Antiossidanti e alimentazione: ruolo dei fattori stechiometrici e cinetici nel prevenire danni diretti o indiretti generati dalla presenza di radicali liberi altamente reattivi

In questi ultimi anni si è molto dibattuto sul ruolo di alcuni composti appartenenti alla categoria dei polifenoli, quali ad esempio i flavonoidi, nell’aumentare la capacità antiossidante del plasma umano. Questi composti, genericamente classificati come antiossidanti sono presenti in molti alimenti di origine vegetale. Tuttavia poiché la biodisponibilità dei composti fenolici assunti attraverso la dieta è limitata , nel plasma la concentrazione massima è dell’ordine della micromole L-1. Per contro la capacità antiossidante del plasma umano è dell’ordine di circa 1 mmole L-1, appare quindi evidente che l’incidenza dei polifenoli nell’aumentare l’attività antiossidante del plasma è molto limitata (1). L’azione protettiva dei polifenoli, avvalorata da molti studi epidemiologici, è invece molto importante in altri compartimenti del corpo umano, ad esempio nell’apparato gastro-intestinale (GI) . Infatti in questo distretto possono avvenire una serie di processi che coinvolgono radicali altamente reattivi che sono responsabili di danni diretti e indiretti. Alcuni dei danni ossidativi diretti alle strutture del tratto GI, possono portare alla formazione di tumori (2). Fra i danni indiretti si possono considerare la distruzione delle vitamine e carotenoidi (3) presenti negli alimenti, distruzione che incide sulle loro caratteristiche nutrizionali, e la formazione di composti altamente elettrofili che hanno attività cito-tossiche e geno-tossiche (4). Fra questi ultimi i perossidi degli acidi grassi insaturi o loro derivati, che si formano a seguito di reazioni che coinvolgono radicali durante il processo digestivo e possono essere inglobati nei chilomicroni, e conseguentemente nelle VDL e LDL, concorrendo alla formazione delle placche aterosclerotiche e all’insorgenza di patologie cardiovascolari (5). Un’ alimentazione ricca di antiossidanti, può contribuire a ridurre drasticamente e/o a prevenire danni ossidativi nel tratto gastrointestinale grazie all’assenza di problemi di biodisponibilità. Uno dei processi che determina la formazione dei composti altamente elettrofili sopracitati è la perossidazione lipidica generata dall’interazione fra i lipidi insaturi e tracce di ferro assunti con la dieta, vedi ad esempio la Figura 1. Questa Figura dimostra chiaramente come in presenza di tracce di ferro-eme, anche a concentrazioni dell’ordine delle micromoli L-1, inizia una veloce perossidazione degli acidi grassi insaturi, quali ad esempio l’acido linoleico, che porta rapidamente alla scomparsa dell’ossigeno presente nel sistema. L’aggiunta al sistema di molecole antiossidanti, come ad esempio flavonoidi, comporta una forte inibizione del processo di perossidazione lipidica grazie all’attività di “chain breaking “tipica dei composti fenolici: 5) - C (H) OO°– CH = CH - + A-OH → - C (H) OOH– CH = CH - + A-O° dove A-OH è un polifenolo e A-O° il corrispondente radicale caratterizzato da una reattività molto più bassa di quella del radicale perossidico - C(H) OO° – CH = CH –. Per valutare correttamente le proprietà degli antiossidanti nell’inibire il processo di perossidazione, e in particolare lo scavenging dei radicali liberi che si formano nelle reazioni a catena (equazioni 3 e 4) si devono considerare due distinti parametri e cioè il numero dei radicali bloccati da una molecola di antiossidante e l’efficienza con cui queste molecole presenti negli alimenti bloccano il processo prima che questi radicali altamente reattivi possano provocare danni a molecole o strutture biologiche fondamentali quali membrane, DNA e proteine. Il primo parametro, legato alla stechiometria del processo, è stato oggetto di numerosissimi studi, mentre il valore del secondo, che dipende dalle costanti cinetiche del processo, non è noto per molti antiossidanti. Gli alimenti in genere contengono una grande varietà di antiossidanti e sono perciò difficilmente confrontabili anche a causa della difficoltà di valutare l’attività antiossidante di matrici molto diverse fra loro, ad esempio frutta, bevande, verdure. La totalità degli studi compiuti su questo argomento ha avuto come obiettivo la misura della quantità di specie reattive bloccate da ciascun alimento, che si effettua mediante una vera e propria titolazione degli antiossidanti presenti (6) e tutti gli articoli, pubblicati sulla stampa scientifica e non, fanno riferimento solo a questa caratteristica determinata dalla stechiometria del processo di scavenging. Inoltre nella maggior parte dei casi si utilizzano radicali aventi un tempo di vita estremamente lungo, vedi ad esempio il radicale della difenilpicrilidrazide (DPPH°) o il radicale catione ABTS°+ , cioè radicali dotati di scarsissima reattività, che quindi hanno ben poco da spartire con i radicali perossidici caratterizzati da tempi di emivita ben inferiori al secondo. A partire da queste considerazioni abbiamo sviluppato un metodo, che richiede una strumentazione molto semplice, e può essere applicato in condizioni molto simili a quelle presenti nel piccolo intestino, dove avviene la digestione e l’assorbimento di una gran parte dei componenti fondamentali degli alimenti. Sulla base di un modello matematico sviluppato, a partire dalle reazioni sopra-riportate, si è in grado di ottenere, mediante un singolo esperimento, i due parametri che sono legati alla capacità e all’efficienza degli antiossidanti nel bloccare i radicali perossidici. Questi parametri sono stati definiti: PRTC (Peroxyl Radical Trappig Capacity) e PRTE (Peroxyl Radical Trapping Efficiency) (7). In particolare il PRTC rappresenta il numero di radicali bloccati per mole di antiossidante mentre il PRTE rappresenta l’inverso dell’ IC50, che è la concentrazione di antiossidante che dimezza la concentrazione dei radicali perossidici. Sorprendentemente abbiamo constatato che il metodo e il sistema di calcolo da noi sviluppati permettono di ottenere i due parametri sopra definiti praticamente per tutti gli alimenti che contengono composti fenolici. Infatti per questi alimenti, in cui è sempre presente una grande varietà di questi composti aventi generalmente valori di PRTC e PRTE molto diversi fra loro, le equazioni cinetiche sono irrisolvibili dato il grande numero di variabili, e quindi il modello da noi sviluppato basato sulla presenza di un singolo antiossidante in linea di principio non poteva essere impiegato. Tuttavia abbiamo constatato per la quasi totalità degli alimenti presi in considerazione per le loro proprietà antiossidanti, un perfetto fitting (R2 >0.99) fra i dati sperimentali e quelli calcolati sulla base del modello sviluppato assumendo la presenza di un solo antiossidante. In altre parole i vari alimenti considerati si comportano come se in essi fosse presente un singolo antiossidante in grado di reagire con i radicali perossidici in accordo ad una cinetica di primo ordine rispetto ai radicali perossidici stessi, la cui concentrazione nello stato stazionario è regolata dalle reazioni di terminazione che avvengono fra i radicali stessi e fra i radicali e gli antiossidanti. Questo comportamento consente di attribuire a ciascun alimento valori ben definiti e caratteristici di PRTC e PRTE, permettendo così la loro comparazione sia su basi stechiometriche che su basi cinetiche. Come esempio nelle Figure 2 e 3 sono riportate le tracce ossigrafiche relative alla misurazione del PRTC e PRTE di due alimenti, che sono spesso considerati per le loro proprietà antiossidanti, quali il radicchio rosso e il tè, in cui sono presenti svariati tipi di antiossidanti caratterizzati da differenti valori di PRTC e PRTE. Ad esempio nel caso del radicchio rosso, riportato in Fig. 2, le concentrazioni degli antiossidanti più importanti presenti, espresse come micromole di antiossidante/g di prodotto fresco sono antocianine 1.9, acido gallico 0.9, acido protocatechico 1.7, acido clorogenico 7.1, acido cicorico 0.8 che sono caratterizzati da valori di PRTC compresi fra 3 e 10 e di PRTE compresi fra 0.2 e 7 (8). Nell’inserto di ciascuna delle due Figure è riportato il risultato della linearizzazione dei dati sperimentali sulla base del modello cinetico da noi proposto per un singolo antiossidante. I valori di R2 ottenuti in questo caso, >> di 0.99, indicano chiaramente che dal punto di vista cinetico i due alimenti si comportano come se in essi fosse presente un singolo antiossidante e quindi con valori di PRTC e PRTE tipici. Questo comportamento sembrerebbe indicare che in presenza di radicali estremamente reattivi gli antiossidanti presenti negli alimenti e i loro prodotti di reazione interagiscono mutualmente fino a comportarsi come un unico antiossidante caratterizzato da valori di PRTE che possono essere eguali, maggiori o minori di quelli aspettati in base alla composizione in termini di antiossidanti dell’alimento, e mettendo così in luce eventuali effetti sinergici o antisinergici. Inoltre l’assenza di correlazioni fra i valori di PRTC e PRTE fa si che alcuni alimenti siano caratterizzati da elevati valori di PRTC e bassi valori di PRTE (ad esempio cioccolata) o viceversa (ananas). Sulla base della capacità o dell’efficienza è così possibile ottenere scale di attività antiossidante molto differenti e, in relazione alle condizioni esistenti nell’apparato gastrointestinale, è possibile stabilire l’effetto protettivo dei vari alimenti in base ai valori di PRTC o PRTE che li caratterizzano.