El daño al ADN causado por radicales libres puede ocurrir como resultado de la exposición a la radiación ionizante o a compuestos radiomiméticos [1] . El daño al ADN como resultado del ataque de radicales libres se denomina daño indirecto al 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 que no están expuestas a la luz solar. El ADN es vulnerable al ataque de radicales debido a los hidrógenos muy lábiles que se pueden extraer y a la prevalencia de enlaces dobles en las bases del ADN a las que los radicales libres pueden agregarse 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 al ADN celular es causado por radicales hidroxilo [3] , sin embargo, los radicales hidroxilo son tan reactivos que solo pueden difundirse uno o dos diámetros moleculares antes de reaccionar con los componentes celulares. Por lo tanto, los radicales hidroxilo deben formarse inmediatamente adyacentes a los ácidos nucleicos para poder reaccionar. La radiólisis del agua crea peróxidos que pueden actuar como formas latentes y difundibles de radicales hidroxilo. Algunos iones metálicos en la proximidad del ADN generan los radicales hidroxilo a partir del peróxido [4] .
Se cree que el daño que los radicales libres causan al ADN causa mutaciones que pueden conducir a algunos tipos de cáncer.
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 a través de 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 solo electrón.
La creación de radicales hidroxilo por catálisis de hierro (II) es importante porque el hierro (II) se puede encontrar coordinado con el ADN y, por lo tanto, en estrecha proximidad a él. Esta reacción permite que el peróxido de hidrógeno creado por radiólisis del agua se difunda al núcleo y reaccione con el hierro (II) para producir radicales hidroxilo, que a su vez reaccionan con el ADN. La ubicación y la unión del hierro (II) al ADN pueden 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, el tipo I y el tipo II. Los oxidantes del tipo I son moderadamente sensibles a los peróxidos y al etanol. [5] Los oxidantes del tipo I y del tipo II se escinden preferentemente en las secuencias específicas. [5]
Los radicales hidroxilo pueden atacar la cadena principal y las bases del ADN desoxirribosa, causando potencialmente una plétora de lesiones que pueden ser citotóxicas o mutagénicas . Las células han desarrollado mecanismos de reparación complejos y eficientes para arreglar las lesiones. En el caso del ataque de radicales libres al ADN, la reparación por escisión de bases es el mecanismo de reparación utilizado. Las reacciones de radicales hidroxilo con la cadena principal del azúcar desoxirribosa se inician por la abstracción de hidrógeno de un carbono de desoxirribosa, y la consecuencia predominante es la rotura final de la cadena y la liberación de bases. El radical hidroxilo reacciona con los diversos 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 solvente 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 encuentran 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 fracciones de base no causan azúcares alterados o roturas de cadena excepto cuando las modificaciones labilizan el enlace N-glicosilo, lo que permite la formación de sitios sin base que están sujetos a beta-eliminación.
La abstracción de hidrógeno del carbono 1'-desoxirribosa por el radical hidroxilo crea un radical 1'-desoxirribosilo. El radical puede entonces 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. Por lo tanto, 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 al ADN de manera similar a la exposición a la radiación. [9] Los compuestos radiomiméticos inducen roturas de doble cadena en el ADN a través de ataques de radicales libres altamente específicos y concertados sobre las fracciones de desoxirribosa en ambas cadenas de ADN. [10]
Muchos compuestos radiomiméticos son enediinas , que experimentan la reacción de ciclización de Bergman para producir un dirradical 1,4-dideshidrobenceno . El dirradical 1,4-dideshidrobenceno es altamente reactivo y extraerá hidrógenos de cualquier posible donador de hidrógeno.
En presencia de ADN, el dirradical 1,4-dideshidrobenceno abstrae hidrógenos de la cadena principal del azúcar desoxirribosa, predominantemente en las posiciones C-1', C-4' y C-5'. La abstracción de hidrógeno provoca la formación de radicales en el carbono reaccionado. El radical de carbono reacciona con el oxígeno molecular, lo que conduce a una ruptura de la cadena de ADN a través de una variedad de mecanismos. [11] El 1,4-dideshidrobenceno puede posicionarse de tal manera que puede abstraer hidrógenos proximales de ambas cadenas de ADN. [12] Esto produce una ruptura de doble cadena en el ADN, que puede conducir a la apoptosis celular si no se repara.
Las enediinas generalmente experimentan la ciclización de Bergman a temperaturas superiores a los 200 °C. Sin embargo, la incorporación de la enediina en un hidrocarburo cíclico de 10 miembros hace que la reacción sea más favorable termodinámicamente al liberar la tensión del anillo de los reactivos. Esto permite que la ciclización de Bergman ocurra a 37 °C, la temperatura biológica de los humanos. Se ha descubierto que las moléculas que incorporan enediinas en estas estructuras de anillo más grandes son extremadamente citotóxicas . [13]
Las enediinas están presentes en muchos productos naturales complejos. Se descubrieron originalmente a principios de la década de 1980 durante una búsqueda de nuevos productos anticancerígenos producidos por microorganismos. [12] La caliqueamicina fue uno de los primeros productos de este tipo 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 a través de la formación de 1,4-didehidrobenceno a partir del componente enediina 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, [14] en la mayoría de los casos al surco menor de la doble hélice. Además, parte de la molécula se conoce como el “gatillo” que, en condiciones fisiológicas específicas, activa la enediina, conocida como la “ojiva” y se genera 1,4-dideshidrobenceno.
Desde entonces se han identificado tres clases de enediinas: caliqueamicina, dinemicina y productos basados en 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. [12]
La caliqueamicina y la esperamicina, estrechamente relacionada , se han utilizado como fármacos contra el cáncer debido a su alta toxicidad y especificidad. [12]
La dinemicina y sus parientes se caracterizan por la presencia de un núcleo de antraquinona y enediina. El componente de antraquinona permite la unión específica del ADN en el lado 3' de las bases de purina a través de la 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 . [15] Este compuesto también ha encontrado prominencia como agente antitumoral. [15]
Las cromoproteínas enediinas se caracterizan por un cromóforo inestable enediina unido a una apoproteína .
El cromóforo no reacciona cuando está unido a la apoproteína. Al liberarse, reacciona para formar 1,4-didehidrobenceno y, posteriormente, escinde el ADN.
La mayoría de las enediinas, incluidas las mencionadas anteriormente, se han utilizado como potentes antibióticos antitumorales debido a su capacidad para escindir eficazmente el ADN. 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. [14] Se ha demostrado que son especialmente útiles para tratar la leucemia mieloide aguda . [16]
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. [17]
El mecanismo de los radicales libres para tratar ciertos tipos de cáncer se extiende más allá de las enediinas. La tirapazamina genera un radical libre en condiciones anóxicas en lugar del mecanismo desencadenante de una enediina. El radical libre luego continúa cortando el ADN de una 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 [18] [19]