Redox y radicales libres

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BIOQUIMICA, INMUNOLOGÍA Y NUTRICIÓN NORMAL 
 
OXIDACIONES BIOLÓGICAS Y RADICALES LIBRES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Reacciones de oxidación y reducción 
Las reacciones de reducción-oxidación (también conocido como reacciones redox) 
son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre 
un conjunto de especies químicas, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y 
una forma oxidada respectivamente). 
Para que exista una reacción redox, en el sistema debe haber una especie que 
ceda electrones y otra especie que las acepte: 
 El reductor es aquella especie química que tiende a ceder electrones de su 
estructura química al medio, quedando con una carga positiva mayor a la que 
tenía. 
 El oxidante es la especie que tiende a captar esos electrones, quedando con 
carga positiva menor a la que tenía. 
Cuando una especie química reductora cede electrones al medio se convierte en 
una especie oxidada, y la relación que guarda con su precursor queda establecida 
mediante lo que se llama un par redox. Análogamente, se dice que cuando una 
especie capta electrones del medio se convierte en una especie reducida, e 
igualmente forma un par redox con su precursor reducido. 
 
1. Oxidación: La oxidación es una reacción química donde un metal o un no metal ceden 
 electrones, y por tanto aumenta su estado de oxidación: 
 Cuando un ion o átomo se oxida: 
 Gana oxígeno 
 Pierde hidrógeno 
 Pierde electrones 
 Actúa como agente reductor 
 Es oxidado por un agente oxidante 
 Aumenta su estado o número de oxidación 
 
2. Reducción 
En química, es el proceso electroquímico por el cual un átomo o ion gana uno o 
 varios electrones. Implica la disminución de su estado de oxidación. Este proceso es 
 contrario al de oxidación: 
 Cuando un ion o átomo se reduce: 
 Pierde oxígeno 
 Gana hidrógenos 
 Gana electrones 
 Actúa como agente oxidante 
 Es reducido por un agente reductor 
 Disminuye su estado o número de oxidación 
 
Las reacciones de oxidación y reducción se asemejan a otros tipos de reacciones de 
transferencia de grupo excepto por que los "grupos" transferidos son electrones. En la 
reacción: 
Fe3+ + Cu+ Fe2+ + Cu2+ 
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Cu+, el reductor se oxida a Cu2+ mientras que el Fe3+, el oxidante se reduce a Fe2+. 
Las reacciones oxidación y reducción (redox) pueden dividirse en dos 
hemirreacciones, como 
Fe3+ + e- Fe2+ (reducción) 
Cu+ Cu2+ + e- (oxidación) 
cuya suma es la reacción global anterior. Nótese que ambas reacciones deben ocurrir 
en forma simultánea para que los electrones se transfieran. De hecho, los electrones 
son los intermediarios comunes a ambas hemirreacciones. 
 
3. Potenciales Redox 
Es un valor numérico que mide la tendencia de un agente reductor a perder electrones o 
de un agente oxidante a ganarlos. Nos permite conocer la fuerza o actividad oxidante o 
reductora de una sustancia. 
Por ejemplo, en la reacción en la que el oxígeno es reducido por el NADH: 
½ O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ 
 
Las hemirreacciones y sus valores de E´º son: 
(1) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E´º = +0,82 V 
(2) NAD+ + 2 H+ + 2 e- NADH + H+ E´º = –0,32 V 
Un valor positivo del E´° indica que la sustancia tiene tendencia a reducirse y un 
valor de E´° negativo caracteriza a una sustancia con tendencia a oxidarse. 
 
4. Transportadores universales de electrones 
 Los electrones se transfieren de una molécula (donador de electrones) a otra 
 (aceptor de electrones) de cuatro formas diferentes: 
1) Directamente como electrones: 
El par redox Fe2+ / Fe3+ puede transferir un electrón al par Cu+ / Cu2+ 
2) En forma de átomos de hidrógeno: 
AH2 + B A + BH2 
3) En forma de ión hidruro (H-): 
4) A través de una combinación directa con el oxígeno: 
 R-CH3 + ½ O2 → R-CH2-OH 
 
Existen varios compuestos que participan en la transferencia de electrones: 
1) Coenzimas hidrosolubles: NAD+ y NADP+, FMN y FAD 
 2) Quinonas liposolubles en membranas: ubiquinona y plastoquinona (también 
 donadores de protones) 
 3) Proteínas ferro-sulfuradas y citocromos.
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a) NAD+ y FAD 
 Dos de los transportadores de electrones más comunes son las coenzimas de 
 Nucleótidos: nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y flavina adenina 
dinucleótido (FAD). 
 NAD y su análogo fosforilado NADP+, se reducen a NADH+ H+ o NADPH+ H+, 
 aceptado un ión hidruro (H–, un protón con dos electrones) a partir de un 
 sustrato oxidable. El ión hidruro se 
 puede adicionar en la parte frontal (cara 
A) o posterior (cara B) del anillo plano 
 de nicotinamida. 
 
 
 
AH2 + NAD+  A + NADH + H+ 
AH2 + NADP+ A + NADPH + H+ 
 
 
 
 
 
 
 
 
El FAD es una de estas coenzimas, y puede experimentar la transferencia de uno 
y dos electrones. El sistema de anillos conjugados del FAD o del FMN puede 
aceptar uno o dos electrones para producir el radical estable (semiquinona) FADH· 
o la forma totalmente reducida FADH2 (hidroquinona). 
 
 
 
 
 
 
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Las funciones metabólicas del NAD+ y del FAD exigen que ellos experimenten una 
reducción reversible de modo tal que ellos puedan aceptar electrones, pasarlos a otros 
transportadores de electrones y en consecuencia, regenerarse para participar en otros 
ciclos de oxidación y reducción. 
 
5. Enzimas oxidoreductasas: 
Son enzimas que catalizan procesos de óxido-reducción. Se clasifican en: 
a) Deshidrogenasas: intervienen en la mayoría de los procesos Redox; utilizan cofactores 
del tipo NAD+, NADP+, FAD o FMN. 
 
b) Oxidasa: utilizan al oxígeno como aceptor de electrones y se reduce a agua. 
 
c) Catalasa: utiliza al peróxido de hidrógeno como sustrato de la reacción Redox. 
 
d) Peroxidasa: además de utilizar al peróxido de hidrógeno como sustrato, también utilia 
un dador de protones que se oxida en la reacción. 
 
e) Oxigenasas: utilizan la molécula de oxígeno que aporta átomos de oxígeno a la 
sustancia que se oxida. 
 
 
Radicales libres y toxicidad del 
oxígeno (especies reactivas del 
oxígeno) 
Los radicales libres son especies químicas (átomos o moléculas) de existencia 
independiente que tienen un electrón desapareado (un solo electrón en un orbital), 
y se comportan como fragmentos moleculares muy reactivos. Son muy inestables 
y de vida efímera, con una enorme capacidad para combinarse con una diversidad 
de moléculas integrantes de estructuras celulares. 
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 
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reactivas en ausencia o disminución de la actividad de 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. Formación de radicales libres: 
Se pueden formar de tres maneras diferentes: 
a) Por ruptura homolítica de un enlace covalente de una molécula normal donde 
cada fragmento retiene un electrón. Este mecanismo el más común. 
 X=Y X* + Y* 
 
b) Por la pérdida de un electrón de una molécula normal. 
 A A+* + e- 
 
c) Por la adición de un electrón a una molécula normal. 
 A + e- A-* 
 
Losradicales libres pueden ser especies neutras, aniones o cationes. 
 
Los mecanismos que permiten la formación de estos radicales libres pueden ser: 
radiaciones ionizantes, ultravioletas y térmicas; reacciones Redox y reacciones 
catalizadas por algunas enzimas. 
Existen mecanismos exógenos que pueden generar radicales libres como: los 
diferentes tipos de radiaciones: X, UV, γ, etc y algunos fármacos. 
Los mecanismos endógenos que pueden generar radicales libres son: la cadena 
respiratoria, las células fagocíticas como macrógagos y polimorfonucleares, la 
enzima xantino oxidasa, situaciones como la reperfusión de tejidos anóxicos, etc. 
 
2. Especies reactivas 
 El oxígeno es capaz de generar dos tipos de especies químicas reactivas, que 
son muy perjudiciales para los seres vivos. 
 a) Especies reactivas de oxígeno (ROS) 
 Radical superóxido (O2-) (radical libre) 
 Peróxido de hidrógeno (H2O2) 
 Radical hidroxilo (OH•) (radical libre) 
b) 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) 
 
Radicales libres del oxígeno (especies reactivas del oxígeno): 
El oxígeno es capaz de aceptar uno a uno, hasta cuatro electrones y de esa 
manera reducirse a agua. Si el proceso no es completo puede dar lugar a la 
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formación de radicales libres: si acepta un electrón genera radical superóxido, si 
acepta dos electrones se forma el peróxido de hidrogeno y si acepta tres se genera 
el radical hidroxilo. 
 
 
El H2O2 o peróxido de hidrógeno no es un radical libre, pero al ser un oxidante 
débil puede formarlos por interacción con metales (reacción de Fenton) en una 
reacción no enzimática y producir así radical hidroxilo 
 
3. 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 En este proceso intervienen varias enzimas y procesos no enzimáticos: 
 La NADPH deshidrogenasa cataliza la transferencia de un electrón del NADPH 
al O2 para formar el anión superóxido O2- que luego es transformado en peróxido 
de hidrógeno (H2O2) por la Superóxido dismutasa. El peróxido de hidrógeno es 
posteriormente transformado en ácido hipocloroso (HOCl) por una enzima 
mieloperoxidasa. 
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 polimorfonucleares se activan para producir óxido nítrico (ON) 
también se activa la NADPH deshidrogenasa. El óxido nítrico reacciona con el 
anión superóxido O2- y origina peroxinitrito (ONOO-) el cuál puede formar otros 
radicales libres. 
 
 
4. Mecanismos antioxidantes: 
Mientras en el organismo existan mecanismos antioxidantes o sustancias que 
reaccionan con los radicales libres transformándolos en especies no radicales 
nuestro organismo evita el daño que pueden producir estas sustancias. Sin 
embargo, cuando los radicales libres superan nuestros mecanismos antioxidantes 
el organismo va a sufrir un stress oxidativo donde se observan daños causados 
por los radicales libres. 
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 
 
A) Enzimas de la defensa antioxidante 
 Las más importantes son: 
 Superóxido dismutasa (SOD): Cataliza la dismutación del oxígeno 
 2 O2- + 2H+ O2 + H2O2 
 
 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 H2O2 O2 + 2 H2O 
 
 Glutatión peroxidasa: El glutatión, un tripéptido γ-glu-cis-gli, es uno de los 
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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. 
 
 
B) Antioxidantes endógenos: 
 Ácido úrico: se origina en la degradación de las purinas por la enzima 
xantina deshidrogenansa. Es importante en las vías aéreas, donde hay 
pocos sistemas antioxidantes. Los productos originados por la reacción con 
los radicales libres se excretan por la orina. 
 Melatonina: una neurohormona secretada por la glándula pineal, cede un 
electrón en forma de hidrogeno a los radicales libres. 
 Glutatión: es uno de los instrumentos principales que posee para protegerse 
del daño oxidativo, actúa junto a la enzima glutatión peroxidasa. 
 
C) Antioxidantes de la dieta: 
 Vitamina E: incluye tocoferoles, de los cuáles el más importante es el α 
tocoferol. Es una vitamina liposoluble con importante protección contra la 
peroxidación lipídica, donando un electro al radical libre. 
 Ácido ascórbico o vitamina C: es una coenzima que actúa en su forma 
reducida regenerando la vitamina E, donándoles electrones en un proceso 
Redox. 
 Carotenoides: es específicamente el β-caroteno (precursor de la vitamina 
A). 
 Flavonoides: Son un grupo de compuestos, similares estructuralmente, que 
contienen anillos aromáticos en los que hay dobles enlaces conjugados. 
 
D) 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 
Glutatión reducido 
Glutatión oxidado 
H2O2 
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E) Secuestro de metales 
Ciertos metales como el Fe++ o el Cu+ pueden donar electrones en la reacción de 
Fenton, lo cual oxida a los iones metálicos y genera radical hidroxilo (OH*). 
El Fe++ es almacenado como Fe movilizable en la Ferritina para evitar su 
oxidación y su exceso es almacenado como Fe no movilizable en los depósitos 
de hemosiderina. 
 
5. Daños producidos por los radicales libres (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. Esto provoca 
alteraciones estructurales que alteran la permeabilidad. 
También se pueden oxidar lipoproteínas como las LDL favoreciendo la formación 
de placas de ateroma. 
- 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. Esto lleva a la pérdida de la funcionalidad de numerosas 
proteínas. 
 - Daño al ADN nuclear y mitocondrial: la desaminaciónde la citosina en uracilo y 
de la 5-metilitosina en timidina; así como también la ruptura de una de las dos 
hebras del ADN. Además, la unión no específica del Fe2+ al ADN facilita la 
formación de radical hidroxilo, el cual altera el ADN. Se puede observar 
mutaciones en el ADN y carcinogénesis, así como también la pérdida de la 
expresión de algunos genes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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