GLUCOSIO E INVECCHIAMENTO

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1 GLUCOSIO E INVECCHIAMENTO Numerose sono le teorie per spiegare l eziopatogenesi dell invecchiamento La reazione di Maillard potrebbe contribuire al declino dei tessuti e delle cellule connesso all età

2 Questo processo è caratterizzato dalla reazione non enzimatica del glucosio con i gruppi amminici liberi delle proteine IMBRUNIMENTO DELLE PROTEINE probabilmente costituisce uno dei meccanismi fisiopatologici dell invecchiamento

3 1. i cambiamenti più importanti correlati all età avvengono a carico delle proteine e delle cellule a lunga vita 2. molti di questi cambiamenti sono influenzati ed accelerati dalla malattia diabetica 3. la restrizione calorica aumenta la vita media e ritarda la comparsa di alcuni fenomeni correlati all età

4 1) MODIFICAZIONI A CARICO DEL COLLAGENE Formazione di legami trasversali abnormi irrigidimento e perdita di elasticità dei tessuti che ne sono ricchi enfisema polmonare aterosclerosi Modificazioni a carico del cristallino rigidità articolare e osteoarticolare ipertensione

5 Le modificazioni cellulari sono meno evidenti rispetto a quelle esercitate sulle proteine accumulo di lipofuscina a livello dei neuroni dei miociti etc.. incremento delle aberrazioni cromosomiche declino della capacità di migrazione, replicazione e trascrizione del DNA

6 2) Il diabete si manifesta con alcune modificazioni tipiche dell invecchiamento - arteriosclerosi - la cataratta - l osteoartrosi - l ispessimento delle membrane basali capillari ed arteriolari Aumento della glicemia nel sangue DIABETE

7 3) La RESTRIZIONE CALORICA è l unico metodo la cui efficacia nell estendere la longevità di animali di laboratorio sia stata ampiamente dimostrata scientificamente In laboratorio la restrizione calorica ha esteso la longevità massima dei topi da 39 mesi a 56 mesi che in termini umani corrisponderebbero a 158 anni I topi longevi rimangono giovanili nell apparenza, nelle abilità fisiche e mentali e dimostrano una superiore resistenza alle malattie

8 Un ampia gamma di disturbi - tumori - disturbi cardiovascolari - disturbi autoimmunitari - degenerazione oculare si riduce In animali sottoposti a restrizione calorica Ma nell uomo cosa succede?

9 Restrizione calorica Con la riduzione delle calorie, la qualità della dieta deve essere migliorata in modo che non vengano a mancare sufficienti livelli di sostanze nutrienti essenziali (vitamine, minerali, amminoacidi) La restrizione calorica non è un fenomeno del tutto o niente Gli effetti della restrizione sono dovuti specificamente alle calorie

10 MECCANISMO D AZIONE DELLA RESTRIZIONE CALORICA - aumenta l abilità dell organismo di riparare il DNA - riduce l impatto dei radicali liberi nell organismo - aumenta i livelli di certe proteine ad azione protettiva e di riparazione coinvolte nella risposta allo stress - rende più efficiente il metabolismo del glucosio - rallenta il declino immunologico che si presenta con l avanzare dell età

11 Possiamo considerare la reazione di Maillard come un processo diviso in tre fasi: iniziale, intermedio, terminale 1) Nella fase iniziale lo zucchero riducente si lega a un gruppo amminico libero con formazione di una base di Shiff Un riarrangiamento molecolare lo trasforma nel prodotto di Amadori

12 La reazione di Maillard glucosio asparagina

13 Reazione di Maillard Stadio iniziale (iniziazione) Proteine, Acidi nucleici, Amine O OH NH C CH R 2 N H + NH 2 H CH CH 2 OH CH R O CH R Zuccheri riducenti (iniziatori) Prodotto di Amadori Stadio intermedio (propagazione) NH 2 + Dicarbonili reattivi (propagatori) Stadio finale (termine) NH X NH XL NH Prodotti di glicazione avanzata

14 Il tempo di incubazione È un fattore molto importante perchè mentre nelle proteine a breve vita il processo di glicazione è limitato alla formazione del prodotto di Amadori Nella proteina a lunga vita si avrà la formazione e l accumulo dei cosiddetti prodotti tardivi di glicazione AGE IL GLUCOSIO E L INIZIATORE DELLA REAZIONE IN VIVO

15 In vivo l entità di accumulo del prodotto di Amadori raggiunge inizialmente una fase di stato stazionario tempo

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17 2) Nella fase intermedia il prodotto di Amadori viene degradato in una serie di composti dicarbonilici che essendo molto più reattivi dello zucchero da cui derivano agiscono come propagatori della reazione Si tratta di desossiglucosoni che sono in grado di formare legami intermolecolari con ammine di altre proteine e radicali liberi

18 PRODOTTI DI AMADORI PROPAGAZIONE STADIO INTERMEDIO NH 2 + Dicarbonili reattivi (propagatori) Stadio finale

19 3) La fase terminale è caratterizzata dalla formazione di composti giallo-bruni che possono dare origine a legami intermolecolari Prodotti di glicazione avanzata Accumulo irreversibile di questi composti nelle molecole biologiche PRODOTTI FINALI Danni strutturali e funzionali

20 AGEs ed ALEs formano aggregati macromolecolari: le LIPOFUSCINE Lipofuscina in miocardiociti Depositi in neuroni gangliari Depositi autofluorescenti in un neurone Corpo residuo in un neurone (ME)

21 Per quale motivo specie diverse con diversa longevità hanno concentrazioni simili di glucosio plasmatico? Differenze nella capacità di minimizzare gli effetti della reazione di Maillard aumentando il turnover delle molecole modificate intrappolando gli intermedi della reazione che determinando la formazione dei legami trasversali

22 Regolazione biologica della reazione di Maillard 1) Captazione dei prodotti intermedi di Maillard da parte di ammine 2) Inattivazione enzimatica dei prodotti intermedi di Maillard 3) Degradazione ossidativa dei prodotti di Amadori 4) Rimozione da parte dei macrofagi delle molecole e cellule modificate dai prodotti di Maillard

23 1) Captazione e inattivazione dei prodotti intermedi da parte di ammine MECCANISMO D AZIONE!!!!!???? Probabilmente ammine endogene a basso peso molecolare sono in grado di legare i prodotti intermedi (propagatori) della reazione arrestando la cascata della stessa PREVENGONO IL DANNO A MACROMOLECOLE COME DNA E PROTEINE

24 2) Inattivazione enzimatica MECCANISMO D AZIONE!!!!!???? Il 3-desossiglucosone viene metabolizzato nel fegato per opera dell enzima 2-ossialdeide reduttasi, enzima NADPH dipendente

25 Lo squilibrio ossido-riduttivo che si verifica nel metabolismo a causa di situazioni patologiche o di invecchiamento accelera e amplifica la naturale tendenza del glucosio all auto-ossidazione con conseguente formazione di prodotti dicarbonilici tra cui le aldeidi e il desossiglucosone estremamente reattivi e dotati a loro volta di potere ossidante STRESS CARBONILICO Influenza e aumenta la reazione di Maillard incrementando la formazione degli AGE s

26 3) Degradazione ossidativa dei prodotti di Amadori E stato dimostrato in vitro che in presenza di Fe 2+ e O 2, il prodotto di Amadori và incontro a frammentazione tra C2 e C4 formazionedi carbossimetillisina e acido eritronico

27 Può avvenire anche un altro tipo di interazione tra glicazione e ossidazione Glicazione auto-ossidativa di Wolff Il glucosio in presenza di metalli si ossida dando origine a radicali liberi, frammentazione di proteine, chetoaldeidi e composti fluorescenti Maggior numero di AGE

28 4) Rimozione degli AGE dall organismo, attraverso macrofagi, o cellule deputate alla rimozione dei detriti I macrofagi possiedono dei recettori di superficie specifici per gli AGE AGE MACROFAGI Questi recettori hanno la funzione biologica di degradare le cellule senescenti

29 La formazione degli AGE è comunque possibile solo a livello di quelle molecole che hanno un lento turnover Mentre il prodotto di Amadori è in equilibrio con la concentrazione di glucosio [prodotto di Amadori] [glucosio] Gli AGE invece sono legati alle proteine in maniera irreversibile

30 Conseguenze patologiche dell accumulo degli AGE nei tessuti Formazione di ponti intermolecolari abnormi Abnorme interazione con altre proteine Ridotta suscettibilità alla proteolisi Alterazioni strutturali e funzionali degli enzimi Alterazioni strutturali del DNA Alterazione dell interazione con il recettore macrofagico

31 Glucosio e collagene Uno dei meccanismi più importanti di danno tissutale è la capacità di formare legami crociati o trasversali a carico delle proteine Il collagene è stata la prima proteina studiata perché incubato in vitro con elevate quantità di glucosio mostra un più elevato numero di legami trasversali derivanti dagli AGE La formazione di questi legami sembra essere ritenuta la causa principale delle alterazioni delle proprietà meccaniche riscontrate nel collagene dei soggetti diabetici

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33 Molte delle caratteristiche del collageno nei soggetti diabetici ricordano processi e malattie caratteristici dell invecchiamento Con l età: - il collageno diventa meno solubile -il collageno diventa più glicato - il collageno accumula pigmenti bruni e fluorescenti

34 Glucosio e aterosclerosi La placca aterosclerotica è caratterizzata da un accumulo di colesterolo LDL Il collageno della parete arteriosa, modificato dalla presenza di legami trasversali indotti dagli AGE intrappola le LDL che pertanto si accumulano Aumento della formazione di placche fibrose

35 Nel processo di aterogenesi ha importanza anche il processo di GLICAZIONE NON ENZIMATICA DELLE LIPOPROTEINE Tale processo riduce il catabolismo recettoriale delle LDL con conseguente aumento della sintesi cellulare del colesterolo

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37 Glucosio e membrana basale Anche l ispessimento della membrana basale può essere ricondotto alla glicazione non enzimatica Gruppi reattivi prodotti dalla glicazione non enzimatica + IgG intrappolamento La proliferazione di cellule della matrice indotta dal legame tra proteine modificate dagli AGE e recettore macrofagico può contribuire all ispessimento della membrana basale Altro fattore è l accumulo di fibrina glicata

38 Glucosio e cristallino La glicazione non enzimatica delle proteine del cristallino è probabilmente una causa scatenante della cataratta Soluzioni di proteine del cristallino incubate con glucosio dopo tempo presentano: Sviluppano colore giallo Aumento di legami covalenti non disolfurici Proprietà cromatografiche e la fluorescenza caratteristici degli AGE

39 Glucosio e DNA Quali sono gli effetti del glucosio sui geni? Anche gli acidi nucleici sono molecole a lunga emivita Accumulo a livello del DNA e induzione di: aberrazioni cromosomiche Rottura del DNA Alterazioni dei processi di replicazione, riparazione e trascrizione del DNA

40 Possibili meccanismi degli AGE sull omeostasi tissutale cutanea Iperglicemia cutanea (diabete) AGE-Dna AGE-proteine + Stress ossidativo Crosslinks residui Lys del collageno IV Alterazione struttura terziaria Recettori x AGE (±gene) Incremento sintesi e secrezione di monochine(tg Fβ, IL-1,TNF) Tumori?

41 Alterazioni cutanee nel diabete (siti) Epidermide Derma Microcircolo Fibre nervose

42 Iperglicemia e cute Epidermide Accumulo AGE Derma Microcircolo Fibre nervose locali Accumulo AGE Densità capillare Microangiopatia cutanea (aumento delle veil cells) Neuropatia (glicazione e demielinizzazione segmentaria)

43 Possibile ruolo degli AGE cutanei (facilità di accesso) Marcatori precoci delle complicanze (correlazione AGE cutanei/age tissutali) Indicatori del controllo metabolico a lungo termine (correlazione HbAGEs/HbA1c media) Aumento anche nella fase prepubere del T1D (prova indiretta che il controllo metabolico è importante anche a questa età) Verifica dell effetto inibitorio di eventuali farmaci sulla loro formazione o sul loro legame con i recettori specifici (prevenzione complicanze)