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Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I M 11 de Febrero del 2015 Julio/Agosto/etc 13:05 – 14:10 Dr. Donato Normalmente las células tienen cierta capacidad de adaptación, cuando el estrés sobre una célula es tan intenso que no se puede reparar se va a dar una primer lesión y luego comienza la muerte celular. Otros factores que generan que la célula evolucione hacia la muerte son: estar expuesta a agentes dañinos o poseer un daño estructural como por ejemplo proteínas mal plegadas. Primero se genera una lesión reversible lo que quiere decir que si se detiene el estímulo o la célula puede reparar el daño se puede revertir a un estado normal. Llega el punto en la lesión en el que los mecanismos internos ya están tan dañados que la lesión se vuelve irreversible y la célula evoluciona hacia la muerte. El principal daño irreversible es el daño en la membrana celular de los lisosomas que tienen enzimas que pueden provocar la lisis celular o el daño a las mitocondrias ya que estas brindan la energía a las células. La muerte celular se da por dos patrones: la necrosis y la apoptosis. Necrosis La necrosis se presenta cuando las enzimas de los lisosomas salen y digieren las células. La célula se hincha y “explota” lo que ocasiona la salida del contenido provocando una respuesta inflamatoria. Las causas que pueden producir necrosis son: estímulos externos como isquemia, en caso de un infarto agudo de miocardio lo que genera que no llegue ni sangre ni oxígeno, toxinas, infecciones, traumas, generalmente todo lo que sea un estímulo muy grande y externo al funcionamiento de las células (estímulo patológico). Apoptosis Cuando la célula detecta que está dañada y al detectar que hay algo mal entra en una programación de muerte para eliminarse. Sucede cuando hay daño en el ADN, daño en las proteínas no reparables o cuando la célula es desprovista de factores de crecimiento. Lo que sucede es la disolución del núcleo y la pérdida de las membranas generando los cuerpos apoptóticos y al no haber salida de los contenidos celulares no hay una respuesta inflamatoria. Puede ser fisiológico ya que así es como se mueren las células normalmente cuando el cuerpo no las necesita o patológico ya que los mismos estímulos de la necrosis cuando no son muy intensos pero algunas de las estructuras celulares sí quedan dañadas se genera apoptosis. Las células macrofágicas finamente fagocitan los cuerpos apoptóticos. 1 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Figura 1. Comparación entre necrosis y Apoptosis. Causas de la lesión Deprivación de oxigeno La hipoxia se genera cuando hay una diminución del oxígeno que llega a la célula y se diferencia de la isquemia en que en esta última no llega sangre por lo que tampoco llegan otros nutrientes importantes. La hipoxia se puede presentar en un paciente con EPOC que tiene bajos niveles de oxígeno en la sangre, neumonía, respiración con CO o anemia. El oxígeno es utilizado en la fosforilación oxidativa mitocondrial por lo que se deja de producir ATP al haber deprivación de oxígeno. Agentes químicos Se pueden incluir sustancias que al principio parecen inocuas como agua, sal, glucosa ya que cuando aumenta o disminuye su concentración se generan desequilibrios osmolares, por ejemplo los pacientes diabéticos que poseen una alta concentración de glucosa en la sangre. También entre los agentes químicos se encuentran los venenos que dañan las membranas y enzimas, insecticidas, drogas, fármacos y contaminación. Agentes infecciosos Por ejemplo los virus, parásitos, etc. que afectan de forma diferente la célula. Reacciones inmunes Cuando el sistema inmune ataca a las mismas células en lugar de defender al organismo. Factores genéticos Alteraciones cromosómicas como trisomías o mutaciones puntales que afecten enzimas o la formación de proteínas. 2 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Desbalances nutricionales Como por ejemplo cuando el cuerpo presenta déficit de vitaminas u obesidad. En la obesidad por ejemplo en el hígado la acumulación de tejido graso puede ocasionar daño celular. Agentes físicos Hipertermia, hipotermia, radiación, electricidad, cambios en la presión atmosférica. Envejecimiento Altera la capacidad de replicación y reparación de las células lo que las vuelve más susceptibles a sufrir daño. Los cambios en la célula al sufrir una lesión Primero se dan cambios en la función celular, luego muerte celular y finalmente se dan cambios morfológicos. Por ejemplo un infarto al miocardio lo primero que sucede en los primeros dos minutos es que el corazón deja de latir, de 20 a 30 minutos se da la muerte celular, de 2 a 3 horas se observan cambios con microscopia electrónica y hasta 6 o 12 horas después se ven los cambios en microscopia de luz. Incluso los cambios macroscópicos se observan de 12 a 24 horas luego de la muerte celular. Figura 2. Cambios celulares al momento de sufrir una lesión irreversible. Se observa como primero se afecta la función celular, luego se dan los cambios bioquímicos y estructurales, luego estos cambios pueden ser observables en microscopio de luz y finalmente se dan cambios macroscópicos. Los principales cambios irreversibles son: - Daño a membranas lisosomales: tienen enzimas que pueden digerir la célula si se liberan y si se pierde la membrana celular. Daño a mitocondrias: son las que producen energía. 3 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Cambios en microscopio de luz cuando la lesión es reversible: Se genera una hinchazón celular al haber daño en las bombas de iones lo que genera que estos se acumulen a nivel intracelular e ingresen fluidos a la célula por gradiente osmótico. Se puede manifestar en: aumento de tamaño o aparición de vacuolas claras en el citoplasma lo que se llama cambio hidrópico o degeneración vacuolar. También se observa un cambio graso, el cual no es porque se acumulen triglicéridos o colesterol si no que a nivel del hígado o del corazón, en donde se metabolizan las grasas, cuando las células se dañan no funcionan adecuadamente y se acumulan grasas dentro del citoplasma. Necrosis Muerte celular asociada a la pérdida de membranas y salida de contenidos celulares lo que llama a una respuesta inflamatoria y se inician los procesos de reparación. La digestión enzimática es dada por las enzimas lisosomales de las células dañadas o los leucocitos que llegan que también van a liberar los contenidos lisosomales. Cambios morfológicos: - - Citoplasmáticos: eosinofilia (célula más rosada por la eosina) debido a la desnaturalización de las proteínas y también por la pérdida del ARN. Recordar que la hematoxilina tiñe los núcleos con ADN y un poco el ARN por lo que al perder el ARN la célula lesionada se pierde se pierde la leve tinción con hematoxilina. Aparecen también en el citoplasma vacuolas y figuras de mielina por la degeneración de los fosfolípidos. El núcleo puede tener 3 patrones: Kariolisis o desvanecimiento del núcleo, Picnosis o concentración de los contenidos nucleares al hacerse pequeño y Kariorrexis o fragmentación nuclear. Una vez se da la muerte celular se genera inflamación y la célula muerta se transforman en figuras de mielina o se pueden calcificar. 4 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Figura 3. Tipos de destrucción nuclear durante la Necrosis Patrones de necrosis Son importantes porque dependiendo de la causa de muerte algunos patrones se repiten en órganos, y otros son específicos de algunas enfermedades. Por lo que brindan pistas de que le ocurrió al tejido necrosado. Coagulativa: “Como que se coagula el tejido” por lo que se conserva la estructura del órgano y se reconoce fácilmente. Lo que un observa es el fantasma de lo que era el tejido, esto debido a que las proteínas se desnaturalizan y se piensa que incluso las enzimáticas lo que permite mantener la estructura fundamental de las células. Generalmente los infartos generan una necrosis coagulativa excepto el de cerebro. Figura 4. Necrosis coagultiva en riñón. En la figura 4 se observa un riñón con un infarto y en el corte histológico se reconoce tejido viable, los túbulos del lado derecho tienen necrosis coagulativa pero todavía se reconoce que es tejido renal. El tejido necrosado es más eosinofílico por la desnaturalización de las proteínas y la perdida de ácidos nucleicos. Otro aspecto importante es que las células necrosadas pierden el núcleo y otra característica es la presencia de células inflamatorias agudas. Licuefactiva: “Es como si agarran el tejido y lo echaran en una licuadora.” La necrosis licuefactiva generalmente se da por infecciones de bacterias pirógenas y algunos hongos que llegan al tejido lo destruyen y se da la formación de pus. El pus es un líquido color verdoso que es un “puré” de bacterias, células muertas y células inflamatorias, lo que genera que macroscópicamente solo se observe el pus y no la estructura del órgano. También Induce una intensa respuesta leucocitaria. Es la que se da cuando se presenta isquemia cerebral. 5 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Figura 5. Necrosis licuefactiva en cerebro. Gangrenosa: No es un patrón distintivo es más un término clínico patológico y se usa para necrosis de miembros inferiores por isquemia a la cual se agrega una sobreinfección bacteriana. Caseosa: Se da por tuberculosis o algunos hongos, posee un aspecto caseoso que se asemeja al queso cuando se observa macroscópicamente. Cuando se observa histológicamente se ve un tejido licuado que está rodeado por granulomas que son estructuras formadas por macrófagos epiteloides (recuerdan células epiteliales debido al citoplasma eosinofílico). Los macrófagos a veces se juntan y hacen células gigantes. Los granulomas pueden ser no caseosos en otro tipo de enfermedades pero son caseosos cuando poseen el centro necrótico, lo que ayuda a diferenciar procesos infecciosas de otros procesos como cuerpos extraños no asociados a infecciones. Figura 6. Necrosis caseosa. 6 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Grasa: Se presenta casi exclusivamente en pancreatitis. Al inflamarse el páncreas se da la liberación de enzimas pancreáticas y se auto digiere la grasa que esta alrededor del tejido pancreático lo que produce la grasa necrótica que es un sitio donde puede llegar a adherirse fácilmente el calcio a lo que se le llama Saponificación. De manera histológica se observan sombras de grasa necrótica y depósitos basófilos que son el calcio. Figura 7. Necrosis Grasa. En la figura 7 las zonas blancas muestran los depósitos de calcio e histológicamente se ven los fantasmas de la grasa que no tienen núcleos y se observa alrededor depósitos de calcio. Fibrinoide: Es el único tipo visible únicamente histológicamente, lo que quiere decir que macroscópicamente no se observan cambios. Generalmente está limitado a los vasos sanguíneos y sobre todo cuando hay una enfermedad autoinmune por lo que se depositan los antígenos y anticuerpos en su pared generando una reacción inflamatoria que produce una necrosis de la pared. Como hay salida de fibrina del plasma se genera una coloración más eosinofílica (rosada brillante). Figura 8. Necrosis fibrinoide La salida de proteínas intracelulares puede detectarse en la sangre de ciertos tejidos y esto puede ayudar a detectar lesiones en los órganos. Los pacientes con infartos tienen elevada la creatin quinasa y la troponina. Cuando se da una obstrucción de Conductos biliares se libera fosfatasa alcalina y cuando hay destrucción de Hepatocitos se liberan las transaminasas AST y ALT. 7 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Mecanismos moleculares del daño celular La respuesta de la célula depende del tipo de lesión, la duración y la severidad no es lo mismo una lesión pequeña a una de larga duración. Las consecuencias van a depender del tipo, estado, adaptabilidad y genética de las célula dañada por lo que no todos los tejidos reaccionan igual ante los mismos estímulos inflamatorios. El daño celular resulta de anormalidades en uno o más componentes celulares esenciales: daños mitocondriales, ATP, alteraciones en la concentración de calcio, daño en las membranas, daño al ADN o un incorrecto ensamblaje de proteínas. Un solo estímulo puede dañar varios de estos componentes que en conjunto va a dar la lesión de toda la célula. Mecanismos bioquímicos de lesión celular Depleción de ATP Recordar que el ATP es producido en las mitocondrias y es importante el oxígeno, entonces si este disminuye la cantidad de oxígeno celular o disminuyen los nutrientes se genera un daño mitocondrial. También el daño se puede generar por toxinas y lo que produce es una disminución del ATP que produce a su vez: - Reducción de la actividad de la bomba sodio potasio lo que genera que se acumule sodio en el citoplasma y se genera edema. Se da un aumento de la glicolisis anaeróbica produciendo el ácido láctico “recordar que es la vía alternativa de producción de energía” y se genera una acidosis. Fallan las bombas de calcio y este aumenta a nivel intracelular lo que estimula la muerte por apoptosis. Alteraciones en la síntesis de proteínas Daño mitocondrial Produce la depleción del ATP pero también puede producir una fosforilación oxidativa anormal que aumenta los radicales libres que producen un aumento del estrés oxidativo y la salida de los citocromos (donde se produce el ATP en la mitocondria) al citoplasma y estos estimulan a la célula a sufrir muerte por apoptosis. Flujo de calcio Normalmente el calcio se encuentra fuera de la célula o dentro de las organelas por lo que a nivel citoplasmático su concentración es baja; cuando se aumenta se activan ciertas enzimas a nivel citoplasmático como: fosfolipasas, proteasas, endonucleasas y adenosis trifosfatasas que van a descomponer esos componentes y también inicia la apoptosis al activar a las caspasas. Radicales libres Los radicales libres son especies químicas con un electrón no pareado en la órbita externa lo que hace que sean inestables y busque formar enlaces covalentes para estabilizarse. Reaccionan con ADN, proteínas y lípidos con el problema que cuando reaccionan pueden alterar la función de estas estructuras, incluso pueden producir propagación en cadena y los fosfolípidos pueden producir otros radiales libres. Se pueden producir radicales libres en lesiones de isquemia – reperfusión que son cuando se genera una obstrucción en una arteria y se reestablece el flujo y como la célula ya está dañada se producen formas anormales del oxígeno. También se generan radicales libres cuando hay lesión química y radiación ionizante, 8 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I toxicidad de oxígeno, envejecimiento celular, células fagocíticas y las células inflamatorias incluso forman radiales libres para combatir las infecciones por lo que cuando hay necrosis pueden aumentar los radicales libres. Otras formas de producción: - En reacciones de oxidación – reducción en la respiración mitocondrial - Por macrófagos y neutrófilos en los fagosomas y fagolisosomas tanto para liberarlos al exterior como para destruir lo que han fagocitado. - El óxido nítrico producido por leucocitos es un radical libre que se utiliza para combatir infecciones. Estrés oxidativo El aumento de los radicales libres genera desequilibrio entre radicales y antioxidantes. Los mecanismos antioxidantes van desde la descomposición espontánea hasta enzimas como la Glutatión peroxidasa, catalasa, superóxido dismutasa y las Vitaminas sobre todo AEC. Cuando hay un desequilibrio se presenta la lesión celular. Defectos de la permeabilidad de la membrana Puede producirse por: disminución síntesis fosfolípidos, aumento de la destrucción de fosfolípidos, radicales libres, anomalías del citoesqueleto, productos de degradación de los lípidos que no solo afectan la membrana plasmática si no que puede afectar la membrana lisosomal o a las mitocondrias. Daño al ADN y proteínas Hay mecanismos para reparar el ADN pero si el daño al ADN no se puede corregir entonces la célula puede empezar estímulos para producir apoptosis. El daño por acumulación de proteínas mal dobladas en los lisosomas generan un crecimiento de estos y dejan de funcionar adecuadamente. Apoptosis Muerte celular en la cual las células activan enzimas que degradan el propio ADN y proteínas, es un proceso ordenado que no da una respuesta inflamatoria y al final se forman los cuerpos apoptóticos que son fagocitados por macrófagos principalmente. Puede coexistir con la necrosis, como vimos en condiciones fisiológicas normales solo ocurre apoptosis pero cuando hay estímulos lesivos talvez en el centro de la lesión hay necrosis pero en la periferia donde se encuentran las células que no fueron tan dañadas se da apoptosis. Causas Apoptosis fisiológica: - Durante la Embriogénesis las estructuras que ya no se necesitan sufren apoptosis. 9 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I - - Deprivación de hormonas, por ejemplo cuando el endometrio deja de recibir el estímulo de estrógenos y progesterona sufre apoptosis generando la menstruación Pérdida celular en poblaciones en proliferación por ejemplo: un hígado que se está regenerando y hay células que no se necesitan entonces sufren apoptosis Eliminación de células que ya no son útiles Eliminación de linfocitos auto reactivos: cuando se da la maduración de los linfocitos dentro del timo los que son auto reactivos (reconocen sus propios antígenos) con destruidos por apoptosis para evitar que no vayan a generar una reacción contra los antígenos de la misma persona. Muerte celular inducida por linfocitos T citotóxicos Apoptosis en condiciones patológicas - Daño ADN Acumulación de proteínas mal dobladas Infecciones – virales Atrofia de órganos luego de obstrucción de ductos Cambios al microscopio Las células se encogen, se forman cuerpos apoptóticos y el núcleo sufre carriorrexis. Figura 10. A. célula apoptotica C. cuerpos apoptóticos. Mecanismos de apoptosis: La apoptosis es mediada por un conjunto de enzimas llamadas caspasas, las cuales son proteasas de cisteína que cortan proteínas luego de residuos aspárticos. La activación de las caspasas depende del balance de proteínas pro y anti apoptóticas. Hay dos vías principales por las cuales la célula recibe la señal de entrar en apoptosis: A. Vía mitocondrial (intrínseca) : cuando hay liberación de los citocromos de la mitocondria y estos activan a las caspasas. B. Vía del receptor de la muerte (extrínseca): una molecula se une con su receptor y produce que la célula entre en apoptosis. 10 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I Vía mitocondrial Se da cuando Los citocromos C salen de la mitocondria y activan la apoptosis. Hay varias moléculas de la familia BCL 2 que pueden favorecer o inhibir la apoptosis por medio de unión a la membrana de la mitocondria. Cuando se unen a la pared y evitan la formación de poros inhiben la apoptosis, mientras que otras se introducen a la membrana y generan un poro favoreciendo la salida de los citocromos. Si las células reciben estímulos de crecimiento y señales de supervivencia por estímulos hormonales o citoquinas se producen proteínas que inhiben la apoptosis como: Bcl-2 y Bcl-xl ambas se unen a la membrana de la mitocondria para evitar que salgan los citocromos e inactivan proteínas que más bien favorecen la salía de citocromos cmo Bax y Bak. Si la célula sufre un daño mas bien se aumenta la producción de Bax y Bak y estas forman un poro en la membrana mitocondrial para la salida de los citocromos que activan a las caspasas. Vía más frecuente. Figura 11. A. Célula bajo factores de supervivencia B. célula bajo señales apoptóticas. El ejemplo de la derecha es con estímulos de crecimiento por lo que se producen Bcl-2 y Bcl-x que se unen a la membrana mitocondrial y no permiten la salida del citocromo y el ejemplo de la derecha es cuando sí se da la apoptosis ya sea porque la célula sufre un daño o no hay señales de factores de crecimiento. Vía receptor de la muerte Actúa por receptores de TNF y FAS estos cuando son activados activan a la caspasa 8. Los linfocitos tiene Ligando FAS que puede estimular la muerte en células que expresen FAS. También estos receptores estimulan la 11 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I producción de Bid, que es un proapoptótico de la familia del bcl-2. Aunque el estímulo viene de afuera se logra estimular la salida de los citocromos. Figura 11. Vía Fas. En la Figura 11 se tiene el ligando FAS que se une al receptor Fas que activa un complejo enzimático que hace que la procaspasa 8 se convierta en caspasa 8 quitándole un residuo y así se activan las caspasas ejecutoras. Activación y función de caspasas Las caspasas 8 y 9 son las iniciadoras y luego actúan las ejecutoras que activan vías que terminan produciendo nucleasas, que degradan el ADN. También degradan componentes de la matriz y el citoesqueleto hasta que se forman los cuerpos apoptóticos que son fagocitados. Limpieza de células apoptóticas Las células apoptóticas expresan fosfatidilserina que normalmente está en la parte interna de la céula y esta es reconocida por los macrófagos. 12 Tema 3: Adaptación celular, daño y muerte I FIGURA 13. Resumen vías de muerte celular En la figura 13 se observa un resumen de las dos vías. La vía intrínseca se da por un desequilibrio de factores apoptóticos y antiapoptoticós que al final genera la salida del citocromo. Y en la extrínseca viene un ligando y su unión a un receptor activa la formación de las caspasas. La vía es parecida: fragmentación del ADN, destrucción del citoesqueleto y proteínas, formación de los cuerpos apoptóticos que expresan fosfatidilserina y que esta es reconocida por los macrófagos . P 53 Proteína policía o vigilante del funcionamiento normal de la célula cuando hay daños del AND aumenta la producción de p53 y este retrasa el ciclo celular y pone a la célula en un estado de detención y activa proteínas proapoptóticas de la familia Bcl-2 lo que hace es: inhibir a la célula de seguirse replicando y luego induce a la muerte celular. Esto induce a muchas neoplasias, ya que muchas neoplasias se generan al haber mutaciones del p53 entonces no ejerce la función y las células mutadas se pueden seguir replicando. Cuadro 1. Comparación de la muerte celular por Necrosis o Apoptosis Tamaño celular Núcleos Membrana plasmatica Contenido celular Inflamación Rol fisiologico o patologico Necrosis Hinchada Kariolisis, Picnosis, Kariorrexis Rompe en estadios iniciales Digestion enzimatica por liberacion de las enzimas lisosomales y salen al liquido extracelular Presente Patologico Apoptosis Diminuida de tamaño Fragmentación Permanece intacta hasta el final Empaquetado en cuerpos apoptoticos Ausente Ambas 13