Daño oxidativo

A nivel celular, los ataques de las especies reactivas de oxígeno (ROS) incluyen peroxidación de lípidos de membranas celulares {Siu y To, 2002}, peroxidación del ácido docosahexanoico, un precursor de los docosanoides neuroprotectores {Mukherjee et al., 2004}, rotura de la cadena de ADN mediante hidroxilación de guaninas y metilación de citosinas {Lee et al., 2002}, y oxidación de proteínas, generando derivados carbonilos y nitrotirosinas {Adams et al., 2001}.

Además de los efectos perjudiciales sobre la integridad de las estructuras celulares, las ROS pueden inhibir los complejos enzimáticos de la cadena de transporte de electrones de la mitocondria, lo que puede llegar a bloquear la respiración mitocondrial {Yamamoto et al., 2002} y, en consecuencia, exacerbar la generación mitocondrial de ROSs.

Cuando se considera el estrés oxidativo de forma general es importante tener en cuenta la naturaleza dinámica de los procesos implicados. De forma que el daño oxidativo ocurre como resultado de varios procesos que utilizan ROS y trazas de metales para causar daño a moléculas biológicas.

Como respuesta a la formación de productos de daño oxidativo, tienen lugar los procesos implicados en su reparación o eliminación {Floyd et al., 2001}, por tanto, la cantidad total de productos del daño oxidativo presente a cualquier tiempo específico es debido al equilibrio de los ritmos de ambos procesos.

Los métodos de determinación en tiempo real para la producción de ROSs muestran que esta tiene lugar en todo momento y que bajo ciertas condiciones, tales como durante el infarto tisular o el proceso inflamatorio, se producen niveles muy altos {Cao et al., 1988}.
Las especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno formadas o implicadas en reacciones con moléculas diana biológicas se muestran en la figura siguiente:

 

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Ilustración del proceso de daño oxidativo potencial en el sistema nervioso de acuerdo con los aspectos comentados en el texto. Las especies oxidantes descritas se producen e interactúan con dianas celulares produciendo productos de oxidación únicos, y éstos, a su vez, en determinados casos ejercen estrés oxidativo sobre el mismo tejido. Abreviaturas: H2O2, peróxido de hidrógeno; OH, radical hidroxilo libre; O•2 −, anión superóxido; LOOH (LOO•-), hidroperóxido lipídico; Fe, iones hierro; Cu, iones cobre; NO•, óxido nítrico; ONO2− (ONOO-), peroxinitritos; SOD, superóxido dismutasa; GSHPx, glutatión peroxidasa; GSH, glutatión; HNE, 4-hidroxi-2-nonenal; 8-OHdG, 8-hidroxi-2′-desoxiguanosina.
* El sistema nervioso presenta 5-10 veces menos que hígado o corazón.
** El sistema nervioso presenta casi 20 veces más GSH y ascorbato que el plasma (1.10mM y 0.062mM, respectivamente).
Adaptado de Lorenzo-Villegas {Lorenzo-Villegas, 2009}.

 

Como ya se comentó anteriormente, los iones metálicos traza, hierro y cobre, están especialmente implicados en la formación de productos específicos de la oxidación cuando los oxidantes biológicos reaccionan con moléculas diana biológicas específicas.
El daño oxidativo al ADN produce la rotura de las cadenas cuando tiene lugar sobre las ribosas de la cadena, y genera muchas bases oxidadas, que constituyen productos de oxidación únicos, tales como la 8-hidroxi-2’-desoxiguanosina (8-OH-dG) u 8-oxoguanina, la glicol-timina o el hidroxi-metil-uracilo cuando reaccionan los ROS con los nucleótidos de guanina, timina o uracilo, respectivamente, de la cadena de ADN (Floyd et al., 1990). La 8-hidroxi-2’-desoxi-guanosina (8-OHdG) es el biomarcador de alteración oxidativa del ADN más utilizado tanto para el ADN cromosómico como para el ADN mitocondrial (ADNmt) {Floyd et al., 1990; Griffiths et al., 2002; Dizdaroglu, 2003}. Este 8-OHdG puede determinarse mediante HPLC-EC en orina, cuyo valor medio fisiológico humano es de 23.0 ng/ml {Mariani et al., 2005}.

 

Los procesos implicados en el daño a proteínas han sido estudiados minuciosamente {Floyd et al., 2001}. Muchos productos de oxidación específicos como la hidroxi -fenilalanina, la ditirosina o la metionina-sulfóxido se forman por la reacción de oxidantes biológicos con aminoácidos específicos de proteínas como la fenilalanina, la tirosina o la metionina, respectivamente {Stadtman, 1992} lo que puede alterar la estructura y la función de las proteínas con aminoácidos afectados {Stadtman et al., 1992}.

 

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Productos del daño debido al radical hidroxilo en las biomoléculas. (A) Productos de la oxidación de los aminoácidos: orto-, meta- y para-tirosina y ditirosina a partir de la fenilalanina; semialdehído de ácido amino adípico a partir de la lisina; sulfóxido de metionina. Otros productos incluyen la clorotirosina (a partir del HOCl), la nitrotirosina (a partir del ONOO-•- y el NO2•), la dihidroxifenilalanina producida por la hidroxilación de la tirosina, y los hidroperóxidos de aminoácidos alifáticos, tales como el hidroperóxido de leucina. (B) Productos de oxidación del ácido nucleico: 8-oxoguanina es el indicador más frecuentemente medido para detectar el daño del ADN. Adaptado de Baynes y Dominiczak {Baynes y Dominiczak, 2006}.

 

En condiciones fisiológicas, las células disponen de una batería de enzimas específicas que reparan las roturas de la cadena de ADN y retiran las bases oxidadas. Mientras que el daño oxidativo al ARN y a las proteínas no se repara y estas macromoléculas dañadas se degradan en sus elementos constituyentes, que son reciclados en parte para su uso en la síntesis de nuevas proteínas y moléculas de ARN.

 

BIBLIOGRAFÍA

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Dizdaroglu, M. (2003). Substrate specificities and excision kinetics of DNA glycosylases involved in base-excision repair of oxidative DNA damage. Mutat Res 531: 109-26.

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Floyd, R. A.; West, M. S.; Eneff, K. L.; Schneider, J. E.; Wong, P. K.; Tingey, D. T. & Hogsett, W. E. (1990). Conditions influencing yield and analysis of 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine in oxidatively damaged DNA. Anal Biochem 188: 155-8.

Griffiths, H. R.; Moller, L.; Bartosz, G.; Bast, A.; Bertoni-Freddari, C.; Collins, A.; Cooke, M.; Coolen, S.; Haenen, G.; Hoberg, A. M.; Loft, S.; Lunec, J.; Olinski, R.; Parry, J.; Pompella, A.; Poulsen, H.; Verhagen, H. & Astley, S. B. (2002). Biomarkers. Mol Aspects Med 23: 101-208.

Lee, D. H.; O’Connor, T. R. & Pfeifer, G. P. (2002). Oxidative DNA damage induced by copper and hydrogen peroxide promotes CG–>TT tandem mutations at methylated CpG dinucleotides in nucleotide excision repair-deficient cells. Nucleic Acids Res 30: 3566-73.

Lorenzo-Villegas, D. L. (2009). Modulación por adenosín-trifosfato y derivados purinérgicos de mecanismos proinflamatorios en el sistema nervioso central: inducción de la enzima óxido nítrico sintasa de tipo 2. Tesis Doctoral (ULPGC).

Mariani, E.; Polidori, M. C.; Cherubini, A. & Mecocci, P. (2005). Oxidative stress in brain aging, neurodegenerative and vascular diseases: an overview. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci 827: 65-75.

Mukherjee, P. K.; Marcheselli, V. L.; Serhan, C. N. & Bazan, N. G. (2004). Neuroprotectin D1: a docosahexaenoic acid-derived docosatriene protects human retinal pigment epithelial cells from oxidative stress. Proc Natl Acad Sci U S A 101: 8491-6.

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Stadtman, E. R. (1992). Protein oxidation and aging. Science 257: 1220-4.

Stadtman, E. R.; Starke-Reed, P. E.; Oliver, C. N.; Carney, J. M. & Floyd, R. A. (1992). Protein modification in aging. Exs 62: 64-72.

Yamamoto, T.; Maruyama, W.; Kato, Y.; Yi, H.; Shamoto-Nagai, M.; Tanaka, M.; Sato, Y. & Naoi, M. (2002). Selective nitration of mitochondrial complex I by peroxynitrite: involvement in mitochondria dysfunction and cell death of dopaminergic SH-SY5Y cells. J Neural Transm 109: 1-13.