La Vitamina C o Ácido Ascórbico: Un antioxidante diseñado para proteger a las células aerobias
José A. Hernández Cortés y Pedro Díaz-Vivancos. Grupo de Biotecnología de Frutales, CEBAS-CSIC, Murcia
En 1912, ya postulada la hipótesis de la vitamina (del latín vita: vida y amina: compuesto de nitrógeno) (Funk, 1912), se estableció que el escorbuto era una enfermedad causada por la falta en la dieta de un compuesto desconocido soluble en agua. Veinte años más tarde, en 1932, el equipo de investigación Húngaro de Svirbely y Szent-Györgyi, descubrieron una nueva molécula de azúcar de 6 carbonos con función desconocida que denominaron ácido hexurónico. Poco después y debido a su actividad contra el escorbuto, el ácido hexurónico de identificó como vitamina C o ácido ascórbico (Svirbely y Szent-Györgyi, 1932), demostrando que el ácido ascórbico (ASC) y la vitamina C eran la misma molécula. En 1959 el bioquímico americano JJ Burns demostró que la susceptibilidad al escorbuto, en aquellos mamíferos que lo sufrían, era debido a su incapacidad para producir la enzima L-Gulono-1,4-lactona oxidasa, implicada en la síntesis del ASC en el hígado a partir de la glucosa (Fig 1).
Fig 1
Biosíntesis del Ácido Ascórbico (ASC)
Todas las especies vegetales y todos los tipos celulares de plantas estudiados hasta la fecha son capaces de sintetizar ASC. El conocimiento de la biosíntesis del ASC es de gran interés por dos motivos fundamentales:
Es un componente clave del sistema antioxidante de las plantas, y éstas son la principal fuente de vitamina C en la dieta humana (Smirnoff et al., 2001).
Los reptiles y las órdenes más antiguas de aves sintetizan el ácido ascórbico en los riñones. Las órdenes recientes de aves y la mayor parte de mamíferos sintetizan el ácido ascórbico en el hígado, donde la enzima L-Gulono-1,4-lactona oxidasa (GulLO) cataliza la última reacción de la síntesis de ácido ascórbico a partir de la glucosa. Los humanos, algunos otros primates, los conejillos de indias, ciertas especies de aves y los peces teleósteos no son capaces de sintetizar la GulLO debido a una mutación en el gen que la codifica, y son por tanto incapaces de fabricar ácido ascórbico en el hígado. La mutación no es letal para el organismo, debido a que la vitamina C es abundante en los alimentos frescos.
En plantas superiores, la biosíntesis del ASC tiene lugar mediante la ruta D-manosa/L-galactosa o ruta de Smirnoff-Wheeler (Wheeler et al., 1998) (Fig. 2). En esta ruta la D-manosa es transformada a L-galactosa, la cual es oxidada hasta L-galactono-1,4-lactona que es convertida en ASC por la acción de la enzima L- galactono-1,4-lactona deshidrogenasa (L-GalLDH), localizada en la membrana interna de la mitocondria. Esta reacción usa citocromo c de la cadena de transporte electrónico como aceptor final (Bartoli et al., 2000)
Sin embargo, se han descrito otras rutas alternativas para la síntesis del ASC: la ruta de la L-gulosa, la ruta del mio-inositol y la ruta del ácido D-galacturónico (Fig. 2).
Figura 2.- Rutas de biosíntesis del ASC en plantas: (1) Ruta de Smirnoff-Wheeler pathway, (2) Ruta de la L-gulosa, (3) Ruta del Mioinositol (4) Ruta del ácido D-galacturónico. (Reproducido de Venkatesh y Park 2014).
Funciones del ASC en las plantas
El ASC está considerado como una molécula multi-función. Es el principal antioxidante presente en las células vegetales cumpliendo una función vital en la eliminación de especies reactivas del oxígeno (ROS) mediante una detoxificación tanto enzimática como no enzimática. Además, actúa como una molécula señalizadora en numerosos procesos, incluyendo la división y expansión celular, el metabolismo de la pared celular, la formación de meristemos apicales, el crecimiento de la raíz, la fotosíntesis, la regulación de la floración o de la senescencia vegetal, y en respuestas de defensa frente a situaciones de estrés ambiental. Todas estas funciones pueden estar relacionadas por su función como cofactor de numerosos procesos enzimáticos en plantas.
En este sentido, numerosas enzimas requieren ASC como cofactor para su actividad catalítica (de Tullio et al., 2003; Gest et al., 2013):
1- La Ascorbato Peroxidasa (APX) es probablemente la enzima más conocida debido a su capacidad para usar ASC específicamente en la eliminación del agua oxigenada (H2O2). Además en ASC puede reaccionar con ROS como el H2O2, el radical superóxido (O2.-) y el radical hidroxilo (.OH).
2- Es cofactor de muchas dioxigenasas dependientes de oxiácidos, que catalizan la incorporación del O2 a sustratos orgánicos. Este tipo de dioxigenasas comparten un mecanismo catalítico común que requiere de forma específica ASC, Fe2+ y 2-oxoglutarato (Prescot y John, 1996). Entre estas enzimas se incluyen:
- Peptidil-prolil-4-hidroxilasa (P4H) implicada en la síntesis de colágeno en animales y de la hidroxilación de la prolina en plantas para ña síntesis de glicoproteíans ricas en hidroxiprolina.
- Flavona sintasa y flavonona 3β-hidroxilasas, implicadas en la síntesis de flavonoides.
- GA 13-hidroxilasa, GA 20-0xidasa, GA 3β-hidroxilasa, GA 2β-hidroxilasa y GA 3-oxidasa, implicadas en el metabolismo de las giberelinas (GAs)
- 9-cis-epoxicarotenoide dioxigenasas (conocidas como NECDs) implicada en el paso clave de la biosíntesis del ácido abcísico (ABA).
- 1-aminociclopropano-1-carboxilato oxidasa (ACCO), la enzima que cataliza el último paso de la biosíntesis del etileno.
- Violaxantina de-epoxidasa, en el ciclo de las xantofilas (Fig 3). Este ciclo permite la disipación de energía luminosa como calor en condiciones de alta intensidad luminosa con el fin de proteger la maquinaria fotosintética en condiciones de estrés lumínico (el denominado quenching no fotoquimico).
Fig.3. Ciclo de las Xantofilas. La interconversión entre violaxantina y zeaxantina (a través de la anteroxantina) es importantísimo en la fotoprotección de las plantas, y se ha demostrado una función importante en la disipación de energía en forma de calor bajo condiciones de alta intensidad luminosa (Demmig-Adams y Adams 1992). Esta disipación de energía se determina como quenching no fotoquímico (NPQ), considerado como un marcador del exceso de energía de excitación (Maxwell y Johnson, 2000). (Reproducido de Taiz y Zieger 2010).
Regeneración del ASC
La oxidación del ASC da lugar a un radical libre tipo semiquinona, el radical libre ascorbato también denominado monodeshidroascorbato (MDHA). El MDHA puede desproporcionarse y producir una molécula de ASC y una molécula de ácido deshidroascórbico (DHA). El DHA puede transformarse de forma no enzimática en ácido 2,3-dicetogulónico, que no puede ser reciclado hasta ASC, siendo catabolizado posteriormente por la célula.
El MDHA es reciclado hasta ASC por acción de la enzima Monodeshidroascorbato reductasa (MDHAR), que usa NAD(P)H como poder reductor, mientas que el DHA es reducido a ASC por acción de la enzima Deshidroascorbatoreductasa (DHAR) en una reacción dependiente de glutatión reducido (GSH). Estas enzimas, junto con la APX y la Glutatión reductasa (GR), enzima que recicla el GSH, forman parte del denominado Ciclo ASC-GSH (o ciclo Halliwell-Asada-Foyer), cuya función es la de eliminar el H2O2 y regenerar los antioxidantes ASC y GSH (Fig 4) (Foyer y Halliwell, 1976; Asada 1999).
Fig. 4. Ciclo Ascorbato-Glutatión (ASC-GSH) presente en diferentes compartimentos celulares en células vegetales.
Referencias
- Asada K (1999) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 50: 601-639.
- Bartoli et al (2000) Plant Physiol. 123: 335-344.
- Burns J.J. (1959) Amer. J. Med. 26:740-748.
- Demmig-Adams B, Adams III WW (1992) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 43: 599–626.
- Foyer y Halliwell (1976) Planta 133: 21–2.
- Funk C (1912) J. State Med. 20:341-368.
- Maxwell y Johnson (2000) J. Exp. Bot. 51: 659-668.
- Prescot y John (1996) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 47: 245-271.
- Venkatesh y Park (2014) Botanical Studies 55:38.
- Smirnoff et al., (2001) Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 52:437–67
- Svirbely y Szent-Györgyi (1932) Nature 129: 576
- Taiz y Zieger. Plant Physiology, fifth edition. Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA, USA. ISBN 978-0-87893-866-7
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