Radicales libres y antioxidantes

El descubrimiento de los radicales libres y los antioxidantes fue un hito tan importante para la ciencia médica como el descubrimiento de los microorganismos y los antibióticos, ya que los médicos recibieron no sólo una explicación para muchos procesos patológicos, incluido el envejecimiento, sino también métodos eficaces para combatirlos.

La última década ha estado marcada por avances en el estudio de los radicales libres en los organismos biológicos. Estos procesos han demostrado ser un eslabón metabólico necesario para el funcionamiento normal del organismo. Participan en reacciones de fosforilación oxidativa, en la biosíntesis de prostaglandinas y ácidos nucleicos, en la regulación de la actividad lipótica y en los procesos de división celular. En el organismo, los radicales libres se forman con mayor frecuencia durante la oxidación de ácidos grasos insaturados, proceso estrechamente relacionado con la peroxidación lipídica (LPO).

¿Qué son los radicales libres?

Un radical libre es una molécula o átomo que tiene un electrón desapareado en su órbita exterior, lo que lo hace agresivo y capaz no sólo de reaccionar con las moléculas de la membrana celular sino también de convertirlas en radicales libres (una reacción de avalancha autosostenida).

El radical que contiene carbono reacciona con el oxígeno molecular para formar el radical libre peróxido COO.

El radical peróxido extrae hidrógeno de la cadena lateral de los ácidos grasos insaturados, formando un hidroperóxido lipídico y otro radical que contiene carbono.

Los hidroperóxidos lipídicos aumentan la concentración de aldehídos citotóxicos y el radical que contiene carbono favorece la reacción de formación de radicales peróxido, etc. (en cadena).

Existen diversos mecanismos de formación de radicales libres. Uno de ellos es el efecto de la radiación ionizante. En algunas situaciones, durante la reducción del oxígeno molecular, se añade un electrón en lugar de dos, formándose un anión superóxido (O) altamente reactivo. La formación de superóxido es uno de los mecanismos de defensa contra las infecciones bacterianas: sin radicales libres de oxígeno, los neutrófilos y los macrófagos no pueden destruir las bacterias.

La presencia de antioxidantes tanto en la célula como en el espacio extracelular indica que la formación de radicales libres no es un fenómeno episódico causado por los efectos de la radiación ionizante o toxinas, sino un fenómeno constante que acompaña a las reacciones de oxidación en condiciones normales. Los principales antioxidantes incluyen enzimas del grupo superóxido dismutasa (SOD), cuya función es convertir catalíticamente el anión peróxido en peróxido de hidrógeno y oxígeno molecular. Dado que las superóxido dismutasas son ubicuas, es razonable asumir que el anión superóxido es uno de los principales subproductos de todos los procesos de oxidación. Las catalasas y peroxidasas convierten el peróxido de hidrógeno formado durante la dismutación en agua.

La característica principal de los radicales libres es su extraordinaria actividad química. Como si sintieran su inferioridad, intentan recuperar el electrón perdido, arrebatándolo agresivamente de otras moléculas. A su vez, las moléculas "ofendidas" también se convierten en radicales y comienzan a robarse electrones a sus vecinas. Cualquier cambio en una molécula, ya sea la pérdida o adición de un electrón, la aparición de nuevos átomos o grupos de átomos, afecta sus propiedades. Por lo tanto, las reacciones de radicales libres que ocurren en cualquier sustancia alteran sus propiedades físicas y químicas.

El ejemplo más conocido de un proceso de radicales libres es el deterioro del aceite (rancidez). El aceite rancio tiene un sabor y un olor peculiares, que se explican por la aparición de nuevas sustancias en él, formadas durante las reacciones de radicales libres. Lo más importante es que las proteínas, las grasas y el ADN de los tejidos vivos pueden participar en las reacciones de radicales libres. Esto conduce al desarrollo de diversos procesos patológicos que dañan los tejidos, el envejecimiento y el desarrollo de tumores malignos.

Los radicales libres más agresivos son los radicales libres de oxígeno. Pueden provocar una avalancha de reacciones radicales libres en los tejidos vivos, con consecuencias catastróficas. Los radicales libres de oxígeno y sus formas activas (por ejemplo, los peróxidos lipídicos) pueden formarse en la piel y otros tejidos bajo la influencia de la radiación UV, así como de algunas sustancias tóxicas presentes en el agua y el aire. Pero lo más importante es que las formas activas de oxígeno se forman durante cualquier inflamación o proceso infeccioso en la piel o en cualquier otro órgano, ya que son la principal arma del sistema inmunitario, con la que destruye los microorganismos patógenos.

Es imposible esconderse de los radicales libres (al igual que es imposible esconderse de las bacterias, pero sí es posible protegerse de ellas). Hay sustancias que se distinguen por ser menos agresivas que las de otras sustancias. Al ceder su electrón al agresor, el antioxidante no intenta compensar la pérdida a expensas de otras moléculas, o mejor dicho, lo hace solo en raras ocasiones. Por lo tanto, cuando un radical libre reacciona con un antioxidante, se transforma en una molécula completa, y el antioxidante se convierte en un radical débil e inactivo. Estos radicales dejan de ser peligrosos y no generan caos químico.

¿Qué son los antioxidantes?

"Antioxidantes" es un término colectivo y, al igual que términos como "agentes antineoplásicos" e "inmunomoduladores", no implica pertenecer a ningún grupo químico específico. Su especificidad es la que más se relaciona con la oxidación lipídica por radicales libres en general y con la patología causada por radicales libres en particular. Esta propiedad une a diferentes antioxidantes, cada uno con sus propias características de acción.

Los procesos de oxidación de lípidos por radicales libres son de naturaleza biológica general y, según muchos autores, constituyen un mecanismo universal de daño celular a nivel de membrana cuando se activan bruscamente. En este caso, en la fase lipídica de las membranas biológicas, los procesos de peroxidación lipídica provocan un aumento de la viscosidad y la ordenación de la bicapa de la membrana, alteran las propiedades de fase de las membranas y reducen su resistencia eléctrica, además de facilitar el intercambio de fosfolípidos entre dos monocapas (el llamado flip-flop de fosfolípidos). Bajo la influencia de los procesos de peroxidación, también se inhibe la movilidad de las proteínas de membrana. A nivel celular, la peroxidación lipídica se acompaña de hinchazón mitocondrial, desacoplamiento de la fosforilación oxidativa (y, en procesos avanzados, solubilización de las estructuras de la membrana), lo que, a nivel de todo el organismo, se manifiesta en el desarrollo de las llamadas patologías por radicales libres.

Radicales libres y daño celular

Hoy en día se ha hecho evidente que la formación de radicales libres es uno de los mecanismos patogénicos universales en varios tipos de daño celular, incluidos los siguientes:

• reperfusión de células después de un período de isquemia;
• algunas formas de anemia hemolítica inducidas por fármacos;
• envenenamiento por algunos herbicidas;
• gestión del tetracloruro de carbono;
• radiación ionizante;
• algunos mecanismos del envejecimiento celular (por ejemplo, la acumulación de productos lipídicos en la célula: ceroides y lipofuscinas);
• toxicidad del oxígeno;
• aterogénesis debida a la oxidación de lipoproteínas de baja densidad en las células de la pared arterial.

Los radicales libres participan en los procesos:

• envejecimiento;
• carcinogénesis;
• daños químicos y medicinales a las células;
• inflamación;
• daño radiactivo;
• aterogénesis;
• toxicidad del oxígeno y el ozono.

Efectos de los radicales libres

La oxidación de los ácidos grasos insaturados en las membranas celulares es uno de los principales efectos de los radicales libres. Estos también dañan las proteínas (especialmente las que contienen tiol) y el ADN. El resultado morfológico de la oxidación lipídica de la pared celular es la formación de canales de permeabilidad polar, lo que aumenta la permeabilidad pasiva de la membrana para los iones Ca₂₂, cuyo exceso se deposita en las mitocondrias. Las reacciones de oxidación suelen ser suprimidas por antioxidantes hidrófobos como la vitamina E y la glutatión peroxidasa. Los antioxidantes similares a la vitamina E que rompen las cadenas de oxidación se encuentran en las verduras y frutas frescas.

Los radicales libres también reaccionan con moléculas en el entorno iónico y acuoso de los compartimentos celulares. En el entorno iónico, moléculas de sustancias como el glutatión reducido, el ácido ascórbico y la cisteína conservan su potencial antioxidante. Las propiedades protectoras de los antioxidantes se hacen evidentes cuando, al agotarse sus reservas en una célula aislada, se observan cambios morfológicos y funcionales característicos debido a la oxidación de los lípidos en la membrana celular.

Los tipos de daño causados por los radicales libres están determinados no solo por su agresividad, sino también por las características estructurales y bioquímicas de la diana. Por ejemplo, en el espacio extracelular, los radicales libres destruyen los glicosaminoglicanos, la sustancia principal del tejido conectivo, lo que puede ser uno de los mecanismos de destrucción articular (por ejemplo, en la artritis reumatoide). Los radicales libres alteran la permeabilidad (y, por lo tanto, la función de barrera) de las membranas citoplasmáticas debido a la formación de canales de mayor permeabilidad, lo que altera la homeostasis de iones de agua de la célula. Se considera necesario proporcionar vitaminas y microelementos a los pacientes con artritis reumatoide, en particular, la corrección de la deficiencia de vitaminas y microelementos con oligogal E. Esto se debe a que se ha demostrado una notable activación de los procesos de peroxidación y la supresión de la actividad antioxidante, por lo que es fundamental incluir bioantioxidantes con alta actividad antirradical en la terapia compleja, como las vitaminas antioxidantes (E, C y A) y el microelemento selenio (Se). También se ha demostrado que el uso de una dosis sintética de vitamina E se absorbe peor que la natural. Por ejemplo, dosis de vitamina E de hasta 800 y 400 UI/día reducen las enfermedades cardiovasculares (en un 53%). Sin embargo, la eficacia de los antioxidantes se determinará en estudios controlados a gran escala (de 8000 a 40 000 pacientes), realizados en 1997.

Las fuerzas protectoras que mantienen la tasa de LPO a un nivel determinado incluyen sistemas enzimáticos que inhiben la peroxidación y antioxidantes naturales. Existen tres niveles de regulación de la tasa de oxidación de radicales libres. La primera etapa, la antioxígena, mantiene una presión parcial de oxígeno relativamente baja en la célula. Esta incluye principalmente enzimas respiratorias que compiten por el oxígeno. A pesar de la amplia variabilidad en la absorción de O₃ en el organismo y la liberación de CO₂, la pO₂ y la pCO₂ en sangre arterial normalmente se mantienen bastante constantes. La segunda etapa de protección es la antirradical. Consiste en diversas sustancias presentes en el organismo (vitamina E, ácido ascórbico, algunas hormonas esteroides, etc.) que interrumpen los procesos de LPO al interactuar con los radicales libres. La tercera etapa, la antiperóxido, destruye los peróxidos ya formados con la ayuda de enzimas apropiadas o de forma no enzimática. Sin embargo, aún no existe una clasificación unificada ni una visión unificada sobre los mecanismos que regulan la velocidad de las reacciones de radicales libres y la acción de las fuerzas protectoras que aseguran la utilización de los productos finales de la peroxidación lipídica.

Se cree que, dependiendo de la intensidad y la duración, los cambios en la regulación de las reacciones de LPO pueden: en primer lugar, ser reversibles con una posterior normalización; en segundo lugar, conducir a una transición a otro nivel de autorregulación; y, en tercer lugar, algunos de los efectos desintegran este mecanismo de autorregulación y, en consecuencia, impiden el cumplimiento de las funciones reguladoras. Por ello, comprender el papel regulador de las reacciones de LPO en condiciones de exposición a factores extremos, en particular el frío, es una etapa necesaria de la investigación destinada a desarrollar métodos con base científica para la gestión de los procesos de adaptación y la terapia, prevención y rehabilitación complejas de las enfermedades más comunes.

Uno de los más utilizados y eficaces es un complejo de antioxidantes, que incluye tocoferol, ascorbato y metionina. Al analizar el mecanismo de acción de cada uno de los antioxidantes utilizados, se observó lo siguiente: los microsomas son uno de los principales lugares de acumulación de tocoferol introducido exógenamente en las células hepáticas. El ácido ascórbico, que se oxida a ácido deshidroascórbico, puede actuar como un posible donador de protones. Además, se ha demostrado la capacidad del ácido ascórbico para interactuar directamente con el oxígeno singlete, el radical hidroxilo y el radical anión superóxido, así como para destruir el peróxido de hidrógeno. También existe evidencia de que el tocoferol en microsomas puede ser regenerado por tioles y, en particular, por glutatión reducido.

Por lo tanto, existen varios sistemas antioxidantes interconectados en el organismo, cuya función principal es mantener las reacciones oxidativas enzimáticas y no enzimáticas en un nivel de estado estacionario. En cada etapa del desarrollo de las reacciones de peróxido, existe un sistema especializado que realiza estas funciones. Algunos de estos sistemas son estrictamente específicos, mientras que otros, como la glutatión peroxidasa y el tocoferol, tienen una mayor amplitud de acción y menor especificidad de sustrato. La aditividad de la interacción de los sistemas antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos entre sí garantiza la resistencia del organismo a factores extremos con propiedades prooxidantes, es decir, la capacidad de crear condiciones en el organismo que predisponen a la producción de formas activadas de oxígeno y a la activación de las reacciones de peroxidación lipídica. Sin duda, la activación de las reacciones de peroxidación lipídica se observa bajo la influencia de diversos factores ambientales en el organismo y en procesos patológicos de diversa índole. Según V. Yu. Kulikov et al. (1988), dependiendo de los mecanismos de activación de las reacciones LPO, todos los factores que afectan al organismo pueden dividirse con cierto grado de probabilidad en los siguientes grupos.

Factores de naturaleza fisicoquímica que contribuyen al aumento de precursores tisulares y activadores directos de las reacciones de LPO:

• oxígeno bajo presión;
• ozono;
• óxido nítrico;
• radiación ionizante, etc.

Factores de naturaleza biológica:

• procesos de fagocitosis;
• destrucción de células y membranas celulares;
• sistemas para generar formas de oxígeno activado.

Factores que determinan la actividad de los sistemas antioxidantes del organismo de naturaleza enzimática y no enzimática:

• actividad de procesos asociados a la inducción de sistemas antioxidantes de naturaleza enzimática;
• factores genéticos asociados a la depresión de una u otra enzima que regula las reacciones de peroxidación lipídica (deficiencia de glutatión peroxidasa, catalasa, etc.);
• factores nutricionales (falta de tocoferol, selenio, otros microelementos, etc. en los alimentos);
• estructura de las membranas celulares;
• la naturaleza de la relación entre los antioxidantes de naturaleza enzimática y no enzimática.

Factores de riesgo que potencian la activación de reacciones LPO:

• activación del régimen de oxígeno del cuerpo;
• estado de estrés (frío, temperatura alta, hipoxia, impacto emocional y doloroso);
• hiperlipidemia.

Por lo tanto, la activación de las reacciones de LPO en el cuerpo está estrechamente relacionada con el funcionamiento de los sistemas de transporte y utilización de oxígeno. Los adaptógenos merecen especial atención, incluyendo el ampliamente utilizado eleuterococo. El preparado de la raíz de esta planta tiene propiedades tónicas generales, adaptogénicas, antiestrés, antiateroscleróticas, antidiabéticas y otras, y reduce la morbilidad general, incluyendo la gripe. Al estudiar los mecanismos bioquímicos de acción de los antioxidantes en humanos, animales y plantas, el espectro de afecciones patológicas para cuyo tratamiento se utilizan antioxidantes se ha ampliado significativamente. Los antioxidantes se utilizan con éxito como adaptógenos para la protección contra daños por radiación, el tratamiento de heridas y quemaduras, tuberculosis, enfermedades cardiovasculares, trastornos neuropsiquiátricos, neoplasias, diabetes, etc. Naturalmente, el interés en los mecanismos que subyacen a esta acción universal de los antioxidantes ha aumentado.

Actualmente, se ha establecido experimentalmente que la eficacia de los antioxidantes está determinada por su actividad inhibidora de la peroxidación lipídica, debido a la interacción con el peróxido y otros radicales que inician la LPO, así como por sus efectos sobre la estructura de la membrana, facilitando el acceso de oxígeno a los lípidos. La LPO también puede modificarse mediante un sistema de acción antioxidante mediado por mecanismos neurohormonales. Se ha demostrado que los antioxidantes afectan la liberación de neurotransmisores y hormonas, la sensibilidad a los receptores y su unión. A su vez, un cambio en la concentración de hormonas y neurotransmisores modifica la intensidad de la LPO en las células diana, lo que conlleva un cambio en la tasa de catabolismo lipídico y, en consecuencia, en su composición. La relación entre la tasa de LPO y un cambio en el espectro de fosfolípidos de membrana desempeña un papel regulador. Se ha encontrado un sistema regulador similar en las membranas celulares de animales, plantas y organismos microbianos. Como es sabido, la composición y la fluidez de los lípidos de membrana afectan la actividad de las proteínas, enzimas y receptores de membrana. A través de este sistema de regulación, los antioxidantes actúan sobre la reparación de la membrana. En caso de cambios en el estado patológico del organismo, normalizan su composición, estructura y actividad funcional. Los cambios en la actividad de las enzimas que sintetizan macromoléculas y en la composición de la matriz nuclear, junto con la modificación de la composición de los lípidos de la membrana, causados por la acción de los antioxidantes, pueden explicarse por su influencia en la síntesis de ADN, ARN y proteínas. Simultáneamente, se han publicado datos sobre la interacción directa de los antioxidantes con las macromoléculas.

Estos datos, así como los datos recientemente descubiertos sobre la eficacia de los antioxidantes en concentraciones picomolares, resaltan el papel de las vías receptoras en su efecto sobre el metabolismo celular. En el trabajo de VE Kagan (1981) sobre los mecanismos de modificación estructural y funcional de las biomembranas, se demostró que la dependencia de la velocidad de las reacciones de LPO en las biomembranas depende no solo de su composición de ácidos grasos (grado de insaturación), sino también de la organización estructural de la fase lipídica de las membranas (movilidad molecular de los lípidos, fuerza de las interacciones proteína-lípido y lípido-lípido). Se encontró que, como resultado de la acumulación de productos de LPO, se produce una redistribución de lípidos en la membrana: la cantidad de lípidos líquidos en la biocapa disminuye, la cantidad de lípidos inmovilizados por las proteínas de membrana disminuye y la cantidad de lípidos ordenados en la biocapa (cúmulos) aumenta. V.

Al estudiar la naturaleza, la composición y el mecanismo de homeostasis del sistema antioxidante, se demostró que la manifestación del efecto dañino de los radicales libres y los compuestos peroxidados se previene mediante un complejo sistema antioxidante multicomponente (AOS), que proporciona la unión y modificación de radicales, previniendo la formación o destrucción de peróxidos. Incluye: sustancias orgánicas hidrofílicas e hidrofóbicas con propiedades reductoras; enzimas que mantienen la homeostasis de estas sustancias; enzimas antiperóxido. Entre los antioxidantes naturales se encuentran sustancias lipídicas (hormonas esteroideas, vitaminas E, A, K, flavonoides y polifenoles, vitamina P, ubiquinona) e hidrosolubles (tioles de bajo peso molecular, ácido ascórbico). Estas sustancias atrapan los radicales libres o destruyen los compuestos peroxidados.

Una parte de los antioxidantes tisulares tiene un carácter hidrófilo, la otra, hidrófobo, lo que permite la protección simultánea de moléculas funcionalmente importantes frente a agentes oxidantes tanto en la fase acuosa como en la lipídica.

La cantidad total de bioantioxidantes crea un "sistema antioxidante amortiguador" en los tejidos, que posee cierta capacidad, y la proporción de sistemas prooxidantes y antioxidantes determina el llamado "estado antioxidante" del organismo. Existen razones para creer que los tioles ocupan un lugar especial entre los antioxidantes tisulares. Esto se confirma por los siguientes hechos: la alta reactividad de los grupos sulfhidrilo, debido a la cual algunos tioles se oxidan a una velocidad muy alta; y la dependencia de la velocidad de modificación oxidativa de los grupos SH de su entorno radical en la molécula. Esta circunstancia nos permite distinguir un grupo especial de sustancias fácilmente oxidables entre una variedad de compuestos tiólicos, que desempeñan funciones antioxidantes específicas: la reversibilidad de la reacción de oxidación de los grupos sulfhidrilo a grupos disulfuro, lo que permite, en principio, mantener energéticamente la homeostasis de los antioxidantes tiólicos en la célula sin activar su biosíntesis; y la capacidad de los tioles para exhibir efectos tanto antirradicales como antiperóxido. Las propiedades hidrófilas de los tioles determinan su alto contenido en la fase acuosa celular y la posibilidad de proteger del daño oxidativo a moléculas biológicamente importantes como enzimas, ácidos nucleicos, hemoglobina, etc. Al mismo tiempo, la presencia de grupos apolares en los compuestos tioles garantiza su actividad antioxidante en la fase lipídica celular. Por lo tanto, junto con las sustancias de naturaleza lipídica, los compuestos tioles desempeñan un papel fundamental en la protección de las estructuras celulares frente a la acción de factores oxidantes.

El ácido ascórbico también se oxida en los tejidos corporales. Al igual que los tioles, forma parte del AOS, participando en la unión de radicales libres y la destrucción de peróxidos. El ácido ascórbico, cuya molécula contiene grupos polares y apolares, exhibe una estrecha interacción funcional con el SH-glutatión y los antioxidantes lipídicos, potenciando su efecto y previniendo la peroxidación lipídica. Al parecer, los antioxidantes tioles desempeñan un papel fundamental en la protección de los principales componentes estructurales de las membranas biológicas, como los fosfolípidos o las proteínas inmersas en la capa lipídica.

A su vez, los antioxidantes hidrosolubles (compuestos tiólicos y ácido ascórbico) ejercen su acción protectora principalmente en un entorno acuoso: el citoplasma celular o el plasma sanguíneo. Cabe recordar que el sistema sanguíneo es un medio interno que desempeña un papel decisivo en las reacciones inespecíficas y específicas de las defensas del organismo, afectando su resistencia y reactividad.

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Los radicales libres en la patología

La cuestión de las relaciones causales entre los cambios en la intensidad de la peroxidación lipídica y la dinámica del desarrollo de enfermedades aún se debate en la literatura. Según algunos autores, la alteración de la estacionariedad de este proceso es la principal causa de las enfermedades mencionadas, mientras que otros creen que el cambio en la intensidad de la peroxidación lipídica es consecuencia de estos procesos patológicos, iniciados por mecanismos completamente diferentes.

Investigaciones realizadas en los últimos años han demostrado que los cambios en la intensidad de la oxidación de radicales libres acompañan a enfermedades de diversa génesis, lo que confirma la tesis sobre la naturaleza biológica general del daño celular causado por radicales libres. Se ha acumulado suficiente evidencia de la participación patogénica del daño causado por radicales libres en moléculas, células, órganos y el cuerpo en su conjunto, así como del éxito del tratamiento con fármacos con propiedades antioxidantes.