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Lignani: chimica, biosintesi, fonti e benefici

Dr. Nicola Tazzini

I lignani sono un ampio e diversificato sottogruppo di polifenoli non flavonoidi.[1][2]

La struttura chimica di base è quella di dimeri di difenilpropano legati da un legame covalente carbonio-carbonio. Come gli altri polifenoli, anche i lignani derivano dal metabolismo secondario delle piante, e nello specifico, dalla via dell’acido schikimico.[3][4]

Sono ampiamente distribuiti nel regno vegetale, in differenti organi e tessuti, dove svolgono funzioni difensive.[5][6]

I lignani sono presenti in differenti tipi di frutta, verdura, cereali integrali in concentrazioni relativamente basse, e in concentrazioni decisamente maggiori nei semi di sesamo e di lino. Sono presenti anche in bevande come vino, tè e caffè.[7][8]

Una volta ingeriti, i lignani sono sottoposti all’azione dei meccanismi digestivi e, in particolare nel colon a opera del microbiota intestinale, subiscono modifiche chimiche che ne aumentano la biodisponibilità, favorendo il successivo assorbimento da parte dei colonociti.[9]

I lignani sono molecole organiche in grado di esercitare effetti positivi nella prevenzione di patologie croniche correlate allo stile di vita.[10][11][12]

In Sintesi: Punti Chiave

  • Definizione e struttura chimica: i lignani sono polifenoli non flavonoidi derivati dai fenilpropanoidi, costituiti da dimeri legati da un legame carbonio-carbonio. Si suddividono in lignani, neolignani e norlignani.
  • Biosintesi e stereoselettività: la sintesi prevede la conversione in monolignoli e la successiva dimerizzazione, stereoselettivamente guidata.
  • Funzione ecologica: nelle piante agiscono come metaboliti difensivi contro stress biotici e abiotici.
  • Fonti alimentari: sono diffusi nel mondo vegetale ma concentrati soprattutto in semi di sesamo e di lino e nei rispettivi oli.
  • Metabolismo e microbiota: resistenti alla digestione gastrica e parzialmente a quella tenue, vengono trasformati dal microbiota intestinale in enterolignani bioattivi, dotati di maggiore biodisponibilità.
  • Effetti sulla salute: studi in vitro, animali ed epidemiologici evidenziano il potenziale ruolo coadiuvante dei lignani nella prevenzione di patologie cronico-degenerative.

Indice

Struttura chimica

La struttura chimica di base dei lignani, metaboliti vegetali secondari, si compone di due unità di fenilpropano, ossia un nucleo aromatico cui è legata una catena a tre atomi di carbonio, legate attraverso un legame carbonio-carbonio che si stabilisce principalmente tra gli atomi centrali delle rispettive catene laterali (posizione 8 o β), legame anche detto β-β’. Questi composti sono anche definiti “lignani classici”.
Meno frequentemente si osservano legami 3-3’, 8-O-4’, o 8-3’; in questi casi i dimeri sono definiti neolignani, molecole che presentano strutture più variegate rispetto ai lignani classici.
Una terza classe è rappresentata dai norlignani, lignani che sono privi di uno o più atomi di carbonio.[2]

La loro struttura chimica può quindi essere indicata come (C6–C3)2 e pertanto, al pari degli acidi idrossicinnamici da cui derivano, appartengono alla classe dei fenilpropanoidi.

Rappresentazione dell’Unità di Fenilpropano, dei Lignani, Neolignani e Norlignani

Nota: Haworth R.D. nei primi anni ’40 coniò il termine “lignano” proprio per descrivere la struttura di un fenilpropanoide dimerico formato da due unità C6-C3 legate tra loro in corrispondenza del C8.[13]

Sulla base dello scheletro carbonioso, del pattern di ciclizzazione, di solito in forma di dimeri, ma alcuni anche come trimeri o tetrameri, e del modo in cui l’ossigeno è incorporato nello scheletro della molecola, sono suddivisi in 8 sottogruppi: furani, furofurani, dibenzilbutani, dibenzilbutirrolattoni, dibenzocicloottadieni, dibenzilbutirrolattoli, ariltetraline e arilnafatleni. In aggiunta esiste una notevole variabilità riguardo i livelli di ossidazione delle catene laterali propiliche e di entrambi gli anelli aromatici.[5]

In natura molti sono presenti in forma libera, sebbene alcuni possano essere legati ad altre molecole, in genere glicosilati, ma anche altri derivati.[14]

Biosintesi

I lignani sono uno dei prodotti del metabolismo secondario delle piante, ossia di quelle vie metaboliche che portano alla sintesi di molecole organiche non essenziali per la crescita, la riproduzione e lo sviluppo, come carboidrati, proteine e acidi nucleici, ma fondamentali per l’interazione con l’ambiente circostante, quindi per la sopravvivenza.[3]

Nello specifico, questi fitochimici derivano dalla via dell’acido schikimico, previa conversione, attraverso passaggi successivi, e quindi del corismato in acido trans-cinnamico attraverso la deaminazione della fenilalanina nella reazione catalizzata dalla fenilalanina ammoniaca-liasi(EC 4.3.1.24). Sono di seguito prodotti gli acidi idrossicinnamici p-cumarico, caffeico, ferulico e sinapico. Con l’esclusione dell’acido caffeico, gli altri sono i punti di partenza per la sintesi di alcuni tra i lignani più comuni.[6][15]

Schema delle Vie di Sintesi dei Lignani

Le prime tre reazioni riducono i gruppi carbossilici degli idrossicinnamati a gruppi alcolici, con formazione dei monolignoli, ossia l’alcol p-cumarilico, l’alcol sinapilico e l’alcol coniferilico, molecole che entrano anche nella biosintesi della lignina.

Dimerizzazione

Il passaggio successivo, la dimerizzazione, comporta l’intervento di meccanismi stereoselettivi, o più precisamente enantioselettivi. Infatti, la maggior parte dei lignani delle piante esiste in forma di (+)- o (–)-enantiomeri, ossia isomeri dotati di almeno un centro di chiralità, le cui quantità relative possono variare da specie a specie, ma anche all’interno di organi differenti della stessa pianta, a seconda del tipo di reazioni coinvolte.[16]

La dimerizzazione può essere ottenuta attraverso reazioni catalizzate da laccasi (EC 1.10.3.2), enzimi  che catalizzano la formazione di radicali i quali, dimerizzando, creano una miscela racemica. Il meccanismo più accreditato per spiegare la sintesi stereospecifica chiama in causa l’azione delle laccasi e di una proteina capace dirigere la sintesi verso una o l’altra delle due forme enantiomeriche: la proteina dirigente. Lo schema di reazione potrebbe essere il seguente: l’enzima forma i radicali che sono orientati dalla proteina dirigente in modo da ottenere l’accoppiamento stereospecifico desiderato.[17]

Formula di Struttura del (–)-Matairesinolo

Ad esempio, la pinoresinolo sintetasi, composta da laccasi e proteina dirigente, catalizza la sintesi stereoselettiva del (+)-pinoresinolo a partire da due residui di alcol coniferilico. Di seguito il (+)-pinoresinolo, in due reazione stereospecifiche consecutive catalizzate dalla pinoresinolo/lariciresinolo reduttasi NADPH-dipendente (EC 1.23.1.1), viene dapprima ridotto a (+)-lariciresinolo e poi a (–)-secoisolariciresinolo. Il (–)-secoisolariciresinolo, nella reazione catalizzata dalla secoisolariciresinolo deidrogenasi NAD(P)-dipendente (EC 1.1.1.331), è quindi ossidato a (–)-matairesinolo.[5]

Funzioni nelle piante

I lignani, come altri polifenoli,  svolgono importanti funzioni nelle piante, sebbene con attività biologiche differenti e spazio-temporalmente distinte.[6] Presenti in parti diverse, come semi, rizomi, radici, resine, foglie e frutti, hanno essenzialmente funzione difensiva, in risposta a lesioni, attacchi fungini e batterici, e a stress abiotici come temperature estreme, siccità, salinità, metalli pesanti e radiazioni UV.[18][19]

Fonti alimentari

I lignani sono ampiamente diffusi negli alimenti di origine vegetale, sebbene in quantità molto differenti, con le principali fonti rappresentate da alcuni semi oleosi e i relativi oli. Sono presenti in quantità minime anche in bevande quali vino, tè e caffè. Tra i più abbondanti si ritrovano il lariciresinolo, il matairesinolo, il pinoresinolo e il secoisolariciresinolo, seguiti dal medioresinolo, siringaresinolo e sesamina.[20]

Formula di Struttura del (–)-Secoisolariciresinolo

Semi oleosi

Tra semi oleosi e gli oli derivati, i più ricchi in lignani sono i semi di lino, (Linum usitatissimum), i semi di sesamo (Sesamum indicum) e gli anacardi (Anacardium occidentale).
I semi di sesamo e di lino sono  in assoluto le fonti più ricche, rispettivamente con concentrazioni di ≈ 285 mg/100 g e 775 mg/100 g. Concentrazioni superiori si ritrovano nei corrispettivi oli, con l’olio di sesamo che arriva a ≈ 1250 mg/100 g prodotto; in confronto, l’olio di oliva extravergine, pietra angolare della dieta mediterranea, ne contiene ≈ 1 mg/100 g, mentre l’olio di girasole circa 1,5 mg/100 g.[21]

Cereali

Nei cereali sono concentrati in misura maggiore negli strati esterni del chicco e sono molto meno abbondanti nell’endosperma. Ne consegue che i cereali integrali sono più ricchi in lignani rispetto a quelli raffinati.
Tra i più ricchi si ritrovano la segale (Secale cereale), il frumento (Triticum aestivum), l’avena (Avena sativa) e il triticale (×Triticosecale).[8]

Verdura e frutta

Tra le verdure, le fonti più ricche e con una forte variabilità interna sono le Crucifere (famiglia Brassicaceae), il cui profilo è dominato in particolare da alte concentrazioni di lariciresinolo. Broccoli, cavolo riccio, cavoletti di Bruxelles, cavolo bianco/rosso/crauti, e cavolfiore ne contengono rispettivamente ≈ 95 mg/100 g, 60 mg/100 g, 50 mg/100 g, 20 mg/100 g e 9,5 mg/100 g.
Le altre verdure hanno un contenuto di lignani decisamente più basso, anche inferiore a 0,1 mg/100 g.[21]

I frutti hanno un contenuto in lignani inferiore rispetto alle verdure, contenuto che varia da ≈ 11 mg/100 g per le albicocche, fino a zero per le banane.[7]

Bevande

Nelle bevande, alcoliche come vino e birra, e non alcoliche come té verde, caffè o tè nero, i lignani sono spesso presenti sebbene in concentrazioni ben inferiori al 0,1 mg/100 g.[22]

Principali fonti alimentari di lignani: concentrazioni e caratteristiche
Fonte alimentare Principali lignani rappresentati Concentrazione media indicativa Classe di alimenti Note biochimiche e nutrizionali
Semi di lino (Linum usitatissimum) Secoisolariciresinolo, lariciresinolo ≈ 775 mg / 100 g Semi oleosi La fonte vegetale in assoluto più ricca; elevato contenuto di precursori degli enterolignani.
Semi di sesamo (Sesamum indicum) Sesamina, sesamolina, pinoresinolo ≈ 285 mg / 100 g Semi oleosi Contenuto eccezionalmente alto; concentrazioni massime rilevate nei rispettivi oli derivati (≈ 1250 mg/100 g).
Cereali integrali Lariciresinolo, pinoresinolo, secoisolariciresinolo Variabile (concentrati negli strati esterni) Cereali e derivati Presenti in misura maggiore nei tegumenti esterni del chicco; ridotti drasticamente nei prodotti raffinati.
Crucifere Lariciresinolo, pinoresinolo Da ≈ 9,5 a ≈ 95 mg/100 g Verdura (Brassicaceae) Rappresentano la principale fonte tra le verdure, con profili dominati da alte concentrazioni di lariciresinolo.

Lignani e microbiota intestinale

I fitochimici assunti con l’alimentazione, quindi carotenoidi, polifenoli e glucosinolati, sono, al pari della maggior parte delle altre molecole presenti nei cibi, soggetti all’azione dei meccanismi digestivi, quindi acidi gastrici ed enzimi, atti a favorire il loro rilascio o modifica che ne faciliti il successivo assorbimento intestinale.[23]

Il processo digestivo a carico dei lignani e dei loro glicosidi sembra non interessare la fase gastrica, nel corso della quale subiscono modifiche trascurabili.[9][24]

Una modesta deglicosilazione potrebbe avvenire nell’intestino tenue ad opera degli enzimi dell’orletto a spazzola. Tuttavia, le modifiche chimiche più importanti avvengono nel colon ad opera del microbiota intestinale, il “distretto” intestinale del più ampio microbiota umano. Dall’azione degli enzimi batterici, i lignani e i loro glicosidi sono metabolizzati, via deglicosilazioni, demetilazioni, deidrossilazioni e deidrogenazioni, enterolignani o lignani dei mammiferi, ossia enterodioli ed enterolattoni. Sono molecole con una struttura chimica simile a quella degli estrogeni, con una biodisponibilità maggiore rispetto ai loro precursori e una modesta attività estrogenica, analogamente agli isoflavoni.[4][20][25][26]

Enterodioli ed enterolattoni sono quindi assorbiti dai colonociti e coniugati all’acido glucoronico o ai solfati, per poi passare nel circolo enteroepatico, con picchi di comparsa dopo 12–24 ore per gli enterodioli e 24–36 ore per gli enterolattoni. Gli enterolignani sono escreti con le urine come monoglucuronidi, e in misura minore come diglucuronidi e solfati; enterolignani liberi sono escreti con le feci.[27]

Lignani e salute dell’uomo

I benefici per la salute associati al consumo di alimenti vegetali sono, almeno in parte, dovuti alla presenza dei fitochimici.

Studi in vitro e su animali hanno dimostrato che i lignani possiedono differenti attività biologiche, quali attività antinfiammatorie, antiossidanti, antitumorali, antibatteriche, antivirali e proprietà di agonismo/antagonismo estrogenico.[9][10][14][28]

Alcuni studi epidemiologici hanno evidenziato come, tra i polifenoli, il consumo di una dieta ricca in lignani sia associato alla riduzione del rischio di sviluppare numerose malattie croniche, come il diabete di tipo II, diversi tipi di tumore e le malattie cardiovascolari.[21]

Sebbene manchi la prova definitiva, sembra comunque ragionevole affermare che una dieta ricca in lignani sia coadiuvante nel ridurre la probabilità di insorgenza di numerose malattie cronico-degenerative.

Bibliografia

  1. ^ Andersen Ø.M., Markham K.R. Flavonoids: chemistry, biochemistry, and applications. 1st Edition. CRC Press Taylor & Francis Group, 2006. doi:10.1201/9781420039443.
  2. a b Berenshtein L., Okun Z., Shpigelman A. Stability and bioaccessibility of lignans in food products. ACS Omega 2024;9(2):2022-2031. doi:10.1021/acsomega.3c07636
  3. a b Wink M. Biochemistry of plant secondary metabolism – 2nd Edition. Annual plant reviews (v. 40), Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010.
  4. a b Satake H., Koyama T., Bahabadi S.E., Matsumoto E., Ono E., Murata J. Essences in metabolic engineering of lignan biosynthesis. Metabolites 2015;5(2):270-90. doi:10.3390/metabo5020270.
  5. a b c d Heldt H-W., Heldt, F. Plant biochemistry. 3th Edition. Elsevier Academic Press, 2005.
  6. a b c Ražná K., Nôžková J., Vargaová A., Harenčár Ľ., Bjelková M. Biological functions of lignans in plants. Agriculture (Poľnohospodárstvo) 2021;67(4):155-165. doi:10.2478/agri-2021-0014
  7. a b Landete J.M. Plant and mammalian lignans: a review of source, intake, metabolism, intestinal bacteria and health. Food Res Int 2012;46(1) pag. 410-424. doi:10.1016/j.foodres.2011.12.023
  8. a b Durazzo A., Zaccaria M., Polito A., Maiani G., Carcea M. Lignan content in cereals, buckwheat and derived foods. Foods 2013;2(1):53-63. doi:10.3390/foods2010053
  9. a b c Baldi S., Tristán Asensi M., Pallecchi M., Sofi F., Bartolucci G., Amedei A. Interplay between lignans and gut microbiota: nutritional, functional and methodological aspects. Molecules 2023;28(1):343. doi:10.3390/molecules28010343
  10. ^ Peterson J., Dwyer J., Adlercreutz H., Scalbert A., Jacques P., McCullough M.L. Dietary lignans: physiology and potential for cardiovascular disease risk reduction. Nutr Rev 2010;68(10):571-603. doi:10.1111/j.1753-4887.2010.00319.x
  11. ^ Parikh M., Maddaford T.G., Austria J.A., Aliani M., Netticadan T., Pierce G.N. Dietary flaxseed as a strategy for improving human health. Nutrients 2019;11(5):1171. doi:10.3390/nu11051171
  12. ^ Jang W.Y., Kim M.Y., Cho J.Y. Antioxidant, anti-Inflammatory, anti-menopausal, and anti-cancer effects of lignans and their metabolites. Int J Mol Sci 2022;23(24):15482. doi:10.3390/ijms232415482
  13. ^ Haworth R. D. The chemistry of the lignan group of natural
    products. Journal of the Chemical Society (Resumed) 1942;21:448−56.
  14. a b Cui Q., Du R., Liu M., Rong L. Lignans and their derivatives from plants as antivirals. Molecules 2020;25(1):183. doi:10.3390/molecules25010183
  15. ^ Teponno R.B., Kusari S., Spiteller M. Recent advances in research on lignans and neolignans. Nat Prod Rep 2016;33(9):1044-92. doi:10.1039/c6np00021e
  16. ^ Touré A., Xueming X. Flaxseed lignans: source, biosynthesis, metabolism, antioxidant activity, bio-active components, and health benefits. Compr Rev Food Sci Food Saf 2010;9(3):261-269. doi:10.1111/j.1541-4337.2009.00105.x
  17. ^ Davin L.B., Lewis N.G. An historical perspective on lignan biosynthesis: monolignol, allylphenol and hydroxycinnamic acid coupling and downstream metabolism. Phytochem Rev 2003;2:257-288. doi:10.1023/B:PHYT.0000046175.83729.b5
  18. ^ Garros L., Drouet S., Corbin C., Decourtil C., Fidel T., Lebas de Lacour J., Leclerc E.A., Renouard S., Tungmunnithum D., Doussot J., Abassi B.H., Maunit B., Lainé É., Fliniaux O., Mesnard F., Hano C. Insight into the influence of cultivar type, cultivation year, and site on the lignans and related phenolic profiles, and the health-promoting antioxidant potential of flax (Linum usitatissimum L.) seeds. Molecules 2018;23(10):2636. doi:10.3390/molecules23102636
  19. ^ Ghotbzadeh Kermani S., Saeidi G., Sabzalian M.R., Gianinetti A. Drought stress influenced sesamin and sesamolin content and polyphenolic components in sesame (Sesamum indicum L.) populations with contrasting seed coat colors. Food Chem 2019;289:360-368. doi:10.1016/j.foodchem.2019.03.004
  20. a b Senizza A., Rocchetti G., Mosele J.I., Patrone V., Callegari M.L., Morelli L., Lucini L. Lignans and gut microbiota: an interplay revealing potential health implications. Molecules 2020;25(23):5709. doi:10.3390/molecules25235709
  21. a b c Rodríguez-García C., Sánchez-Quesada C., Toledo E., Delgado-Rodríguez M., Gaforio J.J. Naturally lignan-rich foods: a dietary tool for health promotion? Molecules 2019;24(5):917. doi:10.3390/molecules24050917
  22. ^ Milder I.E., Arts I.C., van de Putte B., Venema D.P., Hollman P.C. Lignan contents of Dutch plant foods: a database including lariciresinol, pinoresinol, secoisolariciresinol and matairesinol. Br J Nutr 2005;93(3):393-402. doi:10.1079/bjn20051371
  23. ^ Guyton A.C., Hall J.E. Textbook of medical physiology. 14th Edition. Philadelphia: Elsevier, 2021.
  24. ^ Fuentealba C., Figuerola F., Estévez A.M., Bastías J.M., Muñoz O. Bioaccessibility of lignans from flaxseed (Linum usitatissimum L.) determined by single-batch in vitro simulation of the digestive process. J Sci Food Agric 2014;94(9):1729-38. doi:10.1002/jsfa.6482
  25. ^ Fardet A. New hypotheses for the health-protective mechanisms of whole-grain cereals: what is beyond fibre? Nutr Res Rev 2010;23(1):65-134. doi:10.1017/S0954422410000041
  26. ^ Seyed Hameed A.S., Rawat P.S., Meng X., Liu W. Biotransformation of dietary phytoestrogens by gut microbes: a review on bidirectional interaction between phytoestrogen metabolism and gut microbiota. Biotechnol Adv 2020;43:107576. doi:10.1016/j.biotechadv.2020.107576
  27. ^ Setchell K.D., Brown N.M., Zimmer-Nechemias L., Wolfe B., Jha P., Heubi J.E. Metabolism of secoisolariciresinol-diglycoside the dietary precursor to the intestinally derived lignan enterolactone in humans. Food Funct 2014;5(3):491-501. doi:10.1039/c3fo60402k
  28. ^ Álvarez-Martínez F.J., Barrajón-Catalán E., Encinar J.A., Rodríguez-Díaz J.C., Micol V. Antimicrobial capacity of plant polyphenols against Gram-positive bacteria: a comprehensive review. Curr Med Chem. 2020;27(15):2576-2606. doi:10.2174/0929867325666181008115650
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