CAPÍTULO I: Complejos de coordinación de sartanes con cobre(II)
1.1.2. Radicales libres y daño oxidativo
1.1.2.3. Química y bioquímica de los principales ROS y RNS
El fenómeno de la toxicidad del oxígeno, referido como la paradoja de la aerobiosis, es inherente a su estructura atómica. El oxígeno molecular es un
birradical que genera agua tras la adición secuencial de cuatro electrones y
cuatro protones en la cadena de transporte electrónico mitocondrial. En este proceso, en el que se produce gran cantidad de energía en forma de ATP, pueden también generarse moléculas parcialmente reducidas con uno, dos y
tres electrones. Todas estas formas de ROS (Fig. 8) causan lesiones
oxidativas a las macromoléculas celulares (lípidos, proteínas y ADN). Las lesiones se manifiestan como peroxidación de los lípidos insaturados de las membranas, modificaciones en el ADN (alteración de bases, roturas de las cadenas, intercambios entre las cromátidas hermanas, etc.), cruzamientos entre las proteínas y el ADN, carbonilación proteica y pérdida de los grupos - SH de las proteínas, etc.
O2 O2-. H2O2 OH. H2O e- 1O 2 e- + 2H+ e- + H+ H 2O e - + H+ Oxígeno
singlete Oxígeno superóxidoRadical Peróxido de hidrógeno Radical hidroxilo Agua
Figura 8. Esquema general de la producción de especies reactivas del oxígeno (ROS)
Debido a su importancia biológica, algunas de estas ROS, como el radical superóxido, el radical hidroxilo, peróxido de hidrógeno, y los radicales orgánicos, en conjunto con la RNS más abundante, el óxido nítrico, se detallan a continuación:
• Radical superóxido (O2•–): Este radical es producido en el cuerpo
durante la respiración aeróbica, a través de reacciones enzimáticas (xantinaoxidasa, la citocromo P-450, NADPH-oxidasa) o no enzimáticas (metabolismo de ciertas drogas, etc.)
O2 e O2.- -
Por sí mismo no es tan reactivo sobre biomoléculas como proteínas, polipéptidos o ADN (ácido desoxirribonucleico) pero puede ayudar en la
generación de otros radicales como radical OH•y peroxinitrito (Fig. 7). Dentro
de los mecanismos biológicos para eliminar este radical, el de mayor importancia es el que intervienen las enzimas superóxido dismutasas (SOD), catalizando la siguiente reacción y aumentando su velocidad aproximadamente cuatro órdenes de magnitud en sistemas biológicos:
2H+
2 O2.-
+
SOD H2O2+
O2• Peróxido de hidrógeno: Puede generarse por dismutación del superóxido, tanto espontáneamente, como por acción de la SOD (mencionado
anteriormente). El H2O2 puede generarse también por la reducción enzimática
del oxígeno, según la siguiente reacción: 2H+
O2
+
2e-+
H2O2Para eliminar este producto tóxico, existen dos enzimas fundamentales, que suelen trabajar en conjunto con las SOD que son la catalasa y la glutatión
peroxidasa que catalizan la descomposición del H2O2 en agua y otros
productos, según:
O2 2H2O2 catalasa 2 H2O
+
H2O2 2 H2O
+
G. peroxidasa+
2 Glutatión Glutatión disulfuro
• Radical hidroxilo: Es un radical ampliamente reactivo, es considerado la especie más oxidante y tiene una vida media de menos de 1 ns en solución
acuosa. Así, in vivo, reacciona cerca de su sitio de formación y puede afectar
ácidos nucleicos, proteínas, lípidos, principalmente uniéndose a los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados. La producción de este radical cerca
del ADN podría conducir al mismo a reaccionar con las bases del ácido nucleico o con el esqueleto de desoxirribosa produciendo daño en las bases o rotura de las cadenas71.
El radical hidroxilo puede formarse mediante varias reacciones. Entre ellas, descomposición del agua por radiación ionizante para generar átomos de
hidrógeno y OH•, la descomposición fotolítica de alquil hidroperóxidos, y la
reacción de Haber-Weiss, catalizada por metales, que genera radicales OH• a
partir de H2O2 y O2•-. En el primer paso de la reacción se produce la reducción
de un metal, típicamente hierro y la oxidación del superóxido a oxígeno molecular.
M(n+)
+
O2.-
M(n-1)+
O2Y en un segundo paso ocurre una reacción de Fenton:
M(n-1)
+
H2O2 OH.+
OH-+
M(n+)La reacción global que ocurre es: H2O2
+
OH.+
OH-+
O2
.-
O2• Radicales orgánicos: (R•, RO•, ROO•): Son especies de alta energía
con un potencial de reducción en el rango de +0,77 a 1,44 V. Los ROO•
participan en el clivaje del ADN y en la modificación de esqueletos proteicos,
también actúan sinérgicamente con el radical superóxido para dañar al ADN71.
La química de este tipo de moléculas depende de la naturaleza del grupo R, del medio ambiente local, de la concentración de oxígeno y otros reactivos. Se producen cuando las ROS atacan a moléculas orgánicas, particularmente lípidos insaturados, generando especies reactivas de estas moléculas que a su vez dañan a moléculas vecinas produciendo una reacción en cadena como la que se describe a continuación:
R-H R. ROO. ROOH RO.
OH. H2O O2 RH R
.
Fe+2 Fe+3 + OH-
• Óxido nítrico (NO•): es un radical reactivo muy abundante que actúa en una variedad de procesos biológicos, entre los cuales se encuentran: neurotransmisión, regulación de la presión sanguínea, mecanismos de
defensa, relajación del músculo liso (sección 1.1.1.4) y regulación inmune. A
nivel del sistema nervioso, la molécula gaseosa actúa como mensajero
sintetizándose en cuestión de segundos y difundiendo rápidamente a las neuronas adyacentes. Sin embargo, a través de su combinación con el radical
superóxido para dar peroxinitrito (Fig. 7), ejerce daño tisular74. La
sobreproducción de especies reactivas de nitrógeno es conocido como “estrés nitrosativo” y ocurre cuando la generación de estas especies en un sistema excede la habilidad del mismo de neutralizarlos y eliminarlos. El estrés nitrosativo puede conducir a reacciones de nitrosilación las cuales pueden llevar a la alteración de la estructura de las proteínas e inhibir su normal funcionamiento.
El NO• es generado en los tejidos por óxido nítrico sintasas específicas
(NOSs), que metabolizan arginina a citrulina (Fig. 6) vía reacción oxidativa de
cinco electrones75. Este radical tiene una vida media de unos pocos segundos
en ambientes acuosos. Está bien establecido que la diferencia entre los efectos protectores y deletéreos del mismo está determinada por la concentración, tiempo de exposición y tipo celular76.