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L’ossigeno è un elemento chimico non metallico altamente reattivo (ossidante) che forma facilmente ossidi e altri composti con la maggior parte degli elementi. A temperatura e pressione standard due atomi dell’elemento si legano per formare l’ossigeno molecolare, o diossigeno (formula chimica O2), un gas incolore e inodore che costituisce il 20,8% dell’atmosfera terrestre (l’ossigeno è chimicamente troppo reattivo per rimanere un elemento libero nell’aria); legato ad altri elementi, è l’elemento chimico più comune della crosta terrestre, rappresentandone circa il 47% della massa, ed entra inoltre nella molecola dell’acqua.
L’ossigeno è essenziale per la vita della maggior parte degli esseri viventi in quanto necessario alla respirazione; inoltre, le principali classi di molecole organiche presenti negli organismi viventi, come le proteine, gli acidi nucleici, i carboidrati e i lipidi, contengono ossigeno. I prodotti di scarto di queste reazioni metaboliche comprendono anche i radicali liberi, molecole altamente nocive per le cellule stesse.
I radicali liberi sono molecole o atomi o ioni altamente reattivi conte-nenti uno o più elettroni spaiati nel loro orbitale esterno.
Questa caratteristica li rende particolarmente instabili e reattivi, inclini a reagire rapidamente con altre molecole viciniori per acquisire un elettrone, pareggiare la propria carica elettromagnetica e stabilizzarsi. Questo meccanismo origina nuove molecole instabili, innescando una reazione a catena che, se non viene arrestata in tempo, finisce col danneggiare le strutture cellulari.
I radicali liberi più conosciuti sono quelli che contengono ossigeno, chiamati «specie reattive dell’ossigeno» (ROS, dall’inglese Reactive Oxygen Species). 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 «specie reattive dell’azoto» (RNS) sono prodotte prevalentemente dallo smog fotochimico e rappresentano un potenziale rischio per la qualità dell’acqua potabile perché reagiscono con i composti organici per formare sottoprodotti tossici. All’interno del corpo umano sono prodotte da cellule mesangiali, cellule muscolari lisce, piastrine ed epatociti.
Le specie reattive dell’azoto agiscono, insieme alle specie reattive dell’ossigeno, danneggiando le cellule e provocando lo stress nitrossidativo.
Tuttavia, mentre nello stress ossidativo i radicali liberi dell’ossigeno in eccesso generano fenomeni di ossidazione e quindi degenerazione dei tessuti dell’organismo, nello stress nitrossidativo l’ossido nitrico compromette la funzione dei mitocondri e la produzione di energia per la vita.
I radicali liberi sono specie reattive dell’ossigeno (ROS) o dell’azoto (RSN); tra i primi si distinguono specie radicaliche (anione superossido O2•–, radicale idrossile HO•, radicale perossile ROO•, radicale idroperossido HO2• e non radicaliche (ossigeno singoletto 1O2•, ozono O3, perossido di idrogeno H2O2; tra i secondi quelli di maggior interesse sono l’ossido di azoto (NO) e il perossinitrito (ONOO–).
Specie reattive di maggiore interesse biologico
| Specie non radicaliche | Specie radicaliche | ||
| O3 | Ozono | NO• | Ossido nitrico |
| H2O2 | Perossido di idrogeno | O2·− | Anione superossido |
| ROOH | (Alchil)idroperossido | 1O2* | Ossigeno singoletto |
| HNO2 | Acido nitroso | OH• | Idrossile |
| N2O4 | Tetrossido di azoto | RO· | Alcossile |
| N2O3 | Triossido nitrico | ROO· | (Alchil)idroperossile |
| ONOOH | Acido perossinitroso | R· | Alchile |
| ONOO- | Perossinitrito | Q· | Semichinone (da CoQ) |
| ROONO | Alchil-perossinitrito | E-O· | Tocoferile o Fenossile |
| NO2+ | Catione nitronio | NO2 | Diossido nitrico |
| HOClO | Acido ipocloroso | RS· | (Alchil)tiile (da R–SH) |
| LOOH | Perossido lipidico | –S· | Radicale |
I radicali liberi hanno, in genere, una vita media breve, tuttavia la loro stabilità è molto variabile, per alcuni come il metile (•CH3) il tempo di vita è dell’ordine dei nanosecondi, per altri come il superossido ( O2•–) è dell’ordine dei millisecondi, per altri ancora i tempi di vita sono variamente lunghi e in questo caso i radicali sono definiti “stabili”.
I radicali liberi possono formarsi da un composto organico per rottura di un legame covalente con formazione di frammenti che trattengono un elettrone del doppietto legante.
La maggior parte delle reazioni organiche forma radicali liberi che sono, come detto, composti instabili e fortemente reattivi, possedendo un numero dispari di elettroni.
I radicali liberi possono formarsi a seguito di reazioni enzimatiche e non enzimatiche.
I mitocondri sono considerati la fonte principale di ROS cellulari poiché i radicali superossido sono generati costantemente lungo la catena di trasporto degli elettroni e possono essere convertiti in H2O2 e altre specie reattive dell’ossigeno.
Nella cellula, i ROS oltre che nei mitocondri, sono generati anche in altri compartimenti e da molti enzimi.
I ROS, se presenti in basse dosi (fisiologiche), sono modulatori positivi. Promuovano, infatti:
- l’espressione dei geni che sintetizzano molecole ad azione antiossidante;
- sono molecole segnale; in piccole quantità, i radicali liberi svolgono anche ruoli positivi nei processi di segnalazione cellulare, regolando funzioni fisiologiche come la proliferazione cellulare e la risposta immunitaria;
- partecipano alla difesa antimicrobica.
Il fattore di trascrizione nucleare eritroide-2 (Nrf2) è un fattore di trascrizione che regola l’espressione genica di una grande varietà di enzimi citoprotettivi antiossidanti.
Lo ione superossido è usato dal sistema immunitario per uccidere i microrganismi patogeni. Mediante fagocitosi il patogeno è internalizzato nel fagocita, al cui interno è prodotto l’anione superossido, in grandi quantità, dalla NADPH ossidasi.
Negli organismi si trovano:
- radicali liberi di origine endogena, derivati da costituenti dei tessuti e/o da metaboliti;
- radicali liberi di origine esogena, derivati da alimenti, farmaci, cosmetici, ecc.
Normalmente i radicali liberi endogeni sono neutralizzati da meccanismi fisiologici operanti nelle cellule. Questi meccanismi sono a carico di sostanze di origine esogena, come tocoferoli e b-carotene, che hanno proprietà antiossidanti, nonché diversi enzimi come le superossidodismutasi in grado di favorire la trasformazione del superossido in H2O2 e ossigeno molecolare.
Un altro enzima che agisce e opera a questi livelli, vale a dire nelle cellule è la glutationeperossidasi, largamente presente nelle cellule animali e di conseguenza anche umane, riduce il perossido di idrogeno e gli idroperossidi lipidici
I radicali liberi sono indispensabili per alcuni processi dell’organismo come le difese immunitarie e la contrazione dei vasi. In genere, esiste un corretto equilibrio tra sostanze ossidanti ed antiossidanti (il cosiddetto equilibrio ossido riduttivo o equilibrio redox); questo è essenziale per una serie di funzioni fisiologiche. Quando però il livello di ROS eccede la capacità di neutralizzazione da parte dei sistemi antiossidanti, si verifica quella condizione denominata «stress ossidativo», ovvero una condizione nella quale le difese antiossidanti dei tessuti sono superate dalla reattività dei radicali liberi. Lo stress ossidativo è associato a numerose malattie croniche: malattie cardiovascolari, malattie neurodegenerative (morbo di Alzheimer e morbo di Parkinson), cancro. In effetti, i radicali liberi sono in grado di entrare dentro le cellule e danneggiare molecole importanti come
- acidi nucleici, determinando la comparsa di punti di rottura nella doppia elica del DNA con aumentato rischio di mutazioni;
- lipidi che formano le membrane cellulari (perossidazione dei lipidi), causando un’alterazione della loro fluidità;
- proteine, in cui causano alterazioni strutturalie/o funzionali
Lo stress ossidativo si genera quindi in due modi:
- quando c’è una aumentata produzione di radicali liberi, per esempio per esposizione a radiazioni, farmaci, metalli pesanti, fumo di sigaretta, alcool, inquinamento o in caso di infezioni o infiammazione
- quando vi è una riduzione della difesa antiossidante, per esempio se gli antiossidanti non vengono prodotti dal corpo o non vengono assunti con l’alimentazione in quantità adeguate, oppure non vengono utilizzati bene.
Lo stress ossidativo è un disequilibrio chimico, quindi non comporta sintomi propri e non è una malattia in senso stretto. Sono però numerose le patologie e le condizioni in cui lo stress ossidativo gioca un ruolo nell’insorgenza o nel decorso. Comprendono malattie cardiovascolari, infiammazione, cancro e invecchiamento.
Produzione di radicali liberi
I radicali liberi sono sostanze di scarto che si formano come conseguenza del metabolismo cellulare e come tali sono eliminate da ogni singola cellula attraverso meccanismi specifici. Quindi, la produzione di radicali liberi è un evento fisiologico e si verifica normalmente nelle reazioni biochimiche cellulari, soprattutto in quelle che utilizzano ossigeno per produrre energia. Gli stessi radicali liberi possono essere prodotti anche a causa di fattori esterni.
Fattori responsabili della produzione di radicali liberi
- Fattori ambientali
- Inquinamento,
- Droghe,
- Fumo attivo e passivo,
- Alcol
- Farmaci
- Raggi ultravioletti e radiazioni ionizzanti
- Stress psicofisico prolungato (attività fisica intensa)
- Alcuni additivi e sostanze tossiche presenti negli alimenti o sviluppate durante la loro cottura
- Fattori endogeni
- Respirazione cellulare: Durante la produzione aerobica di energia nei mitocondri, una piccola percentuale di ossigeno si trasforma in radicali superossido.
- Infiammazione: Le cellule immunitarie producono radicali liberi per combattere infezioni e patogeni.
- b-ossidazione (metabolismo degli acidi grassi)
- Reazioni del citocromo P450 (metabolizzazione di farmaci, sostanze tossiche ecc.)
- Attività delle cellule fagocitarie (sistema immunitario)
- Fasi di riperfusione dei tessuti dell’organismo interessati da fenomeni ischemici.
Dato che non è possibile impedirne la formazione, il nostro organismo ha elaborato un proprio sistema di difese in grado di neutralizzare buona parte degli effetti negativi associati alla produzione di radicali liberi.
I meccanismi di detossificazione:
- la superossidodismutasi converte l’anione superossido in perossido di idrogeno (acqua ossigenata). Quest’ultima molecola è particolarmente dannosa per le cellule poiché, in presenza di ferro, libera il radicale ossidrile che risulta particolarmente lesivo e difficile da controllare.
- Il nostro organismo, fortunatamente, possiede un enzima in grado di impedire tale processo. Questa proteina, chiamata catalasi è infatti in grado di convertire il perossido di idrogeno in acqua ed ossigeno.
- Il glutatione, infine, può agire da solo o diventare il substrato di vari enzimi come la glutatione perossidasi (GPX) ed agire in modo analogo alla catalasi
Qualora tali difese risultassero insufficienti esistono comunque dei sistemi di riparo in grado di attenuare i danni causati dai radicali liberi.
I radicali liberi si combattono efficacemente mediante gli antiossidanti, che si assumono tramite l’alimentazione. Pertanto, è fondamentale mangiare sano, consumando regolarmente buone quantità di frutta e verdura, ed evitare l’interazione con elementi o condizioni che causano l’aumento dei radicali.
Come si neutralizzano i radicali liberi
- Antiossidanti: Gli antiossidanti sono molecole che possono donare un elettrone ai radicali liberi senza diventare essi stessi instabili, neutralizzando così i radicali liberi.
Alcuni antiossidanti sono prodotti dal nostro organismo (glutatione, ubiquinolo, acido urico), altri devono essere introdotti con l’alimentazione.
L’astaxantina è l’antiossidante più potente “ad oggi” conosciuto; è ormai noto che i suoi effetti di protezione dai radicali liberi siano ben 550 volte più potenti del tocoferolo (vit. E).
- Alimentazione: Una dieta ricca di frutta e verdura, che contiene antiossidanti naturali, è essenziale per proteggere il corpo dai danni dei radicali liberi.
- Stile di vita: Ridurre l’esposizione a fattori che generano radicali liberi, come il fumo di sigaretta, l’inquinamento e le radiazioni UV, aiuta a minimizzare il danno ossidativo.
- Integratori: In alcuni casi, possono essere utilizzati integratori antiossidanti per supportare la difesa del corpo contro lo stress ossidativo, ma è importante usarli con cautela e sotto la guida di un professionista sanitario.
Ruolo dell’Attività fisica e dello Sport
Durante il metabolismo energetico la maggior parte dell’ossigeno si combina con gli ioni H+ per formare acqua. Una piccola percentuale di O2, normalmente compresa tra il 2 ed il 5%, sfugge a questo processo e contribuisce alla formazione dei radicali liberi.
Durante un esercizio fisico il consumo di ossigeno può aumentare fino a 20 volte rispetto alla condizione di riposo; in particolare nei muscoli in attività tale incremento può essere addirittura 100 volte superiore. Se da un lato l’aumentato flusso di ossigeno è fondamentale per soddisfare le richieste energetiche, dall’altro fa crescere notevolmente anche la produzione di agenti ossidanti. La quantità di radicali liberi prodotti durante uno sforzo è direttamente proporzionale alla durata e all’intensità dell’esercizio ed inversamente proporzionale al grado di allenamento di chi lo pratica. Il condizionamento fisico migliora infatti la capacità antiossidante dell’organismo e consente agli atleti allenati di contrastare con maggiore efficienza i radicali liberi prodotti.
Può comunque succedere che, per lo scarso grado di preparazione fisica o per l’eccessiva intensità e frequenza di allenamento, la produzione di radicali liberi finisca col superare le capacità di difesa dell’organismo. Per questo motivo l’assunzione di vitamine ed antiossidanti sotto forma di integratori può essere una strategia efficace per migliorare la performance e lo stato di salute generale dell’atleta.
Nel soggetto non allenato sottoposto ad un intenso sforzo fisico l’eccessiva produzione di agenti ossidanti causa un danno diretto alla cellula muscolare e contribuisce alla comparsa del classico indolenzimento muscolare post-allenamento. Tuttavia la pratica sportiva regolare induce un aumento delle difese endogene contro i radicali liberi. Ciò spiega come mai gli sportivi appaiano generalmente più giovani ed in forma rispetto ai coetanei sedentari.
