Tomemos las dioxinas como ejemplo:
Mecanismo de toxicidad de las sustancias químicas similares a las dioxinas
Las investigaciones no han comprendido completamente el mecanismo molecular de la toxicidad de las sustancias químicas similares a las dioxinas. , pero después de más de 20 años de investigación, la gente tiene cierta comprensión de su mecanismo. En términos generales, las sustancias químicas similares a las dioxinas no actúan mediante daño directo. Las sustancias químicas similares a las dioxinas no forman aductos con proteínas y ácidos nucleicos, ni dañan directamente el ADN celular. Su función es principalmente inducir la expresión genética a través de receptores de aril hidrocarburos, cambiar la actividad de la quinasa y cambiar la función de las proteínas.
1. Expresión génica mediada por receptores de aril hidrocarburos
La expresión génica mediada por receptores de aril hidrocarburos (como el P4501A1) es el factor más importante y básico en el mecanismo de los efectos tóxicos de las dioxinas. El receptor de aril hidrocarburo es una proteína de alto peso molecular (110-150 KD) con alta afinidad reversible por sustancias químicas similares a las dioxinas. Existe principalmente en el citoplasma (y una pequeña cantidad también existe en el núcleo). al de los esteroides los receptores son similares, pero también diferentes. La proteína pertenece a la superfamilia de factores de transcripción basichelix-loop-Helix PAS (per-arnt-stim) y contiene dos sitios funcionales, a saber, el sitio básico hélice-loop-helix y el sitio funcional PAS. Esta familia de proteínas es importante para activar la transcripción genética. Los receptores de hidrocarburos arilo tienen diferencias obvias entre especies, intraespecies y tejidos. El receptor de aril hidrocarburo existe en el citoplasma como un complejo de 380 KD y se une a 3-4 proteínas. Entre ellas, sólo se ha identificado la proteína de choque térmico de 90 KD (HSP90), que tiene un impacto importante en la actividad del receptor.
El proceso básico de expresión génica mediada por el receptor de aril hidrocarburo se puede dividir en los siguientes procesos básicos: ① La dioxina ingresa a la célula; ② el compuesto se une al receptor de aril hidrocarburo; ③ se une el complejo ligando-receptor; al receptor de aril hidrocarburo. La unión al sitio de reconocimiento del ADN; ④ la transcripción y traducción de genes específicos ⑤ desempeñan un papel. En estos procesos, los primeros tres pasos se aprenden con mucha claridad, pero los procesos posteriores no son muy claros.
1. Las dioxinas entran en las células. Generalmente se cree que la dioxina ingresa al citoplasma mediante difusión pasiva (porque la dioxina es una sustancia liposoluble), pero muchos estudios han demostrado que la difusión pasiva no puede explicar completamente la reacción tóxica de la dioxina. Por ejemplo, estas sustancias pueden estimular el crecimiento de hepatocitos, la infiltración de grasa y la hipertrofia y proliferación de células epiteliales. Estas observaciones sugieren que las membranas celulares desempeñan un papel en los efectos tóxicos de las dioxinas.
2. Unión de sustancias químicas similares a las dioxinas y receptores de hidrocarburos aromáticos. Después de que la dioxina ingresa al citoplasma, se une al receptor de aril hidrocarburo en el citoplasma, lo que provoca la activación del receptor de aril hidrocarburo. Pero los cambios fisicoquímicos provocados por esta combinación aún no están claros. Los experimentos han demostrado que la formación de complejos aromáticos-ligando no puede unirse al sitio de unión del ADN y no es suficiente para provocar reacciones biológicas, lo que indica que la activación del receptor es un proceso de varios pasos. En estudios in vitro, la temperatura juega un papel importante en la activación de los receptores de hidrocarburos arilo. El complejo formado a 4°C no puede unirse correctamente al sitio del gen, pero el complejo formado por encima de 20°C es biológicamente activo, lo que indica que este proceso requiere un paso de activación dependiente de la temperatura. HSP90 juega un papel importante en la activación del receptor. HSP90 es necesaria para la unión del ligando y puede inhibir la unión de receptores no unidos a ligandos al ADN (presumiblemente inhibiendo la unión de receptores a factores de transcripción nucleares). Cuando un ligando se une a un receptor, la HSP90 originalmente unida al receptor se elimina, exponiendo el sitio de unión al ADN del receptor, lo que lleva a la activación del receptor.
3. Unión del complejo ligando-receptor al ADN. La unión de sustancias químicas similares a las dioxinas al receptor de aril hidrocarburo activa el receptor aromático y el complejo ligando-receptor se transfiere luego al interior de la célula y se acumula en el núcleo. Antes de unirse al ADN, el complejo debe unirse a una proteína en el núcleo, el transportador del receptor de aril hidrocarburo (arnt), para adquirir la capacidad de unirse al ADN. Esta proteína con un peso molecular de 87 kDa también pertenece a la superfamilia básica hélice-bucle-hélice PAS (per-arnt-stim) y contiene dos sitios funcionales, a saber, el sitio básico hélice-bucle-hélice (bHLH) y la función PAS. sitio. Se une a receptores de hidrocarburos arilo que pertenecen a la misma familia para formar un heterodímero, que es importante para unirse al ADN.
Sólo reteniendo los sitios bHLH y PAS de la proteína transposón nuclear del receptor de aril hidrocarburo se puede conservar la capacidad de ARNT para formar dímeros y unirse al ADN. Entre ellos, las dos estructuras de hélice α del sitio bHLH están involucradas principalmente en la formación. de dímeros, y la estructura básica solo está relacionada con la unión al ADN; el sitio PAS incluye dos subestructuras, PASA y PAS B. La eliminación de una de ellas afectará sólo ligeramente la capacidad de formar heterodímeros, mientras que la eliminación de ambas afectará gravemente a los heterodímeros. capacidad de formación. Luego, el complejo AhR/ARNT se une a un potenciador en la porción aguas arriba de un gen específico, el elemento de respuesta a la dioxina o XRE, que activa la transcripción del gen. La secuencia central del elemento de respuesta dioxina/cuerpo extraño es 5′-t/gngcgtga/CG/CA-3′.
4. Transcripción y traducción de genes específicos. La expresión de genes activados por dioxina incluye el citocromo P4501A1 y 1A2, la glutatión S-transferasa, la metilquinona oxidorreductasa, la aldehído deshidroxilasa, etc. Los más importantes son los citocromos P4501A1 y 1A2, y los más estudiados. Hay pocos estudios sobre cómo el complejo AhR/ARNT activa la transcripción genética después de unirse a la secuencia central potenciadora. En términos generales, la unión del complejo AhR/ARNT a la secuencia central del potenciador provocará la flexión de la cadena de ADN y la rotura de la cromatina nuclear, aumentando así la probabilidad de que el promotor se active, aumentando la probabilidad de que CYP1A1 inicie la transcripción. , lo que da como resultado el ARNm del citocromo P4501A1 acumulado en el núcleo. Roberton et al. encontraron que hay 9 elementos que responden a cis entre las bases 281-950 aguas arriba del citocromo P4501A1, de los cuales 3 son elementos que responden a dioxinas y se desconocen las funciones de los otros 6 elementos. Sin embargo, mientras que el complejo AhR/ARNT se une al elemento de respuesta a la dioxina, es más probable que otros elementos de respuesta se unan a sus respectivos factores de interacción proteica. Esto indica que la transcripción de genes puede realizarse principalmente a través de exudación, y el ARN mensajero transcrito ingresa al citoplasma y se combina con los ribosomas para iniciar la traducción de proteínas.
5. Desempeña el papel de proteína expresada. Existen pocos estudios sobre este proceso, principalmente sobre los productos de expresión del citocromo P4501A1 y 1A2, como la hidroxilasa aromática, que puede convertir las lesiones precancerosas en carcinógenos, promoviendo así la aparición de cáncer en el organismo.
Estas son las vías básicas para la expresión genética mediada por dioxinas, y el estudio de este proceso sigue siendo la principal dirección de investigación de la toxicidad de las dioxinas.
Figura 1. Mecanismo de acción de sustancias químicas similares a las dioxinas.
2. Vía de la proteína quinasa mediada por el receptor de aril hidrocarburo
Otra forma de producir efectos tóxicos de la dioxina es activar las proteínas quinasas, para luego producir diversas actividades biológicas a través de la vía de la quinasa. La primera proteína quinasa descubierta fue la tirosina proteína quinasa. Enan et al. descubrieron en 1996 que, en condiciones libres de células, 2,3,7,8-TCDD podía aumentar la actividad de la tirosina proteína quinasa en el citoplasma de los adipocitos de cobaya, y este efecto dependía del receptor de aril hidrocarburo. Pronto descubrieron además que la tirosina proteína quinasa no solo podía activarse mediante 2,3,7,8-TCDD, sino que también podía unirse específicamente al complejo receptor de aril hidrocarburo en el citoplasma. Enan et al. creen que la tirosina proteína quinasa se une al complejo del receptor de aril hidrocarburo en el citoplasma. Cuando el ligando se une al receptor de aril hidrocarburo, la tirosina proteína quinasa se libera y se activa. Aumentando así el grado de fosforilación de los residuos de proteína tirosina en las células. Esta fosforilación es importante para la proliferación y diferenciación celular. Blankenship et al. también llegaron a conclusiones similares a través de experimentos. Poco después del descubrimiento de la proteína quinasa dependiente de CAMP, Enan et al descubrieron que 2,3,7,8-TCDD puede activar la proteína quinasa dependiente de CAMP intracelular a través del receptor de aril hidrocarburo, aumentando así los niveles de Ca+2 intracelular y fortaleciendo la célula. La función de secreción y la afectación de la glucogenólisis y la vía de síntesis y la absorción de glucosa son de gran importancia para el consumo de grasa corporal y el fallo progresivo causado por las dioxinas.
En tercer lugar, el mecanismo molecular de las sustancias químicas similares a las dioxinas que afectan el metabolismo nutricional del cuerpo.
Las principales manifestaciones del impacto de las sustancias químicas similares a las dioxinas en el metabolismo nutricional del cuerpo son la hiperlipidemia (triglicéridos altos). y colesterol), insuficiencia progresiva, disminución de la captación celular de glucosa. Las principales manifestaciones bioquímicas son: afectación de la lipoproteína lipasa, del receptor de lipoproteínas de baja densidad y del transportador de glucosa, GLUT).
El efecto inhibidor de sustancias químicas similares a las dioxinas sobre la absorción celular de glucosa está relacionado con su efecto sobre la concentración de GLUT.
Los estudios de Hugh et al. han demostrado que el efecto inhibidor de 2,3,7,8-TCDD sobre la absorción celular de glucosa se produce principalmente mediante la regulación negativa de la concentración de antagonistas del receptor de hidrocarburos arilo que pueden antagonizar la absorción celular de dioxina. -sustancias químicas similares El efecto inhibidor de la glucosa, la capacidad de las dioxinas para unirse a los receptores de hidrocarburos arilo es consistente con su capacidad para inhibir la absorción celular de glucosa. Los resultados de la investigación de Hugh et al. indican que la dioxina inhibe la absorción de glucosa principalmente mediante la regulación de la concentración de GLUT-4 a través de hidrocarburos aromáticos, pero el proceso específico no está claro. La reducción de la absorción de glucosa por las células conducirá a una reducción de la actividad de la lipoproteína lipasa en el tejido adiposo y a una regulación negativa de los receptores de lipoproteínas de baja densidad en la membrana de las células hepáticas, que también es la causa básica del síndrome de emaciación causado por sustancias químicas similares a las dioxinas. La función principal de la lipoproteína lipasa es hidrolizar los triglicéridos séricos y transferirlos al tejido adiposo. La actividad reducida de la lipoproteína lipasa produce hipertrigliceridemia y agotamiento del tejido adiposo. La vía del receptor de lipoproteínas de baja densidad en la membrana de las células hepáticas es la vía principal para el metabolismo de las lipoproteínas de baja densidad. La regulación negativa de este receptor conduce a un aumento de la concentración sérica de lipoproteínas de baja densidad y a un aumento de la concentración de colesterol sérico.
El mecanismo molecular de la toxicidad de sustancias químicas similares a las dioxinas se ha estudiado durante más de diez años, pero muchos detalles no se han comprendido completamente, especialmente cómo funcionan los productos de expresión después de la expresión genética. Cómo la activación de las proteínas quinasas produce efectos tóxicos y la importancia de los receptores de arilhidrocarburos in vivo, es decir, sus funciones fisiológicas y ligandos endógenos. Estos temas son el foco y los puntos calientes de la investigación sobre los mecanismos toxicológicos de las dioxinas. La investigación sobre estos temas será de gran importancia para la evaluación, prevención y tratamiento de la toxicidad de las dioxinas.