Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) sono specie chimiche, chimicamente reattive, contenenti ossigeno.
Tale definizione è utilizzata in biologia, ad esempio negli studi basati sulla teoria dello stress ossidativo, proposta da Denham Harman nel 1956.. Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) includono sia radicali liberi che specie non radicaliche. Le ROS di natura radicalica comprendono, tra le altre: radicale superossido, radicale ossidrile, radicali alcossilici, radicali perossilici e radicale idroperossido.
Le ROS non radicaliche comprendono: perossido di idrogeno, acido ipocloroso, ossigeno singoletto, ozono e perossidi lipidici...
Formazione delle specie reattive dell'ossigeno La produzione di queste specie ha luogo prevalentemente nella membrana plasmatica, nei mitocondri, nei perossisomi, nel reticolo endoplasmatico liscio e nel citosol, mediante reazioni che possono coinvolgere svariati enzimi o metalli di transizione.
A livello mitocondriale le specie reattive dell'ossigeno si formano principalmente come sottoprodotti della respirazione cellulare. Tale processo, nella catena di trasporto degli elettroni, utilizza ossigeno molecolare (O2) come accettore finale di questi ultimi. La catena di trasporto genera acqua (H2O) ed energia tramite il trasferimento di 4 elettroni attraverso i complessi proteici coinvolti. Gli elettroni vengono trasferiti uno per volta all’O2 dai coenzimi flavinici e piridinici in essi contenuti. Il destino descritto riguarda approssimativamente il 95% dell’ O2 assorbito, mentre circa il 5% va incontro a riduzione parziale non enzimatica, dovuta alla “sfuggita” di alcuni elettroni alla catena di trasporto. Si forma così lo ione superossido, secondo la reazione:
O2 + e- → O2•−
Il radicale superossido può essere coinvolto a sua volta in reazioni di formazione di specie reattive con caratteristiche ossidanti ancora più forti, come il radicale idroperossido (formantesi tramite protonazione di O2•−) o il radicale idrossido (che si genera attraverso reazione di H2O2 con O2•− o con Fe2+)..
Oltre alla catena di trasferimento elettronico, situata sulla membrana mitocondriale interna, vi sono diversi altri siti cellulari che possono contribuire alla formazione di specie reattive dell'ossigeno:
La membrana del fagolisosoma nei fagociti attivati: l’ossidasi fagocitica in essa situata, un enzima costituito da multiple subunità, opera il burst respiratorio, ovvero converte l’O2 in H2O2 durante processi di fagocitosi e batteriolisi.; Nel reticolo endoplasmatico liscio sono prodotte dal citocromo P450; Nei perossisomi avviene la formazione di acqua ossigenata come sottoprodotto della β-ossidazione degli acidi grassi; Nel citoplasma sono prodotte da enzimi ossidasi; Nella membrana plasmatica sono prodotte da enzimi quali lipossigenasi, ciclossigenasi e NADPH ossidasi.;
Nei leucociti viene prodotto l’enzima Mieloperossidasi, che genera ROS a scopo difensivo.
+Principali reazioni che coinvolgono le specie reattive dell'ossigenoReazioneEquazioneFormazione dell'anione superossidoO2 + e- -> O2^{.-} NADPH ossidasi2O2 + NADPH -> 2O2^{.-} {}+ NADP+Reazione di Haber-WeissH2O2 + O2^{.-} -> ^{1}O2 + OH- + OH^{.}Reazione di FentonH2O2 + Fe^{2+} -> OH- + OH^{.} {}+ Fe^3+Mieloperossidasi H2O2 + Cl- -> ClO- + H2O H2O2 + ClO- -> Cl- + H2O + ^{1}O2Catalasi2H2O2->2H2O + O2Superossido dismutasi2O2^{.-}{} + 2H+ -> H2O2 + O2 Glutatione perossidasi 2GSH + ROOH -> ROH + H2O + GSSG 2GSH + H2O2 -> 2H2O + GSSG
Le ROS si possono originare altresì da una rottura del legame covalente di un composto organico, formando strutture caricate negativamente, che mantengono un elettrone precedentemente incluso nel doppietto legante.
In alcuni di questi processi le ROS, come accennato poc’anzi, sono prodotte appositamente per scopi utili all’organismo, quali: promozione dell’espressione di geni codificanti molecole ad azione antiossidante; funzionamento come molecole segnale e difesa antimicrobica.
Vi sono agenti fisici, chimici e biologici che influiscono sulla generazione spontanea di ROS o sulla loro produzione fisiologica in maniera significativa, quali:
Radiazioni ionizzanti e UV, che inducono scissione omolitica di H2O (radio-/fotolisi), in cui la molecola d’acqua utilizza l’energia assorbita per rompere uno dei suoi legami covalenti con l’idrogeno, portando alla liberazione di un radicale ossidrile e un atomo di idrogeno con un elettrone spaiato (entrambi radicali liberi); Inquinanti di vario genere, idrocarburi aromatici, pesticidi e farmaci; Batteri, anticorpi.
Ossigeno tripletto La molecola di ossigeno, nello stato fondamentale di tripletto, ha una bassa reattività in quanto possiede due elettroni spaiati aventi stesso spin nell’orbitale π di antilegame più esterno che fungono da barriera per l’inserimento di coppie di elettroni (fenomeno della restrizione di spin). Per ossidare un'altra molecola, o atomo, infatti l’ossigeno tripletto dovrebbe accettare degli elettroni con spin parallelo e generalmente le coppie elettroniche hanno invece spin antiparallelo.
La reattività dell’ossigeno nel suo stato fondamentale può essere però aumentata grazie alla presenza di enzimi catalizzatori o alle interazioni con altri centri paramagnetici che permettono quindi il superamento delle barriere cinetiche e termodinamiche imposte dalla sua configurazione.
Il radicale ossigeno singoletto L’ossigeno singoletto è molto più reattivo di quello allo stato fondamentale infatti deve la sua formazione ad agenti fotosensibili (protoporfirine, pigmenti naturali, idrocarburi aromatici) che assorbono l’energia della luce visibile per trasferirla all’ossigeno molecolare. Nei sistemi biologici può però formarsi anche mediante:
dismutazione spontanea del radicale superossido
interazione del radicale superossido con il radicale ossidrile
reazione di Haber-Weiss
reazione catalizzata dalla mieloperossidasi fra ipoclorito e perossido di idrogeno
Poiché è uno stato eccitato dell’ossigeno, l’ossigeno singoletto tende ad inattivarsi in modo spontaneo con formazione di ossigeno tripletto, ma un’eccessiva presenza all’interno della cellula può comunque portare a notevoli danni dovuti alla sua capacità di attaccare i doppi legami carbonio-carbonio degli acidi grassi insaturi, del colesterolo e di altri anelli aromatici causando la degradazione di componenti cellulari essenziali.
Il radicale anione superossido Il radicale anione superossido si forma grazie ad una riduzione dell’ossigeno operata da solo un elettrone. Questo elettrone riesce a riempire la lacuna presente in uno degli orbitali π di antilegame mantenendo spin antiparallelo rispetto all’elettrone presente.
L’anione superossido, in seguito ad una protonazione, si trasforma nel radicale idroperossido (HO2 •) nonostante in condizioni fisiologiche prevale la forma non protonata.
Grazie all’elevato potenziale redox dell’ossigeno molecolare questa reazione è molto frequente, soprattutto in seguito a radiolisi, fotolisi o in presenza di altri radicali organici che si formano normalmente all’interno delle cellule e al trasferimento di elettroni nelle emoproteine. Inoltre, questo anione può essere generato durante il ciclo catalitico del citocromo P-450 o in alcune reazioni catalizzate da ossidasi come la produzione dell’acido urico catalizzata dalla xantina ossidasi.
Anche le deidrogenasi flaviniche possono generare anione superossido in seguito all’interazione dell’ossigeno con la forma più ridotta del cofattore sia con la forma radicalica semichinonica. Un altro modo in cui viene generato l'anione superossido è grazie ai leucociti nella reazione catalizzata dalla NADPH ossidasi nella catena di trasporto degli elettroni a livello dei mitocondri e perossisomi.
Il radicale anione superossido si comporta sia da riducente che da ossidante. In condizioni fisiologiche la superossido dismutasi (SOD) catalizza la seguente reazione:
2O2• + 2H+ → H2O2 + O2
Questa reazione può essere anche spontanea a pH relativamente bassi e diventa progressivamente più lenta quando il pH supera il valore di 4,8. Inoltre, Il radicale superossido può ridurre il Fe3+ del citocromo c o il Cu2+ delle proteine che contengono rame con formazione di ossigeno molecolare o può ossidare ioni ferrosi e il NAD(P)H legato ad enzimi formando il protossido di idrogeno. Nonostante il radicale anione superossido possa reagire con carboidrati, proteine, acidi nucleici e lipidi non presenta particolare tossicità. Può però interagire con il perossido di idrogeno (reazione di Haber-Weiss) attraverso la seguente reazione:
2O2• + H2O2 →OH• + OH- + O2
L'anione superossido interagisce inoltre con i composti insaturi come gli acidi grassi insaturi per formare idroperossidi e può agire da forte ossidante con alcuni aminoacidi compromettendo la funzione delle proteine.
Il perossido d'idrogeno Questa molecola (H2O2) non presenta elettroni spaiati, perciò non è un radicale. Nei sistemi biologici è frutto della dismutazione del radicale superossido e costituisce il prodotto primario di ossidasi perossisomiali. Può essere prodotto dal metabolismo dell’alcol, in seguito ad assunzione di cospicue quantità di quest’ultimo.
Il perossido di idrogeno è un ossidante piuttosto blando; tuttavia se presente in concentrazioni elevate può ossidare i gruppi tiolici presenti nelle proteine o negli acidi grassi polinsaturi. Reagendo con Fe2+ (reazione di Fenton) o con l’anione superossido (reazione di Haber-Weiss), forma il radicale ossidrile, la cui produzione aumenta in condizioni patologiche; tale processo avviene anche per l'anione Cl- tramite mieloperossidasi, con conseguente formazione di acido ipocloroso.
Il radicale ossidrile Il radicale ossidrile (∙OH) è una delle specie chimiche più reattive prodotte nell’organismo umano.
Si forma tramite riduzione del perossido di idrogeno, operata dal radicale semichinonico o da metalli di transizione. L’anione superossido e il perossido di idrogeno, in particolare se presenti ad elevate concentrazioni, sono potenziali agenti di rilascio di ioni metallici a partire da proteine contenenti cluster [4Fe-4S], dall’emoglobina o dalla ferritina; tale rilascio rende i metalli disponibili alla reazione di Fenton, la quale produce radicali ossidrile.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + ∙OH.
La reazione di Haber-Weiss è anch’essa fonte di produzione del radicale in questione, in quanto combina la reazione di Fenton alla riduzione dei metalli di transizione, operata dall’anione superossido (è una reazione di disproporzione tra superossido e perossido d’idrogeno, catalizzata da ioni metallici bivalenti):
O2- + H2O2 → O2 + H2O + ∙OH
Il radicale ossidrile innesca la perossidazione lipidica, ossia l'ossidazione degli acidi grassi dei lipidi di membrana, a livello delle quali provoca danni strutturali; un esempio è rappresentato dalla perossidazione radicalica dell’acido arachidonico, un acido grasso polinsaturo contenuto nei fosfolipidi di membrana.
Meccanismi di rimozione delle ROS
La formazione di ROS è normale nella cellula, e gli organismi hanno sviluppato diversi sistemi per mantenerne sotto controllo la concentrazione, basati su molecole antiossidanti dette scavenger. I sistemi enzimatici agiscono in sequenza: la superossido dismutasi (SOD) converte due radicali superossido in una molecola di ossigeno e una di perossido di idrogeno;. il perossido di idrogeno viene poi decomposto in acqua e ossigeno dalla catalasi, localizzata soprattutto nei perossisomi, oppure ridotto ad acqua dalla glutatione perossidasi, che riduce anche gli idroperossidi organici (ROOH) ai corrispondenti alcoli ossidando il glutatione, a sua volta rigenerato dalla glutatione reduttasi.