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I radicali liberi dell’ossigeno
e
gli antiossidanti
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
Radicali liberiAtomi 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.
Tossicità dell’ossigenoTossicità dell’ossigeno
Produzione di radicali liberi dell’ossigeno
R·+ R’ R + R·’
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
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 ROS: prodotti della riduzione incompleta dell’ossigeno molecolaredell’ossigeno molecolare
anione superossido (O2·- )
perossido di idrogeno (H2O2)
radicale idrossile (·OH)
Riduzione monovalente dell’ossigeno molecolare
O2
e- e- + 2H+ e- + H+e- + H+
O2.- H2O2 .OH
H2O
Fenton
H2O
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
SODSOD
Anione superossido
Anione superossido
Ossigeno singolettoOssigeno singoletto
Perossido di idrogenoPerossido
di idrogenoRadicale idrossileRadicale 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?
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
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.
Negli organismi animali o vegetali si possono realizzare dei processi perossidativi nei quali possono anche intervenire enzimi specifici
(cicloossigenasi, lipossigenasi).
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
R O S
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + +
Matrice
M.M.I. Qc
½ O2H2O
H+
ADP + Pi
ATP
IIFAD ATPasi
H+H+ H+ H+
H+H+ H+
Spazio intermembrane
III IV
FMN
I
e-
e- e-e-e-
Membrana esterna
Membrana interna
Matrice
Spazio intermembran
e
NADH +H+ NAD+
pH
SUCC FUM
R O S
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
ROSStato di
riduzioneIntermedi C.R.
pH)
Sistemi dissipativi
+ -
ATP
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).Mitochondrial Uncoupling Protein (UCP).
Nei mitocondri vegetali funzionano anche altri sistemi dissipativi:
•Ossidasi Alternativa (AOX) Ossidasi Alternativa (AOX)
•Plant Mitochondrial Potassium Channel (PmitoKPlant Mitochondrial Potassium Channel (PmitoKATPATP) )
Prevenzione della produzione di ROS
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + +
Matrice
M.M.I.Qc
½ O2H2O
IIFAD
H+ H+ H+
H+H+ H+
Spazio intermembrane
III IV
FMN
I
e-
e- e-e-e-
NADH +H+NAD+
pH
SUCC FUM
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
Mitochondrial Uncoupling Protein (UCP)
H+
H+
ROSTessuto adiposo bruno degli animali ibernantiTessuto adiposo bruno degli animali ibernantiTessuto adiposo bruno degli animali ibernantiTessuto adiposo bruno degli animali ibernanti
UCPacidi grassi
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + +
1 O2
2H2O
Matrice
M.M.I.Q
c
1 O2
2H2O
IIFAD
H+
ADP + Pi
ATP
H+H+ H+ H+
H+H+ H+
Spazio intermembrane
III IV
FMN
I
e-e- e-
AOX
NAD(P)H DH ex
NAD(P)H DH in
e-e-e-
pH
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Ossidasi Alternativa (AOX)
NADH +H+
SUCC FUMNAD+
Aracee (Aracee (Arum pictumArum pictum L. Fil.) L. Fil.)Aracee (Aracee (Arum pictumArum pictum L. Fil.) L. Fil.)
ATPasi
e-
ROS
Plant Mitochondrial Potassium Channel (PmitoKATP)
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + +
Matrice
M.M.I.Q
c
½ O2H2O
IIFAD
H+ H+ H+
H+H+ H+
Spazio intermembrane
III IV
FMN
I
e-
e- e-e-e-
NADH +H+ NAD+
pH
SUCC FUM
ROS
PmitoKATP
K+
K+ H+
H+
K+/H+
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
Frumento duroFrumento duro (Triticum durum Desf.)Frumento duroFrumento duro (Triticum durum Desf.)
Sistemi di detossificazione dei ROS
Enzimi antiossidantiEnzimi di riparazione Antiossidanti
Sistemi endogeni Sistemi esogeni ed endogeni
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
Sistemi enzimatici
Catalasi e
Perossidasi
Superossido dismutasi (SOD)
Serie di enzimi metallo-proteici che catalizzano la dismutazione dell’anione superossido.
O2·- + O2
·- + 2H+ O2 + H2O2
E’ presente in tutti gli organismi aerobi.
Sono enzimi che servono ad eliminare l’acqua ossigenata.
CatalasiCatalasi: presente in tutti gli organismi aerobi.
H2O2 + H2O2 2 H2O + O2
PerossidasiPerossidasi: 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.
I principali sistemi antiossidanti di natura enzimatica sono:
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ANTIOSSIDANTEANTIOSSIDANTE: composto che protegge i sistemi biologici dai
possibili effetti dannosi di processi o reazioni che causano eccessiva ossidazione
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-tocoferolo-tocoferolo
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
Composti fenoliciComposti fenoliciComposti fenoliciComposti fenolici Acido ascorbicoAcido ascorbicoAcido ascorbicoAcido ascorbico
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
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
ROSROSROSROS AntiossidantiAntiossidantiAntiossidantiAntiossidanti
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 radicaliScavenger dei diversi tipi di radicali (S)
Agenti riducentiAgenti riducenti (R)
Complessanti dei metalli pro-ossidantiComplessanti dei metalli pro-ossidanti (C)
Inibitori di enzimi che producono radicaliInibitori di enzimi che producono radicali (I)
Metodo TEAC (ABTS)
RR
R
R R
R
R
R
R
Metodo ORAC
SSS
S
SS
S
SS
SS
S
SS
S
RR
R
RR
R
CC
C
C
C
CI
I
II
II
Metodo LOX/RNO
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity)TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity)
ORAC(Oxygen Radical Absorbance Capacity)ORAC(Oxygen Radical Absorbance Capacity)
LOX/RNO (Lipossigenasi/4-Nitroso-N,N-dimetilanilina)LOX/RNO (Lipossigenasi/4-Nitroso-N,N-dimetilanilina)
Seminario DIOR 25 Febbraio 2011
Nature 2003 vol. 425, 132-133
Science 2003 vol. 301, 1165
Juan Ponce de León Juan Ponce de León
Fonte della giovinezzaFonte della giovinezza