1. Come agisce l’idrogeno molecolare H₂

L’H₂ è una molecola molto stabile.

Proprio perché è stabile, non reagisce con la maggior parte delle molecole biologiche, e questo è uno dei motivi per cui viene considerato interessante: non “spegne” indiscriminatamente tutte le specie reattive dell’ossigeno (ROS), molte delle quali sono importanti per la segnalazione cellulare.

L’idrogeno molecolare ha caratteristiche molto particolari:

• è piccolissimo;
• è neutro;
• attraversa facilmente membrane cellulari in quanto non ha carica elettrica;
• raggiunge mitocondri e nuclei cellulari;
• può interagire con specie altamente ossidanti.

Il modello più studiato oggi per l’idrogeno molecolare non è tanto donatore massiccio di elettroni, ma piuttosto:

• modulazione dello stress ossidativo;
• regolazione delle vie Nrf2;
• modulazione dell’infiammazione;
• protezione mitocondriale.

Gli studi suggeriscono due possibili meccanismi.

A) Reazione con specie altamente ossidanti

In vitro e in alcuni modelli sperimentali, H₂ può reagire con specie estremamente reattive, come:

• radicale ossidrile (•OH);
• specie correlate al perossinitrito (ONOO⁻).

Il radicale ossidrile è uno degli ossidanti più aggressivi dell’organismo: reagisce praticamente con qualsiasi biomolecola e non esistono enzimi dedicati che lo eliminino.

L’H₂ può contribuire a ridurne la presenza.

B) Effetti indiretti

Oggi molti ricercatori ritengono che l’effetto principale dell’H₂ non sia semplicemente quello di neutralizzare radicali liberi.

L’H₂ sembra influenzare vie di segnalazione cellulare coinvolte nella risposta allo stress ossidativo, nell’infiammazione e nella funzione mitocondriale. Ad esempio, in modelli sperimentali è stato osservato che può modulare l’attività di fattori di trascrizione come Nrf2, favorendo l’espressione di enzimi antiossidanti endogeni. Questi meccanismi sono ancora oggetto di ricerca.

2. Come agisce H⁻

Lo ione idruro H-  è un atomo di idrogeno H (un protone combinato con un elettrone) che possiede anche un elettrone in più, per un totale di due elettroni. Ha quindi una carica negativa in eccesso.

Per questo motivo è un potentissimo donatore di elettroni.

Per esempio:

H− → H + e

oppure partecipa direttamente a reazioni di riduzione.

In pratica può ridurre moltissime molecole ossidate.

Per questo motivo gli idruri sono utilizzati in chimica come fortissimi riducenti.

Ad esempio:

• idruro di sodio (NaH);
• litio alluminio idruro (LiAlH₄);
• boroidruro di sodio (NaBH₄).

Ma nell’organismo?

H⁻ non sopravvive in quanto non appena incontra l’acqua si combina con l’elettrone in eccesso in una combinazione maggiormente stabile:

H− + H2O → H2 + OH-

Quindi l’effetto riducente dello ione idruro viene consumato immediatamente dalla reazione con il solvente.

Per questo motivo non può circolare nei tessuti come specie libera.

Perché OH⁻ è stabile e H⁻ no?

H⁻ (idruro)

• ha due elettroni attorno a un solo protone;
• è fortemente attratto da qualsiasi fonte di protoni;
• in acqua trova miliardi di molecole di H₂O che possono donare protoni;
• quindi viene consumato immediatamente.

OH⁻ (idrossido)

• è uno ione molto più stabilizzato;
• la carica negativa è sull’ossigeno, un atomo molto più grande e capace di distribuire la carica;
• viene fortemente idratato dalle molecole d’acqua circostanti:

OH− ⋯ H2O

cioè circondato da un cluster (raggruppamento) di molecole d’acqua che lo stabilizzano.

Un paragone

Immaginiamo che gli ossidanti siano scintille.

H₂

È come una persona calma che spegne solo gli incendi più pericolosi, lasciando accese le luci che servono.

H⁻

È come un estintore industriale potentissimo.

Spegne praticamente tutto. ma si scarica in un attimo appena entra nella stanza.

Per questo non può funzionare come molecola biologica.

Perché nasce la confusione tra H2 e H-?

Molti prodotti commerciali parlano di:

• “hydrogen ions”
• “negative hydrogen”
• “active hydrogen”
• “hydride hydrogen”

come se fossero la stessa cosa.

Dal punto di vista della chimica, non lo sono.

Uno ione H⁻ libero non può rimanere stabile in una soluzione acquosa. Se un prodotto sostiene di contenere “idrogeno ionizzato negativo” in acqua, è importante verificare con attenzione quali specie chimiche siano realmente presenti e quali dati sperimentali lo dimostrino.

• H₂ è una molecola stabile, con effetti antiossidanti studiati soprattutto come modulatore dello stress ossidativo e, in alcune condizioni sperimentali, come scavenger di specie molto reattive. La ricerca è promettente ma ancora in evoluzione.
  
  
• H⁻ è un fortissimo riducente dal punto di vista chimico, ma non è stabile in acqua e quindi non agisce come antiossidante fisiologico nell’organismo. Il suo potere riducente viene rapidamente consumato reagendo con l’acqua stessa.

Silica Hydride

La silice Si è principalmente:

SiO2​

cioè biossido di silicio: una rete tridimensionale di atomi di silicio legati ad atomi di ossigeno.

Un vero “idruro di silicio” invece è un composto in cui il silicio è legato all’idrogeno, per esempio i silani:

SiH4​ (silano)

oppure composti più complessi contenenti legami Si–H.

Quindi un materiale chiamato silica hydride indica una silice modificata contenente gruppi Si–H o materiali a base di silicio con idrogeno legato.

Alcuni prodotti in commercio chiamati “silica hydride” spiegano che la struttura contenente silicio e idrogeno possa funzionare come un donatore di elettroni.

Il ragionamento è:

• i legami Si–H contengono idrogeno in una condizione relativamente ricca di elettroni;
• l’idrogeno può essere trasferito o può partecipare a reazioni redox;
• quindi il materiale potrebbe avere capacità riducenti.

In termini generali, un gruppo Si–H può comportarsi come un agente riducente, generando in acqua idrogeno molecolare H2, perché il legame del Si-H è polarizzato (ossia ha cariche elettriche ben separate):

Si δ+   −-   H δ-

L’idrogeno legato al silicio ha una certa densità elettronica e può essere trasferito in alcune reazioni chimiche.

Se un materiale contenente idrogeno negativo H- (o gruppi Si–H con comportamento idruro) reagisse con l’acqua, una delle conseguenze misurabili sarebbe:

Si−H + H2O → Si−OH + H2​

e/o indirettamente:

H− + H2O → H2 + OH−

Quindi si potrebbe osservare:

• un aumento di H₂ disciolto;
• un aumento di ioni OH⁻ → che significa un aumento del pH;
• una diminuzione del potenziale redox (l’ORP diventa più negativo).

Quello che non ci aspettiamo è un accumulo di H⁻ libero nell’acqua.

In altre parole: l’idruro può essere visto come una fonte di potere riducente, ma l’acqua lo converte rapidamente in idrogeno molecolare + ambiente alcalino.

L’idrogeno è essenziale per la vita

L’idrogeno è fondamentale perché:

• è presente nell’acqua (H₂O);
• è presente nelle molecole organiche (proteine, lipidi, carboidrati, DNA);
• partecipa ai gradienti protonici nei mitocondri;
• è coinvolto nella produzione di ATP.

Nei mitocondri non bruciamo idrogeno puro, ma gli elettroni derivati dai nutrienti, che vengono trasferiti lungo la catena respiratoria, e alla fine riducono l’ossigeno formando acqua.

I radicali liberi causano l’invecchiamento?

Questa è la vecchia teoria dei radicali liberi dell’invecchiamento (Harman, 1956).

Oggi sappiamo che:

• lo stress ossidativo contribuisce all’invecchiamento;
• i radicali liberi possono danneggiare DNA, proteine e membrane;

ma non sono l’unica causa.

L’invecchiamento coinvolge anche:

• senescenza cellulare;
• infiammazione cronica;
• alterazioni epigenetiche;
• disfunzione mitocondriale;
• perdita di proteostasi;
• cambiamenti delle cellule staminali.

Inoltre alcune specie reattive dell’ossigeno (ROS) sono necessarie per la comunicazione cellulare.

3. L’antiossidante dona elettroni al radicale libero

Questo è il principio base.

Un radicale libero ha un elettrone spaiato e cerca stabilità.

Un antiossidante può donare:

• un elettrone;
• oppure un atomo di idrogeno (H•).

Esempio:

ROO*+AH → ROOH +A*

dove l’antiossidante AH dona un idrogeno.