L ossidazione è un processo estremamente importante per il metabolismo dell animale.

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1 STRESS OSSIDATIVO I LIPIDI, COSÌ COME DEL RESTO ALTRE MACROMOLECOLE QUALI PROTEINE, CARBOIDRATI E ACIDI NUCLEICI, POSSONO ANDARE INCONTRO A REAZIONI DI OSSIDAZIONE

2 L ossidazione è un processo estremamente importante per il metabolismo dell animale. L energia liberata nel corso dei processi ossidativi e immagazzinata sottoforma di ATP, viene successivamente usata per le numerose reazioni metaboliche delle cellule. L O 2 sembra essenziale ma.

3 l O 2 diventa però pericoloso a causa delle numerose reazioni di ossidazione incontrollate (autossidazione) in presenza di ossigeno o meglio delle cosiddette specie reattive dell ossigeno (ROS), che possono provocare dei danni a carico delle cellule tissutali.

4 AZIONE DEI ROS SULLE MACROMOLECOLE.

5 Le specie reattive dell ossigeno sono dei composti ad elevata attività ossidante, che hanno forte tendenza a donare ossigeno ad altre sostanze. Alcuni importanti ROS negli organismi viventi sono:

6 LE SPECIE REATTIVE ALL OSSIGENO SI FORMANO CONTINUAMENTE NELL ORGANISMO IN SEGUITO AI NORMALI PROCESSI METABOLICI: LOO- + LH REAZIONE A CATENA LOOH + L-

7 Nella terminologia chimica vengono denominati radicali liberi atomi o molecole che presentino uno o più elettroni spaiati nell ambito dell orbitale più esterno. In base alla disposizione degli elettroni si possono classificare come radicali liberi anche alcuni composti relativamente comuni come il monossido di azoto, il diossido di azoto e l ossigeno

8 In base alla disposizione degli elettroni si possono classificare come radicali liberi anche alcuni composti relativamente comuni come: NO NO 2 O 2 I radicali liberi presentano alcune peculiarità: - caratteristiche paramagnetiche - reattività chimica

9 CARATTERISTICHE E MECCANISMI DI PRODUZIONE DEI RADICALI LIBERI Nei sistemi biologici la formazione di radicali liberi può avvenire attraverso tre meccanismi fondamentali che comprendono: 1- rottura di un legame covalente 2- trasferimento di elettroni in corso di reazioni di ossidoriduzione 3- reazione di un radicale libero preesistente con una molecola non radicalica

10 1- la condizione più comune di formazione dei radicali liberi attraverso questo meccanismo è costituita dall esposizione a radiazioni ionizzanti ed eccitanti A-B + hv A + B H 2 O + hv H + OH Effetto diretto H + RH R + H 2 OH + RH R + H 2 O Effetto indiretto

11 RADIAZIONE IONIZZANTE BERSAGLIO BIOLOGICO RADIAZIONE IONIZZANTE H 2 O H + OH EFFETTO DIRETTO BERSAGLIO BIOLOGICO EFFETTO INDIRETTO

12 2- tra le reazioni che producono radicali liberi tramite processi di ossidoriduzione si distinguono le reazioni catalizzate da enzimi o sistemi enzimatici con funzioni ossidoriduttive e le reazioni che coinvolgono elementi di transizione

13 LA CATENA RESPIRATORIA MITOCONDRIALE La principale funzione dei mitocondri nelle cellule animali è l ossidazione dei cofattori ridotti originati attraverso varie vie metaboliche allo scopo di produrre energia. Nel corso di questo processo 4 elettroni vengono trasferiti a una molecola di ossigeno per formare due molecole di acqua. O 2 - H 2 O 2 Superossido dismutasi

14 Purtroppo nella cellula l ossigeno reagisce con molti altri enzimi incapaci di realizzare la riduzione tetravalente (xantina ossidasi, citocromo P450 ) e può anche verificarsi in tappe successive. O 2 + e = O - 2 (anione superossido) O 2 + 2e + 2H + = H 2 O 2 (acqua ossigenata) O 2 + 3e + 3H + = H 2 O + OH - (radicale idrossile)

15 Nelle cellule animali e nell uomo si distinguono due forme di superossido dismutasi, una delle quali citoplasmatica, costituita da due subunità identiche l altra localizzata nella matrice interna mitocondriale formata da 4 subunità. Entrambi gli enzimi catalizzano la trasformazione: O 2 + e - O 2 - H 2 O 2 Substrato della catalasi

16 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 catalasi La glutatione perossidasi, ampiamente distribuita nel citoplasma e nella matrice interna mitocondriale catalizza le reazioni: 2 GSH + H 2 O 2 GSSG + H 2 O ROOH + 2GSH ROH + GS-SG + H 2 O

17 Ne deriva che la glutatione perossidasi non rappresenta solo un efficiente sistema per per eliminare H 2 O 2, ma contribuisce allo smaltimento dei perossidi organici derivati dalle reazioni di perossidazione lipidica

18 LOCALIZZAZIONE SUBCELLULARE DELLE PRINCIPALI REAZIONI RESPONSABILI DELLA FORMAZIONE DI SPECIE REATTIVE DELL OSSIGENO IN UNA CELLULA TIPO - catena respiratoria mitocondriale - sistemi di trasporto degli elettroni del reticolo endoplasmatico - perossisomi - enzimi del citoplasma

19 CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI NEL RETICOLO ENDOPLASMATICO O 2 O 2 - ubichinone semichinone NADPH FAD + Citocromo P 450 reduttasi NADP + FADH O 2 - O 2 Citocromo P 450

20 La loro produzione può però accelerarsi anormalmente sotto l influenza di: Fattori esterni (inquinamento atmosferico, esposizione a radiazioni ionizzanti, a prodotti chimici, al fumo); Fattori interni: tutte le forme di sofferenze dell organismo (traumatismi, infezioni, intossicazioni, attività fisica intensa) si accompagnano ad una produzione locale di radicali liberi che aggrava i danni cellulari.

21 FATTORI PROMOTORI FATTORI PREVENTIVI

22 EFFETTI Le membrane delle cellule si alterano, perdono la loro fluidità: la comunicazione fra cellule è perturbata; I radicali liberi attaccano la struttura proteica interna delle cellule: il materiale genetico è danneggiato; questo conduce a una modificazione grave o alla morte della cellula.

23 Perossidazione lipidica La formazione degli ossiradicali liberi è inevitabile durante la normale funzionalità della cellula. Poiché nonostante l intervento dei meccanismi di protezione si può avere la formazione di un altro radicale libero. HO +HR R + H 2 O

24 Reazione chimica dell ossidazione. Agiscono i meccanismi di difesa antiossidante enzimatici e non.

25 Reazione di Fenton Il radicale idrossile rappresenta l ossiradicale più pericoloso per la cellula. La sorgente più rilevante per la formazione di questi radicali è sicuramente la ferroperossidazione o REAZIONE DI FENTON H 2 O 2 + Fe 2+ Fe 3+ + OH + OH OH + Fe 2+ Fe 3+ + OH OH + RH R + H 2 O

26 IPOTESI DI MEMBRANA DELL INVECCHIAMENTO Le membrane sono le strutture cellulari più esposte ai danni da radicali liberi (lipidi, proteine). La permeabilità passiva della membrana al potassio costituisce il punto fondamentale nella regolazione della trascrizione e traduzione. I diversi processi che scaturiscono da ciò portano alla morte della cellula poiché si ha un completo rallentamento della sintesi proteica

27 Permeabilità di membrana per il K+ decresce in seguito ai danni causati da radicali liberi Decresce la velocità di ricambio dei vari componenti cellulari danneggiati [K + ] i aumenta Velocità di sintesi dell RNA e delle proteine decresce Il sistema colloidale è più condensato [H 2 O] i decresce

28 Per contrastare l ossidazione, l organismo ha diversi meccanismi di difesa, sia enzimatici che non enzimatici, spesso complementari in quanto agiscono in differenti comparti cellulari. Tra i primi si ricorda la superossido-dismutasi, la catalasi e la glutation- perossidasi, che decompongono rispettivamente l anione superossido, l acqua ossigenata e gli idroperossidi.

29 Tra i secondi, certi composti a basso peso molecolare che reagiscono con i composti ossidanti riducendo la loro capacità di produrre effetti dannosi, quali il glutatione, l ubichinone (coenzima Q) presente nello spazio idrofobico di membrana e l acido urico, prodotti dal normale metabolismo, e l α-tocoferolo( vitamina E), l acido ascorbico (vitamina C), i carotenoidi e i diversi composti fenolici contenuti in diversi alimenti (antiossidanti naturali).

30 SCAVENGER I composti a basso peso molecolare che sono definiti spazzini di radicali liberi. Essi sono in grado di reagire con un gran numero di specie radicaliche per trasformarsi essi stessi in radicali relativamente più stabili che possono essere successivamente metabolizzati senza arrecare danno alle strutture cellulari

31 Le reazioni non possono terminare che per l associazione dei radicali liberi fra se stessi o per l intervento di molecole antiossidanti, quali la vitamina E( α-tocoferolo). Una volta ossidata, la vitamina E diviene teoricamente una molecola instabile suscettibile a reagire con le altre molecole neutre. α-tocoferolo LO 2. +TOH LOOH + TO. α- tocoferossile

32 Allo stato naturale, la vitamina E ossidata può contribuire però alla propagazione della catena di ossidazione. Sua affinità particolare per la vitamina C, che le permette di essere dopo ridotta e di ridivenire adatta a prevenire le altre reazioni di perossidazione.

33 L accoppiamento dell azione antiossidante delle vitamine E e C. La vitamina E ha una struttura che le permette di incorporarsi in seno degli strati di fosfolipidi formanti le membrane cellulari. (catena idrocarburica e gruppo cromanolo) Si conta una molecola di vitamina E per 2 a 3000 molecole di fosfolipidi.

34 La rigenerazione è possibile grazie alla presenza di vitamina C o ACIDO ASCORBICO. La vitamina C è idrosolubile: essa si trova dunque dentro i fluidi che bagnano l interno e l esterno delle cellule. La vitamina C è l antiossidante più importante di questi liquidi, essa interviene anche nella reazione di ossidoriduzione accoppiata con la vitamina E.

35 Le due vitamine dunque agiscono bene insieme. In natura il principale rappresentante della famiglia della vitamina E è una forma particolare di α-tocoferolo. Questa molecola naturale è quella che si fissa meglio a livello tissutale e che offre dunque la migliore disponibilità per l organismo.

36 La vitamina E di sintesi gioca lo stesso ruolo della vitamina E naturale, ma di fatto presenta una minor affinità di legame, essa presenta infatti un attività inferiore di circa il 35%. L AAFCO (Associazione Americana per il Controllo Ufficiale degli Alimenti) raccomanda un minimo di 50 mg di vitamina E per kg di sostanza secca.

37 Se la vitamina E non può essere fornita in quantità sufficienti l ossidazione provoca una pigmentazione dei grassi corporei, prima di favorire lo sviluppo di lesioni muscolari ed epatiche. La vitamina C non è in generale presente negli alimenti per i carnivori, poiché in essi, il fegato la sintetizza a partire dal glucosio. Una carenzanon è dunque da temere.

38 INVECCHIAMENTO In presenza di certi stati patologici, al tempo di una accelerazione dell invecchiamento, i fenomeni ossidativi si intensificano. Si può allora pensare che le riserve di vitamine E e C non sempre siano sufficienti a compensare gli effetti negativi dei radicali liberi prodotti in grande quantità.

39 ANTIOSSIDANTI Si definisce antiossidante ogni sostanza che, quando presente a basse concentrazioni rispetto a quelle di un substrato ossidabile, ritarda o inibisce l ossidazione del substrato.

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42 Il sistema antiossidante è perfezionato dalla possibilità che diversi composti antiossidanti interagiscono fra loro producendo un effetto sinergico. L esempio del sistema vitamina E / vitamina C: l acido ascorbico mostra infatti la capacità di rigenerare l α- tocoferolo dal suo radicale (tocoferile) potenziando così l attività antiossidante del tocoferolo.

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44 Influenza dell integrazione di vitamina C e E. Rallentamento dell invecchiamento cellulare. L invecchiamento è una deterioramento globale dell'organismo, che inizia alla fine della crescita. VITAMINE E RADICALI LIBERI

45 la vitamina E a forti dosi è in grado di rallentare certi meccanismi di invecchiamento cellulare nei topi e nei ratti. Queste affermazioni sono fatte in particolare a livello di cellule cerebrali e del sistema immunitario. Nel ratto l integrazione di vitamina E al regime alimentare permette di frenare la perossidazione lipidica e proteica a livello del fegato.

46 Nel ratto anziano, l addizione di vitamina C al regime alimentare limita il ribasso fisiologico delle molecole antiossidanti nell organismo. Nel ratto la supplementazione mista di vitamina C ed E ha un effetto protettivo in rapporto agli effetti negativi causati dall esposizione all ozono, ossidante naturale.

47 Meccanismi di danno cellulare dei radicali liberi Particolare importanza dal punto di vista patologico hanno le reazioni che coinvolgono le proteine, gli acidi nucleici e gli acidi grassi poliinsaturi

48 PROTEINE Queste alterazioni portano all aggregazione di più proteine per formare dimeri o trimeri o alla frammentazione della proteina stessa Inoltre le modificazioni ossidative delle proteine e in particolare la loro denaturazione favoriscono la degradazione delle stesse ad opera di proteasi

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50 Accanto agli effetti esercitati su numerosi enzimi, le modificazioni dei gruppi SH delle proteine indotte dallo stress ossidativo causano: - alterazioni della funzionalità dei mitocondri - blocco dell attività di trasportatori del Ca 2+ - aumento della permeabilità di membrana - aggregazione delle proteine citoscheletriche

51 ACIDI NUCLEICI L interazione può avvenire sia a livello delle basi sia a livello della struttura portante costituita dalla catena fosfoglicidica. Queste potrebbero essere causa delle aberrazioni genetiche descritte ad opera di radiazioni ionizzanti ACIDI GRASSI POLIINSATURI Presenti nelle membrane sono particolarmente suscettibili all attacco dei radicali liberi, dando luogo alla reazione a catena della perossidazione lipidica.

52 LOTTA CONTRO CERTE MALATTIE. Infiammazione acuta o cronica. Per limitare i fenomeni ossidativi nei tessuti dove l afflusso ematico non è stato perturbato, la vitamina E ha degli effetti positivi. Per esempio nel suino, le lesioni causate dalle tossine batteriche sono attenuate se della vitamina E può essere iniettata.

53 Cancro. Per limitare l attacco del materiale genetico della cellula da parte dei radicali liberi, la vitamina E lotta teoricamente contro lo sviluppo di malattie tumorali. Certi studi hanno messo in evidenza come siano in relazione l incidenza di certi tumori nella popolazione umana a rischio (es.cancro ai polmoni nei fumatori) e il tenore in vitamina E e C del regime alimentare.

54 Malattie cardio-vascolari. Il ruolo della vitamina E per la prevenzione degli attacchi cardiaci è più studiato. In vitro, è stato messo in evidenza l effetto preventivo della vitamina E per la formazione delle lesioni iniziali di aterosclerosi, grazie al rallentamento dell ossidazione di certe lipoproteine plasmatiche.

55 Cataratta. La vitamina E protegge le cellule dall ossidazione accelerata dalla luce. Essa avrà dunque un effetto preventivo contro lo sviluppo della cataratta.