Radicales libres, estrésoxidativo y antioxidantes

Italo Chiffelle

Estructura Atómica

Número Atómico (Z): corresponde a la suma de protones que tiene un átomo

Número Másico (A): corresponde a la suma de protones y neutrones que tiene un átomo

Ej.: Para el átomo de oxígeno, 8O16, tiene 8 p y 8 n

Núcleo

3s 3d10

2p6

3p

2s

4s 4p 4d 4f14

5s

6s

7s

5p

7p

6p

5d

6d

5f

7d

6f

7f

5g

6g

7f

6h

7h 7i

1s2

Au

men

to de Energía

Orbitales Teóricos

Configuración electrónica.

Ej.: 8O 1s2 2s2 2p4

Diagrama de orbitales

Configuración electrónica

Representación de Lewis:

:O:..

O:....

:O....

Atomo de O

Molécula de O2

Radical libre: es un átomo o molécula que poseeuno o más electrones no apareados girando ensu órbita externa.

Esta configuración espacial lo hace químicamentemuy inestable, ya que el electrón impar osolitario “busca desesperadamente una pareja”,para salir de su desequilibrio atómico.

R·

Para lograr su objetivo, sustrae un electróna cualquier molécula vecina, esto es,OXIDA a la molécula.

Esta molécula, a su vez, altera su estructuraquímica, convirtiendóse en otro radical libreansioso por captar un electrón. Se genera asíuna reacción en cadena.

R· :M: :M·+ + R:

La principal fuente de origen de los radicales libreses la respiración, ya que entre un 1 a 3% del oxígenoconsumido se transforma en radicales libres.

Los radicales libres provenientes del oxígenocolectivamente reciben el nombre de especiesreactivas del oxígeno o ROS (reactive oxygen species)

ROO· radical peróxidoOH· radical hidroxíloO2·¯ anión superóxido

Radicales libres No Radicales

H2O2 peróxido de hidrógeno

1O2* oxígeno singlete

La mayor parte del O2 consumido es reducido a aguapor acción del complejo citocromo-oxidasa de lacadena respiratoria mitocondrial, según lareacción global:

O2 → O2·¯ → H2O2 → OH· + H2O → H2O

Además, los ROS también se producen enel organismo como respuesta a la exposición aradiaciones ionizantes, rayos UV, contaminaciónambiental, humo de cigarrillos, algunos fármacos,hiperoxia, exceso de ejercicio e isquemia,entre otros.

El peróxido de hidrógeno (H2O2) no es estrictamenteun RL pero por su capacidad de generar OH· enpresencia de metales como el hierro, se le incorporacomo tal.

O2

HClO

H2O2 H2O

*O2 Cl--+

H2O2 *OH-- H2OO2*--

e- O2*--

O2

Ácido hipocloroso Oxígeno singlete

Superoxido dismutasa (SOD)

Fe2+Fe3+

H2O

H+

Peroxido de hidrógeno

Fuentes biológicas de Radicales Libres (RL):

- Mitocondria: constituye la fuente principal de RL,a través del proceso de fosforilación oxidativa. ElO2 actúa como el aceptor final de electrones, conproducción de agua. En el proceso se formanmoléculas con diferente grado de oxidación

O2 + 4H+ + 4e → 2H2OReducción Completa:

O2 + 2H+ + 3e → OH- + OH· (Radical hidroxílo)

O2 + 2H+ + 2e → H2O2 (Peróxido de hidrógeno)

O2 + e → O2·¯ (Radical superóxido)

Especies Parcialmente Reducida:

Paradoja: El oxígeno es esencial para la vida, pero es la sustanciamás tóxica a causa de la reactividad de las especies parcialmente reducida. De hecho, el oxígeno en concentraciones altas es tóxicopara la mayoría de los organismos anaerobicos, y en la fase inicialde la evolución fue tóxico para todas las formas de vida

Peroxisomas: corresponden a organeloscitoplasmáticos muy ricos en oxidasas y generanH2O2, el cual es depurado por enzimas específicas(catalasa) y transformado en H2O.

Leucocitos polimorfonucleares, ya que poseenen sus membranas NADPH oxidasa generadora deO2 que en presencia de hierro se transforma en el altamente tóxico OH·, que es muy reactivo y mutagenico. Esta situación se da particularmenteen los procesos inflamatorios.

La enzima xantino deshidrogenasa predomina enlos endotelios, normalmente depura las xantinas, enprocesos de isquemia reperfusión produce elanión radical superóxido (O2·¯)

Especies reactivas de oxígeno

O2

Cadena RespiratoriaMitocondrialNADPH oxidasaXantina oxidasa

NO sintetasa

∗O2--

NO*

H2O2

ONOO--

*OH--

NO2--

Entonces, los Radicales Libres se formanen condiciones fisiológicas en proporcionescontrolables por los mecanismos de defensacelulares

Estrés oxidativo se produce por aumento en lavelocidad de generación de ROS o disminuciónde las defensas (antioxidante)

ANTIOXIDANTE

ROS

FactoresfavorecenEstrésOxidativo

Químicos: aumento de metales pesadosxenobióticos, componentes del tabaco.

Drogas

Físicos: radiaciones UV, hiperoxia.

Orgánicos y metabólicos: dieta hipercalórica,dieta insuficiente en antioxidantes, diabetes,procesos inflamatorios, fenómenos de isquemia-reperfusión y EJERCICIOS extenuantes

Toxicidad de los radicales libres

Toxicidad de los radicales libres

- Deterioro oxidativo de compuestos orgánicos- Naturaleza autocatalítica de las reaciones

El mecanismo de oxidación autocatalítica, puededividirse en 3 etapas:

i.- Iniciación ii.- Propagación iii.- Término

Reac. Haber Weiss: H2O2 + •O2- O2 + OH- + •OH

Reac. Fenton: H2O2 + Fe2+ Fe3+ + OH- + •OH

Iniciación

Oxidación de un ácido graso poliinsaturado

Sustracción de H del grupo metileno, con producciónde un radical ácido graso (R·) al dejar un electróndesapareado en el carbono:

RH + OH· → R· + H2O

Oxidación de un ácido graso poliinsaturado

Propagación

El radical ácido graso (R·) se combina con O2

formando un lipoperóxido (ROO·):

R· + O2 → ROO·

Este peróxido puede retirar un nuevo hidrógenode otro carbono.

El proceso es autocatalítico y convierte el carbonodel ácido graso de los fosfolípidos de membranaen hidroperóxidos (ROOH)

Oxidación de un ácido graso poliinsaturado

ROO· + RH → ROOH + R·

La lipoperoxidación sigue propagándose de estamanera y llega a su termino cuando dos ROOHreaccionan entre sí dando un tetróxido o cuandoson neutralizados por antioxidantes

Tetróxidos dan lugar a aldehídos como elmalondialdehido (MDA)

Malondialdehído

CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH

R`-CH=CH-C*H-CH=CH-R``

R`-C*H-CH=CH-CH=CH-R`` R`-CH=CH-CH=CH-C*H-R``

R`-CH-CH=CH-CH=CH-R``

OO* OO*

R`-CH=CH-CH=CH-CH-R``

R`-CH-CH=CH-CH=CH-R``

OOH OOH

R`-CH=CH-CH=CH-CH-R``

I*

IH

O2 O2

L*

LH

L*

LH

R` R``

HIPOTESIS DEL ESTRÉS OXIDATIVO

ESTRÉS OXIDATIVO

1O2 •O2- H2O2 •OH

Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)

Lípidos Proteínas Receptores DNAReacciones con sustratos biologicos

Enzimas Membrana Acidos Nucleicos

Hidratos deCarbono

Daño en Tejidos ENFERMEDAD

El daño a biomoléculas , implica la génesis oexacerbación de numerosos procesos:

- Aparato cardivascular:

aterosclerosisinfarto al miocardiodiabetescardiopatía alcohólica

- Sistema neurológico:

enfermedad de ParkinsonAlzheimerhiperoxiaisquemia o infarto cerebral

- Aparato ocular

cataratasdaño degenerativo de la retinafibroplasia retrolental

- Aparato respiratorio:

distrés respiratorio (síndrome de dificultad respiratoria del adulto)tabaquismocáncer del pulmónenfisema

- Riñón:

síndrome autoinmunenefrotoxicidad por metales.

¿Quién protege a las moléculasdel daño oxidativo?

Los antioxidantes

Los antioxidantes son sustancias que puedeninhibir la oxidación.

- Prolongando la fase de iniciación de la autoxidación(antioxidantes preventivos, ej. Catalasa, SOD, vit E)

- Inhibiendo la fase de propagación de la autoxidación(antioxidantes quebradores de cadena, ej. Vit C)

Mitocondria

Vitamina E y GSHMetaloenzima

Vitamina E y GSHβ-CarotenoGlutation TransferasaGlutation Peroxidasa

Vitamina C y Eβ-Caroteno

Vitamina C y Eβ-CarotenoCLA

Vitamina C y EGSHSOD Cu/ZnGlutation peroxidasaGlutation transferasaFerritinaMetaloenzimaCarnosinaArserina

Bicapa lipidica de la membrana celular

Peroxisoma

Vitamina E y GSHSOD MnGlutation peroxidasaGlutation transferasaUbiquinona

DNA

R E

Lisosoma

CitoplamaNúcleo

Catalasa

Distribución de la defensa primaria intracelular de los antioxidantes

NIVELES DE DEFENSA

Primer nivel: ENZIMATICO

Se origina al interior del organismo y opera de 2formas:

i) Enzimas especializadas en captar el anión radicalsuperóxido (O2·¯) y transformarlo en H2O2

Superóxido dismutasa (SOD): O2·¯+ O2·¯+ 2H+ H2O2 + O2

ii) Enzimas especializadas en neutralizar el H2O2

- Catalasa, ubicada en los peroxisomas

H2O2 + H2O → 2H2O + O2

- Glutation-peroxidasa (citoplasmática contiene Se)

2GSH + H2O2 → GSSG + 2H2O

GSH = glutatión reducidoGSSG = glutatión oxidado

Segundo nivel: ANTIOXIDANTE (no-enzimático)

Formada por diferentes compuestos que atrapano neutralizan RL, interrumpiendo las reaccionesen cadena.

Los antioxidantes entregan un electrón a los RL,con lo cual desactivan o apagan el proceso, perosin transformarse ellos en radicales, se forman RLpoco reactivos.

Vitamina E: neutraliza el O2 singlete, captura OH·, neutraliza peróxidos y captura anión superóxido.

Se encuentra en aceites vegetales de nueces, cereales y vegetales grasos (aceituna, maní, etc).

O

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

OHCH3

O

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

*OCH3

6-Fosfoglicerido

Glucosa-6-FosfatoROOH

ROO* GSSG

GSH

NADPH

NADP+

Glucosa-6-FosfatoDeshidrogenasa(Ruta pentosa fosfato)

α-tocoferol (vitamina E)

HidroxiperóxidoGlutationPeroxidasa (Se)

Vitamina C: neutraliza el O2 singulete, captura OH·, captura anión hidroperóxidos y regeneran la forma oxidada de la vitamina E.Se encuentra en muchas hortalizas y frutas. Proviene de naranjas, limones, limas, frutillas, kiwi, brocoli y otros.

OO

OHOH

HOH 2C

H

OHC quiral (L)

Protón ácido (pKa 4,17) O

O

OO

HOH 2C

H

OH

OxidaciónCon aire

Ácido L-ascórbico(vitamina C)Punto de Fusión 192ºC

Ácido deshidroascorbico

β-caroteno: neutraliza el O2 singulete

es el más abundante carotenoide, pigmentos amarillosy rojos que se encuentran distribuidos en las plantas.

Polifenoles: Son numerosos compuestos, tales comolos flavonoides. Provienen de frutas, verduras, y bebidas como el té y vino tinto.

CH3

CH3 CH3

CH3 CH3CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

Generación de RL

O2- + H+ H2O2

O2- + H2O2

H2 O + O2

Fe3+ + OH- + •OH

Peroxidación

H2O + O2

Catalasa

Superoxidodismutasa

Reac. Fenton

Reac. Haber-WeissO2 + OH- +•OH

Fe2+

Glutatión peroxidasadependientede Se

GSH

GSSG

NADPH

NADP+

Glutatión reductasa

Glutatión S-Transferasa

GS-electrófiloelectófilo

Catalisada por sales de Fe

Resumen de las vias para la generación de especies de oxígeno reactivas y de la acción de algunas enzimas involucradas en la defensa de RL de la célula

Biomarcadores de estrés oxidativo

- Capacidad Total antioxidante

- Actividad de enzimas antioxidante: Catalasa, Glutation peroxidasa, Superoxido dismutasa

- Concentración de antioxidantes no-enzimaticos (tejido o plasma): vitaminas A, C, E, ubiquinonas, GSH

- Daño oxidativo: Proteínas, lípidos, DNA

- Resistencia al estrés oxidativo

Efecto de radicales libres en diabetes