Estres oxidativo

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Mariana Angoa Prez, et al.Arch Neurocien (Mex)

Vol 12, No. 1: 45-54, 2007

Estrs oxidativo y neurodegeneracin: causa oconsecuencia?

Mariana Angoa Prez, Selva Rivas Arancibia

Arch Neurocien (Mex)Vol. 12, No. 1: 45-54, 2007

INNN, 2007

Recibido: 13 diciembre. Aceptado: 22 diciembre 2006.

Laboratorio de Estrs Oxidativo y Plasticidad Cerebral.Departamento de Fisiologa, Facultad de Medicina. UniversidadNacional Autnoma de Mxico. Correspondencia: Mariana AngoaPrez. Departamento de Fisiologa, Facultad de Medicina.Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Circuito Interior S/NCiudad Universitaria. Copilco Coyoacn, 04510 Mxico, D.F. Email:[email protected]

Artculo original

RESUMEN

El estado de estrs oxidativo juega un papel crucial enla fisiopatologa de enfermedades neurodegenerativas,tales como: Alzheimer, Parkinson, Huntington yesclerosis lateral amiotrfica. En todas estas con-diciones se han observado un incremento demarcadores de dao oxidativo, los cuales involucranoxidacin de protenas, lpidos, DNA e incluso de RNA.Una gran cantidad de evidencias indican que el incre-mento en la generacin de especies reactivas deoxgeno, un dficit en las defensas antioxidantes, ascomo la disminucin en la eficiencia de los mecanismosde reparacin del DNA, la protelisis, y la prdida deregulacin del sistema inmune, son factores que contri-buyen primariamente al aumento de estrs oxidativo yllevan al dao cerebral progresivo. La enfermedad deAlzheimer, es un desorden de placas y maraasfibrilares, la enfermedad de Parkinson, se caracterizapor una disminucin de neuronas dopaminrgicas, elmal de Huntington, en una prdida de neuronas neoes-triatales, y la esclerosis lateral amiotrfica, es unaenfermedad de las neuronas motoras, que difieren enlas vas y estructuras involucradas. Sin embargo, dichasenfermedades tambin tienen caractersticas en comn,que incluyen inflamacin, mutaciones genticas,agregados inapropiados de protenas (cuerpos de

Lewy, placas amiloides), activacin glial, disfuncinmitocondrial y estrs oxidativo, que finalmente conducenal deterioro progresivo que presentan los pacientes conenfermedades neurodegenerativas.En este trabajo, se discuten los factores que indicanuna relacin entre un estado de estrs oxidativo y elproceso degenerativo que ocurre bajo condicionesneuropatolgicas.

Palabras clave: radicales libres, enfermedades deParkinson, Alzheimer, Huntington, esclerosis lateralamiotrfica.

OXIDATIVE STRESS AND NEURODEGENERATION:CAUSE OR CONSEQUENCE?

ABSTRACT

Oxidative stress plays a crucial role in the pathology ofneurodegenerative diseases such as AlzheimersParkinsons, Huntington and amyotrophic lateralsclerosis as well. Increased markers of oxidative damageare present in such conditions. They involve protein,lipids, DNA and even RNA oxidation. Several evidencesindicate that increase in reactive oxygen species, anantioxidant systems deficit, decreased repair DNAmechanisms, proteolysis and the loss of immune systemregulation are contributing factors to an increasedoxidative stress. All those processes ultimately leadto a progressive neuronal death and damage. Alzh-eimers a neurofibrillary tangles disorder, Parkinsonsdisease, a decrease in dopaminergic neurons,Huntingtons, a loss of neostriatal neurons and Amyo-trophic lateral sclerosis, a motor neuron disease, arecommon neurodegenerative diseases. Although thesedisorders differ from important pathways, they share

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some pathogenic features including inflammation,genetic mutations and inappropriate protein aggregates(Lewy bodies, amyloid plaques). Glial activation anddysfunction in dopaminergic, cholinergic and gabaergicsystems are also common. Oxidative stress andmitochondrial dysfunction that eventually lead toneuronal death play a fundamental in the progressiveimpairment that patients with that kind of neurode-generative diseases show. In current review, aspects thatclosely associate an oxidative stress state to neuro-degeneration processes occurring in someneuropathologic conditions.

Key words: free radicals, redox imbalance, Parkinsons,Alzheimers, Huntingtons, amyotrophic lateralsclerosis.

os mecanismos de xido-reduccin desempe-an un papel importante en la fisiologa de laclula, y abarcan desde renovacin de mem-

branas, fenmenos plsticos celulares, sobrevivenciade clulas en sistema nervioso durante etapasembrionarias, mitosis, migracin celular, sntesis y libe-racin de hormonas, aumento en la transcripcin decitocinas durante procesos inflamatorios, participacinen sealizacin celular y mecanismos de segundosmensajeros1. Los radicales libres (RL) y las especiesreactivas de oxgeno (ROS) son normalmente genera-dos por el metabolismo celular para la obtencin deenerga2. Los sistemas antioxidantes eliminan las ROSpara mantener un equilibrio de xido-reduccin en elorganismo. En un estado de estrs oxidativo, se pre-senta un exceso de pro-oxidantes que no puede sercontrarrestados por los sistemas antioxidantes.

Bajo condiciones patolgicas, existe un estadode estrs oxidativo donde el metabolismo celular au-menta la produccin de radicales libres y ROS3 (figura1). Las ROS producen oxidacin de biomolculascomo lpidos y protenas en la membrana celular. Laoxidacin de las molculas que conforman la membra-na altera su permeabilidad selectiva, lo que conducea una prdida del equilibrio osmtico de la clula.Todo lo anterior lleva a una entrada no controladade sodio y agua, alterando las concentraciones deelectrlitos. Cuando los propios mecanismos celularesno pueden contrarrestar estos cambios, se inicia unacadena de reacciones que involucran alteraciones delos canales inicos, aumento en la liberacin de cal-cio4 y en la produccin de xido ntrico (ON). Elaumento en los niveles de calcio y ON estimula la pro-duccin de interleucinas inflamatorias causando gliosise incrementando el estado de estrs oxidativo5. LasROS tambin activan al factor nuclear kappa beta(NFk), produciendo una alteracin en la regulacindel sistema inmune.

L

Muerte celular Prdida de laconformacin protica

Disfuncin delproteosoma

Disfuncin

Disfuncin desistema inmune

Dao delDNA

mitocondrial

Gliosis

ROS

Oxidacin delpidos

Figura 1. Efectos de las especies reactivas de oxgeno en el cerebro.

Una gran cantidad de evidencias indican que elincremento en la generacin de ROS, y un dficit enlas defensas antioxidantes6, as como la disminucinen la eficiencia de los mecanismos de reparacin delDNA y la protelisis, adems de prdida de regulacindel sistema inmune, son factores que contribuyen pri-mariamente al aumento de estrs oxidativo y llevan adao cerebral progresivo.

Las modificaciones en las protenas, comocarbonilacin, nitracin y unin cruzada protena-pro-tena, se asocian por lo general con prdida defuncin y pueden llevar por un lado al desdoblamien-to y degradacin de las protenas daadas, o por elotro, a su agregacin, resultando en acumulacincomo inclusiones citoplsmicas, tal como se observaen las enfermedades neurodegenerativas7.

Las protenas oxidadas son de alta sensibilidada la degradacin por el proteasoma8. Sin embargo, seha demostrado que el incremento de protenas oxida-das se asocia con una prdida de actividad delproteasoma9, el cual representa la fuente principal dela degradacin de las protenas oxidadas. Ms an,otros estudios han sugerido que las protenas oxida-das prolongadamente son ms resistentes a ladegradacin por el proteasoma10.

Los productos de la oxidacin de lpidos inclu-yen los lipoperxidos como malondialdehdo y4-hidroxi-2-trans-nonenal (4HNE). La neurona se desha-ce del 4HNE es por medio de su conjugacin alglutatin (GSH), reaccin que es catalizada por la en-zima glutatin-S-transferasa, seguida por la accin dela protena 1, que remueve el complejo GSH-4HNE dela clula11.

Las mitocondrias tambin son reguladores cr-ticos de la muerte celular; existen fuertes evidencias de

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que las disfunciones mitocondriales ocurren de formatemprana y actan causalmente en la patognesis delas enfermedades neurodegenerativas3. Las neuronasen el cerebro son bastante vulnerables a alteracionesmetablicas, por lo que una disminucin en la pro-duccin de ATP por la mitocondria, pone en riesgola viabilidad tanto de las mismas neuronas como de lasclulas gliales, lo cual trae como consecuencia unaalteracin de la neurotransmisin y de las funcionesnormales del cerebro. El estrs oxidativo lleva a unaprdida de regulacin de los niveles de calcio, por unaumento masivo de entrada de este ion a la clula,produciendo falla mitocondrial y liberacin del calciosecuestrado en la mitocondria. De igual manera, unageneracin anormal e incrementada de ROS por lamitocondria tambin pone en riesgo la viabilidad ce-lular, pues muchos mecanismos amortiguadorespueden verse sobrepasados12.

Aunque la enfermedad de Parkinson, la esclero-sis lateral amiotrfica, la enfermedad de Alzheimer, yel mal de Huntington difieren en las vas involucradas,tambin tienen caractersticas en comn, que incluyeninflamacin, mutaciones genticas, agregados inapro-piados de protenas (cuerpos de Lewy, placasamiloides), activacin glial, disfuncin mitocondrial yestrs oxidativo13. Estos procesos finalmente conducena la muerte neuronal y desempean un papel funda-mental en el deterioro progresivo que presentan lospacientes con enfermedades neurodegenerativas14.En este artculo, se revisa el papel del estrs oxidativoen los mecanismos de dao progresivo que ocurren encada una de las enfermedades antes mencionadas.

ESTRS OXIDATIVO E INFLAMACIN

El proceso inflamatorio es considerado un pro-ceso de defensa del organismo contra la infeccin oel dao y tiene como finalidad restablecer la integri-dad tisular.

En las enfermedades neurodegenerativas la in-flamacin ocurre como una respuesta localizada, en lacual los astrocitos y la microglia activada desempeanun papel fundamental. An no esta claro, cuando enestas patologas la respuesta inflamatoria pierde suregulacin y deja de ser un proceso de defensa y re-paracin para convertirse en un factor poderoso dedestruccin neuronal. Algunos procesos clave en laactivacin del sistema inmune son la presenciade astrocitos reactivos, microglia y macrfagos delparnquima cerebral y de microglia activada alrededorde placas de beta-amiloides, as como el aumento enla fagocitosis y la liberacin de mediadores inflama-

torios como citocinas, interleucinas y ciclo-oxigenasa2, una enzima clave en la formacin de prostaglan-dinas en el cerebro15. Todas estas respuestas son y semantienen activadas durante el estado de estrsoxidativo que lleva a las neuronas a un crculo viciosode muerte, destruccin y estrs oxidativo, que por laprdida de la capacidad de las defensas antioxidantesse vuelve imposible de romper.

Por otra parte, se ha demostrado que la fago-citosis de neuronas apoptticas induce a la glia yestimula a las clulas microgliales a cambiar su feno-tipo y a secretar factor de crecimiento nervioso, factorde crecimiento transformante , prostaglandina E2e IL-10. Este proceso parece ser dependiente de lainteraccin de aminofosfolpidos como la fosfatidil-serina, la cual se externaliza durante el procesoapopttico. Las clulas de la microglia tienen recep-tores a fosfatidilserina, y estos receptores parecen seruno de los factores clave en el control de la activacinde la microglia16. Estudios epidemiolgicos han de-mostrado que el uso de tratamientos con drogasanti-inflamatorias no esteroideas (NSAIDs) protegencontra las enfermedades de Alzheimer y Parkinson porinhibicin de la ciclo-oxigenasa 217, en particular de suforma inducible, sugiriendo que existen efectos de re-duccin del depsito de -amiloides, que mas queestar regulados por la inhibicin de la COX por losNSAIDs, parecen estar mediados por la activacin delreceptor activado por la proliferacin de pero-xisomas, la inhibicin de seales de vas Ras y lainteraccin con presenilina 118.

La activacin del sistema inmune contribuye alimitar el proceso de dao; no obstante, la prdida desu regulacin hace que estas mismas respuestas con-tribuyan a una condicin patolgica manteniendo unproceso de destruccin celular progresivo como ocu-rre en las enfermedades neurodegenerativas.

ENFERMEDAD DE ALZHEIMER

La enfermedad de Alzheimer (EA), es un trastor-no neurodegenerativo relacionado con la edad, estcaracterizada clnicamente por la prdida progresivade la memoria y las funciones cognitivas, lo cual resul-ta en una demencia severa19. La EA es la causa mscomn de demencia en personas mayores de 60 aos.Neuropatolgicamente, la EA se define por la acumu-lacin de dos tipos de material fibroso: el pptido-amiloide extracelular depositado en las placas seni-les y las maraas neurofibrilares intracelularescompuestas de manera importante por la protena tauanormal e hiperfosforilada. Las maraas neurofibrilares

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estn presentes en regiones correspondientes alhipocampo y la corteza cerebral. Se han propuestovarias hiptesis para explicar la patognesis de la EA,entre las que incluyen: la cascada amiloide,excitotoxicidad, estrs oxidativo e inflamacin20.

Varias lneas de investigacin han implicado alestrs oxidativo y dao por radicales libres en la etio-loga y patognesis de la EA. Este dao incluye unaasociacin de defectos en el metabolismo energticoy la compensacin de las enzimas antioxidantes21.

Desde hace algunos aos, las investigaciones sehan centrado en los defectos de la cadena respiratoriamitocondrial para dilucidar el papel de las mutacionesen el DNA mitocondrial y de la combinacin de la ex-presin de genes de DNA nuclear y mitocondrial22.

Hay estudios que reportan la presencia deglicosilacin en las maraas neurofibrilares y en las pla-cas seniles23, modificaciones lipoxidativas enprotenas24, modificaciones en neurofilamentos induci-das por grupos carbonilo y nitrotirosina25 en neuronashipocampales con EA (cuadro 1). Tambin se reporta-ron estudios que indican la presencia de un estado deestrs oxidativo regionalizado en cerebros con EA,sobre las bases de una cuantificacin de dao en pro-tenas y DNA26. Ms an, existen evidencias de unincremento en la oxidacin de RNA27 y peroxida-cin de lpidos28 en la EA.

El perxido de hidrgeno, una de las especiesreactivas clave como mediadora de estrs oxidativo,es generada durante la agregacin de las protenasamiloides asociadas a algunas enfermedadesneurodegenerativas. El perxido de hidrgeno es cata-lticamente convertido en el radical hidroxilo altamenteagresivo en presencia de Fe(II) y Cu(I), el cual vuelvea las protenas amiloidognicas (-amiloides y-sinuclena) vulnerables al ataque por el radicalhidroxilo.

Se han identificado blancos especficos de laoxidacin de protenas en la EA, como la modifica-cin por 4HNE, de un transportador de glutamato(GLT1) involucrado en la regulacin de los niveles deglutamato dentro de la clula. El resultado es el incre-mento de glutamato extraneuronal debido a lamodificacin oxidativa de gltl, lo cual eventualmentepuede llevar a la prdida de funcin del transportadory a muerte neuronal por excitotoxicidad29.

Algunas preparaciones de cerebros de roedortratadas con pptido -amiloide tambin llevan a lamodificacin oxidativa del transportador GLT1 por4HNE, lo cual sugiere una relacin directa entre elestrs oxidativo mediado por -amiloides y un meca-nismo potencial de neurodegeneracin30.

En el cerebro con EA, se ha encontrado que el4HNE est unido a la glutatin-S-transferasa y a la pro-tena 1, produciendo una reduccin de la actividadde estas protenas. Esta evidencia apoya la idea deque las modificaciones oxidativas llevan a una prdi-da de la funcionalidad y a la acumulacin de 4HNE enel cerebro con EA.

Los procesos inflamatorios tambin modulan lapatognesis de la EA31. El factor de crecimientotransformante- (TNF-) y el sistema del complemen-to participan en la modulacin de procesos tales comoactivacin de la microglia, estrechamente involucradosen la EA14.

Cul es la fuente de ROS en la EA?A pesar de la amplia documentacin de dao

oxidativo en la EA, las fuentes del incremento de ROSresponsables de iniciar dicho dao an permanecenpoco claras.

Algunos candidatos son:a. La microgla activada, como aquella presen-

te alrededor de las placas seniles, ya que es una

Protenas oxidadasen la enfermedad de

Alzheimer

Lbulo infoparietal Hipocampo

Enzimas relacionadas conla produccin de energa

CK, enolasa, TPI,PGM1, LDH

Enolasa, TPI,GAPDH, PGM1

Protenas relacionadascon neurotransmisores

EAAT2, GS

Protenas relacionadascon el proteasoma

UCHL1, HSC71 UCHL1

Sistema colinrgico Neuropolipptido h3

Protenas relacionadascon la regulacin de pH

CA2 II

Protenas estructurales DRP2, -actina

Fosforilacin de yproduccin de -

amiloides

tau

Pin 1

Anormalidades sinpticasy LTP

Gamma-SNAP

Anormalidadesmitocondriales

ATP sintasacadena alfaVDAC-1

Cuadro 1. Protenas modificadas por oxidacin en el cerebro con laenfermedad de Alzheimer. CK= creatina cinasa, TPI=triosa fosfatoisomerasa, PGM1= fosfoglicerato mutasa, LDH= lactatodeshidrogenasa, GS= glutamina sintetasa, UCHL1= ubiquitina carboxiterminal hidrolasa, HSC71=protena de choque trmico 71, DRP2=protena 2 relacionada a dihidropirimidinasa, Pin1=peptidil-prolil-cis-trans-isomerasa, Gamma-SNAP= gamma-protenas solublesasociadas a NSF, VDAC= canal aninico dependiente de voltaje,EEAT2=GLT1= transportador de aminocido excitatorio.

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fuente de xido ntrico y superxido, los cuales rea-ccionan para formar peroxinitritos.

b. Los depsitos de protenas -amiloides, de-bido a que estos promueven la generacin de ROSpor su conjugacin con metales de transicin o por suinteraccin con receptores de superficie que participanen la respuesta inflamatoria20.

c. El estrs oxidativo puede modificar protenaspor los productos finales de glicacin y lipoxidacinavanzada (AGEs y ALEs, respectivamente), lo cual pue-de activar receptores de superficie, como los RAGE32,y al receptor scavenger tipo A, para inducir un incre-mento en la produccin de ROS33, 34. Los AGEs y ALEstambin pueden unirse a iones metlicos, lo cual dacomo resultado un incremento autocataltico de ROS20.

ENFERMEDAD DE PARKINSON

La enfermedad de Parkinson (EP) es un desor-den neurodegenerativo muy comn que se caracterizapor la prdida progresiva de las neuronas dopa-minrgicas de la sustancia negra y la concomitanteprdida de terminales nerviosas dopaminrgicas en elcaudo-putamen, que es la principal rea de proye-ccin de las neuronas de la sustancia negra. Lospacientes con EP presentan tremor en reposo, movi-mientos lentos (bradiquinesia), rigidez, e inestabilidadpostural.

Acompaando esta prdida de neuronas seencuentra la acumulacin de cuerpos de Lewy, inclu-siones protenicas intracitoplsmicas que contienen-sinuclena, sinfilina-1, componentes de la vaproteosmica de ubiquitina y parkina. Existen anorma-lidades bioqumicas en el cerebro con EP, tales comodeficiencias en el complejo I mitocondrial, disminucinextracelular de tioles, incremento del fierro oxidante(FeII) en la sustancia negra, as como dao oxidativo,que incluye oxidacin de DNA, nitracin e incremen-to en grupos carbonilos de protenas, en especial enla sustancia negra35. Los cuerpos de Lewy en la EPson inclusiones filamentosas intraneuronales que se en-cuentran por lo general en la sustancia negra. Estasinclusiones contienen neurofilamentos fosforila-dos yuna protena llamada sinuclena.

En la actualidad, existen evidencias de las pro-piedades agregatorias de la sinuclena y su posibleasociacin con un estado de estrs oxidativo presen-te en la EP20. Una de estas evidencias es la nocin deque los agregados tipo amiloide de la sinuclena36,similares a aquellos observados in vivo, son inducidospor co-incubacin con cobre (II), Fe/perxido de hidr-geno, o citocromo c/perxido de hidrgeno20.

Muchas de las caractersticas motoras que de-finen la EP resultan primariamente de la prdida de lasneuronas de la sustancia negra. Hasta el momento,la droga ms potente para el tratamiento de la EP esla L-dopa. Sin embargo, las complicaciones motorasde la administracin crnica de L-dopa han emergidocomo una limitacin mayor en el tratamiento. Es poreso que las terapias neuroprotectoras que retrasen laprogresin de la enfermedad pueden retardar tambinla necesidad de L-dopa. No hay suficiente evidenciade que la terapia con L-dopa impida la muerte progre-siva de las neuronas nigroestriatales, sino que por elcontrario, se especula que puede contribuir al cursoprogresivo de la enfermedad37.

En los aos pasados, se han aportado nuevosconocimientos acerca de los mecanismos de neuro-degeneracin presentes en la EP. Las deficiencias enla funcin mitocondrial, el incremento del estrsoxidativo, apoptosis, exitotoxicidad e inflamacin sonparte de los procesos que eventualmente resultan enneurodegeneracin.

a. La dopamina como fuente de ROS en el SNCLas ROS generadas por la oxidacin de dopamina

han sido implicadas en la destruccin de neuronasrelacionadas con la edad y otros procesos neuro-degenerativos como la EP37.

A la fecha, se han propuesto dos mecanismospor medio de los cuales la DA estimula la produccinde ROS. Estos dependen de la presencia o ausencia demediadores enzimticos. La DA de la sustancia negray el estriado es diseminada por la enzima monoaminooxidasa (MAO), que se localiza en la membrana exter-na de la mitocondria. Esta reaccin da como resultadola produccin de radicales superxido e hidroxilo, ade-ms de perxido de hidrgeno38, 39.

Otro derivado de la DA es el 1,2,3,4 tetrahidro-papaverolin (THP), que se obtiene del catabolismoenzimtico. El THP por s mismo es capaz de inducirnecrosis en clulas de neuroblastoma y est rela-cionado con la patognesis de la enfermedad deParkinson40.

Los derivados del metabolismo de la DA actancomo proneurotoxinas en el desarrollo de la EP.Ciertos componentes del humo de tabaco puedenreaccionar con estas proneurotoxinas impidiendo suactivacin. Este hecho puede explicar el efecto benfi-co del hbito de fumar en la incidencia de Parkinson41.

b. La auto-oxidacin de la DAComo se mencion con antelacin, otro meca-

nismo por medio del cual la DA puede contribuira la formacin de ROS es la auto-oxidacin espontnea.La DA es una molcula con un grupo catecol, el cual

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puede oxidarse con facilidad de manera no enzimticapara formar una serie de especies electroqumicas tipoquinoides41.

El paso inicial en la oxidacin de la DA involu-cra una reaccin con el oxgeno molecular para formarDA-o-quinona y dos molculas de anin superxido.La formacin de los aniones superxido durante laauto-oxidacin de la DA lleva a la produccin deperxido de hidrgeno por la dismutacin del super-xido41.

c. Estrs oxidativo mediado por fierro en la sus-tancia negra con EP

Existen cantidades altas de anormalidad en elfierro y estrs oxidativo en la EP20. El incremento delfierro total no necesariamente implica un estado deestrs oxidativo siempre y cuando existan protenasque almacenen al fierro en su forma inerte, tales comola ferritina. La entrada y liberacin de fierro por laferritina ocurre cuando el fierro cambia a estado msactivo y entra a la reaccin de fenton para generar elradical hidroxilo. El fierro se acumula en los astrocitosde la sustancia negra de ratas viejas, al mismo tiem-po que existe un incremento en la tasa de Fe(III)/Fe(II)y una disminucin de glutatin. Una interpretacin esque el secuestro por la mitocondria del Fe(II) en laastrogla de la sustancia negra durante el envejeci-miento, puede ser un factor que predispone el cerebrosenescente a la EP20.

Adems, existen evidencias de que la prdidaintracelular del balance redox resulta en una oxidacinaberrante de dopamina en 6-hidroxidopamina, la cuala su vez puede sufrir una auto-oxidacin para formarquinonas y simultneamente, generar superxido. Estareaccin en cascada, ya sea por s misma, o amplifi-cada por la generacin de ROS, puede explicar laprdida neuronal como resultado final.

La DA-o-quinona luego sufre una cliclizacinintramolecular para formar 5,6-dihidroxiquinolina, quees subsecuentemente oxidada por la DA-o-quinonapara formar dopaminocromo. Este compuesto sufre unrearreglo para formar 5,6-dihidroxindol, que a su vez seoxida en una quinona de indol. El siguiente proceso depolimerizacin lleva por ltimo a la generacin de unpigmento oscuro denominado neuromelanina. La apa-riencia oscura de la sustancia negra se debe a lapresencia de este pigmento, que contiene productosderivados de la oxidacin de la cisteinil-DA41.

Cuando la auto-oxidacin de la DA tiene lugaren presencia de L-cisteina, la DA-o-quinona sufre unataque nucleoflico por el grupo tiol del aminocidopara formar cisteinil-DA. Este hecho difiere de la oxida-cin normal de la DA para formar neuromelanina41.

El fierro y la actividad de la MAO estn incre-mentados en la EP. Estos estn asociados conauto-oxidacin de la dopamina y su desaminacin porla MAO, lo cual resulta en la generacin de especiesreactivas de oxgeno y radicales libres que promuevenel inicio de estrs oxidativo para inducir neurodege-neracin. Se ha demostrado que los quelantes defierro as como los inhibidores de la MAO resultan pro-tectores en algunos modelos de EP, como la6-hidroxidopamina y el MPTP39.

ESCLEROSIS LATERAL AMIOTRFICA

La esclerosis lateral amiotrfica (ELA) es unaenfermedad degenerativa de curso progresivo queafecta a las clulas del asta anterior y a la va cortico-espinal, y que se manifiesta principalmente condebilidad muscular, amiotrofia e hiperreflexia20.

Una de las teoras que explican la muerte selec-tiva de las neuronas motoras en la ELA incluye unestado de estrs oxidativo acompaado de daomitocondrial, y dao celular mediado por microglia yglutamato14.

La ELA familiar es un desorden heredado de lasneuronas motoras, que se encuentra asociado conmutaciones sin sentido en el gen de la enzimasuperxido dismutasa tipo 1 (Cu, Zn-SOD)42. La SOD1es bastante abundante y comprende cerca del 1% delas protenas totales en cerebro. Se expresa ubicua-mente en varios tipos celulares y en cantidades casisiempre altas. La funcin de la SOD1 es convertir elsuperxido (oxgeno con un electrn extra) enperxido de hidrgeno u oxgeno molecular en dospasos, uno de los cuales requiere al cobre como ca-talizador.

Aunque la SOD1 mutante de ELA familiar y laenzima sin mutaciones presentan una actividad idn-tica de dismutacin del superxido, se ha demostradoque la formacin del radical hidroxilo est incrementadacon la mutante43. Los anlisis estructurales de la SODmutante revelaron alteraciones sutiles de asimetra ensus subunidades. Se sugiere una menor afinidad por elcobre, con una consecuente fuga de este ion. Existeun incremento de eventos mediados por el radicalhidroxilo en presencia de SODs mutantes44, lo cual apo-ya la liberacin de cobre y el dao oxidativoobservado in vivo. Esta actividad altamente generado-ra de radicales libres por parte de la SOD1 mutantefacilita la liberacin de iones de cobre de la propia en-zima20.

Sin embargo, algunos estudios con otras varian-tes de mutantes de SOD no exhiben la ganancia de

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funcin, puesto que no existe un incremento de radi-cales hidroxilo. Por lo tanto, una alternativa a la teorade la ganancia de funcin, es que el dao oxidativoin vivo puede reflejar la competencia entre SODsmutantes y otras enzimas de unin a Cu/Zn, lo cualresulta en una fraccin disminuida de la enzima activay por lo tanto, en un amortiguamiento insuficiente desuperxido20.

La reaccin de las mutantes con perxido dehidrgeno potencia la fragmentacin de DNA y el au-mento en la peroxidacin de lpidos. El elevado gradode estrs oxidativo de las macromolculas est media-do en las mutantes por una combinacin deactividades altamente generadoras de radicales libresy una reaccin de tipo fenton con iones de cobre li-berados de las SODs daadas por oxidacin43.

Los astrocitos con SOD1 mutante exhiben unadisfuncin del transportador de glutamato, lo cual pue-de acelerar el desarrollo de la enfermedad. El nicotransportador de glutamato conocido en mdulaespinal es EAAT2, y est presente slo en astrocitos.El bloqueo de los transportadores de glutamato llevaa una acumulacin excesiva de glutamato en la hen-didura sinptica, lo cual causa un aumento en laentrada de calcio por ltimo, muerte de las neuronasmotoras14.

El frmaco ms usado hasta el momento paratratamiento de la ELA es el riluzol, un benzotiazol quese ha relacionado con la disminucin de la accinexcitadora que ejerce el aminocido glutamato sobrelas neuronas. En concordancia con el estado de estrsoxidativo presente en la enfermedad, algunos autoresrecomiendan asociar al tratamiento con riluzol, unacombinacin de vitaminas antioxidantes y creatina.

ENFERMEDAD DE HUNTINGTON

A diferencia de los desrdenes neurodegene-rativos con antelacin discutidos, la enfermedad deHuntington (EH) est completamente determinada enel mbito gentico. La condicin es autosmica do-minante y resulta en el deterioro de neuronas delcaudado y putamen, con un inicio posterior y desarro-llo progresivo de anormalidades conductuales,alteraciones cognitivas y movimientos espasmdicosinvoluntarios. Todas estas caractersticas clnicas sonmanifestaciones fsicas de una mutacin gentica en elcromosoma 4, que produce una expansin anormal derepeticiones CAG en la regin codificante del gen quecodifica la protena huntingtina. A pesar de la identifi-cacin del defecto gentico, el papel de la huntingtinamutante en la degeneracin neuronal, como factor que

vuelve vulnerables las neuronas estriatales, permanecepoco claro. Las evidencias apuntan a una gananciade funcin de la huntingtina, la cual involucra defectosenergticos, dao oxidativo y excitotoxicidad45.

Un rasgo caracterstico de la EH es la produc-cin proteoltica de fragmentos N-terminales dehuntingtina que contienen repeticiones de poligluta-mina, los cuales forman agregados ubiquitinados en elncleo y el citoplasma de las neuronas afectadas.

El mecanismo por el cual la huntingtina causaneurodegeneracin no est bien entendido. Sin em-bargo, existen evidencias de que los estmulosoxidativos pueden potenciar la agregacin de huntin-gtina poliglutaminada e inducir muerte neuronal46. Losestmulos oxidativos tambin llevan a una rpidadisfuncin del proteasoma, y se ha observado quela sobre expresin de enzimas antioxidantes como laSOD logra atenuar el dao. Esto sugiere quela disfuncin del proteasoma inducida por estrsoxidativo puede estar ligada a la muerte neuronal in-ducida por la huntingtina poliglutaminada46.

Tambin se ha postulado que la disfuncin de lamitocondria y el estrs oxidativo pueden jugar un pa-pel significativo en la etiologa de la enfermedad. Eneste sentido, se han detectado marcadores de daooxidativo en cerebros de pacientes con EH y en mo-delos animales de EH. Estos marcadores incluyenaltas concentraciones de lpidos peroxidados, nitrotiro-sina, malondialdehdo45 y dao oxidativo en DNA47 yanormalidades en el metabolismo del triptofano48.

Adems, los modelos de animales transgnicoscon EH exhiben muchas de las caractersticas delfenotipo humano, y se caracterizan por una produccinde radicales libres.

Existen evidencias indirectas de alteraciones deagentes que potencian la produccin de energa, ta-les como la coenzima Q10 y creatina.

De los candidatos teraputicos potencialespara el tratamiento de la EH se encuentran lamiociclina y antioxidantes como la coenzima Q10. Enmodelos animales de EH, se ha demostrado que lacombinacin de ambos frmacos provee mejoras sig-nificativas49.

La activacin de la caspasa-1: una va comn deneurodegeneracin.

Se ha demostrado que el dao oxidativo a tra-vs de estrs oxidativo y/o disfuncin mitocondrial enlas enfermedades neurodegenerativas antes menciona-das culmina con muerte neuronal50. La caspasa 1, unaprotena que media procesos de muerte de tipoapopttica, parece ser una va comn que se activa enprocesos neurodegenerativos14.

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Cualquier clase de estmulo estresante, tal comoexposicin a ROS o incremento del calcio extracelularpueden inducir un cambio en la permeabilidad de lamembrana mitocondrial, lo cual lleva a edema y a unadeclinacin del potencial de membrana mitocondrial50.Estos cambios conducen a una liberacin de factoresapoptticos como las caspasas 3, 9, y eventualmen-te a muerte celular. Existen evidencias que sugieren la

activacin de la caspasa 1 como un factor tempranodesencadenante de apoptosis neuronal. La protenaRip2, es un activador de la caspasa 1 inducido porestrs. Una vez activada, la caspasa 1 media el colap-so mitocondrial50. A medida que el dao neuronalprogresa, se incrementa la transcripcin de la caspasa1, y tambin se incrementan la IL-1, TNF y radicaleslibres, los cuales afectan a las clulas vecinas (figura 2).

La microgla y astrositos reactivos median a suvez procesos inflamatorios y otras vas de muerteneuronal14.

CONCLUSIONES

Las neuronas son altamente sensibles al estrsoxidativo, el cual acta a diferentes niveles activandouna serie de vas relacionadas con dao oxidativo yapoptosis, adems de activar un proceso inflamatoriono especfico.

El grado de deterioro en las enfermedadesneurodegenerativas est correlacionado con la dege-neracin y subsiguiente prdida de poblacionesneuronales especficas. Esta prdida de neuronas secorrelaciona con lesiones patolgicas que abarcanprotenas del citoesqueleto que son selectivamentevulnerables al estrs oxidativo, por lo que se tiende aespecular que la qumica de los radicales libres juegaun importante papel en estas condiciones neurode-generativas.

Sin embargo, an no est determinado cmolos efectos del estrs oxidativo se manifiestan diferen-cialmente en poblaciones neuronales especficasafectadas por cada enfermedad.

El estrs oxidativo parece ser la unin entre fac-tores ambientales (pesticidas herbicidas, exposicin ametales pesados), factores endgenos y factores deriesgo gentico.

An no esta claro, si el estrs oxidativo puedeser un epifenmeno o tener un papel causal. Existenevidencias en ambos sentidos que indican que losoxidantes inducen distintas consecuencias patolgicasque amplifican y propagan el dao y que llevan a unadegeneracin irreversible. La capacidad de las espe-cies reactivas de activar el sistema inmune a travs dela activacin diferentes vas metablicas puede ser lasresponsables de la progresin de las enfermedadesneurodegenerativas.

REFERENCIAS

1. Smythies J. Redox aspects of signaling by catecholaminesand their metabolites. Atioxid Redox Signal 2000;2(3):575-83.

2. McCord JM. Evolution of free radicals and oxidative stress. Am

Disminucin de otras molculas antioxidantes

Disminucin de la actividad de enzimas antioxidantes

Factores que pueden aumentar el estrs oxidativo

Alto contenido de fierro

Neuromelanina

Auto-oxidacin (no enzimtica)

Metabolismo de la dopamina

Factores que pueden estimular la produccin de ROS

Bajos niveles de ubiquinonaBajos niveles de ubiquinona

Poco glutatin reducidoPoco glutatin reducido

Disminucin de otras molculas antioxidantes

Bajos niveles de catalasaBajos niveles de catalasa

Bajos niveles de glutatin peroxidasaBajos niveles de glutatin peroxidasa

Disminucin de la actividad de enzimas antioxidantes

Factores que pueden aumentar el estrs oxidativo

Alto contenido de fierro

Neuromelanina

Desaminacin oxidativa (enzimtica por la MAO)Desaminacin oxidativa (enzimtica por la MAO)

Metabolismo de la dopamina

Factores que pueden estimular la produccin de ROS

Cuadro 2. Factores que contribuyen al estrs oxidativo en la enfer-medad de Parkinson.

Mitocondria

Cit c

ROS

Ca2+

Procaspasa 1Rip2

Caspasa 1

Condensacin

de DNA

APOPTOSIS

Membranaplasmtica

IL-1B

Otros mediadores demuerte celular

Figura 2. La activacin de la caspasa 1 por incremento de las ROS esun evento comn en las enfermedades neurodegenerativas que cursancon estrs oxidativo.

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Vol 12, No. 1: 45-54, 2007

J Med 2000; 108(8):652-9.3. Lin MT, Beal MF. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress

in neurodegenerative diseases. Nature 2006; 443(7113):787-95.4. Halliwell B. Oxidative stress and neurodegeneration: where are

we now?. J Neurochem 2006; 97(6)1634-58.5. Sugaya K, Chou S, Xu S, McKinney M. Indicator of glial activation

and brain oxidative stress after intraventricular infusion of anendotoxin. Mol Brain Res 1998;58(1-2):1-9.

6. Olanow CW, Arendash GW. Metals and free radicals inneurodegeneration. Curr Opin Neurol 1994;7(6):548-58.

7. Dalle-Donne I, Scaloni A, Giustarini D, Cavarra E, Tell G,Lungarella G, et al. Proteins as biomarkers of oxidative/nitrosativestress in diseases: the contribution of redox proteomics. MassSpectrom Rev 2005;24:55-99.

8. Grune T, Reinheckel T, Davies KJ. Degradation of oxidizedproteins in mammalian cells. FASEB J 1997;11:526-34.

9. Szweda PA, Friguet B, Szweda LI. Proteolysis, free radicalsand aging. Free Radic Biol Med 2002;33:29-36.

10. Sitte N, Huber M, Grune T, Ladhoff A, Doecke WD, Von ZglinickiT, et al. Proteasome inhibition by lipofucsin/ceroid duringpostmitotic aging of fibroblasts. FASEB J 2000;14:1490-8.

11. Paumi CM, Ledford BG, Smitherman PK, Townsend AJ, MorrowCS. Role of multidrug resistance protein 1 (MRP1) andglutathione-S-transferase A1-1 in alkylating agent resistance.Kinetics of glutathione conjugate formation and efflux governdifferential cellular sensitivity to chlorambucil versus memphalantoxicity. J Biol Chem 2001;276:7952-6.

12. Foster KA, Galeffi F, Gerich FJ, Turner DA, Mller M. Opticaland pharmacological tools to investigate the role of mitochondriaduring oxidative stress and neurodegeneration. Prog Neurobiol2006;79:136-71.

13. Danysz W. Neurotoxicity as a mechanism for neurodegenerativedisorders: basic and clinical aspects. Expert Opin Investig Drugs2001;10(5):985-9.

14. Dhib-Jalbut S, Arnold DL, Cleveland DW, Fisher M, FriedlanderRM, Mouradian MM, et al. Neurodegeneration andneuroprotection in multiple sclerosis and other neurode-generative diseases. J Neuroimmunol 2006;176(1-2):198-215.

15. Minghetti L. Role of inflammation in neurodegenerative diseases.Curr Opin Neurobiol 2005;18:315-21.

16. Zhang J, Fujii S, Wu Z, Hashioka S, Tanaka Y, Shiratsuchi A, etal. Involvement of COX-1 and up-regulated prostaglandin Esynthases in phosphatidylserine liposome-induced prosta-glandin E2 protection by microgla. J Neuroimmunol 2006;172:112-20.

17. Asanuma M, Miyazaki I. Nonsteroidal anti-inflammatory drugsin Parkinsons disease: possible involvement of quinineformation. Expert Rev Neurother 2006; (9):1313-25.

18. Asanuma M, Miyazaki I, Ogawa N. Neuroprotective effects ofnonsteroidal anti-inflammatory drugs on neurodegenerativediseases. Curr Pharm Des 2004;10:695-700.

19. Salmon DP, Thomas RG, Pay MM, Both A, Hofstetter CR, ThalLJ, et al. Alzheimers disease can be accurately diagnosed invery midly impaired individuals. Neurology 2002;99:1022-8.

20. Sayre LM, Smith MA, Perry G. Chemistry and biochemistry ofoxidative stress in neurodegenerative disease. Curr Med Chem2001;8:721-38.

21. De Leo ME, Borrello S, Passantino M, Palazzotti B, Mordente A,Daniele A, et al. Oxidative stress and overexpression ofmanganeso superoxide dismutasa in patients with Alzheimersdisease. Neurosci Lett 1998;250(3):173-6.

22. Bonilla E, Tanji K, Hirano M, Vu TH, DiMAuro S, Schon EA.Mitochondrial involvement in Alzheimers disease. BiochimBiophys Acta 1999;1410(2):171-82.

23. Moreira PM, Smith MA, Zhu X, Nanomura A, Castellani RJ,

Perry G. Oxidative stress and neurodegeneration. Ann N YAcad Sci 2005;1043:545-52.

24. Liu Z, Sayre LM. Model Studies on the modification of proteinsby lipoxidation-derived-2-hydroxyaldehydes. Chem Res Toxicol2003;16(2):232-41.

25. Smith MA, Richey Harris PL, Sayre LM, Beckman JS, Perry G.Widespread peroxynitrite-mediated damage in Alzheimersdisease. J Neurosci 1997;17(8):2653-7.

26. Sultana R, Perluigi M, Butterfield DA. Protein oxidation and lipidperoxidation in brain of subjects with Alzheimers disease:insights into mechanism of neurodegeneration from redoxproteomics. Antioxid Redox Signal 2006;8(11-12):2021-37.

27. Shan X, Lin CL. Quantification of oxidized RNAs in Alzheimersdisease. Neurobiol Aging 2006; 27(5):657-62.

28. Korolainen MA, Goldsteins G, Nyman TA, Alafuzoff I, KoistinahoJ, et al. Oxidative modification of protein in the frontal cortex ofAlzheimers disease brain. Neurobiol Aging 2006;27(1):42-53.

29. Butterfield DA, Perluigi M, Sultana R. Oxidative stress inAlzheimers disease brain: New insights from redox proteomics.Eur J Pharmacol 2006;545:39-50.

30. Lauderback CM, Hackett JM, Huang FF, Keller JN, Szweda LI,Markesbery WR, et al. The glial glutamate transporter GLT1, isoxidatively modified by 4-hydroxy-2-nonenal in the Alzheimersdisease brain: the role of Abeta1-42. J Neurochem 2001;78:413-16.

31. Wyss-Coray T, Mucke L. Inflammation in neurodegenerativedisease: a double edge sword. Neuron 2002;35:419-32.

32. Ramasamy R, Vannucci SJ, Shi Du Yan S, Herold K, FangYang S, Schmidt AM. Advanced glycation end products andRAGE: a common thread in aging, diabetes, neurodegenerationand inflammation. Glycobiology 2005;15(7):16-28.

33. El Khouri, Hickman SE, Thomas CA, Cao L, Silverstein SC, LikeJD. Scavenger receptor-mediated adhesion of microglia tobeta amyloid fibrils. Nature 1996;382:716-9.

34. Sato T, Shimogaito N, Wu X, Kikuchi S, Yamagishi S, TakeuchiM. Toxic advanced glycation end products (TAGE) theory inAlzheimers disease. Am J Alzheimer Dis other Demen 2006;21(3):197-211.

35. Jenner P, Olanow CW. Oxidative stress and the pathogenesisof Parkinsons disease. Neurology 1996;47(6 Suppl 3):S161-70.

36. Jensen PH, Hager J, Nielsen MS, Hojrup P, Gliemann J, JakesR. Alpha-synuclein binds to Tau and stimulates the protein kinaseA-catalyzed tau phosphorylation of serine residues 262 and356. J Biol Chem 1999;274:25481-89.

37. Fahn S. A new look at levodopa based on the ELLDOPA study.J Neural Transm Suppl 2006;70:419-26.

38. Graham DG. Oxidative pathways for catecholamines in thegenesis of neuromelanin and cytotoxic quinones. Mol Pharmacol1978;14:633-643.

39. Gal S, Fridkin M, Amit T, Zheng H, Youdim MB. M30, a novelmultifunctional protective drug with potent iron chelating andbrain selective monoamine oxidase-ab inhibitory activity forParkinsons disease. J Neural Trnsm Suppl 2006;70:447-56

40. Soto-Otero R, Sanmartin-Suarez C, SancheIglesias S, Hermida-Ameijeiras A, Sanchez-Sellero I, Mendez-Alvarez E. Study onthe ability of 1,2,3,4-tetrahydropapaveroline to cause oxidativestress: Mechanisms and potential implications in relation toParkinsons disease. J Biochem Mol Toxicol 2006;20:(5)209-20.

41. Mndez-Alvarez E, Soto-Otero R. Dopamine: a double-edgedsword for the human brain. Recent Res Devel Life Sci 2004;2:217-246.

42. Yim MB, Yim HS, Chock PB, Stadtman ER. Enhanced freeradical generation of FALS-associated Cu, Zn-SOD mutants.Neurotox Res 1999;1(2):91-7.

43. Kang JH, Eum WS. Enhanced oxidative damage by the familialamyotrophic lateral sclerosis-associated Cu,Zn-superoxide

54


dismutase mutants. Biochim Biophys Acta 2000;1524(2-3):162-70.44. Yim MB, Kang JH, Yim HS, Kwak HS, Chock PB, Stadtman ER.

A gain-of-function of an amyotriophic lateral sclerosis-associatedCu,Zn-superoxide dismutase mutant: An enhancement of freeradical formation due to a decrease in Km for hydrogenperoxide. Proc Natl Acad Sci USA 1996;93(12): 5709:14.

45. Browne SE, Beal MF. Oxidative damage in Huntingtons diseasepathogenesis. Antioxid Redox Signal 2006;8(11-12):2061-73.

46. Goswami A, Dikshit P, Mishra A, Mulherkar S, Nukina N, JanaNR. Oxidative stress promotes mutant huntingtin aggregationand mutant huntingtin-dependent cell death by mimickingproteasomal malfunction. Biochem Biophys Res Commun 2006;342(1):184-90.

47. Bogdanov MB, Andreassen OA, Dedeoglu A, Ferrante RJ, BealMF. Increased oxidative damage to DNA in a transgenic mousemodel of Huntingtons disease. J Neurochem 2001;79(6):1246-9.

48. Stoy N, Mackay GM, Forrest CM, Christofides J, Egerton M,Stone TW, et al. Tryptophan metabolism and oxidative stress inpatients with Huntington disease. J Neurochem 2005;93(3):611-23.

49. Stack EC, Smith KM, Ryu H, Cormier K, Chen M, Hagerty SW,et al. Combination therapy using myocycline and coenzymeQ10 in R6/2 transgenic Huntingtons disease mice. BiochimBiophys Acta 2006;1762(3):373-80.

50. Waldmeier PC. Prospects for antiapoptotic drug therapy ofneurodegenerative diseases. Prog Neuro-Psychopharmacol BiolPsychiat 2003;27:303-21.

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