TEMA 15.- MECANISMOS DEL DAÑO CELULAR INDUCIDO POR XENOBIÓTICOS.
INTRODUCCIÓN El estudio de los mecanismos de acción de los xenobióticos a nive nivell bási básico co,, mole molecu cular lar y ce celu lula lar, r, part parte e de un cier cierto to prin princi cipi pio o de conflu confluenc encia. ia. Produ Producto ctoss químic químicos os muy distin distintos tos conflu confluyen yen,, a nivel nivel molecular, hacia una serie de mecanismos de acción comunes, lo cual per permite mite una una dete deterrmina minada da sist sistem emat atiz izac ació ión. n. A ello ello co cont ntri ribu buye ye la selectividad tóxica, que en rado diverso, presentan la mayoría de los productos productos químicos. !ran cantidad de ellos, una vez absorbidos por el oran oranism ismo, o, no act"an act"an de forma forma indisc indiscrim rimina inada da sobr sobre las distin distintas tas estructuras titulares y celulares, sino que presentan un determinado rado de selectividad de acción, modificando la estructura y función de un n"mero reducido de mol#culas, tipos celulares, etc.
INICIO DEL DAÑO CELULAR $na vez que los xenobióticos son absorbidos por las diferentes vías vías,, sufr sufre e un co con% n%un unto to de modi modifi fica caci cion ones es cin# cin#ti tica cass &tra &trans nspo port rte, e, biot biotra rans nsfo forrma maci ción ón,, elim elimin inac ació ión, n, etc. etc.'' que que en "lti "ltima ma inst instan anci cia a determina la dosis efectiva, es decir, la cantidad de producto que alcanzará las estructuras diana de la toxicidad. (stas pueden ser receptor receptores es titulare titulares, s, enzimas, enzimas, proteína proteínass transpor transportador tadoras, as, lípidos lípidos de membranas celulares, A)*, etc. +a interacción del tóxico con la diana urso -/-01 Pá. 2
produce lesiones moleculares que resultan en al"n tipo de alteración en la funcionalidad celular.
+os oranismos disponen de unos mecanismos de reparación del A)* y proteínas que pueden correir la mayoría de dichas alteraciones. 3an solo en el caso de que la dosis efectiva sea muy elevada y el rado de alteración molecular sobrepase, por razones muy diversas, la capacidad de reparación natural, resulte una lesión que puede dar luar, despu#s de un tiempo de latencia más o menos laro, a un efecto clínico. El tipo de efecto que de ello se derive &efectos sobre el 4*, hepatotoxidad, nefrotoxicidad, cáncer, etc' dependerá de la función de la diana afectada &un receptor, un enzima, el A)*' y de su importancia dentro del oranirama fisiolóico.
BLANCOS CELULARES La célula tiene varios componentes que deben estar en buen estado para su buen funcionamiento. La célula necesita tener los siguientes caminos metabólicos en buen estado: la producción de ATP mitocondrial, el metabolismo de calcio, la síntesis de proteínas, la regulación del AD, la glicólisis ! el ciclo del "cido cítrico o ciclo de #rebs. $stos dos %ltimos proporcionan los precursores para síntesis de amino"cidos ! los equivalentes reducidos cu!a o&idación genera la ma!oría de los ATP.
membrana plam!"#$a , a la pr%&'$$#(n &e ATP m#"%$%n&r#al ! al control de los n#)ele &e $al$#% #n"ra$el'lar son rutas comunes para la destrucción Los da'os a la
final de la célula ! merecen discusión especial.
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LA MEMBRANA PLASM*TICA es utili(ada por la célula para mantener los gradientes iónicos que a su ve( regulan el volumen celular. )i se da'a la membrana entran #%ne Na + Ca ! salen iones
, *responsables de los fenómenos de polari(ación !
despolari(ación de la membrana !, en definitiva, de la transmisión eléctrica del impulso nervioso+.
El a'a + l% $l%r'r% se redistribu!en de acuerdo al gradiente
electroquímico ! a! incremento neto intracelular del agua. $l aumento de agua intracelular es visible al microscopio por el aumento de tama'o de la célula que se inca. )i ésto no se corrige la célula se puede romper. -a! varios mecanismos que pueden inducir estos cambios, algunos eemplos son el trauma físico, fluidi(ación de la membrana, pero&idación de lípidos *tetracloruro de carbono+, da'o al citoesqueleto, bloqueo de canales ! ataque viral. /ndependiente de la agresión tó&ica, la membrana plasm"tica es uno de los componentes que primero responde al da'o ! la pérdida de integridad es el punto final del da'o. $n la ma!oría de las células las mitocondrias son responsables de la síntesis de
ATP vía la respiración aeróbica. $l ATP es la fuente de energía m"s importante de la
célula, se utili(a en las reacciones biosintéticas, ! es necesario para la activación de compuestos endógenos por fosforilación o adenilación, para incorporarse en cofactores, para la funcionabilidad del citoesqueleto ! para operar las bombas iónicas de la membrana celular.
LA PRODUCCIÓN DE ATP POR LAS MITOCONDRIAS requiere de o&ígeno para funcionar, así que una de las rutas para da'ar el proceso es la ipo&ia *baa concentración de o&ígeno+. $l principal agente que priva a la célula de o&ígeno es el monó&ido de carbono el cual se liga a la emoglobina inibiendo la unión de ésta con el o&ígeno. La anemia *baa concentración de emoglobina en la sangre+ ! la isquemia *bao fluo arterial o del drenae venoso+, reducen la capacidad de transporte de o&ígeno ! pueden contribuir a la deficiencia de este compuesto a nivel celular. La producción de ATP también se puede impedir por:
agentes que interrumpen la cadena de transportes de electrones a través de inibidores de en(imas como la rotenona *inibe la AD-0coen(ima 1 reductasa+ ! el cianuro *inibe la citocromo o&idasa+.
por substancias que iniben o desacoplan la fosforilación o&idativa tales como el DDT *inibe la ATP sintetasa+ ! el arsenato *substitu!e al fósforo ! produce intermediarios de baa energía+.
EL INCREMENTO DEL NIEL DE CALCIO INTRACELULAR produce la disociación de la actina de los microfilamentos en el citoesqueleto ! la activación de fosfolipasas
!
proteasas. $stos
cambios
producen fragmentación
del AD,
condensación de la cromatina, ruptura de membranas ! degradación de proteínas.
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$l control de calcio se puede romper por el incremento del ingreso o por la salida de este ión de sus depósitos celulares. Los agentes que inducen la entrada de calcio son metilmercurio que produce poros !, el tetracloruro de carbono que rompe la membrana. Los agentes que iniben la e&portación de calcio del citoplasma son inibidores de la calcio0ATPasa en la membrana celular o en el retículo endopl"smico. Algunos eemplos de ellos son el bromobenceno, diamida, diquat ! el ión vanadato.
MECANISMOS DE ACCIÓN Los mecanismos de acción de los &enobióticos pueden clasificarse en dos grupos:
A/ $n función del n#)el &e a0e$"a$#(n pr#mar#% . Afectación de la e"r'$"'ra
Alteración de la membrana celular
Alteración de los org"nulos subcelulares.
Afectación de la 0'n$#(n celular
2odificación de la permeabilidad de la membrana
2odificación de la actividad en(im"tica mediante inibición ó inducción.
B/ $n función de los me$an#m% m%le$'lare
3eacción covalente con macromoléculas intracelulares *metales pesados+.
/nteracciones
con
en(imas
*insecticidas
organofosforados
o
carbamatos+.
/nteracción con receptores.
/nteracción con canales iónicos *insecticidas organoclorados+.
Destrucción de membranas por reacciones químicas agresivas *34)+.
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CICLO CELULAR El efecto de un tóxico sobre las c#lulas depende del estado del ciclo celular en que se encuentren. En condiciones de división relativamente rápida de c#lulas de mamíferos, el ciclo completo requiere de 2 a 57h &la fase G1, síntesis de enzimas necesarias para la replicación, dura de 8 a 25h9 la fase S, de replicación del A)*, dura de a 2-h durante las cuales las dos cadenas de A)* se separan y el A)* es especialmente vulnerable al ataque de carcinóenos9 y la fase G2, de síntesis de proteínas implicadas en la mitosis, dura de 7 a 8h'. +a siuiente etapa para completar el ciclo celular es el estado mitótico &M', que dura, aproximadamente, entre 2 y 6 horas. +as c#lulas que no están en división se mantienen en estado ! - o fase !2 prolonada en la que las dos cadenas de A)* forman una doble h#lice que limita el acceso de un carcinóeno a las bases individuales. Aunque la síntesis de A)* se limita a la fase 4, la reparación puede ocurrir en cualquier momento del ciclo.
célula madre
5ase de mitosis
células ias
70< oras
5ase post0 síntesis de DA ;06 oras
5ase pre0síntesis de DA 6078 oras *la m"s variable en duración+
5ase de síntesis de DA *replicación+ 907 oras
5ase de reposo o quiescencia *no a! división+ Duración variable seg%n el tipo celular= de unas oras a varios a'os, o incluso sin regreso al ciclo.
MUERTE CELULAR
$l punto al cual la célula no se puede recuperar de las lesiones es difícil de definir. -a! mucos pasos que se consideran reversibles ! mucos que son definitivamente irreversibles. Los dos fenómenos que consistentemente est"n asociados a lesiones irreversibles son la incapacidad de revertir la disfunción mitocondrial ! las distorsiones profundas de las funciones de la membrana.
Cara$"er"#$a &e la le#%ne $el'lare reversibles
Pérdida de ATP que disminu!e la actividad ATP0asa en la membrana
-inca(ón célular aguda *pérdida del control de volumen+
Aumento de la velocidad de la glicólisis para compensar la pérdida de ATP
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Desprendimiento de los ribosomas del retículo endopl"smico rugoso
Permeabilidad incrementada de la membrana ! disminución de la actividad mitocondrial que resulta en el ampollamiento de la superficie célular
2itocondrias normales, ligeramente incados o condensados
Cara$"er"#$a &e la le#%ne
irreversibles
>acuoli(ación severa de las mitocondrias
Da'o masivo de la membrana celular
?recimiento de los lisosomas
$ntrada de calcio ! activación de las proteasas ! fosfatasas
Pérdida continua de proteínas, coen(imas ! A3
$osinofilia que produce ruptura de lisosomas
Picnosis *condensación nuclear con agregación de cromatina+
?ariólisis *destrucción de cromatina+
?arirre&is *fragmentación nuclear+
Digestión en(im"tica del citoplasma ! n%cleo, fuga de compuestos intracelulares ! entrada de macromoléculas e&tracelulares.
MECANISMOS DE MUERTE CELULAR $&isten dos mecanismos principales de muerte celular: la apoptosis *del griego apo, aparte, ! ptosis, caído @como cae la lluvia+ ! la necrosis.
1.- Ap%p"%#. $n una definición mu! amplia, la apoptosis se puede considerar como una muerte celular programadaB. La apoptosis es un evento celular natural el cual también puede ser inducido por condiciones patológicas. ?omo eemplo de
0'n$#%ne
0##%l(#$a n%rmale de la apoptosis podemos mencionar la regresión del %tero después del parto, la muerte de células nerviosas en el desarrollo si no se establecen contactos a&onales, la inmunoeliminación de células, o la eliminación de las "reas interdigitales durante la morfogénesis de los dedos. ?omo dato curioso, mencionaremos que los procesos de apoptosis son los responsables de que los umanos tengamos cinco dedos en cada e&tremidad ! que su ausencia, por eemplo, en las aves palmípedas les ace conservar su característica pata palmeada. o obstante, los procesos apoptóticos pueden resultar perudiciales, siendo responsables de diversas
a0e$$#%ne. Así, se presenta apoptosis e&cesiva en pacientes
con enfermedades neurodegenerativas donde se a observado una disminución en el n%mero de células en determinadas poblaciones neuronales, por eemplo, en la enfermedad de Al(eimer, ParCinson ! se piensa que en el )/DA. La apoptosis también est" implicada en lesiones inducidas químicamente. ?omo eemplo de drogas o sustancias químicas que inducen apoptosis se tiene los glucocorticoides *apoptosis de células linfoides+ ! el T?DD *apoptosis de timocitos causando atrofia tímica+. )e presenta apoptosis insuficiente en el desarrollo de linfoma folicular
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La apoptosis se diferencia de la necrosis por sus características morfológicas. $s un evento controlado. Las células se vuelven m"s condensadas consistente con el eco de que el agua est" siendo removida de la célula *no es un proceso pasivo+. Durante todo el proceso la membrana celular ! los organelos permanecen intactos. $l contenido celular nunca se derrama acia el "rea que la rodea lo cual ace que no se produ(ca reacción inflamatoria
2.- Necrosis. En la necrosis el resultado final es la ruptura de la membrana celular y el derrame del contenido celular en el espacio intersticial. Esto trae como consecuencia una respuesta inflamatoria en el área que puede ser detrimente para las c#lulas que la rodean.
MUERTE CELULAR
DI2ERENCIAS MOR2OLÓ3ICAS ENTRE NECROSIS 4 APOPTOSIS NECROSIS APOPTOSIS La célula completa %cleo
/nflamación Picnosis ?ariólisis ?ariorre&is 4rg"nulos Degeneración Degeneración celular 3uptura /nmunorespuesta /nflamación aguda
?ondensación ?reciente
/ntactos ?uerpos apópticos inguna
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INDUCCIÓN 4 RE3ULACIÓN DE APOPTOSIS Los da'os en el AD, causados por eemplo por radiaciones ioni(antes o por sustancias químicas *como las usadas en terapias anticancerígenas+, pueden actuar como
#n&'$"%re &e ap%p"%# . ?uando se produce un da'o en el genoma, se activa el gen p< *que normalmente est" inactivado+. La pr%"ena p5 , producto del gen del
potentes
mismo nombre, puede actuar deteniendo el ciclo celular, para permitir la reparación del da'o, o induciendo la entrada en apoptosis, seg%n las EcircunstanciasE celulares. Las células con mutaciones en p< pueden replicar su DA a pesar de que lo tengan da'ado, lo cual favorece la acumulación de m"s mutaciones ! la posibilidad de que la descendencia de tales células pueda volverse cancerígena. $l ión calcio desempe'a importantes papeles como se'ali(ador intracelular, de manera que su concentración est" mu! regulada. Fn incremento del calcio citosólico, proveniente del medio e&tracelular o de depósitos intracelulares, puede conducir a la muerte celular por activación de diferentes de en(imas *por eemplo, dependientes de ?a8G ! 2g8G,
en&%n'$leaa
pr%"eaa o transglutaminasas+. También la presencia de
radicales libres o&idantes *también denominadas especies reactivas de o&ígeno+, puede actuar como inductor de apoptosis *Tema 76+.
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Dentro de los reguladores de la apoptosis, los genes de la familia de
B$l-6 son
los que est"n meor estudiados. Hcl08 es el prototipo de una gran familia de genes que codifica para una serie de proteínas que pueden mitocondriales Hcl08, Hcl0&L+ o
#n7#b#r *como las proteínas
pr%m%)er *Ha&, HaC+ la apoptosis. La proporción en
que se e&presen unas proteínas respecto a otras puede determinar que la célula sufra apoptosis o no.
RESPUESTA DE LOS TE8IDOS A LA P9RDIDA DE C9LULAS )i la lesión produce que se pierdan células por necrosis o apoptosis, el resultado final depende principalmente del tipo de células que se an lesionado. Las células vecinas pueden ser capaces de responder con regeneración produciendo células iguales a las perdidas o bien sólo las reempla(an por teido no funcional. Las
$:l'la l!b#le se est"n dividiendo continuamente ! en su ciclo celular no
e&iste el estado de reposo. $emplo de ellas son las células epiteliales, gastrointestinales ! ematopo!éticas. )i se pierden células se pueden rempla(ar por células del mismo tipo. Las
$:l'la e"able est"n pr"cticamente en reposo ! tienen una velocidad de
replicación mu! baa. )u ciclo celular est" normalmente en reposo pero se pueden estimular para que entren en replicación. $emplo de estas células son los epatocitos ! las células renales *t%bulos+. )i ocurre alg%n da'o, las células contiguas pueden regenerar la masa perdida, como sucede con el ígado después de una cirugía en la que se elimina una parte. La
$:l'la permanen"e no se est"n dividiendo ! no pueden entrar en ciclo de
replicación. $emplo de estas células son las neuronas del sistema nervioso central ! los miocitos del cora(ón. )i estas células se pierden la %nica respuesta de rempla(o es a través de la respuesta fibrótica. Las células son rempla(adas por teido conectivo ! se
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forma una cicatri(. $l rempla(o fibrótico también se puede dar en algunas ocasiones para células l"biles ! estables
2ACTORES ;UE A2ECTAN A LA TOXICIDAD +a manitud de la respuesta tóxica en un oranismo determinado depende de la exposición &dosis, tiempo, ruta y vía de exposición' y de factores relacionados con las características del oranismo expuesto, del medio ambiente y de la sustancia misma. a I!"lue!cia #el $e#io Locali%aci&! 'eo'r("ica. +as diferencias eoráficas son ambientales y no en#ticas. Ocu)aci&! * I!+eraccio!es ,u$icas. Aditivas, sin#ricas, potenciantes o antaónicas.
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' Es+a#o "isiol&'ico. Embarazo, edad, estado hormonal, obesidad. BIOMARCADORES
+os marcadores biolóicos o biomarcadores son los ca$*ios $e#i*les , ya sean estos bioquímicos, fisiolóicos o morfolóicos que se producen en un sistema biolóico. Ese hecho se interpreta despu#s como refle%o o marcador de la exposición a un tóxico. Por e%emplo, el nivel de colinesterasa en sanre varía por la exposición a plauicidas. $n nivel anormalmente ba%o de colinesterasa es un biomarcador de la exposición a plauicidas oranofosforados. +os biomarcadores más "tiles son los que se pueden obtener de la forma menos invasiva, por eso se prefieren los que se encuentran en la sanre. +as características ideales de un biomarcador son las siuientes> especificidad para un xenobiótico determinado, m#todos de medida sensibles, detectable en muestras disponibles con facilidad, e%. orina, sanre, pelo, aire expirado, ba%o coste de la t#cnica de determinación. lasificación. +os marcadores biolóicos se clasifican, por lo eneral, en tres tipos concretos> biomarcadores de la exposición, del efecto y de la susceptibilidad.
2. ?arcadores de la exposición. Puede ser un compuesto exóeno &o un metabolito' que se introduce en el cuerpo, un producto interactivo entre el compuesto &o metabolito' y un componente endóeno, o cualquier otro hecho relacionado con la exposición. omprende> ?arcadores internos de dosis. @ndican que el tóxico ha entrado en el oranismo. ?iden la concentración de bs y sus metabolitos en los medios biolóicos. ?arcadores de dosis biolóicamente efectivas. @ndican que el tóxico ya ha producido daBo en el oranismo. 4on los compuestos que forma el tóxico o sus productos de bioactivación con los ácidos nucleicos y proteínas &=b, alb"mina'. 4on "tiles cuando la vida media del compuesto es muy corta y resulta difícil medir su concentración. 5. ?arcadores del efecto. Pueden ser componentes endóenos o medidas de la capacidad funcional, o cualquier otro indicador del
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estado del cuerpo o de un sistema oránico afectado por la exposición. *o identifican el b. omprende>
?arcadores de respuesta biolóica. Cepresentan estados avanzados del proceso de daBo. 4on más persistentes y a menudo representan alteraciones en#ticas. E%. mutaciones de ciertos oncoenes e intercambios entre cromátidas humanas. ?arcadores de enfermedades. 4on manifestaciones preclínicas o tempranas de enfermedades.
6. ?arcadores de susceptibilidad. 4e usan para identificar a los individuos más susceptibles a daBos en una población. E%. la actividad *1acetiltransferasa &*A3'. +os individuos con una alta actividad *A3 tienen mayor rieso si son expuestos a bs que son bioactivados por *A3 &como el 51aminofluoreno'. EDE?P+<4 )E @
?edición
enobiótico
Bio$arca#ores #e e)osici&! 3e%ido adiposo )ioxina 4anre Plomo =ueso Alumino Aire espirado 3olueno Pelo ?ercurio 4uero enceno
)ioxina Plomo Alumino 3olueno ?etilmercurio enceno enceno
arboxihemolobina
?onóxido
Iinc1protoporJrina olinesterasa ?icrolobulinas Aductos de A)*
de
Plomo
*efrotóxidos ?utáenos
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Celación entre biomarcadores y tiempo tras la exposición al xenobiótico. $na consideración importante en el uso de biomarcadores es su relación con el tiempo de exposición. En parte, ello depende del xenobiótico. Así, compuestos muy lipofílicos tienen vida media muy lara y se pueden detectar con t#cnicas sensibles semanas despu#s de la exposición. En otros casos el periodo de detección depende más de la vida media de la macromol#cula a la que se une. En la fiura se muestra una hipot#tica relación entre los diferentes biomarcadores. 4e refiere a un b de 25h de vida media cuyos metabolitos no se pueden detectar en orina despu#s de tres días. n 1< < #( $ # % p @ e e & . . $ -6 n 1< % $ a l a n #( $ a l e -> r 1< n e e r % & a $ r a -= m 1< % # b e & l e ) # N
E@p%'re $%n$en"ra"#%n
I D%e Ur#nar+ me"ab%l#"e
Alb'm#n a&&'$"
Baem%l%b#n a&&'$"
DNA a&&'$"
Ur#nar+ a&&'$"
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D#a "ra la e@p%#$#(n
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