ESPECIES REACTIVAS DE OXÍGENO Y DE NITRÓGENO.

Las especies reactivas de oxígeno (ROS) consisten en radicales libres de oxígeno y entidades asociadas que incluyen los radicales libres superóxido (O2), peróxido de hidrógeno (H2O2), oxígeno singlete (O·-), óxido nítrico (NO), y peroxinitrito (ONOO) (Figura siguiente). Estos dos últimos son las principales RNSs.

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Estructura del oxígeno y de las especies reactivas del oxígeno (ROS).

El oxígeno se muestra en el extremo a la izquierda como la forma incorrecta de dos átomos con doble unión. Esta forma, conocida como oxígeno singlete, existe en cantidad significativa solo a temperatura elevada o en respuesta a la irradiación. El dirradical es la forma básica natural del oxígeno (O2) a la temperatura corporal. Las ROS están parcialmente reducidas, las formas reactivas del oxígeno. El primer producto es el radical anión superóxido (O2•-), que está en equilibrio con el ácido débil, radical hidroperoxilo (pKa 4.5). La reducción del superóxido conduce al hidroperóxido O2-2, en la forma de H2O2. La reducción del H2O2, causa una reacción de rotura hemolítica que libera el radical hidroxilo (OH) y el ión hidróxido (OH). El agua es el producto final de la reducción completa del O2. Adaptado de Baynes y Dominiczak {Baynes y Dominiczak, 2006}.

El radical superóxido es el radical libre de oxígeno más frecuente, y puede ser metabolizado hasta peróxido de hidrógeno por acción de la superóxido dismutasa (SOD), y éste a su vez hasta agua y oxígeno por acción de la catalasa.

El radical hidroxilo es el radical libre de oxígeno más activo y es generado a partir del peróxido de hidrógeno a través de la reacción de Haber-Weiss, que en condiciones fisiológicas está catalizada por los iones metálicos activos redox. El radical hidroxilo puede formarse alternativamente a través de la interacción entre el radical superóxido y el NO• {Fubini y Hubbard, 2003}.

La mayor reactividad de las ROS con los iones metálicos (especialmente de hierro y de cobre) hace que las regiones tisulares o tejidos en los que abunden estos iones sean más susceptibles de sufrir daño oxidativo (por ejemplo, la substantia nigra es una región cerebral especialmente rica en cationes hierro y es una de las principales afectadas en pacientes de enfermedad de Alzheimer, patología caracterizada por un alto nivel de envejecimiento de estructuras por daño oxidativo).

Formación de ROS por las reacciones de Fenton y de Haber-Weiss.

(A) Fenton describió por primera vez el poder oxidante de las soluciones de ión ferroso (Fe2+) y H2O2. Esta reacción genera OH, un potente oxidante. El ión cuproso (Cu+) también puede catalizar esta reacción. (B) La reacción de Haber-Weiss describe la producción de OH a partir de O2 y H2O2. (C) En condiciones fisiológicas, la reacción de Haber-Weiss está catalizada por los iones metálicos activos redox. Adaptado de Baynes y Dominiczak 2006 {Baynes y Dominiczak, 2006}.

Está ampliamente considerado que la mayor parte (95-98%) del total de especies reactivas de oxígeno producidas durante el metabolismo aerobio provienen de subproductos de la cadena de transporte de electrones de la mitocondria {Floyd, 1999b; Floyd, 1999a}.

La cantidad de producción de radicales libres está determinada por el balance de muchos factores diferentes, el estrés oxidativo tiene lugar cuando los radicales libres de oxígeno son generados en exceso.

La principal fuente de formación de ROS es la mitocondria durante el transporte de electrones en la cadena de fosforilación oxidativa, principalmente por una reducción incompleta del oxígeno a nivel del complejo IV de la cadena de transporte de electrones mitocondrial, y por la reacción, en medio oxidante, de la semiubiquinona de la membrana mitocondrial interna con radicales libres de oxígeno.

Formación del superóxido por la mitocondria.

Después de la oxidación de NADH, la cadena de transporte de electrons cataliza las reacciones de oxidación-reducción de un solo electrón. El radical semiquinona, un intermediario en la reducción de la ubiquinona (de Q a QH2) por el complejo I o II, es sensible a la oxidación por el oxígeno molecular y se considera l principal fuente de radicales superóxido en la célula. Esta reacción se estimula en presencia de tensión elevada de oxígeno y también en presencia de potenciales de membrana elevados, cuando la cadena de transporte de electrones se satura con electrones, por ejemplo, en caso de tensión baja de oxígeno durante el daño por isquemia/reperfusión. Adaptado de Baynes y Dominiczak 2006 {Baynes y Dominiczak, 2006}.

De hecho, varios estudios con mitocondrias aisladas demuestran que el 2-5% del total del oxígeno consumido en la respiración mitocondrial genera ROSs, principalmente H2O2, y que este porcentaje aumenta con la edad {Papa y Skulachev, 1997; Hensley et al., 1998; Perez-Campo et al., 1998}.

Pero las mitocondrias no juegan un papel decisivo en el proceso del envejecimiento sólo por ser las principales generadoras intracelulares de ROSs, sino por ser también susceptibles de su ataque, lo que puede repercutir en una menor eficacia de la cadena respiratoria y, por tanto, de una mayor producción de estos radicales {Perez-Campo et al., 1998}. De hecho, podría decirse que las mitocondrias forman parte de la espiral de destrucción oxidativa creciente que tiene lugar a lo largo de la vida.

En lo que respecta a las especies reactivas de nitrógeno y sus relaciones con las ROSs, el NO interactúa con el radical superóxido para formar peroxinitrito que puede, a su vez, conducir a la generación de ácido peroxinitroso. El radical hidroxilo es producido a partir de la descomposición espontánea de ácido peroxinitroso. El NO per se y el peroxinitrito son también conocidos como activos radicales libres de nitrógeno {Beckman y Koppenol, 1996}.

Interconversión de las ROS. Tal y como se muestra en la figura, las distintas especies de radicales libres de oxígeno y de nitrógeno son interconvertibles y pueden reaccionar rápida y espontáneamente entre ellas. Abreviaturas: e, electrón; Fe2+, ión ferroso; Fe3+, ión férrico; H2O, agua; H2O2, peróxido de hidrógeno; HO, radical hidroxilo; NO, radical óxido nítrico;  NO2, dióxido de nitrógeno; 1O2, oxígeno singlete; O2, oxígeno; O2•-, anión superóxido;     ONOO/ONOOH, peroxinitrito; SOD, superóxido dismutasa. {Lorenzo-Villegas, 2009}

Como veremos más adelante, aparte de alterar directamente la función celular, el óxido nítrico (NO) puede ejercer efectos citotóxicos a través de su transformación en peroxinitrito, que es considerado potencialmente como un radical más potente que el NO per se {Pfeiffer et al., 1997; Pfeiffer y Mayer, 1998; Pfeiffer et al., 2001}.

Sumada a la alta reactividad del NO·, esta es la razón por la que resulta especialmente peligrosa la proximidad entre una fuente de oxígeno (como la microglía y, en general, cualquier proceso inflamatorio) y una fuente de óxido nítrico (como las células endoteliales y los astrocitos reactivos). En concreto, en el sistema nervioso, los principales tipos celulares productores de óxido nítrico y de ROSs son los astrocitos reactivos y las células microgliales.

BIBLIOGRAFÍA

Baynes, J. W. & Dominiczak, M. H. (2006). Bioquímica Médica. Elsevier.

Beckman, J. S. & Koppenol, W. H. (1996). Nitric oxide, superoxide, and peroxynitrite: the good, the bad, and ugly. Am J Physiol 271: C1424-37.

Floyd, R. A. (1999a). Antioxidants, oxidative stress, and degenerative neurological disorders. Proc Soc Exp Biol Med 222: 236-45.

Floyd, R. A. (1999b). Neuroinflammatory processes are important in neurodegenerative diseases: an hypothesis to explain the increased formation of reactive oxygen and nitrogen species as major factors involved in neurodegenerative disease development. Free Radic Biol Med 26: 1346-55.

Fubini, B. & Hubbard, A. (2003). Reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) generation by silica in inflammation and fibrosis. Free Radic Biol Med 34: 1507-16.

Hensley, K.; Pye, Q. N.; Maidt, M. L.; Stewart, C. A.; Robinson, K. A.; Jaffrey, F. & Floyd, R. A. (1998). Interaction of alpha-phenyl-N-tert-butyl nitrone and alternative electron acceptors with complex I indicates a substrate reduction site upstream from the rotenone binding site. J Neurochem 71: 2549-57.

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).

Papa, S. & Skulachev, V. P. (1997). Reactive oxygen species, mitochondria, apoptosis and aging. Mol Cell Biochem 174: 305-19.

Perez-Campo, R.; Lopez-Torres, M.; Cadenas, S.; Rojas, C. & Barja, G. (1998). The rate of free radical production as a determinant of the rate of aging: evidence from the comparative approach. J Comp Physiol [B] 168: 149-58.

Pfeiffer, S.; Gorren, A. C.; Schmidt, K.; Werner, E. R.; Hansert, B.; Bohle, D. S. & Mayer, B. (1997). Metabolic fate of peroxynitrite in aqueous solution. Reaction with nitric oxide and pH-dependent decomposition to nitrite and oxygen in a 2:1 stoichiometry. J Biol Chem 272: 3465-70.

Pfeiffer, S.; Lass, A.; Schmidt, K. & Mayer, B. (2001). Protein tyrosine nitration in mouse peritoneal macrophages activated in vitro and in vivo: evidence against an essential role of peroxynitrite. Faseb J 15: 2355-64.

Pfeiffer, S. & Mayer, B. (1998). Lack of tyrosine nitration by peroxynitrite generated at physiological pH. J Biol Chem 273: 27280-5.

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