TEMA 5. MUTÀGENS AMBIENTALS I QUÍMICS (Background information) (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Mutagènesi
Año del apunte 2015
Páginas 14
Fecha de subida 27/03/2015
Descargas 13
Subido por

Descripción

Aquest no és tot el tema 5 complet, és només la part que entra al primer parcial.

Vista previa del texto

TEMA 5: MUTÀGENS AMBIENTALS I QUÍMICS (Background information) Aproximadament el 10% de les malalties humanes són causades per defectes heretables: aquests defectes van sorgir per mutacions, i per tant qualsevol increment de mutacions provoca l’augment de la freqüència de les malalties genètiques.
Abans es creia que les mutacions heretades o espontànies i les que provocaven els agents químics eren diferents, però ja s’ha vist que totes poden provocar malalties. De fet, una mutació causada per un agent químic es pot transmetre, i passar a ser heretable.
Hi ha més de 70.000 productes químics fets per l’home que es comercialitzen: fertilitzants, conservants alimentaris, pesticides herbicides, drogues... Que podem ingerir i que podem tenir un efecte mutagènic sobre nosaltres.
De fet, qualsevol component natural de l’aire, l’aigua, el menjar, o del nostre cos, en freqüències més altres de les necessàries i correctes pot ser un mutagen potencial.
Abans, els productes químics no eren testes abans de posar-se en venda. La legislació actual assegura que qualsevol producte que sigui utilitzat com un additiu alimentari ha de superar testos de carcinogènesi. La regulació també requereix assessorament sobre l’impacte ambiental, per detectar si els productes són tòxics. Actualment, els productes químics han de ser testats per veure si són mutagènics, carcinogènics o per si tenen efectes adversos en la reproducció.
Quan són testats, veiem que aproximadament el 90% dels carcinògens són mutagènics, i com veurem, les mutacions en certs gens poden causar càncer. Els carcinògens en humans són productes químics o radiacions que, a llarg o mig termini, augmenten la incidència de càncer.
Si testem agents en alguns animals podem veure que són carcinògens, però això no vol dir que ho siguin també en humans. Les dosis que són carcinògenes sobre un animal poden no ser-ho sobre humans, i si els éssers humans no arriben mai a aquestes dosis llavors per a ells no ho és.
De fet, els components essencials són tòxics a concentracions molt altes.
Exemple: el calci a més de 5 vegades la dosi recomanada pot augmentar la freqüència de mutació, i el seleni a més de 5ppm és carcinogènics, tot i que baixos nivells d’aquest són anticarcinogènics. Conclusió: és molt difícil identificar potencials mutàgens i carcinògens.
Pràcticament qualsevol mitogen (agent que augmenta la mitosi) produeix un augment de la freqüència de càncer. Altres irritants crònics i agents inflamatoris, com el virus de l’hepatitis B, poden actuar d’aquesta manera per incrementar el risc de càncer.
INTERACCIONS ENTRE MUTÀGENS La interacció entre dos mutàgens pot ser antagònica o sinèrgica. En les interaccions antagòniques dos agents mutagènics que es posen junts no produeixen cap mutació. En aquest cas parlem d’antimutagènesi. En les interaccions sinèrgiques, agents que per si sols no tenen cap o molt poc efecte mutagènic, quan es posen junts es veuen potenciats i augmenten molt més la taxa de mutació.
Exemple: el butilhidroxitoluè (BHT) és un conservant alimentari que no és mutagènic, però si el testem conjuntament amb un altre mutagen conegut, la taxa de mutació augmenta.
Agents que inhibeixin sistemes de reparació del DNA propensos a error faran que disminueixi la taxa de mutació. Però si inhibeixen sistemes de reparació correctes i deixen els propensos a error, les taxes de mutació augmentaran.
EL METABOLISME POT ALTERAR LES DOSIS EFECTIVES I ELS PRODUCTES Enzims que en teoria protegeixen les cèl·lules del nostre cos trencant els productes tòxics, amb aquestes reaccions precisament el que poden fer és crear molècules reactives encara més tòxiques.
Exemple: l’AAH (aril hidrocarbur hidrolasa) és un enzim induïble del fetge que actua en associació amb el citocrom 450 per trencar components d’estructura en anell i de cadenes llargues que poden ser tòxics però no necessàriament mutagènics. La reacció que duu a terme aquest enzim crea un anell epòxid en aquests components. Els anells epòxids són molt reactius i poden danyar el DNA.
Les aflatoxines són toxines produïdes pels fongs Aspergillus flavus. Sovint són trobades en el gra mòlt, i poden acabar en la mantega de cacauet i en la cervesa. Persones que consumeixen molt aquests aliments tenen més risc de patir càncer d’estómac.
El benzo-a-pirè, un subproducte comú en el tabac és present en qualsevol material biològic cremat. Biòpsies de pulmons de pacients amb càncer del doctor MD Anderson mostraven que 76 dels 78 pulmons estudiats tenien alts nivells de AHH (causa o efecte?).
Components que són mutagènics poden ser ràpidament trencants en components inofensius, i així el dany predit disminueix.
LES DIFERÈNCIES METABÒLIQUES SÓN IMPORTANTS En tests que es van fer en rates, es va veure que el 25% d’aquestes era capaç de transformar els ciclamats (són un producte edulcorant, que es feien servir abans de la sacarina) en ciclohexamines. Les ciclohexamines són mutàgens molt potents, provoquen molts trencaments cromosòmics.
Veient aquest efecte en les rates, es va prohibir el seu ús en humans, ja que podia ser perillós per una part de la població.
Però el 1991 es van fer nous estudis, i els tests van veure que en humans no es podia fer aquesta transformació de ciclamats a ciclohexamines, i per tant en humans aquest compost no era perillós.
A vegades, ha passat exactament el contrari: es pensava que un compost no era mutagènic, ja que els tests que se n’havien fet demostraven això en unes determinades espècie, i quan es posava en humans aquests feien una reacció que convertia el compost en un altre compost que sí que era mutagènic.
Un exemple és la talidomida. La talidomida és un teratogen (compost que provoca malformacions en el fetus). La talidomida era un medicament que es va vendre a les embarassades per calmar els marejos, i per evitar avortaments espontanis. Els nadons de les dones que van prendre aquest medicament neixen amb les extremitats amb malformacions, o directament sense elles. La talidomida afectava al període en que el fetus desenvolupa les extremitats anteriors i posteriors.
La talidomida és teratogènica però no mutagènica, per tant els fills dels nadons que havien nascut amb malformacions no ho heretarien.
Per què es va comercialitzar aquest producte? Perquè en els espècies en que s’havien fet les proves el compost no tenia acció teratogènica. Després de veure l’efecte en humans, ho van tornar a provar en altres espècies, i llavors van veure que en conills també tenia un efecte teratogènic molt fort.
A vegades, dins d’un mateix grups filogenètic, hi pot haver molta variació de resposta davant de teratògens, mutàgens...
APARICIÓ TARDANA DELS EFECTES El dietilestilbestrol (DES) era utilitzat durant l’embaràs per evitar l’avortament o el naixement prematur a la dècada dels 50. Al cap d’uns anys van començar a aparèixer bastantes noies joves (moltes més del normal) amb càncer de cèrvix o d’ovari. Totes eren filles de mares que havien pres el DES. Amb els estudis que es van fer es va veure que el DES té una acció transplacental.
Al cap d’uns anys més, van aparèixer homes de 30/40 anys amb càncer testicular, també fills de dones que havien pres DES. Llavors es va prohibir el DES.
Però el DES és una hormona sintètica, i pot ser utilitzat per tractar altres malalties. De fet, al ser transplacental, els homes la poden prendre sense tenir cap risc, i també les dones que no es troben en edat reproductiva.
Tot i ser il·legal, s’ha fet servir de forma fraudulenta per engreixar bestiar abans de vendre’l.
Aquest ús és perillós, ja que una dona embarassada pot ingerir aquesta carn i llavors el fetus tindrà risc de patir càncer.
Els animals en els que es fan les proves tenen un metabolisme molt més ràpid que el dels humans (per exemple el de les rates és 7 cops més ràpid) de manera que els efectes en aquestes espècies apareixen més ràpid del que apareixen en humans.
Aproximadament, 1 de cada 3 persones tindrà càncer un cop a la vida, i aproximadament un 33% d’aquests podrà ser atribuït a l’hàbit de fumar.
TESTS DE MUTAGENICITAT TEST D’AMES De tots els tests, normalment el que es fa primer és el test d’Ames. Només els productes químics que passen aquest test poden ser provats en un test amb cèl·lules d’un teixit o amb rosegadors, si el producte s’utilitzarà de forma que estigui exposat públicament.
TEST DE MUTAGENICITAT AMB HISLes cèl·lules His- (creades per una mutació) de Salmonella typhimurium són auxotròfiques per la histidina, de manera que només poden viure en medis que continguin aquest aminoàcid. En un medi sense histidina, només podran viure les cèl·lules que tinguin una segona mutació que faci que es converteixin en His+.
De manera que si en un medi sense histidina posem aquestes cèl·lules i un compost que volem testar, i hi ha moltes més cèl·lules que poden viure-hi que les esperades si les mutacions fossin espontànies, llavors és que el compost és mutagènic i indueix a que hi hagin mutacions.
A més, les soques His- poden ser amb o sense paret cel·lular, per testar la facilitat del compost per entrar a les cèl·lules. El test també es pot fer amb extracte de fetge de rata, per veure si els enzims AHH converteixen els compostos mutagènics en altres de més mutagènics, o per contra per veure si els destrueixen i eliminen l’efecte mutagènic.
Alguns components naturals, com la cafeïna o alguns àcids de fruites, quan són extrets i testats sols poden donar un resultat mutagènic. Tot i això, el test d’Ames estima que el 99,9% dels components químics als que estem exposats normalment són components naturals no mutagènics.
Hi ha aliments que contenen compostos “antimutagènics”, que redueixen les taxes de mutació.
La majoria són antioxidants com l’ascorbat, carotens, alfa-tocoferol... que poden ser trobats en fruites i verdures. Menjar fruites o verdures cinc cops per dia disminueix a la meitat el risc de patir càncer.
COMPOSTOS MUTAGÈNICS Els radicals d’oxigen creats en el metabolisme de les nostres cèl·lules danyen 10.000 bases per cèl·lula cada dia. La majoria són reparades, però es creu que aquest és un factor d’envelliment.
El ferro i l’aigua que estan dins les cèl·lules del nostre cos provoquen reaccions que produeixen aquestes espècies reactives. Si el dany no és reparat es fixa. Es creu que el dany oxidatiu, a vegades, pot anar lligat amb la carcinogènesi.
L’àcid nitrós (NA) pot causar transicions AT ↔ GC (en les dues direccions, per tant pot causar una mutació i revertir-la). L’NA també està relacionat amb mutagenicitat indirecta.
A l’estómac, a pH baix, els nitrits són equivalents al NA, i interactuen amb amines secundàries, inclòs l’aminoàcid prolina, per formar nitrosamines. Les nitrosamines són trencades pels enzims P450, i es creen intermediaris molt mutagènics.
Això passa altres vegades, que es formin compostos més mutagènics que els inicials.
Un compost xenobiòtic que entra a l’organisme pot ser que s’elimini amb una ruta metabòlica senzilla. Però a vegades, pot ser que un dels intermediaris sigui més tòxic que la molècula original.
El nitrit s’utilitza com a conservant per als productes càrnics i per al peix. Reacciona amb l’hemoglobina (Hb) per fer metHb, que és un compost que conserva la carn vermella i fresca. En el peix s’ha d’utilitzar més quantitat de nitrit, ja que no té tanta hemoglobina per unir el nitrit.
Tot i que el nitrit és mutagènic per la reacció que hem explicat abans, el seu ús és legal fins a certs nivells. Hi ha una relació entre els nivells de nitrit que es consumeixen i el risc de patir càncer d’estómac.
Llavors per què se segueix utilitzant el nitrit? A part de l’acció conservant que té, és molt efectiu contra Clostridium botulinum. Aquest bacteri produeix una toxina verinosa que sovint és letal.
Quan es va estudiar el DES no es veia l’acció mutagènica, per la qual cosa es deia que devia ser un carcinogen epigenètic. Més tard, però, es va veure que el DES es metabolitzava es produïa una quinona que tenia capacitat d’actuar directament sobre el DNA. Per tant, sí que tenia acció mutagènica, tot i que de forma indirecta.
CLASSIFICACIÓ DELS MUTÀGENS - - - - Mutàgens químics que han de ser metabolitzats per poder interaccionar amb el DNA.
Per tant, aquests substàncies no es poden batejar per se com a mutagèniques, ja que de fet si no són transformades no tindran aquest efecte. Pot ser que una espècie pugui fer aquesta transformació però una altra no. Per tant qualsevol classificació de si és mutagènic o no s’ha de classificar.
Exemples: N-Nitrosamines, carbamats, micotoxines, hidrocarburs aromàtics policíclics metilats, hidrocarburs halogenats, hidrazines, triazines...
Mutàgens que han de ser activats mitjançant l’exposició a la llum per poder interaccionar amb el DNA.
Mutàgens que no necessiten una reacció metabòlica per poder formar adductes al DNA.
Exemples: agents metilants i etilants amb acció directa, agents alquilants multifuncionals, epòxids, aldehids i altres mutàgens amb acció directa.
Mutàgens que danyen el DNA indirectament.
Exemples: mutàgens oxidatius, hidrazines i isoniazides, i altres mutàgens amb acció indirecta.
Agents intercalants.
Incorporació de nucleòtids modificats al DNA.
Exemples: mutàgens que són anàlegs de bases, mutàgens modificats precursors de desoxinucleòtids...
MUTÀGENS QUÍMICS QUE HAN DE SER METABOLITZATS El metabolisme d’un compost xenobiòtic es divideix en diferents fases. En la primera fase sempre es donarà una d’aquestes reaccions: hidròlisi, oxidació o reducció. Se’n poden donar d’altres, però aquestes són les tres més importants. Depenent de la naturalesa del compost xenobiòtic que entri, es donarà una d’aquestes tres reaccions.
Aquestes tres reaccions es fan amb uns enzims (hidrolases, oxidases, reductases...), i per tant depenen de gens. Com les cèl·lules poden presentar polimorfisme enzimàtic, no tots els enzims, davant d’un mateix substrat, duran a terme la reacció que un espera.
Una vegada el compost xenobiòtic ha estat metabolitzat per un dels enzims de la fase I, s’ha creat un metabòlit (o producte) primari, que en principi s’espera que sigui menys tòxic i més excretable (és a dir, hidrosoluble) que el compost xenobiòtic. Això, però, no sempre és així.
Les reaccions de la fase II poden ser de conjugació o de biosíntesi. Donaran un metabòlit secundari que encara ha de ser més hidrofílic i més fàcilment excretable.
De manera global, per tant, els productes lipofílics en grans quantitats seran els més difícils d’excretar, que s’acumularan més en l’interior i seran més tòxics.
Pot passar que els productes primaris siguin més lipofílics i no es puguin eliminar. Llavors s’acumulen i això té conseqüència (sobretot en el teixit adipós). Per exemple, els metalls pesants s’acumulen (aquests vénen en peix blau, sobretot grans, com per exemple la tonyina).
En aquestes taules hi ha els enzims més importants d’aquestes dues fases i els substrats on poden actuar: NITROSAMINES Uns dels mutàgens que necessitaven ser metabolitzats eren les nitrosamines. La dimetilnitrosamina és la més senzilla i estudiada.
Les nitrosamines es produeixen degut a les reaccions de nitrosaminació dels nitrits per acció dels àcids estomacals i altres. Si són metabolitzades poden ser mutagèniques.
Per tant en aquest cas la molècula xenobiòtica és la dimetil-nitrosamina. En la fase I es dóna una oxidació que crea un metabòlit primari amb un grup OH. A partir d’aquest metabòlit, amb la fase II, hi poden haver dues vies. Per una banda es pot crear formaldehid, que des de principis del segle passat ja se sap que és mutagènic.
També es pot crear metil-diazohidròxid. Dos nitrògens units amb doble enllaç són un grup azo, per això s’anomena així. Aquesta molècula, amb el seu grup metil, pot metilar el DNA. Per tant també té un efecte mutagènic, i en aquest cas també carcinogènic.
Els metabòlits secundaris de les nitrosamines són molt tòxics.
CARBAMATS Els carbamats són èsters i altres derivats de l’àcid carbàmic. Els més mutagènics són els ditiocarbamats (sempre que un compost porti la part “tio” vol dir que té sofre).
Els carbamats alquilen bases, per tant si no són eliminats abans de la replicació, poden provocar duplicacions errònies.
Les bases alquilades poden establir enllaços creuats (crosslinks), que poden ser entre bases de la mateixa cadena o de diferents cadenes (o sigui enllaços creuats intracatenaris o intercatenaris). Quan el DNA té enllaços creuats es trenca i no deixa que la cèl·lula es reprodueixi.
Hi ha moltes substàncies antitumorals que justament el que fan es produir crosslinks. El problema de l’ús d’aquests productes quimio-terapèutics és que també afecten a les cèl·lules sanes, perquè no són específics.
En el cas dels adductes provocats per carbamat d’etil o vinil, provocaven això: alquilacions que provocaven transversions i enllaços creuats.
En un experiment amb rates, van veure que quan les tractaven amb carbamat de vinil, detectaven en la segona posició del codó 61 una transversió AT  TA. Si després d’un tractament amb una substància química trobes una incidència d’un tipus de càncer, analitzes el DNA d’aquestes cèl·lules canceroses, i en un gen oncogènic detectes en la mateixa posició el mateix canvi, aquest canvi és la conseqüència del tractament.  GRAN FRASE.
ARILAMINES L’experiment amb arilamines va ser on es va avançar en la investigació i es va veure com es podien activar els promutàgens, és a dir, les molècules que en principi no es poden unir al DNA i s’han de transformar.
Històricament, per tant, les arilamines han estat molt importants.
ARILAMIDES Pot ser que només per l’acció d’un enzim ja puguin formar un adducte amb el DNA, però pot ser que s’hagin de metabolitzar per altres enzims. Sigui quina sigui la reacció que experimenten, al final de tot el producte final s’uneix covalentment al DNA.
Normalment s’uneixen al carboni 8, però també es poden unir a l’oxigen 6. El canvi del qual parlem més sovint, normalment és el més mutagènic, en aquest cas el del carboni 8.
HIDROCARBURS POLICÍCLICS AROMÀTICS (PAH) La forma α és sempre més mutagènica i carcinogènica que la , en cas que un compost ho sigui.
Els PAH es formen per combustions incompletes, si són completes només es forma aigua i CO2.
(Per això un motor que crema bé és molt menys contaminant que un que no). El fum del tabac també porta PAH.
Ex: benzo-α-pirè. Aquest, i qualsevol altre PAH, quan entren a l’organisme segueixen la següent ruta de transformacions: primer es converteixen en epòxid, d’aquest a fenol, a una quinona, i finalment es generen espècies reactives d’oxigen.
Pot passar que tots aquests passos intermedis ja siguin mutagènics, i no només les espècies reactives d’oxigen. Per exemple, els epòxids en certes espècies poden ser molt mutagènics.
Totes les molècules poden ser molt mutagèniques. Quan es va detectar que el DES era un carcinogen transplacental, primer no es veia que es pogués unir al DNA. Més tard es va veure que era la DES-quinona la que sí que podia actuar sobre el DNA.
Exemple d’enllaç creuat, perquè el -metoxipsoralè (producte del metabolisme del psoralè) ha unit dues timines: AFLATOXINES Són toxines produïdes pels fongs Aspergillus. La B1 és la més tòxica i la més carcinogènica. La G1 i la M1 també ho són però no tant.
Els humans que menjaven aliments que en portaven (ex: cervesa, ja que es poden trobar sobretot en blat) tenien més risc de desenvolupar càncer de fetge.
En el següent esquema veiem que quan es metabolitza, l’aflatoxina té un epòxid que li permet formar un adducte en el DNA: L’adducte és inestable i dóna lloc a la despurinització o la conversió en un adducte més estable FAPY. Existeix molt bona correlació entre el nivell d’adductes FAPY en el DNA hepàtic i la hepatocarcinogenicitat de la exposició a la aflatoxina B1.
Si hi ha molts adductes, hi haurà més dany al DNA? No té perquè, hem de precisar en quina base i en quina posició de la base s’han produït aquests adductes. Quan fem experiments, ens adonem que alguns adductes tenen més implicació en carcinogènesi que altres.
MUTÀGENS DIRECTES En aquest cas no necessiten ser oxidats, ni reduïts... automàticament ja es poden enllaçar amb el DNA, són mutàgens directes.
Tot i això, també poden ser metabolitzats i que els productes també siguin mutagènics.
Normalment els mutàgens directes són agents alquilants, que afegeixen metils i etils al DNA. Els agents alquilants ja hem dit que poden produir enllaços creuats intercatenaris o intracatenaris, però hem de saber que també poden produir crossolinks entre DNA i proteïnes, la qual cosa augmenta encara més els trencaments que pateix el DNA.
Les bases i les posicions on es donen més alquilacions, per ordre de més a menys freqüents, són: N7 (nitrogen 7) de la guanina, N3 de l’adenina, O6 (oxigen 6) de la guanina i O4 de la timina.
Aquestes dades corresponen a experiments fets en Drosophila i ratolins. Si es fes en humans o altres organismes experimentals, podríem trobar un altre patró d’alquilacions més freqüents. El què hem de saber és que la guanina és la base més afectada.
La classificació SN1 i SN2 vol dir: - SN1: substitució nucleofílica monomolecular. Són agents alquilants que actuen a partir d’un intermediari molt reactiu (un carbocatió). Per tant és una acció amb dos passos.
SN2: substitució nucleofílica bimolecular. Hi ha desplaçament nucleofílic tant a l’agent com al DNA, no es necessita un intermediari.
CLORO-ETIL-NITROSO-UREES I DERIVATS DEL PLATÍ Un exemple d’agents alquilants utilitzats com a anticancerígens són les cloro-etil-nitroso-urees i els derivats del platí. Normalment les formes cis són més efectives perquè provoquen més crosslinks.
Aquests fan monoadductes, crosslings DNA-DNA i DNA-proteïna que són molt citotòxics.
EPÒXIDS Els epòxids són interessants perquè n’hi ha molts que es produeixen de forma natural, com a resultat del metabolisme (ex: en el metabolisme dels PAH, es formen epòxids).
Els epòxids són bastant mutagènics, i alguns carcinogènics. Fins fa poc l’etilè òxid es feia servir molt en clíniques i hospitals per esterilitzar. El personal que feia l’esterilització durant tota la vida, es va veure que tenien un increment de risc de patir càncer.
MUTÀGENS DIRECTES RADIACIONS IONITZANTS Són els rajos X, α,  i . L’acció primària és el desplaçament d’electrons. La formació de parells iònics condueix a la producció de radicals lliures. L’acció física directa produeix ruptures que tenen efectes clastogènics (procés que causa ruptures cromosòmiques).
RADIACIONS NO IONITZANTS Són els rajos ultraviolats (UV).
Hi ha fàrmacs que per ser actius s’han d’activar amb la llum ultraviolada. Aquests s’han utilitzat per apaivagar els efectes de dues malalties: la psoriasi i la viteligo (són malalties de la pell). En les dues malalties hi ha substàncies farmacèutiques que s’apliquen juntament amb la radiació ultraviolada i serveixen per inhibir-ne els símptomes.
L’efecte típic dels rajos UV són la formació dels dímers de pirimidines adjacents. Aquesta distorsió no és per si mateixa la mutació, però pot provocar-ne una. Aquest dímers poden ser reparats per la fotoliasa en procariotes, i en eucariotes amb el sistema NER.
FIBRES Són fibres amb capacitat carcinogènica. Exemples: amiant o asbestos. Aquests són minerals metamòrfics fibrosos compostos de silicats de cadena doble.
Aplicacions d’aquests minerals: pel vestuari dels bombers, i per fabricar canonades i el material d’aïllament de cases antigues es fa servir l’amiant.
L’exposició dels bombers a aquestes fibres és molt particular i temporal, per tant no té gaire efecte. Però l’ús en la construcció sí que és important. Hi ha molts edificis amb tones de fibra que per rehabilitar-los (o sigui, eliminar la fibra) el cost seria massa gran, així que no es fa, i la gent està exposada a aquestes fibres.
XOCS TÈRMICS Els xocs tèrmics també poden provocar l’aparició de mutacions, sobretot perquè provoquen ruptures. Però això per nosaltres no gaire importància, ja que no estem sotmesos a xocs tèrmics.
Treure’s la jaqueta no és un xoc tèrmic.
...