Espécies que reagem ao oxigênio - Reactive oxygen species
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As espécies reativas de oxigênio ( ROS ) são produtos químicos altamente reativos formados a partir do O 2 . Exemplos de ROS incluem peróxidos , superóxido , radical hidroxilo , oxigénio singleto , e alfa-oxigénio .
A redução do oxigênio molecular (O 2 ) produz superóxido ( • O-
2), que é o precursor da maioria das outras espécies reativas de oxigênio:
- O 2 + e - → • O-
2
A dismutação do superóxido produz peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ):
- 2 H + + • O-
2+ • O-
2→ H 2 O 2 + O 2
O peróxido de hidrogênio, por sua vez, pode ser parcialmente reduzido, formando íons hidróxido e radicais hidroxila ( • OH), ou totalmente reduzido a água :
- H 2 O 2 + e - → HO - + • OH
- 2 H + + 2 e - + H 2 O 2 → 2 H 2 O
Em um contexto biológico, as ROS são subprodutos do metabolismo normal do oxigênio . ROS têm papéis na sinalização celular e homeostase . As ROS são intrínsecas ao funcionamento celular e estão presentes em níveis baixos e estacionários nas células normais. Em vegetais, as ROS estão envolvidas em processos metabólicos relacionados à fotoproteção e tolerância a vários tipos de estresse. No entanto, os ROS podem causar danos irreversíveis ao DNA, pois oxidam e modificam alguns componentes celulares e os impedem de desempenhar suas funções originais. Isso sugere que ROS tem um papel duplo; se eles agirão como fatores prejudiciais, protetores ou de sinalização depende do equilíbrio entre a produção e o descarte de ROS na hora e no local certos. Em outras palavras, a toxicidade do oxigênio pode surgir tanto da produção descontrolada quanto da eliminação ineficiente de ROS pelo sistema antioxidante. Durante períodos de estresse ambiental (por exemplo, exposição aos raios ultravioleta ou ao calor), os níveis de ROS podem aumentar dramaticamente. Isso pode resultar em danos significativos às estruturas celulares. Cumulativamente, isso é conhecido como estresse oxidativo . A produção de ROS é fortemente influenciada pelas respostas do fator de estresse nas plantas, esses fatores que aumentam a produção de ROS incluem seca, salinidade, resfriamento, defesa de patógenos, deficiência de nutrientes, toxicidade de metais e radiação UV-B . As ROS também são geradas por fontes exógenas, como a radiação ionizante, gerando efeitos irreversíveis no desenvolvimento dos tecidos de animais e plantas.
Fontes de produção de ROS
Fontes endógenas
ROS são produzidos por reações bioquímicas que ocorrem durante os processos de respiração e fotossíntese em organelas como mitocôndrias , peroxissomos e cloroplastos . Durante o processo de respiração, as mitocôndrias convertem energia para a célula em uma forma utilizável, trifosfato de adenosina (ATP). O processo de produção de ATP na mitocôndria, denominado fosforilação oxidativa , envolve o transporte de prótons (íons de hidrogênio) através da membrana mitocondrial interna por meio da cadeia de transporte de elétrons . Na cadeia de transporte de elétrons, os elétrons são passados por uma série de proteínas por meio de reações de redução de oxidação, com cada proteína aceptora ao longo da cadeia tendo um potencial de redução maior do que a anterior. O último destino de um elétron ao longo dessa cadeia é uma molécula de oxigênio. Em condições normais, o oxigênio é reduzido para produzir água; no entanto, em cerca de 0,1-2% dos elétrons que passam pela cadeia (este número deriva de estudos em mitocôndrias isoladas, embora a taxa exata em organismos vivos ainda não tenha sido totalmente acordada), o oxigênio é prematuramente e incompletamente reduzido para dar a radical superóxido ( • O-
2), mais bem documentado para o Complexo I e o Complexo III .
Outra fonte de produção de ROS em células animais são as reações de transferência de elétrons catalisadas pelos sistemas P450 mitocondriais em tecidos esteroidogênicos . Esses sistemas P450 são dependentes da transferência de elétrons do NADPH para o P450. Durante este processo, alguns elétrons "vazam" e reagem com o O 2 produzindo superóxido. Para lidar com essa fonte natural de ROS, os tecidos esteroidogênicos, ovários e testículos, possuem uma grande concentração de antioxidantes , como vitamina C (ascorbato) e β-caroteno e enzimas antioxidantes.
Se houver muito dano na mitocôndria, uma célula sofre apoptose ou morte celular programada.
Além disso, as ROS são produzidas na sinalização de células imunes por meio da via NOX . As células fagocíticas, como neutrófilos , eosinófilos e fagócitos mononucleares, produzem ROS quando estimuladas.
Nos cloroplastos , as reações de carboxilação e oxigenação catalisadas pela rubisco garantem que o funcionamento da cadeia de transporte de elétrons (ETC) ocorra em um ambiente rico em O 2 . O vazamento de elétrons no ETC inevitavelmente produzirá ROS dentro dos cloroplastos. A ETC no fotossistema I (PSI) já foi considerada a única fonte de ROS nos cloroplastos. De acordo com Huang et al. o fluxo de elétrons dos centros de reação excitados é direcionado para o NADP e estes são reduzidos para NADPH, e então eles entram no ciclo de Calvin e reduzem o aceptor final de elétrons, CO 2 . Nos casos em que há sobrecarga de ETC, parte do fluxo de elétrons é desviada da ferredoxina para o O 2 , formando o radical livre superóxido (pela reação de Mehler ). Além disso, o vazamento de elétrons para O 2 também pode ocorrer a partir dos aglomerados 2Fe-2S e 4Fe-4S no PSI ETC. No entanto, o PSII também fornece locais de vazamento de elétrons (QA, QB) para O 2 - produtor de O 2 -. O superóxido (O 2 -) é gerado a partir de PSII, em vez de PSI; QB é mostrado como o local para a geração de O 2 • -.
Fontes exógenas
A formação de ROS pode ser estimulada por uma variedade de agentes, como poluentes, metais pesados , tabaco , fumaça, drogas, xenobióticos ou radiação. Nas plantas, além da ação de fatores abióticos secos , a alta temperatura, a interação com outros seres vivos pode influenciar na produção de ROS.
A radiação ionizante pode gerar intermediários prejudiciais por meio da interação com a água, um processo denominado radiólise . Como a água compreende 55-60% do corpo humano, a probabilidade de radiólise é bastante alta na presença de radiação ionizante. No processo, a água perde um elétron e se torna altamente reativa. Então, por meio de uma reação em cadeia de três etapas, a água é sequencialmente convertida em radical hidroxila ( • OH), peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ), radical superóxido ( • O-
2) e, finalmente, oxigênio (O 2 ).
O radical hidroxila é extremamente reativo e remove imediatamente os elétrons de qualquer molécula em seu caminho, transformando essa molécula em um radical livre e, assim, propagando uma reação em cadeia. No entanto, o peróxido de hidrogênio é, na verdade, mais prejudicial ao DNA do que o radical hidroxila, uma vez que a menor reatividade do peróxido de hidrogênio fornece tempo suficiente para a molécula viajar para o núcleo da célula, subsequentemente reagindo com macromoléculas como o DNA.
Nas plantas, a produção de ROS ocorre durante eventos de estresse abiótico que levam à redução ou interrupção da atividade metabólica. Por exemplo, o aumento da temperatura, a seca são fatores que limitam a disponibilidade de CO 2 devido ao fechamento estomático , aumentando a produção de ROS, como O 2 · - e 1 O 2 nos cloroplastos. A produção de 1 O 2 em cloroplastos pode causar a reprogramação da expressão de genes do núcleo levando à clorose e morte celular programada . Em casos de estresse biótico, a geração de ROS ocorre de forma rápida e fraca inicialmente e depois se torna mais sólida e duradoura. A primeira fase do acúmulo de ROS está associada à infecção de plantas e é provavelmente independente da síntese de novas enzimas geradoras de ROS . No entanto, a segunda fase de acumulação de ROS está associada apenas à infecção por patógenos não virulentos e é uma resposta induzida dependente do aumento da transcrição de mRNA que codifica enzimas.
Enzimas antioxidantes
Superoxido dismutação
Superóxido dismutases (SOD) são uma classe de enzimas que catalisa a dismutação do superóxido em oxigênio e peróxido de hidrogênio. Como tal, eles são uma importante defesa antioxidante em quase todas as células expostas ao oxigênio. Em mamíferos e na maioria dos cordados, três formas de superóxido dismutase estão presentes. SOD1 está localizado principalmente no citoplasma, SOD2 na mitocôndria e SOD3 é extracelular. O primeiro é um dímero (consiste em duas unidades), enquanto os outros são tetrâmeros (quatro subunidades). SOD1 e SOD3 contêm íons de cobre e zinco, enquanto SOD2 tem um íon de manganês em seu centro reativo. Os genes estão localizados nos cromossomos 21, 6 e 4, respectivamente (21q22.1, 6q25.3 e 4p15.3-p15.1).
A dismutação de superóxido catalisada por SOD pode ser escrita com as seguintes semi-reações:
- M ( n +1) + - SOD + O-
2→ M n + - SOD + O 2 - M n + - SOD + O-
2+ 2H + → H ( n + 1) + - SOD + H 2 O 2 .
onde M = Cu ( n = 1); Mn ( n = 2); Fe ( n = 2); Ni ( n = 2). Nesta reação, o estado de oxidação do cátion metálico oscila entre n e n + 1.
A catalase , que se concentra nos peroxissomos localizados próximos às mitocôndrias, reage com o peróxido de hidrogênio para catalisar a formação de água e oxigênio. A glutationa peroxidase reduz o peróxido de hidrogênio ao transferir a energia dos peróxidos reativos para um dipeptídeo contendo enxofre denominado glutationa . O enxofre contido nessas enzimas atua como o centro reativo, transportando elétrons reativos do peróxido para a glutationa. As peroxirredoxinas também degradam H 2 O 2 , dentro da mitocôndria, citosol e núcleo.
- 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2 (catalase)
- 2GSH + H 2 O 2 → GS – SG + 2H 2 O (glutationa peroxidase)
Oxigênio singlete
Outro tipo de espécie reativa de oxigênio é o oxigênio singlete ( 1 O 2 ), que é produzido, por exemplo, como subproduto da fotossíntese nas plantas. Na presença de luz e oxigênio, os fotossensibilizadores , como a clorofila, podem converter o tripleto ( 3 O 2 ) em oxigênio singlete:
O oxigênio singlete é altamente reativo, especialmente com compostos orgânicos que contêm ligações duplas. O dano resultante causado pelo oxigênio singlete reduz a eficiência fotossintética dos cloroplastos . Em plantas expostas ao excesso de luz, o aumento da produção de oxigênio singlete pode resultar na morte celular. Várias substâncias, como carotenóides , tocoferóis e plastoquinonas contidos nos cloroplastos, extinguem o oxigênio singlete e protegem contra seus efeitos tóxicos. Além da toxicidade direta, o oxigênio singlete atua como uma molécula sinalizadora . Produtos oxidados de β-caroteno decorrentes da presença de oxigênio singlete agem como segundos mensageiros que podem proteger contra a toxicidade induzida por oxigênio singlete ou iniciar a morte celular programada. Os níveis de jasmonato desempenham um papel fundamental na decisão entre a aclimatação celular ou a morte celular em resposta a níveis elevados desta espécie reativa de oxigênio.
Efeitos prejudiciais
Os efeitos das ROS no metabolismo celular estão bem documentados em uma variedade de espécies. Isso inclui não apenas papéis na apoptose (morte celular programada), mas também efeitos positivos, como a indução de genes de defesa do hospedeiro e a mobilização de transportadores de íons . Isso os implica no controle da função celular. Em particular, as plaquetas envolvidas no reparo de feridas e na homeostase do sangue liberam ROS para recrutar plaquetas adicionais para os locais da lesão . Eles também fornecem um link para o sistema imunológico adaptativo por meio do recrutamento de leucócitos .
As espécies reativas de oxigênio estão implicadas na atividade celular para uma variedade de respostas inflamatórias, incluindo doenças cardiovasculares . Eles também podem estar envolvidos na deficiência auditiva por meio de dano coclear induzido por níveis sonoros elevados , na ototoxicidade de drogas como a cisplatina e na surdez congênita em animais e humanos. As ROS também estão implicadas na mediação da apoptose ou morte celular programada e lesão isquêmica . Exemplos específicos incluem derrame e ataque cardíaco .
Em geral, os efeitos prejudiciais das espécies reativas de oxigênio na célula são na maioria das vezes:
- dano de DNA ou RNA
- oxidações de ácidos graxos poliinsaturados em lipídios ( peroxidação lipídica )
- oxidações de aminoácidos em proteínas
- desativação oxidativa de enzimas específicas por oxidação de cofatores
Resposta do patógeno
Quando uma planta reconhece um patógeno de ataque, uma das primeiras reações induzidas é a produção rápida de superóxido ( O-
2) ou peróxido de hidrogênio ( H
2O
2) para fortalecer a parede celular. Isso evita a propagação do patógeno para outras partes da planta, essencialmente formando uma rede ao redor do patógeno para restringir o movimento e a reprodução.
No hospedeiro mamífero, ROS é induzida como uma defesa antimicrobiana. Para destacar a importância dessa defesa, indivíduos com doença granulomatosa crônica que apresentam deficiências na geração de ROS são altamente suscetíveis à infecção por uma ampla gama de micróbios, incluindo Salmonella enterica , Staphylococcus aureus , Serratia marcescens e Aspergillus spp.
Estudos sobre a homeostase do intestino da Drosophila melanogaster mostraram a produção de ROS como um componente chave da resposta imunológica no intestino da mosca. O ROS atua tanto como bactericida, danificando o DNA, RNA e proteínas bacterianas, quanto uma molécula sinalizadora que induz mecanismos de reparo do epitélio . O uracilo liberado pelo microrganismo desencadeia a produção e a atividade de Duox, a enzima produtora de ROS no intestino. A atividade Duox é induzida de acordo com o nível de uracila no intestino; sob condições basais, é regulada negativamente pela proteína quinase MkP3 . A regulação rígida de Duox evita a produção excessiva de ROS e facilita a diferenciação entre microrganismos benignos e indutores de danos no intestino.
A maneira pela qual o ROS defende o hospedeiro de micróbios invasores não é totalmente compreendida. Um dos modos de defesa mais prováveis é o dano ao DNA microbiano. Estudos usando Salmonella demonstraram que os mecanismos de reparo do DNA eram necessários para resistir à morte por ROS. Um papel para ROS nos mecanismos de defesa antiviral foi demonstrado por meio da helicase-1 semelhante a Rig e da proteína de sinalização antiviral mitocondrial. Níveis aumentados de ROS potencializam a sinalização por meio desse receptor antiviral associado à mitocôndria para ativar o fator regulador do interferon (IRF) -3, IRF-7 e o fator nuclear kappa B (NF-κB), resultando em um estado antiviral. As células epiteliais respiratórias induzem ROS mitocondriais em resposta à infecção por influenza. Essa indução de ROS levou à indução do interferon tipo III e à indução de um estado antiviral, limitando a replicação viral. Na defesa do hospedeiro contra micobactérias, as ROS desempenham um papel, embora a morte direta provavelmente não seja o mecanismo-chave; em vez disso, as ROS provavelmente afetam os controles de sinalização dependentes de ROS, como a produção de citocinas, autofagia e formação de granuloma.
Espécies reactivas de oxigénio também estão implicados na activação, anergia e a apoptose de células T .
Dano oxidativo
Em organismos aeróbicos, a energia necessária para alimentar as funções biológicas é produzida na mitocôndria por meio da cadeia de transporte de elétrons . As espécies reativas de oxigênio (ROS) com potencial para causar danos celulares são produzidas junto com a liberação de energia. ROS podem danificar lipídios, DNA , RNA e proteínas, o que, em teoria, contribui para a fisiologia do envelhecimento .
ROS são produzidos como um produto normal do metabolismo celular . Em particular, um dos principais contribuintes para o dano oxidativo é o peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ), que é convertido a partir do superóxido que vaza da mitocôndria. A catalase e a superóxido dismutase melhoram os efeitos danosos do peróxido de hidrogênio e do superóxido, respectivamente, convertendo esses compostos em oxigênio e peróxido de hidrogênio (que mais tarde é convertido em água), resultando na produção de moléculas benignas . No entanto, essa conversão não é 100% eficiente e os peróxidos residuais persistem na célula. Embora os ROS sejam produzidos como um produto do funcionamento celular normal, quantidades excessivas podem causar efeitos deletérios.
Comprometimento da função cognitiva
As capacidades de memória diminuem com a idade, evidente em doenças degenerativas humanas, como a doença de Alzheimer , que é acompanhada por um acúmulo de dano oxidativo. Estudos atuais demonstram que o acúmulo de ROS pode diminuir a aptidão de um organismo porque o dano oxidativo contribui para a senescência. Em particular, o acúmulo de dano oxidativo pode levar à disfunção cognitiva, como demonstrado em um estudo no qual ratos idosos receberam metabólitos mitocondriais e, em seguida, testes cognitivos . Os resultados mostraram que os ratos tiveram melhor desempenho após receber os metabólitos, sugerindo que os metabólitos reduziram o dano oxidativo e melhoraram a função mitocondrial. O acúmulo de danos oxidativos pode então afetar a eficiência das mitocôndrias e aumentar ainda mais a taxa de produção de ROS. O acúmulo de dano oxidativo e suas implicações para o envelhecimento dependem do tipo de tecido específico onde o dano está ocorrendo. Resultados experimentais adicionais sugerem que o dano oxidativo é responsável pelo declínio relacionado à idade no funcionamento do cérebro . Gerbils mais velhos foram encontrados para ter níveis mais elevados de proteína oxidada em comparação com os gerbils mais jovens. O tratamento de ratos velhos e jovens com um composto de armadilha de rotação causou uma diminuição no nível de proteínas oxidadas em gerbils mais velhos, mas não teve efeito nos gerbils mais jovens. Além disso, os gerbils mais velhos realizaram tarefas cognitivas melhor durante o tratamento, mas cessaram a capacidade funcional quando o tratamento foi interrompido, fazendo com que os níveis de proteína oxidada aumentassem. Isso levou os pesquisadores a concluir que a oxidação de proteínas celulares é potencialmente importante para o funcionamento do cérebro.
Causa do envelhecimento
De acordo com a teoria do envelhecimento dos radicais livres , o dano oxidativo iniciado por espécies reativas de oxigênio é um dos principais contribuintes para o declínio funcional que é característico do envelhecimento. Enquanto os estudos em modelos de invertebrados indicam que os animais geneticamente modificados para não ter enzimas antioxidantes específicas (como SOD), em geral, mostram uma vida útil mais curta (como seria de esperar da teoria), a manipulação inversa, aumentando os níveis de enzimas antioxidantes, tem produziu efeitos inconsistentes no tempo de vida (embora alguns estudos em Drosophila mostrem que o tempo de vida pode ser aumentado pela superexpressão de MnSOD ou enzimas biossintetizantes de glutationa). Também ao contrário desta teoria, a exclusão de SOD2 mitocondrial pode estender a vida útil em Caenorhabditis elegans .
Em ratos, a história é um tanto semelhante. A exclusão de enzimas antioxidantes, em geral, resulta em um tempo de vida mais curto, embora os estudos de superexpressão não tenham (com algumas exceções) estendido de forma consistente o tempo de vida. O estudo de um modelo de rato de envelhecimento prematuro revelou aumento do estresse oxidativo , redução da atividade da enzima antioxidante e danos ao DNA substancialmente maiores no neocórtex e no hipocampo do cérebro de ratos prematuros do que em ratos de controle que envelhecem normalmente. O dano ao DNA 8-OHdG é um produto da interação das ROS com o DNA. Numerosos estudos demonstraram que o 8-OHdG aumenta com a idade (consulte a teoria do envelhecimento dos danos ao DNA ).
Infertilidade masculina
A exposição de espermatozóides ao estresse oxidativo é o principal agente causador da infertilidade masculina . A fragmentação do DNA do esperma , causada pelo estresse oxidativo, parece ser um fator importante na etiologia da infertilidade masculina. Um alto nível de dano oxidativo ao DNA 8-OHdG está associado a espermatozóides anormais e infertilidade masculina.
Câncer
ROS são constantemente gerados e eliminados no sistema biológico e são necessários para conduzir as vias regulatórias. Em condições fisiológicas normais, as células controlam os níveis de ROS equilibrando a geração de ROS com sua eliminação por sistemas de eliminação. Mas, sob condições de estresse oxidativo, o excesso de ROS pode danificar proteínas celulares, lipídios e DNA, levando a lesões fatais na célula que contribuem para a carcinogênese.
As células cancerosas apresentam maior estresse de ROS do que as células normais, em parte devido à estimulação oncogênica, aumento da atividade metabólica e disfunção mitocondrial. ROS é uma faca de dois gumes. Por um lado, em níveis baixos, ROS facilita a sobrevivência das células cancerosas, uma vez que a progressão do ciclo celular impulsionada por fatores de crescimento e receptores tirosina quinases (RTK) requerem ROS para ativação e inflamação crônica, um importante mediador do câncer, é regulada por ROS. Por outro lado, um alto nível de ROS pode suprimir o crescimento do tumor por meio da ativação sustentada do inibidor do ciclo celular e da indução da morte celular, bem como da senescência por danificar macromoléculas. Na verdade, a maioria dos agentes quimioterápicos e radioterápicos matam as células cancerosas aumentando o estresse por ROS. A capacidade das células cancerosas de distinguir entre ROS como um sinal de sobrevivência ou apoptótico é controlada pela dosagem, duração, tipo e local de produção de ROS. Níveis modestos de ROS são necessários para as células cancerosas sobreviverem, enquanto níveis excessivos as matam.
A adaptação metabólica em tumores equilibra a necessidade das células por energia com a necessidade igualmente importante de blocos de construção macromoleculares e um controle mais rígido do equilíbrio redox. Como resultado, a produção de NADPH é bastante aumentada, que funciona como um co-fator para fornecer poder redutor em muitas reações enzimáticas para a biossíntese macromolecular e, ao mesmo tempo, resgatar as células do excesso de ROS produzidos durante a rápida proliferação. As células contrabalançam os efeitos prejudiciais das ROS ao produzir moléculas antioxidantes, como a glutationa reduzida (GSH) e a tioredoxina (TRX), que dependem do poder redutor do NADPH para manter suas atividades.
A maioria dos fatores de risco associados ao câncer interage com as células por meio da geração de ROS. ROS então ativa vários fatores de transcrição, como o fator nuclear kappa-light-chain-enhancer de células B ativadas (NF-κB), ativador de proteína-1 (AP-1), hipóxia-indutível fator-1α e transdutor de sinal e ativador de transcrição 3 (STAT3), levando à expressão de proteínas que controlam a inflamação; transformação celular; sobrevivência de células tumorais; proliferação de células tumorais; e invasão, agiogênese bem como metástase. E os ROS também controlam a expressão de vários genes supressores de tumor, como p53, gene de retinoblastoma (Rb) e homólogo de fosfatase e tensina (PTEN).
Carcinogênese
A oxidação de DNA relacionada a ROS é uma das principais causas de mutações, que podem produzir vários tipos de danos ao DNA, incluindo modificações de base não volumosas (8-oxoguanina e formamidopirimidina) e volumosas (adutos de ciclopurina e eteno), sítios abásicos, não -quebras convencionais de fita simples, adutos de proteína-DNA e ligações cruzadas intra / inter-fita de DNA. Estima-se que as ROS endógenas produzidas por meio do metabolismo celular normal modificam aproximadamente 20.000 bases de DNA por dia em uma única célula. A 8-oxoguanina é a mais abundante entre as várias bases nitrogênicas oxidadas observadas. Durante a replicação do DNA, a DNA polimerase emparelha incorretamente a 8-oxoguanina com a adenina, levando a uma mutação de transversão G → T. A instabilidade genômica resultante contribui diretamente para a carcinogênese. A transformação celular leva ao câncer e a interação da isoforma PKC-ζ atípica com p47phox controla a produção de ROS e a transformação de células-tronco cancerosas apoptóticas por meio do programa de emergência blebbishield .
Proliferação celular
A proliferação descontrolada é uma marca registrada das células cancerosas. ROS exógenos e endógenos mostraram aumentar a proliferação de células cancerosas. O papel das ROS na promoção da proliferação tumoral é ainda suportado pela observação de que agentes com potencial para inibir a geração de ROS também podem inibir a proliferação de células cancerígenas. Embora as ROS possam promover a proliferação de células tumorais, um grande aumento nas ROS foi associado à redução da proliferação de células cancerosas por indução da parada do ciclo celular G2 / M; fosforilação aumentada de ataxia telangiectasia mutada (ATM), checkpoint quinase 1 (Chk 1), Chk 2; e homólogo c do ciclo de divisão celular reduzido 25 (CDC25).
Morte celular
Uma célula cancerosa pode morrer de três maneiras: apoptose , necrose e autofagia . ROS excessivos podem induzir apoptose por meio das vias extrínseca e intrínseca. Na via extrínseca da apoptose, as ROS são geradas pelo ligante Fas como um evento a montante para a ativação de Fas por meio de fosforilação, que é necessária para o recrutamento subsequente de proteína associada a Fas com domínio de morte e caspase 8, bem como indução de apoptose. Na via intrínseca, as ROS funcionam para facilitar a liberação de citocromo c ativando proteínas estabilizadoras de poros (Bcl-2 e Bcl-xL), bem como inibindo proteínas desestabilizadoras de poros (proteína X associada a Bcl-2, antagonista homólogo de Bcl-2 / assassino). A via intrínseca também é conhecida como cascata das caspases e é induzida por meio de dano mitocondrial que desencadeia a liberação do citocromo c. Danos ao DNA, estresse oxidativo e perda do potencial da membrana mitocondrial levam à liberação das proteínas pró-apoptóticas mencionadas acima, estimulando a apoptose. O dano mitocondrial está intimamente ligado à apoptose e, uma vez que as mitocôndrias são facilmente direcionadas, há potencial para a terapia do câncer.
A natureza citotóxica de ROS é uma força motriz por trás da apoptose, mas em quantidades ainda maiores, ROS pode resultar em apoptose e necrose, uma forma de morte celular descontrolada, em células cancerosas.
Numerosos estudos têm mostrado as vias e associações entre os níveis de ROS e apoptose, mas uma nova linha de estudo conectou os níveis de ROS e autofagia. As ROS também podem induzir a morte celular por meio da autofagia, que é um processo autocatabólico envolvendo o sequestro de conteúdos citoplasmáticos (organelas exauridas ou danificadas e agregados de proteínas) para degradação em lisossomas. Portanto, a autofagia também pode regular a saúde da célula em tempos de estresse oxidativo. A autofagia pode ser induzida por níveis de ROS através de várias vias na célula na tentativa de descartar organelas prejudiciais e prevenir danos, como carcinógenos, sem induzir apoptose. A morte autofágica das células pode ser provocada pela superexpressão da autofagia, onde a célula se digere muito na tentativa de minimizar o dano e não pode mais sobreviver. Quando esse tipo de morte celular ocorre, um aumento ou perda de controle dos genes reguladores da autofagia é comumente co-observado. Assim, uma vez alcançada uma compreensão mais aprofundada da morte celular autofágica e sua relação com as ROS, esta forma de morte celular programada pode servir como uma futura terapia do câncer. Autofagia e apoptose são mecanismos distintos de morte celular provocada por altos níveis de ROS. A autofagia e a apoptose, entretanto, raramente agem por vias estritamente independentes. Há uma conexão clara entre ROS e autofagia e uma correlação observada entre quantidades excessivas de ROS que levam à apoptose. A despolarização da membrana mitocondrial também é característica do início da autofagia. Quando as mitocôndrias são danificadas e começam a liberar ROS, a autofagia é iniciada para eliminar a organela danificada. Se um medicamento tem como alvo as mitocôndrias e cria ROS, a autofagia pode eliminar tantas mitocôndrias e outras organelas danificadas que a célula não é mais viável. A extensa quantidade de ROS e danos mitocondriais também podem sinalizar para apoptose. O equilíbrio da autofagia dentro da célula e o crosstalk entre autofagia e apoptose mediada por ROS é crucial para a sobrevivência de uma célula. Este crosstalk e conexão entre autofagia e apoptose poderia ser um mecanismo direcionado por terapias contra o câncer ou usado em terapias de combinação para cânceres altamente resistentes.
Invasão de células tumorais, angiogênese e metástase
Após a estimulação do fator de crescimento de RTKs, as ROS podem desencadear a ativação das vias de sinalização envolvidas na migração e invasão celular, como membros da família da proteína quinase ativada por mitogênio (MAPK) - quinase regulada extracelular (ERK), quinase terminal c-jun NH-2 ( JNK) e p38 MAPK. ROS também pode promover a migração aumentando a fosforilação da cinase de adesão focal (FAK) p130Cas e paxilina.
Tanto in vitro quanto in vivo, as ROS mostraram induzir fatores de transcrição e modular moléculas de sinalização envolvidas na angiogênese (MMP, VEGF) e metástase (regulação positiva de AP-1, CXCR4, AKT e regulação negativa de PTEN).
Inflamação crônica e câncer
Pesquisas experimentais e epidemiológicas nos últimos anos indicaram associações estreitas entre ROS, inflamação crônica e câncer. ROS induz inflamação crônica pela indução de COX-2, citocinas inflamatórias (TNFα, interleucina 1 (IL-1), IL-6), quimiocinas (IL-8, CXCR4) e fatores de transcrição pró-inflamatórios (NF-κB). Essas quimiocinas e receptores de quimiocinas, por sua vez, promovem a invasão e metástase de vários tipos de tumor.
Terapia do câncer
Ambas as estratégias de elevação e eliminação de ROS foram desenvolvidas, sendo a primeira predominantemente usada. As células cancerosas com níveis elevados de ROS dependem muito do sistema de defesa antioxidante. As drogas que aumentam as ROS aumentam ainda mais o nível de estresse das ROS celulares, seja por geração direta de ROS (por exemplo, motexafin gadolínio, elesclomol) ou por agentes que anulam o sistema antioxidante inerente, como o inibidor de SOD (por exemplo, ATN-224, 2-metoxiestradiol) e inibidor de GSH (por exemplo, PEITC, butionina sulfoximina (BSO)). O resultado é um aumento geral nas ROS endógenas, que quando acima de um limiar de tolerabilidade celular, pode induzir a morte celular. Por outro lado, as células normais parecem ter, sob menor estresse basal e reserva, uma maior capacidade de lidar com insultos geradores de ROS adicionais do que as células cancerosas. Portanto, a elevação de ROS em todas as células pode ser usada para atingir a morte seletiva de células cancerosas.
A radioterapia também depende da toxicidade de ROS para erradicar as células tumorais. A radioterapia usa raios X, raios γ, bem como radiação de partículas pesadas, como prótons e nêutrons, para induzir a morte celular mediada por ROS e falha mitótica.
Devido ao papel duplo das ROS, foram desenvolvidos agentes anticancerígenos à base de antioxidantes e pró-oxidantes. No entanto, a modulação da sinalização de ROS por si só não parece ser uma abordagem ideal devido à adaptação das células cancerosas ao estresse de ROS, vias redundantes para apoiar o crescimento do câncer e a toxicidade de drogas anticâncer geradoras de ROS. As combinações de drogas geradoras de ROS com produtos farmacêuticos que podem quebrar a adaptação redox podem ser uma estratégia melhor para aumentar a citotoxicidade das células cancerosas.
James Watson e outros propuseram que a falta de ROS intracelular devido à falta de exercício físico pode contribuir para a progressão maligna do câncer, porque picos de ROS são necessários para dobrar corretamente as proteínas no retículo endoplasmático e baixos níveis de ROS podem, assim, dificultar de maneira específica a formação de proteínas supressoras de tumor. Uma vez que o exercício físico induz a picos temporários de ROS, isso pode explicar por que o exercício físico é benéfico para o prognóstico do paciente com câncer. Além disso, altos indutores de ROS, como 2-desoxi-D-glicose e indutores de estresse celular baseados em carboidratos, induzem a morte de células cancerosas de forma mais potente porque exploram a alta avidez da célula cancerosa por açúcares.
Papel positivo de ROS na memória
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/07/Initiation_of_DNA_demethylation_at_a_CpG_site.svg/400px-Initiation_of_DNA_demethylation_at_a_CpG_site.svg.png)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3a/Demethylation_of_5-methylcytosine.svg/400px-Demethylation_of_5-methylcytosine.svg.png)
Duas revisões resumem o grande corpo de evidências, amplamente relatado entre 1996 e 2011, para o papel crítico e essencial das ROS na formação da memória . Um corpo adicional de evidências indica que tanto a formação quanto o armazenamento da memória dependem de modificações epigenéticas nos neurônios, incluindo alterações na metilação do DNA neuronal . Os dois corpos de informação sobre a formação da memória parecem estar conectados em 2016 pelo trabalho de Zhou et al., Que mostrou que as ROS têm um papel central na desmetilação do DNA epigenético .
No DNA nuclear de mamíferos, um grupo metil pode ser adicionado, por uma DNA metiltransferase , ao 5º carbono da citosina para formar 5mC (ver grupo metil vermelho adicionado para formar 5mC próximo ao topo da primeira figura). As metiltransferases de DNA mais frequentemente formam 5mC dentro da sequência dinucleotídica "citosina-fosfato-guanina" para formar 5mCpG. Esta adição é um tipo principal de alteração epigenética e pode silenciar a expressão gênica . A citosina metilada também pode ser desmetilada , uma alteração epigenética que pode aumentar a expressão de um gene. A principal enzima envolvida na desmetilação de 5mCpG é a TET1 . No entanto, TET1 só é capaz de agir em 5mCpG se um ROS tiver atuado primeiro na guanina para formar 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina (8-OHdG), resultando em um dinucleotídeo 5mCp-8-OHdG (ver primeira figura). No entanto, TET1 só é capaz de agir na parte 5mC do dinucleotídeo quando a enzima de reparo de excisão de base OGG1 se liga à lesão de 8-OHdG sem excisão imediata. A adesão de OGG1 ao local 5mCp-8-OHdG recruta TET1 e TET1, em seguida, oxida o 5mC adjacente a 8-OHdG, como mostrado na primeira figura, iniciando uma via de desmetilação mostrada na segunda figura.
Em 2016, Halder et al. usando camundongos, e em 2017 Duke et al. usando ratos, sujeitou os roedores a um condicionamento de medo contextual , causando a formação de uma memória de longo prazo especialmente forte . 24 horas após o condicionamento, no hipocampo de ratos, a expressão de 1.048 genes foi regulada negativamente (geralmente associados a promotores gênicos hipermetilados ) e a expressão de 564 genes foi regulada positivamente (frequentemente associados a promotores gênicos hipometilados). 24 horas após o treinamento, 9,2% dos genes no genoma dos neurônios do hipocampo de rato estavam diferencialmente metilados. No entanto, embora o hipocampo seja essencial para o aprendizado de novas informações, ele não as armazena. Nos experimentos com camundongos de Halder, 1.206 genes diferencialmente metilados foram vistos no hipocampo uma hora após o condicionamento do medo contextual, mas estes foram revertidos e não foram vistos após quatro semanas. Em contraste com a ausência de alterações de metilação de longo prazo no hipocampo, a metilação diferencial substancial pode ser detectada em neurônios corticais durante a manutenção da memória. Havia 1.223 genes diferencialmente metilados no córtex cingulado anterior de camundongos quatro semanas após o condicionamento contextual do medo.
Os milhares de sites CpG sendo desmetilados durante a formação da memória dependem de ROS em uma etapa inicial. A expressão alterada da proteína em neurônios, controlada em parte pela desmetilação dependente de ROS de sítios CpG em promotores de genes dentro do DNA de neurônios, são centrais para a formação da memória.
Veja também
- Efeito antioxidante de polifenóis e fenóis naturais
- Iodeto
- Melanina
- Mitohormesis
- Estresse oxidativo
- Toxicidade de oxigênio
- Pró-oxidante
- Espécies reativas de nitrogênio
- Espécies de enxofre reativas
- Espécies carbonil reativas
- Produção de espécies reativas de oxigênio em microalgas marinhas
Referências
Leitura adicional
- Sen CK (2003). "O caso geral para o controle redox do reparo de feridas". Reparo e regeneração de feridas . 11 (6): 431–8. doi : 10.1046 / j.1524-475X.2003.11607.x . PMID 14617282 . S2CID 40770160 .
- Krötz F, Sohn HY, Gloe T., Zahler S, Riexinger T, Schiele TM, et al. (Agosto de 2002). "A liberação de ânion superóxido de plaquetas dependente de NAD (P) H oxidase aumenta o recrutamento de plaquetas" . Sangue . 100 (3): 917–24. doi : 10.1182 / sangue.V100.3.917 . PMID 12130503 .
- Pignatelli P, Pulcinelli FM, Lenti L, Gazzaniga PP, Violi F (janeiro de 1998). "O peróxido de hidrogênio está envolvido na ativação plaquetária induzida pelo colágeno" . Sangue . 91 (2): 484–90. doi : 10.1182 / sangue.V91.2.484 . PMID 9427701 .
- Guzik TJ, Korbut R, Adamek-Guzik T (dezembro de 2003). "Óxido nítrico e superóxido na inflamação e regulação imunológica". Journal of Physiology and Pharmacology . 54 (4): 469–87. PMID 14726604 .