Toxicologia

Capítulo 3. Estrés oxidativo, partículas y contaminación en el aire.

3.1. Efecto de los oxidantes en la salud humana.

Tabla 3.1 Transtornos clínicos en donde están involucradas especies oxidantes reactivas.

Daño inflamatorio Glóbulos rojos, Tracto gastrointestinal

Glomerulonefritis (idiopática, membranosa), Fotoxidación de protoporfirina Acción diabetogénica del aloxano

Vasculitis (fármadcos) Pramaquina y congéneres Compuestos halogenados

Enfermedades autoinmunes Intoxicación por plomo Pancreatitis

Artritis reumatoides Fenilhidrazina

Anemia Antiinflamatorios no esteroidales (NSAID)

Malaria

Favismo Envenenamiento oral por hierro.

Isquemia-estados de reflujo

Infarto al miocardio Pulmones Sistema nervioso

Transplante de órganos Efectos del humo del cigarro Oxígeno hiperbárico

Reacciones inducidas por xenobióticos (yatrogénicos). Hiperoxia

Enfisema Deficiencia en vitamina E

Neurotoxinas

Ozono Enfermedad de Parkinson

Sobredosis de hierro Displasia broncopulmonar Daño cerebrovascular por

Hemocromatosis idiopático Pneumoconiosis hipertensión

Deficiencias nutricionales Dióxido de azufre Encefalomielitis alérgica

Sobredosis bleomicina Sobredosis de alumnio

Talasemia y otras anemias tratadas con transfusiones. Daño traumático

Distrofia muscular

Sistema cardiovascular Esclerosis múltiple

Alcoholismo Artereosclerosis Alzheimer

Deficiencia de selenio (enfermedad de Keshan)

Daño por radiación

Cardiomiopatía alcohólica

Riñones Ojos

Cataratogénesis

Envejecimiento Aminoglicósidos Hemorragia ocular

Metales pesado Retinopatía

Piel

Radiación solar Síndrome nefrótico autoinmune Daño degenerativo de retina.

Daño térmico

Porfiria

Dermatitis por contacto

Idiopática: de causa no determinada, el nombre de xenobióticos se refiere a intoxicación por los mismos. Yatrogénico, inducido por administración prolongada de fármacos.

Considerables progresos se han llevado a cabo para entender el papel que juegan los procesos de oxidación celular en enfermedades tales como artereosclerosis, Alzheimer, diabetes, cáncer, enfisema, malaria, distrofia muscular, Parkinson, artritis reumatoide, degeneración de la retina, etc. (véase Tabla 3.1). Las defensas antioxidantes naturales son generalmente adecuadas para neutralizar la elevada producción de especies oxidantes reactivas en individuos sanos. Sin embargo, estos antioxidantes disminuyen en su concentración a medida que la edad avanza, y la biosíntesis de enzimas que producen, se incrementa con el envejecimiento.

3.1.1. El estrés oxidativo.

El estrés oxidativo en las células y tejidos generalmente se refiere a la generación incrementada de O2• (anión superóxido) y H2O2. Las Causas de esta elevación de especies oxidantes reactivas se presentan en el siguiente esquema.

Esquema 3.1. Posibles causas del estrés oxidativo.

Las causas antes mencionadas, se van a presentar por la influencia de algunos factores que a continuación se mencionan.

Tabla 3.2 Factores que generan estrés oxidativo en el ser humano.

Factores exógenos Factores endógenos

alimentos Vida sedentaria

Dietas ricas en proteínas y lípidos Ejercicio físico exhaustivo

Xenobióticos pro-oxidantes Procesos inflamatorios (crónicos)

Dietas pobres en antioxidantes Cáncer

Bebidas (café, alcohol) Isquemia/reperfusión

Contaminantes Muerte celular

Humo de cigarros Estrés psicológico.

O3, NO2, SO2, hidrocarburos

Plaguicidas: Paraquat, DDT, eldrin, lindano

Exposición ocupacional (metales, asbestos)

Fármacos

Anticancerígenos

Psoralenos (furocumarinas)

Radiaciones

Radiación ionizante

Radiación ultravioleta

Microondas

Absorbentes dérmicos

Derivados de psoralenos (pigmentadores)

En la actualidad se conocen las especies oxidantes reactivas que se presentan en las células. En términos generales se presentan con átomos de oxígeno (ROS) o con átomos de nitrógeno (RNS). Estas especies se enlistan en la tabla 3.3.

Para fines de nuestro estudio todas las especies oxidantes se agruparán bajo las siglas ROS, tanto las que presentan oxígeno como nitrógeno.

Tabla 3.3 especies oxidantes reactivas.

Especies reactivas con oxígeno (ROS) Especies reactivas con nitrógeno (RNS)

RADICALES RADICALES

Anión superóxido O2• Radical óxido nítrico NO•

Radical hidroxilo •OH Radical dióxido de nitrógeno NO2•

Radical peroxilo •OOR

Radical perhidroxilo •OOH NO RADICALES

Radical alcoxilo •OR Ácido nitroso HNO2

Radical protein hem ferrilo •[Fe(IV)=O] Catión nitronium NO2•

Catión nitrosilo NO•

NO RADICALES Tetraóxido de dinitrógeno N2O4

Peróxido de hidrógeno H2O2 Trióxido de nitrógeno N2O3

Ácido hipocloroso HOCl peroxinitrito ONOO•

ozono O3 alquilperoxinitritos ROONO

Oxígeno singulete 1O2

El anión superóxido, el peróxido de hidrógeno y el radiacal hidroxilo se forman como intermediarios en el proceso de reducción de una molécula de oxígeno a agua, como se muestra a continuación:

Esquema 3.2. Generación de especies oxidantes de la molécula de oxígeno.

El oxígeno singulete se forma por la inversión en el spin de uno de los electrones desapareados de la molécula de oxígeno. En esta especie, los electrones de spin contrarios pueden ubicarse en un solo átomo (1gO2) o en ambos átomos de oxígeno (1gO2).

Dado que ni el O21 ni el H2O2 son lo suficientemente reactivos para causar daño al organismo, el radical •OH es considerado una de las especies oxidantes más dañinas. La generación de este radical se ve favorecida por la presencia de metales de transición. Debido a la alta reactividad del •OH, generalmente reacciona en las cercanías a su sitio de formación. Esto constituye un aspecto importante del daño oxidativo, el cual en cierta forma está determinado por la localización de los metales de transición (Hierro, cobre, etc) en la célula.

O2- Fe (II)/Cu(II)

H2O2 •OH

Fe(II)/Cu/II)

Peroxidación de lípidos •OR, •OOR, aldehídos citotóxicos.

Fe (II)/Cu(II)

Tioles (RSH) O2-, H2O2, •OH, •SR.

Fe (II)/Cu(II)

NAD(P)H NAD(P) •, O2-, H2O2, •OH

Fe (II)/Cu(II)

Ácido ascórbico radical semidehidroascorbato,

H2O2, •OH, degradación de

Los productos de ascorbato.

Catecolaminas Fe (II)/Cu(II)

y congéneres O2-, H2O2, •OH, semiquinonas.

Esquema 3.3. Generación de especies oxidantes en los seres vivos.

En los sistemas biológicos, el anión superóxido genera peróxido de hidrógeno mediante la intervención de la enzima superóxido dismutasa (SOD). El H2O2 formado a su vez se descompone en moléculas de agua por la intervención de las enzimas catalasa y glutatión peroxidasa. Aunque esta conversión es muy rápida, si por alguna razón se alterara el funcionamiento de estas enzimas, entonces, el peróxido de hidrógeno podría producir radical hidroxilo mediante los pasos descritos por la reacción de Fenton.

Catalasa

SOD

O2-• + 2H+ H2O2 +O2

Reacción de Fenton

H2O2 + Fe(II) •OH + -OH + Fe (III)

Fe (III) + H2O2 •OOH + H+ + Fe (II)

Fe (III) + O2-• Fe (II) + O2

SOD: Superóxido dismutasa.

Esquema 3.4 Competencia entre sistemas enzimáticos y reacción de Fenton

Los neutrófilos y en menor proporción los monocitos, contienen una hemoproteín peroxidasa, llamada mieloperoxidasa (MPO) en sus gránulos citoplasmáticos. Cuando los neutrófilos se activan, liberan MPO al medio extracelular donde interactúa con H2O2 y Cl- para formar HOCl (ácido hipocloroso). Este ácido tiene un pKa de 7.5, por lo que a nivel fisiológico, se presenta en igual proporción la porción iónica (base conjugada) y la no iónica. Ambas especies son 100 veces más oxidantes que el anión superóxido y H2O2.

3.5 Generación de HOCl de neutrófilos activados

Una de las consecuencias de la generación de HOCl, es la oxidación e inactivación de la -1-antiproteasa (-1-antitripsina). Esta proteína inhibe a la elastasa, la cual es una proteasa importante en los procesos de inflamación. La falta de control de la elastasa, promueve una proteólisis descontrolada. Prueba de esto es que cuando se previene en los neutrófilos la generación de HOCl, las antiproteasas permanecen activas y son capaces de inhibir el daño epitelial.

Esquema 3.6 Relación del daño causado por HOCl y las elastasas.

A nivel de DNA, los ROS activan a la poli(ADP-ribosa) sintetasa, una enzima que polimeriza los residuos de ADP-ribosa del NAD+. Estos eventos están asociados con la disminución de nicotinamida y adenin-nucleótidos, así como la elevación intracelular de Ca(II), lo que desencadena

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