Fundación H.A. Barceló Facultad de Medicina. Licenciatura en Nutrición Bioquímica Primer año Módulo13 Lección 3

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1 Fundación H.A. Barceló Facultad de Medicina Licenciatura en Nutrición Bioquímica Primer año Módulo13 Lección 3 1

2 Radicales libres y toxicidad del oxígeno Los radicales libres son especies químicas que tienen un electrón desapareado, que las habilita como fragmentos moleculares muy reactivos. La producción controlada de radicales libres permite la realización de varios procesos fisiológicos, incluyendo la fertilización del óvulo por el espermatozoide y la activación de genes, también participan en los mecanismos de defensa del organismo durante una infección. Sin embargo, un exceso de estas especies reactivas en ausencia o disminución de la actividad d los sistemas antioxidantes que las regulan, puede llevar a una condición metabólica denominada estrés oxidante que propicia desde el daño molecular hasta la muerte celular. 1. Radicales libres Podemos definir: - Radical: Molécula o átomo con un electrón único desapareado. - Radical libre: Radical capaz de tener una existencia independiente y estable. Los radicales libres son muy reactivos, reaccionan con glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Los radicales libres se pueden formar por dos mecanismos: 1. Rompimiento homolítico de un enlace covalente de una molécula estable, en el que cada fragmento retiene un electrón no apareado: X:Y X + Y 2. Transferencia de electrones, en la cual una molécula estable gana un electrón: A + e A La ruptura hemolítica y la transferencia de electrones se realizan por los siguientes mecanismos: - Radiaciones ionizantes, ultravioleta y térmicas. - Reacciones redox. - Reacciones catalizadas por enzimas, por ejemplo la formación de óxido nítrico. 2. Características del oxígeno - Es un birradical: Tiene dos e únicos en orbitales diferentes, pero con espines paralelos. - Es por ello que el oxígeno no puede oxidar fácilmente un enlace covalente. - Las reacciones en las que interviene el oxígeno son lentas, implican un único e y deben estar catalizadas (por metales o por metaloproteínas). 2

3 2.1 Especies reactivas El oxígeno es capaz de generar dos tipos de especies químicas reactivas, que son muy perjudiciales para los seres vivos. Especies reactivas de oxígeno (ROS) Radical superóxido (O 2 - ) (radical libre) Peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) Radical hidroxilo (OH ) (radical libre) Especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RNOS) Óxido nítrico (NO ) (radical libre) Trióxido de nitrógeno (N2O3) Peroxinitrito (ONOO-) Nitrito (NO2-) Ácido peroxinitroso (HONO2) Dióxido de nitrógeno (NO2 ) (radical libre) Se conocen más de 100 enfermedades en las que están implicados los radicales libres. En algunas son la causa primaria y en otras aumentan las complicaciones clínicas (causa secundaria). Algunos ejemplos de enfermedades asociadas a las especies reactivas: - Enfermedad de Alzheimer - Enfermedad de Parkinson - Enfermedad hepática - Esclerosis lateral amiotrófica - Esclerosis múltiple - Síndrome de Down - Diabetes - Insuficiencia renal aguda - Cáncer de cérvix - Aterogénesis - Distrofia muscular tipo Duchenne - Enfermedades cardiovasculares Especies reactivas de oxígeno (ROS) Para su total reducción a agua, el oxígeno es capaz de aceptar cuatro electrones. Se ha calculado que, del total del oxígeno consumido por la mitocondria, un 0,1% - 4% no es reducido totalmente a agua. Por ejemplo: en la cadena de transporte de electrones mitocondrial, el par CoQ - /CoQ es altamente reductor. El O 2 tiene acceso al sitio CoQp, por lo que es posible que CoQ - done su e al O 2 y no lo haga al citocromo b L. Eso genera un radical superóxido, O 2. La generación de radicales libre es un fenómeno natural en la célula. - El oxígeno es capaz de aceptar uno a uno, hasta cuatro electrones. Pero si el proceso no es completo, podrá aceptar uno, dos o tres electrones únicamente. Si acepta un único e, genera O 2 (radical superóxido) Si acepta solo dos e, genera H 2 O 2 (peróxido de hidrógeno) Si acepta solo tres e, genera OH (radical hidroxilo) 3

4 Radical superóxido (O 2 - ) - Se origina principalmente en la cadena de transporte electrónico mitocondrial. - Puede ser producido por la xantina oxidasa (degradación de bases púricas). - Tiene muy baja solubilidad, por lo que no difunde lejos de donde se produce. - Puede originar el radical hidroxilo, de forma no enzimática (Reacción de Haber-Weiss): O 2 + H 2 O 2 + H+ O 2 + H 2 O + OH Peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) - No es un radical libre pero, al ser un oxidante débil, puede formarlos por interacción con metales, en una reacción no enzimática (Reacción de Fenton) H 2 O 2 + Fe 2+ Fe 3+ + OH + OH - Participa en la reacción de Haber-Weiss. - Difundir a través de las membranas biológicas. - Es producido por muchas enzimas que unen O 2, presentes en peroxisomas, mitocondrias y retículo endoplasmático. Radical hidroxilo (OH ) - Es el radical libre más reactivo que existe entre las moléculas biológicas. - Se puede originar a partir de las radiaciones ionizantes sobre el agua: H 2 O + h H + OH 4

5 2.2 Daños producidos por las ROS Las ROS provocan la oxidación de multitud de compuestos celulares, produciendo lo que se denomina daño oxidativo. - Producen peroxidación de los lípidos de las membranas celulares y subcelulares, mediante una serie de reacciones en cadena. La peroxidación lipídica implica unas reacciones en cadena, que tienen cuatro pasos: 1.- Iniciación Un radical libre extrae un átomo de hidrógeno de un lípido y origina un radical lípido 2.- Propagación El O 2 reacciona con el radical lípido y origina radicales peroxilo y peróxidos lipídicos 3.- Degradación Los radicales peroxilo y peróxidos lipídicos se degradan originando malondialdehído (de ácidos grasos con 3 o más dobles enlaces) etano y pentano (de los C ω- terminales de ácidos grasos de 3 y 6 dobles enlaces) 4.- Terminación El proceso finaliza cuando los radicales peroxilo y peróxidos lipídicos se reducen totalmente: - Reaccionando entre sí. - En presencia de Vitamina E. 5

6 La peroxidación de los lípidos de las membranas produce una serie de lesiones celulares graves. - Daño a péptidos y proteínas: Los aminoácidos Pro, Arg, Cis y Met son susceptibles al ataque del radical OH. Se dañan las enzimas y proteínas respiratorias, con lo que se afecta gravemente al proceso de respiración celular. La oxidación de los sulfhidrilos de las Cis del glutatión (γ-glu-cys-gly) aumenta el daño oxidativo. - Daño al ADN celular y la mitocondria: La unión no específica del Fe2+ al ADN facilita la formación de radical hidroxilo, el cual altera el ADN. Se han identificado unos 20 tipos distintos de moléculas de ADN alteradas por oxidación de sus bases. La oxidación también puede afectar el esqueleto de la desoxirribosa y producir rupturas en la cadena. 2.3 Especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RNOS) Éstas especies de oxígeno y nitrógeno también son muy reactivas y muchas de las cuales son radicales libres. Se originan por muy diversas causas, aunque todas parten del óxido nítrico: - Óxido nítrico (NO ) - Trióxido de nitrógeno (N 2 O 3 ) - Peroxinitrito (ONOO-) - Nitrito (NO - 2 ) - Ácido peroxinitroso (HONO 2 ) - Dióxido de nitrógeno (NO 2 ) Radical libre óxido nítrico (NO ) Este radical es tanto necesario como tóxico a determinadas concentraciones. - Bajas concentraciones: Neurotransmisor y vasodilatador. - Altas concentraciones: Forma RNOS tóxicas para la célula y el organismo. Al ser un gas, difunde fácilmente al citosol y las membranas celulares y subcelulares. 3. Defensas celulares contra la toxicidad del oxígeno y sus especies reactivas Los organismos vivos disponen de mecanismos de defensa para evitar el daño oxidativo de las ROS y RNOS. Cuando la producción de especies reactivas supera la tasa de su eliminación, se dice que existe un estrés oxidativo. 6

7 Nuestras defensas contra las especies reactivas se encuadran en seis categorías: 1. Enzimas de la defensa antioxidante 2. Antioxidantes endógenos 3. Antioxidantes de la dieta 4. Compartimentación celular de procesos productores de especies reactivas 5. Secuestro de metales 6. Reparación de los componentes dañados 1) Enzimas de la defensa antioxidante Las más importantes son: Superóxido dismutasa (SOD): Cataliza la dismutación del oxígeno - 2 O 2 + 2H + O 2 + H 2 O 2 Catalasa: Se encuentra fundamentalmente en los peroxisomas y, en menor proporción, en el citosol y el retículo endoplasmático. Reduce el peróxido de hidrógeno a agua y oxígeno: 2 H 2 O 2 O H 2 O Glutatión peroxidasa: El glutatión, el tripéptido γ-glu-cis-gli, es uno de los antioxidantes endógenos principales. La enzima glutatión peroxidasa cataliza la reducción del peróxido de hidrógeno a agua y de los peróxidos lipídicos a alcoholes no tóxicos. 2) Antioxidantes endógenos Ácido úrico: Se origina en la degradación de las purinas por la xantina deshidrogenasa. Es particularmente importante en las vías aéreas, en donde existen pocos antioxidantes diferentes. Los productos originados por reacción del ácido úrico con los radicales son eliminados por la orina. 7

8 Fundación H. A. Barceló - Facultad de Medicina Melatonina: Una neurohormona secretada por la glándula pineal (participa regulando los ciclos circadianos). Cede un electrón (en forma de hidrógeno) a los radicales libres. También es capaz de reaccionar con ROS y RNOS formando productos de adición. Glutatión: Es uno de los instrumentos principales que posee el organismo para protegerse del daño oxidativo. Actúa en conjunción con la enzima Glutatión peroxidasa. 3) Antioxidantes de la dieta Vitamina E: Engloba múltiples tocoferoles, de los cuales el más importante es el α-tocoferol. Esta vitamina liposoluble funciona principalmente como protección contra la peroxidación lipídica, donando un electrón a un radical peroxilipídico. Ácido ascórbico (Vitamina C): Es una coenzima redox que actúa como defensa ante los radicales libres. El ácido ascórbico reducido puede regenerar la forma reducida de la vitamina E, donándole electrones en un ciclo redox. Carotenoides: Este término se aplica al β-caroteno (precursor de la Vitamina A) y a compuestos similares que presentan dobles enlaces conjugados. Flavonoides: Son un grupo de compuestos, similares estructuralmente, que contienen anillos aromáticos en los que hay dobles enlaces conjugados. 4) Compartimentación celular La célula procura confinar todo proceso que genere especies reactivas (ROS y RNOS) en orgánulos subcelulares. Esta compartimentación es esencial para controlar las especies reactivas y evitar que se extiendan por toda la célula. La localización de las enzimas de defensa contra los radicales libres está adaptada a la compartimentación subcelular de los procesos que las producen. 5) Secuestro de metales Ciertos metales (como Fe2+ y Cu+) pueden donar electrones únicos en la reacción de Fenton, la cual genera radical hidroxilo (OH ). El Fe2+ es almacenado como Fe movilizable en la proteína ferritina. El exceso de Fe2+ es almacenado como Fe no movilizable en depósitos de hemosiderina. 8

9 4. Formación de radicales libres durante la fagocitosis y la inflamación En respuesta a la presencia de agentes infecciosos y otros estímulos, ciertas células del sistema inmune muestran un rápido consumo de oxígeno (el llamado "estallido respiratorio"). La generación de estas especies oxidantes es una parte del sistema de defensa antimicrobiano humano y está diseñado para destruir los microorganismos invasores, células tumorales y otras células señaladas para ser eliminadas. En este proceso intervienen varias enzimas y procesos no enzimáticos: 1. La NADPH deshidrogenasa cataliza la transferencia de un electrón del NADPH al O 2, para formar radical superóxido (O 2 ). 2. El O 2 liberado en el interior del fagolisosoma es luego transformado en H 2 O 2 por la SOD. 3. El H 2 O 2 es luego transformado en ácido hipocloroso (HOCl) por acción de la enzima mieloperoxidasa: H 2 O 2 + Cl + H + HOCl + H 2 O El ácido hipocloroso es una poderosa toxina que destruye las bacterias en segundos, gracias a las reacciones de halogenación y oxidación que produce. Cuando los neutrófilos son activados para producir NO, también se activa la NADPH deshidrogenasa. El NO reacciona rápidamente con el O 2 y origina peroxinitrito (ONOO ), el cual puede formar otros radicales. El en H 2 O 2 formado a su vez por la SOD, origina radical hidroxilo (OH ) en presencia de Fe 2+. El peroxinitrito y el radical hidroxilo atacan y destruyen también las bacterias. 9