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.

Muy pronto 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

  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 causa-efecto 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.

Orígenes de las malformaciones embionarias.

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

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 Perci val 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.

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.

Resumen del proceso canceroso.

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.

Carcinogénesis química.

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

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,

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 encariontes 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 P-450 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).

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).

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 (O^-₂ ) 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 arteroesclerosis, 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, atrapa-radicales libres, al igual que la vitamina C y los beta-carotenos, 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.

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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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

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 útero 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 radiación UV. 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.

Efectos genéticos de la luz ultravioleta.

Entre los seres humanos existe una enfermedad rara de carácter recesivo, llamada xeroderma 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). El DDT 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 1930-1940. 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.

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.

  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 metil-mercurio, 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.

  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 = 10^-6) producen mutaciones puntuales y cromosómicas en los organismos empleados en el bioensayo.

Por ejemplo, las aflatoxinas son un grupo de micotoxinas producidas por el hongo Aspergillus 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.

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).

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 utilizar la energía solar en la formación de compuestos orgánicos, a partir de agua y bióxido de carbono, o fotosíntesis. Mediante este proceso las cianobacterias liberan oxígeno (O₂) a la atmósfera, y se ha calculado que la cantidad de oxígeno hace unos 2 500 millones de años era de 1%, actualmente es del orden del 20%. A su vez, el oxígeno liberado por los organismos permitió la aparición de seres vivos que requieren de este gas para desdoblar los compuestos orgánicos que ingieren, en el proceso conocido como respiración aerobia. El oxígeno surgió, pues, ¡como un contaminante de origen biológico!

Lo que hoy día preocupa a los científicos es la contaminación artificial, es decir, la producida por el hombre, que ha generado una gran cantidad de compuestos reactivos que están presentes en la biosfera como resultado de los procesos industriales y de la combustión incompleta de las fuentes energéticas, carbón y gasolinas.

En términos generales, la calidad del ambiente en un país depende de relaciones tales como la densidad de población, el uso de los recursos, las condiciones geográficas, los patrones de desarrollo económico, la administración política y las actitudes sociales. Por esto, la contaminación ambiental ha ido ligada al desarrollo y a la tecnología del mundo moderno, y sus efectos no sólo se reducen a malestares fisiológicos, sino que se ha demostrado que influyen considerablemente en la calidad de vida y en la salud del hombre.

Hoy día se conocen muchas de las causas que generan el problema y gran parte de los efectos que se producen en el nivel biológico, y aunque la naturaleza está provista de mecanismos de autopurificación, su capacidad es finita. Es decir, rebasados ciertos límites se generan desequilibrios en los ecosistemas que pueden ser permanentes. Como todos los seres vivos comparten el espacio y compiten por los recursos, existen interrelaciones entre todos ellos, de manera que si existe un desequilibrio ambiental, éste afectará tarde o temprano a todos los miembros del sistema biológico.

El ser humano es el único animal capaz de modificar el ambiente, pero su utilización indiscriminada de los recursos naturales, el empleo del producto terminado y el desecho del residuo al ambiente, han generado severos problemas en contra de prácticamente todos los ecosistemas naturales.

Los procesos industriales utilizan agua y energía en grandes cantidades y las fábricas emiten desechos que descargan al aire y al agua. Estos desechos suelen contener contaminantes primarios que en la biosfera se concentran o reaccionan con otros elementos, produciéndose así contaminantes secundarios. En el campo, el empleo de pesticidas persistentes ha provocado la contaminación del suelo y la bioacumulación en la cadena alimenticia. Las fuentes de energía, carbón y gasolinas, son fuentes adicionales de contaminación.

El paso del mundo en vías de desarrollo al mundo desarrollado, debe ir ligado a la toma de conciencia por parte del hombre como integrante de su entorno, a la utilización racional de los recursos naturales, a la conservación y autorregulación del ambiente, y a la implementación de medidas preventivas que nos permitirán obtener los beneficios de la naturaleza a través de la defensa y respeto hacia el entorno natural.

La contaminación ambiental es la presencia en la biosfera, es decir, en el agua, en el aire y en la tierra, de cantidades elevadas de agentes extraños a ella, los cuales perjudican la vida de todos los organismos al degradar la calidad de los recursos naturales y de la salud y el bienestar humanos.

Así, en términos generales, la contaminación ambiental artificial se origina por las complejas y muy variadas interrelaciones del hombre con su medio. El Homo sapiens es el único organismo que ha podido controlar, pero también deteriorar, degradar y depredar el medio, al grado que es la única especie de la cual hoy depende la vida y su calidad en este planeta.

Como es bien sabido, a partir de la Revolución Industrial se empezó a utilizar maquinaria accionada por combustibles provenientes de restos fósiles: el carbón que en el siglo XVIII se utilizó para las máquinas de vapor, los trenes y los barcos, y el petróleo que empezó a emplearse a principios del siglo XX con la construcción de autos y aviones. Ambas fuentes de energía, una vez extraídas deben ser refinadas para obtener un amplio rango de productos utilizados en la combustión, sea térmica o interna.

La emisión a la atmósfera de gases producto de la combustión incompleta de las fuentes de energía, carbón y petróleo, genera gases como el monóxido de carbono (CO), el cual desplaza al oxígeno de la sangre; los óxidos de nitrógeno (NO_x) que al combinarse con el agua presente en la atmósfera forman ácido nítrico, que es un irritante de los ojos y la nariz; óxidos de azufre (SO_x) que producen la lluvia ácida, responsable en gran medida de la muerte de árboles y bosques; los hidrocarburos aromáticos policíclicos que reaccionan con los óxidos de nitrógeno en presencia de luz solar, formándose ozono, que es un irritante pulmonar que provoca asma y enfisema; y las partículas en suspensión.

La emisión de estos gases puede reducirse considerablemente si se logra la combustión completa de las gasolinas instalando convertidores catalíticos en los vehículos automotores y produciéndose emisiones menos dañinas de bióxido de carbono, nitrógeno y agua.

La energía necesaria en la vida diaria para calentar nuestras casas y tener luz en oficinas y hogares, produce 500 millones de toneladas globales de bióxido de carbono. Un tanque de gasolina, por ejemplo, genera 200 kg de bióxido de carbono. Las emisiones de este gas a la atmósfera (como producto de la combustión) y las emisiones de clorofluorocarbono (empleado como refrigerante en el aire acondicionado de los autos) son los responsables de los cambios climáticos y del calentamiento de la Tierra (efecto invernadero). Se ha calculado que este efecto provocará un incremento global en la temperatura terrestre de 0.3ºC por década, lo que tendrá una consecuencia significativa para los recursos naturales y para el hombre.

La demanda global de fluidos fósiles es 100 000 veces mayor que la tasa en que se forman, por lo que es necesario crear otras fuentes opcionales para la obtención de energía, tales como la utilización de etanol y gashol (mezcla de etanol y gasolina), que mejoraría significativamente la calidad del aire.

LA CONTAMINACIÓN DEL AGUA

El agua es un compuesto esencial para la vida de todos los organismos. Es el principal componente de las células; 70% del peso corporal del hombre lo constituye este elemento; en las plantas y moluscos 90% de su peso es agua. Es la molécula más abundante en la superficie de la Tierra: los océanos, lagos y ríos contienen alrededor de 1 500 millones de km³.

Para su subsistencia diaria, el hombre requiere de cerca de 2.5 litros de agua, ya que es el medio en el cual se llevan a cabo todas las funciones metabólicas. Si se suma el agua que un ser humano emplea en su higiene y uso doméstico diario, entonces la cantidad requerida llega a ser de 50 litros.

La contaminación de las aguas se calcula midiendo la cantidad de oxígeno disuelto en ella. En las aguas naturales viven numerosas bacterias aeróbicas, mientras que en las aguas contaminadas crecen preferentemente bacterias anaeróbicas, que despiden el olor putrefacto característico en ellas.

La contaminación del agua tiene diferentes fuentes. Las aguas residuales son producto tanto de la vida urbana diaria, como de la industria. Las aguas residuales urbanas contienen alrededor de 50 kg de materias sólidas/habitante/año. La industria utiliza en sus procesos diferentes cantidades de agua, y las industrias que más contaminan el recurso por la generación de aguas residuales son la petroquímica, la del carbón, y la de la celulosa y papel. Otra fuente de contaminación del agua es la generada por los plaguicidas.

La regeneración de las aguas es un proceso natural, siempre y cuando la cantidad de contaminantes no rebase ciertos limites. Las aguas residuales provocan cambios muy severos en el recurso, los cuales se manifiestan en que se hace imposible la vida de los organismos acuáticos al carecer de las condiciones necesarias para llevar a cabo los procesos biológicos vitales. Por otra parte, el aumento en la temperatura conlleva a un aumento en el consumo de oxígeno, lo cual rompe el equilibrio del ecosistema.

El agua se contamina cuando existen cantidades elevadas de nitratos, fluoruros, hidrocarburos, metales pesados, detergentes y pesticidas. Cuando los nitratos están presentes en cantidades elevadas en el agua de consumo humano, producen la metahemoglubinemia infantil, que se debe a la presencia de metahemoglobina en la orina, un producto de la combustión incompleta de la hemoglobina. Por otra parte, los fluoruros se utilizan en el agua para prevenir las caries dentales; sin embargo, su presencia en concentraciones grandes produce dientes amarillos, efecto que se conoce como fluorosis crónica.

Los hidrocarburos se encuentran frecuentemente en las aguas como producto residual de las industrias, de los barcos y de los accidentes de la industria petroquímica. El petróleo vertido en el mar ocasiona daños severos ya que impide la oxigenación de las aguas, lo que provoca la muerte de las especies que en él viven. La contaminación de este recurso por metales es conocida, y un episodio notable fue el que ocurrió en Japón entre 1956 y 1971, cuando se vertieron al mar las aguas residuales de una fábrica de acetaldehido y grandes cantidades de metilmercurio. El metal se fue bioacumulando en la cadena alimenticia hasta llegar a la comunidad de pescadores, que se vio severamente afectada al ingerir pescado contaminado.

Los detergentes utilizados para uso doméstico o clínico pueden irritar la piel, ya que eliminan los aceites naturales presentes en ella. Los desechos vertidos al agua generan la contaminación del recurso, ya que por regla general los detergentes interfieren con muchas funciones celulares. También en muchos casos provocan metahemoglobinemia.

Las aguas residuales generan la contaminación de riachuelos, arroyos, ríos, lagos, mares y aguas continentales y favorecen la aparición de organismos anaeróbicos y patógenos. En las aguas continentales puede haber productos químicos residuales de pesticidas, fertilizantes y materias orgánicas que favorecen el crecimiento de poblaciones de moluscos y otros organismos acuáticos, generándose un grave desequilibrio en las poblaciones naturales.

LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE

La contaminación del aire no es un problema reciente, ya que el uso de combustibles está ligado a la vida del hombre en la Tierra. Existen diversos antecedentes históricos de los efectos de la contaminación atmosférica sobre los seres vivos. Sin embargo, para todos es evidente la forma en que este problema se ha agravado a finales del siglo XX.

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra, tiene una altura de alrededor de 2 000 kilómetros, y se divide para su estudio en varias capas:

La tropósfera es la capa inferior y densa, y tal vez la más importante ya que en ella se encuentra el aire que respiramos. En esta capa se desarrollan los fenómenos meteorológicos que determinan el clima; también aquí se producen los vientos. Mide alrededor de 40 km, y la temperatura desciende 1ºC por cada 100 metros de altitud hasta llegar a los 20 km, en donde se encuentra la tropopausa.

La estratosfera mide alrededor de 60 km y es la capa que filtra las radiaciones ultravioleta e infrarrojas del Sol. Aquí la temperatura disminuye en función de la altura.

La termosfera es la capa más alejada de la superficie de la Tierra y en ella la temperatura aumenta hasta llegar a los 500ºC, ya que es la capa donde se absorbe la radiación solar por oxígeno molecular y nitrógeno; el aire, por tanto, está ionizado (Figura 40).

Capas de la atmósfera.

El aire que respiramos es una mezcla de gases que se encuentra en un equilibrio dinámico (Figura 41).

Los componentes naturales del aire intervienen en diferentes procesos biológicos, tales como la fotosíntesis, la respiración y la combustión del alimento para la obtención de la energía en los seres vivos.

La forma más visible de notar que el aire está contaminado es la presencia de smog, palabra que se acuñó originalmente en Inglaterra para describir la combinación entre humo (smoke) y niebla (fog). Actualmente esta palabra se emplea como sinónimo de la contaminación ambiental debida a las emisiones de los autos y de las fábricas que se modifican bajo condiciones climáticas.

De hecho, existen dos tipos de smog: 1) el reductor, que contiene altos niveles de partículas en suspensión y de dióxido de azufre, que resulta de la combustión incompleta de las fuentes de carbono y que se combina con temperaturas bajas y niebla; y 2) el fotoquímico y oxidante, que contiene grandes cantidades de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y ozono. Este último se origina por reacciones fotoquímicas en la atmósfera entre los óxidos de nitrógeno que en presencia de la luz solar liberan oxígeno atómico (O), el cual reacciona con el oxígeno molecular (O₂) que se encuentra en la atmósfera, formándose ozono (O₃). En la figura 42 se muestra un esquema de los tipos de smog.

Componentes del aire.

Tipos de smog.

Sin embargo, en zonas muy contaminadas están presentes los dos tipos de smog en forma de mezclas complejas. En los países industrializados, el smog está conformado por 52% de monóxido de carbono, 18% de óxidos de azufre, 12% de hidrocarburos aromáticos policíclicos, 10% de partículas en suspensión y 6% de óxidos de nitrógeno. Los efectos que estos compuestos producen en la salud humana se conocen debido a diversos episodios de exposición aguda que se han presentado en diferentes lugares del mundo en los últimos 50 años.

Se han calculado los límites tolerables o umbral por debajo de los cuales los contaminantes ambientales no producen efectos fisiológicos; rebasados estos límites la población empieza a sufrir molestias, y en cantidades elevadas pueden producirse severos daños en la salud de la población.

El monóxido de carbono se produce por el uso de combustibles fósiles como fuente energética. La combustión incompleta del carbono en los vehículos de combustión interna genera este producto, y por lo tanto su acumulación está en relación directa al tráfico vehicular. La mayor parte del monóxido de carbono ambiental proviene de esta fuente vehicular. Los efectos que este gas produce en la salud humana son variados, desde daños en el sistema nervioso y cardiovascular, hasta dolores de cabeza, fatiga, somnolencia y en casos severos, la muerte.

Estos efectos se deben a que el monóxido de carbono afecta el transporte normal de oxígeno en la sangre. La hemoglobina es la proteína que se combina en los pulmones con el oxígeno que respiramos, formándose oxihemoglobina, que es la encargada de llevar el oxígeno a todas las células del organismo; si llega monóxido de carbono a los pulmones se establece una combinación de CO y Hb llamada carboxihemoglobina que interfiere con el transporte normal de oxígeno. La afinidad de la hemoglobina por el CO es 200 veces mayor que su afinidad para el oxígeno.

El grupo de los óxidos de nitrógeno lo conforman el bióxido de nitrógeno, el monóxido de nitrógeno, el ácido nítrico y los nitratos. Todos ellos se originan en la combustión del petróleo, las gasolinas, el carbón, el gas que se emplea en la cocina y también por el humo del cigarro. La exposición crónica a óxidos de nitrógeno que ingresan al organismo por inhalación llega directamente a los pulmones, donde pueden producir cambios semejantes a los que genera el enfisema pulmonar; también reducen la respuesta inmunológica de los pulmones, lo que se traduce en una disminución en la resistencia natural a las infecciones respiratorias.

Los óxidos de nitrógeno (NO_x) se generan como residuos de las plantas de energía eléctrica, por la calefacción y por los motores de combustión interna. Reaccionan con el agua que existe en la atmósfera, produciéndose ácido nítrico. Al ponerse en contacto con la atmósfera el NO se oxida y da al smog su color pardo tan característico. La reacción es lenta, pero si hay otros contaminantes como el ozono, se acelera.

Los óxidos de azufre (SO_x) se producen por la combustión del carbón, por la refinación del petróleo en la industria petroquímica, por la industria metalúrgica y por las termoeléctricas que utilizan combustible rico en azufre. Los vehículos de combustión interna generan también este contaminante, aunque en menor cantidad. Los óxidos de azufre reaccionan en la atmósfera y producen ácido sulfúrico, que es el responsable de la lluvia ácida, tan nociva para las plantas, y responsable también en gran medida de la desertificación de los pulmones urbanos y de las zonas boscosas del planeta. La lluvia ácida ha sido la causa principal de la corrosión de los monumentos históricos y de los edificios en las zonas urbanas.

Los óxidos de azufre producen irritación de las mucosas y efectos cardiovasculares; no se ha podido comprobar que provoquen daños pulmonares. Sin embargo, el bióxido de azufre produce broncoconstricción en las personas asmáticas, aun a concentraciones muy bajas.

El bióxido de carbono presente en el aire se oxida, formándose ácido sulfúrico, el cual en presencia de amonio produce sulfatos de amonio. Los sulfatos y el ácido sulfúrico forman partículas de diámetro muy pequeño que se acumulan en los pulmones y permanecen en ellos durante varios meses antes de ser eliminadas. Estas partículas producen efectos patológicos importantes, aunque hay que resaltar que su efecto suele ser reversible.

Los hidrocarburos se originan por la combustión incompleta de las gasolinas y del diesel de los vehículos automotores, por los incendios forestales, por la evaporación de solventes orgánicos y por los procesos industriales. Producen efectos nocivos principalmente en plantas y animales a 500 ppm. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son eficientemente bioactivados en los seres vivos (como vimos en el capítulo III). Los metabolitos intermedios electrofílicos reaccionan con los ácidos nucleicos, por lo cual muchos de ellos son potentes mutágenos y carcinógenos. En los seres humanos los hidrocarburos aromáticos policíclicos son extremadamente tóxicos.

Las partículas en suspensión, sean sólidas o líquidas, se generan por la calefacción, el uso de aerosoles y por los procesos industriales. Son las responsables del aspecto brumoso del aire. El principal efecto que producen en el hombre es la irritación de las mucosas. En animales de laboratorio, las partículas en suspensión, que contienen fundamentalmente metales pesados, producen cáncer pulmonar y mutaciones en las células germinales.

El ozono es, como ya mencionamos, un contaminante secundario. La concentración de ozono en el aire se mantiene constante cuando coexisten los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y la luz solar. Por esta razón, la concentración máxima de ozono en la atmósfera se encuentra al mediodía y la mínima por la noche. También, como es lógico, los niveles de ozono son muy variables, de acuerdo con las estaciones del año. Es un agente oxidante y por lo tanto muy nocivo para los seres vivos, reacciona con las proteínas celulares, genera peroxidación de los lípidos y ligamientos cruzados con diversas macromoléculas en animales de laboratorio.

En los seres humanos, niveles medios de ozono producen irritación ocular, reducción en la agudeza visual, y en individuos con problemas asmáticos y pulmonares aumenta el consumo de oxígeno.

LA CONTAMINACIÓN DEL SUELO

La capa superficial del suelo se llama tierra arable, la capa subyacente se denomina subsuelo. En los suelos agrícolas existen cuatro elementos muy importantes que son la arcilla, la arena, la caliza y los elementos orgánicos.

La arcilla proporciona al suelo su plasticidad; la arena su porosidad; la caliza modifica las propiedades físicas del suelo y la materia orgánica o humus está formada por los vegetales en descomposición y da origen a los nitratos y ácido carbónico que tienen propiedades fertilizantes.

El suelo es el depósito natural de los contaminantes provenientes del aire y del agua, en donde se sedimentan y por efecto de los vientos se dispersan. El agua presente en el suelo favorece la penetración de los contaminantes a las plantas, en donde se acumulan.

El suelo tiene también la capacidad de disolver algunos contaminantes y de neutralizar a los ácidos provenientes de la contaminación atmosférica. Sin embargo, esta capacidad tiene un límite.

La práctica de enterrar desechos sólidos tóxicos es muy peligrosa, ya que el agua de la lluvia y de la nieve penetra en los suelos y dispersa las sustancias químicas que ahí se encuentren.

EL RIESGO GENÉTICO

Como hemos mencionado, en la vida moderna es muy alta la exposición a agentes químicos ambientales potencialmente nocivos. Por lo tanto debe establecerse el riesgo que representa para el ser humano y para su salud la continua exposición a los mismos. Una vez identificado el problema, mediante modelos biológicos es posible determinar las relaciones dosis-respuesta, calcular la exposición y tomar medidas administrativas y políticas apropiadas para su manejo. El control se establece de diferentes maneras, tomando en consideración circunstancias peculiares tales como los costos y beneficios sociales, los costos económicos asociados a las medidas de control, la tecnología disponible para ejercer el control, el grado de concientización de la población y la comunicación que se establece entre los científicos, los productores, el gobierno, los consumidores, los trabajadores y la población abierta.

El proceso de evaluación del riesgo y su manejo debe realizarse por medio de los organismos gubernamentales que establecen las decisiones políticas para controlar el riesgo asociado a la exposición de la población a agentes tóxicos. El proceso, por lo tanto, consta de dos pasos: el primero consiste en evaluar el riesgo y el segundo permite decidir qué se debe hacer para reducir la exposición a los agentes tóxicos, con el propósito de proteger la salud pública.

La evaluación del riesgo es, por lo tanto, una aproximación organizada que permite valorar los datos científicos y responder dos tipos de preguntas: 1) ¿qué tan probable será que un evento ocurra?, y 2) si ocurre, ¿qué resultados tendrá en términos cuantitativos? Esta aproximación ha sido utilizada durante mucho tiempo para estimar el riesgo asociado a diversas actividades humanas tales como la seguridad en el transporte, la seguridad de las plantas nucleares y la exposición a radiaciones. En algunos países se está empleando este enfoque para estimar el riesgo asociado a la exposición a agentes químicos ambientales.

La exposición a agentes químicos ambientales y la estimación del riesgo genético que éstos representan se realiza en cuatro etapas: 1) la identificación del problema; 2) el establecimiento de los modelos de dosis-respuesta; 3) la estimación de la exposición; y 4) la caracterización del riesgo.

La identificación del problema se realiza por medio de estudios epidemiológicos y de estudios de laboratorio, utilizando los diferentes sistemas de prueba in vivo o in vitro, los que permiten establecer y caracterizar el efecto potencial que se provocaría en las poblaciones humanas expuestas.

Los modelos de dosis-respuesta se caracterizan por ser de dos tipos: efectos con umbral y efectos sin umbral. Las dosis asociadas a efectos con umbral permiten determinar la dosis que se requiere para producir un daño dado, es decir, no existe un riesgo significativo para la salud humana hasta que se llega a cierta dosis y por lo tanto se determinan los factores de seguridad, o también las llamadas dosis de referencia. Los efectos sin umbral representan riesgos reales, ya que existe un riesgo asociado con cualquier exposición. Sin embargo, este modelo está asociado a diferentes valores tales como el tiempo de exposición, diferentes procesos farmacocinéticos, tales como la absorción y distribución del agente químico en el cuerpo, la ruta de exposición y la vía de ingreso al organismo, la tasa de mutación, la proporción de proliferación celular y otros.

Una vez establecida la estimación del riesgo deben tomarse las decisiones políticas para su manejo. Existen diferentes factores que se toman en consideración para decidir qué tanto riesgo es posible aceptar. Estos incluyen consideraciones tales como los costos y beneficios sociales, los costos económicos asociados a las medidas de control y la tecnología disponible para establecer el control. Por lo tanto, la estimación del riesgo y su manejo es un proceso que se ve afectado por diferentes restricciones legales y circunstancias de índole práctica.

El manejo del riesgo puede realizarse para exposiciones crónicas y bajas, o bien para exposiciones agudas y altas. En este último caso hablamos de los accidentes que obviamente requieren de un manejo rápido y consistente, estableciéndose las áreas que requieren ser evacuadas, la medición de la dosis y la identificación de los efectos sobre la salud humana. Por ejemplo, en el caso de las exposiciones crónicas y bajas en el control de la calidad del aire, la lista de contaminantes ambientales peligrosos para la salud es muy grande, y por lo tanto es necesaria la reglamentación de las fuentes emisoras.

Los cientos de agentes químicos presentes en el aire como contaminantes poseen diferentes propiedades químicas, tales como su reactividad, su potencia y su persistencia en el ambiente; por esto, algunos agentes químicos representan un riesgo mayor que otros contaminantes. Así, los hidrocarburos aromáticos policíclicos, que son tan ubicuos en el ambiente, tienen una potencia tres órdenes de magnitud mayor que, por ejemplo, el cloruro de vinilo.

En el caso de los pesticidas, las estimaciones del riesgo se basan en estudios realizados con los diferentes sistemas de prueba, con los que puede establecerse si estos son o no carcinógenos. Por ejemplo, el clorobenzilato, que es empleado como pesticida en los cultivos de cítricos, es un carcinógeno humano. La exposición en la población abierta es muy baja, del orden de uno en un millón, pero el riesgo de cualquiera manera existe, y por lo tanto su empleo debe regularse. En cambio no se demostró que el amitraz, otro pesticida que es utilizado en los cultivos de pera y manzana, sea carcinógeno, y por lo tanto su empleo no está prohibido. Otros pesticidas, como el heptacloro, que es un carcinógeno hepático muy potente que además se bioacumula y se almacena en el tejido adiposo del hombre, está fuera del mercado en muchos países donde existe el control para su uso.

Con estos ejemplos se ve claramente que el proceso de evaluación del riesgo empieza con la producción de datos, en los cuales se basa el análisis científico que permite estimar los riesgos para la salud, tanto en términos cualitativos como cuantitativos. El manejo de los riesgos comprende consideraciones sociales, legales y económicas. La comunicación de los riesgos es también un factor importante, ya que la población cada vez más está desempeñando un papel activo en los problemas derivados de la contaminación que afectan la salud pública.

Por otro lado, la repercusión que tiene un accidente normalmente se extiende más allá de los efectos dañinos sobre las personas expuestas, o sobre las propiedades dañadas. Los efectos a largo plazo de los accidentes son difíciles de medir, no sólo por la aparición de enfermedades a largo plazo, sino por la repercusión que tiene en el entorno natural.

Sin embargo, la identificación de un factor de riesgo no siempre es la causa para su eliminación del ambiente, ya que en la vida moderna las demandas y beneficios de un producto están íntimamente relacionadas.

La epidemiología es la ciencia que estudia la forma de distribución de los problemas de salud, de las enfermedades en la población y de los factores que influyen en su distribución. La idea de que el ambiente influye en la distribución de las enfermedades es muy antigua, ya que el mismo Hipócrates habla de la importancia de los factores ambientales sobre las enfermedades. Así, en su libro Sobre aires, aguas y lugares, menciona que para estudiar la medicina deben considerarse las estaciones del año, la colocación de los vientos, la calidad y características del agua y el género de vida del ser humano.

La epidemiología se estudia en tres etapas distintas: la recolección de datos de una población, la descripción de las asociaciones encontradas, el análisis de los datos recolectados, la experimentación con organismos de laboratorio y el establecimiento de las medidas preventivas para la población en estudio.

Por lo tanto, los estudios epidemiológicos relacionados con problemas de contaminación ambiental y de la genética toxicológica son vitales por sus alcances y aplicaciones. La asociación entre factores de riesgo y la manifestación de efectos nocivos permite establecer medidas de control adecuadas. La extrapolación de los resultados obtenidos en estudios con organismos de bioensayo para predecir el riesgo de cáncer en los seres humanos tiene valor en cuanto a la potencia de un agente, y en términos generales, en cuanto a las características cualitativas del mismo. Así, por ejemplo, la relación que existe entre la potencia de un agente y la toxicidad aguda que provoca, puede establecer una correlación válida acerca de su carcinogenicidad. La sacarina, que es un sustituto del azúcar ampliamente utilizado, tiene una toxicidad aguda muy baja y es un carcinógeno muy débil a concentraciones muy altas. Por otro lado, la dioxina es un pesticida muy tóxico en exposiciones agudas y se ha demostrado que es un potente carcinógeno en roedores expuestos a ella aun a concentraciones muy bajas. Sin embargo, aunque estas correlaciones existen para muchos compuestos químicos, otros no la manifiestan, como el dibromo etileno, que es altamente carcinógeno a dosis que no producen ninguna toxicidad.

Por otra parte, en lo que se refiere a las relaciones entre dosis administrada y efectos biológicos encontrados, un buen ejemplo es el del formaldehído, que a concentraciones altas induce cáncer nasal en las personas expuestas. A concentraciones bajas, sin embargo, no se produce ningún efecto. Esta relación se debe a la capacidad de las células de reparar el daño provocado en concentraciones bajas, mientras que en concentraciones altas se induce proliferación celular y cáncer.