Ráfaga respiratoria

El estallido respiratorio (o estallido oxidativo ) es la liberación rápida de especies reactivas de oxígeno (ROS), anión superóxido ( O⁻
₂) y peróxido de hidrógeno ( H
₂Oh
₂), de diferentes tipos de células .

Generalmente, se utiliza para la defensa inmunológica de los mamíferos , pero también desempeña un papel en la señalización celular . El estallido respiratorio también está implicado en el óvulo de los animales después de la fertilización . También puede ocurrir en las células vegetales .

Las células inmunitarias se pueden dividir en células mieloides y células linfoides . Las células mieloides, incluidos los macrófagos y los neutrófilos , están especialmente implicadas en el estallido respiratorio. ^[1] Son fagocíticas y el estallido respiratorio es vital para la degradación posterior de bacterias internalizadas u otros patógenos . Este es un aspecto importante de la inmunidad innata .

El estallido respiratorio requiere un aumento de 10 a 20 veces en el consumo de oxígeno a través de la actividad de la NADPH oxidasa ( NOX2 en humanos). La NADPH es el sustrato clave de la NOX2 y tiene poder reductor . La descomposición del glucógeno es vital para producir NADPH. Esto ocurre a través de la vía de las pentosas fosfato .

La enzima NOX2 está unida a la membrana del fagolisosoma . Después de la fagocitosis bacteriana, se activa y produce superóxido a través de su centro redox , que transfiere electrones del NADPH citosólico al O ₂ en el fagosoma. ^[2]

El superóxido puede entonces reaccionar espontáneamente o enzimáticamente con otras moléculas para dar lugar a otras ROS. La membrana fagocítica se vuelve a sellar para limitar la exposición del entorno extracelular a los radicales libres reactivos generados .

Hay tres vías principales para la generación de especies reactivas de oxígeno o especies reactivas de nitrógeno (RNS) en las células efectoras : ^[3]

1. La superóxido dismutasa (o, alternativamente, la mieloperoxidasa ) genera peróxido de hidrógeno a partir del superóxido. Luego, se generan radicales hidroxilo mediante la reacción de Haber-Weiss o la reacción de Fenton , ambas catalizadas por Fe ²⁺ .
   
   
   O ₂ ^•– + H ₂ O ₂ —> ^• OH + OH ^– + O ₂
   
   
2. En presencia de iones haluro , principalmente iones cloruro, la mieloperoxidasa utiliza peróxido de hidrógeno para producir ácido hipocloroso .
   
   
   H2O2 ⁺ Cl ⁻ _— > ClO ₋ + H2O_​
   
   
3. La óxido nítrico sintasa (la isoforma inducible, iNOS, en la inmunidad) cataliza la producción de óxido nítrico a partir de L-arginina .
   
   
   2L-arginina + 3NADPH + 3 H ⁺ + 4O ₂ —> 2 citrulina + 2NO ^• + 4H ₂ O + 3NADP ⁺

El óxido nítrico puede reaccionar con aniones superóxido para producir el anión peroxinitrito .

La exposición a estas especies reactivas en el estallido respiratorio produce patología, debido al daño oxidativo que sufren las bacterias ingeridas.

Cabe destacar que el peroxinitrito es un agente oxidante muy fuerte que puede conducir a la peroxidación lipídica , oxidación de proteínas, nitración de proteínas , que son responsables de sus efectos bactericidas. Puede reaccionar directamente con proteínas que contienen centros de metales de transición, como FeS , liberando Fe ²⁺ para la reacción de Fenton. El peroxinitrito también puede reaccionar con varios aminoácidos en la cadena peptídica, alterando así la estructura de la proteína y, posteriormente, la función de la proteína. Oxida más comúnmente la cisteína y puede inducir indirectamente la nitración de tirosina a través de otras RNS generadas. La función proteica alterada incluye cambios en la actividad catalítica enzimática, la organización del citoesqueleto y la transducción de señales celulares. ^[4]

El ácido hipocloroso reacciona con una variedad de biomoléculas, incluyendo ADN, lípidos y proteínas. HClO puede oxidar cisteínas y metioninas a través de sus grupos sulfhidrilo y grupos azufre respectivamente. El primero conduce a la formación de enlaces disulfuro , induciendo la reticulación de proteínas. Ambas oxidaciones resultan en la agregación de proteínas y, en última instancia, la muerte celular. ^[5] Los grupos sulfhidrilo pueden ser oxidados hasta tres veces por tres moléculas de HClO, formando ácidos sulfénicos, ácidos sulfínicos y R–SO ₃ H , que son cada vez más irreversibles y bactericidas. ^{[6] [7]} Mientras tanto, la oxidación de metionina es reversible. HOCl también puede reaccionar con aminas primarias o secundarias , produciendo cloroaminas que son tóxicas para las bacterias. ^{[8] [9]} También puede ocurrir la reticulación y agregación de proteínas, así como la interrupción de los grupos FeS.

La mieloperoxidasa es fundamental para la formación del ácido hipocloroso. La mieloperoxidasa es más abundante en los neutrófilos, donde la fagocitosis se acompaña de desgranulación . Esta es la fusión de los gránulos con el fagolisosoma, liberando su contenido, incluida la mieloperoxidasa. ^[10] Como muchos productos microbicidas se forman durante el estallido respiratorio, no se comprende por completo la importancia de las moléculas individuales para matar a los patógenos invasores.

Debido a la alta toxicidad de los productos antimicrobianos generados, incluidas las ROS, los neutrófilos tienen una vida útil corta para limitar el daño al tejido del huésped durante la inflamación .

La enfermedad granulomatosa crónica es una enfermedad hereditaria de los neutrófilos humanos, en la que la NOX2 es defectuosa. Puede haber fagocitosis, pero sin el funcionamiento adecuado de la NOX2, no hay producción de superóxido y, por lo tanto, no hay estallido respiratorio. La infección bacteriana no se cura. ^[11]

En las células no fagocíticas, los productos de la explosión oxidativa se utilizan en las vías de señalización intracelular. Las ROS generadas logran esto al cambiar el estado redox celular . Esto se puede monitorear mediante la relación de la enzima antioxidante glutatión con su producto oxidado, disulfuro de glutatión (GSH:GSSG). ^[12] Las enzimas antioxidantes contrarrestan la señalización redox al eliminar las moléculas involucradas, principalmente el anión superóxido y el óxido nítrico. La señalización redox es fundamental para procesos normales como la proliferación, la diferenciación, así como la función vascular y la neurotransmisión. También está involucrada en estados patológicos como el cáncer .

La isoforma NOX1 de la NADPH oxidasa produce transitoriamente una explosión de superóxido en respuesta a la estimulación de los receptores respectivos por parte de factores de crecimiento (p. ej., EGF ). ^[13] El superóxido se dismuta en peróxido de hidrógeno a una velocidad cercana a la velocidad limitada por la difusión. Esta restricción espacial para la dismutación del superóxido permite la especificidad de la señalización redox. La especificidad también está asegurada por la localización de NOX1 en microdominios específicos en la membrana plasmática de la célula. A través de canales como la acuaporina o la difusión, el peróxido de hidrógeno ingresa al citosol. Allí, oxida los grupos de cisteína de las proteínas sensibles a la redox, que luego pueden transducir señales. ^[14]

La explosión oxidativa en los fagocitos se asocia más comúnmente con la muerte bacteriana. Sin embargo, los macrófagos, especialmente los macrófagos alveolares , suelen producir niveles mucho más bajos de ROS que los neutrófilos y pueden requerir activación para sus propiedades bactericidas. En cambio, su explosión oxidativa transitoria regula la respuesta inflamatoria al inducir la síntesis de citocinas para la señalización redox, lo que resulta en una afluencia de neutrófilos y macrófagos activados. ^[15]

Las células cancerosas pueden manipular la señalización celular mediante la producción de niveles excesivos de ROS, activando así de manera constitutiva las vías para promover su crecimiento y proliferación celular. ^[16] Las vías implicadas incluyen NF-κB , PI3K , HIF y MAPK . En los seres humanos, se requieren ROS mitocondriales junto con los liberados en el estallido oxidativo para la estimulación de la vía mitogénica en células KRAS oncogénicas . Sin embargo, en fibroblastos de ratones Kras oncogénicos , se ha demostrado que los inhibidores de la NADPH oxidasa son suficientes para bloquear estas vías de factores de crecimiento. ^[17] Las células tumorígenas también mantienen simultáneamente altos niveles de antioxidantes para protegerse contra la muerte de las células cancerosas. ^[18]

En particular, se puede observar un estallido oxidativo posterior a la fertilización en el óvulo del erizo de mar . Se cree que esto es evolutivamente diferente del que se observa en los neutrófilos.

El peróxido de hidrógeno se produce por la actividad de la oxidasa del óvulo tras un aumento del consumo de oxígeno. ^[19] Esto es esencial para la reticulación de las proteínas del óvulo para prevenir la poliespermia letal . El peróxido de hidrógeno en sí también es espermicida. Sin embargo, las especies reactivas generadas se mantienen en niveles más bajos que en la inmunidad para proteger al propio óvulo fertilizado del daño oxidativo. Esto se logra mediante la eliminación del peróxido de hidrógeno principalmente a través de la doble función de la misma oxidasa del óvulo y, en segundo lugar, a través de los depuradores de ROS citoplasmáticos, como la catalasa y el glutatión . ^[20]

El estallido oxidativo actúa como un mecanismo de defensa a la infección por patógenos en plantas. Esto se ve después de la detección de PAMP por receptores ubicados en la superficie celular (por ejemplo, FLS2 o EFR ). ^{[21] [22] [23]} Al igual que en los animales, la producción de especies reactivas de oxígeno en plantas está mediada por la NADPH oxidasa . En la inmunidad vegetal , las subunidades RbohD y RbohF de la NADPH oxidasa tienen funciones superpuestas y se expresan en diferentes tejidos y en diferentes niveles. ^{[24] [25]} Sin embargo, a diferencia de los fagocitos animales, en los que las ROS generadas están contenidas en el fagolisosoma sellado, el estallido oxidativo en las plantas no está contenido. En consecuencia, las ROS generadas tienen efectos adicionales junto con la toxicidad del patógeno. El peróxido de hidrógeno induce la reticulación oxidativa de las glicoproteínas de la pared celular de la planta. ^{[26] [27]} Esto reduce la susceptibilidad a la degradación enzimática por patógenos. ^[28] La resistencia sistémica adquirida , que es análoga a la inmunidad innata en animales, también se induce en las células vegetales expuestas. ^[29] La exposición al peróxido de hidrógeno también puede provocar una respuesta de hipersensibilidad , que es la muerte de una pequeña cantidad de células huésped en el sitio de la infección, con el fin de limitar la infección patógena. ^{[30] [31]} La producción de ROS en plantas se puede utilizar como una lectura para el reconocimiento exitoso de patógenos a través de un ensayo basado en luminol - peroxidasa . ^[32]

• Respiratorio+ráfaga en los Encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.