ANTIOXIDANTES: DEFINICIÓN, CLASIFICACIÓN Y CONCEPTOS GENERALES

La evidencia científica acumulada durante las últimas tres décadas indica que, más allá de las promesas iniciales de retardar el envejecimiento, los antioxidantes al ser consumidos bajo la forma de alimentos tienen un importante potencial para reducir el riesgo de desarrollar aquellas enfermedades que actualmente más afectan a la población mundial (enfermedades cardiovasculares, tumorales, diabetes tipo II, obesidad y neuro-degenerativas). Como resultado de tal reconocimiento, una serie de compuestos con propiedades antioxidantes (por ejemplo, los polifenoles) han pasado a ser crecientemente considerados por la población como “Moléculas cuyo consumo es sinónimo de salud”.

En la presente sección se abordan aspectos fundamentales relacionados con la definición, clasificación, mecanismos de acción y principales acciones biológicas promovidas por los antioxidantes. Se revisan además conceptos relacionados con el rol que cumplen los radicales libres y el estrés oxidativo en salud y patología humana. Estos últimos aspectos son tratados adicionalmente, in extenso, en la sección “Antioxidantes y salud: evidencias científicas”.

¿Qué es un antioxidante? Un antioxidante puede ser definido, en el sentido más amplio de la palabra, como cualquier molécula capaz de prevenir o retardar la oxidación (pérdida de uno o más electrones) de otras moléculas, generalmente sustratos biológicos como lípidos, proteínas o ácidos nucléicos. La oxidación de tales sustratos suele ser iniciada por dos tipos de especies reactivas: 1) los radicales libres (vide infra), y 2) aquellas especies que sin ser radicales libres, llamadas pro-oxidantes, son suficientemente reactivas para inducir la oxidación de sustratos como los antes mencionados. En su conjunto, los radicales libres y los pro-oxidantes constituyen lo que generalmente llamamos ROS (v.i.). En un escenario biológico, la definición de antioxidante se refiere a una molécula capaz de inhibir la formación (o producción) de y/o de favorecer la remoción (o eliminación) de ROS. 

Pero ¿que es un radical libre? Desde un punto de vista químico, un radical libre es cualquier especie (átomo, molécula o ión) que contenga a lo menos un electrón desapareado en su orbital más externo, y que sea a su vez capaz de existir en forma independiente (de ahí el término libre).

Los átomos ordenan sus electrones (ê) en regiones denominadas “orbitales atómicos”, bajo la forma de pares de electrones. Esto último confiere al átomo estabilidad, o baja reactividad química hacia su entorno.

Sin embargo, bajo ciertas circunstancias, dicho orbital puede perder su paridad, ya sea, cediendo o captando un electrón (ê). Cuando ello ocurre, el orbital resultante exhibe un ê desapareado, convirtiendo al átomo en un radical libre. La presencia de un electrón “desapareado” en el orbital más externo de un átomo confiere a este último una aumentada habilidad para reaccionar con otros átomos y/o moléculas como son los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. La interacción entre radicales libres y dichos sustratos biológicos da lugar a alteraciones en las propiedades estructurales, y eventualmente funcionales, de estos últimos.

ROS, especies reactivas derivadas del oxígeno (del inglés Reactive Oxygen Species), es un término colectivo, ampliamente empleado, que comprende todas aquellas especies reactivas que, siendo o no radicales libres, centran su reactividad en un átomo de oxígeno. No obstante, a menudo, bajo la denominación ROS se incluyen otras especies químicas cuya reactividad se centra o deriva en átomos distintos al de oxígeno, como nitrógeno (RNS; Reactive Nitrogen Species) o cloro  (RCS; Reactive Chlorine species).

En la tabla siguiente se muestran los principales radicales libres y especies reactivas (no radicales) derivadas del oxígeno y del nitrógeno normalmente generadas en nuestro organismo.

¿Es la generación de ROS en el organismo un proceso normal ? La generación endógena de ROS (radicales libres y otras especies reactivas pro-oxidantes) es parte normal del metabolismo de todo ser vivo aerobio. En efecto, bajo condiciones fisiológicas, la mayor parte de los tejidos del organismo humano generan cantidades significativas de ROS. Entre los ROS más generados, destaca el radical libre anión superóxido (O₂•^–). La generación de dicho radical tiene lugar, a nivel celular, principalmente a través de la cadena de transporte de electrones (CTE) en la mitocondria (específicamente, durante la interacción entre moléculas de oxígeno y los complejos I y III).

Si bien la CTE constituye una serie de reacciones bioquímicas destinadas a generar, entre la matriz y en el espacio inter-membrana de la mitocondria, un gradiente (de protones) necesario para la resíntesis de ATP a partir de ADP, durante el curso de su funcionamiento, entre el 1% y hasta el 3% del oxígeno que regularmente ingresa a las mitocondrias es convertido en radicales superóxido (es decir, el oxígeno se reduce o gana un electrón). Afortunadamente, la alta presencia de la enzima superóxido dismutasa (SOD) en la mitocondria permite la dismutación, reducción y oxidación, de los radicales superóxido, a peróxido de hidrógeno y oxígeno, respectivamente. Dado que la acumulación de peróxido de hidrógeno, ya sea en la mitocondria o fuera de esta, es tóxica para cualquier célula, una parte mayor del peróxido formado es rápidamente reducido a agua al interior de la mitocondria, por la acción de la enzima glutatión peroxidasa. El peróxido de hidrógeno que no alcanza a ser reducido, sale de la mitocondria para ser subsecuentemente reducido por otras peroxidasas en el citoplasma, y al interior de los peroxisomas por la acción de la catalasa.

La formación fisiológica de O₂•^– no está limitada a su producción mitocondrial. En efecto, esta especie puede ser también generada en el cytosol de muchas células a través de la acción de enzimas como xantina oxidasa (XO), la glucosa oxidasa y diversas amino-oxidasas; a nivel de retículo endoplásmico los radicales O₂•^– son también generados a través de la acción de ciertos citocromos P-450, y a nivel de la membrana plasmática por la acción de las enzimas NADPH-oxidasas (NOX). Aunque estas últimas están presentes en abundancia en neutrófilos, tales células requieren ser activadas como condición para iniciar la masiva producción de O₂•^–.

¿Además de superóxido, qué otra especie reactiva es normalmente generada en el organismo?

Otro ROS normalmente generado por el organismo es el óxido nítrico (NO•). Este radical libre, que resulta de la acción de la enzima citosólica óxido nítrico sintasa (NOS), es generado en forma continua, aunque no exclusiva, por células vasculo-endoteliales (aquellas que “tapizan la parte interna de un vaso sanguíneo). Junto al O₂•^–, el NO• constituye un ejemplo de especies reactivas cuya generación y acción controlada es, no sólo fisiológica, sino absolutamente fundamental para el adecuado funcionamiento del organismo y conservación de la salud (discutido en sección “Antioxidantes y salud: evidencias científicas”).

¿Cómo se pueden clasificar los antioxidantes? La protección de los sustratos biológicos promovida por la mayor parte de los antioxidantes involucra su interacción directa con especies reactivas como las referidas en la tabla antes presentada. Sin embargo, es posible distinguir también otros mecanismos a través de los cuales los antioxidantes activamente contribuyen a prevenir o retardar la oxidación de un sustrato biológico. Con el fin de revisar dichos mecanismos, es preciso previamente realizar una clasificación de aquellos antioxidantes que normalmente están presentes en el organismo humano.

Si bien existen diversas formas para clasificar a los antioxidantes, desde una perspectiva de su origen y presencia en el organismo, es posible distinguir entre aquellos que son normalmente bio-sintetizados por el organismo, y aquellos que ingresan a éste a través de la dieta. Entre los primeros se encuentran:

i) los antioxidantes enzimáticos, como: superóxido dismutasa, catalasa, glutatión peroxidasa, glutatión S-transferasas, Hemo-oxigenasa I, NAD(P)H-Quinona oxido-reductasa I, tioredoxina-reductasas, sulfóxido-metionina-reductasas, y

ii) los antioxidantes no-enzimáticos, como glutatión, ácido úrico, ácido dihidrolipoico reducido, metalotioneína, ubiquinol (o Co-enzima Q reducida) y melatonina. 

Si bien i) y ii) son primariamente bio-sintetizados por el organismo humano, la dieta puede también contener algunos de dichos antioxidantes. Debe aclararse, sin embargo, que el aporte que podría suponer para el organismo la ingesta de (alimentos con) dichos antioxidantes no es muy significativa pues estos experimentan una degradación/biotransformación significativa a lo largo del tracto gastrointestinal, de modo que una parte ínfima de lo ingerido alcanza la circulación sanguínea.

Respecto a los antioxidantes que ingresan al organismo sólo a través de la dieta, estos se clasifican, esencialmente, en:

i) vitaminas-antioxidantes, como el ácido ascórbico (o vitamina C), alfa-tocoferol (o vitamina E) y beta-caroteno (o pro-vitamina A),

ii) carotenoides (como luteína, zeaxantina y licopeno),

iii) polifenoles, clasificados como flavonoides y no-flavonoides, y

iv) compuestos que no caen en ninguna de las tres categorías anteriores, como son algunos glucosinolatos (ej. isotiocianatos) y ciertos compuestos organoazufrados (ej. dialil-disúlfido).

¿Cuáles son los principales mecanismos de acción de los antioxidantes?

Como lo grafica la figura (v.i.), los antioxidantes pueden prevenir o retardar la oxidación de un sustrato biológico, aumentando la remoción de ROS, inhibiendo la formación de dichas especies, y/o revirtiendo un daño oxidativo ya generado.

Entre los mecanismos de Remoción de ROS, destacan: 

Atrapamiento directo de ROS: El mecanismo más conocido, aunque no necesariamente el más relevante a la acción, se refiere a la capacidad que tienen muchos antioxidantes para actuar como “estabilizadores o apagadores de diversas especies reactivas” (“free radical scavengers”). En el caso de los radicales libres, tal acción implica su estabilización a través de la cesión de un electrón a dichas especies reactivas. Tal mecanismo, definido como “SET” (single electron transfer), permite que el radical libre pierda su condición por “pareamiento” de su electrón desapareado. Una consecuencia para el antioxidante es que, como resultado de ceder un electrón, éste se convierte en un radical libre y termina oxidándose bajo una forma que es de baja o nula reactividad hacia su entorno (ver Figura). Junto al mecanismo SET, muchos antioxidantes pueden estabilizar radicales libres a través de un mecanismo que implica la transferencia directa de un átomo de hidrógeno (esto es un electrón con su protón). Tal mecanismo es definido como “HAT” (hydrogen atom transfer). En este último caso, el radical libre también queda estabilizado electrónicamente.

Los antioxidantes cuya acción es promovida a través de mecanismos SET y/o HAT son mayoritariamente los antioxidantes no-enzimáticos, sean estos normalmente bio-sintetizados por el organismo humano, o bien que ingresen al organismo a través de la dieta. La mayor parte de los antioxidantes que actúan a través de estos mecanismos presentan en su estructura química, como grupos funcionales, hidroxilo fenólicos (ejemplo, todos los polifenoles y los tocoferoles). No obstante, otros antioxidantes, no fenólicos, como el glutatión, la melatonina, y los ácidos ascórbico, dihidrolipoico y úrico, son también ejemplos de moléculas cuya acción es promovida por mecanismos SET y/o HAT.

Junto a los mecanismos SET y HAT, ciertos antioxidantes pueden actuar también estabilizando especies reactivas a través de un mecanismo que implica “la adición directa del radical a su estructura”. Ejemplo de este tipo de acción antioxidante es la promovida por carotenos como beta-caroteno. Como resultado de tal reacción, el radical libre (ej. peroxilo) pierde su condición, y el caroteno es modificado covalentemente, convirtiéndose en un radical libre que a través de reacciones sucesivas es oxidado y convertido en derivados epóxido y carbonilos de notablemente menor reactividad.

Como es de esperar, la interacción directa entre un antioxidante y una especie reactiva prevendrá ya sea el inicio y/o la propagación de procesos oxidativos que afectan a los sustratos biológicos.

Inducción de enzimas que remueven ROS: Este mecanismo es actualmente considerado como el más eficiente para controlar la remoción de ROS. Se basa en la capacidad que tienen ciertos compuestos (en efecto no todos los antioxidantes) para inducir la síntesis de enzimas antioxidantes. Entre estas destacan las siguientes: superóxido dismutasa (SOD, en sus isoformas Cu/Zn y Mn-dependientes) que reduce radicales superóxido a peróxido de hidrógeno, catalasa (CAT, hierro-dependiente) que reduce peróxido de hidrógeno a agua, glutatión peroxidasa (GSpx; Se-dependiente) que reduce lipo-hidroperóxidos a sus alcoholes correspondientes , glutatión-S-transferasa (GST) en su tipo peroxidasa que actúa reduciendo peróxidos orgánicos, glutatión reductasa que reduce glutatión oxidado (GSSG) a reducido (GSH), y sulfoxi-metionina-reductasa que regenera metionina a partir de su metabolito sulfoxi-oxidado (ver tabla). La acción antioxidante de dichas enzimas se traduce en una disminución del estado redox celular. Entre las enzimas mencionadas, dos casos ameritan un comentario adicional. El primero, la SOD se distingue pues si bien su acción remueve un radical libre (superóxido), como producto de su acción se forma una especie que también es reactiva, peróxido de hidrógeno. Esto último pone de manifiesto la importancia que tienen otras enzimas capaces de remover peróxido de hidrógeno, como son la CAT y la GSpx. La segunda enzima que amerita comentario es la glutatión reductasa pues su acción antioxidante es doble ya que esta enzima cataliza no sólo la remoción de un ROS, como es el glutatión oxidado (GSSG), sino que además, como resultado de ello, da simultáneamente lugar a la formación de un importante antioxidante celular, el glutatión reducido (GSH). 

Por tanto, el mecanismo descrito solo aplica a células o tejidos expuestos a ROS. La lista de compuestos capaces de inducir la síntesis de tales enzimas incluye a muchos polifenoles presentes en frutas y hortalizas, a diversos isotiocianatos (como sulforafano) presentes en crucíferas (brócoli, coliflor) y a algunos curcuminoides (como curcumina) de la cúrcuma. Estos compuestos son también conocidos como inductores de enzimas bio-transformantes del tipo fase II, es decir aquellas que conjugan xenobióticos electrófilos. Su acción antioxidante es ejercida a través de un mecanismo que requeriría de concentraciones significativamente menores a aquellas implicadas en el atrapamiento directo de ROS. El mecanismo involucrado, definido como indirecto, comprende específicamente una acción del compuesto antioxidante sobre la vía del “Factor de Transcripción Nuclear Eritroide-2” (Nrf2), cuya activación citosólica conduce a su translocación al núcleo, permitiendo la regulación positiva (“upregulation”) de la expresión de genes que codifican para la síntesis de enzimas involucradas en la eliminación de ROS y/o en la síntesis de antioxidantes endógenos (como glutatión). La mayor eficiencia de este mecanismo reside en que la acción antioxidante no esta limitada por el consumo estequiométrico que deviene del atrapamiento directo de ROS, sino que se extiende a la amplificación de la acción antioxidante dada por la acciòn catalítica de las enzimas inducidas. A su vez, en función de la vida media de tales enzimas, su acción antioxidante se extiende comparativamente más que lo logrado por la estricta presencia y tiempo de consumo oxidativo de aquellas moléculas cuya acción es vía atrapamiento directo.   

Entre los mecanismos de inhibición de la formación de ROS, destacan:

Inhibición o represión de enzimas formadoras de ROS: Algunos antioxidantes pueden actuar previniendo la formación de ROS. Lo pueden hacer inhibiendo ya sea la actividad catalítica de enzimas pro-oxidantes involucradas en la generación de especies reactivas, como son la NADPH-oxidasa (NOX), la xantina-oxidasa (XO), la mieloperoxidasa (MPO) y la óxido nítrico sintasa (NOS), o la síntesis de algunas de estas enzimas (como NOX y NOS) a través de la vía Nrf2. En el primer caso, su  acción antioxidante no demanda que su molécula exhiba en su estructura características que típicamente se asocian a los mecanismos de acción SET o HAT. Se trata en cambio, de estructuras que pueden interactuar con los sitios reguladores y/o catalíticos de tales enzimas. Ejemplos de inhibidores de la actividad son  un gran número de polifenoles provenientes de la dieta. Además, se incluyen ciertos agentes farmacológicos, como es el caso de alopurinol, que empleado en la terapia de la gota, capaz de inhibir la xantina oxidasa. En forma adicional, ciertas moléculas pueden reprimir la síntesis endógena de enzimas formadoras de ROS. 

Inhibición de la formación de ROS dependiente de metales: Un segundo mecanismo que también implica la inhibición de la formación de especies reactivas se relaciona con contraponer la capacidad que tienen ciertos metales de transición, como hierro y cobre (ambos en su estado reducido), para catalizar (actividad redox) la formación de radicales superóxido a partir de oxígeno, y de radicales hidroxilo, a partir de peróxido de hidrógeno (esta última conocida como Reacción de Fenton). Aquellas moléculas que tienen la habilidad de unir tales metales, formando complejos o quelatos, logran inhibir la actividad redox de éstos, previniendo la formación de las especies reactivas anteriormente mencionadas. Se incluyen en este grupo de antioxidantes: i) ciertos péptidos y proteínas normalmente biosintetizadas por el organismo y cuya función fisiológica les implica transportar, almacenar y/o excretar hierro (como ferritina) o cobre (como metalotioneína y ceruloplasmina), ii) ciertos polifenoles que acceden al organismo a través de la dieta y cuya característica distintiva es presentar en su estructura flavonoídea un grupo catecol en el anillo B, y iii) algunos agentes que son empleados en la terapia de remoción de metales como desferroxamina que atrapa hierro, y penicilamina o tetratiomolibdato que atrapan cobre.

¿Pueden los alimentos ser una buena fuente de enzimas antioxidantes? Si bien los alimentos no constituyen un aporte efectivo de enzimas antioxidantes, ya que tras su ingesta tales se degradan durante el proceso de digestión, algunos si pueden contribuir a su funcionamiento óptimo aportando aquellos microminerales que son requeridos para la biosíntesis de tales enzimas. Es preciso aclarar, sin embargo, que un mayor aporte dietario de microminerales como Cu, Zn, Mn, Fe, o Se, sí podría suponer un incremento de la actividad de enzimas antioxidantes cuando el organismo exhibe un condición de déficit en tales microminerales. De no existir tal deficiencia o carencia, no es esperable que su mayor ingesta (o suplementación) se traduzca per se en un incremento de la actividad de éstas.

Estrés oxidativo: Bajo ciertas condiciones, la velocidad con que se generan especies reactivas (ROS) en el organismo supera la velocidad con que dichas especies son removidas por los mecanismos de defensa antioxidante (esto es, los que le son propios más aquellos que le son aportados por la dieta). Al desbalance o desequilibrio redox que tiene lugar le llamamos estrés oxidativo. Este último puede surgir como resultado de; i) una exacerbada producción de especies reactivas, aún en presencia de un equilibrado aporte dietario de antioxidantes, ii) una disminuida ingesta de alimentos ricos en antioxidantes, aún en ausencia de una aumentada producción de especies reactivas, iii) una reducida biosíntesis de alguno de los mecanismos antioxidantes endógenos (ya sean enzimáticos o no-enzimáticos), aún en presencia de un equilibrado aporte dietario de antioxidantes y en ausencia de una aumentada producción de especies reactivas.

¿Qué consecuencia supone para el organismo el estrés oxidativo?

Cuando el estrés oxidativo afecta a sustratos biológicos, el desequilibrio redox que caracteriza a dicho estrés se traduce en un daño oxidativo a diversas macromoléculas (como lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Cuando el daño oxidativo es intenso, sostenido en el tiempo, y no logra ser revertido o reparado por los mecanismos de acción antioxidante, éste será eventualmente conducente a la aparición de aquellas patologías que actualmente se asocian al estrés oxidativo. La figura muestra algunas de las principales patologías en las cuales el estrés oxidativo está involucrado, ya sea como factor determinante o como condición agravante del daño y de la pérdida de funciones que caracteriza a tales enfermedades.

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