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Estudo explica como a luz provoca danos em membranas biológicas

Autores: Maria Célia Wider

23/08/18
Mecanismo de foto-oxidação de lipídios envolve o acúmulo de aldeídos

Crédito: Maria Cecilia OliveiraO que alimentos estragados, câncer de pele e terapia fotodinâmica têm em comum? Se você pensou em oxidação de membranas lipídicas, acertou. Todas as células são envolvidas por uma membrana, formada por uma bicamada lipídica com proteínas associadas e que tem entre suas funções definir os limites da célula, separando o interior do exterior, e delimitar compartimentos internos. Os fosfolipídios formam a base estrutural dessa bicamada e tendem a sofrer oxidações, que causam danos às membranas, podendo torná-las permeáveis e provocar a morte celular. Quando essas oxidações são induzidas por luz, o que aumenta a velocidade das reações, elas são chamadas de foto-oxidações.

Os mecanismos gerais de oxidação lipídica são conhecidos há muito tempo, mas, no caso de foto-oxidações, faltava tanto mostrar os passos químicos por meio dos quais fotossensibilizadores e luz permeabilizam membranas lipídicas, causando danos biológicos, quanto caracterizar os produtos dessas oxidações.

Esse foi o foco do estudo do grupo do professor Maurício da Silva Baptista, do Instituto de Química da USP e do CEPID Redoxoma, publicado em julho no Journal of the American Chemical Society (JACS). Os pesquisadores demonstraram que a permeabilização da membrana está ligada à presença de aldeídos lipídicos formados em processos que dependem do contato direto entre fotossensibilizadores e lipídios. Desta forma, o estudo explica, em nível molecular, por que fotossensibilizadores ligados à membrana destroem células com maior eficácia.

“Nosso trabalho pode fornecer diretrizes mecanísticas para novos desenvolvimentos em fotomedicina e fotoproteção. O conhecimento gerado por esse estudo, que é centrado em ciência básica, indica várias possibilidades em termos de aplicação. Por exemplo, se quisermos ter um fotossensibilizador mais eficaz, temos que encontrar novas maneiras de regenerá-lo. Como estratégia para o desenvolvimento de filtros solares mais eficientes, precisamos criar um jeito de evitar que os aldeídos se acumulem”, afirmou Baptista.

O estudo foi realizado como projeto de doutorado de Isabel Bacellar, primeira autora do artigo, e contou com a colaboração dos pesquisadores do CEPID Redoxoma Paolo Di Mascio e Sayuri Miyamoto. O trabalho também contou com os grupos dos professores Ronei Miotto e Rodrigo Maghdissian Cordeiro (Universidade Federal do ABC), do professor Gonzalo Cosa (McGill University, Canadá) e do professor Mark Wainwright (Liverpool John Moores University, Reino Unido).

Crédito: Isabel O. L. Bacellar

Oxidações fotoinduzidas e aldeídos

Oxidações fotossensibilizadas são reações provocadas pela interação da luz com uma molécula fotossensibilizadora na presença de oxigênio. Elas têm efeitos biológicos prejudiciais bem conhecidos, como, por exemplo, envelhecimento da pele e câncer, causados pela exposição à luz solar. Por outro lado, como explica Baptista, essas mesmas reações podem ser aproveitadas e transformadas em tratamento de doenças, como no caso da terapia fotodinâmica, em que elas são usadas para desencadear a oxidação de biomoléculas e, assim, eliminar células cancerígenas ou patógenos.

O oxigênio singlete é geralmente considerado o oxidante mais importante envolvido nas oxidações lipídicas fotossensibilizadas. Nesses processos, um fotossensibilizador irradiado absorve energia, passa a um estado excitado e, por mecanismos fotofísicos, pode transferir energia para o oxigênio molecular, formando oxigênio singlete, que é uma forma mais reativa do oxigênio. Esse oxigênio singlete reage com lipídios insaturados, formando hidroperóxidos, por meio de adições às duplas ligações das biomoléculas. As membranas lipídicas são alvos importantes das oxidações fotossensibilizadas, sofrendo várias transformações, muitas das quais são atribuídas à ação dos hidroperóxidos lipídicos.

No entanto, segundo Baptista, apenas a ação oxigênio singlete, que é uma molécula que se difunde, não basta para explicar o fato já conhecido de que os fotossensibilizadores que se ligam às membranas são mais eficazes em torná-las permeáveis e, portanto, em destruir células.

Para a investigar as reações e os compostos que levam à permeabilização fotoinduzida da membrana, os pesquisadores usaram dois fotossensibilizadores fenotiazínicos, o azul de metileno (MB) e o DO15. Os dois compostos têm propriedades fotofísicas semelhantes e são quimicamente similares, pois são baseados no mesmo cromóforo. A diferença entre eles é que o azul de metileno é mais hidrofílico e o DO15 é mais hidrofóbico e, desta forma, a interação deles com as membranas e o dano que causam são diferentes. Como modelos de membranas, foram usados lipossomas compostos por 1-palmitoil-2-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolina (POPC), que é um lipídio contendo um ácido graxo monoinsaturado, bem como lipossomas preparados com lipídeos contendo 1-palmitoil-2-araquidonoil-sn-glicero-3-fosfocolina, que é um ácido graxos poli-insaturado.

Para comparar os produtos de oxidação lipídica formados por oxigênio singlete com aqueles formados por reações dependentes de contato, eles criaram experimentos nos quais ambos os fotossensibilizadores entregaram quase a mesma quantidade de oxigênio singlete para as membranas. A diferença era a extensão do contato físico direto com ligações duplas lipídicas, isto é, o DO15 tinha uma co-localização 27 vezes maior com ligações duplas ω-9 lipídicas do que o azul de metileno. Ao compararem os efeitos fotoinduzidos dos corantes, constataram que o DO15 permeabilizou as membranas significativamente mais rápido do que o azul de metileno, um resultado que também foi válido para lipossomas feitos de lipídios poli-insaturados.

Os pesquisadores, então, identificaram e quantificaram todos os produtos gerados pelos fotossensibilizadores, como hidroperóxidos, álcoois, cetonas e aldeídos fosfolipídicos, com o objetivo de entender o mecanismo pelo qual o DO15 foi mais eficiente em permeabilizar as membranas. O achado mais importante foi que havia um aumento significativo na produção de aldeídos na presença do DO15.

A importância da formação de aldeídos para a permeabilização foi comprovada quando os pesquisadores irradiaram lipossoma contendo o azul de metileno por um tempo prolongado. Nesta condição, observaram que a permeabilização da membrana e a formação aldeídos ocorria na mesma extensão que em amostras contendo DO15 irradiadas por um período de tempo 40 vezes menor.

Embora já tenha sido demonstrado que aldeídos fosfolipídicos são capazes de romper gradientes químicos - e portanto de aumentar a permeabilidade de membranas - em sistemas miméticos de membrana e em simulações de dinâmica molecular, eles ainda não haviam sido detectados in situ durante a permeabilização fotoinduzida de membranas.

“Nossos resultados são os primeiros que associam definitivamente a permeabilização da membrana com a geração e acúmulo de aldeído in situ”, afirmou Baptista.

Outro resultado importante do estudo foi verificar que a permeabilização da membrana foi invariavelmente acoplada ao fotobranqueamento do DO15, ou seja, o composto foi degradado.

No desenvolvimento de novos fotossensibilizadores para uso em aplicações médicas, por exemplo, a produção de oxigênio singlete tem sido considerada o principal parâmetro. No entanto, os resultados deste trabalho demonstram que, para um fotossensibilizador comprometer totalmente a função da membrana, ele precisa ser sacrificado por meio de reações que dependem de contato. Assim, a ativação ou a supressão da regeneração do fotossensibilizador poderia ser explorada como uma ferramenta eficaz para maximizar ou evitar os efeitos das oxidações fotossensibilizadas.

O artigo Photosensitized membrane permeabilization requires contact-dependent reactions between photosensitizer and lipids, de Isabel Bacellar, Maria Cecília Oliveira, Lucas Dantas, Elierge Costa, Helena Couto Junqueira, Waleska Kerllen Martins, Andrés M. Durantini, Gonzalo Cosa, Paolo Di Mascio, Mark Wainwright, Ronei Miotto, Rodrigo Maghdissian Cordeiro, Sayuri Miyamoto e Maurício S. Baptista, pode ser lido por assinantes em https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.8b05014


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