GLUCOSIO E INVECCHIAMENTO

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1 GLUCOSIO E INVECCHIAMENTO EZIOPATOGENESI DELL 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. 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. 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 1) MODIFICAZIONI A CARICO DEL COLLAGENE Formazione di legami trasversali abnormi irrigidimento e perdita di elasticità dei tessuti che ne sono ricchi. 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 1

2 2) IL DIABETE SI MANIFESTA CON ALCUNE MODIFICAZIONI TIPICHE DELL INVECCHIAMENTO 3) RESTRIZIONE CALORICA 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. 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? 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. 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 2

3 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 (un intermedio). Il riarrangiamento di Amadori-Heyns è catalizzato dagliacidi. Data la stabilità di questi intermedi, in alcuni prodotti fra cui il latte sterilizzato, essi possono rappresentare i prodotti terminali della reazione di Maillard. Dal punto di vista delle caratteristiche organolettiche, in questa fase non si ha la formazione di composti colorati o profumati. Tuttavia la disponibilità di amminoacidi essenziali come la lisina risulta già compromessa. 3

4 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 è l iniziatore della reazione in vivo. In vivo l entità di accumulo del prodotto di Amadori raggiunge inizialmente una fase di stato stazionario. 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. In questa fase si possono avere un gran numero di reazioni che sono influenzate da fattori come la temperatura e il ph. Le reazioni sono difficili da studiare e descrivere, tuttavia si distinguono alcuni percorsi principali che sono: 4

5 1) formazione di composti dicarbonilici: i composti di Amadori possono enolizzare formando composti alfa-dicarbonilici, i quali a loro volta possono ciclizzare (in condizioni di basse temperature e ph acido, è favorita la disidratazione e la formazione di composti eterociclici come le aldeidi eterocicliche derivate dal pirrolo e delfurano, furfurolo e idrossimetilfurfurolo); scindersi (reazione tipica della forma 2,3 dicarbonilica, ad alte temperature e in ambiente meno acido si formano composti carbonilici e dicarbonilici a basso peso molecolare come l'aldeide piruvica); oppure possono reagire con altri composti come gli amminoacidi liberi - reazione di Strecker - formando CO 2, aldeidi caratteristiche e alfa-amminocarbonili particolarmente reattivi che possono reagire producendo per esempiopirazine per condensazione. Da questi processi si ottengono i composti responsabili dell'aroma degli alimenti cotti. Questi composti sono semplici come: ammoniaca e acido solfidrico; e composti più complessi come quelli eterociclici (derivati pirimidinici, ossazolo,tiazolici, pirazinici). 2) disidratazione drastica di vari composti della prima fase. 3) scissione di vari composti formatisi nella prima fase, la reazione è favorita dalle alte temperature e produce composti carbonilici e dicarbonilici a basso numero di atomi di carbonio come l'aldeide glicerica e piruvica. 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 AGEs ed ALEs formano aggregati macromolecolari: le LIPOFUSCINE 5

6 Fattori che influiscono sullo sviluppo della reazione di Maillard La reazione è influenzata: dalla natura e dalla concentrazione dei reagenti; dal ph: valori basici di ph favoriscono la reazione, la reazione è più veloce per ph leggermente superiori a 7; dalla temperatura: influisce ovviamente sulla velocità di reazione. Inoltre, e soprattutto, la reazione avviene per temperature superiori ai 140 C. [1] Attenzione poi a non superare i 180 C per evitare di bruciacchiare le vivande, in quanto superando i 200 C circa, cominciano a formarsi i benzopireni, composti di colorazione scura (tendente al nero) e di gusto amaro ritenuti cancerogeni. 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. 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 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. 2) Inattivazione enzimatica Meccanismo d azione: Il 3-desossiglucosone viene metabolizzato nel fegato per opera dell enzima 2- ossialdeide reduttasi, enzima NADPH dipendente. 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 AGEs. 6

7 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 formazione di carbossimetillisina e acido eritronico. Può avvenire anche un altro tipo di interazione tra glicazione e ossidazione detta 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. 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. Questi recettori hanno la funzione biologica di degradare le cellule senescenti 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. 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 7

8 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. Molte delle caratteristiche del collageno nei soggetti diabetici 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 ricordano 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. 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 8

9 Glucosio e membrana basale Anche l ispessimento della membrana basale può essere ricondotto alla glicazione non enzimatica 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 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 9

10 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 IPERGLICEMIA E CUTE 10

11 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) 11