El CSIC alerta del riesgo de los efectos de los metales pesados en la salud humana

Los metales pesados y el riesgo que suponen sus efectos, cuando existe un exceso, para la salud humana centra un estudio reciente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). La doctora y profesora de Investigación del CSIC Antonia Herrero concluye en su informe que las autoridades competentes deberían prohibir proyectos industriales que impliquen nuevos vertidos, así como velar por mantener al mínimo los aportes derivados de las actividades cotidianas en vista de los grandes riesgos que para la salud humana entraña la acumulación de metales pesados en el medio ambiente.

Los metales pesados pueden ser incorporados por los seres vivos, y su exceso provoca grandes alteraciones en la estructura y el metabolismo celular, por lo que dicha contaminación supone un riesgo importante para la biota en general. En términos generales, todos los organismos vivos necesitan unas bajas cantidades de ciertos metales como el cobalto (Co), el cobre (Cu), el hierro (Fe), el manganeso (Mn), el molibdeno (Mo), el níquel (Ni) o el zinc (Zn) para sus actividades, que adquieren directamente del medio que les rodea o a través de su alimentación, pero todos los metales pesados provocan efectos negativos cuando su concentración interna excede ciertos límites.

Actividades como la minería llevan aparejada la liberación al medio ambiente de cantidades de metales pesados que exceden ampliamente las que se pueden encontrar como consecuencia de procesos naturales.

Efectos del exceso de metales pesados en las células

Los metales pesados pueden causar daños en muchas moléculas y estructuras celulares, en particular en tres tipos de moléculas fundamentales: las enzimas, el ATP y el ADN. Por otra parte, muchos metales pesados son muy reactivos, pudiendo unirse a moléculas como el oxígeno, sulfuros y cloruros dando lugar a la formación de compuestos muy tóxicos.

Efectos en las enzimas. Las enzimas son una clase de proteínas que catalizan las reacciones químicas que tienen lugar en las células, estando en la base de la actividad celular y por tanto del mantenimiento de la vida. Las enzimas hacen que las reacciones químicas de la célula puedan producirse a una velocidad suficiente para ser efectivas. Existe una gran cantidad y variedad de enzimas, específicas de cada tipo de célula, cuya actividad se organiza mediante complejos sistemas de regulación, que a su vez se controlan enzimáticamente. Por poner un ejemplo simple: la enzima invertasa promueve la rotura del disacárido sacarosa (que tomamos en la alimentación) en sus dos subunidades, la fructosa y la glucosa, que a su vez sufren otras transformaciones para transferir la energía que esos azúcares acumulan al metabolismo celular. Como todas las proteínas, las enzimas están constituidas por cadenas, normalmente de cientos, de aminoácidos. Dichas cadenas se pliegan para adoptar estructuras espaciales muy precisas, siendo su estructura tridimensional fundamental para que la enzima despliegue su actividad. En dicha estructura tridimensional, una región que se conoce como sitio activo, es el lugar donde se unen las moléculas que van a reaccionar (sustratos), y donde estos sustratos se transforman rindiendo los productos de la reacción.

Los metales pesados pueden dañar las enzimas a través de varios mecanismos. Uno de los más frecuentes consiste en la unión en el sitio activo de la enzima, desplazando y sustituyendo a otros metales que puedan encontrarse allí de manera natural para participar en la catálisis enzimática, pudiendo resultar en la inactivación de la enzima. La plata (Ag), el mercurio (Hg), el cadmio (Cd), el níquel, el plomo (Pb), el zinc, el manganeso, el cobalto, o el molibdeno pueden actuar mediante este mecanismo. Otro mecanismo de toxicidad consiste en la interacción del metal pesado con determinados grupos químicos (como por ejemplo grupos tioles, -SH) que pueden estar asociados a algunas enzimas, bloqueando dichos grupos, lo cual también puede impedir la reacción enzimática o la posibilidad de regulación de dichas enzimas. La plata, el mercurio, el cadmio, el níquel, el plomo, el arsénico (As) o el cromo (Cr) pueden ejercer estos efectos.

Efectos en la energética celular. La molécula conocida como ATP (Adenosina Trifosfato) se considera la moneda energética de las células. Es una molécula relativamente sencilla que posee tres grupos fosfato en uno de sus extremos. El enlace químico que liga los dos últimos fosfatos es un enlace rico en energía, lo cual quiere decir que almacena mucha energía que se puede liberar cuando se rompe. Normalmente en la célula no se produce una rotura espontánea de ese enlace, sino que se acopla a otra reacción que necesita energía, permitiendo que esta última se produzca. De hecho, el ATP transporta energía allí donde se requiere en la célula.

En cuanto al efecto de los metales pesados, entre los compuestos tóxicos que se forman a partir del metaloide arsénico (As) están los arsenatos. El arsenato es muy parecido al fosfato, y puede sustituir al último fosfato del ATP formando una molécula muy similar, el ADP-As. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en el ATP, el enlace entre el fosfato y el arsenato es de baja energía. Así, el ADP-As puede interaccionar con las enzimas que normalmente utilizan ATP, pero no energizar la reacción correspondiente, que en consecuencia no se produce (es un proceso de inhibición enzimática).

Efectos en el ADN. El ADN (Ácido desoxirribonucleico) es una molécula informativa, el almacén de información para que se formen las proteínas, incluidas las enzimas. El ADN está formado por cadenas muy largas, normalmente millones, de unidades (nucleótidos) de las que existen solo cuatro variantes. Las cadenas de ADN se organizan en pares que se pliegan conjuntamente formando una doble hélice en la que siempre se enfrentan pares fijos de nucleótidos. Es la secuencia en que se combinan los nucleótidos lo que cifra el mensaje genético, que va a determinar la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Por tanto, el ADN es fundamental tanto para que se puedan sintetizar las proteínas de la célula, como para que esa información se transmita a la descendencia. La longitud de muchas cadenas de ADN se cuenta en centímetros (10-2 m), mucho mayor que el tamaño de las células que, aunque puede variar ampliamente, generalmente se mide en micras (10-6 m). En las células, las cadenas de ADN se enrollan extremadamente formando unos corpúsculos de gran densidad, los cromosomas, que se acomodan en una parte del volumen de la célula. En las células humanas que forman el cuerpo (somáticas) generalmente existen 46 cromosomas distribuidos en 23 pares en los que uno procede del padre y otro de la madre, siendo similares los dos miembros en 22 de esos pares, y diferentes en el caso del par de cromosomas sexuales (X e Y). En las células germinales (óvulos y espermatozoides) existen 23 cromosomas únicos.

Los metales pesados pueden causar múltiples daños en el ADN, induciendo procesos que terminan tanto en roturas internas de las cadenas como de los enlaces que las mantienen apareadas formando la doble hélice. En particular, pueden provocar cambios en la secuencia de nucleótidos, lo que conlleva cambios en el mensaje codificado: es lo que se llama mutación. Además, las mutaciones que se producen en las células germinales pueden transmitirse a la descendencia. Los metales pesados también pueden provocar daños estructurales en los cromosomas, como son la pérdida, duplicación o inversión de fragmentos de los mismos.

Metales pesados y daño oxidativo. Durante el metabolismo celular se producen de manera natural moléculas con un alto poder oxidante que se conocen como ROS (Reactive Oxygen Species; por ejemplo, 1 O2, O2 - , H2O2). Estos compuestos son potencialmente muy tóxicos y pueden oxidar y dañar una gran variedad de moléculas biológicas: los lípidos de las membranas, alterando la permeabilidad de las mismas; ciertas enzimas que catalizan reacciones de oxido-reducción, como las que llevan a cabo el proceso de la respiración, y el ADN, en el que induce rotura de enlaces y mutaciones. Todas las células han desarrollado mecanismos para mantener dichas especies reactivas a niveles tolerables, incluyendo la producción de moléculas antioxidantes y procesos de detoxificación. Muchos metales pesados (por ejemplo, el calcio, Ca, el arsénico, el mercurio y el níquel) aumentan la formación de ROS, induciendo lo que se llama estrés oxidativo. De hecho, este es un mecanismo de toxicidad bastante común de los metales pesados. Los metales pesados pueden aumentar la concentración de ROS reaccionando con algunas de estas especies produciendo otras con mayor toxicidad, interfiriendo directamente con las enzimas que catalizan reacciones de oxido-reducción o inactivando enzimas antioxidantes encargadas de la eliminación de ROS.

Efectos tóxicos de los metales pesados en las persoas

Como se indicó más arriba, las personas pueden entrar en contacto con los metales pesados mediante inhalación de pequeñas partículas del aire, contacto con la piel (baño), o consumo a través del agua y los alimentos. Una vez incorporados, los metales pesados pueden desecharse parcialmente, pero no se pueden eliminar, por lo que se pueden localizar en órganos como el hígado, el corazón o los riñones, y en los tejidos blandos. Para la mayoría de los metales pesados, la exposición mantenida y la acumulación tienen efectos negativos sobre la salud en las personas, pudiendo provocar graves daños e incluso la muerte. Según la OMS (Organización Mundial de la Salud), la severidad de los síntomas y alteraciones que se produzcan dependerá de las cantidades incorporadas, el tiempo de exposición y la vía de entrada. En general, se conocen bien los efectos de las exposiciones agudas a niveles tóxicos de metales pesados, que desembocan en casos clínicos inmediatos. Sin embargo, se sabe menos acerca de los efectos de las exposiciones crónicas a niveles bajos o moderados de estos metales, que pueden desembocar en manifestaciones clínicas con el tiempo, dificultando tanto el diagnóstico como su relación con el agente causante. La demora en la manifestación del daño afecta a su vez al establecimiento de los niveles seguros de metales pesados, para lo que generalmente no se tienen en cuenta los efectos potencialmente deletéreos a largo plazo. En las personas, los efectos de exposiciones prolongadas pueden causar envejecimiento prematuro, estados que favorezcan la aparición de enfermedades, o ser causantes directos de enfermedades. Los efectos de los metales pesados no son aditivos, sino sinérgicos, por lo que la exposición a combinaciones de ellos provoca un efecto en la salud humana mayor que el que correspondería a la suma de exposiciones individuales. Aunque haya muy pocos estudios acerca de los efectos sinérgicos de los metales pesados a bajas dosis prolongadas en el tiempo, los datos existentes sugieren que la presencia de unos afecta a los niveles de acumulación de otros en distintos órganos. La sinergia en los efectos de varios de ellos justifica la necesidad de cuantificar el riesgo de mezclas de metales pesados en el medio ambiente.

En las personas, los metales pesados actúan mediante los mecanismos generales descritos antes: provocando daños en las proteínas (que pueden provocar alteraciones en el funcionamiento de órganos y tejidos y del equilibrio hormonal) y en el ADN (contribuyendo a introducir inestabilidad genómica y mutaciones, e inactivando mecanismos de reparación del ADN y genes supresores de tumores), alteraciones en los lípidos de las membranas biológicas y estrés oxidativo (favoreciendo la formación de ROS e inactivando mecanismos de defensa), siendo este último un factor común en las enfermedades inflamatorias.

Alteraciones por daños en el material genético. En particular, las mutaciones, al conllevar alteraciones en las proteínas de la célula, son la base de multitud de enfermedades y síndromes, entre los que se pueden citar algunos tan graves como la fibrosis quística o la distrofia muscular. Además, las mutaciones pueden aumentar la frecuencia de padecer cáncer, o incluso provocarlo directamente, afectando a la expresión de genes carcinogénicos y carcino supresores, a la vez que interfieren con los procesos de reparación del ADN, rompiendo el equilibrio entre proliferación celular y apoptosis. De hecho, la mayoría de los factores clasificados como cancerígenos por la IARC (International Agency for Research on Cancer) son genotóxicos (agentes que provocan daños en el ADN y los cromosomas). A modo de ejemplos, el cromo en su forma hexavalente induce lesiones en el ADN e inestabilidad cromosómica, mientras que el dimetilarsénico provoca carcinogénesis en el tiroides; el arsénico se ha relacionado con procesos de carcinogénesis pulmonar y el plomo con un aumento de la frecuencia de cáncer de estómago. Los metales pesados también pueden provocar daños estructurales en los cromosomas, alteraciones que pueden originar síndromes graves como el de “maullido de gato”, por poner un ejemplo. El consenso general es que la exposición a agentes genotóxicos debe ser tan baja como sea razonablemente posible (ALARA, as low as reasonably achievable). Especial gravedad se atribuye a las mutaciones que se generan durante el desarrollo del feto o durante los primeros estadios del crecimiento. Además, las mutaciones que se producen en las células germinales pueden provocar abortos espontáneos, infertilidad y malformaciones, y pueden transmitirse a la descendencia.

Problemas vasculares. Los metales pesados pueden causar alteraciones en el electrocardiograma, arritmias y miocarditis. El mercurio, el cadmio y otros interfieren con enzimas del metabolismo hormonal provocando elevación de los niveles de epinefrina, lo que conduce a un aumento de la presión sanguínea, pudiendo afectar a las arterias coronarias con el consiguiente riesgo de infarto de miocardio.

Reacciones inmunológicas e inflamación. Los metales pesados pueden provocar reacciones inmunológicas, así como afectar a la microflora bacteriana. Exposiciones al mercurio se relacionan con reacciones autoinmunes y aumentan la susceptibilidad a infecciones agudas y crónicas. La exposición crónica a bajos niveles de mercurio lleva a una estimulación inflamatoria continua con efectos nocivos que pueden acelerar el envejecimiento. Los metales pesados afectan a la flora y la permeabilidad intestinal, lo que puede provocar que pasen al torrente sanguíneo moléculas que pueden conducir a una reacción inflamatoria continua. El mercurio produce debilidad muscular, dificultad para tragar y astasia.

Disrupción endocrina. Los metales pesados pueden interferir con la señalización neuroendocrina y tiroidea con efectos adversos en el desarrollo, la conducta, el metabolismo y la reproducción. Como disruptores endocrinos, pueden provocar subfertilidad, alteraciones en el ciclo menstrual, anovulación y menopausia prematura. Se puede establecer una correlación negativa entre los niveles de metales pesados y de hormona luteinizante en la sangre, y por tanto con la maduración de los oocitos, y también se asocian con fibrosis uterina. El plomo, el cadmio, el mercurio y el níquel pueden mimetizar el efecto de los estrógenos.

Daño neurológico. La toxicidad por metales pesados puede afectar al desarrollo cerebral y a las habilidades cognitivas y motoras, y puede provocar déficits de memoria e incluso demencia; incluso algunos como el mercurio, el cadmio, el manganeso, el plomo, el 8 arsénico o el níquel se reconocen como neurotoxinas y se han relacionado con el autismo, el Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas. El cobre y el zinc inhiben el desarrollo neuronal pudiendo provocar anomalías como la esquizofrenia. Aunque estos metales son esenciales para el funcionamiento neuronal al estar implicados en las descargas sinápticas, su acumulación puede provocar isquemia y muerte neuronal, Alzheimer, Parkinson y ELA. El mercurio puede dañar el hipocampo afectando a las habilidades cognitivas.

Daño nefrológico. La exposición al plomo provoca estrés oxidativo que causa daño nefrológico. Así, los trabajadores de minas o industrias relacionadas con una exposición a este metal tienen riesgo de padecer enfermedades renales crónicas. El cadmio se acumula con el tiempo en los riñones y el hígado, con una tasa de permanencia de años, y causa estrés oxidativo y daño en las mitocondrias de las células renales, así como alteraciones en la expresión génica y otros daños en el material genético que pueden resultar en carcinogénesis en tejidos renales.

Toxicidad en el sistema reproductivo. La exposición prolongada a metales pesados puede provocar daños en el sistema reproductivo e infertilidad. De hecho, se calcula que más del 10% de la población mundial sufre problemas de fertilidad relacionados con la exposición a metales pesados como el mercurio, el cromo y el cadmio. Estas alteraciones incluyen desbalances hormonales, retrasos en la ovulación y alteraciones cromosómicas en los oocitos. El cadmio se acumula con el tiempo en los ovarios y el semen y aumenta la producción de radicales libres. Una exposición prolongada puede provocar estrés oxidativo, al cual son especialmente sensibles la apoptosis de los tejidos testiculares y los folículos ováricos. Otros efectos del cadmio en los testículos incluyen destrucción de vasos sanguíneos, disminución de la carga de espermatozoides, hemorragia e infertilidad. El arsénico puede causar daños afectando al peso testicular y la carga de espermatozoides, así como a órganos sexuales accesorios y, además, puede alterar los niveles de testosterona y otras hormonas sexuales. En las mujeres, el arsénico aumenta la frecuencia de cáncer de endometrio e interfiere con la angiogénesis endometrial, que es esencial para el crecimiento del feto, pudiendo conducir a endometriosis, nacimientos prematuros y abortos espontáneos.