In the aerobic cell, oxygen can be converted into a series of reactive metabolites, together called as "reactive oxygen species" (ROS). This large group include both radical and non-radical species such as superoxide anion (02"), hydroxyl radical ("0H), H202, nitric oxide (N0') and lipid hydroperoxides (LOOH). ROS are generated in very small amounts at all stages of aerobic life, and probably have a role in cellular regulation. However, their formation in excess leads to toxicity and damage to tissues. This situation, called 'oxidative stress', is responsible, atleast in part, to the pathophysioiogy of a number of disease states such as inflammation, arthritis, cancer, ageing, ischemia-reperfusion and several neurodegenerative disorders. Compared to other organs in the animal body, brain tissue is more vulnerable to oxidative stress. This is due to three major reasons; (1) brain has a high oxygen consumption (2) high content of polyunsaturated fatty acids and iron, that can promote lipid peroxidation, and (3) low levels of antioxidant enzymes such as catalase and glutathione peroxidase. The inability of neurons to regenerate also contributes to exacerbate an oxidant damage in the brain. The main objective of this investigation was to identify biochemical systems in the brain that are susceptible to ROS, on the following two issues: 1. What are the targets for the action of H2O2 and NO in the glycolytic cycle, the major route for the oxidation of glucose in brain? 2. What are the targets for the action of polyunsaturated fatty acids and their oxidative metabolites among the enzymes of phosphoinositide cycle (PI cycle), the ubiquitous signal transduction event in the brain? Using sheep brain cytosol , it was found that among the various glycolytic enzymes, only glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPD) was inhibited by H2O2. The enzyme was purified to homogeneity from sheep brain and its inactivation with H202 was studied in detail. Commercial preparations of rabbit skeletal muscle GAPD was also used in this study. An unusual requirement of glutathione for the complete inactivtion of the enzyme by H2O2 was observed. The H2O2-inactivated GAPD was partially reactivated by prolonged treatment with thiol compounds. Using CD-spectral analysis, a significant change was found in the secondary structure in H2O2-treated GAPD. GAPD was inactivated by NO only in presence of high concentrations of DTT and after prolonged incubation. The N0-inactivated GAPD was partially reactivated by treatment with thiol compounds. A new activity, namely ADP-ribosylation (ADPR) emerged in the NO-treated mammalian, but not in yeast. GAPD, ADPR activity could be generated in GAPD through NO-independent treatments such as incubation with NADPH and aerobic dialysis. During NADPH treatment no loss of dehydrogenase activity occurred. Thus, it was concluded that loss of dehydrogenase activity and emergence of ADPR in NO-treated GAPD were not correlated but coincidental, and that NO treatment yielded small amounts of modified-GAPD that had ADPR activity. In the brain, onset of ischemia is characterized by a significant elevation in free fatty acid (FFA) levels, predominantly, arachidonic acid (AA). It is suggested that AA can be oxidised to its metabolites like prostaglandins and 15-hydroperoxy arachidonic acid (15-HPETE) and some of these might exert toxic effects during reperfusion. Using whole membranes or tissue slices prepared from rat brain, effects of polyunsaturated fatty acids and their oxidative metabolites on five enzymes of PI cycle namely PI synthase, PI and PIP kinases, agonist-stimulated PLC and DG kinase was studied. Hydroperoxides of linoleic- and arachidonic acids inactivated PI synthase selectively among the PI cycle enzymes. Interestingly, AA selectively stimulated DG kinase in neural membranes. Docasahexaenoic acid (DHA) a highly unsaturated fatty acid found in the brain, also stimulated DG kinase activity while saturated, mono-and di-unsaturated fatty acids were ineffective. It was concluded that AA and DHA have a role in modulating neural DG kinase. The data presented in the thesis indicate that ROS have selective targets in cells and the consequent protein modifications can be used to modulate cellular functions under normal and oxidative stress conditions.

Η ηπατική εγκεφαλοπάθεια είναι ένα πολύπλοκο νευροψυχιατρικό σύνδρομο που έχει συσχετισθεί με οξείες και χρόνιες ηπατοπάθειες. Τα τελευταία χρόνια συσσωρεύονται πληροφορίες που εμπλέκουν το οξειδωτικό στρες (φορτίο) ως παράγοντα-κλειδί στην παθογένεση της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας σε μελέτες που χρησιμοποιούν ως μετρούμενους δείκτες την υπεροξείδωση λιπιδίων και το οξειδοαναγωγικό ζεύγος της γλουταθειόνης (GSH/GSSG). Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο πειραματικού αποφρακτικού ίκτερου με απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Αρσενικοί αρουραίοι χωρίστηκαν σε ομάδες ελέγχου, ψευδώς χειρουργημένων, και σε ομάδες απολίνωσης χοληδόχου πόρου που είτε θυσιάστηκαν την 5η ημέρα, είτε τη 10η ημέρα, ή τους χορηγήθηκαν αντιοξειδωτικοί παράγοντες (NAC, ALP, Vit-E). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η θειολική οξειδοαναγωγική κατάσταση στον εγκέφαλο των αρουραίων, και μάλιστα ανά περιοχές (εγκεφαλικός φλοιός, στέλεχος, παρεγκεφαλίδα), καθώς και η επίδραση των επιλεγμένων αντιοξειδωτικών παραγόντων σε αυτήν. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά μια πιο αντιπροσωπευτική εκτίμηση του οξειδωτικού στρες, καθώς ποσοτικοποιήθηκαν συγκεκριμένοι δείκτες υψηλού (GSSG, NPSSR, NPSSC, PSSR, PSSC, PSSP, υπεροξείδια λιπιδίων) και χαμηλού (GSH, CSH, PSH) οξειδωτικού στρες. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν αύξηση των πρώτων και μείωση των τελευταίων σε όλες τις εγκεφαλικές περιοχές καταδεικνύοντας έτσι την παρουσία αυξημένου οξειδωτικού φορτίου στον αποφρακτικό ίκτερο. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι ότι κατέδειξε πρώιμα σημεία οξειδωτικού στρες στον εγκέφαλο ήδη από την 5η ημέρα μετά την απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Οι μεταβολές των βιοχημικών δεικτών, και αυτό αφορά σε όλους τους δείκτες και σε όλες τις εγκεφαλικές περιοχές, αρχίζουν να φαίνονται από την 5η ημέρα και γίνονται στατιστικά σημαντικές τη 10η ημέρα από την απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Διαπιστώσαμε επιπλέον ότι η GSH είχε περίπου διπλάσιες τιμές στον εγκεφαλικό φλοιό από ό, τι στο στέλεχος και την παρεγκεφαλίδα, και ότι στο στέλεχος παρατηρήθηκε μια δραματική αύξηση των επιπέδων των NPSSR τη 10η ημέρα μετά την απολίνωση του χοληδόχου πόρου, τα οποία όμως παρέμειναν χαμηλά στις άλλες δύο περιοχές. Καθώς είναι γνωστό πως το οξειδωτικό στρες έχει ενοχοποιηθεί στην παθογένεση διαφόρων νευροεκφυλιστικών παθήσεων στον άνθρωπο, τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να συσχετισθούν με διαφορές στη φυσιολογία και τη βιοχημεία των περιοχών αυτών και ενδεχομένως να σχετίζονται με τον τρόπο που το οξειδωτικό στρες εκφράζεται στην παθοφυσιολογία και άλλων νοσολογικών καταστάσεων όπως η πλάγια αμυοτροφική σκλήρυνση, η νόσος Parkinson, και η νόσος Alzheimer. Έχει ενδιαφέρον το γεγονός ότι τα βασικά γάγγλια και οι πυρήνες του στελέχους είναι θέσεις εκλεκτικής βλάβης στην εγκεφαλοπάθεια από χολερυθρίνη στο νεογνικό ίκτερο. Στη δεύτερη πειραματική φάση, στους ικτερικούς αρουραίους χορηγήσαμε αντιοξειδωτικούς παράγοντες, που έχουν επανειλημμένα μελετηθεί τόσο in vitro όσο και σε ζωικά μοντέλα, σε μια προσπάθεια να αναστρέψουμε τις διαταραχές που είχαν παρατηρηθεί. Ένα πρώτο εύρημα ήταν η ευεργετική δράση στην υπεροξείδωση των λιπιδίων, που ποσοτικοποιήθηκε με τον υπολογισμό της MDA, στις ομάδες και των τριών αντιοξειδωτών αλλά κυρίως στις ALP και Vit-E. Και στις τρεις ομάδες που έλαβαν αντιοξειδωτικά, αντίθετα με την ομάδα απολίνωσης χοληδόχου πόρου, δεν παρατηρήθηκε εξάντληση του συνολικού κυτταρικού περιεχόμενου γλουταθειόνης. Επιπλέον, και στις τρεις ομάδες αντιοξειδωτικών δεν παρατηρήθηκε αύξηση των NPSSR στο εγκεφαλικό στέλεχος, γεγονός που υποδηλώνει ότι η συσσώρευση των μη-πρωτεϊνικών δισουλφιδίων στο στέλεχος εμποδίστηκε από τους αντιοξειδωτικούς παράγοντες. Η ανισορροπία των πρωτεϊνικών θειολών, όπως αυτή φάνηκε από τη μείωση της PSH και την αύξηση του PSSP, αναστράφηκε σημαντικά μόνο στην ομάδα NAC στην οποία η PSH αυξήθηκε στα φυσιολογικά επίπεδα. Εν συντομία, η παρούσα μελέτη είναι η πρώτη που καταδεικνύει με σαφήνεια το οξειδωτικό στρες στον εγκέφαλο στο μοντέλο του αποφρακτικού ίκτερου και μάλιστα αρκετά πρώιμα. Χρησιμοποιεί μια συστοιχία βιοχημικών δεικτών που περιγράφουν την θειολική αναγωγική κατάσταση και την υπεροξείδωση των λιπιδίων και μελετά τις ευεργετικές επιδράσεις γνωστών αντιοξειδωτικών παραγόντων στον πειραματικό αποφρακτικό ίκτερο. Τα αποτελέσματά της θα μπορούσαν να προσφέρουν κάποια βοήθεια στην κατανόηση ορισμένων μηχανισμών της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας στους ανθρώπους. Μελλοντικές έρευνες θα απαντήσουν ερωτήματα σχετικά με τα γενεσιουργά αίτια του οξειδωτικού στρες, την ίδια την παρουσία των ελευθέρων ριζών και την παθοφυσιολογία του φαινομένου. / Hepatic encephalopathy is a complex neuropsychiatric syndrome that has been associated with acute and chronic liver diseases. Accumulated evidence over the last several years has implicated oxidative stress a key factor in the pathogenesis of hepatic encephalopathy. These studies utilize measurements of lipid peroxidation products and glutathione (GSH) and its oxidized disulfide GSSG. A model of experimental obstructive jaundice after ligation of the biliary duct has been used in the present study. Male Wistar rats were divided into control, sham operated and bile duct ligated groups that were sacrificed either on the 5th or the 10th day, or they have been treated with antioxidant agents (NAC, ALP, Vit-E). Subsequently, the thiol redox state of various areas (cortex, midbrain and cerebellum) of the rat brain and the effect of selected antioxidants were studied. For the first time specific markers of high oxidative stress (GSSG, NPSSR, NPSSC, PSSR, PSSC, PSSP, lipid peroxides) and low oxidative stress (GSH, CSH, PSH) were quantified providing a more detailed assessment of the phenomenon. Our results show increase in the first and decrease in the latter group of markers in all studied brain areas, therefore demonstrating high oxidative stress in the obstructive jaundice. The major impact of the present study is the demonstration of early signs of oxidative stress in the brain. Using this battery of biochemical markers, deviations from control and sham animals occurred as early as 5 days following bile duct ligation; by the 10th day the majority of these changes became statistically significant. It was also observed that GSH values in cerebral cortex were twice as high as those in midbrain and cerebellum and a dramatic increase in the levels of NPSSR on the 10th day after bile duct ligation in midbrain that was not observed in the other brain areas. These findings could be attributed to specificities of metabolic or biochemical status of neurons and astrocytes and alterations of blood-brain barrier permeability in different brain areas and probably should be taken into account in further studies, since, as we know, oxidative stress has been implicated in the pathogenesis of many human diseases like Parkinson’s , Alzheimer’s and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). It is of interest that basal ganglia and brainstem nuclei are, as well, the sites of selective damage in bilirubin encephalopathy in jaundiced neonates. Jaundiced rats were treated with agents that have frequently been used in vitro and in vivo for their antioxidant effects, in an effort to reverse the observed alterations in redox state. In the treated groups, there was no decrease in the total cell glutathione content unlike the bile duct ligated rats. There was also no significant difference in the levels of lipid peroxidation as compared with control and sham groups. The imbalance of protein thiols demonstrated by the decrease of PSH and the increase of PSSP was considerably reversed only in the NAC group. In all treated groups, no NPSSR increase was found suggesting that the antioxidant agents suppressed the accumulation of non-protein disulfides in the midbrain. In brief, this experimental study demonstrates the oxidative profile of the brain associated with obstructive jaundice at an early and later stage. A battery of biochemical markers that define the thiol redox state is utilized and the beneficial effects of known antioxidants are examined. The evidence presented supports the concept that oxidative stress is neither a uniform matter affecting brain in a general way nor that any antioxidant agent could prevent damage by enhancing equally well different defence system. It is also likely that oxidative stress is one of the important mechanisms of jaundice-induced encephalopathy. Further studies could provide with more evidence on the pathogenetic mechanisms and generative causes of the oxidative stress in obstructive jaundice.