Antioxidantes: efectos biológicos y
sobre el envejecimiento
Prof. Alberto Boveri (1)
INTRODUCCIÓN
Un antioxidante es una sustancia que disminuye la generación de productos
oxidados en un sistema de reacciones de radicales libres. El concepto se originó en la
química orgánica, introducido por Moureau hace más de setenta años, para describir el
efecto de los polifenoles en la polimerización de la acroleína. Los polifenoles
antioxidantes fueron luego extensamente utilizados en la síntesis industrial de
polímeros por reacciones de radicales libres en cadena en los procesos de fabricación de
caucho sintético y otros polímeros similares. El concepto y el uso de los antioxidantes
pasó luego, en las décadas del 40 y del 50, a la química de los productos alimenticios
industrializados donde su uso constituye una práctica actual muy difundida.
En las últimas dos décadas la palabra antioxidante ha adquirido un nuevo significado, en
este caso biomédico, constituyéndose en la descripción de un tipo de medicamentos o de
nutriacéuticos, caracterizados por producir una disminución de la velocidad de las
reacciones de radicales libres en el organismo humano. El efecto biológico ocurre en los
organismos vivos en general, incluyendo animales, vegetales y bacterias, pero el uso
cotidiano y mediático se refiere a su uso por las personas. Se estima que unos 30
millones de personas en los Estados Unidos, un 10% de la población, y unas 350.000
personas en la Argentina, un 1 % de la población, toman suplementos alimentarios con
vitaminas antioxidantes. El uso de los antioxidantes ya se ha extendido a la cosmiatría,
a la cosmética y los champúes y detergentes.
LA PRODUCCIÓN FISIOLÓGICA DE RADICALES LIBRES
La suplementación de la dieta con antioxidantes tiene sólidas bases
científicas. El cuerpo humano funciona como una maquina química operando a temperatura y
presión constantes que utiliza la oxidación de los alimentos con el oxígeno del aire
para obtener la energía necesaria para su funcionamiento y movimiento. El oxígeno
respirado, tomado en los pulmones y transportado a los tejidos por la hemoglobina de los
eritrocitos, es utilizado en las mitocondrias intracelulares que acoplan la oxidación de
sustratos a la producción de ATP (la forma intracelular de la energía química). En las
mitocondrias, un 98% del oxígeno consumido es utilizado por la citocromo oxidasa, la
enzima terminal de la cadena respiratoria, para el funcionamiento de la cadena
respiratoria y la generación del potencial electroquímico de la membrana mitocondrial
que provee la fuerza directriz para la síntesis de ATP por la F1-ATP-asa mitocondrial, En
las mismas mitocondrias, el oxígeno participa de reacciones secundarías de
autooxidación de componentes de la cadena respiratoria mitocondrial. Así, la
autoxidación de la ubisemiquinona (UQH.) (reacción de Boveris-Cadenas) y la
auto-oxidación de la semiquinona de la flavoproteína de la NADH deshidrogenasa (FMNH.)
(reacción de Boveris-Turrens) dan cuenta del 2% restante del oxígeno consumido por estas
organelas subcelulares. La formación de la semiquinona, UQH o FMNH, por transferencia de
un electrón a una molécula orgánica bivalente, constituye la reacción de iniciación
en la que se forma el primer radical libre, como compuesto químico con un electrón no
apareado (Gráfico 1, reacción l). Estos radicales libres son intermediarios de la
actividad enzimática y ocurren en moléculas orgánicas unidas a proteínas (grupos
prostéticos), donde la proteína estabiliza al radical libre. Las reacciones de
autoxidación de estas semiquinonas generan el anión radical superóxido (O2-)
(reacción 2), la especie química resultante de la adición de un electrón a la
molécula de oxígeno y un radical libre por tener un electrón no aparcado en sus
orbitales externos. La formación de O2- constituye una reacción secundaria
(0.5% en términos de electrones) del proceso de la respiración mitocondrial.
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Si bien hay otras fuentes intracelulares
de O2- como la flavolproteína NADPH-citocroino P-450 del retículo
endoplásmico o la enzima xantino oxidasa del citosol, la producción mitocondrial de 02-
constituye la fuente fisiológica más importante de este radical. El 02- es
mantenido a muy bajas concentraciones intracelulares (alrededor de 10-10 M en las
mitocondrias y 10-11 M en el citosol) por la acción de las superóxido dismutasas (SOD;
la Mn-SOD en las mitocondrias y la Cu-Zn-SOD en el citosol) (reacción 3). El radical O2-;
reduce al Fe3+, libre en solución, complejado con aniones orgánicos o ligado a la
ferritina (reacción 4), y el Fe2+ formado produce la ruptura homolítica del
peróxido de hidrógeno (H2O2) generando radical hidróxilo (HO.)
(reacción 5).
El HO. es un radical extremadamente reactivo capaz de abstraer un átomo de hidrógeno de
los carbonos alílicos (=CH-) de una multitud de constituyentes celulares entre ellos los
ácidos grasos insaturados de las membranas celulares y las bases púricas y pirimídicas
de los ácidos nucleicos. Los compuestos resultantes de la abstracción de hidrógeno son
radicales libres alquilo (R.) (reacción 6). Los radicales libres de este tipo de las
bases de los ácidos nucleicos frecuentemente se dimerizan, como es el caso de los dimeros
de timina. Los radicales alquilo derivados de los ácidos grasos insaturados son aptos
para dar reacciones de adición con oxígeno molecular generando radicales peroxilo (ROO.)
(reacción 7) los que a su vez, a través de una nueva abstracción de hidrógeno a otro
carbono alílico de otro ácido graso insaturado, reacción favorecida por la estructura
en bicapa lipídica de las membranas biológicas, produce un hidroperóxilo (ROOH) y un
nuevo radical alquilo (R.) (reacción 8) lo que establece una reacción de radicales
libres en cadena. En consecuencia las reacciones 2, 6, 7 y 8 constituyen reacciones de
propagación clásicas, donde en una reacción elemental (una colisión molecular) hay
transferencia de resto molecular o adición de una molécula de oxigeno, con conservación
del electrón no apareado. Las reacciones 4 y 5 también pueden considerarse reacciones de
propagación, en las que se encuentra involucrado el hierro con sus cambios de carga
eléctrica y donde el Fe2+ actúa como un radical libre. La peroxidación
lipídica o lipoperoxidación es el proceso químico donde las reacciones 6, 7, 8 ocurren
sobre ácidos grasos insaturados. Los grupos-OOH de los hidroperóxidos (ROOH, localizados
en carbonos terciarios en medio de la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos
insaturados de las membranas biológicas llevan a una distorsión de su espacio
hidrofóbico y a una pérdida de su función biológica. La acumulación de grupos
hidroperóxido en carbonos alílicos lleva a su vez a la ruptura de la cadena carbonada y
a la formación de malonaldehido (COH-CH2-CHO) que es un indicador de la
ocurrencia de lipoperoxidación. Las reacciones 9 y 10 indican las reacciones de
terminación que pueden involucrar a radicales alquilo y peroxilo. Cabe señalar que a su
vez, la reacción 10 indica la formación de oxígeno singulete (1O2),
el estado electrónico excitado del oxígeno molecular, como producto secundario y
marcador del proceso de lipoperoxidación. El 1O2 es
quimioluminiscente (2 1O2=> 2 O2 + hv (634 y 711 nm))
y la emisión espontánea de luz roja de órganos de mamíferos in situ constituye una
evidencia de que la lipoperoxidación ocurre en forma significativa en condiciones
fisiológicas.
LOS ANTIOXIDANTES BIOLÓGICOS
Los sistemas biológicos cuentan con antioxidantes cuya acción es mantener las
concentraciones de los reactantes de las reacciones 4 a 8 en concentraciones bajas. Puede
considerarse que los distintos antioxidantes actúan de manera sinérgica y que
constituyen en conjunto un sistema antioxidante, Los antioxidantes suelen dividirse en
enzimáticos o constitutivos y en alimentarios o administrables (Gráfico 2).
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Los primeros son sintetizados en el mismo
organismo y están sujetos a regulación genética y metabólica mientras que el contenido
de los segundos depende de la ingesta. Las principales enzimas antioxidantes son el
superóxido dismutasa, ya mencionada (Gráfico 3, reacción 11), la catalasa (reacción
12) y la glutatión peroxidasa (GP) (reacción 13). La acción conjunta de estas enzimas
mantiene mínimas concentraciones de O2- y de H2O2 con el
fin de disminuir la velocidad de las reacciones 4 y 5 (reacción de Fenton/Haber-Weiss)
que generan el reactivo radical HO.. Este efecto complementario de la superóxido
dismutasa (SOD) y la catalasa es conocido como el "dogma de Fridovich" y su
importancia biológica es ilustrada por la clasificación de las bacterias de acuerdo a su
contenido de enzimas antioxidantes (las bacterias aeróbicas son SOD (+) y catalasa (+);
las microaerófilas, SOD (+) y catalasa (-); y las anaerobias, SOD (-). Otras enzimas han
sido consideradas también como antioxidantes en el sentido de que contribuyen a mantener
al mínimo el daño biológico producido por los radicales libres del oxígeno, entre
ellas las DT-diofrasa, que evita la reducción univalente de las quinonas, y una serie de
enzimas que reparan los daños oxidativos, como las enzimas de reparación de ácidos
nucleicos y las enzimas que separan los ácidos grasos y los amino ácidos hidroxilados o
modificados, como la fosfolipasa A, y las proteasas especializadas. Sin embargo, los
efectos biológicos más marcados como aumento en la sobrevida, o resistencia al estrés
oxidativo, han sido reconocidos en organismos (bacterias, moscas y ratones) manipulados
genéticamente para expresar una sobreactividad de lo superóxido dismutasa, la catalasa y
la glutatión peroxidasa. Se considera que la terapia genética destinada a sobreexpresar
las enzimas antioxidantes en humanos no se encontrará disponible hasta aproximadamente el
2010, por lo que por el momento el incremento en la capacidad reactiva del sistema
antioxidante se hará solamente por suplementación dietaria o intervención
farmacéutica. En cuanto a los antioxidantes orgánicos, no enzimáticos, estos
constituyen una muy larga lista de sustancia que son ingeridas en la dieta y que tienen
propiedades antioxidantes (Gráfico 2). Algunos de ellos habían sido reconocidos como
vitaminas, tales como la vitamina E y el ácido ascórbico (vitamina C), otros como
provitaminas, como el P-caroteno, y muchos de ellos como factores de crecimiento en
bacterias, como la ubiquinona y el ácido lipoico. Los tres antioxidantes clásicos son la
vitamina E, la vitamina C y el ß-caroteno.
Una nueva familia de antioxidantes alimentarios, la de los flavononoides, está en
consideración, de ellos mencionaremos como subgrupos químicos a las antocianinas, las
catequinas y las antocianinidinas. La ingesta diaria de flavonoides, que se encuentran en
todos los vegetales, es muy variable de acuerdo a los hábitos alimentarios y puede
estimarse en promedio en unos 300 mg/día. En la actualidad se están desarrollando
estudios químicos in vitro, experimentales en animales de laboratorio y epidemiológicos
en humanos para evaluar el efecto antioxidante y la acción biológica de los flavonoides.
Merecen destacarse los estudios sobre los flavonoides del té y del vino. Los extractos de
gingko (G. biloba), de semillas de uva y de agujas de pino marítimo se comercializan
actualmente en una serie de países. Los de gingko y semillas de uva están en el mercado
farmacéutico argentino.
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Se ha comenzado a diferenciar una clase de
antioxidantes orgánicos de síntesis, entre los cuales se encuentran el ácido lipoico,
la ubiquinona y la N-acetilcisteína. Estos antioxidantes son producidos en gran cantidad
por síntesis química para la industria farmacéutica y utilizados como antioxidantes por
prescripción médica para situaciones clínicas definidas.
LOS EFECTOS BIOQUÍMICOS DE LOS ANTIOXIDANTES ORGÁNICOS
El efecto de los antioxidantes orgánicos en las cadenas de reacciones de radicales libres
oxidativos es el de reaccionar con gran eficiencia con los radicales libres
convirtiéndose el antioxidante en un radical libre, tal como se ejemplifica en las
reacciones 14 y 15 del Gráfico 3 para un antioxidante indefinido (AH) y en las reacciones
16 y 17 para el caso de la vitamina E, en ambos casos reaccionando con los radicales R. y
ROO.. Los radicales libres de los antioxidantes son altamente estables por
deslocalización electrónica en la molécula y se dimerizan en una típica reacción de
terminación (reacción 18) o reaccionan con otro antioxidante, como es el caso de la
vitamina E con la vitamina C (reacción 16). La regeneración de la vitamina E a partir de
su radical libre por reacción con la vitamina C explica el efecto sinérgico de ambas
vitaminas como antioxidantes. El radical ascórbico (vit C.) es relativamente estable, se
encuentra en la sangre humana y se elimina en la orina.
El efecto biológico de los antioxidantes, al reaccionar o atrapar radicales del tipo R. y
ROO., es el de disminuir las concentraciones en estado estacionario de R. y ROO. en el
sistema y por consiguiente, retardar la velocidad de la cadena de reacciones de radicales
libres y la formación de productos. Los antioxidantes pueden ser ordenados de acuerdo a
su potencial redox y de esa forma resulta más clara su acción bioquímica, con
regeneración de la forma reducida de los radicales que tienen un menor potencial de
oxidación por los que tienen mayor potencial de oxidación. Uno de los efectos más
frecuentemente observado de la adición de antioxidantes a sistemas biológicos es la
reducción de los productos de la peroxidación lipídica, entre ellos el malonaldehido,
normalmente detectado como substancias reactivas al ácido tiobarbitúrico (TBARS). Esto
indica que una parte muy importante de las reacciones de radicales libres oxidativos que
ocurren normalmente en los seres vivos involucran a los ácidos grasos insaturados
constituyentes de las membranas biológicas a través del proceso de lipoperoxidación.
EL CONCEPTO DE ESTRÉS OXIDATIVO
En una etapa temprana del estudio de los efectos biológicos de los radicales libres
oxidativos se reconoció que tanto un aumento de los radicales libres como una
disminución de las defensas antioxidantes llevaban igualmente a daño celular.
Posteriormente se desarrolló el concepto de estrés oxidativo como el desbalance entre
radicales libres oxidantes y contenido de antioxidantes (Gráfico 4). Este concepto tuvo
éxito instantáneo ya que la idea de estrés había sido incorporado a la forma de pensar
a través de la fisiología y la sicología. Más recientemente, se ha refinado el
concepto de la de condición de estrés oxidativo como un aumento de las concentraciones
intracelulares de radicales libres oxidantes. En una serie de situaciones patológicas
como isquemia/reperfusión asociada a la revascularización coronaria (by pass), el
transplante de Órganos y el shock séptico se ha reconocido una situación de estrés
oxidativo en los pacientes.
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En números casos se ha comprobado una
acción protectora y beneficiosa de los antioxidantes clásicos (vitamina E, ácido
ascórbico y ß-caroteno) y de los de síntesis (ubiquinona, ácido lipoico y
N-acetileisteína). Asimismo, se ha observado que la administración prolongada de
vitamina E mejora el funcionamiento mitocondrial durante el proceso de envejecimiento y
prolonga la vida en ratas Y ratones.
LOS ANTIOXIDANTES Y LA ATENCIÓN FARMACÉUTICA
El concepto de atención farmacéutica (Pharmaceutical Care) apareció hace poco más de
veinte años como "la atención que un paciente necesita y recibe con garantías para
un uso racional de los medicamentos" y la idea fue evolucionando hacia la ahora
clásica definición de Hepler y Strand de 1990: "Atención farmacéutica es la
provisión responsable de terapia farmacológica con el fin de obtener resultados que
mejoren la calidad de vida del paciente". En esta última definición, la provisión
responsable incluye el consejo farmacéutico con el objetivo de mejorar la calidad de
vida. En el caso de los antioxidantes clásicos, todos ellos medicamentos de venta libre,
resulta natural suministrar información y consejo farmacéutico al paciente cuando este
último ha pedido o seleccionado un medicamento con uno o varios antioxidantes. Es
conveniente recordar el concepto de la Organización Mundial de la Salud y de la
Federación Internacional Farmacéutica: Medicamento = Forma Farmacéutica +
Consejo Farmacéutico. El uso de los antioxidantes no está dirigido al tratamiento
específico de enfermedades sino que tiene como objetivo mejorar el estado general y
aumentar la calidad de vida de los pacientes.
El consejo farmacéutico es necesario para proveer la información conveniente para una
medicación antioxidante responsable. Los medicamentos entendidos como poli-antioxidantes
contienen generalmente minerales y vitaminas. En el caso de los minerales, los más usados
son sales de CU2+, Zn2+ y Mn2+ y los compuestos de Se. La
racionalización de la inclusión de las sales mencionadas en las formulaciones
antioxidantes está dada por que los tres metales forman parte del centro activo de las
isoenzinas de la suporoxido dismutasa, el Cu2+ y el Zn2+ de la
Cu-Zn-superóxido dismutas citosólica y el Mn2+ de la Mn-superóxido dismutasa
mitocondrial. En cuanto al selenio, este constituye parte del centro activo de la
Se-glutatión peroxidasa localizada en las mitocondrias y en el citosol.
En nuestro país la alimentación incluye carnes y vegetales en alta proporción, lo que
hace injustificada la suplementación con minerales.
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En cuanto a los tres antioxidantes
clásicos, vitamina E, vitamina C y ß-caroteno, el punto crítico es que su nivel en
células y tejidos puede ser regulado, aumentado o disminuido, por la dicta. La ingesta de
una determinada vitamina antioxidante puede ser aumentada por selección de los alimentos,
o por suplementación dietaria o por intervención farmacéutica. El Gráfico 5 indica,
para los tres antioxidantes clásicos, las RDA (United States Recommended Dietary
Allowances) y las RDI (Recommended Daily Intakes). Las primeras, las RDA, fueron fijadas
por un Comité de Nutrición (U.S. Food and Nutrition Board) y son las cantidades
necesarias para prevenir la aparición de enfermedades o síndromes carenciales
específicos (como el escorbuto para el caso de la vitamina C) y son fácilmente
alcanzables con una dicta rica en frutas y vegetales. Las segundas, las RDI, han sido
establecidas por consenso por un Grupo Internacional de Científicos (activos en la
investigación sobre radicales libres) y son entendidas como las cantidades que permiten
sustentar la mejor calidad de vida. Estas cantidades pueden alcanzarse solamente mediante
suplementación con antioxidantes. En esta categoría se hace una diferencia entre
fumadores y no fumadores. En el proceso de quemar (oxidar) tabaco se generan radicales
libres del tipo R. y ROO.. Se han medido que una bocanada de humo tiene unos 50 millones
de radicales libres o centros de reacción capaces de iniciar procesos de daño celular
dependientes de las reacciones en cadena de radicales libres. Este aporte extra de
radicales libres en los fumadores requiere un aporte extra de antioxidantes al considerar
las ingestas recomendadas. Los fumadores, por el momento, no deben suplementar sus dietas
con ß-caroteno ya que éste parece reaccionar con radicales libres de la combustión del
tabaco generando productos con efecto cancerígeno en el pulmón.
EL Gráfico 6 ilustra acerca del mecanismo por el cual la suplementación con
antioxidantes disminuye el estrés oxidativo celular y restaura la condición normal.
El consejo farmacéutico acerca de la suplementación con antioxidantes debe incluir
recomendaciones de dietas adecuadas con alta proporción de frutas y verduras, ejercicio,
baja ingesta de alcohol y no- tabaquismo con el fin de aumentar la calidad de vida. Los
pacientes reconocen una mejoría en la percepción de su estado general, especialmente
durante las primeras dos semanas de suplementación con antioxidantes.
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LA SUPLEMENTACIÓN CON
ANTIOXIDANTES, LA CALIDAD DE VIDA Y EL ENVEJECIMIENTO
Las dos preguntas más comunes respecto a los antioxidantes son: el tomar antioxidante
¿mejora la calidad de vida- y el tomar antioxidantes ¿alarga la vida- Resulta obvio que
una respuesta afirmativa a la primera pregunta condiciona el valor práctico de una
respuesta afirmativa a la segunda pregunta, ya que no es deseable el alargar la vida con
un simultáneo deterioro de la calidad de vida. Las investigaciones epidemiológicas de
los efectos de los antioxidantes en humanos comenzaron hace aproximadamente una década
con dos modalidades: (a) evaluación de la ingesta y (b) suplementación o intervención
farmacéutica. Los resultados obtenidos se limitan a la primera pregunta ya que para
contestar adecuadamente la segunda sería necesario un estudio de una duración aproximada
de 80 a 100 años. Sin embargo, considerando que los estudios actuales con antioxidantes
involucra a la epidemiología y la evolución de las enfermedades cardíacas y el cáncer
resulta obvio que una respuesta afirmativa en cuanto a reducir la incidencia de estas
enfermedades, implica una respuesta afirmativa parcial a la segunda pregunta. Una serie de
estudios epidemiológicos, con unos 100,000 casos considerados, indican que la
suplementación con vitamina E (alrededor de 200 mg/día durante 4-5 años) reduce en un
40-60% el riesgo de enfermedad cardiaca. Asimismo, la mayor parte de los estudios
relacionados con distintos tipos de cáncer indican protecciones de entre 20 y 40% para
períodos de 4-5 años con administración de unos 200 mg/día de vitaminas E y C,
individualmente o asociadas y frecuentemente reconociéndose un efecto sinégico entre
ambas vitaminas.
REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS
1. Antioxidantes y calidad de vida. BuenosAires. Números 1-21,
1995-1998.
2. Antioxidant Vitamins Newsletter. Palisades, NY, USA. Números 1-25,
1992-1998.
3. Boveris, A. Biochemistry of free radicals: from electrons to tissues.
Medicina 58: 350-356
(1998)
4. Peretta, MD, GN Ciccia. Reingeniería de la práctica farmacéutica.
Panamericana, Bs. As.
(1997)
5. Vitamin Nutrition Research Newsletter. Palisades, NY USA. Volúmenes
1-15, 1995-1998
__________
(1)Cátedra de Fisicoquímica, Facultad de Farmacia y Bioquímica,
Universidad de Buenos Aires
