Specie reattive dell’ossigeno

Le specie reattive dell'ossigeno, i ROS, sono i radicali liberi a maggior diffusione. I più importanti ROS sono l'anione superossido O2-, il perossido d'idrogeno H2O2 e il radicale

ossidrilico OH (Kumar et al., 2005). La maggior parte delle specie reattive dell'ossigeno è generata nelle cellule dalla catena respiratoria mitocondriale. La produzione mitocondriale di ROS è modulata in gran parte dalla velocità di flusso di elettroni attraverso complessi della catena respiratoria. Durante la trasduzione di energia, un piccolo numero di elettroni “fuga” all'ossigeno prematuramente, formando il superossido radicale libero dell'ossigeno, che è stato implicato nella fisiopatologia di diverse malattie. Recentemente, è diventato chiaro che in condizioni di ipossia, la catena respiratoria mitocondriale produce ossido nitrico (NO), che può generare altre specie reattive (RNS). Le specie reattive dell’ossigeno e le specie reattive del nitrogeno (ROS e RNS rispettivamente) sono ben noti per giocare un duplice ruolo di specie sia deleterie che positive (Valko et al., 2007). Infatti, sebbene un eccesso ROS e RNS può portare allo stress ossidativo e nitrosativo, da moderati a bassi livelli entrambi hanno una funzione nei percorsi di segnalazione cellulare. Particolarmente importanti sono i ruoli di questi radicali liberi generati mitocondrialmente nei percorsi di segnalazione ipossica, che hanno importanti implicazioni per il cancro, infiammazione e una varietà di altre malattie (Poyton & Castello, 2009). Una grande quantità di prove indirette implica i radicali liberi derivati dall'ossigeno (specialmente superossido e idrossile radicale) e gli ossidanti ad alta energia (come perossinitrite) come mediatori di infiammazione, shock e ischemia / riperfusione (Cuzzocrea et al. 2001). Lo stress

ossidativo è stato tradizionalmente visto come un processo di danno cellulare risultante dal metabolismo aerobico, e gli antiossidanti sono stati visti semplicemente come spazzini di radicali liberi. Solo recentemente è stato riconosciuto che le specie reattive dell'ossigeno (ROS) sono ampiamente usati come secondi messaggeri per propagare segnali proinfiammatori o di stimolazione di crescita. Con questa conoscenza è si è venuto a realizzare il corollario che lo stress ossidativo e l’infiammazione cronica sono fenomeni correlati, forse inseparabili (Hensley et al., 2000). Quantità eccessive di ROS possono derivare sia da eccessiva stimolazione di NAD(P)H ossidasi o da fonti meno ben regolate

67 come la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale. Nei mitocondri, ROS sono generati come sottoprodotti indesiderati del metabolismo energetico ossidativo. Un aumento eccessivo e / o sostenuto nella produzione di ROS è stato implicato nella patogenesi del cancro, il diabete mellito, aterosclerosi, malattie neurodegenerative, l'artrite reumatoide, danno da ischemia / riperfusione, apnea ostruttiva del sonno, e di altre malattie. Inoltre, i radicali liberi sono stati implicati nel meccanismo di senescenza (Dröge, 2002). La denaturazione mediata dai radicali provoca la conseguente perdita di importanti funzioni cellulari, come la crescita, la divisione e la riparazione. I ROS quali superossido, radicali idrossilici e altri radicali liberi sono noti per causare idrossilazione delle basi di DNA, crosslinking o scissione delle catene di DNA che possono portare alla rottura dell'integrità cellulare e lisi mediante processi quali apoptosi e necrosi. Infatti, ROS sono noti per influenzare le vie apoptotiche, in particolare, l'espressione di importanti mediatori pro-apoptotici. Nello specifico, H2O2 è noto per promuovere l'apoptosi attraverso l'attivazione delle vie MAP chinasi e JNK (Rosenfeldt et al., 2013). Gli effetti delle specie reattive sono ad ampio spettro, ma tre reazioni sono particolarmente rilevanti per il danno cellulare:

1. perossidazione dei lipidi di membrana: i radicali liberi in presenza di ossigeno possono causare perossidazione dei lipidi nel plasma o nelle membrane degli organelli. Il danno ossidativo ha inizio quando i doppi legami negli acidi grassi insaturi dei lipidi di membrana (che sono molto sensibili all’ossidazione) sono attaccati dai radicali liberi derivati dall’ossigeno, in particolare dall’OH. L’interazione lipidi-radicali liberi produce i perossidi, i quali sono loro stessi instabili e reattivi, e ne consegue una reazione a catena autocatalitica (chiamata “propagazione”), che può risultare in un esteso danno alla membrana, agli organelli e cellulare.

2. Alterazione ossidativa delle proteine: i ROS promuovono l’ossidazione dei gruppi laterali delle catene di amminoacidi, la formazione di legami crociati proteina- proteina (come i ponti disolfuro), e l’ossidazione della catena principale, risultando nella frammentazione proteica. La modificazione ossidativa delle proteine migliora la degradazione delle proteine critiche dal complesso multicatalitico dei proteosomi, aumentando il caos all’interno della cellula.

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rompono il DNA in singoli filamenti. Questo danno del DNA è implicato nell’invecchiamento cellulare e nella trasformazione maligna delle cellule. Il radicale idrossile è conosciuto per reagire con tutti i componenti della molecola di DNA, danneggiando sia le basi puriniche che pirimidiniche nonché la catena di desossiribosio. La modificazione permanente del materiale genetico, risultante da questo danno ossidativo, rappresenta il primo step implicato nella mutagenesi, carcinogenesi e invecchiamento (Kumar et al., 2005; Valko et al., 2007).

Le evidenze immunoistochimiche e biochimiche dimostrano il ruolo significativo delle specie reattive dell'ossigeno, in particolare superossido e il suo prodotto di reazione perossinitrito, formato dall'interazione di superossido e ossido nitrico, anche nel danno endoteliale e tissutale associati a ischemia e riperfusione (Salvemini & Cuzzocrea, 2002). Durante l’ipossia, le cellule subiscono cambiamenti specifici dell'attività degli enzimi, nella funzione mitocondriale, nella struttura del citoscheletro, nel trasporto di membrana, e nelle difese antiossidanti, che poi predispongono collettivamente al danno da riperfusione. L’inibizione ossidativa di membrana Na+ -K+ -ATPasi da H2O2 prodotta come risultato di

ipossia-riossigenazione può essere un importante meccanismo che porta a gonfiore e citolisi. Un certo numero di enzimi mitocondriali, inclusi citocromo ossidasi e la manganese superossido dismutasi (Mn SOD), subiscono una diminuzione dell'attività durante l’ipossia, con effetti previsti sul metabolismo dell'ossigeno. L’ipossia cellulare inibisce l'espressione della multisubunità della citocromo ossidasi (complesso IV), il sito intramitocondriale finale della fosforilazione ossidativa. La perdita dell’attività della citocromo ossidasi porta a danno cellulare durante la riossigenazione, poiché l’assenza dell'accettore finale di elettroni aumenta la produzione di ROS dai complessi più prossimali. I neutrofili sono importanti fonti di ROS, ma i neutrofili attivati non sono necessari per le lesioni da riperfusione. I danni alle colture di cellule endoteliali, miociti cardiaci, epatociti, e altri tipi di cellule avviene dopo anossia-riossigenazione in vitro, anche in assenza di neutrofili. La quantità di ROS prodotta dalle cellule riperfusa dipende dalla durata sia di anossia che riossigenazione (Li & Jackson, 2002; Schinetti et al., 1989).