7.1.9 Estrés oxidativo

TRASVIÑA GONZÁLEZ DIANA LAURA

RUVALCABA DIAZ BETSY CRISEL

GRAXIOLA MEDINA ROSY YOSUNE

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEPICING. BIOQUIMICA

BIOQUIMICA I

UNIDAD VII: FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y FOSFORILACIÓN

7.1.9.1 Especies reactivas de oxígeno (ERO)

INTRODUCCIÓN

Los seres humanos necesitan oxigeno (O2) para la producción de energía. Sin embargo, el exceso de O2 en las células es nocivo debido a la formación de especias reactivas generadas durante su oxidación. Para contrarrestar el efecto nocivo del O2 y derivados, la célula cuenta con mecanismos capaces de remover los productos tóxicos del O2. estos mecanismos de defensa son conocidos como sistema antioxidante (AOX), encargado de mantener el equilibrio de las reacciones de oxido reducción y sobrevivencia celular. El sistema antioxidante incluye enzimas, secuestrantes de electrones y nutrientes; todos encargados de eliminar y reducir los efectos de las especies reactivas de oxigeno (ERO) en la célula. En el organismo existe un equilibrio entre las ERO y los sistemas de defensa AOX; cuando este se descompensa a favor de las ERO se establece en la célula el estrés oxidativo (EO), considerado componente central de diversas patologías humanas.

Definición Las especies reactivas de oxígeno (ROS) son un conjunto de

moléculas reactivas producidas en algunos procesos metabólicos en los que participa el oxígeno. Las ROS son moléculas muy reactivas entre las que se encuentran los iones de oxígeno, los radicales libres y los peróxidos. Su gran reactividad se debe a que poseen electrones desapareados que les hace reaccionar con otras moléculas orgánicas en procesos de oxido-reducción.

Que son los radicales libres? Un radical libre es un átomo o molécula

con uno o más electrones no apareados en el último orbital, capaz de reaccionar con múltiples biomoléculas a través de su oxidación. Dentro de este concepto general, las formas reducidas del O2 se denominan ERO; en las que se incluyen radicales libres y peróxidos de hidrogeno (H2O2). Las ERO son producto del metabolismo celular y fuentes exógenas (rayos x, humo de tabaco, contaminación ambiental); tienen una participación dual en la célula, ya que pueden adoptar un papel benéfico o perjudicial en los sistemas vivos.

Las distintas especies reactivas de oxígeno pueden participar en distintos tipos de reacciones en las que pueden sufrir procesos de oxidación o reducción. De menor a mayor grado de reducción son especies reactivas de oxígeno:

El anión superóxido O2- que es un potente agente oxidante muy reactivo con el agua.

El peróxido de hidrógeno H2O2. El radical hidroxilo OH que es el más reactivo.

Aceptando un electrón más, el radical hidroxilo da lugar a una molécula de agua.

También pertenecen a las ROS el óxido nítrico (NO) y el HONO2-. Al ser especies reactivas las ROS pueden producir efectos dañinos sobre las células como: Daños en el ADN. Daños producidos por oxidación de ácidos grasos

poliinsaturados y de aminoácidos. Daños producidos por reacciones con metales como

el hierro y el cobre.

Para evitar estos daños, las células tienen varios mecanismos de eliminación y transformación de las ROS como las enzimas superóxido dismutasa (SOD) y catalasa y sustancias antioxidantes como el glutatión o la vitamina C que se encargan de reducir las ROS.

En los peroxisomas del hígado el peróxido de hidrógeno participa con la catalasa en funciones de detoxificación realizando la oxidación de ciertas sustancias como alcoholes, ácido fórmico o fenoles. 

La alteración del balance en los mecanismos de producción y eliminación de las ROS, en favor de la producción, origina el estado de estrés oxidativo en la célula.

Además de provocar daños celulares, el estrés oxidativo influye en la regulación de ciertos genes habiéndose involucrado en la aceleración de los procesos de envejecimiento en la activación de rutas de apoptosis y en la activación de distintas respuestas de defensa frente al este estrés oxidativo.

Generación de ERO

La generación de especies reactivas de oxígeno a partir del oxígeno molecular es un proceso fisiológico que tiene lugar en las células de todos los organismos aeróbicos. Entre las principales especies reactivas de oxigeno se encuentran el anión superóxido (O2.-) y el peróxido de hidrogeno (H2O2) que se presentan en las células en concentraciones basales del orden de nano molar y micro molar, respectivamente (Dawson y Dawson 1996).

En general, y en el sistema nervioso central (SNC) en particular, el anión superóxido se forma in vivo como consecuencia de la reducción incompleta del oxigeno en la cadena de transporte de electrones mitocondrial, aunque también puede generarse por la acción de enzimas como la xantina oxidasa. Su

reacción con la enzima superóxido dismutasa (SOD) da lugar a la generación de H2O2, una sustancia poco reactiva pero con capacidad oxidante

El H2O2 puede generarse además por la acción de otras enzimas como la monoamina oxidasa. El O2- puede reaccionar en presencia de hierro dando lugar a la formación de radicales hidroxilo (.OH) mediante la reacción de Fenton. Asimismo, el H2O2 y el O2- pueden reaccionar entre sí, en presencia de cationes metálicos, mediante la reacción de Haber-Weiss, generando igualmente radicales hidroxilo, que son especies altamente reactivas y oxidantes.

¿Dónde se producen? La mitocondria es el principal productor de las ERO, ya que la respiración celular se verifica específicamente a este nivel. Como se sabe el 90% del total del oxígeno inhalado se consume en la mitocondria y alrededor del 2 % del oxígeno reducido se transforma en el radical superóxido (O2·). Otra fuente de este radical son los fagocitos activados que producen el superóxido como mecanismo protector frente a agentes u organismos extraños. Por otros mecanismos el superóxido se transforma en el radical hidroxilo(OH·), que es aun más reactivo que el anterior

EFECTO BENEFICO Y DAÑINO DE LOS RADICALES LIBRES EN LOS SISTEMAS BIOLOGICOS

Los efectos beneficos de las ERO se presentan a bajas concentraciones, participando en diferentes funciones fisiológicas de la celula; como defensa contra agentes infeccioso y sistemas de señalización celular (mitosis).

En contraparte el efecto dañino de los radicales libres en los sistemas biológicos produce Estrés Oxidativo (EO) generado or la deficiencia de antioxidantes e incremente de las ERO. El EO es el resultado de reacciones metabólicas que utilizan O2 y representa una alteración en el equilibrio pro-oxidante/antioxidante en los sistemas vivos con capacidad de oxidar biomoleculas (lípidos, proteínas, ADN) e inhibir su estructura y función normal. Por lo anterior, es importante resaltar que el equilibrio entre los efectos beneficos y perjudiciales de los radicales libres es un aspecto muy importante para los organismos vivos, el cual se logra mediante mecanismos de “regulación redox” que protegen a los organismos vivos del EO, manteniendo el contro del estado redox a través de los AOX y atrapadores de radicales libres.

EFECTO BENEFICO Y DAÑINO DE LOS RADICALES LIBRES EN LOS SISTEMAS BIOLOGICOS

Los efectos beneficios de las ERO se presentan a bajas concentraciones, participando en diferentes funciones fisiológicas de la célula; como defensa contra agentes infeccioso y sistemas de señalización celular (mitosis).

En contraparte el efecto dañino de los radicales libres en los sistemas biológicos produce Estrés Oxidativo (EO) generado por la deficiencia de antioxidantes e incremente de las ERO. El EO es el resultado de reacciones metabólicas que utilizan O2 y representa una alteración en el equilibrio pro-oxidante/antioxidante en los sistemas vivos con capacidad de oxidar biomoléculas (lípidos, proteínas, ADN) e inhibir su estructura y función normal. Por lo anterior, es importante resaltar que el equilibrio entre los efectos beneficios y perjudiciales de los radicales libres es un aspecto muy importante para los organismos vivos, el cual se logra mediante mecanismos de “regulación redox” que protegen a los organismos vivos del EO, manteniendo el control del estado redox a través de los AOX y atrapadores de radicales libres.

7.1.9.3SISTEMAS DE ENZIMAS ANTIOXIDANTES

Hay varios sistemas de la enzima que catalizan reacciones para neutralizar radicales libres y especie reactiva del oxígeno. Estas enzimas incluyen:

dismutasa del superóxido el glutatión peroxidiza reductasa del glutatión catalasas

Éstos forman los mecanismos de la defensa endógenos del cuerpo para ayudar a proteger contra daño de célula radical-inducido libre. Las enzimas antioxidantes - glutathioneperoxidase, catalasa, y dismutasa del superóxido (CÉSPED) - metabolizan intermedios tóxicos oxidativos.

7.1.9.4 Moléculas antioxidantes

Antioxidante

Definición:

Un antioxidante es una molécula capáz de retardar o prevenir la oxidación de un sustrato oxidable, actuando como donador de electrones (agente reductor) Todos los seres vivos que utilizan el oxígeno para obtener energía, liberan radicales libres, lo cual es incompatible con la vida a menos que existan mecanismos celulares de defensa que los neutralice. A éstas defensas se las denomina Antioxidantes. Los niveles bajos de los mismos, o la inhibición de las enzimas antioxidantes causan estrés oxidativo y pueden dañar o matar las células.

Clasificación:

_ Endógenos(son normalmente bio-sintetizados por el organismo)

_ Exógenos( a través de la dieta)

Endógenos: enzimas: catalasa, superoxido dismutasa y la glutatión peroxidasa,glutatión S-transferasas,tioredoxina-reductasas y sulfoci-metionina-reductasas.

Exógenos: no enzimáticos, las vitaminas: vit.E y C, los betacarotenos, los flavonoides y los licopenos, fitoestrógenos polifenoles,glutatión,acido úrico,ubiquinol(Co-enzima Q),melatonina. Además de las vitaminas, los oligoelementos como el cobre, el zinc, el manganeso, el selenio y el hierro son necesarios incorporarlos al organismo a través de la dieta, porque conforman la parte activa del núcleo de las enzimas antioxidantes.

Mecanismos de acción:

Los antioxidantes pueden prevenir o retardar la oxidación de un sustrato biológico, y en algunos casos revertir el daño oxidativo de la moléculas afectadas. Según el mecanismo de acción, se clasifican en: _ antioxidantes preventivos: al comienzo de una

cadena de oxidación(reductores de peróxidos orgánicos e inorgánicos) ej: enzimas, glutatión peroxidasa, catalasa y peroxidasa.

_antioxidantes secundarios: bloqueando en alguna etapa la cadena de oxidación, una vez iniciada, captando radicales libres. Ej: vitamina E y C, enzima superóxido dismutasa.

Qué se mide cuando se determina la actividad antioxidante de un alimento? Lo primero es que se supone la cuantificación de “virtualmente” todas las moléculas antioxidantes presentes en éste. 1_Capacidad para reaccionar ante un radical libre

determinado 2_el potencial del compuesto para reducir un

complejo formado entre iones de hierro y el reactivo TPTZ(2,4,6-tripiridil-s-triazina)

Estas enzimas también requieren los cofactores tales como selenio, hierro, cobre, cinc, y manganeso para la actividad catalítica óptima. Se ha sugerido que una ingestión dietética inadecuada de estos minerales del trazo puede comprometer la eficacia de estos mecanismos de defensa antioxidantes. El consumo y la amortiguación de estos minerales importantes del trazo pueden disminuir con el envejecimiento.

Enzimas y sistema del Glutatión

El Glutatión, un antioxidante soluble en agua importante, se sintetiza de los aminoácidos glicocola, glutamato, y cisteína. El Glutatión puede neutralizar directamente el ROS tal como peróxidos del lípido, y también desempeña un papel principal en metabolismo xenobiótico.

Ácido Lipoíco

Éste es otro antioxidante endógeno importante. Se categoriza como el “tiol” o “biothiol”. Éstas son las moléculas con sulfuro que catalizan la descarboxilación oxidativa de los ácidos alfa-keto, tales como piruvato y alphaketoglutarate, en el ciclo de Krebs.

El ácido Lipoico y su formulario reducido, ácido dihydrolipoic (DHLA), neutralizan los radicales libres en lípido y los dominios acuosos y como tal se han llamado un “antioxidante universal.”

CONCLUSIÓN

De manera natural, los tejidos del organismo sufren a lo largo de la vida, un desgaste del que se defiende desarrollando su propia capacidad intrínseca de regeneración y reparación. De no existir ésta, se reduciría considerablemente la esperanza de vida de los seres vivos. Los niveles de defensa antioxidante, están genéticamente controlados, aunque también influenciados por factores epigenéticos, ejemplo , el estrés oxidativo; ejerciendo una influencia que regula la expresión génica de la célula; considerándose factor causar de algunas enfermedades crónicas como patologías cardiovasculares, tumorales y neurodegenerativas. Existen evidencias, de que la ingesta de antioxidantes reduce el riesgo de dichas patologías, actuando como agente preventivo, aunque es de resaltar que se desconoce el efecto específico y la dosis efectiva. Sí es claro y recomendable consumir en nuestra dieta una ingesta adecuada de moléculas, vitaminas y minerales con propiedades antioxidantes.

Metabolismo oxidativo La producción de energía para los procesos celulares requiere de O2, el cual

es reducido a agua (H2O) tras aceptar cuatro electrones por el complejo citocromo- oxidasa de la mitocondria. Normalmente, 2% del oxigeno es reducido de forma incompleta, al aceptar un menos numero de electrones originando ERO.

La incorporación de un electrón a la molécula de O2 origina el radical anión superóxido (O2-), que presenta un electrón desapareado; este se forma en cualquier sistema capaz de generar electrones libres y que cuente con la presencia de oxigeno; por otro lado, es producido por macrófagos, neutrófilos, leucocitos, fibroblastos y células del endotelio vascular. Se considera un radical poco reactivo, aunque es capaz de oxidar grupos tiol, acido ascórbico y ha sido implicado en lesiones por reperfusión tras un periodo de isquemia.

El radical hidroperóxido (HO-2), es mucho mas reactivo frente a biomoléculas capaz de iniciar la peroxidación lipídica. Su importancia radica en la formación de peróxido de hidrogeno (H2O2), especie reactiva generada por una reacción de dismitacion catalizada por la enzima superoxido dismutasa (SOD). En presencia de metales como fierro (Fe), cobre (Cu), Cobalto (co) y níquel (Ni), el H2O2 es trasformado en el radical hidroxilo (-OH), una especie mucho mas reactiva a través de la reacción de Haber-Weiss o Fenton.

La isquemia es cualquier condición que impide que la sangre alcance los órganos y tejidos del cuerpo. La sangre contiene muchos nutrientes y oxígeno y que son vitales para el funcionamiento apropiado de los tejidos y órganos. Sin estos componentes, estos tejidos se comienzan a morir.

Plantea que las mutaciones y daños con los años,puede ser debido a procesos de conversión del oxigeno en energía, con la formación de radicales libres. Si dichos radicales se formaran en cantidades normales, ayudan a mantener al organismo sano, con la eliminación de toxinas, por el contrario, si se producen en grandes cantidades, dañan al cuerpo y pueden provocar la muerte celular u otros daños. La hipótesis del envejecimiento por rad.libres se fortalece al focalizarla en las mitocondrias(fosforilación oxidativa) y se transforma en la teoría del envejecimiento mitocondrial y celular por la acción continua de los rad.libres del oxígeno y del nitrógeno. Las mitocondrias, aparecen como las únicas organelas que muestran alteraciones morfológicas con la edad. Aquellas que se vuelven disfuncionales pueden ser eliminadas por digestión lisosomal y pueden sufrir proceso de apoptosis.

Hip. del estrés oxidativo:

El nivel de estrés oxidativo depende de la velocidad de generación de oxidantes y de los niveles de defensa antioxidantes. El mismo, ejerce una influencia reguladora en la expresión génica y es diferente en los distintos estadíos del desarrollo.

Envejecer representa:

_Disminución a la adaptación del entorno

_Disminución del control homeostático

_Disminución de las capacidades de reserva de sistemas y órganos

Hipótesis de envejecimiento:

Hip. De daños acumulados: Harman en 1956 propone la teoría de daño acumulativo al azar lo que produce disminución de las funciones vitales y al envejecimiento celular Sugiere que las células acumulan daños poco a poco en el transcurso de los años sin reparar, que unido a un sistema inmunológico deficiente, las células mutantes se acumulan en el DNA mitocondrial y nuclear, sintetizando proteínas anormales.

Hip. De los radicales libres: Gerschman en 1954 reconoce que:

1-los rad.libres del oxígeno son el mecanismo molecular común de la toxicidad del oxígeno y de la radiación.

2-un aumento de los rad. libres oxidantes o una disminución de los antioxidantes, provocan igualmente daño celular(estrés oxidativo)

3-la toxicidad del oxigeno es un fenómeno contínuo.

SISTEMA ANTIOXIDANTE CELULAR

Para contrarrestar el efecto nocivo de los radicales libres, los organismos aerobios cuentan con sistemas de defensa antioxidante, que incluyen moléculas, enzimas y secuestradores químicos que previenen el daño oxidativo.

Las enzimas AOX constituyen la primera línea de defensa celular frente al daño oxidativo, las cuales eliminan el O2 y el H2O2. aunado a estas, existe una segunda línea de defensa compuesta por moléculas no enzimáticas que actúan sobre los radicales libres. Los antioxidantes se pueden agrupar según su naturaleza química y su modo de acción.

ENZIMAS. Actúan específicamente sobre las ERO, degradándolas a moléculas menos nocivas mediante mecanismos bioquímicos específicos. El proceso inicia con la dismutacion del O2.- a H2O2 por acción de la enzima superoxido dimutasa (SOD); posteriormente, la catalasa (CAT) y la glutatión peroxidasa (GPx) actúan convirtiendo el H2O2 en H2O. La actividad de estas enzimas debe estar en equilibrio para mantener el equilibrio REEDOX intracelular.

ANTIOXIDANTES PREVENTIVOS. Moleculas encargadas de secuestrar a los iniciadores del proceso oxidativo, tales como Fe y Cu, los cuales aceleran la formación de ERO. Ejemplo de esto son las glicoproteínas que se unen al Fe transportándolo en el torrente sanguíneo por medio de la trasferrina y lactoferrina. Aunado a esto, la ceruplasmina atrapa a los iones de Cu+ impidiendo la formación de radicales libres a partir de peróxidos. En el plasma el Cu+ no unido a la ceruloplasmina está ligado a la albumina, aunque ésta no previene su interacción con H2O2 para formar el radical hidroxilo.

ANTIOXIDANTES SECUESTRADORES DE ERO. Inhien la cadena de reacción y propagación en la formación de radicales libres. El acido urico es un producto del metabolismo de las purinas, capaz e atrapar radicales peroxilo, alcoxilo, ERO e iones de Cu+ y Fe+. La bilirrubina es un producto secundaria del metabolismo del grupo hemo (grupo prostético con Fe+, capaz de unir atomos de O2) con actividad antioxidante que inhibe la peroxidacion lipídica en los sistemas celulares.

ANTIOXIDANTES NUTRIOCINALES. Para proteger a la célula en contra de los efectos de la oxidación, los sistemas de defensa antioxidante deben actuar en conjunto para formar un sistema integro en donde la ieta es la mayor fuente de antioxidantes y mico elementos para la síntesis de enzimas antioxidantes. En este sentido varios metales (Cu, Zn, Se, Mn y Fe) participan como componentes o cofactores de enzimas AOX; al igual que las vitaminas, acido ascórbico, alfa-tocoferol, B-caroteno y acido fólico, las cuales actúan como atrapadores de las ERO.

Que pasa cuando respiro?

Cada vez que respiramos, 20% de lo que inhalamos es oxígeno. El oxígeno es una molécula esencial que pasa del aire en los pulmones a los glóbulos rojos en la sangre. Los glóbulos rojos transportan el oxígeno a cada célula de nuestro cuerpo. Así, el oxígeno proporciona vitalidad a las células al crear la energía necesaria para que las células funcionen. La oxidación es un proceso sin el cual no podríamos vivir. Este es el mismo proceso que causa que una manzana partida y expuesta al aire se ponga café, o que el cobre se ponga verde con el tiempo. El proceso de oxidación crea radicales libres en nuestras células. Un radical libre es un átomo con un número impar de electrones o que tiene un electrón libre. En grandes proporciones, los radicales libres pueden causar daño a las células. El consumir alimentos ricos en antioxidantes puede inactivar los radicales libres del oxígeno y reducir los efectos dañinos de estos radicales libres.

Estrés oxidativo

El estrés oxidativo ocurre cuando hay un desequilibrio en nuestras células debido a un aumento en los radicales libres y/o una disminución en los antioxidantes. Con el tiempo, este desajuste en el equilibrio entre los radicales libres y los antioxidantes puede dañar nuestros tejidos.

Sies, define el estrés oxidativo como una” alteración del equilibrio prooxidante/antioxidante, a favor del primero.”

Miquel y Weber, mencionan que el aumento del estrés oxidativo que tiene lugar al envejecer se acompaña de un progresivo descenso en los niveles tisulares de glutatión reducido(necesario para la síntesis de DNA y proteínas, actividades enzimáticas, liberación de neurotransmisores y detoxificación de compuestos carcinógenos)

ESTRÉS OXIDATIVO

Las ERO y el establecimiento de EO afectan a una amplia variedad de funciones fisiológicas y participan en el desarrollo de enfermedades humanas de tipo crónico degenerativas con impacto epidemiológico.

Estas enfermedades pueden clasificarse en las generadas por pro-oxidantes que modifican el estado redox y alteran la tolerancia a la glucosa, favoreciendo el EO mitocondrial en enfermedades como el cáncer y la diabetes mellitus; el segundo grupo incluye EO de tipo inflamatorio y una mayor actividad de la enzima nicotinamida adenina dinuclotido fosfato-oxidasa (NADPH-ox) que conducen a la aterosclerosis e inflamación crónica; y el tercer grupo deriva del sistema xantina-oxidasa, generando ERO implicados en la lesión isquémica por reperfusión.

bibliografia

http://ehscc.umich.edu/wp-content/uploads/OxidativeStressSPN.pdf

http://biologiabiomolecular.blogspot.mx/2013/07/envejecimiento-celular-lasenescencia-o_30.html

http://www.med-estetica.com/Cientifica/Revista/n21/estresoxidativo.html

http://www.soarme.com/archivos/1324143195.pdf

http://medicasur.org.mx/pdf-revista/RMS133-AR01-PROTEGIDO.pdf

http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/mednat/estres_oxidativo_y_antioxidantes.pdf