Lezione Mda 4

Corso di Laurea Specialistica in Biotecnologie Mediche Anno Accademico 2006/2007

La genomica nutrizionale – NUTRIGENOMICA – studia le interazioni tra dieta e geni. I nutrienti presenti nel cibo possono regolare e/o alterare l’espressione e/o la struttura dei geni, oppure possono agire in maniera differente sui vari individui a seconda del loro patrimonio genetico. Studiando il legame che intercorre tra geni, nutrienti specifici e malattie – diabete cardiopatie tumori sindromi neurodegenerative invecchiamento – sarebbe possibile formulare un programma di alimentazione modellato sul profilo genetico del soggetto.

Il nuovo (?!) campo (o mercato?!) della genomica nutrizionale sta decollando sia in America che in Europa. Allo stato attuale, la genomica nutrizionale non è andata molto oltre rispetto alle direttive di sana alimentazione, attente ma pur sempre standard. Il campo della nutrigenomica inoltre si interseca con quello degli alimenti funzionali.

Oggi discutiamo tutti di «radicali liberi», presto parleremo di «nutrigenomica» e nessuno ci risponderà «nutri… che?». Sapremo tutti che è la scienza che ci aiuterà a restare sani e giovani più a lungo: come? Intervenendo direttamente sul nostro DNA con la medicina più consigliata dai tempi di Ippocrate: il CIBO. L’elisir di giovinezza quindi sembra che abbia a che fare con il cibo, con nutrienti disparati come il curry, il vino rosso, il licopene, unità ORAC e il DNA.

ALIMENTAZIONE Metionina Tetraidrofolato

Accettore di metili

S-adenosilmetionina

Serina Glicina

Metionina sintasi

Vitamina B12

Accettore metilato

5,10 metilentetraidrofolato 5,10 MTHF reduttasi

S-adenosilomocisteina

5 Metiltetraidrofolato

NADPH NADP +

Omocisteina Vitamina B6

Cistationina b-sintasi

uridilato

timidilato

Cistationina

5,10-metenil-THF e 10-formil-THF

Cisteina

Purine: adenina e guanina

Solfato+H O 2

Visione d’insieme del metabolismo dei folati e della vitamina B12 Urine

Curry, 'elisir di giovinezza‘, per il cervello Il CURCUMINO, pigmento che regala il tipico colore giallo ocra alla spezia orientale, sembrerebbe proteggere i neuroni da malattie degenerative. A scoprire il segreto della popolazione dell'India, dove Alzheimer e Parkinson hanno un'incidenza sette volte minore che negli Usa, è uno studio italo-americano condotto dall'Istituto di Scienze Neurologiche del CNR di Catania in collaborazione con il Rockfeller Neuroscience Institute di Washington e coordinato da Giovanni Scapagnini.

Il curry è una miscela di aromi e spezie di origine indiana, tostati in padella e poi pestati finemente, dalla composizione molto variabile. I componenti principali sono: il curcumimo (a cui si deve il colore giallo carico dei cibi cucinati con il curry), il cardamomo, il coriandolo, il pepe nero, lo zenzero, la noce moscata, ma anche fieno greco, chiodi di garofano, cannella e peperoncino. La parola curry è europea e deriva dal nome “cari” (assegnatogli dal popolo Tamil dell’India meridionale e del nord di Ceylon), che significa salsa.

ROS  SPECIE REATTIVE DELL’ O2 L’ossigeno per il suo potere ossidante si comporta come un forte accettore di elettroni e ciò porta alla formazione di vari intermedi reattivi noti come Specie Reattive dell’Ossigeno o ROS

ROS

Radicali liberi: molecole con n°dispari di e- negli orbitali esterni instabili e molto reattivi

Radicali di O (ROS)

superossido idrossile

Radicali di N (RNS)

ossido nitrico diossido nitrico perossinitrito

Perossido di idrogeno Acido ipocloroso

Radicali tiolici

Reazioni chimiche di formazione dei ROS

Reazioni chimiche di formazione dei ROS Mitocondri

e-

Ossidasi

O2 SOD

2 O2• + 2H+

O2•

H2O2

+

Radicale superossido

O2

Perossido di idrogeno

H2O2 + Fe2+ (o Cu 1+) 

OH- +

O 2•



O2 +

OH- +

H2O

H•

OH•

Radicale idrossilico

Reazione di Haber-Weiss idrolisi

+ Fe3+ (o Cu 2+)

Radicale idrossilico

Reazione di Fenton

H2O2 +

OH•

+

OH•

Radicale idrossilico

Fonti endogene Mitocondri Perossisomi NADPH ossidasi Citocromo P450

 Alterazione di funzioni fisiologiche

Difese antiossidanti Sistemi enzimatici SOD, CAT, GSH-Px Sistemi non enzimatici Glutatione, vitamine A E C B6 B9, chelanti

Fonti esogene Raggi UV Radiazioni ionizzanti Inquinamento Fumo Chemioterapici

ROS omeostasi

 Alterazione di funzioni fisiologiche Danni casuali

Crescita Fagocitosi Apoptosi Detossificazione

Danni specifici

normalità Invecchiamento Malattia Morte cellulare

Danni ossidativi provocati dai ROS Le macromolecole biologiche più esposte al danno ossidativo Ossidazione dei residui aa (pro, lys, arg, hys)

Proteine

Ossidazione dei gruppi SH di metionina e cisteina

Perdita di attività delle metalloproteine emoproteine, Cu/ZnSOD

Formazione di ponti disolfuro intra- e inter-molecolari

DNA

Frammentazione peptidica

Rottura o riarrangiamento della doppia elica Ossidazione delle basi puriniche e pirimidiniche

PUFA

Formazione di isoprostani da acido arachidonico α-linolenico omega-3

LDL

Le LDL ossidate  captate dai macrofagi  infiltrano la parete arteriosa  cellule schiumose  ateroma

Mutazioni G  T

 NO  PGI2 prostaciclina molecole di adesione infiltrazione cellulare tono vasomotorio aggregazione piastrinica

Teoria dei radicali liberi sull’invecchiamento Harman formulò tale teoria a metà degli anni cinquanta (1956) declino del sistema immunitario

DNA

ROS

Proteine PUFA LDL

invecchiamento

eccesso di ROS

insorgenza di malattie cronico-degenerative aterosclerosi, malattie cardiovascolari, diabete, cancro, declino cognitivo, malattie neurodegenerative, demenza Disordine strutturale Disordine strutturale Perdita fluidità di membrana LDL ossidate

Malattie cronicodegenerative

Aterosclerosi

Funzioni benefiche dei ROS I ROS sono mediatori essenziali di importanti reazioni biologiche protettive per la salute dell’uomo Fagocitosi

Neutrofili e macrofagi quando fagocitano batteri e microrganismi vanno incontro alla cosiddetta esplosione ossidativa con iperproduzione dei ROS ed eliminazione dell’ospite dannoso

Apoptosi

“poliziotto” o “angelo custode” della cellula Processo biologico destinato alla eliminazione selettiva di cellule precancerose e cancerose, di cellule infettate da virus, di cellule danneggiate, che possono nuocere.

Altre

Trasduzione di segnali mitogenici

Reazioni di detossificazione di sostanze tossiche farmaci cancerogeni chimici

La terapia antiossidante

Dannosa

Utile

Dannosa

Trial clinico “ATBC” in maschi fumatori N. Engl. J. Med., 1994

No riduzione dell’incidenza di cancro al polmone Più alta incidenza di cancro al polmone e di mortalità tra i fumatori che ricevevano β-carotene

Trial clinico “CARET” in fumatori e lavoratori dell’asbesto Omenn, N. Engl. J. Med., 1996

 cancro al polmone

Utile Diminuzione incidenza di cancro della prostata con la vitamina E Nelle persone che assumono antiossidanti con la dieta in particolare b-carotene, vit. E, vit.C, selenio da soli o in associazione come farmaci o per via naturale con vegetali

Minore incidenza

Benefici della vitamina E nella malattia di Alzheimer Sano, N. Engl. J. Med., 1997

cancro gastrico cancro del colon cancro della prostata cancro esofageo cancro del polmone in non fumatori

AV, in review Salganik, 2001

IperROSproduttori

Antiossidanti

IpoROSproduttori

Antiossidanti

A rischio di cancro, malattie cardiovascolari, neurodegenerative cataratta a causa del danno ossidativo dei costituenti cellulari Potrebbero risultare efficienti

A rischio di cancro a causa della minore attività delle reazioni biologiche protettive dei ROS quali la fagocitosi, l’apoptosi, la detossificazione

Potrebbero risultare non efficienti a causa di Blocco apoptosi e detossificazione Interferenza con chemioterapici pro-apoptotici

Biomarkers di stress ossidativo biomolecole ossidate

antiossidanti

Lipidi DNA Proteine

Vitamine A - E - C b-carotene – folati B12 - B6 – selenio Mg – Zn – Cu omocisteina SOD - CAT - GSH-Px GSH-Rx – TRX1 nel GR

Biomarkers di ossidazione lipidica 1. Sostanze reattive dell’acido tiobarbiturico (TBARS) Il saggio TBARS su plasma Poco specifico per interferenza con altri substrati del TBA

2. Idrocarburi volatili

Saggio spettrofotometrico che misura un cromogeno che si sviluppa tra l’ TBA e malonildialdeide (marker di lipossidaz.) Si preferisce quindi usare l’HPLC perossidazione di acidi grassi n-6 pentano perossidazione di acidi grassi n-3 etano test semplice ma poco specifico

3. F2-isoprostani Derivano dalla perossidazione ROS-indotta degli acidi arachidonico e linolenico costituenti fondamentali delle membrane Sono molecole prostaglandino-simili L’isoprostano più abbondante è la 8-isoprostaglandinaF2α (8isoPGF2α) Si dosano sulle urine meglio che sul siero Metodo della GS/MS costoso per screening ma sensibile e specifico Saggio immunoenzimatico meno specifico per reazioni crociate con altri prostanoidi

Biomarkers di danno ossidativo del DNA 1. 8-oxo-deossiguanosina (8-oxo-dG) È il marker più usato per valutare il danno ossidativo del DNA L’ossidazione del C-8 della guanina provoca una trasversione G T nel DNA Misurata su DNA di linfociti e di altri tessuti e sulle urine HPLC, GC/MS, ELISA

2. Autoanticorpi verso HMdU L’HMdU deriva dall’ossidazione della timina L’uomo produce autoanticorpi contro HMdU Dosaggio con ELISA 3. COMET assay (variante con Endonucleasi III) Elettroforesi su microgel del DNA singole cellule Se ci sono danni all’elica, il DNA si rilassa e assume l’aspetto della coda di una cometa l’ampiezza della cometa è proporzionale al danno e al numero di “breaks” sul DNA

Biomarkers di ossidazione delle proteine Proteine carbonilate Plasma Saggio colorimetrico convenzionale con dinitrofenilidrazina Saggio ELISA Elevati valori di proteine carbonilate sono associate con malattia di Alzheimer, Parkinson, distrofia muscolare di Duchenne, artrite reumatoide