Resumen
En las ciencias médicas existen muchas controversias porque es precisamente una característica de la investigación científica el cambio constante en los conocimientos. Desde que las primeras células eucarióticas se adaptaron a la vida aeróbica un efecto secundario de este metabolismo ha sido la producción de sustancias reactivas de oxígeno. Una de las teorías más importantes y aceptadas es que el envejecimiento celular es causado por el daño oxidativo de radicales libres producidos a nivel de la mitocondria, durante la fosforilación oxidativa. Entonces un estado en el que no haya suficiente combustible para la producción energética produciría una disminución de los radicales libres y por lo tanto el envejecimiento se detendría. Se ha comprobado que el efecto de la restricción calórica en pequeñas especies detiene el proceso de envejecimiento. Se desarrolla así una de las paradojas más grandes, la paradoja del oxígeno: necesitamos oxígeno para transformar el combustible (glucosa) en energía pero un efecto secundario de este metabolismo aeróbico normal es el envejecimiento. En este manuscrito se describen y analizan conceptos importantes de nuestra adaptación evolutiva a la vida aeróbica en nuestro planeta y una de las consecuencias más importantes de esta adaptación para la vida humana: el envejecimiento y la posibilidad de manipularlo dietética y farmacológicamente. (Rev Cost Cienc Med 2000; 21(3-4):181-187).
Palabras clave ]]>
Radicales libres de oxígeno, mitocondria, envejecimiento, restricción calórica.Abstract
Within the Medical Sciences exist many paradigms because scientific investigation characteristically changes the knowledge continuously. Since the early development and adaptation of eukaryotic cells to aerobic life a side effect of this kind of metabolism has been the production of reactive oxygen species. One of the most important and recognized scientific theories is the free radical theory of aging which sustain that aging is produced by oxidative stress caused by free radicals produced during the oxidative phosphorylation at the mitochondria. It is proposed that a metabolic state in which the fuel is not enough for energy production could cause a lower free radical production and a stop the aging. It has been demonstrated that calorie restriction in invertebrates and small species halt the aging process. Considering this concept one of the most important paradox is proposed, the oxygen paradox: we need the oxygen to turn the glucose into energy, but a side effect of this oxygen metabolism is the normal aging. In this manuscript we describe and analyze important concepts about the evolutive adaptation to the aerobic environment in our planet and one of the most important consequences for the humans: the aging process and the possibility of dietary and pharmacologically manipulation.
Key words
Free radicals, mitochondria, aging, calorie restriction.
Introducción
En las ciencias médicas existen muchas controversias porque es precisamente una característica de la investigación científica el cambio constante en los conocimientos. Una de las paradojas más grandes es la que se conoce como la paradoja del oxígeno: necesitamos oxígeno para transformar el combustible (glucosa) en energía pero un efecto secundario de este metabolismo aeróbico es el envejecimiento. En este manuscrito se describen y analizan conceptos importantes de nuestra adaptación evolutiva a la vida aeróbica en nuestro planeta y una de las consecuencias más importantes de esta adaptación para la vida humana: el envejecimiento. ]]>
Discusión
Concepto de envejecimiento.
Científicamente el proceso del envejecimiento es extremadamente complejo y multifactorial (1). Desde el punto de vista de la teoría evolutiva el envejecimiento no se encuentra programado genéticamente en la misma forma en que lo está el desarrollo (2). Probablemente las teorías más importantes que explican la causa del envejecimiento sean la genética y la teoría de los radicales libres, las cuales se encuentran estrechamente relacionadas (1, 3, 4). La teoría de que el envejecimiento ocurre por el daño ocasionado por radicales libres de oxígeno fue desarrollada en 1956 por Denham Harman (5). Ahora sabemos que el envejecimiento ocurre por daño oxidativo producido por radicales libres formados en la mitocondria los cuales alteran el ADN nuclear y mitocondrial (ADNmt), membranas, proteínas, carbohidratos y lípidos. El daño en el ADN produce errores en la transcripción y en la translación de proteínas. Si este daño no es reparado, la función celular como en el caso de la producción bioenergética se ve afectada por disfunción de la fosforilación oxidativa (6, 7). El daño permanente es prevenido por antioxidantes (4) y la reparación de las moléculas afectadas es realizada por enzimas especializadas. Pero la capacidad de reparación se pierde con la edad y el proceso de envejecimiento aparece (6, 8, 9). Se produce así un círculo vicioso: daño al ADNmt, alteración de la fosforilación oxidativa, sobreproducción de radicales libres de oxígeno que producen más daño al ADNmt (7).
Inicio de la vida aeróbica en la tierra.
Hace unos dos mil millones de años las primitivas cianobacterias empezaron a producir oxígeno que liberaban a la atmósfera terrestre en cantidades importantes transformando lentamente la constitución de la atmósfera hasta lo que hoy conocemos. Las especias vivientes, procariotas y eucariotas primitivas tuvieron que adaptarse a la vida aeróbica actual (9).
Como parte de este proceso evolutivo ocurrieron cambios trascendentales para la biología celular. Es muy probable que fueran los procariotas los que primero desarrollaron la capacidad de adaptarse a la vida aeróbica acoplando la transferencia de electrones al oxígeno como aceptor y la producción de moléculas macroenergéticas como el adenosíntrifosfato (ATP) conocida como la fosforilación oxidativa (10). De ésta forma se producía energía a partir de un carbohidrato (combustible) y el oxígeno es el aceptor de electrones. Estas bacterias primitivas especializadas en la producción de energía utilizando el oxígeno, fueron internalizadas por las células eucariotas primitivas que producían su energía a partir de la fermentación (proceso anaerobio) y de esta manera los eucariotas pudieron adaptarse al metabolismo aeróbico. El hecho de que la mitocondria posea su propio ADN de doble cadena (que codifica para 13 proteínas de la cadena respiratoria), ribosomas y ARN de transferencia apoya la teoría de que la mitocondria fue el procariota primitivo internalizado en las células eucariotas. Este proceso es conocido como la teoría endosimbiótica del origen de la mitocondria como organela celular (10).
Producción de radicales libres.
La mitocondria convierte la glucosa y el oxígeno en enlaces de alta energía que pueden ser almacenados en el ATP y utilizados por la célula para su metabolismo. Este proceso incluye la glicólisis, el ciclo del ácido cítrico y fosforilación oxidativa todos integrados en la mitocondria. El problema es que esta producción de energía no es perfecta y en el proceso se producen radicales libres (O2-, H2O2 y OH) muy oxidativos para varias moléculas y estructuras subcelulares (5, 9, 11). Estos radicales lesionan las membranas, proteínas y el ADN. Con el envejecimiento la fosforilación oxidativa sufre un desacoplamiento por disfunción de las enzimas respiratorias lo que produce una mayor producción de radicales libres debido a la pérdida de electrones en la cadena transportadora de los mismos (12, 13).
Efecto de los radicales libres. ]]>
En las mitocondrias se ha demostrado este daño evidenciado por la peroxidación de lípidos, oxidación de proteínas y acumulación de mutaciones en el ADNmt (7). El ADNmt es particularmente susceptible al daño oxidativo de los radicales libres porque se encuentra localizado en la membrana interna mitocondrial, muy cerca de donde se realiza la respiración celular y donde ocurre la producción de sustancias reactivas de oxígeno. Además el ADNmt no tiene mecanismos de defensa como la cubierta de histonas que protege al ADN nuclear (1, 6, 12, 14). El daño al ADNmt es mucho mayor que al ADN nuclear (13, 15, 16), se caracteriza por la presencia de mutaciones puntuales, modificaciones y deleciones (17) y no se repara o diluye con cada división celular sino que se mantiene, afectando el proceso de respiración celular. Se ha estimado que el ADN podría recibir unos 10 000 daños oxidativos por día los cuales son en parte bloqueados por moléculas antioxidantes. Los niveles de enzimas antioxidantes que normalmente eliminan estos radicales disminuyen con la edad lo que produce un aumento de la concentración de radicales libres (12). Estudios en cerebros de ratones y humanos envejecidos han demostrado la acumulación del daño oxidativo en proteínas y lípidos de membrana (15).El daño mitocondrial se ha asociado a múltiples signos de envejecimiento como pérdida de la memoria, visión, audición y fuerza (1). Además de varias enfermedades del sistema nervioso como la esclerosis lateral amiotrófica familiar (18), el Parkinson, Alzheimer y varios padecimientos musculares (6, 17), también síndromes de envejecimiento prematuro como el Hutchinson-Gilford, Werner, Down, Rothmund-Thompson y ataxia telangiectasia (1, 20, 21).
En 1969 la teoría del envejecimiento celular causado por efecto de los radicales libres tomó importancia con el descubrimiento de la superóxido dismutasa (SOD), enzima que elimina el superóxido (9). La SOD convierte el radical superóxido en peróxido de hidrógeno (H2O2) que luego con la ayuda de la catalasa es convertido en oxígeno molecular O2 y agua. La disminución en la función de estas enzimas que nos protegen del daño oxidativo aumenta con la edad lo que correlaciona con el aumento del daño en el ADNmt (8). Actualmente sabemos que enzimas como la SOD, catalasa, glutathione peroxidasa y glutathione reductasa previenen el daño celular por radicales libres (1, 4).
Modelos animales
El uso de modelos de experimentación usando invertebrados transgénicos demostró que la protección fisiológica por enzimas que eliminan a los radicales libres estaba directamente relacionado con la sobrevida de los individuos (3, 4). Una mutación en un gen individual llamado age-1 fue capaz por primera vez de prolongar la sobrevida normal de 20 días del nemátodo Caenorabditis elegans en un 65% y en forma dramática se probó la importancia de la genética en el proceso del envejecimiento (2, 22). La importancia de los genes que regulan el proceso del envejecimiento radica en la capacidad de codificar enzimas que mantienen o reparan los daños producidos en la célula durante los procesos metabólicos normales (2, 23). Se comprobó que el gen age-1 es un regulador de los genes de la respuesta al daño oxidativo, haciendo que la fisiología celular se dedique al mantenimiento molecular (1, 2, 23). Age-1 produce un aumento en la actividad de las enzimas Cu y Zn superóxido dismutasa y catalasa que confieren protección del el H2O2 (2, 23). Se ha logrado también aumentar la sobrevida de C. elegans en un 44% mediante el aumento funcional de la actividad dismutasa/catalasa y reparar o normalizar la sobrevida de nemátodos prematuramente envejecidos hasta en un 67% mediante el mismo procedimiento, lo que sugiere que la sobrevida puede ser sujeta a manipulación farmacológica (3, 4).
Trabajos de ingeniería genética en moscas de la fruta, Drosophila melanogaster produciendo una proteína que activa la SOD y una catalasa han prolongado la sobrevida en un 48% (9). Se ha logrado equipar moscas con genes extra de SOD que han aumentado en un tercio la sobrevida de estos animales (11). Generando Drosophilas transgénicas que expresan un gen humano SOD1, en las motoneuronas se logró mejorar la resistencia a radicales libres y aumentar la sobrevida en un 40% (18). Ratones transgénicos deficientes en SOD2 mitocondrial fallecían en la primera semana de vida sugiriendo una relación importante con la producción de radicales libres de oxígeno en la mitocondria (4).
Restricción calórica
La restricción calórica (RC) es el único método que aumenta la sobrevida en roedores y atenúa el desarrollo de cambios patológicos y biológicos asociados con el envejecimiento debido a la reducción en la producción de radicales libres en la mitocondria y por lo tanto una reducción en el daño oxidativo (1, 11, 14, 24 -32). La teoría la RC propone que la reducción en la cantidad de glucosa disponible por las células y la cantidad de oxígeno requerida para que la mitocondria realice la fosforilación oxidativa produce una menor liberación de radicales libres. Además este proceso induce la producción de enzimas neutralizadoras (antioxidantes) de estos radicales (14).
En ratones a los cuales se les redujo la ingesta a un 40% de calorías se logró aumentar la sobrevida en un 30-40% y reducir los cambios asociados al envejecimiento, como la reducción de la masa muscular y su función. También se demostró una reducción en el daño a proteínas y lípidos mitocondriales del músculo por reducción de la producción de radicales libres (32). Utilizando ratas sometidas a RC se demostró una reducción del 50% en la producción de radicales libres en células hepáticas comparado con rata alimentadas ad libitum (26).
En monos rhesus a los que se les sometió a una RC del 30% de la ingesta normal cuando tenían 10 años de edad se notó al igual que en roedores una disminución de los niveles de glucosa e insulina, aumento de la sensibilidad a insulina y disminución de la temperatura basal (24). Aunque hasta el momento los cambios observados en primates son similares a los observados en las especies menores, para poder determinar si la RC va a prolongar la sobrevida en primates debemos esperar a la finalización del estudio en el año 2020 (24, 29). ]]>
Ahora sabemos que los daños en el ADNmt son acumulativos en el tiempo y son producidos por el efecto oxidativo de los radicales libres (16). Se ha demostrado que el tratamiento con moléculas antioxidantes protege del daño oxidativo al ADNmt y de esta forma el envejecimiento mitocondrial podría ser prevenido por antioxidantes (4, 16). Existen antioxidantes intrínsecos como la bilirrubina, el ácido úrico, proteínas con grupos SH- y glutathion, además de antioxidantes extrínsecos como: la vitamina C, E, carotenoides y flavonoides (1). Aumentando los antioxidantes endógenos o disminuyendo la producción de radicales libres mediante RC se puede aumentar la sobrevida en modelos animales (27). Sin embargo, el aporte de antioxidantes externos para el aumento de la sobrevida (como lo pregonan las empresas farmacéuticas) no tiene actualmente una evidencia experimental fuerte (33).Vida normal (satisfactoria) o restricción calórica (hambre).
En humanos la RC implica una reducción de la ingesta del 30-50% de las calorías normalmente ingeridas (1 500 cal/d distribuidas en 4 pequeñas comidas). Este régimen implica sufrir constantemente de hambre, ser flaco e hipotérmico. Muy pocas personas tienen el perfil psicológico para soportar este estado. Sin embargo, los nutricionistas aclaran que se trata de una subnutrición sin desnutrición (14). Se ha demostrado que la RC reduce la frecuencia de enfermedades asociadas con el envejecimiento como las cardiopatías, nefropatías, cataratas, Parkinson, Alzheimer, diabetes y cáncer (14). Sin embargo, es imposible todavía afirmar con los datos experimentales obtenidos en pequeñas especies, que esto pueda ser aplicable a seres humanos y las conclusiones de los experimentos en primates todavía deben esperar. Tratando de encontrar poblaciones humanas sometidas a RC en forma natural se descubrió que los habitantes de la isla Okinawa en Japón tienen una ingesta calórica del 70% del resto de la población japonesa y característicamente esta población tiene 40 veces más individuos mayores de 100 años de edad que el resto del país (14). ¿Será ésta la prueba que andamos buscando?
La principal explicación del funcionamiento de la hipótesis de la RC es la reducción del daño oxidativo, el cual a su vez es la principal causa del envejecimiento. Este concepto genera una gran paradoja: requerimos del oxígeno para convertir la glucosa en energía pero los efectos secundarios del metabolismo oxidativo producen daño celular y enfermedades (envejecimiento) y finalmente la muerte. Debemos ser flacos, hambrientos, hipotérmicos, ingerir grandes cantidades de vitaminas y antioxidantes para ser longevos o alimentarnos normalmente, vivir felices y durar en el mejor de los casos 85 años.
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1 Unidad de Microscopia Electrónica, Universidad de Costa Rica. ]]>
2 Departamento de Fisiología, Escuela de Medicina, Universidad de Costa Rica.* Dirigir correspondencia a: Unidad de Microscopia Electrónica, Universidad de Costa Rica, CP 2060 San Pedro de Montes de Oca, Costa Rica. Fax: (506) 207 3182. E-mail: efreer@cariari.ucr.ac.cr ]]>