Radicales libres y antioxidantes

No, cuando hablamos de radicales libres, no nos referimos a ninguna organización de jóvenes agitadores en favor de la libertad, sino a moléculas muy reactivas que están implicadas en las principales enfermedades y en el envejecimiento. Los antioxidantes representan el otro frente que contrarresta y nos ayuda a mantener nuestras células funcionales, aunque es cierto que tampoco los antioxidantes son moléculas modélicas en todas las circunstancias, como veremos a continuación.

Los radicales libres se definen como las moléculas que tienen uno o más electrones desapareados en su capa electrónica más externa; una definición química dentro de las que se encuentran, en general, moléculas muy reactivas y con tiempos de vida media muy cortos, precisamente, debido a esta alta reactividad. Por ello, resulta muy difícil detectarlos “in vivo” en los organismos biológicos y, por ello, se tardó muchos años (oficialmente, hasta 1969) desde que se sospechó su función “in vivo”, hasta que se les pudo empezar a atribuir la importancia que tienen hoy en día en el inicio y desarrollo de las principales enfermedades, en la defensa frente a patógenos e, incluso, en el proceso de envejecimiento a nivel celular y a nivel de organismo completo. Estamos hablando de moléculas como el radical hidroxilo, radical superóxido, el oxígeno singlete, o el óxido nítrico y otras, con unos tiempos de vida media extremadamente cortos (ver la figura 1 sobre la estructura electrónica de algunos radicales libres). Por todo ello, fueron necesarios varios decenios antes de que su producción y presencia en los organismos biológicos pudiera ser demostrada con rotundidad (Halliwell y Gutteridge, 2015).

La historia de los radicales libres en biología. Esta comienza en el siglo pasado, cuando empezaron a conocerse los efectos deletéreos o destructores que tenía la radiactividad sobre los organismos vivos, incluyendo, la inducción de mutagénesis y cáncer en los investigadores que utilizaban la radiactividad más frecuentemente. Por ejemplo, Pierre y Marie Curie sufrieron cáncer y otras importantes enfermedades asociadas a las radiofrecuencias ionizantes. Ahora conocemos que la radiación nuclear induce la lisis del agua y la producción de radicales libres como el radical superóxido y el radical hidroxilo. Posteriormente, se conocieron los problemas asociados con trabajar con aire enriquecido en oxígeno, a concentraciones superiores a la habitual, que es un 21% de oxígeno en la atmósfera. Ahora sabemos que aumentar la concentración de oxígeno induce una mayor producción de radicales libres, que se generan a partir del oxígeno presente dentro y fuera de las células.

A mediados del siglo XX, ya existían diversas líneas que evidenciaban la problemática. Fue Denham Harman quien, en 1956, propuso la teoría de que el envejecimiento es producido por radicales libres originados durante el metabolismo normal de la mitocondria, teoría que, más tarde, redefiniría el propio Harman como teoría del reloj biológico (1972). En los años 50, ya se conocían un enzima esencial para la vida en presencia de oxígeno como era la catalasa, que se encarga de eliminar el peróxido de oxígeno (molécula mas conocida popularmente como agua oxígenada). Aunque el peróxido de oxígeno, que es una molécula bastante reactiva, no es un radical libre, es potencialmente muy peligrosa, pues su lisis catalizada por metales de transición como el Fe2+ o Cu+ producía el altamente energético y muy deletéreo radical hidroxilo (ΔΕ’o=2,4 V/mol). Pese a que estos contienen H2O2 y también Fe2+ o Cu+, en esos momentos se dudaba de que este proceso tuviese importancia en los seres vivos, ya que el radical hidroxilo tenía un tiempo de vida demasiado corto (10-9s) en sistemas biológicos, y no podía ser detectado.

Así las cosas, fueron el Dr. Irwin Fridovich y su estudiante de doctorado Joe McCord (ver figura 2) quienes en 1969 consiguieron atribuir una función anti-radicales libres a una proteína ya conocida como era la eritrocupreína, pero de la que no se tenía ni idea para que servía. Estos investigadores consiguieron demostrar que esta proteína eliminaba el radical superóxido: el primer radical producto de la reducción univalente del oxígeno molecular (Fridovich y McCord, 1969).

Al asociar una actividad antioxidante y anti-radicales libres a una proteína de los seres vivos, se estaba demostrando implícitamente que los radicales libres eran importantes en las células y que la célula necesitaba ejercer un control sobre ellos. La superóxido dismutasa fue, por tanto, la primera enzima antioxidante conocida (Figura 3.).

Esta enzima muestra la mayor relación kcat/KM (lo cual representa una buena aproximación de la eficiencia catalítica), y la reacción se considera limitada sólo por la propia velocidad de difusión del superóxido y la enzima dentro del solvente en el que se encuentran (Halliwell y Gutteridge, 2015). La importancia del enzima superóxido dismutasa es clave para la vida en presencia de oxígeno, y está presente en todos los organismos aerobios, sean eucariotas o procariotas (salvo contadas excepciones que confirman la regla). Además, dentro de las células las superóxido dismutasas, pueden estar presente dentro de diferentes localizaciones subcelulares dependiendo del tipo de enzima y del orgánulo, lo cual proporciona flexibilidad y plasticidad a las defensas antioxidantes (Figura 4).

El sentido biológico de los radicales libres. Después de 3.500 millones de años desde que se estima pudo aparecer la vida en la Tierra, ¿por qué la evolución no ha conseguido evitarlos totalmente? En la actualidad, la visión que tenemos de los radicales libres y otras moléculas relacionadas y altamente reactivas (ROS, de las siglas en inglés, “Reactive Oxygen Species”) es que son moléculas esenciales que nuestras células utilizan como señales. Cuando aumentan, señalizan que “hay problemas” y que se deben activar diferentes tipos de respuestas, incluyendo las antioxidantes que desactivarían la señal. Junto con la respuesta, va también sintetizado el antioxidante que elimina la señal, puesto que tan importante como dar la alarma es desactivarla cuando esta ya no es necesaria. Eso sí, una producción incontrolada de ROS inducirá procesos deletéreos que conducirán a estrés, enfermedades, y envejecimiento.

Los antioxidantes. Representan el contrapunto, eliminando los ROS y contribuyendo a restaurar las condiciones adecuadas en la célula y desactivando la señal. Estos son esenciales, tanto los que producimos de manera endógena en las células, como los que adquirimos como parte de la dieta. Los antioxidantes pueden reaccionar directamente con los ROS como hacen los antioxidantes esenciales en nuestras células, por ejemplo, el ácido ascórbico o vitamina C y la vitamina E; o pueden tener un mecanismo de acción más indirecto mediante la activación de cascadas celulares que señalizan la inducción de la síntesis de antioxidantes celulares. Así es como actúa, por ejemplo, el sulforrafano, el potente antioxidante de las crucíferas como el brócoli (Yang et al., 2016).

Los antioxidantes pueden tener una doble cara, y así algunos potentes antioxidantes pueden tener efectos pro-oxidantes en determinadas circunstancias. Por ejemplo, la vitamina C puede ser pro-oxidante y, en presencia de Fe (hierro) libre o conjugado a pequeñas molécula, estimula la reacción de Fenton de producción de radical hidroxilo. Así se ha demostrado “in vitro”, que, a elevadísimas concentraciones, elimina las células cancerígenas en mayor medida debido a este efecto (Yu et al., 2015). De hecho, la evolución de los grandes primates ha suprimido uno de los genes esenciales para la síntesis de vitamina C en nuestras células y, por ello, debemos adquirir esta vitamina con la dieta. Y sí, el contenido en vitamina C de nuestra sangre se asocia con mayor salud (siempre que se tome la vitamina C de plantas, y no de suplementos), lo cual puede indicar la importancia de los contenidos de este antioxidante en sangre o, más probablemente, está relacionado con la ingesta de alimentos vegetales en nuestra dieta, lo cual también se correlaciona con mejor salud y más longevidad.

Por todo ello, los antioxidantes de las plantas, se consideran ya como una parte obligatoria a adquirir en nuestra dieta, sin los que nuestra salud se verá gravemente comprometida, no sólo con una esperanza de vida menor, sino, sobre todo, con un aumento importante de enfermedades de todo tipo.

Referencias:

•Halliwell y Gutteridge (2015). “Free Radicals in Biology and Medicine. 5ª edition”. Oxford University Press. Oxford, Reino Unido

•McCord y Fridovich (1969). “An enzymic function for eritrocuprein”. Journal of Biological Chemistry 244: 0044-0055

•Moran JF, James EK, Rubio MC, Sarath G, Klucas RV, Becana M (2003). Functional Characterization and Expression of a Cytosolic Iron-Superoxide Dismutase from Cowpea (Vigna unguiculata) Root Nodules. Plant Physiol 133:773-82.

•Muñoz I, Moran JF, Becana M, Montoya G (2005). The Crystal Structure of the Eukaryotic Iron Superoxide Dismutase Suggests Intersubunit Cooperation During Catalysis. Protein Science 14: 387-394.

•Yang et al (2016). Frugal chemoprevention: targeting Nrf2 with foods rich in sulforaphane. Seminars in Oncology 43(1): 146-153. doi: 10.1053/j.seminoncol.2015.09.013

•Yu et al. (2015). Vitamin C selectively kills KRAS and BRAF mutant colorectal cancer cells by targeting GAPDH. Science 350 (6266):1391-6. doi: 10.1126/science.aaa5004.

Esta entrada ha sido elaborada por José Fernando Morán Juez, profesor en el Departamento de Ciencias e investigador en el Instituto IMAB (Institute for Multidisciplinary Applied Biology-Instituto de Biología Multidisciplinar Aplicada) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA).