Uma introdução muito gentil à oxidação.

Por Brad Marshall,

Os humanos são criaturas elétricas. Nossa biologia básica é controlada pelo movimento dos elétrons. Em um sistema biológico, em vez de se moverem por um fio, os elétrons se movem de uma molécula para outra. Essas reações são chamadas de reações redox, que é a abreviação de redução e oxidação. quando um elétron se move de uma molécula para outra, a molécula que perde o elétron é oxidada e a molécula que ganha o elétron é reduzida.

Oxigênio, Carbono e Hidrogênio têm afinidades diferentes por elétrons. O oxigênio realmente gosta de pegá-los, o hidrogênio realmente gosta de dar e o carbono está no meio — feliz em dar ao oxigênio como em dióxido de carbono (CO2) ou tirá-los do hidrogênio como no metano (CH4).

O oxigênio realmente gosta de pegar elétrons do carbono e do hidrogênio! Tecnicamente, para fazer uma molécula como a água, o oxigênio não retira completamente o elétron do hidrogênio. Os dois compartilham um par de elétrons, um do oxigênio e um do hidrogênio. O par compartilhado é conhecido como “ligação covalente”. Mas é um compartilhamento desigual, como um relacionamento em que quando você compartilha uma cerveja, uma pessoa bebe a cerveja e a outra toma alguns goles. No oxigênio atmosférico (O2), o oxigênio está sendo forçado a compartilhar seus elétrons com outra molécula de oxigênio. É claro que 2 moléculas de oxigênio têm afinidade igual por elétrons e, portanto, cada oxigênio só consegue beber meia cerveja. Mas quando o oxigênio compartilha seus elétrons com o hidrogênio ou o carbono, ele consegue beber a cerveja inteira! Mesmo que eles estejam tecnicamente compartilhando. Por esta razão, o oxigênio pode ser bastante agressivo para ir atrás dos elétrons dos hidrocarbonetos como o metano (CH4). Esta é a aparência dessa equação.

Metano (Hidrocarboneto) + Oxigênio -> Água + Dióxido de Carbono + Calor

A molécula de metano acabou de ser oxidada! O que quer dizer que o oxigênio pegou os elétrons do metano. Todos os hidrogênios e carbonos que estavam no metano agora estão ligados ao oxigênio. O oxigênio agora tem uma parcela muito maior dos elétrons. O oxigênio está muito mais feliz com seus novos relacionamentos, todo o sistema é mais estável e a reação emite calor. Se essa reação acontecer com moléculas suficientes, é emitido calor suficiente para que o próprio calor possa catalisar mais reações de oxidação como essa. Essas reações liberam mais calor que, por sua vez, atua como um catalisador para mais oxidação. Este é um ciclo de feedback positivo. Este ciclo de feedback cria fogo!

Usei metano (gás natural) como exemplo porque é o hidrocarboneto mais simples. Mas os hidrocarbonetos estão ao nosso redor — madeira, papel, amido, gordura, açúcar e proteína são todos hidrocarbonetos. Todas essas coisas são capazes de realizar o ciclo de oxidação de feedback positivo conhecido como fogo. Às vezes, isso pode ser positivamente explosivo.



O “tornado de fogo” que foi gerado no incêndio em Carr na Califórnia em 26 de julho de 2018.

Em 26 de julho de 2018, um incêndio florestal na Califórnia gerou o tornado mais forte da história do estado. Chamado de tornado de fogo, é o exemplo natural mais dramático de oxidação em ação. Este foi um evento climático causado completamente pelo oxigênio molecular (O2) retirando elétrons dos hidrocarbonetos da madeira, plástico e outros incineráveis. Foi um ciclo de feedback positivo, onde a oxidação levou ao calor, que levou a mais oxidação, o que levou a um tornado de fogo.

Claro, nem sempre foi assim. A atmosfera primordial não continha nenhum oxigênio livre. Naquela época, tínhamos uma atmosfera redutora, diferente da atmosfera oxidante que temos agora. Se houvesse uma maneira de voltar para aquela época, seu carro nunca enferrujaria. Por outro lado, você seria asfixiado em minutos. Prós e contras.

A Grande Oxigenação

A atmosfera primordial da Terra não continha Oxigênio (O2). A atmosfera era uma “atmosfera redutora”, exatamente o oposto da “atmosfera oxidante” de hoje.

Em algum lugar ao longo da linha, a vida evoluiu. Organismos unicelulares. Estranhos para os padrões de hoje. Metanógenos e microrganismos redutores de sulfato. Aquilo foi apenas a vida por alguns bilhões de anos.

E então a clorofila evoluiu. A clorofila muda tudo.



As cianobactérias são presumivelmente os primeiros organismos a ter clorofila e, portanto, causaram a crise do oxigênio. Eles ainda existem hoje e são os únicos procariontes (organismos sem núcleo) que produzem oxigênio.

A clorofila, junto com suas proteínas associadas, absorve a extremidade vermelha do espectro de luz (refletindo o amarelo e o azul que juntos formam o verde) e usa essa energia absorvida para arrancar os elétrons do oxigênio. A clorofila realiza a reação oposta à oxidação, sobre a qual você leu anteriormente. A clorofila provoca uma reação semelhante a esta:

Dióxido de Carbono + Água + Energia Leve -> Hidrocarbonetos + Oxigênio

Nessa reação, a clorofila usa a energia da luz absorvida para reduzir (o oposto de oxidar) o carbono e o hidrogênio do dióxido de carbono e da água em um hidrocarboneto. O oxigênio da água e do dióxido de carbono é oxidado (isso mesmo, acredite ou não) em O2, oxigênio atmosférico.

O que é realmente útil sobre essa reação, é claro, é que ela transforma a luz do sol em energia armazenada nas formas de açúcar, amido e gordura. Mas a desvantagem potencial é extraordinária. O oxigênio molecular é altamente reativo. Ele realmente gostaria de seus elétrons de volta. Isso causa incêndio. E ferrugem. E tornados de fogo ocasionais.



O lento acúmulo de oxigênio atmosférico, acelerando cerca de um bilhão de anos atrás. As linhas vermelha e verde representam estimativas altas e baixas.

O oxigênio alterou totalmente quais espécies poderiam viver na atmosfera. O oxigênio é muito corrosivo, muitas formas primitivas de vida não tinham defesa contra ele. Espécies chamadas de “anaeróbios obrigatórios” — espécies sem sistema de defesa antioxidante que não podem viver na presença de oxigênio — foram forçadas para a periferia, vivendo em pântanos ou nos intestinos. Aqueles de nós que moram aqui agora desenvolveram sistemas de defesa antioxidantes potentes.

Curiosamente, a evolução aprendeu a usar o superóxido (que é como o oxigênio com esteroides) como uma ferramenta poderosa. É utilizado como composto de sinalização, na defesa imunológica e no controle do ciclo celular.

Superóxido: um herói improvável

Quando fiz oncologia na Cornell, em meados dos anos 90, a causa raiz do câncer foi explicada da seguinte maneira. Certas coisas — como a radiação ionizante de uma explosão nuclear — causam a formação de radicais livres. Os radicais livres podem danificar o DNA, causando mutações genéticas. Quando mutações suficientes se acumulavam em genes-chave que afetam o ciclo celular  — “oncogenes” e “genes supressores de tumor” — as células avançavam para um estado canceroso. Os radicais livres eram simplesmente más notícias.

Mas os tempos mudam e aprendemos coisas novas.

Superóxido (O₂^•− ) é um radical livre. É um oxidante poderoso. Superóxido é o oxigênio molecular que ganhou um elétron não pareado adicional (tecnicamente foi “parcialmente reduzido”). Como mencionei antes, o oxigênio é uma molécula muito reativa porque a clorofila usa a energia do sol para levar seus elétrons para longe e ele realmente gostaria que eles voltassem! Mas o oxigênio não tem nada de superóxido nesse departamento. Ter um elétron adicional desemparelhado torna o superóxido muito, muito mais reativo do que o oxigênio molecular. O superóxido SAIRÁ e oxidará algo imediatamente (retirar seus elétrons) em menos de um segundo em uma célula típica. O superóxido pode oxidar proteínas, fazendo com que percam sua funcionalidade. Pode oxidar gorduras poliinsaturadas, fazendo-as formar perigosos “peróxidos lipídicos”, que são eles próprios radicais livres. E sim, pode causar quebras de fita no DNA, levando a mutações genéticas.

Superóxido! Observe o elétron extra em vermelho, o que lhe dá uma carga negativa. Observe também o elétron único e desemparelhado no canto superior esquerdo. Esse elétron REALMENTE quer um parceiro.

Mesmo assim, estou chamando o superóxido de herói. A evolução é muito inteligente. Somos criaturas oxidativas. O fogo que arde em nossas mitocôndrias cria o superóxido que informa nossos processos celulares básicos. Evoluímos para usar o superóxido e seu primo peróxido de hidrogênio, conhecidos coletivamente como Espécies Reativas de Oxigênio (ERO) ou simplesmente oxidantes, como moléculas de sinalização primária em muitos de nossos processos vitais mais básicos.

As espécies reativas de oxigênio (ERO) controlam todo o ciclo celular. As células-tronco (células bebês, essencialmente) são totalmente protegidas contra ERO. Um pouco de ERO faz com que elas comecem a crescer e se movam para onde serão necessárias como uma célula adulta. Um pouco mais de ERO faz com que elas se diferenciem (cresçam) e se acomodem em seu papel final no corpo. E ao final de sua vida útil, um pulso de ERO as leva à “apoptose” — morte celular programada.

ERO é o sinal.

Quando você come, ERO no hipotálamo faz com que você se sinta saciado. Quando uma bactéria invade, o ERO diz às células imunológicas para se multiplicarem. Quando as células imunológicas chegam ao local, elas destroem as bactérias invasoras usando enzimas em sua membrana externa que produzem um jato de superóxido que literalmente queima as bactérias até a morte. Tornado de fogo.

ERO é o sinal.

ERO são produzidas em suas mitocôndrias quando você sofre respiração (a oxidação de hidrocarbonetos), elas são produzidas em suas células musculares quando você se exercita, elas são produzidas em sua pele quando você está ao sol, são produzidas por enzimas que reconhecem bactérias estranhas.

Claro, às vezes o superóxido pode causar danos, mas 99% das vezes o superóxido é uma molécula sinalizadora incrivelmente importante e uma ferramenta imunológica e de combate ao câncer. A evolução é muito inteligente.

Conheça o seu sistema antioxidante

Evoluímos para prosperar na presença de oxigênio e ERO após a Grande Oxigenação. Cada célula humana e, na verdade, cada célula de cada organismo que pode viver na presença de oxigênio tem um sistema antioxidante embutido robusto.

A defesa antioxidante começa com a Superóxido Dismutase (SOD). É uma enzima que converte superóxido em peróxido — o que eles vendem em frascos marrons na farmácia. A superóxido dismutase (SOD) reduz drasticamente a meia-vida do superóxido. SOD é uma enzima notável. É a enzima mais rápida conhecida, capaz de converter superóxido em peróxido de hidrogênio tão rápido quanto a difusão permitir. O superóxido na presença de SOD existe apenas por pequenas frações de segundo. SOD evita que o superóxido cause qualquer dano real. A SOD é encontrada em grandes quantidades nas mitocôndrias, que é o local da maior parte da produção de superóxido na maioria das células.

O peróxido ainda é um oxidante forte, mas não é QUASE tão potente ou reativo quanto o superóxido.

Curiosamente, Superóxido dismutase está na vanguarda de muitas batalhas. As células imunológicas, como macrófagos e neutrófilos, possuem enzimas como a NADPH Oxidase (uma enzima que produz superóxido) anexadas às suas membranas externas. Quando nossas células imunológicas encontram uma célula bacteriana, essas enzimas emitem um fluxo de superóxido para destruir as bactérias invasoras em um tipo de tornado aquoso. As bactérias frequentemente liberam sua própria versão de superóxido dismutase na tentativa de evitar o fogo.

O próximo personagem em nosso sistema antioxidante é a glutationa. A glutationa é às vezes chamada de “antioxidante mestre” do corpo. A glutationa é como um exército permanente. Quando o peróxido é produzido pela Superóxido Dismutase, as moléculas de glutationa atuam para desarmá-las. A glutationa atua como um tampão, essencialmente dando um elétron ao peróxido, que permite que ele seja convertido em água e oxigênio por uma enzima (glutationa peroxidase).

Os antioxidantes são doadores de elétrons.



Este é o seu sistema antioxidante. O grande Radical Livre na parte superior central tem uma seta apontando para o superóxido que a Superóxido Dismutase (SOD) converte em peróxido (H2O2), que a glutationa peroxidase se transforma em água (H2O) pela oxidação da Glutationa (GSH-> GSSG). Com um sistema antioxidante robusto que é o caminho inofensivo tomado por essencialmente todo o superóxido produzido.

Depois que a glutationa cede seu elétron, diz-se que está oxidada. As enzimas então usam doadores de elétrons para reduzir a glutationa (Glutationa Redutase) para que ela esteja novamente pronta para doar um elétron para outra molécula de peróxido. É um ciclo. Em células saudáveis ​​em repouso, existe um grande reservatório de glutationa reduzida, pronta para responder a qualquer explosão de oxidantes. A glutationa é o tampão que mantém um equilíbrio redox saudável em todas as células humanas.

O último personagem em nosso sistema antioxidante é a catalase. Muito parecida com a glutationa, a catalase converte o peróxido em água e oxigênio. Ao contrário da glutationa, a catalase não mantém um exército permanente de tropas de choque à espera de um evento oxidativo. A catalase é como uma válvula de liberação lenta que remove lenta e continuamente a pressão oxidativa do peróxido.

Dois experimentos elegantes que demonstram que ROS é o sinal

Ao longo do caminho, apresentei o ponto-chave de que as espécies reativas de oxigênio (ERO) são importantes moléculas de sinalização para todos os tipos de processos biológicos. Este experimento é um ótimo exemplo disso. O experimento é feito no organismo c. elegans, que é um nematoide, um pequeno verme frequentemente usado como organismo modelo em experimentos sobre ciência básica.



Aqui está o texto completo do artigo.

No experimento, os pesquisadores usaram um composto que bloqueia a capacidade dos vermes de metabolizar a glicose. Isso forçou os vermes a queimar gordura em vez de glicose. Por motivos que serão o tópico de uma série posterior neste blog, controlar seu metabolismo com base na gordura em vez da glicose causa mais produção de superóxido nas mitocôndrias.

Os vermes que não conseguiam metabolizar a glicose tinham três vezes as espécies reativas de oxigênio e viveram três dias a mais do que os vermes de controle. Isso pode não parecer muito tempo, mas os vermes de controle viveram apenas cerca de 18 dias em média, então é uma grande diferença!



DOG bloqueia o metabolismo da glicose. O NAC é um antioxidante. Os vermes “N2 control” viveram em média 17,7 dias. Aqueles com DOG para o tempo “integral” do experimento viveram 20,7 dias. Os vermes N2 com NAC viveram em média 16 dias. Na linha final, você vê vermes que receberam DOG e NAC. Eles viveram exatamente 16 dias, a mesma quantidade que com o antioxidante sozinho. O antioxidante eliminou o sinal (ERO) que o DOG criou.

A parte mais interessante é que, ao dar aos vermes um antioxidante, os pesquisadores eliminaram totalmente a extensão de vida criada pela inibição do metabolismo da glicose. Os vermes que receberam um antioxidante além do inibidor do metabolismo da glicose tinham muito menos ERO em seus tecidos e viveram exatamente o mesmo tempo que os vermes que podiam metabolizar a glicose. Isso prova que o ERO é o que faz os vermes viverem mais e não apenas um artefato.



Este é um verme C. elegans. ERO é o sinal para estender sua vida útil.

A outra descoberta importante neste experimento é que a atividade da catalase nos vermes que receberam o inibidor do metabolismo da glicose foi aumentada. A catalase é um antioxidante importante em nossas células. Assim, os pesquisadores descobriram que o acúmulo de ERO nos tecidos dos vermes fazia com que os vermes aumentassem seus sistemas antioxidantes internos.

ERO é o sinal que nos faz aumentar nossa capacidade antioxidante interna!

Experimento 2, Desta vez com Humanos!



Neste experimento, os homens foram divididos em grupos randomizados e colocados em um regime de exercícios por quatro semanas. Um grupo recebeu suplementos de vitaminas antioxidantes Vitamina C e Vitamina E e o outro grupo não recebeu nada. No final das quatro semanas, os dois grupos foram testados para alterações em sua sensibilidade à insulina e produção de enzimas antioxidantes.

O grupo que não tomou antioxidantes melhorou sua sensibilidade à insulina e aumentou a produção de enzimas antioxidantes como resultado das quatro semanas de treinamento. O grupo que recebeu os suplementos antioxidantes não teve nenhum benefício com o exercício em sua sensibilidade à insulina ou na produção de enzimas antioxidantes!

ERO é o sinal!



Esta é a conclusão dos autores. Os antioxidantes bloqueiam o aumento transitório do estresse oxidativo, que é o sinal para aumentar a expressão dos genes que fornecem o benefício do exercício.

Somos fogo em uma garrafa. Nossa biologia é controlada pelo fogo. Os antioxidantes apagam o fogo.

Resumo

• Oxidação (em um contexto biológico) é o fluxo de elétrons de elementos como hidrogênio e carbono para o oxigênio.
• O oxigênio é muito reativo. A clorofila tirou seus elétrons e gostaria muito de recuperá-los.
• No metabolismo — a oxidação do amido e da gordura — os radicais livres, principalmente o superóxido, são produzidos a partir do oxigênio. Esses radicais livres são pró-oxidantes muito mais fortes do que o oxigênio. A família de pró-oxidantes em sistemas biológicos são chamados de espécies reativas de oxigênio (ERO).
• As espécies reativas de oxigênio são sinais biológicos importantes.
• Cada célula humana tem um sistema antioxidante embutido robusto para protegê-la dos efeitos prejudiciais de ERO.
• Os antioxidantes são doadores de elétrons.
• Pró-oxidantes são receptores de elétrons (tomadores).
• ERO pode ser demonstrado para estender a vida dos nematoides
• Os antioxidantes podem ser usados ​​para encurtar a vida desses mesmos vermes.
• Os antioxidantes podem eliminar os benefícios do exercício!
• ERO é o sinal!

Fonte: https://bit.ly/3iB5jCv