Superóxido

El ion superóxido , denominado O 2. - o O 2- (el segundo escrito no muestra explícitamente la naturaleza radical ) proviene de la reducción monoelectrónica de dioxígeno (O 2). El ion superóxido es paramagnético .

Compuestos de iones superóxido

Sales del ion superóxido como superóxido de potasio (KO 2) se forman naturalmente por reacción directa del oxígeno con ciertos metales .

Estabilidad en solución

El superóxido es termodinámicamente inestable, independientemente del pH , con respecto a su dismutación en peróxido de hidrógeno H 2 O 2y oxígeno O 2. La reacción de desproporción requiere protones (H + ).

2O2-+2H+ → H2O2+O2{\ Displaystyle \ mathrm {2O_ {2} ^ {-} + 2H ^ {+} \ \ rightarrow \ H_ {2} O_ {2} + O_ {2}}}

Entonces, a un pH alto (baja concentración de H + ), es decir, con una gran concentración de HO - en comparación con la concentración de iones de hidrógeno H + , las soluciones que contienen el ión superóxido pueden tener una cierta estabilidad cinética .
Por otro lado, el ion superóxido es estable en solución orgánica anhidra.

Importancia biológica

El ion superóxido es una especie oxigenada reactiva (nombre científico para "  radicales libres  "). Es un desecho metabólico tóxico pero producido naturalmente en todas las células de los seres vivos que respiran oxígeno, en particular dentro de las mitocondrias (donde este superóxido es probablemente producido principalmente por el complejo I y el complejo III), así como por varias otras enzimas, para ejemplo xantina oxidasa .

Aunque inestable en solución acuosa, su concentración estacionaria sería demasiado alta para la vida celular sin un buen sistema de protección: la enzima superóxido dismutasa . Esta enzima protectora es producida por casi todos los organismos vivos conocidos en presencia de oxígeno; hay varias variantes (isoformas). Cataliza la neutralización del superóxido de manera muy eficaz, casi tan rápido como su capacidad para difundirse espontáneamente en solución.

Otras proteínas que pueden ser oxidadas y reducidas por el superóxido exhiben una baja actividad similar a la de SOD; este es, por ejemplo, el caso de la hemoglobina ). La inactivación genética (" knockout ") de la enzima SOD en animales de laboratorio produce fenotipos deletéreos en organismos tan diversos como bacterias y mamíferos. Ha proporcionado pistas valiosas para comprender mejor los mecanismos de toxicidad del superóxido in vivo .

El sistema inmunológico utiliza la toxicidad de este ión para matar una serie de microorganismos aerobios infecciosos o invasores: los fagocitos producen superóxido en cantidad a través de la enzima NADPH oxidasa y lo utilizan para destruir patógenos fagocitados.
Las mutaciones en el gen que codifica la NADPH oxidasa provocan un síndrome de inmunodeficiencia conocido como granulomatosis septicum , una enfermedad caracterizada por una extrema susceptibilidad a infecciones , en particular por organismos positivos para catalasa . Asimismo, los microorganismos modificados genéticamente para no sintetizar superóxido dismutasa (SOD) pierden su virulencia.

Toxicidad

Su toxicidad intrínseca tiene varias causas:

• La causa principal es la reacción de Haber-Weiss  : el superóxido puede reaccionar con el peróxido de hidrógeno , para dar el radical hidroxilo altamente reactivo, que puede estar en el origen de una oxidación perjudicial de los componentes celulares.
  Esta reacción es insignificante excepto en el caso de catálisis por iones de ciertos metales de transición ( hierro o cobre en particular).
• Este ion superóxido también puede reaccionar con el óxido nítrico para dar el anión peroxinitrito , un potente agente oxidante y nitrante muy tóxico.

La ausencia de SOD citosólico aumenta drásticamente la mutagénesis y la inestabilidad genómica . Los ratones que carecen de SOD mitocondrial (MnSOD) mueren en promedio 21 días después del nacimiento debido a fenómenos de neurodegeneración , miocardiopatía y / o acidosis láctica .
Los ratones que carecen de SOD citosólico (CuZnSOD) son viables pero padecen múltiples patologías que incluyen cáncer de hígado, atrofia muscular, cataratas, involución tímica, anemia hemolítica y una disminución muy rápida de la fertilidad femenina, con la edad, que induce una esperanza de vida más corta.

El superóxido es la fuente o una de las fuentes ( patogénesis ) de muchas enfermedades (particularmente relacionadas con el envenenamiento por radiación y la lesión hiperóxica), y parece estar involucrado en el envejecimiento a través del daño oxidativo a las células. Su papel en la patogénesis de ciertas enfermedades es fuerte (por ejemplo, los ratones y ratas que sobreexpresan CuZnSOD o MnSOD son más resistentes al accidente cerebrovascular y al infarto de miocardio ), sin embargo, su papel en el envejecimiento aún no está claro ni siquiera probado. En organismos modelo (por ejemplo , levaduras , Drosophila o ratones ), la supresión genética de CuZnSOD reduce la esperanza de vida y acelera ciertas características del envejecimiento ( cataratas , atrofia muscular , degeneración macular , involución tímica ), pero a la inversa, no aparece un aumento en los niveles de CuZnSOD. (excepto quizás en Drosophila ) para aumentar la vida útil de manera constante. En general, se asume que el daño oxidativo (del cual el superóxido es solo una de las muchas causas posibles) es solo una parte de los factores que limitan la vida.

Nota: los organismos anaeróbicos son menos sensibles a él. Así, una levadura desprovista de SOD mitocondrial y citosólica se desarrolla muy mal en el aire, pero bastante bien en un ambiente anóxico.

Intermedios de superóxido de Fe (III)

El primer paso en la activación de O 2 por complejos de hierro-porfirina implica la unión con el ion Fe (II). Los intentos iniciales de preparar estos aductos de Fe-O2 1: 1 encontraron dificultades debido a la propensión de estos primeros modelos a sufrir autooxidación a través de intermedios de ( μ-η1: η1-peroxo) diiron . Pero el trabajo reciente ha aportado nuevas ideas y la presencia de superóxido se ha confirmado por varios medios, incluida la espectroscopia de rayos X, la espectroscopia de rayos L o la espectroscopia de Mössbauer .

Ensayo en sistemas biológicos

Es muy difícil por la alta reactividad del superóxido en presencia de otras moléculas y por su muy corta vida media en la célula.

Una forma indirecta es convertir el superóxido, tan pronto como se forma, en peróxido de hidrógeno , que es lo suficientemente estable como para permitir tiempo para cuantificarlo, por ejemplo, mediante un método fluorimétrico . Como radical libre, el superóxido tiene una   fuerte " señal RPE ". Por lo tanto, es posible detectarlo de esta manera, pero solo cuando está presente de manera significativa. Sin embargo, por sus efectos, es interesante poder medirlo en dosis muy bajas. Además, esta medición hoy en día requiere condiciones no fisiológicas, incluido un pH alto (que ralentiza la desproporción espontánea). Se están desarrollando herramientas del tipo "trampas giratorias". Pueden reaccionar con superóxido, formando un radical metaestable (vida media de 1 a 15 minutos) más fácilmente detectado por Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR). La captura se llevó a cabo por primera vez con DMPO, pero más recientemente los derivados de fósforo (por ejemplo, DEPPMPO, DIPPMPO) han mejorado la vida media del radical y se utilizan más ampliamente.

Superóxido y cáncer

Los investigadores de la UCL han logrado en animales de laboratorio bloquear las metástasis de dos tipos de cáncer ( melanoma y cáncer de mama ), simplemente inactivando el superóxido con moléculas existentes, actualmente en pruebas de fase 2 para tratar la enfermedad de Parkinson o la hepatitis C (y no mostraron toxicidad a los humanos). Abren una nueva vía de tratamiento, aún por probar en humanos.

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