A l’inverse, les anions superoxydes (O2•- ) sont formés par la capture d’un électron par la molécule d’oxygène. Ils ont une faible réactivité avec les composés biologiques et ne réagissent ni avec les acides nucléiques et leurs constituants, ni avec les protéines et leurs acides aminés, ni avec les lipides et leurs acides gras. Par contre, ils ont une demi-vie relativement longue (supérieure à quelques dizaines de secondes) ; ils peuvent donc diffuser vers leurs cibles, en particulier les superoxyde dismutases, les ions Fe2+, ou encore la vitamine C . Toutefois, la présence de la charge électrique nègative sur cette molécule bloque leur diffusion au travers des membranes biologiques. En fait, ils sont indirectement toxiques en réagissant avec le peroxyde d’hydrogène (H2O2) et le monoxyde d’azote (NO), produisant respectivement des radicaux hydroxyles ((•OH) et des peroxynitrites (ONOO-). Inversement la dismutation spontanée des anions superoxydes aboutit à la formation de peroxyde d’hydrogène selon la réaction de Haber-Weiss :
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