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Muchas teorías respecto al envejecimiento y la mortalidad plantean la hipótesis de que el cuerpo humano finalmente sucumbe a la acumulación de daño con el tiempo debido a diversos factores ambientales que son reactivos con biomoléculas orgánicas. Esas teorías notan que si bien hay mecanismos de reparación y recambio para restituir o reemplazar muchas clases de moléculas dañadas, estos mecanismos no son absolutamente perfectos. En consecuencia, cierto daño se filtra, daño que inevitablemente se acumulará con el tiempo, en particular en poblaciones de células de vida prolongada que experimentan poco recambio, si es que lo experimentan (cuadro 58-2). Irónicamente, muchos de los agentes que son más perjudiciales para las proteínas, el DNA y otras biomoléculas, también son esenciales para la vida terrestre: agua, oxígeno y luz solar.
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Las reacciones hidrolíticas pueden dañar proteínas y nucleótidos
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El agua es un nucleófilo relativamente débil; sin embargo, debido a su presencia omnipresente y concentración alta (>55 M, véase el capítulo 2), incluso este nucleófilo débil reaccionará con blancos susceptibles dentro de la célula. En proteínas, la hidrólisis de enlaces peptídicos lleva a división de la cadena polipeptídica. Los enlaces amida más frecuentemente establecidos como objetivo por el agua son los que se encuentran en las cadenas laterales de los aminoácidos asparagina y glutamina, quizá porque están más expuestos, en promedio, a solvente que los enlaces amida en el esqueleto de la proteína. La hidrólisis lleva al reemplazo del grupo amida neutro con un grupo carboxílico ácido, lo que forma aspartato y glutamato, respectivamente (figura 58-1, partes A y B). Este cambio lleva a la introducción tanto de una carga negativa como de un donador o receptor de protón potencial a la región afectada de la proteína. Dado que la población de proteína dentro de un organismo vivo está sujeta a recambio continuo, en la mayor parte de los casos la proteína químicamente modificada será degradada y reemplazada por una proteína recién sintetizada.
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Quizá tienen más consecuencias biológicas potenciales las reacciones de las bases nucleótido en el DNA con agua. Los grupos amino que se proyectan desde los anillos aromáticos heterocíclicos de las bases de nucleótido citocina, adenina y guanina son, cada uno, susceptibles a ataque hidrolítico; en cada caso, el grupo amino queda reemplazado por un carbonilo para formar uracilo, hipoxantina y xantina, respectivamente (figura 58-1, parte C). Si la base afectada está ubicada en el DNA de la célula, el resultado neto es una mutación que, si se deja sin reparar, puede perturbar en potencia la expresión génica o producir un producto de gen disfuncional. El enlace entre la base de nucleótido y la porción desoxirribosa en el DNA también es vulnerable a hidrólisis. En este caso la base es eliminada por completo y deja una brecha en la secuencia (figura 58-1, parte D) que, si se deja sin reparar, puede llevar a una mutación por sustitución o por cambio de cuadro (capítulo 37).
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Muchos otros enlaces dentro de macromoléculas biológicas también poseen el potencial de ser divididos por hidrólisis química al azar. En esta lista se incluyen los enlaces éster que unen ácidos grasos a sus glicerolípidos cognados, los enlaces glucosídicos que enlazan las unidades monosacárido de carbohidratos, y los enlaces fosfodiéster que sostienen juntos polinucleótidos y enlazan los grupos cabeza de fosfolípidos a sus parejas diacilglicerol. Empero, estas reacciones parecen tener lugar con demasiada poca frecuencia (p. ej., la hidrólisis de fosfodiéster unida con el esqueleto de DNA y RNA) o generar productos insuficientemente perturbadores como para que manifiesten consecuencias biológicas importantes.
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La respiración genera especies de oxígeno reactivas
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Muchos procesos biológicos requieren oxidación (catalizada por enzima) de moléculas orgánicas por oxígeno molecular (O2). Estos procesos incluyen la hidroxilación de cadenas laterales de prolina y lisina en el colágeno (capítulo 5), la destoxificación de xenobióticos por el citocromo P450 (capítulo 47), la degradación de nucleótidos de purina a ácido úrico (capítulo 33), la reoxidación de los grupos prostéticos en las enzimas que contienen flavina que catalizan la descarboxilación oxidativa (p. ej., el complejo de piruvato deshidrogenasa, capítulo 17) y otras reacciones redox (p. ej., aminoácido oxidasas, capítulo 28), y la generación del gradiente quimiosmótico en mitocondrias por la cadena de transporte de electrones (capítulo 13). Las enzimas redox a menudo emplean grupos prostéticos como nucleótidos de flavina, centros de hierro-azufre o iones metálicos unidos a hem (capítulos 12 y 13) para ayudar en la difícil tarea de generar el radical libre altamente reactivo e intermediarios oxianión formados durante la catálisis y estabilizarlos. En la cadena de transporte de electrones se emplean transportadores especializados como la ubiquinona y citocromos para transportar sin riesgos electrones únicos, no pareados, entre sus diversos complejos multiproteínicos y dentro de los mismos.
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En ocasiones estos intermediarios altamente reactivos escapan hacia la célula en la forma de ROS como superóxido y peróxido de hidrógeno (figura 58-2, parte A). En virtud de su complejidad estructural y funcional, y flujo de electrones en extremo alto, el “escape” desde la cadena de transporte de electrones constituye con mucho la principal fuente de ROS en casi todas las células de mamífero. Además, muchas células de mamífero sintetizan y liberan el segundo mensajero óxido nítrico (NO), que contiene un electrón no pareado, para promover la vasodilatación y relajación muscular en el sistema cardiovascular (capítulo 51).
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Las especies de oxígeno reactivas son prolíficas desde el punto de vista químico
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La reactividad en extremo alta de las ROS las hace en extremo peligrosas. Las ROS pueden reaccionar con casi cualquier compuesto orgánico, incluso proteínas, ácidos nucleicos y lípidos, y alterarlo químicamente. En algunos casos, la reacción lleva a la división de enlaces covalentes. También muestran una fuerte tendencia a formar aductos, los productos de la adición de dos (o más) compuestos, con bases de nucleótido, ácidos grasos poliinsaturados y otros compuestos biológicos que poseen múltiples dobles enlaces (figura 58-3). Los aductos formados con bases de nucleótido pueden ser en especial peligrosos debido a su potencial, si se dejan sin corregir, de causar lecturas erróneas que introducen mutaciones en el DNA.
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La facilidad con la cual el oxígeno produce los cambios químicos que arrancian la mantequilla casera es un testimonio de la reactividad de grasas insaturadas, las que contienen uno o más dobles enlaces carbono-carbono (capítulo 23) con ROS. La peroxidación lipídica puede llevar a la formación de aductos de lípido-lípido y lípido-proteína con enlaces covalentes, y una pérdida de la fluidez de la membrana y de la integridad de la misma. La pérdida de la integridad de la membrana, a su vez, puede (en el caso de las mitocondrias) socavar la eficiencia con la cual la cadena de transporte de electrones convierte equivalentes reductores en ATP, lo que lleva a más producción de ROS perjudiciales. La pérdida de la integridad de la membrana también puede desencadenar apoptosis, la muerte programada de una célula.
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Reacciones en cadena multiplican la destructividad de ROS
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La destructividad inherente en la reactividad alta de muchas de estas ROS, en particular radicales libres, es exacerbada por su capacidad para participar en reacciones en cadena en las cuales el producto de la reacción entre el radical libre y alguna biomolécula es una biomolécula dañada y otra especie que contiene un electrón no pareado altamente reactivo. La cadena terminará cuando un radical libre es capaz de adquirir otro electrón solitario para formar un par de electrones relativamente inocuo sin generar un nuevo electrón no pareado como un subproducto. Tal es el caso cuando un radical libre encuentra otro. Los dos electrones “impares” se combinan para formar un par. De manera alternativa, las ROS pueden quedar eliminadas mediante una del juego de enzimas antioxidantes dedicadas de la célula (capítulos 12 y 53).
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La reactividad, y por ende la destructividad, de ROS individuales varía. El peróxido de hidrógeno, por ejemplo, es menos reactivo que el superóxido, que a su vez es menos reactivo que el radical hidroxilo (OH •). Lamentablemente, existen dos vías en organismos vivos mediante las cuales el radical hidroxilo altamente tóxico puede generarse a partir de ROS menos destructivas. Por ejemplo, si hay hierro férrico presente, la reacción de Fenton puede transformar peróxido de hidrógeno en radicales hidroxilo (figura 58-2, parte B). A su vez, el hierro ferroso (+3) puede ser reducido de regreso al estado férrico (+2) por otras moléculas de peróxido de hidrógeno, lo que permite que el hierro actúe de manera catalítica para producir radicales hidroxilo adicionales. El radical hidroxilo también puede generarse cuando el superóxido y el peróxido de hidrógeno están desproporcionados, un proceso llamado la reacción de Haber-Weiss (figura 58-2, parte C).
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Los radicales libres y la teoría mitocondrial del envejecimiento
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En 1956, Denham Harmon propuso la llamada teoría de los radicales libres del envejecimiento. Se había reportado que la toxicidad del tratamiento con oxígeno hiperbárico y radiación podría explicarse por un factor común a ambos, la generación de ROS. Este reporte encajó muy bien con la observación propia de Harmon de que el lapso de vida estaba relacionado de manera inversa con el índice metabólico y, por extrapolación, con la respiración. Por ende, postuló que el daño acumulativo se origina por la producción continua e inevitable de ROS.
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En años más recientes, los defensores de la teoría de los radicales libres del envejecimiento han enfocado la atención en las mitocondrias. La mitocondria no sólo es el huésped de la principal fuente de ROS en la célula, la cadena de transporte de electrones, sino que el daño oxidativo de los componentes de esta vía puede llevar a incremento del escape de peróxido de hidrógeno, superóxido, etc., hacia el citoplasma. El daño de las mitocondrias probablemente afectaría de modo adverso la eficiencia con la cual desempeña su función más importante, la síntesis de ATP. Una lentificación importante de la tasa de síntesis de ATP podría fácilmente llevar a los tipos de declinaciones a gran escala de la función fisiológica que ocurren en el envejecimiento.
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Un segundo contribuidor al ciclo que se autoperpetúa de daño mitocondrial por redox es el hecho de que varios componentes de la cadena de transporte de electrones son codificados por el genoma propio de la mitocondria. El genoma mitocondrial es un remanente vestigial muy reducido del genoma de la bacteria antigua que fue el precursor del orgánulo actual. Por medio de un proceso llamado endosimbiosis, los eucariontes primitivos se hicieron dependientes de bacterias circundantes para que les proporcionaran ciertos materiales y viceversa. Finalmente, la bacteria de menor tamaño fue absorbida por su huésped eucarionte y vivió en el interior del mismo. Con el tiempo casi todos los genes contenidos en el genoma bacteriano, pero no todos, fueron eliminados por ser superfluos para las necesidades del nuevo organismo de fusión, o fueron transferidos hacia el DNA nuclear de la célula huésped. En la actualidad, el genoma de la mitocondria del ser humano codifica para un RNA ribosómico pequeño y para uno grande, 22 tRNA, y subunidades polipeptídicas para los complejos I, III y IV de la cadena de transporte de electrones, así como para la F1, F0 ATPasa (cuadro 58-3). El genoma mitocondrial carece de los mecanismos de vigilancia y reparación que ayudan a mantener la integridad del DNA nuclear. En consecuencia, las mutaciones inducidas por aductos o la reacción con ROS, y cualesquiera defectos funcionales que se producen por estas mutaciones, se convierten en una característica permanente del genoma de la mitocondria de cada individuo, que seguirá acumulando mutaciones con el tiempo.
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Si bien ya no se considera que la hipótesis mitocondrial proporcione una explicación unificante para todos los cambios que se asocian con el envejecimiento del ser humano y sus comorbilidades, probablemente es un contribuidor de importancia. Evidencia circunstancial poderosa para esto es proporcionada por el papel fundamental desempeñado por este orgánulo en las vías de detector-respuesta que desencadenan la apoptosis.
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Las mitocondrias son participantes clave en la apoptosis
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La apoptosis otorga a organismos superiores la capacidad para eliminar de manera selectiva células que se hacen superfluas por cambios vinculados con el desarrollo, como los que tienen lugar de manera continua durante la embriogénesis, o que han quedado dañadas a un grado que hace imposible la reparación. Durante el remodelado de tejido vinculado con el desarrollo, el programa de muerte celular apoptótica es desencadenado por señales mediadas por receptor. En el caso de células dañadas, cualquiera de varios indicadores interiores puede servir como desencadenante: ROS, dsRNA viral, daño de DNA y choque por calor. Estas señales desencadenan la abertura del complejo de poro de transición de permeabilidad embebido en la membrana mitocondrial externa, a través del cual moléculas de la proteína transportadora de electrones pequeña (≈ 12.5 kDa) citocromo c escapa hacia el citoplasma. Aquí, el citocromo c sirve como la proteína central para nuclear un complejo multiproteínico, llamado el apoptosoma, que inicia una cascada de eventos de activación proteolíticos dirigidos a las formas proenzima de una serie de cisteína proteasas conocidas como caspasas. Las caspasas terminales, números 3 y 7, desintegran proteínas estructurales en el citoplasma, y proteínas de la cromatina en el núcleo; estos eventos llevan a la muerte de la célula afectada y su eliminación mediante fagocitosis. No hace falta decir que la presencia de una vía de muerte celular mediada por receptor, intrínseca, ofrece la esperanza de que sea posible eliminar células perjudiciales, como cáncer, al aprender cómo activar de manera selectiva su vía apoptótica.
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La radiación ultravioleta puede ser en extremo perjudicial
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El término radiación ultravioleta (UV) se refiere a las longitudes de onda de luz que yacen inmediatamente más allá del extremo de longitud de onda azul o corta del espectro visible. Si bien el ojo humano no puede detectar estas longitudes de onda de luz particulares, son fuertemente absorbidas por compuestos orgánicos que poseen anillos aromáticos, o múltiples dobles enlaces conjugados, como las bases de nucleótido del DNA y el RNA; las cadenas laterales aromáticas de los aminoácidos fenilalanina, tirosina y triptófano; ácidos grasos poliinsaturados; grupos hem, y cofactores y coenzimas, como flavinas, cianocobalamina, etc. La absorción de esta luz de longitud de onda corta, de alta energía, causa la rotura de enlaces covalentes en proteínas, DNA y RNA; la formación de dímeros de timina en el DNA (figura 58-4); la formación de enlaces covalentes de proteínas y la generación de radicales libres, incluso de ROS. Si bien la radiación UV no penetra más allá de las primeras capas de las células cutáneas, la eficiencia alta de absorción lleva a la acumulación rápida de daño de la limitada población de células de la piel a las que llega. Dado que las bases de nucleótidos del DNA y el RNA son en particular eficientes para absorber la radiación UV, es altamente mutagénica. La exposición prolongada a la luz solar intensa puede llevar a la acumulación de múltiples lesiones de DNA que pueden abrumar la capacidad de reparación intrínseca de una célula. Así, es relativamente común que las personas cuyo trabajo o estilo de vida involucra exposición prolongada a la luz del Sol manifiesten tejido cutáneo aberrante, en forma tanto de lunares como de melanomas cancerosos. Muchos de estos últimos pueden proliferar y diseminarse con gran rapidez, lo que requiere vigilancia cuidadosa e intervención médica rápida.
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La glucación de proteína a menudo lleva a la formación de enlaces covalentes perjudiciales
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Cuando aminoácidos como los que se encuentran en la cadena lateral de la lisina o en algunas de las bases de nucleótidos quedan expuestos a un azúcar reductor, como la glucosa, se genera lentamente un aducto reversible mediante la formación de una base de Schiff entre el grupo aldehído o cetona del azúcar y la amina. Con el tiempo, la proteína glucada pasa por una serie de reordenamientos para formar productos de Amadori, que contienen un doble enlace carbono-carbono conjugado que puede reaccionar con el grupo amino en una proteína vecina (figura 58-5). El resultado neto es la formación de un enlace covalente entre dos proteínas u otras macromoléculas biológicas que, a su vez, pasan por glucación adicional y se unen con enlaces covalentes a aún otra macromolécula. Estos agregados unidos por enlaces covalentes reciben el nombre de productos terminales de glucación avanzada (AGE).
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Las repercusiones fisiológicas de la glucación de proteína pueden ser en especial pronunciadas cuando están involucradas proteínas de vida prolongada, como el colágeno o β-cristalinas. Su persistencia brinda la oportunidad de que ocurran múltiples eventos de glucación y de formación de enlaces covalentes. La formación de enlaces covalentes progresiva de la red de colágeno en las células endoteliales vasculares lleva a la pérdida progresiva de elasticidad y a engrosamiento de la membrana basal en vasos sanguíneos, lo que promueve la formación de placa. El resultado general es un incremento progresivo de la carga de trabajo del corazón. En el ojo, la acumulación de proteínas agregadas pone en peligro la transparencia del cristalino, y con el tiempo se manifiesta por sí misma en la forma de cataratas. El deterioro de la homeostasis de la glucosa hace a los diabéticos en especial susceptibles a la formación de productos terminales de glucación avanzada. De hecho, la glucación de la hemoglobina y de la albúmina sérica se usa como biomarcador para el diagnóstico de diabetes y la evaluación de su tratamiento.