Ossigeno

Ossigeno

L'ossigeno (dal francese oxygène, termine coniato da A.-L. Lavoisier e derivato del greco ὀξύς, "acuto, acido", e della radice γεν- di γεννάω, "generare", alla lettera "generatore di acido") è un elemento chimico, simbolo O, gassoso, incolore, inodore, insapore, contenuto nell'aria e, in forma combinata, nell'acqua; alimenta la respirazione ed è perciò indispensabile alla vita. Fu scoperto da J. Priestley nel 1774 e indipendentemente da H.W. Scheele nel 1775. Lavoisier, nel 1783, ne riconobbe il ruolo decisivo nei fenomeni di combustione.

Chimica e biochimica

L'ossigeno è l'elemento più abbondante e più diffuso in natura: allo stato libero è contenuto nell'aria (20% circa), combinato si trova nell'acqua (90% circa) e costituisce circa il 27% della crosta terrestre. È poco solubile in acqua, molto più solubile in alcol e acetone; si diluisce anche in diversi metalli fusi, per es. l'argento ne assorbe 22,4 volte il proprio volume. L'ossigeno liquido è di colore azzurro chiaro, bolle a -182,9 °C, e solidifica a -218,4 °C in cristalli esagonali di colore blu. L'ossigeno ordinario forma molecole biatomiche O₂ che si scindono soltanto a temperature molto elevate (la scissione completa si ha a circa 5000 °C). Direttamente o indirettamente si combina con tutti gli elementi, a eccezione dei gas rari; entra a far parte di numerosissimi composti organici e, in particolare, di quelli che formano i tessuti animali e vegetali. La sua velocità di combinazione è molto influenzata dalla presenza di tracce di umidità, tanto che allo stato assolutamente secco, condizione che in pratica si verifica raramente, è pressoché inattivo. Le reazioni di combinazione dell'ossigeno (ossidazioni) si compiono con sviluppo di calore (tranne che in rari casi), e quando la velocità di reazione e l'aumento della temperatura sono notevolmente elevati, il processo va sotto il nome generico di combustione. Sotto l'azione di scariche elettriche, l'ossigeno atmosferico (O₂) viene trasformato in ozono (O₃).

Nei composti l'ossigeno è in genere bivalente; forma però dei cationi (per es., idrossido, ossonio), nei quali la sua valenza formale è 3. L'ossigeno è uno degli elementi fondamentali nella costituzione degli organismi viventi e svolge un ruolo centrale sia nel metabolismo di ogni singolo organismo aerobio, sia nell'equilibrio degli ecosistemi e dell'intera biosfera. Quantitativamente costituisce circa i 2/3 in peso dell'organismo umano e può raggiungere circa il 90% dell'intera massa corporea di alcuni organismi marini molto ricchi di acqua (meduse). Fra le molecole di interesse biologico, quelle che contengono la maggiore quantità di ossigeno sono i carboidrati, mentre proteine e lipidi ne contengono una quantità progressivamente inferiore. L'ossigeno viene utilizzato dagli organismi aerobi come accettore finale di elettroni nella catena respiratoria, nella quale la citocromossidasi catalizza la reazione finale di trasferimento di 4 elettroni dal citocromo c all'ossigeno molecolare. A causa della struttura elettronica dei suoi orbitali p esterni, l'ossigeno può subire in alcuni processi biologici, soprattutto in condizioni patologiche, una riduzione parziale, accettando un solo elettrone e dando quindi luogo allo ione radicalico superossido O₂¯. Il superossido rappresenta il primo composto radicalico dell'ossigeno da cui si possono generare, in alcune condizioni patofisiologiche, altre specie radicaliche dotate di elevata tossicità, in grado di danneggiare irreversibilmente le principali molecole biologiche.

Fisiologia

Tutti i tessuti umani necessitano di un continuo apporto di ossigeno per il verificarsi di attività metaboliche indispensabili al mantenimento dell'integrità cellulare. Dopo un breve periodo di anossia, la reintegrazione di ossigeno consente una ripresa dell'attività cellulare, ma se l'anossia è stata troppo lunga (4 min nel caso di cellule cerebrali) si verifica una necrosi. Le cellule della retina sono quelle meno resistenti, mentre le cellule muscolari possono continuare a contrarsi alcuni minuti anche in assenza di ossigeno. La fonte principale di ossigeno per l'organismo è rappresentata dall'aria. Alcune cellule superficiali (per es. quelle della cornea) sono in grado assumerlo direttamente. Per le altre è necessario un sistema di trasporto che, a livello macroscopico, risiede nel sistema respiratorio e in quello circolatorio; a livello cellulare il trasporto è affidato alla membrana citoplasmatica e agli enzimi respiratori che sono localizzati soprattutto a livello mitocondriale. L'organismo di un soggetto sano, in condizioni di riposo e di neutralità termica consuma 200-250 cm³ di O₂/min; nel lavoro muscolare il consumo aumenta notevolmente in proporzione all'entità e alla durata del lavoro. In patologia si verificano incrementi del consumo di ossigeno in condizioni di ipermetabolismo (stati febbrili, ipertiroidismo) e diminuzioni in stati cachettici, ipotiroidismo e denutrizione.

Ssigenoterapia

Si definisce ossigenoterapia la somministrazione di ossigeno o di miscele gassose contenenti ossigeno, a una pressione parziale superiore a quella dell'ossigeno atmosferico a livello del mare. Viene praticata per inalazione di ossigeno a pressione parziale inferiore a 760 mmHg (ossigenoterapia normobarica), mediante cateteri nasali, maschere (per somministrazione di ossigeno a basse o alte concentrazioni) e tende. Questa terapia si applica in tutte le forme di anossia: insufficienza polmonare, diminuzione della massa sanguigna circolante, collasso circolatorio e cardiaco ecc. Può anche essere praticata per somministrazione di ossigeno a pressione parziale superiore a 760 mmHg (ossigenoterapia iperbarica) in speciali apparecchiature, dette camere iperbariche, nel trattamento di intossicazioni da ossido di carbonio, di alcune infezioni degli stati di shock ecc. Infine, nei casi di grave insufficienza respiratoria acuta, si effettua la deviazione del flusso ematico su un ossigenatore extracorporeo.

Bibliografia

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J.R.R. Frausto da Silva, R.J.P. Williams, The biological chemistry of the elements, Oxford, Oxford University Press, 1991.

D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, New York, Wiley, 1990 (trad. it. Bologna Zanichelli, 1993).