Καρδιακός μυς

Ο καρδιακός μυς, αποτελεί ξεχωριστή κατηγορία μυϊκού ιστού με μεγάλο εύρος δραστηριότητας και λειτουργικής ικανότητας. Αποτελείται από το περικάρδιο, έναν ινώδη σάκο που περικλείει τον καρδιακό μυ, το ενδοκάρδιο, την σκληρή μεμβράνη που καλύπτει το εσωτερικό της καρδιάς, και το μυοκάρδιο που βρίσκεται μεταξύ των δυο προηγούμενων σχηματισμών και αποτελεί το βασικό μυϊκό ιστό της καρδιάς και το 75% του πάχους του καρδιακού τοιχώματος.

Ο καρδιακός μυς είναι πλούσιος σε μιτοχόνδρια, πρέπει να συστέλλεται ρυθμικά για όλη τη διάρκεια της ζωής και είναι ανίκανος να δημιουργήσει σημαντικό χρέος οξυγόνου. Η ταχεία οξείδωση υποστρωμάτων, με αντίστοιχη σύνθεση τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ), μπορεί να ανταποκριθεί στις ενεργειακές ανάγκες του μυοκαρδίου, χάρις στον μεγάλο αριθμό μιτοχονδρίων, τα οποία περιέχουν τα αναπνευστικά ένζυμα που είναι απαραίτητα για την οξειδωτική φωσφορυλίωση. Ο μεταβολισμός του καρδιακού μυός συνίσταται εξολοκλήρου στην αερόβια αναπνοή και το παραγόμενο έργο δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις. Η συνεχής λειτουργία απαιτεί αρκετή ενέργεια γι’ αυτό και δεν παρατηρούνται αποθέματα γλυκογόνου ή λιπιδίων στα καρδιακά κύτταρα. O καρδιακός μυς, εφόσον του παρέχεται η κατάλληλη ποσότητα οξυγόνου και θρεπτικών συστατικών, μπορεί να χτυπά ακόμη κι όταν απονευρωθεί, καθώς διαθέτει ενδογενή καρδιακό ρυθμό (βηματοδότης ιστός στον φλεβόκομβο και στον κολποκοιλιακό κόμβο). Ο ρυθμός αυτός μεταδίδεται με τη μορφή εκπολώσεων της κυτταρικής μεμβράνης από κύτταρο σε κύτταρο μέσω των χασματοσυνδέσεων, οι οποίες δομούνται κατά κύριο λόγο από την πρωτεΐνη connexin.
Τα μυοκαρδιοκύτταρα συσπώνται αποκρινόμενα σε πληθώρα νευρικών, ορμονικών, ηλεκτρικών και μηχανικών ερεθισμάτων. Βρίσκονται μέσα σε ένα δίκτυο κολλαγόνου και συνδέονται μεταξύ τους μέσω χασματοσυνδέσεων, οι οποίες συνδέουν ηλεκτρικά και λειτουργικά τα κύτταρα για το σχηματισμό ενός «συγκυτίου», έτσι ώστε όταν εφαρμόζεται ένα ερέθισμα, αυτό να μεταφέρεται κατά μήκος του οργάνου (1).
Τα μυοκαρδιοκύτταρα εμφανίζουν μια υψηλής οργάνωσης δομή, η οποία εξελίχθηκε προκειμένου να εξυπηρετεί τις υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις της καρδιάς.  Αποτελούνται κυρίως από μυοϊνίδια και μιτοχόνδρια, τα οποία καταλαμβάνουν το 50% και 30% του συνολικού όγκου, αντίστοιχα. Τα σαρκομερίδια, οι βασικές μονάδες σύσπασης, αποτελούνται από ινίδια ακτίνης και μυοσίνης. Η σύσπαση πραγματοποιείται με τη βράχυνση του σαρκομεριδίου, έπειτα από ολίσθηση των νηματίων ακτίνης κατά μήκος των νηματίων μυοσίνης. Η ολίσθηση πραγματοποιείται χάρη στις «γέφυρες» που ενώνουν τα νημάτια μεταξύ τους. Τα σαρκομερίδια βρίσκονται διατεταγμένα σε σειρά από τη μία άκρη του μυοκαρδιοκυττάρου στην άλλη σχηματίζοντας το μυοϊνίδιο. Τα μυοϊνίδια διατάσσονται παράλληλα μεταξύ τους και ως προς τον μεγάλο άξονα του κυττάρου.
Τα μυοκαρδιοκύτταρα διαχωρίζονται μεταξύ τους στα πλευρικά τοιχώματα από το σαρκείλημα (sarcolemma), που αποτελεί κυτταρική μεμβράνη και στον εγκάρσιο άξονα από τους εμβόλιμους δίσκους (Intercalated disks). Στον εγκάρσιο άξονα τα μυοκαρδιοκύτταρα συνδέονται λειτουργικά μέσω των χασματοσυνδέσεων (gap junctions). Το σαρκείλημα εμφανίζει βαθιές εγκολπώσεις στο ύψος των z δίσκων. Οι θέσεις αυτές αντιστοιχούν στο σύστημα των εγκάρσιων σωληνίσκων ή σωληνίσκων Τ. Η δομή αυτή είναι απαραίτητη για την ενεργοποίηση των σαρκομεριδίων κατά τη σύσπαση και βρίσκεται κοντά, χωροταξικά, με το σαρκοπλασματικό δίκτυο. Το σαρκοπλασματικό δίκτυο αναδιπλούμενο δημιουργεί μια στεφάνη γύρω από το μυϊκό ινίδιο στο ύψος των z δίσκων και επεκτείνεται και στα γειτονικά μυοϊνίδια. Παίζει σημαντικό ρόλο στην ομοιόσταση ασβεστίου, λειτουργία απαραίτητη για τη σωστή σύσπαση των σαρκομεριδίων (2).
Τα μιτοχόνδρια καταλαμβάνουν το 30% του όγκου των μυοκαρδιοκυττάρων (3), γεγονός που υποδεικνύει τη σημασία τους για τη φυσιολογική λειτουργία τους (4). Το ενήλικο μυοκαρδιοκύτταρο περιέχει περίπου 7000 ηλεκτρικώς ανεξάρτητα μιτοχόνδρια (5). Η ενδοκυτταρική κατανομή τους πιθανώς σχετίζεται με τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους, όσον αφορά στην παραγωγή ενέργειας, την ομοιόσταση ασβεστίου ή την απόπτωση. Τα μιτοχόνδρια στο καρδιακό κύτταρο, όπως και στα κύτταρα των σκελετικών μυών, παρουσιάζουν ένα σαφώς καθορισμένο, αυστηρό πρότυπο οργάνωσης παράλληλης διάταξης με τα μυϊκά ινίδια. Φαίνεται να συνδέονται με το κυτταρικό σκελετό, έτσι ώστε να διατηρούν μια ιδιαιτέρως τακτική διαρρύθμιση (6,7). Στον καρδιακό ιστό παρουσιάζεται συσχέτιση ανάμεσα στο μέγεθος του σαρκομεριδίου και το μέγεθος του μιτοχονδρίου, τόσο στη σύσπαση όσο και στη χαλάρωση, όπως δείχνουν μελέτες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (8).
Επιπλέον, η χωροταξική γειτνίαση μιτοχονδρίων και σαρκομεριδίων υποδεικνύει την ύπαρξη στενής σχέσης ανάμεσα στον τόπο παραγωγής και τόπο κατανάλωσης ενέργειας, ίσως λόγω των περιορισμών που τίθενται από τους αργούς ρυθμούς διάχυσης των μονάδων ενέργειας και τις ταχύτατες απαιτήσεις των σαρκομεριδίων για αυτές. Σε φυσιολογικές συνθήκες τα μιτοχόνδρια είναι ανεξάρτητα, μικρά οργανίδια, μεγέθους σαρκομεριδίου (βρίσκονται ανάμεσα σε διαδοχικούς z-δίσκους), αλλά έχει δειχθεί ότι σε συνθήκες υποξίας σχηματίζουν γιγαντιαία μιτοχόνδρια, πολύ μεγαλύτερα σε μέγεθος από τα φυσιολογικά (9). Τόσο η θέση, όσο και η μορφολογία των μιτοχονδρίων φαίνεται να ελέγχονται από δύο τουλάχιστον συστατικά του κυτταροσκελετού, τους μικροσωληνίσκους και τα ενδιάμεσα ινίδια. Συνεπώς, η κατανομή και εντοπισμός των μιτοχονδρίων στο μυοκαρδιοκύτταρο φαίνεται ότι παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη λειτουργία τους (6,10).
Τα μιτοχόνδρια παράγουν την περισσότερη από την ενέργεια που χρειάζεται το κύτταρο μέσω της διαδικασίας οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, παραπροϊόν της οποίας είναι η παραγωγή ελευθέρων ριζών. Ως οξειδωτική φωσφορυλίωση ορίζεται η σύζευξη της μεταφοράς ηλεκτρονίων κατά μήκος της αναπνευστικής αλυσίδας και της παραγωγής ενέργειας με τη μορφή ATP. Τα ενήλικα μυοκαρδιοκύτταρα για να συνεχίσουν την αδιάκοπη λειτουργία τους χρειάζονται συνεχή παροχή ATP, το οποίο παρέχεται από το σύμπλοκο IV της αναπνευστικής αλυσίδας. Τα ηλεκτρόνια που μεταφέρονται κατά μήκος της αναπνευστικής αλυσίδας προέρχονται από υδρογονάνθρακες που έχουν εισέλθει στον κύκλο του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA – TriCarboxylic Acid) και από λιπαρά οξέα μέσω της β-οξείδωσης. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο NAD+, το οποίο τα μεταφέρει στη συνέχεια στην αναπνευστική αλυσίδα (11). Είναι γνωστό πλέον, ότι εκτός της παραγωγής ενέργειας, τα μιτοχόνδρια συμμετέχουν σε πολλές, διαφορετικές διαδικασίες που σχετίζονται με τη φυσιολογία του κυττάρου, όπως είναι η ομοιόσταση ασβεστίου, η διατήρηση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού, ο έλεγχος βασικών διαδικασιών, όπως είναι η απόπτωση, και η απόκριση σε παθολογικά stress (5,12).

Οξειδωτικό stress και καρδιαγγειακές παθήσεις
Οι καρδιαγγειακές παθήσεις αποτελούν μείζονες αιτίες θανάτου και νοσηρότητας. Η ισχαιμική βλάβη και η μυοκαρδιακή ανεπάρκεια είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη δημόσια υγεία και συνεπώς αποτελούν αντικείμενο έντονης έρευνας (13).
Το οξειδωτικό stress προέρχεται από την ανατροπή της ισορροπίας ανάμεσα στην παραγωγή δραστικών ενώσεων οξυγόνου ή αζώτου και αντιοξειδωτικών μηχανισμών. Η βλάβες που προκαλούνται επηρεάζουν την λειτουργικότητα πολλών κυτταρικών ομοιοστατικών συστημάτων. Πιο ευπαθείς είναι ιστοί με μικρό βαθμό κυτταρικής διαίρεσης, όπως ο καρδιακός μύς, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση των βλαβών που προέρχονται από την οξειδωτική καταπόνηση. Ο καρδιακός ιστός, επιπρόσθετα, υποβάλλεται σε έντονη οξειδωτική καταπόνηση, καθώς λειτουργεί έντονα και ακατάπαυστα σε όλη τη διάρκεια της ζωής του οργανισμού (14).
Έχει δειχθεί η συμμετοχή του οξειδωτικού stress σε πληθώρα ασθενειών, όπως είναι η αθηροσκλήρωση, η μυοκαρδιακή ισχαιμία/επαναιμάτωση και η καρδιακή ανεπάρκεια (15).

Δραστικές μορφές οξυγόνου (reactive oxygen species, ROS)
Σήμερα είναι γνωστό ότι όλες σχεδόν οι επιβλαβείς επιδράσεις του οξυγόνου οφείλονται στο σχηματισμό ελεύθερων ριζών (free radicals) και άλλων δραστικών μορφών οξυγόνου (reactive oxygen species, ROS), στα οποία περιλαμβάνονται τα πρωτογενή δραστικά παράγωγα του οξυγόνου αλλά και όλα εκείνα (ρίζες ή μη), τα οποία προκύπτουν δευτερογενώς κατά τις διάφορες χημικές αλληλεπιδράσεις με τα στοιχεία του κυτταρικού περιβάλλοντος (π.χ. ελεύθερες υπεροξυλ-ρίζες R-C-O-O• και αλκοξυλ-ρίζες R-C-O•, ενδιάμεσα προϊόντα της υπεροξείδωσης λιπιδίων). Οι ROS σχηματίζονται αναπόφευκτα στον αερόβιο μεταβολισμό και είναι η κύρια αιτία εκδήλωσης του φαινομένου του οξειδωτικού stress στα κύτταρα.
Μια ελεύθερη ρίζα σχηματίζεται από μία μη-ρίζα η οποία (α) χάνει ένα ηλεκτρόνιο, (β) δέχεται ένα ηλεκτρόνιο ή (γ) υφίσταται ομολυτική διάσπαση (homolytic fission) ενός ομοιοπολικού δεσμού (στην ομολυτική διάσπαση τα 2 ηλεκτρόνια του ομοιοπολικού δεσμού δεν μένουν με το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο αλλά μοιράζονται μεταξύ των δύο αποχωρισμένων ατόμων):
α) Χ e- + X•               β) Y + e- Y•-                 γ) Χ : Y  X• + Y•
Αντίστροφα από την ομολυτική διάσπαση, δύο ελεύθερες ρίζες μπορούν να αντιδράσουν μεταξύ τους και να συνδεθούν ομοιοπολικά, οπότε προκύπτει μια μη-ρίζα (X• + Y•  XY), γεγονός που είναι πολύ σπάνιο, αφού η συγκέντρωση των ελευθέρων ριζών διατηρείται σε πολύ χαμηλά επίπεδα ακόμη και σε καταστάσεις έντονου οξειδωτικού stress. Αντίθετα, μια ελεύθερη ρίζα συνήθως αντιδρά με μια μη-ρίζα (τα περισσότερα βιολογικά μόρια δεν είναι ελεύθερες ρίζες) με τους εξής τρόπους:
α) προσθετικά, όταν η ελεύθερη ρίζα συνδέεται με τη μη-ρίζα (π.χ. προσθήκη του ΟΗ• στην γουανίνη του DNA): Χ• + Υ [Χ-Υ] •
β) αναγωγικά, όταν η ελεύθερη ρίζα δρα ως αναγωγικός παράγοντας, παραχωρώντας το ασύζευκτό της ηλεκτρόνιο στη μη-ρίζα: Χ• + Υ Χ+ + Υ•-
γ) οξειδωτικά, όταν η ελεύθερη ρίζα δρα ως οξειδωτικός παράγοντας, δεχόμενη ένα ηλεκτρόνιο από τη μη-ρίζα: X• + Y  X- + Y•+
δ) αφαιρετικά, όταν η ελεύθερη ρίζα αποσπά ένα άτομο υδρογόνου από τον ανθρακικό σκελετό μιας οργανικής ένωσης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας αντίδρασης είναι η προσβολή των πλευρικών αλυσίδων λιπαρών οξέων από την ελεύθερη ρίζα υδροξυλίου, με την οποία αρχίζουν οι αλυσωτές αντιδράσεις της υπεροξείδωσης των λιπιδίων: 

 Έτσι σχηματίζεται μια νέα ελεύθερη ρίζα, η οποία αν είναι επίσης δραστική μπορεί να αντιδράσει εκ νέου με ένα άλλο μόριο κ.ο.κ. Παράδειγμα τέτοιων αλυσιδωτών αντιδράσεων ελευθέρων ριζών είναι η υπεροξείδωση των λιπιδίων που αποτελεί τον κύριο μηχανισμό πρόκλησης οξειδωτικής βλάβης σε βιολογικές μεμβράνες.
Εκτός από τις ROS πολύ σημαντικές στο οξειδωτικό stress είναι και οι δραστικές μορφές (ρίζες ή μη) άλλων χημικών στοιχείων και μορίων, που διακρίνονται ανάλογα με την προέλευσή τους σε εκείνες που υπάρχουν στο περιβάλλον των κυττάρων και σε εκείνες που σχηματίζονται από τη δράση των ROS επί των διαφόρων κυτταρικών συστατικών. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα ιόντα Fe, Cu και άλλων μετάλλων μετάπτωσης (που καταλύουν αντιδράσεις του οξειδωτικού stress και προάγουν οξειδωτικές βλάβες στο κύτταρο), τα ιόντα Cl και το ΝΟ• (που παράγεται από την L-αργινίνη με τη δράση του ενζύμου συνθετάση του ΝΟ και έχει οξειδωτική και αντιοξειδωτική δράση). Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι ελεύθερες ρίζες θείου RS• (προϊόντα της οξειδωτικής βλάβης ή αντιοξειδωτικής δράσης διαφόρων θειολών), ελεύθερες ρίζες άνθρακα R-C• (ενδιάμεσα προϊόντα της υπεροξείδωσης λιπιδίων), ο υπεροξυνιτρίτης ΟΝΟΟ- (προϊόν της αντίδρασης O2•- και ΝΟ•), το υποχλωριώδες οξύ HOCl (προϊόν της αντίδρασης H2O2 και Cl-) κ.α.

Οι συνέπειες του οξειδωτικού stress στα κύτταρα
Το οξειδωτικό stress είναι υπεύθυνο για την πρόκληση πληθώρας βλαβών στα κύτταρα, προκαλώντας αλλαγές στα βιολογικά μακρομόρια του κυττάρου. Η ρίζα ΟΗ• είναι η πιο δραστική ελεύθερη ρίζα οξυγόνου και αποτελεί έναν εξαιρετικά ισχυρό οξειδωτικό παράγοντα που αντιδρά σχεδόν ακαριαία με οποιοδήποτε τύπο βιομορίου τυγχάνει να βρίσκεται πλησίον της θέσης σχηματισμού της. Ένα από τα σημαντικά συστατικά του κυττάρου είναι τα νουκλεϊκά οξέα (DNA και RNA), που μπορεί να υποστούν αλλαγές στις βάσεις (π.χ. προσθήκη του ΟΗ•, απαμινώσεις, απομάκρυνση του Η) αλλά και στα σάκχαρα ή ακόμα και δημιουργία σπασιμάτων και DNA-protein cross links.
Εκτός από τα νουκλεϊκά οξέα, συνήθεις είναι και οι βλάβες στις πρωτεΐνες, όπως η δημιουργία υπεροξειδίων στον πεπτιδικό κορμό ή στις πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων, η οξείδωση ομάδων του S, τα πρωτεϊνικά καρβονύλια, και οι απαμινώσεις, που επιφέρουν αλλαγές στη δομή και την λειτουργία των πρωτεϊνών. Τέλος, τα λιπιδικά συστατικά των κυττάρων είναι από τους πλέον σημαντικούς στόχους των δραστικών μορφών οξυγόνου. Η υπεροξείδωση των λιπιδίων και κυρίως των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων (polyunsaturated fatty acids, PUFAs) περιλαμβάνει δύο στάδια:
1. Το στάδιο έναρξης (initiation) που αρχίζει όταν κάποιο μόριο ROS υψηλής δραστικότητας (π.χ. ΟΗ•) αποσπάσει ένα άτομο υδρογόνου από μια ομάδα μεθυλενίου (CH2), με περισσότερο ευάλωτες τις θέσεις της ανθρακικής αλυσίδας που γειτονεύουν με διπλό δεσμό (γιατί εξασθενεί το δεσμό CH των μεθυλενικών ομάδων):
CH=CHCH2CH=CH + ΟΗ•    CH=CHC•HCH=CH + Η2Ο
Έτσι δημιουργείται μια ελεύθερη ρίζα άνθρακα (carbon-centered radical) με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, που επειδή η παραπάνω διάταξη είναι ασταθής, συνήθως υφίσταται μια ενδομοριακή αναδιάταξη και μεταπίπτει σε συζυγές διένιο (αλληλουχία διπλού - μονού - διπλού δεσμού, προκύπτοντας δύο ισομερή συζυγή διένια):
CH=CHC•HCH=CH    C•HCH=CH CH=CH  ή
CH=CHCH=CHC•H
2. Το στάδιο διάδοσης (propagation stage) στο οποίο η ρίζα άνθρακα που σχηματίζεται (R•) συνδυάζεται με ένα μόριο Ο2 (που αντιδρά εύκολα με ελεύθερες ρίζες και συσσωρεύεται σε υψηλές συγκεντρώσεις στο εσωτερικό των μεμβρανών λόγω της υδροφοβικότητάς του) και δημιουργείται μία ρίζα υπεροξυλίου:
R• + Ο2    ROO•   (peroxyl radical)
Η ελεύθερη ρίζα υπεροξυλίου είναι πολύ δραστική και μπορεί να αποσπάσει ένα άτομο υδρογόνου από κάποιο γειτονικό μόριο PUFA, μετατρεπόμενη στο αντίστοιχο υδροϋπεροξείδιο (ROOH):  ROO•  +  CH2    ROOH  +  C•H
Έτσι σχηματίζεται μια νέα ελεύθερη ρίζα άνθρακα, η οποία μπορεί να αντιδράσει με Ο2 και να δώσει εκ νέου ρίζα υπεροξυλίου, που με τη σειρά της μπορεί να αποσπάσει ένα υδρογόνο από άλλο μόριο PUFA κ.ο.κ., συνεχίζοντας έτσι την αλυσίδα αντιδράσεων που ξεκίνησε από την προσβολή ενός αρχικού μορίου PUFA από ΟΗ•.

Πηγές οξειδωτικού stress στα μυοκαρδιακά κύτταρα
Μιτοχόνδρια: Τα μιτοχόνδρια αποτελούν μείζονα πηγή ελευθέρων ριζών για το κύτταρο. Έχει υπολογιστεί οτι το 0,15% του μοριακού οξυγόνου που φυσιολογικά ανάγεται στο σύμπλοκο IV για τη δημιουργία νερού μετατρέπεται σε υδροξυλική ρίζα (16,17). Συνολικά, σχεδόν το 1-2% του οξυγόνου που εισέρχεται στο μιτοχόνδριο ανάγεται ατελώς και οδηγεί στην παραγωγή O2•-. Επιπλέον, φαίνεται ότι σε συνθήκες όπου αυξάνεται ο αριθμός των μιτοχονδρίων, όπως συμβαίνει σε διάφορα μοντέλα καρδιακής ανεπάρκειας, αυξάνεται αντίστοιχα και η παραγωγή ROS (12,18). Τα μιτοχόνδρια αποτελούν την κύρια πηγή ROS στην καρδιακή ανεπάρκεια υποδεικνύοντας μία παθοφυσιολογική σχέση ανάμεσα στην παρατηρούμενη μιτοχονδριακή δυσλειτουργία και το οξειδωτικό stress (15).
Η β-οξείδωση λιπαρών οξέων, κυρίως στα μιτοχόνδρια, αλλά και στα υπεροξεισώματα, οδηγεί στην παραγωγή ROS ως παραπροϊόντων της αναπνοής. Στην αντίδραση αυτή τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται κατευθείαν στο οξυγόνο με αποτέλεσμα την παραγωγή H2O2 (19).
Η ενδοκυτταρική κατανομή των μιτοχονδρίων έχει δειχθεί ότι αλλοιώνεται σε πολλές παθήσεις, οι οποίες οφείλονται σε μεταλλάξεις κυτταροσκελετικών πρωτεϊνών, οι οποίες συμμετέχουν στην κατανομή και μεταφορά τους (20,21). Η ελαττωματική μεταφορά και τοποθέτησή τους είναι αναμενόμενο να έχει επιπτώσεις στην καρδιακή βιοενεργητική λειτουργία, με τελικό αποτέλεσμα την εκδήλωση καρδιακής παθοφυσιολογίας (21,22).
Δεϋδρογονάση ξανθίνης/ Οξειδάση ξανθίνης: Η οξειδάση της ξανθίνης υπάρχει στους περισσότερους ιστούς και λειτουργεί καταλυτικά σε μια σειρά αντιδράσεων που μετατρέπουν την υποξανθίνη σε ουρικό οξύ. Κάτω από φυσιολογικές συνθήκες το 80%-90% του μορίου υπάρχει με τη μορφή της δεϋδρογονάσης και χρησιμοποιεί το NAD (Nicotinamine Adenine Dinucleotide) ως δέκτη ηλεκτρονίων. Ωστόσο, σε παθολογικές καταστάσεις, όπως σε τελικά στάδια καρδιακής ανεπάρκειας (23,24), μετατρέπεται στην οξειδωμένη της μορφή (οξειδάση της ξανθίνης) και χρησιμοποιεί το οξυγόνο ως δέκτη ηλεκτρονίων, μετατρέποντάς το σε υπεροξειδικό ανιόν. Πρόσφατες μελέτες καταδεικνύουν την οξειδάση της ξανθίνης ως σημαντική πηγή ROS τόσο σε πειραματικά μοντέλα (25,26) όσο και σε ανθρώπινη καρδιακή ανεπάρκεια (27). Η μετατροπή δεϋδρογονάσης της ξανθίνης προς οξειδάση της ξανθίνης πιθανώς πραγματοποιείται σε συνθήκες stress, διαταραχών του ενδοκυτταρικού ασβεστίου και οξείδωσης θειολικών ομάδων (28).
Κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος: Τα ουδετερόφιλα, μονοκύτταρα και μακροφάγα ενεργοποιούνται σε παθολογικές καταστάσεις και χρησιμοποιούν ROS για την αντιμετώπιση μολυσματικών παραγόντων. Η φλεγμονώδης αυτή αντίδραση παρατηρείται και στις καρδιαγγειακές παθήσεις και σχετίζεται με τον κυτταρικό θάνατο και την απομάκρυνση των νεκρών κυττάρων από τον οργανισμό. Η δραστικότητα των ROS που προέρχεται από τα φλεγμονώδη κύτταρα εξαρτάται από την έκκριση ορμονών και κυτοκινών (29).
Η ενεργοποίηση των φλεγμονωδών κυττάρων είναι σημαντικός παράγοντας του μηχανισμού πολλαπλασιασμού, ο οποίος συνδράμει τον αυτοτροφοδοτούμενο κύκλο βλάβης ενδομυοκαρδιοκυτταρικά. Υψηλές συγκεντρώσεις φλεγμονωδών κυτοκινών έχει δειχθεί ότι είναι κυτταροτοξικές για τα μυοκαρδιοκύτταρα (14,24). Η συμμετοχή των ROS που προέρχονται από φλεγμονώδη κύτταρα έχει μελετηθεί σε πληθώρα πειραματικών μοντέλων. Ο μηχανισμός που έχει περιγραφεί στους μετα-ισχαιμικούς ιστούς περιλαμβάνει αρχική παραγωγή ROS από τα ενδοθηλιακά κύτταρα, η οποία στη συνέχεια οδηγεί στη δημιουργία φλεγμονωδών ενδιαμέσων και τη στρατολόγηση ενεργοποιημένων ουδετερόφιλων, τα οποία αυξάνουν την παραγωγή ROS. Έχει δειχθεί ότι τα ουδετερόφιλα προκαλούν βλάβη στη λειτουργία του καρδιακού σαρκοπλασματικού δικτύου μέσω των ROS (30). Σε ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια έχουν βρεθεί υψηλά επίπεδα φλεγμονωδών κυτοκινών, όπως είναι ο TNFα, η ιντερλευκίνη (Interleukin, IL) 1β, καθώς και διαφόρων χυμοκινών, όπως είναι η φλεγμονώδης πρωτεΐνη μακροφάγων 1α (Macrophage Inflammatory Protein 1α, MIP-1α) και η IL- 8.
Η ενεργοποίηση των φλεγμονωδών κυττάρων ενδεχομένως προέρχεται από το ίδιο το μυοκάρδιο. Τα αίτια της ενεργοποίησης μπορεί να είναι η μηχανική καταπόνηση και το οξειδωτικό stress31. Η ενεργοποίηση αντιοξειδωτικών ενζύμων, όπως είναι η Trx1, η οποία εκκρίνεται και μπορεί να κυκλοφορεί στο κυκλοφορικό σύστημα, προστατεύει από το μυοκαρδιακό κυτταρικό θάνατο εμποδίζοντας τη χημειοταξία των ουδετεροφίλων (32). Είναι ενδιαφέρον ότι τα κύτταρα του ανοσοποιητικού εμπλέκονται μέσω κυτοκινών ή της παραγωγής ROS στην δημιουργία καρδιακής ίνωσης (33).
NAD(P)H οξειδάσες φαγοκυτταρικού τύπου: Είναι μεμβρανικά συνδεόμενα μόρια, τα οποία καταλύουν την αναγωγή του οξυγόνου χρησιμοποιώντας NADPH ή NADH και αποτελούν πηγή υπεροξειδικού ανιόντος (34). Αρχικά αναγνωρίστηκαν στα ουδετερόφιλα, όπου συμμετέχουν στην άμυνα του οργανισμόυ (27). Εξαιτίας του τρόπου δράσης τους, αποτελούν σημαντική πηγή ROS στις καρδιαγγειακές παθήσεις. Κυτοκίνες και αυξητικοί παράγοντες, όπως είναι η αγγειοτασίνη ΙΙ, οι α-αδρενεργικοί αγωνιστές και ο TNFα μπορούν να επάγουν την παραγωγή H2O2 και υπεροξειδικού ανιόντος μέσω της ενεργοποίησης των NAD(P)H οξειδασών (35-37). Αυτό το NAD(P)H- εξαρτώμενο μονοπάτι έχει χαρακτηριστεί πολύ καλά στα αγγειακά λεία μυϊκά κύτταρα, αλλά έχει περιγραφεί και σε άλλους κυτταρικούς τύπους, όπως τα μυοκαρδιοκύτταρα, τα ουδετερόφιλα, τα ενδοθηλιακά κύτταρα και οι ινοβλάστες (24).
Οι καρδιαγγειακές NAD(P)H οξειδάσες (Nox2 και 4) παράγουν χαμηλά επίπεδα υπεροξειδικού ανιόντος, αλλά έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν τη δραστικότητά τους, μετά την επίδραση φυσιολογικών ή παθολογικών ερεθισμάτων. Οι ROS που προέρχονται από τις καρδιαγγειακές NAD(P)H οξειδάσες συμμετέχουν στην αγγειακή υπερτροφία, την περιαγγειακή ίνωση, την επαγώμενη από αγγειοτασίνη ΙΙ υπέρταση, την αγγειογένεση και σε οδούς μεταβίβασης σήματος των MAPK27. Επιπλέον, η NADPH οξειδάση έχει δειχθεί ότι συμμετέχει στην ενεργοποίηση των MMPs στο αγγειακό σύστημα έπειτα από μηχανική τάση ή επίδραση με αγγειοτασίνη (38,39). Τέλος, ROS που προέρχονται από τις οξειδάσες επάγουν την αποσύζευξη της eNOS (endothelial Nitric Oxide Synthase) (39).
Αποσύζευξη eNOS (ή NOS3): Πρόσφατες μελέτες προτείνουν τη συμμετοχή της στην παθολογική αναδόμηση. Η eNOS φυσιολογικά παράγει NO για να ενεργοποιήσει τα μόρια cGMP (cyclic Guanine MonoPhosphate) και cGK-1 (cyclic Guanylate Cyclase), τα οποία αναστέλλουν την καρδιακή υπερτροφία και ίνωση μέσω μεταγραφικών παρεμβολών. Οι ROS αλληλεπιδρούν με το NO οδηγώντας στην παραγωγή υπεροξυνιτρίτη, με αποτέλεσμα τόσο τη δημιουργία νιτρώδους stress, όσο και την παρεμπόδιση της βιολογικής λειτουργίας του NO (39).

Επίδραση των ROS στο μυοκαρδιοκύτταρο
Στο μεταβολικά ενεργό μυοκαρδιοκύτταρο τα μιτοχόνδρια αποτελούν τη σημαντικότερη πηγή ROS, επομένως είναι αποτελούν και το σημαντικότερο στόχο τους (40,41). Τα μιτοχόνδρια περιέχουν μη κορεσμένα λιπίδια, γεγονός που τα κάνει πιο επιρρεπή σε οξειδωτική τροποποίηση. Έχει βρεθεί ότι οι πρωτεΐνες που βρίσκονται προς τη μιτοχονδριακή μήτρα υπόκειται σε υψηλότερο βαθμό οξειδωτικής τροποποίησης, (π.χ., καρβονυλίωση και νιτροσυλίωση). Η ANT (Adenine Nucleotide Transferase) επίσης αποτελεί σημαντικό στόχο των ROS (42), καθώς και το μιτοχονδριακό DNA, αφού δεν έχει την πολύπλοκη οργάνωση και τη δυνατότητα επιδιόρθωσης, όπως το γονιδιωματικό πυρηνικό DNA, ώστε να προστατευθεί (43). Τέλος, σημαντικό μέρος του υπεροξειδικού ανιόντος που σχηματίζεται δε μπορεί να διαπεράσει τις μεμβράνες και συνεπώς, αν δε διασπαστεί από την υπεροξειδική δυσμουτάση, τροποποιεί το DNA.
Χρόνια αύξηση των επιπέδων ROS συσχετίζονται με μιτοχονδριακή βλάβη και δυσλειτουργία, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αλυσιδωτές αντιδράσεις περιορισμού της μιτοχονδριακής λειτουργίας, δημιουργίας ROS και κυτταρικής βλάβης (12,15).
Η έκθεση σε ελεύθερες ρίζες και αλλαγή της οξειδοαναγωγικής κατάστασης του μιτοχονδρίου μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της παραγωγής ελευθέρων ριζών από το μιτοχόνδριο, με τελικό αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός ασταθούς συστήματος, το οποίο «αυτό-τροφοδοτείται» μεταδίδοντας τις διαταραχές στα γειτονικά μιτοχόνδρια. Είναι δυνατό, δηλαδή, μία τοπική αλλοίωση, να πολλαπλασιαστεί και να επεκταθεί σε όλο το κύτταρο ή και σε γειτονικά κύτταρα. Το φαινόμενο αυτό περιγράφεται ως ευαισθησία στις ελεύθερες ρίζες, ή ROS-Induced ROS Release (RIRR)5. Οι αλλαγές αυτές στα επίπεδα ελευθέρων ριζών είναι αντιστρόφως ανάλογες των εναλλαγών του μιτοχονδριακού μεμβρανικού δυναμικού. Συνδυασμός διακυμάνσεων στην οξειδοαναγωγική κατάσταση και το μιτοχονδριακό μεμβρανικό δυναμικό, έχει περιγραφεί σε διάφορες παθολογικές καταστάσεις, όπως είναι η ισχαιμία/ επαναιμάτωση, και μπορεί να έχει αρνητικές συνέπειες στην ακεραιότητα των μιτοχονδρίων και την επιβίωση του κυττάρου44.
Η μιτοχονδριακή βλάβη και δυσλειτουργία είναι βασικό χαρακτηριστικό του κυτταρικού θανάτου που μεσολαβείται από ROS (45). Τα μιτοχόνδρια έχουν θεμελιώδη ρόλο στον έλεγχο του κυτταρικού θανάτου μέσω τριών κυρίως μηχανισμών: 1) Διακοπή της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και της παραγωγής ATP, 2) Απελευθέρωση πρωτεϊνών που ενεργοποιούν τις κασπάσες και 3) αλλοίωση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού, το οποίο οδηγεί στην παραγωγή ROS. Η παραγωγή O2•- και η λιπιδική υπεροξείδωση αυξάνονται στην απόπτωση που προκαλείται από χιλιάδες ερεθίσματα, αν και δεν είναι επιβεβαιωμένο ότι οδηγούν άμεσα σε απόπτωση (11,45).
Ο πόρος μετάπτωσης της μιτοχονδριακής διαπερατότητας, (mitochondria Permeability Transition Pore, mPTP) είναι ένα μη ειδικό πρωτεϊνικό κανάλι διαπερατό σε πρωτεΐνες μεγάλου μοριακού βάρους (μεγέθους μέχρι 1500Da) και σε ιόντα. Αποτελείται από τις πρωτεΐνες: VDAC (Voltage Dependent Anion Channel), ANT (Adenine Nucleotide Translocator) και κυκλοφιλίνη D (Cyc-D, cyclophilin D) (45). Το οξειδωτικό stress ή η κυτταροπλασματική υπερφόρτωση σε ιόντα ασβεστίου είναι παράγοντες που μπορεί να οδηγήσουν στη δημιουργία του πόρου, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια του μιτοχονδριακού μεμβρανικού δυναμικου (46,47). Το όριο των επίπεδων οξειδωτικού stress που απαιτούνται για αυτήν την ενεργοποίηση φαίνεται να είναι χαμηλότερο στα καταπονημένα μιτοχόνδρια. Η ενεργοποίηση του πόρου οδηγεί στη διόγκωση της μιτοχονδριακής θεμέλιας ουσίας (matrix) και την απελευθέρωση κυτοχρώματος c και άλλων παραγόντων, με τελικό αποτέλεσμα την απόπτωση.
Τα μιτοχόνδρια παίζουν, επίσης, σημαντικό ρόλο στην ομοιόσταση του ασβεστίου, συμμετέχοντας στην ταχεία απορρόφησή του από το κυτταρόπλασμα. Κατά τη διάρκεια της ισχαιμίας τα υψηλά επίπεδα κυτταροπλασματικού ασβεστίου, οι μιτοχονδριακές βλάβες και η μειωμένη διαθεσιμότητα ενεργειακού υποστρώματος συμβάλλουν στο άνοιγμα του πόρου μετάπτωσης της μιτοχονδριακής διαπερατότητας (12).
Η απώλεια της παραγωγής ενέργειας από το μιτοχόνδριο έχει συσχετιστεί με τις καρδιακές παθήσεις (48). Η διατήρηση της μιτοχονδριακής βιοενεργειακής ομοιόστασης κάτω από φυσιολογικές συνθήκες είναι απαραίτητη, ώστε να αντιμετωπιστούν οι ενεργειακές ανάγκες και πραγματοποιείται μέσω πολύπλοκων διαδικασιών επικοινωνίας μεταξύ του μιτοχονδριακού και του πυρηνικού γενετικού υλικού. Η επικοινωνία αυτή έχει σημαντικές εκφάνσεις στη βιογένεση των μιτοχονδρίων, δηλαδή στον έλεγχο του μιτοχονδριακού κύκλου, του περιεχομένου και του αριθμού τους, ώστε να εξασφαλίζεται η ομοιόσταση του κυττάρου. Τα μόρια που ελέγχουν τη διαδικασία αυτή είναι οι NRF1 και 2 (Nuclear Respiratory Factors), η CREB (cAMP Response Element Binding protein) και ο μεταγραφικός παράγοντας μιτοχονδρίων Α (TFAM – Transcriptional Factor A of Mitochondria).
Τα ρυθμιστικά αυτά μόρια ελέγχονται από τους παράγοντες PGC1α (transcriptional coactivator peroxisome-proliferatoractivated receptor γ coactivatror 1α) και PRC (PGC-1-Related Coactivator). Οι παράγοντες αυτοί ελέγχουν γονίδια που σχετίζονται με γονίδια της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και ρύθμισης ROS (20-22). Η ρύθμιση της βιογένεσης μιτοχονδρίων φαίνεται να σχετίζεται με την απόκριση στο μηχανικό και οξειδωτικό στρες. Η βιογένεση μιτοχονδρίων φαίνεται ότι προστατεύει και από τη βλάβη που προκαλείται από την ισχαιμία/επαναιμάτωση, καθώς συνάδει με την υπερέκφραση αντιοξειδωτικών γονιδίων, τα οποία βρίσκονται κάτω από κοινό ρυθμιστικό έλεγχο με τα γονίδια της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και πολλαπλασιασμού (21).
Οι ROS μπορεί να έχουν άμεση επίδραση και σε πρωτεΐνες της συσταλτικής συσκευής του μυοκαρδιοκυττάρου. Έχει δειχθεί ότι τα υπεροξειδικά ανιόντα και το H2O2 μειώνουν την Ca++-εξαρτώμενη ενεργότητα ATPάσης των καναλιών ασβεστίου και ανάγουν της θειολικές πλάγιες ομάδες στα μυοϊνίδια (49).
Η σωστή ομοιόσταση των ιόντων είναι απαραίτητη για τη σωστή λειτουργία του μυοκαρδιοκυττάρου. Υπάρχουν σαφείς αποδείξεις ότι οι ROS επηρεάζουν τη λειτουργία διαύλων ιόντων (50). Οι ROS είναι δυνατό να προκαλούν αύξηση του κυτταροπλασματικού ασβεστίου μέσω της διττής επιβλαβούς δράσης τους στις αντλίες που καθορίζουν την ομοιόστασή του. Η τροποποίηση των καναλιών αυτών έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ασβεστίου από τις αποθήκες του και την αδυναμία επαναρρόφησής του. Οι ROS μπορεί να στοχεύουν τα τύπου L κανάλια ασβεστίου στο σαρκοπλασματικό δίκτυο, καθώς και τη SERCA (51-53). Η ύπαρξη υψηλών επιπέδων κυτταροπλασματικού ασβέστιου και οι αλλοιώσεις στη διακίνησή του μεταξύ των κυτταροπλασματικών διαμερισμάτων κατά τη διάρκεια της συστολής συνδέεται στενά με διάφορες παθολογικές καταστάσεις που σχετίζονται με το οξειδωτικό στρες, όπως είναι η ισχαιμία/ επαναιμάτωση (14,54,55).
Έχει διαπιστωθεί σε μυοκαρδιοκύτταρα ότι μικρά επίπεδα ROS δρουν καρδιοπροστατευτικά, ενώ υψηλά επίπεδα οδηγούν σε οξειδωτικό stress προκαλώντας κυτταρικό θάνατο, είτε με τη μορφή της απόπτωσης είτε της νέκρωσης56. Με άλλα λόγια, οι ROS έχουν επίδραση στην κυτταρική λειτουργία, η οποία επίδραση εξαρτάται από τη συγκέντρωσή τους. Οι ROS σε φυσιολογικά/χαμηλά επίπεδα, τέτοια που μην υπάρχει οξειδωτική καταπόνηση, ελέγχουν την κυτταρική επιβίωση μέσω διαφόρων οδών. Υπάρχουν πολλά μονοπάτια μεταγωγής σήματος που σχετίζονται με την κυτταρική υπερτροφία και το θάνατο. Κύριο ρόλο παίζουν οι MAPK (Mitogen Activated Protein Kinase) μέσω τριών μονοπατιών: 1) ERKs (Extracellular signal-regulated kinases), 2) JNKs (c-Jun N Terminal Kinases) και 3) p38-MAPKs. Το μονοπάτι των ERKs έχει συσχετισθεί εκτός από την υπερτροφία και με την επιβίωση, ενώ τα μονοπάτια JNK και p38-MAPK και με κυτταρικό θάνατο (18,57,58). Τέλος, οι ROS εμπλέκονται και στο μηχανισμό της απόπτωσης που εξαρτάται από την ενεργοποίηση των β-αδρενεργικών υποδοχέων (59).

Οξειδωτικό stress στις μυοκαρδιακές παθήσεις
Οι ROS επιβαρύνουν την μυοκαρδιακή λειτουργία in vivo και in vitro. Έκθεση φυσιολογικού μυοκαρδίου σε ROS οδηγεί σε απώλεια του κυτταρικού καλίου, ελάττωση των πηγών ενέργειας, απώλεια συστολικής λειτουργίας, υψηλή κυτταροπλασματική συγκέντρωση ασβεστίου και μειωμένη μεταβολική λειτουργία (14).
Η ισχαιμική καρδιακή νόσος είναι αποτέλεσμα πολλών καρδιακών διαταραχών και χαρακτηρίζεται από ανισορροπία στην παροχή και ζήτηση οξυγόνου, λόγω της μειωμένης παροχής αίματος. Η επαναιμάτωση με οξυγονωμένο αίμα μπορεί να αποβεί σωτήρια, είναι όμως πιθανό να έχει επιβλαβείς συνέπειες, οι οποίες ορίζονται ως τραύμα επαναιμάτωσης. Οι ROS (60,61) και πιο συγκεκριμένα το υπεροξειδικό ανιόν φαίνεται να σχετίζονται γραμμικά με το τραύμα επαναιμάτωσης (62), καθώς και με δείκτες λιπιδικής υπεροξείδωσης και το μέγεθος του εμφράγματος (43) παίζουν σημαντικό ρόλο (43,54). Ο ρόλος των ROS στην πρόοδο της ισχαιμικής νόσου φαίνεται και από το ρόλο των αντιοξειδωτικών αμυντικών μηχανισμών ενάντια στο τραύμα (13,54).
Η μυοκαρδιακή υπερτροφία αποτελεί κοινή απόκριση σε πληθώρα στρεσογόνων παραγόντων, όπως είναι η υπέρταση ή το έμφραγμα του μυοκαρδίου (18) και αποτελεί ανεξάρτητο προγνωστικό δείκτη νοσηρότητας και θνησιμότητας για τις καρδιαγγειακές παθήσεις. Παρατηρείται πάχυνση των τοιχωμάτων και μείωση της διαμέτρου των καρδιακών κοιλοτήτων. Η αγγειοτασίνη ΙΙ έχει δειχθεί ότι ενεργοποιεί τα σηματοδοτικά μονοπάτια που οδηγούν στην υπερτροφία κατά την καρδιακή αναδόμηση. Αυξανόμενος αριθμός στοιχείων υποδεικνύει τις ROS ως διαμεσολαβητή σε αυτή την ενεργοποίηση (59). Οι ROS φαίνεται ότι δρουν σε σηματοδοτικά μονοπάτια, όπως MAPK, JNK και Ras (63,64). Υπάρχουν ενδείξεις ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στη μετάβαση από την υπερτροφία στην ανεπάρκεια, τόσο σε πειραματικά μοντέλα (54), όσο και σε κλινικές μελέτες (59). Τέλος, στην υπερτροφική καρδιά παρατηρείται μείωση της κατανάλωσης λιπαρών οξέων και αντικατάστασή τους από γλυκόζη. Η μεταβολική αυτή αλλαγή συνοδεύεται από διαταραχή της ισορροπίας των ROS και των αντιοξειδωτικών μηχανισμών, με αποτέλεσμα την οξειδωτική καταπόνηση (19).
Η χρόνια καρδιακή ανεπάρκεια επηρεάζει το 2% του σύγχρονου δυτικού κόσμου και παρουσιάζει διαρκώς αυξανόμενη επίπτωση (27). Σε ασθενείς με συμφορητική καρδιακή ανεπάρκεια έχουν βρεθεί υψηλά επίπεδα υπεροξειδικού ανιόντος και μικρότερα επίπεδα υδροξυλικής ρίζας (65). Επίσης, έχει αναφερθεί συσχέτιση δεικτών οξειδωτικού stress και της σοβαρότητας της καρδιακής ανεπάρκειας η οποία πιθανώς σχετίζεται με τη μείωση των αντιοξειδωτικών μηχανισμων (24,27,59). Επίσης, έχει παρατηρηθεί αύξηση προϊόντων λιπιδικής υπεροξείδωσης και μείωση των αντιγράφων του μιτοχονδριακού DNA σε ασθενείς με καρδιακή ανεπάρκεια (15,66). Οι περισσότεροι από τους παράγοντες που παρατηρούνται στη συμφορητική καρδιακή ανεπάρκεια και σχετίζονται με φλεγμονώδη ενεργοποίηση, επάγουν επιπλέον το οξειδωτικό stress μέσω μηχανισμών, όπως είναι το σύστημα της αγγειοτασίνης ΙΙ, ο TNFα και οι προφλεγμονώδεις κυτοκίνες (43).

Αντιοξειδωτικοί αμυντικοί μηχανισμοί
Οι αερόβιοι οργανισμοί έχουν αναπτύξει αρκετούς αμυντικούς μηχανισμούς ώστε να μπορούν να επιβιώσουν σε έντονα οξειδωτικές συνθήκες. Είναι σημαντικό ότι κατορθώνουν να διατηρούν την ενδοκυτταρική συγκέντρωση του Ο2 σε επίπεδα χαμηλότερα από της ατμόσφαιρας (21%) καθώς και την ικανότητα αποτελεσματικής λειτουργίας της αναπνευστικής αλυσίδας σε αυτά τα χαμηλά επίπεδα Ο2. Το οξειδωτικό φορτίο (ROS και προϊόντα δράσης τους) που δημιουργείται σε αυτές τις συνθήκες αντιμετωπίζεται από την αντιοξειδωτική άμυνα των οργανισμών που συνίσταται σε ένα πολύπλοκο σύστημα με συνεργητικά δρώντα επιμέρους στοιχεία. Οι αντιοξειδωτικοί αμυντικοί μηχανισμοί διακρίνονται σε ενζυμικούς και μή ενζυμικούς.
Στους ενζυμικούς περιλαβάνονται 1) οι υπεροξειδικές δυσμουτάσες (Superoxide Dismoutase, SOD) οι οποίες διασπούν το υπεροξειδικό ανιόν (70,71), 2) η καταλάση (οξειρεδουκτάση του υπεροξειδίου του υδρογόνου) που καταλύει την αποικοδόμηση του H2O2 σε νερό και οξυγόνο (72), 3) η υπεροξειδάση της γλουταθειόνης (Glutathione Peroxidase,GP) η οποία είναι αντιοξειδωτικό ένζυμο, το οποίο αποτοξινώνει το κύτταρο από λιπιδικά και μη υδροξυπεροξείδια, καθώς και από το H2O2, 4) η υπεροξειρεδοξίνη (Prx) και το αναγεννητικό της σύστημα, η θειορεδοξίνη (Trx), η οποία από μόνη της έχει αντιοξειδωτική δράση, και η ρεδουκτάση της θειορεδοξίνης (TrcR) αποτελούν ένα επιπλέον αντιοξειδωτικό και οξειδοαναγωγικό ρυθμιστικό σύστημα, το οποίο έχει βρεθεί ότι συμμετέχει σε πληθώρα διεργασιών, που σχετίζονται με ROS. Καταλύουν την αναγέννηση πολλών αντιοξειδωτικών μορίων (35). Η έκφρασή τους επάγεται και από το οξειδωτικό stress με εξαίρεση την TrxR73.
Στους μη ενζυμικούς αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς περιλαμβάνονται ενδοκυτταρικά αντιοξειδωτικά μόρια όπως είναι οι βιταμίνες Ε, C και β-καροτένιο και πρωτεϊνες όπως η μεταλλοθειονίνη. Η βιταμίνη Ε (α-τοκοφερόλη) αποτελεί το πιο μελετημένο μη ενζυμικό αντιοξειδωτικό μόριο. Εντοπίζεται στο πλάσμα του αίματος, στις λιποπρωτεΐνες χαμηλής πυκνότητας (LDLs -Low Density Lipoproteins) και στις κυτταρικές μεμβράνες. Δρα κυρίως δεσμεύοντας υπεροξείδιο, διακόπτοντας την αλυσιδωτή αντίδραση της λιπιδικής υπεροξείδωσης (54).
Η μεταλλοθειονίνη, τέλος, είναι πρωτεΐνη που προσδένει μέταλλα μετάπτωσης. Στα θηλαστικά δεσμεύει κυρίως ψευδάργυρο. Υπάρχουν πλέον αρκετές ενδείξεις ότι η δρα αντιοξειδωτικά. Αν και ο ακριβής μηχανισμός δεν είναι γνωστός, φαίνεται ότι δεσμεύει τις ROS και κυρίως τη ρίζα υδροξυλίου. Καρδιοειδική υπερέκφραση της μεταλλοθειονίνης φαίνεται να προστατεύει από την καρδιοτοξικότητα της δοξορουβικίνης και από την μυοκαρδιοπάθεια σε μοντέλα ισχαιμίας/ επαναιμάτωσης (74,75).

Βιβλιογραφία
1. Wessels, A., et al. 2003; 250:44-59
2. Berne, R.M., M.N. Levy. 2003; Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης.
3. Page, E., L.P. McCallister, B. Power, 1971; Proc Natl Acad Sci U S A. 68:1465-6.
4. Regula, K.M., K. Ens, L.A. Kirshenbaum. 2003; J Mol Cell Cardiol. 35:559-67.
5. Brady, N.R., et al. 2004; Biophys J. 87:2022-34.
6. Milner, D.J., et al. 2000; J Cell Biol. 150:1283-98.
7. Vendelin, M., et al. Saks. 2005; Am J Physiol Cell Physiol. 288:C757-67.
8. Nozaki, T., et al. 2001; Cardiovasc Pathol. 10:125-32.
9. Sun, C.N., N.S. Dhalla, and R.E. Olson. 1969; Experientia. 25:763-4.
10. Appaix, F., et al. 2003; Exp Physiol. 88:175-90.
11. Wallace, D.C. 2001; Am J Med Genet. 106:71-93.
12. Gottlieb, R.A. 2003; Basic Res Cardiol. 98:242-9.
13. Hingtgen, S.D., R.L. Davisson. 2001; Antioxid Redox Signal. 3:433-49.
14. Lefer, D.J., D.N. Granger. 2000; Am J Med. 109:315-23.
15. Tsutsui, H. 2006; Intern Med. 45:809-13.
16. Turrens, J.F. 2003; J Physiol. 552:335-44.
17. St-Pierre, J., J.A. Buckingham, S.J. Roebuck, M.D. Brand. 2002; J Biol Chem. 277:44784-90.
18. Sugden, P.H., A. Clerk. 2006; Antioxid Redox Signal. 8:2111-24.
19. Ritchie, R.H., L.M. Delbridge. 2006; Clin Exp Pharmacol Physiol. 33:159-66.
20. Goffart, S., et al, 2004; Cardiovasc Res. 64:198-207
21. McLeod, C.J., I. Pagel, and M.N. Sack. 2005; Trends Cardiovasc Med. 15:118-23.
22. Zhu, H., et al, 2005; FEBS Lett. 579:3029-36.
23. Collin, B., et al. 2007; Mol Cell Biochem. 294:225-35.
24. Sawyer, D.B et al  2002; J Mol Cell Cardiol. 34:379-88.
25. Duncan, J.G., et al 2005; Am J Physiol Heart Circ Physiol. 289:H1512-8.
26. Hajjar, R.J., J.A. Leopold. 2006; Circ Res. 98:169-71.
27. Grieve, D.J., J.A. Byrne, A.C. Cave, A.M. Shah. 2004; 13:132-8.
28. Parks, D.A., D.N. Granger. 1986; Acta Physiol Scand Suppl. 548:87-99.
29. Yasunari, K., T. Watanabe, M. Nakamura. 2006; Curr Pharm Biotechnol. 7:73-80.
30. Kukreja, R.C., et al, 1989; Biochim Biophys Acta. 990:198-205.
31. Yndestad, A.,et al., 2006; Heart Fail Rev. 11:83-92.
32. Ago, T., and J. Sadoshima. 2007; Antioxid Redox Signal. 9:679-87.
33. Lee, J.K., et al, 1998; Nat Med. 4:1383-91.
34. Griendling, K.K., D. Sorescu, M. Ushio-Fukai. 2000; Circ Res. 86:494-501.
35. Giordano, F.J. 2005; J Clin Invest. 115:500-8.
36. Osadchii, O.E. 2007; Heart Fail Rev. 12:66-86.
37. Sheeran, F.L., S. Pepe. 2006; Biochim Biophys Acta. 1757:543-52.
38. Murdoch, C.E., et al. 2006a; Curr Opin Pharmacol. 6:148-53.
39. Takimoto, E., D.A. Kass. 2007; Hypertension. 49:241-8.
40. Ballinger, S.W. 2005; Free Radic Biol Med. 38:1278-95.
41. Paradies, G., G. Petrosillo, M. Pistolese, F.M. Ruggiero. 2001; Mitochondrion. 1:151-9.
42. Taylor, M.R., et al. 2007; Circulation. 115:1244-51.
43. Mariani, E., et al. 2005; J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 827:65-75.
44. Aon, M.A., S. Cortassa, F.G. Akar, B. O'Rourke. 2006; Biochim Biophys Acta.1762:232-40.
45. Green, D.R., J.C. Reed. 1998; Science. 281:1309-12.
46. Halestrap, A.P. 2006; Biochem Soc Trans. 34:232-7.
47. Zorov, D.B., et al. 2000; J Exp Med. 192:1001-14.
48. Marin-Garcia, J., and M.J. Goldenthal. 2002; J Card Fail. 8:347-61.
49. Suzuki, S., et al. 1991; Biochim Biophys Acta.1074:95-100.
50. Hool, L.C., B. Corry. 2007; Antioxid Redox Signal. 9:409-35.
51. Camello-Almaraz, C, et al., 2006; Am J Physiol Cell Physiol. 291:C1082-8.
52. Camello-Almaraz, M.C.,et al, 2006; J Cell Physiol. 206:487-94.
53. Kaplan, P., et al. 2003; Mol Cell Biochem. 248:41-7.
54. Dhalla, N.S., R.M. Temsah, T. Netticadan. 2000; J Hypertens. 18:655-73.
55. Dhalla, N.S., et al., 2007; J Cardiovasc Med (Hagerstown), 8:238-50
56. Kumar S., X. Yin, B. D. Trapp, J. H. Hoh, M. E. Paulaitis, 2002; Biophys J. 82: 2360-72
57. Takano, H., et al. 2003; Antioxid Redox Signal. 5:789-94.
58. Clerk, A. 2003; J Mol Cell Cardiol. 35:599-602.
59. Sabri, A., H.H. Hughie, P.A. Lucchesi. 2003; Antioxid Redox Signal. 5:731-40.
60. Zweier, J.L., et al.1989a; FEBS Lett. 252:12-6.
61. Zweier, J.L., et al. 1989b; J Biol Chem. 264:18890- 5.
62. Bolli, R., P.B. McCay. 1990; Free Radic Res Commun. 9:169-80.
63. Pimentel, D.R., et al. 2001; Circ Res. 89:453-60.
64. Xie, Z., P. Kometiani, J. Liu, J. Li, J.I. Shapiro, A. Askari. 1999; J Biol Chem. 274:19323-8.
65. Belch, J.J., M. Sohngen, R. Robb, P. Voleske, W. Sohngen. 1999; Int Angiol. 18:140-4.
66. Ide, T., et al 2001; Circ Res. 88:529-35.
67. Anesti, V., and L. Scorrano. 2006; Biochim Biophys Acta. 1757:692-9
68. Marin-Garcia, J., and M.J. Goldenthal. 2004; J Mol Med. 82:565-78.
69. He, X., Y. et al. 2003; Am J Pathol. 163:243-51.
70. Fridovich, I. 1975; Annu Rev Biochem. 44:147-59.
71. Fridovich, I. 1978; Ciba Found Symp:77-93.
72. Berg, J.M., J.L. Tymoczko, L. Stryer. 2002; WH Freeman and Co, New York. 205-206 pp.
73. Rabilloud, T., et al. 2001; Proteomics. 1:1105-10.
74. Kang, Y.J., et al. 1997; J Clin Invest. 100:1501-6.
75. Kang, Y.J. 1999; Proc Soc Exp Biol Med. 222:263-73.