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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