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livro que aborda os principais temas sobre toxicologia de ambientes
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Não perca as partes importantes!
Carlos E. Peña Dean E. Carter Felix Ayala-Fierro
Este trabajo se realizó gracias al apoyo del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental del Gobierno de los Estados Unidos de América dentro del Proyecto de Investigación Básica para el Superfund otorgado a la Universidad de Arizona (Grant P42 ESO 4940).
This document is copyright © Carlos E. Peña, Dean E. Carter and Felix Ayala-Fierro, The University of Arizona 1996-2001. This Adobe Acrobat™ version was prepared as a courtesy for offline reading from the original online version, which is available at http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/. The online version is the latest and only authoritative version.
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The original online version should be cited:
Peña, Carlos E., Dean E. Carter and Felix Ayala-Fierro. 2001. Toxicologia Ambiental: Evaluación de Riesgos y Restauración Ambiental. Distributed on the Internet via the Southwest Hazardous Waste Program website at http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/.
TOXICOLOGIA AMBIENTAL: Evaluación de Riesgos y Restauración Ambiental 4
DESCRIPCIÓN GENERAL
Día a día el mundo se enfrenta a la necesidad de crear una conciencia del medio ambiente. Las actividades industriales que se han vuelto necesarias para la vida moderna en los países desarrollados han generado una serie de peligros ambientales. Los países en desarrollo, al modernizarse han generado el mismo tipo de problemas, quizá más agudos debido a la falta de recursos económicos, científicos, tecnológicos y humanos que los enfrenten.
La frontera entre México y los Estados Unidos es una región donde se palpa más claramente ese futuro no deseable. La sociedad norteamericana por un lado genera y afronta los problemas ambientales que se presentan en todo el mundo desarrollado, y por otro lado, en México se experimenta lo que sucede en una sociedad en la que se produce un desarrollo industrial acelerado, sin contar con los recursos suficientes que controlen eficientemente el deterioro ecológico.
Para que la población pueda vivir y desarrollarse en un ambiente sano, los peligros deben ser prevenidos en sus orígenes o restaurar los daños ya producidos. Afortunadamente se cuenta con los conocimientos para realizar la mayor parte de estas tareas.
Los problemas ambientales se discuten en el seno de la sociedad, sin separar los problemas reales de los que están sustentados sólo en informaciones anecdóticas no comprobadas. Desafortunadamente con frecuencia se difunden en los medios de comunicación masiva los problemas ambientales en forma distorsionada, desacreditando las preocupaciones y esfuerzos legítimos de la comunidad. Es necesario que los actores sociales, incluyendo las autoridades, dispongan de métodos científicos para discriminar entre los dos extremos y poder actuar en forma responsable al tratar esta importante problemática.
Si bien, se puede encontrar abundante información científica sobre los peligros que corre el hombre al vivir en un medio deteriorado por la contaminación, muchas veces además de no estar reunida tal información, ésta se dirige solamente a especialistas en toxicología y a profesionales en otras ramas de las ciencias de la salud. Sin embargo, los miembros de la sociedad interesados en los problemas acarreados por la contaminación y en la restauración del medio ambiente, en general tienen otra formación académica.
Este libro nació del interés de la Universidad de Arizona por difundir los conocimientos en toxicología ambiental, entre los interesados en la reducción de los riesgos sociales producidos por la contaminación. Como parte de este Programa se decidió organizar cursos de difusión de la Toxicología Ambiental enfocados a la evaluación y manejo de riesgos producidos por la exposición a productos industriales tóxicos en el ambiente.
Los cursos se pensaron para audiencias formadas por funcionarios públicos, técnicos del sector de la producción y académicos en áreas diferentes de la toxicología.
El esfuerzo de la Universidad de Arizona fue apoyado por El Programa de Investigación Básica del Superfund de los Institutos Nacionales de Ciencias de la Salud Ambiental (National Institute of Enviromental Health Sciences).
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A continuación en la Sección 2.3 se define el concepto de respuesta tóxica. Se analizan las consecuencias que tiene para el organismo la llegada del tóxico a su blanco y se enfoca en el estudio del daño celular, así como a los factores internos y externos que influyen sobre la magnitud de ese daño.
La Sección 2.4 trata de la relación que existe entre la magnitud de la dosis y la respuesta tóxica o efecto. El estudio de esta relación es una parte fundamental de la toxicología ambiental que describe, en forma cuantitativa, la relación que existe entre la magnitud de los daños producidos y la cantidad de tóxico contactado. Se describe cómo se usa tal información para derivar los índices de toxicidad, que son la medida de la peligrosidad de una substancia usados en la evaluación de riesgos.
Evaluación de Riesgos Ambientales , se tituló al tercer capítulo que estudia la estimación de la exposición y la caracterización de los riesgos, decidimos dividirlo en tres Secciones.
La Sección 3.1 define los términos evaluación, análisis y manejo de riesgos.
La Sección 3.2 presenta la dinámica de los tóxicos en el medio ambiente y en su relación con las poblaciones humanas que pueden quedar expuestas a esos tóxicos, y tiene como propósito la descripción de la metodología para llegar a la evaluación de las exposiciones que enfrentan los individuos y las poblaciones.
La manera de caracterizar los riesgos para la salud de la población, provenientes de la presencia de tóxicos en el ambiente de un sitio determinado, se encuentra en la sección 3.3.
La Corrección Ambiental conforma el capítulo cuarto, que presenta la forma de diseñar la intervención de sitios contaminados con el propósito de eliminar, reducir o controlar los tóxicos ambientales que puedan representar un peligro para la salud de la población. Consta de dos Secciones.
La Sección 4.1 presenta cómo se puede usar la caracterización de los riesgos para fundamentar la decisión de intervenir un sitio, establecer las metas del proceso de intervención y evaluar las alternativas tecnológicas para llevar a cabo la restauración del ambiente contaminado.
La Sección 4.2 es un resumen de las principales tecnologías innovadoras para eliminar tóxicos del medio ambiente. Se describen los principales resultados de los esfuerzos de innovación tecnológica para restaurar el ambiente, sin trasladar los substratos contaminados fuera del sitio. Los métodos se denominan de restauración in situ, si los medios contaminados se tratan en el lugar en que se encuentran y, de restauración ex situ, si se desplazan dentro del sitio mismo para su tratamiento.
Las metodologías para caracterizar los riesgos y para diseñar la restauración ambiental de un sitio contaminado, que se describen en este trabajo, son las que requiere la Agencia para la Protección Ambiental del Gobierno de los Estados Unidos (EPA) para aprobar y diseñar la limpieza de los “Sitios Superfund”
La quinta parte trata la prevención de la contaminación. Es obvio que es más conveniente evitar la emisión de tóxicos al ambiente que tener que retirarlos de los medios contaminados, una vez que ya representan un problema para la salud. Está dividida en dos secciones. La primera discute los problemas que se enfrentan al tratar de evitar la contaminación en la ausencia de información toxicológica, y la segunda se centra en los métodos para estimar toxicidades y propiedades de
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transporte de substancias en el ambiente y de cómo se aplica la metodología de evaluación de riesgos para diseñar e implementar estrategias de prevención.
El anexo presenta en la Sección 6.1 ejemplos numéricos de cálculo de dosis suministradas y de caracterización de riesgos, en la Sección 6.2 una copia de uno de los archivos de la base electrónica IRIS y la Sección 6.3 es un ejemplo del uso de la metodología de evaluación de riesgos para calcular la concentración ambiental tolerable de DDT en la exposición de peces.
Esperamos que todos estos conceptos sean de gran beneficio para quienes trabajan previniendo, enfrentando y/o contrarrestando los procesos de contaminación, así como para todas aquellas personas que sin estar involucradas directamente, sus actividades influyen en que todos disfrutemos de un ambiente sano.
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Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas. El tipo de especie química y los mecanismos de acción que intervienen en el almacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así como las reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde las bacterias hasta los organismos superiores. No todas las células contienen y expresan la misma información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizan enzimas practicamente idénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellas se han utilizado para establecer la secuencia de aparición de las especies. Los virus tienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirus están constituidos por moléculas de ARN y en algunos fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no cuentan con un metabolismo que les permita vivir en forma autónoma, sólo se pueden reproducir y expresarse dentro de las células que invaden. Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadas estructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las reacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las catalizan. La célula no es un saco sin estructura, sino que es un sistema muy complejo y altamente organizado. En la subsección 1.1.2, denominada Citología, se encontrará la descripción de las estructuras celulares. En seguida vamos a presentar la información más relevante, para la toxicología, sobre las macromoléculas biológicas en lo que se refiere a su estructura y función. Frecuentemente se mencionará la localización dentro de la célula de los sitios donde se sintetizan y actúan.
1.1.1.2 Proteínas
Las proteínas son macromoléculas que tienen múltiples funciones en el organismo; controlan las condiciones fisicoquímicas dentro de la célula, forman parte de las estructuras celulares y sobre todo catalizan prácticamente todas las reacciones que tienen lugar en la célula, y en este caso se les denomina Enzimas. La presencia de una enzima y su concentración en un compartimento biológico dado, determina la capacidad de ese compartimento de llevar a cabo una reacción bioquímica y la velocidad a la cual tiene lugar. Se conoce a detalle la estructura de varias proteínas, así como la relación que existe entre esa estructura y la función de varias de ellas. Se conoce también la cinética y los mecanismos de un número considerable de reacciones enzimáticas. Estructura. Las unidades estructurales de las proteínas son los aminoácidos. Todas las proteínas están construidas a partir del mismo conjunto de 20 aminoácidos. El carbono alfa, enmarcado en azul en la figura que sigue, de todos los aminoácidos sostiene un grupo amino, un grupo carboxilo y el residuo característico de cada aminoácido.
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Figura 1.1.1.A Estructura de un Aminoácido.
Los residuos R tienen diferente forma, carga, tamaño, reactividad química y capacidad de formar puentes de hidrógeno. El residuo es una cadena alifática, en el caso de la glicina (Gli), alanina (Ala), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile) y prolina (Pro). En la serina (Ser) y treonina (Thr) el residuo es una cadena hidroxialifática. En los aminoácidos triptofano (Tri), tirosina (Tir) y fenilalanina (Phe) el residuo es una cadena aromática. La lisina (Lis), arginina (Arg) y la histidina (His) tienen residuos básicos y en el ácido aspártico (Asp) y el ácido glutámico (Glu) el residuo es un ácido carboxílico. En la asparangina (Asn) y en la glutamina (Gln) el residuo tiene una función amida y en la cisteina (Cis) y en la metionina ( Met) contiene un átomo de azufre. Los aminoácidos se unen uno al otro, vía los grupos alfa amino de un aminoácido con el grupo alfa carboxilo de otro aminoácido. A esta unión se le denomina enlace peptídico y al producto se le denomina péptido.
Figura 1.1.1.B Enlace Peptídico.
Si se unen dos aminoácidos se le denomina dipéptido, y si son muchos se le llama polipéptido. Las proteínas están formadas por uno o más polipéptidos. En algunas ocasiones los polipéptidos están formados por más de 100 uniones peptídicas, o sea, son largas cadenas integradas por un número relativamente grande de aminoácidos. A la secuencia en la cual están acomodados los aminoácidos en una cadena peptídica se le denomina estructura primaria y se determina genéticamente. La estructura primaria determina la estructura tridimensional de la proteína, la que a su vez determina su función.
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hemoglobina y la mioglobina involucradas en el transporte de oxígeno y, el citocromo P- involucrado en reacciones de óxido/reducción. Enzimas. En su función como enzimas, las proteínas hacen uso de su propiedad de poder interaccionar, en forma específica, con muy diversas moléculas. A las substancias que se transforman por medio de una reacción enzimática se les llama substratos. Los substratos reconocen un sitio específico en la superficie de la proteína que se denomina sitio activo. Al ligarse los sustrato a sus sitios activos en la proteína, quedan orientados de tal manera que se favorece la ruptura y/o formación de determinadas uniones químicas, se estabilizan los estados de transición al mismo tiempo que se reduce la energía de activación. Esto facilita la reacción e incrementa su velocidad varios órdenes de magnitud. La enzimas tienen una gran especificidad, por ejemplo catalizan la transformación de sólo un substrato o grupo funcional, pudiendo discriminar entre dos enantiomorfos. Normalmente el nombre de una enzima se forma con el nombre de la reacción que cataliza o el nombre del sustrato que transforman, terminando el nombre en "asa". Por ejemplo:
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sanguíneo. El tóxico no asociado a proteínas es el que se puede transportar mas fácilmente a los tejidos.
1.1.1.3 Ácidos nucleicos
De acuerdo a la composición química, los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxiribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos organelos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma. Se conoce con considerable detalle la estructura y función de los dos tipos de ácidos. Estructura. El conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos permitió la elucidación del código genético, la determinación del mecanismo y control de la síntesis de las proteínas y el mecanismo de transmisión de la información genética de la célula madre a las células hijas. A las unidades químicas que se unen para formar los ácidos nucleicos se les denomina nucleótidos y al polímero se le denomina polinucleótido o ácido nucleico. Los nucleótidos están formados por una base nitrogenada, un grupo fosfato y un azúcar ; ribosa en caso de ARN y desoxiribosa en el caso de ADN. Las bases nitrogenadas son las que contienen la información genética y los azúcares y los fosfatos tienen una función estructural formando el esqueleto del polinucleótido. En el caso del ADN las bases son dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A ( Adenina ) y G ( Guanina ). Las pirimidinas son T ( Timina ) y C ( Citosina ). En el caso del ARN también son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y las pirimidinas son C y U ( Uracilo ).
Figura 1.1.1.D Estructura de las Bases Nitrogenadas.
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resultante se representará por AGT. Ésta es la forma simplificada en que se acostumbra representar los polinucleótidos. El ADN está formado por dos cadenas muy largas de polinucleótidos unidas entre sí por puentes de hidrógeno específicos entre las bases de las dos cadenas. La base de una cadena que se une por los puentes de hidrógeno con la base de la otra cadena se dice que forman un par de bases. A se parea con T y G con C (Figura 1.1.1.G). Las dos cadenas se encuentran arregladas en una estructura helicoidal alrededor de un eje común por lo que recibe el nombre de doble hélice. Las bases se encuentran acomodadas hacia el eje de la doble hélice, mientras que el azúcar y los fosfatos se encuentran orientados hacia el exterior de la molécula.
Figura 1.1.1.G Estructura de los Pares de Bases.
El dimensiones de la hélice, independientemente de la especie, son las siguientes: diámetro 20 Angstrom y la longitud del paso 34 Angstrom el cual está constituido por 10 residuos de nucleótidos. El tamaño de la molécula de ADN de doble hélice se expresa en miles de bases o kb. La longitud de 1kb es entonces 0.34 micras. Una molécula de ADN de un milímetro de longitud estará formado de 3 mil kb o sea tres millones de bases. Así pues la molécula de ADN es un largo filamento de 20 Angstrom de diámetro cuya longitud depende del número de kb, el cual a su vez depende de la especie. El rango de tamaño va desde 2 micras (5 kb) en el virus SV40 , hasta casi un metro (3 x 10^6 kb) en cromosomas humanos. El genoma de E. coli , no tiene extremos, o sea forma un círculo, y el perímetro tiene una longitud de 1.4 mm (4000kb). El genoma de los animales superiores no forma círculos, es una estructura lineal abierta.
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Figura 1.1.1.H Estructura de la Doble Hélice
En los cromosomas estas moléculas se arreglan en estructuras más compactas en las que la doble hélice se enrolla sobre sí misma. En el caso de las bacterias, la molécula de ADN de más de un milímetro de longitud se arregla dentro de la bacteria que sólo tiene una longitud de una micra (o sea es una longitud mil veces menor). El ARN es un filamento de una sola cadena, no forma doble hélice. La presencia de un oxígeno en la posición 2’ de la ribosa impide que se forme la doble cadena de la manera en que se forma en el ADN. El filamento de ARN se puede enrollar sobre sí mismo mediante la formación de pares de bases en algunas secciones de la molécula. Existen varios tipos de ARN cada uno con función distinta. Los que forman parte de las subunidades de los ribosomas se les denomina ARN ribosomal (rARN), los ARN que tienen la función de transportar los aminoácidos activados, desde el citosol hasta el lugar de síntesis de proteínas en los ribosomas; se les conoce por ARN de transferencia (tARN) y los ARN que son portadores de la información genética y la transportan del genoma (molécula de ADN en el cromosoma) a los ribosomas son llamados ARN mensajero (mARN). El tamaño de las moléculas de ARN es mucho menor que las del ADN. En el caso de E. coli va de menos de 100 nucleótidos en los tARN hasta casi 4000 (4kb) en rARN. Información genética. La estructura de la doble hélice para el ADN fue originalmente propuesta por Watson y Crick (WyC) en 1953, postulando que la secuencia en la cual se encuentran las bases a lo largo de la molécula de ADN es lo que contiene la información genética. No existe ningún impedimento estérico que limite la secuencia de bases, cualquier base puede seguir a cualquier otra.
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Figura 1.1.1.I Mecanismo de replicación, transcripción y traducción
La porción de ADN que contiene la información para codificar una proteína determinada se le da el nombre de gene y normalmente recibe el mismo nombre de la proteína que codifica, usando casi siempre, una abreviación de tres letras. A la porción de ADN que codifica un conjunto de proteínas que entran en un paso del metabolismo se le llama operón. Por ejemplo; al conjunto de genes que intervienen en la codificación de las proteínas que intervienen en la utilización de lactosa se les llama lac operón. El lenguaje utilizado para describir el proceso de dirección de la síntesis de proteínas por los genes del cromosoma refleja la interpretación de que se trata de un flujo de información.
Tabla 1.1.1.A El Código Genético
U C A G U Phe Phe Leu Leu
Ser Ser Ser Ser
Tyr Tyr Alto Alto
Cys Cys Alto Trp
U C A G C Leu Leu Leu Leu
Pro Pro Pro Pro
His His Gln Gln
Arg Arg Arg Arg
U C A G A Ile Ile Ile Met ( Inicio)
Thr Thr Thr Thr
Asn Asn Lys Lys
Ser Ser Arg Arg
U C A G
G Val Val Val Val
Ala Ala Ala Ala
Asp Asp Glu Glu
Gly Gly Gly Gly
U C A G Primera Posición (5’-)
Segunda Posición
Tercera Posición (3’-)
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El mensaje que está contenido en el genoma se encuentra escrito en un lenguaje de 4 letras (las cuatro bases), el cual se transcribe usando el mismo lenguaje, al sintetizar el mARN. La síntesis de proteínas se le denomina traducción porque ahora se pasa del lenguaje de 4 letras a otro con 20 letras (los 20 aminoácidos). Para pasar de un lenguaje a otro se necesita un código para hacer la traducción y se le denomina código genético. Las equivalencias entre los dos lenguajes se presentaron en la tabla anterior. Tres bases contiguas ( un triplete ) codifican un aminoácido , así como también para la puntuación del mensaje. Se determinó qué tripletes codifican cada aminoácido y qué tripletes indican el inicio y la terminación del mensaje. Al triplete se le dio el nombre de codón. Se encontró que algunos aminoácidos podían ser codificados por más de un codón, o sea hay codones que son sinónimos. Por esta razón se dijo que el código genético es degenerado. Modificaciones. Al estudio de las bases moleculares de la herencia se le conoce como genética molecular o biología molecular y a las modificaciones artificiales del ADN con el fin de cambiar el mensaje genético que contiene se le conoce como ingeniería genética. Se pueden agregar porciones de ADN que contienen genes que no están presentes en el cromosoma incrementando el número de genes de la célula, o bien se pueden inducir cambios que eliminen genes activos presentes en la célula haciendo en este caso que la célula pierda cierta capacidad genética. Cuando se modifica la molécula de ADN de un organismo agregándole porciones de ADN provenientes de otro organismo se dice que se hizo una recombinación del ADN y al resultado se le llama ADN recombinante. Esta técnica se usa para producir organismos capaces de hacer funciones que el organismo original no tenía. Por ejemplo se puede introducir en una bacteria el gene de la insulina humana y la bacteria adquirirá la capacidad de sintetizar ese polipéptido.
Tabla 1.1.1.B Mutaciones del ADN.
Tipo de mutación Secuencia del ADN Secuencia del polipéptido Cadena superior Ninguna AAT CGG GAG TTA GCC CTC
Asn Arg Val
Transversión (GC:TA)
Asn Arg (fin)
Transición GC:AT
Asn Arg Lis
Incerción, cambio de marco
Produce la sig. secuencia
Ileu Ser Gli
