O oxigênio é um gás tóxico – uma introdução a toxicidade do oxigênio e espécies reativas de oxigênio

          1. A história do oxigênio: um importante poluente do ar

          Todos os organismos, exceto certos unicelulares anaeróbicos e aero-tolerantes, necessitam de O₂ para uma eficiente produção de energia pelo uso da cadeia transportadora de elétrons. Essa necessidade de O₂ disfarça o fato de que ele é um gás mutagênico e combustível.

          • Seres aeróbicos sobrevivem porque têm defesas antioxidantes que os protegem contra ele.
          • O O₂ apareceu em significantes quantidades na Terra há mais de 2,5 x 10⁹ anos atrás, e evidências geológicas sugerem que isso é devido à evolução da fotossíntese pelas algas azuis (cianobactérias). Como elas utilizavam água para obter o hidrogênio necessário para dirigir suas reduções metabólicas, liberavam toneladas de O₂ na atmosfera.

          O inexorável aumento nas concentrações de O₂ atmosférico foi vantajoso por um lado, pois isso levou à formação da camada de ozônio (O₃) na estratosfera. A habilidade do O₃ de filtrar muito da intensa radiação solar ultravioleta (UV-C) ajudou os organismos vivos a deixarem o mar e colonizarem a terra, mas o O₂ sozinho deve ter causado estresse nos organismos presentes.

          Quando os primeiros organismos vivos apareceram na Terra, viviam sob uma atmosfera contendo muito pouco O₂ (eram essencialmente anaeróbicos).

          • Organismos anaeróbicos ainda sobrevivem hoje, mas seu crescimento é inibido e podem morrer por uma exposição a 21% de O₂ (nível normal da atmosfera). Os organismos anaeróbicos de hoje são presumidamente os descendentes daqueles mais primitivos que não seguiram o caminho evolutivo de se adaptar aos níveis de O₂.
Já os outros organismos começaram um processo evolutivo de desenvolver sistemas de defesa antioxidante para se proteger da toxicidade do O₂.

          Os organismos tolerantes ao oxigênio podem também adaptar-se a usá-lo para transformações metabólicas e para uma eficiente produção de energia (usando a cadeia transportadora de elétrons, na mitocôndria, em que o O₂é o aceptor final de elétrons e que produz 80% do ATP necessário pelas células de mamíferos).

          A evolução da eficiente produção de energia seguida do desenvolvimento de organismos multicelulares complexos, permitiu também que a entrega de O₂ às células fosse controlada, para assegurar que esse O₂ estivesse sendo distribuído por todo organismo (existem mecanismos de monitoramento dos níveis de O₂ no corpo que podem alterar a taxa de respiração e circulação sangüínea para controlar esses níveis).

          2. Oxigênio hoje

          O oxigênio é hoje o elemento mais prevalente na crosta da Terra (21% na atmosfera).
Seus níveis já foram ainda maiores em períodos da história da Terra; no Carbonífero (figura) chegou a 35%, e esse aumento permitiu que os insetos ficassem maiores (um certo tipo de libélula apresentava 2.8cm de diâmetro toráxico e hoje chega no máximo a 1cm).
          Animais e plantas desse período deviam ter suas defesas antioxidantes aumentadas.

                                    
          3. Oxigênio na água e solventes orgânicos

           • O O₂é também encontrado solubilizado em mares, lagos, rios e outros corpos d’água (sua solubilidade decresce com aumento da temperatura).
          • A concentração de oxigênio a qual as células de organismos multicelulares estão expostas depende de um balanço da mobilidade dele no sistema e da velocidade de seu consumo.
          •A respiração mitocondrial pode funcionar bem em baixas concentrações de O₂, então um jeito de diminuir sua toxicidade é diminuir também a concentração a que as células estão expostas.
          •Na maioria ou em todas as células eucarióticas existe um gradiente de O₂ que decresce em concentração da membrana celular até o consumo de oxigênio da mitocôndria.

          Sob condições fisiológicas, o O₂ é de 5 a 8 vezes mais solúvel em solventes orgânicos do que na água.

          Páginas para consulta extra:

           camada de ozônio
           pré-cambriano

           Vamos ver agora, através do anexo I, maiores detalhes sobre organismos aeróbios e anaeróbios. Depois, volte para cá e continue...

          4. O que causa o efeito tóxico do oxigênio?

            A toxicidade do oxigênio pode ser observada através da inibição das enzimas celulares. Exemplo disso temos durante a fotossíntese, onde os vegetais fixam dióxido de carbono (CO₂), formando moléculas de açúcar através de uma complexa via metabólica conhecida como Ciclo de Calvin. A primeira enzima desta via, a ribulose difosfato carboxilase, catalisa a reação do CO₂ com um açúcar de cinco carbonos (ribulose 1,5-difosfato) e produz 2 moléculas de ácido fosfoglicérico. O oxigênio é um substrato alternativo para esta enzima; compete com CO₂ e em elevadas concentrações de oxigênio temos menos fixação de CO₂ e menor crescimento da planta.

          www.invivo.fiocruz.br/ celula/celula_vegetal.htm
                   Esquema de uma célula vegetal

          No entanto a inativação de enzimas diretamente pelo oxigênio é baixa.
          Em 1954, Rebecca Gershman e Daniel l. Gilbert fizeram um paralelo entre os efeitos do O₂ e os efeitos da radiação ionizante e propuseram a teoria de que os efeitos danosos do O₂ seriam atribuídos à formação de radicais livres.

          5. O que é radical livre?

           Existem muitas definições para o termo em questão, entretanto, o mais usado hoje em dia é: átomos ou moléculas que possuem um ou mais elétrons desemparelhados, geralmente no seu orbital mais externo e são capazes de existir de forma independente.
           Os RL podem ser formados através de uma fissão homolítica, onde uma ligação covalente (C-C, C-H, C-O) é quebrada e um elétron vai para cada átomo, exemplo:

          A:B => A^• + B^•

          H₂O => H^• + OH^• (radical hidrogênio e radical hidroxila)

          Ao contrário, na fissão heterolítica, quando uma ligação covalente é quebrada, um átomo recebe o par de elétrons, isto é:

          A:B => A^- + B⁺ (O elemento A recebe ambos os elétrons).

          O elemento A fica com carga negativa (ânion) e o B com carga positiva (cátion). Nesta reação temos só a formação de íons.

          H₂O => H⁺ + OH^-

          6. Oxigênio e seus derivados

          Agora que você já sabe como um radical livre é formado, observe a figura abaixo e tente entender o que segue:
Observando a figura abaixo, temos que as moléculas de oxigênio diatômicas são classificadas como um radical livre, pois apresentam dois elétrons desemparelhados em diferentes orbitais. Estes dois elétrons têm o mesmo número spin (mesa energia = quantum) e possuem spin paralelos. Este é o estado mais estável, ou “ground state” do oxigênio.

          O oxigênio pode atuar como um agente oxidante. Isso você entenderá em seguida!! Entretanto, se o oxigênio tenta oxidar outro átomo ou molécula, aceitando um par de elétrons deste, ambos os elétrons devem estar com spin antiparalelos, bem como se ajustar no espaço do orbital.

 

          Algumas moléculas de oxigênio e derivados:

          Oxigênio singlet: é a forma mais reativa do oxigênio e pode ser gerado por quantidade de energia, veja melhor quando voltarmos a falar no próximo capítulo.
          Radical superóxido: se um único elétron é adicionado ao “ground state” do oxigênio molecular, este deve entrar em um dos orbitais desemparelhados, formando o radical superóxido.
          Ozônio: O₃ é um importante gás que filtra os nocivos raios ultravioleta do sol, permitindo a vida no planeta.

          Definições importantes:

          Oxidação: processo em que ocorre o ganho de oxigênio e a perda de elétrons numa reação química.

          EX: C + O₂ => CO₂

          Redução: processo que ocorre a perda de oxigênio e o ganho simultâneo de átomos de hidrogênio e elétrons numa reação química.

          EX: C + 2CH₂ => CH₄

          Agente oxidante: oxida outra espécie retirando seus elétrons e hidrogênio ou adicionando moléculas de oxigênio.

          Agente redutor: reduz outra espécie fornecendo elétrons e hidrogênio ou removendo moléculas de oxigênio.

          7. Espécies reativas de oxigênio

          Termo utilizado pelos cientistas que inclui não somente radicais de oxigênio como o radical superóxido(O₂^•) e o radical hidroxila (^•OH), mas também abrange derivados de oxigênio como o peróxido de hidrogênio (H₂O₂), o ácido hipocloroso (HOCl) e o ozônio (O₃).

          Tabela. Espécies reativas de Oxigênio (ERO)     

          8. Curiosidade

Quanto superóxido é produzido no corpo humano?

Um adulto (70kg) em repouso utiliza aproximadamente 3,5 ml/kg/min de 0₂ ou 352,81 por dia ou 14,7 mol por dia. Se 1% se converte em 0₂^• , isto é 0,147 mol por dia ou 53,66 mol por ano ou aproximadamente 1,7 kg por ano.