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ossigeno

Ossigeno un Elemento di Prima Classe

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Ossigeno – Lo inspiriamo continuamente, lo espelliamo per la maggior parte sotto forma di anidride carbonica, ci possiamo guardare attraverso e non ne sentiamo l’odore. Stiamo parlando dell’ossigeno, un gas incolore che assume una tinta bluastra solo se viene visto dallo spazio. Pensiamo di conoscere tutto su di lui, ma è davvero così? Guardiamolo più da vicino.

Ossidi e altri Composti

Quando l’ossigeno si trova legato a un solo altro elemento si parla di ossido (vedi tabella 1); quando sono coinvolti più elementi, invece, si ha a che fare con altre sostanze, che formano soprattutto rocce e minerali (vedi tabella 2).

L’ossido liquido più usato in estetica è probabilmente l’acqua, ma non è l’unico: nella cosmesi decorativa, ad esempio, vengono usati degli ossidi solidi come coloranti, come l’ossido di ferro (per il rosso, il marrone e il nero) e l’ossido di titanio (per il bianco); nelle maschere che si induriscono e nei prodotti per la ricostruzione unghie, invece, si può trovare il solfato di calcio. Sabbia, argilla e ossido di ferro sono le componenti principali delle argille impiegate a fini estetici, utilizzate soprattutto come maschere purificanti, oppure nei prodotti per la fisioterapia. 

Nonostante la discussione intorno all’alluminio, l’argilla all’acido acetico è tutt’ora un prodotto astringente molto preparato ed è ampiamente utilizzato in medicina. Tuttavia, il suo nome è fuorviante: l’argilla del nome, infatti, non è presente nel composto finale. Al suo posto ci sono i sali di alluminio risultanti dalla reazione dell’argilla con l’acido acetico (acetato) o con l’acido tartarico (tartarato). Sia l’acido acetico che l’acido tartarico sono acidi carbossilici (o acidi organici) che, oltre ad anidride carbonica e idrogeno, contengono dell’ossigeno e appartengono a una categoria straordinariamente variegata di composti organici (vedi box).

Alcoli, acidi carbossilici ed esteri di acidi carbossilici si trovano spesso nei cosmetici; qui svolgono diverse funzioni, tra cui quella di solventi, di “spalmanti”, di peeling acido, di addensanti, di componente lipidica e di principio attivo.

Il numero di composti di ossigeno negli organismi viventi aumenta ulteriormente se vi si aggiunge l’azoto (ad esempio negli amminoacidi, nei peptidi e nelle proteine) oppure altri elementi come il fosforo o gli oligoelementi. I composti senza ossigeno come gli idrocarburi (un esempio dei quali è lo squalene che si trova nel sebo umano) sono, invece, un’eccezione o si trovano principalmente nei microrganismi anaerobici (quelli, cioè, che vivono in assenza di ossigeno). Un esempio sono i microbi e gli enzimi che producono metano nello stomaco dei ruminanti.

 TABELLA 1: OSSIDI

Elemento del composto

Composto con l’ossigeno

Nome comune

Idrogeno (H)

Ossido di idrogeno (H2O)

Acqua

Alluminio (Al)

Triossido di alluminio (Al2O3)

Allumina

Ferro (Fe)

Triossido di ferro (Fe2O3)

Ruggine

Silicio (Si)

Diossido di silicio (SiO2)

Sabbia (di quarzo)

Azoto (N)

Diossido di azoto (NO2)

Ossido d’azoto

Carbonio (C)

Diossido di carbonio (CO2)

Anidride carbonica

Zolfo (S)

Diossido di zolfo (SO2)

Anidride solforosa

Magnesio (Mg)

Ossido di magnesio (MgO)

Magnesia

  TABELLA 2: COMPOSTI CON PIÙ DI UN ELEMENTO

Elemento del composto Composto con l’ossigeno Nome comune

Calcio (Ca), Carbonio (C)

Carbonato di calcio (CaCO3)

Calcare, creta,
marmo

Calcio (Ca), Magnesio (Mg),
Carbonio (C)

Doppio carbonato di calcio e magnesio
( (CaMg(CO3)2 )

Dolomite
(minerale)

Calcio (Ca), Zolfo (S)

Solfato di calcio (CaSO4)

Gesso

Alluminio (Al), Silicio (Si)

 Silicato di alluminio ( (Al2(SiO3)3 )

Argilla

 Ossidazione

L’ossigeno è un elemento molto reattivo ma, per fortuna, ha bisogno di una certa energia di attivazione (alte temperature, un fiammifero, delle radiazioni) per reagire con delle sostanze infiammabili - che sono, poi, delle sostanze che si ossidano velocemente in una reazione a catena accelerata. Se non ci fosse questa soglia, non esisterebbe il mondo che conosciamo perché quasi tutto o brucerebbe subito, oppure si ossiderebbe.

Durante una reazione di ossidazione, viene generata dell’energia che può essere impiegata nelle centrali elettriche per la produzione di energia oppure nelle automobili per il movimento, ma viene anche prodotta dall’organismo per mantenere costante la temperatura corporea o per fornire energia meccanica ai muscoli. Le cellule umane responsabili di questi processi sono dei piccoli “organelli” chiamati mitocondri. 

Le ossidazioni più importanti che avvengono nel nostro corpo sono:

la degradazione dell’acetil-coenzima A nel ciclo di Krebs;

la degradazione degli acidi grassi per mezzo della beta ossidazione;

l’ossidazione del glucosio.

I processi di ossidazione nei mitocondri avvengono in modo controllato biochimicamente, analogamente a come succede nelle pile a combustione. 

Le singole fasi della reazione vengono catalizzate da enzimi (ossidoreduttasi), ciò significa che vengono eseguite utilizzando la minore energia di attivazione possibile. Tra le altre, qui avvengono anche le reazioni radicaliche. I prodotti finali di questi processi sono anidride carbonica (che espiriamo), acqua e alcuni composti organici ossidati, che vengono secreti principalmente con le feci e l’urina. L’urea contenuta nell’urina, poi, fa attaccare l’anidride carbonica all’ammoniaca, un altro prodotto di scarto.

Al di fuori dei mitocondri, le reazioni di ossidazioni radicaliche incontrollate possono creare molti danni e, per evitarlo, le cellule dell’organismo vengono protette da sostanze antiossidanti, come la vitamina C (acido ascorbico) e la vitamina E (tocoferolo); nella barriera cutanea troviamo, invece, gli amminoacidi del Natural Moisturizing Factor (NMF) e varie strutture peptidiche, particolarmente efficaci soprattutto contro i radicali atmosferici ossidanti (ad esempio l’ossido di azoto).

Nella natura “libera”, l’azione contemporanea dell’ossigeno e dei raggi ad alta energia (UV) crea molte sostanze tossiche. 

ROS e Radicali Liberi

Oltre all’azoto (O3) e all’ossigeno singoletto ad alta energia (1O2), sono particolarmente aggressivi l’anione perossido (O22-), il radicale idrossile (HO•) e l’anione superossido (O2-). Questi elementi appartengono al gruppo dei ROS (Reactive Oxygen Species). Possono essere altrettanto reattivi e dannosi gli idroperossidi organici (R-OOH), i perossidi radicali (R-OO•) e gli alcossilici radicali (R-O•) che derivano dalle reazioni incontrollate con i composti organici. Per prevenire la loro formazione e, quindi, proteggersi, vengono aggiunti degli antiossidanti agli alimenti, ai cosmetici e a molte altre cose che usiamo nella vita quotidiana. Il principio alla base è quello di reagire più velocemente ai ROS rispetto ai composti protettivi dell'organismo, sebbene questi vengano comunque consumati nel corso del processo. Nei prodotti per la protezione solare, invece, si va in un’altra direzione: l’irraggiamento viene trasformato in calore dai filtri anti-UV prima che si possano formare dei radicali.

Effetto Ossidativo sulla Pelle

Nella pelle, i danni ai lipidi (“perossidazione lipidica”) o alle proteine (“ossidazione delle proteine”) sono ciò che innesca i processi di infiammazione e invecchiamento, i danni al DNA e le anomalie cutanee che possono arrivare fino ai carcinomi. Si riconoscono soprattutto nelle macchie iperpigmentarie che si formano in vecchiaia, composte da residui dell’ossidazione di lipidi e proteine (lipofuscina) oppure da agglomerati di zuccheri e proteine (AGE, o Advanced Glycation End products). Nel caso degli AGE, zuccheri e carboidrati reagiscono con amminoacidi e proteine e, attraverso un processo che accompagna l’ossidazione, formano le cosiddette melanoidine. 

In un normale processo metabolico fisiologico e durante una risposta del sistema immunitario, il corpo stesso può servirsi di molecole ROS aggressive. Un esempio è il perossido di idrogeno (H2O2), necessario per alcune reazioni biochimiche. Il composto è controllato da alcuni enzimi, e quello in eccesso viene scomposto in acqua e ossigeno dall’enzima catalasi (CAT) e in acqua dal glutanione perossidasi (GPX), che contiene selenocisteina. In questo modo, a meno di un difetto enzimatico, il perossido di idrogeno non può causare danni all’organismo.

La conseguenza visibile di un difetto enzimatico è, per esempio, la vitiligine (la malattia cutanea delle macchie bianche): in questo caso, il perossido di idrogeno non degradato attacca la melatonina e il suo processo di produzione lasciando la pelle senza pigmenti. Si può osservare un effetto simile quando schiariamo la pelle o i capelli con l’acqua ossigenata. 

Anche la flora cutanea utilizza i propri enzimi per ossidare e smantellare i lipidi. Di conseguenza si formano, tra le altre cose, degli acidi carbossilici a catena corta, che compongono il mantello idroacidolipidico protettivo della pelle e abbassano il pH cutaneo.

Trattamenti con l’Ossigeno

La terapia multi-step di ossigeno (SMT), sviluppata dal fisico tedesco Manfred von Ardenne, consiste nell’inalazione di ossigeno puro (o in un aumento della proporzione di ossigeno nell’aria che viene respirata) preceduta dall’assunzione orale di un mix di vitamine e seguita, poi, da un allenamento fisico e mentale. Secondo il suo inventore, la maggiore disponibilità di ossigeno nelle arterie dovrebbe accelerare il processo di guarigione di varie indicazioni patologiche. Tuttavia, non esistono prove statisticamente affidabili dell’efficacia di questa terapia. I composti reattivi all’ossigeno, invece, hanno un effetto asettico sulle infezioni superficiali e le micosi. Alcuni esempi sono il perossido di benzoile, usato per il trattamento dell’acne, e gli oli vegetali ozonizzati.

Per disinfettare le superfici degli oggetti vengono usate delle soluzioni di perossido di idrogeno a basse concentrazioni, efficaci anche per contrastare la muffa. Nel processo, viene rilasciato dell’ossigeno nascente (ovvero dell’ossigeno monoatomico) altamente reattivo. Altri composti a rilascio di ossigeno molto usati sono il permanganato di potassio, che viene impiegato come agente ad azione rapida in caso di micosi e altre infezioni cutanee, e le soluzioni alcaline di ipoclorito (detergenti ossidativi).

Le barre delle apparecchiature cosmetiche ad alta frequenza generano delle piccole quantità di ozono e di ossido di azoto, che hanno un’azione disinfettante quando si puliscono i comedoni in caso di acne oppure durante il trattamento di aree cutanee infiammate; nei dispositivi per la vaporizzazione cosmetica (vapozon), invece, l’ozono viene creato da una lampada al quarzo che emette una luce UV.

Cos’altro c’è di Interessante?

Le ossidazioni intramolecolari sono il principio alla base degli esplosivi: la devastante detonazione che ha avuto luogo nel porto di Beirut nell’agosto del 2020, ad esempio, è stata causata dall’accensione del nitrato di ammonio (NH4HO3), un elemento simile a un sale. In questo caso, la parte di nitrato ricca di ossigeno (NO3-) ha ossidato in una reazione istantanea il gruppo di ammonio (NH4+) formando acqua allo stato gassoso (H2O), azoto (N2) e ossigeno (O2), provocando l’esplosione.

Da un punto di vista fisico, un’ossidazione è sempre associata a un trasferimento di elettroni dalla sostanza da ossidare verso l’ossigeno; in generale, quindi, si parla di ossidazione quando gli elettroni vengono attirati in qualche modo verso l’ossigeno. Un esempio è l’argento che diventa nero in una reazione con lo zolfo: in questo caso, è l’elemento argento (Ag) che viene ossidato, rilascia un elettrone e viene convertito in un composto ionico di argento (Ag+).

Anche nella fotosintesi clorofilliana avviene un’ossidazione. Durante questo processo, infatti, le piante producono ossigeno a partire dall’acqua: l’ossigeno contenuto nell’acqua (O2-) rilascia degli elettroni e viene ossidato in ossigeno allo stato gassoso (O2).

IMPORTANTI COMPOSTI CON L’OSSIGENO: 

  • Alcoli, ad esempio l’etanolo (l’alcol che si beve), l’isopropanolo (usato spesso come alternativa ai disinfettanti), alcol benzilico (usato come conservante) e la glicerina (che compone anche l’NMF umano),
  • Aldeidi e chetoni, a cui appartengono molti aromi come il citronellal (nel lime) e il muscon (nel muschio),
  • Acidi carbossilici come l’acido acetico, l’acido citrico, l’acido salicilico e gli acidi grassi essenziali (acido linoleico, acido alfa-linoleico etc.), così come
  • I loro composti, ad esempio gli eteri (a base di “due volte” etanolo) o gli esteri (da alcol e acido carbossilico).
  • I componenti principali degli oli vegetali e dei lipidi animali sono i trigliceridi, degli esteri a base di glicerina e di tre acidi carbossilici.

ESEMPI DI SOSTANZE NOCIVE:

  • L’ossidazione fotochimica degli idrocarburi di origine vegetale o antropica che, tra le altre cose, forma il nitrato di perossiacetile (PAN), un componente dello smog atmosferico
  • L’azione dell’ozono, composto da tre atomi di ossigeno (O3), sui composti organici
  • La formazione di perossidi allergenici a partire da oli essenziali, come l’ascaridolo dall’olio di Tea tree
  • La perossidazione di acidi insaturi, che porta alla formazione di aldeidi (responsabili dell’odore di rancido di oli e grassi)

Dr. Hans Lautenschläger
Dottore in chimica, è socio amministratore della KoKo Kosmetivertrieb GmbH & Co. KG. È specializzato nello sviluppo, nella produzione e nella vendita di prodotti fisiologici per la skin care.

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