + O2 Perossidasi: agiscono con un meccanismo simile a quello della catalasi, con la differenza che interviene un substrato ridotto. H2O2 + AH2 2 H2O + A E’ meno diffusa della catalasi nei tessuti animali. Catalasi e Perossidasi Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

ANTIOSSIDANTE: composto che protegge i sistemi biologici dai possibili effetti dannosi di processi o reazioni che causano eccessiva ossidazione Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

a-tocoferolo Acido ascorbico Composti fenolici Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Antiossidanti di origine naturale Antiossidanti di sintesi Tra gli antiossidanti si possono annoverare una serie di composti di diverso tipo che si possono distinguere in: Antiossidanti di origine naturale Composti fenolici (flavonoidi e acidi fenolici) Tocoferoli, tocotrienoli Carotenoidi (- carotene) Vitamina C Minerali (Selenio) Peptidi (Glutatione) Antiossidanti di sintesi Trolox Butilidrossianisolo (BHA) Butilidrossitoluene (BHT) Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

I meccanismi di azione degli antiossidanti possono essere diversi: Scavenger dei diversi tipi di radicali Agenti riducenti Complessanti dei metalli pro-ossidanti Inibitori di enzimi che producono radicali Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

ROS Antiossidanti Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Un metodo per la valutazione dell’AA è tanto migliore quanto più è adeguato a riconoscere contemporaneamente diverse possibili funzioni antiossidanti di una miscela di composti, utilizzando un approccio che si avvicina il più possibile alle condizioni fisiologiche. Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Meccanismi di azione degli antiossidanti Scavenger dei diversi tipi di radicali (S) Agenti riducenti (R) Complessanti dei metalli pro-ossidanti (C) Inibitori di enzimi che producono radicali (I) TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity) Metodo ORAC S Metodo TEAC (ABTS) R Metodo LOX/RNO ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity) C R LOX/RNO (Lipossigenasi/4-Nitroso-N,N-dimetilanilina) I S Seminario DIOR 25 Febbraio 2011

Fonte della giovinezza Science 2003 vol. 301, 1165 Nature 2003 vol. 425, 132-133 Juan Ponce de León Fonte della giovinezza Seminario DIOR 25 Febbraio 2011