Radicales Libres y Longevidad
Escrito por Dr. Nicolás Rubio García   

 

Trabajo de actualización, realizado para el Master antienvejecimiento

 
El envejecimiento es un proceso multifactorial, del que se han propuesto muchas teorías para lograr una explicación. Medvedev (1) en 1990, recoge más de cien teorías  y todas con la intención de explicar el envejecimiento. Aunque muchas de estas no son excluyentes entre si. Una de las más importantes es la de los radicales libres, propuesta por Harman en 1956. De acuerdo con esta teoría, los radicales libres producidos durante el metabolismo del oxigeno  causan daño a las células, lo cual conduce a alteraciones en el metabolismo y función celulares que se reflejan en alteraciones en las funciones fisiológicas del  organismo.
 
La idea general que propone la teoría de los radicales libres de Harman es que los antioxidantes celulares no son capaces de detoxificar las especies reactivas de oxigeno que se generan continuamente en la vida. Así el envejecimiento celular está asociado con un estrés oxidativo crónico. Sies define el estrés oxidativo como una alteración en el equilibrio entre los pro-oxidantes y antioxidantes a favor de los primeros.

Existe una gran cantidad de evidencia experimental que apoya la teoría de los radicales libres. Entres estas evidencias tenemos:

  1. La relación inversa entre la vida de los mamíferos y su metabolismo basal.
  2. El aumento en la vida media de animales trangenicos que expresan grandes cantidades de antioxidantes enzimáticos.
  3. El daño asociado a radicales libres, que se observa en las células envejecidas.
  4. El hecho de que la vida media de muchas especies, aumentan cuando se suplementan con antioxidantes.
  5. La evidencia del papel de los radicales libres en enfermedades degenerativas asociadas con el envejecimiento.
 
Estres oxidativo
 
La relación inversa entre longevidad y la cantidad de energía que se necesita para el crecimiento, se conoce desde principio de siglo.  En general las especies que tienen un consumo de oxigeno alto, tienen una longevidad baja. Aunque la verdad es que también tenemos excepciones, entre las que se cuentan los pájaros y los primates. Pero esto puede explicarse porque el sistema de las mitocondrias de las células de estos animales, producen menos radicales libres que las mitocondrias de otros animales como la rata. Es la llamada “teoría de la velocidad de la vida”. Conocida desde principio de siglo, y que no está en contradicción con la teoría de los radicales libres.  Las especies más longevas producen menos radicales libres que las especies menos longevas.

Cualquier teoría del envejecimiento debe de ser capaz de explicar tres de sus características principales: es progresivo, universal y endógeno. El carácter progresivo del envejecimiento significa que ocurre a lo largo de toda la vida del individuo, tanto joven como viejo, con una intensidad más o menos constante. Además todos los individuos envejecen, y lo mismo puede decirse de prácticamente todas las especies animales multicelulares, especialmente de aquellas que, como la humana, dejan de crecer al alcanzar el desarrollo adulto. Finalmente, tiene que explicar que el envejecimiento es interno, lo que explica que el envejecimiento continúe aunque se proteja al individuo de toda fuente de daño procedente del medio ambiente. Esto explica que las distintas especies animales envejecen a velocidades diferentes, a pesar de vivir en el mismo medio ambiente. Lo que explica que la velocidad de envejecimiento de cada especie animal, o lo que es lo mismo su longevidad máxima, está determinada fundamentalmente por su componente genético, y no por el medio ambiente.

La  teoría del envejecimiento inducida por radicales libres, sobre todo los de origen mitocondrial, tiene en cuenta las tres características que hemos mencionado. De hecho alrededor del 2% de todo el oxigeno que utilizan las células no se convierte en agua, sino es especies reactivas de oxigeno (ROS), y ello le vale al investigador español, Jaime Miquel y sus colaboradores, a señalar la importancia de la mitocondria y especialmente el DNA mitocondrial, para entender el envejecimiento.

Es ampliamente conocido, que las personas longevas, poseen un menor potencial para adaptarse a los cambios ambientales. Esta capacidad limitada de los organismos vivos para responder al estrés y para mantener la homeostasis, es un fenómeno observado durante el envejecimiento en todos los organismos vivos.  A medida que un organismo envejece disminuye la capacidad de respuesta a la agresión, que es la responsable de la morbilidad y mortalidad de la senectud.

Los radicales libres (ROS), aunque también son producidos por el sistema fagocítico, los más importantes son los de origen mitocondrial.  La mitocondria  es una diminuta estructura celular de doble membrana y responsable de la conversión de nutrientes en el compuesto rico en energía trifosfato de adenosina (ATP), que actúa como combustible celular. Por esta función que desempeñan, llamada respiración celular, se dice que las mitocondrias, son el motor de la célula. Las mitocondrias son orgánulos celulares y filamentosos que se encuentran como flotando en el citoplasma de todas las células eucariotas.  Aunque su distribución dentro de la célula es generalmente uniforme, existen numerosos excepciones. Por otro lado las mitocondrias pueden desplazarse de una parte a otra de las células. El tamaño también es variable, pero lo más frecuente es que tenga un ancho de media micra y una longitud de cinco micras. En promedio, hay unas 2000 mitocondrias por célula, aunque cuando estas desarrollan trabajos intensos, como las musculares, tienen un mayor numero. Y otras, como las epiteliales y endoteliales, tienen un menor número. Están envueltas en una membrana doble, dentro de la cual existe una película liquida, que contiene  ADN, que contienen información sobre la síntesis de proteínas.

La principal función de las mitocondrias es la de generar energía para mantener la actividad celular mediante procesos de respiración aerobia. En una serie de reacciones, parte de las cuales siguen el llamado ciclo de Krebs o del acido cítrico, el acido pirúvico reacciona con agua para producir dióxido de carbono y diez átomos de hidrogeno. Estos átomos de hidrogeno se transportan hasta las crestas de la membrana interior a lo largo de una cadena de moléculas llamadas coenzimas. Una vez allí las citadas coenzimas donan los átomos de hidrogeno a una serie  de proteínas enlazadas a la membrana, que forman lo que se llama una cadena de transporte de electrones.  Esta cadena de transporte de electrones, separa a estos de los protones de cada uno de los diez átomos de hidrogeno, que acaban por combinarse con oxigeno y formar agua.  La energía se libera a medida que los electrones pasan desde la coenzima a los átomos de oxigeno.

Cuando una célula se divide, las mitocondrias se reproducen con independencia del núcleo. Las dos células hijas formadas después de la división, reciben cada una la mitad de las mitocondrias. Cuando el espermatozoide fecunda el ovulo, las mitocondrias quedan fuera del huevo. El cigoto fecundado hereda solo las mitocondrias de la madre. Esta herencia materna crea un árbol familiar que no se ve afectado por la recombinación de genes que tiene lugar entre el padre y la madre. Una comparación reciente de muestras de ADN humano sugiere que la humanidad desciende de una mujer que vivió en África hace unos 300.000 años. Muestras genéticas tomadas de grupos étnicos africanos, asiáticos, australianos, europeos y de Nueva Guinea han revelado un número específico de ADN. La comparación de estos tipos ha permitido a los científicos construir un árbol genealógico que sugiere que los distintos grupos empezaron probablemente a evolucionar por separado. En este árbol,  el ADN africano ocupa  la rama más larga y antigua y de ella brotan los demás grupos étnicos. Probablemente había otras muchas mujeres vivas en la época de la llamada Eva  mitocondrial, pero sus líneas de herencia materna se han extinguido. Esto ocurre habitualmente cuando una generación de una familia, no genera ninguna hija.

Este tipo de análisis de ADN se aplica también en investigaciones forenses. Recientemente se ha establecido la identidad de unos esqueletos presuntamente pertenecientes al Zar Nicolás II de Rusia y a su familia, mediante el estudio genético. El obtenido de un pariente vivo de la familia del Zar, resultó ser  idéntico al encontrado en los restos de Alejandra de Rusia, esposa del mismo y en tres de sus hijos.   Como el ADN se hereda por línea materna, el del esqueleto del Zar no coincidía con el hallado en los restos de la zarina y de sus hijos.

Las mitocondrias, vital para las células de todos los organismos aerobios, y que generan el ATP, que es la moneda internacional de la energía, a partir del oxigeno molecular, que tiene también su lado perjudicial. Cada átomo de oxigeno posee un electrón desapareado en su orbital mas externo, y la molécula de oxigeno posee dos electrones desapareados, en dos orbitales distintos, de manera que el átomo de oxigeno es un radical libre y la molécula un biradical  libre. Cuando en el ambiente intracelular, el oxigeno sufre reducciones univalentes, se generan los llamados intermediarios reactivos. El radical superoxido, el peroxido de hidrogeno y el radical hidroxilo, son los subproductos de esta reducción univalente denominados especies reactivas de oxigeno (ROS)
 
Radical superóxido
 
Que las mitocondrias generan gran cantidad de radicales libres, está fuera de toda duda, de hecho el 2% de todo el oxigeno que utilizan los mamíferos no se emplea para formar agua, sino que se deriva hacia la formación de los mismos. La tasa de formación de ión súperóxido y peroxido de hidrogeno aumenta con el envejecimiento, ya que sabemos que las células  postmitoticas acumulan varios pigmentos asociados al mismo, como es la lipofucsina, que es un derivado de las mitocondrias dañadas. Las mitocondrias de animales viejos producen más radicales libres, que la de los jóvenes. Esto nos lleva a la conclusión de que la generación de prooxidantes es un factor crítico en la velocidad del envejecimiento.

Para sobrevivir en este ambiente aerobio poco favorable, los organismos vivos han desarrollado una serie de sistemas enzimáticos y una variedad de compuestos antioxidantes, hidro y liposolubles, cuyo papel es: secuestrar, interceptar e inactivar los ROS que inevitablemente se sintetizan.  Las células también poseen la capacidad de sintetizar una serie de sistemas enzimáticos reparadores/eliminadores de la lesión en: proteínas, lípidos y DNA. Como la intensidad del  Estrés oxidativo puede variar de un momento a otro, los organismos pueden adaptarse al estrés fluctuante induciendo en un determinado momento la síntesis de enzimas antioxidante y reparadoras, cuya misión es evitar o eliminar la lesión.
 
Peróxido de Hidrógeno
 
Ante una producción continua de radicales libres, se necesitan mecanismos que minimicen el daño oxidativo. La producción de radicales libres en las células está contrarrestada, aunque solo parcialmente por los antioxidantes endógenos celulares, para producir un equilibrio en el estrés oxidativo, compatible con la viabilidad celular. La mayoría de los estudios sobre longevidad animal realizados inicialmente se centraron más en los factores antioxidantes que en los prooxidantes, ya que los primeros son mucho más fáciles de cuantificar... Las primeras hipótesis surgieron al considerar que el envejecimiento, se podría deber a  un descenso en los niveles antioxidantes, a medida que el individuo envejece. Sin embargo se observa que las variaciones en las concentraciones de antioxidantes, no se modifica según un patrón uniforme, ya que disminuían, aumentaban o no variaban en los animales viejos, dependiendo del antioxidante medido, el órgano estudiado o la especie animal estudiada (4).

Sin embargo varios autores, y con estudios comparados, consideran que los antioxidantes  son los factores más determinantes en el envejecimiento.

Radical hidroxilo

El problema de estos estudios es que los animales comparados tienen tamaños corporales muy diferentes. Que los animales grandes tienen tasas metabólicas específicas menores que los pequeños. La mayor longevidad se debe a que tienen un menor consumo de oxigeno por unidad de masa.  La paradoja del oxigeno se deriva de su propia naturaleza de radical que le permite reacciones químicas de oxidación/reducción. En la reducción univalente el oxigeno sufre cuatro sucesivas reducciones con un electrón, catalizadas por la citocromo oxidasa de la cadena de transporte mitocondrial. En esta vía se generan los intermediarios reactivos siguientes: el radical superoxido, que es el resultante de la reducción del oxigeno molecular con un electrón. El segundo es la especie activa peroxido de hidrogeno (H2O2), resultante de la adicción de un segundo electrón y dos protones. El tercero es el radical hidroxilo (OH),  que posee una elevada reactividad, resultante de la incorporación de un tercer electrón y un protón. Y en la actualidad es considerado como el principal iniciador del ataque a todo tipo de macromoléculas, aunque existen otros iniciadores. Su electrón desapareado puede reaccionar inespecíficamente con casi cualquier tipo de molécula, en un entorno de 2-4 diámetros moleculares de su lugar de formación. El cuarto electrón y otro protón generan la molécula de agua.

Hay que conocer, que un radical libre es: una molécula o un átomo que posee un electrón desapareado en su orbital más periférico.

Sin embargo existen muy diversas especies reactivas, unas que son reactivas y otras no reactivas.

Principales especies reactivas

En la figura siguiente, se muestra como se generan la secuencia de acontecimientos, para la obtención de radicales libres, derivados del oxigeno:

Generación de los radicales libres

El Radical Súperóxido, carece de reactividad suficiente para atacar directamente a más macromoléculas. Sin embargo en presencia de trazas catalizadoras de metales pesados, como el hierro o cobre, la combinación del radical súperóxido y el peróxido de hidrogeno, en la llamada Reacción de Fenton da lugar al Radical Hidroxilo. Como observamos el Fe, solo tiene como función, el del papel de catalizador. Y el O2 necesita que exista H2O2 para generar OH, pero contrariamente el H2O2, no.

Esto, junto a la presencia del H2O2 en las células a concentraciones muy superiores  a las del O2, convierte al peroxido de hidrogeno en una especie con una gran capacidad de generar daño oxidativo a pesar de no ser un radical libre... La alta reactividad del OH impide su difusión a largas distancias a través de la célula, papel que le correspondería al H2O2. Este último seria por tanto también responsable de la propagación del daño oxidativo entre fracciones subcelulares La sola presencia de estas dos sustancias  simultáneamente (o sea O2 y  H2O2), o solo H2O2, pueden generar OH, en la mayoría de los rincones celulares.

Por otra parte, si el oxigeno basal (forma triplete), que es un biradical como hemos visto anteriormente, con espines paralelos, se le suministra energía suficiente, uno de sus dos electrones desapareados sufre una inversión del spin, quedando ambos antiparalelos, lo que le confiere una gran reactividad (oxigeno singlete). Las reacciones oxidativas en las que intervienen el oxigeno singlete se manifiestan y son cuantificables por la emisión espontánea de quimioluminiscencia de baja intensidad en todo tipo de célula. La mayoría de los autores han dejado de considerar el singlete como iniciador biológico del daño oxidativo. En condiciones fisiológicas, el nivel de antioxidantes supera en varias órdenes de magnitud la concentración de especies reactivas en su estado estacionario. A pesar de esto, la formación de ROS tiene lugar de forma continua, pero siempre controlada, para mantener la homeostasis. En estas condiciones se dice que las especies reactivas ejercen efectos reguladores.

La formación de cierta tasa de radicales libres es un proceso normal e inevitable (Slater, 1984), ya que son productos de infinidad de reacciones químicas imprescindibles para la vida celular. Aunque previamente, y concretamente, en 1969,  Fridovich afirma que la formación de los radicales libres era una parte integral del metabolismo normal de la célula, pero no fue tomado muy en serio. Estas especies tan reactivas no causan daño oxidativo en condiciones normales, debido a que la célula está  provista de gran cantidad de mecanismos antioxidantes. Sin embargo cuando la capacidad de los mecanismos antioxidantes se ve superada por las agresiones oxidativas, nos encontramos ante un estrés oxidativo

Los radicales  libres se caracterizan por iniciar reacciones en cadena, reacciones autopropagadoras en las cuales un radical reactivo origina un producto que es también un radical y que a su vez reacciona y origina otro radical.  Esta situación se mantiene hasta que reaccionan dos radicales dando un compuesto no radical.

La reactividad química de los radicales libres se determina por la molécula que posee el electrón desapareado, por consiguiente, la reactividad varia enormemente entre los diferentes radicales libres. Una manera de expresar y comparar la reactividad química es evaluando la vida media (t½)  de las especies químicas. La vida media más corta la poseen los radicales de elevada reactividad, lo que nos pone de manifiesto que los radicales OH son los más reactivos La formación de OH implica reacción con cualquier molécula orgánica cercana

Otro radical libre de gran importancia es el procedente de la molécula de  nitrógeno, que se encuentra presente en la atmósfera que respiramos en un 79% y está formado por dos átomos de nitrógeno, que como átomo libre posee tres electrones desapareados, y que cuando se combina con un átomo de oxigeno, con sus dos electrones desapareados, la molécula resultante, NO  posee un numero impar de electrones. Se forma entonces un radical libre desde el punto de vista físico por poseer un electrón desapareado, pero su carácter de radical libre químico es restringido porque no se le conoce ninguna reacción de propagación en sistemas condensados... El reconocimiento de la producción de óxido nítrico, por la óxido nítrico  sintasa  (NOS) constitutiva del endotelio, es en realidad conocida desde 1980, y fue descubierta por Furchgott y Zawadzki, y con el nombre de EDRF o factor relajante derivado del endotelio, se anticiparon a lo que en la actualidad entendemos sobre el endotelio vascular, como una gran glándula endocrina.  Este factor induce una vasodilatación rápida y transitoria.

El NO puede reaccionar con el radical súperóxido, formando en una solución  acuosa, el potente oxidante denominado peroxinitrito (ONOO) que está implicado en la oxidación de proteínas en condiciones fisiológicas.

Tal y como hemos mencionado anteriormente, los radicales libres, cuando sus niveles se controlan adecuadamente, intervienen en procesos útiles para el organismo. Que es quizás lo que ha impedido su eliminación en el curso de la evolución. Por ello el estrés oxidativo es la consecuencia de la inclinación de la balanza, hacia un aumento de los radicales libres y es un estado de la célula en la cual se encuentra alterada la homeostasis oxido-reducción, que se produce en esta situación.

DAÑO OXIDATIVO LIPIDICO

De los principales macromoléculas, los lípidos y sobre todo los ácidos grasos poliinsaturados, son los más susceptibles de ser atacados por radicales libres. O también llamado PEROXIDACIÒN LIPIDICA  es el caso más conocido, desde el punto de vista de la toxicidad aguda, y la iniciación consiste en la extracción de un electrón de un carbono contiguo a un doble enlace por parte de un iniciador como el OH. De entre todas las moléculas presentes en los tejidos animales, los ácidos grasos poliinsaturados son los más sensibles a los ataques de radicales libres, a causa de poseer un doble enlace, se desprende un átomo de hidrogeno y se forma un radical alquílico, que en presencia de oxigeno forma un radical peroxido (COO), dichos radicales  son capaces de propagar la reacción en cadena radicalaria. O lo que es lo mismo que un solo ataque por un radical libre da lugar a la formación de un gran número de productos de oxidación, sobre todo aldehidos,  como malondialdehido y 4-hidroxinonenal e hidrocarburos de cadena corta como etano y pentano (Freeman y Crapo, 1982, Halliwel, 1991, Cheeseman y Slater, 1993).

Muchos de los aldehidos formados reaccionan rápidamente con los componentes celulares, con lo que causan mutaciones en el ADN y producen daños estructurales y funcionales al reaccionar con proteínas (Frei, 1994). La peroxidación lipídica se considera como un factor muy importante en el envejecimiento de células aeróbicas (Lippman, 1985).
El daño oxidativo a los lípidos de membrana celular constituye, muy probablemente, un factor de primera importancia en la disminución de la fluidez de las membranas (Shigenaga y cols, 1994)  También  se sabe que la  peroxidación lipídica forma parte de la constelación de factores etiológicos y patogénicos de enfermedades asociadas al envejecimiento. También se sabe que este daño oxidativo genera la acumulación de “pigmentos de envejecimiento” Estos son depósitos poliméricos complejos de lípidos oxidados, metales en transición y proteínas que producen una fluorescencia característica. El hecho de que encontremos metales pesados, como hierro y cobre, en altas concentraciones, en estos pigmentos, nos sugiere que dichos metales tienen un papel fundamental en su formación...

Los ácidos grasos insaturados son las macromoléculas más sensibles al daño inducido por los radicales libres que existen en las células, debido a la presencia de electrones muy inestables junto a sus dobles enlaces. Además, su sensibilidad a la peroxidación lipídica aumentan exponencialmente conforme el numero de dobles enlaces del corazón, el músculo esquelético, el riñón y el hígado de los animales longevos  (Barja y Portero, 2002), protegería a sus tejidos frente a la peroxidación lipídica de forma constitutiva tanto si tienen tasas metabólicas bajas (como los mamíferos de gran tamaño corporal), o altas (como las aves).

DAÑO OXIDATIVO A PROTEINAS

Una misión fundamental de la célula viva es la producción de proteínas funcionales bien definidas en su conformación tridimensional derivada de su estructura primaria, por tanto, el plegamiento proteico y el ensamblaje de las subunidades proteicas recién sintetizadas son aspectos esenciales de la vida.  Estas funciones las realiza una maquinaria celular sofisticada conservada a lo largo de la evolución precargota y eucariota, asistida por dos clases de proteínas. La primera incluye una serie de enzimas convencionales que catalizan reacciones especificas de isomerización que pueden limitar la tasa de plegamiento de algunas proteínas, mientras que en la segunda son las carabinas moleculares (también llamadas chaperonas) las que estabilizan las estructuras plegadas o incompletamente plegadas y protegen de la interacción inapropiada, entre o en el interior de las cadenas proteicas, que conduce a la agregación. (Cascales, 2002). Un polipéptido naciente, recién sintetizado, contiene en su propia secuencia de aminoácidos toda la información que necesita para plegarse de manera adecuada y conseguir un estado nativo funcional (Anfisen. 1973). En el proceso de plegamiento participan otros factores  además de la secuencia de aminoácidos, y las carabinas moleculares son parte de ese proceso  (Ellis y Hemmingsen, 1989).

Durante la síntesis, transporte, ensamblaje en oligómeros y secreción, las proteínas, atraviesan por estados o conformaciones inestables, fácilmente agregables. Durante el ejercicio normal de sus funciones como moléculas maduras, las proteínas pueden incluso pasar por esas conformaciones frágiles. Las carabinas moleculares han surgido para proteger a las proteínas cuando se encuentran en estados inestables y necesitan asistencia externa.  Las carabinas moleculares se consideran instrumentos celulares para ayudar a los componentes proteicos a conseguir su conformación correcta. Estos instrumentos se utilizan también por la célula para mantener la conformación durante el estrés y para facilitar su recuperación después de la perdida parcial de dicha conformación debido a la acción de agentes estresantes. Además, las carabinas moleculares intervienen en la traslocación de las proteínas desde su sitio de origen, hasta su destina final, donde se supone que tiene que ejercer su función. Recientemente, en la revista Nature, el equipo de Stuart Lipton, del Centro de Neurociencias y Envejecimiento, del Instituto Burnham, en la Jolla (California), ha descubierto un mecanismo por el que se asocia el estrés celular por los radicales libres, con la acumulación de proteínas mal plegadas, que favorecen el daño en las células nerviosas y la muerte celular en las enfermedades neurodegenerativas, sobre todo en la Enfermedad de Parkinson y Enfermedad de Alzheimer. Este nexo de unión es la proteína isomerasa disulfida, una carabina molecular o chaperona que es necesaria para el plegamiento normal de las proteínas en situaciones de estrés celular. En este trabajo se proporciona el primer nexo molecular entre el oxido nítrico  y las proteínas mal plegadas, que es la vía patogénica más común en enfermedades neurodegenerativas, entre las que encontramos la esclerosis lateral amiotrófica (ELA).  La estructura de las proteínas determinan su función, por tanto los defectos genéticos, la exposición a radicales libres y otros tipo de estrés celular, pueden producir pequeñas alteraciones estructurales que favorecen el mal plegamiento de las proteínas. Los defectos en el plegamiento o en las vías de degradación favorecen la acumulación de proteínas alteradas. La citada proteína isomerasa disulfida actúa como chaperona, y hace que dichas proteínas se repliegan y puedan funcionar de forma correcta y normal.

Aunque se le ha dedicado muchos trabajos a la peroxidación lipídica, en la actualidad sabemos que también se producen ataques similares por parte de los radicales libres a proteínas.  Los productos de estas oxidaciones se acumulan en proporciones menores, lo que ha dado lugar a que pasase desapercibido durante mucho tiempo. Todos los aminoácidos presentes en las proteínas tienen residuos susceptibles de ser atacados por la cadena radicalaria, pero sobre todo por el radical hidroxilo, (Stadtman, 1992). Dentro de los aminoácidos fisiológicos, la tirosina, la fenilalanina, el triptofano,  la histidina, la metionina y la cisterna son los que más procesos oxidativos sufren (Davies, 1987). Este oxidación  puede dar lugar a un cambio conformacional de la proteína y por tanto a una perdida o modificación de su función biológica.  En condiciones anaeróbicas, los radicales libres promueven un entrecruzamiento considerable entre proteínas, mientras que en presencia de oxigeno, los radicales libres provocan una gran fragmentación de la cadena peptídica (Stadtman, 1992).

Otro mecanismo muy importante de oxidación de proteínas son los llamados” sistemas de oxidación de función mixta” o “sistemas de oxidación catalizada por metal” que poseen como dianas más comunes los residuos de arginina, histidina, lisina, prolina y cisterna ( Stadtman y cols. 1992). Estos sistemas catalizan una serie de reacciones acopladas, enzimáticas o no, que implican la reducción del O2    a  H2O2  y del Fe+3  a Fe+2 (Fucci y cols. 1983, Amici y cols, 1989).

En los procesos de daño oxidativo a proteínas, algunos aminoácidos como  lisina, prolina y arginina, se oxidan dando lugar a grupos carbonilo, de modo que el contenido en estos de las proteínas se puede emplear como un indicador de daño oxidativo a las mismas  (Stadtman y cols. 1992).  El daño oxidativo suele ser irreversible y puede conducir a la desnaturalización de la proteína  (Dean y cols. 1993).  Se ha propuesto que la oxidación de enzimas mediada por radicales libres, es un paso de marcaje dentro del recambio proteico  (Stadtman y cols. 1992), lo que se ve confirmado por las siguientes observaciones:

  • Muchas proteasas comunes degradan proteínas oxidadas más oxidadas que las formas no oxidadas  (Davies y cols. 1987).
  • La mayoría de los tejidos animales poseen una proteasa alcalina neutra que degrada las formas oxidadas de las enzimas, pero que apenas tiene actividad sobre las formas no oxidadas (Rivet, 1985)
  • La degradación in vivo de proteínas endógenas en mitocondrias de hígado y corazón y en eritrocitos se ve estimulada por la adición de sistemas generadores de radicales libres (Davies y Lin, 1988).
  • La exposición in vitro de proteínas purificadas a radicales libres aumenta su susceptibilidad a la degradación por  proteasas no dependiente de 5´-trifosfatos  (Davies y cols. 1987).

DAÑO OXIDATIVO AL ADN

El ADN también es susceptible de daño oxidativo en todos  sus componentes. Se sabe que el oxigeno es capaz de adicionarse a las bases o  al azúcar del ADN  formándose  radical peroxil. Las posteriores reacciones  de estas especies radicalarias en el ADN  dan lugar a un gran numero de  productos  El numero de bases modificadas diferentes encontradas en el    ADN, tras un ataque oxidativo, supera la veintena. La alteración de este tipo que se observa con más frecuencia es la 8-hidroxi-2´deoxiguanosina (8oxodG). Muchos de estos productos encontrados in Vitro, también aparecen en el ADN de tejidos animales tras el tratamiento con sustancias que estimulan la generación de radicales libres.  Según trabajos liderados por Bruce Ames, el daño oxidativo al ADN y la mitogénesis son dos causas muy importantes de cáncer.

En los mamíferos, las altas tasas metabólicas y la longevidad corta, están asociadas con una alta frecuencia de daño oxidativo al ADN y con una alta frecuencia de canceres, y lo inverso ocurre en animales como el hombre, con baja tasa metabólica y alta longevidad.

Incluso en humanos se ha calculado que se produce como media, unos 10.000 impactos de daño oxidativo al ADN  de origen endógeno por día, una cantidad cientos de miles superior a la causada por la radiación natural de fondo... El daño oxidativo al ADN mitocondrial, es unas 15 veces superior al del ADN nuclear. Esto se debe, sobre todo, a las cercanías de dicho ADN al lugar principal de generación de radicales libres en la célula sana, la cadena de transporte electrónico mitocondrial. Además el ADN mitocondrial en el hombre está tan empaquetado, que todo él codifica. También carece de histonas y poliamidas que pueden protegerlo y su capacidad de reparación en mínima, en relación con la del ADN nuclear. Como consecuencia de ello, las delecciones  y mutaciones del ADN mitocondrial  son también mayores que en el ADN nuclear. Esto ha llevado a pensar que el daño oxidativo al ADN mitocondrial   juega un papel determinante en el envejecimiento. (Barja, 1996). Además se sabe que el sistema de reparación es poco efectivo. (Suter y Richer, 1999: Shen y cols. 1995). Ya sabemos que la mayor parte de los genes se encuentran en el núcleo, no en la mitocondria

El daño oxidativo asociado a proteínas y al ADN no deben de ser considerados de manera independiente. La acumulación de formas inactivas de enzimas reparadoras pueden aumentar la acumulación de daño oxidativo en el ADN, por lo que se pueden potenciar una a otro. Cuando la replicación del ADN dañado tiene lugar antes de la reparación o cuando un ADN  dañado se repara de manera incorrecta, tiene lugar una mutación (Halliwel y Auroma, 1991; Breen y Murphy, 1995). Por ello, las lesiones oxidativas al ADN parecen  estar implicadas no solo en el envejecimiento celular, sino también en la patogénesis de las enfermedades asociadas a la edad avanzada. El ADN dañado es reparado por enzimas que cortan la parte afectada, que es entonces excretada por la orina  (Ames y cols, 1993). Puesto que las enzimas reparadoras no llegan a eliminar todas las lesiones se acumulan, con lo que el número de mutaciones aumenta claramente con la edad  (Ames y cols. 1993).

ANTIOXIDANTES

La vida en presencia del oxigeno molecular exige contar con una batería múltiple de defensa contra los diversos radicales libres de oxigeno, que por un lado tiendan a impedir su formación y por otro, los neutralicen una vez formados.  Halliwel define como antioxidante a toda sustancia que hallándose presente a bajas concentraciones con respecto a las de un sustrato oxidable (biomolécula), retarda o previene la oxidación de dicho sustrato. El antioxidante al colisionar con el radical libre le cede un electrón oxidándose a su vez y transformándose en un radical débil no tóxico, y que en algunos casos como la vitamina E, puede regenerarse a su forma primitiva por la acción de otros oxidantes. No todos los antioxidantes actúan de esta manera, los llamados enzimáticos catalizan o aceleran reacciones químicas que utilizan sustratos que a su vez reaccionan con los radicales libres. Los antioxidantes los clasificamos según la siguiente clasificación:

Antioxidantes celulares

SUPEROXIDO DISMUTASA (SOD)

Son enzimas que eliminan el radical superóxido. Durante la reacción una molécula de superóxido se oxida hasta O2 molecular, mientras que la otra se reduce a H2O2. Por tanto, más que eliminar formas activas del oxigeno, esta enzima transforma una (superóxido)  en otra (peróxido de hidrogeno). Esto explica los resultados aparentemente paradójicos, en los que un exceso de enzimas puede llevar a un individuo a una situación deletérea. La velocidad de la reacción de la SOD  es elevadísima, lo que hace que esté limitada prácticamente a su difusión. Existen dos formas moleculares en los animales: la SOD Cu-Zn, (el átomo de Cu es el que realiza directamente la dismutación), abunda en el citoplasma, es dimérica y tiene un peso molecular bajo (30 KDa).  La SOD-Mn (el átomo de Mn es el que realiza la dismutación.). Llamamos dismutación, aquellas reacciones en las cuales los productos son obtenidos por reducción y oxidación del mismo átomo o molécula O lo que es lo mismo: reacción a través de la cual dos moléculas iguales se transforma en otras dos moléculas distintas.

Superóxido dismutasa

CATALASAS

La catalasa es una enzima que transforma el peróxido de hidrogeno en oxigeno y agua. Así Peter Ribanovich., estudiando ratones transgénicos producian la enzima catalasa en grandes cantidades. Y esto lo relaciona directamente relacionado con una alimentación rica en alimentos ricos en vitaminas y pobres en grasas. Los ratones con vida larga eran aquellos que tenían aumentada la producción de catalasa en las mitocondrias

En la reacción catalítica se produce la dismutación de dos moléculas de peróxido de hidrogeno. Una se oxida a oxigeno y la otra se reduce a dos moléculas de agua. Es una de las enzimas más activas que se conocen, exhibiendo una  actividad molecular de 5.600.000 moléculas de peróxido de hidrogeno por minuto y por molécula de enzima

Catalasas

SISTEMA GLUTATION

El glutatión  es el tiol no proteico más abundante de la célula. Se ha revisado en numerosas ocasiones su importancia en el metabolismo celular (Viña, 2000) y su influencia en el envejecimiento (Pinto y Bartley, 1969). El glutatión es importante porque se acumula en altas concentraciones en las mitocondrias donde se generan gran cantidad de radicales libres... estos hechos sugieren que es interesante para minimizar el efecto dañino del envejecimiento en la función celular, es la administración de antioxidantes, los cuales pueden contrarrestar en parte al menos, el efecto dañino de los radicales libres en la fisiología celular.

Varios autores han encontrado una relación entre la oxidación de glutatión y el envejecimiento en varios modelos animales. Esta oxidación puede deberse a un aumento en la producción de radicales libres o a una disminución en la capacidad de destoxificación de los mismos. (Sies, Bartola, 1978).

El glutatión (GSH)  es un tripéptido que protege a las celulas frente a las diferentes especies oxidativas. Tanto el  GSH  como otras moléculas que contienen grupos –SH  tienen alto poder reductor y poseen propiedades antioxidantes, ya que pueden cederle un electrón a las ROS, disminuyendo de esta forma su reactividad. Se dice de este tipo de compuestos de bajo peso molecular, que actuan como “atrapadores”  de radicales libres Entre ellos podemos citar  a  la tiorredoxina, vit. C, la Vit E o alfa tocoferol y la Vit. A. Sin embargo en trabajos recientes, con el de la  Fundación Pauling en EEUU., donde se reconoce la escasa influencia de la Vit. C sobre cualquier tipo de patología relacionada con los antioxidantes, Es más en un trabajo que se estaba realizando en cáncer de pulmón, a los que se les estaba administrando 1.500 mgrs. diarios de Vit. A, este se tiene que suspender inmediatamente, porque la mortalidad había aumentado en un 18%. En Suecia y también recientemente se realiza un estudio para tratar de esclarecer la causa  de el aumento de la incidencia de fracturas en mujeres port-menopáusicas, y se llega a la conclusión de que este tipo de pacientes, es sometida durante este periodo a una dieta elevada de Vit. A que es muy rica en el aceite de bacalao, y en las mantequillas de la zona. Todo ello acompañado con el trabajo de Potter, 1997 y Rubbo, 2000, que afirman que cuando se administra Vit. C, E y carotenoides puros, los resultados que se obtienen en la población de personas sometidas a dichos fármacos, no son concluyentes, sin embargo cuando en otro grupo, es sometido a dieta de frutas , verduras y vegetales, estos actuarían como una verdadera polifarmacia, contra el desarrollo de enfermedades crónicas, por  contener no solo vitaminas, sino también otros agentes antioxidantes, tales como polifenoles (atrapantes de radicales libres).

El sistema del  glutatión  protege contra el daño oxidativo de lípidos, proteínas y DNA. La presencia de lesiones oxidativas en estos componentes celulares demuestra que la protección antioxidante del GSH y enzimas relacionadas no es suficiente en el envejecimiento. Por ello es de la mayor importancia encontrar formas para incrementar la acción del sistema glutatión, mediante el aumento de la concentración de GSH o aumentando la actividad de la glutatión peroxidasa y reductasa.

Glutation

Glutatión peroxidasa

O GPx eliminan los hidroperóxidos utilizando GSH como reductor (Mills, 1960). Una forma enzimática que es dependiente de Se, oligoelemento  que es esencial para su actividad y que controla la síntesis de proteínas. Elimina tanto los hidroperóxidos orgánicos (ROOH), como inorgánicos (H2O2) y es capaz de complementarse con la  catalasa y neutralizar radicales. Las GPx  están presentes en el citosol y en las mitocondrias, lo que las hace idóneas para eliminar concentraciones bajas de H2O2.  No pueden trabajar en la fracción lipídica, por lo que eliminarían los ROOH lipiditos, reduciéndolos a sus formas estables  (ROH)

Glutatión - Estructura química

Glutatión reductasa

Son las responsables de reducir una molécula de glutatión oxidado (GSSG) a dos de GSH.  Puesto que el pool de GSH celular es limitado y la elevación de la tasa GSSG/GSH es altamente tóxico para la célula, esta enzima es de vital importancia para el funcionamiento de la eliminación de H2O2 por la vía de la GPx, así como para la reconstitución del GSH oxidado no enzimaticamente.

CONCLUSIONES FINALES

Una gran cantidad de experimentos apoyan la teoría del papel de los radicales libres en los fenómenos asociados al envejecimiento. Y la evidencia la tenemos en que es imposible suprimir la producción intracelular de estos. Citados radicales, y sabemos:

La restricción calórica de la ingesta se ha comprobado que aumenta en un 43 % la longevidad de los animales, al disminuir la producción de radicales libres y facilitar el mantenimiento de la protección de los antioxidantes. Previniendo el daño oxidativo.

Que los antioxidantes, ya de una forma directa o indirecta, juegan un papel clave en la protección de las celulas, contra los radicales libres.

El glutatión es un antioxidante endógeno fundamental. El envejecimiento está asociado con un descenso en el glutatión reducido y un aumento del glutatión oxidado...Por tanto el par redox, tiende a oxidarse con la edad.

No obstante tenemos que tener en cuenta, que desgraciadamente no conocemos la forma de incrementar las tasas intracelulares de ninguna de las formas de alutación, y es del todo imposible, modificar el par redox del sistema alutación.

En la actualidad, se busca experimentalmente nuevos agentes antioxidantes que posean un amplio espectro de habilidades protectoras de nuestras celulas, sin embargo mientras no se aclara esta luz, podemos concluir que el envejecimiento saludable de nuestro cuerpo, es un camino lleno de decisiones que debemos empezar a recorrer desde hoy. Y que ningún antioxidante puede reemplazar a los beneficios que podemos obtener al evitar las dietas hipercalóricas y el sedentarismo.


Sevilla, Octubre de 2006

 

Dr. Nicolás Rubio García

Alergólogo y Neumólogo

Especialista en medicina interna

Miembro Numerario de la Sociedad Española de Ozonoterapia