Διερεύνηση των βιοχημικών μηχανισμών δράσης των δραστικών μορφών οξυγόνου: ο ρόλος των καταλυτικά ενεργών ιόντων σιδήρου σε σχέση με τη διατροφή και την υγεία

Abstract

Iron is indispensable for life but when is available in redox active form, can participate in reactions that generate extremely reactive radicals, able to attack and oxidize all main cellular constituents. Studies have shown that a large number of Mediterranean diet compounds protect cells in conditions of oxidative stress. In the present investigation, we evaluated the capacity of several phenolic acids, which are present in the Mediterranean diet, to protect cells from oxidative stress-induced DNA damage. It was observed that caffeic acid, protected cells from H2O2-induced DNA damage by chelating intracellular labile iron due to its ortho-dihydroxy group. Caffeic acid, which are able to chelate iron but unable to diffuse through the plasma membrane due to the negative charge of their carboxylic moiety at neutral pH, required higher concentrations to be protective. Therefore, we decided to neutralize this charge by esterication, so we synthesized chemically caffeic derivatives (esters). This change could increase the lipophilicity. The eective protection was based on the ability of each compound to (1) reach the intracellular space and (2) chelate intracellular “labile” iron. Then, we examined two major phenolic olive oil alcohols, hydroxytyrosol and tyrosol, in apoptosis induced by oxidative stress. These compounds are uncharged and have the ability to diffuse easily through the cell membrane. It was observed that hydroxytyrosol which chelate intracellular labile iron due to its ortho-dihydroxy group, was able to diminish the late sustained phase of H2O2-induced JNK and p38 phosphorylation. We also investigated the role of iron homeostasis at the end-stage renal patients undergoing maintenance hemodialysis (HD). The estimation of transferrin saturation (Tf-Sat) is not possible with traditional methodologies after intravenous administration of iron preparations, due to the presence of non-transferrin bound iron (NTBI) in the serum. Therefore, we used urea polyacrylamide electrophoresis technique (U-PAGE). With this technique, we tested Tf-Sat, differic transferrin and the expression of serum hepcidin, the principal hormone that regulates iron homeostasis. The observation that serum hepcidin levels increased in parallel with Tf-Fe2 and Tf-Sat shortly after iron administration indicates a fast signaling response, which is expected to have a negative influence on iron efflux from cells to circulation. In conclusion intracellular labile iron play pivotal role in cell protection mechanism under oxidative stress. Thus, it was rational to imagine that numerous natural phenolic compounds, which are present abundantly in the Mediterranean diet, are able to modulate intracellular labile iron homeostasis, contributing to the maintenance of human health.

Ο σίδηρος αποτελεί απαραίτητο ιχνοστοιχείο της ζωής, ωστόσο μπορεί να γίνει τοξικός για το κύτταρο συμμετέχοντας σε αντιδράσεις τύπου Fenton με δισθενή ιόντα σιδήρου, οδηγώντας στην παραγωγή ελευθέρων ριζών υδροξυλίου που οξειδώνουν όλα τα κυτταρικά συστατικά. Μελέτες έχουν δείξει ότι μεγάλος αριθμός ενώσεων της Μεσογειακής δίαιτας προστατεύουν τα κύτταρα από τις οξειδώσεις των δραστικών ελευθέρων ριζών. Στην παρούσα έρευνα, ελέγξαμε την ικανότητα φαινολικών οξέων της διατροφής να προστατεύουν το πυρηνικό DNA κυττάρων που εκτίθενται σε H2O2. Το καφεϊκό οξύ προστάτευσε δεσμεύοντας τα καταλυτικά ενεργά ιόντα σιδήρου μέσω της ορθο-διϋδρόξυ ομάδας του. Όμως, προστασία επιτυγχάνεται μόνο σε μεγάλες συγκεντρώσεις, διότι δεν μπορεί να διαπεράσει την κυτταρική μεμβράνη με ευκολία, λόγω της αρνητικά φορτισμένης καρβοξυλομάδας στο ουδέτερο pH του θρεπτικού υλικού. Για το λόγο αυτό, συνθέσαμε χημικά παράγωγα καφεϊκού (εστέρες), στα οποία το αρνητικό φορτίο εξουδετερώθηκε από το σχηματισμό εστερικών δεσμών, με αυξημένη λιποφιλικότητα. Η προστατευτική ικανότητα των ενώσεων αυτών βασίστηκε στην ικανότητά τους (1) να εισέρχονται στον ενδοκυτταρικό χώρο με ευκολία και (2) να δεσμεύουν τον ενδοκυττάριο σιδήρου μέσω της ορθο-διϋδρόξυ-ομάδας τους. Στη συνέχεια, εξετάστηκαν δύο κύριες φαινολικές αλκοόλες του ελαιολάδου, η υδροξυτυροσόλη και η τυροσόλη, στην απόπτωση σε συνθήκες οξειδωτικού στρες, οι οποίες δεν είναι αρνητικά φορτισμένες και διαχέονται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Η υδροξυτυροσόλη που δεσμεύει σίδηρο μέσω της ορθο-διϋδρόξυ-ομάδας της, ανέστειλε την παρατεταμένη φωσφορυλίωση της JNK και της ρ38-ΜΑΡΚ που προκαλεί το Η2Ο2. Επίσης, ο ενδοκυττάριος σίδηρος σε συνδυασμό με το οξειδωτικό στρες εμπλέκονται σε μια σειρά παθολογικών καταστάσεων. Γι’ αυτό, διερευνήθηκε ο ρόλος ομοιοστασίας του σιδήρου σε αιμοκαθαιρόμενους νεφροπαθείς. Ο υπολογισμός του κορεσμού της τρανσφερρίνης (Tf-Sat) δεν είναι δυνατόν να γίνει με τις κλασικές μεθοδολογίες μετά την ενδοφλέβια χορήγηση σκευασμάτων σιδήρου, λόγω παρουσίας στον ορό σιδήρου μη προσδεδεμένου στην τρανσφερρίνη (NTBI). Γι’ αυτό, αναπτύχθηκε η τεχνική ηλεκτροφόρησης ουρίας πολυακρυλαμιδίου (U-PAGE) με την οποία διερευνήθηκαν οι άμεσες αλλαγές του κορεσμού της τρανσφερρίνης (Tf-Sat), των επιπέδων της δισιδηρικής τρανσφερρίνης και της ηπατιδίνης στον ορό, αμέσως μετά τη χορήγηση σιδήρου. Παρατηρήθηκε αύξηση του κορεσμού της τρανσφερρίνης και της δισιδηρικής της μορφής που συνοδεύτηκαν από παράλληλη αύξηση των επιπέδων της ηπατιδίνης στον ορό. Η γρήγορη απόκριση σήματος από την ηπατιδίνη παρεμποδίζει την έξοδο του σιδήρου από τα ηπατοκύτταρα στην κυκλοφορία, επηρεάζοντας αρνητικά τη διαδικασία της ερυθροποίησης. Κλείνοντας, η δέσμευση του ενδοκυττάριου σιδήρου από φαινολικές ενώσεις της διατροφής θα μπορούσαν να προστατεύουν τα κύτταρα σε συνθήκες οξειδωτικού στρες, συνεισφέροντας στη διατήρηση της ανθρώπινης υγείας.