Estrés oxidativo y enfermedad. Dra. Martha A. Sánchez Rodríguez Unidad de Investigación en Gerontología FES Zaragoza, UNAM

Transcripción

1 Estrés oxidativo y enfermedad Dra. Martha A. Sánchez Rodríguez Unidad de Investigación en Gerontología FES Zaragoza, UNAM

2 Estrés oxidativo Es el desequilibrio bioquímico propiciado por la producción excesiva de especies reactivas y radicales libres que generan daño oxidativo en las biomoléculas y que no puede ser contrarrestado por los sistemas antioxidantes. Denham Harman, 1982 Unidad de.inv. en Gerontología

3 Radicales libres Definición Especies químicas con un electrón no apareado, que pueden considerarse fragmentos de moléculas, siendo por lo general altamente reactivas. Unidad de.inv. en Gerontología

4 Fuentes endógenas Cadena respiratoria. Fagocitosis. Sistema citocromo P-450. Síntesis de prostaglandinas. Reacciones no enzimáticas de oxígeno.

5 Fuentes exógenas Radiaciones ionizantes. Rayos UV. Contaminación ambiental. Humo del cigarro. Alcohol. Hábitos alimenticios. Ejercicio en exceso. Insomnio. Estrés psicológico. Ocupación: lugares estresantes o en contacto con agentes oxidantes. Unidad de.inv. en Gerontología

6 Principales moléculas de daño Sustancias reactivas de oxígeno (ERO) Ión superóxido (O 2 ) Radical hidroxilo (OH ) Radical nitrilo (NO ) Peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) Oxígeno singulete ( 1 O 2 ) Oxidantes secundarios Radical peroxilo (ROO ) Radical tiol (RS ) Radical peroxinitrilo (ONOO )

7 Formación de ERO in vivo Cadena Respiratoria H 2 O CAT GPx Radiación O 2 O 2 SOD H 2 O 2 OH Fe 2+ libre ONOO H + OH + NO - 2 Arginina NO NOS NO 3 - O 2 ROO R RH Sohal, 1997

8 Oxidación de biomoléculas Lípidos. Proteínas Hidratos de carbono. ADN: Nuclear Mitocondrial Unidad Inv. en Gerontología,

9 Oxidación de lípidos La oxidación de los ácidos grasos poliinsaturados es conocida como lipoperoxidación. Es una reacción en cadena que comienza con la abstracción de un hidrógeno de un ácido graso, convirtiéndose en radical libre que abstrae el hidrógeno de otro ácido graso.

10 Oxidación de lípidos La lipoperoxidación se ha asociado con: Pérdida progresiva en la fluidez de la membrana. Reducción del potencial de membrana. Incremento en la permeabilidad de la membrana a iones. Muerte celular. Sun y cols., Free Radic Biol Med 2002; 32: Unidad de Inv. Gerontología

11 Oxidación de proteína e hidratos de carbono Hay entrecruzamiento entre ambos. Se inicia con una glicosilación de proteínas. Puede continuar formando agregados de proteínas glicosiladas llamados compuestos AGE (productos finales de glicosilación avanzada). Unidad Inv. en Gerontología,

12 Oxidación de proteínas e hidratos de carbono La modificación de los residuos de aminoácidos por radicales libres es la formación de funciones carbonilo en las proteínas. Los aminoácidos aromáticos, cisteína, enlaces disulfuro y peptídico, son afectados por la oxidación.

13 Efecto sobre el ADN Bruce N. Ames ha estimado que el ADN en cada célula humana se expone a impactos (hits) oxidativos, formando radicales hidroxilo por día.

14 Daño al ADN Se han observado los procesos: Oxidación. Metilación. Desaminación. Despurinación. Oxidación del azúcar (ruptura de hebras. ADN Base oxidada Hebra rota

15 Efecto mitocondrial Las mitocondrias son la fuente principal de radicales libres en el cuerpo, además el ADN mitocondrial es particularmente sensible al daño oxidativo. La velocidad de oxidación del ADN es mayor en la mitocondria que en el núcleo.

16 Daño mitocondrial NUTRIENTES Y OXIGENO MATRIZ Mitocondria sana en célula joven RADICAL LIBRE Relativamente poco ataque de radicales libres a la célula Abundante ATP poder de la actividad celular Mitocondria dañada en una célula vieja agotada Daño por radicales libres incrementado NUTRIENTES Y OXIGENO Membrana interna ADN Mitocondrial Complejo molecular MAQUINARIA PRODUCTORA DE ENERGIA ATP proporcionado contraído MASR

17 Daño celular

18 Defensa contra las ERO

19 Antioxidantes Definición Molécula que, cuando está presente a bajas concentraciones comparada con los substratos oxidables, previene o retarda la oxidación de las biomoléculas: lípidos, proteínas, hidratos de carbono y ADN. Halliwell y Gutteridge, 1995 Unidad de.inv. en Gerontología

20 Antioxidantes Sistemas antioxidantes del organismo Sistemas Antioxidantes Primarios Previene formación de radicales libres Secundarios Capturan radicales libres Terciarios Reparan biomoléculas SOD GPx CAT Vit E β Carotenos Enzimas reparadoras Alb Proteínas atrapadoras de metales Bilir Vit C Melatonina Ac. úrico Lípidos Proteínas ADN Estrógenos Autor: Martha Sánchez Rodríguez, 1997.

21 Mecanismos de acción Se base principalmente en la estructura de las moléculas. Cualquier molécula con dobles enlaces conjugados es potencialmente antioxidante. Rompimiento de las cadenas, con la formación de radicales peroxilo o alcohoxilo para prevenir la abstracción continuada del hidrógeno. Descomposición de peróxidos por conversión a productos no radicales como alcoholes. Unidad de.inv. en Gerontología

22 Equilibrio celular oxidativo con sistema antioxidante eficiente Célula SOD GPx O 2 H 2 O 2 H 2 O CAT Fe 2+ LPO Líquido extracelular AT + GAP ADNox OH OH LPO SOD/GPx + CAT Unidad Inv. en Gerontología,

23 Fuentes y respuesta celular a ERO Fuentes endógenas Mitocondria Peroxisomas NADPH oxidasa Defensas Antioxidantes SOD, GPx, CAT Vitaminas Fuentes exógenas Luz UV Radiaciones Ambiente ONOO - O 2 - RO Menos ERO H 2 O 2 NO 2 O 2 NO OH Más Defecto en la función fisiológica Homeostasis Defecto en la función fisiológica Defecto en el sistema de defensa Metabolismo y Crecimiento normal Envejecimiento Enfermedad Finkel y Holbrook. Nature2000; 408:

24 Estrés oxidativo y enfermedad

25 Estrés oxidativo y enfermedad En la mayoría de las enfermedades humanas el estrés oxidativo es un fenómeno secundario. Los neutrófilos activados producen O 2, H 2 O 2 y HClO para matar patógenos. El daño cerebral por trauma o hipoxia puede producir liberación de iones ferrosos que aceleran las reacciones de radicales libres. El daño oxidativo parece ser la principal contribución a muchas enfermedades degenerativas del envejecimiento.

26 Como el daño a los tejidos produce Calor Trauma Ultrasonido Infección Radiación Hiperoxia Toxinas Exceso de ejercicio Halliwell-Gutteridge-Cross, 1992 estrés oxidativo Daño Tisular Incremento de enzimas generadoras de radicales y/o sus sustratos. Activación de fagocitosis. Activación de fosfolipasas, cicloxigenasas y lipoxigenasas. Liberación de iones metálicos libres de sitios de secuestro. Liberación de hemoproteínas. Ruptura de la cadena transporte de electrones e incremento de la fuga de electrones para formar O 2 -.

27 Enfermedades relacionadas con radicales libres Ateroesclerosis Enf. Coronaria Infarto cerebral Miopatía cardiaca Diabetes mellitus Enfermedades neurodegenerativas Cataratas Artritis reumatoide y enf.. Inflamatorias Enfermedades pulmonares Cáncer Deficiencias nutricionales

28 Ateroesclerosis

29 Ateroesclerosis El colesterol es oxidado a una amplia variedad de productos en los sistemas de peroxidación lipídica, por lo tanto, las concentraciones elevadas de lípidos sanguíneos producen una elevada concentración de compuestos peroxidados, contribuyendo al daño endotelial y acelerando el proceso total de la aterogénesis.

30 Ateroesclerosis Comienza con la lipoperoxidación de los ácidos grasos poliinsaturados de los fosfolípidos de la superficie de las LDL. Este proceso se extiende a los lípidos internos. Se oxidan todos los componentes lipídicos, produciéndose una LDLacetilada.

31 Ateroesclerosis El principal promotor de la oxidación de LDL es el O 2, mediado por macrófagos y células de músculo liso. El O 2 puede seguir diferentes reacciones para producir otras especies reactivas. También puede formar ONOO al unirse con NO.

32 Ateroesclerosis Óxido nítrico n (NO( ) y peroxinitrilo (ONOO( ) O 2 + NO ONOO El NO está presente en el espacio subendotelial y es un vasodilatador natural. Parece tener un papel directo en la aterogénesis. El peroxinitrilo es capaz de oxidar lípidos y grupos sulfhidrilo (-SH). Los macrófagos activados y neutrófilos producen NO y O 2 a velocidades similares.

33 Ateroesclerosis Relación de las hipótesis sobre el proceso ateroesclerótico Daño endotelial Adherencia plaquetaria Liberación de factor de Crecimiento derivado de plaquetas Proliferación celular Otros factores de crecimiento Niveles de LDL plasmático Infiltración de LDL en la íntima LDL oxidada + macrófagos Célula espumosa Lesión avanzada Placa grasa Steinberg y cols. N Eng J Med 1989; 320:

34 Ateroesclerosis Esquema del proceso ateroesclerótico

35 Ateroesclerosis Proceso ateroesclerótico

36 Diabetes mellitus

37 Diabetes mellitus Glicatación y entrecruzamiento con proteínas Es un proceso mediado por estrés oxidativo. La glucosa es susceptible de auto-oxidación, catalizada por metales de transición, para formar cetoaldehídos. Amina + glucosa Base de Schiff Producto Amadori O Prot O N N Intermediarios reactivos y fragmentos Prot O AGE

38 Diabetes mellitus Se ha encontrado que los lipoperóxidos se incrementan tanto en DM 2 como DM 1. Se ha reportado que hay una modificación en la actividad de SOD, CAT y peroxidasas. También se ha demostrado que hay un incremento en la susceptibilidad a la lipoperoxidación tanto de LDL como de colesterol.

39 Diabetes mellitus Daño al ADN Existe controversia sobre el daño al ADN, pues se encuentran altos niveles de 8- hidroxi-2 desoxiguanosina, pero se dice que es porque hay una alta capacidad de reparación. Se encontraron altos niveles de hebras rotas y pirimidinas oxidadas del ADN en linfocitos de sujetos con DM 1.

40 Diabetes mellitus Complicaciones diabéticas Hay una alta correlación entre el incremento de lipoperóxidos y disminución de antioxidantes totales en las complicaciones diabéticas: microangiopatía, neuropatía sensorial, susceptibilidad a infecciones, retinopatía, nefropatía y complicaciones macrovasculares. También se han implicado a los AGEs en estas complicaciones.

41 Enfermedades neurodegenerativas

42 Enfermedades neurodegenerativas El SNC es el que consume más oxígeno de todo el organismo. El cerebro genera más radicales de oxígeno por gramo de tejido que cualquier órgano. Hay niveles relativamente bajos de antioxidantes y actividad enzimática de protección disminuida. Hay reacciones generadoras de metabolitos de oxígeno por varias vías neuroquímicas.

43 Enfermedades neurodegenerativas Hay abundancia de catecolaminas oxidables y ácidos grasos poli-insaturados en las membranas. Las células neuronales que no se reproducen permanecen viables, pero disfuncionales. El complejo de la red neuronal del SNC es fácilmente interrumpido.

44 Enfermedades neurodegenerativas Enfermedad de Alzheimer. Síndrome de Down. Daño por isquemia/reperfusión. Esclerosis múltiple. Enfermedad de Parkinson.

45 Enfermedades neurodegenerativas Papel del hierro La substancia nigra y el globus pallidus son ricos en hierro, ya que es esencial para una correcta comunicación de algunos neurotransmisores. El hierro incrementado favorece la lipoperoxidación en esas áreas. Se ha demostrado hierro incrementado en el 15-20% de los pacientes con Alzheimer. Parece que sólo es una parte de una cascada que incrementa la velocidad de muerte neuronal.

46 Enfermedades neurodegenerativas Enfermedad de Alzheimer El estrés oxidativo incrementa la producción de proteína β-amiloide, y ésta aumenta el estrés oxidativo. La proteína β-amiloide estimula la producción de NO en astrocitos. El NO forma nitrotirosina.

47 Síndrome de Down y estrés oxidativo El cromosoma 21 codifica para Cu/Zn-SOD, por lo que tienen una expresión de actividad de SOD incrementada. Puede ser dañino? El constante flujo de O - 2 disminuido por la SOD, incrementa los niveles de H 2 O 2 con incremento de OH. Se propone que estas enzimas no son protectoras, sino reguladoras, por lo tanto, la sobreactividad de SOD es una anormalidad metabólica con sobreproducción de H 2 O 2.

48 Mecanismos de generación de ERO en Isquemia/reperfusión I S Q U E M I A ATP AMP Harrison R. Free Rad Biol Med 2002; 33: Adenosina Xantina Inosina Hipoxantina deshidrogenasa Proteasa Ca 2+ Xantina Xantina oxidasa Ácido úrico + O - 2 SOD H 2 O 2 Cat H 2 O O 2 Alopurinol Reperfusión (reoxigenación) Fe 2+ OH + OH - + O 2

49 Artritis reumatoide

50 Artritis reumatoide La presencia de anticuerpos contra un constituyente normal del organismo y la reacción antígeno-anticuerpo (Ag-Ac) desencadena una importante activación leucocitaria y producción masiva de radicales libres.

51 Artritis reumatoide La producción catalizada de hierro y OH son los responsables de la degradación del ácido hialurónico en el líq. sinovial reumatoide. Incremento de 3-8 veces los niveles de ferritina, el O 2 favorece la liberación del hierro de la ferritina. La xantina oxidasa en el tejido isquémico y en la inflamación incrementan la producción de O 2.

52 Artritis reumatoide Evidencias consistentes con el incremento de estrés oxidativo: Depleción de ascorbato en suero y líquido sinovial. Incremento en la exhalación de pentano. Incremento en la concentración de productos de oxidación de ácido úrico. Degradación de ácido hialurónico por mecanismo de radicales libres.

53 Cáncer

54 Cáncer El ADN es atacado por diferentes especies de radicales libres: OH, H 2 O 2 y O 2. Los oxidantes promueven la transformación de las células. Los promotores de tumores deprimen las defensas celulares antioxidantes (SOD y CAT).

55 Cáncer Los radicales libres pueden ser a la vez causa, consecuencia y terapéutica. Fridovich ha llamado al OH el más pequeño de los carcinógenos. Las células tumorales producen radicales ya que los sistemas antioxidantes se modifican en el transcurso de la carcinogénesis.

56 Cáncer La inflamación crónica es un factor de riesgo para el cáncer. Los oxidantes producidos por la respuesta inflamatoria inducen mutagénesis y mitogénesis. Los antioxidantes disminuyen de manera importante este estímulo.

57 Cáncer Numerosos medicamentos anticancerosos (adriamicina, bleomicina, mitomicina C, etc.) producen radicales libres en el curso de los ciclos de oxidación-reducción que desarrollan en el retículo endoplásmico, en las mitocondrias o en el núcleo. Las radiaciones de alta energía inducen un efecto en la radiolisis de agua en los tejidos expuestos con producción de flujo de O 2.

58 Cáncer La oxidación del ADN produce aprox. 30 productos de entrecruzamiento inter- e intrahebra. El daño al ADN causado por radicales libres y lipoperóxidos se atribuye a: Acción de radicales libres producidos por la descomposición de lípidos peroxidados. Hidroperóxidos lipídicos. Derivados carbonilados. A través de segundos mensajeros. La 8-hidroxiguanosina produce una reacción mutagénica.