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Rev Cubana Invest Biomed 1999;18(2):67-76
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Trabajos de Revisión
Instituto de Ciencias Básicas y Preclínicas "Victoria de
Girón"
Estrés oxidativo y envejecimiento
Dra. Karina Rodríguez Capote y Dra. Ela Céspedes Miranda
RESUMEN
Se ha reportado un incremento del estrés oxidativo durante el envejecimiento
y en las enfermedades asociadas a éste. Aunque no se conocen los
mecanismos moleculares que condicionan el fenómeno del envejecimiento,
se han formulado numerosas hipótesis al respecto. En el presente
artículo se abordan aspectos bioquímicos relacionados con
los radicales libres y el metabolismo oxidativo de las células como
causa posible de senectud.
Descriptores DeCS: ENVEJECIMIENTO/fisiología; RADICALES
LIBRES/ /química; ESTRES OXIDATIVO.
El aumento de la expectativa de vida ha originado un envejecimiento
de la población y por consiguiente un incremento relativo de las
enfermedades asociadas a éste. Aunque no se conocen los mecanismos
moleculares que condicionan el fenómeno del envejecimiento, son
numerosas las hipótesis formuladas al respecto.1,2 Éstas
proponen perturbaciones en órganos, sistemas o en procesos bioquímicos
vinculados con los radicales libres y el metabolismo oxidativo de las células,
como causa fundamental de la senectud.
La incuestionable ventaja evolutiva que supone desde el punto de vista
energético la utilización del oxígeno molecular como
último aceptor de electrones, haciendo posible la síntesis
de ATP, se contrapone a su alta potencialidad citotóxica, pues de
su reducción univalente se generan productos intermedios más
reactivos conocidos como especies reactivas del oxígeno (ERO). Frecuentemente
se ha empleado la expresión paradoja del oxígeno para
referirse a estas funciones opuestas del O2 en los organismos
aerobios.
El organismo desarrolla mecanismos de defensa para contrarrestar la
acción de las especies reactivas del oxígeno. Estos mecanismos
están constituidos por sistemas enzimáticos y sustancias
de bajo peso molecular como tocoferoles, ascorbato, carotenos, ácido
úrico y otros. En relación con la participación de
los radicales libres en el envejecimiento es necesario considerar 3 factores
fundamentales: la producción de oxidantes, el nivel de defensa
antioxidante y la extensión del daño por oxidantes.
Teoría de los radicales libres en el envejecimiento
La hipótesis original de los radicales libres en el envejecimiento
fue propuesta por Gerschman y Harman en los inicios de la
década del 50, en un momento en que se conocía relativamente
poco sobre los sitios celulares de generación de los radicales libres
y sus subsecuentes reacciones moleculares.3,4
El dogma central de esta teoría radica en que durante el metabolismo
aerobio se producen incidental e incontrolablemente especies radicálicas
derivadas del oxígeno que, una vez generadas, promueven reacciones
que dañan macromoléculas. Este daño irreversible se
acumula con el tiempo resultando en una pérdida gradual de la capacidad
funcional de la célula.1,2,4
Producción de oxidantes
Aunque son varias las fuentes generadoras de ERO (tabla), se considera
que la mitocondria es la más importante.5-8
Tabla. Producción endógena de ERO
| Enzima o sistema |
ERO
|
| CTE: Coenzima Q, cit b566 |
O-2
|
| NADH deshidrogenasa SOD |
H2O2
|
| Monoaminooxidasa |
H2O2
|
| NADPH oxidasa (neutrófilos) |
O-2
|
| Xantinooxidasa |
O-2
|
| Reacción de Fentón |
-OH
|
| Oxido nítrico sintetasa |
NO-
|
El primer producto de la reducción parcial del oxígeno
es el anión superóxido (O-2) que es
producido en condiciones fisiológicas en la cadena transportadora
de electrones (CTE) y es convertido en peróxido de hidrógeno
(H2O2) espontáneamente o por acción
de la enzima superóxido dismutasa (SOD). El radical hidroxilo (-OH),
altamente reactivo, puede ser producido por reducción directa del
H2O2 por el O-2, por
transferencia directa de un electrón del O-2
al H2O2 catalizada por metales (reacción de
Fenton) o por reacción directa de la ubisemiquinona reducida con
el H2O2.
La coenzima Q puede intervenir además en la formación
de radicales hidroxilo, al reaccionar con el H2O2
en ausencia de iones metálicos como catalizadores y no requiere
de protones que compensen la carga.6
El O-2 puede además reaccionar con el óxido
nítrico (NO-) y generar peroxinitrito (ONOO-).
El incremento en la formación de O-2 y
H2O2 se justifica con el hallazgo de que en el envejecimiento
se modifican las condiciones del flujo de electrones en la CTE y es más
fácil a los electrones escapar de la secuencia normal del flujo.6
En estudios realizados en el músculo esquelético humano se
vio un decrecimiento selectivo en los complejos I y IV durante el envejecimiento.9
Sohal reportó un incremento en la concentración de
coenzima Q, en relación con otros componentes de la CTE, en insectos
y en tejido murino de animales viejos.10,11
Villa y otros encontraron disminución en la síntesis
del citocromo aa3 y de NADH deshidrogenasa y aumento en la familia
de citocromo b, con la edad.12,13 Estos investigadores postulan
que las ERO generadas pueden infligir daño, tanto a la membrana
interna de la mitocondria como a los componentes de la CTE o al ADN mitocondrial,
lo cual incrementa aún más la producción de ERO y
consecuentemente más daño a la mitocondria e incremento del
estrés oxidativo por aumentar la producción de oxidantes.4,6,10,13-16
El envejecimiento de la mitocondria determinaría también
la duración de la vida.
Nivel de defensa antioxidante
Numerosos estudios se han realizado para determinar si las defensas antioxidantes
declinan con la edad. Estos estudios involucran mediciones de las enzimas
y compuestos con funciones antioxidantes: actividad o expresión
de SOD, catalasa (CAT), glutatión peroxidasa (GPx), glutatión
reductasa (GRd), concentración de glutatión reducido (GSH),
vitaminas, ácido úrico y otros.
Diferentes autores han demostrado que las concentraciones de GSH en
varios tejidos de origen murino disminuyen significativamente con la edad;6,11,17-21
similares resultados se han observado en insectos.11,22
Se ha encontrado una disminución en la actividad CAT en Drosophila
y mosca doméstica durante el envejecimiento.11,21,23
En cambio, en mamíferos, el comportamiento de esta enzima con la
edad es diferente según el tejido; disminuye en riñón
e hígado y tiende a aumentar en corazón y cerebro, donde
disminuye marcadamente en las últimas etapas de la vida.6,16,17,21,24-26
La actividad y expresión de GPx y glutatión-S-transferasa
(GST) declinan durante el envejecimiento en todos los tejidos estudiados6,16,21,24,25
a diferencia de la GRd, que en mamíferos aumenta en cerebro y corazón
pero disminuye en hígado y riñón6,17,27
y en insectos disminuye.11,21,23
Las marcadas diferencias entre los estudios referentes a la actividad
o expresión SOD impiden arribar a una conclusión definitiva.
Las referencias sobre el comportamiento de la actividad de esta enzima
durante el envejecimiento son contradictorias. En numerosos estudios realizados
no se encuentran cambios en la actividad o en la expresión con la
edad 28-30 mientras que otros autores refieren disminución31,32
o aumento.33-35
Estas divergencias en los resultados en la determinación de la
actividad SOD pueden ser causadas por diferencias entre especies, condiciones
del hábitat del animal y por procedimientos técnicos empleados.
Estudios en moscas Drosophila melanogaster que sobrexpresaban
SOD-Cu/Zn y CAT mostraron disminución del daño oxidativo
molecular relacionado con la edad, disminución de la susceptibilidad
al estrés oxidativo agudo y aumento en el tiempo de vida de las
moscas. El tiempo de vida de mutantes que no expresan actividad SOD-Cu/Zn
fue significativamente más corto que el de su grupo control.21,36
Estos estudios muestran que durante el envejecimiento hay un declinar
en las defensas antioxidantes de la célula.
El gen de la SOD-Cu/Zn se localiza en el cromosoma 21, por lo que varios
autores han sugerido que el envejecimiento precoz asociado al síndrome
de Down e incluso el retardo mental, pueda deberse a una sobrexpresión
de esta enzima sin el aumento compensatorio de la CAT y la GPx.33,37,38
Extensión del daño por oxidantes
Existen evidencias del acúmulo de daño oxidativo con la edad:
Daño al ADN
-
Se ha reportado incremento en la excreción urinaria de timidinglicol
con la edad en ratón, ratas, monos y humanos.5,39
-
Se ha observado un incremento de 8 hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG) tanto
en el ADN nuclear como el mitocondrial durante el envejecimiento.14,40
-
Incremento progresivo, relacionado con la edad en el número de enlaces
iónicos entre proteínas no histonas y grupos fosfatos del
ADN y aumento en la concentración de aductos desoxiguanosina-malondialdehídos
en el ADN con la edad.40
-
Aumento en la condensación de la cromatina con la edad.4
Daño a proteínas
-
Se ha correlacionado con la edad el aumento en el contenido de grupos carbonilos
por oxidación de proteínas.3,4,16,17
-
Aparición de enlaces cruzados entre proteínas.2,4
Daño a lípidos
-
Estudios de fluorescencia, dienos conjugados y malondialdehídos
han mostrado mayores niveles de peroxidación lipídica en
tejidos de animales viejos respecto a los jóvenes.3,5,11,17,23,33,36,41
-
Se han utilizado los niveles de exhalación de alcanos como indicador
de la peroxidación lipídica in vivo en mamíferos
e insectos (el n-pentano y el etano son productos del catabolismo de los
ácidos grasos polinsaturados w -3 y w
-6 respectivamente) y se ha observado que son mayores en animales envejecidos
respecto a los jóvenes.3,15,20,23
-
Con la edad aumentan las concentraciones de lipofucsina en la célula,
el componente mayoritario de este pigmento del envejecimiento, es
producto de la peroxidación lipídica.3,4,42
Crítica a la teoría de los radicales libres en el envejecimiento
El talón de Aquiles de esta teoría es que concibe al envejecimiento
como un fenómeno totalmente estocástico, pues postula que
los daños que lo condicionan ocurren al azar, cuando en realidad
durante el envejecimiento se produce una secuencia característica,
progresiva, irreversible e incluso predecible, de cambios en todos los
niveles de organización biológica que no pueden ser explicados
a través de mecanismos azarosos.
Otra objeción a esta hipótesis es que no explica por qué
los cambios son graduales e irreversibles. Si el envejecimiento se debiera
sólo al aumento de ERO y disminución relativa de antioxidantes
endógenos, entonces con la administración de antioxidantes
se podría enlentecer o acelerar el envejecimiento. Estudios experimentales
de restricción dietética y suplemento antioxidante en ratón,
rata e insectos no aumentaron el tiempo de vida máximo de estas
especies; sólo se logró que más individuos lo alcanzaran
y mejoró la calidad de la vida.3,43
La hipótesis del estrés oxidativo en el envejecimiento
reconcilia y conceptualiza la información existente sobre este tema
e intenta responder las interrogantes que se generan a partir de la
teoría de los radicales libres.
Hipótesis del estrés oxidativo en el envejecimiento
El estrés oxidativo (EOx) se define como el desequilibrio entre
las moléculas de alto potencial oxidante derivadas del oxígeno
(conocidas como especies reactivas del oxígeno) y los sistemas antioxidantes;
a favor de la generación de las ERO.
La teoría del estrés oxidativo es una de las hipótesis
que intenta explicar los cambios degenerativos y la pérdida neuronal
que ocurren durante la senescencia. Esta hipótesis considera que
el envejecimiento y el desarrollo no son fases distintas de la vida sino
más bien que el envejecimiento es la etapa final del desarrollo
y que aun cuando no es un fenómeno genéticamente programado
ocurre por la influencia del EOx en el programa genético.3,4,16
Los postulados de esta hipótesis son:4
-
El completamiento del programa genético que gobierna la secuencia
y duración de varias fases ontogenéticas está ligado
al gasto de una suma definida de energía.
-
El nivel de EOx depende de la velocidad de generación de oxidantes
y de los niveles de defensa antioxidante, los cuales están genéticamente
controlados; pero están influidos también por factores epigenéticos.
-
El EOx ejerce una influencia regulatoria en la expresión génica
y es diferente en los distintos estadios del desarrollo.
El reloj metabólico
El concepto de índice basal metabólico como una determinante
de la longevidad fue introducido por Rubner en 1908. Él encontró
que la cantidad de energía metabolizada por gramo de peso, desde
la madurez hasta la muerte, en 5 especies diferentes de mamíferos
era relativamente similar. A partir de este hallazgo postuló que
la materia viva gasta una cantidad definida de energía biológica
durante la vida y entonces la duración de ésta se determina
por el tiempo necesario para transformar dicha energía.21
Desde su formulación se han realizado numerosos experimentos
dirigidos a verificar esta hipótesis.
Es bien conocido que el tiempo de vida de los animales poiquilotérmicos
puede ser alterado variando la temperatura ambiental, lo que afecta su
índice metabólico. Estudios realizados por Sohal en
la chinche Oncopeltus fasciatus mostraron que la vida de estos insectos
fue cuatro veces mayor y con un consumo de oxígeno 4 veces menor
a 18 EC que a 30 EC. Similares resultados fueron reportados en Drosophila
melanogaster y mosca doméstica.21,23
La relación entre la temperatura, índice metabólico
y longevidad en los mamíferos es más compleja a causa de
que son homeotérmicos y a la necesidad fisiológica de actividad
física para prevenir la atrofia muscular; no obstante, se ha podido
demostrar que el índice de metabolismo basal en los mamíferos
se correlaciona inversamente con el tiempo de vida de la especie.3,20
Estos hallazgos demostraron que si bien el tiempo de vida máximo
podía ser alterado variando el índice metabólico,
el total de energía gastado durante la vida (potencial metabólico)
permanece constante y es característico de la especie. La existencia
de un potencial metabólico para un genotipo dado sostiene el concepto
de un reloj genéticamente controlado, el cual corre más en
relación con el gasto de energía que con el tiempo.4
El estrés oxidativo está bajo control genético
Un mecanismo mediante el cual el índice metabólico influye
en el desarrollo y el envejecimiento puede ser a través de modulaciones
en el nivel de EOx.
La célula tiende a generar oxidantes y antioxidantes en una forma
inter-dependiente. Mientras que los oxidantes estimulan la producción
endógena de antioxidantes;6,17-19,22 la administración
de antioxidantes suprime varios componentes de las defensas endógenas.3,14
Estos hallagos sugieren que el estado oxidativo de la célula es
mantenido por mecanismos de retroalimentación.
La administración de vitamina C (ácido ascórbico),
vitamina E (tocoferol) o b -carotenos deprime
las concentraciones de GSH y disminuye la actividad en moscas.44
La inactivación de CAT en ranas adultas indujo la síntesis
de GRd45 y aumentó en el 20 % la concentración
de GSH en el cerebro de las ratas.18,19
La transcripción de los genes de la SOD-Mn en E. coli
fue suprimida ante la administración de GSH,46 mientras
que al suministrarle diamida (agente oxidante de GSH) se vio inducción
de la expresión SOD, CAT y GRd.47
Sohal encontró que existe relación entre el potencial
de vida máximo y los niveles de defensa antioxidante en 6 especies
diferentes de mamíferos y en insectos.11,20,44
Los resultados de estos estudios indican que la generación de
oxidantes, niveles de defensa antioxidante e índice metabólico
son interactivos.
El envejecimiento está asociado con alteraciones en el nivel de
eox y cambios en la expresión génica
-
Cambios en el nivel de EOx y, por tanto, en el estado redox de la célula,
ejercen alteraciones en el balance iónico intracelular y en las
propiedades estéricas de la cromatina, por formación de puentes
disulfuro y enlaces iónicos entre las proteínas.21
-
La expresión génica está fuertemente relacionada con
el grado de condensación de la cromatina, por lo que se ha sugerido
que la influencia del EOx en la expresión de los genes durante el
desarrollo, se deba a los efectos que tiene en su configuración
espacial.3,4,21
-
El envejecimiento se caracteriza por alteraciones indicativas de un desgaste
gradual del genoma tales como: disminución del número de
receptores celulares, aparición de proteínas anormales, desrepresión
de oncogenes, disminución de la transcripción, traducción
y procesamiento del ARN. Este fenómeno fue descrito y denominado
por Cutler como disdiferenciación.48
El incremento del estrés oxidativo es un fenómeno epigenético
Aunque el nivel del estrés oxidativo está influido por mecanismos
genéticos, el incremento en la formulación de ERO es un fenómeno
epigenético.4
-
La mitocondria es el principal sitio productor de ERO y también
el primer blanco para el efecto deletéreo de estas moléculas,
por lo que se genera un ciclo vicioso: formación de ERO ®
daño mitocondrial (ADN, membrana, transportadores) ®alteraciones
en la cadena transportadora de electrones ®
más formación de ERO. Alteraciones en la mitocondria pueden
ser consecuencia y causa del incremento en la producción de ERO;
pero este fenómeno es enteramente epigenético.
-
Durante el desarrollo, cambios en el nivel de EOx, programados genéti-camente,
inducen la expresión de nuevas proteínas o la supresión
de determinados genes,48 por lo que es posible que en la fase
adulta de la vida, modificaciones en el EOx por factores epigenéticos
supriman también la expresión de determinados genes.4,21
-
A partir de estas observaciones Sohal y Allen postularon
que el envejecimiento no está gobernado por un programa genético
per se, pero que ocurre por la influencia del EOx en el programa
genético.3,4
Influencia del eox en la expresión génica
Existen evidencias que muestran que el EOx puede influir en la expresión
génica en distintos niveles: transcripción, modificaciones
postranscripcionales y traducción.
Se ha sugerido que el efecto del EOx en la expresión génica
sea a través de 2 mecanismos:
-
Por efecto directo sobre la producción y procesamiento del ARN.
-
Por cambios en la distribución iónica de la célula.
Efectos en el nivel del control transcripcional:
-
En E. coli, Salmonella y Typhimurium una proteína conocida
como Oxy R, cuando es oxidada por H2O2 actúa
como un activador transcripcional que induce la expresión de CAT,
SOD-Mn, GRd, alkilhidroperóxido reductasa, entre otras.49
-
En células eucariotas todavía no está claro cómo
se controla la expresión de los genes SOD, pero hay 2 mecanismos
propuestos:
-
A través del factor transcripcional AP-1, que en su componente c-fos
tiene un residuo de cisteína crítico muy sensible a la oxidación.33,49
-
A través de la oxidación de la subunidad inhibitoria del
NF-kB.49
-
La SOD-Mn es específicamente inducida por el factor de necrosis
tumoral (TNFa ). Existen evidencias de que este
factor es inducido por ERO, y éste a su vez activa al NF-kB por
lo que se sugiere que existe una relación entre la activación
oxidativa del NF-kB y la inducción de la SOD-Mn.33
Efectos en el nivel de las modificaciones postranscripcionales:
-
Recientemente se ha observado que el procesamiento del ARN es alterado
por la exposición de la célula a sistemas generadores de
radicales del oxígeno.4
-
Anticuerpos contra la enzima SOD incrementan la liberación de ARN
inmaduro del núcleo al citoplasma, efecto que puede ser suprimido
por la administración de SOD.
-
El hecho de que en organismos en desarrollo, en tejidos de individuos senescentes
y en tejidos bombardeados con O2 se haya encontrado ARN inmaduro
en el citoplasma sugiere que los cambios asociados al envejecimiento y
al desarrollo puedan ser mediados por la generación y eliminación
de ERO.4
En resumen la hipótesis del estrés oxidativo plantea
-
Los cambios en la expresión génica que gobiernan eventos
ontogenéticos se acompañan de cambios en el nivel de EOx
y viceversa.
-
El daño que se acumula durante el envejecimiento es más bien
un efecto secundario que una causa directa de la senescencia.
-
El EOx es uno de los factores que gobiernan los cambios en la expresión
génica durante la diferenciación y el envejecimiento.
Concluimos que el envejecimiento es un problema científico
que en las ciencias biomédicas contemporáneas se aborda con
un enfoque multidisciplinario. En estos momentos se plantea, a pesar de
las numerosas hipótesis que se han propuesto para tratar de explicar
este fenómeno, que existe un proceso único modificable por
factores genéticos y ambientales, responsable del envejecimiento,
que también es determinado por el envejecimiento de la mitocondria
y la producción de radicales libres como resultado del metabolismo
en este organelo.
SUMMARY
An increased oxidative stress has been reported during aging and the
diseases associated to it. Although the molecular mechanisms triggering
the phenomenon of aging are unknown, a number of hypotheses have been franed
on this subject. The present article deals with biochemical aspect of free
radicals and oxidate cell metabolism as a possible causes of senescence.
Subject headings: AGING/physiology; FREE RADICALS/chemistry.
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Recibido: 21 de mayo de 1999. Aprobado: 19 de julio de 1999.
Dra. Karina Rodríguez Capote. Instituto de Ciencias Básicas
y Preclínicas "Victoria de Girón". Calle 146 No. 3102. Playa,
Ciudad de La Habana, Cuba.