El daño de los radicales libres al ADN puede ocurrir como resultado de la exposición a radiaciones ionizantes o a compuestos radiomiméticos [1] . El daño al ADN como resultado del ataque de los radicales libres se denomina daño indirecto del ADN porque los radicales formados pueden difundirse por todo el cuerpo y afectar otros órganos. El melanoma maligno puede ser causado por daño indirecto al ADN porque se encuentra en partes del cuerpo no expuestas a la luz solar. El ADN es vulnerable al ataque de los radicales debido a los hidrógenos muy lábiles que pueden extraerse y a la prevalencia de dobles enlaces en las bases del ADN a los que los radicales libres pueden añadir fácilmente . [2]
La radiólisis del agua intracelular mediante radiación ionizante crea peróxidos , que son precursores relativamente estables de los radicales hidroxilo . Entre el 60% y el 70% del daño del ADN celular es causado por radicales hidroxilo, [3] sin embargo, los radicales hidroxilo son tan reactivos que solo pueden difundir uno o dos diámetros moleculares antes de reaccionar con los componentes celulares. Por tanto, para poder reaccionar deben formarse radicales hidroxilo inmediatamente adyacentes a los ácidos nucleicos . La radiólisis del agua crea peróxidos que pueden actuar como formas latentes y difusos de radicales hidroxilo. Algunos iones metálicos cercanos al ADN generan radicales hidroxilo a partir del peróxido. [4]
Se cree que el daño de los radicales libres al ADN causa mutaciones que pueden provocar algunos cánceres.
La reacción de Fenton da como resultado la creación de radicales hidroxilo a partir de peróxido de hidrógeno y un catalizador de hierro (II). El hierro (III) se regenera mediante la reacción de Haber-Weiss . Los metales de transición con un sitio de coordinación libre son capaces de reducir los peróxidos a radicales hidroxilo. [1] Se cree que el hierro es el metal responsable de la creación de radicales hidroxilo porque existe en la concentración más alta de cualquier metal de transición en la mayoría de los organismos vivos. [5] La reacción de Fenton es posible porque los metales de transición pueden existir en más de un estado de oxidación y sus electrones de valencia pueden estar desapareados, lo que les permite participar en reacciones redox de un electrón.
La creación de radicales hidroxilo mediante catálisis de hierro (II) es importante porque el hierro (II) se puede encontrar coordinado con el ADN y, por lo tanto, muy cerca de él. Esta reacción permite que el peróxido de hidrógeno creado por la radiólisis del agua se difunda hacia el núcleo y reaccione con el hierro (II) para producir radicales hidroxilo, que a su vez reaccionan con el ADN. La ubicación y unión del hierro (II) al ADN puede desempeñar un papel importante en la determinación del sustrato y la naturaleza del ataque radical al ADN. La reacción de Fenton genera dos tipos de oxidantes, Tipo I y Tipo II. Los oxidantes tipo I son moderadamente sensibles a los peróxidos y al etanol. [5] Los oxidantes de tipo I y tipo II se escinden preferentemente en secuencias específicas. [5]
Los radicales hidroxilo pueden atacar la columna vertebral y las bases del ADN de desoxirribosa, causando potencialmente una gran cantidad de lesiones que pueden ser citotóxicas o mutagénicas . Las células han desarrollado mecanismos de reparación complejos y eficientes para reparar las lesiones. En el caso del ataque de radicales libres al ADN, el mecanismo de reparación utilizado es la reparación por escisión de bases . Las reacciones de los radicales hidroxilo con la estructura principal del azúcar desoxirribosa se inician mediante la extracción de hidrógeno de un carbono de desoxirribosa, y la consecuencia predominante es la eventual rotura de la cadena y la liberación de bases. El radical hidroxilo reacciona con los distintos átomos de hidrógeno de la desoxirribosa en el orden 5′ H > 4′ H > 3′ H ≈ 2′ H ≈ 1′ H. Este orden de reactividad es paralelo a la exposición al disolvente de los hidrógenos de la desoxirribosa. [6]
Los radicales hidroxilo reaccionan con las bases del ADN mediante la adición de enlaces pi ricos en electrones. Estos enlaces pi en las bases se ubican entre C5-C6 de las pirimidinas y N7-C8 en las purinas . [7] Tras la adición del radical hidroxilo, se pueden formar muchos productos estables. En general, los ataques de radicales hidroxilo a las bases no provocan azúcares alterados ni roturas de hebras, excepto cuando las modificaciones tabilizan el enlace N-glicosilo, permitiendo la formación de sitios sin base que están sujetos a eliminación beta.
La extracción de hidrógeno del carbono 1'-desoxirribosa por el radical hidroxilo crea un radical 1'-desoxirribosilo. Luego, el radical puede reaccionar con el oxígeno molecular, creando un radical peroxilo que puede reducirse y deshidratarse para producir una 2'-desoxirribonolactona y una base libre. Una desoxirribonolactona es mutagénica y resistente a las enzimas reparadoras. Así, se crea un sitio abásico. [8]
El daño radical al ADN también puede ocurrir a través de la interacción del ADN con ciertos productos naturales conocidos como compuestos radiomiméticos, compuestos moleculares que afectan el ADN de manera similar a la exposición a la radiación. Los compuestos radiomiméticos inducen roturas de doble cadena en el ADN mediante ataques concertados y altamente específicos de radicales libres contra los restos de desoxirribosa en ambas cadenas de ADN.
Muchos compuestos radiomiméticos son enediinas , que sufren la reacción de ciclación de Bergman para producir un diradical 1,4-dideshidrobenceno . El diradical 1,4-dideshidrobenceno es altamente reactivo y extraerá hidrógenos de cualquier posible donante de hidrógeno.
En presencia de ADN, el diradical 1,4-dideshidrobenceno extrae hidrógenos de la cadena principal del azúcar desoxirribosa, predominantemente en las posiciones C-1', C-4' y C-5'. La extracción de hidrógeno provoca la formación de radicales en el carbono reaccionado. El radical de carbono reacciona con el oxígeno molecular, lo que provoca una rotura de la cadena del ADN a través de diversos mecanismos. [9] El 1,4-dideshidrobenceno es capaz de posicionarse de tal manera que puede extraer hidrógenos proximales de ambas hebras de ADN. [10] Esto produce una rotura de doble hebra en el ADN, que puede provocar apoptosis celular si no se repara.
Los enediynes generalmente sufren la ciclación de Bergman a temperaturas superiores a 200 °C. Sin embargo, la incorporación de la enediina en un hidrocarburo cíclico de 10 miembros hace que la reacción sea más termodinámicamente favorable al liberar la tensión del anillo de los reactivos. Esto permite que la ciclación de Bergman se produzca a 37 °C, la temperatura biológica de los humanos. Se ha descubierto que las moléculas que incorporan enediinas en estas estructuras anulares más grandes son extremadamente citotóxicas . [11]
Los enediynes están presentes en muchos productos naturales complicados. Fueron descubiertos originalmente a principios de la década de 1980 durante la búsqueda de nuevos productos anticancerígenos producidos por microorganismos. [10] La caliqueamicina fue uno de los primeros productos identificados y se encontró originalmente en una muestra de suelo tomada de Kerrville, Texas. Estos compuestos son sintetizados por bacterias como mecanismos de defensa debido a su capacidad para escindir el ADN mediante la formación de 1,4-dideshidrobenceno a partir del componente enediino de la molécula.
La caliqueamicina y otros compuestos relacionados comparten varias características comunes. Las estructuras extendidas unidas a la enediina permiten que el compuesto se una específicamente al ADN, [12] en la mayoría de los casos al surco menor de la doble hélice. Además, parte de la molécula se conoce como “gatillo” que, en condiciones fisiológicas específicas, activa la enediina, conocida como “ojiva” y se genera 1,4-dideshidrobenceno.
Desde entonces se han identificado tres clases de enediinas: caliqueamicina, dinamicina y productos a base de cromoproteínas .
Los tipos de caliqueamicina se definen por un grupo trisulfuro de metilo que participa en la activación de la molécula mediante el siguiente mecanismo. [10]
La caliqueamicina y la esperamicina, estrechamente relacionada, se han utilizado como fármacos anticancerígenos debido a su alta toxicidad y especificidad. [10]
La dinemicina y sus parientes se caracterizan por la presencia de un núcleo de antraquinona y enediino. El componente antraquinona permite la unión específica del ADN en el lado 3' de las bases purínicas mediante intercalación , un sitio que es diferente de la caliqueamicina. Su capacidad para escindir el ADN aumenta considerablemente en presencia de NADPH y compuestos de tiol . [13] Este compuesto también ha encontrado prominencia como agente antitumoral. [13]
Las cromoproteínas enediinas se caracterizan por un cromóforo inestable unido a una apoproteína .
El cromóforo no reacciona cuando se une a la apoproteína. Tras su liberación, reacciona para formar 1,4-dideshidrobenceno y posteriormente escinde el ADN.
La mayoría de los enediinos, incluidos los enumerados anteriormente, se han utilizado como potentes antibióticos antitumorales debido a su capacidad para escindir el ADN de manera eficiente. La caliqueamicina y la esperamicina son los dos tipos más utilizados debido a su alta especificidad al unirse al ADN, lo que minimiza las reacciones secundarias desfavorables. [12] Se ha demostrado que son especialmente útiles para tratar la leucemia mieloide aguda . [14]
Además, la caliqueamicina es capaz de escindir el ADN en bajas concentraciones, demostrando ser hasta 1000 veces más eficaz que la adriamicina para combatir ciertos tipos de tumores. [15]
El mecanismo de los radicales libres para tratar ciertos tipos de cánceres se extiende más allá de los enediynes. La tirapazamina genera un radical libre en condiciones anóxicas en lugar del mecanismo desencadenante de una enediina. Luego, el radical libre continúa escindiendo el ADN de manera similar al 1,4-dideshidrobenceno para tratar las células cancerosas. Actualmente se encuentra en ensayos de Fase III.
La meiosis es una característica central de la reproducción sexual en eucariotas . Se ha planteado la hipótesis de que la necesidad de reparar el daño oxidativo del ADN causado por los radicales libres oxidativos es una fuerza impulsora importante en la evolución de la meiosis [16] [17]