Radicali liberi e stress ossidativo

Tutte le specie viventi sono continuamente esposte ad agenti reattivi che aggrediscono gli organismi dall’esterno e dall’interno. Nel corso degli ultimi decenni, l’attenzione della ricerca si è concentrata in particolare sui radicali liberi a causa del loro coinvolgimento nei processi di insorgenza e sviluppo di numerose malattie.
I radicali liberi sono specie chimiche altamente instabili a causa della presenza nella loro struttura di uno o più elettroni spaiati. La peculiare distribuzione elettronica fa sì che i radicali liberi siano molto reattivi e cerchino di raggiungere uno stato più stabile accoppiandosi con altre molecole o atomi, “rubando” loro atomi di idrogeno o interagendo con altre specie radicaliche.  Una volta formatisi, i radicali liberi reagiscono rapidamente con altre molecole attraverso reazioni di ossido-riduzione (redox) al fine di raggiungere una configurazione elettronica stabile. Nel corso di questo tipo di reazione si assiste ad un trasferimento di elettroni tra i composti che partecipano alla reazione, in cui una specie perde elettroni (processo di ossidazione) a vantaggio di un’altra che li acquista (processo di riduzione): la molecola che perde elettroni è l’agente riducente, mentre quella che li guadagna è l’ossidante.
Quando un radicale libero reagisce con una specie non radicalica può perdere o guadagnare elettroni o semplicemente unirsi alla molecola stessa. In ogni caso la specie non radicalica si trasforma in un nuovo radicale che innesca una reazione a catena, in cui un radicale libero genera un altro radicale libero, fino a quando due radicali si incontrano fermando la cascata di reazioni.
I ROS (Reactive Oxygen Species) e altre specie radicaliche reattive vengono prodotti dalle cellule stesse durante i normali processi fisiologici o possono avere origine esogena. All’interno dell’organismo sono normalmente rilasciati come sottoprodotti metabolici della respirazione aerobica, di alcuni processi enzimatici e di reazioni immunitarie, mentre tra i principali fattori esterni che portano alla formazione di radicali liberi ci sono l’inquinamento atmosferico, le radiazioni ultraviolette, agenti chimici e stress.
In condizioni fisiologiche i sistemi viventi possiedono sistemi di difesa endogeni che proteggono le biomolecole strutturali e funzionali dall’attacco dei radicali liberi. Tali sistemi di difesa, che possono essere di tipo enzimatico (glutatione, superossido dismutasi, catalasi) e non enzimatico (molecole antiossidanti e vitamine assunte con la dieta), reagiscono con le specie radicaliche prima che queste possano attaccare le strutture biologiche, smorzandone il potenziale dannoso. In assenza di questa “barriera antiossidante”, i radicali liberi reagiscono rapidamente con le biomolecole fondamentali per la vita, quali DNA, lipidi e proteine, causando danni cellulari di grave entità e perfino la morte delle cellule stesse.
A causa di una eccessiva esposizione a specie ossidanti altamente reattive, l’equilibrio tra radicali liberi e antiossidanti può venire meno; si innesca così una situazione di stress ossidativo, il quale è responsabile di importanti danni che compromettono la funzionalità di cellule e tessuti ed è associato a numerose patologie croniche, quali disturbi cardio-circolatori (aterosclerosi, ischemie, ictus), diabete, cancro, malattie neurodegenerative (es. morbo di Parkinson, Alzheimer). Inoltre, lo stress ossidativo è tra le principali cause dell’invecchiamento cellulare. I ROS infatti attaccano le catene polinsature dei lipidi provocandone l’ossidazione (perossidazione lipidica). L’alterazione delle catene lipidiche rappresenta un grave danno a carico delle membrane cellulari, le quali diventano maggiormente permeabili e perdono la loro efficienza, con conseguente invecchiamento precoce di cellule e tessuti.
Dal punto di vista chimico, i radicali liberi costituiscono un’ampia famiglia di composti che per semplificare possono essere suddivisi in due principali categorie: i ROS (Reactive Oxygen Species), che sono specie reattive contenenti ossigeno e che includono anche molecole non radicaliche quali i perossidi, e i RNS (Reactive Nitrogen Species) che comprendono le specie radicaliche dell’azoto (radicale ossido nitrico NO e il perossinitrito).
I ROS si formano fisiologicamente in piccole quantità come prodotti secondari del metabolismo respiratorio, ma possono essere generati in quantità elevata anche per effetto di fattori ambientali, quali le radiazioni UV e l’inquinamento o per azione del sistema immunitario in seguito all’innescarsi di reazioni infiammatorie. I ROS comprendono sia specie radicaliche quali l’anione superossido, il radicale ossidrile ed i radicali idroperossilici, che specie non radicaliche, come il perossido di idrogeno (H2O2) e l’ossigeno singoletto. Il radicale idrossile e l’ossigeno singoletto sono le forme più reattive tra i radicali liberi, in quanto ossidano rapidamente tutte le molecole biologiche, in particolare grassi insaturi, proteine, acidi nucleici, provocando gravi danni alle cellule.

Al fine di mantenere un corretto bilanciamento tra radicali liberi e sistemi antiossidanti, è importante fornire costantemente all’organismo un adeguato apporto di molecole con proprietà antiossidanti dall’esterno, per evitare che le difese naturali contro i radicali, costituite dalla barriera antiossidante, si esauriscano lasciando le biomolecole esposte all’aggressione di specie reattive che ne compromettono la funzionalità.
Le molecole ad azione antiossidante, che possono essere assunte con la dieta attraverso il consumo di alimenti ricchi in tali sostanze, o tramite una supplementazione mirata, sono numerose e comprendono polifenoli, vitamine, carotenoidi e molte altre sostanze. Questi composti sono in grado di reagire con i radicali liberi riducendone la reattività e generando molecole meno pericolose facilmente eliminabili dall’organismo.
È importante anche tenere conto che gli antiossidanti agiscono con meccanismi diversi e con diversa efficienza in base al tipo di radicale coinvolto nella reazione. Ogni antiossidante, infatti, è in grado di esplicare la propria azione di contrasto su pochi specifici radicali, per cui è necessario che l’apporto di antiossidanti esogeni sia il più vario possibile, in modo che le diverse molecole possano agire in modo complementare o in sinergia nel proteggere le biomolecole dall’ossidazione operata da specie radicaliche di diversa natura.

A tal proposito, l’attenzione della ricerca si è concentrata nell’approfondimento dei meccanismi con cui gli antiossidanti proteggono le cellule. In particolare, risulta di grande importanza la possibilità di misurare la quantità di antiossidanti introdotti con la dieta o l’efficacia della barriera antiossidante, in modo da poter correggere eventuali situazioni a rischio in modo mirato.
La principale difficoltà nel misurare l’efficacia antiossidante di una sostanza è dovuta al fatto che le specie di radicali liberi coinvolte nel determinare lo stress ossidativo sono numerose e reagiscono con le biomolecole con velocità e meccanismi differenti. A causa della diversa natura dei radicali liberi è estremamente difficile individuare un metodo di analisi che consenta di misurare in modo univoco la capacità di un composto di contrastare l’azione ossidante delle specie reattive, specialmente quando si ha a che fare con matrici complesse quali il sangue, gli alimenti o gli estratti vegetali. I radicali liberi, infatti, differiscono per reattività, per il tipo di biomolecola bersaglio, per la matrice biologica in cui agiscono e per affinità chimico-fisica (ambiente lipofilo o idrofilo), oltre che per il meccanismo con cui vengono generati.
Inoltre, per poter confrontare i dati misurati per diverse sostanze risulta importante cercare di standardizzare il più possibile i metodi impiegati. Un metodo analitico ideale dovrebbe innanzitutto essere semplice e facilmente riproducibile, per poter garantire una buona ripetibilità dei risultati. Inoltre, dovrebbe impiegare radicali significativi dal punto di vista biologico, che reagiscano con meccanismi chiari e noti, in modo da poter simulare il più possibile in vitro ciò che avviene nell’organismo, minimizzando le interferenze. Infine, un saggio ideale dovrebbe essere versatile  per permettere di misurare sia sostanze idrofile che lipofile.
Attualmente non esiste un unico metodo valido per la misura del potere antiossidante di un composto, che risponda alle caratteristiche descritte. Si deve pertanto ricorrere alla combinazione dei risultati di più saggi basati su meccanismi e su specie radicaliche diversi, in modo da raggiungere un compromesso, che tenga anche conto dell’uso finale dei risultati stessi.
Stabilire cosa si vuole misurare e perché è importante non solo per la scelta dei metodi di misurazione più adatti, ma anche per l’impiego del protocollo estrattivo più idoneo, in quanto gli antiossidanti rappresentano una vastissima famiglia di composti con caratteristiche chimico-fisiche molto diverse e non esiste una tecnica estrattiva in grado di estrarre tutti gli antiossidanti presenti in una matrice complessa, allo stesso tempo riducendo al minimo la presenza di potenziali interferenti che possono falsare i risultati.

Radicali liberi

Un radicale libero è una molecola o un atomo particolarmente reattivo che contiene almeno un elettrone spaiato nel suo orbitale più esterno. A causa di questa caratteristica chimica i radicali liberi sono altamente instabili e cercano di tornare all’equilibrio rubando all’atomo vicino l’elettrone necessario per pareggiare la propria carica elettromagnetica. Questo meccanismo dà origine a nuove molecole instabili, innescando una reazione a catena che, se non viene arrestata in tempo, finisce col danneggiare le strutture cellulari.

I radicali liberi più conosciuti sono quelli a contenuto d’ossigeno (ROS da Reacting Oxygen Species) come l’anione superossido (O2) ed il perossido d’idrogeno (H2O2). In presenza di metalli di transizione liberi (soprattutto ferro e rame) questi danno origine al radicale ossidrile (OH), particolarmente tossico e responsabile della perossidazione lipidica.

La produzione di radicali liberi è un evento fisiologico e si verifica normalmente nelle reazioni biochimiche cellulari, soprattutto in quelle che utilizzano ossigeno per produrre energia. Gli stessi radicali liberi possono essere prodotti anche a causa di fattori esterni.

Fattori responsabili della produzione di radicali liberi

Fattori ambientali

  • Inquinamento
  • Droghe, fumo attivo e passivo, alcol e farmaci
  • Raggi ultravioletti e radiazioni ionizzanti
  • Stress psicofisico prolungato (attività fisica intensa)
  • Alcuni additivi e sostanze tossiche presenti negli alimenti o sviluppate durante la loro cottura

Fattori endogeni

  • Trasporto di elettroni nei mitocondri (produzione aerobica di energia)
  • B-ossidazione (metabolismo degli acidi grassi)
  • Reazioni del citocromo P450 (metabolizzazione di farmaci, sostanze tossiche ecc.)
  • Attività delle cellule fagocitarie (sistema immunitario)

Dato che non è possibile impedirne la formazione, il nostro organismo ha elaborato un proprio sistema di difese in grado di neutralizzare buona parte degli effetti negativi associati alla produzione di radicali liberi.

I meccanismi di detossificazione:

la superossidodismutasi converte l’anione superossido in perossido di idrogeno (acqua ossigenata). Quest’ultima molecola è particolarmente dannosa per le cellule poiché, in presenza di ferro, libera il radicale ossidrile che risulta particolarmente lesivo e difficile da controllare. Il nostro organismo, fortunatamente, possiede un enzima in grado di impedire tale processo. Questa proteina, chiamata catalasi è infatti in grado di convertire il perossido di idrogeno in acqua ed ossigeno.

Il glutatione può agire da solo o diventare il substrato di vari enzimi come la glutatione perossidasi (GPX) ed agire in modo analogo alla catalasi

Qualora tali difese risultassero insufficienti esistono comunque dei sistemi di riparo in grado di attenuare i danni causati dai radicali liberi.

Sport e radicali liberi

Durante il metabolismo energetico la maggior parte dell’ossigeno si combina con gli ioni H+ per formare acqua. Una piccola percentuale di O2, normalmente compresa tra il 2 ed il 5%, sfugge a questo processo e contribuisce alla formazione dei radicali liberi. Durante un esercizio fisico il consumo di ossigeno può aumentare fino a 20 volte rispetto alla condizione di riposo; in particolare nei muscoli in attività tale incremento può essere addirittura 100 volte superiore. Se da un lato l’aumentato flusso di ossigeno è fondamentale per soddisfare le richieste energetiche, dall’altro fa crescere notevolmente anche la produzione di agenti ossidanti. La quantità di radicali liberi prodotti durante uno sforzo è direttamente proporzionale alla durata e all’intensità dell’esercizio ed inversamente proporzionale al grado di allenamento di chi lo pratica. Il condizionamento fisico migliora infatti la capacità antiossidante dell’organismo e consente agli atleti allenati di contrastare con maggiore efficienza i radicali liberi prodotti.Può comunque succedere che, per il scarso grado di preparazione fisica o per l’eccessiva intensità e frequenza di allenamento, la produzione di radicali liberi finisca col superare le capacità di difesa dell’organismo. Per questo motivo l’assunzione di vitamine ed antiossidanti sottoforma di integratori è una strategia sottovalutata ma particolarmente efficace nel migliorare la performance e lo stato di salute generale dell’atleta.  Nel soggetto non allenato sottoposto ad un intenso sforzo fisico l’eccessiva produzione di agenti ossidanti causa un danno diretto alla cellula muscolare e contribuisce alla comparsa del classico indolenzimento muscolare post-allenamento. Tuttavia la pratica sportiva regolare induce un aumento delle difese endogene contro i radicali liberi. Ciò spiega come mai gli sportivi appaiano generalmente più giovani ed in forma rispetto ai coetanei sedentari.

 

Fonti:

http://www.my-personaltrainer.it/cosmetici-categorie/radicali-liberi-antiossidanti.html

http://www.my-personaltrainer.it/cosmetici-categorie/potere-antiossidante.html

http://www.my-personaltrainer.it/salute/radicali-liberi.html

  1. “Nutrizione superiore” di Herbert M. Shelton | Titolo sito

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