2
Gli organismi eucarioti superiori non possono esistere senza ossigeno,
sebbene esso possa risultare dannoso per le normali attività biologiche.
Questo lato negativo è dovuto al fatto che ciascun atomo di ossigeno presenta
un elettrone spaiato nel suo orbitale esterno. Se l’ossigeno atomico è un
radicale libero, l’ossigeno molecolare è un doppio radicale libero avente due
elettroni spaiati, ciascuno localizzato su orbitali diversi.
Sebbene l’ossigeno molecolare sia un radicale, esso è poco reattivo a
differenza delle forme ridotte che da lui derivano. A causa dell’ambiente
riducente della cellula, l’ossigeno ha ampie possibilità di sottoporsi ad una
riduzione monovalente:
• la prima riduzione dell’ossigeno genera l’anione radicale superossido O
2
°-
,
generalmente detto superossido;
• l’aggiunta di un secondo elettrone e due protoni al superossido O
2
°-
genera
una molecola di perossido di idrogeno H
2
O
2
;
• l’aggiunta di un terzo elettrone produce il radicale idrossilico
°
OH con
liberazione di uno ione idrossido OH
-
;
• una quarta addizione di un elettrone genera, infine, una molecola d’acqua.
3
Ciclo di riduzione univalente (a un solo elettrone)
dell’ossigeno molecolare:
e
-
+ O
2
! O
2
°-
e
-
+ O
2
°-
+ 2H
+
! H
2
O
2
e
-
+ H
2
O
2
!
°
OH + OH
-
e
-
+
°
OH + H
+
! H
2
O
La maggior parte dell’ossigeno che respiriamo subisce una riduzione
tetravalente, per produrre acqua, in una reazione catalizzata dalla citocromo
ossidasi nella catena mitocondriale di trasferimento elettronico. Tale processo
è considerato relativamente sicuro, tuttavia la riduzione monovalente
dell’ossigeno produce intermedi reattivi. Quindi l’anione radicale superossido, il
perossido di idrogeno e il radicale idrossilico, sono prodotti comuni della vita
aerobia ma, al tempo stesso, sembra che tali agenti siano responsabili della
tossicità dell’ossigeno. Essendo specie altamente reattive possono causare
estrazione di idrogeno, rottura di legami e reazioni di polimerizzazione. Acidi
grassi polinsaturi, proteine, DNA e carboidrati sono tutti suscettibili di attacco
da parte dei radicali liberi, in particolare del radicale idrossilico.
[1]
4
Fonti biologiche delle specie reattive dell’ossigeno
Numerosi sono i processi normali e patologici nel corso dei quali si ha
formazione di specie reattive radicaliche. Con riferimento al metabolismo
fisiologico si può ricordare come l’azione catalitica di una grande quantità di
enzimi cellulari implichi il trasferimento di singoli elettroni con la conseguente
produzione di intermedi radicalici. Allo stesso risultato porta l’attività delle
catene respiratorie di trasporto elettronico.
Data l’ubiquità dell’ossigeno negli organismi aerobi e la sua elevata
disponibilità ad accettare singoli elettroni, ne deriva che radicali liberi centrati
sull’ossigeno risultano di frequente i protagonisti di reazioni radicaliche cellulari
in fisiopatologia.
Una prima importante fonte di specie reattive radicaliche è localizzata nei
mitocondri a livello della membrana interna. Ubichinone e NADH-deidrogenasi
sono tra i componenti più facilmente autoossidabili della catena di
trasferimento elettronico. Sebbene la catena mitocondriale di trasporto
elettronico sia un sistema molto efficiente, la natura variabile delle reazioni di
ossido-riduzione, che la citocromo-ossidasi catalizza, predispone ogni
trasportatore di elettroni a partecipare alle reazioni collaterali che coinvolgono
l’ossigeno molecolare. Ad esempio, all’interno della catena di trasferimento
5
elettronico, l’ubichinone si alterna tra gli stati di chinone (completamente
ossidato), semichinone (il prodotto della riduzione monovalente) e chinolo
(completamente ridotto da due elettroni); durante tale processo vi è la
tendenza per un elettrone di passare direttamente all’ossigeno invece che al
seguente carrier di elettroni nella catena, con conseguente generazione di
superossido. La catena di trasporto mitocondriale può, quindi, cedere un
elettrone all’ossigeno mediante il radicale semichinone dell’ubichinone:
[2]
O
2
+
°
UQ
-
!
°
O
2
-
+ UQ
Il radicale superossido che ne risulta può dare origine al perossido di idrogeno
attraverso una reazione di dismutazione catalizzata dalla superossido
dismutasi (SOD):
[3]
°
O
2
-
+
°
O
2
-
+ 2H
+
! H
2
O
2
+ O
2
Il perossido di idrogeno, generato nella precedente reazione, oppure in un
altro processo metabolico, può andare incontro alla ben nota reazione di
Haber-Weiss in cui il ferro ferroso agisce come donatore di elettroni. La
reazione produce il radicale idrossilico (
°
OH) altamente reattivo:
6
H
2
O
2
+ Fe
2+
!
°
OH + OH
-
+ Fe
3+
All’interno della catena respiratoria, inoltre, una serie di gruppi ferro-solfuro
sono anch’essi soggetti a reazioni collaterali con l’ossigeno, che generano
prodotti tossici come l’anione superossido. Si ritiene comunemente che la
generazione mitocondriale di
°
O
2
-
rappresenti la maggior fonte intracellulare di
radicali dell’ossigeno in condizioni fisiologiche.
[2]
Sono, inoltre, in grado di modulare la generazione intracellulare di radicali
liberi tutte quelle condizioni tossiche che conducono alla riduzione delle difese
antiossidanti. Infine, sempre in riferimento alla produzione intracellulare di
specie radicaliche, è da tenere presente la possibilità che l’invecchiamento dei
tessuti, interferisca in vario modo con il mantenimento di un equilibrio tra
produzione e smaltimento di radicali liberi.
Ad esempio, la sintesi di radicali può risultare alterata con l’invecchiamento,
specialmente a livello mitocondriale, dove, in seguito ad un calo funzionale
età-dipendente della citocromo-ossidasi, si avrebbe un maggior contributo alla
formazione intracellulare di radicali.
[4]
Anche negli spazi extracellulari si può avere un’importante produzione di
specie reattive radicaliche soprattutto negli stati infiammatori acuti, quali quelli
7
conseguenti ad infezioni, e cronici, spesso sostenuti da disordini immunitari.
Nel corso di tali stati infiammatori, si ha l’attivazione di cellule fagocitiche come
i leucociti polimorfonucleati (neutrofili), monociti e macrofagi. Queste cellule,
grazie ad un sistema enzimatico NADPH-ossidasi di membrana, producono
una elevata quantità di superossido come parte delle loro difese contro
l’invasione di microrganismi.
[5]
L’enzima catalizza la riduzione dell’ossigeno molecolare a superossido per
trasferimento elettronico dal NADPH:
2 O
2
+ NADPH ! 2
°
O
2
-
+ NADP
+
+ H
+
In condizioni normali la maggior parte del superossido prodotto nella reazione
(e le specie correlate) dovrebbe essere accuratamente diretto contro i
microrganismi circoscritti all’interno del fagolisosoma fagocitico.
L’anione superossido viene riversato all’esterno del fagocita, mediante
esocitosi. L’O
2
°-
una volta giunto nel mezzo extracellulare può coinvolgere in
reazioni radicaliche molecole di vario tipo, normalmente presenti
nell’interstizio, oppure addirittura altre cellule.
[6]
In condizioni di infiammazione cronica i tessuti circostanti sono direttamente
8
esposti ad alti livelli di superossido e ai suoi metaboliti. Tali stati infiammatori
sono caratteristici di alcune patologie come artrite reumatoide e lupus
eritematoso.
Un’altra importante sorgente di specie radicaliche è rappresentata dal
metabolismo dell’acido arachidonico che avviene principalmente a livello della
membrana plasmatica di cellule di vario tipo ad opera di due distinti sistemi
enzimatici microsomiali (lipossigenasi e ciclossigenasi). Attraverso l’azione di
tali enzimi si generano radicali dell’ossigeno e radicali organici centrati su
atomi di carbonio; inoltre vari eicosanoidi hanno struttura di idroperossido.
Anche l’autossidazione delle molecole biologiche può costituire una fonte
abbastanza importante della produzione in vivo di radicali dell’ossigeno. Dalla
reazione di composti organici con ossigeno, in fase liquida e in condizioni non
estreme, si ottengono idroperossidi e altre specie ossigenate quali perossidi,
aldeidi, chetoni ed acidi. L'autossidazione viene denominata anche
“perossidazione” per sottolineare la formazione di perossidi, la comparsa dei
quali rappresenta un evento chiave di questa complessa serie di reazioni. La
decomposizione perossidativa degli acidi grassi insaturi, ad esempio, è iniziata
da radicali liberi e mantenuta autocatalitica dalla formazione e decomposizione
degli idroperossidi. Questi sono sorgenti di intermedi radicalici che entrano
9
così in gioco nelle diverse reazioni del processo autossidativo.
[7]
In realtà molte delle ossidazioni dei carboidrati, delle proteine, dei lipidi e degli
acidi nucleici, che inizialmente sembravano essere reazioni di autossidazione,
dopo un esame più dettagliato, risultano essere reazioni di ossidazione
catalizzate da metalli. Il ruolo dei metalli di transizione, come ferro e rame,
nelle ossidazioni biologiche non enzimatiche non deve però essere
sopravvalutato.
Difese antiossidanti
Nel tentativo di proteggersi contro il danno ossidativo, tutti gli organismi aerobi,
inclusi gli esseri umani, utilizzano una varietà di composti antiossidanti
liposolubili o idrosolubili. Gli antiossidanti sono inibitori che impediscono il
deterioramento ossidativo provocato da reazioni in cui sono presenti intermedi
radicalici. Inoltre, viene sintetizzata da tutti gli organismi aerobi conosciuti una
serie di enzimi antiossidanti il cui ruolo è di intercettare e neutralizzare le
specie reattive dell’ossigeno. Sebbene siano estremamente importanti, i
composti e gli enzimi antiossidanti non sono completamente efficaci nel
prevenire il danno ossidativo. Per affrontare e risolvere il danno ossidativo
eventualmente prodotto viene quindi sintetizzata una serie di enzimi che
10
rimuovono e riparano il danno a proteine, lipidi e DNA.
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