LAS TOXINAS AMBIENTALES Y LA GENÉTICA

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

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

Años más tarde fue posible evaluar la habilidad de varios agentes oxidantes para producir mutaciones en algas y en hongos, lo que marcó el inicio de una serie de preguntas que se hicieron los científicos en las décadas sucesivas, en torno a la producción artificial de mutaciones por medio de agentes físicos y químicos como inductores. En 1927 Herman Muller demostró de manera inequívoca que las radiaciones ionizantes son capaces de producir alteraciones genéticas en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) y definió a las mutaciones como los cambios en la cantidad, cualidad y arreglo de los genes. Muller también desarrolló técnicas cuantitativas para medir en este organismo la proporción de mutaciones inducidas, y llamó la atención de la comunidad científica al sugerir que las radiaciones podrían producir cambios en las células somáticas de los tejidos, y en los que se dividen

activamente podrían producirse distintos tipos de cáncer, incluyendo las leucemias.

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

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

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

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

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

EFECTOS ADVERSOS DE LAS MUTACIONES

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

Figura 25. Efectos adversos de las mutaciones.

LA MUTAGÉNESIS

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

Sin embargo, entre los seres humanos no ha sido posible detectar los efectos de ningún agente genotóxico en relación con el nacimiento de niños portadores de alteraciones genéticas. La frecuencia espontánea de alteraciones genéticas en la población humana es muy alta. Alrededor

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

LA TERATOGÉNESIS

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

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

Figura 26. Orígenes de las malformaciones embionarias.

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

LA CARCINOGÉNESIS

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

Figura 27. Ejemplos de carcinógenos.

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

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

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

los nódulos linfáticos están relacionados con la respuesta inmune a la neoplasia. En la figura 28 se muestra un esquema del proceso.

Figura 28. Resumen del proceso canceroso.

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

Figura 29. Carcinogénesis química.

LOS AGENTES GENOTÓXICOS Y EL DAÑO GENÉTICO

Como ya vimos, la inducción de daño genético por exposición a agentes genotóxicos es un proceso que se realiza en varios pasos. Durante el proceso, el agente xenobiótico ingresa al organismo, se absorbe, se

distribuye y atraviesa las membranas. Una vez dentro de la célula, el agente químico puede ser reactivo por sí mismo (de acción directa), o bien puede ser activado por las enzimas metabólicas, en cuyo caso es de acción indirecta y se llama promutágeno. Se da entonces la interacción con el ADN, que puede ser reparada eficiente o ineficientemente de manera tal que el daño genético inicial se fijará o no, expresándose en las diferentes estirpes celulares, tal como se muestra en el esquema de la figura 30.

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

METABOLISMO DE LOS AGENTES GENOTÓXICOS

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

dependiendo de la edad, el sexo, factores nutricionales, niveles hormonales y otros factores biológicos.

En principio, el conjunto de enzimas de los eucariontes hidroliza, oxida y reduce compuestos extraños, reacciones que se llevan a cabo en el sistema de citocromos P­450 que se encuentran en el citoesqueleto y en el retículo endoplásmico de las células con núcleo. Los productos intermedios así generados en ocasiones se conjugan con proteínas, formándose compuestos altamente reactivos. Es decir, en las células existen numerosas enzimas que activan a los promutágenos, pero también otras enzimas que desintoxican e inactivan a los productos intermedios: el equilibrio entre estas dos funciones celulares es el que en última instancia determina el potencial genotóxico del promutágeno (compuesto químico inerte que requiere ser metabolizado, transformándose así en un compuesto electrofílico y por lo tanto reactivo).

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

Figura 31. Activación metabólica de algunos promutágenos.

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

LA INHIBICIÓN DEL METABOLISMO

Durante el metabolismo normal de las células se generan radicales libres que suelen ser muy reactivos y, por lo tanto, potencialmente muy dañinos. Los organismos han desarrollado mecanismos, que por cierto están muy conservados evolutivamente, para atrapar a los radicales libres. Entre estos mecanismos están diversas enzimas que catalizan la conversión de oxígeno reducido (O­2 ) a peróxido de hidrógeno (H2O2) y de éste a agua y oxígeno (H2O + O2), y otros como el glutatión, que reacciona directamente con los compuestos electrofílicos de acción directa, o con los producidos durante el metabolismo.

Así tenemos que los radicales libres se forman como productos intermedios en los procesos bioquímicos naturales. Se piensa que las enfermedades degenerativas como la arterioesclerosis, el cáncer y el

envejecimiento celular se deben en gran medida a la pérdida de la capacidad enzimática de las células para atrapar radicales libres.

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

INTERACCIONES CON EL ADN

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

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

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

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

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

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Figura 32. Mecanismos de reparación del ADN.

LAS RADIACIONES

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

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

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

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

Figura 33. El espectro electromagnético.

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

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

Por otra parte, el radón es un gas que se produce durante el decaimiento de algunos materiales radiactivos, y por ser inestable emite rayos alfa. Este gas se encuentra en grandes cantidades en los hogares mal ventilados en los cuales se emplea calefacción o aire acondicionado.

De hecho, ésta es la fuente principal de radiación natural para los seres humanos.

Las radiaciones ionizantes también son artificiales, producto de diversas actividades humanas. Entre éstas se incluyen las que resultan de los ensayos nucleares, las radiaciones producto del manejo de material radiactivo y las recibidas con fines médicos y terapéuticos.

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

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

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

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

Las radiaciones no ionizantes son las que tienen longitudes de onda de 100 a 1 000 veces mayores que las ionizantes. En este grupo se incluye la luz visible, la infrarroja y la ultravioleta. Esta última tiene una

longitud de onda que es absorbida de manera eficiente por los ácidos nucleicos y, por lo tanto, es capaz de provocar cambios fotoquímicos importantes en esta macromolécula.

La fuente natural de luz ultravioleta es el Sol, pero la mayor parte de la radiación UV del Sol no entra a la Tierra porque es absorbida en la estratosfera por el ozono, que se forma en esa capa atmosférica por acción de los rayos UV. Actualmente la capa de ozono estratosférico se ha ido destruyendo en algunas zonas del planeta por efecto de las emisiones de los aviones, de los carburantes y del clorofluorocarbono, que se emplea como propulsor y como antirrefrigerante.

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

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

Figura 34. Efectos genéticos de la luz ultravioleta.

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

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

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

LOS COMPUESTOS QUÍMICOS GENOTÓXICOS

Ya hemos mencionado que los seres vivos han estado expuestos desde su origen a numerosas toxinas de origen natural. Vimos también que a

través de la evolución orgánica; se fueron desarrollando mecanismos de protección en contra de los efectos adversos de las mismas.

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

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

LOS PESTICIDAS

El empleo de productos químicos sintéticos en las prácticas agrícolas se incrementó notablemente a partir de la segunda Guerra Mundial. Aunada al uso de fertilizantes, la utilización de pesticidas fue la responsable de la revolución verde, al permitir la erradicación de plagas para los cultivos con valor alimenticio. Su empleo también ha permitido el control de insectos responsables de epidemias severas, como la malaria y ciertas encefalitis. Sin embargo, su uso indiscriminado ha provocado graves desórdenes ecológicos en el planeta. En los años setenta se reconoció el daño que provoca la utilización a gran escala de estos productos químicos, no sólo en el ambiente sino en la salud pública, lo que provocó que en EUA y en otros países se promulgaran leyes que regulan la producción, distribución y uso de agroquímicos.

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

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

humanos estamos expuestos a la acción de pesticidas, ya que existen residuos de éstos en los alimentos que a diario ingerimos.

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

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

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

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

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

Los primeros herbicidas fueron desarrollados en los años 1930­1940. La mayoría tiene actividades similares a las hormonas que se presentan en las plantas, por lo que los herbicidas no representan problemas serios

para el ambiente, pues no son residuales, excepto los elaborados a base de arsénico, que son muy persistentes.

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

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

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

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

LOS METALES

La historia del hombre está íntimamente ligada al uso de diferentes metales. Durante el neolítico, o Edad de piedra, los metales entonces conocidos como el cobre, la plata, el oro y el hierro, se empleaban de la misma forma que la piedra o la madera para la manufactura de herramientas y armas. Seguramente entre los primeros artesanos profesionales de la historia estaban los forjadores, quienes descubrieron que a altas temperaturas los metales se fundían y moldeaban. Los etruscos utilizaron diversas aleaciones de metales, y los cretenses fundaron su riqueza en el comercio con el estaño. En la Edad Media se llegó a producir hierro colado y se descubrió la pólvora, lo que le permitió a los hombres de aquella época fabricar nuevas máquinas de artillería. Durante la Revolución Industrial, los ingleses consiguieron el acero fundido y emplearon diversos metales tales como el zinc, el níquel y el platino.

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

La exposición del hombre a diversos metales en cantidades elevadas, por fuente alimenticia, por inhalación o por el agua de consumo diario, se debe a las altas concentraciones naturales, a la contaminación de las

fuentes, al empleo de utensilios de cocina metálicos, a la persistencia y bioconcentración de metales empleados como pesticidas. La exposición ocupacional de los obreros metalúrgicos hizo evidente las relaciones entre la exposición y el desarrollo de algunos neoplasmas. Posteriormente fue posible establecer el vínculo entre los niveles elevados de metales en la atmósfera provenientes de los residuos industriales y de las gasolinas, con el desarrollo de enfermedades crónicas y degenerativas entre los seres humanos.

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Metal

Funciones

Cromo III

Metabolismo de los lípidos y de la glucosa.

Cobalto

Forma parte de la vitamina B12.

Cobre

Síntesis de hemoglobina. Cofactor para las enzimas: como la catalasa pero­oxidasa y citocromo­oxidasa.

Estronio

Calcificación de los huesos y de los dientes.

Hierro

Biosíntesis del grupo hemo.

Magnesio

Síntesis de proteínas y ácidos nucleicos.

Manganeso

Síntesis de ácidos grasos, colesterol y fosforilación.

Molibde

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

no

Selenio

Antioxidante para los lípidos.

Vanadio

Reduce los niveles de colesterol y fosfolípidos en el hígado.

Zinc.

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

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

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

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

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

Metal

Efecto genotóxico

Arsénico

Cáncer de piel, efectos sobre la reproducción, mutagénico.

Cadmio

Mutagénico, sarcomas.

Cromo

Cancer pulmonar, mutagénico.

Níqu

Carcinoma nasal, mutagénico.

el

Plomo

Anemia, linfomas, carcinomas y sarcomas renales, mutagénico.

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

vivos.

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

LOS SOLVENTES ORGÁNICOS

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

La exposición voluntaria por adicción a solventes entre los seres humanos es alta. La fuente principal de exposición a alcohol etílico es la bebida. El alcohol etílico se metaboliza en el organismo, formándose acetaldehído, un compuesto altamente reactivo que es mutagénico, y cuya acumulación provoca la destrucción del hígado. El alcohol etílico atraviesa la barrera placentaria, por lo que la adicción y sus efectos adversos afectan al embrión en gestación. Los efectos del alcohol en los seres humanos están asociados al tipo de exposición, aguda o crónica, a las cantidades ingeridas, y a factores nutricionales. Su ingestión está asociada a la acumulación en el hígado de lípidos, triglicéridos, y a la movilización de corticoesteroides y catecolaminas.

LOS ADITIVOS DE ALIMENTOS

Como hemos visto, el alimento que a diario consumimos es una mezcla compleja de sustancias, donde coexisten mutágenos y antimutágenos, de origen tanto natural como artificial (residuos de pesticidas), así como

algunos otros compuestos que se añaden intencionalmente con el propósito de conservar el alimento, y que en principio no tienen valor nutritivo. La sal ha sido utilizada para estos fines desde la época de los egipcios, 3000 a.c. Actualmente se usan con este propósito alrededor de 2 500 sustancias (Figura 37) cuya estructura química comprende desde compuestos inorgánicos simples hasta orgánicos muy complejos.

Tipo Compuesto químico

Ácidos / álcalis

Ácido cítrico

Buffers Carbonatos

Colorantes

Tartacina

Conservadores

Nitrato de sodio

Edulcorantes

Sacarina

Emulsificantes

Ésteres grasos de polietilen sorbitol

Estabilizadores

Gomas vegetales

Propelentes

Óxido nitroso

Saborizantes

Cianamaldehído

Figura 37. Clases de aditivos de alimentos.

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

LOS PRODUCTOS NATURALES

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

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

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

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

aflatoxina B1.

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

Figura 39. Fórmula de la mitomicina C

LAS MEZCLAS COMPLEJAS

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

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

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

LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

La contaminación ambiental de origen natural no es un problema nuevo. De hecho ha estado presente desde que hace más de 3 500 millones de años aparecieron en nuestro planeta las primeras células capaces de