Estallido respiratorio - Respiratory burst

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

Esto generalmente se utiliza para la defensa inmunológica de mamíferos , pero también juega 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 células vegetales .

Inmunidad

Las células inmunes 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. Son fagocíticos y el estallido respiratorio es vital para la posterior degradación 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 NADPH oxidasa ( NOX2 en humanos). NADPH es el sustrato clave de NOX2 y tiene un 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 se une 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.


2O 2 + NADPH -> 2O 2 • - + NADP + + H +


El superóxido puede entonces reaccionar de forma espontánea o enzimática 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 .


Vías para la generación de especies reactivas

Generación de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno reactivo en el fagolisosoma, implicadas en el estallido respiratorio.

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

  1. La superóxido dismutasa (o alternativamente, mieloperoxidasa ) genera peróxido de hidrógeno a partir de superóxido. A continuación, 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 usa peróxido de hidrógeno para producir ácido hipocloroso .

    H 2 O 2 + Cl - -> ClO - + H 2 O

  3. La óxido nítrico sintasa (la isoforma inducible, iNOS, en 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 anión peroxinitrito .

O 2 • - + NO • → ONO 2 -


Defensa contra patógenos

La exposición a estas especies reactivas en el estallido respiratorio resulta en patología. Esto se debe al daño oxidativo de las bacterias engullidas.

En particular, el peroxinitrito es un agente oxidante muy fuerte que puede provocar peroxidación de lípidos , oxidación de proteínas y 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. Con mayor frecuencia oxida la cisteína y puede inducir indirectamente la nitración de tirosina a través de otros RNS generados. La función de la proteína alterada incluye cambios en la actividad catalítica enzimática, la organización citoesquelética y la transducción de señales celulares.

El ácido hipocloroso reacciona con una variedad de biomoléculas, que incluyen ADN, lípidos y proteínas. El HClO puede oxidar cisteínas y metioninas a través de sus grupos sulfhidrilo y azufre, respectivamente. El primero conduce a la formación de enlaces disulfuro , lo que induce la reticulación de proteínas. Ambas oxidaciones dan como resultado la agregación de proteínas y, en última instancia, la muerte celular. Los grupos sulfhidrilo pueden oxidarse 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. Mientras tanto, la oxidación de la metionina es reversible. El HOCl también puede reaccionar con aminas primarias o secundarias , produciendo cloroaminas que son tóxicas para las bacterias. También pueden producirse entrecruzamiento y agregación de proteínas, así como la alteración de los grupos FeS.

Una parte integral de la formación de ácido hipocloroso es la mieloperoxidasa. La mieloperoxidasa es más abundante en los neutrófilos, en los que la fagocitosis se acompaña de desgranulación . Se trata de la fusión de gránulos con el fagolisosoma, liberando su contenido, incluida la mieloperoxidasa. Como se forman muchos productos microbicidas durante el estallido respiratorio, no se comprende del todo la importancia de las moléculas individuales para matar los patógenos invasores.

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

Enfermedad

La enfermedad granulomatosa crónica es una enfermedad hereditaria de los neutrófilos humanos , en la que el NOX2 es defectuoso. La fagocitosis aún puede ocurrir, pero sin el NOX2 en funcionamiento adecuado, no hay producción de superóxido y, por lo tanto, no hay estallido respiratorio. La infección bacteriana no se elimina.

Señalización celular

Células no fagocíticas

En las células no fagocíticas, los productos de explosión oxidativa se utilizan en las vías de señalización intracelular. Los ROS generados logran esto cambiando el estado redox de la celda . Esto puede controlarse mediante la relación entre la enzima antioxidante glutatión y su producto oxidado, el glutatión disulfuro (GSH: GSSG). 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 involucrado en estados patológicos como el cáncer .

La isoforma NOX1 de NADPH oxidasa produce transitoriamente una explosión de superóxido en respuesta a la estimulación del factor de crecimiento (por ejemplo, EGF ) de los respectivos receptores. El superóxido se dismuta en peróxido de hidrógeno a una velocidad cercana a la velocidad limitada por 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 proteínas sensibles a redox, que luego pueden transducir señales.

Macrófagos

El estallido oxidativo en los fagocitos se asocia más comúnmente con la muerte bacteriana. Sin embargo, los macrófagos, especialmente los alveolares , suelen producir niveles mucho más bajos de ROS que los neutrófilos y pueden requerir activación por sus propiedades bactericidas. En cambio, su estallido oxidativo transitorio 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.

Células cancerígenas

Las células cancerosas pueden manipular la señalización celular produciendo niveles excesivos de ROS, activando así de manera constitutiva vías para promover su crecimiento y proliferación celular. 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 las células KRAS oncogénicas . Sin embargo, en fibroblastos oncogénicos de ratones Kras , se ha demostrado que los inhibidores de la NADPH oxidasa son suficientes para bloquear estas vías del factor de crecimiento. Las células tumorigénicas también mantienen simultáneamente altos niveles de antioxidantes para proteger contra la muerte de las células cancerosas.

Fertilización

En particular, la explosión oxidativa posterior a la fertilización se puede ver en el huevo de erizo de mar . Se cree que esto es evolutivamente divergente de lo que ocurre en los neutrófilos.

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

En plantas

El estallido oxidativo actúa como un mecanismo de defensa frente a la infección por patógenos en las plantas. Esto se ve después de la detección de PAMP por receptores localizados en la superficie celular (por ejemplo, FLS2 o EFR ). Al igual que en los animales, la producción de especies reactivas de oxígeno en las plantas está mediada por la NADPH oxidasa . En la inmunidad vegetal , las subunidades de NADPH oxidasa RbohD y RbohF tienen funciones superpuestas que se expresan en diferentes tejidos y en diferentes niveles. Sin embargo, a diferencia de los fagocitos animales, en los que las ROS generadas están contenidas en el fagolisosoma sellado, la explosión oxidativa en las plantas no está contenida. En consecuencia, los ROS generados tienen efectos adicionales junto con la toxicidad de patógenos. El peróxido de hidrógeno induce la reticulación oxidativa de las glicoproteínas de la pared celular de la planta. Esto reduce la susceptibilidad a la degradación enzimática por patógenos. La resistencia sistémica adquirida , que es análoga a la inmunidad innata en animales, también se induce en las células vegetales expuestas. La exposición al peróxido de hidrógeno también puede resultar en una respuesta de hipersensibilidad , que es la muerte de un pequeño número de células huésped en el sitio de la infección, con el propósito de limitar la infección patógena. 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 .

Referencias

enlaces externos