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septiembre 2021

Daños del estrés oxidativo sobre la integridad espermática.

Vet. Arg. – Vol.  XXXVIII – Nº 401 – Septiembre 2021.
Alejando Córdova Izquierdo1, Adrián Emmanuel Iglesias Reyes2, María de Lourdes Juárez Mosqueda3, Juan Eulogio Guerra Liera4, Rubén Huerta Crispín5, Abel E. Villa Mancera5, Armando Gómez Velázquez6, William Méndez Hernández6, Gerardo Cansino Arroyo6 y Raúl Sánchez Sánchez7

Resumen
En este trabajo, se describen los principales daños que el estrés oxidativo puede ocasionar en la integridad espermática, tales como membrana plasmática, mitocondrias, acrosoma y núcleo (ADN).
Palabras clave: Estrés oxidativo, espermatozoides, animales domésticos.

Damages of oxidative stress on sperm integrity.
Summary
In this work, the main damages that oxidative stress can cause to sperm integrity are described, such as plasma membrane, mitochondria, acrosome and nucleus (DNA).
Key words: Oxidative stress, sperm, domestic animals.
1Departamento de Producción Agrícola y Animal. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Xochimilco, Ciudad de México. 2Maestría en Ciencias Agropecuarias. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Xochimilco, Ciudad de México.  3Departamento de Morfología. FMVZ-UNAM. 4Facultad de Agronomía. Universidad Autónoma de Sinaloa, México. 5Faultad de Veterinaria. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México. 6Departamento de Reproducción. INIA. Madrid, España.
acordova@correo.xoc.uam.mx

Antecedentes
En el área de la medicina veterinaria y humana se han descubierto cada vez más agentes que causan enfermedades en el organismo, algunos de ellos derivados de procesos metabólicos del oxígeno, entre los que se encuentran la producción de energía, la detoxificación de compuestos nocivos y la defensa frente a agentes patógenos; dentro de los cuales figuran los radicales libres (RL), que son agentes de oxidación altamente reactivos, que actúan como intermediarios químicos de vida corta sobre lípidos, aminoácidos, carbohidratos y ácidos nucleicos (Mayorga et al., 2015).

Los RL se pueden dividir en: i) Especies Reactivas de Oxigeno (ROS), que son moléculas altamente reactivas que atacan constantemente al organismos mediante reacciones de óxido-reducción, dentro de este grupo se encuentran el oxígeno molecular (O2), el anión superóxido (O21) el peróxido de hidrógeno (H2O2), hidroperoxilo (HO2) y el radical hidroxilo (OH); ii) los metales de transición, que tienen electrones desapareados, pudiendo existir como RL; y, iii) Especies Reactivas de Nitrógeno (ERN), que son capaces de generar daño oxidante y muerte celular, dentro de este grupo se encuentra el óxido nítrico (.NO), anión peroxinitrito (ONOO) y el dióxido nítrico (NO2) (García et al., 2012).

Los RL deben ser atenuados por diferentes sistemas de defensa antioxidante, que involucra enzimas y moléculas; los antioxidantes se dividen en enzimáticos, también llamados de producción endógena, es la primera línea de defensa frente a la producción de RL y son proteínas con capacidad antioxidante que no se consumen al reaccionar con los RL, entre los más importantes de este grupo se encuentran la catalasa, superóxido dismutasa y la glutatión peroxidasa ; y los no enzimáticos que provienen principalmente de la dieta y son pequeñas moléculas liposolubles, que a diferencia de los enzimáticos, se consumen durante su acción antioxidante, por lo que deben ser remplazados, entre los más importantes en este grupo se encuentran la vitaminas E, C, beta carotenos, retinol, ácido úrico, piruvato, albumina, carnitina, taurina, hipotaurina, transferrina, ceruloplasmina, polifenoides, flavonoides y oligoelementos (Gumbao, 2015). Estos sistemas de defensa antioxidante se encuentran enlazados en un sistema amortiguador celular, donde se suman y colaboran entre sí, para hacer frente a cualquier agresión oxidativa en las células, por ejemplo, los antioxidantes no enzimáticos pueden tener efectos sinérgicos en combinación con los antioxidantes enzimáticos, regenerando los antioxidantes enzimáticos mediante la donación de hidrogeno, neutralizando el oxígeno molecular y  catalizando la síntesis o la regeneración de antioxidantes no enzimáticos.

Cuando hay un desequilibrio y la cantidad de RL sobrepasa el balance entre la producción oxidante y la capacidad antioxidante, se genera un fenómeno conocido como estrés oxidante o también llamado estrés oxidativo (EO), el cual tiene consecuencias negativas sobre múltiples procesos celulares, tanto en las hembras como en los machos y por lo tanto efecto negativo en la fertilidad y desempeño reproductivo de los animales (Cota, 2014; Mayorga et al., 2015; Córdova et al., 2018).

Estrés oxidativo en las células espermáticas
Cuando existe EO, las ROS pueden afectar principalmente a los componentes de las células espermáticas (espermatozoides), tales como proteínas, ácidos nucleicos, azúcares y lípidos (Zepeda y Farías, 2013; Mayorga et al., 2015; Córdova et al., 2018).

La mayor parte de las principales enfermedades que provoca la muerte de los animales y personas o deterioran su calidad de vida, son provocadas por los RL. Cada célula del cuerpo padece unos 10,000 impactos de radicales libres al día, por este motivo el EO ha sido objetivo de investigación intensa en años recientes. Las enfermedades crónicas degenerativas que se pueden presentar en los humanos son, entre otras: cáncer, osteoporosis, Alzheimer, diabetes tipo 2, padecimientos neurodegenerativos y enfermedades cardiovasculares como insuficiencia cardiaca (Mayorga et al., 2015).

El espermatozoide fue el primer tipo de célula en la que se pudo identificar la presencia de ROS, ya que hasta hace pocos años, las ROS eran consideradas elementos tóxicos para los espermatozoides; sin embargo, en la actualidad se sabe los RL (principalmente el O2) en bajas concentraciones en el semen, cumplen un papel fundamental en sus funciones biológicas durante la capacitación espermática, la maduración espermática, fosforilación de tirosinas, la interacción intergametos y la reacción acrosomal que se da para la fecundación del ovocito y por lo tanto está relacionado con la fertilidad y desempeño reproductivo, tanto en los humanos como en los animales; estos fenómenos están controlados por mecanismo de defensa de antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos, que cuando se rompe este equilibrio entre los RL y el sistema de defensa antioxidante, se inducen daños en los ácidos nucleicos, las proteínas y los lípidos presentes en la membrana de los espermatozoides,  causando perdida de la movilidad, disminución en la viabilidad y alteraciones en la pieza intermedia, los cuales finalmente producen disminución de la calidad seminal o la muerte espermática (Domínguez et al., 2015; Gumbao, 2015; Mayorga et al., 2015; Paparella et al., 2015; Espinosa y Córdova, 2018). Un ejemplo claro de esto es el óxido nítrico (NO), que tiene una función importante en la fisiopatología espermática, ya que en bajas concentraciones favorece los procesos de capacitación espermática, la reacción acrosomal y la unión a la zona pelucida; sin embargo, en concentraciones elevadas lleva a la formación de peroxinitritos, lo que altera la motilidad del espermatozoide (Espinosa y Córdova, 2018).

Se ha podido observar que en el eyaculado, las principales fuentes de ROS son los leucocitos y las células espermáticas anormales; aunque se han propuesto que existen otras posibilidades sobre la generación de ROS intracelular en el espermatozoide, como es la fuga de electrones de la cadena de transporte mitocondrial, la NADPH oxidasa como una posible fuente de ROS y la generación de RL por medio de óxido nítrico en las regiones post-acrosomales y ecuatoriales, que pueden generar un cambio sobre el estado basal de los agentes oxidantes e inducir cambios sobre la actividad espermática (Mayorga et al., 2015; Córdova et al., 2018).

Estrés oxidativo en la membrana plasmática
La membrana espermática es asimétrica en su estructura y en sus funciones. Está formada por una asociación de fosfolípidos, plasmalógenos y esfingomielinas en equilibrio dinámico con proteínas de membrana haciéndola un blanco fácil de los agentes oxidantes. El colesterol y los fosfolípidos son importantes en el mantenimiento de la integridad estructural de los sistemas de membrana. En particular, la membrana plasmática de los espermatozoides posee gran cantidad de Ácidos Grasos Poliinsaturados (AGP) necesarios para la reacción acrosomal y la interacción con la membrana del ovocito. Por otra parte, el elevado contenido de ácidos grasos poliinsaturados de las membranas plasmáticas de los espermatozoides los torna muy susceptibles a sufrir lipoperoxidación (LP), haciéndola altamente vulnerable al estrés oxidante (Mayorga et al., 2015; Paparella et al., 2015; Córdova et al., 2018; Espinosa y Córdova, 2018)

Las bajas concentraciones de enzimas antioxidantes (catalasas, dismutasas, peroxidasas y glutatión reductasa) en la membrana plasmática también convierte a los espermatozoides en células susceptibles al ataque de los RL (particularmente al ataque del radical hidroxilo OH y del hidroperoxilo (HO2)), sobre todo en la región post acrosomal, ocasionando alteraciones en su permeabilidad (ya que las ROS inducen LP de los fosfolípidos de la membrana, lo que provoca la aparición de “orificios”), afectando a las bombas de Na+ y Ca2+, produciendo que entren estos cationes al interior del espermatozoide, alterando la osmolaridad, lo que causa la formación de fosfatos de calcio pocos solubles, agotamiento del ATP y activación por medio del Ca2+ de enzimas proteolíticas y fosfoglucolipídicas. También daña a las enzimas lactato deshidrogenasa, piruvato cinasa, gliceraldehido 3 fosfato deshidrogenasa, ATPasa; generando la pérdida o reducción en la movilidad, daño proteico y lipídico, alteraciones en el ácido desoxirribonucleico (ADN), anomalías en su morfología, problemas de fertilidad y muerte celular (Paparella et al., 2015, 2017; Córdova et al., 2018).

Estrés oxidativo en las mitocondrias
Las mitocondrias son consideradas una de las principales fuentes celulares de ROS, las cuales se encargan de regular procesos fisiológicos como la transducción de señales intracelulares, la respuesta al estrés oxidante, el desarrollo embrionario, la proliferación y adhesión celular, la expresión genética, y la apoptosis (Mayorga et al., 2015).

En los espermatozoides las mitocondrias proveen la mayor cantidad de ATP, por medio de la glucólisis y fosforilación oxidativa, contribuyendo a la formación de RL durante estos procesos (Vilanova, 2015; Mayorga et al., 2015). Sin embargo, cuando existe interrupción de la cadena respiratoria mitocondrial (durante la congelación), estas son las responsables de la formación y liberación de ROS. Esta interrupción hace que el oxígeno sufra reducciones completas produciendo, en vez de moléculas de agua, moléculas intermedias como el anión superóxido, el radical hidroxilo y el peróxido de hidrogeno, desencadenando un fenómeno similar a la apoptosis, responsable tanto de la muerte de los espermatozoides como de los daños subletales que disminuyen la vida media y la capacidad fecundante de las células (Figura 1) (Ortega, 2011).

La congelación de semen también ejerce un daño importante en las mitocondrias, ya que se ha demostrado que el EO induce daño en el ADN mitocondrial, observándose que el espectro de mutación de dicho ADN, en el espermatozoide puede ser de 10 a 100 veces mayor que al ADN nuclear. Esto se puede explicar por el entrecruzamiento de proteínas ADN que causan los RL, intercambio de cromátidas hermanas, daño a la estructura de la desoxirribosa-fosfato, oxidación de las bases nitrogenadas, conversión de bases (la desaminación de la citosina en uracilo y de la 5- metilcitosina en timidina), aperturas de anillos, liberación de bases y rompimiento de cadenas (una o dos hebras). Lo que conduce directamente a disminución en la fertilidad (Mayorga et al., 2015; Paparella et al., 2015; Yeste et al., 2017; Córdova et al., 2018)

Estrés oxidativo en el acrosoma
El acrosoma también se ve afectado por la acción de los RL durante el transporte de los espermatozoides a través del epidídimo, principalmente por el peróxido de hidrógeno, ya que inhibe la inducción de la reacción acrosomal y daña la integridad del acrosoma, produciendo un mal funcionamiento al momento de la fecundación al ovocito (Córdova, 2010). La integridad acrosomal es de fundamental importancia para capacidad fecundante del espermatozoide, puesto que el acrosoma contiene enzimas que le ayudarán al espermatozoide para atravesar la zona pelúcida del ovocito y no deben ser liberadas antes de la unión ovociot-espermatozoide, de lo contrario la penetración (fecundación) del espermatozoide al ovocito no ocurrirá (Córdova et al., 2018).

Estrés oxidativo en el ADN
Gran parte del daño del ADN en los espermatozoides es generado por el EO. El daño que las ROS ejerce directamente sobre el ADN espermático, pueden inducir mutaciones, afectando la genómica paternal del embrión y puede ser un indicativo de fertilidad masculina (Paparella et al., 2015). Para demostrar esto, en estudios donde los espermatozoides fueron expuestos a altas concentraciones de ROS producidas artificialmente, se pudo observar un incremento significativo en el daño del ADN, disminución en la movilidad espermática y la inducción en procesos apoptóticos (Mayorga et al., 2015). Estos daños en la cromática espermática depende de factores endógenos como en los testículos o el epidídimo (durante la maduración espermática), y exógenos como el daño peroxidativo del ADN, infecciones, factores inmunológicos o diversos agentes químicos; pudiendo estar relacionados con fallas en el empaquetamiento, la madurez nuclear, la fragmentación de la cromatina, aneuploidías o por defectos en la integridad del ADN (Mayorga et al., 2015; Paparella et al., 2015)

En cualquier parte de la espermatogénesis se puede inducir un daño al ADN espermático, que a pesar de ser un fenómeno multifactorial y no estar del todo delimitado, algunos de los factores que pueden producir daño irreversible es la generación de ROS, que proceden de la cadena respiratoria, ya que estas moléculas oxidativas reaccionan con las bases nitrogenadas y con la desoxirribosa, provocando fragmentación de ADN, problemas en la compactación y enrollamiento del ADN dentro de la cromátina, deleciones, mutaciones, translocaciones, degradación de bases púricas o pirimídicas, ruptura de cadenas y entrecruzamientos entre proteínas y ADN. La magnitud del daño inducido por RL durante el tránsito espermático por el epidídimo depende de los niveles de estos producidos por espermatozoides inmaduros, la presencia de células epiteliales o de leucocitos activados en el epidídimo y de los niveles de enzimas antioxidantes presentes en la luz del epidídimo (Córdova, 2010; Paparella et al., 2015; Leyland, 2017; Yeste et al., 2017).

Es importante destacar que principalmente existen dos RL que afecta la hebra de ADN, uno de ellos es el radical OH, que resulta en la formación de 8-OH-guanina y 8-OH-2 deoxiguanosina en un primer estadío, atacando las purinas como las pirimidinas, ocasionando fragmentación del ADN de cadena doble; mientras que el segundo, es el radical O21, que generalmente produce solo aductos de guanina, sobre todo 8-hidroxiguanina, lo que afecta la motilidad espermática (Mayorga et al., 2015; Paparella et al., 2015; Yeste et al., 2017). Si un espermatozoide con fragmentación de ADN de cadena doble logra fecundar un ovocito, es incompatible, pudiendo afectar el desarrollo normal del embarazo (Paparella et al., 2015; Córdova et al., 2018).

Conclusiones
El efecto del EO en las células espermáticas, afecta de manera importante la capacidad fecundante de los espermatozoides, ocasionando infertilidad en los machos y/o bajos parámetros reproductivos en las hembras, por lo que el tema de EO en la capacidad fecundante de los espermatozoides de mamíferos, es de suma importancia en la actualidad. Nuestro equipo de trabajo en la Universidad Autónoma Metropolita Unidad Xochimilco está trabajando en un proyecto sobre el uso de antioxidantes en la conservación del semen de cerdo, cuyo objetivo principal es mitigar los efectos del estrés oxidativo sobre los espermatozoides cuando el semen es conservado en fresco, refrigeración y/o congelación; se han obtenido resultados alentadores (Córdova et al., 2017).

Agradecimientos
Al CONACYT, por el apoyo al segundo autor como becario con número de registro 624422.

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