toxicología ambiental - evaluación de riesgos y restauración ambiental

h t t p : / / s u p e r f u n d . p h a r m a c y . a r i z o n a . e d u / t o x a m b /

TOXICOLOGIA AMBIENTALEvaluacin de Riesgos yRestauracin Ambiental

Carlos E. PeaDean E. Carter

Felix Ayala-Fierro

Southwest Hazardous Waste ProgramA Superfund Basic Research and Training Program

At the College of PharmacyThe University of Arizona

2001

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RECONOCIMIENTO

Este trabajo se realiz gracias al apoyo del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental del Gobiernode los Estados Unidos de Amrica dentro del Proyecto de Investigacin Bsica para el Superfund otorgado a laUniversidad de Arizona (Grant P42 ESO 4940).

COPYRIGHT

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TOXICOLOGIA AMBIENTAL: Evaluacin de Riesgos y Restauracin Ambiental 2 2001 The University of Arizona http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIN 81.1 ELEMENTOS DE BIOLOGA...........................................................................................................................8

1.1.1 Bioqumica........................................................................................................................................81.1.2 Citologa .........................................................................................................................................231.1.3 Fisiologa ........................................................................................................................................30

1.2 DEFINICIN DE CONCEPTOS BSICOS ........................................................................................................401.2.1 Toxicologa ambiental ....................................................................................................................401.2.2 Medio ambiente ..............................................................................................................................401.2.3 Exposicin ......................................................................................................................................411.2.4 Blanco.............................................................................................................................................411.2.5 Ruta de exposicin..........................................................................................................................411.2.6 Efecto txico...................................................................................................................................421.2.7 Dosis ...............................................................................................................................................421.2.8 Susceptibilidad individual...............................................................................................................431.2.9 Suposiciones bsicas.......................................................................................................................431.2.10 Riesgo..............................................................................................................................................451.2.11 Evaluacin de riesgos para la salud humana (ER)...........................................................................451.2.12 Restauracin ambiental ...................................................................................................................461.2.13 Prevencin de la contaminacin......................................................................................................47

2 TOXICOLOGIA AMBIENTAL 482.1 INTRODUCCIN.........................................................................................................................................482.2 CUANTIFICACIN DE TXICOS EN EL ORGANISMO.....................................................................................49

2.2.1 Muestreo biolgico .........................................................................................................................492.2.2 Biomarcadores ................................................................................................................................51

2.3 TOXICODINMICA ....................................................................................................................................532.3.1 Absorcin........................................................................................................................................542.3.2 Distribucin ....................................................................................................................................582.3.3 Excrecin ........................................................................................................................................602.3.4 Metabolismo ...................................................................................................................................622.3.5 Toxicocintica.................................................................................................................................71

2.4 RESPUESTA TXICA..................................................................................................................................732.4.1 Caracterizacin de la respuesta txica ............................................................................................732.4.2 Factores que afectan la toxicidad ....................................................................................................81

2.5 RELACION DOSIS-RESPUESTA....................................................................................................................902.5.1 Curvas Dsis-Respuesta..................................................................................................................912.5.2 Indices de toxicidad. .......................................................................................................................95

3 EVALUACIN DE RIESGOS AMBIENTALES 1023.1 ANLISIS DE RIESGOS .............................................................................................................................102

3.1.1 Introduccin..................................................................................................................................1023.1.2 Conceptos Bsicos ........................................................................................................................1023.1.3 Usos del anlisis de riesgos...........................................................................................................1033.1.4 Metodologa y Tcnicas................................................................................................................103

3.2 ESTIMACIN DE LA EXPOSICIN..............................................................................................................1053.2.1 Escenario de exposicin................................................................................................................1053.2.2 Ruta de exposicin........................................................................................................................1083.2.3 Cuantificacin de la exposicin ....................................................................................................111

3.3 CARACTERIZACIN DE RIESGOS..............................................................................................................1143.3.1 Evaluacin de la exposicin..........................................................................................................115


3.3.2 Evaluacin de la toxicidad ............................................................................................................1203.3.3 Seleccin de ndices de toxicidad. ................................................................................................1233.3.4 Estimacin de riesgos ...................................................................................................................125

4 RESTAURACIN AMBIENTAL 1374.1 PROYECTO DE REMEDIACIN..................................................................................................................137

4.1.1 Estructura del proyecto .................................................................................................................1384.1.2 Informacin generada por el proyecto de restauracin. ................................................................139

4.2 ESTUDIOS DE VIABILIDAD .......................................................................................................................1404.2.1 Establecimiento de los objetivos de proteccin ............................................................................1404.2.2 Desarrollo y seleccin preliminar de alternativas .........................................................................146

4.3 TECNOLOGIAS DE RESTAURACION AMBIENTAL.......................................................................................1474.3.1 Mtodos biolgicos.......................................................................................................................1494.3.2 Mtodos qumicos.........................................................................................................................1544.3.3 Extraccin .....................................................................................................................................1564.3.4 Tcnicas de control .......................................................................................................................1594.3.5 Manejo de medios contaminados ..................................................................................................160

PREVENCIN DE LA CONTAMINACIN 161

5.1 ESTRATEGIA DE PREVENCIN .................................................................................................................1625.1.1 Evaluacin de riesgos para la prevencin .....................................................................................1635.1.2 Modelos de Prediccin .................................................................................................................163

ANEXO 165

6.1 EJEMPLOS DEMOSTRATIVOS ...................................................................................................................1656.1.1 Clculo de riesgos.........................................................................................................................165

6.2 EJEMPLO DE UN ARCHIVO EN LA BASE DE DATOS IRIS ...........................................................................1676.3 EVALUACION DE RIESGOS PARA LA FAUNA SILVESTRE............................................................................188

6.3.1 Introduccin..................................................................................................................................1886.3.2 Los plaguicidas en el ambiente .....................................................................................................1896.3.3 Toxicologa de peces ....................................................................................................................192

7 NDICE DE FIGURAS Y TABLAS 1997.1 LISTA DE FIGURAS..................................................................................................................................1997.2 LISTA DE TABLAS ...................................................................................................................................200


DESCRIPCIN GENERAL

Da a da el mundo se enfrenta a la necesidad de crear una conciencia del medio ambiente. Lasactividades industriales que se han vuelto necesarias para la vida moderna en los pasesdesarrollados han generado una serie de peligros ambientales. Los pases en desarrollo, almodernizarse han generado el mismo tipo de problemas, quiz ms agudos debido a la falta derecursos econmicos, cientficos, tecnolgicos y humanos que los enfrenten.

La frontera entre Mxico y los Estados Unidos es una regin donde se palpa ms claramente esefuturo no deseable. La sociedad norteamericana por un lado genera y afronta los problemasambientales que se presentan en todo el mundo desarrollado, y por otro lado, en Mxico seexperimenta lo que sucede en una sociedad en la que se produce un desarrollo industrialacelerado, sin contar con los recursos suficientes que controlen eficientemente el deterioroecolgico.

Para que la poblacin pueda vivir y desarrollarse en un ambiente sano, los peligros deben serprevenidos en sus orgenes o restaurar los daos ya producidos. Afortunadamente se cuenta conlos conocimientos para realizar la mayor parte de estas tareas.

Los problemas ambientales se discuten en el seno de la sociedad, sin separar los problemas realesde los que estn sustentados slo en informaciones anecdticas no comprobadas.Desafortunadamente con frecuencia se difunden en los medios de comunicacin masiva losproblemas ambientales en forma distorsionada, desacreditando las preocupaciones y esfuerzoslegtimos de la comunidad. Es necesario que los actores sociales, incluyendo las autoridades,dispongan de mtodos cientficos para discriminar entre los dos extremos y poder actuar enforma responsable al tratar esta importante problemtica.

Si bien, se puede encontrar abundante informacin cientfica sobre los peligros que corre elhombre al vivir en un medio deteriorado por la contaminacin, muchas veces adems de no estarreunida tal informacin, sta se dirige solamente a especialistas en toxicologa y a profesionalesen otras ramas de las ciencias de la salud. Sin embargo, los miembros de la sociedad interesadosen los problemas acarreados por la contaminacin y en la restauracin del medio ambiente, engeneral tienen otra formacin acadmica.

Este libro naci del inters de la Universidad de Arizona por difundir los conocimientos entoxicologa ambiental, entre los interesados en la reduccin de los riesgos sociales producidospor la contaminacin. Como parte de este Programa se decidi organizar cursos de difusin de laToxicologa Ambiental enfocados a la evaluacin y manejo de riesgos producidos por laexposicin a productos industriales txicos en el ambiente.

Los cursos se pensaron para audiencias formadas por funcionarios pblicos, tcnicos del sectorde la produccin y acadmicos en reas diferentes de la toxicologa.

El esfuerzo de la Universidad de Arizona fue apoyado por El Programa de Investigacin Bsicadel Superfund de los Institutos Nacionales de Ciencias de la Salud Ambiental (National Instituteof Enviromental Health Sciences).


El libro se dirige principalmente a los profesionales de la ingeniera, por ser los actores en eldiseo y operacin de los procesos que produce la contaminacin, as como de los esfuerzos pararetirarla del ambiente. Este libro no descarta la posibilidad de que sea interesante y provechosopara otras personas. A los lderes de opinin los apoyar para informar y prevenir al pblico delos verdaderos riesgos producidos por la contaminacin ambiental. A los ciudadanos en general,les ayudar a formarse una opinin para ejercer su derecho a vivir en un ambiente sano y nopeligroso, ya que el saneamiento y conservacin del medio ambiente redundan en la calidad devida de la poblacin.

Se orient hacia evaluacin de riesgos porque es la tcnica que proporciona las herramientas paraidentificar y calificar, en forma racional, los problemas ambientales significativos. Es la basemetodolgica que fundamenta las estrategias de reduccin de los riesgos para la salud pblica aniveles que sean socialmente tolerables.

Este trabajo, en general, se enfoca a los problemas relacionados con los riesgos para la saludhumana y no a los peligros para el medio ambiente mismo, aunque en el apndice se presenta unejemplo de como utilizar la misma metodologa en el clculo de parmetros ambientales paraproteger otras especies de la biota. Para facilitar su lectura se organiz en cinco captulos y unanexo.

La Introduccin consta de dos secciones. La Seccin 1.1 se escribi en beneficio de los lectoressin formacin en ciencias biolgicas o de la salud. Consiste en un resumen de los conceptosbsicos de bioqumica y citologa necesarios para entender los mecanismos, a nivel molecular ycelular, por medio de los cuales los txicos producen daos, as como para entender lastransformaciones que efecta el organismo en las substancias extraas que penetran sus barrerasprotectoras. Presenta tambin una descripcin muy breve del funcionamiento de los rganos msimportantes, involucrados en el ingreso, metabolismo y excrecin de txicos. La Seccin 1.2define conceptos importantes de la toxicologa ambiental usados en la evaluacin de riesgos y enel estudio de la restauracin del medio ambiente.

En el segundo captulo denominado Toxicologa Ambiental, se presentan los conceptos bsicosque se consideran necesarios para comprender la derivacin de los ndices de toxicidad que seutilizan en evaluacin de riesgos. Se dividi en cuatro secciones.

En la seccin 2.1 se encontrarn aspectos fundamentales de la determinacin de lasconcentraciones de txicos dentro del organismo o monitoreo biolgico, as como ladeterminacin de las transformaciones orgnicas cuantificables causadas por la exposicin y queson tiles tanto para cuantificar la exposicin como para medir sus efectos: los biomarcadores.

La Seccin 2.2 se orienta hacia el estudio de la dinmica de los txicos dentro del organismo.Aqu se presentan los fenmenos que suceden desde que los txicos penetran a travs de lassuperficies de contacto, entre el organismo y el medio ambiente, hasta que llegan a su blanco. Seanalizan las variables que afectan el ingreso y transporte de los txicos, las modificaciones queles introduce el metabolismo y los mecanismos por medio de los cuales son excretados. Sepresenta en forma asequible, el estudio de la variacin de la concentracin del txico conrespecto al tiempo transcurrido desde que sucedi una exposicin a travs del modelo mssencillo de la toxicocintica.


A continuacin en la Seccin 2.3 se define el concepto de respuesta txica. Se analizan lasconsecuencias que tiene para el organismo la llegada del txico a su blanco y se enfoca en elestudio del dao celular, as como a los factores internos y externos que influyen sobre lamagnitud de ese dao.

La Seccin 2.4 trata de la relacin que existe entre la magnitud de la dosis y la respuesta txica oefecto. El estudio de esta relacin es una parte fundamental de la toxicologa ambiental quedescribe, en forma cuantitativa, la relacin que existe entre la magnitud de los daos producidosy la cantidad de txico contactado. Se describe cmo se usa tal informacin para derivar losndices de toxicidad, que son la medida de la peligrosidad de una substancia usados en laevaluacin de riesgos.

Evaluacin de Riesgos Ambientales, se titul al tercer captulo que estudia la estimacin de laexposicin y la caracterizacin de los riesgos, decidimos dividirlo en tres Secciones .

La Seccin 3.1 define los trminos evaluacin, anlisis y manejo de riesgos.

La Seccin 3.2 presenta la dinmica de los txicos en el medio ambiente y en su relacin con laspoblaciones humanas que pueden quedar expuestas a esos txicos, y tiene como propsito ladescripcin de la metodologa para llegar a la evaluacin de las exposiciones que enfrentan losindividuos y las poblaciones.

La manera de caracterizar los riesgos para la salud de la poblacin, provenientes de la presenciade txicos en el ambiente de un sitio determinado, se encuentra en la seccin 3.3.

La Correccin Ambiental conforma el captulo cuarto, que presenta la forma de disear laintervencin de sitios contaminados con el propsito de eliminar, reducir o controlar los txicosambientales que puedan representar un peligro para la salud de la poblacin. Consta de dosSecciones.

La Seccin 4.1 presenta cmo se puede usar la caracterizacin de los riesgos para fundamentar ladecisin de intervenir un sitio, establecer las metas del proceso de intervencin y evaluar lasalternativas tecnolgicas para llevar a cabo la restauracin del ambiente contaminado.

La Seccin 4.2 es un resumen de las principales tecnologas innovadoras para eliminar txicosdel medio ambiente. Se describen los principales resultados de los esfuerzos de innovacintecnolgica para restaurar el ambiente, sin trasladar los substratos contaminados fuera del sitio.Los mtodos se denominan de restauracin in situ, si los medios contaminados se tratan en ellugar en que se encuentran y, de restauracin ex situ, si se desplazan dentro del sitio mismo parasu tratamiento.

Las metodologas para caracterizar los riesgos y para disear la restauracin ambiental de un sitiocontaminado, que se describen en este trabajo, son las que requiere la Agencia para la ProteccinAmbiental del Gobierno de los Estados Unidos (EPA) para aprobar y disear la limpieza de losSitios Superfund

La quinta parte trata la prevencin de la contaminacin. Es obvio que es ms conveniente evitarla emisin de txicos al ambiente que tener que retirarlos de los medios contaminados, una vezque ya representan un problema para la salud. Est dividida en dos secciones. La primera discutelos problemas que se enfrentan al tratar de evitar la contaminacin en la ausencia de informacintoxicolgica, y la segunda se centra en los mtodos para estimar toxicidades y propiedades de


transporte de substancias en el ambiente y de cmo se aplica la metodologa de evaluacin deriesgos para disear e implementar estrategias de prevencin.

El anexo presenta en la Seccin 6.1 ejemplos numricos de clculo de dosis suministradas y decaracterizacin de riesgos, en la Seccin 6.2 una copia de uno de los archivos de la baseelectrnica IRIS y la Seccin 6.3 es un ejemplo del uso de la metodologa de evaluacin deriesgos para calcular la concentracin ambiental tolerable de DDT en la exposicin de peces.

Esperamos que todos estos conceptos sean de gran beneficio para quienes trabajan previniendo,enfrentando y/o contrarrestando los procesos de contaminacin, as como para todas aquellaspersonas que sin estar involucradas directamente, sus actividades influyen en que todosdisfrutemos de un ambiente sano.


1 INTRODUCCIN

1.1 Elementos de biologaLa toxicologa estudia los mecanismos de ingreso, transformacin y excrecin de los txicos,as como el estudio de los mecanismos a nivel molecular y celular de los procesos deproduccin de daos y de desintoxicacin.

La descripcin de esos procesos tiene por objetivo principal entender las causas de la granvariabilidad que existe en la respuesta de los diferentes individuos y especies a la agresinqumica. La variabilidad de la respuestas txicas obliga, en el estudio de la toxicologaambiental, al tratamiento probabilstico de las posibilidades de dao, en lugar de laestimacin cuantitativa del dao mismo.

La mayora de los ingenieros no estudian durante su formacin profesional los procesosqumico/biolgicos que suceden dentro de un organismo vivo, por lo que se considerconveniente incluir, como apoyo, el material que se presenta en esta seccin la cual se divideen tres subsecciones. La primera, est dedicada a la presentacin de los conceptos bsicos debioqumica necesarios para estudiar las transformaciones que sufren los txicos una vez queentran al organismo. La segunda, describe la estructura de una clula tpica de unorganismo superior, al nivel estrictamente necesario para adquirir una base adecuada para elestudio posterior de los daos ocasionados por los txicos en las clulas de los tejidos blanco.La tercera subseccin, se dedica a la descripcin de los rganos ms importantesinvolucrados en el ingreso, distribucin, metabolismo y excrecin que son frecuentemente lossitios de accin de los txicos.

1.1.1 Bioqumica

1.1.1.1 IntroduccinLa bioqumica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitales interaccionan ungran nmero de substancias de alto peso molecular o macromolculas con compuestos demenor tamao, dando por resultado un nmero muy grande de reacciones coordinadas queproducen la energa que necesita la clula para vivir, la sntesis de todos los componentes delos organismos vivos y la reproduccin celular.

Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le llama metabolismo.

Actualmente se conoce a detalle la estructura tridimensional de las macromolculas de mayorimportancia biolgica, los cidos nucleicos y las protenas, lo que ha permitido entender anivel molecular sus funciones biolgicas.

Gracias al conocimiento de la estructura de los cidos nucleicos, se esclarecieron losmecanismos de transmisin de la informacin gentica de generacin a generacin, y tambinlos mecanismos de expresin de esa informacin, la cual determina las propiedades y funcionesde las clulas, los tejidos, los rganos y los organismos completos.


Conocer a detalle la estructura de varias protenas ha sido muy til en la elucidacin de losmecanismos de las reacciones enzimticas. Prcticamente todas las reacciones que integran elmetabolismo son reacciones enzimticas.

El tipo de especie qumica y los mecanismos de accin que intervienen en el almacenamiento,replicacin y transferencia de la informacin gentica, as como las reacciones que forman elmetabolismo son prcticamente idnticas, desde las bacterias hasta los organismos superiores.No todas las clulas contienen y expresan la misma informacin, pero las reacciones que sllevan a cabo, utilizan enzimas practicamente idnticas. De hecho las diferencias y similitudesentre ellas se han utilizado para establecer la secuencia de aparicin de las especies. Los virustienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirus estn constituidos pormolculas de ARN y en algunos fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una solacadena. Los virus no cuentan con un metabolismo que les permita vivir en forma autnoma,slo se pueden reproducir y expresarse dentro de las clulas que invaden.

Las reacciones que constituyen el metabolismo estn localizadas en determinadas estructurascelulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las reacciones se llevan acabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las catalizan. La clula no es unsaco sin estructura, sino que es un sistema muy complejo y altamente organizado. En lasubseccin 1.1.2, denominada Citologa, se encontrar la descripcin de las estructurascelulares.

En seguida vamos a presentar la informacin ms relevante, para la toxicologa, sobre lasmacromolculas biolgicas en lo que se refiere a su estructura y funcin. Frecuentemente semencionar la localizacin dentro de la clula de los sitios donde se sintetizan y actan.

1.1.1.2 ProtenasLas protenas son macromolculas que tienen mltiples funciones en el organismo; controlanlas condiciones fisicoqumicas dentro de la clula, forman parte de las estructuras celulares ysobre todo catalizan prcticamente todas las reacciones que tienen lugar en la clula, y en estecaso se les denomina Enzimas.

La presencia de una enzima y su concentracin en un compartimento biolgico dado,determina la capacidad de ese compartimento de llevar a cabo una reaccin bioqumicay la velocidad a la cual tiene lugar. Se conoce a detalle la estructura de varias protenas, as como la relacin que existe entre esaestructura y la funcin de varias de ellas. Se conoce tambin la cintica y los mecanismos deun nmero considerable de reacciones enzimticas.

Estructura. Las unidades estructurales de las protenas son los aminocidos. Todas lasprotenas estn construidas a partir del mismo conjunto de 20 aminocidos. El carbono alfa,enmarcado en azul en la figura que sigue, de todos los aminocidos sostiene un grupo amino,un grupo carboxilo y el residuo caracterstico de cada aminocido.


Figura 1.1.1.A Estructura de un Aminocido.

Los residuos R tienen diferente forma, carga, tamao, reactividad qumica y capacidad deformar puentes de hidrgeno. El residuo es una cadena aliftica, en el caso de la glicina (Gli),alanina (Ala), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile) y prolina (Pro). En la serina(Ser) y treonina (Thr) el residuo es una cadena hidroxialiftica. En los aminocidostriptofano (Tri), tirosina (Tir) y fenilalanina (Phe) el residuo es una cadena aromtica. Lalisina (Lis), arginina (Arg) y la histidina (His) tienen residuos bsicos y en el cidoasprtico (Asp) y el cido glutmico (Glu) el residuo es un cido carboxlico. En laasparangina (Asn) y en la glutamina (Gln) el residuo tiene una funcin amida y en lacisteina (Cis) y en la metionina (Met) contiene un tomo de azufre.

Los aminocidos se unen uno al otro, va los grupos alfa amino de un aminocido con elgrupo alfa carboxilo de otro aminocido. A esta unin se le denomina enlace peptdico y alproducto se le denomina pptido.

Figura 1.1.1.B Enlace Peptdico.

Si se unen dos aminocidos se le denomina dipptido, y si son muchos se le llamapolipptido. Las protenas estn formadas por uno o ms polipptidos. En algunasocasiones los polipptidos estn formados por ms de 100 uniones peptdicas, o sea, sonlargas cadenas integradas por un nmero relativamente grande de aminocidos.

A la secuencia en la cual estn acomodados los aminocidos en una cadena peptdica se ledenomina estructura primaria y se determina genticamente. La estructura primaria determinala estructura tridimensional de la protena, la que a su vez determina su funcin.


Figura 1.1.1.C Estructura Tridimensional de una Protena (Citocromo).

Los polipptidos se sintetizan en los organelos citoplasmticos llamados ribosomas. Losaminocidos se van uniendo, uno a uno, a la cadena del polipptido en formacin. Laseleccin de cul aminocido se integra en un punto dado de la cadena, est determinada porel mensaje gentico transportado desde los cromosomas por medio de los cidosribonucleicos.

Una vez que se termina la construccin de la cadena, el polipptido se libera al citoplasmadonde se dobla sobre s mismo hasta obtener la estructura tridimensional propia, pudindoseagrupar con otros polipptidos para constituir la protena biolgicamente activa.

La estructura tridimensional est determinada por las interacciones entre los residuos de losaminocidos que forman la cadena peptdica. Los grupos lipoflicos tienden a estar en elcentro de la molcula y los grupos polares hacia afuera. Los residuos sulfurados formanuniones disulfhidrilo que estabilizan la forma de la protena. Las uniones del tipointeracciones de van der Waals y los puentes de hidrgeno ayudan a posicionar las cadenas enel espacio, estabilizando la estructura tridimensional. El proceso por medio del cual laprotena adquiere su conformacin en condiciones fisiolgicas es espontneo, no estcatalizado por ninguna enzima y la conformacin final depende exclusivamente de laestructura primaria.

Cuando la protena contiene, adems de las cadenas de polipptidos otros compuestosdiferentes, se dice que la protena es compleja. Ejemplo de protenas complejas son lasglicoprotenas involucradas en las inmunoreacciones, las hemoprotenas como la


hemoglobina y la mioglobina involucradas en el transporte de oxgeno y, el citocromo P-450involucrado en reacciones de xido/reduccin.

Enzimas. En su funcin como enzimas, las protenas hacen uso de su propiedad de poderinteraccionar, en forma especfica, con muy diversas molculas. A las substancias que setransforman por medio de una reaccin enzimtica se les llama substratos. Los substratosreconocen un sitio especfico en la superficie de la protena que se denomina sitio activo.

Al ligarse los sustrato a sus sitios activos en la protena, quedan orientados de tal manera quese favorece la ruptura y/o formacin de determinadas uniones qumicas, se estabilizan losestados de transicin al mismo tiempo que se reduce la energa de activacin. Esto facilita lareaccin e incrementa su velocidad varios rdenes de magnitud.

La enzimas tienen una gran especificidad, por ejemplo catalizan la transformacin de slo unsubstrato o grupo funcional, pudiendo discriminar entre dos enantiomorfos.

Normalmente el nombre de una enzima se forma con el nombre de la reaccin que cataliza oel nombre del sustrato que transforman, terminando el nombre en "asa". Por ejemplo:

a las enzimas que transfieren un tomo de oxgeno a un metabolito se les denominaoxigenasas,

a las que transfieren un residuo de cido glucurnico del cido UDPglucurnico a unmetabolito o xenobitico, se le conoce como UDP glucuronil transferasa,

a las enzimas que catalizan la adicin de una de las cuatro bases a una molcula deADN en formacin se le denomina ADN sintetasa o ADN polimerasa, las quehidrolizan el ADN se le llama ADNasa, etc.

Frecuentemente en la literatura se refieren en forma genrica a las enzimas que catalizan untipo de reaccin, por ejemplo a las que catalizan la oxidacin de los metabolitos va latransferencia de un tomo de hidrgeno a un determinado receptor, se les conoce comodeshidrogenasas. En ocasiones se dice alcohol deshidrogenasa, o aldehdo deshidrogenasa,cuando el compuesto que sede el hidrgeno es un alcohol o un aldehdo. Sin embargo, enrealidad las enzimas son ms especficas que eso y actan sobre un alcohol determinado y noen todos. De hecho, el nombre debera ser ms especfico y referirlo al nombre del substrato,por ejemplo; si el substrato es etanol la enzima debe de llamarse etanol deshidrogenasa. Hayotro tipo de reacciones en las que las enzimas que las catalizan reciben un nombre genrico,como las quinasas que catalizan la transferencia a un substrato de un in fosfato del ATP. Laglucoquinasa cataliza la fosforilacin de glucosa en el carbn 6 para formar glucosa 6 fosfato.

Existe un mtodo sistemtico, aprobado por las asociaciones internacionales de bioqumica,para integrar el nombre de una enzima, pero el mencionado anteriormente es el que se utilizaen este trabajo.

Uniones txicos-protenas. No siempre las interacciones entre las protenas y loscompuestos de relativo bajo peso molecular son del tipo enzima-sustrato. Pueden dar lugar aasociaciones de adicin que no producen cambios en la cosntitucin qumica del aducto. Estosucede en la captacin de txicos por las protenas de la sangre y es una funcin muyimportante dentro de los mecanismos de proteccin del organismo a la presencia decompuestos extraos ya que reduce la concentracin de txicos libres en el plasma


sanguneo. El txico no asociado a protenas es el que se puede transportar mas fcilmente alos tejidos.

1.1.1.3 cidos nucleicosDe acuerdo a la composicin qumica, los cidos nucleicos se clasifican en cidosdesoxiribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el ncleo celular y algunosorganelos, y en cidos ribonucleicos (ARN) que actan en el citoplasma. Se conoce conconsiderable detalle la estructura y funcin de los dos tipos de cidos.

Estructura. El conocimiento de la estructura de los cidos nucleicos permiti la elucidacindel cdigo gentico, la determinacin del mecanismo y control de la sntesis de las protenasy el mecanismo de transmisin de la informacin gentica de la clula madre a las clulashijas.

A las unidades qumicas que se unen para formar los cidos nucleicos se les denominanucletidos y al polmero se le denomina polinucletido o cido nucleico.

Los nucletidos estn formados por una base nitrogenada, un grupo fosfato y unazcar; ribosa en caso de ARN y desoxiribosa en el caso de ADN.

Las bases nitrogenadas son las que contienen la informacin gentica y los azcares ylos fosfatos tienen una funcin estructural formando el esqueleto del polinucletido.

En el caso del ADN las bases son dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A(Adenina) y G (Guanina). Las pirimidinas son T (Timina) y C (Citosina) . En el caso delARN tambin son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y laspirimidinas son C y U (Uracilo).

Figura 1.1.1.D Estructura de las Bases Nitrogenadas.


Las bases se unen al carbono 1 del azcar y el fosfato en el carbn 5 para formar elnucletido.

Figura 1.1.1.E Estructura de un Nucletido.

Los nucletidos se unen para formar el polinucletido por uniones fosfodiester entre elcarbono 5 de un nucletido y el carbono 3 del siguiente.

Figura 1.1.1.F Unin Fosfodiester en los cidos Nucleicos.

Un dinucletido en el que se unieron un nucletido con la base A con un nucletido con labase G y el enlace fosfodiester se form entre el carbono 3del nucletido con base A y el5del nucletido con base G, se representa simplemente como AG. Si a este dinucletido sele agrega otro nucletido en el carbono 3 y este nucletido tiene una base T, el trinucletido


resultante se representar por AGT. sta es la forma simplificada en que se acostumbrarepresentar los polinucletidos.

El ADN est formado por dos cadenas muy largas de polinucletidos unidas entre s porpuentes de hidrgeno especficos entre las bases de las dos cadenas. La base de una cadenaque se une por los puentes de hidrgeno con la base de la otra cadena se dice que forman unpar de bases. A se parea con T y G con C (Figura 1.1.1.G).

Las dos cadenas se encuentran arregladas en una estructura helicoidal alrededor de un ejecomn por lo que recibe el nombre de doble hlice. Las bases se encuentran acomodadashacia el eje de la doble hlice, mientras que el azcar y los fosfatos se encuentran orientadoshacia el exterior de la molcula.

Figura 1.1.1.G Estructura de los Pares de Bases.

El dimensiones de la hlice, independientemente de la especie, son las siguientes: dimetro20 Angstrom y la longitud del paso 34 Angstrom el cual est constituido por 10 residuosde nucletidos. El tamao de la molcula de ADN de doble hlice se expresa en miles debases o kb. La longitud de 1kb es entonces 0.34 micras.

Una molcula de ADN de un milmetro de longitud estar formado de 3 mil kb o seatres millones de bases.

As pues la molcula de ADN es un largo filamento de 20 Angstrom de dimetro cuyalongitud depende del nmero de kb, el cual a su vez depende de la especie. El rango detamao va desde 2 micras (5 kb) en el virus SV40, hasta casi un metro (3 x 106 kb) encromosomas humanos. El genoma de E. coli, no tiene extremos, o sea forma un crculo, yel permetro tiene una longitud de 1.4 mm (4000kb). El genoma de los animales superioresno forma crculos, es una estructura lineal abierta.


Figura 1.1.1.H Estructura de la Doble Hlice

En los cromosomas estas molculas se arreglan en estructuras ms compactas en las que ladoble hlice se enrolla sobre s misma. En el caso de las bacterias, la molcula de ADN dems de un milmetro de longitud se arregla dentro de la bacteria que slo tiene una longitudde una micra (o sea es una longitud mil veces menor).

El ARN es un filamento de una sola cadena, no forma doble hlice. La presencia de unoxgeno en la posicin 2 de la ribosa impide que se forme la doble cadena de la manera enque se forma en el ADN. El filamento de ARN se puede enrollar sobre s mismo mediante laformacin de pares de bases en algunas secciones de la molcula.

Existen varios tipos de ARN cada uno con funcin distinta. Los que forman parte de lassubunidades de los ribosomas se les denomina ARN ribosomal (rARN), los ARN que tienenla funcin de transportar los aminocidos activados, desde el citosol hasta el lugar de sntesisde protenas en los ribosomas; se les conoce por ARN de transferencia (tARN) y los ARNque son portadores de la informacin gentica y la transportan del genoma (molcula deADN en el cromosoma) a los ribosomas son llamados ARN mensajero (mARN). El tamaode las molculas de ARN es mucho menor que las del ADN. En el caso de E. coli va demenos de 100 nucletidos en los tARN hasta casi 4000 (4kb) en rARN.

Informacin gentica. La estructura de la doble hlice para el ADN fue originalmentepropuesta por Watson y Crick (WyC) en 1953, postulando que la secuencia en la cual seencuentran las bases a lo largo de la molcula de ADN es lo que contiene la informacingentica. No existe ningn impedimento estrico que limite la secuencia de bases, cualquierbase puede seguir a cualquier otra.


Transmisin. Con estas bases, WyC propusieron el mecanismo de duplicacin del ADN pormedio del cual, las dos clulas hijas provenientes de una divisin celular contienen copiasidnticas del ADN presente en la clula que se dividi. A la duplicacin del ADN se leconoce con el nombre de replicacin.Durante la replicacin, las dos cadenas se van separando y cada una de ellas sirve de patrnpara la sntesis de su cadena complementaria. Las bases se van agregando una a una y laseleccin de cul base entra en un sitio especfico de la cadena en formacin, quedadeterminada por la base en la cadena patrn con la que se va a aparear.

Donde hay una A en la cadena patrn, se inserta una T en la cadena en proceso deformacin y, donde hay una T se inserta una A, y lo mismo sucede con el apareamientode G y C. La nueva cadena tiene una secuencia de bases complementaria a la cadenaoriginal.

El modelo de duplicacin del ADN se dice que es semi-conservado, porque la mitad delADN de un cromosoma, una cadena completa, proviene de la clula paterna y la otra mitad,la otra cadena, se sintetiza durante el proceso de replicacin.

Este es el mecanismo propuesto por Watson y Crick para explicar la transmisin de lainformacin gentica de una generacin a otra.

La formacin de las uniones fosfodiester est catalizada por la ADN polimerasa. La ADNpolimerasa no formar la unin fosfodiester, a menos que la base que est entrando a lamolcula, sea complementaria a la base existente en la cadena patrn. La frecuencia con laque se inserta una base equivocada es menor a 1 en 100 millones.

Flujo. El apareamiento de bases es tambin el mecanismo para enviar la informacingentica desde el ncleo hasta los ribosomas y dirigir la sntesis de protenas. En este casouna porcin de una de las cadenas del ADN sirve de patrn para la sntesis de ARN y lasecuencia de bases en el ARN es complementaria a la que se presenta en la porcin de lacadena que se est copiando.

Al ARN que se sintetiza en esta forma se le denomina ARN mensajero o mARN. La sntesisdel ARN es catalizada por la ARN polimerasa, que al igual que la ADN polimerasa es unaenzima patrn-dependiente.

El mARN se une, en el citoplasma, a las dos subunidades ribosomales, constituyendo elribosoma activo, que es la estructura celular responsable de la sntesis de protenas. Esen este organelo donde el mARN especifica la secuencia en que deben de insertarse losaminocidos en la sntesis de polipptidos. sta es la forma en que la informacincontenida en los cromosomas se traduce en la especificacin de la estructura primariade las protenas. Como ya se mencion, la estructura primaria determina la estructuratridimensional de la protena, la que a su vez determina su funcionalidad.

Al proceso de copiado de la informacin gentica contenida en el ADN cromosomal durantela sntesis del mARN se le llama transcripcin. Al proceso de lectura, en el ribosoma, de lainformacin transportada por mARN, durante la sntesis de protena, se le conoce comotraduccin.


Figura 1.1.1.I Mecanismo de replicacin, transcripcin y traduccin

La porcin de ADN que contiene la informacin para codificar una protena determinada sele da el nombre de gene y normalmente recibe el mismo nombre de la protena que codifica,usando casi siempre, una abreviacin de tres letras. A la porcin de ADN que codifica unconjunto de protenas que entran en un paso del metabolismo se le llama opern. Porejemplo; al conjunto de genes que intervienen en la codificacin de las protenas queintervienen en la utilizacin de lactosa se les llama lac opern.

El lenguaje utilizado para describir el proceso de direccin de la sntesis de protenas por losgenes del cromosoma refleja la interpretacin de que se trata de un flujo de informacin.

Tabla 1.1.1.A El Cdigo Gentico

U C A GU Phe

PheLeuLeu

SerSerSerSer

TyrTyrAltoAlto

CysCysAltoTrp

UCAG

C LeuLeuLeuLeu

ProProProPro

HisHisGlnGln

ArgArgArgArg

UCAG

A IleIleIleMet(Inicio)

ThrThrThrThr

AsnAsnLysLys

SerSerArgArg

UCAG

G ValValValVal

AlaAlaAlaAla

AspAspGluGlu

GlyGlyGlyGly

UCAG

PrimeraPosicin(5-)

Segunda PosicinTerceraPosicin(3-)


El mensaje que est contenido en el genoma se encuentra escrito en un lenguaje de 4 letras(las cuatro bases), el cual se transcribe usando el mismo lenguaje, al sintetizar el mARN. Lasntesis de protenas se le denomina traduccin porque ahora se pasa del lenguaje de 4 letras aotro con 20 letras (los 20 aminocidos). Para pasar de un lenguaje a otro se necesita uncdigo para hacer la traduccin y se le denomina cdigo gentico.

Las equivalencias entre los dos lenguajes se presentaron en la tabla anterior. Tres basescontiguas (un triplete) codifican un aminocido, as como tambin para la puntuacin delmensaje. Se determin qu tripletes codifican cada aminocido y qu tripletes indican elinicio y la terminacin del mensaje. Al triplete se le dio el nombre de codn. Se encontr quealgunos aminocidos podan ser codificados por ms de un codn, o sea hay codones que sonsinnimos. Por esta razn se dijo que el cdigo gentico es degenerado.

Modificaciones. Al estudio de las bases moleculares de la herencia se le conoce comogentica molecular o biologa molecular y a las modificaciones artificiales del ADN con elfin de cambiar el mensaje gentico que contiene se le conoce como ingeniera gentica.

Se pueden agregar porciones de ADN que contienen genes que no estn presentes en elcromosoma incrementando el nmero de genes de la clula, o bien se pueden inducir cambiosque eliminen genes activos presentes en la clula haciendo en este caso que la clula pierdacierta capacidad gentica.

Cuando se modifica la molcula de ADN de un organismo agregndole porciones de ADNprovenientes de otro organismo se dice que se hizo una recombinacin del ADN y alresultado se le llama ADN recombinante. Esta tcnica se usa para producir organismoscapaces de hacer funciones que el organismo original no tena. Por ejemplo se puedeintroducir en una bacteria el gene de la insulina humana y la bacteria adquirir la capacidadde sintetizar ese polipptido.

Tabla 1.1.1.B Mutaciones del ADN.

Tipo de mutacin Secuencia del ADN Secuencia delpolipptido Cadena

superior

Ninguna AAT CGG GAGTTA GCC CTC

Asn Arg Val

Transversin(GC:TA)

AAT CCG TAGTTA GCC ATC

Asn Arg (fin)

TransicinGC:AT

AAT ACC AAGTTA GCC TTC

Asn Arg Lis

Incercin, cambio demarco

Produce la sig. secuencia

AXA TCG GGAT T AGC CCT

ATA TCG CCTTAT AGC CCT

Ileu Ser Gli


En prrafos anteriores se mencion que la replicacin del ADN se hace con gran fidelidad,con una frecuencia de errores del orden de 10-8, sin embargo, s ocurren errores.

Si se substituye una purina por otra, o una pirimidina por otra, al cambio se le llamatransicin; si se substituye una purina por una pirimidina al cambio se le llamatransversin; si se agrega o elimina una base entonces se produce lo que se llama un cambiode marco. En este ltimo caso, se lee en forma errnea todo el mensaje que sigue al punto decambio. En algunas ocasiones, cuando se modifica una de las bases y la ADN polimerasa nola identifica, entonces introduce una A y el cambio final ser la introduccin de una T en lacadena patrnLa clula tiene mecanismos para eliminar los errores o cambios que ocurren enel ADN, bien sea durante la sntesis o cuando ya est formado. Si la clula no repara loscambios y entra en el proceso de duplicacin con el ADN modificado, el cambio se fija y sevuelve permanente. El gene modificado puede ahora codificar una protena diferente, y si estees el caso, se dice que tuvo lugar una mutacin. En la Tabla 1.1.1.B se presenta el efecto delos cambios en el ADN sobre la estructura primaria del polipptido que codifica.

Existen varias substancias que incrementan significativamente la frecuencia con la queocurren cambios en las bases que se introducen en el ADN que se est sintetizando y seles denomina mutgenos. La mayora de los cancergenos son mutgenos.

Tabla1.1.1.C Mutgenos y su Efecto sobre el ADN.

Mutgeno Mecanismo Resultado en el ADN

Agentes alquilantes Se une covalentemente y Transicin y transversin(nitrosourea,nitrosoguanidina) forma sitios apurnicos

Agentes desaminantes Adenina-hipoxantina Transicin (cido nitroso) y citosina-uraciloBase anloga Substitucin durante Transicin(2-aminopurina) la replicacin del ADNAgente intercalante Insercin o eliminacin de Cambio de cuadro (antridinas, antraciclinas) pares de bases

Fraccionadores de las cadenas Translocacin cromosomal Cambio de una o ms bases(radiaciones ionisantes)

Si la substitucin, insercin o eliminacin de una base tuvo lugar en alguna parte del ADNque codifica una protena, entonces puede cambiar un codn y dar lugar a una modificacinque produzca la introduccin de un aminocido diferente o se codifique por terminacin de lacadena peptdica.

Las mutaciones se clasifican de acuerdo al efecto que tienen sobre el producto del genemodificado. Se dice que la mutacin es: 1) sin sentido, si el producto es inactivo oincompleto, 2) de prdida del sentido, si el producto es defectuoso y C) silenciosa, si no sealtera ni la funcin ni la cantidad del producto activo.


1.1.1.4 MetabolismoTodas las formas de vida estn basadas en prcticamente las mismas reacciones bioqumicas.Cada uno de los compuestos que se generan en este conjunto de reacciones se le denominancompuestos endgenos o metabolitos y al conjunto de todas las reacciones que suceden enuna clula se le denomina metabolismo.

Las bacterias y los animales superiores usan:

bsicamente las mismas reacciones para producir la energa que necesitan para sostenerlos procesos vitales,

los mismos tipos de compuestos y mecanismos para construir sus macromolculas y

los mismos conjuntos de reacciones para sintetizar los compuestos que intervienen en lasdiferentes reacciones bioqumicas.

Se puede generalizar diciendo que todas las clulas tienen bsicamente el mismometabolismo, aunque obviamente hay diferencias entre ellas.

Algunas clulas tienen mayor capacidad bioqumica que otras:

hay bacterias que sintetizan todos sus metabolitos a partir de compuestos inorgnicos y seles denomina auttrofos. Las clulas vegetales tambin pueden vivir a base de soloprecursores inorgnicos.

hay microorganismos que necesitan que en el medio de cultivo existan fuentes de carbonoorgnico (azcares) y se les denomina hetertrofos,

otros microorganismos necesitan que se les suministren adems otros compuestosorgnicos que ellos no tienen la capacidad de sintetizar (a estos compuestos se lesdenomina factores de crecimiento)

las clulas de los animales necesitan un gran nmero de compuestos preformados loscuales deben estar en la dieta (se le denominan vitaminas, aminocidos esenciales ocidos grasos esenciales).

En el proceso de diferenciacin celular, durante la formacin de un nuevo organismo, lasdistintas clulas que constituyen el embrin se especializan y slo expresan parte de lainformacin gentica que contienen pasando a formar los distintos tejidos y rganos.

El conjunto de reacciones que suceden en forma secuencial y que dan lugar a un compuesto oa una funcin integran un camino metablico y se le da un nombre especfico. Por ejemplo,1) la gliclisis, es el camino metablico por medio del cual se oxidan los azcaresproduciendo piruvato y equivalentes reducidos NADH; 2) la transformacin de la acetil-coenzima A, proveniente de la descarboxilacin del piruvato o de la beta-oxidacin de loscidos grasos, en anhdrido carbnico y equivalentes reducidos se le denomina ciclo deKrebs; 3) la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos hasta el oxgenomolecular, acoplado con la sntesis de ATP, se le llama cadena de transporte de electrones ofosforilacin oxidativa. Este ltimo proceso est formado por un conjunto de enzimascomplejas que catalizan varias reacciones de xido-reduccin, donde el oxgeno es el aceptorfinal de electrones.


Figura 1.1.1.J Metabolismo Energtico.

Al conjunto de los caminos metablicos mencionados en el prrafo anterior y representadosen la Figura 1.1.1.J, son todos procesos de oxidacin y se le denomina metabolismoenergtico porque, produce la energa que necesita la clula para todas sus necesidades, tantopara hacer posibles las reacciones del metabolismo sinttico como para llevar a cabo todoslos trabajos fsicos que hace la clula. Todas las clulas hetertrofas tienen metabolismosenergticos muy similares.

El ATP al hidrolizarse en P y ADP sede alrededor de 12 000 caloras/mol en condicionesfisiolgicas, energa que es usada por los procesos metablicos que no sontermodinmicamente favorables. El ATP es el compuesto que se considera el producto til delos procesos de oxidacin.

Los siguientes procesos son ejemplos de pasos metablicos que no son termodinmicamentefavorables y que se llevan a cabo usando la energa almacenada en el ATP:

transporte a travs de membranas en contra del gradiente de concentracin,

reacciones con energa libre positiva en condiciones fisiolgicas, tales como la sntesis deprotenas, sntesis de cidos nucleicos, reacciones de xido-reduccin en contra delgradiente de potencial, etc.

La mayora de las reacciones de xido/reduccin que se efectan en el organismo noinvolucran la participacin directa del oxgeno molecular, sino que los electrones sontransferidos a/o desde molculas especficas (por ejemplo NAD+ se reduce a NADH).

Cuando estas molculas estn en su forma reducida, producto de haber aceptado electronesde un metabolito que se oxid, se dice que son equivalentes reducidos y son los que se oxidanpor la cadena de transporte de electrones que s tiene al oxgeno molecular como aceptor finalde electrones.

Este mismo tipo de substancias se usan para reducir metabolitos mediante la transferencia deun ion hidruro (NADPH se oxida a NADP+).

TOXICOLOGIA AMBIENTAL 2001 The University of Ariz

Las reacciones bioqumicas de oxido/reduccin involucran la transferencia de un par deelectrones.

A las enzimas que catalizan las reacciones de reduccin del NAD se les llamadeshidrogenasas y a las que catalizan la oxidacin del NADPH se les llama reductasas.

Las enzimas que transfieren tomos de oxgeno a un substrato directamente del oxgenomolecular, tal cmo se mencion antes, se les denominan oxigenasas. Cuando transfieren unosolo de los tomos del oxgeno molecular se les llama oxigenasas de funcin mixta omonooxigenasas. Ejemplos de estas enzimas son los citocromos P 450 y las aminomonooxigenasas

Se conoce como metabolismo sinttico al conjunto de procesos bioqumicos por medio de loscuales se sintetizan todos los compuestos que conforman una clula. Se incluye en estetrmino la sntesis de lpidos, coenzimas, todas las macromolculas como las protenas,cidos nucleicos y polisacridos, as como, la sntesis de los compuestos que se polimerizanpara dar lugar a esas macromolculas, etc.

En toxicologa se le denomina biotransformacin al conjunto de reacciones que transformanlos compuestos txicos exgenos o xenobiticos que penetran al organismo. Labiotransformacin se considera formada por dos grupos de reacciones, las de oxido-reduccin(Fase I) y las de conjugacin (Fase II). Estos conjuntos de reacciones son catalizadas porenzimas que nometablicas, en lnormal de las cl

1.1.2 CitologaLas clulas son organizacin mo

almacenar inf

traducir esa in

producir la ellegan

reproducirse Las clulas son ccuando esos camllegando hasta pdaos ocacionado

Algunas clulas vles conoce comobacterias, los pro

En otros casos lacuales realizan d: Evaluacin de Riesgos y Restauracin Ambiental 23ona http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/

rmalmente existen en el organismo para llevar a cabo otras funcionesas que transforman compuestos endgenos que se forman en el metabolismoulas.

las unidades funcionales de todos los organismos vivos. Contienen unalecular y sistemas bioqumicos que son capaces de:

ormacin gentica,

formacin en la sntesis de las molculas que forman las clulas

nerga para llevar a cabo esta actividad a partir de los nutrimentos que le

pasando a su progenie toda su informacin gentica.

apaces de adaptarse a cambios en su ambiente alterando su metabolismo ybios son mayores que los tolerables se pueden producir daos permanentesroducir la muerte celular. Ejemplos de estos cambios permanentes son loss por los txicos.

iven en forma independiente, llevan a cabo todas las actividades vitales y se organismos unicelulares. Ejemplos de organismos unicelulares son las

tozoarios, algunas algas y hongos unicelulares (como las levaduras).

s clulas se agrupan en conjuntos especializados, los tejidos y rganos, loseterminadas funciones especficas y en su conjunto constituyen un individuo


multicelular. Los organismos multicelulares superiores, como las plantas y los animales,pueden estar formados por miles de millones de clulas (Figura 1.1.2.A.)

El tamao de las clulas de los organismos unicelulares puede variar desde cilindros o esferascon dimensiones en el rango de una micra, como las bacterias, hasta glbulos de varioscentmetros de dimetro, como los huevos de aves que son una sola clula.

Las clulas de los animales superiores tienen dimetros en el orden de decenas de micras y enel caso de las plantas hay clulas de ms de 100 micras de longitud. Las clulas del sistemanervioso pueden tener filamentos de hasta un metro de longitud.

Las clulas de los organismos multicelulares que se reproducen sexualmente provienende una sola clula, el huevo fecundado. Todas las clulas tienen la misma informacingentica. Durante el perodo embrionario, cuando entran en el proceso de diferenciacincelular, en algunas clulas slo se expresa parte de esa informacin y cambian de morfologay bioqumica, dando lugar a los diferentes rganos que conforman el organismo. Son muydiferentes las clulas que forman el sistema nervioso, de las clulas del hgado o las de losmsculos o el corazn aunque contengan exactamente la misma informacin gentica.

Figura 1.1.2.A Representacin Esquemtica de una Clula.

Las clulas de los organismos superiores se pueden aislar y crecer en el laboratorio como sifueran organismos unicelulares y la tcnica para hacerlo se le denomina cultivo de tejidos.En el laboratorio tambin se pueden producir extractos libres de clulas que resultan defraccionar las clulas y separar los organelos que la constituyen. Los extractos libres declulas se usan para estudiar la localizacin de las distintas funciones celulares, y como no sepueden reproducir y slo llevan a cabo funciones muy limitadas, no se consideran quesean seres vivos funcionales.


La clula mantiene su individualidad rodeando su contenido con una delgada pelculaformada de lpidos y protenas que se denomina membrana celular o membranacitoplsmica o membrana plasmtica. El interior de la clula se denomina protoplasma.

En el caso de los organismos unicelulares la membrana celular est a su vez rodeada por otraestructura que le da rigidez y resistencia al medio ambiente y se denomina pared celular.

El protoplasma se puede considerar formado por dos copartimentos, el citoplasma y elncleo.

En el ncleo est localizada la informacin gentica y la maquinaria para copiarla ytranscribirla. En el citoplasma tienen lugar todas las reacciones necesarias para producir laenerga que necesitan las clulas para vivir. El citoplasma sintetiza las protenas de acuerdo ala informacin que le llega del ncleo y tambin sintetiza todas las otras molculas que noson sintetizadas en el ncleo y que son necesarias para el crecimiento y la reproduccin.Algunas clulas tienen membranas internas que separan una regin de la clula de otra.

1.1.2.1 Membrana celularLa membrana est constituda de lpidos y protenas. La parte lipdica de la membrana estformada por una pelcula bimolecular que le da estructura y constituye una barrera queimpide el paso de substancias hidrosolubles.

Figura 1.1.2.1 Estructura de la Membrana Celular.

Las protenas de la membrana estn suspendidas en forma individual o en grupos dentro de laestructura lipdica, formando los canales por los cuales entran a las clulas, en formaselectiva, ciertas substancias.

La selectividad de los canales de protenas le permite a la clula controlar la salida y entradade substancias as como los transportes entre compartimentos celulares. Las protenas de lamembrana no solo hacen que el transporte a travs de ella sea selectivo, sino que tambin son


capaces de llevar a cabo transporte activo (transferencia en contra del gradiente deconcentracin).

Las dems funciones de la membrana, como son el reconocimiento y unin de determinadassubstancias en la superficies celular estn determinadas tambin por la parte proteica de lamembrana. A estas protenas se les llaman receptores celulares. Los receptores estnconectados a sistemas internos que solo actan cuando la substancia se une a la superficie dela membrana. Mediante este mecanismo actan muchos de los controles de las clulas,algunos caminos metablicos no entran en accin a menos que la molcula seal, porejemplo, una hormona, haya llegado a la superficie celular.

En la membrana se localizan unas glicoprotenas que identifican a otras clulas comointegrantes de un individuo o como extraas (inmunoreaccin).

Las interacciones entre las clulas que conforman un tejido estn basadas en las protenas delas membranas.

Resumiendo, la estructura de las membranas depende de los lpidos y las funciones dependende las protenas.

1.1.2.2 NcleoLos organismos cuyas clulas tienen una membrana para separar el ncleo del resto delprotoplasma se les llaman eucariotes, y a los que no tienen esta membrana se le llamaprocariotes. Slo las bacterias y algunas algas son procariotes.

Los eucariotes tienen un sistema muy complejo de membranas internas, no slo separan alncleo, sino que tambin rodean a los distintos organelos.

A la membrana que envuelve el ncleo se le conoce como envolvente nuclear y consiste dedos membranas concntricas. La membrana exterior da hacia el citoplasma y la interior haciael nucleoplasma. La membrana nuclear tiene unos poros que casi son obstruidos por unaestructura densa que se le llama anillo. Este es el conducto por medio del cual salen delncleo hacia el citoplasma los cidos ribonucleicos bien sean libres ( ARN mensajero o ARNde transferencia) o como subunidades ribosomales.

Dentro del ncleo se encuentran unas masas de fibras formadas por ADN nuclear y protenas.Cada molcula de ADN y sus protenas asociadas constituyen un cromosoma. El ncleo deuna clula humana contiene 46 cromosomas.

Al conjunto de los cromosomas que se encuentran dentro de una clula se le llamacromatina. Dentro de la cromatina se distinguen varias estructuras que se llaman nucleolos,fibras nucleolares y grnulos nucleolares. Los nucleolos son parte de la cromatina y seespecializan en el ensamble de las subunidades que constituyen los ribosomas.

El ncleo es el centro de control de la clula. Desde aqu se dirige la sntesis de enzimas enlos ribosomas del citoplasma y por ende se determina la actividad metablica de la clula. Seconserva, replica y expresa la informacin gentica de la clula. Como se trat anteriormente,el conjunto de enzimas que se encuentran en una clula determinan su actividad metablica.


Figura. 1.1.2.B Estructura del Ncleo.

1.1.2.3 CitoplasmaEl citoplasma est constituido por los organelos y el citosol. Los organelos ms importantesson los ribosomas, mitocondrias, vacuolas y otras estructuras unidas a las membranas. Allquido en el que sobrenadan los organelos se le conoce como citosol.

Ribosomas. La sntesis de las protenas tiene lugar en el citoplasma. Despus de que losmARN y los tARN se sintetizan en el ncleo, pasan a travs de los anillos en la envolventenuclear y entran al citoplasma como molculas independientes. El rARN entra al citoplasmacomo subunidades ribosomales. Existen dos tipos de subunidades. En el citoplasma se unenlas dos subunidades con molculas de mARN para formar ribosomas completos activos. Losribosomas completos tienen un dimetro de 25-30 nm.

Los ribosomas activos pueden estar suspendidos en el citoplasma o unidos al retculoendoplsmico rugoso (RER).

Los ribosomas suspendidos en el citoplasma sintetizan las siguientes protenas: a) las queformarn parte del citosol, b) las que constituirn los elementos estructurales y c) las queforman los elementos mviles del citoplasma.

Los ribosomas del RER sintetizan las protenas que van a formar parte de las membranas odel contenido de las vacuolas.

Retculo endoplsmico. El RER es un conjunto de membranas interconectadas que formanun extenso sistema de canales y que tienen unidos ribosomas.

Las protenas sintetizadas en el RER se integran a sus membranas o las atraviesan y pasan alos canales del RER.

Las protenas que forman parte del RER eventualmente emigran para integrarse a otrasmembranas, entre ellas la membrana plasmtica. En los canales del RER se forman lasprotenas complejas (glicoprotenas, lipoprotenas, sulfoprotenas, etc.), va la adicin de losgrupos prostticos las cuales son transportadas a otras partes de la clula o enviadas alexterior de la misma.

La regin del RER, donde se transforman y desplazan las protenas, tiene la forma de sacosaplanados y se le conoce con el nombre de Cuerpos de Golgi.


En los Cuerpos de Golgi se sintetizan tambin algunas de las macromolculas que no sonprotenas. Ejemplo de estos compuestos son los polisacridos estructurales y los dealmacenamiento.

La parte del retculo endoplsmico no asociado a ribosomas, se conoce como retculoendoplsmico liso. Este sistema se encarga de la degradacin de grasas cuando semetabolizan para la produccin de energa, o cuando se involucran en la destoxificacin desubstancias que hayan penetrado la clula.

Vacuolas. Las vacuolas son sacos que almacenan protenas para su uso posterior dentro de laclula o para exportarse al exterior de la misma.

Las vacuolas de excrecin envan su contenido hacia afuera de la clula mediante el procesode exocitosis. Las vacuolas tambin pueden actuar para transportar hacia el interior de lasclulas substancias que no se pueden difundir a travs de la membrana celular. El proceso sellama endocitosis y es la forma en que las clulas introducen macromolculas y materialcorpuscular.

En la exocitosis las vacuolas de excrecin se acercan a la membrana celular, se funden conella y su contenido termina en el exterior de la clula.

En la endocitosis las molculas que se van a introducir a la clula se unen al exterior de lamembrana celular, se forma una invaginacin y se constituye una vacuola. Esta vacuolapuede emigrar al lugar de la clula donde su contenido se digerir o ser transformado.

Lisosomas. Son vacuolas producidas por el RER y los cuerpos de Golgi, contienen enzimasdigestivas que pueden romper la mayora de las biomolculas. En muchos casos lassubstancias obtenidas por endocitosis son llevadas a los lisosomas para su rompimiento.

El contenido de los lisosomas se puede enviar al exterior de la clula para digerir substanciasque se encuentren en el exterior.

En algunas ocasiones se liberan las enzimas de los lisosomas hacia el interior de la clulacausando la muerte celular. Esto puede ser producto de procesos patolgicos, daos portxicos o ser parte del proceso de desarrollo embrionario. Por ejemplo la prdida de la colade los renacuajos es producida por este tipo de muerte celular.

Mitocondria. Es un organelo complejo, unido a membranas, que cambia de forma. La formareconocida como tpica, es un corpsculo alargado con un dimetro de aproximadamentemedia micra y una micra de longitud. Est rodeado de una doble membrana. La membranaexterior es lisa y continua y la membrana interior se dobla y se extiende hacia el interior enproyecciones tubulares llamadas cristas. El espacio que queda en el interior de lasmitocondrias se le llama matriz.

A las mitocondrias se les conoce como las centrales de fuerza de la clula, porque en ellas sellevan a cabo las reacciones de oxidacin que producen la energa que utiliza las clulas. Lasmiticondrias generan la gran mayora de los ATP (adenosn-tri-fosfato) que necesita la clula,por medio de la fosforilacin oxidativa del ADP (adenosn-di-fosfato).


Figura 1.1.2.C Esquema de una Mitocondria.

Las mitocondrias son prcticamente autnomas. Tienen su propio ADN y ribosomas. Actanprcticamente igual que una bacteria. De hecho se piensa que las mitocondrias fueronbacterias que quedaron embebidas en una clula que evolucion para convertirse en clulaeucariota.

Microcuerpos. Existe otro conjunto de organelos conocidos en forma colectiva comoMicrocuerpos. Son estructuras relativamente simples en la que una solucin o suspensin deenzimas llamada matriz est rodeada de una membrana de una sola capa. Llevan a caboreacciones de oxidacin que no producen directamente energa utilizable por el resto de laclula (no generan ATP). Uno de los productos de las reacciones de oxidacin es el perxidode hidrgeno y por eso a los microcuerpos se les llama tambin peroxisomas.

Microtbulos y microfilamentos. Los movimientos que tienen lugar dentro de las clulasse deben a estas estructuras citoplsmicas de naturaleza proteica. Los microtbulos son fibrashuecas con una pared de 5 nm de espesor y 25 nm de dimetro exterior. Los microfilamentosson filamentos slidos de un dimetro de 5 nm. Ambas estructuras usan mecanismossimilares para producir movimientos celulares. Las estructuras que se van a mover se unen alos microfilamentos o microtbulos por medio de una protena. En el caso de losmicrofilamentos se usa miosina y en el caso de los microtbulos se usa dineina o cinosina. Elmovimiento flagelar por medio del cual se desplazan, las bacterias, los protozoarios o losespermatozoides es producido por los microtbulos.

Citoesqueleto. Est constituido por una red de fibras proteicas que le dan estructura a laclula. Estas fibras pueden ser microtbulos, microfilamentos u otras fibras como losfilamentos intermedios.

Los microtbulos y microfilamentos del citoesqueleto son idnticos a los que se usan en laproduccin de movimiento celular, pero no tienen las protenas que producen las unionescruzadas con los elementos que se van a desplazar.


Los filamentos intermedios son estructuras formadas por distintas protenas dependiendo deltejido; vimetilina en el caso de las fibras musculares, citoqueratina en el caso de la piel, etc.Todos los filamentos intermedios estn formados por protenas que tienen secuencias deaminocidos ms o menos similares. La citoqueratina es el principal constituyente de lasuas, pelo, garras y cuernos en los animales.

En las clulas del sistema nervioso hay otros tipos de formaciones filamentosas.

1.1.2.4 VirusLos virus en estado libre son partculas de material gentico envueltas en una cpsula deprotena. El material gentico es normalmente una o ms molculas de ADN, aunque hayvirus que el material gentico es ARN. El tamao del virus es igual o menor al de unribosoma.

Los virus no tienen metabolismo propio pero desvan el de la clula husped. para queproduzca copias de ellos.

1.1.3 FisiologaEn esta seccin se describir brevenente la estructura y funcionamiento de los rganos queintervienen en el ingreso, transformacin y excrecin de txicos en el organismo.Frecuentemente estos mismos rganos son tambin el sitio de accin o almacenamiento delos txicos. La va de ingreso de los txicos es a travez de las superficies epiteliales encontacto con el ambiente del instestino delgado (ingesta), los pulmones (respiracin) y la piel(contacto cutneo). Se considera que una sustancia entr al organismo cuando se encuentra enel torrente sanguneo. Los rganos que mas involucrados estn en la transformacin yexcresin de los txicos son el hgado y los riones.

1.1.3.1 Intestino DelgadoSu funcin primaria es la digestin y absorcin de los alimentos. Sin embargo, la absorcinno es especfica para nutrimentos, sino que cualquier otra substancia, con estructura opropiedades similares a los nutrimentos, que llegue, ya sea por si sola o presente comocontaminacin de los alimentos, podr tambin ser absorbida.

Todas las substancias txicas que llegan al intestino delgado y se absorben, pasan al hgadopor medio del sistema portal. Si el organismo no tiene la capacidad de metabolizarrpidamente la substancia absorbida, sta podra originar toxicidad. En el hgado estassubstancias pueden ser transformadas en metabolitos hidrosolubles que pueden sereliminadas por la orina o por las heces. El hgado tambin puede transformar la substanciaabsorbida en otras substancias ms txicas. En el caso de la eliminacin por medio de laorina, la substancia es transportada en la circulacin sangunea hacia los riones, donde esfiltrada a travs del glomrulo y transportada a travs de los tbulos hasta el tbulo colector,donde la orina ya formada es llevada a la vejiga urinaria.

En el caso de la eliminacin por heces, la substancia es secretada por medio de la bilis haciael intestino grueso.


La mayora de las substancias ingeridas se tienen que digerir antes de ser absorbidas. Pararealizar su funcin de digestin, el intestino delgado requiere de varias enzimas provenientesde glndulas intestinales, submucosales, del hgado y del pncreas. La superficie del intestinose protege de la accin de estas enzimas por medio del moco. El moco proviene de lasmismas glndulas y adems de las clulas goblet que se encuentran inmersas entre las clulasde la membrana intestinal.

El intestino delgado es un tubo delgado y alargado de aproximadamente 6 metros de largoque se inicia en el orificio pilrico en la parte final del estomago y termina en la uninileocecal, donde se inicia el intestino grueso.

Consiste de tres secciones: el duodeno, el yeyuno y el leon. La pared de intestino estformada de tres capas, la primera es la muscularis mucosa que integra la superficie exterior ysepara la mucosa de la submucosa; la segunda capa es la lmina, que es la capa intermedia yest constituida por tejido conectivo. Esta capa contiene vasos sanguneos, vasos linfticos,nervios, tejido muscular liso, tejido conectivo y glbulos blancos. La tercera capa seencuentra en el interior o lumen del intestino delgado, es una capa continua de clulasepiteliales (clulas que forman una superficie).

Figura 1.1.3.A Esquema del Intestino Delgado

En las clulas epiteliales del intestino se localiza el vello intestinal que son extensiones deaproximadamente 0.5-1.5 mm, cuya funcin es incrementar el rea de la superficie decontacto y por lo tanto, aumentar la superficie de absorcin. Estas vellosidades son msanchas en el duodeno que en el resto del intestino. La presencia del vello es primordial parala funcin ptima del intestino delgado. La superficie de absorcin se hace an ms grandepor medio de pequeos cepillos que cubren el vello intestinal y a los cuales se denominanmicrovellos. Los microvellos estn cubiertos por membranas que los protegen contraagentes proteolticos y mucolticos. Cualquier txico que altere la estructura morfolgica del


vello y microvello afectar la absorcin, y por lo tanto ocasionar una posible desnutricin aldisminuir la absorcin de protenas, minerales esenciales y otros nutrimentosportal.

1.1.3.2 PulmonesLa funcin principal de estos rganos es el intercambio de gases entre la sangre y laatmsfera. Aqu es donde se lleva a cabo la absorcin del oxgeno necesario para lasreacciones de oxidacin del metabolismo que son la fuente de energa del organismo y seexcreta el bixido de carbono producido en los distintos caminos metablicos.

Los pulmones tambin tienen otras funciones que no tienen nada que ver con la funcinrespiratoria. El endotelio pulmonar agrega, degrada o retira substancias qumicas de lasangre. Una de estas substancias es la angiotensina I que es convertida a la angiotensina II,que se encarga de la contraccin del msculo liso en la vasos sanguneos de la periferia, loque eleva la presin sangunea. Los pulmones tambin actan como filtros para removeragregados de clulas y otras partculas para que estos corpsculos no lleguen a entrar ybloquear los capilares del cerebro y el corazn.

Los txicos que normalmente se absorben a travs de los pulmones son gases, (monxido decarbono, bixido de nitrgeno, bixido de azufre, etc.), vapores de lquidos voltiles(benceno, tetracloruro de carbono, etc.), y partculas suspendidas en el aire (polvos yaerosoles).

Los pulmones son dos rganos que se encuentran en la cavidad torcica en un espacio que sedenomina espacio intrapleural.

Los pulmones estn formados por dos unidades:

la unidad de conduccin de aire, compuesta por traquea, bronquios y bronquiolos, seencarga de mover el aire hacia adentro y fuera de los pulmones.

la membrana alveolar-capilar que se encarga del intercambio gaseoso (bixido de carbonopor oxgeno).

La traquea, los bronquios y los bronquiolos tienen una estructura cartilaginosa que permitemantener todas estas ramificaciones abiertas. Los bronquiolos adems dependen de laestructura muscular de las clulas circundantes para mantenerse abiertos.

La unidad alveolar est formada por dos reas, el rea gruesa, de estructura proteicaincluyendo colgeno y fibras de elastina, que se encarga del intercambio de fluidos, y el readelgada que se encarga del intercambio gaseoso.

El dimetro interior de los ductos de aire va disminuyendo a medida que se acercan a losalvolos y las partculas inhaladas se van depositando en los ductos dependiendo de sutamao. Las partculas ms pequeas se internan ms en el aparato respiratorio. Esto esimportante porque las especies de animales de laboratorio pueden tener anatomas diferentesal hombre y los txicos presentes en partculas inhaladas se pueden depositar en regionesdiferentes del sistema respiratorio, y por lo tanto producir lesiones diferentes.


Figura 1.1.3.B Representacin Esquemtica del Tracto Respiratorio.

1.1.3.3 PielLa piel es el rgano ms grande del cuerpo, lo cubre completamente, se encarga de protegersus tejidos internos. Constituye cerca del 10% del peso corporal.

Est compuesta de tres capas principales. Una capa superficial sin irrigacin sangunea,denominada epidermis. Una capa irrigada y de tejido conectivo a la cual se le llama dermis.Y una capa interna de tejido adiposo y conectivo que se llama hipodermis.

Figura 1.1.3.C Representacin Esquemtica de la Piel.

La epidermis es la primera capa de la piel. Est formada por cuatro subcapas que dependende las caractersticas de los queratocitos (clulas primordiales de la piel).


Es ms gruesa en determinadas reas como en la palma de las manos y plantas de los pies.Las clulas de la epidermis se mudan constantemente entre 12 y 14 das. La subcapa msexterna de la epidermis es el estrato crneo que est formado por clulas queratinizadasbiolgicamente inactivas que tienen un empacado muy denso.

La dermis, la cual tambin es una capa gruesa, posee una gran cantidad de innervaciones,stas se encuentra insertadas en la epidermis por medio de proyecciones de colgeno y fibrasde reticulina y elastina.

Los vasos sanguneos de la dermis le dan su color caracterstico a la piel y adems juegan unpapel importante en la regulacin trmica y en la absorcin de txicos por exposicincutnea.

Las uas, el cabello y las glndulas, dependencias de la piel, son modificaciones de clulasepidrmicas dentro de la dermis.

La ua es una modificacin muy gruesa de la epidermis, crece totalmente enaproximadamente tres meses. El cabello se encuentra presente en casi todo el cuerpo y seproyecta hacia el interior de la dermis, Hay aproximadamente 100,000 cabellos en la piel quecrecen a una velocidad de 0.37 mm/da. Las glndulas sebceas son pequeas glndulasdermales que lubrican la piel. Las glndulas sudorferas tambin se encuentran en la capadermal y se encargan de la produccin del sudor por medio del cual se eliminan algunassubstancias, entre ellas el cloruro de sodio y ciertos metales como el cobre, el zinc, el fierro,el plomo, cadmio y nquel. Los electrolitos perdidos en un da de alta sudoracin deben deremplazarse inmediatamente.

La piel tiene varias funciones, entre ellas la de controlar la temperatura corporal, la depreservar los constituyentes y composicin de los contenidos corporales, la absorcin demuchas sustancias y la excrecin de otras.

1.1.3.4 SangreLa sangre es el lquido que circula en todo el organismo a travs de dos sistemas; lacirculacin sistmica y la circulacin pulmonar.

La circulacin sistmica distribuye la sangre oxigenada del corazn hacia todos los rganosdel cuerpo, y luego la regresa con el bixido de carbono hacia el corazn. La circulacinpulmonar transporta la sangre venosa (sin oxgeno) del corazn a los pulmones para suoxigenacin y luego, la regresa oxigenada al corazn.

La estructuras que se encargan de distribuir la sangre en estos dos sistemas son las arterias,las arteriolas, los capilares, las venas y las vnulas.

Las arterias son las estructuras que distribuyen la sangre oxigenada, a alta presin, haciatodos los tejidos. Su estructura muscular fuerte provee la fuerza de envo hacia los tejidosms lejanos.

Las arteriolas son las ramificaciones ms pequeas de las arterias y entregan la sangre a loscapilares dentro de los tejidos. Tambin tienen estructura muscular fuerte para contener elflujo arterial.


Los capilares son estructuras pequeas, de paredes delgadas y permeables que se encargandel intercambio de fluidos, nutrimentos, electrolitos, hormonas y otras substancias entre lasangre y el espacio intersticial.

Las vnulas se encargan de recoger la sangre de los capilares.

Las venas son los conductos que transportan la sangre que ha recogido el bixido de carbonode todos lo tejidos y la transporta de regreso al corazn. Las venas son de estructura delgada yalmacenan temporalmente la sangre antes de llegar al corazn.

La sangre se puede considerar formada por dos compartimentos: las clulas y el lquido en elque sobrenadan, que se denomina plasma.

El plasma tiene en solucin varias protenas, tales como las albminas y globulinas, quejuegan un papel muy importante en el manejo de txicos por el organismo.

Existen compuestos que tienden a unirse a las protenas del plasma, y con esto se evita que elcompuesto sea distribuido a los tejidos donde podra efectuar su accin. Cualqui

toxicología ambiental - evaluación de riesgos y restauración ambiental

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