Daño oxidativo, radicales libres y antioxidantes

Cap. Justo R. Venereo Gutiérrez1

Resumen

Se realizó una revisión bibliográfica sobre el tema de los radicales libres del oxígeno, las especies reactivas del oxígeno y el estrés oxidativo, con el objetivo de acercar a los diferentes especialistas de las ciencias médicas al interesante y cada vez más importante mundo de los radicales libres, tema que en la actualidad es de gran interés para bioquímicos, fisiólogos y otros especialistas de las ciencias básicas de la medicina. En este trabajo se presenta una visión general de los principales aspectos del tema, se mencionan conceptos, clasificaciones y características de los radicales libres y de los diferentes sistemas de defensa antioxidante; se explican brevemente los mecanismos por los cuales se producen los daños de estas especies químicas sobre el organismo y se brindan recomendaciones desde el punto de vista higiénico-dietético para mantener un adecuado equilibrio prooxidante/antioxidante.

DeCS: RADICALES LIBRES/análisis; RADICALES LIBRES/efectos adversos; ESTRES OXIDATIVO; ANTIOXIDANTES.

Los adelantos científicos y específicamente en la medicina son realmente sorprendentes tanto en el conocimiento de las enfermedades y su tratamiento como de sus complicaciones, no obstante quedan aún muchas dudas que aclarar con respecto al origen de estas. En los últimos 30 a viene desarrollándose cada día un interés mayor por los problemas relacionados con el estrés oxidativo, los radicales libres, las especies reactivas del oxígeno y los antioxidantes, todo esto dado por la importancia que poseen en la bioquímica, la biología y la medicina.1 Las ciencias médicas están dando un paso de avance significativo en el conocimiento de muy variadas enfermedades, en su fisiopatología, su tratamiento y más importante aun, en su prevención.
Ya en 1981 Berg,2 al recibir el Premio Nobel, dijo... “Tendremos que tener médicos que dominen la anatomía molecular y la fisiología de los cromosomas y los genes, de la misma forma que el cirujano cardiaco domina la lectura y funcionamiento del árbol coronario”.
Existen varios trabajos en los cuales se expone la relación existente entre el estrés oxidativo y algunas enfermedades, N.F. Boyd y V.Mc Guire realizaron un estudio en 37 450 mujeres que tenían el diagnóstico de displasia mamaria y encontraron elevación de los niveles de lípidos peroxidados. El Linxian General Population Study realizado en una población china de 30 000 personas mostró una reducción significativa del cáncer de estómago en aquellos que ingirieron suplementos de antioxidantes. El estudio MONICA de la OMS mostró una correlación inversa entre los niveles de vitamina E y la mortalidad por infarto del miocardio en 16 ciudades europeas. El Cambridge Heart Antioxidant Study (CHAOS) agrupó a 2 000 pacientes con enfermedad coronaria comprobada por coronariografía, que fueron divididos en 2 grupos: a uno se le administró un placebo y al otro 800 UI de vitamina E; después de un seguimiento de 510 d se observó una disminución de la mortalidad por infarto del miocardio en el grupo tratado.3
Cuba da sus primeros pasos en este campo de la investigación, varios son los logros obtenidos por los científicos, y se destaca la obtención del VIMANG, un producto terapéutico con propiedades antioxidantes comprobadas. Ya en 1999 se celebró en Cuba el Simposio Internacional Estrés Oxidativo en Biomedicina, que estuvo caracterizado por un gran nivel científico y de actualidad.
Hoy día en todo el mundo este tema ha dejado de ser solo interés de bioquímicos y fisiológicos para convertirse en un arma más en la comprensión y origen de las enfermedades que afectan actualmente a la humanidad.4
Todos los elementos señalados hasta aquí han motivado la realización de esta revisión.

Daño o estrés oxidativo

De manera habitual, el oxígeno se encuentra en su forma más estable (O2), con los electrones que forman el enlace (p), antienlazante con el mismo espín, es decir, en lo que se conoce como estado triplete, así el oxígeno es poco reactivo con una velocidad de reacción a temperatura fisiológica baja; sin embargo por reacciones puramente químicas, por acciones enzimáticas o por efecto de las radiaciones ionizantes, se pueden producir una serie de especies químicas o sustancias prooxidantes (moléculas o radicales libres altamente reactivos) que son capaces de dar lugar a múltiples reacciones con otros compuestos presentes en el organismo, que llegan a producir daño celular. Por lo anteriormente expuesto se comprende que, si bien el oxígeno es imprescindible para el metabolismo y las funciones del organismo, no se deben olvidar los muchos efectos tóxicos que posee.5-7
El daño o estrés oxidativo se ha definido como la exposición de la materia viva a diversas fuentes que producen una ruptura del equilibrio que debe existir entre las sustancias o factores prooxidantes y los mecanismos antioxidantes encargados de eliminar dichas especies químicas, ya sea por un déficit de estas defensas o por un incremento exagerado de la producción de especies reactivas del oxígeno. Todo esto trae como consecuencia alteraciones de la relación estructura-función en cualquier órgano, sistema o grupo celular especializado; por lo tanto se reconoce como mecanismo general de daño celular, asociado con la fisiopatología primaria o la evolución de un número creciente de entidades y síndromes de interés médico-social, involucrado en la génesis y en las consecuencias de dichos eventos.8

Radicales libres

Desde el punto de vista químico, los radicales libres son todas aquellas especies químicas, cargadas o no, que en su estructura atómica presentan un electrón desapareado o impar en el orbital externo que les da una configuración espacial generadora gran inestabilidad, señalizado por el punto situado a la derecha del símbolo. Poseen una estructura birradicálica, son muy reactivos, tienen una vida media corta, por lo que actúan cercano al sitio en que se forman y son difíciles de dosificar.9-11 Desde el punto de vista molecular son pequeñas moléculas ubicuitarias y difusibles que se producen por diferentes mecanismos entre los que se encuentran la cadena respiratoria mitocondrial, la cadena de transporte de electrones a nivel microsomal y en los cloroplastos, y las reacciones de oxidación, por lo que producen daño celular (oxidativo) al interactuar con las principales biomoléculas del organismo.
No obstante lo expresado anteriormente, los radicales libres del oxígeno tienen una función fisiológica en el organismo como la de participar en la fagocitosis, favorecen la síntesis de colágeno, y la síntesis de prostaglandinas, activan enzimas de la membrana celular, disminuyen la síntesis de catecolaminas por las glándulas suprarrenales, modifican la biomembrana y favorecen la quimiotaxis.
Existe un término que incluye a los radicales libres y a otras especies no radicálicas, pero que pueden participar en reacciones que llevan a la elevación de los agentes prooxidantes y son las especies reactivas del oxígeno (EROS).12,13

Las principales especies reactivas del oxígeno o sustancias prooxidantes son:

• Radical hidroxilo (HO)+
• Peróxido de hidrógeno (H2O2)
• Anión superóxido (O2)
• Oxígeno singlete (1O2)
• Oxígeno nítrico (NO)
• Peróxido (ROO)
• Semiquinona (Q)
• Ozono

Los radicales libres del oxígeno se clasifican de la forma siguiente:

1. Radicales libres inorgánicos o primarios. Se originan por transferencia de electrones sobre el átomo de oxígeno, representan por tanto distintos estados en la reducción de este y se caracterizan por tener una vida media muy corta; estos son el anión superóxido, el radical hidróxilo y el óxido nítrico.
2. Radicales libres orgánicos o secundarios. Se pueden originar por la transferencia de un electrón de un radical primario a un átomo de una molécula orgánica o por la reacción de 2 radicales primarios entre sí, poseen una vida media un tanto más larga que los primarios; los principales átomos de las biomoléculas son: carbono, nitrógeno, oxígeno y azufre.
3. Intermediarios estables relacionados con los radicales libres del oxígeno. Aquí se incluye un grupo de especies químicas que sin ser radicales libres, son generadoras de estas sustancias o resultan de la reducción o metabolismo de ellas, entre las que están el oxígeno singlete, el peróxido de hidrógeno, el ácido hipocloroso, el peroxinitrito, el hidroperóxidos orgánicos.14

Los radicales libres se generan a nivel intracelular y extracelular. Entre las células relacionadas con la producción de radicales libres del oxígeno tenemos los neutrófilos, monocitos, macrófagos, eosinófilos y las células endoteliales. Las enzimas oxidantes involucradas son la xantin-oxidasa, la indolamindioxigenasa, la triptofano-dioxigenasa, la mieloperoxidasa, la galactosa oxidasa, la ciclooxigenasa, la lipoxigenasa, la monoamino-oxidasa y la NADPH oxidasa.15,16 Y entre las sustancias y agentes es conocida ampliamente la relación de los productos cíclicos de naturaleza redox como son el paraquat, diquat, alloxano, estreptozozina y doxorubicina, con los radicales libres. También se producen radicales libres por la administración de paracetamol, tetracloruro de carbono y furosemida; por último no se puede olvidar agentes como el humo de cigarrillos, las radiaciones ionizantes, la luz solar, el shock térmico y las sustancias que oxidan el glutatión (GSH) como fuentes de radicales libres.17-19
Existen algunas circunstancias en que también se producen radicales libres como son:

• Dieta hipercalórica.
• Dieta insuficiente en antioxidantes.
• Procesos inflamatorios y traumatismos.
• Fenómenos de isquemia y reperfusión.
• Ejercicio extenuante.

Efecto nocivo de los radicales libres

El daño celular producido por las especies reactivas del oxígeno ocurre sobre diferentes macromoléculas:

1. Lípidos. Es aquí donde se produce el daño mayor en un proceso que se conoce como peroxidación lipídica, afecta a las estructuras ricas en ácidos grasos poliinsaturados, ya que se altera la permeabilidad de la membrana celular y se produce edema y muerte celular. La peroxidación lipídica o enranciamiento oxidativo representa una forma de daño hístico que puede ser desencadenado por el oxígeno, el oxígeno singlete, el peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo. Los ácidos grasos insaturados son componentes esenciales de las membranas celulares, por lo que se cree son importantes para su funcionamiento normal; sin embargo, son vulnerables al ataque oxidativo iniciado por los radicales libres del oxígeno.20-22

Los factores que influyen en la magnitud de la peroxidación lipídica son

a) La naturaleza cualitativa y cuantitativa del agente inicializador.
b) Los contenidos de la membrana en ácidos grasos poliinsaturados y su accesibilidad.
c) La tensión de oxígeno.
d) La presencia de hierro.
e) El contenido celular de antioxidantes (betacarotenos, alfatocoferoles, glutatión).
f) La activación de enzimas que pueden hacer terminar la cadena de reacción como es el caso de la glutatión peroxidasa (GSH-Prx).
Una vez que se inicia, el proceso toma forma de “cascada”, con producción de radicales libres que lleva a la formación de peróxidos orgánicos y otros productos, a partir de los ácidos grasos insaturados; y una vez formados, estos radicales libres son los responsables de los efectos citotóxicos.23
2. Proteínas. Hay oxidación de un grupo de aminoácidos como fenilalanina, tirosina, histidina y metionina; además se forman entrecruzamientos de cadenas peptídicas, y por último hay formación de grupos carbonilos.
3. Ácido desoxirribonucleico (ADN). Ocurren fenómenos de mutaciones y carcinogénesis, hay pérdida de expresión o síntesis de una proteína por daño a un gen específico, modificaciones oxidativas de las bases, delecciones, fragmentaciones, interacciones estables ADN-proteínas, reordenamientos cromosómicos y desmetilación de citosinas del ADN que activan genes.
El daño se puede realizar por la alteración (inactivación/pérdida de algunos genes supresores de tumores que pueden conducir a la iniciación, progresión, o ambas de la carcinogénesis). Los genes supresores de tumores pueden ser modificados por un simple cambio en una base crítica de la secuencia del ADN.24-28

Sistemas de defensa antioxidante

El sistema de defensa antioxidante está constituido por un grupo de sustancias que al estar presente en concentraciones bajas con respecto al sustrato oxidable, retrasan o previenen significativamente la oxidación de este. Como sustrato oxidable se pueden considerar casi todas las moléculas orgánicas o inorgánicas que se encuentran en las células vivas, como proteínas, lípidos, hidratos de carbono y las moléculas de ADN.29 Los antioxidantes impiden que otras moléculas se unan al oxígeno, al reaccionar-interactuar más rápido con los radicales libres del oxígeno y las especies reactivas del oxígeno que con el resto de las moléculas presentes, en un determinado microambiente -membrana plasmática, citosol, núcleo o líquido extracelular (tabla 1). La acción del antioxidante es de sacrificio de su propia integridad molecular para evitar alteraciones de moléculas -lípidos, proteínas, ADN, etc.- funcionalmente vitales o más importantes.30 Su acción la realizan tanto en medios hidrofílicos como hidrofóbicos.31 Actúan como eliminadoras (Scavengers), con el objetivo de mantener el equilibrio prooxidante/antioxidante a favor de estos últimos (tabla 2). Los antioxidantes exógenos actúan como moléculas suicidas, ya que se oxidan al neutralizar al radical libre, por lo que la reposición de ellos debe ser continua, mediante la ingestión de los nutrientes que los contienen.
Tabla 1. Clasificación de los antioxidantes según el sitio donde ejercen su acción

Tabla 2. Clasificación de los antioxidantes, según origen

Características de las enzimas antioxidantes32

1. Catalasa (CAT). Tiene una amplia distribución en el organismo humano, alta concentración en hígado y riñón, baja concentración en tejido conectivo y epitelios, prácticamente nula en tejido nervioso y se localiza a nivel celular: mitocondrias, peroxisomas, citosol (eritrocitos); presenta 2 funciones fundamentales: catalítica y peroxidativa y forma parte del sistema antioxidante CAT/SOD que actúa en presencia de altas concentraciones de peróxido de hidrógeno.
2. Glutatión peroxidasa (GPx). Es una enzima selenio-dependiente, cataliza la reducción de peróxido de hidrógeno a lipoperóxido (L-OOH), usa como agente reductor el glutatión reducido (GSH) y se localiza en: citosol (eritrocitos), lisosomas (neutrófilos, macrófagos y otras células del sistema inmune). Existen 3 formas de GPx: GPx-c o forma celular, tiene mayor afinidad por el peróxido de hidrógeno que por el lipoperóxido; GPx –p o forma extracelular, presenta afinidad semejante para ambos sutratos; GPx-PH, tiene afinidad específica para los lipoperóxidos.
   Las formas GPx-c y GPx-p no son capaces de utilizar los lipoperóxidos.
3. Superóxido dismutasa. Su distribución es amplia en el organismo, está formada por un grupo de enzimas metaloides: Cu-SOD y Zn-SOD que contienen cobre y cinc en su sitio activo y se encuentran en el citosol y en el espacio inter-membranoso mitocondrial; Mn-SOD que contiene manganeso y se localiza en la matriz mitocondrial; Fe-SOD que contiene hierro y se localiza en el espacio periplasmático de la E. Coli. Estas enzimas dismutan el oxígeno para formar peróxido de hidrógeno y su principal función es la protección contra el anión superóxido.

Indicaciones de los antioxidantes

• Antecedentes hereditarios de enfermedad aterosclerótica o tumoral.
• Tabaquismo.
• Hipertensión arterial.
• Prevención primaria de dislipidemia, diabetes, obesidad, sedentarismo, estrés y menopausia.
• Prevención secundaria de angina de pecho, afección vascular periférica, enfermedad cerebrovascular, antecedentes de infarto, técnicas de revascularización previas (bypass, angioplastia, terapias trombolíticas), cataratas incipientes, displasias mamarias, trasplante de órganos, cáncer, infertilidad masculina y enfermedades neurodegenerativas.33

Existen algunas recomendaciones que mejoran la capacidad antioxidante como son:34

• Ejercicio regular no extenuante.
• Supresión del mal hábito de fumar.
• Evitar dietas hiperproteicas e hipercalóricas.
• Priorizar la ingestión de vegetales en las comidas.
• Evitar el estrés.
• Suplementación con antioxidantes y oligoelementos.35,36
• Vitamina E: 100-400 mg.
• Vitamina C: 200-2 000 mg.
• Betacarotenos: 2-10 mg.
• Selenio: 50-100 mg.
• Manganeso: 1,5 mg.
• Cobre: 1 mg.

Summary

A literature review was made on the topic of free oxygen radicals, reactive oxygen species and oxidative stress to bring medical science specialists closer to the interesting and ever increasingly important world of free radicals, a topic of interest at present not only for biochemists, physiologists and other specialists in basic medical sciences but for other experts as well. This paper provides a general view of the main aspects of this topic, concepts, classifications and characteristics of free radicals, and of the various systems of antioxidant defense. Also, it briefly explains the mechanisms by which these chemical species damage the body, and finally makes recommendations from the hygiene-dietary viewpoint in order to keep an adequate prooxidant-antioxidant balance.
Subject headings: FREE RADICALS/analysis; FREE RADICALS/adverse effects; OXIDATIVE STRESS; ANTIOXIDANTS.

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Fuente: Rev Cubana Med Milit 2002;31(2):126-33