5 estrés oxidativo

Biología molecular de la célula II.Dr. Armando Rojas Rubio.

Estrés oxidativo.

El estrés oxidativo es un tema bastante recurrente por su relevancia en el contexto de la fisiopatología. Un tema muy importante dentro de lo que es el estrés oxidativo son los radicales libres, estos, son entidades altamente reactivas ya que poseen un electrón no apareado en su orbital más externo, por lo tanto desde el punto de vista químico, estos son potentes oxidantes, que son capaces de oxidar átomos que están presentes en macromoléculas relevantes en la fisiología y que su alteración redunda en un efecto fisiopatológico.

Antecedentes históricos.

Desde el punto de vista del desarrollo de este tema, se pueden generar tres etapas:

1) Primera etapa: En 1954 se postulaba la existencia de radicales libres en los sistemas biológicos, hasta ese momento solo se creía que existía en la química, nadie en el contexto de la biología hablaba de ellos. En 1956 surge la base de que estos pueden ser responsables de daño a diferentes niveles, y este daño puede ser responsable de diferentes patologías, pero todo esto eran solo postulados.

2) Segunda etapa: en 1969 se descubre la enzima superoxido dismutasa, y eso fue importante porque si en un sistema biológico, hay una enzima o un sistema enzimático que esta vinculado con la presencia de un radical, quiere decir que la presencia de ese radical es muy importante para ese organismo. Se conocía como cupreína porque tenía cobre en su estructura.

3) Tercera etapa: parte a finales de la década de los 80, donde los radicales libres se hacen evidentes, y se descubre que están vinculados no solo con la fisiopatología, sino que

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también forman parte de los sistemas de señalización intracelulares, y eso cambia el paradigma negativista que se tenía de ellos.

Formación de radicales libres.

Las fuentes de radicales libres son extremadamente diversas, partiendo por la contaminación ambiental, fumar, exposición ocasional a radiación ionizante, luz UV, el propio metabolismo celular (cadena respiratoria) e inflamación, que genera muchos radicales libres.

En el año 1984 se acuña el término estrés oxidativo y se define como un desequilibrio que existe entre los oxidantes y los antioxidantes en cualquier sistema, ya sea célula, tejido, sistema, etc. Entonces el estrés oxidativo puede ser causado por el aumento de oxidantes o la disminución de antioxidantes.

Dentro de los oxidantes nosotros tenemos oxidantes:

1) Intrínsecos: que vienen del propio metabolismo celular, por ejemplo las EROs, las ERNs, las moléculas oxidadas (ox-LDL).

2) Extrínsecos: que son externos, pueden venir de un pesticida (paraquat) o un fármaco (adriamicina), y son importantes en aportar oxidantes.

Dentro de los antioxidantes nosotros tenemos:

1) Sistemas enzimáticos: la superoxido dismutasa, la catalasa, la glutatión peroxidasa.

2) Atrapadores de radicales: deben ser ingeridos o son productos del metabolismo, tenemos el ácido ascórbico, el selenio, GSH, flavonoides, alfa-tocoferol.



Oxidantes celulares.

Los oxidantes celulares están divididos en dos grandes grupos, las especies reactivas del oxígeno, y las especies reactivas del nitrógeno. El concepto más adecuado es especie reactiva.

Un elemento muy importante dentro de lo que son los radicales libres, es la corta vida media de estas, por ejemplo el h2o2, su vida media está en los minutos, el anión superoxido de microsegundos. Pese a ello, la reactividad de estas moléculas es tan alta, que en el corto período de tiempo que está activa, es capaz de generar modificaciones importantes en las macromoléculas de la célula.

Un concepto importante en el estrés oxidativo es el estrés nitrosativo que es la excesiva formación de NO y ERNs derivadas del mismo. El descubrimiento del NO rompió muchos dogmas en la biología y marcó un antes y un después en aquella.

Todas estas reactivos tienen un impacto importante en las macromoléculas, estos son capaces de dañar al ADN, pueden causar mutaciones, desarrollan carcinogénesis, generan daño importante a membranas, peroxidan los lípidos, pueden dañar proteínas, generando así una pérdida de función de estas, parcial o total, estos reactivos pueden generar rupturas en los carbohidratos, puede degradar MEC, estas especies también, si están en demasía, agotan los sistemas de detoxificación.

Daño a proteínas.

Puede generarse por rupturas o generación de enlaces cruzados que generan complejos que tienen poca o ninguna funcionalidad, son capaces de oxidar aá, además también se aumenta el tráfico hacia el proteosoma.



Daño a ácidos nucleicos.

Aquí se generan un número importante de lesiones y daño, se generan rupturas de simple y doble cadena, se genera modificación de bases lo que genera un cambio mutacional en la secuencia de bases nitrogenadas en el ADN, cuando esta se divide, se genera un daño en la célula hija, las bases que se pueden generar son la 8-hidroxiguanina, productos de las EROs, y la 8-nitroguanina producto de las ERNs. También se pueden generar formación de enlaces cruzados entre ADNs, y entre ADNs y proteínas.

Daño a Lípidos.

Peroxidación de lípidos: La modificación de los lípidos asociada al estrés oxidativo está centrada en la peroxidación de estos, estas son reacciones de oxidación de ácidos grasos poliinsaturados que son abundantes en la membrana. Esta reacción es iniciada por el ataque de un radical libre.

Como ejemplo podemos decir al malonilaldehido, este se usaba para cuantificar estrés oxidativo, sin embargo se dejó de usar, ahora se usan los isoprostanos.

La peroxidación de los lípidos trae consecuencias importantes en términos de funcionalidad de la membrana celular como lo es la alteración de la fluidez de la membrana.

Daño a carbohidratos.

Este tipo de daño es importante en la inflamación. Entre los tipos de daño a carbohidratos existe la oxidación de glucosa que tiene consecuencias severas y la degradación de ácido hialurónico, esta molécula se encuentra en la matriz extracelular y es muy sensible a especies reactivas, cuando es atacada, se generan fragmentos de ácido hialurónico.

Especies reactivas derivadas del oxígeno (ERO).

En la célula, se pueden producir en muchos compartimentos, algunos de ellos son:

-El complejo NADPH oxidasa

-Citocromo P-450.



-Sistema XDH/XO.

-Cadena respiratoria.

-Lipooxigenasa y ciclooxigenasa.

-Metales de transición (Fe+3/+2 y Cu+1/+2).

-Oxidasas y flavoproteínas.

Las mitocondrias son la fuente más importante de O2-. Estas producen continuamente O2- y NO. Dentro de la cadena respiratoria de la mitocondria tenemos los complejos (1, 2, 3 y 4), estos complejos están implicados en la creación de EROs, sobretodo de 02- y H202.

Otra fuente de EROs es la NADPH oxidasa, esta tiene función en la respuesta inmune innata, está presente en todas las células fagocíticas y también células T y endoteliales. Si hay mutaciones en los genes que codifican subunidades de NADPH oxidasa se produce la granulomatosis crónica que consta de infecciones recurrente causadas por bacterias, dependiendo de qué gen se vea afectado puede ser más o menos probable la expresión de la enfermedad. En un 50-70% de los casos, la mutación estaba en el gen gp91 que transcribe para la subunidad catalítica de la enzima; en un 30-



40% de los casos estuvo en p47 y en un 10% estuvo en p47, estos dos codifican para subunidades reguladoras de la enzima.

La xantina oxidoreductasa también es una fuente de EROs, ya que La XO se encarga de transformar la xantina en O2- y en ácido úrico. Cuando existe una hipoxia o presencia de citocinas la XDH se transforma en XO y esta genera el radical superóxido (O2-) más ácido úrico.

En 1975 a 1980 se elaboró y aceptó un mecanismo con participación de Fe+2/+3 para la producción biológica del radical hidroxilo, este sería generado por radiación ionizante por una vía, que es la vía de Fenton/Haber-Weiss.

Especies reactivas derivadas del nitrógeno (ERN).

La mayoría de ellos se descubrió que venían del, en ese entonces, factor relajante derivado del endotelio, luego se descubrió que este factor era óxido nítrico.

Este NO responde a las 3 isoformas de NO sintasa, estas isoformas se nombran en base al tejido donde se clonó el gen, así, existen estas tres isoformas que son, La NOS endotelial, La NOS neuronal y la NOS inducible.



Se ha observado que cuando el óxido nítrico coexistía con O2-, estos se juntaban y daban origen al peroxinitrito (ONOO-), el O2- es neutralizado normalmente por la superóxido dismutasa, pero la capacidad de unión del O2- es mayor con el NO que con la SOD, debido a esto, cuando coexistan estos dos elementos, siempre se generará ONOO-.

La NOS pueden generar aniones superóxidos, que pueden ser producidos por NOS disfuncionales o desacoplados; se constató que la baja disponibilidad del cofactor BH4 provoca que la NOS forme O2-. La BH4 interviene en distintos procesos celulares, entre ellos, la estabilización de L-arginina, el mantenimiento de la forma redox activa del grupo hemo, la formación del homodímero estable de NO sintasa y el favorecimiento de la transferencia de e- desde el dominio reductasa a el oxidasa. Se ha visto que en condiciones de problemas cardiovasculares (como hipercolesterolemia, hiperglicemia, diabetes, hipertensión, aterosclerosis e inflamación) La NOS produce en mayor cantidad O2- y por consiguiente produce más ONOO-

Presencia de estrés oxidativo y patologías

En el estrés oxidativo hay muchas patologías que pueden presentarse, algunas de estas son:



También después de una obstrucción en un caso sanguíneo se pueden ocasionar daños por isquemia y reperfusión, ya que, cuando hay una isquemia, aumenta el calcio, este provoca la activación de proteasas Ca-dependiente, estas proteasas realizan un corte proteolítico en la xantina deshidrogenasa, transformándola en xantina oxidasa, esta enzima transforma la hipoxantina en xantina y O2-. También el estrés oxidativo tiene que ver en la modificación oxidativa de la aterosclerosis, en la cual los LDL deben oxidarse.

Debido a los diversos orígenes de los EROs y ERNs deben existir mecanismos de defensa para contrarrestar estas especies reactivas. Debido a la concentración de estas especies reactivas se pueden producir una serie de daños que pueden llevar a la carcinogénesis, algunos de los daños se originan por la vía intrínseca, como la activación de oncogenes. Otra enfermedad que se puede generar por el estrés oxidativo es la enfermedad pulmonar obstructiva crónica.

Estrés carbonílico.

Término acuñado por lyons y Jenkins en 1997. Estrés carbonílico es un exceso persistente, en el entorno celular, de moléculas solubles que posean dos grupos carbonilo en su estructura química. Los dicarbonilos en exceso pueden reaccionar con residuos libres de lisinas y argininas, induciendo la formación irreversible y la acumulación de estructuras denominadas productos avanzados de glicación (AGEs), estos son muy importantes en la diabetes y la neoplasia.

Estos AGEs consisten de una reacción no enzimática entre la glucosa y una proteína, aunque también se puede dar con un dicarbonilo como el glioxal (que proviene de la oxidación de lípidos), después de esto de forma una base de Schiff, se sigue con una serie de reacciones en cadena que finalmente darán origen a los AGEs.



El estrés oxidativo y el carbonílico convergen ambos en la diabetes, el aumento de glicemia promueve muchos eventos que ayudan al estrés oxidativo, algunos de ellos son, el aumento de sorbitol, aumento de la señalización celular por estrés, aumento de la proteína kinasa C, aumento de los AGEs y aumento del flujo de hexosamina, todo esto provoca variadas patologías vasculares diabéticas.

Los AGEs alteran dos elementos vitales en la fisiología cardiovascular: disminuyen la producción de NO por el acortamiento del tiempo de vida del ARNm de la NO sintasa y alteran la capacidad de barrera semiselectiva que tiene el que tiene el endotelio vascular.

También a nivel endotelial existe un receptor de AGEs, el RAGE, cuando este se ve activado genera la disrupción del complejo VE-cadherina, aumenta la permeabilidad vascular, se ve favorecida la contracción por medio del aumento de vasoconstrictores (como la endotelina-1) y de la disminución de vasodilatadores (como el NO y las prostaciclinas). También se activa una cascada de señales de transducción por medio de la activación de NFkB, este es un factor de transcripción que depende del estado redox y es activado por las EROs.



Radicales libres, ¿amigos o enemigos?

El carácter negativo de los radicales libres dependerá mucho del contexto celular en el que estos se encuentren, ya que estos cumplen un papel importante en la señalización celular, estos tipos de señalización marcaron la tercera etapa de los antecedentes históricos de los radicales libres, algunos de los sistemas de señalización en los que actúan son:

Muchas veces se suele definir el concepto estrés oxidativo como un sinónimo de desbalance redox, y esto no es así, el desbalance redox en una consecuencia del estrés oxidativo. El estrés oxidativo es producido por un desbalance de oxidantes y antioxidantes y el desbalance redox es producido por un desbalance de un pool de tioles que contiene el complejo GSH/GSSG y grupos sulfidrilos de proteínas y de un pool intracelular de NADPH/NADP+ y de NADH/NAD+.

Para paliar estos desequilibrios nosotros tenemos los antioxidantes, estos son sustancias que hallándose presentes a bajas concentraciones respecto a las de un sustrato oxidable, retarda o previene la oxidación de dicho sustrato, estas moléculas deben tener una serie de características para actuar como antioxidantes, en primer lugar deben tener alta distribución, esto quiere decir que deben estar presentes en el lugar crítico y en las [ ] adecuadas, ya que estos tienen una vida media muy corta; también deben ser inespecíficas para así, reaccionar con cualquier clase de radical libre; estos también deben ser sintetizados en la célula o bien ser incorporados en la dieta deben ser reciclados y no deben ser tóxicos si son sintéticos.

Estos antioxidantes pueden ser enzimáticos o no enzimáticos y entre ellos se encuentran:



Estos sistemas deben estar capacitados para responder ante señales de estrés, y existen elementos comunes de una vía clásica de respuesta al estrés, en estos hay un transductor que censa o detecta el estrés, este transmite la señal al sensor que recibe la señal del transductor, este sensor esta acoplado a un factor de transcripción el que se une a elementos de respuesta anti estrés.

Tenemos muchos tipos de estrés que son inducidos por diferentes factores, también vemos que en ratones knockout con respecto al sensor, casi todos los ratones son inviables, osea que estos



sistemas de defensa contra las especies reactivas son muy importantes para la vida de estos organismos.

Un ejemplo de vía clásica es el sistema Nrf/INrf2(Keap1), o también sistema Nrf2. Este ciplejo es capaz de alcanzar en el núcleo, elementos de respuesta antioxidante que están vinculados a genes que codifican a proteínas que controlan y modulan el estrés oxidativo.

Para mantener la salud, y evitar el estrés oxidativo, debemos justamente mantener el balance haciendo mucho ejercicio que es muy importante, porque con el ejercicio físico se activan muchos sistemas detoxificadores de estos oxidantes.


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