Flavonoidi: definizione, struttura e classificazione

Flavonoidi: contenuti in breve

Che cosa sono i flavonoidi?

I flavonoidi sono i polifenoli più abbondanti nella dieta dell’uomo, rappresentandone circa i 2/3 di tutti i quelli assunti. Come gli altri fitochimici sono il prodotto del metabolismo secondario delle piante e, al momento, non è possibile stabilire precisamente il loro numero, anche se ne sono stati identificati oltre 4000.
Nella frutta e nella verdura si trovano generalmente in forma di glicosidi e in alcuni casi acilglicosidi, mentre meno frequentemente, ed in concentrazioni minori, in forme acilate, metilate e solfate.
Sono molecole idrosolubili e si accumula all’interno dei vacuoli cellulari.

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Struttura chimica dei flavonoidi

La loro struttura di base è costituita da uno scheletro di difenilpropano, ossia due anelli benzenici (indicati come A e B, vedi figura) collegati da una catena di tre atomi di carbonio che forma un anello piranico (anello eterociclico contenente ossigeno) chiuso con l’anello benzenico A, che è detto anello C. La loro struttura è pertanto definita anche come C6-C3-C6.

Struttura di Base dei Flavonoidi
Fig. 1 – Scheletro di Difenilpropano

Nella maggior parte dei casi l’anello B si lega all’anello C in posizione 2, ma può legarsi anche in posizione 3 o 4; questo, insieme con le caratteristiche strutturali dell’anello B e gli schemi di glicosilazione ed idrossilazione dei tre anelli, fa si che i flavonoidi siano il gruppo di fitochimici, quindi non solo di polifenoli, più ampio e diversificato presente in natura.
Le attività biologiche di questi composti, ad esempio sono dei potenti antiossidanti, dipendono sia dalle caratteristiche strutturali che dallo schema di glicosilazione.

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Classificazione dei flavonoidi

Sottogruppi di Flavonoidi
Fig. 2 – Sottogruppi di Flavonoidi

Possono essere suddivisi in diverse sottogruppi sulla base del carbonio dell’anello C su cui va a legarsi l’anello B, e del grado di insaturazione ed ossidazione dell’anello C.
I flavonoidi in cui l’anello B si lega in posizione 3 dell’anello C sono detti isoflavoni; quelli in cui l’anello B si lega in posizione 4 neoflavonoidi, mentre quelli in cui l’anello B si lega in posizione 2 a loro volta essere suddividi in sei sottogruppi sulla base delle caratteristiche strutturali dell’anello C: flavoni, flavonoli, flavanoni, flavanonoli, flavanoli o catechine ed antociani.
Infine, i flavonoidi con l’anello C aperto sono detti calconi.

  • Flavoni
    Hanno un doppio legame tra la posizione 2 e 3 ed un chetone in posizione 4 dell’anello C. La maggior parte dei flavoni della verdura e frutta presenta un gruppo idrossilico in posizione 5 dell’anello A, mentre l’idrossilazione in altre posizioni, per la maggior parte in posizione 7 dell’anello A o 3’ e 4’ dell’anello B, possono variare a seconda della classificazione tassonomica della particolare verdura o frutta.
    La glicosilazione si verifica per la maggior parte sulle posizione 5 e 7, la metilazione e l’acilazione sui gruppi idrossilici dell’anello B.
    Alcuni flavoni, come la nobiletina e la tangerina, sono polimetossilati.
  • Flavonoli
    I flavonoli rispetto ai flavoni presentano un gruppo ossidrilico in posizione 3 dell’anello C, gruppo ossidrilico che può essere anche glicosilato. Di nuovo, al pari dei flavoni, anche i flavonoli sono molto vari per quello che riguarda l’idrossilazione e la metilazione, e, considerando i vari schemi di glicosilazione, i sono forse il sottogruppo più comune ed ampio di flavonoidi nella frutta e verdura. Ad esempio, la quercetina è presente in moltissimi alimenti vegetali.
  • Flavanoni
    I flavanoni, anche detti diidroflavoni, hanno l’anello C saturo; quindi, a differenza dei flavoni, mancano del doppio legame tra le posizione 2 e 3 e questa è l’unica differenza strutturale tra i due sottogruppi di flavonoidi.I flavanoni possono essere multi-idrossilati, e diversi gruppi idrossilici possono essere metilati e/o glicosilati. Alcuni hanno modelli unici di sostituzione, ad esempio, flavanoni prenilati, furanoflavanoni, piranoflavanoni o flavanoni benzilati, dando un gran numero di derivati sostituiti.
    Negli ultimi 15 anni il numero dei flavanoni scoperti è notevolmente aumentato.
  • Flavanonoli
    I flavanonoli, anche detti diidroflavonoli, sono i 3-idrossi derivati dei flavanoni; sono un sottogruppo altamente diversificato e multisostituito.
  • Isoflavoni
    Come anticipato, gli isoflavoni sono flavonoidi in cui l’anello B si lega in posizione 3 dell’anello C. Hanno analogie strutturali con gli estrogeni, come l’estradiolo, e per questo sono anche detti fitoestrogeni.
  • Neoflavonoidi
    Nei neoflavonodi il gruppo B è legato in posizione 4 dell’anello C.
  • Flavanoli o flavan-3-oli o catechine
    I flavanoli sono detti anche flavan-3-oli poiché il gruppo ossidrilico è quasi sempre legato in posizione 3 dell’anello C; altro nome comune è catechine.
    A differenza di molti flavonoidi non presentano un doppio legame tra le posizione 2 e 3; altro carattere distintivo, ad es. rispetto ai flavanonoli, con cui condividono un ossidrile in posizione 3, è l’assenza di un carbonile, un gruppo chetonico, in posizione 4. Questa particolare struttura chimica permette ai flavanoli di avere due centri chirali nella molecola, sulle posizioni 2 e 3, quindi quattro possibili diastereoisomeri. La catechina è l’isomero con configurazione trans e la epicatechina è quello con configurazione cis. Ciascuna di queste due configurazioni ha due stereoisomeri, cioè, (+)-catechina e (-)-catechina, (+)-epicatechina e (-)-epicatechina.
    La (+)-catechina e (-)-epicatechina sono i due isomeri spesso presenti nelle piante commestibili.
    Un’altra importante caratteristica dei flavanoli, in particolare della catechina e della epicatechina, è quella di formare polimeri, detti proantocianidine o tannini condensati. Il nome “proantocianidine” deriva dal fatto che un clivaggio acido catalizzato produce antocianidine.
    Le proantocianidine in genere contengono da 2 a 60 monomeri di flavanolo (catechina o epicatechina).
    Sia i flavanoli monometrici che quelli oligomerici (da 2 a 7 monomeri) sono potenti antiossidanti.
  • Antocianidine
    Chimicamente, le antocianidine sono cationi di flavilio e per la maggior parte si trovano come sali di cloruro.
    Le antocianine o antociani sono i glicosidi delle antocianidine; lo zucchero si lega per la maggior parte dei casi in posizione 3 dell’anello C, zucchero che spesso si coniuga con acidi fenolici come l’acido ferulico.
    Sono l’unico gruppo di flavonoidi che conferisce colore ai vegetali (tutti gli altri flavonoidi sono privi di colore). Il colore degli antociani dipende dal pH e dall’acilazione o metilazione dei gruppi idrossilici sugli anelli A e B.
  • Calconi
    I calconi ed i diidrocalconi vengono considerati flavonoidi con struttura aperta; sono classificati tra i flavonoidi in quanto hanno vie di sintesi simili.

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Bibliografia

de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010

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Manach C., Scalbert A., Morand C., Rémésy C., and Jime´nez L. Polyphenols: food sources and bioavailability. Am J Clin Nutr 2004;79(5):727-47 [Abstract]

Tsao R. Chemistry and biochemistry of dietary polyphenols. Nutrients 2010;2:1231-1246. doi:10.3390/nu2121231

Polifenoli: definizione, struttura e classificazione

Polifenoli: contenuti in breve

Che cosa sono i polifenoli?

I polifenoli sono uno dei più importanti e sicuramente il più numeroso tra i gruppi di sostanze fitochimiche presenti nel regno vegetale.
Attualmente sono note oltre 8000 strutture fenoliche, di cui più di 4000 appartenenti alla classe dei flavonoidi, e diverse centinaia sono presenti nei vegetali commestibili. Si ritiene però che il contenuto totale dei polifenoli nei vegetali sia sottostimato in quanto molti dei composti fenolici presenti nella frutta, verdura e derivati non sono stati ancora  identificati, sfuggendo alle tecniche di analisi utilizzate, e la composizione in polifenoli per la maggior parte dei frutti e alcune varietà di cereali non è ancora nota.

Queste molecole sono presenti in molti vegetali commestibili sia per gli uomini che per gli animali e si ritiene che sia alla loro presenza, insieme a quella di altre molecole come i carotenodi, la vitamina C o la vitamina E, che si debbano gli effetti salutari di frutta e verdura.
Nella dieta umana sono gli antiossidanti naturali più abbondanti, e le principali fonti sono frutta, verdura, cereali integrali, ma anche altri tipi di alimenti e bevande da essi derivati come il vino rosso, ricco di resveratrolo, l’olio extravergine di oliva, ricco di idrossitirosolo, il cioccolato e il tè, in particolare il tè verde, ricco di epigallocatechina gallato (EGCG).

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Struttura chimica dei polifenoli

Con il termine di polifenoli si indica una grande varietà di molecole che possono essere suddivise in molte sottoclassi, suddivisioni che possono essere fatte sulla base della loro origine, funzione biologica svolta o struttura chimica.
Chimicamente sono composti con caratteristiche strutturali fenoliche, che si possono associare a carboidrati differenti.

Polifenoli: Scheletro Fenolico
Fig. 1 – Fenolo

Nelle piante la maggior parte si trova legata a zuccheri, e quindi in forma di glicosidi, e ad acidi organici; in entrambe i casi i sostituenti si possono posizionare in posizioni differenti sugli scheletri polifenolici.
Tra i polifenoli si trovano molecole semplici, come gli acidi fenolici, o strutture complesse come i tannini condensati, molecole altamente polimerizzate.

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Classificazione dei polifenoli

Possono essere suddivisi in diverse sottoclassi in base al numero di anelli fenolici presenti nella loro struttura, agli elementi strutturali che legano questi anelli tra di loro, e ai sostituenti legati agli anelli.

Polifenoli: Struttura di Base dei Flavonoidi
Fig. 2 – Struttura di Base dei Flavonoidi

Possono quindi essere individuati due grandi gruppi: i flavonoidi ed i non flavonoidi.
I flavonoidi, che condividono una struttura formata da due anelli aromatici, indicati come A e B, legati insieme da 3 atomi di carbonio che formano un eterociclo ossigenato, l’anello C, possono essere ulteriormente suddivisi in 6 sottoclassi principali, in funzione del tipo di eterociclo coinvolto (l’anello C):

Tra i polifenoli non flavonoidi si individuano:

  • fenoli semplici
  • acidi fenolici
  • aldeidi benzoiche
  • tannini idrolizzabili
  • acetofenoni e acidi fenilacetici
  • acidi idrossicinnamici
  • cumarine
  • benzofenoni
  • xantoni
  • stilbeni
  • lignani
  • secoiridoidi

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Variabilità del contenuto in polifenoli dei prodotti vegetali

Anche se diverse classi di molecole fenoliche, come la quercetina (un flavonolo), si trovano nella maggior parte dei cibi vegetali (tè, vino, cereali, legumi, frutta, succhi di frutta, ecc.) altre classi si trovano solo in un particolare tipo di cibo (ad es. i flavanoni negli agrumi, gli isoflavoni nella soia, la florizina nelle mele, ecc.).

Polifenoli: Quercetina
Fig. 3 – Quercetina

Tuttavia in natura è comune che diversi tipi di polifenoli si trovino nello stesso prodotto; e tale è il caso delle mele che contengono flavanoli, acido clorogenico, acidi idrossicinnamici, glicosidi della floretina, glicosidi della quercetina e antociani.
La composizione in polifenoli può essere influenzata anche da altri parametri come il grado di maturazione al momento del raccolto, fattori ambientali, la lavorazione, sia casalinga che industriale, la conservazione e la varietà vegetale.
Dai dati attualmente disponibili sembra che i frutti con il contenuto più alto in polifenoli siano le fragole, i litchi e l’uva, mentre le verdura con concentrazione maggiore sono i carciofi, il prezzemolo e i cavoletti di Bruxelles. Meloni ed avocado hanno le concentrazioni più basse.

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Bibliografia

de la Rosa L.A., Alvarez-Parrilla E., Gonzàlez-Aguilar G.A. Fruit and vegetable phytochemicals: chemistry, nutritional value, and stability. 1th Edition. Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010

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Tsao R. Chemistry and biochemistry of dietary polyphenols. Nutrients 2010;2:1231-1246. doi:10.3390/nu2121231

Glicogeno: un deposito efficiente di energia in condizioni aerobiche

In condizioni aerobiche, qual è il ricavo energetico netto dall’ossidazione di una molecola di glucosio liberata dal glicogeno?

Condizioni Aerobiche: Struttura del Glicogeno
Fig. 1 – Struttura del Glicogeno

In condizioni aerobiche, l’ossidazione del glucosio libero a CO2 e H2O (glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa) porta alla produzione netta di circa 30 molecole di ATP.

Glucosio dall’azione della glicogeno fosforilasi: rilascio di glucosio-1-fosfato (circa il 90% delle unità rimosse).

La sintesi del glicogeno dal glucosio libero costa due molecole di ATP per ogni molecola immagazzinata; una molecola di glucosio-1-fosfato è rilasciata nella reazione catalizzata dalla glicogeno fosforilasi, con recupero/risparmio di una delle due molecole di ATP precedentemente utilizzate.
Quindi in condizioni aerobiche, l’ossidazione del glucosio a partire da glucosio-6-fosfato e non da glucosio libero produce 31 molecole di ATP e non 30 (un ATP anziché due è speso nella fase di attivazione; 30 ATP sono prodotti durante il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa: 31 ATP guadagnati).
Il rapporto netto tra spesa e guadagno è di 1/31 (una conservazione dell’energia di circa il 97%).
La reazione complessiva è:

glicogeno(n residui di glucosio) + 31 ADP + 31 Pi → glicogeno(n-1 residui di glucosio) + 31 ATP + 6 CO2 + 6 H2O

Combinando la sintesi del glicogeno, la sua degradazione ed infine l’ossidazione del glucosio a CO2 e H2O si ottengono 30 molecole di ATP per unità di glucosio immagazzinata, ossia la reazione complessiva è:

Glucosio + 29 ADP + 30 Pi → 29 ATP + 6 CO2 + 6 H2O

Glucosio dall’azione dell’enzima deramificante: rilascio di glucosio libero (circa il 10% delle unità rimosse).

La resa netta in ATP tra la sintesi e la degradazione del glicogeno è di due molecole di ATP spese in quanto viene rilasciato glucosio libero.
In questo caso l’ossidazione del glucosio ha inizio dalla molecola non prefosforilata e quindi si ottengono 30 molecole di ATP.
Il rapporto netto tra spesa e guadagno è 2/30 (una conservazione dell’energia di circa il 93,3%).
Considerando l’ossidazione a CO2 e H2O delle unità di glucosio provenienti dal glicogeno si ha una conservazione dell’energia pari a:

1-(((1/31)*0,9)+((2/30)*0,1))=0,9643

Conclusioni

In condizioni aerobiche, nella molecola del glicogeno c’è la conservazione di circa il 97% dell’energia, una forma estremamente efficiente di deposito dell’energia.

Bibliografia

Arienti G. “Le basi molecolari della nutrizione”. Seconda edizione. Piccin, 2003

Cozzani I. and Dainese E. “Biochimica degli alimenti e della nutrizione”. Piccin Editore, 2006

Giampietro M. “L’alimentazione per l’esercizio fisico e lo sport”. Il Pensiero Scientifico Editore, 2005

Mahan LK, Escott-Stump S.: “Krause’s foods, nutrition, and diet therapy” 10th ed. 2000

Mariani Costantini A., Cannella C., Tomassi G. “Fondamenti di nutrizione umana”. 1th ed. Il Pensiero Scientifico Editore, 1999

Nelson D.L., M. M. Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 4th Edition. W.H. Freeman and Company, 2004

Stipanuk M.H.. “Biochemical and physiological aspects of human nutrition” W.B. Saunders Company-An imprint of Elsevier Science, 2000