3. FACTORES QUE RELACIONAN EL ESTRÉS OXIDATIVO CON LA LONGEVIDAD MÁXIMA
3.2. MACROMOLÉCULAS RESISTENTES AL DAÑO OXIDATIVO
Además de caracterizarse por su baja generación mitocondrial de ROS, las especies longevas muestran una composición específica de macromoléculas en sus tejidos que les confiere mayor resistencia a la modificación oxidativa, lo que podría estar contribuyendo a su mayor longevidad. Esto se logra: a) en el caso de los lípidos, disminuyendo la insaturación de los ácidos grasos de las membranas celulares y b) respecto a las proteínas, disminuyendo su contenido en aminoácidos sulfurados (metionina/cisteína) (Figuras 10 y 11) (Pamplona y Barja, 2007).
3.2.1. Grado de insaturación de los ácidos grasos
Además de caracterizarse por poseer una baja producción mitocondrial de ROS, las especies longevas (aves, mamíferos e incluso humanos) tienen una composición de lípidos de membrana en los principales órganos vitales que les dotan de una alta resistencia a la modificación oxidativa. Sus membranas celulares y mitocondriales presentan un menor grado de insaturación de los ácidos grasos (menor índice de dobles enlaces, DBI: Double Bond Index, y menor índice de peroxidizabilidad, PI:
Peroxidizability Index, este último calculado en base a las tasas relativas de
peroxidación de los diferentes ácidos grasos que componen la membrana) que las especies de vida corta (Pamplona et al., 2002c; Sanz et al., 2006a; Hulbert et al., 2007) (Figura 11). Esto no se consigue a través de la reducción en la cantidad total de los PUFAs, Polyunsaturated fatty acids (Ácidos grasos poliinsaturados) presentes en la membrana, sino a través de una redistribución de los ácidos grasos insaturados (Pamplona et al., 2002c). Así, los ácidos grasos insaturados 20:4n-6 (ácido araquidónico) y especialmente el ácido 22:6n-3 (ácido docosahexaenoico) son sustituidos en las especies longevas por sus precursores 18:2n-6 (ácido linoleico) y 18:3n-3 (ácido linolénico), lo que hace que sus membranas sean mucho más resistentes a la peroxidación lipídica y que también disminuya la lipoxidación de proteínas tisulares (Pamplona et al., 1996, 1999a,b; 2002c; Hulbert et al., 2007).
48
La variación de longevidad entre individuos de una misma especie también se asocia con diferencias en la composición de la membrana. Cabe destacar los siguientes ejemplos: a) En ratón, dos cepas derivadas del genotipo silvestre tienen una longevidad mayor que otra cepa de ratón genéticamente heterogéneo y de laboratorio (Miller et al., 2002a). La composición de los ácidos grasos de sus membranas difiere en estas tres cepas, estando su PI relacionado con el grado de extensión de longevidad. Dado que las tres cepas de ratones fueron alimentadas con la misma dieta, se pone de manifiesto que las diferencias en la composición de membrana no se determinan por diferencias en la dieta sino que están genéticamente controladas (Hulbert et al., 2006); b) En insectos sociales, como las abejas (Apis mellifera), los ejemplares femeninos pueden llegar a ser “reinas” y vivir durante años u “obreras” cuya longevidad es de semanas (Winston, 1991), lo que depende del tipo de alimento que reciben. Mientras que las obreras comienzan su vida en la colmena alimentándose de polen, las reinas lo hacen de secreciones de jalea real. Esto es interesante porque el polen tiene un alto contenido en PUFAs y las jóvenes abejas obreras tras una semana alimentándose de este polen, incrementan dramáticamente los niveles de estos ácidos grasos en sus membranas celulares, lo que sugiere que la composición lipídica podría explicar las diferencias en la longevidad de ambos tipos de ejemplares de abejas (Haddad et al., 2007); c) En humanos, la composición de ácidos grasos de las membranas eritrocitarias de la descendencia de individuos nonagenarios difiere significativamente de sus controles, siendo menor el PI en la descendencia de los humanos longevos (Puca et al., 2008).
Otros casos en los que existe una relación entre la composición de membrana y la longevidad es el de especies como la rata topo desnuda H. glaber y el bivalvo Arctica
islándica con longevidades extremas. En el primer caso, con una longevidad de 28
años, la rata topo desnuda muestra, con respecto al ratón, niveles similares de PUFAs pero cantidades muy bajas del ácido graso 22:6n-3, lo que se traduce en un menor PI y en membranas más resistentes a la peroxidación lipídica (Hulbert et al., 2006). En el segundo caso el bivalvo A. islándica con una longevidad datada en 507 años muestra también menor PI que el de otros moluscos bivalvos relacionados y, por lo tanto, una membrana más resistente a la peroxidación lipídica (Munro y Blier, 2012).
49 ¿Cuáles son los mecanismos responsables de las diferencias en el perfil lipídico que se relacionan con la longevidad? En principio, podrían ser la vía de desaturación de los ácidos grasos y el ciclo de deacilación-reacilación, responsables de la composición de los ácidos grasos de las membranas celulares. Los PUFAs son generalmente sintetizados por la modificación de sus precursores, ácidos grasos saturados, mediante la inserción de dobles enlaces por la acción de las enzimas desaturasas y la elongación mediante incrementos de dos carbonos por la acción de las enzimas elongasas (Nakamura et al., 2004). Las especies longevas presentan menor actividad de las enzimas desaturasas delta-5 y delta-6 que las especies de vida corta (Pamplona et al., 2002c), lo que podría explicar los bajos niveles de los ácidos grasos altamente insaturados: 22:6n-3 y 20:4n-6 y altos de sus precursores (18:2n-6 y 18:3n- 3) y, además, el ciclo de deacilación-reacilación también podría tener un papel importante en la regulación de su composición lipídica, dado que es el responsable de la introducción de ácidos grasos poliinsaturados en los fosfolípidos de membrana (Portero-Otin et al., 2001).
Modificar el grado de insaturación de las membranas celulares mediante intervenciones dietéticas es complicado aunque puede conseguirse utilizando dietas con distinto contenido en ácidos grasos saturados o insaturados (Sato et al., 1998; Pamplona et al., 2004). Sin embargo, aunque utilizar dietas especialmente diseñadas con alto contenido en ácidos grasos saturados puede disminuir la insaturación de las membranas celulares en la rata, esta manipulación también produce cambios no saludables en el perfil lipídico en plasma como por ejemplo el incremento en los niveles de colesterol (Pamplona et al., 2004).
En resumen, los animales con una longevidad elevada muestran un bajo grado de insaturación de los ácidos grasos de membrana basado en la redistribución entre los distintos tipos de PUFAs sin alterar el contenido total (%) de éstos, la longitud media de cadena y la distribución de los fosfolípidos. Esto podría ser considerado como una estrategia evolutiva porque disminuiría la sensibilidad frente al daño oxidativo, tanto de manera directa (peroxidación lipídica) como indirecta (lipoxidación) sin alterar la fluidez y la microviscosidad de la membrana, fundamental para el funcionamiento correcto de receptores, bombas iónicas y transporte de metabolitos. Esto ocurriría
50
porque la fluidez de la membrana se incrementa de forma drástica con la introducción del primer y segundo doble enlace, mientras que los dobles enlaces adicionales causarían menor impacto en las variaciones de la fluidez (Brenner, 1984). Así, sustituir ácidos grasos con cuatro o seis dobles enlaces por aquellos que tienen dos (o algunas veces tres), disminuye la sensibilidad a la peroxidación lipídica y mantiene la fluidez de la membrana. Este fenómeno se ha denominado adaptación homeoviscosa a la longevidad de los homeotermos (Pamplona et al., 2002c). De acuerdo con esta interpretación, un estudio llevado a cabo por el profesor Jobson mostró que genes implicados en la composición lipídica (y particularmente en el sistema de desaturación) han sufrido la presión selectiva y la membrana celular ha sido una característica optimizada durante la evolución (Jobson et al., 2010).
3.2.2. Contenido en metionina o cisteína de las proteínas
Los estudios de Biología Comparada también sugieren que la metionina o la cisteína podrían estar relacionados con el envejecimiento. Muchos aminoácidos presentes en la secuencia proteica de las proteínas celulares pueden ser modificados por los radicales libres. Sin embargo, los residuos de aminoácidos sulfurados son particularmente susceptibles a la oxidación y la sensibilidad de las proteínas al estrés oxidativo se incrementa en función del número de estos residuos de metionina o cisteína (Stadtman et al., 2003; Stadtman et al., 2005). Tras estudiar la composición de aminoácidos en el músculo (Portero-Otin et al., 2004) y el corazón (Ruiz et al., 2005) de diferentes especies de mamíferos y aves, se encontró una fuerte correlación negativa entre el contenido en metionina en las proteínas y la longevidad máxima (Figuras 10 y 11). Llama la atención que en estos análisis la metionina fue el único aminoácido de las proteínas cardiacas que varió en función de la longevidad de las especies consideradas, aunque también cabe destacar que la técnica usada en el estudio no permitió determinar el contenido en cisteína.
Otros estudios han llevado a cabo análisis genómicos basándose en herramientas bioinformáticas. Así, se ha demostrado que las proteínas codificadas en el ADN mitocondrial en mamíferos de vida corta están enriquecidas con residuos de metionina cuando se comparan con las especies longevas (Aledo et al., 2011; Aledo et al., 2012). Los autores señalaron que sería la adición de residuos de metionina a las proteínas en
51 las especies de vida corta, más que la pérdida de los residuos de este aminoácido en las proteínas de animales longevos lo que estaría provocando esta diferencia y proponen que es el “uso” de la metionina más que su contenido el factor relacionado con la longevidad.
Sin embargo, otros autores han sugerido que el aminoácido relevante para la adaptación a la longevidad sería la cisteína en vez de la metionina (Moosmann y Behl, 2008). Sus análisis (248 especies incluidas en el meta-examen de las secuencias genómicas) han revelado que la frecuencia con la que la cisteína es codificada por el ADN mitocondrial podría considerarse un indicador de la longevidad, de tal forma que las especies longevas sintetizarían complejos de la cadena respiratoria empobrecidos en cisteína, lo que les protegería del daño oxidativo.
En resumen, estos datos sugieren que son necesarias más investigaciones en diferentes tejidos para clarificar si las especies longevas disminuyen la presencia de metionina y cisteína en sus proteínas para minimizar su susceptibilidad al daño oxidativo.