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Toxicología

Tema 9, 10 y 11. MECANISMOS MOLECULARES Y CELULARES DE TOXICIDAD I

Tema 9,10 y 11. MECANISMOS MOLECULARES Y CELULARES DE TOXICIDAD I

En la toxicidad participan el aporte de un producto tóxico hasta su lugar o lugares de acción y las interacciones con las moléculas diana endógenas que desencadenan las perturbaciones de la función y estructura celulares, o que ponen en marcha los mecanismos de reparación en los niveles molecular, celular y tisular.

Los efectos tóxicos se producen cuando las alteraciones desencadenadas por la sustancia superan la capacidad de reparación, o cuando la reparación es anómala.

1. Primer paso: Administración: desde el lugar de exposición hasta el lugar de acción

El tóxico final o definitivo es la especie química que reacciona con la molécula diana endógena o que altera decisivamente el ambiente biológico, provocando las alteraciones estructurales o funcionales que dan lugar a la respuesta tóxica. Puede ser las sustancia química original, un metabolito de ésta o una especie reactiva del oxígeno o de nitrógeno generada durante la biotransformación del producto tóxico. También puede tratarse de una molécula endógena. La concentración del producto tóxico final en la molécula diana depende de la eficacia relativa de los procesos que aumentan o disminuyen su concentración en el lugar de acción. La absorción, la distribución hasta el objetivo, la reabsorción y la bioactivación favorecen la acumulación de la sustancia tóxica definitiva en su lugar de acción. A estos procesos se oponen la eliminación presistémica, la distribución hacia objetivos alejados del blanco, la excreción y la bioinactivación, los cuales obstaculizan la acumulación en la molécula diana.

ABSORCIÓN FRENTE A ELIMINACIÓN PRESISTÉMICA

Absorción . La absorción es la transferencia de una sustancia química desde el lugar de exposición hasta la circulación general. Diversos factores influyen y la liposolubilidad suele ser el más importante, porque las moléculas liposolubles se absorben más fácilmente hacia el interior de las células.

Eliminación presistémica . Durante la transferencia desde el lugar de exposición hasta la circulación general es posible que los productos tóxicos sean eliminados. Esto ocurre a menudo con las sustancias químicas que se absorben en el tubo digestivo ya que deben atravesar las células de la mucosa digestiva, el hígado y los pulmones antes de ser distribuidas al resto del organismo mediante la circulación general. En general, la eliminación presistémica o de primer paso disminuye los efectos tóxicos pero puede contribuir a la lesión de la mucosa digestiva, del hígado y de los pulmones.

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DISTRIBUCIÓN HACIA Y DESDE EL LUGAR DE ACCIÓN

Las sustancias tóxicas abandonan la sangre, penetran en el espacio extracelular y alcanzan su lugar o lugares de acción, normalmente una macromolécula presente bien en la superficie o bien en el interior de un determinado tipo de célula.

Mecanismos que facilitan la distribución hasta el lugar de acción .Porosidad del endotelio capilar. Las células endoteliales de los sinusoides hepáticos y de los capilares peritubulares renales delimitan grandes aperturas que permiten el paso incluso de a los xenobióticos unidos a proteínas. Esto favorece la acumulación de sustancias químicas en el hígado y los riñones.Transporte especializado a través de la membrana plasmática. Los canales ionicos especializados, los transportadores de membrana, la bomba ATPasa de sodio y potasio, los canales de calcio con puerta de voltaje, la fijación a un transportador, la endocitosis y la reconversión de la membrana facilitan la entrada de las sustancias tóxicas hacia el interior de determinadas células, convirtiéndolas en dianas.Acumulación en lo orgánulos celulares. Los xenobióticos anfipáticos con un grupo amino protonable y carácter lipófilo se acumulan en los lisosomas y también en las mitocondrias. La acumulación en los lisosomas se produce mediante una trampa de pH. La acumulación en las mitocondrias se produce por electroforesis.Unión intracelular reversible. Los cationes orgánicos e inorgánicos y los hidrocarburos aromáticos policíclicos se acumulan en las células que contienen melanina mediante su unión a ésta.

Mecanismos que se oponen a la distribución hacia el lugar de acción .Unión a proteínas plasmáticas. Para abandonar la sangre y penetrara en la célula, la mayoría de los xenobióticos deben disociarse de las proteínas. Una fijación fuerte a las proteínas plasmáticas retrasa y prolonga los efectos y la eliminación de los tóxicos.Barreras especializadas. Los capilares cerebrales carecen de aberturas y sus células están ensambladas tan herméticamente que impiden el acceso de las sustancias hidrófilas al cerebro, el cual sólo puede llevarse a cabo mediante transporte activo. Las espermatogonias, están rodeadas por células de Sertoli que, unidas firmemente, forman la barrera hematotesticular. La trasferencia de los productos tóxicos hidrófilos a través de la placenta también está limitada. No obstante, ninguna de estas barreras es eficaz contra las sustancias lipófilas.Distribución hacia los lugares de depósito. Algunas sustancias químicas se acumulan en tejidos donde no ejercen efectos significativos. Éstos disminuye la disponibilidad del tóxico.

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Asociación con unión a proteínas intracelulares. La unión a proteínas intracelulares que no son el objetivo, como la metalotioneína, disminuye la concentración del tóxico en el lugar de acción.Liberación desde las células. Las sustancias tóxicas intracelulares pueden ser transportadas de nuevo al espacio extracelular. Un transportador de membrana dependiente del ATP (prot. mdr) extrae las sustancias químicas del interior de las células.

EXCRECIÓN FRENTE A REABSORCIÓN

Excreción . Abarca la extracción de los xenobióticos de la sangre y su retorno al ambiente externo. A diferencia de la biotransformación, que es un mecanismo químico para eliminar la sustancia tóxica, la excreción es un mecanismo físico.La vía y la velocidad de excreción dependen en gran medida de las propiedades fisicoquímicas del tóxico. El riñón y el hígado, los órganos excretores principales, eliminan eficazmente las sustancias que son muy hidrófilas.No existen mecanismos de eliminación eficientes para las sustancias químicas intensamente lipófilas que no son volátiles. Si son resistentes a la biotransformación dichas sustancias se eliminarán muy lentamente y tras exposiciones repetidas se acumularán en el organismo. Estos productos químicos se eliminan por: excreción por la leche materna, excreción por la bilis y excreción hacia el lumen intestinal desde la sangre. Los tóxicos volátiles arreactivos como los gases y los líquidos volátiles difunden desde los capilares pulmonares hacia los alveolos y se exhalan.

Reabsorción . Las sustancias tóxicas que alcanzan los túbulos renales pueden difundir en sentido inverso a través de las células tubulares y hacia los capilares peritubulares. Esta reabsorción aumenta el tiempo de permanencia de la sustancia química, pues lentifica el flujo de orina. La reabsorción de los compuestos excretados por la bilis sólo es posible si éstos sin suficientemente lipófilos o si se transforman en sustancias más liposolubles dentro del lumen intestinal.

BIOACTIVACIÓN FRENTE A BIOINACTIVACIÓN

Bioactivación .la biotransformación a productos nocivos se denomina bioactivación. En algunos xenobióticos les confiere propiedades fisicoquímicas que afectan de manera desfavorable a las estructuras biológicas. En ocasiones, las sustancias químicas adquieren, a través de la biotransformación, rasgos estructurales y una reactividad que hacen más eficiente la interacción con enzimas o receptores específicos. Sin embargo, la bioactivación da lugar a endobiótios y xenobióticos indiscriminadamente reactivos frente a las moléculas endógenas que tengan grupos funcionales sensibles mediante la conversión a una de las siguientes especies químicas: 1) electrófilos que reaccionan fácilmente con nucleófilos, 2) radicales libres como el anión superóxido y el radical hidroxilo, 3) nucleófilos y 4)reactantes oxidorreductores. Los metabolitos mas

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reactivos son las moléculas y los fragmentos moleculares con déficit de electrones como los electrófilos y los radicales libres catiónicos o neutros.

Bioinactivación . Procesos que eliminan el tóxico final o que evitan su formación reciben este nombre. En algunos casos compite con la bioactivación.

Bioinactivación de las sustancias que carecen de grupos funcionales. Como el benceno y el tolueno, se inactivan en dos fases. Primero se introduce en la molécula un grupo funcional como el hidroxilo o el carboxilo, y a continuación, se añade a éste, mediante una transferasa, un ácido endógeno como el ácido glucurónico, el ácido sulfúrico o un aminoácido. Salvo algunas excepciones, los productos finales son ácidos orgánicos inactivos e intensamente hidrófilos que se excretan fácilmente.Bioinactivación de los nucleófilos. Se inactivan mediante la conjugación del grupo nucleofílico funcional.Bioinactivación de los electrófilos. Suele consistir en una conjugación con el nucleófilo glutatión. Esta reacción puede tener lugar de manera espontánea o estar facilitada por las transferasas S de glutatión.Bioinactivación de los radicales libres. Las superóxido dismutasas (SOD) presentes en el citoplasma (Cu, Zn-SOD) y en la mitocondria (Mn-SOD) convierten el superóxido en peróxido de hidrógeno. Posteriormente se reduce a agua mediante la glutatión peroxidasa citoplasmática o la catalasa de los peroxisomas.Debido a que su semivida es sumamente corta ninguna enzima elimina el radical hidroxilo. La única protección eficaz contra este radical es evitar su formación convirtiendo en agua a su precursor, el peróxido de hidrógeno.El peroxinitrito, que no es un radical oxidante, es mas estable que el radical hidroxilo y reacciona rápidamente con el dióxido de carbono para dar lugar a radicales reactivos. La glutatión peroxidasa puede reducir el peroxinitrito a nitrito. Además, el peroxinitrito reacciona con la oxihemoglobina, con las peroxidasas que contienen el grupo hemo y con la albúmina, todos los cuales pueden ser importantes captadores de peroxinitrito.Los radicales libres que generan las peroxidasas se eliminan mediante una transferencia de electrones desde el glutatión. Esto da lugar a la oxidación del glutatión, una reacción reversible por medio de la glutatión reductasa, dependiente de NADPH. Así pues, el glutatión desempeña un papel importante en la bioinactivación tanto de electrófilos como de los radicales libres.Bioinactivación de las toxinas proteicas. En la inactivación de los polipéptidos tóxicos intervienen proteasas intracelulares y extracelulares. Las toxinas venenosas, como la α y la β−bungarotoxina, la erabutoxina y la fosfolipasa, pierden su actividad cuando la tiorredoxina reduce su puente disulfúrico esencial.Cuando fracasa la bioinactivación. La bioinactivación puede resultar insuficiente porque la sustancia tóxica supera a los procesos de bioinactivación, porque un tóxico reactivo inactiva a una enzima inactivadora,

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porque la bioinactivación se invierte después de la transferencia a otros tejidos o porque durante todo el proceso se producen bioproductos nocivos.

2. Segundo paso: reacción del producto tóxico final con la molécula diana

Las moléculas diana más frecuentes y de mayor trascendencia toxicológica son los ácidos nucleicos, las proteínas y las membranas. A menudo, el primer objetivo de los metabolitos reactivos es la enzima responsable de su producción o las estructuras intracelulares próximas. La unión covalente con las proteínas que no provoca consecuencias adversas representa una forma de bioinactivación porque permite que otras dianas de importancia toxicológica sean respetadas.

TIPOS DE REACCIONES

El tóxico final puede unirse a las moléculas diana mediante enlaces covalentes o no covalentes y alteradas mediante una sustracción de hidrógeno, una transferencia de electrones o una reacción enzimática.

Unión no covalente . Las interacciones apolares, o formación de puentes de hidrógeno o iónicos, son la habituales en la interacción de las sustancias tóxicas que tienen como lugar de acción los receptores intracelulares, los canales iónicos y algunas enzimas. La unión no covalente suele ser irreversible.

Unión covalente . Como es prácticamente irreversible, el enlace covalente altera las moléculas endógenas de manera permanente. En las sustancias tóxicas electrófilas, como los electrófilos catiónicos y aniónicos y los radicales cationicos, es frecuente la formación de un aducto covalente. Estas sustancias reaccionan con los átomos nucleófilos que abundan en las macromoléculas biológicas como las proteínas y los ácidos nucleicos. Los radicales libres neutros, como el hidroxilo, el dióxido de nitrógeno y el triclorometilo también se unen de manera covalente a las biomoléculas.

Sustracción de hidrógeno . Los radicales libres neutros pueden sustraer con facilidad átomos de hidrogeno que se convierten en radicales. Los radicales también sustraen hidrogeno de los grupos etilo de los aminoácidos libres o de los residuos de aminoácidos de proteínas y los transforman en carboxilos, los cuales formarán puentes con el DNA y con otras proteínas.

Transferencia de electrones . Las sustancias químicas pueden intercambiar electrones para oxidar o reducir otras moléculas, dando lugar a la formación de bioproductos nocivos. En la metahemoglobinemia, por ejemplo, las sustancias químicas oxidan el Fe (II) de la hemoglobina a Fe (III).

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Reacciones enzimáticas . La mayoría de los productos tóxicos finales actúan sobre las moléculas endógenas dependiendo de su reactividad química. Aquellos que constan de más de un tipo de reactividad pueden interaccionar por mecanismos diferentes con distintas moléculas diana.

EFECTOS DE LOS TOXICOS SOBRE LAS MOLECULAS DIANA

Disfunción de las moléculas diana . Algunos tóxicos activan las proteínas que actúan como diana imitando los ligandos endógenos. Mediante el bloqueo de los receptores del neurotransmisor o de los canales iónicos, a través de enzimas inhibidoras. Cuando la interacción con la sustancia tóxica transforma la forma o la estructura de las proteínas, la función de éstas se deteriora. La modificación covalente u oxidativa de estas fracciones desencadenada por un xenobiótico puede dar lugar a una transducción aberrante de la señal y a un deterioro de la homeostasis energética y metabólica de la célula. Los tóxicos también pueden interferir la función de plantilla del DNA. La unión covalente de las sustancias químicas al DNA hace que el emparejamiento de los nucleótidos durante la replicación sea anómalo.

Destrucción de las moléculas diana . A parte de formar aductos, las sustancias toxicas alteran la estructura primaria de las moléculas endógenas mediante la formación de puentes y la fragmentación.Otras moléculas diana son vulnerables a la degradación espontánea después de un ataque químico. Los radicales como el peroxitriclorometilo y el hidroxilo pueden poner en marcha la degradación peroxidativa de los lípidos mediante la sustracción de los electrones de los ácidos grasos destruyendo así los lípidos de las membranas celulares y produciendo además electrófilos y radicales lipídicos endógenos, los cuales dañan las estructuras de DNA.

Formación de nuevos antígenos . La unión covalente de los xenobióticos o de sus metabolitos a las proteínas puede provocar una respuesta inmunitaria. Algunas sustancias se unen a las proteínas de manera espontánea. Otras adquieren su reactividad mediante la autooxidación a quinonas o a través de biotransformación enzimática.

TOXICIDAD NO INDICADA POR UNA REACCIÓN CON LAS MOLÉCULAS DIANA

Algunos xenobióticos dan lugar a una respuesta tóxica mediante la alteración del microambiente biológico. Aquí se incluyen: 1) las sustancias químicas que alteran las concentraciones de protones en biofase acuosa. 2)los solventes y los detergentes que alteran las propiedades fisicoquímicas de la fase lipídica de las membranas celulares y

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destruyen los gradientes a través de la membrana de solutos y 3) los xenobióticos que causan daño por el simple hecho de ocupar un lugar o un espacio.

3. Tercer paso: disfunción celular y efectos tóxicos resultantes

La reacción de los productos tóxicos con una molécula diana puede dar lugar a una alteración de la función celular. Si la molécula diana interviene en la regulación celular (señalización), fundamentalmente se alterará la regulación de la expresión génica, de la función celular momentánea o de ambas funciones. Sin embargo, si la molécula diana está involucrada de manera predominante en la conservación del medio interno de la célula, la disfunción resultante puede llegar a poner en peligro la supervivencia celular. La reacción de una sustancia tóxica con moléculas diana que cumplen funciones externas influirá en el funcionamiento de otras células y de los sistemas orgánicos que éstas integran.

TRANSTORNO DE LA REGULACIÓN CELULAR PROVOCADO POR UN TÓXICO

Las células están reguladas por moléculas de señalización que activan receptores celulares específicos unidos a entramados transductores de señales que las transmiten a las regiones reguladoras de los genes, a las proteínas funcionales o a ambas. En último término, la activación de los receptores puede alterar la expresión de los genes, modificar químicamente determinadas proteínas, normalmente la fosforilación, o ambas cosas. Los programas que controlan el destino de las células afecta fundamentalmente a la expresión de los genes, mientras que aquellas que regulan las actividades prolongadas influyen principalmente en la actividad de las proteínas funcionales; sin embargo, una señal evoca a menudo ambas respuestas debido a las ramificaciones y a las interconexiones de los entramados de señalización.

Trastorno de la regulación de la expresión de los genes . Una anomalía en la regulación de la expresión de los genes puede afectar a los responsables directos de la transcripción, a los componentes de la vía de transducción de la señal intracelular y a la síntesis, el almacenamiento o la liberación de las moléculas que actúan como señales extracelulares.

Transtorno de la regulación de la transcripción . La transcripción de la información genética desde el DNA hasta el RNAm está dirigida en parte por la interacción entre los factores de transcripción y la región moduladora o promotora de los genes. Los xenobióticos pueden interaccionar con la región promotora del gen, con los factores de transcripción o con otros componentes del complejo de iniciación de la transcripción. No obstante, la activación anómala de los factores de transcripción parece ser la modalidad más frecuente.

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Muchos compuestos naturales como las hormonas y las vitaminas influyen en la expresión génica porque se unen a los factores de transcripción, activándolos de este modo. Los ligandos naturales y los xenobióticos causan toxicidad cuando se administran a dosis extremas o en periodos críticos durante la ontogenia. Otros compuestos que actúan sobre los factores de transcripción también pueden cambiar al patrón de la diferenciación celular mediante una sobreexpresión de diversos genes.

Trastorno de la regulación de la transducción de señales . Las moléculas extracelulares de señalización, como los factores de crecimiento las citocinas, las hormonas y los neurotrnasmisores, pueden en último término activar los factores de transcripción a través de los receptores de la superficie celular y de los circuitos intracelulares de transducción de la señal.La señal procedente de los receptores de la superficie celular se transmite hasta los factores de transcripción mediante interacciones proteína-proteína y fosforilaciones proteicas sucesivas, es decir, una molécula de señalización fosforila otra proteína, como la proteína cinasa activada por mitógenos (MAPK), activándola para, a su vez, fosforilar y activar otra proteína.Las sustancias químicas causan una transducción aberrante de la señal casi siempre mediante una alteración de la fosforilación de las proteínas. En ocasiones lo que hacen es entorpecer la actividad de la GTPasa de las proteínas G porque interrumpen las interacciones normales proteína a proteína, establecen interacciones anormales o alteran la síntesis o la degradación de las proteínas de señalización. Finalmente, estas intervenciones influyen en la progresión del ciclo celular.

Alteración química de la transducción de la señal con efecto proliferante . Los xenobióticos que facilitan la fosforilación de los transductores de señal a menudo fomentan la mitosis y la formación de tumores. Los ésteres de forbol y la fumonisina B activan las proteínas cinasa C (PKC) porque se parecen al diacilglicerol (DAG), uno de los activadores fisiológicos de la PKC. El otro activador fisiolñogico de la PKC es el ión calcio, imitado por el ión plomo. La PKC activada pone en marcha una cascada que activa otras cinasas que estimulan la señalización mitógena y permite la unión de determinados factores de transcripción al DNA. Otra opción es que las proteínas cinasas se activen a través de la interacción con otras proteínas que hayan sido alteradas por un xenobiótico. La fosforilación aberrante de las proteínas también puede consistir en una disminución de la desfosforilación por parte de las fosfatasas. La inhibición de las fosfatasas parece ser el mecanismo fundamental del efecto mitógeno de varias sustancias químicas, del estrés oxidativo y de la radiación ultravioleta. Además de las fosfatasas, existen otras proteínas de unión inhibidoras que pueden tener bajo control la transmisión de la señal (proteína IkB).

Alteración química de la transducción de la señal con efecto antiproliferante . La depresión de la señal proliferativa después de una lesión celular puede poner en peligro la sustitución de células dañadas. La inhibición de una señal mitógena normal es un paso que se aleja de la supervivencia y se aproxima a la apoptosis.

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Transtorno de la regulación de la producción de la señal extracelular . Las hormonas de la hipófisis anterior ejercen sus efectos mitógenos sobre las glándulas endocrinas periféricas a través de los receptores de la superficie celular. La producción de hormonas hipofisiarias está sometida a la retroalimentación negativa de las hormonas de las glándulas periféricas. Una perturbación de este circuito afecta desfavorablemente a la secreción de las hormonas hipofisiarias y a su vez a las glándulas periféricas. La hiposecreción de hormonas hipofisiarias produce la apoptosis, seguida de una involución de la glándula destinataria periférica.

Transtorno de la regulación de la actividad celular continua . Las sustancias toxicas afectan de manera desfavorable a la actividad celular continua de las células especializadas mediante la interrupción de algún paso en el acoplamiento de la señal.

Alteración de la concentración de neurotransmisores . Las sustancias químicas pueden alterar la concentración de los neurotransmisores en la sinapsis al interferir en su síntesis, almacenamiento, liberación o eliminación de las proximidades de los receptores.

Interacciones entre la sustancia química y el receptor del neurotransmisor . Algunas sustancias químicas interaccionan directamente con los receptores de los neurotransmisores y actúan como: 1)agonistas que se asocian al punto de unión de los ligandos en el receptor y que imitan al ligando natural, 2) antagonistas que ocupan el punto de unión del ligando pero que no pueden activar al receptor, 3)activadores y 4)inhibidores que se unen a una zona del receptor que no está directamente incolucrada en la unión del ligando.

Interacciones entre el toxico y el transductor de la señal. Muchas sustancias químicas alteran la actividad neuronal o muscular mediante su acción sobre los procesos de transducción de la señal. Los canales de sodio con puerta de voltaje, que transducen y aumentan las señales excitadoras generadas por los canales catiónicos con puerta de ligando, son activados o inactivados por diversas toxinas.

Interacciones entre el tóxico y la finalización de la señal . La señal celular generada por la entrada de cationes es interrumpida por la liberación de los cationes a través de canales o transportadores. La inhibición de la exportación de cationes puede prolongar la excitación.

Regulación anómala de la actividad de otras células . Deterioro del mantenimiento del medio celular interno : mecanismos de la muerte

celular por tóxicos. Para su supervivencia, las células deben: 1)sintetizar moléculas endógenas; 2)agrupar complejos macromoleculares, membranas y orgánulos celulares; 3)mantener el medio interno; y 4)producir energía para actuar. Las sustancias que alteran estas funciones ponen en peligro la supervivencia. Existen tres transtornos bioquímicos críticos por los que los tóxicos provocan la muerte celular: la disminución del ATP, la elevación mantenida del ión calcio dentro de la célula y la hiperproducción de ERO y de ERN.

Disminución de ATP . El ATP cumple una función esencial en el mantenimiento celular como sustancia necesaria para la biosíntesis y como fuente principal de energía. El ATP se incorpora a los cofactores y a los ácidos nucleicos. Es

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necesario para la contracción muscular, para la polimerización del esqueleto celular… el ATP impulsa a los transportadores iónicos que conservan las condiciones esenciales para diversas fnciones celulares. La energía química se libera a través de la hidrólisis de ATP para formar ADP o AMP. Dentro de la mitocondria, el ADP es fosforilado de nuevo por la ATPsintasa a través de un proceso que combina la axidación del hidrógeno hasta formar agua y que se denomina fosforilación oxidativa. Este proceso puede verse obstaculizado por la acción de varias toxinas.

Elevación mantenida del ión calcio dentro de la célula . La regulación y el mantenimiento de los valores intracelulares de calcio dependen en gran medida de la impermeabilidad de la membrana plasmática, a este ión y de los mecanismos de transporte que extraen el calcio del citoplasma. El calcio es bombeado activamente fuera del citoplasma a través de la membrana plasmática y queda secuestrado en el retículo endoplásmico y las mitocondrias.Las sustancias tóxicos provocan una elevación de la concentración intracelular de calcio porque facilitan la entrada de este ión al citoplasma o inhiben su salida. La apertura de los canales de calcio con puerta de voltaje o de ligando y la alteración de la membrana plasmática hacen que el ion se desplace en contra de gradiente desde el liquido extracelular hasta el citoplasma. Los toxicos también pueden causar la fuga de calcio desde las mitocondrias o el retículo endoplásmico. Otra posibilidad es que disminuyan la salida del ión mediante la inhibición de sus transportadores o el consumo de su fuerza impulsora. La elevación mantenida del calcio intracelular es nociva porque puede dar lugar a: 1)un agotamiento de las reservas energéticas secundario a la inhibición de la ATPasa, que participa en la fosforilación oxidativa, 2)una disfunción de los microfilamentos, 3)una activación de las enzimas hidrolíticas, y 4)la formación de ERO y ERN.En primer lugar, una concentración citoplásmica elevada de calcio provoca un aumento de la captación de este ión por parte de la mitocondria mediante un “transportador de difusión facilitada” que, al igual que la ATPsintasa, utiliza como fuerza impulsora el potencial negativo de la membrana interna de la mitocondria. En consecuencia, la captación mitocondrial de calcio disipa el potencial de membrana e inhibe la síntesis de ATP. Además las sustancias que oxidan el NADH mitocondrial activan un transportador que extrae el calcio de la matriz. El resultado es una captación y una exportación continuas de calcio (ciclo del calcio) por la mitocondria que compromete aun más la fosforilación oxidativa.En segundo lugar, una elevación incontrolada del calcio dentro del citoplasma lesiona las células a causa de la disociación de los microfilamentos. La consecuencia es una predisposición a la ruptura de la membrana.En tercer lugar, una concentración alta de calcio activa las enzimas hidrolíticas que degradan las proteínas, a los fosfolípidos y a los ácidos nucleicos. Muchas de las proteínas de membrana son diana de las proteasas neutras que activa el

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calcio, las denominadas calpaínas. La activación indiscriminada de las fosfolipasas por el calcio provoca la rotura de la membrana de manera directa y a través de la formación de detergentes. La activación de las endonucleasas dependientes de calcio y del magnesio causa la fragmentación de la cromatina.

Hiperproducción de ERO y ERN . La hipercalcemia intracelular puede causar una hiperproducción de ERO y ERN.

La interacción entre los transtornos metabólicos primarios presagia un desastre celular:

El agotamiento de las reservas celulares de ATP priva de energía a las bombas de calcio de las membranas plasmática y endoplásmica, dando lugar a una elevación de calcio en el citoplasma.

La hipercalcemia intracelular facilita la formación de ERO y ERN, las cuales incativan la bomba de calcio mediante oxidación y agravan así la hipercalcemia.

Además, la ERO y la ERN pueden agotar las reservas de ATP. Se forma radical peroxinitrito que inactiva irreversiblemente diversos componentes de la cadena de transporte de electrones.

El radical peroxinitrito puede provocar roturas monocatenarias del DNA.

La transición de la permeabilidad mitocondrial (TPM) y el peor resultado : la necrosis. La captación de calcio por las mitocondrias, la disminución del potencial de membrana mitocondrial, la formación de ERO y ERN, el agotamiento del ATP y las consecuencias de los transtornos metabólicos primarios son todos los factores que pueden causar un aumento brusco de la permeabilidad de membrana interna de la mitocondria, denominado TPM, que se atribuye a la apertura de un poro proteico que atraviesa las membranas mitocondriales. La apertura de estos poros permite el aflujo libre de protones hacia la matriz , lo cual hace desaparecer de manera rápida y completa el potencial de membrana, detiene la síntesis de ATP y permite la entrada osmótica de agua, de modo que las mitocondrias se hinchan. El calcio que se acumuló en la matriz sale a través del poro, anegando el citoplasma. Esta mitocondria no es solo incapaz de sintetizar ATP sino que además consume los recursos restantes porque la despolarización de la membrana interna invierte la acción de la ATPsintasa, que se comportará como una ATPasa hidrolizando el ATP. A continuación, hasta la glucólisis se verá afectada por el aporte insuficiente de ATP a las enzimasglucolíticas que lo necesitan. Si los transtornos metabólicos provocados por la sustancia tóxica tienen tal trascendencia que todas las mitocondrias de la celula sufren una TPM, entonces la celula sufrirá una catástrofe bioenergética completa que desembocará en un agotamiento del ATP celular y culminará en la lisis o necrosis de la célula.

Una consecuencia alternativa de la TPM : la apoptosis. Las sustancias químicas que afectan desfavorablemente al metabolismo energético celular, a la homeostasis del calcio y al estado de oxidorreducción y que finalmente

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provocan la necrosis de la celula también pueden causar apoptosis. Mientras que la celula necrótica se hincha y se lisa, la celula apoptósica se contrae; su material celular y su citoplasma se condensan, y la célula acaba por romperse en fragmentos rodeados de membrana (cuerpos apoptósicos) que son fagocitados. Las vías de apoptosis siguen un orden establecido (las de necrosis son aleatorias) y consisten en la activación en seudocascada de los procesos catabólicos que finalmente disgregan la célula. La apoptosis puede ejecutarse a través de varias vías y en todas ellas participa la activación de las caspasas. La vía preferida dependerá de la agresión inicial, así como del tipo y la situación de la célula.

La disponibilidad del ATP determina la forma de la muerte celular . Las sustancias tóxicas suelen provocar apoptosis cuando los niveles de exposición son bajos o poco tiempo después de una exposición intensa, mientras que la necrosis ocurre más tardíamente tras una exposición intensa. Los datos recientes indican que la disponibilidad de ATP es crítica a la hora de determinar la forma de la muerte celular. Cuando solamente unas pocas mitocondrias sufren una TPM, éstas, y con ellas las señales proapoptósicas se eliminan por autofagia en los lisosomas. Si la TPM ha afectado a más mitocondrias, el mecanismo autofágico se ve superado y el citC liberado pone en marcha la activación de las caspasas y la apoptosis. Cuando prácticamente todas las mitocondrias están comprometidas, se produce una disminución intensa del ATP que impide que se ejecute el programa de la apoptosis, pues necesita ATP, y se produce la citolisis.

4. Cuarto paso: reparación o reparación anómala.

REPARACIÓN MOLECULAR

Algunas alteraciones químicas, como la oxidación de los grupos tiol de las proteínas y la metilación del DNA, sencillamente se invierten. En el caso del DNA alterado químicamente y de los lípidos peroxidados, a veces se eliminan las unidades dañadas de las moléculas mediante hidrólisis y se introducen unidades neosintetizadas. En otras ocasiones se procede a la degradación completa de la molécula alterada, que se sintetiza de nuevo.

Reparación de las proteínas . Los grupos tiol son esenciales para numerosas proteínas. La oxidación de estos grupos se invierte mediante una reducción enzimática catalizada por la tiorredoxina y la glutarredoxina. Una vez oxidados, los grupos tiol catalíticos de estas proteínas se reciclan mediante una reducción con NADPH.La reparación de la hemoglobina oxidada se logra por medio de una transferencia de electrones desde el citocromo b5. Las proteínas dañadas también se eliminan por degradación proteolítica.

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Reparación de los lípidos . Los lípidos peorxidados se reparan mediante un complicado proceso que consta de una serie de reductores, glutatión peroxidasa y glutatión reductasa. Para reciclar los reductores que se oxidan durante el proceso hace falta disponer de NADPH.

Reparación del DNA . El DNA mitocondrial carece de histonas y de mecanismos de reparación eficientes y por lo tanto es más proclive a sufrir alteraciones.

Reparación directa. Algunas modificaciones covalentes del DNA se invierten directamente mediante enzimas.Reparación por escisión. Eliminan las bases dañadas del DNA. La base alterada es reconocida por una DNA glicolasa que hidroliza en enlace N-glucosídico, el punto apurínico es reconocido por la endonucleasa que hidroliza el enlace fosfodiéster adyacente a la zona que carece de bases, después de su eliminación, el azúcar sin bases es sustituido por el nucleótido correcto mediante la DNA polimerasa, el nucleótido se ensambla por la DNA ligasa.

Reparación por recombinación . Se produce cuando no se logra escindir un aducto voluminoso o un dímero de pirimidina intracatenario antes de que empiece la replicación de DNA.

REPARACIÓN CELULAR: UNA ESTRATEGIA EN LAS NEURONAS PERIFÉRICAS

La reparación de las células dañadas apenas se pone en práctica en las lesiones celulares intensas, ya que las neuronas maduras han perdido su capacidad de multiplicación. En las lesiones axonales de las neuronas periféricas sí se produce la reparación, y ésta requiere la presencia de macrófagos y de cálulas de Schawnn, las cuales proliferan y se transdiferencian en células de soporte del crecimiento. Mientras migran en compañía del axón que se está regenerando, las células de Schwann actúan como guía física y señuelo químico para que el axón reinerve la célula efectora.

En el sistema nervioso central de los mamíferos, las glucoproteínas inhibidoras del crecimiento y los proteoglucanos de sulfato de condroitina procedentes de los oligodendrocitos, junto con la fibrosis producida por los astrocitos, impiden la regeneración axonal. Aunque el daño de las neuronas centrales es irreversible, el gran número de neuronas de reserva existentes permite compensarlo parcialmente porque estas células asumen las funciones de las neuronas perdidas.

REPARACIÓN TISULAR

Apoptosis : consumo activo de las células dañadas. La apoptosis puesta en marcha por la lesión celular puede considerarse una reparación tisular. A medida que se van condensando el citoplasma y el núcleo, la celula que sufre apoptosis se encoge y a continuación se rompe en fragmentos rodeados de membrana (cuerpos apoptósicos) que son fagocitados en ausencia de inflamación. Además, la apoptosis puede

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interceptar el proceso que conduce a la neoplasia mediante la eliminación de las células que presentan anomalías potencialmente mutágenas en el DNA.La apoptosis de las células dañadas únicamente tiene un valor pleno como proceso de reparación en aquellos tejidos constituidos por células que se renuevan constantemente o por células que se dividen de manera condicionada ya que en ellos las células apoptósicas serán fácilmente sustituidas. El valor de la apoptosis como estrategia de reparación tisular es considerablemente menor en los órganos que contienen células que no se replican o irremplazables, como las neuronas, los miocitos cardiacos y las células germinativas femeninas.

Proliferación : regeneración del tejido. Las cadherinas permiten a las células adyacentes adherirse entre sí, mientras que las conexinas conectan internamente las células vecinas mediante las uniones intercelulares comunicantes. Las integrinas unen las células a la matriz extracelular. Por consiguiente, la reparación de los tejidos lesionados abarca tanto la regeneración de las células perdidas y de la matriz extracelular como la reintegración de los elementos recién formados en los tejidos y los órganos.

Sustitución de las células perdidas por mitosis . Las células próximas a la zona dañada entran en el ciclo de la división celular. Se producen cambios sucesivos en la expresión de los genes (favorecido por TNF-α y la IL6).

Efectos secundarios de la lesión tisular . Además de producir los mediadores que ayudan a sustituir las células perdidas y la matriz extracelular, los maccrofagos tisulares y las células endoteliales que han sido activados por la lesión tisular producen inflamación, alteran la producción de proteínas de fase aguda y provocan reacciones generalizadas como la fiebre.

Inflamación. La alteración de la microcirculación y la acumulación de células inflamatorias se debe en gran medida a la secreción de citocinas como TNF-α y la IL-1 por parte de los macrófagos tisulares en respuesta al daño tisular. Estas citocinas estimulan a su vez, de las células del estroma vecino, como las células endoteliales y los fibroblastos para que liberen mediadores que provocan una dilatación de la microvasculatura local y aumentan la permeabilidad de los capilares. Las células endoteliales activadas también facilitan la salida de leucocitos circulantes hacia el tejido lesionado mediante la liberación de quimiotaxinas y moléculas que expresan adhesión celular. Los macrófagos y leucocitos que han sido atraídos hasta el lugar de la lesión experimentan un despliegue respiratorio que provoca la formación de radicales libres y enzimas activas.

Alteración de la síntesis de proteínas: proteínas de fase aguda . Las citocinas liberadas por los macrófagos y por las células endoteliales de los tejidos lesionados (IL-6, IL-1 y TNF) actúan sobre los receptores de la superficie celular para aumentar o disminuir la actividad de la transcripción de los genes que codifican las proteínas de fase aguda, positivas y negativas. Las proteínas de fase aguda positivas ayudan a minimizar la lesión tisular y facilitan la reparación. Entre las proteínas de fase aguda negativas se encuentran diversas proteínas plasmáticas, como la albúmina, la transtiretina

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y la transferrina y algunas variantes del citocromo P450 y de la glutatión S transferasa. Dado que estas últimas enzimas cumplen funciones importantes en la bioactivación y bioinactivación de los xenobióticos, es posible que durante la fase aguda de la lesión tisular se produzca una alteración notable de la disposición toxicocinética y la toxicidad de las sustancias químicas.

Reacciones generalizadas . Las citocinas IL-1, TNK e IL-6 alteran el termostato hipotalámico y producen fiebre. Asimismo, IL-1 eIL-6 estimulan la producción hipofisiaria de ACTH, la cual a su vez estimula la secreción de cortisol en las glándulas suprarrenales. Esto constituye una retroalimentación negativa porque los costicosteroides inhiben la expresión de los genes de las citocinas.

CUANDO LA REPARACIÓN FRACASA

La situación más frecuente se produce cuando el daño supera los mecanismos de reparación, como cuando se agotan las enzimas o los cofactores que son necesarios. En ocasiones, la lesión provocada por un tóxico es contraproducente para la propia reparación. Por último, algunos tipos de lesiones tóxicas son imposibles de reparar eficazmente, como ocurre cuando se produce la unión covalente de los xenobióticos a las proteínas. Otra posibilidad es que la reparación contribuya a la toxicidad.

TOXICIDAD RESULTANTE DE UNA REPARACIÓN ANÓMALA

Algunos efectos tóxicos abarcan una reparación anómala en un único nivel, como una enzima concreta o un proceso específico. Otros, como la necrosis, la fibrosis y la carcinogénesis, comprenden niveles diferentes.

Necrosis tisular . Varios mecanismos capaces de causar la muerte de las células abarcan un daño molecular que es potencialmente reversible mediante los mecanismos de reparación. Si dichos mecanismos son ineficaces o el daño molecular no es fácilmente reversible, la lesión celular evolucionará hacia la necrosis. A la progresión del daño celular hacia la necrosis se oponen dos mecanismos reparadores que actúan de manera coordinada: la apoptosis y la proliferación celular. Las células lesionadas pueden comenzar la apoptosis, la cual contrarresta el avance de la lesión tóxica porque impide la necrosis de las células afectadas y la consiguiente respuesta inflamatoria.Otro importante proceso reparador capaz de detener la propagación de la lesión tóxica es la proliferación de las células adyacentes a las células dañadas. Este mecanismo se pone en marcha poco después de la lesión celular y parece contribuir a la reconstrucción rápida y completa del tejido afectado, así como a la prevención de la necrosis.

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El hecho de que la necrosis ocurra con una dosis concreta de una sustancia tóxica se debe no sólo a que esa dosis garantiza que el tóxico final alcance en el lugar de acción una concentración suficiente para iniciar la lesión, sino también a que esa cantidad de tóxico causa el daño suficiente como para hacer peligrar la reparación, permitiendo así que la lesión progrese.

Fibrosis . Es un proceso patológico que se caracteriza por un depósito excesivo de una matriz extracelular anormal en su composición, es una manifestación específica de la reparación anómala de un tejido lesionado.La persistencia de la sobreproducción de TGF-β conduce a la fibrosis.

Carcinogénesis . Interviene una insuficiencia funcional de diversos mecanismos de reparación que afecta a: 1)la reparación del DNA, 2)la apoptosis, y 3)la finalización de la proliferación celular.

Defecto de la reparación del DNA: mutación, el primer acontecimiento de la carcinogénesis. Las agresiones físicas y químicas provocan la transformación neoplásica mediante mecanismos genotóxicos y no genotóxicos.Si no se repararon estas irregularidades, o no se eliminan las células lesionadas, la replicación de la cadena progenitora de DNA dará lugar a una anomalía hereditaria, o mutación, en la cadena hija. La situación más desafortunada para el organismo tiene lugar cuando los genes anómalos expresan expresan proteínas mutantes que reprograman las células para su multiplicación. Cuando estas células experimentan la mitosis, sus descendientes mostrarán la misma tendencia a la proliferación. El resultado final de este proceso es un tumor formado por células transformadas que experimentan una proliferación rápida.

Mutación de los protooncogenes . Los protooncogenes son genes muy protegidos que codifican la síntesis de proteínas que estimulan la progresión del ciclo celular. Para conseguir una proliferación controlada es necesario que se produzcan aumentos transitorios de la producción o de la actividad de las proteínas codificadas por los protooncogenes. Por el contrario, una activación permanente o una sobreproducción de estas proteínas favorecerá la transformación neoplásica. El gen anómalo (denominado oncogén) codifica una proteína cuya actividad es permanente y que impulsa a la célula hacia el ciclo de la división.

Mutación de los genes de supresión tumoral . Los genes de supresión tumoral codifican la síntesis de las proteínas que inhiben la progresión del ciclo celular. El gen supresor p53 transactiva aquellos genes cuyos productos detienen el ciclo celular o favorecen la apoptosis y reprime los genes de las proteínas antiapoptósicas.

Cooperación de los protooncogenes y los genes de supresión tumoral en la carcinogénesis. La acumulación de anomalías genéticas consistentes en protooncogenes mutantes y genes de supresión tumoral mutantes es la causa principal de que células normales cuya proliferación está regulada se transformen en células malignas cuya proliferación carece de control.

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Fracaso de la apoptosis: facilitación de la mutación y de la proliferación clonal . Las células preneoplásicas, o células que contienen mutaciones, tienen una actividad apoptósica muy superior a la de las células normales. De este modo, la apoptosis equilibra la expansión clonal de las células mutadas y de las células neoplásicas. La facilitación de la apoptosis puede lograr la regresión del tumor, mientras que la inhibición de la apoptosis es perjudicial porque facilita las mutaciones y la expansión clonal de las células preneoplásicas.

Incapacidad para poner fin a la proliferación: facilitación de la mutación, de la expresión de los protooncogenes y de la expansión clonal. El aumento de la actividad mitótica favorece la carcinogénesis por numerosas razones.1. La actividad mitótica intensa aumentan la probabilidad de que se

produzcan mutaciones. La activación del ciclo celular conlleva un acortamientos sustancial de la fase G1, con lo que disminuye el tiempo disponible para reparar el DNA anómalo antes de la replicación.

2. El exceso de proteínas derivadas de los protooncogenes colabora con las proteínas de los oncogenes para facilitar la transformación neoplásica de las cálulas concediendo menos tiempo para la metilación del DNA, lo cual disminuye la transcripción de los genes al inhibir la interacción de los factores de transcripción con la región promotora.

3. La comunicación intercelular mediante las uniones comunicantes y la adhesión intercelular a través de las cadherinas se interrumpe de forma transitoria durante la proliferación, lo que contribuye a la capacidad invasora de las células tumorales.

Carcinógenos no genotóxicos : activadores de la mitosis e inhibidores de la apoptosis. Muchas sustancias químicas no alteran el DNA ni ocasionan mutaciones y a pesar de ello su administración prolongada provoca cáncer. Son los llamados carcinógenos no genotóxicos o epigenéticos, los cuales fomentan la carcinogénesis iniciada por las sustancias genotóxicas o por una alteración espontánea del DNA. Los carcinógenos epigenéticos aumentan la frecuencia de las mutaciones espontáneas porque estimulan la mitosis e inhiben la apoptosis.

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tema 9, 10 y 11

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