Stresul oxidativ

• În timp, concentraţia de oxigen atmosferic a crescut prin procesele de

fotosinteză şi, ca atare, diferite tipuri de apărare antioxidante au fost induse în celulele anaerobe.

• Celulele anaerobe sunt facultativ anaerobe şi pot exista în absenţa sau prezenţa

oxigenului.

• Viaţa aerobică a evoluat pe măsură ce sisteme de apărare antioxidante suplimentare au fost dezvoltate pentru a combate concentraţia crescută de oxigen atmosferic.

• Pentru acele organisme care pot utiliza oxigen, există avantaje speciale –

energia obţinută este mai mare şi viteza de obţinere este mai mare. • Toate organismele multicelulare au nevoie de oxigen.

• Dar oxigenul este un agent de oxidare lent.

• Alte specii ale oxigenului, dar şi ale azotului sunt agenţi de oxidare mai puternici.

Stresul oxidativ

• Stres oxidativ – dezechilibru intre producţia de specii reactive ale oxigenului şi azotului şi capacitatea antioxidantă a organismului.

• Deşi micile fluctuaţii în concentraţia acestor oxidanţi la starea de echilibru pot juca de fapt, un rol în semnalizarea intracelulară, apărarea contra intruşilor, creşteri necontrolate a concentraţiilor acestor oxidanţi în starea de echilibru pot să conducă la reacţii în lanţ mediate de radicalii liberi care atacă, fără discernământ, proteine, lipide, polizaharide şi ADN

Specii reactive ale oxigenului (ROS)

- radicalul superoxid •O2‾

- radicalul hidroperoxil HO2•

- radicalul peroxil RO2•

- radicalul alcoxil RO•

- radicalul hidroxil •OH

- peroxidul de hidrogen H2O2

- hipocloritul HOCl‾

- acidul hipocloros HOCl

- ozonul O3

- oxigenul singlet 1O2

Radicalul superoxid (•O2‾) In vivo, •O2‾ este produs atât enzimatic cât şi nonenzimatic.

Sursele enzimatice includ:

• oxidaze NADPH situate pe membrana celulelor polimorfonucleare, macrofagelor şi celulelor endoteliale:

NADPH + 2O2 2 •O2‾ + NADP+ + H+

• oxigenaze citocrom P450-dependente

• xantin oxidaza: conversia hipoxantină xantină acid uric

H2O + O2 + 2H+ + 2 •O2‾

NAD(P)H oxidaza

Xantin oxidaza

Surse neenzimatice: • sunt atunci când un singur electron este transferat direct la

oxigen de către coenzime sau grupări prostetice reduse (de exemplu flavine sau proteine fier-sulf), sau de diverse xenobiotice reduse în prealabil de diverse enzime (ex. adriamicină - medicament anticancer sau paraquat – ierbicid).

Lanţul respirator mitocondrial: Aproximativ 1-2% din totalul de O2

consumat este convertit la •O2‾ în acest fel.

• Ionul superoxid poate accepta electroni, jucând rol de agent oxidant, sau poate ceda electroni – rol reducător.

• Poate reacţiona cu el însuşi generând apă oxigenată şi oxigen triplet, reacţie care poartă numele de dismutare - spontan sau sub acţiunea enzimei superoxid dismutaza (SOD):

2 •O2‾ + 2H+ H2O2 + O2

• La interacţia cu ioni ai metalelor tranziţionale în stare oxidată (Fe3+, Cu2+) produce radicalul hidroxil, cel mai reactiv dintre ROS (reacţia Fenton):

•O2‾ + Fe3+ 3O2 + Fe2+

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + •OH + HO‾

• Reacţia cu radicalul hidroxil cu formarea oxigenului singlet:

•O2‾ + •OH 1O2 + HO‾

• În organism, rolul radicalului superoxid şi a moleculelor derivate din el este în primul rând de protecţie împotriva microorganismelor.

Peroxidul de hidrogen (apa oxigenată - H2O2)

• este produsă în special din radicalul superoxid prin reducere monovalentă.

2 •O2‾ + 2H+ H2O2 + 3O2

• Macrofagele şi neutrofilele produc H2O2

• Apa oxigenată poate trece rapid prin membranele celulare.

• Este descompusă de catalază: 2 H2O2 H2O + O2

• Ca şi radicalul superoxid, ea nu este o substanţă foarte reactivă dar efectul său nociv se manifestă prin generarea radicalului hidroxil (reacţia Fenton)

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + •OH + HO‾

• Această reacţie poate fi catalizată la nivel celular de către fier, cupru sau alte metale prezente aici.

• În cazul anemiei feriprive, administrarea de preparate cu fier poate duce la creşterea stresului oxidativ, de aceea este recomandată administrarea concomitentă de compuşi antioxidanţi (vitamina C, E, extracte naturale cu polifenoli, etc).

Radicalul hidroxil (•OH)

• este cea mai reactivă specie. • reacţionează rapid cu cele mai multe dintre substanţele organice aflate în

sistemele biologice. • Poate fi generat din reacţia peroxidului de hidrogen cu un ion metalic redus

(Fe, Cu) – vezi reacţia de mai sus.• radicalul hidroxil trece prin membranele celulare. • În prezenţa unui substrat organic (acizilor graşi) formează un compuşi care

sunt radicali reacţie în lanţ:

•OH + R HOR•

HO• + RH R• + H2O

R• + 3O2 ROO•

ROO• + RH ROOH + R•

• Acest tip de reacţie în lanţ este caracteristică alterării oxidative a acizilor graşi şi a altor lipide, în cazul proteinelor şi a acizilor nucleici (în special a ADN-ului).

Radicalii peroxil organici (ROO•)

• sunt foarte importanţi în sistemele biologice, fiind produşi fie din componenţii naturali fie din contaminanţi externi.

• implicare în efectele radiaţiilor ionizante, în procesele de îmbătrânire, în ischemie, etc.

• Reacţii:

R• + O2 ROO•

ROO• + RH ROOH + •R

ROO• + RSH ROOH + RS•

ROO• + CC ROO-CH2-C•< ROO• + PhO‾ ROO‾ + PhO•

Specii reactive ale azotului (RNS)

- monoxidul de azot •NO

- dioxidul de azot •NO2

- peroxinitratul ONOO‾

- acidul peroxinitros ONOOH

- trioxidul de azot N2O3

- clorura de nitrozil NO2Cl

- ion nitroniu NO2+

- alchilperoxinitratul ROONO- nitrozotiolii RSNO

Monoxidul de azot (•NO)

• este generat din arginină în cataliza NO-sintazei:

L – arginină + NADPH,H+ L – citrulină + •NO + NADP+

• •NO reacţionează rapid cu •O2‾ şi formează ONOO‾ (peroxinitrat) rezultă în medii cu potenţial oxidant foarte mare

• Poate străbate distanţe considerabile şi trece uşor prin membranele celulare, astfel încât este considerat declanşatorul principal al ruperii lanţurilor de ADN.

Mieloperoxidaza - MPO

Stresul oxidativ şi poluanţi ai aerului

• Stresului oxidativ mediat de poluanţi poate rezulta din: – generarea directă de specii

reactive ale oxigenului (ROS);

– funcţia alterată a mitocondriilor sau acţiunea NADPH oxidazei;

– activarea celulelor inflamatorii capabile să genereze ROS şi RNS;

– deteriorarea ADN-ului în procese oxidative.

SISTEME ANTIOXIDANTE

• Apărarea antioxidantă a organismului implică: – mecanisme enzimatice– mecanisme neenzimatice, care la rândul lor pot fi:

• de provenienţă internă (proteine, molecule mici)• de provenienţă externă, din alimentaţie vitamine, polifenoli,

antociani, etc)

• Aceste mecanisme lucrează în sinergie împotriva diverşilor radicali liberi sau alte tipuri de oxidanţi.

Sisteme antioxidante enzimatice

• Superoxid dismutaza (SOD) - metaloenzimă, conţinând cupru şi zinc (pentru SOD din citosol) şi mangan (pentru SOD din mitocondrii):

2 •O2

- + 2 H+ O2 + H2O2

• Catalaza sânge, măduva osoasă, rinichi, ficat, membranele mucoaselor, peroxizomi:

2 H2O2 O2 + H2O

• Glutation peroxidaza + glutation reductaza

H2O2 + 2 GSH GSSG + H2O GSSG + NADPH + H+ 2 GSH + NADP+

Sistemul enzimatic de apărare împotriva speciilor reactive ale oxigenului

• Tioredoxinele şi tioredoxin reductaza -sunt enzime cu o activitate antioxidantă intrinsecă datorită resturilor de cisteină din moleculă, care prin gruparea reducătoare tiolocă pot anihila diverşi oxidanţi.

• Hemoxigenaza (HO) - catalizează reacţia de oxidare a hemului la monoxid de carbon, biliverdină şi fier.

Catalaza

Glutatationperoxidaza

Glutationreductaza

O2 O2- H2O2 H2OOH

2 G-SH GSSG

NADP+NADPH+H+

Superoxiddismutaza

Sisteme antioxidante neenzimatice

Endocompuşi cu acţiune antioxidantă:

• Proteinele ce conţin grupări

tiol (-SH) metalotioneine

• Proteinele de şoc termic

• Glutationul este un tripeptid format din acid glutamic, cisteină şi glicocol

• Acidul uric (catab. purine)

• Coenzima Q10 (lanţ respirator)

• Acidul lipoic (dehidrogenaze de cetoacizi)

• Bilirubina - produsul de catabolizare al hemului

CH2

CHH2C

S S

(CH2)4 COOH

CH2

CHH2C (CH2)4 COOH

SH SH

Melatonina - hormon, derivat din serotonină, respectiv triptofan

Exocompuşi cu acţiune antioxidantă

Vitamina C – protejează proteine, acizi graşi, ADN împotriva oxidării.

– este efectivă împotriva radicalului superoxid, peroxinitritului, apei oxigenate, acidului hipocloros, oxigenului singlet, oxidanţi şi poluanţi din aer, a oxidanţilor scăpaţi din neurofilele şi macrofagele activate.

Vitaminele E• Este inserată printre lipoproteinele şi acizii graşi din structura

membranei celulare şi lipoproteinelor plasmatice • are un rol protector împotriva peroxidării lipidelor determinat de

stresul oxidativ • Lucrează cuplat cu vitamina C şi SOD, catalaza, GSH-peroxidaza

Carotenoizii• sunt precursori ai vitaminei A. • Se acumulează în membranele celulare. • interacţionează cu oxigenul singlet, radicalul superoxid şi astfel,

previn oxidarea unor substraturi biologice, în special a acizilor graşi polinesaturaţi.

Ciclu - iononic

- iononicciclu Structură pseudo iononă

H 3 C

C H 3

C H 3

C H 3 C 3

C H C H 3

H 3 C

C H 3

C H 3

C H 3 C H 3

C H 3 C H 3

H 3 C

C H 3

C H 3

C H 3 C H 3

C H 3 C H 3

C H 3H 3 C

H 3 C

H 3 C

H 3 C

C H 3

C H 3H 3 C

H 3 C

65

1 5

1 5 '

1 5

1 5 '

1 5

1 5 '

5 ' 4 '

β - caroten

α - caroten

γ - caroten

Seleniul• nu este el însuşi antioxidant, dar participă la apărarea organismului împotriva ROS ca

şi cofactor al enzimei glutation peroxidaza.

Cuprul• Cofactor al enzimei superoxid dismutaza (SOD). Concentraţiile crescute ale cuprului

pot indica o creştere a stresului oxidativ. S-a evidenţiat o creştere a cuprului seric în cursul procesului de îmbătrânire

Zincul• După fier, zincul este cel mai abundent ion metalic ce se găseşte la om. • A fost găsit în componenţa mai mult de 1200 enzime (ex. SOD). • are efect protector asupra grupării tiol din structura proteinelor şi poate inhiba parţial

reacţiile de producere a ROS. • Deficitul de zinc creşte sensibilitatea la leziuni produse de stresul oxidativ. • Studii efectuate pe persoanele vârstnice cu boli degenerative au pus în evidenţă un

raport Cu/Zn crescut

Manganul • cofactor pentru multe clase de enzime, incluzând oxidoreductaze, transferaze,

hidrolaze, multe implicate în homeostazia redox (ex. SOD-2 şi arginaza)

Flavonoide, isoflavonoide, antociani – din produsele vegetale

EFECTE ALE STRESULUI OXIDATIV Modificări oxidative ale lipidelor

– acizii graşi nesaturaţi din membranele celulare– reacţii în lanţ– Consecinţe -  reducerea fluidităţii şi modificarea permeabilităţii

membranei celulare iar, în final, dezorganizarea membranei celulare.

– factor important în etiopatogenia unor afecţiuni cardio-vasculare ca: ateroscleroza, hipertensiunea arterială, neoxigenarea post-ischemică.

– Marker important – LDL oxidat– Vitaminele E şi C au în special rol protector:

Vit E-OH + Lipid ox• VitE-O• + Lipid redVit E-ox• + VitCred VitE-OH + VitCox•

2 VitCox• VitCred + VitCox.

Peroxidarea lipidelor

Produşi de oxidare ai lipidelor

Oxidarea acidului linoleic

Oxidarea acidului arahidonic izoprostani

Produşi de autooxidare a colesterolului

I: 7-hidroxicolesterol; II: 7-cetocolesterol; III: 7--hidroxicolesterol; IV: colesterol-5,6-epoxid; V: colestan-3,5,6-triol; VI: colesterol-5,6-epoxid; VII: 5,6-

secosterol

Transformările enzimatice ale colesterolului în oxisteroli

CYP7A1: colesterol-7-hiddroxilaza; CYP3A4: colesterol-4-hidroxilaza; CYP46: colesterol -24-hidroxilaza; CYP27A1: sterol 27-hidroxilaza;

Ch - 25 - OHlase: colesterol-25-hidroxilaza.

Modificări oxidative ale proteinelor

• Se modifică preferenţial catenele laterale ale resturilor următorilor aminoacizi: lizina, valina, cisteina, tirozina, fenilalanina, arginina, metionina, histidina.

• S-tiolarea şi S-glutationilarea proteinelor

• Nitrarea, halogenarea şi oxidarea tirozinei ditirozina

• Modificarea proteinelor cu lipide peroxidate (la lizina in special)

• Glicarea proteinelor - Reacţia Maillard

Modificări oxidative ale acizilor nucleici

• Acţiunea asupra deoxiribozei P

O CH2O

H

O

bază

OH

O2

P

O CH2O

O

O

O

P

O CH2O

O

O

bază bazăbază

+

MA

+P

O CH2 OH

O

Acţiunea asupra catenelor polinucleotidice ale acizilor nucleici

8-oxo-guanina

8-oxo-adenina

5-OH-metiluracil

Glicol-timină

Ruperea monocatenară

Modificarea bazei

Exciziabazei

Legătură ADN-proteină

Aduct cu derivat de lipide oxidate

Rupere dublucatenară

Fapi-guanină

Acid oxaluric

dG-malonaldehidă

d-guanozină-lizină

Formarea 8-hidroxideoxiguaninei şi 2,6-diamino-4- hidroxi-5-formamidopiridinei din guanină

Impactul NO şi ROS asupra căilor intrinsece şi extrinsece care reglează apoptoza (moartea celulară)

Boli umane care au fost asociate cu stresul oxidativ crescut, pe baza unor biomarkeri ai afectării oxidative

Biomarker Boală asociată Biomarker Boală asociată

Malondialdehida Boala Alzheimer Scăderea concentraţiei de GSH sau a raportului GSH/GSSG

Sindrom distresă respiratorie acută (adult)

Scleroză amiotrofică laterală

Boli hepatice alcoolice

Astm Boala Alzheimer

Ateroscleroză Scleroză amiotrofică laterală

Leshmania cutanată azbestoză

Diabet Astm

preeclampsie Ataxia telangietacsia

HNEhidroxinonanenen

Boala Alzheimer Cancer

Ateroscleroză Boli cardiovasculare

Boli cardiovasculare Cataractă

Boală pulmonară obstructivă cronică

Diabet tip I şi II

Mild cognitive imairment Pacienţi HIV pozitivi

Boala Parkinson Fibroză idiopatică pulmonară

Biomarker Boală asociată Biomarker Boală asociată

F2-isoprostan Sindrom detresă respiratorie acută (adult)

Scăderea concentraţiei de GSH sau a raportului GSH/GSSG

Sindrom de detresă respirator

Boli cronice şi acute de ficat datorate alcoolului

Retinopatia la prematuri

Sindrom acut al anemiei falciforme

Artrită reumatoidă

Boala Alzheimer Sindrom Werner

Astm

ateroscleroză

By-pass cardiopulmonar

Boli cardiovasculare

Boli renale cronice

Boală pulmonară obstructivă cronică

Biomarker Boală asociată Biomarker Boală asociată

F2-isoprostan Boli ale arterelor coronare

Proteine S-glutationilate

Cataractă

Boala Creutzfeldt-Jakob

Diabet tip I şi II

Boala Crohn Ataxia Friedreich

Fibroza chistică Infecţii cu HIV

Diabet tip I şi II Hiperlipidemie

Boala Down Carcinom renal

Insufucienţă cardiacă Sferocitoză

Ciroză hepatică Uremie asociată cu hemodializă sau dializă peritoneală

Biomarker Boală asociată Biomarker Boală asociată

Proteine carbonilate

Aceruloplasminemie Cl-Tir Sindrom distresă respiratorie acută (adult)

Miocardită acută autoimună

Astm

Pancreatită scută Ateroscleroză

Boala Alzheimer Boli cardiovasculare

Scleroză amiotrofică laterală

Insuficienţă renală cronică

Astm Boală coronariană

Displazie bronhopulmonară

Fibroză chistică

Cataractogeneză Artrită reumatoidă

Sindrom de oboseală cronică

Di-Tir Sindrom distresă respiratorie acută (adult)

Hepatită C cronică Ateroscleroză

Boli renale cronice Fibroză chistică

Boală pulmonară obstructivă cronică

Boli renale stadiu final

Biomarker Boală asociată Biomarker Boală asociată

Proteinecarbonilate

Insuficienţă renală cronică

Proteinecarbonilate

Boală Crohn

Fibroză chistică Progeria

Diabet tip I şi II Psoriazis

Infecţie cu Heliobacter pylori şi inflamaţie

Artrită reumatoidă

Fibroză idiopatică pulmonară

Sarcoidoză

Artrită cronică juvenilă Sepsis

Cancer pulmonar Amiloidoză sistemică

Meningită Uremie

Boala Parkinson Sindrom Werner

Preeclampsie