Os radicais livres e as espécies reativas de oxigênio são produzidos durante o metabolismo normal e podem causar danos celulares que são combatidos por sistemas antioxidantes enzimáticos e não enzimáticos. O equilíbrio entre a produção de oxidantes e a defesa antioxidante determina o nível de estresse oxidativo da célula.

Radicais Livres e Espécies Reativas de Oxigênio

Os radicais livres são moléculas com um ou mais elétrons desemparelhados, tornando-as altamente reativas. O radical ânion superóxido é formado pela redução monoeletrônica do oxigênio molecular, principalmente pelo vazamento da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial durante a fosforilação oxidativa e pelas NADPH oxidases. O superóxido pode inativar proteínas de centro ferro-enxofre e liberar ferro livre, que participa da química de Fenton para gerar espécies mais danosas.

O peróxido de hidrogênio não é um radical livre, mas um produto da redução bieletrônica do oxigênio. Difunde-se livremente através das membranas e pode gerar o radical hidroxila através da química de Fenton na presença de ferro ferroso. O radical hidroxila é o mais reativo das ROS, reagindo a taxas limitadas por difusão com virtualmente qualquer biomolécula.

O peroxinitrito é formado pela reação do superóxido com o óxido nítrico. É um oxidante potente e agente nitrante que modifica proteínas, lipídios e DNA. O oxigênio singleto e o ácido hipocloroso, produzidos pela mieloperoxidase nos neutrófilos, são oxidantes não radicais adicionais que contribuem para a morte de patógenos, mas também causam danos teciduais.

Fontes de ROS

A cadeia de transporte de elétrons mitocondrial é a principal fonte endógena de ROS. O complexo I e o complexo III vazam elétrons que reduzem o oxigênio a superóxido. Em condições normais, cerca de 1 a 2% do oxigênio consumido é convertido em superóxido. Isso aumenta quando a cadeia de transporte de elétrons está danificada ou quando o potencial de membrana mitocondrial está elevado.

As NADPH oxidases são enzimas dedicadas à produção de ROS que geram superóxido para sinalização e defesa imunológica. As enzimas da família NOX são expressas em fagócitos, células endoteliais e outros tecidos. Outras fontes incluem oxidases peroxissomais, enzimas do citocromo P450 e xantina oxidase, que produz superóxido durante a degradação de purinas.

Fontes exógenas de ROS incluem radiação UV e ionizante, que geram radicais hidroxila através da radiólise da água. Poluentes atmosféricos, fumaça de cigarro e certos fármacos e toxinas também aumentam a produção de ROS. Metais de transição como ferro e cobre catalisam a formação de radicais livres.

Danos Oxidativos

A peroxidação lipídica é uma reação em cadeia iniciada pela abstração de um átomo de hidrogênio pelo radical hidroxila dos ácidos graxos poli-insaturados. O radical lipídico resultante reage com o oxigênio para formar um radical peroxil lipídico, que propaga a cadeia. O malondialdeído e o 4-hidroxinonenal são subprodutos tóxicos. A peroxidação lipídica danifica as membranas celulares e gera aldeídos reativos que modificam proteínas e DNA.

A oxidação de proteínas modifica as cadeias laterais de aminoácidos, particularmente cisteína, metionina e resíduos aromáticos. A formação de pontes dissulfeto, carbonilação de proteínas e nitração de resíduos de tirosina alteram a função proteica e podem direcionar proteínas para degradação.

A oxidação do DNA produz 8-oxoguanina como a lesão mais comum, causando mutações de transversão G para T se não for reparada. O dano ao DNA por ROS contribui para mutagênese, envelhecimento e câncer.

Defesas Antioxidantes Enzimáticas

A superóxido dismutase, que requer cofatores metálicos, catalisa a dismutação do superóxido em peróxido de hidrogênio e oxigênio. Existem três isoformas: CuZn-SOD citosólica, Mn-SOD mitocondrial e SOD extracelular. A SOD é essencial para a vida aeróbica, e camundongos knockout para Mn-SOD morrem logo após o nascimento.

A catalase converte peróxido de hidrogênio em água e oxigênio molecular. Está concentrada nos peroxissomos e tem uma das maiores taxas de renovação de qualquer enzima. A glutationa peroxidase reduz o peróxido de hidrogênio e hidroperóxidos orgânicos usando glutationa reduzida como doadora de elétrons. Contém selenocisteína no sítio ativo. A tiorredoxina redutase e as peroxirredoxinas fornecem capacidade adicional de redução de peróxidos.

Antioxidantes Não Enzimáticos

A glutationa é o tiol intracelular mais abundante e o principal antioxidante não enzimático. Mantém os tióis proteicos no estado reduzido e serve como doadora de elétrons para a glutationa peroxidase. A glutationa reduzida é regenerada pela glutationa redutase usando NADPH.

A vitamina E é o principal antioxidante lipossolúvel de quebra de cadeia nas membranas. Doa um átomo de hidrogênio aos radicais peroxil lipídicos, terminando a peroxidação lipídica. O radical tocoferoxila resultante é reciclado pela vitamina C. A vitamina C é um antioxidante hidrossolúvel que sequestra ROS diretamente e regenera a vitamina E. O ácido úrico, a bilirrubina e o ubiquinol são antioxidantes endógenos adicionais.

Estresse Oxidativo na Doença

O estresse oxidativo contribui para muitas doenças. Na aterosclerose, a oxidação da LDL promove a formação de células espumosas e o desenvolvimento de placas. Na neurodegeneração, o dano oxidativo se acumula nas doenças de Alzheimer, Parkinson e Huntington. No câncer, as ROS promovem mutagênese e progressão tumoral, mas também podem induzir a morte celular. No diabetes, a hiperglicemia impulsiona a produção de ROS através de múltiplos mecanismos, contribuindo para complicações vasculares. A lesão de isquemia-reperfusão apresenta uma explosão de ROS na reoxigenação, causando dano tecidual adicional além do insulto isquêmico.