El Paso, TX Stress ossidativo e difesa antiossidante

Chiropratico basato sulla scienza Dr. Alexander Jimenez dà un'occhiata lo stress ossidativo, che cosa è, come colpisce il corpo e la difesa antiossidante per rimediare alla situazione.

Esra Birben PhD, 1 Umit Murat Sahiner MD, 1 Cansin Sackesen MD, 1 Serpil Erzurum MD, 2 e Omer Kalayci, MD1

Abstract: Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) sono prodotte da organismi viventi come risultato del normale metabolismo cellulare e di fattori ambientali, come gli inquinanti atmosferici o il fumo di sigaretta. I ROS sono molecole altamente reattive e possono danneggiare le strutture cellulari come carboidrati, acidi nucleici, lipidi e proteine ​​e alterarne le funzioni. Lo spostamento dell'equilibrio tra ossidanti e antiossidanti a favore degli ossidanti è definito `` stress ossidativo ''. La regolazione dello stato riducente e ossidante (redox) è fondamentale per la vitalità, l'attivazione, la proliferazione e la funzione degli organi delle cellule. Gli organismi aerobici hanno sistemi antiossidanti integrati, che includono antiossidanti enzimatici e non enzimatici che di solito sono efficaci nel bloccare gli effetti nocivi dei ROS. Tuttavia, in condizioni patologiche, i sistemi antiossidanti possono essere sopraffatti. Lo stress ossidativo contribuisce a molte condizioni patologiche e malattie, tra cui cancro, disturbi neurologici, aterosclerosi, ipertensione, ischemia / perfusione, diabete, sindrome da distress respiratorio acuto, fibrosi polmonare idiopatica, broncopneumopatia cronica ostruttiva e asma. In questa recensione, riassumiamo i sistemi ossidanti e antiossidanti cellulari e discutiamo gli effetti cellulari ei meccanismi dello stress ossidativo.

Parole chiave: antiossidante, ossidante, stress ossidativo, specie di ossigeno reattivo, redox

(WAO Journal 2012; 5: 9-19)

Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) sono prodotte da organismi viventi come risultato del normale metabolismo cellulare. A concentrazioni da basse a moderate, funzionano nei processi cellulari fisiologici, ma ad alte concentrazioni producono modifiche negative ai componenti cellulari, come lipidi, proteine ​​e DNA.1 6 Lo spostamento dell'equilibrio tra ossidante / antiossidante a favore degli ossidanti è definito `` stress ossidativo ''. Lo stress ossidativo contribuisce a molte condizioni patologiche, tra cui cancro, disturbi neurologici, aterosclerosi 7-10, ipertensione, ischemia / perfusione, diabete 11-14, sindrome da distress respiratorio acuto, fibrosi polmonare idiopatica, malattia polmonare ostruttiva cronica , 15 e l'asma.16 21 Gli organismi aerobici hanno sistemi antiossidanti integrati, che includono antiossidanti enzimatici e non enzimatici che di solito sono efficaci nel bloccare gli effetti nocivi dei ROS. Tuttavia, in condizioni patologiche, i sistemi antiossidanti possono essere sopraffatti. In questa recensione, riassumiamo i sistemi ossidanti e antiossidanti cellulari e la regolazione dello stato riducente e ossidante (redox) negli stati di salute e malattia.

OSSIDANTI

Fonti endogene di ROS

I ROS sono prodotti da ossigeno molecolare come risultato di un normale metabolismo cellulare. ROS può essere diviso in gruppi 2: radicali liberi e nonradicali. Molecole contenenti uno o più elettroni sconosciuti e dando così reattività alla molecola sono chiamati radicali liberi. Quando i radicali liberi di 2 condividono i loro elettroni non accoppiati, vengono create forme nonradiche. I principali ROS 3, che sono di significato fisiologico, sono l'anione superossido (O22.), Il radicale idrossile (OH) e il perossido di idrogeno (H2O2). ROS sono riassunti nella Tabella 1.

L'anione superossido è formato dall'aggiunta di 1 elettrone all'ossigeno molecolare.22 Questo processo è mediato dalla nicotina adenina dinucleotide fosfato [NAD (P) H] ossidasi o xantina ossidasi o dal sistema di trasporto di elettroni mitocondriali. Il sito principale per la produzione di anione superossido sono i mitocondri, il meccanismo della cellula per produrre adenosina trifosfato. Normalmente, gli elettroni vengono trasferiti attraverso la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale per la riduzione dell'ossigeno all'acqua, ma circa l'1-3% di tutti gli elettroni fuoriesce dal sistema e produce superossido. La NAD (P) H ossidasi si trova nei leucociti polimorfonucleati, nei monociti e nei macrofagi. Dopo la fagocitosi, queste cellule producono un'esplosione di superossido che porta all'attività battericida. Il superossido viene convertito in perossido di idrogeno dall'azione delle superossido dismutasi (SOD, EC 1.15.1.1). Il perossido di idrogeno si diffonde facilmente attraverso la membrana plasmatica. Il perossido di idrogeno è anche prodotto dalla xantina ossidasi, dall'amminoacido ossidasi e dalla NAD (P) H ossidasi 23,24 e nei perossisomi dal consumo di ossigeno molecolare nelle reazioni metaboliche. In una successione di reazioni chiamate reazioni di Haber Weiss e Fenton, H2O2 può degradarsi in OH2 in presenza di metalli di trasmissione come Fe21 o Cu21.25

Fe31 + .O2 ? Fe2 + O2 Haber Weiss

Fe2 + H2O2 ? Fe3 + OH + .OH Reazione di Fenton

L'O 2 stesso può anche reagire con H2 O2 e generare OH.26,27 Il radicale idrossile è il più reattivo dei ROS e può danneggiare proteine, lipidi, carboidrati e DNA. Può anche iniziare la perossidazione lipidica prendendo un elettrone dagli acidi grassi polinsaturi.

Gli enzimi granulocitici espandono ulteriormente la reattività di H2O2 tramite la perossidasi eosinofila e la mieloperossidasi (MPO). Nei neutrofili attivati, H2O2 viene consumato da MPO. In presenza di ione cloruro, H2O2 viene convertito in acido ipocloroso (HOCl). HOCl è altamente ossidante e svolge un ruolo importante nell'uccisione dei patogeni nelle vie aeree.28 Tuttavia, HOCl può anche reagire con il DNA e indurre interazioni DNA proteine ​​e produrre prodotti di ossidazione della pirimidina e aggiungere cloruro alle basi del DNA.29,30 Perossidasi eosinofila e MPO contribuiscono anche allo stress ossidativo modificando le proteine ​​mediante alogenazioni, nitrazione e legami crociati di proteine ​​tramite i radicali tirosilici.

Altri radicali liberi derivati ​​dall'ossigeno sono i radicali perossilici (ROO $). La forma più semplice di questi radicali è il radicalo idroperossilico (HOO $) e ha un ruolo nella perossidazione dell'acido grasso. I radicali liberi possono innescare le reazioni a catena della perossidazione lipidica estraggendo un atomo di idrogeno da un carbonio di metilene a catena laterale. Il radicale lipidico quindi reagisce con l'ossigeno per produrre radicali perossilici. Il radical perossilico inizia una reazione a catena e trasforma gli acidi grassi polinsaturi in idroperossidi lipidi. Gli idroperossidi lipidici sono molto instabili e possono facilmente decomporsi a prodotti secondari, quali aldeidi (come 4-idrossi-2,3-nonenali) e malondialdehidi (MDA). Gli isoprostani sono un altro gruppo di prodotti perossidanti lipidi che vengono generati attraverso la perossidazione dell'acido arachidonico e sono stati trovati anche elevati in plasma e respirazione di condensati degli asmatici.34,35 La perossidazione dei lipidi disturba l'integrità delle membrane cellulari e porta alla riorganizzazione della struttura a membrana .

Perossido di idrogeno, superossido radicale, glutatione ossidato (GSSG), MDAs, isoprostani, carbonili e nitrotirosina possono essere misurati facilmente dai campioni di lavaggio del plasma, del sangue o del broncoalveolare come biomarkers di ossidazione mediante saggi standardizzati.

Origine esogena di ossidanti

Fumo di sigaretta

Il fumo di sigaretta contiene molti ossidanti e radicali liberi e composti organici, come il superossido e l'ossido nitrico. 36 Inoltre, l'inalazione di fumo di sigarette nel polmone attiva anche alcuni meccanismi endogeni, come l'accumulo di neutrofili e macrofagi, che aumentano ulteriormente l'infortunio ossidante .

Esposizione all'ozono

L'esposizione all'ozono può causare la perossidazione dei lipidi e indurre l'afflusso di neutrofili nell'epitelio delle vie aeree. L'esposizione a breve termine all'ozono provoca anche il rilascio di mediatori infiammatori, come MPO, proteine ​​cationiche eosinofili e anche lattato deidrogenasi e albumina. NUMX Anche nei soggetti sani l'esposizione all'ozono provoca una riduzione delle funzioni polmonari.37 Cho et al38 hanno dimostrato che particolato (miscela di particelle solide e goccioline di liquido sospese nell'aria) catalizza la riduzione dell'ossigeno.

iperossia

L'iperossia si riferisce a condizioni di elevati livelli di ossigeno rispetto alla normale pressione parziale di ossigeno nei polmoni o in altri tessuti del corpo. Porta a una maggiore produzione di ossigeno reattivo e specie di azoto

Radiazione ionizzante

La radiazione ionizzante, in presenza di O2, converte il radicale idrossile, il superossido e i radicali organici in perossido di idrogeno e idroperossidi organici. Queste specie di idroperossido reagiscono con gli ioni metallici attivi redox, come Fe e Cu, tramite reazioni di Fenton e quindi inducono stress ossidativo.42,43 Narayanan et al44 hanno mostrato che i fibroblasti che erano stati esposti a particelle alfa avevano aumenti significativi di O2 2. intracellulare e H2O2 produzione tramite NADPH ossidasi legata alla membrana plasmatica.44 Molecole di trasduzione del segnale, come la chinasi 1 e 2 extracellulare regolata dal segnale (ERK1 / 2), la chinasi N-terminale c-Jun (JNK) e p38 e fattori di trascrizione, come la proteina attivatore-1 (AP-1), il fattore nucleare-kB (NF-kB) e la p53 vengono attivati, il che determina l'espressione di geni correlati alla risposta alle radiazioni. per eccitazione di fotosensibilizzatori endogeni, come porfirine, NADPH ossidasi e riboflavine. L'45-Oxo-50- diidroguanina (8-oxoGua) è il principale prodotto di ossidazione del DNA mediato da UVA formato dall'ossidazione del radicale OH, degli ossidanti 7,8-elettrone e dell'ossigeno singoletto che reagisce principalmente con la guanina.8 La formazione di guanina È stato dimostrato che il catione radicalico nel DNA isolato si verifica in modo efficiente attraverso l'effetto diretto delle radiazioni ionizzanti.1 Dopo l'esposizione a radiazioni ionizzanti, il livello intracellulare di glutatione (GSH) diminuisce per un breve periodo ma poi aumenta di nuovo.51

Ioni di metalli pesanti

I ioni di metalli pesanti, quali il ferro, il rame, il cadmio, il mercurio, il nichel, il piombo e l'arsenico, possono indurre la generazione di radicali reattivi e causare danni cellulari attraverso l'esaurimento delle attività enzimatiche attraverso la perossidazione dei lipidi e la reazione con proteine ​​nucleari e DNA.

Uno dei meccanismi più importanti della generazione di radicali liberi mediata da metalli è attraverso una reazione di tipo Fenton. Lo ione superossido e il perossido di idrogeno possono interagire con i metalli di transizione, come il ferro e il rame, tramite la reazione di HaberWeiss / Fenton catalizzata dal metallo per formare radicali OH.

Metal31 1 $ O2 / Metal21 1 O2 Haber Weiss Metal21 1 H2 O2 / Metal31 1 OH 2 1 $ OH Reazione di Fenton

Oltre ai meccanismi di tipo Fenton e Haber-Weiss, alcuni ioni metallici possono reagire direttamente con le molecole cellulari per generare radicali liberi, come i radicali tiolici, o indurre percorsi di segnalazione cellulare. Questi radicali possono anche reagire con altre molecole di tiolo per generare O22 .. O22. viene convertito in H2O2, che provoca la generazione di radicali ossigeno aggiuntivi. Alcuni metalli, come l'arsenite, inducono indirettamente la formazione di ROS mediante l'attivazione di sistemi di produzione di radicali nelle cellule. 56

L'arsenico è un elemento altamente tossico che produce una varietà di ROS, tra cui superossido (O2 2), ossigeno singoletto (1O2), radicale perossilico (ROO), ossido nitrico (NO), perossido di idrogeno (H2O2) e radicali perossilici dimetilarsinici [( CH3) 2AsOO] .57 I composti dell'arsenico (III) possono inibire gli enzimi antiossidanti, in particolare gli enzimi dipendenti dal GSH, come la glutatione-S-transferasi (GST), la glutatione perossidasi (GSH-Px) e la GSH reduttasi, tramite legame - ing ai loro gruppi solfidrilici ( SH) .59

Il piombo aumenta la perossidazione dei lipidi. 62 La riduzione significativa dell'attività del tessuto SOD e del cervello GPx è stata riportata dopo l'esposizione al piombo.63,64 La sostituzione dello zinco, che funge da cofattore per molti enzimi da piombo, porta all'attivazione di tali enzimi. L'esposizione del piombo può causare inibizione del GST colpendo i tioli dei tessuti.

ROS generato da reazioni catalizzate con metallo può modificare le basi del DNA. Possono verificarsi tre sostituzioni di base, G / C, G / T e C / T, in seguito a danni ossidativi da ioni metallici, quali Fe21, Cu21 e Ni21. Reid et al65 ha mostrato che G / C è stato prevalentemente prodotto da Fe21 mentre la sostituzione C / T è stata effettuata da Cu21 e Ni21.

ANTIOSSIDANTI

Il corpo umano è dotato di una varietà di antiossidanti che servono a controbilanciare l'effetto degli ossidanti. Per tutti gli scopi pratici questi possono essere suddivisi in categorie 2: enzimatiche (Tabella 2) e non-enzimatiche (Tabella 3).

Antiossidanti enzimatici

I principali antiossidanti enzimatici dei polmoni sono SOD (EC 1.15.1.11), catalasi (EC 1.11.1.6) e GSH-Px (EC 1.11.1.9). Oltre a questi principali enzimi, sono stati trovati anche altri antiossidanti, tra cui l'emenossigenasi-1 (EC 1.14.99.3) e le proteine ​​redox, quali le tioredossine (TRXs, EC1.8.4.10), perossiredossine (PRXs, EC1.11.1.15) e glutareossine svolgono un ruolo cruciale nelle difese antiossidanti polmonari.

Poiché il superossido è il principale ROS prodotto da una varietà di sorgenti, la sua dissoluzione da SOD è di primaria importanza per ogni cellula. Tutte le forme 3 di SOD, cioè CuZn-SOD, Mn-SOD e EC-SOD, sono ampiamente espresse nel polmone umano. Mn-SOD è localizzato nella matrice mitocondriale. EC-SOD è localizzato principalmente nella matrice extracellulare, specialmente nelle aree contenenti elevate quantità di fibre di collagene di tipo I e intorno a recipienti polmonari e sistemici. È stato anche rilevato nell'epitelio bronchiale, nell'epitelio alveolare e nei macrofagi alveolari. Nel complesso, CuZn-SOD e Mn-SOD sono generalmente pensati di agire come scavenger di massa dei radicali superossidici. Il livello relativamente elevato di EC-SOD nel polmone con il suo legame specifico alle componenti della matrice extracellulare può rappresentare una componente fondamentale della protezione della matrice polmonare.66,67

H2O2 prodotta dall'azione di SOD o dall'azione di ossidasi, come la xantina ossidasi, viene ridotta all'acqua con catalasi e GSH-Px. Catalase esiste come un tetramero composto da monomeri identici 4, ognuno dei quali contiene un gruppo heme nel sito attivo. La degradazione di H2O2 viene effettuata mediante la conversione tra conformazioni 2 della catalasi-ferricatalasi (ferro coordinato all'acqua) e del composto I (ferro complessato con un atomo di ossigeno). La catalasi lega anche NADPH come equivalente riducente per impedire l'inattivazione ossidativa dell'enzima (formazione del composto II) da H2O2 in quanto viene ridotta all'acqua.69

Gli enzimi nel ciclo redox responsabile della riduzione di H2O2 e degli idroperossidi lipidi (generati come risultato di perossidazione lipidica a membrana) includono GSH-Px. 70 Gli GSH-Pxs sono una famiglia di enzimi tetramerici che contengono l'unica selenocisteina dell'amminoacido all'interno del siti attivi e utilizzare tioli a basso peso molecolare, come ad esempio GSH, per ridurre H2O2 e lipidi perossidi nei loro corrispondenti alcoli. Sono stati descritti quattro GSH-Pxs, codificati da diversi geni: GSH-Px-1 (cellulare GSH-Px) è onnipresente e riduce H2O2 e perossidi di acidi grassi, ma non lipidi perossilici esterificati.71 I lipidi esterificati vengono ridotti mediante GSH legato alla membrana -Px-4 (idroperossido fosfolipido GSH-Px), che può utilizzare diversi tioli a basso peso molecolare come equivalenti riducenti. GSH-Px-2 (gastrointestinale GSH-Px) è localizzato in cellule epiteliali gastrointestinali dove serve a ridurre i perossidi alimentari. 72 GSH-Px-3 (GSH-Px extracellulare) è l'unico membro della famiglia GSH-Px che risiede lo scomparto extracellulare e si ritiene che sia uno dei più importanti enzimi antiossidanti extracellulari nei mammiferi. Di questi, GSH-Px extracellulare è più ampiamente studiato nel polmone umano.73

Inoltre, lo smaltimento di H2O2 è strettamente associato a diversi enzimi contenenti tiolo, vale a dire TRX (TRX1 e TRX2), riduzione delle tioredossine (EC1.8.1.9) (TRRs), PRXs (che sono perossidasi tioredossina) e glutareossine.74

Due TRXs e TRRs sono stati caratterizzati in cellule umane, esistenti sia nel citosolo che nei mitocondri. Nel polmone, TRX e TRR sono espressi in epitelio bronchiale e alveolare e macrofagi. Sei differenti PRXs sono stati trovati nelle cellule umane, differente nella loro compartimentalizzazione ultrastrutturale. Studi sperimentali hanno rivelato l'importanza di PRX VI nella protezione dell'epitelio alveolare. Il polmone umano esprime tutti i PRX in epitelio bronchiale, epitelio alveolare e macrofagi. Recentemente è stato trovato che 75 PRX V funziona come una perossinitritica reduttasi, 76, il che significa che può funzionare come un potenziale composto protettivo nello sviluppo di lesioni polmonari ROS mediate .77

Comune a questi antiossidanti è il requisito di NADPH come equivalente riducente. NADPH mantiene catalasi nella forma attiva ed è utilizzato come cofattore da TRX e GSH reduttasi (EC 1.6.4.2), che converte GSSG in GSH, un co-substrato per gli GSH-Pxs. Il NADPH intracellulare, a sua volta, è generato dalla riduzione di NADP1 da glucose-6-fosfato deidrogenasi, il primo enzima e il tasso di limitazione del percorso di fosfato penato durante la conversione del glucosio-6-fosfato a 6-fosfogluconolattone. Con la generazione di NADPH, la deidrogenasi del glucosio-6-fosfato è un determinante critico della capacità di bufferizzazione GSH (GSH / GSSG) citosolica e, pertanto, può essere considerato un enzima antiossidante essenziale regolatore.78,79

I GST (EC 2.5.1.18), un'altra famiglia di enzimi antiossidanti, inattivano i metaboliti secondari, come le aldeidi insature, gli epossidi e gli idroperossidi. Sono state descritte tre famiglie principali di GST: GST citosolico, GST mitocondriale, 80,81 e GST microsomiale associato alla membrana che ha un ruolo nel metabolismo degli eicosanoidi e GSH.82 Sette classi di GST citosoliche sono identificate nei mammiferi, designati Alpha, Mu, Pi, Sigma, Theta, Omega e Zeta.83-86 Durante condizioni non stressate, i GST di classe Mu e Pi interagiscono con le chinasi Ask1 e JNK, rispettivamente, e inibiscono queste chinasi.87-89 È stato dimostrato che GSTP1 si dissocia JNK in risposta allo stress ossidativo.89 GSTP1 interagisce anche fisicamente con PRX VI e porta al recupero dell'attività dell'enzima PRX tramite glutationilazione della proteina ossidata.90

Antiossidanti non-enzimatici

Gli antiossidanti non-enzimatici comprendono composti a basso peso molecolare, come le vitamine (vitamine C e E), il carotene b, l'acido urico e GSH, un tripeptide (Lg-glutamil-L-cisteinil-L-glicina) che comprendono un tiolo sulfidril).

Vitamina C (Acido Ascorbico)

La vitamina C solubile in acqua (acido ascorbico) fornisce la capacità antiossidante acquosa a fase acquosa intracellulare e extracellulare principalmente mediante l'assorbimento di radicali liberi dell'ossigeno. Converte i radicali liberi della vitamina E verso la vitamina E. I suoi livelli plasmatici sono diminuiti con l'età.91,92

La vitamina E (a-tocopherolo)

La vitamina E solubile in lipidi è concentrata nel sito interno idrofobo della membrana cellulare e rappresenta la principale difesa contro il danneggiamento della membrana causato dagli ossidanti. La vitamina E dona l'elettrone al radicale perossilico, prodotta durante la perossidazione lipidica. a-Tocophero è la forma più attiva di vitamina E e il principale antiossidante legato alla membrana in cellule. La vitamina E innesca l'apoptosi delle cellule tumorali e inibisce le formazioni dei radicali liberi.93

Glutatione

GSH è altamente abbondante in tutti i compartimenti delle cellule ed è il principale antiossidante solubile. Il rapporto GSH / GSSG è un fattore determinante dello stress ossidativo. GSH mostra i suoi effetti antiossidanti in diversi modi. 94 Detossica perossido di idrogeno e perossidi lipidici tramite azione di GSH-Px. GSH dona il suo elettrone a H2O2 per ridurlo in H2O e O2. GSSG è nuovamente ridotto in GSH da GSH reduttasi che utilizza NAD (P) H come donatore di elettroni. GSH-Pxs sono anche importanti per la protezione della membrana cellulare dalla perossidazione dei lipidi. Il glutatione ridotto dona i protoni ai lipidi a membrana e li protegge dagli attacchi ossidanti.95

GSH è un cofattore per diversi enzimi disintossicante, come GSH-Px e transferasi. Ha un ruolo nella conversione della vitamina C ed E nelle loro forme attive. GSH protegge le cellule dall'apoptosi interagendo con percorsi di segnalazione proapoptotici e antiapoptotici. 94 Regola e attiva anche diversi fattori di trascrizione, quali AP-1, NF-kB e Sp-1.

Carotenoidi (b-Carotene)

I carotenoidi sono i pigmenti presenti nelle piante. In primo luogo, il carotenoide ha mostrato i suoi effetti antiossidanti in bassa pressione parziale dell'ossigeno, ma può avere effetti pro-ossidanti all'ossigeno più elevato. I carotenoidi perossilici (ROO), ossidrile (OH) e superossido (O22) concentrazioni. 96 Entrambi i carotenoidi e gli acidi retinoici (RAs) sono in grado di regolare i fattori di trascrizione.97 b-Carotene inibisce l'attivazione di NF-kB indotta dall'ossidante e l'interleuchina (IL) -98 e la produzione di fattore di necrosi tumorale. I carotenoidi influenzano anche l'apoptosi delle cellule. Gli effetti antiproliferativi della RA sono stati mostrati in diversi studi. Questo effetto di RA è mediato principalmente dai recettori dell'acido retinoico e varia tra i tipi di cellule. Nelle cellule del carcinoma mammario, il recettore dell'acido retinoico è stato dimostrato di inibire l'inibizione della crescita inducendo l'arresto del ciclo cellulare, l'apoptosi o entrambi. 6

L'EFFETTO DELLO STRESS OSSIDATIVO: MECCANISMI GENETICI, FISIOLOGICI E BIOCHIMICI

Lo stress ossidativo si verifica quando l'equilibrio tra antiossidanti e ROS viene interrotto a causa dell'esaurimento di antiossidanti o dell'accumulo di ROS. Quando si verifica lo sforzo ossidativo, le cellule cercano di contrastare gli effetti degli ossidanti e di ripristinare l'equilibrio redox mediante l'attivazione o la silenziazione di geni che codificano enzimi difensivi, fattori di transizione e proteine ​​strutturali. Il rapporto tra glutatione ossidato e ridotto (101,102GSH / GSSG) è uno delle importanti determinanti dello stress ossidativo nel corpo. Una maggiore produzione di ROS nel corpo può cambiare la struttura del DNA, provocare la modifica delle proteine ​​e dei lipidi, l'attivazione di diversi fattori di trascrizione indotti da stress e la produzione di citochine proinfiammatorie e antiinfiammatorie.

Effetti dello stress ossidativo sul DNA

ROS può portare a modifiche del DNA in diversi modi, che comportano il degrado delle basi, le interruzioni del DNA a singolo o doppio filamento, la purina, la pirimidina o le modifiche, le mutazioni, le delezioni o le traslocazioni legate al zucchero e la reticolazione con le proteine. La maggior parte di queste modificazioni del DNA (Fig. 1) sono altamente rilevanti per la carcinogenesi, l'invecchiamento e le malattie neurodegenerative, cardiovascolari e autoimmuni. Il fumo di tabacco, i metalli redox e i metalli non reattivi, come il ferro, il cadmio, il cromo e l'arsenico, sono anche coinvolti nella carcinogenesi e nell'invecchiamento generando radicali liberi o legandosi ai gruppi tiolici. La formazione di 8-OH-G è il più noto danno del DNA che si verifica con lo stress ossidativo e rappresenta un potenziale biomarker per la cancerogenesi.

Le regioni promotrici dei geni contengono sequenze di consenso per i fattori di trascrizione. Questi siti di legame del fattore di trascrizione contengono sequenze ricche di GC che sono suscettibili agli attacchi ossidanti. La formazione di 8-OH-G DNA nei siti di legame dei fattori di trascrizione può modificare il legame dei fattori di trascrizione e quindi cambiare l'espressione dei geni correlati come è stato dimostrato per le sequenze target AP-1 e Sp-1 Oltre a 103-OH-G, È stato anche dimostrato che 8 -ciclo-8,59 -deossiadenosina (ciclo-dA) inibisce la trascrizione da un gene reporter in un sistema cellulare se si trova in una scatola TATA.29 La proteina legante TATA avvia la trascrizione modificando la flessione del DNA . Il legame della proteina legante TATA può essere compromesso dalla presenza di cyclo-dA.

Lo stress ossidativo provoca l'instabilità di regioni di microsatellite (brevi tandem ripetizioni). Gli ioni di metallo attivo di Redox, i radicali idrossilici aumentano l'instabilità di microsatellite.105 Anche se le interruzioni di DNA a singolo filamento causate da lesioni all'ossidazione possono essere facilmente tollerate dalle cellule, le interruzioni del DNA a doppio filamento indotte da radiazioni ionizzanti possono essere una minaccia significativa per la sopravvivenza delle cellule.106

La metilazione nelle isole CpG del DNA è un importante meccanismo epigenetico che può provocare la silenziazione del gene. L'ossidazione di 5-MeCyt a 5-idrossimetil uracil (5-OHMeUra) può avvenire tramite reazioni di deinazione / ossidazione della timina o dei mesidi 5-idrossimetil citosina.107 Oltre all'espressione del gene modulante, anche la metilazione del DNA sembra influenzare l'organizzazione della cromatina.108 I modelli aberranti di metilazione del DNA indotti da attacchi ossidativi influenzano anche l'attività di riparazione del DNA.

Effetti dello stress ossidativo sui lipidi

I ROS possono indurre la perossidazione lipidica e interrompere la disposizione del doppio strato lipidico della membrana che può inattivare i recettori e gli enzimi legati alla membrana e aumentare la permeabilità dei tessuti.109 I prodotti della perossidazione lipidica, come l'MDA e le aldeidi insature, sono in grado di inattivare molte proteine ​​cellulari formando la croce proteica -linkages.110-112 4-Hydroxy-2-nonenal provoca l'esaurimento del GSH intracellulare e induce la produzione di perossido, 113,114 attiva il recettore del fattore di crescita epidermico, 115 e induce la produzione di fibronectina.116 Prodotti della perossidazione lipidica, come isoprostani e sostanze reattive dell'acido tiobarbiturico , sono stati usati come biomarcatori indiretti dello stress ossidativo e sono stati mostrati livelli aumentati nel condensato del respiro esalato o nel liquido di lavaggio broncoalveolare o nel polmone di pazienti con malattia polmonare ostruttiva cronica o fumatori.

Effetti dello stress ossidativo sulle proteine

I ROS possono causare frammentazione della catena peptidica, alterazione della carica elettrica delle proteine, reticolazione delle proteine ​​e ossidazione di amminoacidi specifici e quindi portare ad una maggiore suscettibilità alla proteolisi per degradazione da parte di proteasi specifiche.120 Cisteina e metionina residui nelle proteine ​​sono particolarmente più suscettibile all'ossidazione.121 L'ossidazione dei gruppi sulfidrilici o dei residui di metionina delle proteine ​​causa cambiamenti conformazionali, dispiegamento delle proteine ​​e degradazione.8,121 123 Gli enzimi che hanno metalli sopra o vicino ai loro siti attivi sono particolarmente più sensibili all'ossidazione catalizzata dai metalli. È stato dimostrato che la modifica ossidativa degli enzimi inibisce le loro attività.124,125

In alcuni casi, può verificarsi un'ossidazione specifica delle proteine. Ad esempio, la metionina può essere ossidata di metionina sulfossido126 e fenilalanina a o-tirosina127; i gruppi di solfidril possono essere ossidati per formare legami di disolfuro; i gruppi 128 e carbonilici possono essere introdotti nelle catene laterali delle proteine. I raggi gamma, l'ossidazione catalizzata in metallo, l'HOCl e l'ozono possono causare la formazione di gruppi carbonilici.129

Effetti dello stress ossidativo sulla trasduzione del segnale

I ROS possono indurre l'espressione di diversi geni coinvolti nella trasduzione del segnale.1,130 Un rapporto elevato per GSH / GSSG è importante per la protezione della cellula dal danno ossidativo. L'interruzione di questo rapporto provoca l'attivazione di fattori di trascrizione redox sensibili, come NF-kB, AP-1, fattore nucleare delle cellule T attivate e fattore 1 inducibile dall'ipossia, che sono coinvolti nella risposta infiammatoria. L'attivazione dei fattori di trascrizione tramite ROS è ottenuta mediante cascate di trasduzione del segnale che trasmettono le informazioni dall'esterno all'interno della cellula. I recettori della tirosin chinasi, la maggior parte dei recettori del fattore di crescita, come il recettore del fattore di crescita epidermico, il recettore del fattore di crescita endoteliale vascolare e il recettore per il fattore di crescita derivato dalle piastrine, la proteina tirosina fosfatasi e la serina / treonina chinasi sono bersagli di ROS.131 Anche le chinasi extracellulari regolate dal segnale, JNK e p133, che sono membri della famiglia delle protein chinasi attivate da mitogeni e coinvolte in diversi processi cellulari, tra cui proliferazione, differenziazione e apoptosi, possono essere regolate da ossidanti.

In condizioni di stress ossidativo, i residui di cisteina nel sito di legame del DNA di c-Jun, alcune subunità AP-1 e la chinasi kB inibitoria subiscono una S-glutathiolation reversibile. È stato riportato che glutaredoxina e TRX svolgono un ruolo importante nella regolazione delle vie di segnalazione redox sensibili, come NF-kB e AP-1, proteina chinasi attivata da mitogeno p38 e JNK.134

NF-kB può essere attivato in risposta a condizioni di stress ossidativo, come ROS, radicali liberi e irradiazione UV.138 La fosforilazione di IkB libera NF-kB e gli consente di entrare nel nucleo per attivare la trascrizione genica.139 Un certo numero di chinasi ha è stato segnalato che fosforila IkB nei residui di serina. Queste chinasi sono i bersagli dei segnali ossidativi per l'attivazione di NF-kB.140 Gli agenti riducenti aumentano il legame del DNA di NF-kB, mentre gli agenti ossidanti inibiscono il legame del DNA di NF-kB. TRX può esercitare 2 azioni opposte nella regolazione di NF-kB: nel citoplasma, blocca la degradazione di IkB e inibisce l'attivazione di NF-kB ma migliora il legame del DNA di NF-kB nel nucleo.141 Attivazione di NF-kB tramite degradazione correlata all'ossidazione di IkB determina l'attivazione di diversi geni correlati alla difesa antiossidante. NF-kB regola l'espressione di diversi geni che partecipano alla risposta immunitaria, come IL-1b, IL-6, fattore di necrosi tumorale-a, IL-8 e diverse molecole di adesione.142,143 NF-kB regola anche l'angiogenesi e la proliferazione e differenziazione delle cellule.

AP-1 è anche regolato da stato redox. In presenza di H2O2, alcuni ioni metallici possono indurre l'attivazione di AP-1. L'aumento del rapporto di GSH / GSSG aumenta il legame AP-1 mentre GSSG inibisce il legame del DNA del DNA di AP-1.144 Il legame del DNA dell'eterodimero Fos / Jun è aumentato dalla riduzione di una singola cisteina conservata nel dominio di legame del DNA di ciascuno dei le proteine, 145 mentre il legame del DNA di AP-1 può essere inibito da GSSG in molti tipi di cellule, suggerendo che la formazione di legame di disolfuro dai residui di cisteina inibisce il legame del DNA di AP-1.146,147 La trasduzione del segnale attraverso lo stress ossidativo è riassunto in Figura 2.

CONCLUSIONI

Lo stress ossidativo può derivare dalla sovrapproduzione di ROS da reazioni metaboliche che utilizzano ossigeno e sposta l'equilibrio tra ossidante /antiossidante statistiche a favore degli ossidanti. ROS sono prodotti da attività metaboliche cellulari e fattori ambientali, come inquinanti atmosferici o fumo di sigaretta. I ROS sono molecole altamente reattive a causa di elettroni inattivi nella loro struttura e reagiscono con diverse macromolecole biologiche nella cellula, come i carboidrati, gli acidi nucleici, i lipidi e le proteine ​​e alterano le loro funzioni. ROS colpisce anche l'espressione di diversi geni mediante l'upregulation di fattori di trascrizione sensibili alla redox e il rimodellamento della cromatina mediante alterazione dell'acetilazione / deacetilazione dell'istone. La regolazione dello stato redox è fondamentale per la vitalità delle cellule, l'attivazione, la proliferazione e la funzione dell'organo.

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