Meccanismi della Trinità, Normossia, Ipossia, ed Iperossia nelle Malattie ed in Terapia
ADITI C. KULKARNI, PERIANNAN KUPPUSAMY, e NARASIMHAM PARINANDI
L’ossigeno è il secondo elemento più abbondante dell’atmosfera terrestre. Nonostante esso sia indispensabile per le forme di vita aerobiche, esso ne rappresenta, anche, un grave pericolo (36,56). L’ossigeno, nonostante sia fortemente paramagnetico, a temperatura e pressione standard è una molecola biatomica. La forma più stabile è quella dello statotripletta laddove lo stato più reattivo è quello singlet.
L’allotropo dell’ossigeno, l’ozono (O3), risiede negli strati superiori dell’atmosfera dove esso viene prodotto in presenza di scariche elettriche o mediante le radiazioni UV solari.
L’ossigeno costituisce quasi il 21% dell’atmosfera terrestre. Nonostante le attuali forme di vita aerobiche richiedano necessariamente ossigeno per la loro sopravvivenza, è stato suggerito che sia stata la vita stessa a formare l’atmosfera, e quindi il suo livello d’ossigeno, come è oggi.
L’atmosfera della Terra inizialmente era costituita da CO2, N2, H2O, con tracce di H2. Nell’ambiente prebiotico, si suppone che l’ossigeno non esistesse nella sua forma libera (35). Durante il periodo dell’origine della vita, i primi organismi fotosintetici rilasciarono ossigeno nell’atmosfera e facilitarono così lo sviluppo di forme di vita aerobiche (36). Dopo molti cambiamenti, l’atmosfera ha raggiunto la sua attuale composizione gassosa, la quale comprende precisi livelli di ossigeno, ottimali per la sussistenza e lo sviluppo della vita. Nonostante l’ossigeno atmosferico sia essenziale per la vita aerobica, alcuni dei suoi derivati ne costituiscono un pericolo. I principali sono i radicali liberi, le specie reattive dell’ossigeno (ROS) e l’ossigeno nello stato singlet.
La presente revisione pone la sua attenzione sul ruolo dell’ossigeno molecolare e dei suoi derivati in fisiopatologia. La prima sezione si occuperà dell’interdipendenza del trasporto dell’ossigeno, la respirazione ed il processo di produzione di energia che utilizza l’ossigeno. Essa è poi seguita da una breve discussione sui sensori dell’ossigeno e i livelli di ossidazione nell’organismo. Il lato meno nobile dell’ossigeno viene poi visitato – con particolare riguardo alle ROS e gli antiossidanti – sotto la luce dell’inquinamento ambientale e i disturbi patologici. L’ultima sezione si concentra sulle applicazioni terapeutiche dell’ossigeno.
IL TRASPORTO DELL’OSSIGENO, LA RESPIRAZIONE E I PROCESSI BIOENERGETICI
Gli organismi viventi prendono la loro energia unicamente dai substrati combustibili/nutritivi, attraverso la respirazione anaerobica o aerobica. La respirazione anaerobica non prevede l’utilizzo di ossigeno; tuttavia esso è un sistema inefficiente di produzione di energia sotto forma di adenosina-5’-trifosfato (ATP). Contrariamente, negli organismi aerobi, la respirazione cellulare prevede l’ossidazione catalizzata da enzimi, dei substrati combustibili, primariamente ossigeno, per generare l’energia necessaria per i processi biologici. La respirazione aerobica ha luogo in due aree della
cellula, essendo la glicolisi nel citoplasma, e il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni (ETS) nei mitocondri (Fig. 1). Il glucosio, il substrato principale della respirazione aerobica cellulare, viene convertito in piruvato nella fase glicolitica, e poi viene inserito nel ciclo di Krebs per la fosforilazione ossidativa che viene, successivamente, continuata dalla ETS nella membrana interna dei mitocondri. L’ossigeno va incontro alla riduzione di quattro elettroni nella ETS,
così da generare ATP, la molecola biologica ultima di energia utile (Fig. 2). L’intero processo della respirazione cellulare aerobica porta alla formazione di 28 molecole di ATP contro le 2 molecole di ATP che sono prodotte durante la respirazione anaerobica. Per cui, risulta evidente che l’efficienza dell’utilizzazione del substrato respiratorio (es: glucosio), per generare il numero massimo di molecole di ATP, è migliore nelle cellule durante la respirazione aerobica, nella quale la presenza dell’ossigeno è essenziale.
Negli organismi complessi, il trasporto d’ossigeno alle cellule dei tessuti è controllato da un’unità di processo centrale come il cervello. Una parte del sistema nervoso centrale, la medulla oblunga, controlla il processo di respirazione e di conseguenza il trasporto dell’ossigeno alle cellule. Esso può modificare il processo di respirazione attraverso un sistema di feedback neurosensoriale. La concentrazione ematica dell’ossigeno, dell’anidride carbonica e il pH (equilibrio acidobasico) sono anche fattori importanti nella regolazione della respirazione.
Complessivamente, la base essenziale della respirazione a livello cellulare è la disponibilità d’ossigeno. Nei mammiferi, inclusa la specie umana, l’ossigeno dai polmoni dopo la respirazione viene trasportato al suo target tessutale per mezzo della proteina trasportatrice dell’ ossigeno, l’emoglobina.
