EL Estrés Oxidativo: Mecanismos Moleculares
Escrito por Dr. Nicolás Rubio García   

 

La formación de cierta tasa de radicales libres es un proceso normal e inevitable (Slater,1984), ya que son producto de infinidad de reacciones químicas imprescindibles para la vida celular. 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 antioxidante se ve superada por las agresiones oxidativas, nos encontramos ante un estrés oxidativo.

 
En estas circunstáncias, para paliar el daño que los pro-oxidantes pueden causar en el organismo, está indicado protegerlo incrementando su capacidad antioxidante. Uno de los modos en que se puede conseguir esto, consiste en la administración de antioxidantes bien como fármacos, bien como complemento dietético (Ames, 1983).

 

Daño oxidativo a lípidos
De los principales tipos de biomoléculas, los lípidos, y sobre todo los ácidos grasos poliinsaturados, son los más susceptibles de ser atacados por radicales libres (Cheeseman y Slater, 1993). Los radicales libres que pueden iniciar esta reacción son: el radical hidroxilo (HO•), el peróxido (ROO•), el alcóxido (RO•) y el alquílico (R•).

El proceso de ataque oxidativo a los lípidos (Figura 9), denominado peroxidación lipídica, comienza cuando un radical libre ataca a un carbono de la cadena alifática de un ácido graso, se desprende un átomo de hidrógeno, y se forma un radical alquílico (Frei, 1994; Halliwell, 1994). Esta reacción se produce preferentemente en los carbonos contiguos a enlaces dobles de los ácidos grasos poliinsaturados, ya que los radicales formados se pueden estabilizar por resonancia con el enlace doble. Este radical centrado en un átomo de carbono reacciona con el O2 y forma un radical peróxido, R-COO• (Figura 9B). Los radicales peróxido pueden reaccionar con cadenas laterales de otros ácidos grasos poliinsaturados adyacentes (Figura 9C), se forma un radical alquílico (R’-CH•) y un peróxido lipídico (R-COOH), con lo que se propaga la reacción en cadena radicalaria (Halliwell, 1994).

De esta manera, un solo ataque por un radical libre da lugar a la formación de un gran número de productos de oxidación, sobre todo aldehídos como malondialdehído y 4-hidroxinonenal, e hidrocarburos de cadena corta como etano y pentano (Freeman y Crapo, 1982; Halliwell, 1991; Cheeseman y Slater, 1993; Halliwell, 1994). Muchos de los aldehídos 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 constituye, muy probablemente, un factor importante en la disminución de la fluidez de las membranas (Shigenaga y cols., 1994).

A continuación, se muestran los mecanismo de peroxidación lipídica.
  1. Ataque oxidativo a un ácido graso insaturado.
    1. Ataque oxidativo a un ácido graso insaturado
  2. Formación de un radical peróxido, COO•.
    1. Formación de un radical peróxido
  3. Propagación de la reacción.
    1. Propagación de la reacción
Daño oxidativo a proteínas.

 

Todos los aminoácidos presentes en las proteínas tienen residuos susceptibles de ser atacados por los radicales libres, sobre todo por el radical hidroxilo (Stadtman, 1992). Dentro de los aminoácidos fisiológicos, la tirosina, la fenilalanina, el triptófano, la histidina, la metionina y la cisteína son los que más procesos oxidativos sufren (Davies, 1987). Esta oxidación puede dar lugar a un cambio conformacional de la proteína y, por tanto, a una pérdida o modificación de su función biológica. En condiciones anaeróbicas, los radicales libres promueven un entrecruzamiento considerable entre proteínas, mientras que en presencia de oxígeno 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 cisteína (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; Amicci y cols., 1989). La producción de H2O2 y de Fe2+ es la única función que tienen en común los sistemas de oxidación catalizada de metal. Los sistemas más relevantes son diversas NADH y NADPH oxidasas, xantina oxidasa y citocromo P450 reductasas (Stadtman y cols., 1992).

A continuación se resumen los sistemas fisiológicamente más importantes que producen la oxidación de proteínas.

  • Enzimáticos:
    • NADPH oxidasas/NADPH/Fe(III)/O2.
    • Xantina Oxidasa/Hipoxantina/Fe(III)/O2.
    • Citocromo P450 reductasa/Citocromo P450/NADPH/Fe(III)/O2.
    • Citocromo P450reductasa/redoxina/CitocromoP450/NADH/Fe(III)/O2.
    • Nicotinato hidroxilasa/NADPH/Fe(III)/O2.
  • No Enzimáticos:
    • Ascortato/Fe(III)/O2.
    • RSH/Fe(III)/O2.
    • Fe(II)/O2.
    • Fe(II)/H2O2 (reactivo de Fenton).
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 carbonilos de las proteínas se puede emplear como un indicador de daño oxidativo a las mismas (Stadtman y cols., 1992). Otros aminoácidos como histidina, cisteína y metionina, también sufren daño oxidativo, pero no forman derivados de tipo carbonilo (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 los enzimas, pero que apenas tiene actividad sobre las formas no oxidadas (Rivett, 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 dependientes 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 oxígeno 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 número de productos.

El número 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). Su importancia reside en su poder mutagénico ya que durante la replicación producirá transversiones T por C (Kasai y Nishimura, 1984; Shibutani y cols., 1992). El daño oxidativo asociado a proteínas y al ADN no deben ser considerados de manera independiente. La acumulación de formas inactivas de enzimas reparadores puede aumentar la acumulación de daño oxidativo en el ADN, por lo que se pueden potenciar uno 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 (Halliwell y Auroma, 1991; Breen y Murphy, 1995). Por ello, las lesiones oxidativas al ADN parecen estar implicadas no sólo 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 con la edad (Ames y cols., 1993).

El daño al ADN por radicales libres puede ocurrir de dos modos principales:
  • Reacción con los residuos desoxirribosa.
  • Reacción con las bases del ADN.
Cuando un radical libre ataca a una desoxirribosa del ADN, generalmente produce una ruptura de la hebra. Sin embargo, la hebra intacta puede mantener juntos los dos extremos de la hebra dañada hasta que actúen las enzimas reparadoras, por lo que este tipo de daño no es usualmente crítico para la célula a no ser que haya una rotura cercana en las dos cadenas (Breen y Murphy, 1995).

La adición a las bases del ADN es más habitual que la ruptura de las cadenas, y da lugar a una gran variedad de productos derivados. El principal modo de reacción consiste en la adición a los carbonos C-5 y C-6 de las pirimidinas y C-4 y C-8 de las purinas (Breen y Murphy, 1995). El resultado del ataque a estos carbonos de las purinas y pirimidinas es un conjunto de formas radicales de las bases, las cuales sufren diversas reacciones hasta obtener productos finales muy variados. En presencia de oxígeno, los aductos de purinas con radicales libres pueden sufrir en ciertos casos una reconversión a la purina inicial (Breen y Murphy, 1995). La oxidación de la desoxiguanosina a 8-oxoguanosina es una de las lesiones más frecuentes, y  reviste gran importancia por su alto efecto mutagénico (Shibutani y cols., 1992).

El ADN mitocondrial sufre mucho más daño oxidativo que el ADN nuclear (Richter y cols., 1988). El genoma mitocondrial presenta ciertos rasgos que le hacen especialmente susceptible de ser atacado por agentes oxidantes: carece de histonas que puedan recibir el ataque en lugar del ADN (Johns y cols., 1995); el sistema de reparación es poco efectivo (Suter y Richter, 1999; Shen y cols. 1995) y, por último, se encuentra muy cerca de la cadena de transporte mitocondrial, uno de los sistemas principales de producción de especies activadas de oxígeno  (Giulivi y cols, 1998). Otro factor distintivo del ADN mitocondrial es que no posee intrones, de manera que la modificación de cualquier base afecta usualmente a una zona de ADN codificante (Linnane y cols., 1989; Ames y cols., 1993) y su repercusión suele ser, por tanto, más importante.
 
Daño oxidativo a glúcidos.
Los glúcidos reaccionan con facilidad con los radicales hidroxilos. Los monos y disacáridos resisten la acción de los radicales libres de oxígeno.  La glucosa constituye un captador del radical superóxido, al retenerlo e impedir su acción sobre otras moléculas.  La manosa y el manitol son eliminadores del radical hidroxilo. Por ello, se ha observado que diversos polisacáridos actúan como agentes protectores celulares (Albertini y cols., 1996).

El daño oxidativo a los glúcidos reviste importancia cuando se trata de polisacáridos de función estructural, ya que los polisacáridos son despolimerizados por los radicales libres  (Borel y cols., 1988) dando lugar a procesos degenerativos.     Un caso especial es el del ácido hialurónico cuya función estructural reside en mantener la viscosidad del fluido sinovial. La exposición a agentes oxidantes  (sobre todo radical superóxido) provoca su fragmentación, lo que conduce a la desestabilización del tejido conectivo y a la pérdida de viscosidad del fluido sinovial, como es el caso de la artritis reumatoide (Greenwald y Moy, 1980; Grootveld y cols, 1991). Se ha observado que la superóxido dismutasa es capaz de proteger frente a la despolimerización del ácido hialurónico, en el líquido sinovial  (McCord, 1974).  Los proteoglicanos están sujetos a rotura oxidativa de forma similar  (Greenwald y cols. 1980).

Se ha observado una relación directa entre los radicales libres y el estrés oxidativo con la diabetes mellitus, una enfermedad inicialmente caracterizada por una pérdida en la homeostasis de la glucosa, así como también, con las complicaciones diabéticas.  Se postula que una anormal regulación en el metabolismo de los peróxidos y los metales de transición colabora en el establecimiento de la enfermedad, así como en las complicaciones que aparecen a largo plazo (Wolff y cols. 1987; Oberley, 1988; Wolff, 1993).