DAÑO OXIDATIVO Y RESPUESTA ANTIOXIDATE
OXÍGENO Y ESPECIES REACTIVAS
El aire del planeta Tierra esta conformado por un 20.946% de oxígeno, este elemento es indispensable para la mayoría de organismos en el planeta. El espectro de toleracia al oxígeno, permite la clasificación de los organismos vivos como aerobios estrictos o anaerobios; algunos organismos mueren al exponerse a pequeñas concentraciones de oxígeno, mientras que para otros, el oxígeno inhibe su crecimiento pero no los mata. Algunos se clasifican como nanoaerobios (tolerantes a niveles de oxígeo 10-9M), anaerobios moderados (pueden crecer en atmósferas que
poseen alrededor del 10% de oxígeno), o microaerofilos (requieren oxígeno para su crecimiento pero no toleran el 21% de la atmosfera).
Aún para los organismos aerobios estrictos (plantas, animales, bacterias), los niveles por encima del 21% de oxígeno son tóxicos. El nivel del daño depende de la concentración expuesta de oxígeno, el tiempo de exposición y la especie que recibe la exposición. La toxicidad al oxígeno para animales ocurre de forma constante y contribuye al desarrollo de ciertas enfermedades y evejecimiento.
El daño que produce el oxígeno, por ejemplo, en organismos anaerobios, se debe mas que todo a la oxidación de componentes celulares. Estas oxidaciones producen la reducción del oxígeno a formas de radical u otras especies reactivas de oxígeno (ROS). Un radical es un compuesto que contiene un electrón desapareado, generalmente en un orbital exterior. Un radical libre es una especie radical que además es capaz de existir de forma independiente.
Los compuestos de la dieta capacez de producir energía, lo hacen a través de reacciones de oxidación (glucolisis, beta oxidación, ciclo de Krebs, etc.), conforme transcurren estas rutas metabólicas, las moléculas van perdiendo electrones que son captados por los acarreadores de electrones (NADH, FADH2, etc.), los cuales son re-oxidados en la mitocondria por los complejos de
la cadena de transporte de electrones, en donde el oxígeno es el aceptor final de electrones en el complejo citocromo oxidasa (complejo IV). El complejo IV re-oxida el grupo hemo-Fe2+ del
citrocromo C, transfiriendo cuatro electrones al oxígeno, produciendo la siguiente reacción:
𝑂"+ 4𝐻&+ 4 𝑒) ⟶ 2𝐻 "𝑂
Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Sin embargo, entre el 3-5% del oxígeno que consumimos se convierte en radicales libres de oxígeno, dado que es imposible transferir al mismo tiempo cuatro electrones al oxígeno (recuerde que cada citocromo C es capaz de transportar únicamente un electrón), y es por ello que los centros de reacción del complejo (CuA , Cub , hemo a, hemo a3), juegan un papel importante para evitar la formación de ROS.
Las ROS son radicales de oxígeno muy reactivos, o compuestos que se convierten fácilmente en la célula en estos radicales reactivos. La figura 1, muestra algunos ejemplos de formación de ROS.
Además de las especies reactivas de oxígeno (ROS), se pueden formar de otros tipos, por ejemplo especies reactivas de nitrógeno (RNS), con halógenos (HOCl), de nitrógeno-oxígeno (RNOS) o radicales orgánicos (R•), algunos de estos se resumen en la tabla 1.
Tabla 1. ESPECIES REACTIVAS DE OXÍGENO (ROS) Y DE NITRÓGENO (RNS)
Radicales No radicales
Superóxido Peróxido de hidrógeno Hidroperoxil Hidroperóxido alkil Peroxil Singlete de oxígeno
Alcoxil Ozono
Hidroxil Ácido hipocloroso Oxido nítrico Peroxinitrito Dioxido de nitrógeno
DAÑO OXIDATIVO
Algunos radicales libres se encuentran en el ambiente, contaminantes en el aire y producidos por la radiación UV, otros se producen de forma natural como producto accidental de reacción. Se pueden producir de forma enzimática o no enzimática. Las reacciones no enzimáticas más frecuentes son las descritas a continuación:
Reacción de Haber-Weiss: se produce de manera no enzimática, radical hidroxilo (• 𝑂𝐻 ) a
partir del radical superóxido (𝑂")).
𝑂")+ 𝐻
"𝑂" ⟶ 𝑂"+ 𝐻"𝑂 + • 𝑂𝐻
Reacción de Fenton: Se produce en entornos ricos en hierro (por ejemplo la mitocondria),
y consiste en la conversión no enzimática de radical hidroxilo a partir de peróxido de hidrógeno, con una oxidación del hierro. A diferencia de la reacción de Haber-Weiss, la reacción de Fenton, tiene un ion hidroxilo (𝑂𝐻)) entre sus productos y no utiliza al radical superóxido como sustrato.
𝐻"𝑂"
,-./ ⟶ ,-0/
1⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯3 𝑂𝐻)+ • 𝑂𝐻
Radiación ionizante (como la luz UV). La radiación ionizante puede romper moléculas de
agua (y otras), convirtiéndolas en radicales.
𝐻"𝑂 ⟶ • 𝑂𝐻 + 𝐻•
Los ROS pueden también ser producidos por reacciones enzimáticas, estas reacciones usualmente son catalizadas por enzimas de las familias: oxidasas, oxigenasas, peroxidasas, sintasas, etc..
El mejor ejemplo de lo anterior, es la serie de reacciones que ocurren durante el estallido
respiratorio. En respuesta a la presencia de agentes infecciosos y otros estímulos, las células
El primer paso para la producción de especies reactivas de oxígeno durante el estallido respiratorio, consiste en la la formación del radical superóxido (O2-), la reacción ocurre por acción
de la NADPH oxidasa, en donde el NADPH es el donador de electrones para la creación del radical. El superóxido formado se convierte luego a peróxido de hidrógeno (H2O2), por acción del enzima
superóxido dismutasa (SOD). Las células fagocíticas se caracterizan por poseer gránulos que contienen el enzima mieloperoxidasa, esta enzima puede convertir el H2O2 en HOCl y otros
haluros; el H2O2 también puede generar radical hidroxilo por la reacción de Fenton. Paralelo a
todo lo anterior, la óxido nítrico sintasa puede activarse y generar NO, el cual se puede combinar con el superóxido para formar peroxinitrito, el cual puede generar RNOS adicionales. El resultado es un ataque a las membranas y otros componentes de las células fagocitadas, y su lisis final.
En numerosas enfermedades, la liberación de radicales libres durante una inflamación contribuye al daño causado a los tejidos circundantes, y por lo tanto se puede incrementar el área y la extensión del daño. Existen varias enfermedades asociadas con el daño de los radicales libres, algunos ejemplos de ellas son Alzheimer, esclerosis múltiple, Parkinson, aterogénesis, distrofia muscular tipo Duchene, diabetes, entre otras.
Los radicales libres, generan daño a nivel celular principalmente mediante acciones en cadena, en las cuales un radical se estabiliza creando un segundo radical, y así sucesivamente hasta terminar formando radicales orgánicos, que no son más que proteínas, azúcares, ADN o lípidos en formas radicales, estas son formas muy inestables que no ejercen adecuadamente su función. El proceso de peroxidación lipídica es considerado una de la principales causas de daño y muerte celular, por ejemplo, la peroxidación de la membrana plasmática puede afectar su permeabilidad, este tipo de procesos se relaciona al aparecimiento de algunas de las condiciones patológicas antes mencionadas.
RESPUESTA ANTIOXIDANTE
Todas las formas de vida aeróbicas tienen mecanismos de respuesta contra las ROS (incluso también algunas formas de anaerobios estrictos). Los mecanismos de respuesta antioxidante de los organismos vivos puede clasificarse en cuatro: 1) respuesta primaria (enzimática o no enzimática), 2) defensa auxiliar (reciclaje o sintesis de sustratos para enzimas antioxidantes), 3) proteínas/enzimas con complejos metálicos (ej. ferritina, transferrina, ceruloplasmina), y 4) sistemas de reparación para moléculas dañadas por ROS.
La principal linea enzimática de defensa, esta contituída por las siguientes tres enzimas:
Superóxido dismutasa (SOD): convierte superóxido en peróxido de hidrógeno y oxígeno.
2𝑂")+ 2𝐻&4561⎯3 𝑂
"+ 𝐻"𝑂"
Catalasa: reduce peróxido de hidrógeno a agua, evita la formación no enzimática del radical
hidroxilo (protege a la célula del propio estallido respiratorio).
2𝐻"𝑂"7898:8;81⎯⎯⎯⎯⎯3 2𝐻"𝑂 + 𝑂"
Glutatión peroxidasa: esta enzima posee dos grupos sulfidrilo en un estado reducido (-SH),
estos grupos son los que funcionan en la reacción como donadores de electrones para convertir el peróxido de hidrógeno a moléculas de agua. Al finalizar la reacción los grupos sulfidrilos quedan en su forma oxidada formando un puente disulfuro (S-S).
𝐻"𝑂"
<:=989>ó@ A-BCD>E8;8 1⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯3 2𝐻"𝑂
Para que la reacción continue, es necesario regenerar los grupos tioles y para ello se requiere de una segunda reacción catalizada por la glutatión reductasa:
𝐺𝑙𝑢𝑡𝑎𝑡𝑖ó𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑠𝑎 (𝑜𝑥𝑑. 𝑆 − 𝑆) + 𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻
<:=989>ó@ B-E=\98;8
1⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯3 𝐺𝑙𝑢𝑡𝑎𝑡𝑖ó𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑠𝑎 (𝑟𝑒𝑑. −𝑆𝐻) + 𝑁𝐴𝐷𝑃&
La glutatión reductasa tiene FAD+ como grupo prostético, este grupo prostético se reduce
utilizando NADPH como donador de electrones y luego reduce el puente disulfuro de la glutatión peroxidasa, regenerando así los grupos sulfidrilo.
Adicional a la línea de defensa antioxidante enzimática, existen otros tipos de antioxidantes no
enzimáticos, estos se pueden clasificar como exógenos (si son consumidos en la dieta) y
Antioxidantes endógenos: algunos ejemplos de esta linea de defensa son el ácido úrico que permite originar una serie de productos de oxidación que serán posteriormente excretados, y la melatonina, que neutraliza radicales libres o genera productos de adición (transformaciones suicidas).
Antioxidantes exógenos: como ejemplos de este tipo de antioxidantes se pueden mencionar la
vitamina E, esta vitamina está formada por diferentes compuestos, el mas activo de estos es el alfa-tocoferol, que esta presente en altas concentraciones en membranas celulares, su función es prevenir la propagación de la peroxidación lipídica. La vitamina E, al estabilizar al radical libre, se convierte en un radical libre (por ser liposoluble, menos dañino), esta forma radical de la vitamina E puede ser “reciclada” por la vitamina C, la vitamina C puede donarle electrones a la vitamina E para estabilizarla, al ser la vitamina C una molécula soluble, puede ser filtrada diariamente en el riñón y ser excretada por la orina. Por tal razón se dice que, la función de la vitamina C es eliminar los radicales libre. Los cartoneoides (como zeaxantina y luteína), taninos y flavonoides, tienen capacidad antioxidante inhibiendo enzimas de la producción del anión superóxido, quelando metales, donando electrones o acomplejandose al radical.
Los compuestos fenólicos son ubicuos en plantas, abundantes en frutas, vegetales, semillas, corteza de árboles, café, vino y té. Algunos son metabolitos secundarios o con diferentes funciones en el organismo que los produce (por ejemplo acción antimicrobiana o antiviral o produciendo colores atractivos para aves y abejas en el caso de los flavonoides).
ESTRÉS OXIDATIVO
CUESTIONARIO
1. Investigue en términos químicos la diferencia entre ruptura homolítica y ruptura heterolítica.
2. Describa el mecanismo de reacción de las enzimas oxidasas y oxigenasas, describa el mecanismo de acción del citocromo P450.
3. A parte de las enfermedades mencionadas en este documento, investigue enfermedades asociadas a estrés oxidativo.
4. Realice un esquema de las reacciones que ocurren durante el estallido respiratorio.
5. Se sabe que el ejercicio aumenta la demanda de oxígeno (y por lo tanto aumentará la producción de radicales libres), explique porque a pesar de lo anterior, el ejercicio permite prevenir el envejecimiento prematuro.
REFERENCIAS
Halliwell, B. & Gutteridge, J.M. (2015). Free radicals in biology & medicine (5th Ed). United
Kingdom: Oxford University Press.
Hermes-Lima, M. (2005). Oxigen in biology and biochemistry: role of free radicals. In K. B. Storey
(Ed.), Functional metabolism (pp 319-368). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.