CAPÍTULO 12: Oxidación biológica

Después de estudiar este capítulo, usted debe ser capaz de:

• Entender el significado del potencial de óxido-reducción (redox), y explicar cómo puede usarse para predecir la dirección del flujo de electrones en sistemas biológicos.

• Identificar las cuatro clases de enzimas (oxidorreductasas) involucradas en reacciones de oxidación y reducción.

• Describir la acción de oxidasas y proporcionar ejemplos de dónde desempeñan un papel importante en el metabolismo.

• Indicar las dos funciones principales de las deshidrogenasas y explicar la importancia de deshidrogenasas enlazadas a NAD y a riboflavina en vías metabólicas como la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico, y la cadena respiratoria.

• Identificar los dos tipos de enzimas clasificadas como hidroperoxidasas; indicar las reacciones que catalizan y explicar por qué son importantes.

• Dar los dos pasos de reacciones catalizadas por oxigenasas, e identificar los dos subgrupos de esta clase de enzimas.

• Apreciar el papel del citocromo P-450 en la detoxificación de fármacos y la síntesis de esteroides.

• Describir la reacción catalizada por la superóxido dismutasa, y explicar cómo protege tejidos contra toxicidad por oxígeno.

Desde el punto de vista químico, la oxidación se define como la pérdida de electrones, en tanto que la reducción es la ganancia de electrones. De este modo, la oxidación siempre se acompaña de reducción de un aceptor de electrones. Este principio de oxidación-reducción aplica por igual a sistemas bioquímicos y es un concepto importante que fundamenta el entendimiento de la naturaleza de la oxidación biológica. Note que muchas oxidaciones biológicas pueden tener lugar sin la participación de oxígeno molecular, p. ej., deshidrogenaciones. La vida de animales superiores depende por completo de un aporte de oxígeno para la respiración, el proceso por medio del cual las células obtienen energía en forma de ATP a partir de la reacción controlada de hidrógeno con oxígeno para formar agua. Además, el oxígeno molecular se incorpora a los diversos sustratos mediante enzimas llamadas oxigenasas; muchos fármacos, contaminantes y carcinógenos químicos (xenobióticos) son metabolizados por enzimas de esta clase, conocidas como el sistema de citocromo P450. La administración de oxígeno puede salvar la vida en el tratamiento de pacientes con insuficiencia respiratoria o circulatoria.

En reacciones que conllevan oxidación y reducción, el cambio de energía libre es proporcional a la tendencia de los reactivos a donar electrones o aceptarlos. De esta manera, además de expresar cambio de energía libre en cuanto a ΔG^0ʹ (cap. 11), es posible, de un modo análogo, expresarlo de manera numérica como un potencial de oxidación-reducción o redox (Eʹ₀). El potencial redox de un sistema (E₀) por lo general se compara con el potencial del electrodo de hidrógeno (0.0 voltios a pH de 0.0). Sin embargo, para sistemas biológicos, el potencial redox (Eʹ₀) por lo general se expresa a pH de 7.0, pH al cual el potencial de electrodo de hidrógeno es de –0.42 V. El cuadro 12-1 muestra los potenciales redox de algunos sistemas redox de interés especial en bioquímica de mamíferos. Las posiciones relativas de los sistemas redox en el cuadro permiten predecir la dirección de flujo de electrones desde una pareja redox hacia otra.

Las enzimas comprendidas en oxidación y reducción reciben el nombre de oxidorreductasas y se clasifican en cuatro grupos: oxidasas, deshidrogenasas, hidroperoxidasas y oxigenasas.

Las oxidasas catalizan la eliminación de hidrógeno desde un sustrato usando oxígeno como un aceptor de hidrógeno.* Forman agua o peróxido de hidrógeno como un producto de reacción (figura 12-1).

Algunas oxidasas contienen cobre

La citocromo oxidasa es una hemoproteína ampliamente distribuida en muchos tejidos, que tiene el grupo prostético hem típico presente en la mioglobina, hemoglobina y otros citocromos (cap. 6). Es el componente terminal de la cadena de acarreadores respiratorios encontrados en mitocondrias (cap. 13) y transfiere electrones originados por la oxidación de moléculas de sustrato por deshidrogenasas hacia su aceptor final, oxígeno. La acción de la enzima es bloqueada por monóxido de carbono, cianuro y sulfuro de hidrógeno y ello causa envenenamiento al prevenir la respiración celular. También se ha denominado “citocromo a₃”. Empero, ahora se sabe que el hem a₃ se combina con otro hem, el hem a, en una proteína única para formar el complejo enzimático citocromo oxidasa y, así, es más correcto llamarlo citocromo aa₃. Contiene dos moléculas de hem, cada una de las cuales tiene un átomo de Fe que oscila entre Fe³⁺ y Fe²⁺ durante oxidación y reducción. Más aún, hay dos átomos de Cu, cada uno relacionado con una unidad hem.

Otras oxidasas son flavoproteínas

Las enzimas flavoproteína contienen flavina mononucleótido (FMN) o flavina adenina dinucleótido (FAD) como grupos prostéticos. FMN y FAD se forman en el cuerpo a partir de la vitamina riboflavina (cap. 44); por lo regular están unidos de modo estrecho —aunque no covalente— a sus proteínas apoenzima respectivas. Las metaloflavoproteínas contienen uno o más metales como cofactores esenciales. Los ejemplos de enzimas flavoproteína son: L-aminoácido oxidasa, enzima enlazada a FMN que se encuentra en los riñones con especificidad general por la desaminación oxidativa de los L-aminoácidos que existen de manera natural; xantina oxidasa, que contiene molibdeno, es importante en la conversión de bases purina en ácido úrico (cap. 33) y tiene una particular importancia en animales uricotélicos (cap. 28), y aldehído deshidrogenasa, enzima enlazada a FAD presente en hígados de mamíferos, que contiene molibdeno y hierro no hem, y actúa sobre aldehídos y sustratos N-heterocíclicos. Los mecanismos de oxidación y reducción de estas enzimas son complejos. La evidencia sugiere una reacción de dos pasos (figura 12-2).

Esta clase incluye un gran número de enzimas. Desempeñan dos funciones principales:

1. Transferencia de hidrógeno desde un sustrato hacia otro en una reacción de oxidación-reducción acoplada (figura 12-3). Tales deshidrogenasas son específicas para sus sustratos, pero suelen emplear coenzimas o acarreadores de hidrógeno comunes, p. ej., NAD⁺. Dado que las reacciones son reversibles, estas propiedades permiten que los equivalentes reductores se transfieran de manera libre dentro de la célula. Este tipo de reacción, la cual permite que un sustrato se oxide a expensas de otro, es de particular utilidad para permitir que ocurran procesos oxidativos en ausencia de oxígeno, como durante la fase anaeróbica de la glucólisis (figura 18-2).

2. Transferencia de electrones en la cadena respiratoria del transporte de electrones desde sustrato hacia oxígeno (figura 13-3).

Muchas deshidrogenasas dependen de coenzimas nicotinamida

Estas deshidrogenasas usan nicotinamida adenina dinucleótido (NAD⁺) o nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP⁺) —o ambas— que se forman en el cuerpo a partir de la vitamina niacina (cap. 44). Las coenzimas son reducidas por el sustrato específico de la deshidrogenasa, y reoxidadas por un aceptor de electrones idóneo (figura 12-4). Pueden disociarse de manera libre y reversible desde sus apoenzimas respectivas.

En general, las deshidrogenasas ligadas a NAD catalizan reacciones de oxidorreducción en las vías oxidativas del metabolismo, sobre todo en la glucólisis (cap. 18), en el ciclo del ácido cítrico (cap. 17), y en la cadena respiratoria de mitocondrias (cap. 13). Las deshidrogenasas enlazadas a NADP se encuentran de modo característico en síntesis reductivas, como en la vía extramitocondrial de la síntesis de ácido graso (cap. 23) y la síntesis de esteroides (cap. 26), y en la vía de la pentosa fosfato (cap. 21).

Otras deshidrogenasas dependen de la riboflavina

Los grupos flavina vinculados con estas deshidrogenasas son similares a la FMN y FAD que ocurren en oxidasas. Por lo general están más estrechamente unidos a sus apoenzimas que las coenzimas nicotinamida. Casi todas las deshidrogenasas enlazadas con riboflavina están relacionadas con el transporte de electrones en (o para) la cadena respiratoria (cap. 13). La NADH deshidrogenasa actúa como acarreador de electrones entre la NADH y los componentes de potencial redox más alto (fig. 13-3). Otras deshidrogenasas, como la succinato deshidrogenasa, acil-CoA deshidrogenasa y glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial, transfieren equivalentes reductores de manera directa desde el sustrato hacia la cadena respiratoria (fig. 13-5). Otra función de las deshidrogenasas dependientes de flavina estriba en la deshidrogenación (por medio de la dihidrolipoil deshidrogenasa) de lipoato reducido, intermediario en la descarboxilación oxidativa de piruvato y α-cetoglutarato (figuras 13-5 y 18-5). La flavoproteína transferidora de electrones (ETF) es un acarreador intermediario de electrones entre la acil-CoA deshidrogenasa y la cadena respiratoria (figura 13-5).

Los citocromos también pueden considerarse deshidrogenasas

Los citocromos son hemoproteínas que contienen hierro en las cuales el átomo de hierro oscila entre Fe³⁺ y Fe²⁺ durante la oxidación y reducción. Excepto por la citocromo oxidasa (ya descrita), se clasifican como deshidrogenasas. En la cadena respiratoria, participan como acarreadores de electrones desde flavoproteínas por un lado hacia citocromo oxidasa por el otro (figura 13-5). Varios citocromos identificables se encuentran en la cadena respiratoria, citocromos b, c₁, c, y citocromo oxidasa. Los citocromos también se encuentran en otras ubicaciones, por ejemplo, el retículo endoplásmico (citocromos P450 y b₅), y en células vegetales, bacterias y levaduras.

Dos tipos de enzimas que se encuentran tanto en animales como en vegetales caen dentro de esta categoría: peroxidasas y catalasa.

Las hidroperoxidasas protegen al cuerpo contra peróxidos perjudiciales. La acumulación de peróxidos puede llevar a la generación de radicales libres, que a su vez llegan a alterar membranas y tal vez causar enfermedades, entre ellas cáncer y ateroesclerosis (caps. 15 y 44).

Las peroxidasas reducen peróxidos usando diversos aceptores de electrones

Las peroxidasas se encuentran en la leche y en los leucocitos, las plaquetas y otros tejidos comprendidos en el metabolismo de eicosanoides (cap. 23). El grupo prostético es el protohem. En la reacción catalizada por peroxidasa, el peróxido de hidrógeno se reduce a expensas de varias sustancias que actúan como aceptores de electrones, como ascorbato, quinonas y citocromo c. La reacción catalizada por peroxidasa es compleja, pero la reacción general es como sigue:

En los eritrocitos y otros tejidos, la enzima glutatión peroxidasa, que contiene selenio como un grupo prostético, cataliza la destrucción del H₂O₂ y de hidroperóxidos lipídicos mediante la conversión de glutatión reducido hacia su forma oxidada, lo que protege a los lípidos de membrana y a la hemoglobina contra oxidación por peróxidos (cap. 21).

La catalasa usa peróxido de hidrógeno como donador y aceptor de electrones

La catalasa es una hemoproteína que contiene cuatro grupos hem. Además de poseer actividad de peroxidasa, puede emplear una molécula de H₂O₂ como sustrato donador de electrones, y otra molécula de H₂O₂ como un oxidante o aceptor de electrones.

En casi todas las circunstancias in vivo, la actividad de peroxidasa de la catalasa parece ser favorecida. La catalasa se encuentra en sangre, médula ósea, mucosas, riñones e hígado. Funciona para destruir el peróxido de hidrógeno formado por la acción de oxidasas. Los peroxisomas se encuentran en muchos tejidos, entre ellos el hígado. Tienen alto contenido de oxidasas y de catalasa. De este modo, las enzimas que originan H₂O₂ están agrupadas con la enzima que lo destruye. Con todo, los sistemas de transporte de electrones mitocondrial y microsómico, así como la xantina oxidasa, deben considerarse fuentes adicionales de H₂O₂.

Las oxigenasas se encargan de la síntesis o degradación de muchos tipos diferentes de metabolitos. Catalizan la incorporación de oxígeno hacia una molécula de sustrato en dos pasos: 1) el oxígeno se une a la enzima en el sitio activo y 2) el oxígeno unido se reduce o transfiere hacia el sustrato. Las oxigenasas pueden dividirse en dos subgrupos: dioxigenasas y monooxigenasas.

Las dioxigenasas incorporan ambos átomos de oxígeno molecular hacia el sustrato

La reacción básica catalizada por dioxigenasas se muestra a continuación:

Los ejemplos son las enzimas hepáticas, homogentisato dioxigenasa (oxidasa) y 3-hidroxiantranilato dioxigenasa (oxidasa) que contienen hierro, y L-triptófano dioxigenasa (triptófano pirrolasa) (cap. 29), que utiliza hem.

Las monooxigenasas (oxidasas de función mixta, hidroxilasas) incorporan sólo un átomo de oxígeno molecular hacia el sustrato

El otro átomo de oxígeno se reduce a agua; para este propósito se requiere un donador de electrones adicional o cosustrato (Z).

Los citocromos P450 son monooxigenasas importantes para la detoxificación de muchos fármacos y la hidroxilación de esteroides

Los citocromos P450 son una importante superfamilia de monooxigenasas que contienen hem, y en el genoma humano se han encontrado más de 50 de esas enzimas. Estos citocromos están localizados sobre todo en el retículo endoplásmico en hígado e intestino, aunque también se encuentran en las mitocondrias en algunos tejidos. Tanto el NADH como el NADPH donan equivalentes reductores para la reducción de estos citocromos (figura 12-5) que, a su vez, son oxidados por sustratos en una serie de reacciones enzimáticas conocidas en conjunto como ciclo de la hidroxilasa (figura 12-6). En el retículo endoplásmico del hígado, los citocromos P450 se encuentran junto con el citocromo b₅, y tienen una función importante en la destoxificación y metabolismo de fármacos: son responsables de cerca de 75% de la modificación y degradación de fármacos que ocurre en el cuerpo. El índice de destoxificación de muchos fármacos medicinales por citocromos P450 determina la duración de su acción. El benzpireno, la aminopirina, la anilina, morfina y benzfetamina son hidroxilados, lo que aumenta su solubilidad y ayuda a su excreción. Muchos medicamentos, como el fenobarbital, tienen la capacidad para inducir la síntesis de citocromos P450.

Los sistemas de citocromo P450 mitocondriales se encuentran en los tejidos esteroidogénicos como corteza suprarrenal, testículos, ovarios y placenta, y participan en la biosíntesis de hormonas esteroides a partir del colesterol (hidroxilación en C₂₂ y C₂₀ en la división de la cadena lateral, y en las posiciones 11β y 18). Además, los sistemas renales que catalizan 1α- y 24-hidroxilaciones del 25-hidroxicolecalciferol en el metabolismo de la vitamina D —y colesterol 7α-hidroxilasa y esterol 27-hidroxilasa incluidas en la biosíntesis de ácidos biliares en el hígado a partir del colesterol (cap. 26)— son enzimas P450.

La transferencia de un electrón único al O₂ genera el radical libre anión superóxido ($O2−˙$) en potencia perjudicial, que da lugar a reacciones en cadena de radical libre (cap. 5), lo cual amplifica sus efectos destructivos. La facilidad con la cual puede formarse superóxido a partir de oxígeno en los tejidos, y la presencia de superóxido dismutasa, la enzima de la cual depende su eliminación en todos los organismos aeróbicos (aunque no en anaerobios obligados), indican que la toxicidad potencial del oxígeno se debe a su conversión en superóxido.

El superóxido se forma cuando flavinas reducidas —presentes, por ejemplo, en la xantina oxidasa— se vuelven a oxidar de manera univalente por oxígeno molecular.

El superóxido puede reducir citocromo c oxidado

o ser eliminado por la superóxido dismutasa.

En esta reacción, el superóxido actúa como oxidante y como reductor. De este modo, la superóxido dismutasa protege a los organismos aerobios contra los efectos perjudiciales potenciales del superóxido. La enzima se encuentra en todos los tejidos aerobios principales en las mitocondrias y el citosol. Si bien la exposición de animales a una atmósfera de oxígeno al 100% causa un incremento adaptativo de la superóxido dismutasa, sobre todo en pulmones, la exposición prolongada conduce a daño pulmonar y muerte. Los antioxidantes, por ejemplo, α-tocoferol (vitamina E), actúan como recolectores de radicales libres y reducen la toxicidad del oxígeno (cap. 44).

• En sistemas biológicos, al igual que los sistemas químicos, la oxidación (pérdida de electrones) siempre se acompaña de reducción de un aceptor de electrones.

• Las oxidorreductasas tienen diversas funciones en el metabolismo; las oxidasas y las deshidrogenasas desempeñan funciones importantes en la respiración; las hidroperoxidasas protegen al cuerpo contra daño por radicales libres, y las oxigenasas median la hidroxilación de fármacos y esteroides.

• Los tejidos están protegidos contra toxicidad por oxígeno causada por el radical libre superóxido por medio de la enzima específica superóxido dismutasa.