Los radicales libres y las especies reactivas de oxígeno se producen durante el metabolismo normal y pueden causar daño celular que es contrarrestado por sistemas antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos. El equilibrio entre la producción de oxidantes y la defensa antioxidante determina el nivel de estrés oxidativo de la célula.

Radicales Libres y Especies Reactivas de Oxígeno

Los radicales libres son moléculas con uno o más electrones desapareados, lo que las hace altamente reactivas. El anión radical superóxido se forma por la reducción de un electrón del oxígeno molecular, principalmente por fuga de la cadena de transporte de electrones mitocondrial durante la fosforilación oxidativa y de las NADPH oxidasas. El superóxido puede inactivar proteínas de centros hierro-azufre y liberar hierro libre, que participa en la química de Fenton para generar especies más dañinas.

El peróxido de hidrógeno no es un radical libre sino un producto de reducción de dos electrones del oxígeno. Se difunde libremente a través de las membranas y puede generar el radical hidroxilo a través de la química de Fenton en presencia de hierro ferroso. El radical hidroxilo es el más reactivo de las ERO, reaccionando a velocidades limitadas por difusión con prácticamente cualquier biomolécula.

El peroxinitrito se forma por la reacción del superóxido con óxido nítrico. Es un oxidante y agente nitrante potente que modifica proteínas, lípidos y ADN. El oxígeno singlete y el ácido hipocloroso, producidos por la mieloperoxidasa en los neutrófilos, son oxidantes no radicales adicionales que contribuyen a la eliminación de patógenos pero también causan daño tisular.

Fuentes de ERO

La cadena de transporte de electrones mitocondrial es la principal fuente endógena de ERO. Los complejos I y III filtran electrones que reducen el oxígeno a superóxido. En condiciones normales, aproximadamente el 1 al 2% del oxígeno consumido se convierte en superóxido. Esto aumenta cuando la cadena de transporte de electrones está dañada o cuando el potencial de membrana mitocondrial es alto.

Las NADPH oxidasas son enzimas dedicadas a la producción de ERO que generan superóxido para la señalización y la defensa inmunológica. Las enzimas de la familia NOX se expresan en fagocitos, células endoteliales y otros tejidos. Otras fuentes incluyen oxidasas peroxisomales, enzimas del citocromo P450 y xantina oxidasa, que produce superóxido durante la degradación de purinas.

Las fuentes exógenas de ERO incluyen la radiación UV e ionizante, que generan radicales hidroxilo a través de la radiólisis del agua. Los contaminantes del aire, el humo del cigarrillo y ciertos fármacos y toxinas también aumentan la producción de ERO. Los metales de transición como el hierro y el cobre catalizan la formación de radicales libres.

Daño Oxidativo

La peroxidación lipídica es una reacción en cadena iniciada por la abstracción de un átomo de hidrógeno por el radical hidroxilo de los ácidos grasos poliinsaturados. El radical lipídico resultante reacciona con oxígeno para formar un radical peroxilo lipídico, que propaga la cadena. El malondialdehído y el 4-hidroxinonenal son subproductos tóxicos. La peroxidación lipídica daña las membranas celulares y genera aldehídos reactivos que modifican proteínas y ADN.

La oxidación de proteínas modifica las cadenas laterales de aminoácidos, particularmente cisteína, metionina y residuos aromáticos. La formación de puentes disulfuro, la carbonilación de proteínas y la nitración de residuos de tirosina alteran la función de las proteínas y pueden dirigir las proteínas para degradación.

La oxidación del ADN produce 8-oxoguanina como la lesión más común, causando mutaciones de transversión G a T si no se repara. El daño al ADN por ERO contribuye a la mutagénesis, el envejecimiento y el cáncer.

Defensas Antioxidantes Enzimáticas

La superóxido dismutasa, que requiere cofactores metálicos, cataliza la dismutación del superóxido a peróxido de hidrógeno y oxígeno. Existen tres isoformas: CuZn-SOD citosólica, Mn-SOD mitocondrial y SOD extracelular. La SOD es esencial para la vida aeróbica, y los ratones knockout de Mn-SOD mueren poco después del nacimiento.

La catalasa convierte el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno molecular. Se concentra en los peroxisomas y tiene una de las tasas de recambio más altas de cualquier enzima. La glutatión peroxidasa reduce el peróxido de hidrógeno y los hidroperóxidos orgánicos usando glutatión reducido como donante de electrones. Contiene selenocisteína en el sitio activo. La tiorredoxina reductasa y las peroxirredoxinas proporcionan capacidad reductora de peróxido adicional.

Antioxidantes No Enzimáticos

El glutatión es el tiol intracelular más abundante y el principal antioxidante no enzimático. Mantiene los tioles de las proteínas en estado reducido y sirve como donante de electrones para la glutatión peroxidasa. El glutatión reducido se regenera mediante la glutatión reductasa usando NADPH.

La vitamina E es el principal antioxidante liposoluble rompedor de cadenas en las membranas. Doná un átomo de hidrógeno a los radicales peroxilo lipídicos, terminando la peroxidación lipídica. El radical tocoferoxilo resultante es reciclado por la vitamina C. La vitamina C es un antioxidante hidrosoluble que elimina ERO directamente y regenera la vitamina E. El ácido úrico, la bilirrubina y el ubiquinol son antioxidantes endógenos adicionales.

Estrés Oxidativo en Enfermedades

El estrés oxidativo contribuye a muchas enfermedades. En la aterosclerosis, la oxidación de LDL promueve la formación de células espumosas y el desarrollo de placa. En la neurodegeneración, el daño oxidativo se acumula en las enfermedades de Alzheimer, Parkinson y Huntington. En el cáncer, las ERO promueven la mutagénesis y la progresión tumoral pero también pueden inducir la muerte celular. En la diabetes, la hiperglucemia impulsa la producción de ERO a través de múltiples mecanismos, contribuyendo a las complicaciones vasculares. La lesión por isquemia-reperfusión presenta una explosión de ERO tras la reoxigenación, causando daño tisular adicional más allá del insulto isquémico.