ANTIOXIDANTES NATURALES Y SALUD

Antioxidantes y Radicales libres

¿Sabemos que son los Radicales Libres?

¿Sabemos que son los Radicales Libres?

ANTIOXIDANTES NATURALES Y SALUD


El concepto de Radical Libre tiene que ver con la

naturaleza de la materia.
Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.

Modelo Atómico de

Dalton • Introduce la idea de la discontinuidad de la materia. Esta es la primera teoría científica que considera que la materia está dividida en átomos. • Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. • Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos.

Modelo Atómico de Thomson • Descubre los electrones en sus ensayos con rayos catódicos.

•El Átomo es una esfera sólida cargada uniformemente de electricidad positiva, dentro de la cual están incrustados los electrones negativos. El número de electrones es suficiente para neutralizar la carga.

Modelo Atómico de Rutherford •El átomo está formado por un núcleo central (+) rodeado por los electrones (-) •El núcleo es muy pequeño con relación al diámetro total del átomo pero contiene la mayor parte de la masa. •Los electrones giran alrededor del núcleo sin chocar con él. •El número de electrones compensa la carga positiva del núcleo. •Los electrones tiene una masa despreciable.

MODELO DE BOHR •Los e- sólo pueden girar alrededor del núcleo positivo en determinadas órbitas denominadas niveles de energía.

•Cuando un electrón salta de un nivel a otro se intercambia una cantidad definida de energía denominada Cuanto (Planck).

MODELO CUÁNTICO ONDULATORIO ACTÚAL Aspectos característicos: • Dualidad onda-partícula: De Broglie propuso que las partículas materiales tienen propiedades ondulatorias, y que toda partícula en movimiento lleva una onda asociada. • Principio de indeterminación: Heisenberg dijo que era imposible situar a un electrón en un punto exacto del espacio. • Ecuación de onda de Schroedinger: Dentro del átomo, el electrón se interpreta como una nube de carga negativa, y dentro de esta nube, en el lugar en el que la densidad sea mayor, la probabilidad de encontrar un electrón también será mayor.

MODELO CUÁNTICO ONDULATORIO ACTÚAL • Órbita: cada una de las trayectorias descrita por los electrones alrededor del núcleo. • Orbital: región del espacio alrededor del núcleo donde hay la máxima probabilidad de encontrar un electrón • El comportamiento de los electrones dentro del átomo se describe a través de los números cuánticos • La configuración electrónica describe la distribución de los electrones en los orbitales.

El número cuántico principal (n) describe el tamaño del orbital. Puede tomar cualquier valor entero empezando desde 1: n=1, 2, 3, 4, etc. El número cuántico del momento angular orbital (l) describe la forma del orbital atómico. Puede tomar valores naturales desde 0 hasta n-1 (siendo n el valor del número cuántico principal). El número cuántico magnético (m) determina la orientación espacial del orbital. Puede tomar valores enteros desde -l hasta +l. Por ejemplo, si l=2, los valores posibles para m son: m=-2, -1, 0, 1, 2 El número cuántico de espín (s), sólo puede tomar dos valores: +1/2 y -1/2.

Principio de exclusión de Pauli En un átomo no puede haber dos electrones con los cuatro número cuánticos iguales. Los tres primeros número cuánticos, n, l y m determinan un orbital específico. Dos electrones, en un átomo, pueden tener estos tres números cuánticos iguales, pero si es así, deben tener valores diferentes del número cuántico de espín. Podríamos expresar esto diciendo lo siguiente: en un orbital solamente puede estar ocupado por dos electrones y estos electrones deben tener espines opuestos.

Regla de Hund Al llenar orbítales de igual energía (los tres orbítales p, los cinco orbítales d, o los siete orbítales f) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos, es decir, desapareados. Ejemplo: La estructura electrónica del 7N es: 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1 . La del 10Ne es: 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2

Representación en Diagrama de Orbitales Diagrama de Cajas • Una forma de sencilla de representar las configuraciones es a través de diagrama de orbitales donde cada cuadrado representa a un orbital. 1s1 • 1H • 2He

1s2

• 3Li

1s22s1

Representación en Diagrama de Orbitales Diagrama de puntos de Lewis

Para representar un átomo, escribimos el símbolo del elemento y lo rodeamos de tantos puntos como electrones de valencia tenga.

.. . S.

.. . . O

.. . P.

.. .Cl. ..

.. .N.

.. ...F.

.. .C

OXIRADICALES

Oxidantes

1. Definición y Propiedades de los radicales libres • Oxiradicales y especies de oxígeno reactivas (ROS)

DEFINICION DE RADICAL LIBRE Un radica libre es cualquier especie que contiene uno o más electrones desapareados, ocupando un orbital atómico o molecular por si mismo. 2s

2p

Diagrama de cajas

. O¨ .. .O ¨— .

¨ ¨ Diagrama de puntos de Lewis

Tienen un alta reactividad comparada con especies no radicales y una alta inespecificidad (son capaces de reaccionar con muchos tipos de moléculas). Relacionado con la Afinidad electrónica del los elementos

DEFINICION DE RADICAL LIBRE AFINIDAD ELECTRÓNICA

. .O . ¨ ¨.. — O . ..

Energía

. . .O ¨ ¨— . O.

¨ ¨ Diagrama de puntos de Lewis

Cantidad de energía desprendida cuando un átomo gana un electrón adicional. Es la tendencia de los átomos a ganar electrones. La afinidad electrónica aumenta en los periodos hacia la derecha, y en los grupos hacia arriba.

DEFINICION DE RADICAL LIBRE Radicales libres AE

DEFINICION DE RADICAL LIBRE Radicales oxigenados

. . .O ¨ ¨— . O.

.. O .O ¨— ¨.

¨ ¨ Anión Superoxido

¨ ¨ Oxígeno Molecular

(un radical)

Radicales nitrogenados

. . ..N— — — O.

..N — . — —N.

Oxido Nítrico (un radical)

Nitrógeno Molecular

OXIRADICALES

Oxidantes

2. Mecanismos de Formación de Radicales Oxidantes y especies de oxígeno reactivas (ROS)

Mecanismos de Formación de Radicales oxidantes •Reacciones de Transferencia de Electrones

•Reacciones de Transferencia de Energía

– anión superoxido (O2. -)

– singlete oxigeno (1O2)

– peróxido de hidrógeno (H2O2) –radicales hydroxyl (HO.)

– triplete carbonilo (3CO)

– liporadicales alcoxilo (RO.) – liporadicales peroxilo (ROO.)

Mecanismos de Formación de Radicales oxidantes

Reacciones de Transferencia de Energía Singlete oxigeno (1O2) 2s

2p

.. O .O ¨— ¨.

¨

2s

2p

¨

hv

.. O ..O ¨— ¨

¨

¨

Mecanismos de Formación de Radicales oxidantes

Reacciones de Transferencia de Electrones e–

e–

O2 ➞ O2.– ➞

e–

e–

H2O2 ➞ HO. ➞ H2O Siempre ha de haber un donador de electrones

Reacciones de Transferencia de Electrones

Anión Superóxido O2 ➞ O2.– ➞

H2O2 ➞ HO. ➞ H2O

La adición de un electrón al oxígeno molecular conduce a la formación del Radical anión Superóxido

. ¨O. .O ¨— .

¨ ¨

O2

+ 1 e–

+ 1 e–

. O¨ .. .O ¨— .

¨

O 2 .–

¨

Reacciones de Transferencia de Electrones

Peróxido de Hidrógeno El peróxido de hidrógeno se puede formar por: adición de dos electrones al oxígeno molecular

. O .O . ¨— ¨ .

¨

¨ O

2

2 e–

+2 H+ 2 e–

. O ..O . ¨— ¨ . .

¨ ¨ HO 2

2

adición de un electrón al anión superóxido

. ¨O.. .O ¨— .

¨ ¨O .

1 e–

. O . ..O ¨ ¨— . .

¨

– H 2 O2 2 + – +2 H 1 e

¨

Reacciones de Transferencia de Electrones

Radical Hidroxilo El radical hidroxilo se forma por una reducción de un electrón sobre el peróxido de hidrógeno

. . . ¨ ¨ . H O— . O. H

¨

¨

H2O2

+ 1e–

+ 1e–

. . . . + ¨ ¨ . . H O O.H

¨

. HO + HO–

¨

Formación de Oxido Nítrico El oxido nítrico es generado por una enzima —oxido nítrico sintasa (NOS)—

NH2 | C=NH2 | NH | + O2 + NADPH CH2)3 NOS | CH–COO– | NH3

Arginina

NH2 | C=O | NH | .NO + NADP+ + CH2)3 | CH–COO– | NH3

Citrulina

Peroxinitrito • Se forma por reacción entre el anión superóxido y el oxido nítrico formado por el enzima Oxido Nítrico Sintasa (NOS)

. O¨ .. + .O ¨— .

¨

¨

. .. ..N— — —O

O2.– +NO.

..O— . . . . ¨ ¨ — . O. —N. .O— –

ONOO–

OXIRADICALES

Oxidantes

3. Reactividad química de los oxiradicales y

especies de oxígeno reactivas (ROS)

Anión Superóxido Se producen dos reacciones importantes en el funcionamiento celular: • Desproporcionación o dismutación: reacción del anión superoxido consigo mismo:

O2.– + O2.– + 2H+ ➞ H2O2 + O2

.O¨ —¨O..- + .O¨ —¨O..¨ ¨ ¨ ¨

2H+

¨ —¨O..H + .O¨ —¨O. H..O ¨ ¨

¨ ¨

• Protonación del anión superoxido: formación del radical hidroperoxilo

O2.– + H+ ➞ HO2.

.O¨ —¨O..- + ¨ ¨

H+

.O¨ —¨O..H ¨ ¨

•Es altamente selectivo y su ataque es principalmente sobre los grupos Fe-S de las proteínas que son muy lábiles.

Peróxido de Hidrógeno

El peróxido de hidrógeno no es un radical libre y per se es muy poco reactivo. Su reactividad en sistemas biológicos depende de dos propiedades: • Puede difundir a grandes distancias cruzando las membranas • Reacciona con metales de transición mediante rotura homolítica dando lugar al altamente reactivo radical hidroxilo (Reacción de Fenton)

Fe++ + H2O2

➞

Fe+++ + HO– + HO.

Radical Hidroxilo El radical hidroxilo es el mas potente agente oxidante y reacciona indiscriminadamente con todas las biomoléculas.

La reactividad bioquímica del radical hidroxilo comprende dos reacciones: • Substracción de Hidrogeno • Adición

Puede actuar como iniciador de la auto oxidación de lípidos por radicales libres y puede dañar proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos cuando es generado en la proximidad de estas moléculas.

Peroxinitrito • El Peroxinitrito está en rápido equilibrio de protonación con el ácido peroxinitroso ONOO–

ONOOH pKa = 6.8

• El ácido peroxinitroso puede descomponer a HO. y NO2. [HO. NO2.]

ONOOH

….

• Su reactividad química incluye oxidaciones y nitraciones [HO. NO2.] + RH R. + NO . RNO ….

2

2

R. + H2O + NO2.

Tipos de moléculas fuertemente oxidantes Radicales ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Superóxido (O2• -) Hidroxilo (HO•) Hidroperoxilo (HOO•) Radical alcoxilo (RO•) Peroxilo (ROO•) Oxido nítrico ( NO•)

Especies de Oxigeno Reactivas ♦ Peróxido de hidrógeno (genera HO•) ♦ Ozono (O3) ♦ Oxígeno Singlete (1O2) ♦ Ácido hipocloroso (HOCL) ♦ Peroxinitrito (ONOO-)

Nombre de la especie

Símbolo

Oxígeno singlete

1O

Ozono

O3

Peróxido de hidrógeno

2

H2O2

Anión superóxido

O2·-

Hidroxilo

·OH

Hidroperoxilo

·OOH

Dióxido de nitrógeno

NO2

Óxido nítrico

NO

Oxido nítrico (radical)

NO·

Peroxinitrito

ONOO·

Alcoxilo

RO·

Peroxilo

ROO·

Aciloxilo

R-CO-O·

Acilperoxilo Ariloxilo Arilperoxilo

Ácido hipocloroso

R-CO-OO· Ar-O· Ar-OO·

HOCl

Semiquinona

HQ·

Anión semiquinona

Q·-

Tiol

RS·

OXIRADICALES

Oxidantes

4. Fuentes biológicas de radicales oxidantes

Los radicales libres producidos primariamente en sistemas biológicos son O2- y NO

O=O· Radical superóxido

·N = O Oxido nítrico

¿Se producen radicales libres del oxígeno en condiciones fisiológicas? 2 al 4 % del oxígeno que consume la célula es metabolizado a especies reactivas del oxígeno en condiciones fisiológicas.

¿Dónde son producidas las especies reactivas del oxígeno a nivel celular? Se generan en membrana plasmática, mitocondria, retículo endoplásmico, peroxisomas y como resultado de la actividad de enzimas citosólicas. También el sistema inmune genera radicales libres mediante la actuación de los macrófagos.

Producion celular de especies reactivas del oxígeno Macrofagos (NADH Oxidasa)

Oxidasas de función mixta: citocromos P-450 (metabolismo de xenobióticos) retículo endoplásmico DNA citoplasma

++(+) Fe peroxisoma peroxisoma +(+)

Cu

mitocondria

membrana celular bicapa lipídica Catalasa oxidasas flavoproteínas Metales de transición NADPH oxidasa

xantina oxidasa hemoglobina riboflavina catecolaminas Cadena respiratória. Transporte de electrones

lipoxigenasa prostaglandina sintasa

Las mitocondrias usan el 96% del oxigeno consumido y producen radicales libres del oxígeno
El oxígeno consumido en las mitocondrias está acoplado a la producción del 92% del ATP usado en los mamíferos.
Las mitocondrias producen continuamente O2- y NO, dos radicales libres.
Las mitocondrias son la fuente intracelular mas importante de O2-.
La producción primaria de O2corresponde al 1 % del consumo de oxígeno en corazón e hígado de rata.

Producción mitocondrial de anión superóxido H2O2

+ H

∆µH+

+ H O2−

ESPACIO INTERMEMBRANA

+ H

C e-

I

Q

I

NOS H2O2

NADH +H

SOD

QH2 Q

II

IIIe-

+ H

4e-

e-

e-

O2

∆

Fe Cu

IV

2H2O O2−

ADP ONOO −

•

NO

ATP

MATRIZ

Producción mitocondrial de anión superóxido La Cadena respiratoria y los oxiradicales SOD1 H2O2 H

O2

O2-

IMS

+ FeS

CoQ FeS

C1

Q0 b b

N-2

SDH

cyt c a a3

cyt c

Qi

CuB

III

FeS N-1, N-3, N-4

FMN

.OH-

Succinate O2

O2-

H2O2

Fe2+

MATRIX

SOD2

NADH Complex I (NADH-UQ reductasa) Complex II (succinatoDH) Complex III (Cit reductasa) Complex IV (Cit oxidasa)

LA PRODUCCIÓN MITOCONDRIAL DE RADICALES SUPERÓXIDO

 FMNH·

+ O2 => FMN + H+ + O2-. El Complejo I es el origen del 20 % de la

producción mitocondrial de O2-. Considerada O2relevante en la neurodegeneración. · + O 2  UQH + O => UQ + H + O 2

2

k = 8 x 103 M -1 s -1 Complejo III es el origen del 80 % de la producción mitocondrial de O2-. Las UQH· de las caras C (80 %) y M (20 %) producen O2-. Considerada el marcapaso del proceso de envejecimiento.

LA PRODUCCIÓN MITOCONDRIAL DE ÓXIDO NÍTRICO 

  

mtNOS

La actividad de la mtNOS originalmente observada en mitocondrias de hígado (Ghafourifar y Richter, 1997; Giulivi y col. 1998), ha sido también determinada en cerebro, corazón, riñón, timo, y músculo. La mtNOS de hígado, secuenciada es nNOSα (Giulivi, 2002) con modificaciones post-traduccionales. La producción de NO da cuenta de aproximadamente 0.25 % del consumo de oxígeno de los órganos. La mtNOS utiliza NADPH, Arginina y Ca2+ de la matriz mitocondrial.

LA TRIADA O2-, NO Y ONOO- EN LA REGULACION, LA PATOLOGIA Y EL ENVEJECIMIENTO MITOCONDRIAL

O2-

NO

Producido en la auto oxidación de componentes de la cadena respiratoria. La mayor parte (88 %) dismuta a H2O2.

Producido por la mtNOS como regulador de la respiración. Es mayormente convertido en ONOO-.

k = 1.9 x 1010 M -1 s -1 ONOOPotente oxidante. Normalmente reducido por NADH2, UQH2 y GSH. Cuando es producido en exceso (por ejemplo, en isquemia/reperfusión o inflamación) produce nitración de tiroxinas y disfunción mitocondrial. Su efecto acumulativo contribuye al envejecimiento tisular.

Funcionamiento de las oxidasas dependientes de Cit P450 (CYP)

Cit P450 Reductasa

Cit b5

Mecanismo de acción del citocromo P450. Este esquema es una simplificación del mecanismo de acción del citocromo P450 (CYP) propuesto por Coon. En él, el Fe3+ representa al hierro del grupo hemo del CYP oxidado, RH y ROH a los sustratos y productos respectivamente. En este ciclo de óxido-reducción se liberan anión superóxido (O2•-) y peróxido de hidrógeno (H2O2).

Fuentes de Anión Superóxido

• Reacciones enzimáticas NADH oxidasa NADPH-P450 reductasa Xantin oxidasa • Fuentes celulares Leucocitos y macrófagos Cadena transferencia electrones mitocondrial Monoxigenasa microsomal

• Factores ambientales luz ultravioleta Rayos X Productos químicos

Fuentes de Peróxido de Hidrógeno

• Generación enzimática

(no radical) Glicolato oxidasa Acetil-CoA oxidasa D-amino ácido oxidasa NADH oxidasa Urato oxidasa Monoamino oxidasa (MAO) Superoxido Dismutasa (SOD)

• Dismutación de O2.–

(radical)

O2.– + O2.– + 2H+ ➞ H2O2 + O2

Fuentes de Radical Hidroxilo La mayor parte del HO. generado in vivo procede de la rotura del H2O2 vía reacción de Fenton La reacción de Fenton consiste en la reducción dependiente de un metal de transición de H2O2 a HO. Fe++ + H2O2 ➞ Fe+++ + HO– + HO. La reacción requiere de un metal de transición reducido, acoplado al O2.– Fe+++ + O2.– ➞ Fe++ + O2 La reacción global, engloba la reducción del hierro por O2.– y su oxidación por H2O2 Fe+++ + O2.– ➞ Fe++ + O2 Fe++ + H2O2 ➞ Fe+++ + HO– + HO. O2.– + H2O2 ➞ O2 + HO– + HO. Reacción de Haber-Weiss

Fuentes de Oxido Nítrico Oxido Nítrico Sintasas (NOS) en tejidos de mamíferos arginina + O2 + NADPH NOS

NOS-I

NOS-II

citrulina + .NO + NADP+

NOS-III

Neuronal Macrófago Endotelial Constitutiva inducible Constitutiva Ca2+ Ca2+

Tiempo de vida media de algunas especies reactivas

Radical libre

Vida media

HO. RO. 1O 2 ONOONO. ROO. Q.-(tar)

10-9 s 10-6 s 10-5 s 0.05-1 s 1-10 s 7s días

LA CADENA BIOQUÍMICA DE REACCIONES DE RADICALES LIBRES

Atajo de Cadenas -Poderoso UQH2 O2-

O2

NO O2-

UQH· H2 O2

ONOOHO·

Camino de Fenton/Haber-Weiss

Camino de Beckman-Radi-Freeman

R· ROO· 1 O

O2

Lipoperoxidación

No siempre la producción celular de O2- y NO es perjudicial (por lo menos para el huésped vertebrado; hay dudas desde el punto de vista de las bacterias)

OXIRADICALES

Oxidantes

5. Defensas antioxidantes específicas y no

específicas.

ANTIOXIDANTES

¿ Qué es un antioxidante ? Toda sustancia que hallándose presente a bajas concentraciones respecto a las de un sustrato oxidable (biomoléculas), retarda o previene la oxidación de dicho sustrato. Halliwell

ANTIOXIDANTES

♠ Previene la formación de radicales libres en cantidades perjudiciales para el organismo ♠ Estimula los mecanismos de reparación endógena al daño causado por el ataque de radicales libres. ♠ Suministra entidades químicas que aumentan la capacidad endógena de secuestro de radicales libres

Mecanismos Mecanismos antioxidantes antioxidantes • Preventivo. - Diversas proteínas con núcleos enlazados o coordinados a metales (albúmina,metalotioneína y ceruloplasmina (cobre) ; ferritina, transferritina y mioglobina (hierro).

ESTRUCTURA DE LA FERRITINA (1)

Mecanismos Mecanismos antioxidantes antioxidantes • Preventivo. - Enzimas antioxidantes específicos que previenen la formación de ROS por encima de los niveles normales del organismo


Superoxido dismutasa
Catalasa
Glutation Peroxidasas
Glutation Reductasas

Mecanismos Mecanismos antioxidantes antioxidantes • Reparador: - Enzimas que reparan o eliminan las biomoléculas que han sido dañadas por el ataque de ROS.

• Ejemplos: -Endonucleasas -Proteasas específicas

El descubrimiento de la superóxido dismutasa En 1969 McCord y Fridovich describieron la actividad enzimática de la superóxido dismutasa (SOD) en eritrocitos de sangre bovina:

2 O2·- + 2 H+ => H2O2 + O2 La existencia de la enzima implicaba la existencia de su sustrato, el radical anión superóxido, en los seres vivos. La idea fue revolucionaria y confirmatoria de la “teoría de Gerschman” que postulaba a los radicales libres del oxígeno como el mecanismo molecular de la toxicidad del oxígeno y la radiación.

El dogma de Fridovich en biología y patología  La observación inicial de una Cu,Zn-SOD en eritrocitos fue extendida a todos los citosoles y complementada con la descripción de una Mn-SOD en las mitocondrias de las células aerobias (1970-1975).  En la misma época, se estableció el “dogma de Fridovich” acerca de la toxicidad del radical hidroxilo y el papel protector de la SOD y la catalasa

O2  O2·-  H2O2  HO·  H2O SOD H2O2 + O2

Catalasa H2O + O2

Enzimas Antioxidantes específicas Retirada del anión superoxido • Dismutación espontánea no enzimática O2.– + O2.– + 2H+ H2O2 + O2

105 M–1 s–1

• Dismutación catalizada enzimáticamente O2.– + O2.– + 2H+ H2O2 + O2

109 M–1 s–1

Superoxido dismutasa (SOD)

Cu,Zn–SOD Mn–SOD Cu,Zn–SOD

citosol mitocondria extracelular

Actividad metabólica

Cu,Zn-SOD (µg/mr proteína) Hígado 4.7 Cerebro 3.7 Testículos 2.2 Cortex renal 1.9 Músculo cardiaco 1.8 Pulmón 0.5

Enzimas Antioxidantes específicas Retirada del Peróxido de hidrógeno • Catalasa — peroxisomas H2O2 + H2O2 ➞

2 H2O + O2

• Glutation peroxidasa — citosol, mitocondria H2O2 + 2GSH ➞ H2O + GSSG

Hígado Eritrocitos Cortex Renal Pulmón Páncreas Corazón Cerebro

Catalasa GPx (unidades / mg proteína) 1300 190 1000 19 430 140 210 53 100 43 54 69 11 79

ONOO

SNO

Defensa Antioxidante en sistemas biológicos

Heme-Fe 2+ NO

NADP+

m He

SH

NADPH

2+

O2

NO sintasa

NOS

Fe e-

superoxido dismutasa

NO L

SOD H2 O2 +O2

L

Cit

Arg NADPH

GSH

+GSH

glutation reductasa

GR

NADP+

GPx

CAT

H2 O+GSSG

Catalasa H2 O+O 2

glutation peroxidasa

Mecanismos de defensa antioxidante

Pequeñas moléculas Antioxidantes Constitutivas del organismo
Vitamin E
Vitamin C
Glutation
Coenzyme Q

Lipid peroxyl radical LOO•

LOOH

VIT Eox

Vit Ered

hydroxyl radical (OH•) or superoxide radical anion (O2-•) Vit Cred

VIT Cox

reduced products Glutathionered (GSH)

+H2O2

Glutathioneox (GSSG) Glutathione reductase

NADP+

NADPH, H+ Pentose phosphate pathway

Glucose-6-P

Ribulose-5-P

Cascada antioxidante

Mecanismos de defensa antioxidante

Pequeñas moléculas Antioxidantes Exógenas OH


Flavonoides
Ácidos Cafeicos
Carotenoids
Diterpenos

OCH3 HO

O

OH

O

Regulación por Nrf2 Fármacos, dieta, xenobióticos, antioxidantes

Citoesqueleto

Keap1 Nrf2

Nrf2

Keap1

Disociación

Activación transcripcional

ARE

Catalasa, SOD

Síntesis de glutatión

Protección celular ARE: Antioxidant Response Element

Enzimas de fase II

OXIRADICALES

Oxidantes

Antioxidantes

5. Que es el Estrés oxidativo?

• Causas y patologías que ocasiona.

ESTRES OXIDATIVO LAS DEFENSAS ANTIOXIDANTES

[ROS] y [RNS] EN ESTADO ESTACIONARIO

DESEQUILIBRIO ENTRE LOS AGENTES OXIDANTES Y LAS DEFENSAS ANTIOXIDANTES

Concentraciones celulares en estado estacionario Estrés oxidativo como un aumento de las concentraciones en estado estacionario de las especies reactivas del oxígeno y del nitrógeno.

La concentración intracelular aumentada, de por lo menos una, de las especies reactivas del oxígeno o del nitrógeno es la base química del estrés oxidativo

Concentraciones celulares en estado estacionario Anión superóxido

10-11 M

Peróxido de hidrógeno

10-7-10-9 M

Radical hidroxilo

10-18 M

Oxido Nítrico

10-7 M

Condiciones fisiológicas

Controlados por los `mecanismos defensivos de las células

Radicales libres

- Metales pesado - Humo del tabaco

Situaciones patológicas

Su producción se incrementa sustancialmente

Drogas - Radiación UV - Hiperoxia

Estrés oxidativo

-Dieta hipercalórica, insuf. en antioxidant. - Diabetes Mellitus -Ejercicio extenuante

ENFERMEDADES ASOCIADAS AL ESTRÉS OXIDATIVO

•Psoriasis •Diabetes tipo I y II •Insuficiencia cardíaca crónica •Cancer •Parkinson •Alzheimer •Asma •Accidentes cerebrovasculares

OXIRADICALES

Antioxidantes

6.Que daños producen en las células a nivel molecular?

Radical Hidroxilo La toxicidad biológica del HO· deriva de su capacidad de abstraer hidrogeno de todas las especies químicas

Daño y Muerte celular

Fe2+/3+

O2·- + H2O2



O2 + HO- + HO·

Efectos sobre las células Célula Radical OH

.

♠ Perder su integridad por ruptura de la pared celular causada por la oxidación lipídica. ♠Alterar sus códigos genéticos por modificación del ADN. ♠ Modificar sus funciones por la acumulación de LDL-ox (aterogénesis). ♠ Activar enzimas por encima de los niveles normales del funcionamiento de la célula. ♠ Modificación de proteínasy enzimas claves del metabolismo

DAÑO A LA MEMBRANA ROS membranas

carbohidratos proteínas lípidos

Formación de peróxidos lipídicos

Alteración de las propiedades de membrana Alteración de potencial

Inactivación de receptores ligados a membranas

Cambio de permeabilidad Disminución de fluidez

Perdida de integridad

descenso de Ca++ aumento de la susceptibilidad de la y otros íones membrana al ataque enzimático LISIS CELULAR O APOPTOSIS

¿qué pasa en la membrana? Rotura de cadenas

Puentes entre cadenas

Puentes intracadenas. Endoperóxidos

Peroxidación lipídica por Estrés oxidativo Destrucción de la Membrana

a)La destrucción de los fosfolípidos de membrana va a generar ácido araquidónico. b) La oxidación del ácido araquidónico por ROS va a propagar la cadena de peroxidación lipídica. c) Además se va a poner en marcha la cascada infamatoria con la activación de lipooxigenasas y ciclooxigenasas.

PEROXIDACIÓN DE PUFA HOOC

Iniciación

•OH HOOC

Conjugación de dienos

LH (arachidonic acid)

H2O

L HOOC O2

Propagación

OO HOOC

LOO peroxyl radical LH L

HOOC

OOH

LOOH

PEROXIDACIÓN DE PUFA Y PRODUCTOS DE DEGRADACIÓN OO R

LOO• peroxyl radical

O

R

O

O2 O

O

malondialdehído

OH

O

4-hidroxi-2-nonenal (activador de c-Jun N-terminal quinasas)

PEROXIDACIÓN DE PUFA a) La abstracción de un hidrógeno alílico del ácido araquidónico genera un radical en un carbono. b) El radical puede migrar provocando una isomerización de los dobles enlaces (Cis-trans) c) En presencia de oxígeno se general el radical peroxilo. d) Este radical peroxilo reacciona con otra molécula lipídica, generando un nuevo radical que propaga a reacción. e) La lipoperoxidación conduce a la rotura de los ácidos grasos y a la formación de numerosos derivados tóxicos: los hidroperóxidos, 4-hidroxialquenales, malondiadehído (MDA), 8-isoprostanos y otros.

COX Y LOX

Tipos de modificación oxidativa de las proteínas • Hidroxilación de los aminoácidos aromáticos y del anillo imidazol de la histidina • Los aminoácidos de cadena alifática (valina, leucina, prolina,…) resultan peroxidados • Oxidación de grupos sulfuro (Cys disulfuros, S-tiolación; Metionina sulfóxido) lo que conduce a la inactivación de su actividad biológica • Oxidación de los grupos amino de los aminoácidos a grupos carbonilo (principalmente en lisina, arginina, prolina e histidina) • Tiroxina crosslinks, cloración, nitración, hidroxilación • Modificaciones del Triptofano • Cloraminas, deaminación • Interconversiones de Amino ácidos (e.g., His a Asn; Pro a OH-Pro) • Como resultado del ataque de ROS se producen entrecruzamientos (Cross-links) de las cadenas polipeptídicas, agregación y rotura del enlace peptídico

Mecanismos de oxidación de proteínas + Tyr

OH + oxidant R Tyrosine

Tyr-Tyr dimer

Tyr

NO2

TyrNO2

Hydroxylation

O N

Proline + Fe2+/O2

C

4 hydroxyproline H OH

Carbonyl Formation +O2 R R ~NH-CHCO~ ~NH-CHCO~

R R ~NH-CHCO~ red ~NH-CHCO~ O O O OH Peptide cleavage and carbonyl

Oxidación de grupos sulfuro • En general, Cys and Met son los amino ácidos más susceptibles a la oxidación • Se distinguen de otras modificaciones oxidativas de proteínas en que las células tienen mecanismos para revertir la oxidación e.g., metionina sulfóxido reductasa e.g., sistemas redox glutation o tioredoxina • Puede tener una función reguladora • La reversible oxidación/reducción de metionina puede proteger las proteínas de otros daños y modificaciones oxidativas (e.g., formación de carbonilos)*

Oxidación de grupos sulfuro RSMe

oxidant

RS=OMe

Methionine sulfoxide

Methionine Ethylene methionine sulfone and other products

RSMe Cysteine Intracellular antioxidant (Glutathione or GSH)

+RSH RSH

RS O2

RSOO RS(O2)H + RS +RSH

RSSR-

O2

RSSR + O2+ RSH

RSOH

Amino ácidos más susceptibles de oxidación y sus principales productos de reacción Amino Ácido

Producto de oxidación fisiológica

Disulfuros, disulfuros mixtos (e.g., glutatiolación), HNECys Metionina sulfóxido Metionina Tiroxina Ditirosina, nitrotirosina, clorotirosinas, dopa Hidroxi- y nitro-triptofanos, kinureninas Triptofano Hidroxifenilalaninas Fenilalanina Valina, Leucina Hidro(pero)xidos Histidina 2-Oxohistidina, asparagina, aspartato, HNE-His Glutámico Ácido Oxálico, Ácido pirúvico Prolina Hidroxiprolina, pirrolidona, semialdehído glutámico Cisteína

Treonina

Ácido 2-Amino-3-cetobutírico

Arginina

Semialdehído glutámico, cloraminas

Lisina

Semialdehído a-Aminoadipico, cloraminas, MDA-Lys, HNE-Lys, acroleína-Lys, carboximetillisine, pHA-Lys

Oxidación de DNA

Radical Hidroxilo Reactividad química hacia el DNA

H substracción

Esta base oxidada, que

Adición

puede aislarse in vivo, es la huella dactilar del ataque de un radical

Roturas en la cadena

8-OH-dG libre sobre el DNA. O HN

O N

H2N N N R Cu+

H2O2

Cu++

Cu++

HO. Rotura de a cadena Substracción de hidrogeno

desoxyguanosine

+ OH

HN

N OH

H2N N N R

8-hydroxydesoxyguanosine

Lesiones sobre el DNA El daño puede ocurrir en la base, el azúcar o el fosfato.

DÍMERO DE PIRIMIDINA

ROTURA DE LA HELICE SIMPLE

La Oxidación de la Ribosa conduce a la Rotura de cadenas

AZÚCAR

AZÚCAR

PERDIDA DE BASE

ROTURA DE PUENTES DE HIDRÓGENO

ROTURA DE LA DOBLE HELICE

La Oxidación de Bases conduce a: • Puentes entre bases y con proteínas •Rotura de enlaces de hidrogeno •Deaminación de bases

Puentes DNA-Proteína (DPC): Producidos por luz UV o HO• O HN O

OH

O

CH2

+

Thy N

O

DNA

CH2

HN

Tyr

H CH2 Protein

N

H

DNA

OH

O

OH H

O

CH2 Protein

OH

H

O

-e- - H+

CH2

HN N DNA

HN O

H CH2 Protein

CH2 N DNA

H CH2 Protein

Cambio en el espectro del DNA en la inducción de puentes DNA-proteína por luz UV

Deaminación de Bases • Las bases nucleotídicas bajo ciertas condiciones pueden espontáneamente perder sus grupos amino exocíclicos (deaminación). • Bajo típicas condiciones celulares la deaminación de citosina a uracilo en el DNA ocurre en alrededor de uno de cada 107 residuos de citosina en 24 horas. • A y G deaminación ocurre a 1/10 de esta velocidad.