As espécies reativas de oxigênio, que podem ser chamadas também de espécies ativas de oxigênio ou mesmo intermediários ativos de oxigênio são formas reduzidas de oxigênio que são energeticamente mais reativas que o oxigênio molecular, ou seja, são compostos que tem maior facilidade em reagir com outras substâncias podendo gerar uma cascata de reações.
As formas mais comuns de EROs encontrados nas células são:
- radicais superóxido (O2–)
- hidroxila (OH–)
- peróxido de hidrogênio (H2O2)
- oxigênio singleto (1O2).
O radical superóxido (O2–) é um radical livre moderadamente reativo, com uma meia-vida de 2-4 µs. Entretanto, o superóxido não pode atravessar as membranas biológicas e é prontamente dismutado a H2O2. Os radicais hidroperoxila (HO2–) que são formados a partir do O2– por protonação em soluções aquosas podem atravessar as membranas biológicas e subtrair átomos de hidrogênio de ácidos graxos poliinsaturados e hidroperóxidos de lipídeos, iniciando então, a auto-oxidação de lipídeos.
O radical hidroxila (OH–) é a mais reativa das EROs, sendo formado a partir de O2– ou H2O2 na reação de Haber-Weiss. O radical OH– pode reagir potencialmente com todas as moléculas biológicas como DNA, proteínas, lipídeos e praticamente qualquer componente celular. Como as células não possuem mecanismos enzimáticos para eliminar essa espécie altamente reativa, seu acúmulo pode levar à morte celular.
O peróxido de hidrogênio (H2O2) é moderadamente reativo, possui uma longa meia-vida celular (1 ms) e tem a capacidade de difundir-se livremente através das membranas. Tais características fazem desse radical um importante sinalizador intracelular, tendo um papel central em várias vias de sinalização, que levam, principalmente, à tolerância cruzada. Entre os processos induzidos pelo peróxido de hidrogênio estão: fechamento estomático, formação de ligações transversais na parede celular, expressão de genes relacionados a respostas ambientais, biogênese de peroxissomos, dentre outros. Além disso, o H2O2 pode também inativar enzimas por oxidação de seus grupos tiol, induzir enzimas como catalase e peroxidase, provocar danos aos ácidos nucléicos, proteínas e lipídeos.
COMO SÃO FORMADAS AS EROs?
EROs são produzidas em condições normais e em condições de estresse em vários locais, como, nos cloroplastos, mitocôndrias, membranas plasmáticas, peroxissomas, apoplasto, retículo endoplasmático e paredes celulares (Figura 1). E são formadas sempre pelo escape inevitável de elétrons do O2 das reações de de transporte de elétrons nos cloroplastos, mitocôndrias e membranas plasmáticas ou como um subproduto de vários processos metabólicos localizados em diferentes compartimentos celulares
Figura 1: Reações de formação dos diferentes tipos de EROs. Fonte:Sharma et al. (2012)
QUAIS OS EFEITOS PARA AS CÉLULAS VEGETAIS?
Por serem composto que reagem facilmente com outras moléculas, podem levar a oxidação de componentes celulares importantes como membranas celulares, lipídeos e até mesmo do material genético da célula. Essa oxidação leva a desestabilidade das membranas, mutações prejudicias e paralisação de processos metabólicos essenciais à sobrevivência por toxicidade, podendo levar a morte celular.
Figura 2: Efeitos maléficos das EROs Fonte:Sharma et al. (2012)
Por muito tempo, acreditou-se que os EROs estavam unicamente relacionados aos efeitos danosos destas espécies, sendo vasta a literatura que os define como químicos indesejáveis e prejudiciais. Hoje, porém, as EROs, são reconhecidas como moléculas de grande importância no metabolismo, em contraposto, a ideia simplista de suas atuações como produtos tóxicos e agentes danosos às células. As EROs funcionam como uma molécula sinalizadora em plantas sob condições de estresses bióticos e abióticos, estando envolvido no fechamento estomático, gravitropismo radicular, tolerância à deficiência de oxigênio, fortalecimento da parede celular, senescência, produção de fitoalexinas, fotossíntese, abertura estomática e no controle do ciclo celular É importante notar que a função de ser um sinalizador de estresse ou uma molécula prejudicial à célula depende de um equilíbrio entre a produção de EROs e a produção de substâncias antioxidantes, dessa assim a forma mais correta de chamar essas moléculas é de moléculas de sinalização oxidativa.
Figura 3: Sinalização pelas espécies reativas de oxigênio. Fonte: Mittler et al. (2004).
QUAIS AS FORMAS DE CONTROLE?
Diante da maior produção de EROs e, considerando-se os prejuízos causados pelas mesmas, as plantas possuem os sistemas antioxidantes enzimático e não-enzimático. O enzimático é composto pela dismutase do superóxido (SOD), peroxidase do ascorbato (APX) e catalase (CAT), dentre outras, enquanto ascorbato, glutationa e tocoferol são antioxidantes não-enzimáticos. A atividade destes dois sistemas, que atuam na proteção contra danos oxidativos causados durante o alagamento, pode ser controlada pela concentração de O2 na célula.
· SISTEMAS ENZIMÁTICOS:
As enzimas que fazem parte desse sistema são chamadas de enzimas antioxidantes. Estas atuam sincronizadas, convertendo as formas tóxicas em formas não tóxicas.
Dentro das células, a SOD é a primeira linha de defesa contra EROs, realizando a dismutação dos íons superóxido, com a formação de H2O2. Os íons superóxidos são sintetizados em qualquer compartimento celular onde há um transporte de elétrons, portanto a SOD está presente em todos os compartimentos celulares susceptíveis ao estresse oxidativo . A SOD é classificada, de acordo com o seu metal cofator, em diferentes grupos, sendo o tipo e a quantidade de isoformas de SOD variáveis entre espécies vegetais. A FeSOD está presente nos cloroplastos, MnSOD, presente nas mitocôndrias e peroxissomos, e as Cu/Zn-SOD, presentes nos cloroplastos, peroxissomos, no citosol e no espaço extracelular.
A CAT, enzima que possui diferentes isoformas em vegetais, tem a função de neutralizar o H2O2 em água e oxigênio molecular e está presente nos peroxissomas e glioxissomas. Estas são as principais enzimas de destoxificação do H2O2 em plantas e podem dismutar diretamente o H2O2 ou oxidar substratos, tais como metanol, etanol, formaldeído e ácido fórmico. As catalases podem ser dividas em três classes: classe 1, que removem o H2O2 produzido durante a fotorrespiração em tecidos fotossintéticos; classe 2, produzidas em tecidos vasculares e cuja função biológica permanece desconhecida; e classe 3, onde estão as catalases presentes em sementes e plantas jovens, cuja atividade está relacionada à remoção do H2O2 produzido durante a degradação dos ácidos graxos no glioxissoma.
A APX é considerada a enzima mais importante da eliminação de H2O2 no citosol e nos cloroplastos. Essa enzima utiliza ascorbato como seu doador de elétrons para reduzir H2O2 à água, fazendo parte do ciclo ascorbato-glutationa. Este ciclo é uma via eficiente para plantas que apresentam disponível o H2O2 em alguns compartimentos celulares onde não existe catalase presente, como por exemplo, nos cloroplastos. As isoenzimas de APX são distribuídas em pelo menos quatro compartimentos celulares distintos: mitocôndria (miAPX), citosol (cAPX), peroxissomo/glioxissomo (mAPX) e nos cloroplastos (chlAPX). No entanto, nos cloroplastos, a APX ocorre em duas isoformas: a forma da membrana tilacóide (tAPX) e a forma solúvel no estroma (sAPX). A APX da membrana dos tilacóides e a estromal estão envolvidas na eliminação do H2O2 produzido pela fotossíntese e a mAPX e a miAPX eliminam o H2O2 pela fotorrespiração e pela respiração, respectivamente. A função fisiológica da cAPX é de proteção das plantas sob várias condições de estresse.
Figura 4: Rota das espécies reativas de oxigênio e sua remoção nas plantas. Fonte:Sharma et al. (2012)
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SISTEMA NÃO-ENZIMÁTICO
O sistema não-enzimático é composto por proteínas de baixo peso molecular e são subdividos em sistemas associados à membrana ou lipossolúveis e sistemas solúveis em água. Dentre os compostos pertencentes á classe dos lipossolúveis, destacam a vitamina E (α-tocoferol) e os carotenóides. Estes antioxidantes encontram-se presentes na membrana plasmática, como o próprio nome sugere. Eles são mais abundantes nas membranas dos cloroplastos e vacúolos, mas podem estar presentes em outras organelas.
As principais funções relacionadas a elas são a fotoproteção, ou seja, a proteção ao excesso de luminosidade que pode atingir a planta, gerando as espécies acima citadas de oxigênio singleto.
Outra importante função é a preservação das membranas plasmáticas das células, não permitindo que ocorra a perda de integridade da membrana, que é resultado da peroxidação de lipídeos.
O ascorbato é o principal composto hidrossolúvel que participa na remoção dos EROs. Das muitas funções atribuídas ao ácido ascórbico, a mais relevante é o fato deste ser o mais importante antioxidante primário, reagindo diretamente com os radicais hidroxila, superóxido e oxigênio singleto. Além de sua importância na fotoproteção e na regulação da fotossíntese, o ascorbato desempenha um papel importante como antioxidante secundário, atuando juntamente com α-tocoferol.
Para saber mais sobre EROs e suas funções biológicas, clique abaixo:
Reactive Oxygen Species, Oxidative Damage, and Antioxidative
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