RADICALES LIBRES Y ESTRES OXIDATIVO

Vista previa del material en texto

Contenido
• Introducción
• Rompimiento del enlace covalente
• Especies reactivas del oxígeno
• Reacciones redox y grupos prostéticos
• Orígenes fisiológicos de las ERO
• Daño oxidante a las biomoléculas
• Sistemas de defensa antioxidante
• Antioxidantes no enzimáticos
• Glutatión
• Antioxidantes enzimáticos
• Estrés oxidante y transducción de señales
• Teoría del envejecimiento por radicales libres
 
 
Conceptos clave
1 Anión: es un átomo o molécula que ha ganado uno o más electrones, por lo que tiene carga negativa.
2 Radical libres: son átomos o moléculas con un electrón desapareado.
3 Agente oxidante: un átomo o molécula que puede oxidar a otro, así como recibir sus electrones y reducirse. Agente reductor: un
átomo o molécula que puede reducir a otro, es decir dona electrones y por lo tanto se oxida.
4 Oxidación: es la pérdida de electrones. Reducción: es la ganancia de electrones.
5 Potencial redox: capacidad que tiene un átomo o molécula de oxidar a otra (recibir electrones y reducirse).
6 Grupo prostético: compuestos con estructuras no proteínicas que se asocian con proteínas, ya sea de manera covalente o no
covalente, y en este caso, pueden transferir electrones de uno en uno.
7 Estrés oxidante: es un desbalance entre los sistemas oxidantes y antioxidantes, en el cual hay más de los primeros y menos de los
últimos.
 
 
 
860
https://booksmedicos.org
Introducción
La historia de los radicales libres como intermediarios reactivos inicia desde el año 1900
con los experimentos realizados por Gomberg. Sin embargo, no fue sino hasta el decenio
de 1960 cuando Fridovich y McCord descubrieron una enzima que eliminaba radicales
libres a nivel fisiológico. La comunidad científica tardó años en reconocer sus hallazgos,
pero ahora se sabe que la enzima que descubrieron era la superóxido dismutasa (SOD),
que interviene en la eliminación del radical superóxido O2•¯.
A partir de ese momento, los científicos empezaron a darse cuenta de que los radicales
libres tienen una participación activa dentro del metabolismo celular y de los organismos.
En los primeros años sólo se les conocía como subproductos de algunas vías metabólicas
y se pensaba que sus efectos eran únicamente dañinos, ya que se asociaban con una gran
diversidad de patologías como cáncer, diabetes, fibrosis y alteraciones cardiacas,
neurológicas, renales, entre otras. No obstante, en fechas recientes se demostró que los
radicales libres y el estrés oxidante juegan un papel esencial como segundos mensajeros y
forman parte de las vías de señalización en procesos tan importantes como la
proliferación y la diferenciación celulares.
Todo ello ha propiciado el desarrollo de un nuevo campo de estudio para tratar de
entender los efectos de los radicales libres en el metabolismo normal y patológico. En
este capítulo se describen, de manera breve, las características y los orígenes fisiológicos
de los radicales libres, así como sus efectos más importantes.
 
861
https://booksmedicos.org
Rompimiento del enlace covalente
Como se sabe, la mayoría de los compuestos que constituyen a los seres vivos están
formados por moléculas que contienen carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y
nitrógeno (N). Todos estos elementos se consideran no metales, y por lo tanto los enlaces
que forman entre ellos son covalentes. Recordar que para estabilizarse, los elementos
deben tener ocho electrones (e¯) en su último nivel de energía (regla del octeto) y que los
electrones se estabilizan si se encuentran en pares (apareados) dentro de los orbitales de
los subniveles de energía de los átomos. De modo que un elemento estable tendrá 8 e¯
en su último nivel de energía, dispuestos en cuatro pares. Para poder llegar a este nivel
de estabilidad, los elementos se unen y comparten e¯. Se trata del principio del enlace
covalente.
Por definición, un enlace covalente se lleva a cabo entre dos elementos no metálicos,
en donde cada uno aporta un electrón para formar la pareja de e¯ que girará alrededor de
ambos elementos, confiriéndoles estabilidad. Aunque estos enlaces son en extremo
estables, pueden llegar a romperse bajo ciertas condiciones, por ejemplo a temperaturas
mayores de 200°C, o con radiación UV o rayos γ. El rompimiento del enlace covalente
puede ser de dos tipos: homolítico o heterolítico.
 
La palabra heterolítico viene del griego heteros-diferente, litico-ruptura, de modo que el
rompimiento heterolítico implica una separación en la cual un átomo o molécula se queda con el par de
e¯ completo y el otro se queda sin nada. El adjudicarse un e¯ de más implica adquirir una carga
negativa, por lo que a esta molécula se le conoce como anión, mientras que al perder un electrón
adquiere una carga positiva y a la molécula se le llama catión (figura 24-1):
 
 
 
 
862
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-1. Rompimiento del enlace covalente.
 
Por otra parte, durante el rompimiento homolítico (homo-igual, litico-ruptura), cada una
de las moléculas conserva su e¯, lo que indica que ninguna tendrá un par de ellos. Esto
genera moléculas muy inestables que requieren aparear su electrón y son conocidas con
el nombre de radicales libres (figura 24-1):
 
 
 
Recapitulando, un radical libre (RL•) se puede definir como cualquier especie atómica o molecular
con uno o más electrones desapareados. Los RL• se representan colocando un punto sobre el símbolo
del átomo o grupo de átomos donde se encuentra el electrón desapareado (RL•) y su reactividad
depende del tipo de radical del que se trate, así como de la molécula con la cual reaccione. Si dos RL•
se encuentran pueden unir sus e¯ desapareados formando de nuevo el enlace covalente; cuando los
dos RL• son iguales, es decir, son la misma especie química, se dice que la reacción que se lleva a cabo
es una dismutación.
 
 
863
https://booksmedicos.org
Cuando un RL• reacciona con una molécula que no es radical, obtiene un e¯ con el que
logra estabilizarse, pero al hacerlo deja un e¯ desapareado en la molécula con que
reaccionó, generando un nuevo radical libre. Esto se conoce como reacción en cadena
de los radicales libres.
 
864
https://booksmedicos.org
Especies reactivas del oxígeno
Pueden existir muchos RL•; sin embargo, para las ciencias que estudian los seres vivos,
como es el caso de la bioquímica, los más importantes son los que se forman con el
oxígeno y el nitrógeno, a los que se conoce como especies reactivas del oxígeno (ERO) y
especies reactivas del nitrógeno (ERN), respectivamente. Como tanto las ERO como las
ERN involucran por necesidad al oxígeno, es importante entender la química de este
elemento para poder comprenderlas.
El oxígeno atómico (O) posee 8 e¯, de los cuales dos se encuentran en el primer nivel
de energía, en el subnivel s (1s2), y seis están en su último nivel de energía (nivel 2). De
estos últimos, 2 e¯ se hallan en el subnivel s (2s2) y los cuatro restantes están en el
subnivel p (2p4). Como se mencionó antes, los e¯ deben estar apareados dentro de los
orbitales, por lo que cada átomo de O necesita otros 2 e¯ para completar su octeto:
 
 
Sin embargo, los dos orbitales p incompletos del oxígeno tienen distintas características.
Uno de ellos es un orbital π de unión, y el otro es un orbital π de antiunión (π*). Esto
significa que cuando se unen dos átomos de O para formar O2, sólo son capaces de
establecer un primer enlace covalente entre ellos (compartiendo los e¯ que están en los
orbitales π de unión), dejando los e¯ de los orbitales π* de antiunión desapareados. Esto
forma un radical libre con dos e¯ desapareados en orbitales distintos:
 
 
y es por ello que la molécula de oxígeno (O2) se reconoce como un dirradical llamado
865
https://booksmedicos.org
dioxígeno.
Lo anterior haría suponer que el dioxígeno es una molécula muy reactiva; sin embargo,
el hecho de que los 2 e¯ desapareados (cada uno localizado en un orbital π* diferente)
tengan el mismo número cuántico de spin (o giro) complica las cosas. Para que el O2
oxide otra molécula y acepte 2 e¯, que puedan ser admitidosen las vacantes de los
orbitales, éstos deben ser de spin contrario al del e¯ que ya está ocupando el orbital. Esto
impone una restricción muy fuerte que hace que el O2 acepte un solo electrón a la vez y
que las reacciones sean muy lentas. Gracias a este impedimento puede haber vida en
nuestro planeta, pues de lo contrario todas las moléculas estarían oxidadas.
Al dioxígeno O2 se le conoce como oxígeno triplete, ya que cuando se hace pasar por
un aparato de resonancia magnética produce tres señales paramagnéticas. Una de las
únicas excepciones para la poca reactividad del dioxígeno es cuando reacciona con
metales de transición, que pueden donar o recibir un e¯ a la vez; en este caso las
restricciones quedan anuladas.
 
Cuadro clínico
Usos de los radicales libres (RL•) en análisis de diagnóstico clínico
Como los RL son moléculas que tienen uno o más e¯ desapareados, pueden ser atraídos hacia un campo magnético. Esto significa
que la mayoría de los radicales tienen propiedad paramagnética. La aplicación de la energía electromagnética correcta provoca que
los e¯ desapareados absorban dicha energía y que por lo tanto se obtenga un espectro de absorción (por lo general un espectro
único para cada RL). Éste es el principio básico de la conocida técnica de resonancia paramagnética del electrón (EPR, del inglés
electron paramagnetic resonance), que ha sido muy usada para estudios biológicos y análisis de diagnóstico clínicos.
 
 
 
Entonces, ¿cómo reacciona el O2?
Bajo ciertas condiciones, como a altas temperaturas o bajo la acción de la luz solar, la
reactividad del oxígeno puede aumentar. Al captar energía, uno de los e¯ de los orbitales
π* es capaz de moverse y cambiar su giro, aliviando la restricción del spin y generando
un estado que se conoce como oxígeno singulete (1O2), llamado así porque sólo da una
señal de resonancia magnética. En este estado, el dioxígeno sí puede recibir e¯ de uno en
uno.
Cuando un e¯ es aceptado por la molécula del 1O2 en estado basal, el producto es el
radical superóxido (O2•¯). Este radical es a su vez un anión, ya que de un lado tiene un
orbital incompleto y del otro un e¯ extra (figura 24-2). La adición de un segundo e¯ al
O2•¯ da lugar al anión peróxido (O22–), que no es un radical libre porque no tiene
electrones desapareados. Cualquier O22– formado a pH fisiológico se protonará de
inmediato para formar peróxido de hidrógeno (H2O2). En las células, esta reacción ocurre
866
https://booksmedicos.org
por la dismutación de dos moléculas de superóxido, catalizada por la enzima superóxido
dismutasa (SOD) como parte de los mecanismos de defensa antioxidante, que más tarde
degradarán el H2O2 convirtiéndolo en agua, por acción de enzimas como la glutatión
peroxidasa (GPx) o la catalasa (CAT).
 
 
Figura 24-2. A) Adición de electrones al oxígeno. B) Reacción de Fenton.
 
En ocasiones se da el caso de un rompimiento homolítico del enlace covalente entre los
dos átomos de oxígeno (O-O) que se encuentran formando el H2O2. Esta reacción se
lleva a cabo mediante una catálisis química (no enzimática) y produce un anión hidroxilo
(HO–) y un radical hidroxilo (HO•). Los catalizadores de esta última reacción suelen ser
metales de transición como el hierro (Fe) y el cobre (Cu), aunque también pueden ser
radiaciones ionizantes u otros agentes. Tal reacción se conoce como reacción de Fenton
y no es regulada por ninguna enzima del organismo:
 
 
Otra manera en que se genera el radical hidroxilo es mediante la reacción de Haber-
Weiss, también catalizada por metales:
 
 
867
https://booksmedicos.org
Reacciones redox y grupos prostéticos
Es importante recordar que los elementos que tienden a ceder electrones con facilidad y a oxidarse
se conocen como agentes reductores, mientras que a los que reciben electrones y se reducen se les
llama agentes oxidantes (cuyo prototipo es el oxígeno, de donde se deriva el nombre del proceso), es
lógico pensar que para que un elemento se reduzca y gane electrones otro debe oxidarse.
 
 
Por ello, al conjunto de un oxidante y un reductor se le conoce como un sistema o par redox,
mientras que a las reacciones en que se transfiere 1 e¯ se les llama reacciones de óxido-reducción o
simplemente redox. Cuando se realiza la transferencia de electrones se genera una corriente eléctrica
marcada por una diferencia de potencial entre éstos.
 
 
El elemento que se reduce es el que posee una capacidad oxidante mayor. La capacidad oxidante
se denomina potencial redox (Eh), y cuanto más grande es su valor, tanto mayor es la capacidad
oxidante del sistema y mayor es la concentración de la forma reducida. El potencial redox se mide en
volts, aunque como su valor es muy pequeño, suele expresarse en milivolts (mV).
 
 
Una gran cantidad de reacciones bioquímicas que se llevan a cabo en las células
involucran reacciones redox. Esto implica que existe la posibilidad de que quede un e¯
desapareado en un orbital, generando un radical libre. Para tratar de evitar la posible fuga
de e¯ y la generación de RL•, la mayor parte de las reacciones redox se llevan a cabo en
compartimientos o sitios especiales dentro de las células, como son las membranas
lipídicas. Sin embargo, ni los lípidos, ni las proteínas o los carbohidratos (todos ellos
formados por CHON) pueden recibir un e¯ solo, de modo que para que esto ocurra,
existen moléculas distintas que tiene la capacidad de hacerlo sin convertirse en RL•.
 
Estos compuestos son estructuras no proteínicas que se asocian con proteínas, ya sea de manera
covalente o no covalente, y que se conocen como grupos prostéticos. Entre los grupos prostéticos
que pueden recibir y donar e¯ de uno en uno se encuentran los metales de transición Fe y Cu, debido a
que pueden cambiar su estado redox y recibir o donar e¯ sin dejar de ser estables:
 
 
 
868
https://booksmedicos.org
 
En particular, el Fe forma estructuras complejas que se asocian con proteínas y que
pueden ser centros hierro-azufre [Fe-S] (figura 24-3A) o grupos hemo, como los que están
en la hemoglobina (figura 24-3B). También existen grupos prostéticos que pueden recibir 2
e¯ y 2 H+, evitando convertirse en RL•, como el mononucléotido de flavina (FMN)
(figura 24-3C), el dinucléotido de flavina y adenina (FAD) y las quinonas (figura 24-3D). El
ambiente semiaislado que provee la membrana, así como la organización de los
complejos proteínicos anfipáticos que se encuentran inmersos en ellas, permiten la
transferencia de un solo e¯ a través de los grupos prostéticos. Sin embargo, se ha
demostrado que a pesar de todas estas “precauciones”, el hecho de que de manera
constante se estén transfiriendo e¯ de uno en uno sugiere que, de existir una fuga en el
sistema, los e¯ desapareados podrían generar radicales libres.
 
869
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-3. Estructuras de los grupos prostéticos.
 
870
https://booksmedicos.org
Orígenes fisiológicos de las ERO
La mitocondria se ha propuesto como uno de los principales generadores de ERO a nivel
celular. Esto obedece a que el oxígeno que se respira gracias al intercambio de gases en
los pulmones, y que es transportado por la hemoglobina de la sangre hasta las células, se
utiliza como aceptor final en la respiración mitocondrial. Es decir, la función del oxígeno
es recibir los electrones provenientes de la cadena respiratoria (CR) y, junto con protones
de la matriz mitocondrial, formar agua metabólica como un subproducto de la oxidación
de la glucosa.
Dentro de las moléculas participantes en la CR se incluyen una variedad de centros
redox con potenciales redox que van desde –320 mV (del NADH) hasta +390 mV (del
citocromo a3 en el complejo IV); lo anterior sugiere que, debido a que el ambiente
intramitocondrial es muy reductor, varios componentes respiratorios –incluyendo las
flavinas, los centros [Fe-S] y las quinonas– sí son desde el punto de vista termodinámico,
capaces de transferir un e¯ al oxígeno. Puesto que el O2 es un gas que se difunde con
libertad a través de las membranas, es muy factible que suforma activada (oxígeno
singulete, 1O2) se encuentre presente en las vecindades de la CR, por lo que de existir
fugas de e¯ en la cadena se favorecería la reducción monovalente del 1O2, generando así
el superóxido (O2•¯).
Todo lo anterior apoya la idea de que del 0.1 al 0.5% de O2 que respiramos no se
convierte en agua metabólica sino que se fuga para generar el O2•¯. Esto se conoce como
la paradoja del oxígeno, ya que sin oxígeno no habría vida, pero el hecho de respirarlo
nos va oxidando poco a poco. No obstante, la mitocondria cuenta con enzimas
antioxidantes como la superóxido dismutasa (SOD), que transforma el O2•¯ en peróxido
de hidrógeno (H2O2), y la glutatión peroxidasa (GPx), que convierte el H2O2 en H2O.
Desde hace más de 35 años, varios laboratorios han tratado de identificar el sitio exacto
de producción de O2•¯ en la CR, pero aún no existe un consenso al respecto.
La contribución de cada sitio a la producción general de O2•¯ varía dependiendo del
órgano, del tejido y también de si las mitocondrias están respirando de manera muy
activa (a lo que se llama estado III) o están en un estado muy reducido (el estado IV). Al
parecer, el complejo III de la CR es el responsable de la mayor producción de O2•¯ en
las mitocondrias de corazón y pulmón, mientras que el complejo I es al parecer la fuente
principal de este radical en el cerebro en condiciones normales. Sin embargo, el complejo
I también parece ser la fuente principal de radicales en una gran cantidad de patologías
que van desde la enfermedad de Parkinson hasta el envejecimiento. En la actualidad
existen un sinnúmero de evidencias experimentales que apoyan estas ideas.
Se ha estimado que las concentraciones de ERO producidas en las mitocondrias son de
alrededor de 10–10 M de O2•¯ y 5 × 10–9 M de H2O2. Sin embargo, si los niveles de
ERO rebasan estos valores o las concentraciones de enzimas antioxidantes son
871
https://booksmedicos.org
insuficientes, el H2O2 podría convertirse en el radical hidroxilo (HO•) a través de la
reacción de Fenton catalizada por los Fe o Cu presentes, como parte de los grupos
prostéticos en las enzimas mitocondriales; o bien, las mismas ERO pueden dañar la
membrana interna mitocondrial y los complejos de la CR, permitiendo la liberación de los
metales que catalizarían la reacción de Fenton. Este mecanismo se convertiría en un
círculo vicioso, ya que la CR alterada aumentaría la fuga de e¯ generando más ERO que
a su vez dañarían la CR, perpetuando así este fenómeno y desestabilizando el balance
energético de la célula.
Además de la CR en la mitocondria, existen otros procesos fisiológicos en las células
aeróbicas en los que se producen ERO y ERN, entre los cuales destacan la
destoxificación de xenobióticos por la familia de los citocromos P450, el metabolismo de
los ácidos nucleicos mediante la xantina oxidasa, la respuesta inmunitaria contra las
infecciones durante el fenómeno de fagocitosis y la subsecuente activación de la NADPH
oxidasa, entre otros procesos.
 
Cuadro clínico
Granulomatosis (chronic granulomatosis disease CGD)
Durante la fagocitosis que llevan a cabo las células del sistema inmune, es necesario que se generen ERO para eliminar a los
patógenos y regular la respuesta inflamatoria. La enzima NADPH oxidasa (NOX) es la encargada de generar de manera
propositivas a las ERO. La CGD es una enfermedad hereditaria en la cual existe una disfunción en la fagocitosis por la ausencia de
algunos componentes de la NOX, que impiden que se produzcan las ERO. Esta enfermedad está caracterizada por infecciones
bacterianas y micóticas graves y recurrentes, es un ejemplo donde se observa que las ERO son indispensables para el buen
funcionamiento del organismo.
 
 
 
 
872
https://booksmedicos.org
Daño oxidante a las biomoléculas
Los radicales libres en general, y el radical hidroxilo en particular, pueden reaccionar con
moléculas orgánicas reducidas, en especial con las que contienen enlaces dobles como los
lípidos insaturados, los anillos aromáticos de aminoácidos y las bases nitrogenadas.
Aunque el H2O2 no es un radical libre, una parte significativa de su importancia radica en
su potencial como precursor del HO• y a su capacidad de difundir a través de las
membranas y llegar a sitios distantes en la célula. Aunque el O2•¯ es relativamente poco
reactivo, tanto éste como el H2O2 pueden liberar el hierro de la ferritina y de las
proteínas con grupos hemo, en ese orden, lo que es relevante, ya que la célula por lo
general mantiene secuestrados los metales de transición a fin de que no se encuentren
disponibles para las reacciones de Fenton y de Haber-Weiss.
 
Cuadro clínico
Uso de ERO como antimicrobianos
Los biofilms de origen bacteriano y fúngico presentan un problema clínico en algunos casos como en heridas o infecciones crónicas
del tejido suave, ya que tienen una alta tolerancia a los antibióticos. Una terapia alternativa que se ha propuesto recién se basa en el
uso de ERO como antimicrobiano, en contra de bacterias grampositivas, gramnegativas hongos y virus, ya que su uso previene y
quebranta la formación del biofilm.
 
 
Lípidos
La alteración más importante inducida por las ERO sobre los lípidos se debe a los daños
generados sobre las membranas en un proceso llamado lipoperoxidación.
De manera muy breve, la lipoperoxidación se inicia cuando el ácido graso insaturado de
un fosfolípido que forma parte de una membrana es atacado por un radical libre. Los
carbonos bis-alílicos que están adyacentes a las insaturaciones son muy susceptibles al
ataque por los RL•. Así, el fenómeno comienza cuando un radical abstrae un hidrógeno
completo (e¯ y H+) de ese carbono, generando un radical lipídico (R•) (figura 24-4).
Después ocurre un rearreglo molecular, y el ataque de un oxígeno singulete forma un
radical peroxilo (ROO•). Como los lípidos dentro de las membranas se encuentran unos
junto a otros, el ROO• puede abstraer un hidrógeno de un ácido graso adyacente
convirtiéndose en un hidroperóxido (ROOH). El ROOH no es un radical libre, por lo que
puede permanecer mucho tiempo dentro de una membrana de manera estable. Sin
embargo, la abstracción del H por el ROO• genera otro radical lipídico R•, que a su vez
seguirá los pasos de su predecesor, propagando el daño (figura 24-5). Por otra parte, si en
la membrana se encuentran Fe o Cu libres, pueden inducir el rompimiento del ROOH y
generar de nuevo el radical peroxilo (ROO•) si se abstrae un H, o generar al radical
alcoxilo (RO•) si se rompe un HO•. Esto propagará de nuevo el daño (figura 24-6).
 
873
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-4. Mecanismo de inicio de la lipoperoxidación.
 
874
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-5. Mecanismo de propagación de la lipoperoxidación.
 
875
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-6. Mecanismo de Iniciación de la lipoperoxidación partiendo de hidroperóxidos.
 
Existen diversas maneras de terminar la cadena de eventos anterior, como la
dismutación, la β-escisión y la ciclización, así como la terminación realizada por el
sistema de defensa antioxidante constituido por la vitamina E, la vitamina C y el glutatión
(GSH). En la mayor parte de los casos, los productos que se generan modifican la
membrana y causan alteraciones importantes, como cambios en su fluidez y en su
permeabilidad. En el primer caso, se altera la estructura de las proteínas
transmembranales, con lo que se pierde la afinidad ligando-receptor y los mecanismos de
segundos mensajeros (se altera el funcionamiento de hormonas y neurotransmisores). En
el segundo caso, se pierde la facultad de actuar como barrera iónica y osmótica. Estos
daños pueden conducir a la muerte de la célula.
 
Proteínas
El daño causado a las proteínas se lleva a cabo mediante un mecanismo de inicio similar
al descrito para los lípidos, con la abstracción de un H, un rearreglo molecular y el ataque
de un oxígeno singulete (figura 24-7). Según el aminoácido que reaccione con las ERO,
puede haber cambios en la estructura primaria de una proteína, ya que un residuopuede
modificarse y convertirse en otro diferente. Los aminoácidos más susceptibles son
histidina, prolina, cisteína, triptófano, tirosina y en menor grado arginina, lisina y
metionina. La presencia de iones metálicos dentro de las proteínas puede catalizar la
876
https://booksmedicos.org
descomposición del H2O2 a través de la reacción de Fenton, e iniciar una cadena de
reacciones de radicales libres; este proceso se conoce como oxidación de proteínas
catalizada por metales (MCO, del inglés metal catalyzed oxidation).
 
877
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-7. Mecanismo de escisión de polipéptidos por radicales libres.
 
Uno de los fenómenos más importantes durante la oxidación de proteínas es la
formación de carbonilos, que puede estar ligada a la transformación de un residuo
aminoacídico en otro, y a la desaminación (figura 24-8A). Por ejemplo, una histidina puede
transformarse en una prolina o en un ácido glutámico y al mismo tiempo generar un
carbonilo en la cadena lateral de un residuo vecino. Los grupos carbonilo son una
característica distintiva de una proteína oxidada y la hacen susceptible a proteólisis. Otra
alteración relacionada con las ERO es el entrecruzamiento intramolecular e
intermolecular por la oxidación de cisteínas (en sus grupos SH), lo cual fomenta la
aparición de puentes disulfuro en sitios donde no deberían existir (figura 24-8B).
 
 
Figura 24-8. Efecto de los radicales libres sobre las proteínas. (A) Reacción entre un radical hidroxilo y un
residuo de lisina; (B)Reacción de oxidación de residuos de cisteína promovida por un radical hidroxilo.
 
Este tipo modificaciones, además de cambiar la conformación tridimensional de las
proteínas, promueven su agregación, minando su funcionalidad. Sin embargo, la
formación de puentes disulfuro puede revertirse por acción de algunas enzimas como las
878
https://booksmedicos.org
proteín-sulfuro isomerasas. Otro desenlace durante la oxidación de las cisteínas es la
oxidación de los grupos sulfhidrilo, que los convierte en los ácidos sulfénico (R-SOH),
sulfínico (R-SO2H) y sulfónico (R-SO3H). Es importante mencionar que los grupos tiol
en las cisteínas se encuentran muy protegidos para prevenir su oxidación; para ello la
célula trata de mantener un estado redox relativamente reducido mediante el sistema del
glutatión (GSH) y las tiorredoxinas.
De todas estas modificaciones, sólo las de los aminoácidos con azufre pueden
revertirse de manera enzimática, exceptuando aquellas en que los aminoácidos se han
superoxidado en especies sulfónicas, que junto con el resto, deben eliminarse de manera
selectiva para prevenir la acumulación de proteínas no funcionales y dañadas. El estrés
crónico y la oxidación continua de las proteínas pueden llevar al desdoblamiento o al
plegamiento defectuoso de las proteínas, así como a la formación de oligómeros tóxicos
de proteínas o agregados que se acumulan en los lisosomas, en lo que se conoce como
lipofuscina o bien en el citosol, formando agregados insolubles con alto peso molecular
que contribuyen a enfermedades neurodegenerativas como las de Alzheimer y Parkinson
(capítulo 35).
 
DNA nuclear
Se ha aceptado que en ciertas condiciones fisiológicas especies como O2•¯, H2O2 u óxido
nítrico (NO) tienen muy poca o nula capacidad de reaccionar con el DNA, por lo cual se
considera que es el HO• el que lo hace de manera preferente. Los daños directos al DNA
pueden ocurrir sobre las bases púricas y pirimídicas, sobre los azúcares (desoxirribosa) o
en ambos sitios. Cuando el HO• ataca las bases nitrogenadas no hay abstracción del H,
como ocurre en los lípidos o en las proteínas, pues el HO• se une de manera directa a la
base nitrogenada formando un aducto. Hasta la fecha se han reportado más de 20
aductos diferentes formados durante la oxidación del DNA. Entre los más estudiados
están los derivados de la guanosina, donde se sabe que el HO• se puede unir a las
posiciones 4, 5 u 8 del anillo purínico. La adición al carbono 8 produce un aducto radical
C-8-OH, llamado 8-oxo-7,8-dihidro-2´-desoxiguanosina u 8-OHdG (figura 24-9). Su
cuantificación ha ganado popularidad sobre la de otros tipos de aductos, puesto que es
una de las especies químicas más abundantes y resistentes que se producen cuando se
oxida el DNA. La generación de los aductos induce alteraciones en los puentes de
hidrógeno que estabilizan la complementarización en la doble cadena del DNA, de
manera que durante el proceso de duplicación, la enzima DNA-polimerasa puede tener
errores y generar transversiones y translocaciones.
 
879
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-9. Modificaciones de la guanina por acción de los radicales libres.
 
Los aductos originan mutaciones puntuales en el DNA. El daño en los azúcares sigue
un mecanismo similar al de la lipoperoxidación, iniciando con la abstracción de un H y el
ataque de un oxígeno singulete, que finaliza con el rompimiento del enlace fosfodiéster,
con el resultado de escisiones de una o ambas cadenas. En resumen, el daño en las bases
da como resultado mutaciones puntuales, mientras que el daño sobre los azúcares genera
rompimientos de las hebras del DNA. Existe una gran cantidad de evidencia experimental
que involucra daño oxidante sobre el DNA y decremento de la capacidad de los
mecanismos de reparación con el proceso del envejecimiento (capítulo 35), y de una gran
diversidad de enfermedades como el cáncer (capítulo 36).
 
DNA mitocondrial
Por su origen endosimbiótico, las mitocondrias (como los cloroplastos) ocupan una
posición única entre los organelos, pues poseen un genoma propio y la maquinaria para
transcribirlo y traducirlo. En el caso de las mitocondrias de los mamíferos, se ha
informado que el DNA mitocondrial (mtDNA) tiene estructura circular y codifica para 13
880
https://booksmedicos.org
subunidades de la cadena respiratoria, 22 RNA de transferencia y 2 RNA ribosomales.
Estas proteínas son básicas para el funcionamiento del organelo, por lo que el daño en el
genoma mitocondrial afecta de manera directa dichas funciones.
Algunas de las razones por las que se ha propuesto al mtDNA como el sitio más
susceptible al daño oxidante son las siguientes:
 
1. La proximidad del mtDNA a las ERO generadas durante la actividad de la cadena
respiratoria.
2. La carencia de proteínas tipo histonas que cubran y protejan el mtDNA.
3. La ineficiencia de la maquinaria mitocondrial para reparar daños en el mtDNA.
4. La velocidad de divergencia y la propensión a errores es mayor en el mtDNA que en
el DNA nuclear, debido a que se duplica con una frecuencia 5 a 10 veces mayor.
5. El tamaño y la compactación del genoma mitocondrial, así como la segregación
somática de genomas mitocondriales durante la división celular.
 
Se supone que los RL• producidos en la mitocondria se encuentran en mayor proporción
que los resultantes del metabolismo celular, y que la reacción de esos radicales con las
macromoléculas mitocondriales durante la vida del organismo produce daños progresivos.
En particular, se ha informado que la acumulación de mutaciones en el mtDNA
contribuye de manera fundamental al fenómeno del envejecimiento y a las enfermedades
degenerativas como las de Alzheimer y Parkinson (capítulo 35), así como a diversas
miopatías mitocondriales.
 
881
https://booksmedicos.org
Sistemas de defensa antioxidante
El organismo cuenta con sistemas antioxidantes que contrarrestan el efecto de las ERO.
Esta primera línea de defensa se ha dividido en antioxidantes de tipo enzimático como
superóxido dismutasa (SOD), catalasa (CAT), glutatión peroxidasa (GPx) y las
tiorredoxinas, entre otras, que son producidas de manera directa por el organismo, y
otros no enzimáticos, como las vitaminas A, C, E, que se adquieren de los alimentos, o el
tripéptido glutatión (GSH), que el organismo sintetiza a partir de aminoácidos.
 
882
https://booksmedicos.org
Antioxidantes no enzimáticos
Aquí se consideran de manera preferente como antioxidantes no enzimáticos a las
vitaminas, en particular las vitaminasE (α-tocoferol), C (ácido ascórbico) y A (cuyo
precursor es el β-caroteno), las cuales ya fueron descritas de manera muy detallada en el
capítulo 12 de este libro.
En general, las vitaminas y algunas otras moléculas que se encuentran en las plantas,
como el licopeno y los flavonoides, se consideran moléculas atrapadoras de radicales
libres, cuya característica es tener enlaces dobles conjugados. Una particularidad
interesante del funcionamiento de las vitaminas es que, en muchos casos, deben actuar
en conjunto con el GSH para poder eliminar las ERO (figura 24-10).
 
883
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-10. Mecanismo de acción de las vitaminas como atrapadoras de electrones.
 
 
884
https://booksmedicos.org
Glutatión
El glutatión es un tiol no proteínico cuya estructura primaria es γ-glutamil-cisteinilglicina.
Este tripéptido tiene características estructurales particulares que le permiten ser una
molécula muy estable. Una de ellas es que el enlace peptídico entre el amino terminal del
glutamato y el residuo cisteína no se forma a través del carboxilo α como es normal para
los enlaces peptídicos, sino a través del carboxilo γ del glutamato. Este enlace tan
peculiar le proporciona resistencia contra la acción de todas las peptidasas que se
encuentran en el citosol y sólo es susceptible a la degradación por una enzima
especializada conocida como γ-glutamil​transpeptidasa (GGT), que se encuentra en la
parte externa de la célula. Esto significa que para que el GSH se degrade, debe
transportarse fuera de la célula.
Otra particularidad muy importante de esta molécula es que posee un grupo sulfhidrilo
o tiol (-SH) que le permite donar átomos de hidrógeno, tanto para reducir moléculas
oxidadas como para neutralizar RL•. Así, el GSH puede participar en la regulación de los
puentes o enlaces disulfuro de las proteínas, además de que sirve para deshacerse de
moléculas oxidantes y electrófilos (figura 24-11). El GSH trabaja en parejas porque cuando
dos de estas moléculas donan sus H, en lugar de generar un nuevo RL• forman entre
ellas un puente disulfuro (SS), lo cual las estabiliza.
 
 
885
https://booksmedicos.org
 
Figura 24-11. Funciones antioxidantes del GSH: 1) neutralización de peróxidos; 2) neutralización de radicales
libres; 3) metabolismo degradativo de electrófilos; 4) regeneración del glutatión reducido a partir del oxidado.
 
El GSH se encuentra en altas concentraciones en todas las células, y debido a la
importancia que tiene dentro de la fisiología celular y el mantenimiento del estado redox
celular, el decremento de los niveles de GSH (glutatión reducido) en comparación con los
niveles de GSSG (glutatión oxidado) se ha relacionado con la etiología y la progresión de
una gran cantidad de enfermedades.
 
886
https://booksmedicos.org
Antioxidantes enzimáticos
 
Superóxido dismutasa
La enzima superóxido dismutasa (SOD) es la encargada de convertir el radical
superóxido en una molécula menos reactiva, como el H2O2, en una reacción que se
conoce como dismutación:
 
 
Existen varios tipos de SOD, pero los más importantes son tres. La SOD tipo 1 tiene
como cofactores al cobre y al zinc (CuZn-SOD o SOD1) y se encuentra de manera
constitutiva en el citosol. La SOD tipo 2 posee al Mn como cofactor (Mn-SOD o SOD2),
y es una isoforma inducible que está presente en el interior de las mitocondrias. Por
último, existe un tercer tipo de SOD que se localiza fuera de la célula y está asociada a la
matriz extracelular; al igual que la SOD1, tiene asociado cobre y zinc, y se conoce como
SOD3 o EC-SOD. Si bien las tres realizan la misma actividad catalítica, guardan grandes
diferencias en cuanto a su estructura y organización. El hecho de que existan diferentes
variantes de esta enzima en los diversos compartimientos celulares demuestra la
dificultad que tiene el O2•¯ para atravesar las membranas lipídicas y resalta la
importancia fisiológica de mantener un nivel controlado de dichas especies.
Las SOD se han utilizado como agentes protectores frente a una gran diversidad de
estados patológicos, entre los que se encuentran los procesos inflamatorios, daño pos​-
isquémico a los tejidos, y algunos tipos de cáncer, entre otros. Por otra parte, una
mutación en los genes que codifican esta enzima, o un mal funcionamiento de ella,
pueden propiciar el desarrollo de varias enfermedades, en especial de tipo neurológico o
vascular. Resulta muy interesante el hecho de que se ha informado que la eliminación
total del gen de la SOD2 en ratones es letal; es decir, los ratones que no poseen dicha
enzima no llegan a término, lo que demuestra la trascendencia de la SOD2.
 
Catalasas y peroxidasas
Las peroxidasas son las enzimas responsables de eliminar los hidroperóxidos, tanto el
H2O2 como los ROOH. Esta descomposición ocurre mediante una óxido-reducción que
emplea una molécula específica como agente reductor. Las peroxidasas pueden utilizar
agentes reductores diferentes para llevar a cabo esta reacción y pueden tener mecanismos
catalíticos distintos. Las enzimas que eliminan peróxidos se dividen en dos grupos,
catalasas y peroxidasas.
La catalasa (CAT) es una enzima que se encuentra en mayor medida en los
887
https://booksmedicos.org
peroxisomas, y protege la célula de la acumulación de H2O2 degradándolo hasta
convertirlo en agua. Para llevar a cabo su función, la CAT emplea una segunda molécula
de H2O2 como agente reductor, por lo que no necesita de ningún otro sustrato:
 
 
 
Además, se sabe que la CAT también puede actuar como una peroxidasa utilizando un
agente reductor (RH2):
 
 
La catalasa tiene una afinidad relativamente baja por su sustrato pero con una Vmáx
alta, por lo que más a menudo se encuentra activa cuando existen altas concentraciones
de H2O2. Esta enzima se ha utilizado para tratar procesos en que se ha involucrado al
H2O2 como el principal agente dañino, por ejemplo en el daño por inflamación y en la
enfermedad xerodermia pigmentosa.
Por otra parte, las peroxidasas son mucho más afines al H2O2 y a los ROOH, por lo
que tienen la capacidad de eliminarlos cuando se encuentran a bajas concentraciones,
aunque necesitan un agente reductor para poder llevar a cabo su función.
Entre las peroxidasas más importantes se encuentra la glutatión peroxidasa (GPx). Esta
enzima requiere la participación del glutatión reducido (GSH) como agente reductor:
 
 
 
La GPx también cataliza la reducción dependiente del GSH de los hidroperóxidos de los
ácidos grasos, por ejemplo, los productos de la lipoperoxidación de los ácidos linolénico y
linoleico, del 7β-hidroperóxido del colesterol y varios hidroperóxidos sintéticos, como el
cumeno y los t-butil hidroperóxidos. En todos estos casos el grupo peróxido (ROOH) es
reducido a alcohol (ROH):
 
 
La GPx es una selenoproteína. El selenio (Se) es un elemento esencial que participa en
888
https://booksmedicos.org
muchos procesos biológicos y es también un micronutriente fundamental para el
mantenimiento óptimo del sistema inmunitario, por lo que muchas enfermedades están
asociadas con su deficiencia. Se ha propuesto que las GPx selenodependientes
intervienen en la modulación de la respuesta inflamatoria. La deficiencia de selenio puede
estar asociada con muchos tipos de cáncer, incluyendo los de esófago, estómago, colon y
próstata. Dicha deficiencia provoca pérdida de la actividad de otras selenoproteínas, de la
estabilidad de los mRNA y de la traducción de las proteínas.
 
Tiorredoxinas
Las tiorredoxinas (Trx) son una familia de proteínas pequeñas (12 kDa) que se encuentra
muy conservada en la escala evolutiva. Están implicadas en un gran número de funciones
celulares, entre la que se destaca su actividad antioxidante. De manera similar al GSH, las
proteínas de la familia de las Trx presentan en su sitio catalítico dos cisteínas con grupos
sulfhidrilo reducidos (-SH), por lo que a la enzima reducida se le representa como Trx-
[SH]2. Estas cisteínas son capaces de transferir sus equivalentes reductores y, por tanto,
oxidarse de manerareversible, para generar la especie oxidada de la enzima (Trx-S-S-
Trx). La reacción para regenerar la Trx reducida (Trx-[SH]2) es catalizada por la enzima
Trx reductasa (Trx-R), que es una flavoproteína dependiente de NADPH.
 
Peroxirredoxinas
Recién se ha reconocido como antioxidantes a las peroxirredoxinas, una familia de
peroxidasas pequeñas (22-27 kDa) no dependientes de selenio. En mamíferos esta
familia se compone de seis isozimas, las peroxirredoxinas (Prx) 1 a 6. Se sabe que las Prx
tienen la capacidad de reducir el H2O2, los hidroperóxidos orgánicos y quizás el
peroxinitrito, por lo que realizan una función importante en los sistemas antioxidantes de
mamíferos, en donde participan en conjunto con las Trx y las Trx-reductasas. Además de
su papel protector contra el estrés oxidante, las Prx también actúan en la regulación de
varias vías de transducción de señales y en la actualidad existe suficiente evidencia
experimental para corroborar que participan en la protección contra diversos trastornos
neurológicos en los cuales se encuentra involucrado el estrés oxidante.
 
889
https://booksmedicos.org
Estrés oxidante y transducción de señales
En condiciones metabólicas normales, debe existir un balance entre los procesos
oxidantes, en donde hay producción de ERO, y los sistemas de defensa antioxidante y de
reparación del daño oxidante. Lo anterior mantiene la homeostasis celular y la regulación
del estado redox intracelular mediante retroalimentaciones positivas y negativas. Sin
embargo, cuando no se mantiene un balance entre ellos, ya sea por la pérdida o la
disminución del sistema protector, por un aumento en la producción de las ERO o por
ambos factores de manera simultánea, se dice que existe un estado de estrés oxidante,
que ocasiona graves disfunciones metabólicas.
Es por esto que para hablar de daño por especies oxidantes, habrá que considerar el
concepto de estrés oxidante, que no es el estado habitual de las células, sino que se da
durante los estados patológicos, o bajo algunas circunstancias especiales, como durante el
envejecimiento o la hipoxia-reperfusión.
Cabe mencionar que aunque la célula debe mantener cierto estado redox para estar en
homeostasis, esto no implica que el balance entre las especies reducidas y oxidadas se
mantenga siempre igual. Se trata de un proceso dinámico durante el cual varios factores
de crecimiento y citocinas, así como enzimas, entre las que destaca la NADPH oxidasa
(NOX), producen ERO, como intermediarias en la señalización. Se sabe que los cambios
sutiles en el equilibrio redox permiten un control versátil en la expresión génica y de
transducción de señales, así como de las vías relacionadas con el crecimiento,
proliferación, diferenciación y muerte, entre otras actividades celulares.
Al parecer, este tipo de regulación está asociada con la oxidación o la reducción de los
grupos tiol (-SH) de los residuos cisteína en los sitios catalíticos de algunas proteínas que
se han considerado “detectoras” del estado redox. Dichas proteínas cambian su
conformación al oxidar o reducir los tioles (de –SH pasan a –S-S–), por lo que pueden
activar ciertas vías de señalización o liberar factores de transcripción que se activan y son
capaces de translocarse al núcleo. Entre los factores de transcripción que se sabe
responden a cambios en el estado redox se encuentran las moléculas de AP1, NFκB y
Nrf2.
 
890
https://booksmedicos.org
Teoría del envejecimiento por radicales libres
La teoría del envejecimiento por radicales libres propuesta por D. Harman en el decenio
de 1950-59, sugiere que la pérdida de funciones celulares relacionada con el
envejecimiento es el resultado de la acumulación del daño oxidante no reparado sobre los
distintos componentes celulares, producto de los radicales libres. Desde entonces se han
acumulado muchas evidencias experimentales que correlacionan el aumento de la edad
con el incremento de los daños oxidantes en las biomoléculas.
Sin embargo, en los años recientes se demostró que el eliminar a las enzimas
antioxidantes (usando animales mutantes) o bien sobreexpresarlas (con animales
transgénicos), si bien afecta la cantidad de daño acumulado no aumenta o disminuye la
longevidad. Ello ha hecho que se replantee la hipótesis y hoy en día la generación de
daño oxidante con la edad se ha asociado a ciertas enfermedades más no a la longevidad
misma.
 
Agradecimientos
La autora agradece al CONACyT por el apoyo a los proyectos FON.INST/298/2016 y
FOSSIS 272256.
 
Preguntas de reforzamiento
1 ¿Cuál de las siguientes moléculas no es un radical libre?
 
a) H2O2
b) •OH
c) CCl3•
d) O2
•
2 El primer evento durante la lipoperoxidación es:
 
a) El rearreglo molecular.
b) Ataque de un oxígeno singulete.
c) Abstracción del hidrógeno.
d) Eliminación de un electrón.
3 Los catalizadores de la reacción de Fenton son:
 
a) Mg+2/Cu+1
b) Fe+2/Cu+1
c) Zn+2/Cu+1
d) Mn+2/Cu+1
4 Los grupos son ____________ un distintivo de una proteína oxidada y la hacen susceptible a proteólisis
 
a) Metilos.
891
https://booksmedicos.org
b) Sulfhidrilos.
c) Carbonilos.
d) Hidroxilos.
5 ¿El daño oxidante en las bases nitrogenadas del DNA da como resultado?
 
a) Rompimiento del enlace fosfodiester.
b) Rompimientos de cadenas dobles.
c) Mutaciones puntuales.
d) Transversiones.
6 Es un ejemplo de un antioxidante no enzimático
 
a) Ácido ascórbico.
b) Ácido cítrico.
c) Ácido acético.
d) Ácido propiónico.
7 El aminoácido que le confiere la capacidad antioxidante al glutatión es:
 
a) Cisteína
b) Ácido glutámico
c) Glutamina
d) Glicina
8 El agente reductor que emplea por lo general la catalasa para degradar al H2O2 es:
 
a) NADPH
b) NADH
c) GSH
d) H2O2
9 Enzima antioxidante que es una selenoproteína
 
a) Tiorredoxina.
b) Superóxido dismutasa.
c) Catalasa.
d) Glutatión peroxiodasa.
10 Esta enzima genera ERO y participa en la señalización celular
 
a) NADPH oxidasa.
b) Lactato deshidrogenasa.
c) Glutatión oxidasa.
d) Piruvato deshidrogenasa.
Respuestas: 1. a; 2. c; 3. b; 4. c; 5. c; 6. a; 7. a; 8. d; 9. d; 10. a;
 
Referencias
Halliwell B, Gutteridge MC: Free Radicals in Biology and Medicine, 3rd ed. New York: Oxford University Press Inc. 1999.
Hermes-Lima M: Oxygen in Biology and Biochemistry: Role of Free Radicals. En: Storey KB (ed). Functional Metabolism:
Regulation and Adaptation. Hoboken, New Jersey: John Wiley and Sons Inc, 2004. Capítulo 12: 319-368.
Hermes-Lima M: Oxidative stress and Medical Sciences. En: Storey KB (ed). Functional Metabolism: Regulation and Adaptation.
Hoboken, New Jersey: John Wiley and Sons Inc, 2004. Capítulo 13: 369-382.
892
https://booksmedicos.org
	Botón1: