Perchè il porcellino d'india e l'uomo non producono la vitamina C

[paolo]

Una premessa : le vitamine sono quei micronutrienti essenziali per la nostra salute che devono essere assunti quotidianamente con l’alimentazione poiché non vengono sintetizzati dall'organismo umano. In realtà, la vitamina C è un normale metabolita prodotto dal fegato dei Mammiferi con poche eccezioni (fra le quali l’uomo e il porcellino d’india): per questo motivo nel prosieguo preferirò riferirmi alla vitamina C con l’equivalente termine chimico di acido ascorbico.

L’acido ascorbico è una fondamentale sostanza anti-ossidante grazie alla sua capacità di donare e ricevere elettroni (figura 1)

L’importanza della funzione dell’acido ascorbico è testimoniata dal fatto che la sua produzione è immediata nel seme che germina e nell’uovo in sviluppo.

Gli organismi viventi che non lo producono devono introdurlo con l’alimentazione per non ammalarsi di scorbuto. In realtà lo scorbuto è solo un sintomo della carenza di acido ascorbico, carenza che determina un grave danno ossidativo portando alla distruzione dei tessuti.

Il danno ossidativo causato da una carenza pre-clinica di acido ascorbico può essere coinvolto in diverse malattie degenerative quali l’aterosclerosi, l’infarto del miocardio, i tumori e l’invecchiamento stesso.

La via metabolica per la produzione dell’acido ascorbico è di origine antica; probabilmente è apparsa quando le forme di vita più evolute erano ancora unicellulari, ben prima che i viventi si differenziassero in piante e animali.

Negli organismi superiori la sintesi avviene a partire da uno zucchero: il glucosio (figura 2).

Circa 400 milioni di anni fa le piante iniziano a popolare la terraferma, sostituendo una vegetazione sino ad allora costituita da muschi e licheni (figura 3), evolvendosi rapidamente in dimensioni, complessità e distribuzione e innescando un cambiamento lento, ma irreversibile, nell’atmosfera del nostro pianeta. Si pensa che all’inizio del Paleozoico (600 milioni di anni fa) il livello di ossigeno nell’atmosfera fosse solo il 2% (rispetto al 21% attuale), ma questo valore salirà costantemente come risultato della fotosintesi clorofilliana.

I primi Anfibi che alla fine del Devoniano (più di 350 milioni di anni fa) andarono alla conquista delle terre emerse si trovarono a passare da una concentrazione di ossigeno nel mezzo acquatico di circa 0,5% ad una terrestre del 15-18%, venendo quindi esposti a valori 30-40 volte superiori rispetto agli organismi acquatici. Ma alla fine del Carbonifero l’ossigeno atmosferico salì addirittura al 35%  persistendo per quasi 50 milioni di anni, fino al Permiano, per poi scendere ad un più mite 30%.

Queste concentrazioni erano tossiche e fatali per la fisiologia di animali che si erano da poco avventurati sulla terraferma; infatti nel Permiano si è verificata un’accelerata diversificazione delle specie e la più grande estinzione di massa di tutti i tempi e le peculiari caratteristiche dell’atmosfera potrebbero rappresentare una delle cause.

Tra i Vertebrati riuscirono a sopravvivere solo quelli che avevano acquisito un efficiente adattamento respiratorio alla vita terrestre e un forte meccanismo di difesa contro la tossicità dell’ossigeno: questo meccanismo fu probabilmente l’espressione nei tessuti del gene per la L-gulonolattone-ossidasi (GLO, vedi il penultimo step della figura 2), indispensabile per poter sintetizzare un adeguato quantitativo di acido ascorbico, vitale anti-ossidante (nei Pesci il gene per la GLO è presente, ma non esprime la proteina).

Negli Anfibi e nei Rettili, Vertebrati a sangue freddo, il luogo di sintesi dell’acido ascorbico è il rene, mentre nei Mammiferi, animali a sangue caldo, l’organo deputato alla sintesi sarà il fegato.

Il motivo di questo cambio di sede è da ricercare nella maggiore attività dei Mammiferi (apparsi 250-200 milioni di anni fa): in pratica, maggiore è lo stress metabolico al quale è sottoposto l’animale, maggiore la quantità di acido ascorbico da produrre per far fronte ad esso. Il rene, organo relativamente piccolo e affollato, divenne inadeguato a fronte dell’aumentata richiesta e l’evoluzione favorì il trasferimento della sintesi al fegato, l’organo più grande del corpo.

Le tracce di questo percorso si trovano in alcuni Uccelli odierni, gli antenati dei quali sono più o meno coevi dei Mammiferi: infatti anitre, piccioni e falchi, ordini piuttosto antichi, continuano a produrre l’acido ascorbico nei reni, mentre tra gli ordini più recenti ed evoluti (soprattutto Passeriformi) alcuni sintetizzano acido ascorbico sia nei reni sia nel fegato, altri solo nel fegato.

[paolo]

I Primati, che comprendono le scimmie e l’uomo, apparvero circa 65 milioni di anni fa e come gli altri Mammiferi erano capaci di sintetizzare l’acido ascorbico, ma qualcosa accadde durante la loro evoluzione, così in alcuni di essi venne a mancare l’enzima GLO, impossibilitando l’ultima tappa della biosintesi dell’acido ascorbico (figura 2).

Inizialmente si pensò che la mutazione responsabile dell’inattivazione del gene per l’enzima GLO fosse avvenuta nella stessa epoca nei Primati e nei Cavidi, all’incirca nello stesso periodo in cui si estinsero molte specie, tra le quali i Dinosauri, ipotizzando l’esplosione di una supernova nelle vicinanze del sistema solare che avrebbe determinato, oltre ad un repentino cambiamento climatico, la distruzione della fascia di ozono consentendo una pioggia di radiazioni ad alta energia (raggi cosmici e raggi gamma) con effetto mutageno.

Oggi le ipotesi più accreditate per spiegare l’estinzione dei Grandi Rettili (i Mammiferi invece sembrano risentire poco di tale crisi) sono: un deterioramento del clima, con effetti in un tempo relativamente ristretto di qualche milione di anni; e una catastrofe improvvisa, con evento principale nell’arco di qualche migliaio di anni o anche meno, probabilmente la collisione con un asteroide (mentre una supernova potrebbe aver contribuito a causare la più grande estinzione di flora e fauna nella storia del nostro pianeta, che si verificò molto prima, alla fine del Permiano, circa 220 milioni di anni fa).

L’assenza della GLO nell’uomo fu scoperta nel 1955 e solo nel 1966 si dimostrò che non tutti i Primati erano soggetti ad ammalare di scorbuto, come si credeva fino ad allora; si scoprì infatti che GLO era attiva nel fegato delle Proscimmie, mentre era inattiva in quello degli Antropoidei.

A loro volta gli Antropoidei si differenziarono in scimmie del Nuovo Mondo e scimmie del Vecchio Mondo, che comprendono gli antenati dell’uomo. Ma poiché le scimmie del Nuovo e del Vecchio Mondo sono prive della GLO, mentre le Proscimmie ce l’hanno, la perdita dell’attività enzimatica deve essere avvenuta dopo la divergenza tra proscimmie e scimmie (50-65 milioni di anni fa), ma prima della divergenza tra scimmie del Nuovo e vecchio Mondo (35-45 milioni di anni fa) (figura 4).

Comunque sia, quei lontani antenati dell’uomo nei quali si verificò la mutazione vivevano una vita arborea in un ambiente tropicale o sub-tropicale, dove erano sempre disponibili vegetali che fornivano l’indispensabile acido ascorbico. La produzione fisiologica di una sostanza essenziale è sempre inferiore all’ottimale, perché la sintesi della quantità ottimale richiederebbe un impegno metabolico particolarmente oneroso; in quell’ambiente preistorico il meccanismo per la biosintesi non era più necessario, anzi, diventava un ingombro cellulare che consumava energia che poteva essere destinata ad altri scopi; in questo senso la mutazione venne a rappresentare un possibile vantaggio evoluzionistico.

Un evento mutazionale analogo si è verificato anche per la capacità di sintetizzare la tiamina (vitamina B1), capacità persa in qualche lontano progenitore dei Vertebrati centinaia di milioni di anni fa.

Naturalmente quando gli ominidi lasciarono la vita arborea, spostandosi verso climi più temperati con differenti risorse alimentari il vantaggio acquisito andò perduto; il necessario apporto di acido ascorbico non sempre poteva essere raggiunto e questo ha costituito un grave handicap per l’uomo moderno, almeno fino al riconoscimento della somministrazione di vitamina C come mezzo per la prevenzione e la terapia dello scorbuto, un errore innato del metabolismo dei carboidrati.

E’ quasi certo che ulteriori mutazioni sono avvenute nell’uomo e nei suoi immediati predecessori piuttosto recentemente, per favorire la sopravvivenza anche con un apporto di acido ascorbico inferiore a quello fornito da cibi vegetali che ne sono ricchi. Queste mutazioni avrebbero reso possibile un maggior recupero dell’acido ascorbico nelle urine da parte dei tubuli renali e una aumentata capacità di certe cellule di estrarre l’acido ascorbico presente nel plasma.

Altri Mammiferi, oltre all’uomo e a certe scimmie, presentano il difetto di produzione dell’enzima GLO: sono il porcellino d’india e alcuni pipistrelli che si cibano di frutta.

La perdita della GLO nell’evoluzione del porcellino d’india è un evento relativamente recente, avvenuto meno di 20 milioni di anni fa.

In realtà il gene per la L-gulonolattone-ossidasi è presente nell’uomo e nel porcellino d’india in forma di pseudo-gene, mutato e incapace di funzionare. Nel genoma umano tale pseudogene è stato localizzato sul braccio corto del cromosoma 8 (8p21.1) e contiene solo 5 dei 12 esoni (porzioni codificanti) che costituiscono il gene funzionale, mentre nel porcellino d’india ne restano 7.

Come abbiamo puntualizzato all’inizio, il ciclo biochimico dell’acido ascorbico è un importantissimo sistema di ossido-riduzione e la sua perdita non poteva essere senza conseguenze nella fisiologia delle specie che ne sono privi; ma per fortuna nel progredire dell’evoluzione altri sistemi hanno contribuito almeno in parte a compensare la carenza.

Per contrastare gli effetti dei radicali superossido, pericolose forme reattive dell’ossigeno, interviene un altro enzima, la superossido dismutasi (SOD), che li trasforma in molecole meno pericolose (ossigeno e acqua ossigenata).

Guarda caso la SOD non era indotta nei primi Vertebrati terrestri, ma la sua attività è aumentata nei Mammiferi carenti di GLO: c’è infatti una correlazione inversa tra gulono-lattone ossidasi e superossido dismutasi nel corso dell’evoluzione, con attività della SOD particolarmente elevata proprio nelle specie che mancano della GLO.

Comunque la SOD non può rimpiazzare completamente GLO; infatti l’acido ascorbico oltre a rimuovere i radicali ossigeno, protegge anche dalla perossidazione lipidica e dalla degradazione ossidativa delle proteine, quindi persiste la necessità di introdurre acido ascorbico con l’alimentazione.

In conclusione, l’acido ascorbico differisce dalle altre vitamine perché la maggior parte delle specie animali continuano a produrlo, nonostante la sua presenza negli alimenti naturali. Si deduce che nel corso di decine e centinaia di milioni di anni il quantitativo di acido ascorbico presente nel cibo a disposizione non ha potuto coprire in modo ottimale il fabbisogno e giustificare l’abbandono del meccanismo biologico per la sua produzione.

Questa capacità è stata persa in almeno quattro occasioni nella recente storia dei Vertebrati: nell’antenato comune all’uomo e a certe scimmie, nel porcellino d’india, in pipistrelli che si nutrono di frutta e in alcuni uccelli Passeriformi. La mutazione responsabile all'epoca è risultata vincente in termini evolutivi perché gli animali in questione vivevano in un ambiente in grado di fornire loro acido ascorbico in abbondanza.

[franci_fra3]

come ho detto anche in ml, l'ho trovato un lavoro splendido e veramente affascinante (oltre che abbastanza tosto!)

come sempre, grazie Paolo!