miniatura|354x354px|Estructura de Lewis d’algunes espècies reactives de l’oxigen Les espècies reactives de l'oxigen o ROS (de l'anglès Reactive Oxidative Species) són molecules que es produïxen en les cèl·lules resultants de reaccions d'oxidació reducció incompletes on intervé l'oxigen. Aquestes espècies inclouen el peròxid d'hidrogen (H₂O₂), l'àcid hipoclorós (HClO), i radicals lliures tals com el radical oxhidril (· OH) i el radical superòxid (O₂·−). El radical de l'oxhidril és particularment inestable i reacciona ràpidament i de forma no específica amb la majoria de les molècules biològiques. Aquesta espècie es produeix del peròxid d'hidrogen en reaccions redox catalitzades per metalls com la reacció de Fenton. Aquests oxidants poden danyar les cèl·lules començant reaccions químiques en cadena tals com la peroxidació de lípids o oxidant l'ADN o proteïnes. Els danys a l'ADN poden causar mutacions i possiblement càncer si no són revertits pels mecanismes de reparació de l'ADN, mentre que els danys a les proteïnes causen la inhibició d'enzims, la desnaturalització i la degradació de proteïnes.
L'ús d'oxigen com a part del procés per a generar energia metabòlica al mitocondri produeix espècies reactives de l'oxigen. En aquest procés, l'anió de superòxid es produeix com subproducte de diversos passos en la cadena de transport d'electrons. Particularment important és la reducció del coenzim Q en el complex III, ja que un radical lliure altament reactiu es forma com intermediari (Q·−). Aquest intermediari inestable pot conduir a una pèrdua d'electrons quan aquests salten directament a l'oxigen molecular i formen l'anió superòxid en comptes de desplaçar-se amb la sèrie de reaccions ben controlades de la cadena de transport d'electrons. En un sistema similar de reaccions en plantes les espècies reactives de l'oxigen també es produïxen durant la fotosíntesi sota condicions d'alta intensitat lumínica. Aquest efecte és compensat en part per la implicació de carotenoides en la fotoinhibició, el que implica que aquests antioxidants reaccionen amb les formes sobre-reduïdes dels centres de reacció fotosintètics i de tal manera prevenen la producció de superòxid Un altre procés que produeix espècies reactives de l'oxigen és l'oxidació lipídica que té lloc a conseqüència de la producció d'icosanoides. No obstant això, les cèl·lules estan proveïdes de mecanismes que prevenen oxidacions innecessàries. Els enzims oxidatius d'aquestes rutes biosintètiques estan coordinades i són altament regulades.
Una paradoxa en el metabolisme és que mentre que la gran majoria de la vida complexa requereix l'oxigen per a la seva existència, l'oxigen és una molècula altament reactiva que danya als éssers vius produint espècies reactives de l'oxigen. Per tant, els organismes posseeixen un complex sistema de metabòlits i enzims antioxidants que actuen conjuntament per a prevenir el dany oxidatiu dels components cel·lulars tals com l'ADN, proteïnes i lípids, i reparar en últim terme les alteracions causades per aquestes espècies. Generalment els sistemes antioxidants eviten que aquestes espècies reactives siguin formades o les eliminen abans que puguin danyar els components vitals de la cèl·lula.
Formació de les ROS alt=Les principals fonts són la mitocòndria (cadena de transport electrònic), el peroxisoma, el reticle endoplasmàtic i les NADPH oxidases (NOX). Els processos indiquen la reducció parcial de l’oxigen molecular (O2) i la generació de compostos com el peròxid d’hidrogen (H2O2) i el superòxid (O2-).|miniatura|Formació d’espècies reactives de l’oxigen (ROS) a la cèl·lula. Els ROS es generen principalment a través de reaccions redox incompletes on l'oxigen molecular (O₂) actua com a acceptor final dels electrons, aquests processos es donen especialment en la cadena de transport d'electrons mitocondrial i poden donar lloc a intermediaris reactius com l'anió superòxid (O₂·−) i el peròxid d'hidrogen (H₂O₂).
L'espècie de ROS mitocondrial principal és l'anió superòxid (O₂·−), es produeix per la reducció monoelectrònica de l'oxigen molecular (O₂). L'oxigen en el seu estat fonamental consta de dos electrons desaparellats amb espins paral·lels en orbitals no-ellaçants, per aquesta raó, no pot acceptar més d'un electró d'una sola vegada. Aquesta característica de l'oxigen fa que la reducció de l'oxigen cap a l'aigua ocorri en passos successius: primerament es forma (O₂·−), per a després formar peròxid d'hidrogeno i finalment aigua. El potencial de reducció estàndard per a la transferència d'un electró a l'O₂ per a formar el superòxid és d'aproximadament -160mV a pH, és a dir, és termodinàmicament favorable.
La concentració d'oxigen en el mitocondri és baixa, concretament, és d'entre 3 i 30µM (depenent del tipus de teixit i metabolisme) pel fet que es consumeix ràpidament pel citocrom oxidasa en passar de l'ambient extracel·lular a l'intracel·lular. A pesar que la concentració d'O₂ sugui baixa, la reacció es dona constantment. Això passa perquè la producció mitocondrial de ROS augmenta en hipòxia. La limitació d'oxigen en l'enzim terminal de la cadena respiratòria, el citocrom c oxidasa (complex IV), provoca un embús d'electrons en la cadena proximal i, per tant, un augment de la fugida d'electrons que formen superòxid (O₂·−). A més, la concentració d'O₂·− és extremadament baixa (entre 10 i 200pM) encara que la reacció ocorre constantment això és en part gràcies a l'enzim MnSOD (manganès superòxid dismutasa) la qual catalitza la dismutació de radicals superòxids a peròxid d'hidrogen.
center|miniatura|519x519px|Dismutació catalitzada per MnSOD (manganès superóxid dismutasa).
Reactivitat Química Les espècies reactives de l’oxigen (ROS) presenten un comportament químic marcat perprocessos redox que involucren transferències d’electrons, generació de radicals i transformacions successives de l’oxigen molecular.
Reacció de Fenton La reacció de Fenton és un dels mecanismes clau que expliquen com es generen radicalsaltament oxidants a partir de ROS més suaus. Es produeix quan el peròxid d’hidrogen, una ROSrelativament estable, interactua amb ions metàl·lics capaços de donar i rebre electrons,especialment el ferro. Aquesta interacció dóna lloc al radical hidroxil, una de les espècies mésreactives conegudes, mitjançant la conversió Fe²⁺ → Fe³⁺ en presència d’H₂O₂. La reacció és important perquè transforma una molècula que pot acumular-se en el medi en una altra de vida molt curta però alt poder oxidant.
Reacció d’Haber–Weiss La reacció d’Haber–Weiss descriu la interacció entre el superòxid i el peròxid d’hidrogen, dues ROS presents habitualment en entorns biològics i químics. Tot i que la reacció és lenta per si mateixa, els ions metàl·lics actuen com a catalitzadors i n’afavoreixen la progressió, permetent laformació del radical hidroxil a través de passos redox intermedis. Aquest mecanisme mostra com diferents ROS poden participar en reaccions en cadena que amplifiquen l’oxidació celular.
Estudis més recents fins I tot relacionen aquesta reacció amb processos com la ferroptosi, on el superòxid pot potenciar la formació d’·OH .
Paper biòlogic i funcions de les ROS Funcions beneficioses Les espècies reactives de l’oxigen tenen un paper essencial en molts processos biològics sempre i quan es mantinguin en condicions baixes, en no fer-ho, és a dir, en trobar-se en condicions més altes poden tenir efectes perjudicials en les cèl·lules i per tant en l’organisme. En condicions moderades, participen en reaccions químiques fonamentals per poder sintetitzar i mantenir les estructures cel·lulars. La raó és que contribueixen a la formació i modificació de proteïnes, lípids i altres compostos. Les ROS també tenen un paper important en el sistema immunitari ja que els fagòcits (neutròfils i macròfags) les utilitzen per destruir microorganismes patògens durant la fagocitosi oxidativa, d’aquesta manera poden defensar el cos davant les infeccions.
Una altra de les funcions biològiques de les ROS és la senyalització intracel·lular, s’encarreguen de regular processos com la divisió, la diferenciació i l’activació cel·lular. Aquestes funcions no només es donen en les cèl·lules del sistema immunitàri sinó que també es troben en altres tipus cel·lulars, com fibroblasts, cèl·lules endotelials, múscul llis vascular, miòcits cardíacs o teixit tiroïdal, a través d’isoformes específiques de l’enzim NADPH oxidasa.
D'altra banda, poden actuar com a interruptor alostéric, per exemple tenim oxidació de residus de císteina la qual compleix aquesta funció mitjançant la fomació d'àcid sulfénic (SOH). Un altre exemple sería el pont covalent entre la lisina i la cisteína, amb estructura -N-O-S, la qual actua com a interruptor redox alostéric. La relaxació estructural es propaga des de l'interruptor fins al centre actiu.
Efectes perjudicials Quan les ROS es troben en excés poden tenir efectes nocius que poden provocar diverses malalties. Les malalties sorgeixen perquè aquestes molècules s’acumulen i creen un desequilibri redox, també conegut com a estrès oxidatiu. És un procés que pot danyar lípids, proteïnes i àcids nucleics, i d’aquesta manera alterar el funcionament cel·lular normal. miniatura|Malalties contribuides per l’excés de ROS
En acumular-se en gran excés aquestes macromolècules danyades (proteïnes oxidades, lípids peroxidats i ADN defectuós) i, a més, el desgast progressiu dels mecanismes de reparació i degradació d’aquestes molècules, hi ha diverses conseqüències des de menys serioses com l’envelliment fins a malalties més greus que poden fins i tot causar la mort. A més grau d’acumulació, pitjors són els efectes o malalties. Les malalties causades per aquest dany oxidatiu poden ser diverses, des de malalties neuronals com l'Alzheimer i el Parkinson, malalties cardiovasculars, diabetis o l’aparició de tumors. En el cas de les malalties cardiovasculars el conflicte és arrel de que les cèl.lules vasculars expressen enzims NOX i a causa de quantitats desmesurades de ROS aquests enzims NOX 1, 2, 4 pateixen canvis. Cadascun d’ aquests enzims estan involucrats en diferents mecanismes del cor com el NOX 1 i 2 en hipertensió donant lloc a aquesta patologia. L’ aparició de càncer sol ser donada per ADN mutat, aquestes modificacions en l’ADN inclouen l’ activació d'oncogens els quals són un dels principals mecanismes que impulsen la proliferació, la supervivència i la invasió de cèl.lules malignes.
Factors com el tabac, els raigs ultraviolats, la contaminació, l’estrès i una alimentació pobra en agents antioxidants col·laboren en la formació de les ROS, resultant en l’aparició de malalties, envelliment o tumors en edats primerenques. A nivell clínic s’ha observat que els agents antioxidants no són gaire efectius per pal.liar aquest excés, ja que actuen de manera inespecífica i ja és massa tard, perquè el dany causat per aquestes macromolècules defectuoses ja ha estat provocat.És més s’ha observat que encara que una dieta rica en antioxidants és normalment associada amb una bona salut la ingesta d’aquests suplements alimentaris no és que siguin efectius sinó que fins i tot contribueixen a tenir una pitjor salut. Ara s’ha observat que inhibidors NOX poden ser efectius per directament reduir el consum de ROS en comptes de fomentar la degradació d’aquests com fan els antioxidants, atacant així el conflicte desde la seva arrel.
Regulació de les ROS en condicions normals Quan la cèl·lula es troba en condicions fisiològiques, els mitocondris generen petites quantitats d’espècies reactives d’oxigen com a subproducte de la fosforilació oxidativa de la respiració cel·lular. Perquè la cèl·lula pugui mantenir els valors de les ROS segurs, que permeten que puguin fer les seves funcions i no provocar l’estrès oxidatiu, es disposa d’un sistema de regulació molt coordinat que equilibra la seva producció i eliminació.