Stressul oxidativ si efortul fizic

    În ultimii 30 de ani cercetările privind efectele fiziologice ale activităţii fizice au traversat rapid graniţa de la organ la celulă, concetrându-se în ultimul deceniu  pe domeniile subcelulare şi moleculare (Kenneth 2000, Allen 2008).
    La sfârşitul anilor 60 şi începutul anilor 70 cercetările în ceea ce priveşte efectele fiziologice ale activităţii fizice s-au raportat în primul rând la nivel de  organ, în principal din cauza instrumentelor şi metodelor biochimice de  monitorizare.
    Următoarea etapă denumită adesea şi era “biochimiei exerciţiului fizic”  a durat  aproximativ 15 ani timp în care au fost puse la punct metode biochimice şi tehnici de analiză experimentală.
   Începând cu anul 1987 cercetările în domneniul fiziologiei efortului fizic au evoluat într-un ritm rapid, în prezent comunitatea ştiinţifică  vorbeşte despre un nou termen “ştiinţa moleculară a exercţiului fizic” termen ce defineşte cunoaşterea stadiului actual a mecanismelor fiziologice a exerciţiului fizic (Blair 1999, Kenneth 2000).
  Activitatea fizică este recunoscută ca fiind o componentă importantă a stilului de viaţă sănătos, recomandarea vine din partea oamenilor de ştiinţă şi a clinicienilor.
   Exerciţiul fizic de intensitate moderată este recomandat pentru îmbunătăţirea capacităţiilor fiziologice şi funcţionale a multor organe la vârstnici (Rhodes 2000 si  Marzena 2006 după Allen 2008).
   Exerciţiul fizic regulat pare să întârzie alterarea proceselor fiziologice a celulelor, respectiv acumularea moleculelor semnal pentru începerea programului de moarte celulară programată (Kirkwood 2002, Radak 2001).
   Există peste 300 de teorii cu privire la moartea celulară programată. Teorii care susţin că senescenţa celulară şi implicit moartea celulară programată ar surveni în urma unor procese/evenimente neprogramate sau sub acţiunea factorilor genetici.
   D. Harman 1956, postulează ideea că singurul gaz compatibil vieţii, oxigenul generează specii reactive deosebit de agresive/nocive pentru  celule (teoria radicalilor liberi în senescenţa celulară).
    Celulele produc continuu radicali liberi ai oxigenului secundar, ca urmare a proceselor metabolice  (Urso 2003).
    Paradoxal, exerciţiul fizic reprezintă o veritabilă sursă de radicali liberi, ca urmare a intensificării proceselor metabolice şi a consumului de oxigen (Antoni 2005, Christopher 2004,  Powers 2007).
    Radicalii liberi ai oxigenului sunt molecule sau fragmente moleculare  tranzitorii de mare complexitate deosebit de reactive, care  conţin unul sau mai mulţi electroni impari.
    Oxigenul este un aceptor universal de electroni care permite organismelor aerobe să utilizeze energia înmagazinată în carbohidraţi, grăsimi şi proteine. Este larg acceptat şi experimental dovedit că în timpul acestui  proces catabolic pot rezulta atât radicali liberi ai oxigenului, cât şi diferite alte forme secundare de radicali.

    Termenul de specii reactive ale oxigenului este un termen general care se referă nu numai la “radicalul oxigen central”, ci include de asemenea şi alte specii chimice reactive ale oxigenului denumite falşii radicali (Halliwell 2007).

    Radicalii liberi ai oxigenului sunt: radicalul superoxid, radicalul hidroxil, radicalul peroxid de hidrogen (apa oxigenată) şi oxigenul singlet.

    Radicalul superoxid - este cel mai cunoscut şi studiat radical liber al oxigenului, se pare că este primul intermediar al activării oxigenului pe calea reducerii univalente. Acest radical al oxigenului este unic prin faptul că poate reacţiona cu alte specii chimice ale oxigenului rezultând radicalii liberi secundari deosebit de dăunători pentru sistemele biologice.
   Roth şi Droge (1991) au arătat că radicalul superoxid activează celulele-T care vor  creşte secreţia unor factori implicaţi în creşterea musculară, cât şi a interleukinei-2.
   Denhman şi Harman a sesizat că in vivo, radicalii superoxid pot lua naştere în urma multiplelor reacţii enzimatice incomplete  (Allen 2008).
    La pH fiziologic, radicalul superoxid are o viaţă scurtă de ordinul milisecundelor, dar are o mare proprietate de a penetra biomembranele (Salvador 2001).
În organism, radicalii superoxid pot fi generaţi în numeroase procese şi reacţii încă insuficient cunoscute o parte din ele.

   Radicalul Hidroxil- este cea mai puternică specie reactivă  a oxigenului, reacţionează cu viteze mari cu absolut orice moleculă organică.
Radicalii hidroxil pot fi generaţi în sistemele biologice pe mai multe rute/ căi:
1) descompunerea H₂O₂  via reacţia Fenton;

2) secundar în urma interacţiunii radicalului superoxid cu  peroxidul de hidrogen reacţia Haber-Weiss;

3) interacţiunea dintre metalele tranzitorii exemplu cuprul şi radicalul peroxid de hidrogen.

    Radicalul hidroxil are o viaţă extrem de scurtă  din această cauză este radicalul cel mai puţin studiat şi despre care se ştiu foarte puţine amănunte moleculare (Byung 1994).

  Radicalul peroxide de hidrogen- este cea mai stabilă formă derivată din O₂, permeabilă pentru membranele celulare şi are o viaţă lungă în celulă. Este citotoxic, şi considerat un foarte bun agent de oxidare. H₂O₂ reacţionează cu ioni metalici (reacţia Haber-Weiss), rezultatul acestor reacţii fiind apariţia radicalului hidroxil.
   Radicalul peroxid de hidrogen rezultă în urma reacţiei de dismutare a radicalilor superoxid, reacţie spontană sau catalizată de enzima superoxid dismutaza.

  Oxidul nitric NO- Deşi nu este un radical liber al oxigenului, NO este o importantă moleculă semnal implicată în diferite procese fiziologice şi fiziopatologice.
Oxidul nitric este sintetizat din aminoacidul L-arginina (aminoacid esenţial izolat pentru prima dată în 1886) în multe linii celulare, sub acţiunea NOS (oxid nitric sintetaza).

  NOS se prezintă sub trei izoforme: NOS-1 prezentă la nivelul ţesutului nervos, NOS-2 enzima inductibilă, predominantă în stări inflamatorii şi NOS-3 cu origine în celulele endoteliale.
  NO reacţionează cu unele metale tranziţionale, în celulă se leagă de diverşi ioni metalici şi participă la activarea a numeroase enzime, exemplu, activarea guanilat-ciclaza de către NO conduce la transformarea GTP în GMPc. Această legătura între NO şi diferiţi ioni metalici nu numai că reprezintă  un mecanism major de acţiune, dar apare şi joacă de asemenea, un rol major în inactivarea sa prin legare la ionul de fier din hemoglobină.
  NO reacţionează şi cu radicalul superoxid rezultând o specie chimică deosebit de reactivă, radicalul peroxinitrit (ONOO-).

   Descoperirea ca NO este o importantă moleculă semnal la nivelul sistemului nervos central a schimbat total concepţia cercetătorilor care până  în deceniul trecut credeau că bariera hemato encefalică nu poate fi trecută de precursori NO (Juan 2002).
   În ceea ce priveşte semnalizarea neuron-neuron (sinapsa) s-au identificat mai multe izoforme ale NOS-1 şi anume: n NOS α, n NOS β, n NOS γ, n NOS μ, n NOS-2 enzime secretate de diferite celule nervoase localizate în diferite regiuni encefalice (Alderton 2001, Gibson, 2001, Nakane, 1993, Silvagno, 1996).
  Se pare că activitatea n NOS este dependentă de concentraţia  Ca ²⁺  liber citosolic care stimulează interacţiunea  cu calmodulină (Knowles 1989, Sheng 1992, Komeima 2000).
  NO este implicat în numeroase căi de semnalizare interneuronală (NO se leagă de receptori NMDA) ce formează căile aferente şi eferenţe nociceptive (Mao 1999, Mayer 1999).
  Majoritatea informaţiilor pledează pentru prezenţa n NOS la nivelul sistemului circulator encefalic, în celulele gliale, dar predominantă în corpurile neuronilor unde participă la menţinerea homeostaziei cerebrale (Bredt 1990). Se pare că, dacă trec prin perioade scurte de ischemie neuronii sintetizează în exces NOS în vederea stabilizării fluxului sanguin prin intermediul NO care este un puternic vasodilatator  (Iadecola 1995).
  La nivel muscular, alterarea semnalului chimic produs de NO duce la apariţia multor traume musculare, datorate activităţii metabolice crescute a muşchiului (Stamler 2001).
  Se pare că una din cauzele apariţiei distrofiei musculare Duchenne ar fi alterarea echilibrului dintre NOS intra şi extracelular pe deoparte, iar pe de altă parte, alterarea semnalului mediat de NO (Brenman 1995).
  Fiind implicat în foarte multe căi de semnalizare celulară NO este indispensabil funcţionării în limite fiziologice normale a organismului, dar în concentraţii mari se leagă de grupările –SH, activează enzime mari consumatoare de energie, produce alterări ale ADN-ului, participă la oxidarea hemoglobinei şi mioglobinei.
  În timpul reperfusiunii ischemice este secretată o mare cantitate de NO care reacţionează cu radicalul superoxid şi produce o specie chimică deosebit de toxică, radicalul peroxinitrit.
    NO participă la coagularea sângelui, stimulează factori de coagulare.
  NO activează sinteza proteică şi măreşte masa musculară prin stimularea secreţiei hormonului  de creştere.

  Radicalul peroxinitrit- Reacţia dintre radicalul superoxid şi NO conduce la apariţia unei noi specii chimice de mare importanţă în procesele fiziopatologice şi anume radicalul peroxinitrit.

   Reacţia ce conduce la apariţia radicalului peroxinitrit este de trei ori mai rapidă decât reacţia de dismutare a radicalului superoxid cu formare de radical peroxid de hidrogen, acest fenomen este mai rapid chiar şi decât interacţiunea dintre  NO şi proteina hem.
  Radicalul peroxinitrit este clasificat ca făcând parte din speciile reactive ale azotului, care include de asemenea NO şi N₂O₃ .
 
  Hipercloritul-  Rezultă în urma reacţiei dintre H₂O₂ şi Cl^- , reacţie catalizată de mieloperoxidaza.

 Hipercloritul este predominant format de neutrofile şi poate aduce prejudicii unei game variate de biomolecule, oxidează tioli, lipidele, acidul ascorbic şi NADPH-ul rezultând diferiţi compuşi secundari de mare importanţă fiziopatologică (Halliwell 2007).
  Mai mult decât atât, în formă acidă pot traversa membrana celulară, acea structură de mare complexitate biochimică şi pot intra în interacţiune cu  toate biomoleculele existente în celulă participând activ la procesul de “apoptoză grăbită” a celulei.

  Specii de radicali secundari- După cum am arătat anterior, radicalii liberi sunt specii chimice de mare complexitate care conţin unul sau mai mulţi electroni impari şi care prezintă o serie de particularităţi (prezintă sarcină electrică (+, -, neutru), conţin unul sau mai mulţi electroni impari, posedă o foarte mare reactivitate chimică ).
  Aceşti radicali in vivo provin din oxigen şi azot şi se numesc specii reactive ale oxigenului respectiv, specii reactive ale azotului.
  Conform principiului II al termodinamicii, orice sistem tinde să atingă mai repede sau mai încet o stare de repaus de echilibru, conform acestui principiu şi RL reacţionează cu o gamă variată de biomolecule în vederea obţinerii  stării de echilibru.
  Radicalii liberii se prind specific de o gamă largă de specii biochimice şi induc o serie de reacţii în lanţ din care rezultă diferiţi produşi intermediari (specii reactive secundare) deosebit de toxice pentru sistemele biologice.
  Un exemplu de specii reactive secundare sunt intermediari obţinuţi în urma peroxidării lipidelor. Deci radicalii liberi ai oxigenului acţionează odată asupra lipidelor şi secundar prin produşi intermediari  obţinuţi în urma cascadei de reacţii.
  Dacă ar fi să analizăm  constituienţii celulari, am vedea că un procent de peste 60-65% îl deţin lipidele care intră în structura biomembranelor şi nu numai.
 În cele ce urmează, voi prezenta schema peroxidării lipidelor.

           
   În mod normal, NO este o moleculă puternic vasodilatatoare, în condiţii de ischemie la nivel vascular sunt secretate mari cantităţi de radicali superoxid capabili să reacţioneze cu NO secretat în cantităţi sporite, rezultând un intermediar deosebit de toxic radicalul peroxinitrit.