Mantenimiento del estado redox intracelular

MANTENIMIENTO DEL ESTADO REDOX INTRACELULAR

- El cuerpo humano mantiene un balance de óxido-reducción constante, preservando el equilibrio entre la producción de pro-oxidantes que se generan como resultado del metabolismo celular y los sistemas de defensa antioxidantes. La pérdida de este balance se llama estrés oxidativo. 

- Se caracteriza por un aumento en los niveles de radicales libres y especies reactivas, que no alcanza a ser compensado por los sistemas de defensa antioxidantes causando daño y muerte celular.

- Ocurre en patologías degenerativas de tipo infeccioso, inmune, inflamatorio, etc. 

- Puede tener diversos grados de magnitud: 

• Estrés oxidativo leve; las defensas antioxidantes bastan para restablecer el balance.
• Estrés oxidativo grave; llega a graves alteraciones del metabolismo celular, como rompimiento de ADN, aumento de la concentración de calcio intracelular, descompartamentalización de iones de Fe y Cu catalíticos, daño a los transportadores membranares de iones y otras proteínas específicas y peroxidación de lípidos. 

Radicales libres: Son moléculas que contienen un electrón no apareado, esto los hace sumamente reactivos y capaces de dañar a otras moléculas transformándolas en moléculas muy reactivas, una reacción en cadena que causa daño oxidativo, desde células hasta tejidos. 

Especies reactivas: Se forman como producto del metabolismo de los radicales libres,y aunque no todas son radicales libres, son moléculas oxidantes que se transforman fácilmente en radicales libres lo que les confiere la característica de ser compuestos muy dañinos para las células.

• Oxígeno = ROS
• Hierro = RIS
• Cobre = RCS
• Nitrógeno = RNS 

Aparición de las especies reactivas de oxígeno (ROS)

- Utilizar el O2 como molécula aceptora final de electrones, permitió a las células tener sistemas de producción de energía altamente eficientes a través de la oxidación de glucosa. A través de esta ruta metabólica de la oxidación de la glucosa (x 1 molécula de glu.) se producen hasta 38 ATP's.

- Esta ventaja evolutiva de los organismos aerobios, trajo como efecto colateral, el aumento de la producción de radicales libres y especies reactivas de oxígeno, ya que la reducción parcial de oxígeno lleva a la formación de ROS. 

- Se desarrollan sistemas de defensa antioxidantes intra y extracelulares tanto enzimáticos como no enzimáticos para mantener el equilibrio redox.

- La fuente endógena de especies reactivas + importante es el sistema mitocondrial de transporte de e, donde los ROS se generan como producto secundario del metabolismo energético oxidativo. 

Sistema de defensa antioxidantes

Un antioxidante es cualquier sustancia que presente en bajas concentraciones, retrasa o inhibe la oxidación. Actúan:

1. Disminuyendo la concentración de oxidantes.
2. Evitando la iniciación de la reacción en cadena al "barrer", los primeros RL que se forman.
3. Uniéndose a iones metálicos para evitar la formación de especies reactivas.
4. Transformando los peroxidos en productos menos reactivos.
5. Deteniendo la propagación y el aumento de RL. 

-> Se incluyen sistemas enzimáticos como las enzimas derivadas del sistema citocromo-oxidasa, superóxido dismutasas (Cu-ZnSOD y MnSOD), catalasas y peroxidasas. 

-> Sitemas NO enzimáticos como las vitaminas A,C,E, ácido úrico, aminoácidos como glicina y taurina, el tripéptido glutatión, etc a los que se le llama barredores (sustancias que donas e a otras, reduciéndolas y haciéndolas menos reactivas). 

-> Estos sistemas antióxidantes disminuyen con la edad, en ciertos procesos patológicos y bajo condiciones ambientales como la contaminación.

Reacciones redox

- Reacciones de tipo químico que lleva a la transferencia de e entre reactivos, alterando el estado de oxidación.

- Un oxidante pierde electrones y los dona a un aceptor que los acepta.

- Se realiza en:

• Glucólisis (reacción 6 y 11)
• Descarboxilación del Piruvato (reacción 5)
• Ciclo de Krebs (reacciones 3,4,5,6 y 8) 
• Cadena de transporte de electrones (complejo 1,2, coenzima Q, complejo 3, citocromo C y complejo 4)
• Gluconeogénesis (reacción 4)
• Vías de las pentosas fosfato (reacción 1 y 2)

- Reacciones de transferencia de 1 e que involucran la generación de especies reactivas de O2; son díficiles de encontrar. La reducción de 1 e de O2 y sus productos intermediarios llevan a la producción de ROS + peligrosos como O2, H2O2 y OH. Las reacciones de 1 e con otras moléculas llevan a la formación de ROS secundarios como radicales peroxilo, alcoxi y otros radicales órganicos (estos no son tan tóxicos y reactivos como los OH).

- La reacción de RL es catalizada por metales de transición, se da en 3 pasos: 

1. Iniciación: Hay substracción de 1 átomo de H (inducida por un metal de transcisión), de 1 grupo metilo de 1 ácido graso que contenga 2 o + enlaces dobles separados, originando 1 radical alquilo (L) con un rearreglo que da lugar a radicales peroxilo (LOO).
2. Propagación: Se toma 1 átomo de H de un ácido graso insaturado adyacente, resultando la formación de hidropéroxidos (COOH) y un nuevo radical que puede reaccionar con Fe produciendo 1 radical alcoxilo (LO).
3. Terminación: Se da entre 2 radicales para formar un no radical.

- El escape de e, que conduce a la formación de O2 y H2O2 ocurre en los complejos I,II y III de la cadena respiratoria por la auto-oxidación de algunos componentes. 

Homeostasis redox

- El aumento de RL, induce la expresión de genes cuyos productos tienen actividad antioxidante, como son las enzimas antioxidantes o moléculas que aumentan el transporte de cístina que aumenta en los niveles intracelulares de glutation.

- El éxito en la regulación redox depende de grandes cantidades de especies reactivas, pueden producir a cambios persistentes en la transducción de señales y expresión genética dando lugar a condiciones patológicas. 

Señalización redox

Describe a las funciones reguladas por señales oxidativas que inducen respuestas protectoras contra el daño oxidativo. 

- Respuestas mediadas por las ROS protegen a las células contra el estrés oxidativo y restablecen la homeostasis redox.

- La utilización de ROS y RNS como moléculas de señalización dentro de los procesos fisiológicos incluyen: regulación de tono vascular, monitoreo de la tensión de oxígeno en el control de la ventilación y producción eritropoyetica, transducción de señales de receptores membranales. 

- Niveles bajos de ROS estimulan la proliferación celular, niveles altos la inhiben.

Daño oxidativo

- Un estado de estrés oxidativo, induce en la célula efectos tóxicos por oxidación de lípidos, proteínas, carbohidratos y nucleótidos, lo cual produce acumulación de agregados intracelulares, disfunción mitocondrial, excitotoxicidad y apoptosis; común en las enfermedades neurodegenerativas. Envejecimiento y muerte celular temprana. 

- La oxidación causa alteraciones en la estructura de algunas proteínas y la formación de agregados proteínicos; inducen daño oxidativo y están presentes en enfermedades neurodegenerativas. 

- Ejemplo = Alzheimer.

Aumento en los niveles de calcio intracelular

- Un aumento en la concentración de Ca intracelular activa la liberación de neurotransmisores cuando este aumento se mantiene por más tiempo también se activan proteasas, lipasas y endonucleasas. La activación de proteasas dependientes de Ca puede dañar el citoesqueleto y las proteínas de membrana. 

- La entrada masiva de Ca a la mitocondria hace que se forme el poro de transición en la membrana mitocondrial interna (MTP), llevando a un colapso en el potencial electroquímico de protones, lo que provoca una disminución en niveles de ATP y un aumento en las especies de O parcialmente reducidas. 

Apoptosis y necrosis

- La apoptosis es un proceso activo que involucra muerte celular en la cual no se desarrolla inflamación y se caracteriza por cambios morfológicos que inicialmente se manifiestan en el núcleo, como condensación de la cromatina en la periferia por fuera de la membrana nuclear. Las ROS pueden inducir apoptosis mediante la activación de caspasas, genes apoptóticos, enzimas liticas, etc. 

- La necrosis es un fénomeno pasivo que se presenta como consecuencia de alguna agresión y que lleva a un exceso de flujo de calcio. Va acompañada de una respuesta inflamatoria aguda, involucra cambios metábolicos progresivos, con una importante reducción de ATP, edema celular, ruptura de membranas, edema mitocondrial, dilatación de las cisternas en retículo endoplasmico, ruptura lisosomal, DNA fragmentado. 

Excitotoxicidad

- Activación excesiva de los receptores glutamatérgicos y causa muerte neuronal. Importante en la degeneración neuronal resultado de hipoxia, isquemia y trauma.

Procesos inflamatorios

- Las células de la microglía son células inmunoefectoras que se activan por daño.

- La microglía activada libera una serie de productos citotóxicos que provocan daño y muerte neuronal; ROS como H2O2, NO (mediador en la neurodegeneración y activa procesos inflamatorios). 

Patologías relacionadas

1. Parkinson: Temblor de reposo, bradiquinesia (lentitud en los movimientos voluntarios), rigidez e inestabilidad en el equilibrio. Se debe a la destrucción de neuronas que contienen neuromelanina en la substantia nigra, el locus coeruleus y el grupo medular C1 y C3. 
2. Alzheimer: Se caracteriza por una disminución progresiva de la función cognitiva y asociada con una pérdida neuronal masiva. Enzima B-amilasa que conlleva la pérdida de Acetil-Colina. 
3. Esclerosis lateral amiotrófica: Enfermedad neurodegenerativa que comienza afectando neuronas motoras superiores e inferiores que se manifiesta como una debilidad progresiva en miembros y cara, atrofia, espasticidad, reflejos hiperactivos y finalmente compromiso respiratorio y muerte. Muerte de neuronas motoras por apoptosis a través de la activación de caspasa 1 y caspasa 3.
4. Corea de Huntington: Enfermedad relacionada con la edad que se caracteriza por movimientos involuntarios y demencia progresiva, enfermedad hereditaria debida a una expansión del trinucleótido CAG en el cromosoma.4 Esta mutación resulta en la degeneración de un grupo de neuronas GABAérgicas en los ganglios basales por defectos metabólicos preexistentes que causan un metabolismo energético deficiente en la mitocondria. La disminución en ATP, y el aumento en los niveles de ROS y RNS, hace que aumenten los niveles de glutamato en este grupo de neuronas que es muy sensible al efecto neurotóxico de este neurotransmisor excitatorio.