Especie reactiva do osíxeno

Principais fontes celulares de especies reactivas do osíxeno nas células vivas non fotosintéticas (segundo Novo e Parola, 2008).

As especies reactivas do osíxeno ou especies reactivas do oxíxeno (ERO ou, en inglés, ROS) son moléculas quimicamente reactivas que conteñen osíxeno. Exemplos son os ións osíxeno e os peróxidos. As especies reactivas do osíxeno son moi reactivas debido á presenza de electróns de valencia desapareados. As especies reactivas do osíxeno formanse como un produto do metabolismo normal do osíxeno e teñen importantes papeis na sinalización celular e a homeostase.^[1] Porén, tamén se xeran debido a fontes exóxenas, como a radiación ionizante, e durante os momentos de estrés ambiental (por exemplo, exposición aos raios UV ou á calor), os niveis destas especies químicas poden incrementarse drasticamente.^[1] Isto pode orixinar un dano significativo na estrutura celular, que acumulativamente se denomina estrés oxidativo.

Sinalización celular e efectos nocivos

Normalmente, as células deféndense contra os danos producidos polas especies reactivas do osíxeno utilizando encimas como a alfa-1-microglobulina, superóxido dismutases, catalases, lactoperoxidases, glutatión peroxidases e peroxirredoxinas. Pequenas moléculas antioxidantes como o ácido ascórbico (vitamina C), tocoferol (vitamina E), ácido úrico, e glutatión tamén xogan un importante papel como moléculas antioxidantes. Da mesma maneira, os antioxidantes polifenólicos axudan a impedir os danos causados polas especies reactivas do osíxeno ao eliminaren radicais libres. Polo contrario, a capacidade antioxidante do espazo extracelular é menor (o antioxidante do plasma máis importante en humanos é o ácido úrico).

Os efectos das especies reactivas do osíxeno no metabolismo celular están ben documentados. Entre eles están non só o papel na apoptose (morte celular programada) senón tamén efectos positivos como a indución de xenes de defensa do hóspede ^[2][3] e mobilización de sistemas de transporte iónico.^[4] Isto fai que estean implicados na sinalización redox, tamén coñecida como "sinalización oxidativa". En particular, as plaquetas implicadas na reparación de feridas e na homeostase do sangue liberan especies reactivas do osíxeno para recrutar a máis plaquetas nos sitios da lesión. Isto tamén proporciona unha conexión co sistema inmunitario adaptativo por medio do recrutamento de leucocitos.^[5]

As especies reactivas do osíxeno están implicadas nas actividades celulares durante diversas respostas inflamatorias como nas enfermidades cardiovasculares. Poden estar tamén implicadas na discapacidade auditiva causada por danos na cóclea inducidos por niveis sonoros elevados, na ototoxicidade de drogas como a cisplatina, e na xordeira conxénita de animais e humanos.^[6] A sinalización celular está tamén implicada na mediación da apoptose ou da morte celular programada e en danos isquémicos, como os producidos durante os accidentes cerebrovasculares ou os infartos de miocardio.^[6]

En xeral, os efectos nocivos das especies reactivas do osíxeno nas células son principalmente:^[7]

1. danos no ADN
2. oxidacións de ácidos graxos poliinsaturados nos lípidos (peroxidación de lípidos)
3. oxidacións de aminoácidos nas proteínas
4. inactivación oxidativa de encimas específicos por oxidación dos seus cofactores.

Resposta a patóxenos

Cando as plantas recoñecen o ataque dun patóxeno, unha das primeiras reaccións que se inducen é producir rapidamente superóxidos ou peróxido de hidróxeno para fortalecer a parede celular. Isto impide o espallamento do patóxeno a outras partes da planta, basicamente ao formarse unha rede arredor do patóxeno que restrinxe o seu movemento e reprodución.

Danos oxidativos

Nos organismos aerobios a enerxía necesaria para realizar as funcións biolóxicas prodúcese nas mitocondrias por medio da cadea de transporte electrónico. Durante este proceso, ademais da enerxía, prodúcense especies reactivas do osíxeno, que poden causar danos celulares no ADN, ARN, e proteínas, os cales, en teoría, contribúen á fisioloxía do envellecemento.

As especies reactivas do osíxeno son un produto normal do metabolismo. Un dos principais contribuíntes á produción de danos celulares é o peróxido de hidróxeno (H₂O₂), o cal se orixina a partir dos superóxidos que saen da mitocondria. A catalase e a superóxido dismutase evitan parte dos efectos nocivos do peróxido de hidróxeno e do superóxido ao converteren estes compostos en osíxeno e auga, que son moléculas inofensivas. Porén, esta conversión non é eficiente ao 100%, e persisten na célula cantidades de peróxidos residuais. Aínda que as especies reactivas do osíxeno se producen como un produto do funcionamento celular normal, as cantidades excesivas poden causar efectos deletéreos.^[8] As capacidades memorísticas declinan coa idade, especialmente en enfermidades dexenerativas como o Alzheimer, o cal está acompañado da acumulación de danos oxidativos. Estudos actuais demostran que a acumulación de especies reactivas do osíxeno pode empeorar o estado físico porque os danos oxidativos contribúen á senescencia. En concreto, a acumulación de danos oxidativos pode levar a unha disfunción cognitiva, como se demostrou nun estudo no cal se lles deu a ratas vellas metabolitos mitocondriais e despois realizaron tests cognitivos. Os resultados mostraron que as ratas tiñan mellores resultados despois de recibiren os metabolitos, o que suxire que os metabolitos reducían o dano oxidativo e melloraban a función mitocondrial.^[9] A acumulación de danos oxidativos pode despois afectar á eficiencia da mitocondria e incrementar máis o grao de produción de especies reactivas do osíxeno.^[10] A acumulación de danos oxidativos e as súas implicacións no envellecemento dependen do tecido no que ocorreu o dano. Outros resultados experimentais suxiren que o dano oxidativo é responsable do declive do funcionamento cerebral relacionado coa idade. Encontrouse que os xerbilos (roedores da subfamilia Gerbillinae) vellos tiñan niveis máis altos de proteínas oxidadas en comparación cos novos. O tratamento destes roedores vellos e novos cun composto trampa de spin (que detecta os radicais libres) causa a diminución do nivel de proteínas oxidadas nos máis vellos pero non tiveron efecto nos máis novos. Ademais, os vellos realizaban as tarefas cognitivas mellor durante o tratamento pero cesaba a capacidade funcional cando se suspendía o tratamento, causando un incremento do nivel de proteínas oxidadas. Isto levou aos investigadores a concluír que a oxidación de proteínas celulares é potencialmente importante para a función cerebral ^[11].

Produción interna

Os radicais libres prodúcense principalmente en orgánulos, como as mitocondrias, e tamén se liberan desde eles ao citosol.^[12][13] As mitocondrias converten a enerxía nunha forma utilizable pola célula, a adenosina trifosfato (ATP). O proceso no que se produce ATP chámase fosforilación oxidativa, a cal implica o transporte de protóns (ións hidróxeno) a través da membrana mitocondrial interna por medio da cadea de transporte electrónico. Na cadea de transporte electrónico, os electróns pasan a través dunha serie de proteínas por medio de reaccións de oxidación-redución, nas cales cada proteína da cadea ten un potencial de redución maior ca a proteína previa. O destino final dos electróns que circulan pola cadea é unha molécula de osíxeno. En condicións normais, o osíxeno redúcese formando auga; porén, arredor do 0,1–2% dos electróns que pasan a través da cadea (cifra obtida en mitocondria illadas, xa que non hai acordo sobre a cifra nos organismo vivos), producen unha oxidación prematura e incompleta do osíxeno, formando un radical superóxido (·O₂^-), mellor documentado nos complexos I e III. O superóxido non é particularmente reactivo de seu, pero pode inactivar encimas específicos ou iniciar a peroxidación de lípidos cando está na súa forma protonada, hidroperoxil HO₂·. O pKa do hidroperoxil é 4,8. Así, a pH fisiolóxico, a maioría está en forma de superóxido.

Cando se causan moitos danos ás mitocondrias dunha célula, esta sofre apoptose ou morte celular programada. As proteínas Bcl-2 están situadas na superficie das mitocondrias, detectan os danos, e activan unha clase de proteínas chamadas Bax, as cales crean perforacións na membrana das mitocondrias, causando que o citocromo c saia ao citosol. Este citocromo únese á Apaf-1 ou factor-1 activador da protease apoptótica, o cal flota libremente no citoplasma celular. Utilizando enerxía do ATP da mitocondria, a Apaf-1 e o citocromo c únense entre si formando apoptosomas. Os apoptosomas únense á caspase-9, activándoa, a cal é outra proteína que flota libremente. A caspase-9 despois cliva (corta) as proteínas da membrana mitocondrial, causando a súa rotura e inicia unha cadea de reaccións que levan á desnaturalización de proteínas e finalmente á fagocitose da célula.

Causa do envellecemento

De acordo coa teoría dos radicais libres, os danos oxidativos iniciados polas especies reactivas do osíxeno son unha das principais contribucións ao declive funcional característico do envellecemento. Mentres que os estudos en modelos de experimentación vertebrados indican que os animais modificados xeneticamente que carecen de encimas antioxidantes específicos (como a superóxido dismutase, SOD), en xeral, teñen unha duración da vida máis curta (con respecto ao que se agardaría en teoría), a manipulación xenética contraria, que incrementa os niveis de encimas antioxidantes, deu lugar a efectos inconsistentes sobre a duranción da vida (aínda que varios estudos en Drosophila mostraron que a duración da vida aumentaba ao sobreexpresar MnSOD ou os encimas que biosintetizan o glutatión). Tamén son contrarios a esta teoría, os resultados obtidos coa deleción do SOD2 mitocondrial, que aumenta a vida do verme Caenorhabditis elegans.^[14]

En ratos, a historia é bastante similar. A deleción de encimas antioxidantes, en xeral, acurta a vida, aínda que os estudos de sobreexpresión non mostraron que aumentase de forma consistente a duración da vida (con algunhas excepcións recentes).^[15]

Superóxido dismutase

As superóxido dismutases (SOD) son un tipo de encimas que catalizan a dismutación do superóxido en osíxeno e peróxido de hidróxeno. Son unha importante defensa antioxidante en case todas as células expostas ao osíxeno. En mamíferos e na maioría dos cordados, existen tres formas de superóxido dismutase. A SOD1 está localizada no citoplasma, a SOD2 na mitocondria e a SOD3 é extracelular. A primeira é un dímero (consta de dúas subunidades), e as outras son tetrámeros (constan de catro subunidades). A SOD1 e a SOD3 conteñen cobre e cinc, e a SOD2 ten manganeso no seu centro activo. Os seus xenes están localizados, respectivamente, nos cromosomas 21, 6, e 4, (concretamente en 21q22.1, 6q25.3 e 4p15.3-p15.1).

A dismutación do superóxido catalizada por SOD pode describirse coas seguintes ecuacións :

• M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ − SOD + O₂⁻ → Mⁿ⁺ − SOD + O₂
• Mⁿ⁺ − SOD + O₂⁻ + 2H⁺ → M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ − SOD + H₂O₂.

onde M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2).

Nesta reacción o estado de oxidación do metal catiónico oscila entre n e n+1.

A catalase, a cal está concentrada nos peroxisomas situados preto das mitocondrias, reacciona co peróxido de hidróxeno catalizando a formación de auga e osíxeno. A glutatión peroxidase reduce o peróxido de hidróxeno ao transferir a enerxía dos peróxidos reactivos a un pequeno péptido que contén xofre chamado glutatión. O selenio contido nestes tres encimas actúa como o centro reactivo, transportando os electróns reactivos desde o peróxido ao glutatión. As peroxirredoxinas tamén degradan H₂O₂, dentro da mitocondria, no citosol e no núcleo celular.

• 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂ (catalase)
• 2GSH + H₂O₂ → GS–SG + 2H₂O (glutatión peroxidase)

Quimioterapéutica do cancro dirixida ás especies reactivas do osíxeno

Investigacións recentes demostran que a desregulación redox orixinada a partir de alteracións metabólicas e a dependencia de sinalización mitoxénica e de supervivencia por medio das especies reactivas do osíxeno representa unha vulnerabilidade específica das células malignas que pode ser selectivamente aproveitada utilizando quimioterapéuticos redox antioxidantes e prooxidantes.^[16]

Notas

1. Devasagayam, TPA; Tilak JC, Boloor KK, Sane Ketaki S, Ghaskadbi Saroj S, Lele RD (2004). "Free Radicals and Antioxidants in Human Health: Current Status and Future Prospects". Journal of Association of Physicians of India (JAPI) 52: 796. 
2. Rada B, Leto TL (2008). "Oxidative innate immune defenses by Nox/Duox family NADPH oxidases" (PDF). Contrib Microbiol. Contributions to Microbiology 15: 164–87. ISBN 978-3-8055-8548-4. PMC 2776633. PMID 18511861. doi:10.1159/000136357.  — Review
3. Conner GE, Salathe M, Forteza R (2002). "Lactoperoxidase and Hydrogen Peroxide Metabolism in the Airway". Am J Respir Crit Care Med 166 (12): S57–61. PMID 12471090. doi:10.1164/rccm.2206018. 
4. Cristina Camello-Almaraz, Pedro J. Gomez-Pinilla, Maria J. Pozo, and Pedro J. Camello. Mitochondrial reactive oxygen species and Ca2+ signaling. Am J Physiol Cell Physiol November 2006 vol. 291 no. 5 C1082-C1088. [1] Arquivado 04 de abril de 2016 en Wayback Machine.
5. Abheri Das Sarma, Anisur Rahaman Mallick, K. Ghosh. Free Radicals and Their Role in Different Clinical Conditions: An Overview. International Journal of Pharma Sciences and Research (IJPSR). Vol.1(3), 2010, 185-192. [2]
6. Katia Antezza. Genetic Variants C242T and -930 A/G of the p22 phox NAD(P)H oxidase polymnorphism and vasodilatation endothelium-dependent in essential hypertension. [3]
7. Brooker, Robert J. (2011). Genetics: analysis and principles (4th ed.). McGraw-Hill Science. ISBN 978-0-07-352528-0. 
8. Patel RP, T Cornwell,Darley-Usmar VM (1999). "The biochemistry of nitric oxide and peroxynitrite: implications for mitochondrial function". En Packer L, Cadenas E. Understanding the process of aging: the roles of mitochondria, free radicals, and antioxidants. New York, N.Y: Marcel Dekker. pp. 39–56. ISBN 0-8247-1723-6. 
9. Liu J, Head E, Gharib AM, Yuan W, Ingersoll RT, Hagen TM, Cotman CW, Ames BN (2002). "Memory loss in old rats is associated with brain mitochondrial decay and RNA/DNA oxidation: partial reversal by feeding acetyl-L-carnitine and/or R-alpha -lipoic acid". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (4): 2356–61. Bibcode:2002PNAS...99.2356L. PMC 122369. PMID 11854529. doi:10.1073/pnas.261709299. 
10. Stadtman ER (1992). "Protein oxidation and aging". Science 257 (5074): 1220–4. Bibcode:1992Sci...257.1220S. PMID 1355616. doi:10.1126/science.1355616. 
11. J M Carney, P E Starke-Reed, C N Oliver, R W Landum, M S Cheng, J F Wu, and R A Floyd. Reversal of age-related increase in brain protein oxidation, decrease in enzyme activity, and loss in temporal and spatial memory by chronic administration of the spin-trapping compound N-tert-butyl-alpha-phenylnitrone. PNAS May 1, 1991 vol. 88 no. 9 3633-3636. [4] Arquivado 29 de maio de 2020 en Wayback Machine.
12. Muller, Florian (2000). "The nature and mechanism of superoxide production by the electron transport chain: Its relevance to aging". AGE 23 (4): 227–253. doi:10.1007/s11357-000-0022-9. 
13. Han D, Williams E, Cadenas E (2001). "Mitochondrial respiratory chain-dependent generation of superoxide anion and its release into the intermembrane space". Biochem. J. 353 (Pt 2): 411–6. PMC 1221585. PMID 11139407. doi:10.1042/0264-6021:3530411. 
14. Van Raamsdonk JM, Hekimi S (2009). "Deletion of the mitochondrial superoxide dismutase sod-2 extends lifespan in Caenorhabditis elegans". PLoS Genet. 5 (2): e1000361. PMC 2628729. PMID 19197346. doi:10.1371/journal.pgen.1000361. 
15. Muller FL, Lustgarten MS, Jang Y, Richardson A, Van Remmen H (2007). "Trends in oxidative aging theories". Free Radic. Biol. Med. 43 (4): 477–503. PMID 17640558. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034. 
16. Wondrak GT (2009). "Redox-directed cancer therapeutics: molecular mechanisms and opportunities". Antioxid. Redox Signal. 11 (12): 3013–69. PMC 2824519. PMID 19496700. doi:10.1089/ARS.2009.2541. 

Véxase tamén

Outros artigos

• Antioxidante
• Melanina
• Estrés oxidativo
• Sinalización redox

Bibliografía

• Sen CK (2003). "The general case for redox control of wound repair". Wound Repair Regen 11 (6): 431–8. PMID 14617282. doi:10.1046/j.1524-475X.2003.11607.x. 
• Krötz F, Sohn HY, Gloe T, Zahler S, Riexinger T, Schiele TM, Becker BF, Theisen K, Klauss V, Pohl U (2002). "NAD(P)H oxidase-dependent platelet superoxide anion release increases platelet recruitment". Blood 100 (3): 917–24. PMID 12130503. doi:10.1182/blood.V100.3.917. 
• Pignatelli P, Pulcinelli FM, Lenti L, Gazzaniga PP, Violi F (1998). "Hydrogen peroxide is involved in collagen-induced platelet activation". Blood 91 (2): 484–90. PMID 9427701. 
• Guzik TJ, Korbut R, Adamek-Guzik T (2003). "Nitric oxide and superoxide in inflammation and immune regulation". J. Physiol. Pharmacol. 54 (4): 469–87. PMID 14726604. 

Ligazóns externas

• Proctor PH (1989). "Free Radicals And Human Disease, a Review". drproctor.com. Consultado o 2009-07-23.