capítulo estresse oxidativo hermes lima (1)

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� cada dia, a mídia e a internet divulgam mais e mais informações
relacionadas ao bem-estar e saúde. Muitas coisas têm sido afirmadas sobre o
papel de dietas com suplementação de vitaminas (como as vitaminas antioxi-
dantes C e E) e sais minerais (como, por exemplo, o selênio) na prevenção de
doenças, a exemplo do câncer e das doenças cardíacas. Um mercado
multimilionário de suplementos alimentares, dietas milagrosas, medicina
ortomolecular (hoje sob controle mais rígido do Conselho Federal de Medici-
na) e outras práticas clínicas alternativas tem sido estabelecido, com bases
científicas ainda incipientes. Isso porque muitos resultados científicos obtidos
em tubos de ensaios e com animais de laboratório nem sempre são diretamente
aplicáveis a seres humanos. Ainda há muito a se pesquisar sobre a efetividade
e o papel de dietas e suplementos alimentares em relação à saúde e à preven-
ção de doenças. Por outro lado, há evidências científicas sólidas de que muitos
dos mecanismos envolvidos no desenvolvimento do processo natural de enve-
lhecimento e de muitos tipos de patologias humanas (ver adiante) costumam
apresentar algo em comum: a participação de átomos ou moléculas altamente
reativos, capazes de promover modificações em todos os tipos de moléculas
do organismo. Esses átomos ou moléculas altamente reativos são chamados
de radicais livres.
Os radicais livres possuem um ou mais elétrons desemparelhados no seu
orbital mais externo, sendo que esse elétron desemparelhado ocupa sozinho
um orbital atômico ou molecular. Esse elétron não-emparelhado torna o áto-
mo extremamente instável. Na tentativa de estabilizar-se, ele “rouba” um elé-
tron de outro átomo (lembre-se da regra do octeto, da química de ensino mé-
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dio). Em sistemas biológicos (no nosso organismo por exemplo), os radicais
livres “roubam” os elétrons das biomoléculas que estão à sua volta, ou seja,
proteínas, lipídios, carboidratos e ácidos nucléicos. Cada vez que uma biomo-
lécula perde um elétron, ela sofre uma modificação na sua forma e função,
podendo perder sua utilidade para o organismo. Além disso, a biomolécula
pode tornar-se também um radical livre, propagando uma cadeia de geração
de radicais livres e aumentando os efeitos prejudiciais ao organismo.
Tem-se comprovado que diversas condições podem aumentar a geração
de radicais livres, como o consumo de cigarro e álcool, infecções, câncer, dia-
betes, hiperglicemia, hipertensão arterial, exercício físico extenuante, estresse,
poluição, radiação... Mas os radicais livres não são completamente “maus” e
podem ser utilizados por alguns tipos celulares (células do sistema imune) no
combate a microrganismos que invadem nosso organismo.
Será que o organismo tem alguma proteção contra todos os efeitos preju-
diciais desses átomos e moléculas altamente reativos? Como e em que condi-
ções essas moléculas são produzidas? Como surgiram os radicais livres? Nes-
te capítulo, pretendemos responder a essas perguntas e ainda discutir o papel
de radicais livres e sistemas de defesa anti-radicais livres no processo de enve-
lhecimento natural e em duas situações patológicas em humanos (câncer e
isquemia).
Discutiremos ainda os mecanismos bioquímicos de adaptação de animais
(certos gastrópodes e vertebrados inferiores) naturalmente tolerantes a imen-
sas flutuações na concentração de oxigênio, o que leva à formação de radicais
livres. Esses animais têm servido como modelo de estudo para a compreensão
dos processos naturais de defesa e prevenção contra radicais livres.
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Acredita-se que o surgimento dos primeiros organismos capazes de reali-
zar fotossíntese tenha promovido uma grande modificação da atmosfera na
Terra primitiva. Alguns estudos indicam que a atmosfera primitiva apresenta-
va uma composição bem diferente da atual, contendo grande quantidade de
gás carbônico (CO2), nitrogênio, vapor d’água, amônia e possivelmente metano,
mas não contendo ainda oxigênio livre. Os organismos fotossintetizantes pas-
saram a utilizar o vapor d’água e a energia luminosa do Sol, convertendo-os
em energia química através da produção de carboidratos [(CH2O)n] e produ-
zindo o oxigênio (O2; também chamado de dioxigênio pelos químicos).
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O oxigênio é uma molécula altamente versátil e permite a ocorrência de
uma série de reações, onde há troca de elétrons entre os átomos, o que leva a
um aumento da versatilidade química. Dessa forma, o aumento de sua concen-
tração na atmosfera possibilitou que diversos organismos aproveitassem sua
potencialidade. Assim, durante bilhões de anos os organismos evoluíram, e o
aperfeiçoamento de seus processos metabólicos culminou em um metabolis-
mo aeróbico, dependente do O2. O metabolismo aeróbico apresentou várias
vantagens em relação ao anaeróbico (realizado na ausência do O2), incluindo
um melhor aproveitamento da energia útil derivada dos alimentos. No meta-
bolismo aeróbico são produzidas 36 moléculas de ATP (molécula de armaze-
namento de energia química da célula) para cada molécula de glicose oxidada,
enquanto no metabolismo anaeróbico são produzidas apenas duas moléculas
de ATPs por cada glicose utilizada.
Para que as células aeróbicas produzam ATP, elas têm que reduzir o O2
completamente, transformando-o em água. Esse processo, na maioria dos or-
ganismos aeróbicos, é realizado por uma organela específica, a mitocôndria.
Mais de 90% do oxigênio consumido pelos animais, incluindo mamíferos, é
usado pela mitocôndria na adição de quatro elétrons a cada molécula de O2,
formando duas moléculas de água.
Entretanto, esse O2 pode ser reduzido incompletamente (receber menos
de quatro elétrons), originando intermediários altamente reativos e danosos às
células: o peróxido de hidrogênio (H2O2) e os radicais livres superóxido (O2-)
e hidroxil (•OH) (ver reações 2). Estima-se que de 1% a 4% do O2 consumido
pelos mamíferos seja convertido a O2- e H2O2 devido a falhas fisiológicas na
mitocôndria, que permitem que elétrons escapem sem que sejam transferidos
para o oxigênio.
O2 _(e-)_> O2- (2H+, e-)-> H2O2 –(e-)-> •OH _(e-)_> OH- –(H+)-> H2O [2]
Como já mencionado, atualmente sabe-se que os radicais livres estão re-
lacionados a diversos processos patológicos, como cirrose hepática, acidentes
vasculares-cerebrais (conhecidos como derrames), infarto do miocárdio, angi-
na, patologias do sistema nervoso (como a doença de Alzheimer e o mal de
Parkinson) e vários tipos de câncer e de processos inflamatórios (como a artri-
te reumatóide), além do processo de envelhecimento natural. Assim, torna-se
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um grande paradoxo que o oxigênio, embora seja essencial para nossa vida,
seja também (desde a vida intra-uterina) um produtor de moléculas altamente
reativas que podem danificar as diferentes estruturas celulares, o que, por sua
vez, pode originar graves patologias.
Entretanto, para evitar os danos oxidativos promovidos pelos radicais li-
vres, ocorreu nos organismos aeróbicos uma coevolução de um sistema de
defesa antioxidante para evitar e/ou destoxificar os danos intermediados pelo
O2. E é justamente o equilíbrio entre as defesas antioxidantes e a produção de
radicais livres que mantém o limiar entre a saúde e muitas doenças.
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Como já foi definido, um radical livre é um átomo ou molécula que, capaz
de existência independente, contém um ou maiselétrons desemparelhados no
seu orbital mais externo. E é justamente por possuírem esse elétron desempa-
relhado que os radicais se tornam altamente reativos, interagindo rapidamente
com proteínas, lipídios, carboidratos e ácidos nucléicos.
No nosso organismo são produzidos radicais livres de carbono, enxofre,
nitrogênio e oxigênio, mas entre todos esses os que ganham mais destaque,
devido à reatividade e aos danos que podem causar, são os radicais derivados
do oxigênio. Esses radicais de oxigênio são produzidos principalmente na
mitocôndria, como já comentado acima, mas também podem ser gerados em
muitos outros compartimentos celulares através da ação de várias enzimas (in-
cluindo enzimas de membrana de células do sistema imune) e da oxidação de
pequenas biomoléculas por O2.
Os principais radicais de oxigênio são o superóxido (O2-) e o hidroxil
(•OH), mas essas duas moléculas têm características diferentes. O O2- apresen-
ta reatividade menor e por isso pode difundir-se a distâncias consideráveis até
encontrar um alvo. Além disso, ele pode provocar grandes danos celulares
através da formação de radicais •OH.
O radical •OH é uma das espécies químicas de maior reatividade conheci-
da. Reage com elevadíssima velocidade com todo tipo de moléculas celulares
(ver esquema 1). Em função da alta reatividade, o radical •OH apresenta pe-
quena difusão, provocando danos nas proximidades dos locais onde é gerado.
O radical •OH pode ser formado a partir do radical O2- e do H2O2 através de
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um processo químico conhecido como reação de Haber-Weiss (reação 5, des-
crita pela primeira vez por químicos nos anos 1930).
Fe(II) + H2O2 � Fe(III) + OH– + •OH [3] (reação de Fenton)
Fe(III) + O2– � Fe(II) + O2 [4]
O2- + H2O2 � O2 + OH– + •OH [5] (reação de Haber-Weiss)
Embora não seja um radical livre, o H2O2 é uma molécula bastante reativa,
podendo promover a oxidação de algumas biomoléculas (o H2O2 é colocado
no “bolo” dos radicais livres apenas para simplificar as explicações biológicas
ou clínicas). O H2O2 pode ser formado a partir do radical O2- ou como um
subproduto de enzimas oxidases, e pode interagir com íons de metais de tran-
sição (como ferro e cobre) presentes na célula originando o radical •OH (rea-
ção 3, acima).
Dessa forma, a toxicidade de O2- e H2O2 é devida, principalmente, à for-
mação de radicais •OH, o que depende, em sistemas biológicos, da presença de
íons ferro ou cobre. Portanto, a natureza e local dos danos celulares provoca-
dos por •OH vão depender da presença de pequenas quantidades de metais de
transição.
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Como já tínhamos mencionado, os radicais livres podem interagir com
todas as biomoléculas celulares. Ao oxidá-las, podem fazer com que as
biomoléculas percam total ou parcialmente sua função, o que, por sua vez,
pode afetar o metabolismo celular. A oxidação do DNA pode provocar quebra
da dupla fita e modificações de bases nitrogenadas, o que pode acarretar pro-
cessos mutagênicos e carcinogênicos.
A ação de radicais livres sobre as membranas biológicas promove reações
em cadeia, gerando radicais lipídicos. A oxidação de lipídios de membrana
por radicais de O2 (fenômeno conhecido como peroxidação lipídica) altera a
fluidez da membrana e pode levar ao seu rompimento. O rompimento de mem-
branas de determinadas organelas pode provocar a liberação de proteases
(enzimas digestivas) e íons cálcio, podendo induzir a degradação celular. Além
disso, os lipídios oxidados podem ser quebrados em moléculas menores (como
determinados aldeídos) que por si só são tóxicas à célula.
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Os radicais livres podem promover diversas alterações na estrutura das
proteínas através de modificações em seus aminoácidos, promovendo altera-
ções conformacionais, alterações de atividade enzimática e mesmo a quebra
de ligações peptídicas (ligações entre os aminoácidos de uma proteína). A
oxidação de lipoproteínas plasmáticas de baixa densidade (LDLs) por radicais
livres é um fenômeno importante na etiologia da arteriosclerose.
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Embora toda vez que respiremos seja formada uma pequena quantidade
de radicais de oxigênio, somente em condições especiais são desencadeados
processos patológicos. Mas por quê?
À medida que os organismos aeróbicos passaram a aperfeiçoar seu meta-
bolismo para a utilização do O2, eles começaram a enfrentar o efeito tóxico
das espécies reativas. Aqueles seres que eventualmente conseguiram uma for-
ma de defender-se ou evitar a produção das espécies reativas de O2 minimizaram
os efeitos deletérios e puderam proliferar. Dessa forma, atualmente os organis-
mos aeróbicos possuem um complexo sistema de defesa antioxidante,com
uma parte enzimática e uma parte não-enzimática, que agem de forma conjun-
ta e dinâmica em sua defesa.
Um antioxidante é definido como qualquer substância que, quando pre-
sente em baixas concentrações (em comparação à concentração de uma subs-
tância oxidável), retarda ou inibe a velocidade de oxidação do substrato.
Antioxidantes não-enzimáticos incluem as vitaminas E (α-tocoferol) e C
(ácido ascórbico), e moléculas como o β-caroteno e glutationa (GSH). Esses
antioxidantes agem principalmente quebrando a cadeia de reação oxidativa,
interrompendo a propagação das reações produtoras de radicais (radicalares).
Além desses compostos, as plantas também têm uma série de polifenóis (mo-
léculas complexas contendo muitos grupamentos fenol em sua estrutura, entre
elas os flavonóides) que agem em seu sistema antioxidante. É de amplo co-
nhecimento que o vinho tinto é muito rico em polifenóis.
A vitamina C é necessária como co-substrato de várias enzimas e pode
agir como agente doador de elétrons (agente redutor), o que permite que parti-
cipe da destoxificação de vários radicais. A vitamina E, por sua vez, é solúvel
em lipídios, sendo efetiva na inibição da propagação da oxidação dessas
biomoléculas por radicais de O2.
A glutationa é um tripeptídeo importante no sistema de defesa antioxidante,
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agindo como um seqüestrador de radicais hidroxil e co-substrato de algumas
enzimas antioxidantes. Um outro importante mecanismo de defesa é obtido
através de proteínas que se ligam a metais de transição (ferro ou cobre) e, com
isso, reduzem a concentração desses íons, evitando assim a formação de radi-
cais livres pela reação de Fenton (reação 3, acima). Exemplos desse tipo de
proteínas são a transferrina, proteína transportadora de ferro no plasma; a
ferritina, proteína armazenadora de ferro do citoplasma celular; e a ceruloplas-
mina, proteína plasmática transportadora de cobre.
A parte enzimática é constituída pelas enzimas superóxido-dismutase,
catalase, glutationa-peroxidase dependente de selênio (SeGPx), glutationa-S-
transferase e glutationa-redutase, que agem de forma coordenada (ou orques-
trada, de acordo com alguns autores mais poéticos) na defesa contra espécies
reativas (ver esquema 1).
A enzima superóxido-dismutase catalisa a degradação do radical O2- em
H2O2 e O2 e possui múltiplas formas, dependendo do tipo de metal ao qual
está associada (cobre, zinco, manganês, ferro). Apesar de produzir uma espé-
cie reativa, o H2O2, isso é vantajoso para a célula, porque o peróxido é uma
espécie menos reativa que o superóxido, além de ser degradado por outras
duas enzimas.
Uma das enzimas que realiza a degradação de H2O2 é a catalase, levando
à formação de H2O e O2 (ver esquema 1). Ela está presente em quase todos os
organismos aeróbicos e em algumas células anaeróbicas. É uma enzima com
importante papel no controle de processos de oxidação em tecidos quando
ocorre um aumento na concentração de H2O2 celular.
A enzima glutationa-peroxidase dependente de selênio (SeGPx) catalisa
a degradação de diversos peróxidos, incluindo o H2O2, através da oxidação do
peptídeo glutationa, formando glutationa na forma oxidada (ver esquema 1).
Por sua vez, a glutationa oxidada pode ser regenerada pela enzima glutationa-
redutase, mantendo um equilíbrio celular entre as formas oxidada e reduzida
da glutationa. A glutationa-redutase e a SeGPx são encontradas tanto no
citoplasma como nas mitocôndrias das células.
A glutationa-redutase, durante sua ação, consome uma molécula chama-
da de NADPH, que por sua vez precisa ser produzida pela célula. A enzima
glicose-6-fosfato-desidrogenase (ver esquema 1) é uma das responsáveis pela
produção do NADPH celular. Apesar de não ser uma enzima antioxidante,
essa enzima tem mostrado-se importante na resposta adaptativa contra radi-
cais de O2.
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Outro antioxidante enzimático é a glutationa-S-transferase, que constitui
uma família de isoenzimas (enzimas com estrutura e atividade semelhantes) e
catalisa a junção do peptídeo glutationa (forma reduzida) com alguns compos-
tos estranhos ao organismo (drogas, pesticidas etc.) ou com componentes ce-
lulares danificados oxidativamente. A glutationa-S-transferase apresenta tam-
bém atividade glutationa-peroxidase independente de selênio, podendo redu-
zir peróxidos orgânicos.
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O estresse oxidativo ocorre quando há uma falta de equilíbrio dinâmico
(ou “desbalanço” na linguagem dos pesquisadores) entre a produção de oxi-
dantes e a concentração de defesas antioxidantes, levando a danos celulares. O
estresse oxidativo pode ocorrer pela elevada produção de radicais livres, pela
diminuição das defesas ou por ambos os processos simultaneamente.
Como já mencionado, os agentes oxidantes são formados no processo
normal do metabolismo, mas, em algumas condições patológicas, eles podem
ser produzidos em excesso, levando ao estresse oxidativo e à possível morte
celular. Uma série de processos patológicos (como câncer e isquemia) e não-
patológicos (envelhecimento) estão associados ao estresse oxidativo.
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O envelhecimento biológico é caracterizado por um conjunto de fatores
endógenos (moleculares, celulares, tissulares e orgânicos) e exógenos (intera-
ções entre o organismo e o meio), relacionados de forma complexa e estreita.
Em nível molecular e celular, existem algumas evidências da participação de
espécies reativas de oxigênio e da importância do sistema de defesa antioxidante
no processo do envelhecimento (ou senescência).
Em meados da década de 1950, Harman propôs que pequenos mas per-
sistentes aumentos de defeitos na proteção contra radicais livres produzi-
riam progressivos danos ao tecido, que caracterizariam a senescência. Esse
trabalho de Harman foi pioneiro em propor que radicais livres teriam algu-
ma importância em biologia e medicina. Desde essa época, dados compro-
vando o aumento das taxas de formação de radicais livres em animais
senescentes, acúmulo de danos oxidativos em proteínas e DNA, assim como
reduções nas concentrações de antioxidantes endógenos, têm corroborado
essa proposta.
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Tem sido mostrado que o conteúdo de proteínas oxidadas na célula au-
menta com o avanço da idade. Ocorre o acúmulo de muitas enzimas nas suas
formas inativas ou menos ativas, promovendo uma diminuição da função ce-
lular. Um acúmulo de proteínas oxidadas é um dos fatores característicos de
patologias relacionadas ao envelhecimento, como a doença de Alzheimer.
Um fator que contribui para o aumento na geração de radicais livres du-
rante o envelhecimento é o aumento do escape de elétrons na mitocôndria,
promovendo reduções incompletas do O2 e formação de radicais O2-. Com o
envelhecimento, a composição dos lipídios da membrana mitocondrial é alte-
rada, promovendo um menor controle funcional dessa organela, o que leva a
uma maior produção de radicais livres.
A taxa metabólica do organismo e a concentração dos componentes do sis-
tema antioxidante estão diretamente relacionadas à expectativa de vida das dife-
rentes espécies animais. Geralmente, animais com maiores taxas metabólicas
têm período de vida mais curto, em relação a animais com taxa metabólica me-
nor. Propõe-se que isso ocorra devido a uma maior geração de radicais livres em
um metabolismo mais acelerado. Além disso, existe uma correlação entre os
níveis de antioxidantes e a expectativa de vida. Animais com maior concentra-
ção ou atividade do sistema de defesa antioxidante apresentam maior expectati-
va de vida. Humanos apresentam maior atividade da enzima superóxido-
dismutase e maior concentração de ascorbato e vitamina E que ratos ou camun-
dongos,e apresentam uma expectativa de vida significativamente maior. Ani-
mais com menores concentrações de antioxidantes também apresentam mais
danos ao DNA, o que deve auxiliar na perda da homeostase e da função celular.
Entretanto, no processo natural do envelhecimento, bem como em condi-
ções de estresse oxidativo, outros sistemas de defesa, além do sistema de defe-
sa antioxidante, também são relevantes, como o de reparo de danos ao DNA e
os de degradação de produtos de danos oxidativos, bem como a interação en-
tre o sistema antioxidante e os outros sistemas.
Dessa forma, as alterações relacionadas ao envelhecimento, em nível
molecular, são reflexos de (1) um progressivo decréscimo na concentração e/
ou eficiência dos mecanismos de defesa que protegem contra a oxidação, (2)
uma progressiva redução dos sistemas de reparo dos danos e (3) um progressi-
vo aumento na geração de agentes oxidativos. Além disso, esses fatores são
regulados de múltiplas formas, envolvendo controles genéticos e bioquímicos.
O processo de envelhecimento reflete, portanto, um somatório do aumento de
danos e da ineficiência de vários processos celulares.
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O câncer é uma patologia que vem atingindo um crescente número de
pessoas, crescimento diretamente relacionado ao constante estresse ao qual
muitos estão submetidos. A qualidade de vida, a falta de tempo para esportes,
a alimentação inadequada e desbalanceada (rica em alimentos processados), o
álcool e principalmente o cigarro participam como co-fatores para a carcino-
gênese. Isso sem levar em conta os componentes de origem genética no desen-
cadeamento dos processos carcinogênicos.
De forma simplificada, a carcinogênese é composta por três etapas: ini-
ciação, promoção e progressão. A principal característica da fase de iniciação
é o dano ao DNA e a deficiência nos processos de reparo. A promoção já
envolve características fenotípicas, onde mudanças em uma célula, caracteri-
zadas por progressiva e cumulativa anomalia molecular e bioquímica, resul-
tam em desorganização do tecido. Exemplos são os adenomas, as displasias,
as metaplasias e, menos comumente, as lesões pré-neoplásicas. Essas últimas
entrariam na terceira fase, conhecida como progressão. Esta é caracterizada
por um novo dano molecular e reconhecidas mudanças cromossômicas macro
e microscópicas. Essa última fase é definida como carcinogênese, o desenvol-
vimento do câncer propriamente dito.
A relação entre oxidantes e câncer já está bem esclarecida, uma vez que,
conforme explicado acima, o processo da carcinogênese pode iniciar-se por
um dano a uma molécula de DNA. Esse dano, muitas vezes, é desencadeado
por radicais livres. O envolvimento desses radicais no processo baseia-se
ainda no fato de que vários carcinogênicos (1) são radicais livres, (2) podem
ser convertidos a radicais livres in vivo, (3) podem estimular a produção de
radicais livres (como as radiações ionizantes e o gás ozônio), ou, ainda, (4)
podem ser produtos de reações com os radicais livres. Além disso, tem
sido demonstrado que essas espécies reativas atuam nas três fases da carci-
nogênese (20).
Vários mecanismos plausíveis podem contribuir para estabelecer a rela-
ção entre os danos endógenos ao DNA e o processo da carcinogênese (3):
� Agentes oxidantes podem reagir com o DNA nuclear e produzir mu-
tações pontuais ou somáticas, além de ativar oncogenes previamente dor-
mentes;
� Altas taxas de danos oxidativos às mitocôndrias podem causar muta-
ções no DNA mitocondrial, sendo cumulativas com a idade, resultando em
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morte celular;
� Morte celular por dano ao DNA mitocondrial ou nuclear pode causar
proliferação de células próximas, o que significa um estímulo inicial ao pro-
cesso de carcinogênese em células que normalmente não sofrem replicações
do DNA;
� Danos oxidativos às células podem desencadear o processo carcinogê-
nico e causar proliferação celular.
Os sistemas enzimáticos de reparo de DNA encarregam-se de “consertar”
os danos oxidativos provocados por radicais livres. Tais danos se referem à
oxidação das bases nitrogenadas e/ou quebras de fita simples ou dupla. Um
pequeno número das alterações de origem oxidativa, porém, escapa desses
reparos e as conseqüências acumulam-se com o passar do tempo. Em situa-
ções de estresse oxidativo crônico, os efeitos mutagênicos de radicais livres
são ampliados. Um exemplo são as inflamações crônicas, atualmente conside-
radas possíveis iniciadores de processos carcinogênicos.
Nesse contexto, é possível inferir que substâncias antioxidantes atuariam
como agentes protetores quanto ao risco de desenvolvimento de câncer. Na
verdade, evidências epidemiológicas indicam que, através da alimentação, é
possível realmente diminuir os riscos. Isso porque os alimentos fornecem boas
doses dos nutrientes antioxidantes, como vitaminas C e E, β-caroteno e
polifenóis de origem vegetal.
Muitos estudos têm sido delineados com o objetivo de avaliar o risco do
desenvolvimento do câncer em relação aos hábitos alimentares, com enfoque
para o consumo de frutas e verduras. Os resultados são claros: um aumento no
consumo de frutas e vegetais pode promover significativa redução no risco de
desenvolver câncer, principalmente do trato gastrointestinal.
Os estudos epidemiológicos feitos com suplementação oral de antioxi-
dantes (como vitaminas C e E) não demonstraram evidências tão nítidas. Isso
conduz ao raciocínio de que não seria um ou outro antioxidante que promove-
ria a proteção, mas a complexa mistura entre as vitaminas antioxidantes, os
nutrientes e outras substâncias presentes nos alimentos.
Um exemplo claro do papel protetor da alimentação é o caso dos povos
mediterrâneos. Esses povos têm baixa incidência de doenças cardiovasculares
e câncer. A dieta mediterrânea, como é conhecida, é caracterizada pela abun-
dância de frutas e verduras, cereais, leguminosas e óleo de oliva (fonte de
ácidos graxos monoinsaturados). Os principais temperos são as ervas, a cebo-
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la e o alho. Alimentos como carnes e leite (proteínas animais) são usados com
moderação. Evita-se o excesso de processamento, preferindo-se alimentos fres-
cos, o que garante o correto aporte de nutrientes, principalmente das vitaminas
antioxidantes. É bastante evidente que a baixa incidência dessas patologias
está diretamente relacionada ao papel protetor dos carotenóides, vitaminas C e
E, além dos ácidos graxos ômega-3 e oléico, presentes em grandes quantida-
des nesse tipo de dieta.
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Outra condição em que ocorre estresse oxidativo é no processo de isquemia/
reperfusão em órgãos de mamíferos. Na isquemia, ocorre uma interrupção ou
redução no fornecimento de sangue para determinado órgão, causada por obs-
trução de uma artéria e, conseqüentemente, ocorre uma interrupção/redução
no suprimento de O2. Com a falta do O2, a mitocôndria deixa de produzir ATP,
necessário para manter a célula em funcionamento. Sem o ATP, ocorre altera-
ção no equilíbrio celular, levando à liberação de íons e à ativação desordenada
de enzimas que degradam a célula.
Com a reoxigenação, a mitocôndria volta a produzir ATP, minimizando
os problemas associados com sua redução, mas acaba por gerar uma série de
outros, através de uma superprodução de O2- e H2O2.
A geração de espécies reativas de oxigênio durante a reperfusão (reoxige-
nação) pode ser provocada por alguns fatores, como um aumento do “vaza-
mento de elétrons” na mitocôndria, ação de células do sistema imune que mi-
gram para tecidos em isquemia (essas células produzem O2- quando ativadas)
e ação da xantina-oxidase, enzima docatabolismo de nucleotídeos (catalisa a
degradação de hipoxantina, formando xantina, O2- e H2O2). Durante uma
isquemia severa, a mitocôndria encontra-se completamente reduzida e há um
aumento da formação do composto hipoxantina, como resultado da degrada-
ção do ATP (reação 6). Com a reintrodução do O2 durante a reperfusão, há
uma abrupta autoxidação de componentes mitocondriais, e a hipoxantina é
convertida a xantina pela ação da xantina-oxidase (reação 7). Isso resulta na
geração de O2- e H2O2, que na presença de íons ferro ou cobre causa a forma-
ção de •OH via reação de Haber-Weiss (reação 5, acima).
Isquemia: ATP � ADP � � � inosina � hipoxantina [6]
Reperfusão: hipoxantina + O2 Xantina-osidase � xantina + O2- � H2O2 [7]
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reperfusão são maiores do que aqueles causados apenas por uma isquemia
curta, causando morte celular em maior extensão.
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Embora o processo de isquemia e reperfusão seja danoso a órgãos de
mamíferos, existem animais que passam freqüentemente por esse processo,
mas sem grandes danos, conseguindo sobreviver.
Na natureza, há várias situações em que ocorre uma grande variação na
disponibilidade de oxigênio, devido a uma eventual falta de O2 no ambiente
ou como conseqüência de uma condição fisiológica. Para lidar com essas si-
tuações, determinados grupos de vertebrados e invertebrados desenvolveram
estratégias bioquímicas e fisiológicas de tolerância a anóxia (ausência de O2) e
isquemia, permitindo que sobrevivam ao estresse. Entre esses processos está a
depressão metabólica.
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A depressão metabólica caracteriza-se por uma redução de 70% a quase
100% do metabolismo basal, onde o consumo de O2 e a produção de calor são
grandemente diminuídos. Durante esses episódios, o metabolismo é mantido
pelas reservas energéticas (glicogênio e/ou lipídios) acumuladas pelo animal.
Alguns animais entram em depressão metabólica quando o ambiente fica
extremamente desfavorável para sua sobrevivência, dificultando a obtenção
de alimento ou mesmo de oxigênio. Essa dificuldade pode ser imposta por
variações extremas na temperatura ou na umidade ambiental. Ao entrar em
depressão metabólica, os animais aumentam a probabilidade de sua sobrevi-
vência até o ambiente tornar-se mais favorável. Com a redução das taxas me-
tabólicas, o organismo gasta menos energia para sua manutenção, necessitan-
do assim de um menor consumo de suas reservas energéticas e de O2.
Esse processo de depressão metabólica causado por estresses ambientais
tem sido observado em todos os principais filos de invertebrados, à exceção
dos equinodermos, e em determinados vertebrados inferiores (certos peixes,
anfíbios e répteis), aves (beija-flor) e mamíferos (certos morcegos, roedores e
mamíferos marinhos). Alguns exemplos de estratégias de adaptabilidade ani-
mal envolvendo depressão metabólica podem ser citados:
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� Várias espécies de insetos, moluscos, anfíbios e répteis são tolerantes
ao congelamento, reduzindo drasticamente suas atividades metabólicas quan-
do congelados, sobrevivendo assim por períodos de horas a semanas. Em al-
guns casos, até 60% da água corporal total congela. Entretanto, apenas os lí-
quidos extracelulares congelam, o que causa isquemia aos órgãos internos.
� Determinados anfíbios, caramujos e peixes pulmonados entram em
um processo denominado de estivação (dormência em resposta a baixa dis-
ponibilidade de água no ambiente) para sobreviverem quando o ambiente se
torna árido. Esses animais continuam utilizando metabolismo aeróbico, mas
em taxas reduzidas, e ocorre hipóxia (baixa concentração de O2) em órgãos
internos.
� Muitos insetos entram em diapausa (depressão metabólica em insetos)
quando as condições lhes são desfavoráveis, e pequenos mamíferos e aves
entram em torpor para economizar energia durante as horas em que o alimento
é interrompido e/ou por causa de ritmos circadianos (ritmos de dia-noite). Além
disso, pequenos mamíferos do hemisfério norte que hibernam nos meses frios
apresentam uma grande redução na taxa metabólica.
� Várias espécies de peixes e anfíbios sobrevivem por períodos de horas
a dias em águas hipóxicas ou mesmo anóxicas, por meio de redução das taxas
metabólicas e utilização de metabolismo fermentativo. Isso ocorre em lagos e
rios que têm a superfície congelada no inverno ou em determinados lagos da
Amazônia durante a noite, onde as algas consomem todo ou grande parte do
O2 dissolvido.
� Em mamíferos aquáticos, como focas e leões-marinhos, que mergu-
lham por longos períodos, ocorre hipóxia nos órgãos internos durante a lenta
utilização do O2 armazenado pelas proteínas hemoglobina e mioglobina.
� Pequenos invertebrados marinhos de respiração branquial (como me-
xilhões, ostras e caramujos) que vivem sobre a influência das marés deprimem
seu metabolismo para enfrentar situações de anóxia dos órgãos internos du-
rante as marés baixas.
� Um caso extremo de dessecamento ocorre em embriões do crustáceo
Artemia, que obrigatoriamente passam por períodos cujas taxas metabólicas
são próximas a zero.
Durante essas condições adversas também há uma reduzida disponibili-
dade e/ou consumo de O2, que pode ser imposta pelo ambiente (congelamento
dos fluidos do corpo, por exemplo) ou pode ser “voluntária” (como no caso da
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ficam em uma condição de hipóxia e a transição de volta ao estado de metabo-
lismo normal é acompanhada por um abrupto aumento na disponibilidade,
tensão, concentração ou consumo de O2. Essa transição é análoga àquela ob-
servada na isquemia/reperfusão em órgãos de mamíferos (incluindo huma-
nos), mas aqueles animais sobrevivem naturalmente a esse processo através
de adaptações comportamentais, fisiológicas e bioquímicas.
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Como já discutido acima, a falta de O2 provoca falência em órgãos de
mamíferos, sendo que os principais danos são provocados no momento da
reperfusão desse gás. Durante a reperfusão, ocorre maior consumo e tensão de
O2, levando a um aumento na geração de radicais de O2. Animais que passam
por grandes variações da quantidade de O2 disponível em seu ambiente desen-
volveram adaptações moleculares específicas ao longo da evolução para so-
breviverem ao estresse da anóxia/hipóxia e reoxigenação.
Uma dessas adaptações é o aumento da capacidade antioxidante durante
períodos que antecedem a situações de potencial estresse oxidativo. Essa es-
tratégia, denominada preparo para o estresse oxidativo, descrita pela primeira
vez em 1993 por Hermes-Lima e Storey, parece levar ao aumento da capacida-
de de sobrevivência do animal frente ao processo de reoxigenação. De certa
forma, essa estratégia representa um paradoxo, porque o animal aumenta seus
níveis de defesas antioxidantes enzimáticas, o que representa um importante
gasto energético, em um momento em que as taxas metabólicas são reduzidas
e as reservas energéticas devem ser economizadas ao máximo. O gasto
energético despendido com o aumento do sistema de defesa antioxidante deve
demonstrar a importância desse sistema durante o processo de isquemia/anóxia
e reoxigenação. Outro paradoxo é o fato de o aumento da capacidade
antioxidante acontecer num momento em que há pouca ou nenhuma produção
de radicais de O2, ou seja, durante a hipóxia ou anóxia. Normalmente, o au-
mento da capacidade antioxidante ocorre como uma resposta ao aumento na
produção de radicais de O2, num processo de ativação de genes específicos
para enzimas antioxidantes (ver “Defesas antioxidantes”,acima).
Como já discutido acima, o processo de reoxigenação pode levar a um
aumento na geração de radicais de O2 nos animais tolerantes a hipóxia e/ou
anóxia. Assim, o aumento da atividade de algumas enzimas antioxidantes, pre-
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mais eficiente, minimizando danos a estruturas celulares. Exemplos de ani-
mais que apresentam um preparo para o estresse oxidativo podem ser vistos
entre caramujos, peixes, anfíbios e répteis. Alguns desses animais e as altera-
ções que apresentam podem ser vistos na Tabela 1.
Os estresses ambientais que promovem a modificação do sistema de defe-
sa antioxidante são diversificados, incluindo o congelamento, a anóxia/hipóxia
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e a falta de umidade no ambiente, que promove a estivação e/ou desidratação
extrema. Em todos esses processos, porém, os órgãos internos dos animais
ficam em estado de isquemia ou anóxia/hipóxia. Quando ocorre o retorno do
sangue oxigenado, seja durante o descongelamento, reoxigenação ou desper-
tar da estivação (onde há grande aumento no consumo de O2) é possível que
ocorra um processo fisiológico de estresse oxidativo.
Os antioxidantes alterados também variam de espécie para espécie e até
mesmo dependendo do tipo de estresse. Em especial, há um aumento da ativi-
dade de enzimas como superóxido-dismutase, catalase e glutationa-peroxidade
dependente de selênio (ver Tabela 1). Foi recentemente demonstrado, pelo
nosso grupo de pesquisa em Brasília, que uma hora de reoxigenação (após
oito horas de anóxia) causa um aumento de 100% no nível de peroxidação
lipídica hepática em peixes Carassius auratus (conhecidos como goldfish ou
peixe-dourado-japonês). Observou-se que o aumento da atividade da catalase,
no fígado, durante a anóxia serviu para manter a peroxidação lipídica em ní-
veis fisiologicamente suportáveis. Possivelmente, uma inibição da catalase
hepática (através da injeção de inibidores específicos) poderia levar o animal a
sofrer conseqüências drásticas durante a reoxigenação.
É interessante notar que alguns animais adotamestratégias diferentes do
“preparo para o estresse oxidativo”, onde o sistema de defesa antioxidante é
induzido antes que ocorra a produção de radicais livres. As tartarugas Trachemys
scripta elegans, do hemisfério Norte, mantêm as defesas antioxidantes enzi-
máticas (principalmente catalase e superóxido-dismutase) em níveis elevados
durante 24 horas de anóxia, o que provavelmente permite que a tartaruga so-
breviva a um estresse oxidativo associado a ciclos de anóxia e reoxigenação.
Além disso, tartarugas Phrynops hilari, da Argentina, Uruguai e sul do Brasil,
apresentam grande número de grupamentos sulfidrila em suas hemoglobinas,
o que poderia fornecer um sistema de defesa para minimizar danos oxidativos
quando essas tartarugas retornam de longos períodos de submersão (onde ocorre
hipóxia nos órgãos internos).
Outra estratégia é encontrada no sapo norte-americano de desertos
Scaphiopus couchii, no qual ocorre uma redução nos níveis de antioxidantes
enzimáticos nos órgãos internos após alguns meses de estivação. Esse sapo apre-
senta um aumento de danos oxidativos a lipídios durante a estivação, sugerindo
que o animal seja tolerante ao estresse oxidativo. Possivelmente há um sistema
de reparo de danos oxidativos e de destoxificação de moléculas tóxicas (produ-
zidas pela peroxidação lipídica) de grande eficiência durante a estivação.
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Dessa forma, a tolerância natural ao estresse oxidativo associado a hipóxia/
anóxia, seguido de reoxigenação, deve ser promovida por pelo menos três
modos de resposta: (1) altas atividades constitutivas das enzimas antioxidan-
tes, (2) aumento no sistema de reparo de danos oxidativos, e (3) indução do
aumento nas atividades de certas enzimas durante a hipóxia/anóxia, em um
“preparo para o estresse oxidativo”.
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O mecanismo de regulação do sistema de defesa antioxidante em seres
vivos eucariotos não é totalmente conhecido, mas a participação de radicais
livres na ativação de enzimas antioxidantes já foi demonstrado em muitos ca-
sos. Por exemplo, em pacientes com a síndrome de Down (na qual há três
cromossomos 21, em vez de dois, nas células somáticas), a enzima superóxido-
dismutase tem atividade substancialmente elevada devido à duplicação do gene
(presente no cromossomo 21), aumentando assim a geração de H2O2, o produ-
to da ação dessa enzima. Nesses mesmos pacientes, ocorre também um au-
mento da atividade de uma glutationa-peroxidase dependente de selênio, em-
bora seu gene seja localizado em outro cromossomo. Isso parece ser uma res-
posta ao aumento da produção de H2O2.
Por outro lado, em várias situações fica claro que a célula consegue perce-
ber as flutuações da concentração de O2 do seu ambiente, alterando a expressão
de alguns genes (ou seja, aumentando a formação de RNAs mensageiros relati-
vos a esses genes). Em mamíferos, a hipóxia induz, por exemplo, a expressão de
genes de algumas enzimas do catabolismo de carboidratos e de proteínas que
regulam a formação de vasos sangüíneos (para melhorar a vascularização). Em
animais que passam por processos de depressão metabólica, a hipóxia induz
uma regulação complexa de enzimas das rotas metabólicas de utilização e pro-
dução de ATP, fazendo com que tais vias metabólicas sejam reprimidas.
Em procariotos, algumas proteínas têm sido identificadas como parte do
complexo sistema de sensores de O2 e de detecção de estresse oxidativo. Em
células de mamíferos, já se identificou um fator protéico induzido por hipóxia.
Alguns indícios sugerem ainda a presença de uma proteína com o grupamento
heme como sensora de O2, e que H2O2 e radicais hidroxil funcionariam como
sinalizadores celulares, tanto em condições de hipóxia quanto em condições
normais de concentração de O2.
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Como já discutido, em determinados animais que toleram naturalmente
processos de anóxia/hipóxia, alguns de seus sistemas enzimáticos de defesa
antioxidante são aumentados ou mantidos elevados, como um preparo contra
o estresse oxidativo. Mas a forma pela qual esses animais conseguem regular
o aumento/manutenção da atividade de enzimas antioxidantes, num momento
em que a disponibilidade de O2 é baixa ou mínima (e, portanto, a geração de
radicais livres é diminuída), permanece desconhecida. Uma hipótese plausível
seria a de que o mesmo mecanismo molecular que percebe as flutuações de O2
no meio poderia promover as alterações nas atividades de antioxidantes
enzimáticos em condições de anóxia/hipóxia.
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À medida que a utilização de O2 foi importante na Terra primitiva para o
aparecimento de processos metabólicos mais eficientes e complexos, apenas
os organismos que desenvolveram um eficiente sistema de destoxificação de
radicais de O2 foram capazes de sobreviver e evoluir. A capacidade dos seres
vivos de lidar eficazmente com o “lado bom” e o “lado mau” do O2 pode ser
considerada uma demonstração a mais da complexidade e do potencial de adap-
tabilidade dos organismos.
Entretanto, os seres humanos querem ser capazes de romper o limiar que
separa a sua capacidade ou incapacidade natural de lidar eficazmente com os
efeitos de radicais livres no seu organismo. É nesse sentido que se coloca a
importância das pesquisas que objetivam compreender e controlar os efeitos
de radicais livres em muitas patologias e no envelhecimento.
As pesquisas sobre o papel protetor do sistema antioxidante em situações
de estresse oxidativo, iniciadas no início da década de 1970, seguem em um
ritmo cada vez mais acelerado. Novos tipos de antioxidantes naturais e radi-
cais de oxigênio ou de nitrogênio têm sido identificados nos organismos, as-
sim como suas funções em processos normais ou patológicos. Um exemplo
disso é o óxido nítrico (NO•) e o peroxinitrito (ONO2-). Esse último é um
composto não-radicalar (ou seja, como H2O2, ele não apresenta elétrons
desemparelhados e, assim, não é um radical livre) extremamente reativo com
biomoléculas, formado pela reação de O2- com NO•. Muitos estudos têm de-
monstrado que processos patológicos mediados por radicais de O2 podem ser
controlados com o uso de antioxidantes naturais (como a enzima superóxido-
dismutase, polifenóis e vitaminas C e E) ou por antioxidantes sintéticos, como
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por exemplo os ligantes de ferro Desferal e piridoxal-isonicotinoil-hidrazona
(PIH). Nossa equipe na Universidade de Brasília tem também feito a sua parte
na ciência da bioquímica farmacológica. Desde 1995, temos nos dedicado ao
estudo do mecanismo de ação do PIH e do polifenol-ácido-tânico contra a
produção de radicais livres catalisada por íons ferro ou cobre (ver http://
members.tripod.com/oxyradical).
Por outro lado, a ciência da fisiologia molecular também está tentando
desvelar os mecanismos de regulação da maquinaria bioquímica utilizada por
animais que enfrentam um estresse oxidativo fisiológico (como gastrópodes,
peixes, répteis e anfíbios que toleram naturalmente o estresse da anóxia/hipóxia
e reoxigenação). Acreditamos que um dia, no futuro, possamos utilizar os se-
gredos desses animais para entender melhor, minimizar ou mesmo controlar o
estresse oxidativo associado a processos patológicos em humanos.
Não é novidade alguma, pelo menos entre pessoas com visão (e não pode-
mos enquadrar aqui muitos de nossos governantes), que descobertas em biolo-
gia, uma ciência básica ou “pura”, tenham grande utilidade em medicina e
biotecnologia.
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