El documento describe los radicales libres, el estrés oxidativo y los antioxidantes. 1) Los radicales libres se forman principalmente en la mitocondria durante la respiración celular y pueden dañar biomoléculas. 2) El estrés oxidativo ocurre cuando los radicales libres superan los mecanismos de defensa celular de los antioxidantes. 3) Los antioxidantes, tanto enzimáticos como no enzimáticos, ayudan a combatir el daño de los radicales libres y proteger las células.

1. Radicales libres, estrés oxidativo y antioxidantes Italo Chiffelle

2. 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, 8 O 16 , tiene 8 p y 8 n

3. Configuración electrónica. Ej.: 8 O 1s 2 2s 2 2p 4 Diagrama de orbitales Configuración electrónica Representación de Lewis: .. .. Atomo de O Molécula de O 2 Núcleo 3s 3d 10 2p 6 3p 2s 4s 4p 4d 4f 14 5s 6s 7s 5p 7p 6p 5d 6d 5f 7d 6f 7f 5g 6g 7f 6h 7h 7i 1s 2 Aumento de Energía Orbitales Teóricos :O: . . O: .. :O ..

4. Radical libre: es un átomo o molécula que posee uno o más electrones no apareados girando en su órbita externa. Esta configuración espacial lo hace químicamente muy inestable, ya que el electrón impar o solitario “busca desesperadamente una pareja”, para salir de su desequilibrio atómico. R·

5. Para lograr su objetivo, sustrae un electrón a cualquier molécula vecina, esto es, OXIDA a la molécula. Esta molécula, a su vez, altera su estructura química, convirtiendóse en otro radical libre ansioso por captar un electrón. Se genera así una reacción en cadena. R· :M: :M· + + R:

6. La principal fuente de origen de los radicales libres es la respiración, ya que entre un 1 a 3% del oxígeno consumido se transforma en radicales libres. Los radicales libres provenientes del oxígeno colectivamente reciben el nombre de especies reactivas del oxígeno o ROS ( reactive oxygen species ) ROO· radical peróxido OH· radical hidroxílo O 2 ·¯ anión superóxido Radicales libres No Radicales H 2 O 2 peróxido de hidrógeno 1 O 2 * oxígeno singlete

7. La mayor parte del O 2 consumido es reducido a agua por acción del complejo citocromo-oxidasa de la cadena respiratoria mitocondrial, según la reacción global: O 2  O 2 ·¯  H 2 O 2  OH· + H 2 O  H 2 O Además, los ROS también se producen en el organismo como respuesta a la exposición a radiaciones ionizantes, rayos UV, contaminación ambiental, humo de cigarrillos, algunos fármacos, hiperoxia, exceso de ejercicio e isquemia, entre otros.

8. El peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) no es estrictamente un RL pero por su capacidad de generar OH· en presencia de metales como el hierro, se le incorpora como tal. O 2 HClO H 2 O 2 H 2 O *O 2 Cl-- + H 2 O 2 *OH -- H 2 O O 2 *-- e- O 2 *-- O 2 Ácido hipocloroso Oxígeno singlete Superoxido dismutasa (SOD) Fe 2+ Fe 3+ H 2 O H + Peroxido de hidrógeno

9. Fuentes biológicas de Radicales Libres (RL): - Mitocondria: constituye la fuente principal de RL, a través del proceso de fosforilación oxidativa. El O 2 actúa como el aceptor final de electrones, con producción de agua. En el proceso se forman moléculas con diferente grado de oxidación O 2 + 4H + + 4e  2H 2 O Reducción Completa: O 2 + 2H + + 3e  OH - + OH· (Radical hidroxílo) O 2 + 2H + + 2e  H 2 O 2 (Peróxido de hidrógeno) O 2 + e  O 2 ·¯ (Radical superóxido) Especies Parcialmente Reducida: Paradoja: El oxígeno es esencial para la vida, pero es la sustancia más tóxica a causa de la reactividad de las especies parcialmente reducida. De hecho, el oxígeno en concentraciones altas es tóxico para la mayoría de los organismos anaerobicos, y en la fase inicial de la evolución fue tóxico para todas las formas de vida

10. Peroxisomas: corresponden a organelos citoplasmáticos muy ricos en oxidasas y generan H 2 O 2 , el cual es depurado por enzimas específicas (catalasa) y transformado en H 2 O. Leucocitos polimorfonucleares, ya que poseen en sus membranas NADPH oxidasa generadora de O 2 que en presencia de hierro se transforma en el altamente tóxico OH·, que es muy reactivo y mutagenico. Esta situación se da particularmente en los procesos inflamatorios.

11. La enzima xantino deshidrogenasa predomina en los endotelios, normalmente depura las xantinas, en procesos de isquemia reperfusión produce el anión radical superóxido (O 2 ·¯)

12. Especies reactivas de oxígeno O 2 Cadena Respiratoria Mitocondrial NADPH oxidasa Xantina oxidasa NO sintetasa  O 2 -- NO* H 2 O 2 ONOO -- *OH -- NO 2 --

13. Entonces, los Radicales Libres se forman en condiciones fisiológicas en proporciones controlables por los mecanismos de defensa celulares

14. Estrés oxidativo se produce por aumento en la velocidad de generación de ROS o disminución de las defensas (antioxidante) ANTIOXIDANTE ROS

15. Factores favorecen Estrés Oxidativo Químicos: aumento de metales pesados xenobióticos, 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

16. Toxicidad de los radicales libres

17. Toxicidad de los radicales libres - Deterioro oxidativo de compuestos orgánicos - Naturaleza autocatalítica de las reaciones El mecanismo de oxidación autocatalítica, puede dividirse en 3 etapas: i.- Iniciación ii.- Propagación iii.- Término Reac. Haber Weiss: H 2 O 2 + •O 2 - O 2 + OH - + •OH Reac. Fenton: H 2 O 2 + Fe 2+ Fe 3+ + OH - + •OH

18. Iniciación Oxidación de un ácido graso poliinsaturado Sustracción de H del grupo metileno, con producción de un radical ácido graso (R·) al dejar un electrón desapareado en el carbono: RH + OH·  R· + H 2 O

19. Oxidación de un ácido graso poliinsaturado Propagación El radical ácido graso (R·) se combina con O 2 formando un lipoperóxido (ROO·): R· + O 2  ROO·

20. Este peróxido puede retirar un nuevo hidrógeno de otro carbono. El proceso es autocatalítico y convierte el carbono del ácido graso de los fosfolípidos de membrana en hidroperóxidos (ROOH) Oxidación de un ácido graso poliinsaturado ROO· + RH  ROOH + R·

21. La lipoperoxidación sigue propagándose de esta manera y llega a su termino cuando dos ROOH reaccionan entre sí dando un tetróxido o cuando son neutralizados por antioxidantes Tetróxidos dan lugar a aldehídos como el malondialdehido (MDA)

22. Malondialdehído CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 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 O 2 O 2 L* LH L* LH R` R``

23. HIPOTESIS DEL ESTRÉS OXIDATIVO ESTRÉS OXIDATIVO 1 O 2 • O 2 - H 2 O 2 • OH Especies Reactivas de Oxígeno (ROS) Lípidos Proteínas Receptores DNA Reacciones con sustratos biologicos Enzimas Membrana Acidos Nucleicos Hidratos de Carbono Daño en Tejidos ENFERMEDAD

24. El daño a biomoléculas , implica la génesis o exacerbación de numerosos procesos: - Aparato cardivascular: aterosclerosis infarto al miocardio diabetes cardiopatía alcohólica

25. - Sistema neurológico: enfermedad de Parkinson Alzheimer hiperoxia isquemia o infarto cerebral - Aparato ocular cataratas daño degenerativo de la retina fibroplasia retrolental

26. - Aparato respiratorio: distrés respiratorio (síndrome de dificultad respiratoria del adulto) tabaquismo cáncer del pulmón enfisema - Riñón: síndrome autoinmune nefrotoxicidad por metales.

27. ¿Quién protege a las moléculas del daño oxidativo?

28. Los antioxidantes

29. Los antioxidantes son sustancias que pueden inhibir 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)

30. Distribución de la defensa primaria intracelular de los antioxidantes Mitocondria Vitamina E y GSH Metaloenzima Vitamina E y GSH  -Caroteno Glutation Transferasa Glutation Peroxidasa Vitamina C y E  -Caroteno Vitamina C y E  -Caroteno CLA Vitamina C y E GSH SOD Cu/Zn Glutation peroxidasa Glutation transferasa Ferritina Metaloenzima Carnosina Arserina Bicapa lipidica de la membrana celular Peroxisoma Vitamina E y GSH SOD Mn Glutation peroxidasa Glutation transferasa Ubiquinona DNA R E Lisosoma Citoplama Núcleo Catalasa

31. NIVELES DE DEFENSA Primer nivel: ENZIMATICO Se origina al interior del organismo y opera de 2 formas: i) Enzimas especializadas en captar el anión radical superóxido (O 2 ·¯) y transformarlo en H 2 O 2 Superóxido dismutasa (SOD): O 2 ·¯+ O 2 ·¯+ 2H + H 2 O 2 + O 2

32. ii) Enzimas especializadas en neutralizar el H 2 O 2 - Catalasa, ubicada en los peroxisomas H 2 O 2 + H 2 O  2H 2 O + O 2 - Glutation-peroxidasa (citoplasmática contiene Se) 2GSH + H 2 O 2  GSSG + 2H 2 O GSH = glutatión reducido GSSG = glutatión oxidado

33. Segundo nivel: ANTIOXIDANTE (no-enzimático) Formada por diferentes compuestos que atrapan o neutralizan RL, interrumpiendo las reacciones en cadena. Los antioxidantes entregan un electrón a los RL, con lo cual desactivan o apagan el proceso, pero sin transformarse ellos en radicales, se forman RL poco reactivos.

34. Vitamina E: neutraliza el O 2 singlete, captura OH·, neutraliza peróxidos y captura anión superóxido. Se encuentra en aceites vegetales de nueces, cereales y vegetales grasos (aceituna, maní, etc). O C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 O H C H 3 O C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 * O C H 3 6-Fosfoglicerido Glucosa-6-Fosfato ROOH ROO* GSSG GSH NADPH NADP+ Glucosa-6-Fosfato Deshidrogenasa (Ruta pentosa fosfato)  -tocoferol (vitamina E) Hidroxiperóxido Glutation Peroxidasa (Se)

35. Vitamina C: neutraliza el O 2 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. O O O H O H HOH 2 C H O H C quiral (L) Protón ácido (pKa 4,17) O O O O HOH 2 C H O H Oxidación Con aire Ácido L-ascórbico (vitamina C) Punto de Fusión 192ºC Ácido deshidroascorbico

36.  -caroteno: neutraliza el O 2 singulete es el más abundante carotenoide, pigmentos amarillos y rojos que se encuentran distribuidos en las plantas. Polifenoles: Son numerosos compuestos, tales como los flavonoides. Provienen de frutas, verduras, y bebidas como el té y vino tinto. C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3

37. Generación de RL O 2 - + H + H 2 O 2 O 2 - + H 2 O 2 H 2 O + O 2 Fe 3+ + OH - + •OH Peroxidación H 2 O + O 2 Catalasa Superoxido dismutasa Reac. Fenton Reac. Haber-Weiss O 2 + OH - +•OH Fe 2+ Glutatión peroxidasa dependiente de Se GSH GSSG NADPH NADP + Glutatión reductasa Glutatión S-Transferasa GS-electrófilo electófilo 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

38. 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

39. Efecto de radicales libres en diabetes