Gli antiossidanti sono sostanze chimiche (molecole, ioni, radicali) o agenti fisici che rallentano o prevengono l'ossidazione di altre sostanze. L'ossidazione è una reazione chimica che trasferisce elettroni da una sostanza ad un ossidante.
Le reazioni di ossidazione possono produrre radicali liberi, responsabili dell'avvio di una reazione a catena che danneggia le cellule; gli antiossidanti terminano queste reazioni a catena intervenendo sui radicali intermedi ed inibendo altre reazioni di ossidazione facendo ossidare se stessi. Come risultato, gli antiossidanti sono definiti chimicamente agenti riducenti - come tioli o polifenoli - in quanto le reazioni chimiche coinvolte sono di ossidoriduzione.
Anche se le reazioni di ossidazione sono fondamentali per la vita, possono essere altrettanto dannose; perciò, piante ed animali mantengono complessi sistemi di molteplici tipi di antiossidanti, come glutatione, vitamina C e vitamina E, così come enzimi quali catalasi, superossido dismutasi e varie perossidasi. Livelli troppo bassi di antiossidanti o di inibizione degli enzimi antiossidanti causano stress ossidativo e possono danneggiare o uccidere le cellule.
Poiché lo stress ossidativo potrebbe essere la causa di molte malattie umane, l'uso degli antiossidanti in farmacologia è stato intensamente studiato, in particolare nei trattamenti dell'ictus e delle malattie neurodegenerative; non è però chiaro se lo stress ossidativo sia la causa o la conseguenza di queste malattie. Gli antiossidanti sono largamente usati come ingredienti negli integratori alimentari con la speranza di mantenere il benessere fisico e prevenire malattie come cancro e cardiopatie coronariche. Anche se alcuni studi hanno suggerito che l'integrazione di antiossidanti ha effetti benefici sulla salute, molti altri studi di ricerca medica non hanno rilevato alcun beneficio per le formulazioni testate, mentre un eccesso di integrazione può risultare dannoso. In aggiunta a questi usi in medicina, gli antiossidanti hanno molti usi industriali, ad esempio come conservanti in cibo e cosmetici e nella prevenzione della degradazione di gomma e benzina.
Storia Il termine antiossidante (anche "antiossigeno") fu originariamente usato per riferirsi specificatamente ad un composto chimico che preveniva il consumo di ossigeno. Alla fine del XIX secolo e all'inizio del XX secolo furono dedicati vasti studi all'uso di antiossidanti in importanti processi industriali, come la prevenzione della corrosione dei metalli, la vulcanizzazione della gomma e la polimerizzazione dei carburanti nel fouling dei motori a combustione interna.Matill HA (1947). Antioxidants. Annu Rev Biochem 16: 177-192.
Le recenti ricerche sul ruolo degli antiossidanti in biologia si concentrano sul loro uso nella prevenzione dell'ossidazione dei grassi insaturi, che è la causa della rancidificazione. L'attività antiossidante può essere misurata semplicemente posizionando il grasso in un contenitore chiuso in presenza di O2 e misurando la quantità di O2 consumato. Fu però l'identificazione delle vitamine A, C ed E come antiossidanti che ha rivoluzionato il campo di studi ed ha portato alla consapevolezza dell'importanza degli antiossidanti nella biochimica degli organismi viventi.
Il possibile meccanismo di azione degli antiossidanti fu esplorato per la prima volta quando venne individuato che una sostanza con attività anti-ossidativa è anche una sostanza che si ossida rapidamente.Moreau, Dufraiss. Comptes Rendus des Séances et Mémoires de la Société de Biologie, 86, 321. 1922. Le ricerche su come la vitamina E prevenisse il processo di perossidazione lipidica condusse all'identificazione degli antiossidanti come agenti riducenti che prevenivano le reazioni ossidative, spesso cercando specie reattive dell'ossigeno prima che potessero danneggiare le cellule.
La sfida ossidativa in biologia
Un paradosso nel metabolismo è che mentre la maggior parte degli organismi complessi richiede O2 per la sua esistenza, quest'ultima è una molecola altamente reattiva che danneggia gli organismi viventi producendo specie reattive dell'ossigeno. Di conseguenza, gli organismi contengono una complessa rete di metaboliti ed enzimi che lavorano sinergicamente per prevenire il danno ossidativo a componenti cellulari come DNA, proteine e lipidi. In generale, i sistemi antiossidanti o prevengono la formazione di queste specie ossidanti o le rimuovono prima che possano danneggiare i componenti vitali delle cellule.
Le specie reattive dell'ossigeno prodotte nelle cellule includono perossido di idrogeno (H2O2), acido ipocloroso (HClO) e radicali liberi come il radicale idrossile (OH•) e l'anione superossido (O2−). Il radicale idrossile è particolarmente instabile e reagisce rapidamente e non selettivamente con la maggior parte delle molecole biologiche. Questa specie è prodotta da perossido di idrogeno nelle reazioni redox catalizzate da metalli come la reazione di Fenton. Questi ossidanti possono danneggiare le cellule iniziando reazioni chimiche a catena come la perossidazione lipidica, oppure ossidando il DNA o le proteine. Un danneggiamento del DNA può causare mutazioni genetiche e cancro se non riparato da meccanismi di riparazione del DNA, mentre danni alle proteine causano inibizione enzimatica, denaturazione e degradazione delle proteine.
L'uso di O2 come parte del processo di generazione dell'energia metabolica produce specie reattive all'ossigeno. In questo processo, l'anione superossido è prodotto in diversi stadi nella catena di trasporto degli elettroni. Particolarmente importante è la riduzione del coenzima Q in complesso III, poiché si forma come intermedio un radicale altamente reattivo (Q•−); questo intermedio instabile può portare ad una "fuoriuscita" di elettroni quando gli elettroni saltano direttamente sulla molecola di O2 e formano l'anione superossido, anziché muoversi lungo la serie di reazioni sotto controllo della catena di trasporto degli elettroni. In reazioni simili che avvengono nelle piante, le specie reattive dell'ossigeno sono prodotte anche durante la fotosintesi clorofilliana in condizioni di luce intensa. Questo effetto è parzialmente compensato dal coinvolgimento di carotenoidi nella fotoinibizione, che comporta la reazione di questi antiossidanti con forme sovraridotte dei centri di reazione fotosintetica e quindi prevenendo la produzione di superossido.
Evoluzione degli antiossidanti L'ossigeno è un potente ossidante il cui accumulo nell'atmosfera terrestre è risultato dallo sviluppo della fotosintesi, iniziata più di 3 miliardi di anni fa, nei cianobatteri (alghe verdi-blu), che sono stati i primi organismi fotosintetici a produrre notevoli quantità di ossigeno e radicali liberi. Le alghe marine hanno accumulato, come primi antiossidanti, minerali inorganici come rubidio, vanadio, zinco, ferro, rame, molibdeno, selenio e iodio, che sono oligoelementi essenziali di metallo-enzimi redox. Circa 500-300 milioni di anni fa, i vegetali fotosintetici ossigeno-produttori e gli animali marini hanno iniziato, per la prima volta, a spostarsi dal mare ai fiumi e poi all'ambiente terrestre. Pertanto la carenza dei loro primitivi antiossidanti marini ha rappresentato una sfida per l'evoluzione della vita sulla terra. Per difesa, i vegetali terrestri hanno lentamente iniziato a produrre nuovi antiossidanti "endogeni" come acido ascorbico, retinoidi, tocoferoli ecc. ed alcuni enzimi, ed anche, circa 200-50 milioni di anni fa, polifenoli, carotenoidi, flavonoidi, ecc., in frutti e fiori di piante angiosperme. Alcuni di questi sono diventati "vitamine" essenziali, nella dieta degli animali terrestri (vitamine C, A, E, ecc.).
Metaboliti Visione d'insieme Gli antiossidanti sono classificati in due grandi divisioni, a seconda che siano solubili in acqua (idrofili) o nei lipidi (idrofobi). In generale, gli antiossidanti idrosolubili reagiscono con gli ossidanti nel citoplasma cellulare e nel plasma, mentre quelli liposolubili proteggono le membrane cellulari dalla perossidazione lipidica. Questi composti possono essere sintetizzati dal corpo umano o ottenuti dalla dieta. I differenti antiossidanti sono presenti nei fluidi e nei tessuti corporei in un ampio intervallo di contrazioni, come glutatione e ubichinone presenti per la maggior parte nelle cellule, mentre altri come l'acido urico sono uniformemente distribuiti attraverso il corpo (vedi tabella più sotto).
L'importanza relativa e le interazioni tra questi differenti antiossidanti è un ambito complesso, con i vari metaboliti e sistemi enzimatici che hanno effetti sinergici e interdipendenti fra di loro. L'azione di un ossidante può dipendere dalla corretta funzione degli altri membri del sistema antiossidante. La quantità di protezione fornita da un antiossidante dipende quindi dalla sua concentrazione, dalla sua reattività verso la particolare specie reattiva dell'ossigeno considerata e lo stato degli antiossidanti con cui interagisce.
Alcuni composti contribuiscono alla difesa fornita dagli antiossidanti chelando i metalli di transizione prevenendo così l'effetto catalitico che questi forniscono nella produzione dei radicali liberi nella cellula. Particolarmente importante è l'abilità di sequestrare il ferro, funzionale alle proteine adibite al trasporto del ferro nell'organismo (iron-binding proteins) quali transferrina e ferritina. Selenio e zinco sono comunemente considerati nutrienti antiossidanti, ma questi elementi chimici non hanno un'azione antiossidante di per sé ma sono invece necessari per l'attività antiossidante di alcuni enzimi. Invece lo Iodio, come ioduro (I-), ha dimostrato una primitiva azione antiossidante diretta.
Antiossidante metabolitaSolubilitàConcentrazione in siero umano (μM)Concentrazione nel tessuto del fegato (μmol/kg)Acido ascorbico (vitamina C)Acqua50 - 60260 (umano)GlutationeAcqua325 - 6506.400 (umano)Acido lipoicoAcqua0.1 - 0.74 - 5 (ratto)Acido uricoAcqua200 - 4001.600 (umano)CaroteniLipidiβ-carotene: 0.5 - 1 retinolo (vitamina A): 1 - 35 (umano, carotenoidi totali)α-tocoferolo (vitamina E)Lipidi10 - 4050 (umano)Ubichinolo (coenzima Q)Lipidi5200 (umano)
Acido ascorbico L'acido ascorbico o "vitamina C" è un monosaccaride antiossidante che si trova sia negli animali che nelle piante. Negli umani non può essere sintetizzato tal quale e deve essere introdotto con la dieta. Molti altri animali sono in grado di produrre questo composto nei loro corpi e non ne hanno bisogno nella loro dieta. Nelle cellule, viene mantenuto nella sua forma ridotta per reazione con glutatione, che può essere catalizzata da disolfuro isomerasi e glutaredossine. L'acido ascorbico è un agente riducente e può ridurre e di conseguenza neutralizzare le specie reattive dell'ossigeno come il perossido di idrogeno. In aggiunta ai suoi effetti antiossidanti, l'acido ascorbico è un substrato per l'enzima antiossidante ascorbato perossidasi, una funzione particolarmente importante nella resistenza alla tensione delle piante.
Glutatione
Il glutatione è un peptide contenente cisteina che si trova in molte forme di vita aerobiche. Essendo sintetizzato nelle cellule dai suoi costituenti, gli amminoacidi, non è richiesto nella dieta. Il glutatione mantiene le sue proprietà antiossidanti finché il gruppo tiolo presente nella cisteina è un agente riducente e può essere ossidato e ridotto in maniera reversibile. Nelle cellule, il glutatione viene mantenuto in forma ridotta dall'enzima glutatione riduttasi e a sua volta riduce altri metaboliti e sistemi enzimatici reagendo direttamente con gli ossidanti. Per la sua alta concentrazione e per il ruolo centrale nel mantenere la cellula allo stato redox, il glutatione è uno dei più importanti antiossidanti cellulari, nonché uno dei più potenti.
Melatonina