Astaxantina, svelati i meccanismi della molecola dalle proprietà antiossidanti / Astaxanthin, unveiled the mechanisms of the molecule with antioxidant properties

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Di solito si parla di astaxantina al singolare, ma vedremo in breve che questo non è del tutto corretto in quanto questa molecola dai tratti singolari si presenta sia in natura che in laboratorio con varie facce e da questo nasce molto del suo interesse.

Si tratta di un appartenente ad uno dei due gruppi di molecole in cui si possono dividere i carotenoidi, ossia quei circa 600 diversi pigmenti organici, prodotti dalle piante, a struttura tetra-terpenoide, prodotti quindi a partire dall’isoprene e contenenti circa 40 atomi di carbonio. Come si arriva a questo calcoletto?

Infatti, dato che si considerano emiterpeni le molecole costituite da una sola unità isoprenica e monoterpeni quelle costituite da 2, un tetraterpene è costituito da 8 unità isopreniche per un totale di appunto 40 atomi di carbonio.

Il gruppo dei carotenoidi si divide nelle xantofille (che contengono eteroatomi di ossigeno) e caroteni, a struttura idrocarburica. I carotenoidi li conosciamo tutti perchè sono le molecole che danno alle foglie il caratteristico colore autunnale quando le quote di clorofilla iniziano a diminuire. Possiamo immaginarli anche come derivati del licopene.

Nelle piante i carotenoidi hanno il ruolo di assorbire la luce a lunghezze d’onda diverse da quelle della clorofilla e proteggere la clorofilla dall’ossidazione; negli animali, come per esempio nell’uomo, hanno o possono avere, il ruolo di vitamine e in genere di antiossidanti e come tali sono diventati famosi e appetiti dal mercato dei prodotti chimici; inoltre una volta assimilati conservano il loro colore e quindi sono ampiamente usati dagli animali per colorare le loro livree o dare segnali colorati ai loro congeneri ed al resto del mondo.

Le astaxantine sono parte del gruppo delle xantofille, quindi sono tetraterpeni che contengono atomi di ossigeno e con proprietà antiossidanti spiccate.

1) nei due anelli a sei termini alle estremità ci sono due atomi di C chirali, quelli che portano il gruppo idrossilico in posizione 3 e 3′; questo immediatamente significa che ci sono almeno tre tipi diversi di astaxantine che su quell’atomo possono essere S o R: quindi avremo tre possibili combinazioni, di cui quella con i due atomi con opposte configurazioni non possiede attività ottica; quella qui rappresentata è la 3S, 3S’ astaxantina.

2) gli atomi con i doppi legami possono assumere configurazioni cis e trans o come si dice modernamente Z o E. Questo comporta un numero molto alto di possibili isomeri geometrici. La forma termodinamicamente più stabile della molecola è quella con  tutte le conformazioni E (trans). Questo perchè in quelle forme il gruppo metilico (CH3) sulla porzione lineare della molecola non compete per lo spazio. Esistono comunque isomeri cis (Z) in ambienti naturali sui carboni 9,13 e 15.

3) è possibile pensare a conformeri molto numerosi perchè la struttura della molecola fa immaginare barriere di potenziale significative (e che si diversificano per il loro spettro Raman[Kaczor et al. vedi approfondimenti]).

4) e infine in natura le astaxantine sono quasi sempre esterificate sugli idrossili dei gruppi in posizione 3 e 3′ oppure sono legate a specifiche proteine.

Tutte queste possibilità si verificano in natura (e in laboratorio) e comportano quindi la necessità di parlare al plurale: le astaxantine. Vediamone alcune.

Le astaxantine sintetiche sono una miscela dei tre isomeri 3S-3S’, 3S-3R’ e 3R-3R’, nel rapporto rispettivo 1:2:1 e non sono esterificate, tutti gli isomeri geometrici sono E .

La principale sorgente di astaxantina è l’alga  Haematococcus pluvialis (qui rappresentata) , nella quale l’astaxantina si trova come stereoisomero 3S,3′S. L’ Astaxantina di H. pluvialis è principalmente un monoestere (~80%) e un  diestere (~15%); gli acidi grassi più frequenti  sono C18:1 e C20:0 (ossia catena di 18 o 20 atomi di carbonio con rispettivamente 1 o nessun doppio legame) .

Nella trota iridea o arcobaleno invece si sono trovate significative quantità delle astaxantine cis (Z).

Come molti carotenoidi, l’astaxantina è un pigmento fortemente colorato, solubile nei grassi. Questo colore è dovuto all’estesa catena di doppi legami coniugati (ossia legami alternati singoli e doppi) presenti al centro della molecola. Questa catena di doppi legami coniugati è anche responsabile della funzione antiossidante della astaxantina (e anche degli altri carotenoidi) poichè produce una regione molecolare dove gli elettroni possono essere donati per ridurre le molecole ossidanti più reattive.

Comunque la estrema variabilità della astaxantina e la possibilità di interconversione fra le varie forme nei diversi ambienti è un argomento importante quando si analizza il potenziale ruolo di antiossidante di questa molecola e i suoi usi alimentari o medici nell’uomo, un argomento ancora tutto da comprendere bene, nonostante i numerosi lavori già pubblicati in proposito; anche perchè alcuni tipi di radicali, ad esempio, sono estremamente utili per le nostre funzioni corporee (basti pensare alle molteplici funzioni fisiologiche di NO).

Lo studio condotto dall’università di Verona insieme al Politecnico di Milano e all’Istituto italiano di tecnologia ha permesso di comprendere i motivi che stanno alla base della bassa produttività osservata in colture di alghe che producono astaxantina.

Ritardare o inibire i processiossidativi nel nostro organismo è fondamentale per allontanare infiammazioni, malattie degenerative e per mantenersi giovani. La molecola naturale maggiormente ricca di proprietà antiossidanti è l’astaxantina, un pigmento prodotto da microalghe fotosintetiche che si ritrova poi in diversi organismi tra cui pesci e crostacei che si nutrono di queste microalghe. Oggi la produzione di questa molecola richiede costi elevati da parte del mondo industriale perché è possibile ottenerla in quantità molto basse.

Ora però si apre una nuova frontiera. La prestigiosa rivista Scientific Reports del gruppo Nature ha pubblicato un importante studio che svela i motivi alla base della bassa produttività di questa molecola osservata in colture di alghe. La ricerca è coordinata da Matteo Ballottari, docente di fisiologia vegetale dell’Università di Verona e realizzata insieme al Politecnico di Milano e al Center for Nano Science and Technology dell’Istituto italiano di tecnologia (CNST – IIT Milano). I risultati ottenuti permettono di delineare innovative strategie biotecnologiche per aumentare significativamente la produzione di astaxantina in microalghe o ingegnerizzare piante superiori per produrre questo pigmento.

L’astaxantina è un pigmento di elevato interesse industriale con applicazioni che vanno dalla produzione di mangimi per pesci per ottenere la desiderata colorazione rossa, alla cosmetica e nutraceutica grazie al suo forte potere antiossidante. L’astaxantina è, infatti, tra le molecole naturali con il potere antiossidante più forte e, per questo motivo, sono in via di studio applicazioni di questa molecola come agente anti-tumorale, anti-infiammatorio e per la protezione della pelle dai raggi UV.

La produzione industriale di astaxantina si basa essenzialmente sulla coltivazione in “fotobioreattori” (contenitori chiusi esposti alla luce del sole) di Haematococcus pluvialis, una microalga di acqua dolce che accumula alti livelli di astaxantina (fino al 5% della biomassa prodotta) in condizioni di “stress” quando, cioè, le cellule si trovano a dover fronteggiare condizioni avverse come alta temperatura, carenze nutrizionali o alta salinità. La resa complessiva di astaxantina tramite coltivazione di microalghe è tuttavia molto bassa: per questo motivo il suo prezzo sul mercato può raggiungere anche diverse migliaia di euro al chilogrammo.

Lo studio ha permesso di comprendere i motivi che stanno alla base della bassa produttività osservata in colture di alghe che producono astaxantina. “Questa molecola – spiega Ballottari – ha, infatti, una duplice funzione; da un lato protegge il DNA della cellula da possibili danneggiamenti, dall’altro si lega alle componenti cellulari responsabili della fotosintesi nell’alga destabilizzandoli, abbassando così la capacità di utilizzo dell’energia solare per la produzione di biomassa. I risultati che abbiamo ottenuto permettono ora di delineare innovative strategie biotecnologiche per aumentare significativamente la produzione di astaxantina in microalghe o ingegnerizzare piante superiori per produrre questo pigmento. In questo modo, l’obiettivo è quello di rendere l’utilizzo di astaxantina più accessibile per le varie applicazioni, considerando soprattutto l’importanza di questa molecola per la salute umana”.

ENGLISH

Usually we talk about astaxanthin in the singular, but we will soon see that this is not entirely correct as this molecule with singular features is presented both in nature and in the laboratory with various faces and this is born of much of his interest.

It is one of the two groups of molecules in which carotenoids can be divided, ie those about 600 different organic pigments, produced by plants, with a tetra-terpenoid structure, then produced starting from isoprene and containing about 40 atoms. of carbon. How do I get to this calculator?

In fact, given that they are considered hemiterpenes the molecules constituted by a single isoprenic unit and monoterpene those constituted by 2, a tetraterpene consists of 8 isoprenic units for a total of precisely 40 carbon atoms.

The carotenoid group is divided into xanthophylls (which contain oxygen heteroatoms) and carotenes, with a hydrocarbon structure. The carotenoids we all know because they are the molecules that give the leaves the characteristic autumn color when the shares of chlorophyll start to decrease. We can also imagine them as lycopene derivatives.

In plants, carotenoids have the role of absorbing light at different wavelengths from those of chlorophyll and protecting chlorophyll from oxidation; in animals, as for example in humans, they have or may have, the role of vitamins and in general of antioxidants and as such have become famous and appetites from the market of chemical products; moreover, once assimilated they retain their color and therefore they are widely used by animals to color their liveries or give colored signals to their congeners and to the rest of the world.

Astaxanthines are part of the xanthophyll group, so they are tetraterpenes that contain oxygen atoms and with strong antioxidant properties.

1) in the two six-section rings at the ends there are two chiral C atoms, those that carry the hydroxyl group in position 3 and 3 '; this immediately means that there are at least three different types of astaxantine that on that atom can be S or R: therefore we will have three possible combinations, of which the one with the two atoms with opposite configurations does not possess optical activity; the one shown here is the 3S, 3S 'astaxanthin.

2) atoms with double bonds can assume cis and trans configurations or as Z or E is called modernly. This involves a very high number of possible geometric isomers. The thermodynamically more stable form of the molecule is the one with all the conformations E (trans). This is because in those forms the methyl group (CH3) on the linear portion of the molecule does not compete for space. However, cis (Z) isomers exist in natural environments on the carbons 9.13 and 15.

3) it is possible to think of very numerous conformers because the molecule's structure makes it possible to imagine significant potential barriers (and which are differentiated by their Raman spectrum [Kaczor et al. See further information]).

4) and finally, in nature, astaxanthines are almost always esterified on the hydroxyl groups in positions 3 and 3 'or are linked to specific proteins.

All these possibilities occur in nature (and in the laboratory) and therefore involve the need to speak in the plural: the astaxantine. Let's see some of them.

Synthetic astaxanthins are a mixture of the three isomers 3S-3S ', 3S-3R' and 3R-3R ', in the respective ratio 1: 2: 1 and are not esterified, all geometrical isomers are E.

The main source of astaxanthin is the algae Haematococcus pluvialis (shown here), in which astaxanthin is a 3S, 3'S stereoisomer. The astaxanthin of H. pluvialis is mainly a monoester (~ 80%) and a diester (~ 15%); the most frequent fatty acids are C18: 1 and C20: 0 (ie chain of 18 or 20 carbon atoms with 1 or no double bonding respectively).

In the rainbow or rainbow trout, on the other hand, significant amounts of astaxanthine cis (Z) were found.

Like many carotenoids, astaxanthin is a highly colored, fat-soluble pigment. This color is due to the extended chain of conjugated double bonds (ie single and double alternating bonds) present at the center of the molecule. This chain of conjugated double bonds is also responsible for the antioxidant function of astaxanthin (and also other carotenoids) as it produces a molecular region where electrons can be donated to reduce the most reactive oxidizing molecules.

However, the extreme variability of astaxanthin and the possibility of interconversion between the various forms in different environments is an important topic when analyzing the potential role of antioxidant of this molecule and its food or medical uses in humans, a topic still to be understood well , despite the numerous works already published in this regard; also because some types of radicals, for example, are extremely useful for our bodily functions (just think of the multiple physiological functions of NO).

The study conducted by the University of Verona together with the Polytechnic of Milan and the Italian Institute of Technology has made it possible to understand the reasons underlying the low productivity observed in algae cultures that produce astaxanthin.

Delaying or inhibiting oxidative processes in our body is essential to remove inflammation, degenerative diseases and to keep young. The natural molecule most rich in antioxidant properties is astaxanthin, a pigment produced by photosynthetic microalgae that is then found in various organisms including fish and crustaceans that feed on these microalgae. Today the production of this molecule requires high costs from the industrial world because it is possible to obtain it in very low quantities.

But now a new frontier opens up. The prestigious journal Scientific Reports of the Nature group has published an important study that reveals the reasons behind the low productivity of this molecule observed in algae cultures. The research is coordinated by Matteo Ballottari, professor of plant physiology at the University of Verona and realized together with the Milan Polytechnic and the Center for Nano Science and Technology of the Italian Institute of Technology (CNST - IIT Milan). The results obtained allow us to outline innovative biotechnological strategies to significantly increase the production of astaxanthin in microalgae or to engineer higher plants to produce this pigment.

Astaxanthin is a pigment of high industrial interest with applications ranging from the production of fish feed to obtain the desired red color, to cosmetics and nutraceuticals thanks to its strong antioxidant power. In fact, astaxanthin is among the natural molecules with the strongest antioxidant power and, for this reason, applications of this molecule as an anti-tumor, anti-inflammatory agent and for the protection of the skin against UV rays are under study. .

The industrial production of astaxanthin is essentially based on the cultivation of "photobioreactors" (closed containers exposed to sunlight) of Haematococcus pluvialis, a freshwater microalgae that accumulates high levels of astaxanthin (up to 5% of the biomass produced) under "Stress" when, in other words, the cells are faced with adverse conditions such as high temperature, nutritional deficiencies or high salinity. However, the overall yield of astaxanthin by cultivating microalgae is very low: for this reason its price on the market can reach several thousand euros per kilogram.

The study made it possible to understand the reasons behind the low productivity observed in algae cultures that produce astaxanthin. "This molecule - explains Ballottari - has, in fact, a dual function; on the one hand it protects the DNA of the cell from possible damage, on the other it binds to the cellular components responsible for photosynthesis in the alga destabilizing them, thus lowering the ability to use solar energy for the production of biomass. The results we have obtained now allow us to outline innovative biotechnological strategies to significantly increase the production of astaxanthin in microalgae or to engineer higher plants to produce this pigment. In this way, the goal is to make the use of astaxanthin more accessible for the various applications, especially considering the importance of this molecule for human health ".

Da:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/una-alla-volta/astaxantine/

https://www.galileonet.it/2018/01/astaxantina-meccanismi-molecola-proprieta-antiossidanti/?utm_campaign=Newsatme&utm_content=Astaxantina%2C%2Bsvelati%2Bi%2Bmeccanismi%2Bdella%2Bmolecola%2Bdalle%2Bproprietà%2Bantiossidanti&utm_medium=news%40me&utm_source=mail%2Balert