Geração de ATP: radicais livres e defesa antioxidante

A produção de radicais livres (RLs) constitui um processo fisiológico e contínuo que, em proporções adequadas, desempenham funções importantes nos processos biológicos79_{. Por outro lado, a produção excessiva desses compostos} pode conduzir a danos oxidativos às macromoléculas celulares, como os ácidos nucléicos, proteínas e lipídios estruturais80_{, acarretando em efeitos deletérios aos} sistemas biológicos15_{. Frente a isso, os sistemas de defesa antioxidantes} desempenham a função de neutralizar esses compostos reativos, evitando o dano celular78_{. Quando existe um desequilíbrio entre a produção de RL e a defesa} antioxidante do organismo, se instala um processo denominado estresse oxidativo81_.

RL é definido como qualquer átomo ou molécula que possui um número ímpar de elétrons em sua última camada de configuração69 _{e por conta dessa} instabilidade, eles tendem a buscar elétrons de outros compostos, gerando um novo radical no seu lugar82_{. Os mecanismos de geração de RL ocorrem, normalmente,} nas mitocôndrias, membranas celulares e no citoplasma82_.

A cadeia respiratória mitocondrial representa a principal fonte de RL27_{. Cerca} de 2% a 5% do O2 metabolizado nas mitocôndrias são desviados para outra via metabólica, e reduzidos de forma univalente, dando origem às EROs69_{. Esses} compostos reativos representam a mais importante classe de RL69_{. As principais} EROs incluem o radical superóxido (•O2-) e o radical hidroxil (•OH), bem como o peróxido de hidrogênio (H2O2). Este último representa um metabólito de O2 parcialmente reduzido, pois não tem elétrons desemparelhados em sua órbita mais externa79_.

Quando a taxa de entrada de elétrons na cadeia respiratória e a taxa de transferência de elétrons através da cadeia não são coordenadas, elétrons ficam livres para reduzir o O2 de forma univalente, gerando o radical •O2-. Ao sofrer um processo de dismutação, o radical •O2- leva a formação do H2O2. Na presença de Fe2+ _{ou Cu}+_{, a reação de Fenton e a reação de Haber-Weiss levam a formação do} radical •OH, contra o qual não existe defesa enzimática, além de ser altamente danoso e reativo às biomoléculas83 _{(Figura 7). Além disso, o •O}

2- pode reagir com o óxido nítrico (NO•), gerando espécies reativas de nitrogênio (ERNs), também potencialmente reativas82_.

Figura 7 - Geração de ERO pela cadeia respiratória mitocondrial. SOD – superóxido dismutase; MnSOD – superóxido dismutase manganês; CuZnSOD – Superóxido dismutase cobre zinco; GPx – glutationa peroxidase. GSH – glutationa reduzida; GSSG – glutationa oxidada; GR – glutationa redutase; NAD – Nicotinamida-adenina- dinucleotídeo; FAD – Flavina-adenina-dinucleotídeo; Q – coenzima Q; C – citocromo C; ADP – adenosina difosfato; ATP – adenosina trifosfato.

Fonte: adaptado de Yu e colaboradores84_.

Um alvo clássico dos RLs são os ácidos graxos poli-insaturados, presentes nas membranas celulares e em lipoproteínas. Esse processo de oxidação de membrana é chamado de lipoperoxidação e como resultado, as membranas sofrem alterações na fluidez e na permeabilidade85_{. Consequentemente, há perda da} seletividade na troca iônica e liberação do conteúdo de organelas, como as enzimas hidrolíticas dos lisossomas, e formação de produtos citotóxicos (como o malondialdeído - MDA), culminando com a morte celular86_.

Outro alvo comum dos RL são aminoácidos específicos presente em proteínas. Esse processo de oxidação resulta na formação de carbonilas, tióis oxidados, entre outras modificações que alteram a função normal da proteína87_{. A} formação da proteína carbonilada é um fenômeno comum durante a oxidação,

portanto, sua quantificação pode ser usada para medir a extensão do dano oxidativo87_.

As EROs possuem meia vida curta, são altamente reativas, reagindo facilmente com moléculas que se localizam em torno do seu sítio de formação. Nesse contexto, o sistema de defesa antioxidante desempenha a importante função de neutralizar as EROs78_{. As enzimas antioxidantes atuam basicamente de três} formas: impedindo a formação, o ataque às estruturas celulares e através do reparo das lesões causadas pelas ERO88_{. O sistema de defesa é, essencialmente, dividido} em sistema enzimático e sistema não-enzimático.

O sistema de defesa enzimático inclui as enzimas antioxidantes Superóxido Dismutase (SOD), Catalase (CAT), Glutationa Peroxidase (GPx) e Glutationa Redutase (GrD). Essas enzimas agem por meio de mecanismos de prevenção, impedindo e/ou controlando a formação de RL e espécies não-radicais, envolvidos com a ocorrência de dano oxidativo69_{. Além disso, elas atuam de forma integrada,} garantindo o equilíbrio adequado entre os sistemas de defesa enzimáticos88 _(Figura 8).

Figura 8 - Integração dos sistemas de defesa antioxidante enzimático. SOD – superóxido dismutase; CAT – catalase; GPx – glutationa peroxidase; GrD – glutationa redutase; GSH – glutationa reduzida; GSSG – glutationa oxidada.

Existem três isoformas de SOD, a Mn-SOD mitocondrial, a Cu/Zn-SOD citoplasmática e a SOD extracelular78_{. Elas constituem a primeira linha de defesa} enzimática contra a produção intracelular do ânion •O2-. Apesar desse RL não ser altamente danoso, ele pode extrair elétrons de diversos componentes celulares, causando reações em cadeia de RL. Nesse contexto, SOD catalisa a dismutação do •O2- em O2 e H2O2 (Equação 1)83.

Equação 1: •O2- + •O2- + 2H + SOD H2O2 + O2

A remoção H2O2 também é de extrema importância, uma vez que por meio das reações de Fenton ou Haber-Weiss acontece a geração do radical OH•83_{. Nesse} contexto, a enzima CAT desempenha a função de converter o H2O2 recém formado em H2O e O2 (Equação 2). Essa enzima está localizada em organelas subcelulares, conhecidas como peroxissomas, que contêm várias enzimas produtoras de H2O2, e também no citosol89_.

Equação 2: 2H2O2 CAT O2 + 2H2O

Além disso, o composto H2O2 também pode ser convertido em H2O pela ação da enzima GPx. A glutationa reduzida (GSH) atua como doadora de elétrons, sendo convertida em glutationa oxidada (GSSG) pela ação da GPx (Equação 3). Por fim, a enzima GrD converte a GSSG em GSH novamente, evitando dessa forma seu efeito oxidante90_{. A enzima GPx também reduz peróxidos lipídicos a lipídios} alcoólicos e está presente no citoplasma em concentrações milimolares, bem como na matriz mitocondrial91,92_.

Equação 3: 2GSH + H2O2 GPx GSSG + 2H2O

Semelhante às enzimas, a defesa antioxidante não enzimática atua de forma a combater os efeitos prejudiciais dos RL. Dentre esses compostos, se destacam os antioxidantes de origem dietética, tais como: vitaminas (ácido ascórbico, α-tocoferol e β-caroteno), minerais (zinco, cobre, selênio e manganês) e compostos fenólicos (flavonoides)93_{. Além de possuírem potencial de óxido-redução, estes antioxidantes} também modulam a expressão gênica que codifica proteínas envolvidas em

mecanismos intracelulares de defesa contra processos oxidativos de estruturas celulares94_.