CAPÍTULO 12: Oxidación biológica

Desde el punto de vista químico, la oxidación se define como la eliminación de electrones, en tanto que la reducción es la ganancia de electrones. De este modo, la oxidación de una molécula (el donador de electrón) siempre se acompaña de reducción de una segunda molécula (el aceptor de electrón). 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 hacia 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^0’ (capítulo 11), es posible, de un modo análogo, expresarlo de manera numérica como un potencial de oxidación-reducción o redox (E’₀). Desde el punto de vista químico, 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 (E’₀) 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).

La citocromo oxidasa es una hemoproteína

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 (capítulo 6). Es el componente terminal de la cadena de acarreadores respiratorios encontrados en mitocondrias (capítulo 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, lo que causa envenenamiento al evitar que ocurra 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 de enzima 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 (capítulo 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 (capítulo 33) y tiene una particular importancia en animales uricotélicos (capítulo 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 17-2).

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 ambos— que se forman en el cuerpo a partir de la vitamina niacina (capítulo 44). En la figura 12-4 se muestra la estructura del NAD⁺. El NADP⁺ tiene un grupo fosfato esterificado al 2’ hidroxilo de su porción adenosina, pero por lo demás es idéntico al NAD⁺. Las formas oxidadas de ambos nucleótidos tienen una carga positiva en el átomo de nitrógeno de la porción nicotinamida (figura 12-4). Las coenzimas son reducidas por el sustrato específico de la deshidrogenasa, y reoxidadas por un aceptor idóneo de electrón. Son capaces de disociarse libremente y de manera reversible de sus coenzimas respectivas.

En general, las deshidrogenasas enlazadas a NAD catalizan reacciones de oxidación y reducción del tipo:

Cuando un sustrato es oxidado, pierde dos átomos de hidrógeno y dos electrones. Un H⁺ y ambos electrones son aceptados por NAD⁺ para formar NADH, y el otro H⁺ es liberado (figura 12-4). Muchas de esas reacciones ocurren en las vías de metabolismo oxidativas, particularmente en la glucólisis (capítulo 17) y el ciclo del ácido cítrico (capítulo 16). El NADH es generado en estas vías por medio de la oxidación de moléculas de combustible, y el NAD⁺ es regenerado mediante la oxidación de NADH conforme transfiere los electrones al O₂ por medio de la cadena respiratoria en las mitocondrias, un proceso que lleva a la formación de ATP (capítulo 13). Las deshidrogenasas enlazadas a NADP se encuentran de manera característica en vías biosintéticas donde se requieren reacciones reductivas, como en la vía extramitocondrial de síntesis de ácidos grasos (capítulo 23) y de síntesis de esteroides (capítulo 26) —y en la vía de la pentosa fosfato (capítulo 20)—.

Otras deshidrogenasas dependen de la riboflavina

Los grupos flavina, como FMN y FAD están asociados con deshidrogenasas, así como con oxidasas, según se describió. El FAD es el aceptor de electrones en las reacciones del tipo:

El FAD acepta dos electrones y dos H⁺ en la reacción (figura 12-2), lo cual forma FADH₂. Los grupos flavina 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 con) la cadena respiratoria (capítulo 13). La NADH deshidrogenasa actúa como un acarreador de electrones entre el NADH y los componentes de potencial redox más alto (figura 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 (figura 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 la categoría de hidroperoxidasa: peroxidasas y catalasa.

Las hidroperoxidasas desempeñan un papel importante en la protección del cuerpo contra los efectos perjudiciales de especies reactivas de oxígeno (ROS). Las ROS son moléculas que contienen oxígeno, altamente reactivas, como los peróxidos que se forman durante el metabolismo normal, pero pueden ser perjudiciales si se acumulan. Se cree que contribuyen a la causa de enfermedades como cáncer y aterosclerosis, así como al proceso de envejecimiento en general (capítulos 21, 44, 54).

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 (capítulo 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 actuarán como aceptores de electrones, como ascorbato (vitamina C), 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 lípidos 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 (capítulo 21).

La catalasa usa peróxido de hidrógeno como donador, y como aceptor, de electrón

La catalasa es una hemoproteína que contiene cuatro grupos hem. Puede actuar como una peroxidasa, y catalizar reacciones del tipo antes mostrado, pero también es capaz de catalizar la desintegración del H₂O₂ formado por la acción de oxigenasas, a agua y oxígeno:

En esta reacción se usan una molécula de H₂O₂ como un sustrato donador de electrón, y otra molécula de H₂O₂ como un oxidante o aceptor de electrón. Es una de las reacciones enzimáticas más rápidas conocidas; destruye millones de moléculas de H₂O₂ en potencia perjudiciales por segundo. 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. 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) (capítulo 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 electrón adicional o cosustrato (Z).

Los citocromos P450 son monooxigenasas importantes en el metabolismo de esteroides, y para la destoxificación de muchos fármacos

Los citocromos P450 son una importante superfamilia de monooxigenasas que contienen hem y se han encontrado más de 50 de esas enzimas en el genoma humano. Están ubicadas principalmente en el retículo endoplasmático en el hígado y el intestino, pero también se encuentran en las mitocondrias en algunos tejidos. Los citocromos participan en una cadena de transporte de electrones en la cual tanto el NADH como el NADPH pueden donar equivalentes reductores. Los electrones se pasan al citocromo P450 en dos tipos de reacción que comprenden FAD o FMN. Los sistemas clase I constan de una enzima reductasa que contiene FAD, una proteína de azufre hierro (Fe₂S₂), y la proteína hem P450, mientras que los sistemas clase II contienen citocromo P450 reductasa que pasa electrones del FADH₂ al FMN (figura 12-5). Los sistemas clases I y II se encuentran bien caracterizados, pero durante los años recientes se han identificado otros citocromos P450 que no caen dentro de una u otra categoría. En el paso final el oxígeno acepta los electrones que provienen del citocromo P450 y es reducido; un átomo es incorporado hacia H₂O, y el otro hacia el sustrato, lo que por lo general da lugar a su hidroxilación. Esta serie de reacciones enzimáticas, conocidas como el ciclo de la hidroxilasa, se ilustra en la figura 12-6. En el retículo endoplasmático del hígado, los citocromos P450 se encuentran junto con otra proteína que contiene hem, el citocromo b₅ (figura 12-5), y juntos desempeñan un importante papel en el metabolismo de fármacos y la destoxificación de los mismos. El citocromo b₅ también tiene una función crucial como una ácido graso desaturasa. Juntos, los citocromos P450 y b₅ se encargan de alrededor de 75% de la modificación y degradación de fármacos que ocurre en el organismo. 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 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 (capítulos 26 y 41)— 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 (capítulo 21), 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 (SOD), 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, que cataliza la conversión de $O2−˙$ en oxígeno y peróxido de hidrógeno.

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 en las mitocondrias y el citosol. Si bien la exposición de animales a una atmósfera de oxígeno a 100% causa un incremento adaptativo de la SOD, 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 (capítulo 44).

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

• 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.