Bioquímica del arsénico

La bioquímica del arsénico se refiere a los procesos por los que los seres vivos pueden modificar químicamente el arsénico o sus compuestos, como el arseniato. El arsénico es un elemento moderadamente abundante en la corteza terrestre, y a pesar de que muchos de sus compuestos son tóxicos, existen numerosos organismos capaces de metabolizar compuestos orgánicos e inorgánicos de arsénico y de producir una amplia variedad de compuestos organoarsénicos; otros elementos, como el selenio, combinan también un papel biológico y efectos nocivos. La bioquímica del arsénico es objeto de interés debido a la presencia de muchos compuestos tóxicos de arsénico en algunos acuíferos, con efectos potenciales en la salud de millones de personas.

Fuentes de arsénico

Compuestos de organoarsénico en la naturaleza 

La posibilidad de que el arsénico sea un nutriente benéfico por debajo de los niveles normales de exposición de los organismos vivos está sujeta a investigación. Los lagos que contienen una cantidad sustancial de arsénico inorgánico disuelto albergan biota tolerante al arsénico y existen bacterias y hongos capaces de metabolizar el arsénico inorgánico.

Entre los compuestos organoarsenicales encontrados en la naturaleza están la arsenobetaína y la arsenocolina, presentes en muchos organismos marinos. Estos compuestos pueden formar parte de nucleósidos que contienen las base adenina y adenosina. Varias de las moléculas organoarsenicales surgen por medio de los procesos de metilación. Por ejemplo, el moho Scopulariopsis brevicaulis y otros microorganismos producen la  trimetilarsina o gas de Gosio, intensamente maloliente, en presencia de compuestos inorgánico del arsénico.

La arsenobetaína puede encontrarse en mariscos y algas, y, en mayores concentraciones, en hongos. La ingesta promedio de arsenobetaína en el ser humano varía entre 10 y 50 µg por día, pero puede alcanzar los 1000 µg después del consumo de pescado u hongos; sin embargo este compuesto del arsénico no es tóxico.

Vida basada en el arsénico 
En un estudio de la bacteria GFAJ-1 se postuló la teoría de que el arsénico podría reemplazar al fósforo en el ADN o en el ARN.  Sin embargo, no se ha podido hallar ningún indicio de que esto ocurra en la naturaleza, a pesar de la similitud estructural del arseniato y el fosfato y la teoría se considera refutada.

Compuestos de arsénico antropogénicos 
Los principales compuestos de arsénico antropogénicos (generados por el hombre) se encuentran en los deshechos del tratamiento de minerales y de vertidos de granjas de ganado porcino y avícola, que acaban infiltrándose en los acuíferos. Por ejemplo, muchos minerales, especialmente los minerales sulfuros, están contaminados con arsénico, que se desprende durante el proceso de tostado al convertirse el ion de arseniuro en trióxido de arsénico, el cual es volátil a temperaturas altas y se incorpora a la atmósfera. Las granjas de cerdos y de aves de corral hacen uso de los organoarsénicos ácido ureidofenil arsónico, el ácido p-arsanílico y la roxarsona, un derivado del ácido fenilarsónico (CH3AsO(OH)2  como suplemento alimenticio  para los animales en Estados Unidos.

Otros compuestos encontrados en la naturaleza como resultado de las actividades humanas son el arsenato de cobre, empleado a veces como preservativo para tratar la madera, y el ácido metanoarsónico (CH3AsO(OH)2), precursor de algunos fungicidas empleados en los cultivos de arroz y algodón. Los pigmentos verdes que fueron populares en los papeles tapiz, ej. verde París están basados en el acetoarsenito de cobre, también usado como insecticida. Los mecanismos por los cuales estas sustancias afectan a los organismos acuáticos no se conocen totalmente pero son probablemente muy diversos. Un mecanismo comúnmente citado es la metilación.

Medicamentos a base de arsénico 

A pesar, o posiblemente a causa de la bien conocida toxicidad del arsénico, los medicamentos y brebajes que lo contienen como ingrediente tienen una larga historia en la medicina y el curanderismo que continúa en el siglo . La solución de Fowler, un brebaje tóxico a base de arsenito de sodio, se podía vender desde principios del siglo  hasta el . La arsfenamina, un compuesto organoarsénico descubierto por Paul Ehrlich, fue el primer agente sintético para la quimioterapia; sin embargo, el tratamiento provocaba muchas complicaciones de salud de larga duración. Un medicamento relacionado, el Melarsoprol, se sigue usando contra la Tripanosomiasis africana (enfermedad del sueño), a pesar de su alta toxicidad y posibles efectos secundarios mortales.

Estudios in vitro sugieren que el trióxido de arsénico (As2O3) inhibe la proliferación de las células del mieloma múltiple por medio de la detención del ciclo celular así como la muerte celular inducida, por lo que este compuesto podría ser clínicamente útil para tratar pacientes con esta dolencia o leucemia.

Metilación del arsénico 
Tras su incorporación a un organismo vivo, el arsénico inorgánico y sus compuestos experimentan un proceso metabólico de biometilación. Aunque la metilación del arsénico se ha considerado durante mucho tiempo una forma de reducir su toxicidad, los experimentos llevados a cabo en los años 2000 apuntan a lo contrario. En los vertebrados, la biometilación tiene lugar en el hígado.

El arsénico que entra en el cuerpo se encuentra generalmente en el estado de oxidación As(III) o As(V). El trióxido de arsénico entra en las células a través de las acuaporinas 7 y 9, mientras que el óxido de arsénico(V) usa transportadores de fosfato para entrar en las células. El arsénico (V) puede convertirse en arsénico (III) por la enzima purina nucleósido fosforilasa, en lo que se considera un proceso de bioactivación.

En los mamíferos, la metilación es mediada por metiltransferasas, mediante dos rutas diferentes. La primera ruta usa la metiltransferasa Cyt19, también deominada AS3MT. El cofactor S-adenosil metionina (SAM) es el donante del grupo metilo al trióxido de arsénico en este proceso. El compuesto resultante puede experimentar una segunda metilación; el arsénico(V) de la molécula metilada o dimetilada se convierte a arsénico(III) mediante la enzima Glutatión S-Transferasa Omega-1 (GSTO1). En la segunda ruta de metilación, el glutatión (GHS) se conjuga con el trióxido de arsénico para formar un complejo de arsénico, sobre el que actúa la metiltransferasa del arsénico Cyt19 para metilarlo.

Los complejos del arsénico, monometilado y dimetilo, pueden excretarse fácilmente en la orina. No obstante, el compuesto monometilado puede ser más reactivo y más tóxico que los compuestos inorgánicos del arsénico cuando interactúa con los hepatocitos, los queratinocitos de la piel, y las células bronquiales epiteliales de los pulmones.

En las bacterias existe una enzima análoga a la metiltranferasa Cyt19, llamada CmArsM. Esta enzima ha sido estudiada en tres estados: libre, ligada al arsénico (III) y ligada a SAM. El arsénico se une generalmente a los grupos tiol de la cisteínas Cys72, Cys174, y Cys224 de la enzima. En una reacción SN2, el átomo de sulfuro de la SAM  incorpora ul electrón del carbono del grupo metil, el cual interactúa con el par libre del arsénico para formar el enlace As-C.

Estudios experimentales en animales y humanos muestran que los compuestos de arsénico inorgánicos y los metabolitos metilados cruzan la placenta hacia el feto; hay indicios de que la metilación se incrementa durante el embarazo, lo que se ha interpretado como un mecanismo de protección para el desarrollo del organismo.

Excreción 
En humanos, la ruta mayor de excreción de la mayoría de los compuestos del arsénico es la orina. La vida media biológica del arsénico inorgánico es de cuatro días, pero es ligeramente más corta si se trata de un arseniato en lugar de un arsenito. Los principales compuestos del arsénico excretados en la orina humana son el ácido arsénico monometilado o dimetilado y compuestos inorgánicos del arsénico sin metabolizar.

La biotransformación del arsénico previa a la excreción, se lleva a cabo primordialmente por la ruta del factor Nrf2, que regula la expresión de enzimas destoxificantesy antioxidantes. En condiciones normales el Nrf2 está vinculado a la forma inactiva de la proteína Keap1. Tras la absorción del arsénico en las células y la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) durante las reacciones metabólicas subsecuentes, Keap1 forma enlaces tiol con las ROS o con moléculas electrófilas del arsénico, como el trióxido de arsénico monometilado, y  libera el Nrf2, el cual se desplaza al núcleo celular. Allí activa las secuencias de ADN conocidas como elemento de respuesta antioxidante y elemento de respuesta a electrófilos (EpRE) que contribuyen en el aumento de proteínas antioxidantes, como la hemo oxigenasa 1 (HO-1), la AD(P)H quinona oxidoreductasa 1 (NQO1), y la γ-glutamil cisteina sintetasa (γGCS); estas actúan en conjunto para reducir el estrés oxidativo de la célula. El incremento de γGCS causa un aumento en la producción de arsenito de glutatión (As(SG)3), un importante aducto digerido por las proteínas de farmacorresistencia múltiple 1 o 2 (MRP1 o MRP2) las cuales retiran el arsénico de la célula a la bilis para excreción. El arsenito de glutatión puede descomponerse en arsénico inorgánico de nuevo.

Toxicidad del arsénico 

El arsénico causa muchas muertes alrededor del mundo; los problemas asociados a su ingestión incluyen enfermedades del corazón, hígado, páncreas, respiratorias, gastrointestinales y nerviosas.

Los compuestos de arsénico dañan la célula por una inhibición alostérica de un complejo enzimático metabólico esencial llamado piruvato deshidrogenasa (PDH), el cual cataliza la oxidación de piruvato en acetil-CoA por medio del NAD+. Como consecuencia, la generación de energía del sistema celular se interrumpe y se inicia el proceso de apoptosis celular. Bioquímicamente hablando, el arsénico impide el uso de la tiamina lo que da como resultado, en un marco clínico, la deficiencia de tiamina. El envenenamiento con arsénico puede aumentar los niveles de lactato y dar lugar a una acidosis láctica. El arsénico es también genotóxico, capaz de inhibir la reparación y metilación del ADN. El arsénico induce el estrés oxidativo, responsable de efectos carcinógeno.

 Debido a esta amenaza, se han realizado muchos estudios de antídotos y se han ampliado los conocimientos de los efectos de los compuestos del arsénico en los seres vivos. El desarrollo de antídotos como el dimercaprol es el resultado de estas investigaciones. Muchos de los antídotos estudiados se basan en la afinidad de As(III) para formar tiolatos, derivados organoarsénicos de menor toxicidad. 

En el caso del óxido de arsénico, el efecto tóxico puede usarse con fines quimoterapéuticos para el tratamiento de leucemia promielocítica aguda (APL).

Toxicidad de los compuestos arsenicales pentavalentes 

Los metabolitos de los compuestos arsenicales pentavalentes son capaces de reemplazar a los grupos fosfato, claves en el metabolismo celular, debido a las similares propiedades químicas y características estructurales de ambas moléculas. Cuando el arseniato reacciona con la glucosa y el gluconato in vitro se generan glucosa-6-arseniato y 6-arsenogluconato, los cuales actúan como análogos de la glucosa-6-fosfato y 6-fosfogluconato. Durante la glucólisis, la glucosa-6-arseniato se enlaza como sustrato a la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa; a diferencia del fosfato, la presencia del arseniato impide la generación de ATP debido a la formación de un producto anhídrido (el 1-arsenato-3-fosfo-D-glicerato) por la reacción con D-gliceroaldehído-3-fosfato; Este anhídrido es inestable y se hidroliza fácilmente por la mayor longitud del enlace As-O comparado con el P-O. 

A nivel mitocondrial, el arseniato interrumpe la síntesis de ATP por formar un compuesto inestable al enlazarse con el ADP en presencia del succinato, lo que reduce la ganancia neta de ATP.

Toxicidad de los compuestos arsenicales trivalentes 

Las enzimas y receptores que contienen grupos tiol o sulfhidrilo —normalmente el glutatión y la cisteína— son susceptibles a unirse a los metabolitos del arsenito (III), con una afinidad mayor que a los metabolitos de arseniato. Estos enlaces restringen la actividad de algunos mecanismos metabólicos: por ejemplo, la piruvato deshidrogenasa (PDH) se inhibe cuando el ácido monometilarsénico (MMAIII) ataca el grupo tiol del cofactor del ácido lipoico. El PHD es un precursor del acetil-CoA, por lo tanto la inhibición del PHD limita la producción de ATP en la cadena de transporte de electrones, así como la producción de los intermediarios de la gluconeogénesis.

Estrés oxidativo 

El arsénico puede causar estrés oxidativo a través de la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS), y de especies reactivas de nitrógeno (RNS). Las especies reactivas de oxígeno aparecen cuando la enzima NADPH oxidasa transfiere electrones del NADPH al oxígeno para sintetizar un radical libre reactivo conocido como superóxido, que genera peróxido de hidrógeno y las especies reactivas de oxígeno. La enzima NADPH oxidasa es capaz de generar más especies reactivas de oxígeno en presencia del arsénico, por promover este la transferencia de electrones. Las especies reactivas de oxígeno pueden desencadenar una respuesta a proteínas desplegadas, inflamación, proliferación celular, y eventualmente a la muerte celular. Las especies reactivas de oxígeno también pueden reestructurar el citoesqueleto, lo cual afecta a las proteínas contráctiles y puede conllevar también la muerta celular. 
Una vez que las especies reactivas de oxígeno destruyen las mitocondrias, se produce la reacción entre los superóxidos y el óxido nítrico para formar peroxinitrito, responsable de los daños al ADN en el envenenamiento con arsénico.

Daño al ADN 
Hay pruebas de que el arsénico causa modificaciones en el ADN como aneuploidía, formación de micronúcleos, mutaciones cromosómicas, deleciones, intercambio de cromátidas hermanas y reticulación de ADN-proteína. Se ha demostrado que el arsénico no interactúa directamente con el ADN y es considerado un mutágeno débil, pero contribuye a la mutagenicidad de otros carcinógenos. Por ejemplo, en células humanas y de otras especies animales se da un incremento sinérgico en la actividad mutagénica del arsénico en presencia de luz UV. Varias observaciones experimentales sugieren que la genotoxicidad del arsénico está relacionada con la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) durante su biotransformación. La producción de ROS puede tener como resultado la formación de aductos de ADN, la rotura de las cadenas de ADN, reticulaciones y mutaciones cromosómicas. El daño tiene lugar por la modificación de las bases nitrogenadas del ADN, en particular la 8-oxoguanina (8-OHdG), que causa mutaciones.  El arsénico inorgánico puede romper la cadena de ADN incluso en concentraciones bajas.

Inhibición de la reparación de ADN 
La inhibición de la reparación del ADN es considerada uno de los principales mecanismos de la genotoxicidad del arsénico inorgánico. Tras sufrir daños el ADN se activan los procesos de reparación por escisión de nucleótidos (REN) y la reparación por escisión de bases (REB). La REN es el mecanismo principal para reparar distorsiones voluminosas en la doble cadena del ADN, mientras que la REB tiene lugar cuando se rompe una sola cadena; este último proceso es el que puede reprimir el arsénico inorgánico.

Disfunción inmune 
La exposición al arsénico en niños pequeños distorsiona la razón de linfocitos T CD4 a linfocitos T CD8, los cuales son responsables por ocasionar inmunodepresión. El arsénico incrementa el número de moléculas responsables de la inflamación secretadas a través de macrófagos. La cantidad en exceso de granulocitos y monocitos conducen a un estado crónico de inflamación, lo que puede ocasionar el desarrollo de cáncer.

Tratamiento al envenenamiento con arsénico 
La intoxicación por arsénico se trata con agentes  quelantes, moléculas que se unen al arsénico e impiden que participe en otras reacciones nocivas para el metabolismo. Entre estas moléculas se cuentan el dimercaprol, el succímero (ácido dimercaptosuccínico) y el unitiol (ácido dimercapto-propano sulfónico); el succímero y el unitiol tienen un mayor índice terapéutico que el dimecarprol. Otros agentes quelantes capaces de inactivar el arsénico presentan más efectos secundarios y se usan menos. Estos agentes capturan el arsénico inorgánico mediante los átomos de un grupo tiol, hacia el que el arsénico tiene una alta afinidad. El compuesto orgánico resultante puede excretarse, eliminando el arsénico inorgánico del cuerpo.

Los agentes quelantes son eficaces para tratar casos de envenenamiento agudo con arsénico, cuando se presentan síntomas como dolores de cabeza, vómitos o sudoración excesiva. Por contra, cuando aparecen efectos crónicos del envenenamiento, como daños a órganos, suele ser demasiado tarde para utilizar estos medicamentos.

Véase también 
 Compuestos de arsénico
 Extremófilo
 Bioquímicas hipotéticas

Referencias 

Arsénico