Causas de apoptosis. Mecanismos de la apoptosis. 20 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones. Morfología

Transcripción

1 20 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones que las células destinadas a morir activan enzimas capaces de degradar el ADN de la propia célula y las proteínas nucleares y citoplásmicas. Los fragmentos de las células apoptóticas se desprenden a continuación, dando el aspecto que es responsable del nombre (apoptosis, «soltarse»). La membrana plasmática de la célula apoptótica permanece intacta, pero la membrana se ve modificada de tal modo que la célula y sus fragmentos se convierten en dianas llamativas para los fagocitos. La célula muerta es eliminada rápidamente antes de que sus componentes se hayan liberado y, por consiguiente, la célula muerta por esta vía no desencadena una reacción inflamatoria en el huésped. Así, la apoptosis difiere de la necrosis, que se caracteriza por la pérdida de la integridad de la membrana, digestión enzimática de las células, fuga de los contenidos celulares y, frecuentemente, reacción de huésped (v. Fig. 1-6 y Tabla 1-1). Sin embargo, la apoptosis y la necrosis coexisten en ocasiones, y la apoptosis inducida por algunos estímulos patológicos puede progresar a necrosis. Causas de apoptosis La apoptosis se produce en muchas situaciones normales y sirve para eliminar células potencialmente dañinas y células que han sobrevivido a su utilidad. Es también un acontecimiento patológico cuando las células son dañadas más allá de una posible reparación, sobre todo cuando el daño afecta al ADN o a las proteínas de la célula; en estas situaciones, la célula dañada irreparablemente es eliminada. Apoptosis en situaciones fisiológicas La muerte por apoptosis es un fenómeno normal que sirve para eliminar las células que ya no son necesarias y para mantener una cifra constante de diversas poblaciones celulares en los tejidos. Es importante en las siguiente situaciones: La destrucción programada de las células durante la embriogénesis, incluida la implantación, organogénesis, involución del desarrollo y metamorfosis. El término «muerte celular programada» fue acuñado originalmente para denotar la muerte de tipos celulares específicos en momentos definidos durante el desarrollo de un organismo. La apoptosis es un término genérico para este patrón de muerte celular, con independencia del contexto, pero a menudo se utiliza de modo intercambiable con el de «muerte celular programada». La involución de los tejidos dependientes de hormonas con la privación hormonal, tal como sucede en la degradación de las células endometriales durante el ciclo menstrual, y la regresión de la mama en la lactancia después del destete. La pérdida celular en las poblaciones celulares en proliferación, como en los epitelios de las criptas intestinales, con el fin de mantener una cifra constante. Muerte de células que han cumplido su finalidad útil, como los neutrófilos en una respuesta inflamatoria aguda, y los linfocitos al final de la respuesta inmunitaria. En estas situaciones, las células sufren apoptosis porque se ven privadas de las señales de supervivencia necesarias, como los factores de crecimiento. Eliminación de linfocitos autorreactivos potencialmente dañinos, antes o después de haber completado su maduración, con el fin de prevenir reacciones frente a los propios tejidos (Capítulo 5). Muerte celular inducida por los linfocitos T citotóxicos, mecanismo de defensa frente a virus y tumores que sirve para destruir y eliminar células infectadas por virus y neoplásicas (Capítulo 5). Apoptosis en situaciones patológicas La apoptosis elimina las células que se hallan genéticamente alteradas o lesionadas sin posibilidad de reparación sin desencadenar una reacción intensa en el huésped, manteniendo así el daño lo más contenido posible. La muerte por apoptosis es responsable de la pérdida de células en varios estados patológicos: Daño en el ADN. La radiación, los fármacos citotóxicos anticancerosos, las temperaturas extremas e incluso la hipoxia pueden dañar el ADN, ya directamente o mediante la producción de radicales libres. Si los mecanismos de reparación no pueden hacer frente a la lesión, la célula desencadena mecanismos intrínsecos que inducen la apoptosis. En estas situaciones, la eliminación de la célula puede ser una mejor alternativa que arriesgarse a que se produzcan mutaciones en el ADN dañado, que pueden progresar a una transformación maligna. Estos estímulos lesivos causan apoptosis si el daño es leve, pero dosis mayores del mismo estímulo dan lugar a la muerte celular por necrosis. La inducción de apoptosis de las células cancerosas es el efecto deseado de los agentes quimioterápicos, muchos de los cuales actúan dañando el ADN. Acumulación de proteínas mal plegadas. Pueden surgir proteínas plegadas de modo inapropiado debido a mutaciones en los genes codificadores de estas proteínas o por factores extrínsecos, como el daño causado por radicales libres. Una acumulación excesiva de estas proteínas en el RE lleva a una afección denominada estrés del RE, que culmina en la muerte apoptótica de las células. Lesión celular en ciertas infecciones, sobre todo en las infecciones víricas, en las que la pérdida de células infectadas se debe, en gran parte, a muerte apoptótica que puede ser inducida por el virus (como en las infecciones por adenovirus y por el virus de la inmunodeficiencia humana) o por una respuesta inmunitaria del huésped (como en la hepatitis vírica). Atrofia patológica en órganos parenquimatosos después de la obstrucción de conductos, como sucede en el páncreas, glándula parótida y riñón. Mecanismos de la apoptosis La apoptosis es un proceso enzimático activo en el que las nucleoproteínas son degradadas y a continuación la célula es fragmentada. Antes de comentar los mecanismos moleculares, es útil revisar la morfología de esta vía de muerte celular. Morfología En las secciones tisulares teñidas por H&E, las células apoptóticas se muestran como masas redondas u ovales con un citoplasma intensamente eosinofílico (Fig. 1-22). Los núcleos muestran diversos estadios de condensación y agregación de la cromatina y, en último término, cariorrexis; en el ámbito molecular este hecho se ve reflejado en la fragmentación del

2 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones 21 ADN en fragmentos del tamaño de los nucleosomas. Las células se retraen rápidamente, forman brotes citoplásmicos y se fragmentan en cuerpos apoptóticos compuestos de vesículas de citosol y organelas delimitadas por membrana (Fig. 1-6). Dado que estos fragmentos son rápidamente expulsados y fagocitados sin desencadenar una respuesta inflamatoria, una apoptosis sustancial puede ser histológicamente indetectable. Figura 1-22 Apoptosis de una célula hepática en la hepatitis vírica. La célula está reducida de tamaño y contiene un citoplasma eosinófilo brillante y un núcleo condensado. El acontecimiento fundamental en la apoptosis es la activación de las enzimas denominadas caspasas (así denominadas porque son proteasas de cisteína que cortan proteínas por los residuos de aspártico). Las caspasas activadas cortan numerosas dianas, culminando en la activación de nucleasas que degradan el ADN y otras enzimas que presumiblemente destruyen las nucleoproteínas y las proteínas citoesqueléticas. La activación de las caspasas depende de un equilibrio muy bien ajustado entre las vías moleculares proapoptóticas y antiapoptóticas. Convergen dos vías distintas en la activación de las caspasas, denominadas vía mitocondrial y vía de los receptores de muerte. Aunque estas vías pueden interactuar, son inducidas generalmente bajo diferentes condiciones, afectan a distintas moléculas y desempeñan diferentes funciones en la fisiología y en la enfermedad (Fig. 1-23). VÍA MITOCONDRIAL (INTRÍNSECA) VÍA DE RECEPTORES DE MUERTE (EXTRÍNSECA) Interacciones receptor-ligando Fas Receptor de TNF Lesión celular Depleción de factores de crecimiento Daño en el ADN (por radiación, toxinas, radicales libres) Mal plegamiento de proteínas (estrés en el RE) Efectores de la familia Bcl-2 (Bax, Bak) Sensores de la familia Bcl-2 Mitocondrias Reguladores (Bcl-2, Bcl-x) Citocromo c Proteínas proapoptóticas Activación de endonucleasas Proteínas adaptadoras Caspasas iniciadoras Caspasas ejecutoras Degradación del citoesqueleto Fagocito Fragmentación de ADN Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Figura 1-23 Vesícula citoplásmica Cuerpo apoptótico Ligandos para los receptores de células fagocíticas Mecanismos de la apoptosis. Las dos vías de la apoptosis difieren en su inducción y regulación, y ambas culminan en la activación de las caspasas «ejecutoras». La inducción de la apoptosis depende de un equilibrio entre las señales proapoptóticas y antiapoptóticas y de las proteínas intracelulares. La figura muestra las vías que inducen la muerte celular apoptótica, y las proteínas antiapoptóticas que inhiben la incontinencia de las mitocondrias y la activación de las caspasas dependiente del citocromo c y así funcionan como reguladoras de la apoptosis mitocondrial.

3 22 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones Vía mitocondrial (intrínseca) de la apoptosis. Las mitocondrias contienen varias proteínas que son capaces de inducir la apoptosis; estas proteínas incluyen el citocromo c y antagonistas de inhibidores citosólicos endógenos de la apoptosis. La elección entre la supervivencia y la muerte celular viene determinada por la permeabilidad mitocondrial, controlada por una familia de más de 20 proteínas, cuyo prototipo es Bcl-2. Cuando las células están privadas de factores de crecimiento y de hormonas tróficas, se hallan expuestas a agentes que dañan el ADN, o se acumulan cantidades inaceptables de proteínas mal plegadas, se activa un grupos de sensores. Algunos de estos sensores, que son miembros de la familia Bcl-2, activan a su vez dos miembros proapoptóticos de la familia denominados Bax y Bak, que se dimerizan, y se insertan en la membrana mitocondrial y forman conductos por los que se escapan al citosol el citocromo c y otras proteínas mitocondriales. Otros sensores relacionados inhiben las moléculas proapoptóticas Bcl-2 y Bcl-x L (v. más adelante), con el mismo resultado final, la fuga de las proteínas mitocondriales. El citocromo c, junto con algunos cofactores, activa la caspasa- 9, mientras que otras proteínas bloquean los antagonistas de las caspasas que funcionan como inhibidores fisiológicos de la apoptosis. El resultado neto es la activación de la cascada de las caspasas, que en último término lleva a la fragmentación nuclear. Si las células están expuestas a factores de crecimiento y otras señales de supervivencia, sintetizan miembros antiapoptóticos de la familia Bcl-2, cuyos dos miembros principales son la propia Bcl-2 y Bcl-x L. Estas proteínas antagonizan Bax y Bak y limitan de este modo el escape de las proteínas proapoptóticas mitocondriales. Las células privadas de factores de crecimiento no sólo activan las proteínas proapoptóticas, sino que también muestran unas menores concentraciones de Bcl-2 y de Bcl-x L, desequilibrando más aún el equilibrio hacia la muerte. La vía mitocondrial parece ser la vía responsable de la mayoría de las situaciones de apoptosis, como se describe más adelante. Vía de los receptores de muerte (extrínseca) de la apoptosis. Muchas células expresan moléculas de superficie, denominadas receptores de muerte, que desencadenan la apoptosis. La mayoría de éstas son miembros de la familia de receptores del factor de necrosis tumoral (TNF) que contienen en sus regiones citoplásmicas un «dominio de muerte» conservado, así denominado porque media en la interacción con otras proteínas. Los receptores de muerte proapoptóticos son el receptor tipo I para TNF y Fas (CD95). Fas-ligando (FasL) es una proteína de membrana expresada principalmente en los linfocitos T activados. Cuando estas células T reconocen dianas que expresan Fas, las moléculas Fas se entrecruzan por FasL, y se unen a proteínas adaptadoras, que a su vez se unen a la caspasa-8. El agrupamiento de muchas moléculas de caspasa lleva a su activación, comenzando de este modo la cascada de las caspasas. En muchos tipos celulares la caspasa-8 puede cortar y activar un miembro proapoptótico de la familia Bcl-2 denominado Bid, alimentando así la vía mitocondrial. La activación combinada de ambas vías asesta un golpe letal a la célula. Las proteínas celulares, en especial una antagonista de las caspasas denominada FLIP, bloquean la activación de las caspasas en fases posteriores de los receptores de muerte. Es interesante señalar que algunos virus producen homólogos de FLIP, y se sugiere que éste es un mecanismo utilizado por los virus para mantener vivas las células infectadas. La vía de los receptores de muerte está implicada en la eliminación de los linfocitos autorreactivos y en la destrucción de las células diana por algunos linfocitos T citotóxicos. Eliminación de las células apoptóticas. Las células apoptóticas sufren varios cambios en sus membranas que promueven su fagocitosis. En las células normales, la fosfatidilserina se halla presente en la capa interna de la membrana plasmática, pero en las células apoptóticas este fosfolípido «se suelta» y se expresa en la capa externa de la membrana, en donde es reconocido por los macrófagos. Las células que se están muriendo por apoptosis segregan también factores solubles que reclutan fagocitos. Se facilita así una rápida eliminación de las células muertas antes de que sufran daño membranario secundario y liberen sus contenidos celulares (lo que puede dar lugar a inflamación). Algunos cuerpos apoptóticos expresan glucoproteínas adhesivas que son reconocidas por los fagocitos, y los propios macrófagos producen proteínas que se unen a las células apoptóticas (pero no a las células vivas) y seleccionan como objetivo las células muertas para ser interiorizadas. Se ha demostrado que numerosos receptores de los macrófagos están implicados en la unión e interiorización de las células apoptóticas. Este proceso de fagocitosis de las células apoptóticas es tan eficiente que las células muertas desaparecen sin dejar rastro, y la inflamación está virtualmente ausente. Aunque hemos subrayado las distinciones entre necrosis y apoptosis, estas dos formas de muerte celular pueden coexistir y hallarse relacionadas mecánicamente. Por ejemplo, el daño en el ADN (observado en la apoptosis) activa una enzima denominada poli-adp(ribosa) polimerasa, que disminuye los aportes celulares de nicotinamida adenina dinucleótido, lo que lleva a una disminución en las concentraciones de ATP y, en último término, a la necrosis. En efecto, incluso en situaciones comunes, como la isquemia, se ha sugerido que la muerte celular temprana puede ser atribuida, en parte, a apoptosis, y la necrosis es el tipo dominante de muerte celular posteriormente, con el empeoramiento de la isquemia. Ejemplos de apoptosis Se sabe que la muerte celular en muchas situaciones está causada por apoptosis, y los ejemplos seleccionados listados a continuación ilustran la función de esta vía de muerte en la fisiología normal y en la enfermedad. Privación de factores de crecimiento. Las células sensibles a hormonas privadas de la hormona relevante, los linfocitos que no son estimulados por antígenos y citocinas, y las neuronas privadas del factor de crecimiento nervioso mueren por apoptosis. En todas estas situaciones, la apoptosis se ve desencadenada por la vía mitocondrial y es atribuible a la activación de miembros proapoptóticos de la familia Bcl-2 y a una menor síntesis de Bcl-2 y Bcl-x L. Daño en el ADN. La exposición de las células a la radiación o a agentes quimioterápicos induce daño en el ADN y si éste es lo suficientemente intenso que no puede ser reparado, desencadena la muerte apoptótica. Cuando se daña el ADN, se acumula la proteína p53 en las células. Detiene primero el ciclo celular (en la fase G 1 ) para dar tiempo a la reparación (Capítulo 6). Sin embargo, si el daño es demasiado grande para ser reparado con éxito, la proteína p53 desencadena la apoptosis, principalmente activando los sensores que a la larga activan Bax y Bak, y estimulando la síntesis de miembros proapoptó-

4 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones 23 Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. ticos de la familia Bcl-2. Cuando la proteína p53 está mutada o ausente (como en algunos cánceres), es incapaz de inducir la apoptosis, de modo que se permite a las células con el ADN dañado que sobrevivan. En tales células, el daño del ADN puede dar lugar a mutaciones o translocaciones que llevan a transformación neoplásica (Capítulo 6). Acumulación de proteínas mal plegadas. Durante la síntesis proteica normal, las chaperonas del RE controlan el plegamiento apropiado de las proteínas acabadas de sintetizar, y los polipéptidos mal plegados son ubicuitinados y seleccionados como diana para la proteólisis. No obstante, si las proteínas no plegadas o mal plegadas se acumulan en el RE por mutaciones heredadas o por estrés, inducen el «estrés del RE» que desencadena numerosas respuestas celulares, denominadas de forma colectiva respuesta de las proteínas no plegadas. Esta respuesta activa las vías de señalización que aumentan la producción de chaperonas y retrasan la traducción de las proteínas, reduciendo de este modo los niveles de proteínas mal plegadas en la célula. Sin embargo, si la respuesta es incapaz de hacer frente a la acumulación de proteínas mal plegadas, el resultado es la activación de caspasas que llevan a la apoptosis. La acumulación intracelular de proteínas anormalmente plegadas, causada por mutaciones, envejecimiento o factores ambientales desconocidos, se reconoce en la actualidad como característica de numerosas enfermedades neurodegenerativas, como las de Alzheimer, Huntington y Parkinson, y posiblemente la diabetes tipo II. La privación de glucosa y oxígeno y el estrés como el calor, dan lugar también a un mal plegamiento de las proteínas, culminando en la lesión y muerte celulares. Apoptosis de los linfocitos autorreactivos. Todos los individuos producen, habitualmente, linfocitos capaces de reconocer autoantígenos. Si estos linfocitos encuentran autoantígenos, las células mueren por apoptosis. Se ha implicado en este proceso tanto la vía mitocondrial como la vía de receptor de muerte Fas (Capítulo 5). No lograr la apoptosis de los linfocitos autorreactivos es una de las causas de enfermedades autoinmunitarias. Apoptosis mediada por linfocitos T citotóxicos. Los linfocitos T citotóxicos (CTL) reconocen antígenos extraños presentados en la superficie de células infectadas del huésped y células tumorales (Capítulo 5). Con la activación, las proteasas de los gránulos de los CTL, denominadas granzimas, penetran en las células diana. Las granzimas degradan las proteínas en los residuos de aspartato y son capaces de activar las caspasas celulares. De este modo, los CTL destruyen las células diana induciendo directamente la fase efectora de la apoptosis, sin comprometer mitocondrias o receptores de muerte. Los CTL expresan también FasL sobre su superficie y pueden destruir las células diana por ligadura de los receptores Fas. RESUMEN Apoptosis Mecanismo de muerte celular regulado que sirve para eliminar las células indeseadas e irreparablemente dañadas, con la menor reacción posible del huésped. Caracterizada por: degradación enzimática de las proteínas y del ADN, comenzada por caspasas; y reconocimiento y eliminación de las células muertas por los fagocitos. Comenzada por dos vías principales: La vía mitocondrial (intrínseca) es desencadenada por la pérdida de señales de supervivencia, daño del ADN y acumulación de proteínas mal plegadas (estrés del RE); asociación con fuga de proteínas proapoptóticas a partir de la membrana mitocondrial al citoplasma, en donde desencadenan la activación de caspasas; inhibida por los miembros antiapoptóticos de la familia Bcl, que son inducidos por las señales de supervivencia incluidos los factores de crecimiento. La vía de receptores de muerte (extrínseca) es responsable de la eliminación de linfocitos autorreactivos y daño por linfocitos T citotóxicos; se inicia por el compromiso de los receptores de muerte (miembros de la familia TNF) por ligandos en las células adyacentes. Esta descripción de la apoptosis concluye la descripción de la lesión celular y de la muerte celular; estos procesos son la causa originaria de muchas enfermedades comunes. Para finalizar este capítulo, se incluyen unas breves consideraciones de otros tres procesos: la acumulación intracelular de diversas sustancias y la acumulación extracelular de calcio, ambos asociados con frecuencia con lesión celular, y el envejecimiento celular. ACUMULACIONES INTRACELULARES Bajo ciertas circunstancias las células pueden acumular cantidades anormales de diversas sustancias, que pueden ser inocuas o asociarse con diversos grados de lesión. La sustancia puede localizarse en el citoplasma, en el interior de las organelas (típicamente lisosomas) o en el núcleo, y puede ser sintetizada por las células afectadas o producida en otra parte. Hay tres vías principales de acumulación intracelular anormal (Fig. 1-24): Se produce una sustancia normal a una velocidad normal o aumentada, pero la velocidad metabólica es inadecuada para eliminarla. Un ejemplo de este tipo de proceso es el cambio graso en el hígado. Una sustancia endógena normal o anormal se acumula debido a defectos genéticos o adquiridos en su plegamiento, empaquetado, transporte o secreción. Las mutaciones que causan un plegamiento y transporte defectuosos pueden llevar a acumulación de proteínas (p. ej., deficiencia en antitripsina 1 ). Un defecto hereditario en una enzima puede dar lugar a incapacidad para degradar un metabolito. Los trastornos resultantes reciben la denominación de tesaurismosis (Capítulo 7). Se deposita y acumula un sustancia exógena anormal porque la célula no tiene el mecanismo enzimático para degradar dicha sustancia ni la capacidad para transportarla a otros sitios. Las acumulaciones de partículas de carbón o de sílice son ejemplos de este tipo de alteración.

5 24 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones Célula normal Mutación de proteínas Sustrato de Productos complejos solubles Enzima 1 Metabolismo anormal 2 Defecto en el plegamiento y transporte de proteínas 3 Ausencia de enzima Hígado graso Acumulación de proteínas anormales Sustrato de complejos Tesaurismosis lisosómica: acumulación de materiales endógenos Cambio graso (esteatosis). El término cambio graso hace referencia a cualquier acumulación anormal de triglicéridos en el interior de las células parenquimatosas. Lo más frecuente es observarlo en el hígado, dado que este órgano es el principal implicado en el metabolismo de las grasas, pero puede darse también en el corazón, músculo esquelético, riñón y otros órganos. La esteatosis puede estar causada por toxinas, malnutrición proteica, diabetes mellitus, obesidad y anoxia. El abuso de alcohol y la diabetes asociada con obesidad son las causas más comunes de cambio graso (hígado graso) en el hígado en las naciones industrializadas. Los ácidos grasos libres del tejido adiposo o del alimento ingerido son normalmente transportados a los hepatocitos, en donde son esterificados a triglicéridos, convertidos a colesterol o fosfolípidos, u oxidados a cuerpos cetónicos (Fig. 1-25A). Algunos ácidos grasos libres son también sintetizados a partir del acetato dentro de los hepatocitos. La salida de triglicéridos de los hepatocitos requiere la formación de complejos con apoproteínas para formar lipoproteínas, que son capaces de entrar en la circulación (Capítulo 7). Una acumulación excesiva de triglicéridos puede ser la consecuencia de defectos en cualquier etapa desde la entrada de los ácidos grasos hasta la salida de las lipoproteínas, explicando así la ocurrencia del hígado graso después de diversos ataques hepáticos. Las hepatotoxinas (p. ej., alcohol) alteran la función mitocondrial y del RE e inhiben así la oxidación de los ácidos grasos; el CCl 4 y la malnutrición proteica disminuyen la síntesis de apoproteínas; la anoxia inhibe la oxidación de los ácidos grasos; y la inanición aumenta la movilización de ácidos grasos de los depósitos periféricos. La significación del cambio hepático depende de la causa e intensidad de la acumulación. Cuando es ligera puede no tener efecto sobre la función celular. Un cambio graso más intenso puede de modo transitorio alterar la función celular, pero a menos que algún proceso intracelular vital esté irreversiblemente alterado (p. ej., en la intoxicación por CCl 4 ), el cambio graso es reversible. En la forma grave, el cambio graso puede preceder a la muerte celular y puede ser una lesión temprana en una hepatopatía grave denominada esteatohepatitis no alcohólica (Capítulo 16). Figura Ingestión de materiales indigeribles Acumulación de materiales exógenos Mecanismos de la acumulación intracelular. (1) Metabolismo anormal, como en el cambio graso en el hígado. (2) Mutaciones que causan alteraciones en el plegamiento y transporte de las proteínas, de modo que se acumulan moléculas defectuosas en el interior de la célula. (3) Deficiencia de enzimas críticas responsables de la degradación de ciertos compuestos, que causan la acumulación de sustratos en los lisosomas, como en las tesaurismosis lisosómicas. (4) Incapacidad para degradar las partículas fagocitadas, como en la acumulación del pigmento de carbón. Morfología En cualquier localización, la acumulación grasa se muestra en forma de vacuolas transparentes dentro de las células parenquimatosas. Se requieren técnicas de tinción especiales para distinguir la grasa del agua intracelular o del glucógeno, que pueden producir también vacuolas transparentes pero tienen una significación diferente. Para identificar la grasa microscópicamente, los tejidos han de ser procesados para ser seccionados sin los solventes utilizados típicamente en la preparación de muestras. Por consiguiente, las porciones tisulares son generalmente congeladas para permitir el corte de secciones finas para el examen histológico; la grasa se identifica a continuación por tinción con Sudan IV u oil red O (tiñe la grasa de color rojo-naranja). Se puede identificar el glucógeno por tinción para polisacáridos utilizando el ácido peryódico de Schiff (que tiñe el glucógeno de rojo-violeta). Si las vacuolas no se tiñen para grasa o glucógeno, presumiblemente están compuestas principalmente de agua. El cambio graso se observa muy comúnmente en el hígado y en el corazón. Un cambio graso ligero en el hígado puede no afectar a su aspecto macroscópico. Al incrementar la acumula-

6 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones 25 Ácidos grasos libres α-glicerofosfato Apoproteína Ácidos grasos Triglicéridos Acetato Oxidación a cuerpos cetónicos CO 2 Fosfolípidos CATABOLISMO Ésteres de colesterol Lipoproteínas B A Acumulación de lípidos Figura 1-25 Hígado graso. A, posibles mecanismos que llevan a la acumulación de triglicéridos en el hígado graso. Las alteraciones en cualquiera de las etapas de captación, catabolismo o secreción pueden llevar a la acumulación de lípidos. B, detalle a gran aumento del cambio graso en el hígado. En la mayoría de las células, el núcleo bien preservado se apretuja en el ribete desplazado del citoplasma alrededor de la vacuola grasa. (B, cortesía del doctor James Crawford, Department of Pathology, University of Florida School of Medicine, Gainesville, Florida.) Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. ción, el órgano aumenta de volumen y progresivamente se vuelve amarillo hasta que, en casos extremos, puede pesar de 3 a 6 kg (1,5-3 veces el peso normal) y tener un aspecto de color amarillo brillante, blando y graso. Se observa un cambio graso temprano por microscopia óptica en forma de pequeñas vacuolas grasas en el citoplasma alrededor del núcleo. En estadios posteriores, las vacuolas se fusionan para crear espacios vacíos que desplazan el núcleo a la periferia celular (Fig. 1-25B). En ocasiones, las células contiguas se rompen y los glóbulos grasos encerrados se unen para producir los denominados quistes grasos. En el corazón el lípido se encuentra en forma de pequeñas gotitas, que se dan en forma de uno de dos patrones. Una hipoxia moderada prolongada (como en la anemia grave) da lugar a depósitos de grasa intracelular focales, creando unas bandas macroscópicas de miocardio de color amarillo que se alternan con bandas de un corazón no afectado más oscuras, de color rojo-pardo (efecto «atigrado»). El otro patrón del cambio graso está producido por una hipoxia más profunda o por algunas formas de lesión tóxica (p. ej., difteria) y muestra unos miocitos afectados de modo más uniforme. Colesterol y ésteres de colesterol. El metabolismo celular del colesterol se halla regulado de modo muy ajustado para asegurar una síntesis de la membrana celular normal sin acumulación intracelular significativa. No obstante, las células fagocíticas pueden llegar a estar sobrecargadas de lípidos (triglicéridos, colesterol y ésteres de colesterol) en diversos procesos patológicos. Los macrófagos en contacto con restos de lípidos de las células necróticas o formas anormales (p. ej., oxidadas) de lipoproteínas pueden llegar a estar atestados con lípido fagocitado. Estos macrófagos pueden hallarse repletos de vacuolas de lípidos diminutas unidas a la membrana, impartiendo un aspecto espumoso a su citoplasma (células espumosas). En la aterosclerosis, las células musculares lisas y los macrófagos se hallan repletos de vacuolas lípidas compuestas de colesterol y de ésteres de colesterol; confieren a las placas ateroscleróticas su color amarillo característico y contribuyen a la patogenia de la lesión (Capítulo 10). En los síndromes hiperlipémicos hereditarios y adquiridos, los macrófagos acumulan colesterol intracelular; cuando están presentes en el tejido conjuntivo subepitelial de la piel o en los tendones, las agrupaciones de estos macrófagos espumosos forman masas denominadas xantomas. Proteínas. Las acumulaciones de proteínas morfológicamente visibles son mucho menos comunes que las acumulaciones de lípidos; pueden producirse porque se presentan excesos a las células o porque las células sintetizan cantidades excesivas. En el riñón, por ejemplo, cantidades mínimas de albúmina filtrada a través del glomérulo son reabsorbidas normalmente por pinocitosis en los túbulos contorneados proximales. No obstante, en los trastornos con importante fuga de proteínas a través del filtro glomerular (p. ej., síndrome nefrótico), hay una reabsorción muy superior de proteínas. Las vesículas pinocíticas que contienen estas proteínas se fusionan con los lisosomas, lo que da lugar al aspecto histológico de gotitas citoplásmicas hialinas de color rosa (Fig. 1-26). El proceso es reversible; si cede la proteinuria, las gotitas de proteínas son metabolizadas y desaparecen. Otro ejemplo es la acusada acumulación de inmunoglobulinas recién sintetizadas que puede producirse en el RER de algunas células plasmáticas, formando los cuerpos de Rusell eosinófilos redondeados. También se observan acumulaciones de proteínas intracelulares en ciertos tipos de lesión celular. Por ejemplo, el cuerpo de Mallory, o «hialina alcohólica», es una inclusión eosinofílica citoplásmica en las células hepáticas que es muy característica de la hepatopatía alcohólica (Capítulo 16). Tales inclusiones están compuestas principalmente de filamentos intermedios agregados que presumiblemente resisten la degradación. La maraña neurofibrilar que se encuentra en

7 26 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones Pigmentos. Los pigmentos son sustancias coloreadas que o bien son exógenas, procedentes del exterior del organismo, o endógenas, sintetizadas en el interior de éste. Figura 1-26 Reabsorción de proteínas en forma de gotitas en el epitelio tubular renal. (Cortesía del doctor Helmut Rennke, Department of Pathology, Brigham and Women s Hospital, Boston, Massachusetts.) el cerebro de la enfermedad de Alzheimer es una inclusión de agregados de proteínas asociados a microtúbulos y neurofilamentos, reflejo de la desestructuración del citoesqueleto neuronal (capítulo 23). Glucógeno. Unos depósitos intracelulares excesivos de glucógeno se asocian con anormalidades en el metabolismo de la glucosa o del glucógeno. En una diabetes mellitus mal controlada, el ejemplo principal del metabolismo anómalo de la glucosa, se acumula glucógeno en el epitelio tubular renal, miocitos cardíacos y células de los islotes de Langerhans. Se acumula también glucógeno en el interior celular en un grupo de trastornos genéticos estrechamente relacionados denominados de modo colectivo enfermedades de almacenamiento del glucógeno, o glucogenosis (Capítulo 7). En estas enfermedades, los defectos enzimáticos en la síntesis o degradación del glucógeno dan lugar a una acumulación masiva que, de modo secundario, lleva a lesión y muerte celulares. El pigmento exógeno más común es el carbón (un ejemplo es el polvo de carbón), contaminante ambiental ubicuo en la vida urbana. Cuando es inhalado, es fagocitado por los macrófagos alveolares y transportado a través de los conductos linfáticos a los ganglios linfáticos traqueobronquiales regionales. Los agregados del pigmento ennegrecen los ganglios linfáticos y el parénquima pulmonar (antracosis). Unas grandes acumulaciones pueden inducir el desarrollo de enfisema o una reacción fibroblástica que puede dar lugar a una neumopatía grave denominada neumoconiosis de los trabajadores del carbón (Capítulo 13). Los pigmentos endógenos incluyen la lipofuscina, la melanina y ciertos derivados de la hemoglobina. La lipofuscina, o pigmento del desgaste, es un material intracelular granuloso insoluble de color amarillo pardusco que se acumula en una variedad de tejidos (sobre todo en el corazón, hígado y cerebro) en función de la edad o atrofia. La lipofuscina representa complejos de lípidos y proteínas que derivan de la peroxidación catalizada por radicales libres de lípidos poliinsaturados de las membranas subcelulares. No es lesiva para las células pero es un importante marcador de una lesión anterior por radicales libres. El pigmento pardo (Fig. 1-27), cuando se halla en grandes cantidades, imparte un aspecto al tejido que se denomina atrofia parda. Al microscopio electrónico, el pigmento aparece como gránulos perinucleares electrodensos (Fig. 1-27B). La melanina es un pigmento endógeno de color pardonegro producido en los melanocitos después de una oxidación de la tirosina a dihidroxifenilalanina catalizada por la tirosinasa. Es sintetizada exclusivamente por los melanocitos localizados en la epidermis y actúa como pantalla frente a la radiación ultravioleta dañina. Aunque los melanocitos son la única fuente de melanina, los queratinocitos basales adyacentes de la piel pueden acumular el pigmento (p. ej., en las pecas), al igual que los macrófagos dérmicos. A B Figura 1-27 Gránulos de lipofuscina en un miocito cardíaco. A, microscopia óptica (depósitos indicados por flechas). B, microscopia electrónica. Obsérvese la localización intralisosómica perinuclear.

8 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones 27 La hemosiderina es un pigmento granular derivado de la hemoglobina, con un color de amarillo dorado a pardo y se acumula en los tejidos en donde hay un exceso local o sistémico de hierro. El hierro es normalmente almacenado dentro de las células en asociación con la proteína apoferritina, formando micelas de ferritina. El pigmento hemosiderina representa grandes agregados de estas micelas de ferritina, fácilmente visualizados por microscopia óptica y electrónica; el hierro puede identificarse sin ambigüedad por la reacción histoquímica del azul de Prusia (Fig. 1-28). Aunque la acumulación de hemosiderina suele ser patológica, pequeñas cantidades de este pigmento son normales en los fagocitos mononucleares de la médula ósea, bazo e hígado, en donde hay una degradación eritrocitaria. El exceso local de hierro y, en consecuencia, de hemosiderina, es consecuencia de hemorragia. El mejor ejemplo es el cardenal común. Después de la lisis de los hematíes en el sitio de hemorragia, los restos de los hematíes son fagocitados por los macrófagos; el contenido de hemoglobina es catabolizado a continuación por los lisosomas con acumulación del hierro heme en la hemosiderina. La gama de colores por los que pasa la equimosis refleja estas transformaciones. El color rojo-azul original de la hemoglobina es transformado a tonos variables de verde-azul por la formación local de biliverdina (bilis verde) y bilirrubina (bilis roja) del fragmento del heme; los iones de hierro de la hemoglobina se acumulan en forma de hemosiderina de color amarillo-dorado. Cuando se produce una sobrecarga sistémica de hierro, la hemosiderina se deposita en muchos órganos y tejidos, lo que se denomina hemosiderosis (Capítulo 12). Se encuentra al principio en los fagocitos mononucleares del hígado, médula ósea, bazo y ganglios linfáticos y en macrófagos dispersos por todos los otros órganos. Al producirse una acumulación progresiva, las células parenquimatosas de todo el organismo (pero principalmente el hígado, páncreas, corazón y órganos endocrinos) se vuelven «bronceadas» a medida que se va acumulando el pigmento. Se produce hemosiderosis en el marco de: 1) un aumento de la absorción del hierro de la alimentación; 2) alteración en la utilización del hierro; 3) anemias hemolíticas, y 4) transfusiones (los hematíes transfundidos constituyen una carga exógena de hierro). En la mayoría de los casos de hemosiderosis sistémica, el pigmento de hierro no daña las células parenquimatosas ni altera la función del órgano a pesar de acumulaciones impresionantes (Fig. 1-28). Sin embargo, se observan acumulaciones más extensas de hierro en la hemocromatosis hereditaria (Capítulo 16), con lesión tisular que incluye fibrosis hepática, insuficiencia cardíaca y diabetes mellitus. CALCIFICACIÓN PATOLÓGICA La calcificación patológica es un proceso común en una amplia variedad de estados patológicos; implica la sedimentación anormal de sales de calcio, junto con pequeñas cantidades de hierro, magnesio y otros minerales. Cuando se produce la acumulación en tejidos muertos o que se están muriendo, se denomina calcificación distrófica; se produce en ausencia de trastornos metabólicos del calcio (es decir, con concentraciones séricas normales de calcio). Sin embargo, la acumulación de sales de calcio en los tejidos normales se conoce como calcificación metastásica y casi siempre refleja un cierto deterioro en el metabolismo del calcio (hipercalcemia). Debe observarse que mientras que la hipercalcemia no es un requisito para la calcificación distrófica, la puede exacerbar. Calcificación distrófica. La calcificación distrófica se encuentra en áreas de necrosis de cualquier tipo. Es virtualmente inevitable en los ateromas de la aterosclerosis avanzada, asociada con lesión de la íntima en la aorta y grandes arterias y se caracteriza por la acumulación de lípidos (Capítulo 10). Aunque la calcificación distrófica puede ser un hallazgo incidental que indica una lesión celular pasada insignificante, puede ser también causa de disfunción de un órgano. Por ejemplo, puede desarrollarse calcificación en las válvulas cardíacas envejecidas o dañadas, lo que da lugar a un movimiento valvular muy limitado. La calcificación distrófica de las válvulas aórticas es una causa importante de estenosis aórtica en las personas de edad avanzada (Fig. 1-29). Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. A Figura 1-28 Gránulos de hemosiderina en las células hepáticas. A, sección teñida con H&E que muestra un pigmento finamente granular de color dorado-pardo. B, reacción del azul de Prusia, específica del hierro. B

9 28 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones paratiroideos primarios o a la producción de proteína relacionada con la hormona paratiroidea por otros tumores malignos; 2) destrucción de hueso, debida a los efectos de un recambio acelerado (p. ej., enfermedad de Paget), inmovilización, o tumores (aumento del catabolismo óseo asociado con mieloma múltiple, leucemia o metástasis esqueléticas difusas); 3) trastornos relacionados con la vitamina D, que incluyen intoxicación por vitamina D y sarcoidosis (en la que los macrófagos activan un precursor de la vitamina D), y 4) insuficiencia renal, en la que la retención de fosfato lleva a hiperparatiroidismo secundario. Morfología Figura 1-29 Calcificación de la válvula aórtica. Vista desde arriba de una válvula aórtica no abierta en un corazón con estenosis aórtica calcificada. Las valvas semilunares están engrosadas y fibróticas. Detrás de cada valva se encuentran masas grandes e irregulares de calcificación distrófica que impiden una apertura normal de las valvas. La calcificación metastásica puede producirse extensamente por todo el organismo pero afecta principalmente a los tejidos intersticiales de la vasculatura, riñones, pulmones y mucosa gástrica. Los depósitos de calcio se asemejan morfológicamente a los descritos en la calcificación distrófica. Aunque por lo general no causan disfunción clínica, las calcificaciones extensas en los pulmones pueden producir radiografías muy notables y déficits respiratorios, y los depósitos masivos en el riñón (nefrocalcinosis) pueden causar daño renal. Morfología Con independencia del sitio, las sales de calcio se muestran macroscópicamente como gránulos o grumos blancos finos, que al tacto se sienten como depósitos arenosos. En ocasiones, un ganglio linfático tuberculoso se convierte esencialmente en una piedra radiopaca. Histológicamente, la calcificación se muestra como depósitos basófilos intracelulares, extracelulares o de ambos tipos. Con el tiempo, puede formarse hueso heterotópico en el foco de calcificación. La patogenia de la calcificación distrófica implica la iniciación (o nucleación) y la propagación, y ambas pueden ser intracelulares o extracelulares; el producto final a la larga es la formación de fosfato de calcio cristalino. La iniciación en sitios extracelulares se produce en vesículas rodeadas de membrana de aproximadamente 200 nm de diámetro; en el cartílago y hueso normales se las conoce como vesículas de la matriz y en la calcificación patológica derivan de células en degeneración. Se piensa que el calcio se concentra inicialmente en estas vesículas por su afinidad por los fosfolípidos de la membrana, mientras que los fosfatos se acumulan como resultado de la acción de fosfatasas unidas a la membrana. La iniciación de la calcificación intracelular se produce en las mitocondrias de las células muertas o que se están muriendo y que han perdido su capacidad para regular el calcio intracelular. Después de la iniciación en cualquier localización se produce la propagación de la formación de cristales. Este fenómeno depende de la concentración de Ca 2+ y de PO 4 en los espacios extracelulares, presencia de inhibidores minerales, y grado de colagenización, que favorece la velocidad del crecimiento de los cristales. Calcificación metastásica. La calcificación metastásica puede producirse en los tejidos normales cuando hay hipercalcemia. Las cuatro causas principales de hipercalcemia son: 1) aumento de la secreción de hormona paratiroidea, debido a tumores RESUMEN Depósitos y calcificaciones intracelulares anormales Los depósitos anormales de materiales en las células y en los tejidos son consecuencia de un aporte excesivo o de un transporte o catabolismo defectuosos. Depósitos de lípidos: Cambio graso: acumulación de triglicéridos libres en las células, resultado de una ingesta excesiva o de un transporte defectuoso (con frecuencia debido a defectos en la síntesis de las proteínas de transporte); manifestación de lesión celular reversible. Depósitos de colesterol: resultado de un catabolismo defectuoso y de una ingesta excesiva; en los macrófagos y células musculares lisas de las paredes vasculares en la aterosclerosis. Depósitos de proteínas: proteínas reabsorbidas en los túbulos renales; inmunoglobulinas en las células plasmáticas. Depósitos de glucógeno: en los macrófagos de los pacientes con defectos en las enzimas lisosómicas que metabolizan el glucógeno (tesaurismosis de glucógeno). Depósito de pigmentos: pigmentos típicamente indigestibles, como carbón, lipofuscina (producto de desecho de la peroxidación de los lípidos), hierro (por lo general, debido a sobrecarga, como en la hemosiderosis). Calcificaciones patológicas: Calcificación distrófica: depósito de calcio en sitios de lesión celular y de necrosis. Calcificación metastásica: depósito de calcio en tejidos normales, causado por hipercalcemia (por lo general, como consecuencia de un exceso de hormona paratiroidea).

10 CAPÍTULO 1 Lesión celular, muerte celular y adaptaciones 29 ENVEJECIMIENTO CELULAR El envejecimiento celular es el resultado de un declinar progresivo en la capacidad proliferativa, de la duración de la vida de las células y de los efectos de una exposición continuada a factores exógenos que causan acumulación de daño celular y molecular (Fig. 1-30). El proceso de envejecimiento está conservado desde las levaduras hasta los humanos y, al menos en los organismos de modelos simples, parece que está regulado por un número limitado de genes. La idea de que el envejecimiento está controlado por unos genes particulares ha espoleado un enorme interés en la definición de sus vías moleculares y en diseñar vías para manipular un proceso que otrora era considerado inexorable. Se sabe o se sospecha de varios mecanismos responsables del envejecimiento celular. Daño en el ADN. El envejecimiento celular se asocia con un aumento en el daño en el ADN, que puede suceder durante la replicación normal de éste y verse aumentado por radicales libres. Aunque la mayor parte del daño en el ADN es reparado por las enzimas de reparación de éste, persiste parte del daño y se va acumulando a medida que envejece la célula. Algunos síndromes del envejecimiento se asocian con defectos en los mecanismos de reparación del ADN, y la duración de la vida de los animales modelo puede aumentar si se favorecen las respuestas al daño en el ADN o si se introducen proteínas que estabilizan el ADN. De hecho, la intervención que de modo más consistente ha prolongado la duración de la vida en la mayoría de las especies es la restricción calórica. Se ha propuesto recientemente que la restricción calórica impone un nivel de estrés que activa las proteínas de la familia Sirtuina, como Sir2, que funcionan como histona desacetilasas. Estas proteínas pueden desacetilar y de este modo activar las enzimas reparadoras del ADN, estabilizándolo; en ausencia de estas proteínas, el ADN es propenso al daño. Disminución de la replicación celular. Todas las células normales tienen una capacidad limitada de replicación, y después de un número fijo de divisiones la célula se detiene en un estado terminal en que no se divide, conocido como senescencia replicativa. El envejecimiento se asocia con una senescencia replicativa progresiva de las células. Las células de los niños tienen la capacidad de experimentar más ciclos de replicación que las de las personas mayores. Sin embargo, las células de los pacientes con síndrome de Werner, rara enfermedad caracterizada por un envejecimiento prematuro, tienen una duración de la vida in vitro acusadamente reducida. En las células humanas, el mecanismo de senescencia replicativa implica una replicación incompleta y un acortamiento progresivo de los telómeros, lo que en último término da lugar a parada del ciclo celular. Los telómeros son cortas secuencias repetidas de ADN presentes en las terminaciones lineales de los cromosomas y son importantes para asegurarse una replicación completa de las terminaciones cromosómicas y proteger a las terminaciones para que no se fusionen y se degraden. Cuando las células somáticas se replican, una pequeña sección del telómero no se duplica, y los telómeros se vuelven progresivamente más cortos. A medida que se vuelven más cortos, las terminaciones de los cromosomas no pueden ser protegidas y se observan como ADN roto, que señaliza la parada del ciclo celular. Por lo general, se mantienen las longitudes de los telómeros por adición de nucleótidos mediada por una enzima denominada telomerasa. Ésta es un complejo ARN-proteína especializada que utiliza su propio ARN como molde para añadir nucleótidos a los extremos de los cromosomas. La actividad telomerásica se expresa en las células germinales y se halla presente a bajos niveles en las células madre, pero suele estar ausente en la mayoría de los tejidos somáticos (Fig. 1-31). Por consiguiente, a medida que las células envejecen sus telómeros se vuelven más cortos y abandonan el ciclo celular, lo que da lugar a incapacidad para generar nuevas células con las que reemplazar las dañadas. A la inversa, en las células cancerosas inmortales, la telomerasa es reactivada y los telómeros no están acortados, lo que sugiere que la elongación telomérica podría ser una etapa importante, posiblemente esencial, en la for- Defectos en la reparación de ADN Agresiones ambientales Radicales libres Restricción calórica Acortamiento de telómeros Señalización de factores de crecimiento (p. ej., insulina/igf) Agresiones ambientales Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Figura 1-30 Daño en el ADN Acumulación de mutaciones Activación de proteínas estabilizadoras del ADN (p. ej., familia de proteínas Sirtuina) Senescencia replicativa ENVEJECIMIENTO CELULAR Mecanismo? Radicales libres Daño en proteínas y organelas Mecanismos del envejecimiento celular. Entre las diversas vías que contribuyen al envejecimiento de las células y organismos, muchas han sido definidas en modelos de organismos simples, y su relevancia en relación con el envejecimiento en humanos sigue siendo un área de activa investigación. IGF, factor de crecimiento del tipo insulina.