I. LAS TOXINAS AMBIENTALES
LOS seres vivos estamos expuestos a la acci�n de numerosos agentes potencialmente t�xicos, sean �stos f�sicos, qu�micos o biol�gicos, que provocan efectos fisiol�gicos, bioqu�micos, patol�gicos y, en algunos casos, gen�ticos. La toxicolog�a es la ciencia que estudia la interacci�n entre las toxinas ambientales y los sistemas biol�gicos.
La mayor�a de las sustancias qu�micas presentes en el medio ambiente tienen origen artificial; es decir, son sintetizadas por el hombre. Sin embargo, existen cientos de venenos naturales generados por microorganismos, hongos, plantas y animales, que son muy t�xicos para otros seres vivos.
Algunas de estas sustancias naturales o toxinas se conocen desde la antig�edad. De hecho, el estudio de los venenos ha preocupado a la humanidad desde tiempos remotos, tal como lo muestra uno de los antecedentes m�dicos m�s antiguos que se conocen, el llamado Papiro Ebers (1500 a.C.). Los egipcios utilizaron toxinas de origen natural para matar a sus enemigos o suicidarse. Cleopatra, de acuerdo con la tradici�n, se suicid� haci�ndose morder por un �spid.
Como lo registran los Vedas (900 a.C.) el ars�nico y el opio fueron conocidos por los antiguos habitantes de la India. Los chinos emplearon flechas envenenadas con aconitina para acabar con sus enemigos, mientras que los griegos, con una tradici�n que se remonta a Hip�crates (400 a.C.) y se prolonga por 500 a�os, hasta Diosc�rides, clasificaron los venenos de origen natural y desarrollaron numerosos ant�dotos.
Durante la Edad Media, el arte de envenenar con fines pol�ticos se convirti�
en un culto, como lo muestra la historia de los Borgias (siglos XV y XVI); en
Francia la reina Catalina de M�dicis fue la precursora de algunos principios
emp�ricos de la toxicolog�a, preparando venenos de origen natural que probaba
en enfermos y presos; anotaba cuidadosamente los s�ntomas que produc�an y su
eficacia.
Paracelso (1493-1541) sent� los cimientos cient�ficos de la ciencia de las drogas y los venenos, ya que realiz� experimentos y se�al� que las propiedades terap�uticas y t�xicas de las sustancias qu�micas se distinguen �nicamente en funci�n de la dosis. Ya para el siglo XIX se establecen los sitios donde ejercen su acci�n algunas toxinas, inici�ndose as� el estudio de los mecanismos que siguen las sustancias qu�micas de origen natural.
FUENTES DE EXPOSICI�N DE LOS SERES VIVOS A LAS TOXINAS AMBIENTALES
La exposici�n a los agentes t�xicos puede presentarse en forma aguda, es decir, en un solo episodio generalmente accidental, cuando ingresan al organismo cantidades elevadas de alguna toxina. Puede darse en forma cr�nica, si existe exposici�n continua a dosis bajas, que suele ir acompa�ada de su acumulaci�n en el organismo, produci�ndose la respuesta t�xica despu�s de mucho tiempo.
La ruta o forma de ingreso al organismo es tambi�n variada: puede ser por inhalaci�n, por v�a digestiva o por contacto a trav�s de la piel. Las poblaciones de organismos pueden estar expuestas a las toxinas de manera 1) involuntaria, como ocurre en el ambiente abierto, 2) voluntaria, cuando el individuo emplea drogas o agentes terap�uticos, y 3) ocupacional, en el ambiente de trabajo.
La concentraci�n de las sustancias qu�micas en el cuerpo puede medirse analizando la sangre, la orina y el pelo. As�, por ejemplo, es un hecho conocido que Napole�n fue deliberadamente envenenado con ars�nico. Hasta hace algunos a�os se pensaba que la fuente hab�a sido el alimento, ya que su autopsia revel� grandes lesiones en el h�gado y en el est�mago. Sin embargo, el an�lisis de su pelo (entre 1964 y 1982) mostr� suficientes cantidades de ars�nico, que aunque seguramente no provocaron su muerte, s� pudieron producir la enfermedad que lo mat�. Durante el siglo XIX el ars�nico se empleaba en la fabricaci�n de muchas medicinas, en cosm�ticos y pigmentos. Las paredes de la casa que Napole�n habit� en Santa Elena estaban pintadas y cubiertas con papel tapiz verde esmeralda, el cual se fabricaba con arsenito de cobre. Sobre el papel tapiz h�medo, algunos hongos pueden transformar los compuestos de ars�nico a formas vol�tiles y venenosas que se liberan al aire de las habitaciones. As�, tal vez esto probar�a que en la muerte de Napole�n no hubo conspiraci�n, sino que se trat� de un lento e inocente envenenamiento ambiental.
Los procesos que controlan el destino final de un compuesto qu�mico en el ambiente son el transporte, la transformaci�n y la transferencia del mismo. El transporte o movimiento de los agentes qu�micos en el ambiente se debe fundamentalmente a las fuerzas naturales, como el viento o el agua, cuya direcci�n y velocidad determinar�n su concentraci�n. La transformaci�n es un cambio en la estructura f�sica o qu�mica de un compuesto. Un compuesto qu�mico puede pasar de s�lido a l�quido y de �ste a gas, o transformarse por reacciones qu�micas como la oxidaci�n y la reducci�n, procesos que se llevan a cabo en los organismos. Esto los puede activar o degradar. La transformaci�n tambi�n se refiere a las interacciones de diversos agentes qu�micos en el ambiente y a las reacciones que bajo ciertas condiciones se realizan entre ellos.
La transferencia es el movimiento de los compuestos qu�micos en la biosfera: aire, agua, suelo y organismos vivos. As�, un agente qu�mico presente en el agua puede volatilizarse, pasando al aire, ser luego transferido al suelo por acci�n de la lluvia y de all� incorporarse a la cadena alimenticia. El resultado neto de estas transferencias es una amplia distribuci�n de toxinas en el medio ambiente, y por lo tanto, el aumento del riesgo de exposici�n.
El comportamiento y destino final de muchos agentes qu�micos est� tambi�n influido por diferentes aspectos tales como la solubilidad en agua, la presi�n de vapor, la bioconcentraci�n y la biotransferencia.
En general, los agentes qu�micos que son solubles en agua son menos peligrosos que los insolubles, debido a que suelen ser menos vol�tiles, m�s m�viles y biodegradables. La presi�n de vapor es un factor importante que mide la volatilidad de un agente qu�mico en estado puro, y es un indicador del grado de transporte del compuesto qu�mico en el aire, siendo �ste el medio m�s importante para su distribuci�n. Los agentes qu�micos que tienen una presi�n de vapor baja y una alta afinidad por el agua y por el suelo, se vaporizan menos que aquellos que tienen presi�n de vapor alta. Adem�s estos �ltimos suelen tener poca afinidad por el agua y por el suelo. Es importante determinar el destino final de un compuesto qu�mico en los seres vivos, ya que muchos son capaces de concentrar en sus �rganos y tejidos cantidades elevadas de una sustancia, como ocurre con los peces y el ganado. En estos casos, la cadena alimenticia se convierte en una fuente importante de exposici�n a agentes qu�micos.
�C�MO RESPONDEN LOS ORGANISMOS ANTE LOS AGENTES T�XICOS?
La respuesta de los organismos ante las toxinas depende de varios factores, siendo los m�s importantes las propiedades espec�ficas, f�sicas y qu�micas del compuesto y la cantidad a la que est�n expuestos. Esta relaci�n dosis-respuesta es un criterio que suele establecerse con los organismos empleados en el ensayo. Aunque no brinda informaci�n acerca de los mecanismos de acci�n propios del agente, s� permite establecer en t�rminos pr�cticos y cuantitativos cu�n t�xico es. El tipo de respuesta que se establece es un �ndice de letalidad en funci�n del n�mero de individuos tratados que mueren (Figura 1). La dosis letal tambi�n permite conocer la potencia del compuesto por la magnitud de la respuesta del organismo.
Figura 1. Relaci�n dosis-respuesta, medida en letalidad.
MOVIMIENTO DE LAS TOXINAS EN EL ORGANISMO
Cuando las toxinas ingresan al organismo, interaccionan en el nivel celular con un receptor espec�fico, que suele ser una prote�na. Cuando la concentraci�n de la sustancia dentro de la c�lula es grande, los sitios receptores se saturan y se produce una respuesta t�xica m�xima; cuando la concentraci�n es baja, la respuesta es menor. Esta relaci�n permite establecer a los toxic�logos qu� dosis produce el efecto deseado sin ser t�xica, para fines terap�uticos.
Por ejemplo, una sustancia qu�mica a una dosis de 100 unidades produce la muerte del 50% de la poblaci�n tratada (LD50), mientras que la dosis efectiva est� entre 2 y 10 unidades y la dosis t�xica se encuentra hacia las 20 unidades (Figura 2).
Figura 2. Comparaci�n de la dosis efectiva (DE), Dosis t�xica (DT) y dosis letal media (LD50) de una sustancia qu�mica hipot�tica.
Para que una sustancia t�xica ejerza sus efectos en un ser vivo debe ponerse en contacto con el organismo. La piel en los animales y la corteza en las plantas son las barreras naturales que separan a los organismos del medio ambiente. Sin embargo, una vez que ingresa una toxina al organismo, por cualquier ruta, �sta es absorbida y distribuida por el torrente circulatorio hasta llegar a las c�lulas blanco, que son las que tienen los receptores para un compuesto qu�mico espec�fico. Los agentes t�xicos pueden eliminarse de la circulaci�n al ser excretados por el ri��n, o quiz� acumularse en los tejidos grasos, o bien biotransformarse en las c�lulas del h�gado y otros �rganos. En la figura 3 se muestra un esquema de este proceso.
Figura 3. Absorci�n, distribuci�n y eliminaci�n de las toxinas en los animales.
En el organismo existen barreras naturales, las membranas de las c�lulas, a trav�s de las cuales el agente t�xico debe pasar. Estas membranas tienen estructuras muy variadas y por lo tanto funciones diversas. Fundamentalmente est�n formadas por fosfol�pidos y prote�nas, los primeros arreglados en una bicapa y las prote�nas esparcidas entre ellos. Las membranas tienen poros a trav�s de los cuales las c�lulas se ponen en contacto con el exterior. Las prote�nas les confieren a las membranas una especificidad en cuanto al transporte o ingreso a la c�lula de los compuestos qu�micos. Los fosfol�pidos, que est�n formados por �cidos grasos, si son saturados, es decir, sin dobles enlaces entre sus carbonos, hacen a la membrana menos franqueable. Si hay mayor cantidad de �cidos grasos insaturados la membrana permite m�s f�cilmente el paso de sustancias.
Los mecanismos mediante los cuales un compuesto qu�mico pasa a trav�s de una membrana pueden ser pasivos, es decir, la membrana no participa activamente en el proceso, como ocurre en la difusi�n del alcohol et�lico, por ejemplo, que depende de la solubilidad en los l�pidos de la membrana. El compuesto puede penetrar por filtraci�n, cuando tiene un tama�o lo suficientemente peque�o como para atravesar los poros de la membrana. Ello ocurre, por ejemplo, con el mon�xido de carbono, que ocasiona intoxicaciones violentas. Estos procesos son especialmente favorables para sustancias qu�micas no polares.
Cuando el compuesto qu�mico es insoluble en los l�pidos de la membrana, cuando las mol�culas de la sustancia son muy grandes y no pueden atravesar los poros y canales de la membrana, o cuando se trata de sustancias ionizadas, se establece entonces el llamado transporte activo. Este es selectivo en principio, ya que depende de la estructura qu�mica del compuesto, de una mol�cula transportadora espec�fica de membrana, y de un gasto de energ�a adicional por parte de la c�lula. Esto se debe a que ingresa en contra de un gradiente de concentraci�n, en competencia con los nutrientes que normalmente ingresan a las c�lulas por este mecanismo.
Las sustancias qu�micas que son transportadas activamente a trav�s de las membranas pasan al interior de las c�lulas en forma de un complejo. En el interior de la c�lula �ste se disocia, y la mol�cula transportadora regresa nuevamente a la superficie de la membrana, en lo que se puede repetir el proceso.
Los agentes t�xicos atraviesan las membranas de las c�lulas e ingresan al torrente sangu�neo de la misma manera que el ox�geno inhalado llega a los pulmones, y los nutrientes ingeridos oralmente pasan al tracto digestivo.
La distribuci�n del agente t�xico en el organismo depende de las caracter�sticas fisicoqu�micas del compuesto, de su capacidad para atravesar membranas y de su afinidad por los componentes normales del organismo. Una vez en el torrente sangu�neo, los agentes qu�micos suelen unirse a prote�nas del plasma, lo cual les impide ingresar a las c�lulas por difusi�n. Sin embargo, esta interacci�n muchas veces desplaza a la sustancia qu�mica que ya estaba unida, de manera que las toxinas suelen estar en equilibrio en el plasma, es decir, tanto en forma unida como en forma libre.
En los animales existen �rganos que tienen una gran capacidad para concentrar agentes t�xicos, como el h�gado y los ri�ones. En el h�gado existen numerosas prote�nas que transportan activamente diferentes compuestos extra�os o xenobi�ticos. En el interior de las c�lulas hep�ticas se lleva a cabo la transformaci�n de los compuestos, o metabolismo, sea para hacerlos m�s solubles y dejarlos listos para excretarse por los ri�ones, o bien para activarlos form�ndose un compuesto muy reactivo. Ya que el metabolismo desempe�a en las c�lulas un papel dual de desintoxicaci�n-eliminaci�n y activaci�n-toxificaci�n, volveremos a �l con m�s detalle.
Ya vimos que la solubilidad de las toxinas en los l�pidos de las membranas es un factor determinante para su absorci�n, por lo cual su acumulaci�n en los tejidos adiposos del cuerpo est� �ntimamente ligada a esta propiedad; as� que en las grasas del cuerpo es donde se concentran y guardan las toxinas. A medida que el organismo metaboliza y elimina toxinas, se van liberando de los sitios de dep�sito hacia el plasma, de ah� pasan al h�gado, y el ciclo se repite. Este proceso es importante, ya que muchas toxinas liposolubles se acumulan y ejercen sus efectos adversos durante mucho tiempo, como ocurre con los anest�sicos, los barbit�ricos y los pesticidas.
La eliminaci�n de los agentes t�xicos del organismo es un factor importante en relaci�n con los efectos biol�gicos. L�gicamente, la eliminaci�n r�pida reduce los riesgos, y en muchos casos la toxicidad y los da�os al organismo no se presentan. La ruta m�s importante de eliminaci�n es el ri��n. Esta se realiza en las c�lulas renales por difusi�n, filtraci�n o por transporte activo. Los compuestos liposolubles no polares, es decir sin carga, suelen ser reabsorbidos por difusi�n y regresan al torrente sangu�neo, mientras que los compuestos polares y los iones son excretados activamente. Los iones negativos, o aniones, se excretan m�s f�cilmente cuando la orina es �cida, y los iones positivos, o cationes, cuando la orina es b�sica. En este fen�meno subyace, de hecho, el principio pr�ctico de aplicaci�n de los ant�dotos frente a los episodios de envenenamiento. Por ejemplo, el fenobarbital es un �cido d�bil que se emplea como anticonvulsivo, sedante e hipn�tico; si un individuo ingiere cantidades elevadas de esta droga debe administr�rsele bicarbonato de sodio que, por ser una base, favorece la eliminaci�n r�pida del barbit�rico por v�a urinaria.
El mismo proceso puede emplearse tambi�n para la excreci�n de un agente terap�utico. Por ejemplo, la penicilina se elimina por transporte �cido. Si se administra otro compuesto �cido que compita con la penicilina se prolongar� la acci�n del antibi�tico. Esto se vio durante la segunda Guerra Mundial, cuando la penicilina tuvo una gran demanda pero el suministro era escaso.
Los seres vivos tienen, pues, la capacidad de degradar y eliminar muchos compuestos extra�os. Sin embargo, cuando la absorci�n es mayor que la excreci�n, el agente qu�mico tiende a acumularse en cantidades elevadas, y mostrar un efecto t�xico.
Se conoce como metabolismo al conjunto de reacciones qu�micas a las que son sometidas las sustancias absorbidas por los seres vivos, ya sea para la obtenci�n de energ�a o la construcci�n de elementos estructurales.
Sin duda, las toxinas han sido metabolizadas desde que las primeras c�lulas se formaron, de manera que los mecanismos de desintoxicaci�n han estado siempre presentes en los seres vivos. El agua y el alimento no tratado, as� como el aire, contienen muchas sustancias que no son necesarias para la vida y que pueden ser t�xicas; aun el ox�geno en cantidades elevadas es t�xico.
La estructura qu�mica de los compuestos nutritivos naturales y de los metabolitos intermedios es muy variada, de modo que la maquinaria celular est� provista de numerosos catalizadores, o enzimas, que hacen frente a esta gran diversidad de productos qu�micos de la dieta. Este conjunto de enzimas tambi�n lo emplea la c�lula para eliminar compuestos t�xicos potencialmente nocivos. La capacidad de desintoxicaci�n celular tiene un l�mite que est� dado por la dosis de la sustancia.
Figura 4. Esquema de la biotransformaci�n metab�lica
Despu�s de que un agente xenobi�tico ha sido absorbido por el organismo, �ste es biotransformado. Por lo general los productos del metabolismo son m�s solubles en agua, lo que facilita su eliminaci�n y hace desaparecer su toxicidad; en otras ocasiones se obtiene una sustancia como producto intermedio del metabolismo, la cual es m�s reactiva que la original, y que puede reaccionar con otras macromol�culas celulares. Un esquema de este proceso se observa en la figura 4.
Las enzimas que realizan las reacciones qu�micas relacionadas con la biotransformaci�n se encuentran en el citoesqueleto, en el ret�culo endopl�smico, en los organelos llamados mitocondrias, y en el caso de los mam�feros, en las c�lulas hep�ticas. Como ya dijimos, estas reacciones producen metabolitos estables nucleof�licos m�s solubles en agua, por lo que algunas reacciones se realizan en presencia de este l�quido, lo cual recibe el nombre de hidr�lisis. Otras se realizan en presencia de ox�geno (oxidaci�n), y algunas m�s por hidr�geno (reducci�n). En la figura 5 se muestran algunos ejemplos.
Si el compuesto tiene un grupo funcional, es decir grupos de �tomos unidos a la cadena de carbono, �ste puede combinarse con enzimas en el fen�meno llamado conjugaci�n, y as� se produce un compuesto polar, soluble en agua, que se elimina tal como se muestra en la figura 6.
Figura 5. Ejemplos de reacciones metab�licas. R y R' =radicales (excepto hidr�geno).
Las enzimas que intervienen en la bioactivaci�n de los agentes xenobi�ticos realizan esencialmente las mismas funciones generales. El producto intermedio del metabolismo resulta ser i�nico, y potencialmente muy reactivo, lo que puede producir da�o a los tejidos, despertar reacciones inmunol�gicas o interactuar con los �cidos nucleicos (Figura 7).
Figura 7. La biotransformaci�n de agentes xenobi�ticos.
LOS ELEMENTOS QUE INFLUYEN EN LA RESPUESTA T�XICA
Como ya mencionamos, el metabolismo es el factor determinante de la toxicidad de un compuesto. Los seres vivos tienen capacidades metab�licas distintas, ya que los paquetes enzim�ticos son caracter�sticos de cada especie.
Figura 8. F�rmula del malati�n.
Figura 9 . V�as metab�licas del insecticida malati�n en mam�feros y en insectos.
Por ejemplo, el pesticida malati�n (Figura 8), que por cierto el hombre emplea para combatir los piojos (pediculicida), se hidroliza en los seres humanos, produci�ndose un compuesto estable que posteriormente se conjuga y se elimina por la orina. En cambio en los insectos, este mismo pesticida se oxida y el producto intermedio inhibe a una enzima, la colinesterasa, que es necesaria para la neutrotransmisi�n qu�mica de los impulsos nerviosos mediados por la acetilcolina. Ello provoca la par�lisis neuromuscular y la muerte del insecto (Figura 9).
Existen tambi�n diferencias importantes en la respuesta de los individuos de una misma especie. El sexo es otro elemento por considerar, ya que en algunas especies los machos excretan m�s eficientemente que las hembras algunos t�xicos. El fen�meno inverso tambi�n ocurre, y este tipo de respuesta diferencial de los sexos se debe en gran medida a las capacidades metab�licas y a las diferencias en las hormonas sexuales de cada sexo. Las variaciones gen�ticas entre los individuos de una especie producen respuestas distintas frente al mismo agente. Por ejemplo, la droga hidralacina, que se emplea como agente terap�utico para combatir la presi�n sangu�nea alta o hipertensi�n, produce en 10% de los pacientes tratados un s�ndrome, el llamado lupus eritrematoso, que est� relacionado con varios factores, entre los que se cuenta un gene que predispone a los portadores a manifestar los efectos adversos del medicamento.
