Revista Salud Pública y Nutrición - Dra. Martha A. Sánchez Rodríguez Unidad de...

Estrés oxidativo Estrés oxidativo y enfermedady enfermedad

Dra. Martha A. Sánchez RodríguezUnidad de Investigación en

GerontologíaFES Zaragoza, UNAM

Estrés oxidativoEstrés oxidativo

Es el desequilibrio bioquímico propiciado por la producción excesiva de especies reactivasespecies reactivas y radicales libresradicales libresque generan daño oxidativo en las biomoléculas y que no puede ser contrarrestado por los sistemas sistemas antioxidantesantioxidantes.

Denham Harman, 1982

Unidad de.Inv. en Gerontología

Radicales libresRadicales libresDefiniciónDefinición

Especies químicas con un electrón no apareado, que pueden considerarse fragmentos de moléculas, siendo por lo general altamente reactivas.


Fuentes endógenas Fuentes endógenas

Cadena respiratoria.Fagocitosis.Sistema citocromo P-450.Síntesis de prostaglandinas.Reacciones no enzimáticas de oxígeno.

Unidad de Inv. en Gerontología

Fuentes Fuentes exógenasexógenas

Radiaciones ionizantes.Rayos UV.Contaminación ambiental.Humo del cigarro.Alcohol.Hábitos alimenticios.Ejercicio en exceso.Insomnio.Estrés psicológico.Ocupación: lugares estresantes o en contacto con agentes oxidantes.


Principales moléculas de dañoPrincipales moléculas de dañoSustancias reactivas de oxígenoSustancias reactivas de oxígeno (EROERO)

Ión superóxido (OO22――••)

Radical hidroxilo (OHOH••)Radical nitrilo (NONO••)Peróxido de hidrógeno (HH22OO22)Oxígeno singulete (11OO22)

Oxidantes secundariosRadical peroxilo (ROOROO••)Radical tiol (RSRS••)Radical peroxinitrilo (ONOOONOO――)


Formación deFormación de EROERO in vivoin vivo

O2

OO22––••

HH22OO22H2O

OHOH••

ROOROO•• RR••

Arginina

NONO••

ONOOONOO−−

OHOH•• + NO2-

NO3-

CadenaRespiratoria

SOD

CAT

Fe2+ libreRadiación

NOS

H+

Sohal, 1997

RHRHO2

GPx


Oxidación de Oxidación de biomoléculasbiomoléculas

Lípidos.ProteínasHidratos de carbono.ADN:

NuclearMitocondrial

Unidad Inv. en Gerontología,

Oxidación de lípidosOxidación de lípidos

La oxidación de los ácidos grasos poli-insaturados es conocida como lipoperoxidaciónlipoperoxidación..Es una reacción en cadena que comienza con la abstracción de un hidrógeno de un ácido graso, convirtiéndose en radical libre que abstrae el hidrógeno de otro ácido graso.


La lipoperoxidación se ha asociado con:Pérdida progresiva en la fluidez de la membrana.Reducción del potencial de membrana.Incremento en la permeabilidad de la membrana a iones.Muerte celular.

Oxidación de lípidosOxidación de lípidos

Unidad de Inv. Gerontología

Sun y cols., Free Radic Biol Med 2002; 32: 314-318.

Oxidación de proteína e hidratos de Oxidación de proteína e hidratos de carbonocarbono

Hay entrecruzamiento entre ambos.Se inicia con una glicosilación de proteínas.Puede continuar formando agregados de proteínas glicosiladas llamados compuestos AGE (productos finales de glicosilaciónavanzada).


Oxidación de proteínas e hidratos de Oxidación de proteínas e hidratos de carbonocarbono

La modificación de los residuos de aminoácidos por radicales libresradicales libres es la formación de funciones carbonilo en las proteínas.Los aminoácidos aromáticos, cisteína, enlaces disulfuro y peptídico, son afectados por la oxidación.


Efecto sobre el ADNEfecto sobre el ADN

Bruce N. Ames ha estimado que el ADN en cada célula humana se expone a 10 000 “impactos” (hits) oxidativos, formando 10 000 radicales hidroxilhidroxiloo por día.


Daño al ADNDaño al ADN

Se han observado los procesos:

Oxidación.Metilación.Desaminación.Despurinación.Oxidación del azúcar (ruptura de hebras.

ADN

Base oxidada

Hebra rota


Efecto Efecto mitocondrialmitocondrial

Las mitocondrias son la fuente principal de radicales libresradicales libres en el cuerpo, además el ADN mitocondrial es particularmente sensible al daño oxidativo.La velocidad de oxidación del ADN es mayor en la mitocondria que en el núcleo.


DDañoaño mitocondrialmitocondrial

MASR

Mitocondria sanaen célula joven

NUTRIENTESY OXIGENO

MATRIZ

Membranainterna

ADNMitocondrial Complejo

molecular

RADICALRADICALLIBRELIBRE

Relativamente pocoataque de radicaleslibres a la célula

Abundante ATPpoder de la

actividad celular

MAQUINARIAPRODUCTORADE ENERGIA

NUTRIENTESY OXIGENO

Mitocondria dañada enuna célula vieja agotada

Daño por radicales libresincrementado

ATPproporcionado

contraído


Daño celularDaño celular


Defensa contra las Defensa contra las EROERO


AntioxidantesAntioxidantesDefiniciónDefinición

Molécula que, cuando está presente a bajas concentraciones comparada con los substratos oxidables, previene o retarda la oxidación de las biomoléculas: lípidos, proteínas, hidratos de carbono y ADN.

Halliwell y Gutteridge, 1995Unidad de.Inv. en Gerontología

Sistemas Antioxidantes

PrimariosPreviene formación de radicales libres

SecundariosCapturan radicales

libresTerciarios

Reparanbiomoléculas

SOD GPx CAT

Proteínasatrapadorasde metales

Vit E

Vit C

β−Caro-tenos

Ac. úrico

Enzimasreparadoras

ADNLípidosProteínas

Autor: Martha Sánchez Rodríguez, 1997.

AntioxidantesAntioxidantesSistemas antioxidantes Sistemas antioxidantes del organismodel organismo


Melatonina

Alb

Bilir

Estrógenos

Mecanismos de acciónMecanismos de acción

Se base principalmente en la estructura de las moléculas.Cualquier molécula con dobles enlaces conjugados es potencialmente antioxidanteantioxidante.Rompimiento de las cadenas, con la formación de radicales peroxiloperoxilo o alcohoxiloalcohoxilo para prevenir la abstracción continuada del hidrógeno.Descomposición de peróxidos por conversión a productos no radicales como alcoholes.


Equilibrio celular oxidativo con Equilibrio celular oxidativo con sistema antioxidantesistema antioxidante eficienteeficiente

Célula

OO22――•• HH22OO22 H2O

OHOH••

SOD/GPx + CAT

ADNox

LPO

AT + GAP

OHOH•• LPO

SOD GPx

CATFe2+

Líquido extracelular


Fuentes endógenasMitocondriaPeroxisomas

NADPH oxidasa

DefensasAntioxidantesSOD, GPx, CAT

Vitaminas

Fuentes exógenasLuz UV

RadiacionesAmbiente

EROERO

ONOO-O2

·-

RO·

H2O2 NO2·

O2·

OH·NO·

Homeostasis Defecto en la funciónfisiológica

Defecto en la funciónfisiológica

Menos Más

Metabolismo yCrecimiento normal

Envejecimiento EnfermedadEnfermedadDefecto en el sistemade defensa

Finkel y Holbrook. Nature2000; 408: 239-247.

Fuentes y respuesta celular aFuentes y respuesta celular a EROERO


Estrés Estrés oxidativooxidativo y y enfermedadenfermedad

Estrés oxidativoEstrés oxidativo y enfermedady enfermedad

En la mayoría de las enfermedades humanas el estrés oxidativo es un fenómeno secundario.

Los neutrófilos activados producen OO22––••, HH22OO22 y HClO

para matar patógenos.El daño cerebral por trauma o hipoxia puede producir liberación de iones ferrosos que aceleran las reacciones de radicales libresradicales libres.

El daño oxidativo parece ser la principal contribución a muchas enfermedades degenerativas del envejecimiento.


Como el daño a los tejidos produceComo el daño a los tejidos produceestrés oxidativoestrés oxidativo

CalorTraumaUltrasonidoInfecciónRadiaciónHiperoxiaToxinasExceso de ejercicio

DañoDañoTisularTisular

Incremento de enzimasgeneradoras de radicales y/o sussustratos.

Activación de fagocitosis.

Activación de fosfolipasas,cicloxigenasas y lipoxigenasas.

Liberación de iones metálicos“libres” de sitios de secuestro.

Liberación de hemoproteínas.

Ruptura de la cadena transporte deelectrones e incremento de la fugade electrones para formar OO22

--••..

Halliwell-Gutteridge-Cross, 1992 Unidad de Inv. en Gerontología

Enfermedades relacionadas conEnfermedades relacionadas con radicales radicales libreslibres

AteroesclerosisAteroesclerosisEnf. CoronariaInfarto cerebral

Miopatía cardiacaDiabetes Diabetes mellitusmellitusEnfermedades Enfermedades neurodegenerativasneurodegenerativasCataratas

Artritis reumatoide y Artritis reumatoide y enfenf. Inflamatorias. InflamatoriasEnfermedades pulmonaresCáncerCáncerDeficiencias nutricionales


AteroesclerosisAteroesclerosis



El colesterol es oxidado a una amplia variedad de productos en los sistemas de peroxidación lipídica, por lo tanto, las concentraciones elevadas de lípidos sanguíneos producen una elevada concentración de compuestos peroxidados, contribuyendo al daño endotelial y acelerando el proceso total de la aterogénesis.



Comienza con la lipoperoxidación de los ácidos grasos poli-insaturados de los fosfolípidos de la superficie de las LDL.Este proceso se extiende a los lípidos internos.Se oxidan todos los componentes lipídicos, produciéndose una LDL-acetilada.



El principal promotor de la oxidación de LDL es el OO22

––••, mediado por macrófagos y células de músculo liso.El OO22

––•• puede seguir diferentes reacciones para producir otras especies reactivas.También puede formar ONOOONOO–– al unirse con NONO••.


AteroesclerosisAteroesclerosisÓÓxido nxido níítrico (trico (NONO••) y peroxinitrilo () y peroxinitrilo (ONOOONOO––))

OO22––•• + NONO•• → ONOOONOO––

El NONO•• está presente en el espacio subendotelial y es un vasodilatador natural. Parece tener un papel directo en la aterogénesis.El peroxinitrilo es capaz de oxidar lípidos y grupos sulfhidrilo (-SH). Los macrófagos activados y neutrófilos producen NONO•• y OO22

––•• a velocidades similares.


AteroesclerosisAteroesclerosisRelación de las hipótesis sobre el proceso Relación de las hipótesis sobre el proceso ateroescleróticoateroesclerótico

Daño endotelial

Adherencia plaquetaria

Liberación de factor deCrecimiento derivado de

plaquetas Otros factoresde crecimiento

Proliferación celular

Lesión avanzada

↑ Niveles de LDLplasmático

Infiltración de LDLen la íntima

LDL oxidada +macrófagos

Célula espumosa

Placa grasa

Steinberg y cols. N Eng J Med 1989; 320: 915-923 Unidad de Inv. en Gerontología

AteroesclerosisAteroesclerosisEsquema del proceso Esquema del proceso ateroescleróticoateroesclerótico


AteroesclerosisAteroesclerosisProceso Proceso ateroescleróticoateroesclerótico


Diabetes Diabetes mellitusmellitus


Diabetes Diabetes mellitusmellitusGlicataciónGlicatación y entrecruzamiento con proteínasy entrecruzamiento con proteínas

Es un proceso mediado por estrés estrés oxidativooxidativo.La glucosa es susceptible de auto-oxidación, catalizada por metales de transición, para formar cetoaldehídos.

Amina + glucosa ⇔ Base de Schiff ⇔ Producto Amadori

Intermediariosreactivos y fragmentos


O

O

N

N

Prot

OProt

AGEAGE

Diabetes Diabetes mellitusmellitus

Se ha encontrado que los lipoperóxidos se incrementan tanto en DM 2 como DM 1.Se ha reportado que hay una modificación en la actividad de SOD, CAT y peroxidasas.También se ha demostrado que hay un incremento en la susceptibilidad a la lipoperoxidación tanto de LDL como de colesterol.


Diabetes Diabetes mellitusmellitusDaño al ADNDaño al ADN

Existe controversia sobre el daño al ADN, pues se encuentran altos niveles de 8-hidroxi-2’desoxiguanosina, pero se dice que es porque hay una alta capacidad de reparación.Se encontraron altos niveles de hebras rotas y pirimidinas oxidadas del ADN en linfocitos de sujetos con DM 1.


Diabetes Diabetes mellitusmellitusComplicaciones diabéticasComplicaciones diabéticas

Hay una alta correlación entre el incremento de lipoperóxidos y disminución de antioxidantes totales en las complicaciones diabéticas: microangiopatía, neuropatía sensorial, susceptibilidad a infecciones, retinopatía, nefropatía y complicaciones macrovasculares.También se han implicado a los AGEs en estas complicaciones.


EnfermedadesEnfermedadesneurodegenerativasneurodegenerativas


Enfermedades Enfermedades neurodegenerativasneurodegenerativas

El SNC es el que consume más oxígeno de todo el organismo.El cerebro genera más radicales de oxígeno por gramo de tejido que cualquier órgano.Hay niveles relativamente bajos de antioxidantes y actividad enzimática de protección disminuida.Hay reacciones generadoras de metabolitos de oxígeno por varias vías neuroquímicas.



Hay abundancia de catecolaminas oxidables y ácidos grasos poli-insaturados en las membranas.Las células neuronales que no se reproducen permanecen viables, pero disfuncionales.El complejo de la red neuronal del SNC es fácilmente interrumpido.



Enfermedad de Alzheimer.Síndrome de Down.Daño por isquemia/reperfusión.Esclerosis múltiple.Enfermedad de Parkinson.


Enfermedades Enfermedades neurodegenerativasneurodegenerativasPapel del hierroPapel del hierro

La substancia nigra y el globus pallidus son ricos en hierro, ya que es esencial para una correcta comunicación de algunos neurotransmisores.El hierro incrementado favorece la lipoperoxidaciónen esas áreas.Se ha demostrado hierro incrementado en el 15-20% de los pacientes con Alzheimer.Parece que sólo es una parte de una cascada que incrementa la velocidad de muerte neuronal.


Enfermedades Enfermedades neurodegenerativasneurodegenerativasEnfermedad de Enfermedad de AlzheimerAlzheimer

El estrés estrés oxidativooxidativo incrementa la producción de proteína β-amiloide, y ésta aumenta el estrés estrés oxidativooxidativo.La proteína β-amiloide estimula la producción de NONO•• en astrocitos.El NONO•• forma nitrotirosina.


Síndrome de Síndrome de DownDown yy estrés oxidativoestrés oxidativo

El cromosoma 21 codifica para Cu/Zn-SOD, por lo que tienen una expresión de actividad de SOD incrementada. ¿Puede ser dañino?

El constante flujo de OO22--•• disminuido por la SOD,

incrementa los niveles de HH22OO22 con incremento de OHOH••.Se propone que estas enzimas no son protectoras, sino reguladoras, por lo tanto, la sobreactividad de SOD es una anormalidad metabólica con sobreproducción de HH22OO22.


Mecanismos de generación de Mecanismos de generación de EROERO en en Isquemia/Isquemia/reperfusiónreperfusión

ISQUEMIA

ATP

AMP

Adenosina

Inosina

Hipoxantina

Xantina Ácido úrico + OO22--•• HH22OO22 H2O

Xantinadeshidrogenasa

ProteasaCa2+

Xantina oxidasa

O2

Alopurinol

SOD Cat

OHOH•• + OH- + O2

Fe2+

Reperfusión (reoxigenación)

Harrison R. Free Rad Biol Med 2002; 33: 774-797.


ArtritisArtritisreumatoidereumatoide


Artritis reumatoideArtritis reumatoide

La presencia de anticuerpos contra un constituyente normal del organismo y la reacción antígeno-anticuerpo (Ag-Ac)desencadena una importante activación leucocitaria y producción masiva de radicales libresradicales libres.



La producción catalizada de hierro y OHOH•• son los responsables de la degradación del ácido hialurónico en el líq. sinovial reumatoide.Incremento de 3-8 veces los niveles de ferritina, el OO22

––•• favorece la liberación del hierro de la ferritina.La xantina oxidasa en el tejido isquémico y en la inflamación incrementan la producción de OO22

––••.


Evidencias consistentes con el incremento de estrés oxidativoestrés oxidativo:

Depleción de ascorbato en suero y líquido sinovial.Incremento en la exhalación de pentano.Incremento en la concentración de productos de oxidación de ácido úrico.Degradación de ácido hialurónico por mecanismo de radicales libresradicales libres.



CáncerCáncer


CáncerCáncerEl ADN es atacado por diferentes especies de radicales libres: OHOH•• , HH22OO22 y OO22

––••.Los oxidantes promueven la transformación de las células.Los promotores de tumores deprimen las defensas celulares antioxidantes (SOD y CAT).


CáncerCáncer

Los radicales libresradicales libres pueden ser a la vez causa, consecuencia y terapéutica.Fridovich ha llamado al OHOH•• “el más pequeño de los carcinógenos”.Las células tumorales producen radicales ya que los sistemas antioxidantes se modifican en el transcurso de la carcinogénesis.


CáncerCáncer

La inflamación crónica es un factor de riesgo para el cáncer.Los oxidantes producidos por la respuesta inflamatoria inducen mutagénesis y mitogénesis.Los antioxidantes disminuyen de manera importante este estímulo.


CáncerCáncer

Numerosos medicamentos anticancerosos (adriamicina, bleomicina, mitomicina C, etc.) producen radicales libres en el curso de los ciclos de oxidación-reducción que desarrollan en el retículo endoplásmico, en las mitocondrias o en el núcleo.Las radiaciones de alta energía inducen un efecto en la radiolisis de agua en los tejidos expuestos con producción de flujo de OO22

––••.


CáncerCáncer

La oxidación del ADN produce aprox. 30 productos de entrecruzamiento inter- e intrahebra.El daño al ADN causado por radicales libresradicales libres y lipoperóxidos se atribuye a:

Acción de radicales libresradicales libres producidos por la descomposición de lípidos peroxidados.Hidroperóxidos lipídicos.Derivados carbonilados.A través de segundos mensajeros.

La 8-hidroxiguanosina produce una reacción mutagénica.


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