Respuesta a la oxidación

La respuesta de oxidación es estimulada por una alteración en el equilibrio entre la producción de especies reactivas de oxígeno y las respuestas antioxidantes, conocida como estrés oxidativo . Las especies activas de oxígeno se producen de forma natural en las células aeróbicas y tienen fuentes tanto intracelulares como extracelulares. Estas especies, si no se controlan, dañan todos los componentes de la célula, incluidas las proteínas, los lípidos y el ADN. Por lo tanto, las células necesitan mantener una fuerte defensa contra el daño. La siguiente tabla da una idea del sistema de defensa antioxidante en el sistema bacteriano.

Los cambios pequeños en el estado oxidativo celular pueden ser detectados por proteínas específicas que regulan un conjunto de genes que codifican enzimas antioxidantes. Esta respuesta global induce un metabolismo adaptativo que incluye la eliminación de ROS , la evitación de vías dañadas, la reparación de daños oxidativos y el mantenimiento del poder reductor.

El peróxido y el superóxido son las dos principales especies activas de oxígeno. Se ha descubierto que las respuestas al estrés por peróxido y superóxido son distintas en las bacterias. La exposición de los microorganismos a concentraciones bajas y subletales de oxidantes conduce a la adquisición de resistencia celular a un estrés oxidativo letal posterior.

En respuesta a un mayor flujo de peróxido de hidrógeno y otros peróxidos orgánicos como el hidroperóxido de terc-butilo y el hidroperóxido de cumeno , se activa el estímulo del peróxido. Los estudios de la respuesta de E. coli al H ₂ O ₂ han demostrado que la exposición al H ₂ O ₂ elevó los niveles de ARNm de 140 genes, de los cuales 30 genes son miembros del regulón OxyR . Los genes incluyen muchos genes que codifican enzimas metabólicas y enzimas antioxidantes, lo que demuestra el papel de estas enzimas en la reorganización del metabolismo en condiciones de estrés. ^[1]

Cuando se estresan con niveles elevados del radical anión superóxido O ₂ ⁻ , las bacterias responden invocando el estímulo superóxido. Los compuestos generadores de superóxido activan el regulador SoxR mediante la oxidación de un electrón de los grupos 2Fe-2S. El SoxR oxidado induce entonces la expresión de la proteína SoxS, que a su vez activa la transcripción de genes estructurales del regulón SoxRS. ^[2]

El factor transcripcional OxyR regula la expresión del regulón OxyR. El H2O2 oxida _el factor transcripcional mediante la formación de un enlace disulfuro intramolecular. La forma oxidada de este factor se une específicamente a los promotores de los genes constituyentes del regulón OxyR, incluidos katG ₍ hidroperoxidasa- catalasa HPІ), gorA ( glutatión reductasa ), grxA ( glutaredoxina 1), trxC ( tiorredoxina 2), ahpCF ( alquil hidroperóxido reductasa ), dps (proteína de unión a ADN no específica) y oxyS (un ARN regulador pequeño). OxyR reducido proporciona autorrepresión al unirse solo al promotor oxyR . ^[1]

La regulación del regulón soxRS se produce mediante un proceso de dos etapas: la proteína SoxR se convierte primero en una forma oxidada que mejora la transcripción de soxS , y el aumento del nivel de proteína SoxS a su vez activa la expresión del regulón. Los genes estructurales bajo este regulón incluyen sodA (Mn -superóxido dismutasa (SOD)), zwf ( glucosa-6-fosfato deshidrogenasa ( G6PDH )), acnA ( aconitasa A), nfsA ( nitrato reductasa A), fumC ( fumarasa C) y nfo ( endonucleasa IV), entre otros. En E. coli, la autorregulación negativa de la proteína SoxS sirve como un mecanismo de amortiguación para la respuesta al estrés redox de soxRS . ^[3]

Los genes del regulón SoxRS pueden ser regulados por factores adicionales. ^[2]

Al menos tres genes conocidos, incluidos xthA y katE, están regulados por un factor sigma, KatF( RpoS ), cuya síntesis se activa durante la fase estacionaria . Se sabe que XthA (exonucleasa III, una enzima reparadora del ADN) y KatE (catalasa) desempeñan papeles importantes en la defensa contra el estrés oxidativo, pero los genes del regulón KatF no son inducidos por el estrés oxidativo. ^[2]

Existe una superposición entre la respuesta al estrés oxidativo y otras redes reguladoras como la respuesta al choque térmico y la respuesta SOS .

Las defensas contra los efectos nocivos del oxígeno activo se pueden dividir lógicamente en dos grandes clases: preventivas y reparadoras.

Las defensas celulares contra los efectos dañinos del estrés oxidativo involucran componentes tanto enzimáticos como no enzimáticos.

Los componentes enzimáticos pueden eliminar directamente las especies de oxígeno activo o pueden actuar produciendo antioxidantes no enzimáticos. Hay cuatro enzimas que proporcionan la mayor parte de la protección contra las reacciones nocivas que involucran oxígeno activo en las bacterias: SOD (superóxido dismutasas codificadas por sodA y sodB ), catalasas ( katE y katG ), glutatión sintetasa ( gshAB ) y glutatión reductasa ( gor ) . Algunas bacterias tienen peroxidasas dependientes de NADH específicas para _{H2O2 .}

Los principales antioxidantes no enzimáticos de E. coli son el GSH y la tiorredoxina (codificada por trxA ). La ubiquinona y la menaquinona también pueden actuar como antioxidantes asociados a la membrana.

Las defensas secundarias incluyen sistemas de reparación del ADN, enzimas proteolíticas y lipolíticas . Las enzimas de reparación del ADN incluyen la endonucleasa IV, inducida por estrés oxidativo, y la exonucleasa III, inducida en la fase estacionaria y en células hambrientas. Estas enzimas actúan sobre el ADN dúplex y limpian los extremos terminales 3' del ADN.

Las células procariotas contienen catalizadores que modifican la estructura primaria de las proteínas con frecuencia mediante la reducción de los enlaces disulfuro. Esto ocurre en los siguientes pasos:

(i) La tiorredoxina reductasa transfiere electrones del NADPH a la tiorredoxina a través de un transportador de flavina.

(ii) la glutaredoxina también es capaz de reducir los enlaces disulfuro, pero utilizando GSH como donante de electrones.

(iii) La proteína disulfuro isomerasa facilita las reacciones de intercambio de disulfuro con grandes sustratos proteicos inactivos, además de tener actividad de chaperona.

La oxidación de los residuos de metionina expuestos en la superficie que rodean la entrada al sitio activo podría funcionar como un sistema de defensa antioxidante de “última oportunidad” para las proteínas. ^[4]

La complejidad de las respuestas bacterianas parece estar en la cantidad de proteínas inducidas por el estrés oxidativo. En las células de mamíferos, la cantidad de proteínas inducidas es pequeña, pero las vías reguladoras son muy complejas.

Los inductores de las respuestas de estrés oxidativo en las bacterias parecen ser el propio oxidante o la interacción del oxidante con un componente celular. La mayoría de las células de los mamíferos existen en un entorno donde la concentración de oxígeno es constante, por lo que las respuestas no son estimuladas directamente por oxidantes. En cambio, las citocinas como el factor de necrosis tumoral , la interleucina-1 o los polisacáridos bacterianos inducen la síntesis de SOD y las respuestas multigénicas. Trabajos recientes muestran que el superóxido es un potente promotor tumoral que funciona mediante la activación e inducción de productos génicos relacionados con la competencia de crecimiento. Otros factores implicados en la expresión génica antioxidante incluyen una inducción de la calmodulina quinasa mediante el aumento de las concentraciones de Ca ²⁺ .

Las células de E. coli han revelado similitudes con el proceso de envejecimiento de los organismos superiores. Las similitudes incluyen una mayor oxidación de los componentes celulares y su especificidad de objetivo, el papel de los antioxidantes y la tensión de oxígeno en la determinación de la duración de la vida, y un aparente equilibrio entre las actividades relacionadas con la reproducción y la supervivencia. ^[5]