11.2.1 Radicais livres

quantidades de coenzimas reduzidas (Seção 16.2.1), fornece água, além de energia — para cada par de elétrons transferidos do NADH e do FADH2 para o oxigênio, há produção de uma molécula de H2O, além de ATP a

partir de ADP e fosfato (Seção 11.3), síntese esta que forma mais três moléculas de H2O no caso do NADH e duas, para o FADH2.

Os complexos transportadores de elétrons podem formar supercomplexos

O modelo de organização da cadeia respiratória segundo o qual os complexos transportadores de elétrons encontram-se dispersos na membrana interna da mitocôndria, sendo conectados pelos transportadores móveis (ubiquinona e citocromo c) é amplamente aceito. Todavia, trabalhos recentes demonstram, em diversos organismos, a existência de estruturas supramoleculares, formadas pela união de complexos específicos, denominadas supercomplexos respiratórios ou respirassomos. Essas estruturas propiciariam a redução da distância para a difusão dos transportadores móveis, otimizando o fluxo de elétrons entre os complexos. Além das vantagens cinéticas, impediriam a formação excessiva de radicais livres. A associação entre os complexos é fortemente influenciada pela composição de lipídios da membrana que, por sua vez, depende dos lipídios

presentes na dieta (Seção 18.2.4). Como há controvérsias sobre esta nova proposição, o primeiro modelo é o considerado neste texto.

11.2.1 Radicais livres

A redução parcial do oxigênio gera radicais livres

A transferência de quatro elétrons ao oxigênio, processada no Complexo IV, resulta na sua redução a água, por associação a quatro prótons. Todavia, à medida que os elétrons percorrem a cadeia respiratória, pode haver vazamento de elétrons que promovem a redução monoeletrônica do O dissolvido na matriz mitocondrial, originando radicais livres, que 2

podem causar dano severo às células.

Radical livre é uma espécie química capaz de existência independente (daí a denominação livre) e que contém um ou mais elétrons não pareados no orbital externo. Essas espécies, em geral, são instáveis (meia-vida da ordem de nanosegundos) e altamente reativas; ao reagirem com uma molécula, geram outro radical livre, iniciando uma reação em cadeia. Sua fórmula química é acompanhada de um ponto, representando o elétron não pareado. Alguns exemplos são o ânion radical superóxido e o radical hidroxila.

A adição de um elétron ao oxigênio molecular origina o ânion radical superóxido que, recebendo um elétron, gera o ânion peróxido; este protona-se, originando o peróxido de hidrogênio. O peróxido de hidrogênio é um oxidante potente e, embora não seja um radical livre, pode originar o radical hidroxila, um dos radicais livres mais reativos conhecidos.

O ânion radical superóxido, o peróxido de hidrogênio e o radical hidroxila são chamados, conjuntamente, de espécies reativas de oxigênio (ROS, da denominação inglesa).

Em contraposição à geração de radicais livres por transferência monoeletrônica ao oxigênio dissolvido, a redução do oxigênio a água, catalisada pela citocromo c oxidase, apesar de envolver transferências de um elétron, ocorre sem que haja liberação de formas parcialmente reduzidas de oxigênio — os intermediários da reação permanecem firmemente ligados ao centro ativo da enzima, até que a água seja produzida. Por outro lado, há produção do radical superóxido nos Complexos I e III (em plantas, também no Complexo II), por reação da forma semiquinona da coenzima Q ou do FMN com oxigênio. Este processo é intensificado quando o gradiente

eletroquímico torna-se elevado, por falta de ADP (Seção 11.4): a inibição resultante da cadeia de transporte de elétrons acarreta um aumento da meia-vida de intermediários com elétrons não pareados, capazes de reduzir O a 2 O •– 2.

A cadeia de transporte de elétrons mitocondrial é considerada, geralmente, como a maior fonte endógena de espécies reativas de oxigênio. Todavia, também são formadas em quantidades significativas nos peroxissomos, no retículo endoplasmático e nas membranas celulares. Fatores externos ao organismo, como radiação cósmica, poluição ambiental e muitas drogas também podem levar à produção de radicais livres.

A formação de espécies reativas de oxigênio é um processo natural e inevitável nos organismos aeróbios. Estima-se que de 0,1 a 2% do oxigênio consumido por mitocôndrias seja convertido em radical superóxido, embora esses valores sejam questionados. Pelo dano que as espécies reativas de oxigênio provocam nas moléculas e, por consequência, nas estruturas celulares, presume-se que as células não seriam viáveis se não dispusessem de processos para decompô-las. Realmente, as células aeróbias dispõem de sistemas para a dissipação de radicais livres, que incluem enzimas e antioxidantes de baixa massa molar, e também de proteínas desacopladoras

(Seção 11.5) para minimizar a sua produção na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial.

A reação de decomposição chama-se dismutação e consiste na reação entre dois radicais livres, gerando produtos não radicalares. Uma das enzimas capazes de promover esta reação é a superóxido dismutase, que catalisa a dismutação de radicais superóxidos:

O •– •– 2 + O 2 + 2 H+ → O2 + H2O2

A enzima é encontrada em todas as células aeróbias. Coerentemente, as bactérias anaeróbias estritas não sintetizam esta enzima.

A catalase decompõe peróxido de hidrogênio em oxigênio e água:

2 H O → O + 2 H O 2 2 2 2

A ação conjunta da superóxido dismutase e da catalase converte superóxido em água.

Outra enzima que catalisa a redução de H2O2 e de peróxidos de lipídios

é a glutationa peroxidase, descrita na Seção 12.3.

Além de enzimas, o organismo humano conta com uma segunda linha de proteção contra as espécies reativas de oxigênio: os antioxidantes de baixa massa molar (em comparação com as enzimas). São compostos presentes nos alimentos de origem vegetal, dentre os quais se destacam: as

vitaminas A,C, E (Seção 18.4), os carotenos (β-caroteno, precursor da

vitamina A — Seção 15.2 —, e licopeno), os polifenóis (resveratrol e flavonoides) etc. A eficácia da utilização desses antioxidantes para impedir os efeitos nocivos das espécies reativas de oxigênio, apesar de intensamente pesquisada, permanece inconclusiva.

Em condições normais do metabolismo celular, os mecanismos de defesa contra radicais livres permitem homeostase. Mas, quando há um aumento na produção dessas espécies, a capacidade protetora das enzimas e dos antioxidantes é ultrapassada, resultando em estresse oxidativo.

Como as espécies reativas de oxigênio reagem indiscriminadamente com uma grande variedade de componentes celulares e causam danos cumulativos, elas têm sido implicadas na etiologia do envelhecimento, de doenças neurodegenerativas (doenças de Parkinson e de Alzheimer) e cardiovasculares, de câncer etc. Os antioxidantes, há mais de 30 anos, vêm sendo testados como potenciais agentes na prevenção de tais doenças. Entretanto, a conclusão de estudos epidemiológicos amplos em seres humanos é que não trazem benefícios importantes e podem até ser danosos; por exemplo, a vitamina C, em doses elevadas, atua como pró-oxidante. Assim, os conhecimentos atuais não permitem recomendar suplementação desses antioxidantes.

As espécies reativas de oxigênio também têm funções biológicas importantes

O conceito tradicional de que as espécies reativas de oxigênio (ROS) atuem unicamente como agentes oxidantes, levando à disfunção de órgãos e tecidos, tem sido revisto. Na realidade, elas desempenham um duplo papel nas células aeróbias, atuando também como importantes entidades sinalizadoras em diversos processos fisiológicos essenciais. Ainda mais, os organismos são capazes de utilizar a alta reatividade das ROS, de maneira controlada, em situações específicas.

O exemplo clássico de uma função essencial desempenhada pelas ROS é o combate a infecções bacterianas. Nas células do sistema imunológico, como neutrófilos e macrófagos, uma enzima muito ativa, a NADPH oxidase, catalisa a transferência de elétrons do NADPH ao oxigênio, com produção de grandes quantidades de radical superóxido e água oxigenada, que eliminam as bactérias fagocitadas.

As NADPH oxidases são uma família de enzimas, cuja função primária é a produção de ROS. Diferem da maioria das enzimas que produzem ROS como um subproduto de sua atividade catalítica normal, como as da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial. A descoberta de que as NADPH oxidases são expressas na maioria das células de mamíferos levou à verificação da participação das ROS na regulação de muitos processos, como migração e proliferação de células, modificação pós-tradução de proteínas, modulação de cascatas de sinalização, síntese de hormônios etc.