Salute umana e carotenoidi: quali benefici?

Carotenoidi e salute umana

carotenoidi fanno parte della categoria di composti bioattivi assunti con l’alimentazione, ossia molecole in grado di fornire protezione nei confronti di numerose patologie quali le malattie cardiovascolari, i tumori e la degenerazione maculare. Sono importanti anche per il corretto funzionamento del sistema immunitario, dunque essenziali per la salute umana.
Tra i meccanismi che sembrano essere alla base dei loro effetti sulla salute umana sono stati riportati (Olson, 1999, in Bibliografia):

  • l’azione di quencher dell’ossigeno singoletto;
  • lo scavenging dei radicali superossido e di specie reattive dell’azoto;
  • la modulazione del metabolismo dei carcinogeni;
  • l’inibizione della proliferazione cellulare;
  • l’aumento della risposta del sistema immunitario;
  • l’azione di filtro nei confronti della luce blu;
  • l’aumento della differenziazione cellulare (attraverso i retinoidi);
  • la stimolazione della comunicazione tra le cellule.

Attività antiossidante dei carotenoidi

Salute Umana e Carotenoidi
Fig. 1 – Radicale Libero

I carotenoidi, con l’adattamento degli organismi all’ambiente aerobico, e quindi alla presenza di ossigeno, hanno offerto protezione nei confronti del danno ossidativo da radicali liberi, in particolare ad opera dell’ossigeno singoletto, un potentissimo ossidante.
La stabilizzazione dell’ossigeno singoletto operata dai carotenoidi è sia di natura chimica che fisica:

  • l’azione di natura chimica comporta l’unione tra le due molecole;
  • in quella di natura fisica, il radicale trasferisce la sua energia di eccitazione al carotenoide, divenendo un radicale a bassa energia, mentre il carotenoide risulta eccitato. L’energia acquisita dal carotenoie è in seguito rilasciata in forma di calore nell’ambiente circostante e la molecola, che risulta intatta, può svolgere altri cicli di stabilizzazione.

La capacità dei carotenoidi di neutralizzare l’ossigeno singoletto è dovuta al sistema di doppi legami coniugati presente nella molecola, e la massima protezione è data da quei carotenoidi che posseggono nove o più doppi legami coniugati (ma sembra avere un ruolo anche la presenza nella molecola dell’ossigeno, come nelle xantofille).
I carotenoidi sono coinvolti non solo nella neutralizzazione dell’ossigeno singoletto, ma anche nello scavenging di altri specie reattive sia dell’ossigeno, come i radicali perossidici (contribuendo così alla riduzione della perossidazione lipidica) che dell’azoto, molecole che si generano durante il metabolismo aerobico ed i processi patologici.

Licopene, xantofille e salute umana

Il licopene, un carotene, la cantaxantina e la astaxantina, due xantofille presenti in cibi di origine animale, si sono dimostrati antiossidanti più efficaci rispetto al beta-carotene ma anche alla zeaxantina che, con la luteina, è implicata nella prevenzione della degenerazione maculare legata all’età.
Il licopene, oltre che agire sui radicali liberi dell’ossigeno, agisce come antiossidante anche sui radicali della vitamina E e della vitamina C, che si generano durante i processi antiossidanti in cui sono coinvolte, “riparandoli”.
Infine il licopene esercita la sua azione antiossidante anche indirettamente, inducendo la sintesi di enzimi coinvolti nella protezione nei confronti dell’azione dei radicali liberi dell’ossigeno ed altre specie elettrofile; gli enzimi in questione sono la superossido dismutasi, la glutatione S-transferasi e la chinone reduttasi (che fanno parte del sistema antiossidante di natura enzimatica).

Vitamina A e salute umana

La vitamina A (retinolo o beta-apo-15′-carotenale), la cui carenza colpisce oltre 100 milioni di bambini in tutto il mondo causando più di un milione di vittime e mezzo milione di casi di cecità, è un ben noto derivato di alcuni carotenoidi con moltissime funzioni biologiche, essendo essenziale per la crescita, la riproduzione, la vista, la funzione immune e la salute umana in generale.

Le principali fonti della vitamina A sono la vitamina preformata, presente in prodotti di origine animale (carne, uova, latte, ecc.), ed i carotenoidi con azione di provitamina A, presenti nella frutta e verdura, che rappresentano la principale fonte della vitamina nei paesi poveri.
Degli oltre 750 carotenoidi identificati in natura, solo una cinquantina hanno attività di provitamina A, e tra questi, il beta-carotene (all-trans-beta-carotene) è il precursore principale.
Tra gli altri carotenoidi, l’alfa-carotene, il gamma-carotene, la beta-criptoxantina l’alfa-criptoxantina, e il beta-carotene-5,6-epossido hanno circa la metà della bioattività del beta-carotene come precursori della vitamina A.

Salute Umana e Vitamina A
Fig. 2 – Attività di Provitamina A

Gli spinaci, le carote, le patate dolci (a pasta gialla) e le zucche sono alcuni vegetali ricchi di beta-carotene ed altri carotenoidi con azione di provitamina A.
I caroteni aciclici, come il licopene (il principale carotenoide presente nella dieta umana), e le xantofille, tranne le tre sopramenzionate (beta-criptoxantina, alfa-criptoxantina, e beta-carotene-5,6-epossido), non possono essere convertiti in vitamina A.

Bibliografia

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Funzioni dei carotenoidi nelle piante ed alimenti

I carotenoidi nel corso dell’evoluzione, grazie alle loro proprietà chimiche e fisiche uniche, si sono dimostrati molecole estremamente versatili, essendo in grado di svolgere molte funzioni sia nelle piante che negli animali.

Carotenoidi e fotosintesi

I carotenoidi, nelle prime fasi della comparsa degli organismi unicellulari fotosintetizzanti sono probabilmente serviti per l’assorbimento dell’energia luminosa a lunghezze d’onda differenti rispetto a quelle coperte dalla clorofilla.
Dunque i carotenoidi, agendo come pigmenti fotoassorbenti accessori, hanno permesso di espandere l’intervallo di radiazione solare assorbibile e quindi utilizzabile per la fotosintesi, energia che poi trasferiscono alla clorofilla stessa.
I principali carotenoidi coinvolti nell’assorbimento della luce, che si accumulano nei tessuti verdi delle piante, sono la luteina, il beta-carotene, la violaxantina e la neoxantina, che assorbono nell’intervallo tra 400 e 500 nanometri.
Inoltre proteggono la clorofilla dalla foto-ossidazione (nell’uomo possono concorrere alla protezione dal danno foto-ossidativo causato dai raggi UV, dunque agire come foto-protettori endogeni).

Carotenoidi e colori delle foglie in autunno

Carotenoidi e Colori delle Foglie delle Piante in AutunnoIl colore assunto nelle diverse stagioni dalle foglie delle piante caducifogli, verde, giallo, arancio o rosso, è dovuta alla presenza al loro interno di pigmenti naturali.
In primavera ed estate il pigmento presente in quantità maggiore nelle foglie è la clorofilla per cui il colore predominante è il verde.
Durante l’autunno il colore vira dal verde al giallo, arancio o rosso, a seconda del tipo di pianta: ciò è conseguenza del cambiamento, sia qualitativo che quantitativo, nel contenuto in pigmenti. Infatti, a seguito della diminuzione della temperatura e delle ore di luce, la produzione di clorofilla si interrompe e quella presente viene demolita in metaboliti privi di colore; in questo modo i pigmenti predominanti diventano i carotenoidi (giallo-arancio), molecole molto più stabili rispetto alla clorofilla, che quindi permangono nella foglia colorandola (non sembra siano sintetizzati de novo), e gli antociani (rosso-porpora), che a differenza dei carotenoidi non sono presenti durante la stagione di crescita ma sono sintetizzate in autunno, poco prima della caduta delle foglie. Si può quindi concludere che il colore rosso-porpora assunto dalle foglie di certi alberi non è un semplice effetto collaterale della senescenza bensì deriva da una sintesi de novo di antociani.
A seconda della prevalenza di carotenoidi o antociani il colore della foglia virerà dal verde al giallo/arancio, come nel Ginkgo biloba (giallo), o al rosso-porpora, come in alcuni aceri.

E le piante con foglie non verdi?
Il loro colore è dovuto non all’assenza di clorofilla bensì alla presenza di quantità molto elevate di altri pigmenti, in genere carotenoidi ed antociani, che “coprono” la clorofilla, determinando il colore della foglia.

Alcune funzioni degli apocarotenoidi nelle piante e negli alimenti

Questi carotenoidi ossigenati, formati da meno di 40 atomi di carbonio, svolgono molteplici funzioni nelle piante e negli animali e sono importanti anche per l’aroma ed il sapore dei cibi.
Di seguito alcune delle loro principali funzioni.

  • Hanno ruoli significativi nei segnali di risposta coinvolti nello sviluppo e nella risposta all’ambiente (come l’acido abscissico).
  • Possono fungere da segnali visivi o volatili per attirare gli agenti impollinatori.
  • Sono importanti nei meccanismi di difesa delle piante.
  • Hanno un ruolo nella regolazione dell’architettura vegetale.
  • Un apocarotenale, il trans-beta-apo-8’-carotenale, presente negli spinaci e agrumi, con una debole attività di pro-vitamina A, è utilizzato nella farmaceutica e cosmesi, ed è anche un additivo (E160e) legalizzato dalla Commissione europea per l’alimentazione umana.
  • Contribuiscono in modo importante al sapore e alla qualità nutrizionale di diversi tipi di alimenti quali frutta, tè, e vino. Due ben noti apocarotenoidi naturali, la bixina e la crocetina, hanno importanza economica come pigmenti e aromi negli alimenti.
  • Infine, una vasta gamma di apocarotenali sono prodotti da reazioni ossidative durante la lavorazione dei cibi e sono intermedi nella formazione di molecole più piccole, importanti per il colore e sapore del cibo.
Bibliografia

Archetti, M., Döring T.F., Hagen S.B., Hughes N.M., Leather S.R., Lee D.W., Lev-Yadun S., Manetas Y., Ougham H.J. Unravelling the evolution of autumn colours: an interdisciplinary approach. Trends Ecol Evol 2009;24(3):166-73. doi:10.1016/j.tree.2008.10.006

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

Maltodestrine, fruttosio e sport di resistenza

L’assunzione di carboidrati può migliorare la capacità di resistenza e la prestazione.
L’ingestione di diversi tipi di carboidrati, che utilizzano trasportatori intestinali differenti, può:

  • aumentare l’assorbimento totale dei carboidrati;
  • aumentare l’ossidazione dei carboidrati assunti;
  • migliorare la prestazione.

Glucosio e fruttosio

Quando durante l’esercizio fisico prolungato viene assunta una miscela di glucosio e fruttosio (nella letteratura analizzata rispettivamente 1,2 e 0,6 g/min, rapporto 2:1, per una velocità di assunzione complessiva pari a 1,8 g/min) c’è una minor competizione per l’assorbimento intestinale rispetto all’ingestione di una quantità isoenergetica di solo glucosio o solo fruttosio, essendo coinvolti due trasportatori differenti. Inoltre, l’assorbimento del fruttosio è stimolato dalla presenza del glucosio.
Tutto ciò può:

Dalla coingestione di glucosio e fruttosio si ottiene una velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni di circa 1,26 g/min, quindi maggiore rispetto a quella osservata con l’assunzione del solo glucosio (1 g/min) anche in alte concentrazioni.
La differenza osservata (+0,26 g/min) può essere attribuita per intero all’ossidazione del fruttosio ingerito.

Saccarosio e glucosio

L’ingestione di saccarosio e glucosio, nelle stesse condizioni dell’ingestione di glucosio e fruttosio (quindi rispettivamente 1,2 e 0,6 g/min, in rapporto 2:1, per apporto complessivo di carboidrati pari a 1,8 g/min), dà risultati simili.

Glucosio, saccarosio e fruttosio

Con la combinazione di glucosio, saccarosio e fruttosio si ottengono velocità di ossidazione molto elevate (nella letteratura analizzata rispettivamente 1,2, 0,6 e 0,6 g/min, in rapporto 2:1:1, per apporto complessivo di carboidrati pari a 2,4 g/min; tuttavia, notare la maggiore quantità di carboidrati assunta).

Maltodestrine e fruttosio

Velocità di ossidazione elevate si osservano anche con combinazioni di maltodestrine e fruttosio, nelle stesse condizioni dell’ingestione di glucosio e fruttosio (quindi rispettivamente 1,2 e 0,6 g/min, in rapporto 2:1, per apporto complessivo di carboidrati pari a 1,8 g/min).

Queste elevate velocità di ossidazione possono essere raggiunte con carboidrati disciolti in una bevanda, presenti in un gel o in barrette a basso contenuto di grassi, proteine e fibra.

La migliore combinazione di carboidrati da assumere durante l’esercizio fisico prolungato è probabilmente la miscela di maltodestrine e fruttosio in rapporto 2:1, in una soluzione al 5%, per un apporto di circa 80-90 g/h.

Maltodestrine e fruttosio: Ossidazione dei Carboidrati Ingeriti
Fig. 1 – Ossidazione dei Carboidrati Ingeriti

Perche?

  • Questa miscela ha il miglior rapporto tra la quantità di carboidrati ingerita e la loro velocità di ossidazione e questo significa che quantità più piccole di carboidrati rimangono nello stomaco o nell’intestino riducendo il rischio di complicanze/disturbi gastrointestinali durante esercizio prolungato (vedere la parentesi grafa nella figura).
  • Una soluzione che contenga diversi tipi di carboidrati e che ne abbia un contenuto non superiore al 5% ottimizza lo svuotamento gastrico e migliora l’apporto di liquidi.

Esempi di soluzioni di carboidrati al 5% contenenti circa 80-90 g di maltodestrine e fruttosio in rapporto 2:1; tempo di ingestione di circa un’ora:

  • 1,5 L di soluzione: 80 g di carboidrati, rispettivamente circa 55 g di maltodestrine e circa 25 g di fruttosio.
  • 1,8 L di soluzione: 90 g di carboidrati, rispettivamente 60 g di maltodestrine e 30 g di fruttosio.

Conclusioni

Durante l’esercizio fisico prolungato, quando sono necessarie elevate velocità di ossidazione dei carboidrati esogeni, è preferibile l’ingestione di carboidrati differenti rispetto a quella di grandi quantità di un singolo carboidrato.
La migliore combinazione sembra essere quella tra maltodestrine e fruttosio, in rapporto di 2:1, in una soluzione al 5%, e con una velocità di ingestione di circa 80-90 g/h.

Bibliografia

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