SITIOS CELULARES Y BIOQUMICOS

MECANISMOS DE LESIN CELULAR:El comentario sobre la Patologa celular de las lesiones celulares y la Necrosis sienta la base para analizar los mecanismos y las vas bioqumicas de la lesin celular. Los mecanismos responsables de la lesin celular son complejos. Sin embargo, existen varios principios importantes para la mayor parte de las formas de Lesin celular. La respuesta celular frente a un estmulo lesivo depende de su naturaleza, duracin e intensidad. Dosis bajas de una toxina qumica o periodos de isquemia breves pueden ser origen de daos reversibles, pero dosis ms altas de la misma toxina o una isquemia ms prolongada pueden ser causa de una muerte celular instantnea o provocar la lesin irreversible y lenta, que con el tiempo culmine en la muerte celular.

Las consecuencias de la Lesin celular dependen del tipo, estado y capacidad de adaptacin de la clula lesionada. La situacin hormonal y nutricional de la clula y sus exigencias metablicas son importantes para su respuesta a la lesin. Por ejemplo, Qu grado de vulnerabilidad tiene una clula a la prdida del riesgo y la hipoxia? Cuando una clula muscular estriada de la pierna se queda sin riesgo, puede quedar en reposo y conservarse, esto no se lo puede permitir al msculo estriado cardiaco. La exposicin de dos individuos a la misma concentracin de una toxina, como el tetracloruro de carbono, puede no causar efectos en uno y ocasionar la muerte celular en el segundo. Esto se explica por variaciones genticas que modifican la cantidad y la actividad de las enzimas hepticas responsables de convertir el tetracloruro de carbono (CCl), en productos intermedios txicos. Tras el mapeo completo del genoma humano, existe un gran inters por identificar polimorfismos genticos que afectan a la respuesta de los distintos individuos ante los agentes lesivos.

La lesin celular se produce por diversos mecanismos bioqumicos que actan sobre varios componentes celulares esenciales. Estos mecanismos describen de forma individual a continuacin. Los componentes celulares que con ms frecuencia sufren daos por los estmulos lesivos son las mitocondrias, las membranas celulares, la maquinaria de la sntesis y empaquetamiento de las protenas, y el ADN de los ncleos.

Cualquier estmulo lesivo puede activar de forma simultnea mltiples mecanismos interconectados, que lesionen las clulas. Este es uno de los motivos por los que resulta difcil explicar la lesin celular en un caso determinado gracias a la alteracin bioqumica nica o dominante.En el siguiente apartado se realizan los mecanismos bioqumicos que se puedan activar por los distintos estmulos nocivos y que contribuyen a la muerte celular. Nuestro inters es ahora la lesin reversible y la necrosis, y los casos especiales de apoptosis y la autofagia de comentan de forma separada.

DEPLECIN DEL ATPLa deplecin del ATP y la reduccin de la sntesis del ATP se asocian con frecuencia de las lesiones hipxicas y qumicas (txicas). El ATP se sintetiza de dos formas. La principal en las clulas de los mamferos es la fosforilacion oxidativa de la adenosina difosfato, en una reaccin que determina la reduccin del oxigeno por el sistema de transmisin de electrones de las mitocondrias. La segunda es la va glucoltica, que puede generar ATP en ausencia de oxigeno utilizando la glucosa derivada de los lquidos corporales o de la hidrolisis del glucgeno. Las principales causas del agotamiento del ATP son una reduccin del aporte de oxgeno y nutrientes, las lesiones de las mitocondrias y las acciones de algunas toxinas (p.ej., el cianuro). Los tejidos con una mayor capacidad glucoltica (p. ej., el hgado) pueden sobrevivir a la prdida de oxgeno y la reduccin de la fosforilacin oxidativa mejor que los tejidos con una capacidad de gluclisis limitada (p.ej., el encfalo).Los fosfatos ricos en energa en forma de ATP se necesitan para prcticamente todos los procesos de sntesis y degradacin dentro de la clula, entre los cuales se incluyen el transporte en la membrana, la sntesis de protenas, la lipogenia y las reacciones de desacilacin-reacilacin necesarias para el recambio de los fosfolpidos. La deplecin del ATP hasta el 5-10% de las concentraciones normales afecta de forma extensa a muchos sistemas celulares esenciales. La actividad de la bomba de sodio dependiente de energa de la membrana plasmtica (Na, K ATPasa sensible a la ouabana) se reduce. El fracaso de este sistema de transporte activo condiciona la entrada y acumulacin de sodio en las clulas y la salida del potasio por difusin. La ganancia neta de solutos se asocia a un aumento isoosmtico de agua, que produce edema celular con dilatacin de RE.

Se producen alteraciones del metabolismo celular de la energa. Si el aporte de oxgeno a las clulas se reduce, como sucede en la isquemia, se detiene la fosforilacin oxidativa y esto reduce el ATP celular y aumenta la adenosina monofosfato. Estos cambios estimulan las actividades de la fosfofructocinasa y la fosforilasa, lo que aumenta la velocidad de la gluclisis anaerobia, que trata de mantener las fuentes de energa celulares mediante la generacin de ATP a travs del metabolismo de la glucosa a partir del glucgeno. En consecuencia se produce un rpido agotamiento de las reservas del glucgeno. La gluclisis anaerobia condiciona una acumulacin de cido lctico y se forman fosfatos inorgnicos por hidrlisis de los steres de fosfato. Esto reduce el pH intracelular, lo que reduce la actividad de muchas enzimas celulares.

El fracaso de la Bomba de Ca, permite la entrada del Ca, lo que lesiona numerosos componentes celulares, como se describe a continuacin.

Cuando el agotamiento del ATP es prolongado o se agrava, se produce una rotura estructural del aparato de sntesis de protenas, que determina una separacin de los ribosomas del RE rugoso y la separacin de los polisomas, con la consiguiente reduccin de la sntesis de protenas.

En las clulas que carecen de oxgeno o glucosa, las protenas pueden quedar mal plegadas y estas protenas desencadenan una reaccin celular llamada: Respuesta a las protenas desplegadas, que pueden culminar con lesiones e incluso con la muerte celular. Este proceso se describe ms adelante en este captulo.

En ltimo trmino, se produce lesiones irreversibles en las membranas mitocondriales y lisosmicas, y la clula sufre necrosis.

LESIN MITOCONDRIALLas mitocondrias son las responsables de aportar la energa que mantiene la vida en forma de ATP, pero tambin participan de forma esencial en las lesiones y la muerte celular. Las mitocondrias pueden sufrir lesiones cuando aumenta el Ca citoslico, por las Especies reactivas del oxigeno (se comentan a continuacin) y por la falta de oxigeno, por lo que son sensibles a prcticamente a todos los tipos de estmulos lesivos, incluida la hipoxia y las toxinas. Adems, las mutaciones de los genes mitocondriales son responsables de algunas enfermedades hereditarias.Las lesiones mitocondriales se asocian a dos consecuencias fundamentales.

Consecuencias de la disfuncin mitocondrial, que culmina en la muerte celular mediante necrosis o apoptosis

Las lesiones mitocondriales suelen ocasionar la formacin de un canal de alta conductancia en la membrana mitocondrial, llamado el poro de transicin de la permeabilidad mitocondria.

La apertura de este canal de conductancia condiciona la prdida del potencial de membrana mitocondrial lo que traduce en un fracaso de la fosforilacion oxidativa con un agotamiento progresivo del ATP, que culmina en la necrosis celular. Uno de los componentes estructurales del por de transicin de la permeabilidad mitocondrial es la priteina ciclofilina D, que es la diana del frmaco inmunosupresor ciclosporina ( usada en la prevencin del rechazo de trasplante). En algunos modelos experimentales de isquemia, la ciclosporina reduce las lesiones al evitar la apertura del por de transicin de la permeabilidad mitocondrial, un ejemplo interesante de tratamiento orientado de forma molescular para las lesiones celulares ( aunque su valor clnico no se ha establecido)

Las mitocondrias tambin secuestran varias protenas entre sus membranas interna y externa, que pueden activar las vas de la apoptosis; entre ellas se incluye el citocromo c y varias protenas que activan de forma indirecta las enzimas inductoras de la apoptosis que se llaman caspasa. El aumento de la permeabilidad de la membrana mitocondrial externa puede condicionas una fuga de estas protenas hacia el citosol y la muerte por apoptosis ( se comenta ms adelante)

ENTRADA DE CALCIO Y PRDIDA DE LA HOMEOSTASIS DEL CALCIO

El agotamiento del calcio protege a las clulas de las lesiones causadas por diversos estmulos nocivos y esto indica que los iones calcio son importantes mediadores de las lesiones celulares. El calcio libre del citosol se suele mantener en concentraciones muy bajas ( 00,1 umol) en comparacin con unas concentraciones extracelulares de 1,3 mmol, y la mayor parte de calcio intracelular est secuestrado en la mitocondrias y el RE, La isquemia y algunas toxinas determinan un aumento de la concentracin de calcio en el citosol, inicialmente por la liberacin de Ca 2- de los depsitos intracelulares y a continuacin por el aumento del flujo a travs de la membrana plasmtica( fig. 1_19). Este aumento del Ca 2- intracelular provoca lesiones celulares mediante diversos mecanismos.

La acumulacin de Ca2- en las mitocondrias condiciona la apertura del poro de transicin de la permeabilidad mitocondrial y, como se ha descrito antes, un fallo en la produccin de ATP.

EL aumento del Ca 2- citosolico activa una serie de enzimas, que pueden tener efectos negativos a nivel celular. Estas enzimas incluyen las fosfolipasas ( que provocan lesiones en la membrana), proteasas ( que degradan las protenas de la membrana y del citoesqueleto ), endonucleasas ( que son responsables de la fragmentacin del ADN y de la cromatina) y ATPasas ( que aceleran el agotamiento del ATP)

El agotamiento de las concentraciones intracelulares de Ca 2- tambin induce la apoptosis, mediante la activacin directa de las caspasas y el aumento de la permeabilidad mitocondrial.

ACUMULACION DE RADICALES LIBRES DERIVADOS DEL OXIGENOS (ESTRS OXIDATIVO)

Las lesiones celulares inducidas por radicales libres, sobre todo por las especies reactivas del oxigeno, son un importante mecanismo de lesin celular en muchos procesos patolgicos, sobre todo las lesiones por sustancias qumicas o radiacin,

Las lesiones por isquemia- reperfusion (Inducidas cuando se recupera el flujo en un tejido isqumico).

El envejecimiento celular y la destruccin de los microbios por los fagocitos. Los radicales libres son sustancias qumicas con un solo electrn impar en una rbita externa. La energa que se crea por esta configuracin inestable se libera mediante reacciones con las molculas adyacentes, como las sustancias qumicas orgnicas o inorgnicas (protenas, lpidos, hidratos de carbono y cidos nucleicos),

Muchas de las cuales son parte fundamental de las membranas celulares y los ncleos. Adems los radicales libres inician reacciones autocataliticas, en las que las molculas con las que reaccionan se convierten a su vez en radicales libres, lo que propaga la cadena de daos. Las especies reactivas del oxigeno (ERO) son un tipo de radicales derivados del oxigeno, cuyo papel en las lesiones celulares est bien estudiado, las

ERO se producen en condiciones normales en las clulas durante la respiracin mitocondrial y la produccin de energa, pero son degradadas y eliminadas por los sistemas defensivos celulares,. Por tanto las clulas consiguen mantener una situacin de equilibrio en la que pueden existir radicales libres de forma transitoria en concentraciones bajas, sin provocar lesiones. Cuando la produccin de ERO aumenta o los sistemas de limpieza son ineficaces se produce un exceso de estos radicales libres y se produce una situacin conocida como estrs oxidativo.

El estrs oxidativo se ha relacionado con mltiples tipos de procesos patolgicos, incluida la lesin celular, el cncer, el envejecimiento y algunos procesos degenerativos, como la enfermedad de Alzheimer. Las ERO se producen tambin en grandes cantidades por los leucocitos, sobre todo neutrlos y macrfagos, como mediadores para la destruccin de los microbios, los tejidos muertos y otras sustancias indeseadas. Por tanto, las lesiones causadas por estos compuestos reactivos se suelen encontrar en las reacciones infamatorias, durante las cuales se reclutan y activan leucocitos

En el siguiente apartado se comenta la generacin y eliminacin de las ERO y su participacin en la lesin celular. La tabla 1-3 resume algunas de las propiedades de los radicales libres ms importantes.

Generacin de los radicales libres.

Los radicales libres pueden generarse dentro de las clulas por diversos mecanismos

Reacciones de reduccin-oxidacin que ocurren en los procesos metablicos normales. Durante la respiracin normal, el O2 molecular se reduce mediante el transporte de cuatro electrones al H2 para generar dos molculas de agua.Esta conversin se cata liza gracias a enzimas oxidativas del RE, el citosol, las mitocondrias, los peroxisomas y los lisosomas. Durante este proceso, se producen pequeas cantidades de productos intermedios parcialmente reducidos en los que se han transferido distintos nmeros de electrones a partir

del O2; entre ellos destacan el anin superxido (O2), un electrn), el perxido de hidrgeno (H2O2, dos electrones) y los iones hidroxilo (OH, tres electrones).

Absorcin de la energa radiante (p. ej., luz ultravioleta, rayos X). Por ejemplo, la radiacin ionizante puede hidrolizar el agua en radicales libres OH e hidrgeno (H).

Se producen picos rpidos de ERO en los leucocitos activados durante la inamacin. Esto se explica por una reaccin controlada de forma precisa en un complejo multiproteico de la membrana plasmtica que emplea una NADPH oxidasa para la reaccin redox Adems, algunas oxidasas intracelulares (como la xantina oxidasa) generan (O2 ).

El metabolismo enzimtico de las sustancias qumicas o frmacos exgenos puede generar radicales libres que no se corresponden con ERO, pero que tienen efectos similares (p. ej., CCl4 puede generar CCl3, que se comenta ms adelante en este captulo).

Los metales de transicin, como el hierro o el cobre, donan o aceptan electrones libres durante las reacciones intracelulares y catalizan la formacin de radicales libres, como en la reaccin de Fenton (H2O2 +Fe2+ Fe3+ +OH+OH ). Dado que la mayor parte del hierro libre intracelular se encuentra en forma frrica (Fe3+ ), se debe reducir a la forma ferrosa (Fe2+ ) para poder participar en esta reaccin de Fenton.

Esta reduccin puede estimularse con (O2 ), y por eso las fuentes de hierro y (O2 ) pueden colaborar en las lesiones celulares oxidativas.

El xido ntrico (NO) es un importante mediador qumico generado por las clulas endoteliales, macrfagos, neuronas y otros tipos celulares (v.captulo 2) y se puede comportar como radical libre y tambin convertirse en un anin peroxinitrito muy reactivo (ONOO), adems de en NO2 y NO3 .

Eliminacin de los radicales libres.

Los radicales libres son inestables de forma inherente y muestran tendencia a la desaparicin espontnea. Por ejemplo, el (O2 ) es inestable y desaparece de forma espontnea para generar O2 y H2O2 en presencia de agua. Adems, las clulas han desarrollado mecanismos enzimticos y no enzimticos mltiples para eliminar los radicales libres y reducir de este modo las lesiones. Entre ellos se incluyen:

Los antioxidantes pueden bloquear la iniciacin de la formacin de radicales libres o inactivarlos (es decir, barrer). Ejemplos de este grupo son las vitaminas liposolubles E y A, adems del cido ascrbico y el glutatin citoslico.

Como ya se ha comentado, el hierro y el cobre pueden catalizar la formacin de ERO. Las concentraciones de estos metales reactivos se mantienen en niveles mnimos mediante su unin a protenas de almacenamiento y transporte (p. ej., transferrina, ferritina, lactoferrina y ceruloplasmina), de forma que la formacin de ERO sea mnima.

Una serie de enzimas se comportan como sistemas de eliminacin de radicales libres y degradan H2O2 y (O2 ) .Estas enzimas se localizan cerca de los lugares de produccin de oxidantes e incluyen:

1. Catalasa, presente en los peroxisomas, que descompone H2O2 (2H2O2 O2 +2H2O).

2. Superxido dismutasas (SOD), presentes en muchos tipos celulares y que convierten (O2 ) en H2O2 (2(O2 ) + 2H H2O2 +O2).i. Dentro de este grupo se incluyen las SOD de manganeso, que se localizan en la mitocondria, y las SOD de cobre- cinc, que se localizan en el citosol.

3. La glutatin peroxidasa tambin protege frente a las lesiones al catalizar la degradacin de los radicales libres i. (H2O2 +2GSH GSSG [homodmero de glutatin] + 2H2O o 2OH + 2GSH GSSG+2H2O).ii. El cociente entre el glutatin oxidado (GSSG) y reducido (GSH) a nivel intracelular reeja el estado oxidativo de la clula y es un importante indicador de la capacidad de la clula para detoxicar las ERO.

Efectos patolgicos de los radicales libres.

Los efectos de las ERO y otros radicales libres son mltiples,pero existen tres reaccio- nes de especial importancia para las lesiones celulares (v. g. 1-20):

Peroxidacin lipdica en las membranas. En presencia del O2, los radicales libres pueden provocar la peroxidacin de los lpidos de las membranas plasmticas y de los orgnulos. Las lesiones oxi- dativas se inician cuando dobles enlaces de los cidos grasos insaturados de los lpidos de las membranas son atacados por Mitocondrias.

Los radicales libres derivados del O2, especialmente por OH. Las interacciones entre los radicales libres y los lpidos generan perxidos, que son a su vez inestables y reactivos, y se produce la consiguiente reaccin autocataltica (llamada propagacin), que puede determinar extensas lesiones de la membrana.

Modicacin oxidativa de las protenas. Los radicales libres inducen la oxidacin de las cadenas laterales de los aminocidos, la formacin de enlaces cruzados entre las protenas (es decir, puentes disulfuro) y la oxidacin del esqueleto de las protenas. La modicacin oxidativa de las protenas puede determinar lesiones en los sitios activos de las enzimas, alterar la forma de las protenas estructurales y fomentar la degradacin por los proteasomas de las protenas desplegadas o mal plegadas, generando el caos por toda la clula.

Lesiones en el ADN. Los radicales libres pueden producir roturas en una o en ambas hebras del ADN, provocar enlaces cruzados en las hebras del ADN y formar aductos. Las lesiones oxidativas del ADN se han relacionado con el envejecimiento celular (se comenta en este mismo captulo ms adelante) y en la transformacin maligna de las clulas.

La percepcin tradicional de los radicales libres era que provocaban lesiones celulares y muerte mediante necrosis y, de hecho ,la produccin de ERO es un signo que suele anteceder a la necrosis. Sin embargo, no est claro si los radicales libres pueden inducir tambin la apoptosis.24 Estudios recientes han demostrado el papel de las ERO en la transmisin de seales por una serie de receptores celulares y sustancias bioqumicas intermediarias.25 De hecho, segn una hiptesis, las principales acciones de(O2 ) se deben a su capacidad de estimular la produccin de enzimas degradantes ms que a las lesiones directas de las macromolculas. Tambin es posible que estas molculas con capacidad mortal realicen importantes funciones siolgicas.

DEFECTOS EN LA PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA

La prdida precoz de la permeabilidad selectiva de la membrana que culmina con un dao franco de la misma es un rasgo constante en la mayor parte de los tipos de lesiones celulares (salvo en la apoptosis). Las lesiones de la membrana afectan a las funciones y la integridad de todas las membranas celulares. A continuacin se comen- tan los mecanismos y las consecuencias patolgicas de las lesiones de la membrana.

Mecanismos de la lesin de la membrana.

En las clulas isqumicas, las alteraciones de la membrana pueden ser consecuencia del agotamiento del ATP y de la activacin mediada por el calcio de las fosfolipasas (v. ms adelante). La membrana plasmtica se puede lesionar tambin de forma directa por varias toxinas bacterianas, protenas virales, componentes lticos del complemento y diversos agentes fsicos y qumicos. Varios mecanismos bioqumicos pueden contribuir a las lesiones de la membrana

Especies reactivas del oxgeno. Los radicales libres del oxgeno provocan lesiones en las clulas mediante peroxidacin lipdica, segn se ha comentado antes. Reduccin de la sntesis de fosfolpidos. La produccin celular de fosfolpidos se reduce como consecuencia de un fallo en la funcin mitocondrial o de la hipoxia, ya que ambos reducen la produccin de ATP y afectan de este modo a las actividades enzimticas que dependen de la energa. La menor sntesis de fosfolpidos puede alterar todas las membranas celulares, incluidas las de las propias mitocondrias.

Aumento de la degradacin de los fosfolpidos. En las lesiones celulares graves se observa un aumento de la degradacin de los fosfolpidos de la membrana, posiblemente por la activacin de las fosfolipasas endgenas, por el aumento de las concentraciones de Ca2+ en el citosol y las mitocondrias. La degradacin de los fosfolpidos determina la acumulacin de productos de degradacin de los lpidos, entre los que se incluyen cidos grasos libres no estericados, acilcarnitina y lisofosfolpidos, que tienen un efecto detergente sobre las membranas. Tambin se pueden insertar en la bicapa lipdica de la membrana o intercambiarse con los fosfolpidos de la misma, lo que puede provocar cambios en la permeabilidad y alteraciones electrosiolgicas.

Alteraciones del citoesqueleto. Los filamentos del citoesqueleto sirven como anclas que conectan la membrana plasmtica con el interior de la clula. La activacin de las proteasas por el incremento del calcio citoslico puede causar lesiones en elementos del citoesqueleto.

Cuando existe edema celular, estas lesiones condicionan, especialmente en las clulas miocrdicas,unaseparacinentre la membrana celular y el citoesqueleto, y esto hace que las clulas se vuelvan susceptibles al estiramiento y la rotura.

Consecuencias de las lesiones de la membrana.

La localizacin ms importante de la lesin de la membrana durante el dao celular incluye la membrana de la mitocondria, la membrana plasmtica y las membranas de los lisosomas.

Lesiones de las membranas mitocondriales. Como se ha comentado antes, las lesiones de las membranas mitocondriales condicionan la apertura del poro de transicin de la permeabilidad mitocondrial, lo que reduce el ATP y determina la liberacin de protenas, que desencadenan la muerte por apoptosis.

Lesiones de la membrana plasmtica. La lesin de la membrana plasmtica determina una prdida del equilibrio osmtico con entrada de lquidos e iones a la clula y prdida del contenido celular. Las clulas tambin pierden los metabolitos esenciales para la reconstitucin del ATP, y esto agota todava ms sus reservas de energa.

Las lesiones de las membranas lisosmicas permiten la salida de las enzimas hacia el citoplasma con activacin de las hidrolasas