Ο ρόλος της οξειδωτικής καταπόνησης στην παθογένεια των νευροεκφυλιστικών νοσημάτων

Εισαγωγή

Φυσιολογικά όλα τα κύτταρα του οργανισμού ζουν, λειτουργούν και αναπαράγονται στηριζόμενα σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις (οξειδωτική φωσφορυλίωση, κύκλος του κιτρικού οξέος) απότοκος των οποίων είναι η παραγωγή της απαραίτητης για την επιβίωση του κυττάρου ενέργειας. Κατά τις διαδικασίες αυτές σχηματίζονται και δυνητικά επιβλαβείς για το κύτταρο παράγοντες που πρέπει να αποβληθούν ή να εξουδετερωθούν, όπως υψηλής δραστικότητας µόρια οξυγόνου (µονήρες οξυγόνο) και ρίζες οξυγόνου όπως το ανιόν του υπεροξειδίου (Ο2¯•) και η ρίζα υδροξυλίου (ΟΗ ¯ ) δηµιουργούνται από το µοριακό οξυγόνο µε διέγερση ή µε µονοσθενή αναγωγή αντίστοιχα [1].
Οι ελεύθερες ρίζες είναι ιδιαίτερα δραστικές διότι αυτά τα µόρια περιέχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Μπορούν έτσι εύκολα να οξειδώσουν και να βλάψουν ζωτικά βιολογικά µόρια όπως λίπη, πρωτεΐνες και DNA. Τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα που είναι ενσωµατωµένα στις κυτταρικές µεµβράνες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην οξείδωση, διαδικασία γνωστή ως υπεροξείδωση των λιπιδίων [1].
Οι ελεύθερες ρίζες αναπτύσσονται ενδογενώς στον οργανισµό σε ένα σύνολο µεταβολικών διαδικασιών και αυξάνονται από εξωτερικούς παράγοντες, όπως η ατµοσφαιρική ρύπανση, το κάπνισµα, η σωµατική κόπωση, η κακή διατροφή, τα χηµικά πρόσθετα των τροφών, η έκθεση στην έντονη ηλιακή ακτινοβολία καθώς και η χρήση ορισμένων φαρµάκων.
Με τον όρο οξειδωτική καταπόνηση προσδιορίζεται η κατάσταση εκείνη που προκαλείται από την συσσώρευση και βλαπτική επίδραση των δραστικών μορφών οξυγόνου και αζώτου στα κύτταρα και συνδέεται με μια σειρά παθολογικών καταστάσεων [1]. Παθολογικές οντότητες που σχετίζονται με την οξειδωτική καταπόνηση είναι η αθηροσκληρωτική νόσος, η καρδιακή ανεπάρκεια, το έμφραγμα του μυοκαρδίου, η νόσος του Parkinson, η νόσος του Alzheimer, το σύνδρομο του εύθραυστου Χ χρωμοσώματος και το σύνδρομο της χρόνιας κόπωσης. Ωστόσο οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου αποδεικνύονται χρήσιμες καθώς συμβάλλουν στην άμυνα του οργανισμού και την διακυτταρική επικοινωνία [1,6].
Οι αντιοξειδωτικοί παράγοντες ελαχιστοποιούν την καταστροφική επίδραση των δραστικών μορφών του οξυγόνου στα βιολογικά συστήματα, καθώς είτε αποτρέπουν τον σχηματισμό των ελευθέρων ριζών, είτε τις εξουδετερώνουν πριν οι τελευταίες αλληλεπιδράσουν με τα βιολογικά μακρομόρια. Οι αντιοξειδωτικές ουσίες είναι είτε ενδογενείς παράγοντες με ή χωρίς ενζυμική δράση που παράγονται στα πλαίσια της προάσπισης των κυττάρων από το οξειδωτικό στρες, είτε εξωγενείς παράγοντες που λαμβάνονται με την διατροφή [1].
Η υπέρμετρη κατανάλωση αντιοξειδωτικών ουσιών ωστόσο δεν είναι άμοιρη κινδύνου, καθώς συνδέεται με υψηλότερη συχνότητα εμφάνισης καρκίνου του δέρματος, ιδιαιτέρως στις γυναίκες, ενώ παράλληλα αυξάνει τον κίνδυνο εμφάνισης πνευμονικής υπέρτασης [29, 30].
Τα κυριότερα ενδογενή αντιοξειδωτικά είναι η καταλάση, η υπεροξειδική δισμουτάση, η υπεροξειδάση της γλουταθειόνης, το ουρικό οξύ, πρωτεολυτικά και λιπολυτικά ένζυμα και τα συστήματα επανόρθωσης του DNA. Τα σημαντικότερα εξωγενή αντιοξειδωτικά είναι η β-καροτένη, η λουτεΐνη, το σελήνιο, η βιταμίνη Α, C, E, οι ανθοκυανιδίνες, οι φλαβανόλες, οι φλαβανόνες και φλαβονόλες, οι προανθοκυανιδίνες, οι σουλφοραφάνες, οι φαινόλες, η αλκυλομεθυλοτρισουλφίδη και οι διθυλθειόλες [1,2].

Ελεύθερες ρίζες οξυγόνου, παραγωγή και μηχανισμός δράσης

Ο όρος ελεύθερη ρίζα αρχικά είχε την έννοια τμήματος ενός μορίου που είχε ανεξάρτητη ύπαρξη [1]. Ελεύθερη ρίζα με τη νεώτερη έννοια, είναι άτομο ή ομάδα ατόμων (ανόργανα ή οργανικά μόρια) που φέρει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο [1]. Υπάρχουν και οι διρίζες όπου τα δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε κάποια απόσταση μεταξύ τους αλλά στο ίδιο μόριο [8].
Οι πυρήνες των ατόμων και των μορίων περιβάλλονται από ηλεκτρόνια τα οποία περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα, διευθετημένα σε έναν αριθμό τροχιακών, τα οποία βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από τον πυρήνα. Όταν σε κάθε τροχιακό τα ηλεκτρόνια φέρονται κατά ζεύγη το άτομο χαρακτηρίζεται από εξαιρετικά υψηλή χημικά σταθερότητα [7, 8].
Τα άτομα που φέρουν ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στην εξωτερική τους στιβάδα, έχουν την τάση να σχηματίζουν δεσμούς με άλλα άτομα αποσπώντας ή προσφέροντας ηλεκτρόνια, προκειμένου να περιέλθουν σε κατάσταση υψηλότερης ενεργειακής σταθερότητας, εμφανίζουν επομένως αυξημένη χημική και φυσική δραστικότητα και αστάθεια [1,7,8].
Στη βιολογία, κεντρικό ρόλο παίζουν οι ελεύθερες ρίζες του οξυγόνου, οι οποίες παράγονται στα πλαίσια των φυσιολογικών μεταβολικών διεργασιών του κυττάρου [1].

Το μόριο του οξυγόνου

Το μοριακό οξυγόνο χαρακτηρίζεται από μια μοναδική κατανομή ηλεκτρονίων, η οποία το καθιστά ελεύθερη ρίζα [1,7,8]. Συγκεκριμένα, ο ατομικός αριθμός (Ζ) του οξυγόνου είναι οκτώ, γεγονός που σημαίνει ότι διαθέτει οκτώ πρωτόνια και οκτώ ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι κατανεμημένα, γύρω από τον πυρήνα, σε δύο στιβάδες, τη στιβάδα Κ και τη στιβάδα L. Η στιβάδα Κ περιέχει δύο ηλεκτρόνια, ενώ η στιβάδα L περιέχει έξι ηλεκτρόνια [1].
Τα έξι ηλεκτρόνια της στιβάδας L του ατόμου του οξυγόνου διατάσσονται ως εξής: τα δύο στην υποστιβάδα 2s, ενώ τα υπόλοιπα τέσσερα διατάσσονται στις υποστιβάδες 2p9.
Τα δύο από τα τέσσερα αυτά ηλεκτρόνια παρουσιάζουν αντίθετη στροφορμή και καταλαμβάνουν το πρώτο τροχιακό, ενώ τα υπόλοιπα δύο παρουσιάζουν την ίδια στροφορμή και καταλαμβάνουν από ένα τροχιακό το καθένα. Επειδή τα δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια του μοριακού οξυγόνου έχουν την ίδια στροφορμή, το μοριακό οξυγόνο μπορεί να αντιδράσει με ένα μόνο ηλεκτρόνιο κάθε φορά, με αποτέλεσμα να περιορίζεται η δραστικότητά του [1.9]. Εάν όμως ένα από τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια διεγερθεί και αλλάξει στροφορμή, προκύπτει το μονήρες οξυγόνο, το οποίο είναι ιδιαίτερα δραστικό, αφού τα δύο ηλεκτρόνια με αντίθετη στροφορμή μπορούν να αντιδράσουν με άλλα ζεύγη ηλεκτρονίων [1].
Οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου που διαδραματίζουν σπουδαίο ρόλο στην οξειδωτική καταπόνηση, είναι η ρίζα του υδροξυλίου (ΟΗ-) και του υπεροξειδίου (Ο2-), καθώς και χημικά μόρια που δεν φέρουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στιβάδα, τα ηλεκτρόνια τους ωστόσο βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση και είναι ιδιαίτερα τοξικά για τα κύτταρα, όπως το υπεροξείδιο του υδρογόνου (Η2Ο2) και η μονή ρίζα οξυγόνου (1Ο2-) [4].

Βιολογικές διαδικασίες παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου

Οι κυριότερες διαδικασίες παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου περιλαμβάνουν:
(α) Την παραγωγή ελευθέρων ριζών σουπεροξειδίου, ως παραπροϊόν κατά τη λειτουργία της αναπνευστικής αλυσίδας των μιτοχονδρίων των κυττάρων [1].
(β) Τη φυσιολογική δράση οξειδωτικών ενζύμων όπως, οι λιποξυγονάσες, οι κυκλοοξυγονάσες, οι υπεροξειδάσες και οι αφυδρογονάσες κατά την οποία παράγονται ελεύθερες ρίζες ως παραπροϊόντα των ενζυμικών αντιδράσεων [11].
(γ) Την παραγωγή ελευθέρων ριζών υδροξυλίου, οι οποίες είναι και οι πλέον δραστικές, με χημικές αντιδράσεις παρουσία μεταλλικών ιόντων [11].
(δ) Την παραγωγή ελευθέρων ριζών από τα κύτταρα του ανοσο¬ποιητικού συστήματος [11].
Την σημαντικότερη θέση παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου αποτελούν τα μιτοχόνδρια, τα οποία φέρουν τα ένζυμα της αναπνευστικής αλύσου και εντός αυτών πραγματοποιείται η οξειδωτική φωσφορυλίωση. Κατά τις παραπάνω ιδιαίτερης σημαντικότητας για την επιβίωση του κυττάρου μεταβολικές διεργασίες σημαντικός αριθμός ηλεκτρονίων μεταφέρονται από τα ένζυμα απευθείας στο μοριακό οξυγόνο, δημιουργώντας ανιόντα υπεροξειδίου, ρίζες υδροξυλίου ή υπεροξείδιο του υδρογόνου [1, 11].
Τα υπεροξεισωμάτια αποτελούν επίσης θέσεις σημαντικής παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου, καθώς εντός αυτών τα λιπαρά οξέα υφίστανται μια οξειδωτική διεργασία, στο πρώτο στάδιο της οποίας μια φλαβοπρωτεΐνη αφαιρεί ένα ζευγάρι ατόμων υδρογόνου από ένα μόριο ενεργοποιημένου λιπαρού οξέος, για να ακολουθήσει στο δεύτερο στάδιο η μεταφορά τους στο μοριακό οξυγόνο που οδηγεί στην παραγωγή υπεροξειδίου του υδρογόνου [1, 11].
Στο λείο ενδοπλασματικό δίκτυο, ενεργός παραγωγή ριζών γίνεται μέσω του κυτοχρώματος Ρ450, που διαδραματίζει σπουδαίο ρόλο στη διαδικασία αποτοξίνωσης. Το κυτόχρωμα Ρ450 είναι μια αιμοπρωτεΐνη που έχει τη δυνατότητα να καταλύει αντιδράσεις υδροξυλίωσης για την παραγωγή ενεργών οξειδωτικών ριζών [11].
Τέλος σημαντική θέση παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου ιδίως για τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος αποτελεί η κυτταρική μεμβράνη [11].
Οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου χαρακτηρίζονται από αυξημένη οξειδωτική ικανότητα, τείνουν δηλαδή να αποσπάσουν ένα ηλεκτρόνιο από οργανικά βιομόρια, όπως είναι οι υδατάνθρακες, τα λιπίδια, τα αμινοξέα, οι πρωτεΐνες και τα νουκλεοτίδια, προκαλώντας μια σειρά βιοχημικών μεταβολών, με ιδιαίτερα δυσμενή επίδραση σε κυτταρικό και ιστικό επίπεδο και κατ’ επέκταση στο σύνολο του οργανισμού [1, 3].
Η παραγωγή και η βλαπτική επίδραση των ελευθέρων ριζών οξυγόνου ενισχύεται από εξωγενείς παράγοντες, όπως είναι η ιονίζουσα και η υπεριώδης ακτινοβολία, οι αρωματικοί πολυκυκλικοί υδρογονάνθρακες, καθώς και φαρμακευτικά σκευάσματα που ενεργοποιούν το κυτόχρωμα Ρ450 [3, 11, 12].

Το ανιόν σουπεροξειδίου

Η προσθήκη ενός ηλεκτρονίου στο μοριακό οξυγόνο δημιουργεί την ελεύθερη ρίζα του ανιόντος του υπεροξειδίου (O2–•) [25]. In vivo, το O2 –• παράγεται τόσο ενζυμικά όσο και μη ενζυμικά. Τα μιτοχόνδρια φαίνεται να αποτελούν την κύρια κυτταρική πηγή O2–• [3, 11].
Στις ενζυμικές πηγές συμπεριλαμβάνονται οι NADPH οξειδάσες που εντοπίζονται στην κυτταρική μεμβράνη των πολυμορφοπυρήνων, των μακροφάγων και των ενδοθηλιακών κυττάρων, καθώς και οι εξαρτώμενες από το κυτόχρωμα P450 οξυγενάσες. Μια άλλη ενζυμική πηγή O2–• και Η2Ο2 (και κατά συνέπεια αποτελεί πηγή και του •OH) αποτελεί η πρωτεολυτική μετατροπή της αναγωγάσης της ξανθίνης σε οξειδάση της ξανθίνης [3,11].
Η μη ενζυμική παραγωγή του O2 –• γίνεται όταν μονήρες ηλεκτρόνιο μεταφέρεται άμεσα στο οξυγόνο είτε από αναχθέντα συνένζυμα είτε από προσθετικές ομάδες (π.χ. ομάδες σιδήρου, θείου) ή από ξενοβιοτικά, τα οποία προηγουμένως έχουν αναχθεί από ορισμένα ένζυμα. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων των μιτοχονδρίων διαθέτει πολλά οξειδοαναγωγικά κέντρα, από τα οποία μπορούν να διαφύγουν ηλεκτρόνια προς το οξυγόνο συνιστώντας έτσι την κύρια πηγή O2–• για τους περισσότερους ιστούς.
Το ανιόν του υπεροξειδίου παράγεται στην εξωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων, στη θεμέλια ουσία αλλά και στις δύο πλευρές της εσωτερικής μεμβράνης των μιτοχονδρίων [11, 12].
Το ανιόν του υπεροξειδίου, το οποίο παράγεται είτε από τις μεταβολικές διεργασίες είτε από την ενεργοποίηση του οξυγόνου δια της φυσικής ακτινοβολίας, θεωρείται η κύρια ελεύθερη ρίζα οξυγόνου και μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει με άλλα μόρια και να οδηγήσει στη γένεση δευτερογενών δραστικών ριζών οξυγόνου είτε άμεσα, είτε κυρίως μέσω διεργασιών που καταλύονται από μέταλλα και ένζυμα [3, 11, 12].
To O2–• συμμετέχει στην αντίδραση Haber-Weis: (O2.−+H2O2→O2+.OH+OH−), η οποία συνδυάζει την αντίδραση Fenton με την αναγωγή του τρισθενούς σιδήρου από το O2–• προς δισθενή σίδηρο και μοριακό οξυγόνο (Fe3++O2.−→Fe2++O2) [1, 3, 11, 12].
Ο απελευθερούμενος σίδηρος μπορεί να συμμετάσχει στην αντίδραση Fenton (Fe2++H2O2→Fe3++.OH+OH− αντίδραση μεταξύ του H2O2 και των αλάτων σιδήρου), η οποία οδηγεί στην παραγωγή ιδιαίτερα δραστικών ριζών υδροξυλίου, ικανών να οξειδώσουν μεγάλο αριθμό οργανικών υποστρωμάτων [1, 3, 11, 12].

Η ρίζα υδροξυλίου

Η ρίζα υδροξυλίου (•OH) είναι ιδιαίτερα δραστική, με χρόνο ημιζωής in vivo περίπου 10ˉ s [1]. Συνεπώς, όταν παράγεται in vivo, αντιδρά πλησίον της θέσης σχηματισμού της [14]. Η οξειδοαναγωγική κατάσταση του κυττάρου συνδέεται στενά με τα οξειδοαναγωγικά ζεύγη σιδήρου και χαλκού [11, 14].
Η ρύθμιση του σιδήρου έχει ως στόχο την απουσία ελεύθερου σιδήρου στον ενδοκυττάριο χώρο. Παρόλα αυτά, υπό συνθήκες stress, η περίσσεια O2–• ελευθερώνει σίδηρο από τις πρωτεΐνες που περιέχουν σίδηρο [14]. Συνεπώς, υπό συνθήκες stress το O2–• δρα ως οξειδωτική ουσία για τα μεταλλοένζυμα και διευκολύνει την παραγωγή •OH από το H2O2, παρέχοντας ιόντα σιδήρου για την αντίδραση Fenton [13, 14].
Η ρίζα υδροξυλίου (ΟΗ•) είναι η πιο δραστική ελεύθερη ρίζα οξυγόνου και αποτελεί έναν εξαιρετικά ισχυρό οξειδωτικό παράγοντα, ικανό να αντιδράσει με τα βιολογικά μακρομόρια προκαλώντας σημαντικές αλλοιώσεις. Η επίδρασή του στα νουκλεϊκά οξέα (DNA και RNA), έχει ως αποτέλεσμα την απαμίνωση των βάσεων, την απομάκρυνση ατόμων Η ή την προσθήκη ενός υδροξυλίου και την δημιουργία θραυσμάτων [3, 11]. Η επίδραση της ρίζας του υδροξυλίου στις πρωτεΐνες έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία υπεροξειδίων στον πεπτιδικό κορμό ή στις πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων, την οξείδωση ομάδων του θείου (S), την δημιουργία πρωτεϊνικών καρβονυλίων, την απαμίνωση του πρωτεϊνικού μορίου και ως εκ τούτου μεταβολές της λειτουργίας και την δομή των πρωτεϊνών [3, 11].
Η επίδραση των ελευθέρων ριζών οξυγόνου επί των λιπιδίων είναι επίσης ιδιαίτερα σημαντική [1]. Η υπεροξείδωση των λιπιδίων και κυρίως των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων πραγματοποιείται σε δύο στάδια:
1. Κατά πρώτο στάδιο μια ελεύθερη ρίζα αποσπά ένα άτομο υδρογόνου από μια ομάδα μεθυλενίου (CH2), με περισσότερο ευάλωτες τις θέσεις της Hανθρακικής αλυσίδας που πλησίον διπλών δεσμών, οπότε και δημιουργείται μια ελεύθερη ρίζα άνθρακα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, που επειδή η παραπάνω διάταξη είναι ασταθής, συνήθως υφίσταται μια ενδομοριακή αναδιάταξη και μεταπίπτει σε συζυγές διένιο (αλληλουχία διπλού – μονού – διπλού δεσμού, προκύπτοντας δύο ισομερή συζυγή διένια) [1].
2. Στο δεύτερο στάδιο ή στάδιο διάδοσης η ρίζα άνθρακα που σχηματίζεται (R•) συνδυάζεται με ένα μόριο Ο2 που αντιδρά εύκολα με ελεύθερες ρίζες και συσσωρεύεται σε υψηλές συγκεντρώσεις στο εσωτερικό των μεμβρανών λόγω της υδροφοβικότητάς του και δημιουργείται μία ρίζα υπεροξυλίου.
Η ελεύθερη ρίζα υπεροξυλίου είναι πολύ δραστική και μπορεί να αποσπάσει ένα άτομο υδρογόνου από κάποιο γειτονικό μόριο πολυακόρεστου λιπαρού οξέος, μετατρεπόμενη στο αντίστοιχο υδροϋπεροξείδιο.
Σχηματίζεται με τον τρόπο αυτό μια νέα ελεύθερη ρίζα άνθρακα, η οποία μπορεί να αντιδράσει με Ο2 και να δώσει εκ νέου ρίζα υπεροξυλίου, που με τη σειρά της μπορεί να αποσπάσει ένα υδρογόνο από άλλο μόριο πολυακόρεστου λιπαρού οξέος, συνεχίζοντας την αλυσίδα αντιδράσεων που ξεκίνησε από την προσβολή ενός αρχικού μορίου πολυακόρεστου λιπαρού οξέος από ΟΗ• [16].
Άλλες δραστικές ρίζες οξυγόνου που μπορούν να παραχθούν στους ζώντες οργανισμούς είναι οι ρίζες υπεροξειδίου ROO•. H απλούστερη ρίζα υπεροξειδίου είναι η ΗΟΟ•, η οποία είναι η πρωτονιωμένη μορφή του O2–•) και είναι γνωστή ως ρίζα υδροϋπεροξειδίου [3].
Εκτός από τις ελεύθερες ρίζες οξυγόνου πολύ σημαντικές είναι και οι δραστικές μορφές (ρίζες ή μη) άλλων χημικών στοιχείων και μορίων, που διακρίνονται ανάλογα με την προέλευσή τους σε εκείνες που υπάρχουν στο περιβάλλον των κυττάρων και σε εκείνες που σχηματίζονται από τη δράση των ελευθέρων ριζών οξυγόνου επί των βιολογικών μακρομορίων [1].
Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα ιόντα σιδήρου (Fe), χαλκού (Cu) και άλλων μετάλλων μετάπτωσης, τα ιόντα χλωρίου (Cl) και το ΝΟ• (που παράγεται από την L-αργινίνη με τη δράση του ενζύμου συνθετάση του ΝΟ και έχει οξειδωτική και αντιοξειδωτική δράση). Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι ελεύθερες ρίζες θείου RS• (προϊόντα της οξειδωτικής βλάβης ή αντιοξειδωτικής δράσης διαφόρων θειολών), ελεύθερες ρίζες άνθρακα R-C• (ενδιάμεσα προϊόντα της υπεροξείδωσης λιπιδίων), ο υπεροξυνιτρίτης ΟΝΟΟ- (προϊόν της αντίδρασης O2•- και ΝΟ•), το υποχλωριώδες οξύ HOCl (προϊόν της αντίδρασης H2O2 και Cl-) [1].

Ελεύθερες ρίζες αζώτου

Η ρίζα του μονοξειδίου του αζώτου (NO•) αποτελεί ένα μικρό μόριο, το οποίο περιέχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο και συνεπώς αποτελεί ελεύθερη ρίζα. Συντίθεται κατά την οξείδωση της L-αργινίνης προς κιτρουλίνη, με μια διεργασία που καταλύεται από τις συνθετάσες του ΝΟ (ΝΟSs) [17].
Το ΝΟ αποτελεί σημαντικό μόριο μεταγωγής σήματος σε μεγάλο αριθμό φυσιολογικών διεργασιών, όπως η νευρομεταβίβαση, η ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης, η χάλαση των λείων μυϊκών ινών, η ανοσία.37 Μπορεί να μετατραπεί σε πολλές άλλες δραστικές ρίζες αζώτου, όπως NO+, (NO) και υπεροξεινιτρώδες (ONOO ). Το ONOO παράγεται από την αντίδραση του μονοξειδίου του αζώτου με το ανιόν υπεροξειδίου NO.+O2.−→ONOO− [17, 18].

Οξειδωτική καταπόνηση και νευροεκφυλιστικά νοσήματα

Η οξειδωτική καταπόνηση διαδραματίζει σπουδαίο ρόλο στην παθογένεια των νευροεκφυλιστικών νοσημάτων, καθώς διαταραχή των μηχανισμών προάσπισης εξ αυτής και αυξημένη παραγωγή ελευθέρων ριζών αναφέρεται στην νόσο του Parkinson, την νόσο του Alzheimer και την νόσο του κινητικού νευρώνα [1, 2].
Το νευρικό σύστημα είναι πλούσιο σε ακόρεστα λιπαρά οξέα και σίδηρο, που το καθιστούν σε συνδυασμό με το αυξημένο μεταβολικό έργο που χαρακτηρίζει τα νευρικά κύτταρα ιδιαίτερα ευαίσθητο στην επίδραση της οξειδωτικής καταπόνησης [1].
Οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου έχουν ιδιαίτερα βλαπτική επίδραση επί των νευρικών κυττάρων καθώς:
• Προκαλούν κυτταρικό οίδημα [1, 2]
• Αναστέλλουν την ενεργό μεταφορά ιόντων και την επαναπρόσληψη νευροδιαβιβαστών [28, 29]
• Διαταράσσουν την απελευθέρωση ασκορβικού οξέος από τα αστροκύτταρα [28, 29]
• Αυξάνουν την κατανάλωση γλυκόζης από τα αστροκύτταρα [ 28, 29]
• Αυξάνουν τα επίπεδα ασβεστίου στο κυττοδιάλυμα και διαταράσσουν την είσοδο ασβεστίου στα μιτοχόνδρια [27]
• Ελαττώνουν το δυναμικό της μιτοχονδριακής μεμβράνης και τη συγκέντρωση του ATP [27]
• Προάγουν την οξείδωση των πρωτεϊνών και την υπεροξείδωση και διάσπαση των λιπιδίων των κυτταρικών μεμβρανών [28]
• Προκαλούν σημαντικές βλάβες στο DNA [27]
Παράγοντες οι οποίοι ενισχύουν την επίδραση των ελευθέρων ριζών στα νευρικά κύτταρα είναι οι ακόλουθοι [27]:
• Οξείδωση
• Αυξημένες συγκεντρώσεις μετάλλων
• Β- αμυλοειδές
• Τα οξειδωτικά παράγωγα των κατεχολαμινών
• Το καϊνικό οξύ
• Η ενεργοποίηση των NMDA υποδοχέων
• Το οξείδιο του αζώτου
• Τα ενεργοποιημένα ουδετερόφιλα
• Η υπογλυκαιμία και η παρατεταμένη υποξία
Η νόσος του Parkinson νευροπαθολογικώς χαρακτηρίζεται από εκφύλιση των κυττάρων της μέλαινας ουσίας, περιοχής του εγκεφάλου πλούσιας σε σίδηρο. Ο σίδηρος, απαραίτητος κατά την ανάπτυξη του νευρικού συστήματος, ενισχύει μέσω της αντίδρασης Fenton την παραγωγή ελευθέρων ριζών και ως εκ τούτου υφίσταται την βλαπτική τους επίδραση [29].
Επιπλέον η ανεύρεση παθολογικών μορφών α-συνουκλεΐνης εντός εγκλείστων στην μέλαινα ουσία σε ασθενείς πάσχοντες από την νόσο του Parkinson, ενός μορίου που ιδιαιτέρως ευαίσθητο στην επίδραση των ελευθέρων ριζών του αζώτου και η συσχέτιση της νόσου με την επίδραση μιας σειράς παραγόντων που ενισχύουν την οξειδωτική καταπόνηση, όπως είναι η 1-Μεθυλ-4-φαινυλ-1,2,3,6- τετραϋδροπυριδίνη και η ροτενόνη, καθιστούν την οξειδωτική καταπόνηση μείζονος σημασίας παθογενετικό παράγοντα [1, 20].
Μεταλλάξεις των γονιδίων που κωδικοποιούν την υπεροξειδική δισμουτάση, ενός ενζύμου με σπουδαίο ρόλο στην αντιοξειδωτική άμυνα, έχουν ταυτοποιηθεί στην νόσο του κινητικού νευρώνα [24], ενώ οι αλλοιώσεις των μιτοχονδρίων και της συσκευής του Golgi, οξείδωση του DNA και των πρωτεϊνών, καθώς και υπεροξείδωση των λιπαρών οξέων σε περιοχές του εγκεφάλου που χαρακτηρίζονται από σημαντική νευρωνική απώλεια, έχουν παρατηρηθεί σε ασθενείς πάσχοντες από την νόσο του Alzheimer [22], επιβεβαιώνοντας τον ρόλο της οξειδωτικής καταπόνησης στην αιτιοπαθογένεια της νόσου.
Πειραματικές μελέτες με μύες που φέρουν μετάλλαξη του γονιδίου της α-τοκοφερόλης, αναπτύσσουν εκφύλιση του αμφιβληστροειδούς και των οπισθίων δεσμών του νωτιαίου μυελού, ενώ πειραματόζωα με μετάλλαξη του γονιδίου της υπεροξειδικής δισμουτάσης εμφανίζουν σημαντική νευρωνική απώλεια στο εγκεφαλικό στέλεχος και σε φλοιϊκές περιοχές, γεγονός που καταδεικνύει τον ρόλο των μηχανισμών προάσπισης από την οξειδωτική καταπόνηση στην επιβίωση και ομαλή ανάπτυξη του νευρικού συστήματος [1].
Η οξειδωτική καταπόνηση αναφέρεται ως αιτιοπαθογενετικός παράγοντας επίσης στην χορεία του Huntington, την προϊούσα υπερπυρηνική οφθαλμοπληγία και τις διαταραχές των prion πρωτεϊνών, χωρίς ωστόσο να έχει πλήρως αποσαφηνιστεί ο ακριβής παθοφυσιολογικός μηχανισμός [22].
Η πλειοψηφία των νευρικών συνάψεων στο κεντρικό νευρικό σύστημα είναι γλουταμινεργικές και σχηματίζονται κυρίως στις δενδριτικές άκανθες. Το σχήμα και ο αριθμός τους δεν παραμένει σταθερός αλλά βρίσκεται σε μια δυναμική κατάσταση κάτω από τον έλεγχο νευροτρόφων παραγόντων και νευροτροποποιητών όπως είναι ο NGF και οι βιογενείς αμίνες αντίστοιχα [21]. Η σύνδεση του νευροδιαβιβαστή στο μετασυναπτικό υποδοχέα έχει ως αποτέλεσμα τη μετάδοση της νευρικής ώσης που βιοχημικά χαρακτηρίζεται από μια πληθώρα μηχανισμών όπου κυριαρχεί η ενεργοποίηση μέσω φωσφορυλίωσης συγκεκριμένων πρωτεϊνών. Το γλουταμινικό οξύ είναι δυνητικά νευροτοξικό μια ιδιότητα η οποία συνδέεται άμεσα με την οξειδωτική καταπόνηση. Η σύνδεσή του με τους NMDA υποδοχείς οδηγεί στην διάνοιξη διαύλων ασβεστίου, το οποίο ενεργοποιεί τη φωσφολιπάση Α2 και έτσι εμμέσως μέσω των παραγώγων του αραχιδονικού οξέος το γλουταμινικό οξύ οδηγεί στην απελευθέρωση σημαντικής ποσότητας υπεροξειδίου του υδρογόνου. Επιπλέον, η είσοδος του ασβεστίου στην μετασυναπτική μεμβράνη ενεργοποιεί τη συνθάση του μονοξειδίου του αζώτου, που επίσης οδηγεί σε σημαντική απελευθέρωση ελευθέρων ριζών οξυγόνου. Οι κατεχολαμίνες χαρακτηρίζονται από αντιοξειδωτική δράση ωστόσο εύκολα οξειδώνονται σχηματίζοντας ιδιαίτερα νευροτοξικές ο-κινόνες [21].
Σύμφωνα με πολυάριθμες μελέτες σε σχιζοφρενικούς ασθενείς, παρατηρείται μείωση των δενδριτικών ακανθών και των συνάψεων κατά 50% [1]. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στην νευροτοξική επίδραση των ελευθέρων ριζών μεταξύ των οποίων οι κινόνες των κατεχολαμινών κατέχουν εξέχουσα θέση [22]. Πειραματικά δεδομένα καταδεικνύουν:
1. Αύξηση της υπεροξειδικής δισμουτάσης και μείωση της υπεροξειδάσης της γλουταθειόνης με αποτέλεσμα την αυξημένη παραγωγή του υπεροξειδίου του υδρογόνου [21].
2. Σε σχιζοφρενικούς ασθενείς οι δείκτες οξειδωτικού stress όπως είναι η μαλονυλδιαλδεΰδη και το πεντάνιο είναι αρκετά αυξημένα [23].
3. Άμεση σύνδεση μεταξύ της δραστικότητας της υπεροξειδάσης της γλουταθειόνης και του βαθμού φλοιϊκής βλάβης [23].
Ασθενείς που έχουν υποστεί αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο υφίστανται προοδευτικά μια νευροεκφυλλιστική διαδικασία που μπορεί να διαρκεί για μέρες ή ακόμη και εβδομάδες [1]. Η νευροεκφύλλιση λαμβάνει χώρα με δυο μηχανισμούς, με νεκρωτικό και αποπτωτικό. Οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου, σύμφωνα με πρόσφατα δεδομένα, διαδραματίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο τόσο στην απόπτωση όσο και στη νέκρωση των νευρικών κυττάρων, ενώ παράλληλα η χορήγηση αντιοξειδωτικών παραγόντων φαίνεται πως δρα προστατευτικά [28].

Βιβλιογραφία:

1. Messner KR, Imlay JA (November 2002). “Mechanism of superoxide and hydrogen peroxide formation by fumarate reductase, succinate dehydrogenase, and aspartate oxidase”. J. Biol. Chem. 277 (45): 42563–71.
2. Sies H (1997). Oxidative stress: oxidants and antioxidants. Exp Physiol 82 (2): 291–5.
3. Imlay JA (2003). “Pathways of oxidative damage”. Annu. Rev. Microbiol. 57: 395–418
4. Rice-Evans CA, Gopinathan V (1995). “Oxygen toxicity, free radicals and antioxidants in human disease: biochemical implications in atherosclerosis and the problems of premature neonates”. Essays Biochem. 29: 39–63
5. Ruano-Ravina A, Figueiras A, Freire-Garabal M, Barros-Dios JM (2006). “Antioxidant vitamins and risk of lung cancer”. Curr. Pharm. Des. 12 (5): 599–613
6. Kontush K, Schekatolina S (2004). “Vitamin E in neurodegenerative disorders: Alzheimer’s disease”. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1031: 249–62
7. Janzen EG. Spin trapping. Accounts of Chemical Research 4: 31-39, 1971.
8. Janzen EG, Stronks HJ, Dubose CM, Poyer JL, McCay PB. Chemistry and biology of spin-trapping. Radicals associated with halocarbon metabolism in vitro and in vivo. Environ Health Perspect 64: 151-170, 1985.
9. NASA Research Indicates Oxygen on Earth 2.5 Billion Years Ago”. Press release. Retrieved 2008-03-13
10. Molecular Orbital Theory”. Purdue University. Retrieved 2008-01-28.
11. Wulf Dröge, Free Radicals in the Physiological Control of Cell Function,Physiological Reviews, Vol. 82, No. 1, January 2002, pp. 47-95; 10.1152/physrev.00018.2001.
12. Cadenas, Enrique. Handbook of Antioxidants, Αntioxidants in Health and Disease ; 3 CRC Press
13. Haber, F. and Weiss, J. (1932). “Über die Katalyse des Hydroperoxydes”. Naturwissenschaften.

14. Sies, Helmut (March 1993). “Strategies of antioxidant defense”. European Journal of Biochemistry 215 (2): 213-219

15. Keidar S. Angiotensin, LDL peroxidation and atherosclerosis. Life Sci. 1998;63(1):1-11.

16. Tardif J-C. and M.G. Bourassa (eds): Antioxidants and Cardiovascular Disease.2000.

17. Hou Y.C., Janczuk A. and Wang P.G. (1999): Current trends in the development of nitric oxide donors. Curr. Pharm. Des. June, 5 (6): 417–471
18. Lomnicki S, Truong H, Vejerano E, Dellinger B. Copper oxide-based model of persistent free radical formation on combustion-derived particulate matter Environ Sci Technol. 2008 Jul 1;42(13):4982-8
19. Possible role of amyloid-beta, adenine nucleotide translocase and cyclophilin-D interaction in mitochondrial dysfunction of Alzheimer’s disease. Singh P, Suman S, Chandna S, Das TK. Bioinformation. 2009 Aug 4;3(10):440-5
20. New molecular avenues in Parkinson’s disease therapy. Di Napoli M. Curr Top Med Chem. 2009;9(10):913-48
21. Smythies John Role of Free Radicals in the Brain in Health and Disease in Relation to Synaptic Plasticity in Free radicals in Brain pathophysiology
22. Koudinov A, Kezlya E, Koudinova N, Berezov T. Amyloid-beta, tau protein, and oxidative changes as a physiological compensatory mechanism to maintain CNS plasticity under Alzheimer’s disease and other neurodegenerative conditions. J Alzheimers Dis. 2009;18(2):381-400.
23. Derick S. Han, Enrique Cadenas, Michael S. Kobayashi,and Lester Packer Oxidative Stress in Glutamate Neurotoxicity in Free radicals in Brain pathophysiology
24. Νευρολογία, Σ.Ι. Μπαλογιάννης, Τόμος 3, Θεσσαλονίκη 2000
25. Jean Chen Shih, K. Chen, and M. J. Ridd MAO Knock-Out Mice and Behavior in Free radicals in Brain pathophysiology
26. Lim S, Airavaara M, Harvey BK. Viral vectors for neurotrophic factor delivery: A gene therapy approach for neurodegenerative diseases of the CNS. Pharmacol Res. 2009 Oct 16.
27. Vikki Humphreys, Richard M. Martin, Brian Ratcliffe, Susan Duthie, Sharon Wood, David Gunnell, and Andrew R. Collins Age-related increases in DNA repair and antioxidant protection: A comparison of the Boyd Orr Cohort of elderly subjects with a younger population sample Age Ageing, September 2007; 36: 521 – 526
28. Alexeyev MF. Is there more to aging than mitochondrial DNA and reactive oxygen species? FEBS J. 2009 Oct;276(20):5768-87. Review

Was this article helpful?