L A S T O X I N A S A M B I E N T A L E S Y S U S E F E C T O S G E N É T I C O S

Autora: ROSARIO RODRÍGUEZ ARNAIZ

COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES

DEDICATORIA PRÓLOGO

I. LAS TOXINAS AMBIENTALES II. LA GENÉTICA

III. LAS TOXINAS AMBIENTALES Y LA GENÉTICA IV. CÓMO SE IDENTIFICAN LOS AGENTES

...GENOTÓXICOS V. CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA CONTRAPORTADA

P R Ó L O G O

Desde temprana edad siempre me maravilló el mundo natural. En nuestros continuos paseos de fin de semana por los alrededores del valle de México, y en nuestras habituales salidas al interior de la República, a los sitios más recónditos y bellos de México, dada la afición de mi padre por la fotografía, pudimos conocer los diversos y muy variados ecosistemas que en nuestro país existen. Mi amor por la naturaleza, sin duda, quedó bien cimentado desde entonces. Durante mis frecuentes soliloquios de la adolescencia me preguntaba cómo se había originado la gran variedad de seres vivos, cómo se mantenía esta diversidad, y qué mecanismos podrían alterarla. La comprensión de los procesos hereditarios y de los factores naturales o artificiales que pueden modificarlos ha sido el motor de mi vida académica. En el camino he despejado muchas dudas, que me han permitido entender e integrar conceptos genéticos y toxicológicos esenciales. Este libro es el resultado de tal aprendizaje.

Tuve la suerte de contar con muy buenos maestros en mis años de estudiante en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Dedico este libro a la doctora Leonila Vázquez, con quien aprendí a comprender la diversidad del mundo biológico, al doctor Raúl Ondarza, quien me enseñó los principios de la biología molecular, y en forma muy especial al doctor Rodolfo Félix (QEPD), quien me introdujo en la investigación de la genética y de la mutagénesis y quien fue mi tutor durante mis estudios

de posgrado. Al doctor Stanley Zimmering de la Universidad de Brown, Providence, EUA, por sus enseñanzas acerca de la genética de la Drosophila y por su rigor científico. A la UNAM, que me dio la oportunidad de formarme en sus aulas. A mi madre, por su enorme ejemplo; por ser universitaria de vocación y de corazón.

La tarea de difundir el conocimiento generado por la ciencia es ciertamente difícil. Esta experiencia, sin duda, ha sido enriquecedora. Al redactar este libro siempre tuve presente tratar el tema con lenguaje sencillo y accesible, cuidando no caer en peligrosas simplificaciones. Agradezco a Antonio Lazcano la revisión de la redacción, sus comentarios y sugerencias y a Héctor Abundis por haber preparado las figuras de este libro.

Espero que este libro despierte en el lector su interés y curiosidad y que le permita entender los principios básicos de la genética toxicológica.

México, D. F., julio de 1992

I . L A S T O X I N A S A M B I E N T A L E S

LOS seres vivos estamos expuestos a la acción de numerosos agentes potencialmente tóxicos, sean éstos físicos, químicos o biológicos, que provocan efectos fisiológicos, bioquímicos, patológicos y, en algunos casos, genéticos. La toxicología es la ciencia que estudia la interacción entre las toxinas ambientales y los sistemas biológicos.

La mayoría de las sustancias químicas presentes en el medio ambiente tienen origen artificial; es decir, son sintetizadas por el hombre. Sin embargo, existen cientos de venenos naturales generados por microorganismos, hongos, plantas y animales, que son muy tóxicos para otros seres vivos.

Algunas de estas sustancias naturales o toxinas se conocen desde la antigüedad. De hecho, el estudio de los venenos ha preocupado a la humanidad desde tiempos remotos, tal como lo muestra uno de los antecedentes médicos más antiguos que se conocen, el llamado Papiro Ebers (1500 a.C.). Los egipcios utilizaron toxinas de origen natural para matar a sus enemigos o suicidarse. Cleopatra, de acuerdo con la tradición, se suicidó haciéndose morder por un áspid.

Como lo registran los Vedas (900 a.C.) el arsénico y el opio fueron conocidos por los antiguos habitantes de la India. Los chinos emplearon flechas envenenadas con aconitina para acabar con sus enemigos, mientras que los griegos, con una tradición que se remonta a Hipócrates (400 a.C.) y se prolonga por 500 años, hasta Dioscórides,

clasificaron los venenos de origen natural y desarrollaron numerosos antídotos.

Durante la Edad Media, el arte de envenenar con fines políticos se convirtió en un culto, como lo muestra la historia de los Borgias (siglos XV y XVI); en Francia la reina Catalina de Médicis fue la precursora de algunos principios empíricos de la toxicología, preparando venenos de origen natural que probaba en enfermos y presos; anotaba cuidadosamente los síntomas que producían y su eficacia.

Paracelso (1493-1541) sentó los cimientos científicos de la ciencia de las drogas y los venenos, ya que realizó experimentos y señaló que las propiedades terapéuticas y tóxicas de las sustancias químicas se distinguen únicamente en función de la dosis. Ya para el siglo XIX se establecen los sitios donde ejercen su acción algunas toxinas, iniciándose así el estudio de los mecanismos que siguen las sustancias químicas de origen natural.

FUENTES DE EXPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS A LAS TOXINAS AMBIENTALES

La exposición a los agentes tóxicos puede presentarse en forma aguda, es decir, en un solo episodio generalmente accidental, cuando ingresan al organismo cantidades elevadas de alguna toxina. Puede darse en forma crónica, si existe exposición continua a dosis bajas, que suele ir acompañada de su acumulación en el organismo, produciéndose la respuesta tóxica después de mucho tiempo.

La ruta o forma de ingreso al organismo es también variada: puede ser por inhalación, por vía digestiva o por contacto a través de la piel. Las poblaciones de organismos pueden estar expuestas a las toxinas de manera 1) involuntaria, como ocurre en el ambiente abierto, 2) voluntaria, cuando el individuo emplea drogas o agentes terapéuticos, y 3) ocupacional, en el ambiente de trabajo.

La concentración de las sustancias químicas en el cuerpo puede medirse analizando la sangre, la orina y el pelo. Así, por ejemplo, es un hecho conocido que Napoleón fue deliberadamente envenenado con arsénico. Hasta hace algunos años se pensaba que la fuente había sido el alimento, ya que su autopsia reveló grandes lesiones en el hígado y en el estómago. Sin embargo, el análisis de su pelo (entre 1964 y 1982) mostró suficientes cantidades de arsénico, que aunque seguramente no provocaron su muerte, sí pudieron producir la enfermedad que lo mató. Durante el siglo XIX el arsénico se empleaba en la fabricación de muchas medicinas, en cosméticos y pigmentos. Las paredes de la casa que Napoleón habitó en Santa Elena estaban pintadas y cubiertas con papel tapiz verde esmeralda, el cual se fabricaba con arsenito de cobre. Sobre el papel tapiz húmedo, algunos hongos pueden transformar los compuestos de arsénico a formas volátiles y venenosas que se liberan al aire de las habitaciones. Así, tal

vez esto probaría que en la muerte de Napoleón no hubo conspiración, sino que se trató de un lento e inocente envenenamiento ambiental.

Los procesos que controlan el destino final de un compuesto químico en el ambiente son el transporte, la transformación y la transferencia del mismo. El transporte o movimiento de los agentes químicos en el ambiente se debe fundamentalmente a las fuerzas naturales, como el viento o el agua, cuya dirección y velocidad determinarán su concentración. La transformación es un cambio en la estructura física o química de un compuesto. Un compuesto químico puede pasar de sólido a líquido y de éste a gas, o transformarse por reacciones químicas como la oxidación y la reducción, procesos que se llevan a cabo en los organismos. Esto los puede activar o degradar. La transformación también se refiere a las interacciones de diversos agentes químicos en el ambiente y a las reacciones que bajo ciertas condiciones se realizan entre ellos.

La transferencia es el movimiento de los compuestos químicos en la biosfera: aire, agua, suelo y organismos vivos. Así, un agente químico presente en el agua puede volatilizarse, pasando al aire, ser luego transferido al suelo por acción de la lluvia y de allí incorporarse a la cadena alimenticia. El resultado neto de estas transferencias es una amplia distribución de toxinas en el medio ambiente, y por lo tanto, el aumento del riesgo de exposición.

El comportamiento y destino final de muchos agentes químicos está también influido por diferentes aspectos tales como la solubilidad en agua, la presión de vapor, la bioconcentración y la biotransferencia.

En general, los agentes químicos que son solubles en agua son menos peligrosos que los insolubles, debido a que suelen ser menos volátiles, más móviles y biodegradables. La presión de vapor es un factor importante que mide la volatilidad de un agente químico en estado puro, y es un indicador del grado de transporte del compuesto químico en el aire, siendo éste el medio más importante para su distribución. Los agentes químicos que tienen una presión de vapor baja y una alta afinidad por el agua y por el suelo, se vaporizan menos que aquellos que tienen presión de vapor alta. Además estos últimos suelen tener poca afinidad por el agua y por el suelo. Es importante determinar el destino final de un compuesto químico en los seres vivos, ya que muchos son capaces de concentrar en sus órganos y tejidos cantidades elevadas de una sustancia, como ocurre con los peces y el ganado. En estos casos, la cadena alimenticia se convierte en una fuente importante de exposición a agentes químicos.

¿CÓMO RESPONDEN LOS ORGANISMOS ANTE LOS AGENTES TÓXICOS?

La respuesta de los organismos ante las toxinas depende de varios factores, siendo los más importantes las propiedades específicas, físicas y químicas del compuesto y la cantidad a la que estén

expuestos. Esta relación dosis-respuesta es un criterio que suele establecerse con los organismos empleados en el ensayo. Aunque no brinda información acerca de los mecanismos de acción propios del agente, sí permite establecer en términos prácticos y cuantitativos cuán tóxico es. El tipo de respuesta que se establece es un índice de letalidad en función del número de individuos tratados que mueren (Figura 1). La dosis letal también permite conocer la potencia del compuesto por la magnitud de la respuesta del organismo.

Figura 1. Relación dosis-respuesta, medida en letalidad.

MOVIMIENTO DE LAS TOXINAS EN EL ORGANISMO

Cuando las toxinas ingresan al organismo, interaccionan en el nivel celular con un receptor específico, que suele ser una proteína. Cuando la concentración de la sustancia dentro de la célula es grande, los sitios receptores se saturan y se produce una respuesta tóxica máxima; cuando la concentración es baja, la respuesta es menor. Esta relación permite establecer a los toxicólogos qué dosis produce el efecto deseado sin ser tóxica, para fines terapéuticos.

Por ejemplo, una sustancia química a una dosis de 100 unidades produce la muerte del 50% de la población tratada (LD50), mientras que la dosis efectiva está entre 2 y 10 unidades y la dosis tóxica se encuentra hacia las 20 unidades (Figura 2).

Figura 2. Comparación de la dosis efectiva (DE), Dosis tóxica (DT) y dosis letal media (LD50) de una sustancia química hipotética.

Para que una sustancia tóxica ejerza sus efectos en un ser vivo debe ponerse en contacto con el organismo. La piel en los animales y la corteza en las plantas son las barreras naturales que separan a los organismos del medio ambiente. Sin embargo, una vez que ingresa una toxina al organismo, por cualquier ruta, ésta es absorbida y distribuida por el torrente circulatorio hasta llegar a las células blanco, que son las que tienen los receptores para un compuesto químico específico. Los agentes tóxicos pueden eliminarse de la circulación al ser excretados por el riñón, o quizá acumularse en los tejidos grasos, o bien biotransformarse en las células del hígado y otros órganos. En la figura 3 se muestra un esquema de este proceso.

 

Figura 3. Absorción, distribución y eliminación de las toxinas en los animales.

 

En el organismo existen barreras naturales, las membranas de las células, a través de las cuales el agente tóxico debe pasar. Estas membranas tienen estructuras muy variadas y por lo tanto funciones diversas. Fundamentalmente están formadas por fosfolípidos y proteínas, los primeros arreglados en una bicapa y las proteínas esparcidas entre ellos. Las membranas tienen poros a través de los cuales las células se ponen en contacto con el exterior. Las proteínas les confieren a las membranas una especificidad en cuanto al transporte o ingreso a la célula de los compuestos químicos. Los fosfolípidos, que están formados por ácidos grasos, si son saturados, es decir, sin dobles enlaces entre sus carbonos, hacen a la membrana menos franqueable. Si hay mayor cantidad de ácidos grasos insaturados la membrana permite más fácilmente el paso de sustancias.

Los mecanismos mediante los cuales un compuesto químico pasa a través de una membrana pueden ser pasivos, es decir, la membrana no participa activamente en el proceso, como ocurre en la difusión del alcohol etílico, por ejemplo, que depende de la solubilidad en los lípidos de la membrana. El compuesto puede penetrar por filtración, cuando tiene un tamaño lo suficientemente pequeño como para atravesar los poros de la membrana. Ello ocurre, por ejemplo, con el monóxido de carbono, que ocasiona intoxicaciones violentas. Estos procesos son especialmente favorables para sustancias químicas no polares.

Cuando el compuesto químico es insoluble en los lípidos de la membrana, cuando las moléculas de la sustancia son muy grandes y no pueden atravesar los poros y canales de la membrana, o cuando se trata de sustancias ionizadas, se establece entonces el llamado transporte activo. Este es selectivo en principio, ya que depende de la estructura química del compuesto, de una molécula transportadora específica de membrana, y de un gasto de energía adicional por parte de la célula. Esto se debe a que ingresa en contra de un gradiente de concentración, en competencia con los nutrientes que normalmente ingresan a las células por este mecanismo.

Las sustancias químicas que son transportadas activamente a través de las membranas pasan al interior de las células en forma de un complejo. En el interior de la célula éste se disocia, y la molécula transportadora regresa nuevamente a la superficie de la membrana, en lo que se puede repetir el proceso.

Los agentes tóxicos atraviesan las membranas de las células e ingresan al torrente sanguíneo de la misma manera que el oxígeno inhalado llega a los pulmones, y los nutrientes ingeridos oralmente pasan al tracto digestivo.

La distribución del agente tóxico en el organismo depende de las características fisicoquímicas del compuesto, de su capacidad para atravesar membranas y de su afinidad por los componentes normales del organismo. Una vez en el torrente sanguíneo, los agentes químicos suelen unirse a proteínas del plasma, lo cual les impide ingresar a las células por difusión. Sin embargo, esta interacción muchas veces desplaza a la sustancia química que ya estaba unida, de manera que las toxinas suelen estar en equilibrio en el plasma, es decir, tanto en forma unida como en forma libre.

En los animales existen órganos que tienen una gran capacidad para concentrar agentes tóxicos, como el hígado y los riñones. En el hígado existen numerosas proteínas que transportan activamente diferentes compuestos extraños o xenobióticos. En el interior de las células hepáticas se lleva a cabo la transformación de los compuestos, o metabolismo, sea para hacerlos más solubles y dejarlos listos para excretarse por los riñones, o bien para activarlos formándose un compuesto muy reactivo. Ya que el metabolismo desempeña en las células un papel dual de desintoxicación-eliminación y activación-toxificación, volveremos a él con más detalle.

Ya vimos que la solubilidad de las toxinas en los lípidos de las membranas es un factor determinante para su absorción, por lo cual su acumulación en los tejidos adiposos del cuerpo está íntimamente ligada a esta propiedad; así que en las grasas del cuerpo es donde se concentran y guardan las toxinas. A medida que el organismo metaboliza y elimina toxinas, se van liberando de los sitios de depósito hacia el plasma, de ahí pasan al hígado, y el ciclo se repite. Este proceso es importante, ya que muchas toxinas liposolubles se acumulan y ejercen sus efectos adversos durante mucho tiempo, como ocurre con los anestésicos, los barbitúricos y los pesticidas.

La eliminación de los agentes tóxicos del organismo es un factor importante en relación con los efectos biológicos. Lógicamente, la eliminación rápida reduce los riesgos, y en muchos casos la toxicidad y los daños al organismo no se presentan. La ruta más importante de eliminación es el riñón. Esta se realiza en las células renales por difusión, filtración o por transporte activo. Los compuestos liposolubles no polares, es decir sin carga, suelen ser reabsorbidos por difusión y regresan al torrente sanguíneo, mientras que los compuestos polares y los iones son excretados activamente. Los iones negativos, o aniones, se excretan más fácilmente cuando la orina es ácida, y los iones positivos, o cationes, cuando la orina es básica. En este fenómeno subyace, de hecho, el principio práctico de aplicación de los antídotos frente a los episodios de envenenamiento. Por ejemplo, el fenobarbital es un ácido débil que se emplea como anticonvulsivo, sedante e hipnótico; si un individuo ingiere cantidades elevadas de esta droga debe administrársele bicarbonato de sodio que, por ser una base, favorece la eliminación rápida del barbitúrico por vía urinaria.

El mismo proceso puede emplearse también para la excreción de un agente terapéutico. Por ejemplo, la penicilina se elimina por transporte ácido. Si se administra otro compuesto ácido que compita con la penicilina se prolongará la acción del antibiótico. Esto se vio durante la segunda Guerra Mundial, cuando la penicilina tuvo una gran demanda pero el suministro era escaso.

Los seres vivos tienen, pues, la capacidad de degradar y eliminar muchos compuestos extraños. Sin embargo, cuando la absorción es mayor que la excreción, el agente químico tiende a acumularse en cantidades elevadas, y mostrar un efecto tóxico.

EL METABOLISMO

Se conoce como metabolismo al conjunto de reacciones químicas a las que son sometidas las sustancias absorbidas por los seres vivos, ya sea para la obtención de energía o la construcción de elementos estructurales.

Sin duda, las toxinas han sido metabolizadas desde que las primeras células se formaron, de manera que los mecanismos de desintoxicación han estado siempre presentes en los seres vivos. El agua y el alimento no tratado, así como el aire, contienen muchas sustancias que no son necesarias para la vida y que pueden ser tóxicas; aun el oxígeno en cantidades elevadas es tóxico.

La estructura química de los compuestos nutritivos naturales y de los metabolitos intermedios es muy variada, de modo que la maquinaria celular está provista de numerosos catalizadores, o enzimas, que hacen frente a esta gran diversidad de productos químicos de la dieta. Este conjunto de enzimas también lo emplea la célula para eliminar compuestos tóxicos potencialmente nocivos. La capacidad de desintoxicación celular tiene un límite que está dado por la dosis de la sustancia.

Figura 4. Esquema de la biotransformación metabólica

Después de que un agente xenobiótico ha sido absorbido por el organismo, éste es biotransformado. Por lo general los productos del metabolismo son más solubles en agua, lo que facilita su eliminación y hace desaparecer su toxicidad; en otras ocasiones se obtiene una sustancia como producto intermedio del metabolismo, la cual es más reactiva que la original, y que puede reaccionar con otras macromoléculas celulares. Un esquema de este proceso se observa en la figura 4.

Las enzimas que realizan las reacciones químicas relacionadas con la biotransformación se encuentran en el citoesqueleto, en el retículo endoplásmico, en los organelos llamados mitocondrias, y en el caso de los mamíferos, en las células hepáticas. Como ya dijimos, estas reacciones producen metabolitos estables nucleofílicos más solubles en agua, por lo que algunas reacciones se realizan en presencia de este líquido, lo cual recibe el nombre de hidrólisis. Otras se realizan en presencia de oxígeno (oxidación), y algunas más por hidrógeno (reducción). En la figura 5 se muestran algunos ejemplos.

Si el compuesto tiene un grupo funcional, es decir grupos de átomos unidos a la cadena de carbono, éste puede combinarse con enzimas en el fenómeno llamado conjugación, y así se produce un compuesto polar, soluble en agua, que se elimina tal como se muestra en la figura 6.

Figura 5. Ejemplos de reacciones metabólicas. R y R' =radicales (excepto hidrógeno).

Figura 6. Conjugación.

Las enzimas que intervienen en la bioactivación de los agentes xenobióticos realizan esencialmente las mismas funciones generales. El producto intermedio del metabolismo resulta ser iónico, y potencialmente muy reactivo, lo que puede producir daño a los tejidos, despertar reacciones inmunológicas o interactuar con los ácidos nucleicos (Figura 7).

Figura 7. La biotransformación de agentes xenobióticos.

LOS ELEMENTOS QUE INFLUYEN EN LA RESPUESTA TÓXICA

Como ya mencionamos, el metabolismo es el factor determinante de la toxicidad de un compuesto. Los seres vivos tienen capacidades metabólicas distintas, ya que los paquetes enzimáticos son característicos de cada especie.

Figura 8. Fórmula del malatión.

 

 

Figura 9 . Vías metabólicas del insecticida malatión en mamíferos y en insectos.

Por ejemplo, el pesticida malatión (Figura 8), que por cierto el hombre emplea para combatir los piojos (pediculicida), se hidroliza en los seres humanos, produciéndose un compuesto estable que posteriormente se conjuga y se elimina por la orina. En cambio en los insectos, este mismo pesticida se oxida y el producto intermedio inhibe a una enzima, la colinesterasa, que es necesaria para la neutrotransmisión química de los impulsos nerviosos mediados por la acetilcolina. Ello provoca la parálisis neuromuscular y la muerte del insecto (Figura 9).

Existen también diferencias importantes en la respuesta de los individuos de una misma especie. El sexo es otro elemento por considerar, ya que en algunas especies los machos excretan más eficientemente que las hembras algunos tóxicos. El fenómeno inverso también ocurre, y este tipo de respuesta diferencial de los sexos se debe en gran medida a las capacidades metabólicas y a las diferencias en las hormonas sexuales de cada sexo. Las variaciones genéticas entre los individuos de una especie producen respuestas distintas frente al mismo agente. Por ejemplo, la droga hidralacina, que se emplea como agente terapéutico para combatir la presión sanguínea alta o hipertensión, produce en 10% de los pacientes tratados un síndrome, el llamado lupus eritrematoso, que está relacionado con varios factores, entre los que se cuenta un gene que predispone a los portadores a manifestar los efectos adversos del medicamento.

I I . L A G E N É T I C A

EL HOMBRE, a través de la historia, ha realizado experimentos prácticos utilizando, sin conocerlos, los principios relacionados con la herencia de los caracteres. Por ejemplo, los babilonios desde hace 8 000 años dejaron en sus piedras labradas figuras que representan árboles genealógicos de caballos y esquemas de polinización artificial de dátiles. Por su parte, los chinos mejoraron las semillas de arroz escogiendo las plantas con las características deseadas y haciendo cruzas controladas entre ellas. En América el maíz fue mejorado por selección y los griegos propusieron en sus relatos híbridos raros: por ejemplo, de la cruza entre el dromedario y el leopardo resultaba la jirafa, el camello se originaba del dromedario y el jabalí y el plátano de la acacia y la palma.

La genética como ciencia se inicia formalmente con los principios y reglas analíticas propuestas en 1865 por el monje agustino Gregorio Mendel, quien presentó en la Sociedad de Historia Natural de Brno [actual República Checa] el resultado de sus experimentos acerca de la hibridación en plantas, y postuló las leyes de transmisión de los caracteres hereditarios discretos. Fue una sesión en la que no hubo preguntas, pues sus monumentales contribuciones no fueron comprendidas por sus contemporáneos, a pesar de que Mendel propuso una teoría científica unificadora sobre los mecanismos que rigen los patrones hereditarios de los organismos.

Hoy día la herencia es un fenómeno natural para todos. Sin embargo, se trata de una ciencia joven; el cuerpo de conocimientos que integran a la ciencia que estudia a los genes y su variación, la genética, se han acumulado en este siglo. Las unidades funcionales de la herencia, los genes, constituyen el centro de estudio de la genética, al igual que su transmisión de generación en generación, sus propiedades básicas, las fuentes de variación naturales o artificiales que existen y de cómo se reflejan éstas en los individuos y en las poblaciones.

Estos conocimientos han unificado a la biología moderna, de manera que hoy día no es posible pensar en ningún área de la biología en la que no incida la genética: la unidad de la vida está dada por la estructura química básica del gene y sus funciones, que son muy semejantes en todos los seres vivos. La diversidad biológica puede explicarse al menos en parte por los arreglos peculiares del material genético en cada especie, que son el resultado de la herencia y la variación, y la continuidad de la vida misma se establece al transmitirse el material genético de generación en generación.

Las características biológicas que se observan en los seres vivos, tales como forma, color, talla, capacidad metabólica, funciones bioquímicas,

etc., están bajo control genético. Por lo tanto, los genes controlan miles de reacciones químicas que se presentan en los organismos.

Los genes interactúan con el medio para producir un carácter o rasgo, llamado fenotipo. Así, dos individuos con genotipo idéntico (como los gemelos monocigóticos) se desarrollan de manera distinta en dos ambientes diferentes, de la misma manera que dos individuos con genotipo diferente (como los hermanos) se desarrollan de forma distinta en el mismo ambiente.

El genotipo permanece constante durante la vida del organismo. Sin embargo, el fenotipo cambia continuamente en función del tiempo y de la secuencia peculiar de medios interno y externo a los que está expuesto el individuo en su historia particular.

LA ORGANIZACIÓN CELULAR

Los seres vivos se clasifican en procariontes y eucariontes, de acuerdo con su organización celular. Los procariontes son organismos unicelulares en los cuales los genes se encuentran localizados en una estructura generalmente circular, desnuda y libre en el citoplasma, llamada cromosoma o genóforo. En cambio, los eucariontes son aquellos seres vivos que presentan en sus células al menos un núcleo rodeado por una membrana nuclear, en el cual queda albergado el material genético que siempre está asociado a proteínas específicas (histonas), formando un complejo que se denomina cromatina.

Figura 10. Célula procarionte y célula eucarionte

Los procariontes poseen un solo cromosoma circular o nucleoide y se reproducen mediante una división celular después de que el cromosoma se ha duplicado. Entre los eucariontes, el cromosoma tiene forma de varilla y se presentan más de dos cromosomas en número característico para cada especie. En estos últimos se presentan los

fenómenos de dominancia y recesividad debido a que los cromosomas se presentan por pares (diploidia). Los procariontes son haploides, es decir, el genoma es único. En la figura 10 se muestra de manera esquemática una célula procarionte y otra eucarionte.

Los eucariontes pueden estar formados por una o por muchas células. Las formas de división celular pueden ser asexuales, es decir, que un solo progenitor se divide en dos, generándose dos células iguales, o bien a partir de estacas, como ocurre entre las plantas frutales. La forma de reproducción sexual implica la unión de dos gametos o células sexuales provenientes de dos progenitores distintos.

Los eucariontes que presentan reproducción sexual poseen en su organismo células que conforman al cuerpo, o somáticas, en las que se mantiene el número cromosómico característico de la especie, ya que antes de dividirse duplican sus cromosomas, los que se distribuyen en forma igual a las células hijas. Este proceso se llama mitosis, y es distinto a la meiosis, en la cual se forman las células sexuales o gametos. Una célula se divide dos veces, en tanto que el material genético se duplica una sola vez, de manera que a partir de una célula diploide se obtienen cuatro células haploides. Es decir, el número cromosómico característico de la especie queda reducido a la mitad.

La fusión de los gametos masculino y femenino restituye el número diploide de la especie, a partir del huevo o cigoto. Este va dividiéndose por mitosis sucesivas hasta que se produce el nuevo organismo, el cual estará formado por células somáticas diploides y por gametos haploides. Cuando vuelven a unirse los gametos por fecundación se restituye el complemento diploide.

La mitosis es esencialmente un proceso conservativo, ya que a partir de una célula diploide se forman dos células hijas iguales con idéntico complemento cromosómico. La meiosis es el proceso que genera variabilidad entre los organismos de una misma especie; en ella los cromosomas intercambian información genética. Este fenómeno, llamado recombinación, da origen a productos en combinaciones distintas de las parentales; el número y el sitio en el que se producen los intercambios de material genético en los gametos nunca es igual de una meiosis a otra. Este mecanismo permite explicar la razón por la cual no hay dos individuos exactamente iguales, a menos de que se trate, como ya vimos, de gemelos homocigóticos.

LOS ÁCIDOS NUCLEICOS: MACROMOLÉCULAS ESENCIALES.

La vida está formada por varios elementos químicos, entre los que se destacan sobre todo el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. En las células estos átomos forman moléculas simples como el agua y los fosfatos, o bien grandes moléculas constituidas por miles de átomos, como los ácidos nucleicos y las proteínas. En las moléculas, los átomos se mantienen unidos por varios tipos de enlaces, como por ejemplo el iónico, que resulta de la

interacción de dos elementos con carga eléctrica opuesta, y el covalente, en el que los átomos comparten electrones.

Los ácidos nucleicos son las macromoléculas en las cuales se almacena y procesa toda la información genética de los sistemas biológicos. En las células de los organismos existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Todos los organismos actuales utilizan al ADN como macromolécula informativa, aunque existen muchos virus, como el de la polio y el de la gripa, que usan ARN.

Las moléculas del ácido desoxirribonucleico son, como se muestra en la figura 11, cadenas de nucleótidos formadas por una base nitrogenada, un azúcar, la desoxirribosa y un fosfato.

Figura 11. Nucleótido del ADN.

Las bases nitrogenadas pueden ser púricas, como la adenina y la guanina, y pirimídicas, como la citosina y la timina (Figura 12).

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Figura 12. Bases nitrogenadas del ADN.

Aunque la composición básica del ADN se conoció durante algunas décadas, los genetistas de los años cuarenta no podían imaginar cómo este grupo tan limitado de moléculas podría guardar tanta y tan variada información de los seres vivos. Los primeros científicos que propusieron una estructura química coherente con las funciones que realiza el ácido desoxirribonucleico fueron James D. Watson y Francis H. Crick en 1953.

El modelo de la doble hélice describe la conformación de las moléculas del ADN en el espacio. Cada hélice es una cadena de nucleótidos que se mantiene unida a través de puentes fosfodiester, de tal manera que el grupo fosfato forma un puente entre dos grupos OH de dos azúcares adyacentes (Figura 13).

Figura 13. Una hélice o cadena del ADN.

Las dos hebras de la doble hélice son antiparalelas, es decir, están orientadas en dirección opuesta. Las dos hélices se mantienen unidas entre sí por puentes de hidrógeno que se establecen entre las bases nitrogenadas, las cuales se aparean de forma complementaria, tal como ocurre con la llave que abre una cerradura. Es decir, debido a la estructura química de las moléculas, la adenina sólo puede aparearse con la timina mediante dos puentes de hidrógeno, y la citosina con la guanina con tres puentes de hidrógeno (Figura 14). A diferencia de los enlaces covalentes, los puentes de hidrógeno son relativamente

débiles, hecho que es muy importante para las funciones que realiza esta macromolécula esencial.

 

 

 

Fig. 14. La dobre hélice y apareamiento entre las bases nitrogenadas por puentes de hidrógeno.

El esclarecimiento de la base química de la herencia sugirió la forma en que la molécula de ADN se replica, ya que cada base especifica a su complementaria (que sólo es una), debido a los puentes de hidrógeno que pueden formarse entre ellas.

La estructura de doble hélice también sugirió que el orden o secuencia en el que se encuentran las bases en el ADN debe dirigir un mensaje codificado que la maquinaria celular debe traducir a un lenguaje distinto, el de las proteínas, que en última instancia están organizadas por los genes.

La replicación del ácido desoxirribonucleico se realiza de acuerdo con un principio muy simple. Cada hebra de la doble hélice sirve como molde para la biosíntesis de una nueva cadena complementaria, proceso que está catalizado por enzimas específicas. Imaginemos a la doble hélice como si fuera una cremallera. Si la abrimos se rompen los puentes de hidrógeno y cada lado correspondería a una hebra de ADN, de manera que las bases quedan expuestas y pueden dirigir la incorporación de sus complementarias; los nuevos nucleótidos se van adicionando (que provienen de una poza de ribonucleótidos que existe en la célula) y la biosíntesis de desoxirribonucleótidos es casi

simultánea a la replicación del ADN. Al final de la réplica quedan formadas dos dobles hélices, cada una de ellas con una de las hebras originales (molde) y una hebra recién sintetizada (hija). En la figura 15 se muestra un esquema del proceso.

Figura 15. Replicación del ADN.

La unidad funcional más sencilla en una molécula de ADN es un gene, y no hay que olvidar que las características tanto visibles como fisiológicas de los seres vivos dependen de la estructura y de la expresión precisa de los genes. Los productos de los genes son, por una parte, distintas moléculas de ARN, y por otra, las proteínas, que en las células realizan varias funciones: estructurales, enzimáticas y reguladoras. Las enzimas, y en general todas las proteínas, están formadas por moléculas llamadas aminoácidos, cuyo orden determina su estructura primaria. En los organismos existen 20 aminoácidos esenciales, los cuales se unen por enlaces covalentes, llamados peptídicos, que se forman liberándose agua en la reacción. La conformación de las proteínas en el espacio y su enrollamiento produce estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias que crean sitios específicos en los cuales los sustratos se pegan, permitiendo así que ocurran las reacciones enzimáticas. Debido a que los genes codifican la estructura primaria de las enzimas, se puede decir que controlan su función.

La producción de un polipéptido se realiza en la célula mediante un proceso complejo en el que intervienen enzimas y diferentes moléculas de ARN. El mensaje codificado en el ADN es primero transcrito a una molécula intermediaria, el llamado ácido ribonucleico mensajero (ARNm) que lleva la información a los ribosomas. Allí ocurre la traducción del mensaje genético y la unión de los aminoácidos que conforman la estructura primaria de la cadena polipeptídica. Durante el proceso de expresión de los genes intervienen tres moléculas distintas de ácido ribonucleico, y las tres son copias complementarias de secuencias específicas del ADN. El ARN se caracteriza por ser de una

hebra generalmente sencilla, su azúcar siempre es la ribosa y en lugar de timina siempre existe otra base pirimídica, el uracilo.

El desciframiento del código genético se llevó a cabo mediante una serie de experimentos elegantes que mostraron inequívocamente que el lenguaje molecular está conformado por cuatro letras, que si se combinan en forma de tripletes, 43, producen 64 palabras, las que pueden ordenarse de manera definida para producir escritos peculiares, las proteínas, que son altamente específicas.

A veces el cambio de un solo aminoácido es suficiente para alterar la función de una proteína. Estos cambios en la arquitectura de las proteínas son producto de las alteraciones o mutaciones en la secuencia de bases de un gene en particular.

Las mutaciones son cambios al azar que ocurren en el material genético y que se heredan a la siguiente generación. Hay mutaciones puntuales, o microlesiones, que se dan entre los genes, los cuales cambian a una nueva forma alélica; también hay mutaciones de la estructura, o del número cromosómico, llamadas mutaciones cromosómicas o macrolesiones.

Las mutaciones puntuales ocurren en forma natural debido a errores poco frecuentes durante la duplicación del ADN, o a daños espontáneos en esta molécula. Los errores ocasionales en el apareamiento de las bases durante la síntesis del ADN ocasionan sustituciones de una base original por otra. Por ejemplo, el desplazamiento de un protón que cambia las propiedades químicas de la molécula, puede llevar a una alteración de la geometría de los puentes de hidrógeno, que quizá ocasione que una guanina se parezca temporalmente a la adenina.

En la conformación normal del ADN la guanina y la timina se encuentran en forma ceto (C=O) y pueden cambiar a la forma enol (COH), lo que se conoce como cambio tautomérico. Por su parte, la adenina y la citosina se presentan normalmente en forma amino (NH2) pero pueden tautomerizarse a formas imino (NH), tal como se muestra en la figura 16.

Figura 16. Formas normales y tautoméricas de las bases nitrogenadas.

Este tipo de sustituciones se conoce como transición, de una purina a otra purina o de una pirimidina a otra pirimidina. 1) Al pasar la adenina de la forma amino a la imino se comporta como guanina; el resultado es que frente a la adenina habrá una citosina; 2) cuando la guanina pasa a la forma enol es equivalente a la adenina; por lo tanto, habrá un error al aparearse con la timina; 3) cuando la timina pasa a la forma enol se comporta como citosina; 4) cuando la citosina pasa a la forma imino se comporta como timina; se apareará por lo tanto como adenina (Figura 17).

Figura 17. Mutaciones puntuales por sustitución (transiciones).

Durante la replicación puede también sustituirse una base púrica por una pirimídica o viceversa, produciéndose una transversión, tal como se muestra en la figura 18.

Figura 18. Mutaciones puntuales por sustitución (transversiones).

El origen de las transversiones es menos conocido, ya que la propia conformación espacial de la doble hélice impide este tipo de errores.

Existen otras mutaciones, como las que ocurren por corrimiento del marco de lectura, que se deben a la adición o a la deleción de una o más bases nitrogenadas del ADN durante la replicación (Figura 19).

Fig. 19. Mutaciones por corrimiento del marco de lectura.

También hay otras lesiones espontáneas en el ADN, como la depurinización. Ésta se presenta cuando el enlace glucosídico entre la base nitrogenada y la desoxirribosa se rompe, lo cual conlleva a la eliminación de una purina, A o G, del ADN. El resultado es una lesión que se conoce como sitio apurínico (Figura 20).

Figura 20. Sitios apurínicos.

Sin embargo, en los seres vivos existen sistemas enzimáticos de reparación de lesiones del ADN que son muy eficientes y que restituyen rápidamente la base original. En ocasiones, en el sitio apurínico puede insertarse una base distinta, lo que da origen a una mutación puntual. Éstas también se producen por desaminación espontánea, como la que ocurre con la citosina. Al desaminarse esta pirimidina se transforma en uracilo, el que se apareará con adenina, generándose una transición de GC a AT (Figura 21).

Figura 21. Desaminación de la citosina.

Las mutaciones cromosómicas comprenden cambios en el número o en la estructura de los cromosomas. Este tipo de alteraciones se detectan analizando las células de los eucariontes bajo el microscopio.

En la mayoría de los seres vivos es posible detectar a los individuos que presentan cambios numéricos, porque suelen ser distintos fenotípicamente de los individuos normales. Este tipo de aberraciones se producen por alteraciones durante la separación normal de los cromosomas en el curso de la división celular. En los seres humanos, la falta de un cromosoma, o su presencia en números mayores al diploide, genera severas alteraciones muy frecuentemente asociadas con retraso mental severo, periodos de vida cortos y con esterilidad.

Los cambios en la estructura de los cromosomas son macrolesiones y se producen por rompimientos en los cromosomas, con o sin rearreglos posteriores, lo cual genera alteraciones en la secuencia de los genes, y por lo tanto, en la expresión de los mismos en el organismo.

Así pues, las mutaciones son excepciones que se presentan durante la réplica o la distribución de los cromosomas durante la división celular. En condiciones naturales ocurren al azar, no tienen orientación adaptativa, es decir, ocurren de manera accidental e independientemente del valor que pudieran tener en el ambiente en que viven los organismos.

Las mutaciones son procesos que se presentan en frecuencias muy bajas en las poblaciones naturales y representan la fuente natural de variación biológica. Son la materia prima sobre la cual actúa la selección natural y otros mecanismos evolutivos.

Los cambios en el material genético pueden inducirse por agentes físicos o químicos, llamados mutágenos, que aumentan

considerablemente su frecuencia. Los mutágenos químicos han sido utilizados experimentalmente para estudiar los mecanismos mediante los cuales se establecen las mutaciones. Estos mutágenos modelo o de referencia actúan reemplazando a una base, alterando la complementaridad, o dañando al ADN de manera tal que no puede replicarse.

Los análogos de bases son compuestos químicos similares a las bases nitrogenadas, pero con propiedades de apareamiento distintas, de manera que al incorporarse en el ADN producen mutaciones porque durante la duplicación provocan sustituciones de una base por otra. Por ejemplo, el 5 bromouracilo es un análogo de la timina que se presenta en condiciones normales en forma ceto, y por lo tanto se aparea con la adenina; puede cambiar a la forma enólica, adquiriendo así las propiedades de apareamiento de la citosina y generando una transición como se muestra en la figura 22.

Figura 22. Microlesiones inducidas por un análogo de base.

Los agentes alquilantes son otro grupo de compuestos químicos que tienen la propiedad de añadir radicales alquilo, como metilo o etilo, a las bases nitrogenadas y producir como resultado transiciones, tal como se muestra en la figura 23.

Figura 23. Transición inducida por etilmetanosulfonato.

Los agentes intercalantes constituyen un grupo de moléculas que mimetizan a las bases nitrogenadas originales y que al insertarse entre ellas producen mutaciones de corrimiento de marco de lectura (Figura 24).

Figura 24. Mutación puntual inducida por un agente intercalante.

I I I . L A S T O X I N A S A M B I E N T A L E S Y L A G E N É T I C A

LA GENÉTICA toxicológica es la disciplina científica que identifica y analiza la acción de un grupo de agentes tóxicos que son capaces de interactuar con el material genético de los organismos (compuestos genotóxicos). Su objetivo primordial es, pues, detectar y entender las propiedades de los agentes físicos y químicos genotóxicos que producen efectos hereditarios desde deletéreos hasta letales. Es, por lo tanto, una ciencia esencialmente multidisciplinaria que pretende establecer la correlación que existe entre la exposición a agentes xenobióticos y la inducción de alteraciones genéticas tanto en las células germinales como en las células somáticas de los organismos, y definir a partir de ello los efectos que las toxinas ambientales producen sobre la integridad genética de los seres vivos.

Como ya mencionamos, la genética es una ciencia joven que nace formalmente con el redescubrimiento, a principios de nuestro siglo, de las investigaciones realizadas por el monje agustino Gregorio Mendel. Los científicos de principios de siglo se preguntaron acerca de la naturaleza del gene, y así realizaron experimentos para tratar de determinar cómo los factores externos podrían producir cambios en el orden genético natural. Surgió entonces el término mutación, adoptado por Hugo de Vries en 1901 para describir los cambios morfológicos que observó en las plantas polipétalas del género Oenothera (prímula) que él estudiaba. Este investigador propuso que el "conocimiento del principio general de las mutaciones y la inducción artificial de las mismas podrían producir variedades superiores de animales y plantas cultivadas". El mismo De Vries también sugirió en 1904 que los rayos X, descubiertos desde 1895 y capaces de penetrar en las células vivas, podrían emplearse para alterar las partículas hereditarias de las células germinales.

Años más tarde fue posible evaluar la habilidad de varios agentes oxidantes para producir mutaciones en algas y en hongos, lo que marcó el inicio de una serie de preguntas que se hicieron los científicos

en las décadas sucesivas, en torno a la producción artificial de mutaciones por medio de agentes físicos y químicos como inductores. En 1927 Herman Muller demostró de manera inequívoca que las radiaciones ionizantes son capaces de producir alteraciones genéticas en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) y definió a las mutaciones como los cambios en la cantidad, cualidad y arreglo de los genes. Muller también desarrolló técnicas cuantitativas para medir en este organismo la proporción de mutaciones inducidas, y llamó la atención de la comunidad científica al sugerir que las radiaciones podrían producir cambios en las células somáticas de los tejidos, y en los que se dividen activamente podrían producirse distintos tipos de cáncer, incluyendo las leucemias.

Poco tiempo después, al inicio de la década de los años cuarenta, Charlotte Auerbach (1942) demostró que el gas mostaza, utilizado como arma química durante la segunda Guerra Mundial, es mutagénico; un año después se demostró que el uretano empleado como agente antineoplásico es también capaz de inducir mutaciones en organismos de bioensayo. Con estos y otros descubrimientos fue posible orientar las investigaciones hacia el conocimiento de la interacción entre los agentes químicos y el material genético.

La investigación inicial en el campo de la mutagénesis, es decir, con mutaciones inducidas, antes de que se descubriera e identificara cuál era la base química de la herencia, estuvo motivada por el deseo de los científicos de entender la estructura y la función del material genético. De hecho, Charlotte Auerbach postuló en 1947 que "si se asume que una mutación es un proceso químico, entonces el conocimiento de los agentes que son capaces de iniciar este proceso arrojará una luz no sólo sobre la reacción misma sino también acerca de la naturaleza del gene, el otro compañero de la reacción".

Muy pronto se estableció que algunos agentes terapéuticos de uso común, tales como drogas y estimulantes, producen alteraciones en los cromosomas. El genetista Joshua Lederberg propuso en 1962 que se hicieran estudios genéticos para tratar de determinar si una gran variedad de sustancias químicas que producen mutaciones en los microorganismos representan o no un riesgo potencial para las células germinales de los seres humanos. Lederberg propuso que en las pruebas toxicológicas de rutina se incluyeran ensayos de mutagénesis, antes de que los productos salieran al mercado y se emplearan masivamente. Esta propuesta no tardó en convertirse en una medida de protección necesaria, la cual fue adoptada en muchos países industrializados.

Posteriormente se demostró que muchos agentes químicos representan un riesgo tan o más importante que las radiaciones en la producción de alteraciones genéticas heredables. Asimismo, surgió la preocupación de que algunas enfermedades hereditarias que se observan en las poblaciones pudieran tener un origen ambiental.

A finales de los setentas se demostró la correlación que existe entre la inducción por diversos agentes químicos de mutaciones, o mutagénesis, y el desarrollo de algunos tipos de cáncer, o carcinogénesis. Esta correlación se estableció debido a que la mayoría de los carcinógenos interactúan directa o indirectamente con los ácidos nucleicos, y por lo tanto tienen la capacidad de producir cambios heredables.

EFECTOS ADVERSOS DE LAS MUTACIONES

Las mutaciones se producen tanto en las células germinales como en las células somáticas. Las consecuencias de una y otra son distintas, en términos de la población y del individuo. Los cambios que se generan en los gametos pueden provocar esterilidad en el individuo portador o bien fijarse en el material genético, lo cual se traduce en cambios heredables (mutagénesis). Si las mutaciones se producen en células somáticas el individuo puede desarrollar enfermedades, o bien iniciar el proceso canceroso (carcinogénesis). Los cambios genéticos también pueden provocar durante el desarrollo embrionario alteraciones en el embrión, proceso conocido como teratogénesis (Figura 25).

Figura 25. Efectos adversos de las mutaciones.

 

LA MUTAGÉNESIS

Las alteraciones heredables inducidas en las células germinales están bien documentadas en organismos empleados en bioensayos. De hecho, gran mayoría de agentes genotóxicos se han detectado a través de los cambios transmisibles a las generaciones sucesivas. Una vez que se fija una mutación, ésta resulta ser tan estable como la secuencia original.

Sin embargo, entre los seres humanos no ha sido posible detectar los efectos de ningún agente genotóxico en relación con el nacimiento de niños portadores de alteraciones genéticas. La frecuencia espontánea de alteraciones genéticas en la población humana es muy alta. Alrededor del 2% de los niños recién nacidos portan una mutación, sea puntual o bien cromosómica. Para mostrar el efecto de algún compuesto genotóxico se requiere del análisis de poblaciones muy grandes, y de la comparación con un grupo testigo que solamente estuviera expuesto a "genotoxinas naturales". Sin embargo, en el mundo moderno esta situación no se presenta, ya que prácticamente todos los individuos estamos expuestos a diversos agentes químicos o físicos altamente reactivos. Por esto, el nacimiento de un niño con alteraciones genéticas no prueba que los padres estuvieron expuestos a un agente genotóxico. Esto significa que es muy difícil establecer relaciones causa-efecto a partir de casos aislados. Como veremos más adelante, las investigaciones que se realizan con animales en el laboratorio solamente permiten establecer estimaciones del riesgo genético potencial.

LA TERATOGÉNESIS

Los agentes genotóxicos que provocan alteraciones durante el desarrollo embrionario se conocen desde la tragedia ocasionada por la talidomida, que en 1962 provocó el nacimiento de 10 000 niños malformados en Alemania, Japón y otros países. La droga sedativa ejerce sus efectos nocivos entre los días 35 y 50 del embarazo, pero no produce ningún efecto en el embrión en desarrollo antes o después de este periodo.

Hoy día se conocen muchos factores que alteran el desarrollo y producen niños malformados. Entre ellos destaca el genético, debido a la herencia de genes o combinaciones cromosómicas, la exposición a radiaciones, las enfermedades virales (como la rubeola) y a diversos agentes químicos que han mostrado ser teratógenos en animales de laboratorio en ciertas etapas del desarrollo, específicamente durante la formación de los órganos del cuerpo, u organogénesis (Figura 26).

Figura 26. Orígenes de las malformaciones embionarias.

Sin embargo, el número de teratógenos químicos conocidos para los seres humanos es muy reducido; la mayoría pertenece al grupo utilizado en la quimioterapia del cáncer.

LA CARCINOGÉNESIS

La inducción de cáncer provocado por la exposición crónica a sustancias químicas fue originalmente descrita por Percival Pott en 1775, quien descubrió la aparición de cáncer de escroto en algunos limpiadores de chimeneas. El médico inglés estableció la inducción de tumores por exposición a agentes cancerígenos (hollín), propuso la prevención por medio de la reducción a la exposición y comprobó la sensibilidad individual, ya que no todos los deshollinadores desarrollaban cáncer de escroto. A principios del siglo XX se hicieron experimentos con animales de laboratorio, los cuales demostraron que el alquitrán, que contiene grandes cantidades de hidrocarburos aromáticos policíclicos, genera tumores. Asimismo se demostró que otro grupo de compuestos, las aminas aromáticas, producen cáncer de vejiga. Otros compuestos con gran potencia carcinogénica fueron descubiertos durante los experimentos realizados para provocar cáncer experimentalmente, como ocurrió con las diferentes nitrosaminas. Algunos ejemplos de estos carcinógenos se muestran en la figura 27.

Figura 27. Ejemplos de carcinógenos.

La característica más importante de los carcinógenos químicos es que al llegar al tejido blanco reaccionan con receptores específicos y dejan una huella duradera en éstos, de manera que una sola dosis puede alterar a largo plazo algunas células. Las dosis sucesivas se suman a los efectos iniciales, provocando la multiplicación desordenada de las células y el desarrollo de un tumor.

La palabra cáncer designa de manera genérica a una serie de enfermedades que se originan en distintas estirpes celulares somáticas, tales como las células epiteliales (carcinomas), las células que generan a las sanguíneas (leucemias), y los que ocurren en los tejidos de soporte (sarcomas). Un rasgo común de las células cancerosas es que tienen alterados los mecanismos normales de división celular.

Se ha podido establecer que las células somáticas normales, al transformarse en malignas, pasan por diferentes fases. La huella duradera puede ser una mutación, y la pérdida de la heterocigosis celular producto de la recombinación mitótica inducida, o los cambios en el número y en la estructura de los cromosomas, son factores que inician el proceso canceroso. Las células iniciadas permanecen en el organismo en latencia durante tiempos variables, y después crecen y se desarrollan de manera autónoma, en presencia de compuestos químicos promotores, generándose así la progresión tumoral o neoplasia. Una vez que un tumor se establece, se vasculariza, es decir, se llena de vasos sanguíneos. La progresión tumoral está modulada por una serie de factores, siendo el más importante el inmunológico. La invasión a otros tejidos, o metástasis, se realiza a través del sistema linfático; es decir, los nódulos linfáticos están relacionados con la respuesta inmune a la neoplasia. En la figura 28 se muestra un esquema del proceso.

Figura 28. Resumen del proceso canceroso.

Algunos compuestos químicos de acción carcinogénica son genotóxicos, es decir, actúan a través de su interacción con los ácidos nucleicos. Otros carcinógenos presentan mecanismos de acción no genéticos, u epigenéticos, entre los que son bien conocidos los efectos de plásticos implantados en el organismo, del asbesto que destruye a los lisosomas, y de los medicamentos inmunosupresores como la azatropina, que actúan como promotores (Figura 29).

Figura 29. Carcinogénesis química.

LOS AGENTES GENOTÓXICOS Y EL DAÑO GENÉTICO

Como ya vimos, la inducción de daño genético por exposición a agentes genotóxicos es un proceso que se realiza en varios pasos. Durante el proceso, el agente xenobiótico ingresa al organismo, se absorbe, se distribuye y atraviesa las membranas. Una vez dentro de la célula, el agente químico puede ser reactivo por sí mismo (de acción directa), o bien puede ser activado por las enzimas metabólicas, en cuyo caso es de acción indirecta y se llama promutágeno. Se da entonces la interacción con el ADN, que puede ser reparada eficiente o

ineficientemente de manera tal que el daño genético inicial se fijará o no, expresándose en las diferentes estirpes celulares, tal como se muestra en el esquema de la figura 30.

Figura 30. Los agentes genotóxicos y el daño genético inducido.

METABOLISMO DE LOS AGENTES GENOTÓXICOS

En realidad, la gran mayoría de los agentes genotóxicos son inertes en los seres vivos. Es a través de las enzimas metabólicas que las genotoxinas son biotransformadas a productos más reactivos, o electrofílicos, capaces de interactuar con diversas macromoléculas celulares, tales como las proteínas y los ácidos nucleicos. Ya mencionamos en el primer capítulo la gran diversidad que existe entre los organismos en cuanto a funciones metabólicas se refiere. Los procariontes son incapaces de bioactivar promutágenos, y entre los eucariontes existen diferencias importantes en cuanto a la capacidad metabólica; recordemos que cada especie desplegó durante la evolución un grupo particular de enzimas para neutralizar los efectos nocivos de las toxinas naturales de origen vegetal. De hecho, las enzimas metabólicas muestran diferencias considerables en los diferentes órganos del individuo, entre los individuos de la misma especie y entre las diferentes especies. La actividad enzimática varía en el individuo dependiendo de la edad, el sexo, factores nutricionales, niveles hormonales y otros factores biológicos.

En principio, el conjunto de enzimas de los eucariontes hidroliza, oxida y reduce compuestos extraños, reacciones que se llevan a cabo en el sistema de citocromos P-450 que se encuentran en el citoesqueleto y en el retículo endoplásmico de las células con núcleo. Los productos intermedios así generados en ocasiones se conjugan con proteínas, formándose compuestos altamente reactivos. Es decir, en las células existen numerosas enzimas que activan a los promutágenos, pero también otras enzimas que desintoxican e inactivan a los productos intermedios: el equilibrio entre estas dos funciones celulares es el que

en última instancia determina el potencial genotóxico del promutágeno (compuesto químico inerte que requiere ser metabolizado, transformándose así en un compuesto electrofílico y por lo tanto reactivo).

En la figura 31 se muestra la activación inicial de algunos promutágenos. Muchos de ellos pasan por diversos procesos metabólicos, generándose varios productos intermedios. El compuesto electrofílico terminal es el que va a interactuar con los átomos nucleofílicos del ADN (los sitios nucleofílicos de las bases nitrogenadas son los centros que pueden ser atacados por moléculas electrofílicas, por ejemplo el nitrógeno 7 y el oxígeno 6 de la guanina).

Figura 31. Activación metabólica de algunos promutágenos.

Es importante mencionar que existen también compuestos químicos que no son carcinógenos, pero que potencian el efecto de carcinógenos. Estos agentes químicos se llaman cocarcinógenos y suelen actuar en la etapa de promoción tumoral.

LA INHIBICIÓN DEL METABOLISMO

Durante el metabolismo normal de las células se generan radicales libres que suelen ser muy reactivos y, por lo tanto, potencialmente muy dañinos. Los organismos han desarrollado mecanismos, que por cierto están muy conservados evolutivamente, para atrapar a los radicales libres. Entre estos mecanismos están diversas enzimas que catalizan la conversión de oxígeno reducido (O-

2 ) a peróxido de hidrógeno (H2O2) y de éste a agua y oxígeno (H2O + O2), y otros como

el glutatión, que reacciona directamente con los compuestos electrofílicos de acción directa, o con los producidos durante el metabolismo.

Así tenemos que los radicales libres se forman como productos intermedios en los procesos bioquímicos naturales. Se piensa que las enfermedades degenerativas como la arterioesclerosis, el cáncer y el envejecimiento celular se deben en gran medida a la pérdida de la capacidad enzimática de las células para atrapar radicales libres.

En los alimentos que ingerimos normalmente existen mutágenos y antimutágenos, y durante el metabolismo se generan compuestos mutagénicos, como las nitrosaminas, que se producen en el estómago al reaccionar los nitritos que se emplean como aditivos de alimentos con las aminas presentes en la carne. Es un hecho conocido que la dieta y los hábitos diarios de la persona influyen notablemente en el tipo de cáncer que los individuos desarrollan. Evidencias experimentales han mostrado que la ingesta diaria de vitaminas como la A, C, E, y los betacarotenos, que son cofactores que atrapan radicales libres, protegen a los individuos en contra de los efectos nocivos de los radicales libres. Los mecanismos de acción de estas vitaminas son variados, el tocoferol o vitamina E puede interferir durante la formación de nitrosaminas, atrapa-radicales libres, al igual que la vitamina C y los beta-carotenos, y la vitamina A suprime la fase de promoción tumoral.

INTERACCIONES CON EL ADN

Los productos reactivos generados a través del metabolismo interactúan con el ácido desoxirribonucleico, produciéndose lesiones premutagénicas, o aductos, que en muchos casos se fijan y producen mutaciones puntuales en el ADN, tales como sustituciones de bases, transiciones y transversiones, o bien mutaciones de corrimiento de marco de lectura. Algunos ejemplos de estos tipos de mutágenos se comentaron en el capítulo II.

Sin embargo, en muchos casos, las lesiones premutagénicas son eficientemente reparadas por enzimas que funcionan en los organismos para mantener la integridad y fidelidad de los ácidos nucleicos. Se piensa que las enzimas que intervienen en los procesos de reparación aparecieron pronto en la evolución, ya que están presentes en las bacterias.

Los mecanismos de reparación pueden funcionar antes o después de la replicación del ADN. Su eficiencia varía, ya que pueden reparar eficientemente, es decir, sin errores, situación que se presenta cuando la exposición a agentes genotóxicos es baja; o bien reparar de manera ineficiente, promoviendo errores en el ADN, lo que depende de la saturación del primer mecanismo y que generalmente ocurre cuando hay exposiciones altas (Figura 32).

Sin embargo, ambos mecanismos se ven afectados por numerosas variables además de la exposición. Dependen también de la estructura química del mutágeno, del tipo de aducto formado y de la cantidad de daño inducido.

Una vez establecidos estos principios generales de interacción de los agentes genotóxicos con las macromoléculas celulares, analizaremos los tipos de agentes tóxicos y los efectos biológicos y genéticos que producen en los seres vivos.

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Figura 32. Mecanismos de reparación del ADN.

LAS RADIACIONES

Las radiaciones han estado presentes en la Tierra desde que nuestro planeta se formó. Hoy en día existen fuentes naturales y artificiales de radiaciones electromagnéticas, tanto ionizantes como no ionizantes. Las radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones electromagnéticas que al pasar por un medio producen iones. Las radiaciones naturales provienen del Universo, del Sistema Solar y de la corteza terrestre; las artificiales las produce el ser humano.

Röetgen descubre en 1895 los rayos X y un año después Becquerel encuentra que los cristales de uranio emiten radiaciones. En 1898 los esposos Curie aislaron de la pechblenda el radio, que emite partículas alfa, beta y gamma. Hoy día se obtienen elementos radiactivos artificiales por bombardeo de neutrones.

Las radiaciones de longitud de onda corta no visibles, como los rayos X y los rayos gamma, de 0.1 a 10 amstrongs (la luz visible tiene longitudes de onda 10 000 veces mayores) tienen la propiedad de penetrar las células, ponerse en contacto con los átomos y provocar la emisión de electrones, convirtiéndolos en átomos ionizados, como los radicales. La emisión de electrones de los isótopos radiactivos conforman los rayos beta, y los rayos alfa son emitidos por sustancias radiactivas como el radón. Los protones se producen en generadores

nucleares y los neutrones se originan en los reactores atómicos (Figura 33).

Figura 33. El espectro electromagnético.

Al atravesar las células, las radiaciones ionizantes se ponen en contacto con los átomos y moléculas nucleofílicas y les arrancan electrones, de modo que las moléculas así ionizadas son incapaces de realizar sus funciones normales. Los efectos biológicos de las radiaciones están íntimamente relacionados con el tipo de radiación y con la dosis o cantidad absorbida, la cual se traduce en el número de pares de iones generados por la exposición. La unidad con la cual se miden es el roentgen, que es igual a 2.08 x 109 pares de iones por cm3. Es decir, las radiaciones son agentes directos, ya que son capaces de interactuar con las macromoléculas celulares en general y con los ácidos nucleicos en particular, provocando roturas en la doble hélice y en los cromosomas, lo cual altera la estructura original.

Las fuentes naturales de radiaciones ionizantes son variadas, e incluyen las radiaciones cósmicas, las emitidas por los radionúclidos que se encuentran en la corteza terrestre, y las que se originan por los radioisótopos. Los minerales radiactivos constituyen la fuente principal de radiaciones naturales, y entre ellos los más importantes son el potasio 40 y el uranio 238, que tienen una vida media de 1.3 x 10 9 y 4.5 x 10 9 años, respectivamente. La vida media de un compuesto o de un elemento es el tiempo que transcurre hasta tener sólo la mitad de la cantidad inicial de material. Ello significa que estos minerales han estado siempre presentes en la corteza terrestre.

Por otra parte, el radón es un gas que se produce durante el decaimiento de algunos materiales radiactivos, y por ser inestable emite rayos alfa. Este gas se encuentra en grandes cantidades en los hogares mal ventilados en los cuales se emplea calefacción o aire acondicionado. De hecho, ésta es la fuente principal de radiación natural para los seres humanos.

Las radiaciones ionizantes también son artificiales, producto de diversas actividades humanas. Entre éstas se incluyen las que resultan

de los ensayos nucleares, las radiaciones producto del manejo de material radiactivo y las recibidas con fines médicos y terapéuticos.

En el periodo comprendido entre 1945 y 1983 se realizaron en el mundo alrededor de 1 500 explosiones nucleares, produciéndose cantidades importantes de sustancias radiactivas después de cada explosión. Estas se depositarán en la superficie de la Tierra y entrarán a la cadena alimenticia a través de los moluscos, de las raíces de las plantas, o se depositarán directamente en el follaje.

Como es bien sabido, hoy día los rayos X se emplean en la medicina con fines de diagnóstico, de manera que la dosis que cada ser humano recibe por esta fuente depende de la frecuencia con que se realizan estos exámenes. Los dentistas y los médicos radiólogos deben tomar precauciones especiales, tales como usar chalecos protectores y estar separados de la fuente de rayos X durante la toma de las placas. Las pruebas que emplean núcleos radiactivos, en medicina nuclear, generan dosis menores de radiación y, por supuesto, el número de individuos expuestos a este tipo de prueba es mucho menor. Los seres humanos también se ven expuestos a radiaciones con fines terapéuticos, o radioterapia. En estos casos, la dosis recibida suele ser alta, pero por este medio se han salvado muchas vidas de pacientes con cáncer.

Los efectos genéticos de las radiaciones ionizantes fueron descubiertos en organismos empleados para el bioensayo, y se encontró que aun a dosis bajas son agentes mutagénicos muy eficientes. En la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, dosis de 25 r producen una frecuencia de mutaciones similar a la basal o espontánea, mientras que en los roedores se ha demostrado que dosis bajas de radiación producen efectos muy severos en los embriones en gestación. Por esto se recomienda a las mujeres embarazadas no exponerse durante las primeras semanas de desarrollo intrauterino a radiografías innecesarias, ya que el estado embrionario es más radiosensible que el adulto.

Entre las anomalías más frecuentes que se inducen al irradiar experimentalmente a embriones in utero está la microcefalia, las cataratas y la hidrocefalia. La exposición a radiaciones ionizantes puede producir cáncer, de los cuales el más frecuente suele ser la leucemia, cuando hay exposición a dosis altas.

Las radiaciones no ionizantes son las que tienen longitudes de onda de 100 a 1 000 veces mayores que las ionizantes. En este grupo se incluye la luz visible, la infrarroja y la ultravioleta. Esta última tiene una longitud de onda que es absorbida de manera eficiente por los ácidos nucleicos y, por lo tanto, es capaz de provocar cambios fotoquímicos importantes en esta macromolécula.

La fuente natural de luz ultravioleta es el Sol, pero la mayor parte de la radiación UV del Sol no entra a la Tierra porque es absorbida en la

estratosfera por el ozono, que se forma en esa capa atmosférica por acción de los rayos UV. Actualmente la capa de ozono estratosférico se ha ido destruyendo en algunas zonas del planeta por efecto de las emisiones de los aviones, de los carburantes y del clorofluorocarbono, que se emplea como propulsor y como antirrefrigerante.

Los rayos ultravioleta interactúan con las proteínas y los ácidos nucleicos. En estos últimos producen dimerizaciones de pirimidinas, tal como se observa en la figura 34. De todas estas reacciones, la que une dos moléculas adyacentes es la más importante. Este efecto se repara eficientemente. Sin embargo, la alta incidencia de cáncer de piel se ha asociado a exposiciones prolongadas a la luz ultravioleta, baños de Sol o por la destrucción de la capa de ozono que permite la entrada de mayor cantidad de radiación UV. De hecho, se ha calculado que una reducción del 5% de la capa de ozono incrementaría hasta 20% la frecuencia de cáncer de piel entre los seres humanos.

El estudio de los efectos genéticos de la luz ultravioleta permitió descubrir los diferentes procesos enzimáticos de reparación del ácido desoxirribonucleico. La enzima que interviene en la reparación por fotorreactivación depende de la luz. Esta enzima repara el dímero de la hebra de ADN, y a expensas de la hebra complementaria no dañada se restaura la secuencia original. El proceso de corrección de dímeros también se logra por enzimas que operan en la oscuridad, que también restituyen la información original.

Figura 34. Efectos genéticos de la luz ultravioleta.

Entre los seres humanos existe una enfermedad rara de carácter recesivo, llamada xeroderma pigmentosa. Debido a que estos individuos carecen de las enzimas que reparan los daños inducidos por la luz ultravioleta, tienen alta incidencia de cáncer de piel. El origen de la enfermedad se determinó, de hecho, gracias al estudio de las células en cultivo de estos individuos.

El análisis genético de las mutaciones inducidas por la luz ultravioleta y los sistemas de reparación asociados en muchos tipos de células, permitieron establecer que desde su origen, los organismos desarrollaron mecanismos que les permitieron reparar los daños inducidos por radiaciones y agentes químicos naturales. Estos mecanismos se han conservado y transmitido a todos los descendientes celulares a través de la evolución. Es claro que la vida no hubiera durado mucho tiempo si no se hubieran desarrollado conjuntamente los mecanismos libres de errores que permiten a las células y organismos neutralizar los efectos adversos de la radiación solar.

Los pacientes con xeroderma pigmentosa que no pueden reparar el daño inducido por la luz ultravioleta, son un claro ejemplo del problema que representa para la supervivencia la ausencia de los mecanismos de reparación.

LOS COMPUESTOS QUÍMICOS GENOTÓXICOS

Ya hemos mencionado que los seres vivos han estado expuestos desde su origen a numerosas toxinas de origen natural. Vimos también que a través de la evolución orgánica; se fueron desarrollando mecanismos de protección en contra de los efectos adversos de las mismas.

Sin embargo, a partir de la Revolución Industrial del siglo XVIII se comenzó a producir en grandes volúmenes no sólo maquinaria, sino diversos productos químicos, de manera tal que hoy día se calcula que la industria ha generado alrededor de 100 000 productos que se utilizan ampliamente, y que ingresan al mercado cada año cerca de 2 000 productos nuevos. Muchas de estas sustancias tienen un potencial reactivo al ponerse en contacto con los seres vivos.

Desde el punto de vista genotóxico se han valorado alrededor de 10 000 sustancias químicas y los resultados indican que cerca de 1000 son genotóxicas. También se han identificado entre estos agentes químicos a grupos capaces de interactuar en las células con macromoléculas vitales, entre los que se incluyen a los pesticidas, los metales, los aditivos de alimentos y los derivados de la combustión incompleta de productos energéticos, como el carbón y las gasolinas.

LOS PESTICIDAS

El empleo de productos químicos sintéticos en las prácticas agrícolas se incrementó notablemente a partir de la segunda Guerra Mundial. Aunada al uso de fertilizantes, la utilización de pesticidas fue la responsable de la revolución verde, al permitir la erradicación de plagas para los cultivos con valor alimenticio. Su empleo también ha permitido el control de insectos responsables de epidemias severas, como la malaria y ciertas encefalitis. Sin embargo, su uso indiscriminado ha provocado graves desórdenes ecológicos en el planeta. En los años setenta se reconoció el daño que provoca la

utilización a gran escala de estos productos químicos, no sólo en el ambiente sino en la salud pública, lo que provocó que en EUA y en otros países se promulgaran leyes que regulan la producción, distribución y uso de agroquímicos.

Uno de los primeros pesticidas utilizados en Europa fue el piretreno, que Marco Polo llevó de China a finales del siglo XIII. La nicotina se usaba en Europa en el siglo XVIII para controlar insectos no deseados, y en el siglo XIX el hombre ya empleaba diferentes sales de diversos metales para controlar plagas en los cultivos.

Aunque los pesticidas suelen ser selectivos para el organismo que combaten, también son nocivos (aunque en menor grado) para otras especies. En el hombre son tóxicos tanto por envenenamiento accidental agudo, como por exposiciones crónicas. Por ejemplo, en los trabajadores expuestos ocupacionalmente durante la producción, o durante el trabajo en el campo, la contaminación por pesticidas se debe al uso inapropiado y a la falta de medidas de protección. En el mundo moderno los seres humanos estamos expuestos a la acción de pesticidas, ya que existen residuos de éstos en los alimentos que a diario ingerimos.

Hay diversas clases de pesticidas, y entre éstos están los insecticidas, raticidas, acaricidas, herbicidas, etcétera.

Entre los insecticidas mejor conocidos por su acción se encuentra el DDT, diclorodifeniletano, que fue desarrollado en 1945 para controlar a los mosquitos portadores de malaria. Se estima que este insecticida salvó tantas vidas humanas como las que murieron durante la segunda Guerra Mundial (unos 30 millones de personas). El DDT es un veneno de contacto que afecta al sistema nervioso central de los insectos, pero en animales de laboratorio, como las ratas expuestas de manera crónica, produce cambios en el hígado. El DDT es insoluble en agua, pero soluble en las grasas corporales, y entra a la cadena trófica porque se acumula en las plantas. En los mamíferos el insecticida produce estimulación del sistema nervioso central e interfiere con dos transmisores nerviosos, la acetilcolina y la norepinefrina. El DDT altera el transporte de los iones Na+ y K+ en las membranas nerviosas e interfiere con el metabolismo energético que se requiere para este transporte. Sin embargo, debido a los efectos adversos que provocan y a su alta persistencia en el medio ambiente, el uso de los pesticidas organoclorados, como el DDT, se ha ido reduciendo en todo el mundo.

Los pesticidas organofosforados, como el paratión, son mucho más tóxicos que los organoclorados. Sus efectos suelen acumularse en los organismos sometidos tanto a exposiciones agudas como crónicas. Su toxicidad se debe en gran medida a la inhibición de las enzimas colinesterasas, que en las células son las responsables de hidrolizar la acetilcolina hasta colina y acetato. La acumulación de acetilcolina en las células provoca la estimulación excesiva de los nervios, efecto que llega a ser letal.

Este mecanismo de acción se debe a que la acetilcolina y los insecticidas organofosforados tienen el mismo sustrato, la acetilcolinesterasa. En el caso del neurotransmisor, la degradación se realiza por hidrólisis; sin embargo, cuando el sustrato es un compuesto organofosforado, éste se mantiene unido a la enzima y se forma un complejo, que aunque puede hidrolizarse lentamente, tiende a provocar la acumulación de acetilcolina en las células.

Muchos insecticidas, tanto organoclorados como organofosforados, han mostrado ser mutagénicos en diferentes sistemas de prueba, ya que inducen tanto micro como macrolesiones en los ácidos nucleicos.

Los primeros herbicidas fueron desarrollados en los años 1930-1940. La mayoría tiene actividades similares a las hormonas que se presentan en las plantas, por lo que los herbicidas no representan problemas serios para el ambiente, pues no son residuales, excepto los elaborados a base de arsénico, que son muy persistentes.

Entre los seres humanos, las intoxicaciones por herbicidas suelen ser accidentales. Por ejemplo, el paraquat es un herbicida de contacto que se emplea para erradicar los plantíos de mariguana, y puede provocar la muerte cuando es ingerido accidentalmente por los trabajadores expuestos ocupacionalmente, produciendo fibrosis pulmonar progresiva. El mecanismo de acción se descubrió al tratar a animales experimentalmente, y al observar que se generan radicales libres, cuya acumulación produce la peroxidación de los lípidos de las membranas. Ello implica, por supuesto, que el paraquat es también mutagénico.

La mayoría de los raticidas son cardiotóxicos y eméticos, y suelen ser altamente persistentes y muy tóxicos para los mamíferos.

Por otra parte, muchos de los fungicidas se elaboran a base de mercurio, el cual ha sido utilizado para este fin desde 1915.

En las poblaciones humanas ha habido diversos episodios de intoxicación masiva por ingestión de alimentos contaminados con este fungicida.

LOS METALES

La historia del hombre está íntimamente ligada al uso de diferentes metales. Durante el neolítico, o Edad de piedra, los metales entonces conocidos como el cobre, la plata, el oro y el hierro, se empleaban de la misma forma que la piedra o la madera para la manufactura de herramientas y armas. Seguramente entre los primeros artesanos profesionales de la historia estaban los forjadores, quienes descubrieron que a altas temperaturas los metales se fundían y moldeaban. Los etruscos utilizaron diversas aleaciones de metales, y los cretenses fundaron su riqueza en el comercio con el estaño. En la Edad Media se llegó a producir hierro colado y se descubrió la pólvora,

lo que le permitió a los hombres de aquella época fabricar nuevas máquinas de artillería. Durante la Revolución Industrial, los ingleses consiguieron el acero fundido y emplearon diversos metales tales como el zinc, el níquel y el platino.

La mayoría de los elementos que se encuentran en la corteza terrestre son metales. Algunos de ellos son esenciales para las células, ya que intervienen como cofactores en reacciones enzimáticas, o porque forman parte constitutiva de importantes macromoléculas (Figura 35).

La exposición del hombre a diversos metales en cantidades elevadas, por fuente alimenticia, por inhalación o por el agua de consumo diario, se debe a las altas concentraciones naturales, a la contaminación de las fuentes, al empleo de utensilios de cocina metálicos, a la persistencia y bioconcentración de metales empleados como pesticidas. La exposición ocupacional de los obreros metalúrgicos hizo evidente las relaciones entre la exposición y el desarrollo de algunos neoplasmas. Posteriormente fue posible establecer el vínculo entre los niveles elevados de metales en la atmósfera provenientes de los residuos industriales y de las gasolinas, con el desarrollo de enfermedades crónicas y degenerativas entre los seres humanos.

Metal Funciones

Cromo III Metabolismo de los lípidos y de la glucosa.

Cobalto Forma parte de la vitamina B12.

CobreSíntesis de hemoglobina. Cofactor para las enzimas: como la catalasa pero-oxidasa y citocromo-oxidasa.

Estronio Calcificación de los huesos y de los dientes.

Hierro Biosíntesis del grupo hemo.

Magnesio Síntesis de proteínas y ácidos nucleicos.

ManganesoSíntesis de ácidos grasos, colesterol y fosforilación.

MolibdenoCofactor de las enzimas que participan en la fijación del nitrógeno atmosférico en las bacterias.

Selenio Antioxidante para los lípidos.

VanadioReduce los niveles de colesterol y fosfolípidos en el hígado.

Zinc.Presente en varias enzimas: polimerasas, deshidrogenasas peptidasas y anhidrasas .

Figura 35. Metales esenciales y sus funciones en la célula.

La inhalación de metales es la ruta de exposición más efectiva para su acumulación en los animales. Sin embargo, también se presentan efectos tóxicos por contacto dérmico y de las mucosas. Se ha demostrado que muchos metales son mutagénicos y carcinogénicos en mamíferos, entre ellos el cadmio, que se emplea ampliamente en la industria durante la elaboración de pigmentos, de insecticidas y de otros productos. Una fuente adicional de exposición al cadmio es por las emisiones de los motores de combustión interna; y este elemento se encuentra también en el humo del cigarro.

El cromo es un metal esencial en cantidades muy pequeñas para los seres vivos; en el organismo se transforma de cromo VI a cromo III. En cantidades elevadas este metal interactúa con los ácidos nucleicos produciendo micro y macrolesiones, sarcomas, carcinomas y adenocarcinomas.

El plomo es un metal que se encuentra en la atmósfera en cantidades elevadas, sobre todo en zonas urbanas. En forma orgánica, como el tetraetilo de plomo, se utiliza como antidetonante para las gasolinas en los vehículos de combustión interna. El metal interfiere con la biosíntesis del grupo hemo de las hemoglobinas, ya que compite con el hierro, que es el metal característico del grupo y se incorpora en su lugar.

Metal Efecto genotóxico

ArsénicoCáncer de piel, efectos sobre la reproducción, mutagénico.

Cadmio Mutagénico, sarcomas.

Cromo Cancer pulmonar, mutagénico.

Níquel Carcinoma nasal, mutagénico.

PlomoAnemia, linfomas, carcinomas y sarcomas renales, mutagénico.

Figura 36. Algunos metales pesados y sus efectos genotóxicos en los seres vivos.

El mercurio es eficientemente transformado en los seres vivos, y tiende a acumularse en la cadena alimenticia. Se conocen varios casos de intoxicación en humanos por metil-mercurio, debidos al consumo de pescados contaminados. En la figura 36 se muestran los efectos genotóxicos de algunos metales pesados.

LOS SOLVENTES ORGÁNICOS

Los solventes orgánicos y sus vapores son comunes en el ambiente moderno tanto en el trabajo como en los hogares. Los obreros que trabajan en la manufactura de solventes están expuestos a cantidades elevadas de los mismos, como los trabajadores de tintorerías, los carpinteros, los pintores, los impresores y prensistas. En las casas muchos solventes se emplean en los trabajos domésticos.

La exposición voluntaria por adicción a solventes entre los seres humanos es alta. La fuente principal de exposición a alcohol etílico es la bebida. El alcohol etílico se metaboliza en el organismo, formándose acetaldehído, un compuesto altamente reactivo que es mutagénico, y

cuya acumulación provoca la destrucción del hígado. El alcohol etílico atraviesa la barrera placentaria, por lo que la adicción y sus efectos adversos afectan al embrión en gestación. Los efectos del alcohol en los seres humanos están asociados al tipo de exposición, aguda o crónica, a las cantidades ingeridas, y a factores nutricionales. Su ingestión está asociada a la acumulación en el hígado de lípidos, triglicéridos, y a la movilización de corticoesteroides y catecolaminas.

LOS ADITIVOS DE ALIMENTOS

Como hemos visto, el alimento que a diario consumimos es una mezcla compleja de sustancias, donde coexisten mutágenos y antimutágenos, de origen tanto natural como artificial (residuos de pesticidas), así como algunos otros compuestos que se añaden intencionalmente con el propósito de conservar el alimento, y que en principio no tienen valor nutritivo. La sal ha sido utilizada para estos fines desde la época de los egipcios, 3000 a.c. Actualmente se usan con este propósito alrededor de 2 500 sustancias (Figura 37) cuya estructura química comprende desde compuestos inorgánicos simples hasta orgánicos muy complejos.

Tipo Compuesto químico

Ácidos / álcalis Ácido cítrico

Buffers Carbonatos

Colorantes Tartacina

Conservadores Nitrato de sodio

Edulcorantes Sacarina

Emulsificantes Ésteres grasos de polietilen sorbitol

Estabilizadores Gomas vegetales

Propelentes Óxido nitroso

Saborizantes Cianamaldehído

Figura 37. Clases de aditivos de alimentos.

 

Por lo general los aditivos de alimentos no representan un grupo de sustancias que provoquen daños mayores que los productos naturales encontrados en los alimentos. Si bien es cierto que debe probarse su toxicidad antes de exponer a los seres humanos a ellos, también es verdad que es muy difícil reproducir con animales de laboratorio condiciones tales como dosis, tiempo de exposición y consumo a los que el hombre se somete.

LOS PRODUCTOS NATURALES

Las toxinas de origen natural que producen los animales, las plantas y distintos microorganismos son muy reactivas y muy potentes, ya que aun en cantidades extremadamente pequeñas son muy tóxicas.

La mayoría de las toxinas de origen animal son enzimas, y producen diversos efectos en la bioquímica celular y en la fisiología de los organismos. Los alcaloides son quizá las toxinas vegetales naturales más potentes que se conocen desde el punto de vista genotóxico. Cantidades tales como micromoles (micro = millonésima de la unidad = 10-6) producen mutaciones puntuales y cromosómicas en los organismos empleados en el bioensayo.

Por ejemplo, las aflatoxinas son un grupo de micotoxinas producidas por el hongo Aspergillus flavus. Este hongo crece en condiciones de humedad favorables en los granos almacenados. De los cuatro isómeros que se conocen de estas micotoxinas, la aflatoxina B1 es un potente carcinógeno del hígado, en cantidades como partes por billón (ppb). En la dieta de algunos países africanos llegan a encontrarse hasta partes por millón (ppm) de la micotoxina, lo que explica la alta incidencia de cáncer hepático en esos países. La aflatoxina B1 requiere ser metabolizada; el producto intermedio, un epóxido, se une covalentemente a proteínas y ácidos nucleicos. Este metabolito intermedio es el responsable de la necrosis del hígado. En la figura 38 se observa la fórmula de algunas aflatoxinas y del metabolito reactivo de la aflatoxina B1.

Figura 38. Fórmula de las aflatoxinas B1 y G1 y metabolito intermedio de la aflatoxina B1.

Entre los antibióticos, que los microorganismos desarrollaron para defenderse de otros seres vivos, algunos han mostrado ser potentes mutágenos y carcinógenos. De hecho, muchos de ellos se emplean ampliamente en la medicina y en la quimioterapia del cáncer. Por ejemplo, la mitomicina C que se extrae de Streptomyces caesipitosus tiene propiedades de antibiótico y de agente antitumoral. Se emplea en el tratamiento de adenocarcinomas, leucemia mielocítica crónica y en la enfermedad de Hodgkin; también se emplea después de la irradiación o de la cirugía de sarcomas, epiteliomas y carcinomas. Este antibiótico requiere ser metabolizado, y el producto electrofílico actúa como agente alquilante monofuncional o bifuncional; si éste es el caso entonces se une covalentemente al ADN produciendo ligamientos cruzados intra e interbanda, especialmente en el O6 de la guanina (Figura 39).

Figura 39. Fórmula de la mitomicina C

 

LAS MEZCLAS COMPLEJAS

La gran variedad de carcinógenos naturales o sintéticos que existen en el ambiente se encuentran formando mezclas complejas. La producción y uso de compuestos orgánicos sintéticos tales como los plásticos, las drogas y los pesticidas, así como la producción y uso de fuentes variadas de energía y la movilización de sustancias naturales han generado problemas que hoy día se consideran globales, incluyendo el calentamiento de la Tierra y el efecto invernadero, la destrucción de la capa de ozono y el aumento en la radiación ultravioleta, la lluvia ácida y la desertificación de los pulmones naturales, y por último, la distribución ubicua de compuestos carcinogénicos.

En las mezclas complejas, los compuestos químicos pueden interactuar por suma, generándose una potenciación, o bien de forma antagónica, la que se traduce en una disminución o cancelación total de efecto.

Los efectos biológicos y genéticos de los carcinógenos se han determinado en el laboratorio empleando organismos de prueba, pero aún se desconocen las consecuencias que a largo plazo puedan producir en los seres humanos los compuestos químicos y sus mezclas presentes en la biosfera.

LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

La contaminación ambiental de origen natural no es un problema nuevo. De hecho ha estado presente desde que hace más de 3 500 millones de años aparecieron en nuestro planeta las primeras células capaces de utilizar la energía solar en la formación de compuestos orgánicos, a partir de agua y bióxido de carbono, o fotosíntesis. Mediante este proceso las cianobacterias liberan oxígeno (O2) a la atmósfera, y se ha calculado que la cantidad de oxígeno hace unos 2 500 millones de años era de 1%, actualmente es del orden del 20%. A su vez, el oxígeno liberado por los organismos permitió la aparición de seres vivos que requieren de este gas para desdoblar los compuestos orgánicos que ingieren, en el proceso conocido como respiración aerobia. El oxígeno surgió, pues, ¡como un contaminante de origen biológico!

Lo que hoy día preocupa a los científicos es la contaminación artificial, es decir, la producida por el hombre, que ha generado una gran cantidad de compuestos reactivos que están presentes en la biosfera como resultado de los procesos industriales y de la combustión incompleta de las fuentes energéticas, carbón y gasolinas.

En términos generales, la calidad del ambiente en un país depende de relaciones tales como la densidad de población, el uso de los recursos, las condiciones geográficas, los patrones de desarrollo económico, la administración política y las actitudes sociales. Por esto, la contaminación ambiental ha ido ligada al desarrollo y a la tecnología

del mundo moderno, y sus efectos no sólo se reducen a malestares fisiológicos, sino que se ha demostrado que influyen considerablemente en la calidad de vida y en la salud del hombre.

Hoy día se conocen muchas de las causas que generan el problema y gran parte de los efectos que se producen en el nivel biológico, y aunque la naturaleza está provista de mecanismos de autopurificación, su capacidad es finita. Es decir, rebasados ciertos límites se generan desequilibrios en los ecosistemas que pueden ser permanentes. Como todos los seres vivos comparten el espacio y compiten por los recursos, existen interrelaciones entre todos ellos, de manera que si existe un desequilibrio ambiental, éste afectará tarde o temprano a todos los miembros del sistema biológico.

El ser humano es el único animal capaz de modificar el ambiente, pero su utilización indiscriminada de los recursos naturales, el empleo del producto terminado y el desecho del residuo al ambiente, han generado severos problemas en contra de prácticamente todos los ecosistemas naturales.

Los procesos industriales utilizan agua y energía en grandes cantidades y las fábricas emiten desechos que descargan al aire y al agua. Estos desechos suelen contener contaminantes primarios que en la biosfera se concentran o reaccionan con otros elementos, produciéndose así contaminantes secundarios. En el campo, el empleo de pesticidas persistentes ha provocado la contaminación del suelo y la bioacumulación en la cadena alimenticia. Las fuentes de energía, carbón y gasolinas, son fuentes adicionales de contaminación.

El paso del mundo en vías de desarrollo al mundo desarrollado, debe ir ligado a la toma de conciencia por parte del hombre como integrante de su entorno, a la utilización racional de los recursos naturales, a la conservación y autorregulación del ambiente, y a la implementación de medidas preventivas que nos permitirán obtener los beneficios de la naturaleza a través de la defensa y respeto hacia el entorno natural.

La contaminación ambiental es la presencia en la biosfera, es decir, en el agua, en el aire y en la tierra, de cantidades elevadas de agentes extraños a ella, los cuales perjudican la vida de todos los organismos al degradar la calidad de los recursos naturales y de la salud y el bienestar humanos.

Así, en términos generales, la contaminación ambiental artificial se origina por las complejas y muy variadas interrelaciones del hombre con su medio. El Homo sapiens es el único organismo que ha podido controlar, pero también deteriorar, degradar y depredar el medio, al grado que es la única especie de la cual hoy depende la vida y su calidad en este planeta.

Como es bien sabido, a partir de la Revolución Industrial se empezó a utilizar maquinaria accionada por combustibles provenientes de restos

fósiles: el carbón que en el siglo XVIII se utilizó para las máquinas de vapor, los trenes y los barcos, y el petróleo que empezó a emplearse a principios del siglo XX con la construcción de autos y aviones. Ambas fuentes de energía, una vez extraídas deben ser refinadas para obtener un amplio rango de productos utilizados en la combustión, sea térmica o interna.

La emisión a la atmósfera de gases producto de la combustión incompleta de las fuentes de energía, carbón y petróleo, genera gases como el monóxido de carbono (CO), el cual desplaza al oxígeno de la sangre; los óxidos de nitrógeno (NOx) que al combinarse con el agua presente en la atmósfera forman ácido nítrico, que es un irritante de los ojos y la nariz; óxidos de azufre (SOx) que producen la lluvia ácida, responsable en gran medida de la muerte de árboles y bosques; los hidrocarburos aromáticos policíclicos que reaccionan con los óxidos de nitrógeno en presencia de luz solar, formándose ozono, que es un irritante pulmonar que provoca asma y enfisema; y las partículas en suspensión.

La emisión de estos gases puede reducirse considerablemente si se logra la combustión completa de las gasolinas instalando convertidores catalíticos en los vehículos automotores y produciéndose emisiones menos dañinas de bióxido de carbono, nitrógeno y agua.

La energía necesaria en la vida diaria para calentar nuestras casas y tener luz en oficinas y hogares, produce 500 millones de toneladas globales de bióxido de carbono. Un tanque de gasolina, por ejemplo, genera 200 kg de bióxido de carbono. Las emisiones de este gas a la atmósfera (como producto de la combustión) y las emisiones de clorofluorocarbono (empleado como refrigerante en el aire acondicionado de los autos) son los responsables de los cambios climáticos y del calentamiento de la Tierra (efecto invernadero). Se ha calculado que este efecto provocará un incremento global en la temperatura terrestre de 0.3ºC por década, lo que tendrá una consecuencia significativa para los recursos naturales y para el hombre.

La demanda global de fluidos fósiles es 100 000 veces mayor que la tasa en que se forman, por lo que es necesario crear otras fuentes opcionales para la obtención de energía, tales como la utilización de etanol y gashol (mezcla de etanol y gasolina), que mejoraría significativamente la calidad del aire.

LA CONTAMINACIÓN DEL AGUA

El agua es un compuesto esencial para la vida de todos los organismos. Es el principal componente de las células; 70% del peso corporal del hombre lo constituye este elemento; en las plantas y moluscos 90% de su peso es agua. Es la molécula más abundante en la superficie de la Tierra: los océanos, lagos y ríos contienen alrededor de 1 500 millones de km3.

Para su subsistencia diaria, el hombre requiere de cerca de 2.5 litros de agua, ya que es el medio en el cual se llevan a cabo todas las funciones metabólicas. Si se suma el agua que un ser humano emplea en su higiene y uso doméstico diario, entonces la cantidad requerida llega a ser de 50 litros.

La contaminación de las aguas se calcula midiendo la cantidad de oxígeno disuelto en ella. En las aguas naturales viven numerosas bacterias aeróbicas, mientras que en las aguas contaminadas crecen preferentemente bacterias anaeróbicas, que despiden el olor putrefacto característico en ellas.

La contaminación del agua tiene diferentes fuentes. Las aguas residuales son producto tanto de la vida urbana diaria, como de la industria. Las aguas residuales urbanas contienen alrededor de 50 kg de materias sólidas/habitante/año. La industria utiliza en sus procesos diferentes cantidades de agua, y las industrias que más contaminan el recurso por la generación de aguas residuales son la petroquímica, la del carbón, y la de la celulosa y papel. Otra fuente de contaminación del agua es la generada por los plaguicidas.

La regeneración de las aguas es un proceso natural, siempre y cuando la cantidad de contaminantes no rebase ciertos limites. Las aguas residuales provocan cambios muy severos en el recurso, los cuales se manifiestan en que se hace imposible la vida de los organismos acuáticos al carecer de las condiciones necesarias para llevar a cabo los procesos biológicos vitales. Por otra parte, el aumento en la temperatura conlleva a un aumento en el consumo de oxígeno, lo cual rompe el equilibrio del ecosistema.

El agua se contamina cuando existen cantidades elevadas de nitratos, fluoruros, hidrocarburos, metales pesados, detergentes y pesticidas. Cuando los nitratos están presentes en cantidades elevadas en el agua de consumo humano, producen la metahemoglubinemia infantil, que se debe a la presencia de metahemoglobina en la orina, un producto de la combustión incompleta de la hemoglobina. Por otra parte, los fluoruros se utilizan en el agua para prevenir las caries dentales; sin embargo, su presencia en concentraciones grandes produce dientes amarillos, efecto que se conoce como fluorosis crónica.

Los hidrocarburos se encuentran frecuentemente en las aguas como producto residual de las industrias, de los barcos y de los accidentes de la industria petroquímica. El petróleo vertido en el mar ocasiona daños severos ya que impide la oxigenación de las aguas, lo que provoca la muerte de las especies que en él viven. La contaminación de este recurso por metales es conocida, y un episodio notable fue el que ocurrió en Japón entre 1956 y 1971, cuando se vertieron al mar las aguas residuales de una fábrica de acetaldehído y grandes cantidades de metilmercurio. El metal se fue bioacumulando en la cadena alimenticia hasta llegar a la comunidad de pescadores, que se vio severamente afectada al ingerir pescado contaminado.

Los detergentes utilizados para uso doméstico o clínico pueden irritar la piel, ya que eliminan los aceites naturales presentes en ella. Los desechos vertidos al agua generan la contaminación del recurso, ya que por regla general los detergentes interfieren con muchas funciones celulares. También en muchos casos provocan metahemoglobinemia.

Las aguas residuales generan la contaminación de riachuelos, arroyos, ríos, lagos, mares y aguas continentales y favorecen la aparición de organismos anaeróbicos y patógenos. En las aguas continentales puede haber productos químicos residuales de pesticidas, fertilizantes y materias orgánicas que favorecen el crecimiento de poblaciones de moluscos y otros organismos acuáticos, generándose un grave desequilibrio en las poblaciones naturales.

LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE

La contaminación del aire no es un problema reciente, ya que el uso de combustibles está ligado a la vida del hombre en la Tierra. Existen diversos antecedentes históricos de los efectos de la contaminación atmosférica sobre los seres vivos. Sin embargo, para todos es evidente la forma en que este problema se ha agravado a finales del siglo XX.

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra, tiene una altura de alrededor de 2 000 kilómetros, y se divide para su estudio en varias capas:

La tropósfera es la capa inferior y densa, y tal vez la más importante ya que en ella se encuentra el aire que respiramos. En esta capa se desarrollan los fenómenos meteorológicos que determinan el clima; también aquí se producen los vientos. Mide alrededor de 40 km, y la temperatura desciende 1ºC por cada 100 metros de altitud hasta llegar a los 20 km, en donde se encuentra la tropopausa.

La estratosfera mide alrededor de 60 km y es la capa que filtra las radiaciones ultravioleta e infrarrojas del Sol. Aquí la temperatura disminuye en función de la altura.

La termosfera es la capa más alejada de la superficie de la Tierra y en ella la temperatura aumenta hasta llegar a los 500ºC, ya que es la capa donde se absorbe la radiación solar por oxígeno molecular y nitrógeno; el aire, por tanto, está ionizado (Figura 40).

Altura en Km.    

120 Mesósfera

100 Termósfera Termósfera

80 Mesopausa

 

60 Estratopausa

40 Estratósfera Estratósfera

 

20 Tropopausa

0 Tropósfera Tropósfera

 

SUPERFICIE TERRESTRE

Figura 40. Capas de la atmósfera.

El aire que respiramos es una mezcla de gases que se encuentra en un equilibrio dinámico (Figura 41).

Los componentes naturales del aire intervienen en diferentes procesos biológicos, tales como la fotosíntesis, la respiración y la combustión del alimento para la obtención de la energía en los seres vivos.

La forma más visible de notar que el aire está contaminado es la presencia de smog, palabra que se acuñó originalmente en Inglaterra para describir la combinación entre humo (smoke) y niebla (fog). Actualmente esta palabra se emplea como sinónimo de la contaminación ambiental debida a las emisiones de los autos y de las fábricas que se modifican bajo condiciones climáticas.

De hecho, existen dos tipos de smog: 1) el reductor, que contiene altos niveles de partículas en suspensión y de dióxido de azufre, que resulta de la combustión incompleta de las fuentes de carbono y que se combina con temperaturas bajas y niebla; y 2) el fotoquímico y oxidante, que contiene grandes cantidades de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y ozono. Este último se origina por reacciones fotoquímicas en la atmósfera entre los óxidos de nitrógeno que en presencia de la luz solar liberan oxígeno atómico (O), el cual reacciona

con el oxígeno molecular (O2) que se encuentra en la atmósfera, formándose ozono (O3). En la figura 42 se muestra un esquema de los tipos de smog.

Componente Volumen (%)

   

Nitrógeno 78

Oxígeno 21

Argón 1

Bioxido de carbono 0.03

Neón trazas

Criptón trazas

Helio trazas

Figura 41. Componentes del aire.

Tipo de smog Contaminantes

   

Reductor Óxidos de azufre (SOx)

  Partículas en suspensión

   

Oxidante Óxidos de nitrógeno (NOx)

  Hidrocarburos

  Ozono (reacción fotoquímica)

Figura 42. Tipos de smog.

Sin embargo, en zonas muy contaminadas están presentes los dos tipos de smog en forma de mezclas complejas. En los países industrializados, el smog está conformado por 52% de monóxido de carbono, 18% de óxidos de azufre, 12% de hidrocarburos aromáticos policíclicos, 10% de partículas en suspensión y 6% de óxidos de nitrógeno. Los efectos que estos compuestos producen en la salud humana se conocen debido a diversos episodios de exposición aguda que se han presentado en diferentes lugares del mundo en los últimos 50 años.

Se han calculado los límites tolerables o umbral por debajo de los cuales los contaminantes ambientales no producen efectos fisiológicos; rebasados estos límites la población empieza a sufrir molestias, y en cantidades elevadas pueden producirse severos daños en la salud de la población.

El monóxido de carbono se produce por el uso de combustibles fósiles como fuente energética. La combustión incompleta del carbono en los vehículos de combustión interna genera este producto y, por lo tanto, su acumulación está en relación directa al tráfico vehicular. La mayor parte del monóxido de carbono ambiental proviene de esta fuente vehicular. Los efectos que este gas produce en la salud humana son variados, desde daños en el sistema nervioso y cardiovascular, hasta dolores de cabeza, fatiga, somnolencia y en casos severos, la muerte.

Estos efectos se deben a que el monóxido de carbono afecta el transporte normal de oxígeno en la sangre. La hemoglobina es la proteína que se combina en los pulmones con el oxígeno que respiramos, formándose oxihemoglobina, que es la encargada de llevar el oxígeno a todas las células del organismo; si llega monóxido de carbono a los pulmones se establece una combinación de CO y Hb llamada carboxihemoglobina que interfiere con el transporte normal de oxígeno. La afinidad de la hemoglobina por el CO es 200 veces mayor que su afinidad para el oxígeno.

El grupo de los óxidos de nitrógeno lo conforman el bióxido de nitrógeno, el monóxido de nitrógeno, el ácido nítrico y los nitratos. Todos ellos se originan en la combustión del petróleo, las gasolinas, el carbón, el gas que se emplea en la cocina y también por el humo del cigarro. La exposición crónica a óxidos de nitrógeno que ingresan al organismo por inhalación llega directamente a los pulmones, donde pueden producir cambios semejantes a los que genera el enfisema

pulmonar; también reducen la respuesta inmunológica de los pulmones, lo que se traduce en una disminución en la resistencia natural a las infecciones respiratorias.

Los óxidos de nitrógeno (NOx) se generan como residuos de las plantas de energía eléctrica, por la calefacción y por los motores de combustión interna. Reaccionan con el agua que existe en la atmósfera, produciéndose ácido nítrico. Al ponerse en contacto con la atmósfera el NO se oxida y da al smog su color pardo tan característico. La reacción es lenta, pero si hay otros contaminantes como el ozono, se acelera.

Los óxidos de azufre (SOx) se producen por la combustión del carbón, por la refinación del petróleo en la industria petroquímica, por la industria metalúrgica y por las termoeléctricas que utilizan combustible rico en azufre. Los vehículos de combustión interna generan también este contaminante, aunque en menor cantidad. Los óxidos de azufre reaccionan en la atmósfera y producen ácido sulfúrico, que es el responsable de la lluvia ácida, tan nociva para las plantas, y responsable también en gran medida de la desertificación de los pulmones urbanos y de las zonas boscosas del planeta. La lluvia ácida ha sido la causa principal de la corrosión de los monumentos históricos y de los edificios en las zonas urbanas.

Los óxidos de azufre producen irritación de las mucosas y efectos cardiovasculares; no se ha podido comprobar que provoquen daños pulmonares. Sin embargo, el bióxido de azufre produce broncoconstricción en las personas asmáticas, aun a concentraciones muy bajas.

El bióxido de carbono presente en el aire se oxida, formándose ácido sulfúrico, el cual en presencia de amonio produce sulfatos de amonio. Los sulfatos y el ácido sulfúrico forman partículas de diámetro muy pequeño que se acumulan en los pulmones y permanecen en ellos durante varios meses antes de ser eliminadas. Estas partículas producen efectos patológicos importantes, aunque hay que resaltar que su efecto suele ser reversible.

Los hidrocarburos se originan por la combustión incompleta de las gasolinas y del diesel de los vehículos automotores, por los incendios forestales, por la evaporación de solventes orgánicos y por los procesos industriales. Producen efectos nocivos principalmente en plantas y animales a 500 ppm. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son eficientemente bioactivados en los seres vivos (como vimos en el capítulo III). Los metabolitos intermedios electrofílicos reaccionan con los ácidos nucleicos, por lo cual muchos de ellos son potentes mutágenos y carcinógenos. En los seres humanos los hidrocarburos aromáticos policíclicos son extremadamente tóxicos.

Las partículas en suspensión, sean sólidas o líquidas, se generan por la calefacción, el uso de aerosoles y por los procesos industriales. Son las

responsables del aspecto brumoso del aire. El principal efecto que producen en el hombre es la irritación de las mucosas. En animales de laboratorio, las partículas en suspensión, que contienen fundamentalmente metales pesados, producen cáncer pulmonar y mutaciones en las células germinales.

El ozono es, como ya mencionamos, un contaminante secundario. La concentración de ozono en el aire se mantiene constante cuando coexisten los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y la luz solar. Por esta razón, la concentración máxima de ozono en la atmósfera se encuentra al mediodía y la mínima por la noche. También, como es lógico, los niveles de ozono son muy variables, de acuerdo con las estaciones del año. Es un agente oxidante y por lo tanto muy nocivo para los seres vivos, reacciona con las proteínas celulares, genera peroxidación de los lípidos y ligamientos cruzados con diversas macromoléculas en animales de laboratorio.

En los seres humanos, niveles medios de ozono producen irritación ocular, reducción en la agudeza visual y, en individuos con problemas asmáticos y pulmonares, aumenta el consumo de oxígeno.

LA CONTAMINACIÓN DEL SUELO

La capa superficial del suelo se llama tierra arable, la capa subyacente se denomina subsuelo. En los suelos agrícolas existen cuatro elementos muy importantes que son la arcilla, la arena, la caliza y los elementos orgánicos.

La arcilla proporciona al suelo su plasticidad; la arena su porosidad; la caliza modifica las propiedades físicas del suelo y la materia orgánica o humus está formada por los vegetales en descomposición y da origen a los nitratos y ácido carbónico que tienen propiedades fertilizantes.

El suelo es el depósito natural de los contaminantes provenientes del aire y del agua, en donde se sedimentan y por efecto de los vientos se dispersan. El agua presente en el suelo favorece la penetración de los contaminantes a las plantas, en donde se acumulan.

El suelo tiene también la capacidad de disolver algunos contaminantes y de neutralizar a los ácidos provenientes de la contaminación atmosférica. Sin embargo, esta capacidad tiene un límite.

La práctica de enterrar desechos sólidos tóxicos es muy peligrosa, ya que el agua de la lluvia y de la nieve penetra en los suelos y dispersa las sustancias químicas que ahí se encuentren.

EL RIESGO GENÉTICO

Como hemos mencionado, en la vida moderna es muy alta la exposición a agentes químicos ambientales potencialmente nocivos. Por lo tanto debe establecerse el riesgo que representa para el ser humano y para su salud la continua exposición a los mismos. Una vez

identificado el problema, mediante modelos biológicos es posible determinar las relaciones dosis-respuesta, calcular la exposición y tomar medidas administrativas y políticas apropiadas para su manejo. El control se establece de diferentes maneras, tomando en consideración circunstancias peculiares tales como los costos y beneficios sociales, los costos económicos asociados a las medidas de control, la tecnología disponible para ejercer el control, el grado de concientización de la población y la comunicación que se establece entre los científicos, los productores, el gobierno, los consumidores, los trabajadores y la población abierta.

El proceso de evaluación del riesgo y su manejo debe realizarse por medio de los organismos gubernamentales que establecen las decisiones políticas para controlar el riesgo asociado a la exposición de la población a agentes tóxicos. El proceso, por lo tanto, consta de dos pasos: el primero consiste en evaluar el riesgo y el segundo permite decidir qué se debe hacer para reducir la exposición a los agentes tóxicos, con el propósito de proteger la salud pública.

La evaluación del riesgo es, por lo tanto, una aproximación organizada que permite valorar los datos científicos y responder dos tipos de preguntas: 1) ¿qué tan probable será que un evento ocurra?, y 2) si ocurre, ¿qué resultados tendrá en términos cuantitativos? Esta aproximación ha sido utilizada durante mucho tiempo para estimar el riesgo asociado a diversas actividades humanas tales como la seguridad en el transporte, la seguridad de las plantas nucleares y la exposición a radiaciones. En algunos países se está empleando este enfoque para estimar el riesgo asociado a la exposición a agentes químicos ambientales.

La exposición a agentes químicos ambientales y la estimación del riesgo genético que éstos representan se realiza en cuatro etapas: 1) la identificación del problema; 2) el establecimiento de los modelos de dosis-respuesta; 3) la estimación de la exposición; y 4) la caracterización del riesgo.

La identificación del problema se realiza por medio de estudios epidemiológicos y de estudios de laboratorio, utilizando los diferentes sistemas de prueba in vivo o in vitro, los que permiten establecer y caracterizar el efecto potencial que se provocaría en las poblaciones humanas expuestas.

Los modelos de dosis-respuesta se caracterizan por ser de dos tipos: efectos con umbral y efectos sin umbral. Las dosis asociadas a efectos con umbral permiten determinar la dosis que se requiere para producir un daño dado, es decir, no existe un riesgo significativo para la salud humana hasta que se llega a cierta dosis y por lo tanto se determinan los factores de seguridad, o también las llamadas dosis de referencia. Los efectos sin umbral representan riesgos reales, ya que existe un riesgo asociado con cualquier exposición. Sin embargo, este modelo está asociado a diferentes valores tales como el tiempo de exposición,

diferentes procesos farmacocinéticos, tales como la absorción y distribución del agente químico en el cuerpo, la ruta de exposición y la vía de ingreso al organismo, la tasa de mutación, la proporción de proliferación celular y otros.

Una vez establecida la estimación del riesgo deben tomarse las decisiones políticas para su manejo. Existen diferentes factores que se toman en consideración para decidir qué tanto riesgo es posible aceptar. Estos incluyen consideraciones tales como los costos y beneficios sociales, los costos económicos asociados a las medidas de control y la tecnología disponible para establecer el control. Por lo tanto, la estimación del riesgo y su manejo es un proceso que se ve afectado por diferentes restricciones legales y circunstancias de índole práctica.

El manejo del riesgo puede realizarse para exposiciones crónicas y bajas, o bien para exposiciones agudas y altas. En este último caso hablamos de los accidentes que obviamente requieren de un manejo rápido y consistente, estableciéndose las áreas que requieren ser evacuadas, la medición de la dosis y la identificación de los efectos sobre la salud humana. Por ejemplo, en el caso de las exposiciones crónicas y bajas en el control de la calidad del aire, la lista de contaminantes ambientales peligrosos para la salud es muy grande, y por lo tanto es necesaria la reglamentación de las fuentes emisoras.

Los cientos de agentes químicos presentes en el aire como contaminantes poseen diferentes propiedades químicas, tales como su reactividad, su potencia y su persistencia en el ambiente; por esto, algunos agentes químicos representan un riesgo mayor que otros contaminantes. Así, los hidrocarburos aromáticos policíclicos, que son tan ubicuos en el ambiente, tienen una potencia tres órdenes de magnitud mayor que, por ejemplo, el cloruro de vinilo.

En el caso de los pesticidas, las estimaciones del riesgo se basan en estudios realizados con los diferentes sistemas de prueba, con los que puede establecerse si estos son o no carcinógenos. Por ejemplo, el clorobenzilato, que es empleado como pesticida en los cultivos de cítricos, es un carcinógeno humano. La exposición en la población abierta es muy baja, del orden de uno en un millón, pero el riesgo de cualquiera manera existe, y por lo tanto su empleo debe regularse. En cambio no se demostró que el amitraz, otro pesticida que es utilizado en los cultivos de pera y manzana, sea carcinógeno, y por lo tanto su empleo no está prohibido. Otros pesticidas, como el heptacloro, que es un carcinógeno hepático muy potente que además se bioacumula y se almacena en el tejido adiposo del hombre, está fuera del mercado en muchos países donde existe el control para su uso.

Con estos ejemplos se ve claramente que el proceso de evaluación del riesgo empieza con la producción de datos, en los cuales se basa el análisis científico que permite estimar los riesgos para la salud, tanto en términos cualitativos como cuantitativos. El manejo de los riesgos

comprende consideraciones sociales, legales y económicas. La comunicación de los riesgos es también un factor importante, ya que la población cada vez más está desempeñando un papel activo en los problemas derivados de la contaminación que afectan la salud pública.

EL RIESGO-BENEFICIO

El riesgo se refiere a la posibilidad de que suceda un daño. En otros casos, el riesgo se refiere al efecto que una determinada exposición puede provocar. Por supuesto, el riesgo también se establece en términos del individuo, o bien en términos de la población expuesta.

El beneficio se refiere al bien que se recibe en términos sociales como resultado de los avances tecnológicos y en contra de los riesgos que puedan producir; por lo tanto, el beneficio siempre está asociado al riesgo.

Como hemos venido mencionando, la exposición natural a agentes mutagénicos y carcinogénicos es muy alta. Muchos agentes químicos han mostrado ser genotóxicos; por supuesto, en algunos casos el empleo de agentes terapéuticos establece el dilema riesgo-beneficio. El problema se da cuando un agente ha mostrado ser mutagénico, pero su empleo en la medicina es importante para curar o mejorar la salud.

Por ejemplo, el metronidazol, que se emplea para combatir la amibiasis, es mutagénico en casi todos los organismos de prueba. A pesar de ello, en países como el nuestro, en los que las diarreas son una de las cinco causas más importantes de muerte en los infantes, el agente terapéutico se emplea por periodos cortos de tiempo, con el propósito de restablecer la salud.

Muchas otras drogas que son empleadas en la quimioterapia del cáncer son mutagénicas, ya que interactúan directamente con los ácidos nucleicos. Estas drogas no son selectivas. Las células cancerosas se originan a partir de células que fueron normales, y por lo tanto ambas estirpes celulares son similares y susceptibles a los mismos agentes. La mayoría de los compuestos químicos empleados en la terapia del cáncer producen efectos colaterales adversos en las células normales.

Los criterios normativos del riesgo se establecen tomando en cuenta diversos parámetros, todos basados en el análisis previo con animales de laboratorio; así, por ejemplo, se establecen los niveles permitidos de exposición ocupacional, los límites máximos de concentración de agentes químicos en el ambiente abierto, etcétera.

El análisis del costo-beneficio se basa, en términos generales, en el criterio de que los beneficios que se obtengan deben siempre exceder el riesgo o costo. Es decir, las decisiones acerca de una exposición se toman considerando el costo-beneficio, estableciéndose así que los

riesgos sean aceptablemente reducidos, bajo las condiciones particulares de exposición.

Por otro lado, la repercusión que tiene un accidente normalmente se extiende más allá de los efectos dañinos sobre las personas expuestas, o sobre las propiedades dañadas. Los efectos a largo plazo de los accidentes son difíciles de medir, no sólo por la aparición de enfermedades a largo plazo, sino por la repercusión que tiene en el entorno natural.

Sin embargo, la identificación de un factor de riesgo no siempre es la causa para su eliminación del ambiente, ya que en la vida moderna las demandas y beneficios de un producto están íntimamente relacionadas.

La epidemiología es la ciencia que estudia la forma de distribución de los problemas de salud, de las enfermedades en la población y de los factores que influyen en su distribución. La idea de que el ambiente influye en la distribución de las enfermedades es muy antigua, ya que el mismo Hipócrates habla de la importancia de los factores ambientales sobre las enfermedades. Así, en su libro Sobre aires, aguas y lugares, menciona que para estudiar la medicina deben considerarse las estaciones del año, la colocación de los vientos, la calidad y características del agua y el género de vida del ser humano.

La epidemiología se estudia en tres etapas distintas: la recolección de datos de una población, la descripción de las asociaciones encontradas, el análisis de los datos recolectados, la experimentación con organismos de laboratorio y el establecimiento de las medidas preventivas para la población en estudio.

Por lo tanto, los estudios epidemiológicos relacionados con problemas de contaminación ambiental y de la genética toxicológica son vitales por sus alcances y aplicaciones. La asociación entre factores de riesgo y la manifestación de efectos nocivos permite establecer medidas de control adecuadas. La extrapolación de los resultados obtenidos en estudios con organismos de bioensayo para predecir el riesgo de cáncer en los seres humanos tiene valor en cuanto a la potencia de un agente, y en términos generales, en cuanto a las características cualitativas del mismo. Así, por ejemplo, la relación que existe entre la potencia de un agente y la toxicidad aguda que provoca, puede establecer una correlación válida acerca de su carcinogenicidad. La sacarina, que es un sustituto del azúcar ampliamente utilizado, tiene una toxicidad aguda muy baja y es un carcinógeno muy débil a concentraciones muy altas. Por otro lado, la dioxina es un pesticida muy tóxico en exposiciones agudas y se ha demostrado que es un potente carcinógeno en roedores expuestos a ella aun a concentraciones muy bajas. Sin embargo, aunque estas correlaciones existen para muchos compuestos químicos, otros no la manifiestan, como el dibromo etileno, que es altamente carcinógeno a dosis que no producen ninguna toxicidad.

Por otra parte, en lo que se refiere a las relaciones entre dosis administrada y efectos biológicos encontrados, un buen ejemplo es el del formaldehído, que a concentraciones altas induce cáncer nasal en las personas expuestas. A concentraciones bajas, sin embargo, no se produce ningún efecto. Esta relación se debe a la capacidad de las células de reparar el daño provocado en concentraciones bajas, mientras que en concentraciones altas se induce proliferación celular y cáncer.

I V . C Ó M O S E I D E N T I F I C A N L O S A G E N T E S G E N O T Ó X I C O S

LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS DE PRUEBA

LOS sistemas de prueba se idearon con el propósito de evaluar en organismos de bioensayo los efectos producidos por agentes químicos ambientales, a los que el hombre está expuesto.

La producción de alteraciones hereditarias podría ser el resultado de la exposición crónica a agentes químicos poderosos, aun en concentraciones bajas. Como ya vimos, las mutaciones son cambios abruptos heredables en la composición y arreglo de los genes, los cuales están formados por ácido desoxirribonucleico. La mayoría de las mutaciones producen efectos deletéreos, otras efectos con poca o ninguna consecuencia y otras son ventajosas para el organismo. La magnitud de la proporción espontánea de mutación, la manera en que la selección actúa en las diferentes combinaciones génicas, y el tamaño y la estructura de las poblaciones humanas son suficientes para mantener una fuente rica de variabilidad. Sin embargo, una proporción de mutación grande y artificialmente creada es potencialmente capaz de producir una declinación en la salud genética, a menos que exista una selección grande en contra de los genes mutantes deletéreos. Este tipo de selección ocurre en las poblaciones naturales, pero en las poblaciones humanas la eficiencia de la medicina moderna tiende a reducir la selección en contra de los caracteres deletéreos.

Muchos genetistas creen que los genes constituyen el más preciado bien hereditario, y que cualquier deterioro en su calidad puede producir un decremento en la calidad de vida. El progreso en el control de las enfermedades infecciosas y en los procedimientos para detectar e identificar los desórdenes genéticos han revelado un residuo muy importante de desórdenes genéticos en las poblaciones humanas.

Un gran número de los pacientes que ingresan a hospitales e instituciones de salud ha revelado el origen genético de algunas de las enfermedades, de modo que el médico puede aliviar los síntomas de la enfermedad, mas no curarla. La gran variedad de mecanismos por los

cuales los agentes físicos y químicos a los cuales estamos expuestos inducen mutaciones hace prácticamente imposible proponer esquemas generalizados de protección ante ellas, a no ser el impedir quedar expuestos a ellas.

Este tipo de consideraciones son las que han llevado a los genetistas a buscar sistemas de prueba capaces de detectar a los mutágenos ambientales. Sin embargo, resulta obvio que cuando los efectos de un aumento en la tasa de mutación en el hombre sean evidentes, el daño genético ya habrá ocurrido. Es posible también que gran parte del daño genético inducido pase inadvertido, ya que muchas mutaciones deletéreas están presentes en la poza génica humana. Por ello, en muchas ocasiones no es fácil identificar a la mutagénesis ambiental como la causa específica de anormalidades observadas en las poblaciones, pero gracias al empleo de los sistemas de prueba sí es posible identificar a los agentes químicos potencialmente mutagénicos antes de que provoquen un daño genético.

Las características que debe tener todo sistema de prueba son básicamente la sensibilidad y la capacidad de reproducirse. La sensibilidad de un sistema de prueba se define como la capacidad del sistema para detectar con facilidad y precisión estadística un pequeño efecto mutagénico inducido. La capacidad de reproducción implica la similitud de respuesta de un sistema en y entre laboratorios. Esto se logra solamente con el establecimiento de protocolos estandarizados y entrenando al personal para que adquiera niveles técnicos competentes. Esta capacidad de reproducción es también deseable en la forma de respuestas similares entre los diferentes sistemas, lo cual permitiría llegar a interpretaciones confiables de los datos positivos y negativos. Sin embargo, las diferencias en cuanto a organización y metabolismo entre procariontes y eucariontes hacen muy difícil la uniformidad en la respuesta.

Con la excepción de algunos virus, el material genético de todos los organismos es el ácido desoxirribonucleico, el cual se presenta en forma desnuda (procariontes) o asociado a proteínas (encariontes). Las mutaciones son eventos que en principio pueden detectarse en todos los organismos. El significado de una respuesta mutacional se hace más evidente en los organismos cuya genética se conoce extensivamente, ya que la respuesta puede representar uno o varios tipos de alteración genética.

La mutación es por lo tanto un error y consiste en diferentes tipos de cambios del material genético. La severidad de la mutación dependerá tanto de la importancia del gene alterado como de la naturaleza misma de la mutación. Por lo tanto, los diferentes sistemas de prueba deben detectar todo tipo de mutaciones, incluyendo aquellas que tienen efectos menores sobre la función génica. Los tipos de mutaciones que requieren ser detectadas, aunque no necesariamente de manera simultánea son:

1) Las mutaciones génicas entendidas como sustituciones de pares de bases, adiciones o supresiones. Las adiciones y supresiones pueden inactivar a un gene, lo que dependerá de la naturaleza misma del gene que se trata. Sin embargo, este tipo de alteraciones permiten al individuo sobrevivir y reproducirse, con lo cual las mutaciones génicas se establecen y se heredan a las siguientes generaciones.

2) Las alteraciones en la integridad del ADN. Éstas son medibles a través de la formación de aductos (lesiones premutagénicas), ligamientos cruzados intra e interbanda y rompimientos de una o dos hebras. Estas alteraciones pueden ser reparadas enzimáticamente, y si esto ocurre no constituyen mutaciones heredables.

3) Los cambios en la segregación cromosómica, lo que provoca cambios numéricos que comúnmente ocasionan una falta de equilibrio genético drástico, y letalidad en las etapas tempranas del desarrollo. Sin embargo, hay cambios numéricos viables, tales como la monosomia (presencia de un solo cromosoma de un par), y la trisomia (presencia de un cromosoma por triplicado).

4) Los cambios en la integridad cromosómica o estructurales, que consisten en supresiones, duplicaciones, inversiones y translocaciones. Las supresiones pequeñas, en condición homóciga (alelos idénticos), y las grandes, en condición heteróciga (alelos distintos), son deletéreas y provocan desde el desarrollo de enfermedades genéticas en los individuos afectados hasta letalidad. Los rearreglos estructurales pueden ser detectados citológicamente, ya que comprenden porciones grandes de los cromosomas, y en organismos de bioensayo adecuados pueden detectarse cambios en las relaciones de ligamiento.

Aunque en la actualidad existen más de 150 sistemas de prueba, solamente se utilizan unos pocos para evaluar agentes químicos ambientales. De los más comúnmente empleados se utilizan los que detectan mutaciones, rompimientos cromosómicos (clastogenia) y recombinación mitótica (recombinación en células somáticas), por varias razones: detección de mutaciones en células germinales, predicción de la carcinogénesis, investigación de las propiedades bioquímicas de los compuestos y para cumplir con los reglamentos de los organismos reguladores. Estos sistemas son:

1) Microorganismos. Detecta alteraciones heredables.

2) Prueba microsomal. Tecnología in vitro que permite la activación de promutágenos en presencia de organismos indicadores (como Salmonella).

3) Prueba de micronúcleos. Los fragmentos cromosómicos o cromosomas con centrómero inactivado no se incorporan a las células hijas.

4) Prueba del locus específico. Método para detectar y medir las proporciones de mutación en un locus recesivo.

5) Daño al ADN. Detecta rompimientos en una hebra, ligamientos cruzados inter o intrabanda, y otros.

6) Reparación del ADN. Rastrea la reparación del ADN.

7) Síntesis no programada de ADN. Detecta la síntesis de ADN durante fases no sintéticas.

8) Inhibición del ADN. Detecta la inhibición en la síntesis del ADN.

9) Conversión génica. Se recobran marcadores desiguales que resultan del intercambio durante la recombinación.

10) Recombinación mitótica. Pérdida de la heterocigosis y recombinación intragénica (dentro del gene).

11) Análisis citogenético. Células o líneas celulares en cultivo para determinar aberraciones cromosómicas.

12) Intercambio de cromátidas hermanas. Detecta el intercambio de ADN en cromosomas en metafase entre los productos de réplica en loci homólogos.

13) Pérdida de cromosomas y no disyunción. Mide la falta de separación de cromosomas durante la mitosis o la meiosis.

14) Mutaciones en células somáticas de mamíferos. Utiliza la inducción y aislamiento de genes en células de mamíferos en cultivo, identificando los cambios genéticos.

15) Prueba de letales dominantes. Mide los cambios genéticos inducidos de manera dominante, que matan al cigoto. En mamíferos, la reducción en el tamaño de la camada, midiendo y contando el número de implantes que sobreviven.

16) Prueba vía el hospedero. Usa dos especies diferentes, como mamíferos y bacterias, para detectar cambios heredables causados por la conversión metabólica de los agentes químicos administrados en una especie huésped de mamífero.

17) Morfología del esperma. Apariencia anormal del esperma.

18) Prueba de translocaciones heredables. Transmisión de una translocación de una generación a la siguiente.

19) Transformación oncogénica. Utiliza criterios morfológicos para detectar diferencias citológicas entre células normales y tumorales.

20) Capacidad inhibidora de los fagos. Emplea una bacteria lisogénica (bacteria que lleva un fago temperado) para detectar cambios en las características genéticas de no infecciosos a infecciosos.

21) Análisis de fluidos corporales. Usa dos especies; la sustancia se administra al hospedero, del cual se toma y se prueba in vitro, midiéndose la tasa de mutación en la especie receptora.

Para que un agente químico sea lanzado al mercado debe conocerse antes su toxicidad, su destino ambiental y el uso al que va destinado. Sin embargo, si un agente químico ya está en el comercio deben definirse y cuantificarse los datos en cuanto al riesgo genético que conlleva su uso.

Existen dos formas o aproximaciones para probar agentes químicos:

A) Aproximación en hilera, que es muy utilizada para probar gran número de sustancias.

B) El empleo de una batería de pruebas.

Para el primer caso se emplea una sola prueba que debe ser rápida, confiable y barata. Los agentes son eliminados con base en la respuesta, así que pocas sustancias, las positivas, se dejan para ser evaluadas con pruebas más costosas y definitivas. Con la segunda aproximación se eliminan los agentes no genotóxicos, ya que muestran ser inactivos en todas las pruebas empleadas.

Por definición, un agente genotóxico es aquel que produce una respuesta positiva en cualquier bioensayo que se emplee y que mida cualquier punto genético terminal. Sin embargo, aunque un agente muestre ser genotóxico en un sistema o en una batería de pruebas no por eso representa un riesgo real para la salud, pero sí un riesgo potencial.

Un agente será no genotóxico cuando muestre ser inactivo en cualquier sistema de prueba que mida los diferentes tipos de genotoxicidad.

En última instancia los sistemas de prueba miden la habilidad de una sustancia para producir un efecto genotóxico de tipo cualitativo, de modo que éstos indican un probable riesgo para el hombre.

El análisis de riesgo comprende el desarrollo de estimados cuantitativos de mutaciones transmisibles. Este tipo de pruebas mide el daño en células germinales y los efectos en las progenies de los individuos tratados.

La batería de pruebas seleccionada debe ser capaz de identificar a los agentes que tienen una afinidad específica por el ADN; debe tener una capacidad metabólica apropiada, ser reproducible y transferible entre laboratorios.

Selección de la dosis

La dosis es un criterio importante en el estudio de los agentes genotóxicos. Está la dosis de exposición, que es aquella a la que se exponen los organismos, expresada como concentración x tiempo; la dosis farmacológica, que es la cantidad que ingresa al individuo que se expresa en cantidad/peso corporal; la dosis blanco, que es la cantidad que llega al núcleo; la dosis molecular, que es la cantidad que se asocia con los sitios críticos de interacción en los ácidos nucleicos; la dosis colectiva poblacional, que es el promedio de exposición x del número de individuos expuestos; y la dosis genética significativa, que es la dosis que reciben las células germinales y que potencialmente puede afectar a la siguiente generación.

El empleo de condiciones impropias durante el tratamiento es una de las causas más comunes por las que se obtienen respuestas artificiales.

Las concentraciones sujetas a prueba deben ser lo suficientemente altas como para mostrar un efecto fisiológico en las células blanco, pero no tan altas como para producir efectos celulares secundarios que puedan confundir la interpretación de los resultados. Por ejemplo, las células de mamíferos en cultivo son particularmente susceptibles a la mutación y transformación causada por niveles iónicos o de pH que excedan las concentraciones fisiológicas normales.

La mayoría de los organismos vivos han desarrollado mecanismos para ajustarse a los cambios rápidos que ocurren en su ambiente. Así, las bacterias sujetas a cambios rápidos de pH sobreviven regulando el transporte de iones hacia adentro y hacia afuera de la célula. En los mamíferos, la regulación del pH se lleva a cabo no sólo por transporte iónico, sino también mediante un grupo muy complejo de atenuadores (buffers) orgánicos que existen en el suero y otros fluidos tisulares.

La reducción del pH en células de mamíferos en cultivo hasta niveles de 5.5 0.5 produce efectos genotóxicos que se expresan en forma de rompimientos cromosómicos y mutaciones. Los cambios en los niveles osmóticos de los medios de cultivo también afectan la integridad de las células en cultivo. Los iones de sodio y de potasio en niveles superiores de 400 mOs/kg producen daño cromosómico, mutaciones y transformaciones celulares. Ashby (1988) sugiere un mecanismo a través del cual los altos niveles de iones monovalentes reemplazan al ion divalente de magnesio en la cromatina, lo que produce rompimientos. Distintos experimentos han demostrado que este mecanismo es dependiente de un umbral que está en los 400 mOs/kg.

Dosis-respuesta y citotoxicidad

La respuesta de los sistemas de prueba ante los agentes genotóxicos está dada por los receptores moleculares, con los cuales el agente

químico interactúa para producir un efecto cuyo grado está determinado por la concentración del agente en el sitio reactivo.

Al inicio de cualquier experimento que pretenda entender los efectos de agentes químicos ambientales, se debe establecer el rango de dosis por emplear y la citotoxicidad del compuesto. Sin embargo, algunos agentes químicos son virtualmente no tóxicos y se selecciona la dosis con base en otros criterios. Los experimentos preliminares de toxicidad generan curvas de supervivencia que son muy útiles para la selección de las concentraciones que se van a emplear. El criterio toxicológico más frecuentemente empleado es la concentración letal media, que como ya vimos está definida como aquella que produce la mitad de individuos o células muertas por el tratamiento. A partir de ella se eligen dos o tres concentraciones más, con el objeto de obtener la curva dosis-respuesta. Por ello, la utilización de concentraciones muy altas seleccionadas con base en la muerte celular puede ser muy inapropiada para algunos agentes químicos.

Muchos agentes químicos tienen un rango de actividad muy estrecho, que suele coincidir con la solubilidad, el pH u otros factores tales como la osmolaridad. Otras sustancias químicas presentan un rango corto de respuesta en función de la dosis, lo que hace el análisis muy difícil. Este tipo de respuesta se debe a restricciones celulares en la permeabilidad y a otros factores que limitan la respuesta.

Testigos

Como sucede en toda disciplina científica, en los experimentos de genética toxicológica es necesario emplear testigos o controles. Estos son de dos tipos: concurrentes e históricos. Los testigos concurrentes son los que se corren en paralelo con los experimentos, utilizando los vehículos o solventes empleados en la preparación y administración del agente sujeto a prueba. Éste es el control negativo. Además, a veces se utiliza un control positivo, que está constituido por aquellas sustancias de referencia cuya respuesta produce un efecto conocido en el sistema. Los controles históricos suelen estar conformados por los datos obtenidos a través del tiempo por un grupo de trabajo, con un determinado sistema de prueba y son muy valiosos, especialmente cuando el tamaño de la muestra de un control concurrente es muy pequeño; el empleo de este tipo de controles permite tomar decisiones adecuadas en cuanto a la respuesta del agente sujeto a prueba.

Análisis de datos

El análisis de datos debe hacerse en dos fases. La primera es la matemática, que permite evaluar y determinar estadísticamente los datos obtenidos. La segunda fase consiste en determinar el significado biológico de esos datos en función de los mecanismos de acción del agente, del riesgo potencial que representa su exposición, de las concentraciones necesarias para obtener una respuesta, etcétera.

Batería de pruebas ideal

La selección de la batería de pruebas que se va a utilizar debe hacerse cuidadosamente, tomando en consideración los siguientes puntos:

1) Las pruebas seleccionadas deben incluir diversos niveles filogenéticos, al menos células de dos tipos: procariontes y eucariontes.

2) La combinación de las pruebas debe detectar más de un tipo de daño genético que mida diferentes mecanismos de genotoxicidad.

3) Deben incluirse pruebas in vivo e in vitro.

4) Las pruebas in vitro deben poder detectar los metabolitos activos que se producen por la bioactivación de los agentes.

Mediante la aplicación de los resultados obtenidos en una batería de pruebas es posible establecer el riesgo de las poblaciones humanas expuestas a un determinado agente químico. La estimación potencial del riesgo se expresa en niveles de preocupación, más que en los aumentos esperados de enfermedad, lo cual concierne a la estimación real del riesgo.

Los niveles de preocupación en cuanto a la genotoxicidad de los agentes en función de las pruebas utilizadas y de la etiología de las enfermedades humanas, son:

1) Ensayos que miden la inducción de mutaciones génicas y de mutaciones cromosómicas, tanto numéricas como estructurales.

2) Ensayos que miden los intercambios de cromatidas hermanas, recombinación, reparación del ADN, rompimiento de una banda y ligamientos cruzados.

3) Ensayos que miden la formación de aductos o la inhibición en la síntesis del ADN o de su réplica.

V . C O N C L U S I O N E S

EL HOMBRE ha ejercido una gran influencia sobre el equilibrio ecológico. Durante mucho tiempo vivió adaptado a la naturaleza de la cual dependía, al igual que el resto de los seres vivos, y de ella obtuvo los elementos necesarios para su supervivencia: frutos, raíces, tubérculos, caza y pesca. Las primeras alteraciones provocadas por el hombre al medio natural surgieron cuando descubre el fuego y pasa de ser un organismo errante a uno sedentario, practica la agricultura talando y quemando montes e inicia el pastoreo.

Todo ello provocó la destrucción de la vegetación y generó modificaciones en el clima. Durante la Edad Media se inició la utilización masiva de la madera, con lo cual continuó la tala de los bosques.

Sin embargo, es a partir de la Revolución Industrial cuando se empieza a agravar el problema del uso indiscriminado de los recursos naturales, de la contaminación de la biosfera y de la destrucción de grandes extensiones de bosques.

Hoy día, en los albores del siglo XXI, y como consecuencia del aumento de la población mundial, de la distribución desigual de la misma, que se encuentra concentrada en las urbes y macrociudades, de la pobreza, de la industrialización y de la emisión a la biosfera de diversos residuos producto de las actividades cotidianas del hombre, los seres vivos estamos expuestos a numerosas sustancias físicas y químicas, que como hemos mencionado, pueden provocar severos cambios genéticos.

Algunos contaminantes no son biodegradados, y por tanto entran a la cadena alimenticia en un proceso de acumulación, el cual puede ilustrarse con ejemplos variados. Así, cuando los residuos que contienen restos radiactivos de vida media larga se descargan incidental o accidentalmente a medios acuáticos (lagos, ríos y mares), el fitoplancton fija parte de esa radiactividad. En este estado temprano de acumulación, la radiactividad ya representa un riesgo. La acumulación de material radiactivo en la cadena trófica continuará en moluscos, crustáceos y peces. Al final de este proceso de amplificación el riesgo genético será muy grande.

Este ejemplo puede aplicarse a numerosos contaminantes, como los pesticidas, los que además modifican algunos procesos comprendidos en la evolución, tales como la mutación, la recombinación, la selección y los mecanismos de aislamiento reproductivo de las poblaciones. La selección artificial puede tener consecuencias graves para las poblaciones naturales, ya que la destrucción de especies sensibles genera la proliferación de otras especies, en ocasiones no deseadas, lo que lleva a que el equilibrio natural se rompa.

La vigilancia y seguimiento de las poblaciones humanas suele hacerse para personas ocupacionalmente expuestas en diversas industrias. Sin embargo, aun en estos casos, los estudios epidemiológicos suelen ser muy complejos debido a varias razones, entre ellas las diferencias intrínsecas entre una industria y otra, la naturaleza misma de las genotoxinas, la exposición a mezclas complejas en las cuales algunos componentes reaccionan entre sí para producir una sustancia mutagénica, o bien a que las mezclas suelen contener sustancias muy tóxicas que enmascaran a otras menos tóxicas, pero altamente mutagénicas, y la dosis absorbida por cada trabajador que también es muy variable.

Además, las poblaciones muestreadas deben compararse con poblaciones control (no sometidas a los mismos riesgos), lo cual, como mencionamos, es difícil debido al estilo de vida de los seres humanos, a las infecciones virales y a las frecuentes enfermedades que aquejan a la población abierta.

En la década de los ochenta quedó bien establecida la correlación que existe entre la carcinogénesis y la mutagénesis, esta información se obtuvo principalmente a través de los sistemas de bioensayo de corto plazo. Las transformaciones metabólicas por las cuales pasan la mayoría de los promutágenos a los que los seres vivos estamos expuestos ocurren in vivo, de manera que la investigación de sustancias genotóxicas que inducen cáncer en células en cultivo (después de añadir la fracción microsómica) permite sostener esta correlación.

Sin embargo, la adición de la fracción microsómica in vitro resulta ser un modelo aproximado de lo que realmente ocurre in vivo, y no es posible conocer la respuesta en relación con las diferentes rutas de administración, su distribución en el cuerpo, la excreción y las características enzimáticas de cada tejido, lo cual está en relación con el metabolismo.

En el momento actual existe una buena correlación entre la carcinogénesis y la mutagénesis, siendo de alrededor del 80%, el 20% restante lo conforman un grupo de sustancias que son carcinogénicas por mecanismos epigenéticos que, por cierto, ningún sistema de prueba genético puede detectar.

La selección del órgano y del organismo que funciona como donador de la fracción microsómica es otro criterio por considerar. En algunas ocasiones se obtiene una transformación con una especie de mamífero, pero no con otra (rata y ratón), es más, si la fracción se prepara a partir de células hepáticas se obtiene una respuesta distinta a la que se obtendría si ésta se preparara a partir de células pulmonares. Esto se debe a la especificidad de algunos agentes genotóxicos en cuanto al órgano blanco.

También debe tomarse en cuenta la estructura química de los compuestos. En 1988 Ashby y Tennant, con la información entonces disponible, analizaron las relaciones estructura química-actividad genotóxica de 222 compuestos y propusieron que existen alrededor de 20 estructuras que pueden considerarse como genotóxicas.

Es obvio que muchas moléculas muy reactivas tienen usos definidos y limitados. También ha quedado claro que las sustancias que se van a distribuir masivamente deben pasar antes por una batería de pruebas genéticas, ya que en términos sociales y de salud es preferible prevenir y controlar que curar.

En este sentido es indispensable definir los estándares de exposición, con los límites de confianza, para las sustancias que muestran un umbral en su respuesta. El proyecto de descontaminar el ambiente es ciertamente muy ambicioso; hoy día resulta ser un problema global. Sin embargo, el uso o la presencia sistemática de contaminantes ambientales por arriba de los límites del umbral ya establecido requiere de políticas organizadas y muy estrictas de control, las que permitirán ir limpiando la biosfera e ir reduciendo la exposición de los seres vivos a toxinas ambientales potencialmente genotóxicas.

B I B L I O G R A F Í A

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C O N T R A P O R T A D A

Los seres vivos estamos expuestos a la acción de numerosos agentes que son potencialmente tóxicos. El daño que causan puede ser de naturaleza física, química o biológica y, en algunos casos, genética. La mayoría de las sustancias químicas presentes en el medio ambiente tienen origen artificial, esto es, han sido producidas por el hombre. Al lado de éstas conviven cientos de venenos naturales que son producidos por microorganismos, hongos, plantas y animales que resultan también muy tóxicos para los seres vivos.

Muchas toxinas son conocidas desde la antigüedad, tanto en el viejo como en el nuevo mundo. Afirma Rosario Rodríguez Arnaiz que, "durante la Edad Media el arte de envenenar con fines políticos se convirtió en un culto". También, desde fechas remotas, se ha trabajado para encontrar los antídotos que palien la acción del veneno.

En Las toxinas ambientales y sus efectos genéticos la autora analiza las fuentes de exposición de los seres vivos a las toxinas ambientales, cuál es la respuesta de los organismos y la manera como las toxinas se

mueven dentro del organismo invadido. A continuación estudia la forma como los compuestos genotóxicos —aquellos capaces de interactuar con el material genético— pueden causar efectos hereditarios que en ocasiones son causales de muerte, como la mutogénesis (alrededor del 2% de los niños recién nacidos portan una mutación) o la terrible carcinogénesis, esto es, el cáncer.

Las radiaciones naturales o artificiales, constituyen un peligro muy actual. Su efecto puede sintetizarse así: cuando atraviesan las células entran en contacto con los átomos y moléculas nucleofílicas y les arrancan electrones, de modo que las moléculas así ionizadas quedan incapacitadas para realizar sus funciones normales.

El proyecto de descontaminar el ambiente es, ciertamente, muy ambicioso, mas la presencia sistemática de contaminantes por arriba del umbral ya establecido requiere de políticas bien organizadas y estrictas de control que permitirán ir limpiando la biósfera y reducir la exposición de los seres vivos a toxinas potencialmente genotóxicas.

Rosario Rodríguez Arnaiz cursó su licenciatura, maestría y doctorado (biología) en la Facultad de Ciencias de la UNAM, donde también ejerce la docencia. Es coordinadora del Laboratorio de Genética de la facultad, así como coordinadora general del Departamento de Biología. Ha escrito numerosos artículos en revistas nacionales e internacionales. La autora es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (1990).

Diseño original: Carlos Haces / Diseño de portada: Teresa Candela / Fotografía: Cecilia Lemus