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ACTUALIZACIÓN SOBRE NEURODEGENERACIÓN Laboratorio de Fisiología de la Conducta Febrero 2005

ACTUALIZACIÓN SOBRE NEURODEGENERACIÓN Laboratorio de Fisiología de la Conducta Febrero 2005 Noviembre 2010. Ximena Páez Facultad Medicina ULA. ROS. UBIQUITINA. Autofagia. Neurodegeneración. agregación de proteínas. ESTRÉS OXIDATIVO. apoptosis. ?. necrosis. DISFUNCIÓN

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ACTUALIZACIÓN SOBRE NEURODEGENERACIÓN Laboratorio de Fisiología de la Conducta Febrero 2005

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  1. ACTUALIZACIÓN SOBRE NEURODEGENERACIÓN Laboratorio de Fisiología de la Conducta Febrero 2005 Noviembre 2010 Ximena Páez Facultad Medicina ULA

  2. ROS UBIQUITINA Autofagia Neurodegeneración agregación de proteínas ESTRÉS OXIDATIVO apoptosis ? necrosis DISFUNCIÓN MITOCONDRIAL degradación de proteínas Excitotoxicidad Inflamación muerte neuronal metales Mal plegamiento Proteínas X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  3. I. INTRODUCCIÓN II.PATOGENIA MOLECULAR III. ENF. NEURODEGENERATIVAS IV. FUTURO EN PREVENCIÓN, DIAGNÓSTICO Y TERAPÉUTICA X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  4. MECANISMOS MOLECULARES QUE CONDUCEN A LA MUERTE NEURONAL X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  5. Mecanismos patogénicos en ND Centrales Estrés oxidativo Disfunción mitocondrial Otros Agregación de proteínas Degradación de proteínas Excitotoxicidad e Inflamación Alteración homeostasis de metales Óxido nítrico, mec. como priones X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  6. ¿SON ESTOS MECANISMOS CAUSA o CONSECUENCIA de NEURODEGENERACIÓN?? X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  7. ¿Causas, Consecuencias, Combinaciones??? Un mecanismo común a varias enfermedades Varios mecanismos en una misma enfermedad ¿El huevo o la gallina? X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  8. “Lo que sabemos es una gota, lo que no sabemos es un océano” Newton Sin embargo… “A la naturaleza le gusta la simplicidad” Newton C. Haass. Initiation and propagation of neurodegeneration. Nature Medicine 16: 1201-04, 2010. X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  9. Puntos clave en Enf. ND • 1. Mutaciones genéticas como causa, pero los mecanismos moleculares responsables del inicio se desconocen • 2. Hay típicamente mal plegamiento de proteínas • Identificación con proteomics de composición de agregados proteicos y alteraciones celulares asociadas • 4. Fallas principales en y comunes a varias enfermedades: estrés oxidativo y disfunción mitocondrial • 5. Pendiente identificar blancos proteicos del daño oxidativo a fin de descubrir agentes en inicio y progresión de la enfermedad Expert Rev Proteomics 7: 519-42, 2010 Medscape june 9, 2010 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  10. MECANISMOS CENTRALES • Estrés oxidativo • Disfunción mitocondrial X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  11. ESTRÉS OXIDATIVO X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  12. ESTRÉS OXIDATIVO Acumulación de radicales y especies oxígeno reactivas (ROS) inadecuadamente neutralizadas con antioxidantes, que causa daño a macromoléculas, y que se ha asociado con cáncer, envejecimiento, ateroesclerosis y neurodegeneración X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  13. ESTRÉS OXIDATIVO • Resulta por: • Aumento de ROS • Disminución de ANTIOXIDANTES • Falla en reparar el daño causado • porROS X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  14. ¿Qué son las especies oxígeno reactivas (ROS) o radicales libres, cuáles son? ¿Cuáles son las fuentes de generación de ROS? ¿Cuáles son los daños causados por ROS? ¿En qué consisten los mecanismos antioxidantes? X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  15. Oxidación • Pérdida de electrones (e-) • Adición de oxígeno • Remoción de hidrógeno • Reducción • Ganancia de e- de un átomo • Pérdida de oxígeno • Ganancia de hidrógeno X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  16. Átomo de Oxígeno (O) Órbita interna 2 e- Electrones No pareados Átomo Inestable! 8 protones (+) Órbita externa 6 e- Protones = electrones Tiene 2 e- no pareados en órbita externa que hacen al átomo susceptible a la formación de radicales X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  17. El átomo o molécula que NO tenga completo el número de e- en su órbita externa es INESTABLE y altamente REACTIVO hasta que complete los electrones y se convierta en materia INERTE X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  18. El átomo busca alcanzar su máxima estabilidad y tratará de llenar su órbita externa por: • Ganar o perder e- para llenar o • vaciar su órbita externa • 2. Compartir sus e- con otros • átomos para completar su órbita • externa X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  19. Molécula de Oxígeno (O2) Electrones pareados Molécula estable Cada átomo tiene 8 e- en la órbita externa Ambos comparten 2 e- X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  20. Especies oxígeno reactivas • (ROS) • Entidades moleculares que ocasionanDAÑOal reaccionar con componentes celulares • Radicales libres • con átomos con uno o más e- no pareados • Aniones reactivos • con átomos de oxígeno • Moléculas con átomos de oxígeno • que pueden producir radicales libres o son • oxidadas por ellos X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  21. Radicales Átomo o átomos que tienen uno o más e- no pareados y que son ALTAMENTE reactivos X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  22. Especies oxígeno reactivas (ROS) Ojo! No confundir • e- no pareados Oxígeno Anión superóxido Peróxido Radical hidroxilo Ión hidroxilo Extremadamente reactivo Molécula estable NO es ROS Reducción secuencial (adición de e-) del oxígeno molecular O2 lleva a la formación de ROS La reducción total de O2 produce H20 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  23. ROS Radicales: anión superóxido ·O2- peróxido ·O2-2 radical hidroxilo ·OH Otros: peróxido de hidrógeno H2O2 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  24. GENERACIÓN DE ROS • MITOCONDRIA respiración aeróbica • SOBREPRODUCCIÓN • DEGRADACIÓN GRASAS peroxisomas • OTROS X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  25. NEURONA ROS ATP ROS generados en I y III Cadena transporte electrones MITOCONDRIA X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  26. Generación de ROS 1. Respiración aeróbica normalen mitocondria En una neurona rata/día se procesan: 1012 O2 reducidas a H2O En la reducción incompleta de O2 a H2O se forman ROS 2% del O2 es parcialmente reducido y genera 20 mil millones de: º Aniones superóxido ·O2- º Peróxido de hidrógeno H2O2 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  27. Respiración aeróbica en mitocondria La mayoría de ROS se genera durante la reducción metabólica incompleta de oxígeno a agua (con aceptación de e-) 1. Anión superóxido O22ºO2- e- e- 2. ºO2- ºO2-2 Peroxilo 3. Peróxido de hidrógeno 2ºO2- + 2H+ 2H2O2 2e- X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  28. El anión superóxido ºO2-puede reaccionar con óxido nítrico (NO) para dar peroxinitrito El NO viene de la conversión Arg a Cit por acción de enzima NO sintetasa (NOS) ºO2-+ NOONOO- 4. Peroxinitrito X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  29. Reacción de Fenton Radical hidroxilo H2O2+ Fe++ºOH 5. De los ROS, el radical hidroxilo ºOHes el más dañino, reacciona con una serie de compuestos orgánicos y lleva a producir más radicales * Es importante en la sustancia negra en la Enf. Parkinson X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  30. Generación de ROS Peroxinitrito Peróxido hidrógeno NOS Arg Catalasa SOD Fe + + Anión superóxido Radical hidroxilo X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  31. 2.SOBREPRODUCCIÓN ºINFECCIÓN Los fagocitos generan aumento de NO, ºO2-, H2O2 para matar los agentes infecciosos ºHIPOXIA/HIPEROXIA ºRADIACIONES IONIZANTES 3. DEGRADACIÓN DE GRASAS Se produceH2O2 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  32. 4. OTROS 1. SODa partir de ºO2- da H2O2 2ºO2- + 2H+H2O2 + O2 2. MAO, TH producen H2O2 3. Autoxidación de CA:DA-quinonas, H2O2 4. Activación de receptores de NMDA da ºO2- y ºOH 5. El Ca++ estimula NOS y se forma NO y otros RNS y ROS * * * * * X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  33. 4. OTROS 6. Oxidasa NADPH y Xantina oxidasa Transfieren un e- a O2 para dar ºO2- 7. Peroxidasas usan H2O2para dar más ROS 8. Flavoproteínas Transfieren 2 e- a O2 para dar H2O2 9. Oxidación de hidroquinonas y thiol dan ºO2- 10. Fuentes externas: CIGARRILLO y Fe y Cu libres X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  34. Cigarrillo aumenta 50% riesgo desarrollo Alzheimer!! Heavy smoking in midlife doubles the risk for Alzheimer’s disease Mesdcape, septiembre 2010 http://cme.medscape.com:80/viewarticle/731674_print X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  35. ROS RNS ONOO- NOS Arg NO· Peroxinitrito Óxido nítrico Peróxido de hidrógeno e- e- e- H2O2 H2O O2 O2·- SOD Catalasa Glutation peroxidasa Anión superóxido Reacción Fenton Radical hidroxilo ·OH La expresión de iNOS en la Glia aumenta la ND J. K. Andersen. Oxidative stress in neurodegeneration: cause or consequence?. Nature Medicine 10 Suppl: S18-S25, 2004 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  36. Especies Nitrógeno reactivas (RNS) ºNO + ºO-2ONOO-peroxinitrito poderoso oxidante ONOO- + H+ºNO2- + ºOHhidroxilomás dañino ONOO- NO2+ Nitración de Tyr SOD ºNO2-: dióxido nítrico reactivo NO2+: nitronium Aumento de NO puede terminar en nitración de proteínas X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  37. Especies Nitrógeno reactivas (RNS) http://www.biochemsoctrans.org/bst/034/0965/bst0340965f03.gif Nitración de proteínas como marcador de riesgo de enfermedad X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  38. REACCIONES COMUNES DE ROS Y RNS Enzimas Anion superóxido, Peróxido de hidrógeno Peroxinitrito, Radical carbonato, Dióxido de nitrógeno Ácido hipocloroso, Nitrotirosina X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  39. Nitración de proteínas La nitrotirosina es producto de nitración de Tyr por RNS. La nitración causa modificación de la función de la proteína. Es marcador de estrés oxidativo dependiente de NO. Cuando se altera el balance Nitración/desnitración a favor del primero, aumenta el estrés oxidativo hasta llegar a excesiva nitración con: Acumulación y Agregación de proteínas nitradas ºO2- + NO ONOO-ºNO2 Nitración proteínas En pacientes ALS hay aumento de nitración de Tyr en motoneuronas X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  40. DAÑOS CAUSADOS POR ROS • Oxidación de proteínas • Altera sitios activos de enzimas • Altera conformación de proteínas estructurales • Oxidación de ADN • Lleva a mutación que puede afectar replicación • Oxidación de ácidos grasos insaturados • Forma peróxidos lipídicos, estos alteran • membranas X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  41. ¿Cómo ocurre el daño? *Los radicales interactúan con otras moléculas hasta ganar configuración estable de e- *La molécula blanco queda convertida en radical *La reacción en cadenatermina al encontrarse dos radicales y formar un enlace covalente *Estas uniones en las macromoléculas deforman las membranas por enlaces entre lípidos, lípidos y proteínas y entre proteínas X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  42. Oxidación de Ácidos Grasos Insaturados (Peroxidación de Lípidos en Membranas) Ac. graso Insaturado Radical orgánico Ac. graso Insaturado Radical peroxilo Radical hidroxilo Oxígeno molecular X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  43. Oxidación de Ácidos Grasos Insaturados (Peroxidación de Lípidos en Membranas) Lípido radical Lípido insaturado O2 Lípido peróxido Daño membranas Lípido Radical peroxilo http://img.search.com/thumb/9/9e/Lipid_peroxidation.svg/350px-Lipid_peroxidation.svg.png X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  44. PEROXIDACIÓN DE LÍPIDOS Oxidación en cadena en ácidos grasos cercanos daña las MEMBRANAS celulares y mitocondriales • Aumenta rigidez de la membrana • Disminuye la actividad de enzimas • incrustadas en membrana Ej. bombas • Altera actividad de receptores • Aumenta la permeabilidad X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  45. Peroxidación de Lípidos en Membranas Cuando hay peroxidación de lípidos en células viejas y apoptóticas le salen bigotes a la membrana,que son ácidos grasos oxidados que protruyen para mejor enganche de reconocimiento de receptores de superficie como CD36 de células inmunes de vigilancia. http://discover8.com/public/images/upload_article_images/ lipid_whisker_model.gif Lípidos oxidados en membrana X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  46. MARCADORES de Estrés Oxidativo Inmunoreactividad de ROS en neuronas deprivadas de Factor Crecimiento Nervioso Productos intermediarios oxidación Peroxidación lípidos: 1. 4-HNE 4-hidroxynonenal 2. MDA malondialdehido Oxidación ADN: 3. 8-OHdG 8-hidroxi 2 guanosina E. Oxidativo vía NO 4. Nitrotirosina http://www.oralchelation.com/ LifeGlowBasic/images/oxidative_illus.gif Oxidative Stress and Brain Disorders. Brain Briefings SFN, July 1996 X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  47. Acciones beneficiosas de ROS 1. Es necesario H2O2 en la glándula tiroides para la síntesis de hormona tiroidea 2. Los fagocitos generan H2O2y el ión hipoclorito OCl- para matar bacterias 3. En bajas cantidades están implicados en señalización intracelular! X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  48. MECANISMOS ANTIOXIDANTES • Enzimas Antioxidantes • Superóxido dismutasa (SOD) • Catalasa • Glutathione peroxidasa • 2.Antioxidantes no enzimáticos • Glutathioneel más importante • Vitamina E • Vitamina C • Uratos X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  49. Enzimas Antioxidantes 1. Superóxido dismutasa SOD Cu-Zn (citoplasma) Mn (mitocondria) 2H++2ºO2-O2 +H2O2 SOD 2. Catalasa (peroxisomas) 2H2O22H2O+ O2 3. Glutathione peroxidasa (Se) 2GSH + H2O2GSSH + 2H2O X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

  50. Enzimas Antioxidantes SOD convierte ºO2- a H2O2 que es ROS menos dañino Catalasa y GSH peroxidasa convierten H2O2en H2O X. Páez Fisiología Medicina ULA 2010

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