Rebeldía en la célula: los radicales libres

Las reacciones bioquímicas propias del metabolismo y nuestra exposición al medio ambiente son factores que propician la producción de radicales libres. Estas especies químicas se encuentran en un estado de rebeldía continuo y viajan por el cuerpo sometiendo a nuestras células a un ataque constante, cuyo resultado puede derivar en enfermedades importantes.

La estructura electrónica de los átomos

Para llegar al concepto de radical libre, antes que nada, es necesario hacer algunos recordatorios de la Química más elemental, empezando por el mismísimo átomo, la unidad básica de toda materia. El átomo implica un núcleo, formado por neutrones y protones, y uno o más electrones “orbitando” a su alrededor en diferentes capas. Se disponen con prioridad en la capa más cercana al núcleo hasta que se satura y empiezan a llenar otras más externas. Pero las capas no soportan cualquier número de electrones, sino que la capa más interna se completa con solo dos electrones, la segunda capa con ocho, la tercera con dieciocho y sigue como se puede observar a continuación:

1ª Capa (K) hasta 2 electrones

2ª Capa (L) hasta 8 electrones

3ª Capa (M) hasta 18 electrones

4ª Capa (N) hasta 32 electrones

5ª Capa (O) hasta 50 electrones

6ª Capa (P) hasta 72 electrones

7ª Capa (Q) hasta un máximo de 98 electrones.

El átomo de magnesio (Mg), por ejemplo, consta de doce electrones: dos en la primera capa (completa), ocho en la segunda capa (completa) y dos en la tercera capa (incompleta). La última capa en la que hay algún electrón se conoce como capa de valencia.

Figura 1: Modelo atómico del magnesio.

El número de electrones de la capa de valencia (dos en el caso del Mg) determinará las propiedades químicas del átomo, ya que son los responsables de que éstos puedan unirse para formar compuestos, es decir, son los responsables de que ocurran las reacciones químicas tradicionales (no las nucleares).

Rebeldes con causa: la estabilidad atómica

Cuando la capa de valencia de un átomo está completa se dice que el átomo es estable, o inerte, porque no reacciona con nada, se encuentra cómodo. Tales son los casos de los átomos de helio (He, 2 electrones) o neón (Ne, 10 electrones). Si por el contrario, la capa de valencia está incompleta (como se vio para el Mg), el átomo es químicamente inestable, no está en una situación cómoda y buscará completar la capa de valencia con el número máximo de electrones permitido. ¿Y cómo hacen esto? Tenderá lazos con otros átomos hasta satisfacer sus condiciones de máxima estabilidad. Para ello, el átomo cederá, aceptará o compartirá electrones con otros átomos para formar enlaces.

El enlace típico de los compuestos orgánicos, aquellos que forman parte del mundo vivo, es el enlace covalente. Tal enlace es el resultado de compartir uno o más pares de electrones por parte de los átomos involucrados, es decir, un electrón de un átomo encuentra su pareja en otro átomo diferente. El resultado es la formación de un enlace entre los átomos.

Figura 2: Un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno forman dióxido de carbono (CO₂) mediante la compartición de cuatro pares de electrones.

En muchos ámbitos de la química hay una fuerte tendencia a encontrar los electrones a pares (ver Figura 2), aunque también es posible que aparezca solo uno en la capa de valencia, como electrones no apareados. Esto es muy común en átomos aislados, de hecho, en los metales de transición, los que están situados en la parte central de la tabla periódica, es fácil encontrar sistemas con electrones desapareados y que sean estables, tanto en estado elemental como en óxidos o compuestos más complejos. En cualquier caso, los electrones sin emparejar proporcionan al compuesto en cuestión propiedades magnéticas y generalmente alteran sus propiedades ópticas.

Comienza la revuelta

Sin embargo, esto es relativamente infrecuente cuando átomos con electrones desapareados se encuentran formando compuestos en sistemas orgánicos. Estas especies químicas son las que se conocen como radicales libres y son muy inestables: reaccionan rápidamente con otros compuestos, tratando de capturar el electrón necesario para completar su capa de valencia y así ganar la estabilidad deseada.

Actualmente en Química, el término radical se usa sin el “apellido” libre, ya que se considera innecesario. En cuanto a su nomenclatura, suele usarse el grupo funcional en el que se encuentra el electrón desapareado añadiéndole el sufijo –ilo y se denota con un punto, simulando a dicho electrón ― radical metilo (•CH₃), radical hidroxilo (•OH), Radical Barbatilo :D… ―.

En general, los radicales atacan ávidamente a las moléculas estables más cercanas y les "roban" un electrón. Cuando la molécula atacada pierde su electrón, se convierte, por lo tanto, en un radical libre, se desestabiliza y se produce una reacción en cadena. Esa molécula, a continuación, toma un electrón de otra molécula y así sucesivamente. El peligro de los radicales reside precisamente en este efecto dominó, que con el tiempo puede alterar y dañar la célula al completo.

Los radicales están asociados con enfermedades, incluyendo el cáncer, la aterosclerosis, el Alzheimer y el Parkinson, entre otros. También se les han relacionado con el envejecimiento, definido por algunos investigadores como una acumulación gradual de radicales libres. Sin embargo, a pesar de su mala fama, son esenciales para la vida, ya que la capacidad de nuestro cuerpo para convertir el aire y los alimentos en energía depende de otras reacciones en cadena en las que participan radicales libres.

Figura 3: A través de esta concatenación de reacciones, que tiene lugar en las mitocondrias de nuestras células, se genera la mayor parte de la energía que necesitamos. En rojo se muestran los radicales producidos durante el proceso.

Algunos radicales surgen de forma natural como productos de desecho durante las diversas reacciones químicas que tienen lugar durante el metabolismo de nuestras células. A veces, nuestro sistema inmunológico también los fabrican a propósito para neutralizar virus y bacterias. Sin embargo, los factores ambientales tales como la contaminación o la radiación también pueden generarlos.

Los radicales o prorradicales más abundantes y reactivos en los sistemas biológicos son el oxígeno molecular (O₂) y productos derivados de él (en rojo en la Figura 3), como el anión superóxido (∙O₂^-), peróxido de hidrógeno (H₂O₂) y radical hidroxilo (∙HO), conocidos como especies reactivas de oxígeno (ROS). Y debido a que su formación es inherente al metabolismo celular, es necesario controlarlos.

Sofocando la rebelión

Para sofocar esta rebelión química existen unas fuerzas especiales de élite, los antioxidantes, unas moléculas que mantienen a los radicales bajo control, impidiendo que roben electrones y causen daños celulares. Son capaces de proporcionar un electrón a un radical sin llegar a ser ellos mismos desestabilizados, deteniendo así la reacción en cadena.

Figura 4: Descripción gráfica del modo de actuación de los radicales ― robando electrones a átomos estables ― y los antioxidantes ― proporcionando electrones a los radicales ―.

Nuestro cuerpo produce algunos antioxidantes por sí mismo, siendo las vitaminas C y E los más abundantes, pero a veces en cantidades insuficientes. Cuando los radicales superan las defensas antioxidantes se produce el llamado estrés oxidativo y se producen daños celulares a nivel de los lípidos de la membrana (alterando lo que entra y sale de la célula), de las proteínas (disminuyendo total o parcialmente sus funciones) o del ADN (haciendo que nuestras nuevas células crezcan de forma incorrecta).

No existen síntomas de estrés oxidativo oficialmente reconocidos, sin embargo, algunos pueden ser fatiga, dolores de cabeza, sensibilidad al ruido, pérdida de memoria, confusión mental, dolor muscular y articular, aparición de arrugas y canas, problemas de visión o deterioro del sistema inmunitario.

Los antioxidantes también pueden ser adquiridos a través de la dieta. Especialmente son ricos en antioxidantes las frutas y las verduras: bayas, tomates, zanahorias, brócoli, espinacas, nueces y el té verde son algunos ejemplos. El ejercicio físico practicado de forma regular también parece reducir el estrés oxidativo. Entre los antioxidantes más conocidos se incluyen β-caroteno, luteína, resveratrol, tocoferol, manitol, ácido úrico y melatonina.

El origen de Radical Barbatilo

Una vez que ya sabemos qué es un Radical desde el punto de vista químico, ya podéis imaginar de dónde viene el nombre de este blog y del electrón que se puede apreciar en el logo actual y en el anterior (la bolita azul). Lo de Barbatilo, evidentemente, viene de esa especie de vergel que hay al sur de España, del que tengo el privilegio de proceder, y al que a todos os recomiendo visitar, al menos, una vez en la vida.

Figura 5: Logo anterior de Radical Barbatilo.

Por Jesús Gil @JGilMunoz 

FUENTES

• Rahman, K. Studies on free radicals, antioxidants, and co-factors. Clin Interv Aging. 2007 Jun; 2(2): 219–236.
• Lobo, V., Patil, A., Phatack, A. y Chandra, N. Free radicals, antioxidants and functional foods: Impact on human health. Pharmacogn Rev. 2010 Jul-Dec; 4(8): 118–126.
• Nimse, SB y Palb D. Free radicals, natural antioxidants, and their reaction mechanisms. RSC Adv., 2015, 5, 27986-28006.
• Imagen de portada: nutritionreview.org.

Este post ha surgido como tarea del curso de Literatura Científica Creativa y participa en la LX Edición del Carnaval de la Química, alojado en el blog Pantomaka.