TEMA 15.- MECANISMOS DEL DAÑO CELULAR INDUCIDO POR XENOBIÓTICOS. INTRODUCCIÓN El estudio de los mecanismos de acción de los xenobióticos a nivel básico, molecular y celular, parte de un cierto principio de confluencia. Productos químicos muy distintos confluyen, a nivel molecular, hacia una serie de mecanismos de acción comune comunes, s, lo cual cual permi permite te una determ determina inada da sistem sistemati atizac zación ión.. A ello ello con contrib tribuy uyee la selec selectiv tivida idadd tóxica tóxica,, que que en rado rado divers diverso, o, presen presentan tan la mayo mayoría ría de los produc productos tos químicos. !ran cantidad de ellos, una vez absorbidos por el oranismo, no act"an de forma forma indisc indiscrim rimina inada da sobre sobre las distin distintas tas estru estructu cturas ras titula titulares res y celul celulare ares, s, sino 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 $na vez que los xenobióticos son absorbidos por las diferentes vías, sufre un con%unto de modificaciones cin#ticas &transporte, biotransformación, eliminación, etc.' que en "ltima instancia determina la dosis efectiva, es decir, la cantidad de producto que alcanzará las estructuras diana de la toxicidad. (stas pueden ser receptores titulares, enzimas, enzimas, proteínas proteínas transporta transportadora doras, s, lípidos lípidos de membrana membranass celulares celulares,, A)*, etc. +a interacción del tóxico con la diana produce lesiones moleculares que resultan en al"n tipo de alteración en la funcionalidad celular.
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+os oranismos disponen de unos mecanismos de reparación del A)* y proteínas que pueden correir la mayoría de dichas alteraciones. 3an solo en el caso de que la dosis efectiva sea muy elevada y el rado de alteración molecular sobrepase, por razones muy diversas, la capacidad de reparación natural, resulte una lesión que puede dar luar, despu#s de un tiempo de latencia más o menos laro, a un efecto clínico. El tipo de efecto que de ello se derive &efectos sobre el 4*, hepatotoxidad, nefrotoxicidad, cáncer, etc' dependerá de la función de la diana afectada &un receptor, un enzima, el A)*' y de su importancia dentro del oranirama fisiolóico.
BLANCOS CELULARES +a c#lula tiene varios componentes que deben estar en buen estado para su buen funcionamiento. +a c#lula necesita tener los siuientes caminos metabólicos en buen estado5 la producción de A3P mitocondrial, el metabolismo de calcio, la síntesis de proteínas, la reulación del A)*, la licólisis y el ciclo del ácido cítrico o ciclo de 6rebs. Estos dos "ltimos proporcionan los precursores para síntesis de aminoácidos y los equivalentes reducidos cuya oxidación enera la mayoría de los A3P. +os da7os a la membrana plam!"#$a , a la pr%&'$$#(n &e ATP m#"%$%n&r#al y al control de los n#)ele &e $al$#% #n"ra$el'lar son rutas comunes para la destrucción final de la c#lula y merecen discusión especial. LA MEMBRANA PLASM*TICA es utilizada por la c#lula para mantener los radientes iónicos que a su vez reulan el volumen celular. 4i se da7a la membrana entran #%ne Na + Ca y salen iones , &responsables de los fenómenos de polarización y despolarización de la membrana y, en definitiva, de la transmisión el#ctrica del impulso nervioso'. El a'a + l% $l%r'r% se redistribuyen de acuerdo al radiente electroquímico y hay incremento neto intracelular del aua. El aumento de aua intracelular es visible al microscopio por el aumento de tama7o de la c#lula que se hincha. 4i #sto no se corrie la c#lula se puede romper. 8ay varios mecanismos que pueden inducir estos cambios, alunos e%emplos son el trauma físico, fluidización de la
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membrana, peroxidación de lípidos &tetracloruro de carbono', da7o al citoesqueleto, bloqueo de canales y ataque viral. :ndependiente de la aresión tóxica, la membrana plasmática es uno de los componentes que primero responde al da7o y la p#rdida de interidad es el punto final del da7o. En la mayoría de las c#lulas las mitocondrias son responsables de la síntesis de ATP vía la respiración aeróbica. El A3P es la fuente de enería más importante de la c#lula, se utiliza en las reacciones biosint#ticas, y es necesario para la activación de compuestos endóenos por fosforilación o adenilación, para incorporarse en cofactores, para la funcionabilidad del citoesqueleto y para operar las bombas iónicas de la membrana celular.
LA PRODUCCIÓN DE ATP POR LAS MITOCONDRIAS requiere de oxíeno para funcionar, así que una de las rutas para da7ar el proceso es la hipoxia &ba%a concentración de oxíeno'. El principal aente que priva a la c#lula de oxíeno es el monóxido de carbono el cual se lia a la hemolobina inhibiendo la unión de #sta con el oxíeno. +a anemia &ba%a concentración de hemolobina en la sanre' y la isquemia &ba%o flu%o arterial o del drena%e venoso', reducen la capacidad de transporte de oxíeno y pueden contribuir a la deficiencia de este compuesto a nivel celular. +a producción de A3P tambi#n se puede impedir por5 aentes que interrumpen la cadena de transportes de electrones a trav#s de inhibidores de enzimas como la rotenona &inhibe la *A)81coenzima ; reductasa' y el cianuro &inhibe la citocromo oxidasa'. por substancias que inhiben o desacoplan la fosforilación oxidativa tales como el ))3 &inhibe la A3P sintetasa' y el arsenato &substituye al fósforo y produce intermediarios de ba%a enería'. EL INCREMENTO DEL NIEL DE CALCIO INTRACELULAR produce la disociación de la actina de los microfilamentos en el citoesqueleto y la activación de fosfolipasas y proteasas. Estos cambios producen framentación del A)*, condensación de la cromatina, ruptura de membranas y deradación de proteínas. El control de calcio se puede romper por el incremento del inreso o por la salida de este ión de sus depósitos celulares. +os aentes que inducen la entrada de calcio son metilmercurio que produce poros y, el tetracloruro de carbono que rompe la membrana. +os aentes que inhiben la exportación de calcio del citoplasma son inhibidores de la calcio1A3Pasa en la membrana celular o en el retículo endoplásmico. Alunos e%emplos de ellos son el bromobenceno, diamida, diquat y el ión vanadato.
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MECANISMOS DE ACCIÓN +os mecanismos de acción de los xenobióticos pueden clasificarse en dos rupos5 A' En función del n#)el &e a/e$"a$#(n pr#mar#% . Afectación de la e"r'$"'ra Alteración de la membrana celular •
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Alteración de los oránulos subcelulares.
Afectación de la /'n$#(n celular =odificación de la permeabilidad de la membrana •
=odificación de la actividad enzimática mediante inhibición ó inducción. >' En función de los me$an#m% m%le$'lare ?eacción covalente con macromol#culas intracelulares &metales pesados'. :nteracciones con enzimas &insecticidas oranofosforados o carbamatos'. :nteracción con receptores. •
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:nteracción con canales iónicos &insecticidas oranoclorados'.
•
)estrucción de membranas por reacciones químicas aresivas &?@4'.
CICLO CELULAR El efecto de un tóxico sobre las c#lulas depende del estado del $#$l% $el'lar en que se encuentren. En condiciones de división relativamente rápida de c#lulas de mamíferos, el ciclo completo requiere de 2 a 9h &la fase 01, síntesis de enzimas necesarias para la replicación, dura de B a 29hC 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 carcinóenosC y la fase 0, de síntesis de proteínas implicadas en la mitosis, dura de a Bh'. +a siuiente etapa para completar el ciclo celular es el estado mitótico & M', que dura, aproximadamente, entre 2 y < horas. urso -/-01 Pá.
+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.
c#lula madre
Dase de mitosis
c#lulas hi%as
21< horas
Dase post1 síntesis de )*A A1B horas
Dase pre1síntesis de )*A B129 horas &la más variable en duración'
Dase de síntesis de )*A &replicación' 12- horas
Dase de reposo o quiescencia &no hay división' )uración variable se"n el tipo celularC de unas horas a varios a7os, o incluso sin rereso al ciclo.
MUERTE CELULAR
El punto al cual la c#lula no se puede recuperar de las lesiones es difícil de definir. 8ay muchos pasos que se consideran reversibles y muchos que son definitivamente irreversibles. +os dos fenómenos que consistentemente están asociados a lesiones irreversibles son la incapacidad de revertir la disfunción mitocondrial y las distorsiones profundas de las funciones de la membrana.
Cara$"er2"#$a &e la le#%ne $el'lare reversibles P#rdida de A3P que disminuye la actividad A3P1asa en la membrana 8inchazón c#lular auda &p#rdida del control de volumen' Aumento de la velocidad de la licólisis para compensar la p#rdida de A3P )esprendimiento de los ribosomas del retículo endoplásmico ruoso Permeabilidad incrementada de la membrana y disminución de la actividad mitocondrial que resulta en el ampollamiento de la superficie c#lular =itocondrias normales, lieramente hinchados o condensados Cara$"er2"#$a &e la le#%ne irreversibles acuolización severa de las mitocondrias )a7o masivo de la membrana celular recimiento de los lisosomas Entrada de calcio y activación de las proteasas y fosfatasas P#rdida continua de proteínas, coenzimas y A?* Eosinofilia que produce ruptura de lisosomas urso -/-01 Pá. F
Picnosis &condensación nuclear con areación de cromatina' ariólisis &destrucción de cromatina' arirrexis &framentación nuclear' )iestión enzimática del citoplasma y n"cleo, fua de compuestos intracelulares y entrada de macromol#culas extracelulares.
MECANISMOS DE MUERTE CELULAR Existen dos mecanismos principales de muerte celular5 la apoptosis &del rieo apo, aparte, y ptosis, caído Gcomo cae la lluvia' y la necrosis. 1.- Ap%p"%#. En una definición muy amplia, la apoptosis se puede considerar como una muerte celular HproramadaI. +a apoptosis es un evento celular natural el cual tambi#n puede ser inducido por condiciones patolóicas. omo e%emplo de /'n$#%ne /##%l(#$a n%rmale de la apoptosis podemos mencionar la reresión del "tero despu#s del parto, la muerte de c#lulas nerviosas en el desarrollo si no se establecen contactos axonales, la inmunoeliminación de c#lulas, o la eliminación de las áreas interdiitales durante la morfo#nesis de los dedos. omo dato curioso, mencionaremos que los procesos de apoptosis son los responsables de que los humanos tenamos cinco dedos en cada extremidad y que su ausencia, por e%emplo, en las aves palmípedas les hace conservar su característica pata palmeada. *o obstante, los procesos apoptóticos pueden resultar per%udiciales, siendo responsables de diversas a/e$$#%ne. Así, se presenta apoptosis excesiva en pacientes con enfermedades neurodeenerativas donde se ha observado una disminución en el n"mero de c#lulas en determinadas poblaciones neuronales, por e%emplo, en la enfermedad de Alzheimer, ParJinson y se piensa que en el 4:)A. +a apoptosis tambi#n está implicada en lesiones inducidas químicamente. omo e%emplo de droas o sustancias químicas que inducen apoptosis se tiene los lucocorticoides &apoptosis de c#lulas linfoides' y el 3)) &apoptosis de timocitos causando atrofia tímica'. 4e presenta apoptosis insuficiente en el desarrollo de linfoma folicular +a apoptosis se diferencia de la necrosis por sus características morfolóicas. Es un evento controlado. +as c#lulas se vuelven más condensadas consistente con el hecho de que el aua está siendo removida de la c#lula &no es un proceso pasivo'. )urante todo el proceso la membrana celular y los oranelos permanecen intactos. El contenido celular nunca se derrama hacia el área que la rodea lo cual hace que no se produzca reacción inflamatoria .- Ne$r%#. En la necrosis el resultado final es la ruptura de la membrana celular y el derrame del contenido celular en el espacio intersticial. Esto trae como consecuencia una respuesta inflamatoria en el área que puede ser detrimente para las c#lulas que la rodean. urso -/-01 Pá. B
MUERTE CELULAR
DI3ERENCIAS MOR3OLÓ0ICAS ENTRE NECROSIS 4 APOPTOSIS NECROSIS APOPTOSIS +a c#lula completa :nflamación ondensación *"cleo Picnosis reciente ariólisis ariorrexis @ránulos )eeneración :ntactos )eeneración celular ?uptura uerpos apópticos :nmunorespuesta :nflamación auda *inuna
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INDUCCIÓN 4 RE0ULACIÓN DE APOPTOSIS +os da7os en el A)*, causados por e%emplo por radiaciones ionizantes o por sustancias químicas &como las usadas en terapias anticanceríenas', pueden actuar como potentes #n&'$"%re &e ap%p"%# . uando se produce un da7o en el enoma, se activa el en pF< &que normalmente está inactivado'. +a pr%"e2na p5, producto del en del mismo nombre, puede actuar deteniendo el ciclo celular, para permitir la reparación del da7o, o induciendo la entrada en apoptosis, se"n las LcircunstanciasL celulares. +as c#lulas con mutaciones en pF< pueden replicar su )*A a pesar de que lo tenan da7ado, lo cual favorece la acumulación de más mutaciones y la posibilidad de que la descendencia de tales c#lulas pueda volverse canceríena. El ión calcio desempe7a importantes papeles como se7alizador intracelular, de manera que su concentración está muy reulada. $n incremento del calcio citosólico, proveniente del medio extracelular o de depósitos intracelulares, puede conducir a la muerte celular por activación de diferentes de enzimas &por e%emplo, en&%n'$leaa dependientes de a 9M y =9M, pr%"eaa o translutaminasas'. 3ambi#n la presencia de radicales libres oxidantes &tambi#n denominadas especies reactivas de oxíeno', puede actuar como inductor de apoptosis &3ema 2B'. )entro de los reuladores de la apoptosis, los enes de la familia de B$l- son los que están me%or estudiados. >cl19 es el prototipo de una ran familia de enes que codifica para una serie de proteínas que pueden #n6#b#r &como las proteínas mitocondriales >cl19, >cl1x+' o pr%m%)er &>ax, >aJ' la apoptosis. +a proporción en que se expresen unas proteínas respecto a otras puede determinar que la c#lula sufra apoptosis o no.
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RESPUESTA DE LOS TE7IDOS A LA P8RDIDA DE C8LULAS 4i la lesión produce que se pierdan c#lulas por necrosis o apoptosis, el resultado final depende principalmente del tipo de c#lulas que se han lesionado. +as c#lulas vecinas pueden ser capaces de responder con reeneración produciendo c#lulas iuales a las perdidas o bien sólo las reemplazan por te%ido no funcional. +as $9l'la l!b#le se están dividiendo continuamente y en su ciclo celular no existe el estado de reposo. E%emplo de ellas son las c#lulas epiteliales, astrointestinales y hematopoy#ticas. 4i se pierden c#lulas se pueden remplazar por c#lulas del mismo tipo. +as $9l'la e"able están prácticamente en reposo y tienen una velocidad de replicación muy ba%a. 4u ciclo celular está normalmente en reposo pero se pueden estimular para que entren en replicación. E%emplo de estas c#lulas son los hepatocitos y las c#lulas renales &t"bulos'. 4i ocurre al"n da7o, las c#lulas contiuas pueden reenerar la masa perdida, como sucede con el híado despu#s de una ciruía en la que se elimina una parte. +a $9l'la permanen"e no se están dividiendo y no pueden entrar en ciclo de replicación. E%emplo de estas c#lulas son las neuronas del sistema nervioso central y los miocitos del corazón. 4i estas c#lulas se pierden la "nica respuesta de remplazo es a trav#s de la respuesta fibrótica. +as c#lulas son remplazadas por te%ido conectivo y se forma una cicatriz. El remplazo fibrótico tambi#n se puede dar en alunas ocasiones para c#lulas lábiles y estables
3ACTORES :UE A3ECTAN A LA TOXICIDAD +a manitud de la respuesta tóxica en un oranismo determinado depende de la exposición &dosis, tiempo, ruta y vía de exposición' y de factores relacionados con las características del oranismo expuesto, del medio ambiente y de la sustancia misma. a; In/l'en$#a &el me&#% L%$al#
e%emplo es el polimorfismo de la paraoxonasa s#rica, una enzima que cataliza la hidrólisis de #steres oranofosfatados, carbamato y #steres de ácidos carboxílicos aromáticos. +a paraoxona es un inhibidor de la colinesterasa s#rica y es un intermediario en el metabolismo del paratión. Así que, un valor alto de paraoxonasa protee de los efectos tóxicos del paratión. e; 09ner%. Estas diferencias se pueden atribuir a las diferencias en la actividad de enzimas de biotransformación que están ba%o control hormonal. /; >eren$#a. 4e contin"a discutiendo si el cáncer es una enfermedad hereditaria o no. 8ay unos cánceres que definitivamente son hereditarios y otros en los que la predisposición %uea un papel importante en la #nesis de varios cánceres comunes. +a inmunodeficiencia y la deficiencia en la reparación del A)* son defectos hereditarios que favorecen el desarrollo de cáncer. ; E"a&% /##%l(#$%. Embarazo, edad, estado hormonal, obesidad. BIOMARCADORES
+os marcadores biolóicos o biomarcadores son los $amb#% me&#ble , 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 siuientes5
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 concretos5 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. omprende5 =arcadores internos de dosis. :ndican que el tóxico ha entrado en el oranismo. =iden la concentración de Nbs y sus metabolitos en los medios biolóicos. •
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=arcadores de dosis biolóicamente efectivas. :ndican que el tóxico ya ha producido da7o en el oranismo. 4on los compuestos que forma el tóxico o sus productos de bioactivación con los ácidos nucleicos y proteínas &8b, alb"mina'. 4on "tiles cuando la vida media del compuesto es muy corta y resulta difícil medir su concentración. 9. =arcadores del efecto. Pueden ser componentes endóenos o medidas de la capacidad funcional, o cualquier otro indicador del estado del cuerpo o de un sistema oránico afectado por la exposición. *o identifican el Nb. omprende5 •
•
•
=arcadores de respuesta biolóica. ?epresentan estados avanzados del proceso de da7o. 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.
<. =arcadores de susceptibilidad. 4e usan para identificar a los individuos más susceptibles a da7os en una población. E%. la actividad *1acetiltransferasa &*A3'. +os individuos con una alta actividad *A3 tienen mayor rieso si son expuestos a Nbs que son bioactivados por *A3 &como el 91aminofluoreno'. EOE=P+@4 )E >:@=A?A)@?E4 )E +A ENP@4::* @ )E+ EDE3@ ;$E 4E E=P+EA* E* E43$):@4 ?E+A:@*A)@4 @* +A 4A+$) E* E+ 3?A>AO@ =uestra
=edición
Nenobiótico
B#%mar$a&%re &e e?p%#$#(n 3e%ido adiposo 4anre 8ueso Aire espirado Pelo 4uero @rina B#%mar$a&%re &el e/e$"%
)ioxina
)ioxina
Plomo Alumino 3olueno =ercurio >enceno Denol
Plomo Alumino 3olueno =etilmercurio >enceno >enceno
4anre !lóbulos ro%os 4uero @rina !lóbulos blancos
arboxihemolobina Qinc1protoporfirina olinesterasa =icrolobulinas Aductos de A)*
=onóxido de carbono Plomo @ranofosforados *efrotóxidos =utáenos urso -/-01 Pá. 22
?elación 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 Nb de 29h de vida media cuyos metabolitos no se pueden detectar en orina despu#s de tres días. n 1@ @ #( $ # % p ? e e & . $ - n 1@ % $ a . l a n #( $ a l e -B r 1@ n e e r % & a $ r a - m 1@ % # b e & l e ) # N
E?p%'re $%n$en"ra"#%n
R D%e Ur#nar+ me"ab%l#"e
Alb'm#n a&&'$"
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D#a "ra la e?p%#$#(n
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