Fitochelatine e inquinamento da metalli pesanti

Che cos’è l’ INQUINAMENTO?

L’inquinamento è tutto ciò che risulta nocivo per la vita o altera in maniera significativa le caratteristiche fisico-chimiche del suolo, dell’acqua o dell’aria. Benchè possano esistere cause naturali come incendi o emissioni gassose connesse al vulcanismo, il termine inquinamento si riferisce in genere alle attività antropiche. Infatti, durante gli ultimi 100 anni la rapida industrializzazione e le moderne pratiche agronomiche hanno determinato un aumento di vari inquinanti tra cui i metalli pesanti. Basti pensare, ma soprattutto da non sottovalutare, che l’Italia è tra i maggiori emittenti di Cd nell’ambiente.

Sia i metalli pesanti che gli elementi metalloidi presentano particolari caratteristiche.

In base ad esse, possono essere suddivisi in:

  • Metalli pesanti richiesti dal metabolismo (Fe-Cu-Zn), essenziali per il corretto svolgimento dei processi fisiologici, il cui apporto eccessivo però, risulta estremamente tossico.
  • Metalli pesanti non richiesti dal metabolismo (Pb-Cd-Hg) anche a bassissime concentrazioni intracellulari possono causare danni gravi ed irreversibili sia per le piante che per gli animali entrando inevitabilmente nella catena alimentare.

La tossicità dei metalli pesanti è legata non solo alla pericolosità per gli esseri viventi che vivono nell’ambiente inquinato, ma anche allo stato chimico in cui si trova. La maggior parte dei metalli infatti non è tossica quando si trova nel suo stato elementare, invece le forme cationiche sono potenzialmente più pericolose sia per la loro maggiore possibilità di diffusione nell’ambiente, sia per la loro maggiore possibilità di essere assimilati dagli esseri viventi.

Se ad esempio, prendiamo in considerazione il metabolismo del cadmio (Cd) nell’uomo, la maggior parte dell’assorbimento avviene a livello dei polmoni (90%), mentre il 5-10% viene assorbito dal tratto gastro-intestinale mediante l’alimentazione.

L’assorbimento è influenzato  da vari fattori tra cui: il fumo di sigaretta, la dimensione delle particelle ingerite, il pH, la velocità di transito gastroenterico, la solubilità del composto metallico, l’interferenza con altri metalli nonché dalla composizione della dieta, infatti a causa della somiglianza chimica del Cd con lo Zn e il Ca, una dieta carente di questi due minerali determina un maggiore assorbimento del metallo.

Dunque una dieta carenziale in calcio determina un aumento della sintesi di una proteina legante il calcio, molto affine anche con il cadmio, favorendone quindi l’assorbimento.

In più il cadmio può sostituirsi al calcio nel legame alla calmodulina,ovvero una proteina implicata in processi di segnalazione intracellulare calcio-dipendenti, il che si traduce in un’ azione calcio agonista da parte del metallo che può determinare in funzione della sua concentrazione un’ attivazione o inibizione degli enzimi calmodulina- sensibili, infatti trattamenti con calmodulina inibitori diminuiscono gli effetti tossici.

Come detto pocanzi anche diete povere di zinco determinano un aumento dell’assorbimento del cadmio, il quale  a differenza dello zinco non riveste alcun ruolo biologico nel corpo umano.

Una volta assorbito il Cd si accumula in modo efficiente nel rene e nel fegato. Superato il potenziale di legame  passa nel sangue dove si lega all’emoglobina e alla metallotioneina, una proteina la cui sintesi è indotta dalla presenza del Cd. Essa presenta un alto contenuto di cisteine,  di conseguenza di gruppi sulfidrilici (–SH), i quali andando a chelare il metallo ne diminuiscono gli effetti negativi. Dunque, in questo caso stiamo assistendo ad un vero e proprio meccanismo di tossi tolleranza indotto dall’uomo.

Il legame Cd-metallotioneina a livello dei tessuti è fondamentale in quanto grazie  alla loro affinità mantengono il metallo “occupato” rendendolo inerte, ma solo entro certi limiti. Qualora infatti, il contenuto di cadmio, nonostante il legame alla metallotioneina, dovesse superare la soglia di tollerabilità ad esempio nella corteccia renale, esso viene espulso per via urinaria, dando origine a danni a livello dei tubuli renali, con conseguente nefropatia e proteinuria.

Dunque ad elevati dosaggi, l’inserimento del Cd così come di altri metalli pesanti nella catena alimentare è oggetto di enorme preoccupazione; inoltre l‘ inquinamento metallico colpendo  soprattutto il suolo contaminerà in prima linea i vegetali ossia la base della catena alimentare.

Nei vegetali l’esposizione ai metalli pesanti scatena un’ampia gamma di alterazioni fisiologiche e biochimiche tra cui:

1)inibizione della crescita radicale;

2)diminuzione dell’ attività foto sintetica;

3)formazione di radicali liberi;

4)modificazione delle funzioni della membrana plasmatica;

5)effetti genotossici;

6)alterazioni degli organelli cellulari.

Sulla valutazione dei fenomeni di inquinamento gli approcci tradizionali si affidano a strumentazioni analitiche fornenti dati puntiformi sullo stato di salute dell’ambiente. Nasce quindi l’esigenza di integrare questo tipo di indagine con metodi biologici di biomonitoraggio che consentono un controllo continuo nel tempo tramite l’uso di organismi bioindicatori e bioaccumulatori.

Un bioindicatore è un organismo capace di cambiare i propri parametri fisiologici o biochimici in relazione alle perturbazioni ambientali. Le risposte che essi generano sono dette biomarkers. Invece, un bioaccumulatore è un organismo tollerante che presenta la capacità di assorbire ed accumulare all’interno dei propri tessuti sostanze presenti nell’ambiente in cui vive. Esso può essere usato per misurare quantitativamente le concentrazioni di alcune sostanze.

Tra gli organismi più adatti come bioindicatori e bioaccumulatori ci sono i muschi grazie alle loro ampie capacità colonizzatrici, alla semplicità strutturale, all’elevato rapporto superficie/volume, alla presenza di una sottile cuticola ed alla persistenza delle parti vecchie o intossicate.

Per tale ragione alcuni studi hanno utilizzato proprio i muschi per valutare i meccanismi di tossi tolleranza messi in atto dai vegetali ed hanno infatti evidenziato che essi sotto stress metallico producono Fitochelatine.

Le Fitochelatine sono peptidi tiolici intracellulari a basso peso molecolare, prodotti in risposta ad un eccessivo assorbimento di metalli pesanti.

Presentano una generale struttura costituita da acido glutammico, cisteina e glicina, con un numero variabile di ripetizioni del dìpeptide di acido glutammico e cisteina. I gruppi tiolici della cisteina permettono la chelazione dei metalli pesanti, i quali in questo modo non possono esercitare effetti tossici perché sottratti alla libera circolazione all’interno del citoplasma. La sintesi delle Fitochelatine, attivabile nell’arco di pochi minuti, avviene direttamente a partire dal Glutatione ridotto, mediante un enzima citosolico costitutivamente espresso, detto Fitochelatina Sintasi.

Il materiale usato per tale studio consisteva di colture pure, le quali sono state sciacquate con acqua bi-distillata, controllate per l’assenza di tutti i potenziali contaminanti e successivamente coltivate in modo indipendente come monocolture specifiche in una camera di crescita.

Metà dei campioni sono stati trattati per 72h con una concentrazione pari a 36µM di Cd mentre all’altra metà, definiti controlli, è stata data H2O deionizzata in volume identico come per la soluzione di Cd.

I risultati ottenuti dimostrano che la maggior parte delle specie sintetizzano Fitochelatine indotte da cadmio, eccetto in alcuni individui in cui questa funzione è stata indipendentemente persa durante l’evoluzione.

Invece, per quanto riguarda il contenuto di Glutatione in alcune specie è evidente una differenza tra i campioni esposti al cadmio e i controlli, in altri non è visibile nessuna alterazione significativa.

È LA DOSE CHE FA IL VELENO

Come abbiamo potuto notare sia nelle piante che negli animali, i danni causati dall’inquinamento metallico si verificano quando la dose supera una certa soglia. Al di sotto di essa addirittura vengono messi in atto dei meccanismi di tossi tolleranza (Metallotionine e Fitochelatine)

Quindi se da un lato l’alimentazione ci espone al rischio di contaminazione, dall’altro la presenza di Fitochelatine e Glutatione in alcuni alimenti ci da la possibilità di chelare quindi detossificare  i metalli limitandone i danni, chiaramente però SUPERATA UNA CERTA SOGLIA I DANNI SONO INEVITABILI.

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