Flavonoidi e Vitamine: Il Ballo Nascosto delle Molecole Svelato

Ciao a tutti gli appassionati di scienza e curiosi! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo microscopico, là dove le molecole danzano e interagiscono in modi che possono avere un impatto enorme sulla nostra salute e sul modo in cui sviluppiamo farmaci e integratori. Parleremo di flavonoidi, come la famosa quercetina (QUE) e la 7-idrossiflavone (7-HF), e di come si “comportano” quando incontrano la nicotinamide (NAM), una forma di vitamina B3, in un ambiente un po’ particolare: una miscela di acqua ed etanolo. Sembra complicato? Tranquilli, cercherò di renderlo il più intrigante possibile!

Immaginate queste molecole come dei ballerini su una pista affollata (la nostra soluzione). Noi scienziati siamo un po’ come dei coreografi o degli osservatori attenti che cercano di capire chi balla con chi, se preferiscono stare da soli, in coppia, o se interagiscono anche con la “pista” stessa (il solvente). Capire queste interazioni è fondamentale, perché quando usiamo insieme sostanze come la quercetina e la nicotinamide, potremmo ottenere benefici terapeutici potenziati, una sorta di sinergia benefica. Ma per sfruttarla al meglio, dobbiamo sapere cosa succede a livello molecolare.

Chi sono i protagonisti di questa danza?

Prima di tuffarci negli esperimenti, conosciamo meglio i nostri “ballerini”:

• Quercetina (QUE) e 7-Idrossiflavone (7-HF): Sono bioflavonoidi, pigmenti naturali presenti in frutta, verdura, tè, vino rosso… insomma, un sacco di cose buone! Sono famosi per le loro proprietà antiossidanti e vengono studiati per tantissime applicazioni, dalla lotta all’infiammazione ai problemi cardiaci, fino all’uso nell’industria cosmetica. La loro “forza” deriva in gran parte dai gruppi ossidrilici (-OH) presenti nella loro struttura.
• Nicotinamide (NAM): È una forma della vitamina B3, essenziale per il nostro organismo. Viene usata per trattare problemi della pelle come la pellagra, l’acne, la rosacea, ma è studiata anche per malattie neurodegenerative come Alzheimer e Parkinson. Una sua caratteristica interessante è che agisce come donatore di legami idrogeno (HBD) e come idrotropo, cioè aiuta a sciogliere sostanze poco solubili in acqua.
• Il Solvente (Acqua + Etanolo): Abbiamo scelto una miscela idro-etanolica perché spesso è più simile agli ambienti reali in cui queste sostanze vengono usate (pensate a tinture, estratti, formulazioni farmaceutiche) rispetto alla semplice acqua pura.

L’obiettivo del nostro studio era proprio analizzare le interazioni tra soluto-soluto (QUE/7-HF con NAM) e soluto-solvente (QUE/7-HF/NAM con la miscela acqua-etanolo) usando tecniche volumetriche e acustiche. Volevamo capire come la presenza di NAM e la diversa percentuale di etanolo influenzassero questo “ballo” molecolare.

Spiare le molecole: le nostre tecniche

Come si fa a “vedere” le interazioni tra molecole così piccole? Non possiamo usare un microscopio normale! Usiamo invece metodi indiretti ma potentissimi:

• Analisi Volumetrica: Misuriamo con estrema precisione la densità delle soluzioni a diverse concentrazioni e temperature. Da questi dati, calcoliamo parametri come il volume molare apparente ((V_{phi})) e il volume molare parziale ((V_{phi}^0)). Questi valori ci dicono quanto “spazio” occupano le molecole di soluto nella soluzione e come questo spazio cambia al variare delle condizioni. Ci danno indizi preziosi sulle interazioni soluto-solvente. Misuriamo anche come il volume cambia con la temperatura (espansibilità molare parziale, (E_{phi}^0)), che ci dice se il soluto tende a “strutturare” o “destrutturare” il solvente attorno a sé.
• Analisi Acustica: Misuriamo la velocità degli ultrasuoni che attraversano le nostre soluzioni. Il modo in cui il suono viaggia dipende da quanto è “comprimibile” il mezzo e da come sono impacchettate le molecole. Da qui ricaviamo la compressibilità isentropica ((K_s)), la compressibilità molare apparente ((K_{s,phi})) e l’impedenza acustica (Z). Questi parametri sono sensibilissimi alle interazioni intermolecolari, inclusi i legami idrogeno e le interazioni idrofobiche/idrofiliche.

Queste tecniche sono fantastiche perché sono non distruttive: analizziamo le soluzioni senza alterare la struttura delle molecole che ci interessano.

Cosa abbiamo scoperto con il volume?

Analizzando i dati volumetrici, sono emerse cose interessanti. Ad esempio, abbiamo visto che la densità delle soluzioni diminuiva all’aumentare della concentrazione di QUE o 7-HF. Potrebbe sembrare controintuitivo, ma è legato a come le molecole di soluto e solvente si organizzano e al fatto che l’etanolo è meno denso dell’acqua.

Il volume molare apparente ((V_{phi})) è risultato positivo in tutti i casi, suggerendo che ci sono interazioni significative tra i nostri flavonoidi e il solvente (la miscela acqua-etanolo-NAM). Tuttavia, questo volume diminuiva all’aumentare della concentrazione di flavonoide. Cosa significa? Che man mano che aggiungiamo “ballerini” (QUE/7-HF), le interazioni con la “pista” (solvente) diventano proporzionalmente meno forti, forse perché i soluti iniziano a interagire di più tra loro o perché i “siti di legame” sul solvente si saturano. La presenza di NAM sembrava proprio incoraggiare queste interazioni soluto-soluto.

Al contrario, aumentando la temperatura, il (V_{phi}) tendeva ad aumentare. Questo è abbastanza logico: col calore, le molecole si agitano di più, si allontanano leggermente e occupano più spazio (espansione termica), e alcune molecole d’acqua potrebbero “scappare” dalla sfera di solvatazione attorno al soluto.

Il volume molare parziale ((V_{phi}^0)), che ci dà informazioni sulle interazioni soluto-solvente in condizioni di diluizione infinita (quando le molecole di soluto sono lontanissime tra loro), aumentava con la temperatura, confermando l’effetto dell’espansione termica e il rilascio di molecole di solvente. I valori positivi dell’espansibilità molare parziale ((E_{phi}^0)) ci hanno suggerito che sia QUE che 7-HF agiscono come “formatori di struttura” nella soluzione acquosa, promuovendo le interazioni soluto-solvente e forse inducendo un certo ordine nelle molecole di solvente circostanti (effetto “caging”).

Infine, abbiamo guardato il volume molare parziale di trasferimento ((Delta_{tr}V_{phi}^0)), che confronta il comportamento del soluto nel nostro solvente misto rispetto all’acqua pura. I valori erano positivi, indicando forti interazioni soluto-solvente nel sistema studiato. È interessante notare che i valori erano significativamente più bassi per 7-HF rispetto a QUE. Questo potrebbe dipendere dalla dimensione molecolare (QUE è più grande e ingombrante) e dal numero di gruppi -OH disponibili per formare legami idrogeno (QUE ne ha 5, 7-HF solo 1). La molecola più piccola e meno “appiccicosa” di 7-HF sembra causare meno “scompiglio” strutturale nel solvente.

E cosa ci hanno “sussurrato” gli ultrasuoni?

Passiamo all’analisi acustica. La velocità degli ultrasuoni (U) seguiva un andamento simile a quello della densità: diminuiva all’aumentare della concentrazione di QUE/7-HF. Questo suggerisce che l’aggiunta dei flavonoidi, nonostante le interazioni, rende il mezzo complessivamente meno “compatto” o più “lento” per le onde sonore. Una possibile spiegazione è la formazione di complessi specifici, come QUE/7-HF-(H₂O)₂, dovuti a forti legami idrogeno intermolecolari (specialmente con il gruppo C=O del flavonoide). Questi complessi, pur formandosi, potrebbero disturbare la struttura generale del solvente o avere una diversa “risposta” alle onde sonore, portando a una diminuzione della velocità. La presenza di NAM, con la sua capacità di formare legami idrogeno, complica ulteriormente questo quadro.

La compressibilità isentropica ((K_s)), cioè quanto facilmente la soluzione può essere compressa senza scambio di calore, aumentava all’aumentare della concentrazione di QUE/7-HF. Questo sembra indicare che, nonostante le interazioni specifiche, la soluzione nel suo complesso diventa più “comprimibile” man mano che aggiungiamo flavonoidi. Tuttavia, (K_s) diminuiva all’aumentare della temperatura, perché l’agitazione termica tende a “rompere” le strutture ordinate (come le sfere di idratazione) e a rafforzare le interazioni soluto-soluto.

Il valore limite della compressibilità ((K_s^0)), a diluizione infinita, è risultato più alto per 7-HF che per QUE. Questo è stato interpretato come un segnale di maggiori interazioni soluto (7-HF) – solvente (NAM + acqua/etanolo) rispetto a QUE. Sembra controintuitivo dato che QUE ha più gruppi -OH, ma l’ipotesi è che QUE sia così bravo a formare legami idrogeno (anche intramolecolari e con l’acqua, formando i complessi QUE-(H₂O)₂) da essere meno “disponibile” a interagire diffusamente con il resto del solvente (incluso NAM). 7-HF, con meno “distrazioni” interne, interagirebbe più liberamente con l’ambiente circostante.

La compressibilità molare apparente ((K_{s,phi})) è risultata negativa per tutte le soluzioni. Valori negativi indicano che le molecole d’acqua nella sfera di idratazione attorno al soluto sono meno comprimibili dell’acqua nel “bulk” (lontano dal soluto), a causa delle forti interazioni (elettrostrizione). Man mano che la concentrazione di flavonoide aumentava, (K_{s,phi}) diventava meno negativo, suggerendo che le interazioni soluto-soluto diventano più importanti e alcune molecole d’acqua vengono “espulse” dalla sfera di idratazione. I valori erano più negativi per QUE che per 7-HF, indicando interazioni soluto-idrofiliche più forti per QUE (coerente con i suoi 5 gruppi -OH).

Abbiamo anche analizzato i parametri di interazione a coppie ((K_{AB})) e a triplette ((K_{ABB})). I risultati hanno mostrato che le interazioni a coppie (tra una molecola di flavonoide e una di NAM/solvente) erano dominanti rispetto a quelle più complesse a triplette.

Infine, l’impedenza acustica (Z), che misura la resistenza del mezzo al passaggio delle onde sonore, diminuiva all’aumentare della concentrazione di QUE/7-HF. Questo è coerente con la diminuzione della velocità del suono e suggerisce che la formazione dei complessi e il rilascio di molecole di solvente facilitano in qualche modo la propagazione dell’onda, offrendo meno resistenza complessiva. Tuttavia, Z aumentava all’aumentare della concentrazione di NAM (a parità di etanolo), indicando che NAM contribuisce a creare interazioni più forti e una maggiore “resistenza” nel sistema.

Il quadro generale: un equilibrio delicato

Mettendo insieme tutti i pezzi del puzzle volumetrico e acustico, emerge un quadro complesso ma affascinante. Le interazioni tra QUE/7-HF e NAM in miscele idro-etanolica sono un delicato equilibrio tra:

• Interazioni Soluto-Solvente: Presenti e significative, come indicato dai volumi molari positivi e dalle compressibilità negative. I gruppi polari (-OH, C=O) dei flavonoidi e di NAM interagiscono con acqua ed etanolo tramite legami idrogeno e forze dipolo-dipolo.
• Interazioni Soluto-Soluto: Che diventano più importanti all’aumentare della concentrazione, come suggerito dalla diminuzione di (V_{phi}) e dall’analisi dei parametri di interazione. NAM sembra favorire queste interazioni.
• Interazioni Idrofobiche e Idrofiliche: Le parti non polari (anelli aromatici) e polari (-OH, -NH₂, C=O) di tutte le molecole interagiscono tra loro e con il solvente in modi diversi, contribuendo all’organizzazione strutturale complessiva.
• Legami Idrogeno: Sono cruciali! NAM agisce da donatore, interagendo con i gruppi accettori dei flavonoidi e del solvente. La capacità di QUE di formare più legami idrogeno (anche intramolecolari) sembra influenzare significativamente il suo comportamento rispetto a 7-HF.
• Effetto Strutturante: I flavonoidi sembrano agire da “formatori di struttura”, influenzando l’organizzazione delle molecole di solvente circostanti.

Le differenze osservate tra QUE e 7-HF sottolineano come anche piccole variazioni nella struttura molecolare (numero di gruppi -OH, dimensione) possano alterare significativamente il modo in cui una molecola interagisce con l’ambiente circostante.

Perché tutto questo è importante?

Capire queste interazioni a livello molecolare non è solo un esercizio accademico affascinante. Ha implicazioni pratiche enormi! Questa conoscenza ci aiuta a:

• Progettare formulazioni migliori: Siano esse farmaceutiche, nutraceutiche o cosmetiche. Sapere come QUE/7-HF interagiscono con NAM e con il solvente ci permette di ottimizzare la loro solubilità, stabilità ed efficacia.
• Prevedere la biodisponibilità: Le interazioni in soluzione possono influenzare il modo in cui queste sostanze vengono assorbite e utilizzate dal nostro corpo.
• Sfruttare le sinergie: Comprendere la base molecolare delle interazioni può aiutarci a combinare molecole in modo più intelligente per ottenere effetti potenziati.

Questo studio, combinando analisi volumetriche e acustiche in un solvente misto rilevante per le applicazioni reali, offre una prospettiva unica e dettagliata su queste complesse danze molecolari.

Spero che questo tuffo nel mondo delle interazioni molecolari vi sia piaciuto! È un campo di ricerca in continua evoluzione che promette di svelare ancora molti segreti utili per migliorare la nostra salute e il nostro benessere. Alla prossima!

Fonte: Springer