Stress Ossidativo

I radicali liberi: generalità

I Radicali Liberi sono atomi o raggruppamenti di atomi aventi, nell’orbitale più esterno, uno o più elettroni spaiati, ovvero un numero dispari di elettroni, indipendentemente dalla carica elettrica espressa (positiva, negativa, neutra).

L’elettrone spaiato dei Radicali Liberi tende ad essere scambiato più o meno facilmente a seconda del potenziale di ossido-riduzione ed è proprio da questa caratteristica che dipende l’estrema reattività di tali specie chimiche.

Sappiamo che in natura ogni elemento tende alla stabilità, in chimica la stabilità è assicurata dall’accoppiamento degli elettroni intorno al nucleo: i Radicali Liberi che hanno un elettrone spaiato tenderanno, quindi, a raggiungere la propria stabilità innescando tutta una serie di reazioni volte a strappare un elettrone (processo di ossidazione) da qualsiasi altra specie chimica al fine di ristabilire la coppia elettronica e raggiungere la stabilità.

I Radicali Liberi sono classificati in base alla natura dell’atomo cui appartiene l’elettrone spaiato: esistono quindi i Radicali Liberi dell’Azoto, del Carbonio, del Cloro e dell’Ossigeno.

I Radicali più importanti, diffusi e pericolosi sono sicuramente quelli dell’Ossigeno e fra questi, quelli di maggiore interesse biologico sono:

il Radicale Ossidrile (HO*) e il Radicale Superossido (O2*), i quali, insieme al Perossido d’Idrogeno (H2O2) e all’Ossigeno Singoletto (1O2*) che non sono radicali, costituiscono le Specie Reattive dell’Ossigeno (Reactive Oxygen Species, ROS).

I ROS che quindi comprendono specie radicaliche e non radicaliche, sono molecole tutte derivanti dall’Ossigeno, accomunate dalla tendenza di ossidare i vari substrati (carboidrati, proteine, lipidi, nucleotidi…).

Come si formano i radicali liberi?

Dal punto di vista chimico i Radicali Liberi si formano soprattutto mediante un meccanismo di scissione omolitica o mediante interazione con metalli di transizione.

Con il termine di scissione omolitica si intende la divisione di una molecola a livello di uno dei suoi legami covalenti per effetto della somministrazione di energia con generazione di due nuove specie chimiche, ciascuna con un elettrone spaiato.

Nell’interazione con i metalli di transizione, l’elettrone generato dall’ossidazione di un metallo di transizione in forma ionica (es. da Fe2+ a Fe3+ ) spezza un legame covalente di una molecola bersaglio, generando così un Radicale Libero e un anione.

Alternativamente, l’elettrone richiesto per ridurre un metallo di transizione in forma ionica (es. da Fe3+ a Fe2+) viene estratto dal legame covalente di una molecola bersaglio, che si decompone in un radicale libero e un catione.

Perche’ si formano i radicali liberi?

Negli organismi viventi la produzione dei Radicali Liberi può essere provocata da agenti esterni oppure essere l’espressione di un’attività metabolica endogena.

Gli agenti esterni che provocano la formazione di Radicali Liberi possono essere di natura fisica (es. radiazioni ionizzanti, UV…), di natura chimica (ozono,inquinanti atmosferici, idrocarburi aromatici, pesticidi, farmaci, conservanti, coloranti, alimenti intolleranti…) o di natura biologica (batteri, virus…).

Non bisogna assolutamente dimenticare che all’interno degli organismi viventi la produzione di Radicali Liberi è strettamente legata ai normali processi vitali e, come tale, è un fenomeno “fisiologico” che avviene continuamente nel corso di reazioni di ossido-riduzione per effetto di meccanismi di natura sia enzimatica che non enzimatica.

Per questo i Radicali Liberi sono definiti insostituibili “compagni di viaggio” della vita di qualsiasi organismo.
Sono insostituibili proprio a causa della loro azione ossidante: essi, infatti, giocano un ruolo importantissimo nei processi reattivi quali infezioni ed infiammazioni.

Dove si formano i radicali liberi?

Uno dei principali siti di formazione dei Radicali Liberi è, infatti, la membrana plasmatica dei leucociti attivati: in caso di infezioni, tali molecole prodotte immediatamente dai leucociti, nella loro ricerca dell’elettrone per il raggiungimento della stabilità, vanno ad attaccare gli agenti infettanti, indebolendone la parete e rendendoli più facilmente accessibili alla fagocitosi e, contribuendo, in definitiva, alla loro distruzione.

Altro sito importantissimo di formazione dei Radicali Liberi è rappresentato dai mitocondri durante il processo di respirazione, e ancora, non dobbiamo dimenticare il reticolo endoplasmatico liscio durante la trasformazione di xenobiotici, e il citosol durante varie trasformazioni metaboliche.

Cosa fanno i radicali liberi?

I Radicali Liberi sono, quindi, specie altamente reattive che vengono prodotte fisiologicamente da ogni cellula del corpo, soprattutto a livello mitocondriale durante la catena respiratoria.

Durante la fosforilazione ossidativa mitocondriale, infatti, parte dell’ossigeno viene utilizzato per formare Radicali Liberi.
Perché la cellula produce queste molecole se sono così pericolose?

Perché, proprio per la loro “velenosità”, i Radicali Liberi vengono prodotti e utilizzati per “avvelenare”, cioè uccidere eventuali patogeni quali virus e batteri penetrati nell’organismo.

Sono le “armi” di difesa della cellula!

I Radicali Liberi vengono prodotti sempre nelle giuste quantità; quando si verifica un aumento del loro numero, interviene il sistema anti-radicalico (anti-ossidante) cellulare per la neutralizzazione dei Radicali in eccesso e il ripristino del normale equilibrio radicali / anti-radicali.

Come si legge nei prossimi paragrafi, quando la quantità dei Radicali Liberi è esageratamente alta tanto da non riuscire ad essere neutralizzata dal sistema anti-ossidante si genera una condizione patologica chiamata stress ossidativo.

Lo stress ossidativo si ha anche quando esiste un sistema anti-ossidante qualitativamente e/o quantitativamente carente.

Cosa succede alla cellula in caso di stress ossidativo?

Quando la cellula si trova in una condizione di stress ossidativo per eccesso di Radicali Liberi, questi ultimi, ingaggiano la loro personale lotta per la sopravvivenza: essendo carenti di un elettrone, cominciano a cercarlo disperatamente attaccando le strutture cellulari.

E così attaccano le membrane che sono costituite da fosfolipidi , molecole ricche di elettroni (perossidazione lipidica): in seguito a questo attacco le membrane perdono la loro continuità strutturale e funzionale.
Attaccano il DNA cellulare, provocando mutazioni spesso pericolosissime.

Attaccano le proteine, spesso proteine enzimatiche, degradandole e quindi modificandole o inattivandole.

I sistemi anti-ossidanti

Come abbiamo detto in condizioni normali la formazione di Radicali Liberi è tenuta sotto controllo dal sistema di difesa anti-ossidante che ha una ben precisa compartimentazione a livello cellulare.

Siccome i Radicali di formano generalmente a livello delle membrane (plasmalemma, mitocondri, reticolo endoplasmatico…), è in queste ultime che si concentrano i cosiddetti antiossidanti lipofili, quali la Vitamina A, la Vitamina E, l’Alfa-tocoferolo, il Beta-carotene.

Tali sostanze costituiscono la prima linea di difesa dall’attacco dei Radicali Liberi.

La successiva linea di difesa comprende una serie di sostanze idrosolubili, quali la Vitamina C, il Glutatione, la Vitamina B, la Vitamina P.

Il sistema antiossidante è completato da un gruppo di enzimi, quali la Glutatione perossidasi,la Glutatione redattasi, la Superossidodismutasi e la Catalasi.

I due sistemi, quello enzimatico e quello non enzimatico, agiscono in maniera sinergica e strettamente coordinata.

I meccanismi funzionali attraverso i quali i sistemi antiossidanti riescono ad inattivare la potenziale lesività dei Radicali sono molteplici.

Infatti, alcuni antiossidanti agiscono in maniera preventiva, impedendo proprio l’avvio delle reazioni radicaliche; altri interagiscono direttamente con i Radicali inattivandoli; altri intervengono dopo che il danno è stato instaurato riparando le strutture.

In condizioni fisiologiche esiste un equilibrio dinamico fra i fattori pro-ossidanti e fattori anti-ossidanti.
Quando il sistema antiossidante non è più in grado di contrastare i Radicali Liberi, si rompe l’equilibrio e l’organismo va incontro a quello che si chiama stress ossidativo.

Col termine di STRESS OSSIDATIVO si intende una particolare forma di stress indotto dalla presenza, nell’organismo vivente, di una quantità eccessiva di Radicali Liberi, per un’aumentata produzione di questi e/o per una ridotta efficacia dei meccanismi di difesa anti-ossidanti.

Indipendentemente dalle cause dello stress ossidativo, esso è ritenuto responsabile o co-responsabile di lesioni cellulari che sono alla base dell’invecchiamento precoce e di numerose patologie definite, appunto, da stress ossidativo quali: aterosclerosi, infarto, ictus, obesità, diabete, AIDS, morbo di Parkinson, artrite reumatoide, demenza senile, sclerosi multipla…

Infatti i Radicali Liberi non più controllati dal sistema antiossidante, possono attaccare ed ossidare qualsiasi substrato organico (glucidi, lipidi, amminoacidi…) con cui vengono a contatto generando nuovi Radicali Liberi, i quali a loro volta, andranno ad attaccare ed ossidare altri substrati organici per formare ulteriori Radicali Liberi in una vera e propria reazione a catena che può non avere fine.

Durante tali reazioni a catena, nelle cellule, si formano gli Idroperossidi (R-OOH), dei veri e propri veleni che la cellula immette nel sangue e negli altri fluidi biologici.

Qui essi costituiscono i “testimoni” dell’avvenuta lesione cellulare.

Attualmente è possibile dosare quantitativamente i Radicali Liberi in circolo mediante un Test diagnostico chiamato d-Rom’s Test.

Il d-Rom’s Test si basa sullo studio spettrofotometrico dell’aumento dell’intensità della colorazione rossa che si sviluppa quando un piccolo campione di sangue umano viene aggiunto ad un cromogeno (N,N-dietil-parafenilendiamina).

La colorazione è data dalla reazione del cromogeno con gli idroperossidi presenti nel plasma, perossidi che, a loro volta, come suddetto, sono i diretti derivati dei radicali liberi e direttamente proporzionale ad essi.

Quindi tali idroperossidi, reagendo con il cromogeno, sviluppano una colorazione misurabile fotometricamente a 505 nm e direttamente proporzionale alla loro concentrazione secondo la Legge di Lambert e Beer.

Il range di normalità va da 250 a 300 U-CARR (Unità Carratelli).

Il valore di 1 U-CARR corrisponde ad una concentrazione di perossido di idrogeno di 0,08 mg%.
Valori superiori a 300 U-CARR sono indice di stress ossidativi.

Indicativi sono anche i valori al di sotto di 250 U-CARR in quanto un deficit di Radicali Liberi lascia la cellula sguarnita di difesa.

La straordinaria maneggevolezza di tale Test: il d-Rom’s Test può essere effettuato anche su un piccolo prelievo di sangue capillare (dal polpastrello di un dito della mano), e il costo contenuto fa di tale esame diagnostico un ottimo strumento a disposizione dei clinici per la valutazione dello stress ossidativo.