Radicais Livres e Estresse Oxidativo

Radicais Livres e Estresse Oxidativo

Os radicais livres (RL) e o estresse oxidativo (EO) são inerentes do metabolismo aeróbio. Paradoxalmente, os processos oxidativos são fundamentais para a produção da energia e adaptação celular e, concomitantemente, estão presentes na origem e desenvolvimento de diversas doenças. Este texto tem como objetivo introduzir, de forma simplificada, o tema RL e EO para futuras discussões no contexto do exercício e treinamento físico.

Radicais livres – um breve histórico

A presença de RL em materiais biológicos foi descoberta nos meados da década de 1950. Logo depois o pesquisador Denham Harman sugeriu que radicais de oxigênio podem ser formados por produtos de reações enzimáticas in vivo e em 1956 ele descreveu os RL como uma caixa de Pandora que pode ser responsável por todos os males ao dano celular, mutagênese, carcinogênese e também no processo degenerativo do envelhecimento biológico[1].

A ciência dos RL em organismos vivos entrou na segunda era após a descoberta da enzima superóxido dismutase (SOD) pelos pesquisadores McCord e Fridovich [2]no ano de 1969, fato que ratificou a importância dos RL nas ciências biológicas. A partir de então, numerosas pesquisas foram realizadas para investigar os danos causados pelos RL no ácido desoxirribonucléico (DNA), proteínas, lipídeos e outros componentes celulares.

A terceira era do RL teve início com os primeiros relatos descrevendo efeitos biológicos positivos dessas substâncias. Em 1977 os pesquisadores Mittal e Murrad [3]forneceram evidências substanciais de que o radical superóxido (O2•-), através do seu derivado, o radical hidroxil (OH•), estimula a ativação da guanilato ciclase e a formação do segundo mensageiro guanosina monofosfato cíclico (GMP-c). Efeitos similares do peróxido de hidrogênio (H2O2) já haviam sido descritos por White et al. [4]em 1976. Na década de 1980, Ignarro e Kadowitz [5]e, posteriormente, Radomski et al. [6], descreveram o papel independente do óxido nítrico (nitric oxide NO•) no controle do relaxamento da musculatura lisa dos vasos e na inibição da agregação plaquetária. Mais recentemente, em 1991, Schreck e Baeuerle [7]relataram à ativação do fator de transcrição nuclear ĸB (nuclear factor ĸB – NF-ĸB) pelo peróxido de hidrogênio em células de mamíferos. E agora, no início do século 21, são grandes as evidências mostrando que os organismos vivos adaptaram-se não somente a uma coexistência hostil com RL, mas, têm de fato, desenvolvido mecanismos para o uso vantajoso dos mesmos.

Os RL e seus derivados participam de importantes funções biológicas, entre as quais se destacam a regulação do tônus vascular, o aumento na transdução de sinais de vários receptores de membrana e a resposta ao estresse oxidativo que assegura a manutenção do equilíbrio redox. Por outro lado, as evidências apontam à participação dos RL na patogênese e progressão de diversas doenças. Estes fatos reforçam a importância do equilíbrio entre os benefícios e malefícios dos RL e seus derivados na adaptação celular.

Formação dos radicais livres e espécies reativas de oxigênio

A concentração de oxigênio (O2) corresponde a 21% da composição do ar atmosférico e é essencial para a respiração e outras reações oxidativas nos organismos aeróbios (Reação 1). Porém, naturalmente no metabolismo celular, durante a redução do oxigênio molecular formam-se RL de oxigênio e espécies reativas de oxigênio (ERO) [8-10].

Os RL são moléculas orgânicas e inorgânicas e átomos que contêm um ou mais elétrons desemparelhados em seus orbitais. Os exemplos mais conhecidos de RL são o superóxido, hidroxil e o óxido nítrico, sendo este último um RL centrado no nitrogênio, enquanto que os dois primeiros são centrados no oxigênio. Essa configuração eletrônica faz dos RL moléculas altamente instáveis, com meia-vida curtíssima e quimicamente reativas[11]. No mesmo contexto, as ERO representam o termo coletivo que inclui além dos RL, outras substâncias derivadas do oxigênio, que não contém elétrons desemparelhados, mas que também possuem características quimicamente reativas. Entre estas espécies destacam-se o peróxido de hidrogênio e o oxigênio singleto[9].

Os RL são moléculas orgânicas e inorgânicas e átomos que contêm um ou mais elétrons desemparelhados em seus orbitais. Os exemplos mais conhecidos de RL são o superóxido, hidroxil e o óxido nítrico, sendo este último um RL centrado no nitrogênio, enquanto que os dois primeiros são centrados no oxigênio. Essa configuração eletrônica faz dos RL moléculas altamente instáveis, com meia-vida curtíssima e quimicamente reativas[11]. No mesmo contexto, as ERO representam o termo coletivo que inclui além dos RL, outras substâncias derivadas do oxigênio, que não contém elétrons desemparelhados, mas que também possuem características quimicamente reativas. Entre estas espécies destacam-se o peróxido de hidrogênio e o oxigênio singleto[9].

O que é e quando ocorre o Estresse Oxidativo?

O estresse oxidativo é o termo geralmente utilizado para descrever os danos causados pelas ERO nas moléculas ou mesmo no organismo como um todo. O nível de EO é determinado pelo balanço entre a atividade pró-oxidante e a atividade antioxidante. Desta forma, EO é o desequilíbrio entre pró-oxidantes e antioxidantes que resulta em aumento da formação de RL e induz um aumento de injúrias oxidativas [1, 9, 12].

Os mecanismos pró-oxidantes incluem tanto os RL quanto as ERO e um dos principais mecanismos de lesão celular, relacionados ao EO, é a lipoperoxidação (oxidação da camada lipídica da membrana celular) [12]. Além disso, o EO pode gerar danos ao DNA, às proteínas e também tem implicações na patogênese de várias doenças em seres humanos, que incluem doença de Alzheimer, diabetessíndrome hepato-renal entre outras [1, 13]. No sistema cardiovascular, o EO contribui para o início e a progressão de doenças como a hipertensão, a aterosclerose, a hipertrofia cardíaca e o infarto do miocárdio [14, 15].

Sistema de Defesa Antioxidante

Como as substâncias pró-oxidantes são constantemente formadas em pequenas quantidades no metabolismo normal, as células possuem mecanismos para evitar o desequilíbrio oxidativo, o sistema de defesa antioxidante, e assim, impedir o dano causado pelos mecanismos agressores [12]. Halliwell e Gutteridge [16]definem que antioxidantes são substâncias capazes, em baixas concentrações, de competir com outros substratos oxidantes e, desta forma, retardar ou inibir a oxidação desses produtos. Os mesmos autores salientam que a composição das defesas antioxidantes difere de tecido para tecido, de tipo de célula a tipo de célula e possivelmente de célula a célula do mesmo tipo, em um dado tecido e, didaticamente, pode ser dividida em dois sistemas: o enzimático e o não enzimático.

O sistema antioxidante enzimático inclui, entre as principais enzimas, a SOD, a catalase (CAT), a glutationa peroxidase (GPx) e a glutationa S-transferase (GST). Conforme já indicado na reação 3, a SOD reage com o radical superóxido formando o peróxido de hidrogênio. Alternativamente em prosseguimento a reação 4, neste caso por uma via de defesa, o peróxido de hidrogênio pode ser convertido à água pela CAT ou pela GPx. Nesta última reação, a glutationa reduzida (GSH) é convertida a dissulfeto de glutationa, ou glutationa oxidada (GSSG), a qual pode ser reconvertida a GSH por meio da glutationa redutase (GR), em um processo que utiliza como substrato o NADPH. Todas essas reações podem ser visualizadas na Figura 1[1, 9]. Além de servir como substrato enzimático, a GSH pode combater diretamente os RL e as ERO, e por isso os níveis da razão GSH/GSSG são apontados como um importante marcador do estado redox celular [17, 18].

O sistema de defesa não enzimático inclui compostos como a GSH, a bilirrubina, a ceruloplasmina, hormônios sexuais, a melatonina, a coenzima Q e o ácido úrico. Além destes, outros antioxidantes não enzimáticos são ingeridos através da dieta como ácido ascórbico (vitamina C), a-tocoferol (vitamina E) b-caroteno e flavonóides [1, 9, 16].

É importante lembrar que embora visualizados de forma independente, os dois sistemas de defesa, enzimático e não enzimático, atuam concomitantemente e, no caso da GSH, é substrato para a atividade das enzimas antioxidantes específicas, o que demonstra ligação entre os dois mecanismos.

Figura 1: Reações do sistema de defesa antioxidante

Quantificação do Estresse Oxidativo

As formas de quantificar o EO estão associadas ao que se pretende avaliar com determinadas mensurações. Por exemplo, podem ser utilizadas medidas de dano tecidual, concentração e atividade de enzimas antioxidantes. As amostras podem ser oriundas do sangue, plasma, urina, gases expirados e tecido muscular. O mais usual tem sido a medida de produtos da lipoperoxidação, como o pentano expirado, o malondialdeído (MDA), os isoprostanos e dienos conjugados; e os da quebra de DNA, como o 8-oxo-7,8-diidro-2´-deoxiguanosina (8-oxoG). Além destes marcadores, os níveis de antioxidantes, como a GSH, a razão GSH/GSSG e a atividade das enzimas antioxidantes também têm sido bastante utilizadas.

Conclusão

Ao longo do texto foi possível verificar que a formação dos RL e o EO fazem parte do metabolismo dos organismos aeróbios. Os primeiros conhecimentos a cerca deste assunto indicavam que os efeitos dos RL e do EO estavam associados apenas a processos degenerativos ou maléficos ao organismo. Contudo, com a evolução do conhecimento, mostrou-se que o maquinário celular não somente se adaptou a tais substâncias, mas também que elas fazem parte das reações químicas que regem as respostas e a adaptação celular. É possível ainda que descobertas futuras mostrem outras funções e efeitos dos RL e do EO no ambiente celular, nos deixando cada vez mais maravilhado com a perfeição e complexidade do sistema celular.



Referências:

1. Droge, W., Free radicals in the physiological control of cell function. Physiol Rev, 2002. 82(1): p. 47-95.
2. McCord, J.M. and I. Fridovich, Superoxide dismutase. An enzymic function for erythrocuprein (hemocuprein). J Biol Chem, 1969. 244(22): p. 6049-55.
3. Mittal, C.K. and F. Murad, Activation of guanylate cyclase by superoxide dismutase and hydroxyl radical: a physiological regulator of guanosine 3′,5′-monophosphate formation. Proc Natl Acad Sci U S A, 1977. 74(10): p. 4360-4.
4. White, A.A., et al., Activation of soluble guanylate cyclase from rat lung by incubation or by hydrogen peroxide. J Biol Chem, 1976. 251(23): p. 7304-12.
5. Ignarro, L.J. and P.J. Kadowitz, The pharmacological and physiological role of cyclic GMP in vascular smooth muscle relaxation. Annu Rev Pharmacol Toxicol, 1985. 25: p. 171-91.
6. Radomski, M.W., R.M. Palmer, and S. Moncada, The anti-aggregating properties of vascular endothelium: interactions between prostacyclin and nitric oxide. Br J Pharmacol, 1987. 92(3): p. 639-46.
7. Schreck, R., P. Rieber, and P.A. Baeuerle, Reactive oxygen intermediates as apparently widely used messengers in the activation of the NF-kappa B transcription factor and HIV-1. Embo J, 1991.10(8): p. 2247-58.
8. Anderson, D., Antioxidant defences against reactive oxygen species causing genetic and other damage. Mutat Res, 1996. 350(1): p. 103-8.
9. Halliwell, B. and C.E. Cross, Oxygen-derived species: their relation to human disease and environmental stress. Environ Health Perspect, 1994. 102 Suppl 10: p. 5-12.
10. Schneider, C.D. and A.R. Oliveira, Radicais livres de oxigênio e exercício: mecanismos de formação e adaptação ao treinamento físico. Revista Brasileira de Medicina do Esporte, 2004.10(4): p. 302-313.
11. Halliwell, B., Free radicals, antioxidants, and human disease: curiosity, cause, or consequence?Lancet, 1994. 344(8924): p. 721-4.
12. Urso, M.L. and P.M. Clarkson, Oxidative stress, exercise, and antioxidant supplementation.Toxicology, 2003. 189(1-2): p. 41-54.
13. Hulgan, T., et al., Oxidant stress is increased during treatment of human immunodeficiency virus infection. Clin Infect Dis, 2003. 37(12): p. 1711-7.
14. Abrescia, P. and P. Golino, Free radicals and antioxidants in cardiovascular diseases. Expert Rev Cardiovasc Ther, 2005. 3(1): p. 159-71.
15. Bonomini, F., et al., Atherosclerosis and oxidative stress. Histol Histopathol, 2008. 23(3): p. 381-90.
16. Halliwell, B. and J.M.C. Gutteridge, Free radicals in biology and medicine. 2 ed. 1995, Clarendon: Oxford. 543.
17. Rahman, I., S.K. Biswas, and A. Kode, Oxidant and antioxidant balance in the airways and airway diseases. Eur J Pharmacol, 2006. 533(1-3): p. 222-39.
18. Wu, G., et al., Glutathione metabolism and its implications for health. J Nutr, 2004. 134(3): p. 489-92.

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