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Le tappe storiche che hanno condotto alla scoperta delle vitamine

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di Sergio Barocci

Le cellule viventi, oltre ai loro componenti principali (carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici), contengono anche alcune sostanze organiche che svolgono la loro azione in piccole quantità, chiamate vitamine. Sebbene esse siano essenziali per molte forme di vita, la loro importanza biologica venne riconosciuta per la prima volta solo in quanto alcuni organismi non erano in grado di sintetizzarle e dovevano quindi rifornirsene da fonti esogene. Insieme agli enzimi partecipano alle reazioni chimiche necessarie al funzionamento del nostro organismo e agiscono anche da catalizzatori per la formazione o la rottura dei legami chimici tra le molecole
alimenti fonti primarie delle diverse vitamineLa storia delle vitamine, uno degli episodi più importanti nella storia della biochimica, ha avuto un notevole effetto sul benessere e sulla salute dell’uomo e sulla comprensione dei processi catalitici che avvengono nel metabolismo degli organismi viventi. Il fatto che la dieta fosse in relazione con alcune malattie, era già noto al tempo degli antichi egizi in quanto essi conoscevano da tempo che estratti di fegato erano in grado di curare la cecità notturna, una malattia oggi nota per essere causata da una carenza di vitamina A. Durante il Rinascimento, l’inizio dell’era delle navigazioni oceaniche causò ai naviganti prolungati periodi di privazione di frutta fresca e di verdure e pertanto le malattie dovute alle carenze di vitamine divennero abbastanza comuni tra gli equipaggi delle navi.
Nel secolo XVIII l’olio di merluzzo venne usato per la prima volta per curare il rachitismo e più tardi si scoprì che il succo degli agrumi era capace di prevenire i sintomi dello scorbuto fra i marinai della marina britannica. Infatti, si deve al chirurgo scozzese James Lind nel 1757 la scoperta che gli agrumi erano in grado di prevenire lo scorbuto, una malattia particolarmente mortale in cui il collagene non si forma adeguatamente (a causa della mancata ossidrilazione dei residui di prolina del collageno ad opera dell’acido ascorbico o Vitamina C). Le fibre anormali di collageno che si vengono a formare a causa dell’ insufficiente ossidrilazione, contribuiscono a causare lesioni cutanee e fragilità vascolare presenti nello scorbuto.
In realtà, già nel 1536 l’esploratore francese Jacques Cartier fornì una chiara descrizione di questa carenza alimentare che colpiva i suoi uomini in occasione dell’esplorazione del fiume San Lorenzo:
“Alcuni perdevano tutta la loro forza e non potevano più reggersi in piedi.  Altri avevano tutta la pelle macchiata da chiazze di sangue di colore purpureo ; queste macchie risalivano dalle caviglie, dalle ginocchia, dalle anche, dalle spalle, dalle braccia e dal collo. Le loro bocche emanavano un cattivo odore, le loro gengive erano così marce che tutta la loro carne si staccava fino alla radice dei denti, che pure cadevano quasi tutti”.

James Lind e il suo "A Treatise on the Scurvy"

James Lind e il suo “A Treatise on the Scurvy” – London: Printed for S. Crowder, 1772

Nel 1753, James Lind pubblicò il suo trattato sulla scorbuto (Treatise on the Scurvy) in cui descrisse in maniera succinta il mezzo per prevenire questa malattia : “in effetti l’esperienza insegna che le verdure verdi o fresche e i frutti maturi sono sia il miglior rimedio per lo scorbuto sia il miglior modo per prevenirlo”, sollecitando l’inclusione di limone nella dieta dei marinai. Ma solo 40 anni dopo l’Ammiragliato Britannico seguì il suo consiglio.

Infatti, la sua scoperta, inizialmente non fu ampiamente accettata dai vertici dell’unità militare navale, tanto che durante le spedizioni artiche della Royal Navy nel 19° secolo, vi fu l’opinione diffusa che lo scorbuto si potesse prevenire praticando una corretta igiene personale, un regolare esercizio fisico e mantenendo alto il morale dell’equipaggio, piuttosto che l’assunzione di cibi freschi. Il risultato che ne derivò, fu che le spedizioni artiche continuarono ad essere afflitte dallo scorbuto e da altre malattie da carenza vitaminica.
Nel XX secolo, quando Robert Falcon Scott fece le sue due spedizioni in Antartide, la teoria medica al momento prevalente fu quella che sosteneva che la causa dello scorbuto fosse dovuta a cibo in scatola “contaminato”.
Durante la fine del XVIII secolo e l’inizio del XIX , il ricorso a studi di privazione permise agli scienziati di isolare e identificare una serie di vitamine. Lipidi da olio di pesce furono utilizzati per curare il rachitismo nei ratti e nutrienti liposolubili furono chiamati “antirachitici”

Nikolai Lunin

Nikolai Lunin (1853-1937)

Nel 1881, il chirurgo russo Nikolai Lunin studiò gli effetti dello scorbuto, durante il suo lavoro presso l’Università di Tartu in Estonia. Egli alimentò i topi con una miscela artificiale di tutti i componenti separati del latte noti a quel tempo ( proteine, grassi, carboidrati e sali). I topi che ricevettero solo i singoli componenti morirono, mentre quelli alimentati dallo stesso latte si svilupparono normalmente. Lunin , concluse, pertanto, che “un alimento naturale come il latte doveva contenere, oltre a questi principali ingredienti noti, piccole quantità di sostanze sconosciute essenziali per la vita”.
Queste sue conclusioni furono però respinte da altri ricercatori, quando egli non fu più in grado di riprodurre i risultati ottenuti in precedenza. La differenza sostanziale della mancata riproduzione dei suoi esperimenti era dovuta al fatto che mentre Lunin utilizzò lo zucchero da tavola (saccarosio), gli altri ricercatori usarono, invece, lo zucchero del latte (lattosio), che conteneva piccole quantità di vitamina B.
In Asia orientale , nel frattempo, si era diffusa endemicamente in quelle popolazioni che si alimentavano con riso bianco, una malattia il “Beriberi” derivante dalla mancanza di vitamina B1.

Takaki Kanehiro

Takaki Kanehiro (1849–1920)

Nel 1884, Takaki Kanehiro, un esperto medico della Marina Imperiale giapponese , osservò che tale malattia era molto frequente tra i membri dell’equipaggio di basso rango che spesso si cibavano di solo riso, ma non tra gli ufficiali che consumavano una dieta di tipo occidentale. Con il supporto della marina giapponese, egli fece un esperimento con equipaggi di due navi da battaglia: ad un equipaggio venne fornito solo riso bianco, mentre l’altro alimentato con una dieta comprendente carne, pesce, orzo, riso e fagioli. Nel gruppo che ebbe solo riso bianco vennero documentati 161 casi di beriberi tra i membri dell’equipaggio, con 25 decessi, mentre il secondo gruppo ebbe solo 14 casi e nessun decesso.

Christiaan Eijkman

Christiaan Eijkman (1858–1930)

Questo convinse Takaki e la Marina giapponese che il tipo di alimentazione fosse la causa della beriberi, ma erroneamente credettero che fosse necessaria solo una sufficiente quantità di proteine. Le condizioni patologiche che potessero derivare da alcune carenze alimentari, furono ulteriormente studiate dal patologo olandese Christiaan Eijkman , che nel 1897 scoprì che il riso integrale al posto del riso bianco per i polli contribuiva a prevenire la Beriberi.

Frederick G. Hopkins

Frederick G. Hopkins

Nel 1912 il biochimico britannico Frederick Hopkins dimostrò sperimentalmente che gli animali necessitavano per una crescita normale dell’assunzione di alcuni cibi che contenessero “fattori accessori” – oltre a proteine, carboidrati, grassi, ecc.  Hopkins e Eijkman grazie alle loro scoperte furono in seguito . entrambi, insigniti nel 1929 del Premio Nobel per la fisiologia o la medicina.

Frederick Gowland Hopkins (1861–1947) vincitore del premio Nobel per la medicina e la fisiologia del 1929 insieme a Christiaan Eijkman.

Umetaro Suzuki

Umetaro Suzuki (1874–1943)

In realtà, fu solo nel 1910 che venne isolato dallo scienziato giapponese Umetaro Suzuki il primo complesso di vitamine. Egli, infatti, riuscì ad estrarre un complesso di micronutrienti dalla crusca di riso solubile in acqua. La scoperta venne pubblicata in una rivista scientifica giapponese e quando l’articolo venne tradotto in tedesco, la traduzione non riuscì a far comprendere che si trattava di una sostanza nutritiva di recente scoperta e, pertanto , non suscitò il giusto interesse.

Casimir Funk

Casimir Funk (1884–1967)

Nel 1912 il biochimico polacco Casimir Funk mentre lavorava presso l’Istituto Lister di Londra, ottenne un concentrato di una ammina estratto dalla buccia e dalla pula del riso che alleviava i sintomi del Beriberi, malattia che risultava frequente tra i marinai giapponesi che si nutrivano quasi esclusivamente di riso macinato o brillato. Egli chiamò questo complesso “vitamina ”, dal tedesco vitamin, formato dal latino “vita” , in relazione alla sua importanza per la vita e dal tedesco amin “amina, in quanto appartenente al gruppo chimico delle amine.

In seguito questa sostanza venne riconosciuta come vitamina B3 (niacina), anche se all’inizio la si ritenne essere la tiamina (vitamina B1) e la descrisse come “fattore anti beriberi“. Funk propose , inoltre, che anche altre malattie, come il rachitismo, la pellagra, la malattia celiaca e lo scorbuto potessero essere curate con le vitamine. Il nome divenne ben presto sinonimo di “fattori accessori” ma poi si dimostrò che il nome di vitamina era improprio in quanto non tutte le vitamine erano ammine, ma poiché tale era ormai già onnipresente, fu così mantenuto.

Elmer Verner McCollum

Elmer Verner McCollum (1879–1967)

Più tardi, divenne chiaro che dovevano esistere parecchie vitamine, fin quando il biochimico americano Elmer Verner McCollum scoprì che giovani ratti per essere nutriti bene richiedevano fattori di crescita solubili sia in acqua che nei lipidi.
Queste prime scoperte portarono allo sviluppo di una ricerca sistematica, tesa allo scopo di isolare fattori che fossero necessari in piccole quantità per il nutrimento dei ratti e di altri animali da laboratorio.

Giovani animali da esperimento vennero nutriti con delle diete sintetiche preparate con specifiche porzioni di componenti chimicamente noti come aminoacidi e proteine, lipidi, carboidrati e Sali minerali.
Questi componenti da soli risultarono però insufficienti a sostenere un normale ritmo di crescita ma quando la razione venne integrata con cibi naturali ricchi di fattori di crescita, si osservò un aumento della velocità di accrescimento.
Frazionando sistematicamente la fonte naturale dei fattori di crescita e controllando l’effetto dei concentrati sulla velocità di accrescimento degli animali, questi fattori incominciarono ad essere ottenuti in forma pura e tutto ciò ne permise la caratterizzazione chimica.
Oltre alla velocità di crescita, per controllare l’effetto dei concentrati vitaminici vennero utilizzati altri criteri e i sintomi dovuti al loro deficit come ad esempio la squamosità della pelle, l’opacità del pelo e l’alterazione dell’andatura.
Un importante passo avanti venne compiuto dagli anni ’30 in avanti quando alcune vitamine vennero isolate per la prima volta e venne stabilita la loro struttura molecolare , un lavoro di proporzioni eroiche per quei tempi, poiché fu possibile ottenere solo pochi mg di sostanza pura da molti Kg e a volte tonnellate di materiale di partenza.
Ma veniamo per gradi .

Sir Edward Mellanby

Sir Edward Mellanby (1884–1955)

Nel 1919, Edward Mellanby documentò un effetto benefico di alcuni alimenti, quali l’olio di fegato di merluzzo, nel prevenire l’insorgenza del rachitismo, ascritto ad un non identificato “fattore antirachitico”. Qualche anno più tardi, invece, Elmer Mc-Collum identificò questo fattore antirachitico lipofilo , essenziale per il metabolismo delle ossa proprio con la vitamina D. Nel 1923 Harry Goldblatt e Katharine Marjorie Soames riuscirono a dimostrare che quando il 7-deidrocolesterolo, presente nella pelle , veniva colpito dai raggi ultravioletti o raggi U.V., esso stesso dava origine ad un composto che possedeva la stessa attività biologica del composto lipofilo di Mc Collum.

Adolf Otto Reinhold Windaus

Adolf Otto Reinhold Windaus (1876 – 1959)

Si arrivò al 1930 quando venne identificata la struttura della vitamina D dal chimico tedesco Adolf Windaus. Successivamente, gli studi strutturali hanno permesso di identificare le due forme della vitamina D e che l’ergocalciferolo viene formato quando i raggi ultravioletti colpiscono la sua forma provitaminica di origine vegetale, l’ergosterolo, mentre il colecalciferolo si produce, come già affermato precedentemente, dall’irradiazione del 7-deidrocolesterolo.

Esistono quindi, due vitamine D : D2 e D3. La prima è unicamente esogena, mentre la seconda è anche endogena poichè il nostro organismo la produce per effetto della luce solare sulla pelle. La Vitamina D è una vitamina che un ormone.

vitamine e provitamine del gruppo D

vitamine e provitamine del gruppo D

Richard Martin Willstatter

Richard Martin Willstatter (1872–1942)

Nel 1930, il chimico svizzero Paul Karrer determinò con esattezza la struttura del β-carotene (composto organico del gruppo dei caroteni , provitamine terpeniche di origine vegetale, precursori della vitamina A o retinolo) e della Vitamina A . Questa pro-vitamina fu così chiamata dallo scienziato Heinrich Wackenroder, in quanto riuscì ad isolare nel 1851 il composto, dalla radice della carota. Diversi anni più tardi ed esattamente nel 1907 il chimico tedesco Richard Martin Willstatter insieme a W. Mieg chiarirono la sua struttura e nel 1911 il suo isolamento diretto dalle carote e nel 1950 la sintesi chimica.
beta-carotene

George Wald

George Wald (1906–1997)

Tra il 1934 e il 1935, ad opera di George Wald, venne ottenuta dalla retina una sostanza coinvolta nei meccanismi della visione, che venne riconosciuta, nel 1944 , come la forma aldeidica della vitamina A ed essa venne denominata retinaldeide. Un’altra forma della vitamina A (acido retinoico) venne, invece, sintetizzata nel 1946. Con il termine di vitamina A vengono indicati sia il retinolo che i suoi analoghi, detti retinoidi , di cui si conoscono almeno 1500 tipi diversi, tra naturali e sintetici. Anche i carotenoidi posseggono l’attività biologica della vitamina A in quanto possono fungere da provitamine

Del retinolo esiste anche la forma aldeidica detta retinaldeide o retinale che agisce soprattutto sulla vista e sulla riproduzione, e la forma acida, detta acido retinoico importante in altre funzioni dell’organismo, come la crescita e la differenziazione cellulare.

specie chimiche corrispondenti alla vitamina A

specie chimiche corrispondenti alla vitamina A

Nel 1931, Albert Szent-Györgyi e il suo giovane ricercatore Joseph Svirbely sospettarono che l’acido ascorbico fosse in realtà la vitamina C e ne consegnarono un campione al biochimico statunitense Charles Glen King, che dimostrò la sua attività anti-scorbuto in un lungo test eseguito su cavie.

struttura della riboflavina o vitamina B2

struttura della riboflavina o vitamina B2

Solo nel 1934 dopo che il chimico britannico Sir Walter Norman Haworth e il biochimico polacco Tadeusz Reichstein, in maniera indipendente, riuscirono a determinare la struttura della vitamina C e le sue proprietà anti-scorbutiche, alla vitamina C fu dato il nome di acido L-ascorbico.
Szent Györgyi e Haworth diedero, grazie alle loro scoperte, un contributo significativo alla chimica delle flavine , portando alla identificazione della struttura chimica della riboflavina o Vitamina B2 e nel 1935 alla scoperta della sua sintesi ad opera del biochimico tedesco Richard Kuhn premio Nobel per la chimica nel 1938 per il suo lavoro sui carotenoidi e le vitamine.
Anche Karrer c Haworth nel 1937 ricevettero entrambi il Premio Nobel per la Chimica nel 1937 per i loro studi sui carotenoidi, sulle flavine e sulle vitamine A e B2 mentre Szent-Györgyi ricevette il Premio Nobel per la Medicina per la scoperta della vitamina C e dei componenti e delle reazioni del ciclo di Krebs.

scienziati scopritori di vitamine

scienziati scopritori di vitamine

Karrer e Haworth per i loro studi sui carotenoidi, sulle flavine e sulle vitamine A e B2, ricevettero il Premio Nobel per la Chimica nel 1937.

acido L-ascorbico o vitamina C

acido L-ascorbico o vitamina C

Nel 1931, Albert Szent-Györgyi e Joseph Svirbely sospettarono che l’acido ascorbico fosse in realtà la vitamina C e ne consegnarono un campione al biochimico statunitense Charles Glen King , che dimostrò la sua attività anti-scorbuto in un lungo test eseguito su cavie. Nel 1937, Szent-Györgyi venne così insignito del Premio Nobel per la Medicina per la scoperta della vitamina C e dei componenti e delle reazioni del ciclo di Krebs.

Nel 1936 l’anatomista statunitense Herbert Evans riuscì ad isolare un fattore liposolubile in grado di prevenire la morte fetale animale denominato vitamina E dalla frazione di natura non gliceridica (insaponificabile) dell’olio di germe di grano. La vitamina E fu però scoperta dallo stesso Evans nel 1922 nei vegetali verdi e inizialmente denominata fattore X e poi vitamina E dopo che era stata scoperta la vitamina D.
ricercatori scoperta vitamineLa sua struttura venne determinata nel 1938 dal chimico tedesco Erhard Fernholz e indicata come -tocoferolo
Nello stesso anno Paul Karrer realizzò la sintesi di una miscela racemica di α-tocoferolo. Una miscela racemica si ha quando due enantiomeri (coppia di entità molecolari che sono immagini speculari ciascuna dell’altra e non sovrapponibili) si trovano insieme nella stessa quantità, ovvero 50% e 50%. Vennero, poi, isolati altri composti, aventi attività simile, da molti oli vegetali: i tocotrienoli e il β, γ, δ-tocoferolo. Solo più tardi, nel 1968, si scoprì che la vitamina E era essenziale anche per l’uomo. I tocoferoli sono composti oleosi, insolubili in acqua e solubili nei solventi apolari, cioè quei solventi dove le molecole hanno cariche elettriche uguali (entrambe positive o entrambe negative).
Sono facilmente degradati dall’ossigeno e dai raggi UV e sono abbastanza resistenti al calore. L’assorbimento della vitamina E, tra tocoferoli o tocotrienoli, è conosciuto bene solo per quel che riguarda i primi. Essi vengono assorbiti a livello dell’intestino tenue (con precedente idrolisi), qualora presenti sotto forma di esteri.

alfa-tocoferolo

alfa-tocoferolo

I tipi di vitamina E sono 8 cioè otto forme con diversa attività biologica α-, β-, γ-, δ-tocoferolo e α-, β-, γ-, δ- tocotrienolo rispettivamente per il numero e la posizione di metili e insaturazione della catena laterale

 

stereoisomeri della vitamina E

stereoisomeri della vitamina E

Il termine vitamina E è pertanto usato per descrivere genericamente tutti i derivati del tocoferolo e del tocotrienolo che presentano qualitativamente l’attività biologica dell’a-tocoferolo.
scopritori della vitamina KNel 1943 fu scoperta dai biochimici Edward Adelbert Doisy e Henrik Dam la vitamina K a seguito di esperimenti su animali dove furono identificate le sue proprietà antiemorragiche. Essi ricevettero il Premio Nobel per la medicina per questa loro scoperta scoperta mentre nel 1967 fu invece George Wald ad essere insignito del Premio Nobel (insieme a Ragnar Granit e Haldan Keffer Hartline) per la sua scoperta riguardo alla partecipazione diretta della vitamina a un processo fisiologico

forme della vitamina KLe vitamine K vengono suddivise in tre gruppi:
a) Vitamina K1 o fillochinone ottenuta dalle piante , quindi di origine vegetale e che costituisce la forma più presente nella dieta.
b) Vitamina K2 o menachinoni di origine batterica, sintetizzata dai batteri simbionti normalmente presenti nella flora intestinale umana, (genere E. coli). I menachinoni differiscono per il numero di unità isopreniche che si trovano nella catena laterale.
c) Vitamina K3 o menadione, liposolubile, di origine sintetica ed il suo derivato bisolfitico, idrosolubile.

Negli anni successivi, si scoprì che le vitamine potevano funzionare anche come componenti base fondamentali di alcuni coenzimi come la tiamina pirofosfato o TPP nella decarbossilasi dei chetoacidi e delle transchetolasi.  La TPP, infatti, svolge un ruolo importante come coenzima nella decarbossilazione ossidativa del piruvato e dell’α-chetoglutarato nel ciclo di Krebs (importante per la formazione di energia metabolica) e nella reazione transchetolasica nel ciclo dei pentosi fosfato (importante per la produzione di NADPH e di ribosio 5-fosfato).

struttura della tiaminaPoco tempo dopo vennero chiarite anche le strutture di altre vitamine e tali scoperte non solo dimostrarono il loro ruolo biologico e la loro azione in piccole quantità ma aprirono la via alla comprensione a livello molecolare dei meccanismi per mezzo dei quali i coenzimi e gli enzimi aumentavano la velocità delle reazioni chimiche.
Per concludere a riguardo della loro classificazione, dato la loro struttura chimica molto diversa tra loro, le vitamine vengono classificate in due gruppi: quello delle vitamine idrosolubili (vitamine del gruppo B e vitamina C) e quello delle vitamine liposolubili (vitamina A,E,D, K)
 
Voci bibliografiche

• https://it.wikipedia.org
• M. Marchetti “ Le vitamine” Clueb Ed., 2003
• L. Fortuna “ Le vitamine. Elementi essenziali di una sana alimentazione”
Xenia Ed., 2006
• B. Brigo “Vitamine e Minerali . Prevenzione e cura” Tecniche Nuove Ed. , 2015

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