What is oxidative stress? The causes, symptoms, and how to combat it

What is oxidative stress? The causes, symptoms, and how to combat it 

In the modern Western world, stress can become a daily companion. Among the different forms in which it can present itself is oxidative stress. What is it all about? What are the causes of oxidative stress? And how is it combated?

Oxidative stress is the consequence of the loss of balance between oxidant and antioxidant factors within the cell. If prolonged over time, it can damage numerous cellular structures, increasing the risk of even serious health problems. The damage promoted by oxidative stress is itself a source of oxidant factors. Therefore, a vicious cycle can be created in which oxidative stress contributes to its own maintenance. Fortunately, to combat this enemy of health, one tool available to everyone may suffice: a lifestyle that is as healthy and balanced as possible.

Stress ossidativo e radicali liberi

Le due classi principali di molecole ossidanti (o radicali liberi) sono le specie reattive dell'ossigeno (ROS) e le specie reattive dell'azoto (RNS). In condizioni di stress fisiologico (eustress) ROS e RSN sono presenti in piccole quantità e regolano l'espressione di geni, l'attivazione di recettori, il riconoscimento di agenti patogeni, la sopravvivenza della cellula e le sue capacità di proliferare, di migrare e di differenziarsi. Se, però, la loro produzione è elevata si può creare una condizione di stress tossico (distress).

In questa condizione i radicali liberi possono ossidare molecole diverse dai loro bersagli naturali, danneggiandole e compromettendo la loro funzionalità. Il distress si accentua quando l'eccessiva produzione di molecole ossidanti è associata a un indebolimento dei meccanismi che dovrebbero proteggere le strutture cellulari dall'ossidazione. Infatti, la cellula è dotata anche dell'armamentario necessario per evitare che i radicali liberi la danneggino, inclusi, per esempio, la bilirubina, la melatonina, l'acido urico e una serie di enzimi antiossidanti.

What are the causes of oxidative stress?

Di per sé la produzione di fattori ossidanti è un fenomeno naturale e necessario; vengono generati sia mentre la cellula produce energia utilizzando l'ossigeno, sia mentre diversi enzimi svolgono il loro lavoro. Tuttavia, esistono anche cause di stress ossidativo che provengono dall'ambiente esterno e che possono favorire la condizione di distress.
Fra le più comuni sono incluse:

• il fumo di tabacco;
• l'inquinamento;
• i raggi infrarossi;
• gli ultravioletti;
• lo sport.
  

Stress ossidativo e sport

Il primo motivo per cui lo sport e, più in generale, la pratica dell'attività fisica sono associati all'aumento dello stress ossidativo è semplice: con l'esercizio il flusso di ossigeno nel corpo aumenta. In più, i microtraumi muscolari indotti dall'esercizio richiamano globuli bianchi la cui attività favorisce l'aumento dei radicali liberi. Questi fenomeni sono del tutto fisiologici, ma se si vogliono evitare spiacevoli effetti indesiderati le loro conseguenze devono essere limitate nel tempo.

Infatti, lo stress ossidativo è associato a infiammazione. Da un lato, un certo grado di infiammazione dopo l'attività fisica è utile sia per la rigenerazione del muscolo sia per l'apposizione di nuova massa muscolare. Dall'altro, se l'infiammazione si prolunga eccessivamente può compromettere il recupero funzionale, promuovendo sintomi come debolezza e dolori muscolari e riducendo per esempio le prestazioni sportive nelle giornate successive. Viceversa, l'attenuazione dello stress ossidativo migliora le performance nel post-allenamento e nel post-gara.

How does oxidative stress manifest itself?

Ancor prima che con sintomi evidenti come la riduzione delle prestazioni sportive, uno stress ossidativo elevato si manifesta sotto forma di danneggiamento di biomolecole fondamentali: i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici (DNA e RNA). I lipidi possono andare incontro a perossidazione. Può accadere anche a grassi della serie Omega-3, che a causa di questo fenomeno possono perdere le loro proprietà. Gli Omega-3 e, più in generale, i lipidi perossidati sono estremamente reattivi e possono interagire con proteine e DNA, modificandoli in modo indesiderato. Anche i mattoni che formano il DNA e l'RNA possono essere ossidati; inoltre, lo stress ossidativo può letteralmente spezzare l'elica di DNA, promuovendo mutazioni e altri pericolosi riarrangiamenti del materiale genetico. Quando, invece, a essere ossidate sono le proteine, la loro conformazione cambia e, di conseguenza, cambia anche la loro funzionalità.

Nel lungo termine, le alterazioni irreversibili di lipidi, proteine e acidi nucleici e i danni strutturali e funzionali da esse indotte possono promuovere la comparsa di problemi di salute. Per questo uno stress ossidativo elevato e sostenuto nel tempo può manifestarsi sotto forma di:

• neurodegeneration: oxidative stress undoubtedly plays a role in Alzheimer's disease, and is also hypothesized to be involved in the development of Parkinson's.
• cardiovascular disorders: increased ROS are associated with functional and structural alterations that impair good circulation. For example, free radicals have been associated with atherosclerosis, stroke, heart attack, and peripheral arterial disease.
• diabete: uno stress ossidativo elevato può compromettere la sintesi e il funzionamento dell'insulina, l'ormone che permette di ridurre la glicemia. Inoltre, anche i meccanismi che portano alle complicazioni vascolari del diabete coinvolgono i radicali liberi.
• tumori: è sufficiente uno stress ossidativo di livello moderato per generare mutazioni che favoriscono lo sviluppo del cancro. Inoltre, anche l'ossidazione di proteine e lipidi è stata associata alla comparsa e alla progressione dei tumori.
• autoimmune diseases: oxidation can lead to the formation of molecules that are recognized as foreign by the immune system, which then attacks them resulting in autoimmunity.
• artrite reumatoide: lo stress ossidativo è sia causa sia conseguenza dell'infiammazione tipica di questa patologia. Inoltre, i ROS possono indurre la morte delle cellule della cartilagine e favorire, così, la degenerazione delle articolazioni colpite dalla malattia.
• kidney disease: oxidative stress is considered a major cause of kidney damage and is associated with several of the risk factors for kidney health (hypertension, diabetes, and atherosclerosis).
• eye diseases: age-related macular degeneration, cataracts, uveitis, premature retinopathy, keratitis, and ocular inflammation are just some of the eye problems associated with oxidative stress.

L'analisi dello stress ossidativo

I possibili approcci all'analisi dello stress ossidativo sono di tre tipi. Da un lato, esistono dei test per la valutazione dello stress ossidativo basati sull'analisi dei livelli di alcuni dei prodotti dell'ossidazione. Dall'altro, è possibile ricorre a test che valutano direttamente i livelli di radicali liberi. Test di questo tipo vengono per esempio utilizzati per valutare i livelli di stress ossidativo nello sperma di uomini con problemi di fertilità. In questo caso, fra le tecniche utilizzate per la misurazione diretta sono incluse la chemioluminescenza e la citoflurimetria, mentre esempi di misurazioni indirette sono le valutazioni della perossidazione dei lipidi, del potenziale ossidoriduttivo e della capacità antiossidante totale.

Infine, l'analisi dello stress ossidativo si può basare su test genetici; questi ultimi, però, non valutano i livelli di stress ossidativo in quanto tali ma la predisposizione ad accumulare radicali liberi così come scritta nei geni. 

Come si combatte lo stress ossidativo? 

Come accennato, le armi di difesa cellulari non sono sempre sufficienti a combattere efficacemente i radicali liberi, soprattutto quando vengono prodotti in quantità elevate. Cosa si può fare, quindi, per diminuire lo stress ossidativo? Da un lato, è possibile cercare di prevenire lo stress ossidativo limitando l'esposizione ad agenti che promuovono la formazione di radicali liberi, come il fumo di tabacco. Dall'altro, è possibile arricchire il proprio armamentario anti-radicali liberi grazie a cibi fonti di antiossidanti esogeni (cioè provenienti dall'esterno dell'organismo) e integratori contro lo stress ossidativo.

Come funzionano gli antiossidanti assunti con cibo e integratori?

Esistono diversi tipi di antiossidanti:

- gli antiossidanti primari prevengono la formazione di radicali liberi;
- gli antiossidanti secondari li eliminano;
- gli antiossidanti terziari riparano le molecole danneggiate dallo stress ossidativo.

Quali sono i migliori antiossidanti naturali?

Fra i migliori antiossidanti naturali esogeni sono inclusi la vitamina C, la vitamina E, i carotenoidi, il selenio, lo zinco, i composti fenolici, le lecitine e il coenzima Q10. Si trovano negli alimenti, soprattutto in quelli di origine vegetale; non a caso, un'alimentazione ricca di frutta e verdura riesce a contrastare efficacemente le conseguenze dello stress ossidativo.

Anche agli acidi grassi Omega-3 vengono attribuite proprietà antiossidanti. È questo uno dei motivi per cui sono considerati alleati della salute degli sportivi: possono aiutare a gestire lo stress ossidativo post-allenamento e post gara e, soprattutto, i fenomeni infiammatori ad esso associati.

What are the best antioxidant supplements?

Oggi molti degli antiossidanti presenti nel cibo possono essere assunti anche sotto forma di integratori contro lo stress ossidativo. Purtroppo, la loro efficacia non è sempre paragonabile a quella del consumo di frutta e verdura. In alcuni casi sono stati anche accertati degli effetti collaterali del tutto inaspettati. Per questo, per esempio, gli integratori di beta-carotene sono sconsigliati ai fumatori: nonostante il loro potenziale antiossidante, in chi fuma possono aumentare il rischio di tumore al polmone. In altri casi, come in quello della vitamina E, gli effetti negativi sono associati all'assunzione di dosi molto elevate di antiossidanti.

È quindi fondamentale che gli integratori contro lo stress ossidativo siano assunti solo dopo essersi assicurati dell'assenza di controindicazioni (come fumare nel caso del beta-carotene). Allo stesso tempo, è importante accertarsi che le dosi di antiossidanti apportate non siano eccessive. Questi accorgimenti, insieme a quello di preferire prodotti che garantiscono standard elevati di purezza e freschezza degli ingredienti, permette di trarre dagli integratori antiossidanti i massimi benefici possibili senza rischi per la salute.

Infine, una curiosità. In alcuni integratori la presenza di antiossidanti ha una funzione specifica collaterale: proteggere dall'ossidazione gli altri ingredienti. Per esempio, proprio la vitamina E, utilizzata in concentrazioni non pericolose, può essere sfruttata per evitare l'ossidazione degli Omega-3 presenti negli integratori di olio di pesce e garantire, così, la qualità del prodotto. Negli integratori di Omega-3 da olio di krill questa azione è svolta da un altro antiossidante naturale, l'astaxantina, un carotenoide naturalmente presente in questo olio.

Sources:

Agarwal A and Majzoub A. Laboratory tests for oxidative stress. Indian J Urol. 2017 Jul-Sep;33(3):199-206. doi: 10.4103/iju.IJU_9_17

Alabdali A et al. Antioxidant activity of Curcumin. Research Journal of Pharmacy and Technology. 2021; 14(12):6741-6. doi: 10.52711/0974-360X.2021.01164

Albert BB et al. Oxidation of Marine Omega-3 Supplements and Human Health. Biomed Res Int. 2013; 2013: 464921. doi: 10.1155/2013/464921 

do Nascimento Marreiro D et al. Zinc and Oxidative Stress: Current Mechanisms. Antioxidants (Basel). 2017 Jun; 6(2): 24. doi: 10.3390/antiox6020024

Gammone MA et al. Omega-3 Polyunsaturated Fatty Acids: Benefits and Endpoints in Sport. Nutrients. 2018 Dec 27;11(1):46. doi: 10.3390/nu11010046

Mehta SK and Gowder SJT. Members of Antioxidant Machinery and Their Functions, in SJT Gowder (ed.), Basic Principles and Clinical Significance of Oxidative Stress, IntechOpen, London. 2015. doi: 10.5772/61884

NIH. Antioxidant: In Depth. https://www.nccih.nih.gov/health/antioxidants-in-depth. Ultima visualizzazione: 27/07/22 

O'Connor E et al. Nutritional Compounds to Improve Post-Exercise Recovery. Nutrients. 2022 Nov 29;14(23):5069. doi: 10.3390/nu14235069

Pereira CPM et al. Antioxidant and anti-inflammatory mechanisms of action of astaxanthin in cardiovascular diseases (Review). Int J Mol Med. 2021 Jan; 47(1): 37–48. doi: 10.3892/ijmm.2020.4783

Pisoschi AM et al. Oxidative stress mitigation by antioxidants - An overview on their chemistry and influences on health status. Eur J Med Chem. 2021 Jan 1;209:112891. doi: 10.1016/j.ejmech.2020.112891

Saini R. Coenzyme Q10: The essential nutrient. J Pharm Bioallied Sci. 2011 Jul-Sep; 3(3): 466–467. doi: 10.4103/0975-7406.84471

Tinggi U. Selenium: its role as antioxidant in human health. Environ Health Prev Med. 2008 Mar; 13(2): 102–108. doi: 10.1007/s12199-007-0019-4

Tomczyk M et al. Athletes Can Benefit from Increased Intake of EPA and DHA-Evaluating the Evidence. Nutrients. 2023 Nov 26;15(23):4925. doi: 10.3390/nu15234925