CAPITOLO 3
ISTIDINA E DIPEPTIDI
ISTIDINICI
3.1 GENERALITÀ
La carnosina e l’anserina sono dipeptidi istidinici presenti nei vari tessuti ed organi di molte specie animali e nell’uomo. I primi studi su queste sostanze furono condotti nei primi anni del '900 da Gulewitsh. Le prime analisi in laboratorio evidenziarono che tali dipeptidi erano componenti del muscolo scheletrico e che rappresentavano una quota significante della frazione idrosolubile azotata. In qualche specie animale il tessuto muscolare contiene uno dei due dipeptidi come nella rana dove è presente solo la carnosina mentre nella trota è presente solo l'anserina). Nel tessuto muscolare di altri animali, come la carpa, nessuno dei due dipeptidi è presente.
La concentrazione di questi dipeptidi istidinici nel tessuto muscolare varia da muscolo a muscolo; è stato visto, inoltre, che la carnosina è presente in quantità maggiori nelle regioni adiacenti le sinapsi (Severin, 1972). I muscoli degli invertebrati non contengono carnosina e anserina ma solo elevate quantità di l-istidina e ß-alanina.
La presenza di carnosina e di anserina nel muscolo quadricipite femorale laterale di soggetti sportivi è stata studiata da Mannion nel 1992 (Mannion e coll., 1992): mentre l'anserina non è rilevabile in tutti, la carnosina è presente in concentrazione di circa 4,7 mmol/kg-1
di massa secca ed è significativamente più alta negli uomini rispetto alle donne della stessa età ed allo stesso livello di allenamento (Mannion e coll, 1992).
La comparsa dei dipeptidi istidinici nei muscoli di diversi animali avviene in momenti precisi dello sviluppo embrionale: ad esempio, nell'anatra la carnosina è presente dal 17° giorno precedente la schiusa delle uova (Vul'fson, 1958). Al 25° giorno di incubazione delle uova l’aumento di concentrazione della carnosina è associato ad una diminuzione della concentrazione di β-alanina ed l-istidina. L'anserina è presente solo dopo la schiusa delle uova e il suo aumento è associato ad una diminuzione della concentrazione di carnosina.
Questa correlazione negativa è presente anche nelle cornacchie; in tali uccelli la carnosina è convertita in anserina durante il periodo nel quale acquisiscono la capacità di volare (Severin e coll,. 1951).
Nel pollo carnosina e anserina sono presenti nel tessuto muscolare a partire dal 15° giorno dello sviluppo embrionale, al 19° giorno vi è un aumento delle concentrazione di questi due dipeptidi associato ad una diminuzione della concentrazione di glutatione.
A partire dalla fine della terza settimana di sviluppo post natale nel tessuto muscolare dei polli non è più presente il glutatione mentre
1957). Esistono diverse teorie riguardo le proprietà biologiche che hanno i dipeptidi istidinici nell'organismo degli animali.
3.2 ATTIVITA' TAMPONANTE NEL CITOPLASMA
Durante l'esercizio anaerobico, quando l'ATP viene idrolizzato in ADP, un elevato numero di protoni si accumula nei muscoli dei vertebrati (Hochachka e coll., 1987). L'accumulo di protoni causa una diminuzione del pH intracellulare che a sua volta provoca un’inattivazione degli enzimi glicolitici con una diminuzione del flusso glicolitico (Somero, 1986).
Per contrastare l'abbassamento del pH la cellula possiede dei sistemi tampone. Il sistema tampone non bicarbonato dei muscoli dei vertebrati è rappresentato soprattutto dal gruppo imidazolico presente nell'istidina residua delle proteine, nella L-istidina libera e nei dipeptidi istidinici come la carnosina, l’anserina e la balanina (Abe H., 1995).
Uno dei due atomi di azoto dell'anello imidazolico può essere protonato e di conseguenza tale gruppo imidazolico può essere
La capacità tamponante (denominata beta) di un tessuto può essere definita come le µmoli di idrossido di sodio o acido cloridrico necessarie per far variare il pH di un grammo di tessuto di una unità (Castellini e coll.,1981).
I sistemi tamponanti istidinici sono presenti in quantità elevate nel tonno e ciò è dovuto probabilmente alla necessità che questi pesci hanno di mantenere elevate velocità per lunghi periodi oltre ad avere la necessità di avere grosse accelerazioni durante le nuotate. I muscoli dei mammiferi marini contengono una grande quantità di carnosina e hanno una capacità tamponante più alta rispetto ai muscoli dei mammiferi terrestri. La presenza di grandi quantità di dipeptidi istidinici nel muscolo di balena permette a questo mammifero di stare in apnea per periodi prolungati durante i quali sono prodotte quantità elevate di lattato e protoni.
Gli uccelli, alcuni mammiferi terrestri veloci e alcuni mammiferi terrestri con locomozione saltellante possiedono muscoli con elevate capacità tamponanti.
3.3 POTERE ANTIOSSIDANTE
La carnosina viene considerata un antiossidante capace di prevenire l'accumulo dei prodotti dell'ossidazione dei lipidi delle membrane biologiche. Ciò può sembrare sorprendente per il fatto che, essendo idrosolubile, la carnosina è lontana dal luogo dove avviene la perossidazione dei lipidi membranari.
Studi sulle varie fasi della perossidazione lipidica hanno dimostrato che la carnosina è in grado di reagire non solo con i radicali generati all'interno della cellula, ma anche con i primi prodotti che si formano durante il processo di ossidazione lipidica (Boldyrev, 1986).
Studi condotti da Kohen (Kohen e coll.,1988) hanno dimostrato che l'isomero L-alanina-L-istidina possiede attività antiossidante (in questo caso è stata studiata la capacità di inibire la perossidazione lipidica) più bassa rispetto alla carnosina stessa. La L-alanina, la
alanina, la combinazione di entrambe (L-alanil-L-alanina o la β-alanil-Lalanina) e il G.A.B.A. non possiedono alcuna attività antiossidante. La metilazione di uno o due atomi di azoto dell'anello imidazolico (L-metil-L-istidina e la 3-metil-L-istidina) non fanno perdere all'istidina le sue capacità antiossidanti.
Sempre Kohen ha dimostrato che i dipeptidi istidinici sono in grado di neutralizzare alcuni radicali perossidi, l’ossigeno singoletto e i radicali idrossilici (Kohen e coll.,1991).
Alcune ricerche hanno evidenziato come la carnosina sia in grado di proteggere le cellule ovariche di hamster cinese dalla clastogenicità dell'iperossia normobarica (Gille, 1991).
Uno studio interessante è stato condotto da Boldyrev nel 2004 per dimostrare le capacità protettive della carnosina e di altri dipeptidi istidinici nei neuroni verso le specie reattive ossigenate. In questo studio è stato dimostrato che i dipeptidi istidinici sono in grado di prevenire i danni prodotti dal N-metil-D-aspartato (NMDA) che in grado di aumentare la concentrazione delle ROS all'interno dei neuroni.
Alcuni studi immuno-istochimici hanno dimostrato che la carnosina gioca un ruolo importante nel sistema neuronale olfattorio umano, oltre ad essere un possibile neurotrasmettitore del sistema olfattivo dei vertebrati (soprattutto nelle cellule gliali) (Sakai, 1990).
La carnosina e l'omocarnosina sono presenti nel cervello di anfibi e di lucertole (Artero, 1991a): la carnosina è localizzata nelle cellule gliali, mentre nei neuroni olfattori e nel bubo olfattorio la carnosina è
Nel sistema nervoso centrale del Tritone Crestato, un anfibio urodele, la carnosina è presente in molte zone del S.N.C. associata soprattutto ai neuroni e non alle cellule gliali (Artero, 1991b). In questo animale inoltre la carnosina è assente nel sistema olfattorio. Il principale effetto fisiologico dei dipeptidi istidinici è quello di stabilizzare la membrana proteggendola dalla perossidazione. I principali siti di protezione sono: la membrana mitocondriale, la membrana del reticolo sarcoplasmatico e la membrana esterna del sarcolemma. La membrana interna dei mitocondri è ricca di acidi grassi polinsaturi ed è un sito dove si formano i radicali liberi. a perossidazione di questi componenti lipidici porta ad una disgiunzione della fosforilazione ossidativa, ad un passaggio delle proteine attraverso la membrana e ad una perdita della sua permeabilità (Vladimirov e coll., 1972).
Un altro effetto dell’ossidazione lipidica è l’inibizione degli enzimi di membrana (pompe ioniche) con conseguente perdita dei gradienti ionici che porta ad un passaggio d'acqua all'interno della cellula attraverso la membrana (Kagan e coll., 1986) L'α-tocoferolo che è generalmente presente in elevate quantità nel fegato e nel cuore e in basse quantità nei muscoli è uno dei maggiori fattori protettivi verso la perossidazione lipidica.
La carnosina è in grado di difendere le funzioni del reticolo endoplasmatico dalla perossidazione dei lipidi (Dupin e coll., 1986); è stato rilevato, per esempio, che in vitro l'accumulo di acido tiobarbiturico diminuisce in maniera dose-dipendente se viene aggiunta carnosina alla coltura cellulare. In altri esperimenti è stato rilevato che l'accumulo di perossidi porta ad una rapida inattivazione delle pompe del calcio della membrana del reticolo sarcoplasmatico e di conseguenza le capacità di accumulo del calcio nelle vescicole vengono indebolite con conseguente inibizione della Ca++ATP-asi. La carnosina e gli altri CRC (carnosine related compounds) sembrano essere in grado di inibire l'ossidazione dei componenti del cristallino dell'occhio (Babizhayev, 1989). Una delle cause della opacizzazione del cristallino (cataratta) sembra essere la perossidazione lipidica associata ad una diminuzione della concentrazione del glutatione. L'occhio umano presenta elevate quantità di carnosina e glutatione ed in presenza di una cataratta è stato visto che le concentrazioni di questi due antiossidanti diminuiscono di circa 7- 10 volte (Halliwell, 1985).
