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ResistaBrasileira de Toxicologia, 13( 1), 55-62, 2000 Acumulación de Zn en Ovocitos de Sapo Bufo arenarum. Efecto sobre el Metabolismo de Carbohidratos Teresa M. Fonovich de Schroeder'; Ana F. Preller2; Fabián Naab'-3; María E. Caraballo3; Alejandro Burlón3; María A. Cardona3; Mario Debray3; Daniel Hojman3; Mabel Ozafrán3; Mónica Vázquez3; Ana M. Pechen de D 'Angelo4 Resumen La exposición de hembras de sapo Bufo arenarum a aguas del río Reconquista (Provincia de Buenos Aires, Argentina) conduce a la acumulación de zinc (Zn) en sus ovarios. Las hembras tratadas de esta forma son capaces de ovular cuando son inyectadas con macerado de hipófisis, al igual que hembras controles. Los ovocitos obtenidos de hembras tratadas son capaces de fertilizar y desarrollar normalmente hasta el estadio de gástrula, mientras que presentan un 27% de inhibición del desarrollo embrionario a partir del estadio denominado respuesta muscular. In vivo la microinyección de Zn en ovocitos controles simultáneamente con [U-NC]Glucosa evidenció disminución en la síntesis de glucógeno y en la oxidación de la glucosa a través de la vía de las pentosas. La actividad de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa en ausencia de agrega- do de Zn fue de 371,8 x 10'3 U/ml.min. La enzima fue inhibida in vitro por el metal en forma dependiente de la concentración. Utilizando una concentración igual a 1,53 mM de Zn, similar a la incorporada en ovario y a la microinyectada en los ensayos con glucosa radiactiva, se alcanzó un 62% de la máxima inhibición correspondiente a 3 mM de Zn (248,7 x 10 3 U/ml.min). Estos resultados concuerdan con un efecto inhibitorio del Zn sobre el desarrollo embrionario, mediado probablemente por una deficiente producción de NADPH, ribosa-5-fosfato y ATP en los ovocitos. Palabras clave: Zinc, desarrollo embrionario, metabolismo de carbohidratos. Resumo A exposicáo de fémeas de sapo Bufo arenarum a aguas do rio Reconquista (Provincia de Buenos Aires, Argentina) leva á acumulacáo de Zn em seus ovarios. As fémeas tratadas desta maneira sao capazes de ovular quando sao injetadas com macerado de hipófise, da mesma forma que as fémeas controle. Os ovocitos obtidos de fémeas tratadas sao capazes de fertilizar e desenvolver normalmente até a fase de gástrula, enquanto que apresentam inibicáo do desenvolvimento embrio- nario (27%) a partir da fase de resposta muscular. In vivo a microinjecáo de Zn em ovocitos controles simultáneamente com [ U - 1 4 C] Glicose evidenciou diminuicao na síntese de glicogénio e na oxidacáo da glicose através da via das pentoses. A atividade da enzima glicose-6-fosfato desidrogenase foi inibida in vitro por 1,53 mM de Zn, concentracáo similar á incorpo- rada em ovario e á microinjetada nos ensaios com glicose radiativa. Estes resultados concordam com um efeito inibitório do Zn no desenvolvimento embrionario, mediado provavelmente por urna deficiente producáo de NADPH, ribose-5-fosfato e ATP nos ovocitos. 1. Escuela de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de General San Martin, Calle 91 (ex San Lorenzo) n° 3391, Villa Ballester. Buenos Aires, Argentina, Tel/fax: 541 1-4512-5151, e-mail: Teresa.Fonovich@unsam.edu.ar 2. Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, Santiago, Chile. 3. Comisión Nacional de Energía Atómica, Centro Atómico Constituyentes, Buenos Aires, Argentina. 4. Laboratorio de Investigaciones Bioquímicas, Químicas y de Medio Ambiente (LIB1QU1MA). Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue, Neuquén, Argentina. Autor para correspondencia: Teresa M. Fonovich de Schroeder 55 Schroeder, T. M. F. e col. Revista Brasileira de Toxicologia, 13(1), 55-62, 2000 Abstract Females of the toad Bufo arenarum accumulate Zn when they are maintained in a cage besides the Reconquista river (Province of Buenos Aires, Argentina). Ovulation occurs normally when these animáis are injected with homologous hipophysis, as compared to control ones. Oocytes from these females can not only be fertilized but also develop until they reach the gástrula stage. Significant inhibition (27%) of embryonic development can be observed from the muscular response stage on. In vivo simultaneous microinjection with Zn and [U-'4C]Glucose rendered a decrease in the incorporaron of the label in glycogen as well as in the oxidation of glucose through the pentose phosphate pathway Glucose-6-phosphate dehydrogenase activity was inhibited in vitro by Zn at 1,53 mM, a concentration similar to the ones accumulated in the ovary and microinjected into the oocytes in the previous experiments. Our results are in agreement with an inhibitory effect of Zn on early developmental stages of the embryos, probably due to deficient production of NADPH, ribose-5-phosphate and ATP in the oocytes. Introducción Los organismos acuáticos que habitan aguas altamen- te contaminadas son capaces de acumular sustancias xenobióticas de carácter lipofílico en sus órganos, así como diversos metales pesados ( K A N N A N et col., 1995; F A VERO et col.; 1996). Los metales se acumulan en diversos tejidos, a tra- vés de su unión a proteínas denominadas metalotioneínas. Algunos elementos, ya sean oligoelementos o xenobióticos son capaces de inducir la síntesis de metalotioneínas, una de cuyas funciones es secuestrar metales para brindar protección a las células que los han incorporado. Recientemente se ha descripto la adaptación de organismos acuáticos a los metales pesados, con una base genética que podría obedecer en algunos aspectos al cambio evolutivo en los genes de las metalotioneínas (MARTINEZ e LEVINTON, 1996). Este y otros mecanismos de protección celular no mediados por metalotioneínas, son inducidos por Cd y Zn respectivamente en células de hígado porcino y músculo liso aórtico bovino en cultivo (MISHIMA e col.; 1997), así como por Zn en embriones de ratón CD-1 (BLAIN e col.; 1998). Bajas concentraciones de Zn inducen tolerancia al Cd en las células citadas a través de un mecanismo que involucra una disminución en la incorporación del metal (MISHIMA e col.; 1997). Por otra parte, concentraciones elevadas de Zn resultan tóxicas en células Fa32 de hepatoma de rata (DIERICKX, 1996). Se ha demostrado recientemente que el glutatión endógeno cumple un rol fundamental en la protección de la célula contra la toxicidad de los metales. Dierickx (DIERICKX, 1996) describió un aumento en la citotoxicidad de Cd, Zn, Hg, Ni y Cu en células Fa32 en cultivo tratadas previamente con 200 m M L-buthionina-(S,R)-sulfoximina (BSO), concentración que reduce el contenido de glutatión endógeno hasta un 5% respecto del nivel presente en las células controles. Los estadios embrionarios y larvales del sapo Bufo arenarum evidencian actividad de la enzima glutatión-S-transferasa (GST) e inducción de la misma me- diada por diversos plaguicidas (ANGUIANO e col.; 1998). Las GSTs cumplen tres funciones cruciales para las células en presencia de sustancias tóxicas: conjugan xenobióticos con glutatión, unen ligandos no-sustratos y poseen actividad de peroxidasa. De este modo, el glutatión podría ejercer también un efecto protector contra la toxicidad de los metales en el sistema de nuestro interés: ovocitos y embriones de sapo Bufo arenarum. El mantenimiento de adecuados niveles de glutatión reducido (GSH) se logra mediante la actividad de la enzima glutatión reductasa en presencia de NADPH como cofactor. La concentración de NADPH es crítica no solo por su participación como cofactor de la enzima glutatión reductasa sino por participar también en diversos procesos celulares de biosíntesis reductiva. En ovocitos de anfibios el NADPH es producido a través de la vía de las pentosas, activa tanto en sus fases oxidativas como no oxidativas. Radojkovic y Ureta (RADOJKOVIC e URETA, 1996) describieron esta vía y la síntesis de glucógeno como las principales vías operativas para la utilización de glucosa en ovocitos de Calyptocephalellacaudiverbera. Recientemente Kessi et al. (KESSI e Col.; 1996) describieron en estas células la existencia de una vía indirecta para la síntesis de glucógeno, que involucra la degradación de la glucosa a través de la glucól is is y su posterior res íntes is a t ravés de la gluconeogénesis, antes de ser utilizada para la síntesis de glucógeno. El objetivo del presente trabajo es estudiar la probable acumulación de Zn en ovario de hembras de sapo Bufo arenarum que viven en las aguas del río Reconquista (provincia de Buenos Aires), en una zona altamente indus- trializada. Se investiga además el probable efecto de la pre- sencia de altas concentraciones de este metal en dichas cé- lulas, sobre la fertilización de las mismas y el desarrollo embrionario temprano, así como su efecto en el metabolis- mo de hidratos de carbono. Materiales y métodos La glucosa uniformemente marcada ([U-I4C]Glucosa) fue provista por Amersham Radiochemical Centre. El ácido nítrico fue INSTRA-ANALYZED de BAKER, de calidad "para determinación de trazas de metales". El resto de los reactivos utilizados fueron de calidad proanálisis. 56 Revista Brasileira de Toxicologia, 13(1), 55-62, 2000 Schroeder, T. M. F. e col. Incorporación y determinación de la concentración de Zn en ovocitos Hembras adultas de sapo Bufo arenarum fueron mantenidas en cautiverio a orillas del río Reconquista, a la altura del Partido de General San Martín, durante distintos períodos de tiempo. Se tomaron muestras de ovarios medi- ante cirugía utilizando instrumental quirúrgico recubierto con teflón. Se colocaron las muestras en tubos de vidrio perfectamente limpios y enjuagados con HN0 3 concentra- do (de igual calidad que el utilizado durante la digestión) y se pesaron en balanza analítica. Se realizó la digestión de las mismas sometiéndolas a calor en presencia de HNOi de calidad "para determinación de trazas de metales". Se determinó la concentración de Zn en las muestras por el método PIXE (Particle Induced X-ray Emission) (OZOFRAN e Col.; 1995) en la Comisión Nacional de Energía Atómica, Centro Atómico Constituyentes. Fertilización y desarrollo embrionario temprano Hembras mantenidas durante 60 días en cautiverio según se describió, fueron trasladadas al laboratorio e inyectadas con macerado de hipófisis homologa. Hembras controles fueron tratadas de igual forma. Aproximadamente 16 horas posteriores a la inyección, cuando las hembras comenzaban a deponer los ovocitos, los mismos se extrajeron de los ovisacos mediante cirugía. Los ovocitos fueron inseminados en cajas de Petri conteniendo aproximadamente 100 cada una, mediante agregado de suspensión fresca de espermatozoides. Al cabo de 45 minutos posteriores a la inseminación se agregaron 40 mi de solución Ringer modificada a cada caja. Se contó, con el uso de una lupa estereoscópica, el número total de ovocitos inseminados y el número de embriones correspondiente en cada caja, en los estadios de gástrula y respuesta muscular (FONOVICH e Col ; 1993). El medio de incubación (solución Ringer) fue renovado y los embriones muertos fueron retirados cada 48 h. Se calculó el porcentaje de sobrevida como: Sobrevida % = (n° de embriones / n° de ovocitos inseminados o embriones en el estadio anterior) x 100 Síntesis de glucógeno y desprendimiento de CO2 Los ovocitos recién obtenidos fueron desprovistos de su cubierta gelatinosa mediante tratamiento con solución al 1% de ácido tioglicólico neutralizado con KOH 2 N y posteriores enjuagues. Cada ovocito fue microinyectado con 50 nL de solución de Barth modificada conteniendo aproximadamente 50000 cpm de [U-1 4C]Glucosa y 0,5 mmoles de glucosa fría, en presencia o ausencia de 0,15 ó 0,03 mg de Zn (ZnS0 4 H 2 0) (para alcanzar en el ovocito concentraciones iguales a 1,53 y 0,31 mM respectivamente. Los ovocitos microinyectados fueron incubados en 2 grupos de 4 cada uno durante 15 minutos bajo corriente suave de oxígeno. El C0 2 desprendido durante la incubación se recogió en viales conteniendo una mezcla de NaOH 0,3 N y 0.01 % de Tritón. Dos ovocitos por grupo fueron procesados a tiempo 0. Una vez finalizada la incubación se agregó solución centelleadora a los viales conteniendo 1 4 C0 2 y se contó la radiactividad presente en los mismos en contador de centelleo líquido Packard 1600 TR. Después del período de incubación cada ovocito fue digerido individualmente durante 30 minutos mediante tratamiento con KOH 30% en baño de agua a ebullición. El glucógeno fue purificado por precipitación con alcohol en presencia de solución de sulfato de sodio al 2% y 0,25 mg de glucógeno frío utilizado como coprecipitante. Se centrifugaron los tubos y los pellets fueron resuspendidos en agua y precipitados nuevamente con etanol. Los precipitados se recolectaron en filtros de fibra de vidrio (Whatman GF/C), se secaron bajo lámpara infrarroja y se contó la radiactividad presente en los mismos como se describió antes (GUIXE e Col.; 1997). Actividad de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa Se preparó un extracto de ovocitos en buffer TRIS 25 mM, EDTA 6 mM, MgCl 2 6 mM, KC1100 mM, pH=7,4. La actividad de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa en el extracto de ovocitos se midió en el mismo buffer, en un volumen final de 1 mi. El NADP +, la glucosa-6-fosfato y el Zn 2 ' (ZnS0 4 .H 20) fueron preparados en el buffer de ensayo (RADOJKOVIC e URETA, 1996). La formación de NADPH se midió espectrofotométricamente a través del incremento en la absorbancia a 340 nm durante 2 minutos a 25 °C. Cuando se agregó Zn 2 + a la mezcla de reacción, el extracto fue preincubado en presencia del catión durante 1 minuto previo al agregado de los sustratos. Resultados y discusión Una vez que los metales ingresan al organismo, son transferidos hacia tejidos en los que se acumulan. En los animales que poseen sistema circulatorio los metales son transportados asociados a una variedad de componentes de la hemolinfa. El almacenamiento posterior ocurre en tejidos particularmente ricos en ligandos que unen metales (metalotioneínas), o capaces de sintetizarlos, por ejemplo hepatopáncreas, hígado, riñon (ROESIJADI, 1992; SALEH e Col.; 1988). Debido a variaciones en las características de incorporación, acumulación y eliminación de diferentes especies, la concentración de metales en organismos acuáticos varía en un amplio rango, observándose acumulación aún en ausencia de contaminación del medio acuático (LANGSTON e SPENCE, 1995). La figura 1 muestra la curva de incorporación de Zn en los ovarios de las hembras de sapo expuestas a aguas del río Reconquista. El Zn se acumuló en este tejido en forma dependiente del tiempo de permanencia de las hembras en cautiverio a orillas del río. Hembras controles (tiempo 0) mostraron niveles siempre inferiores. A partir de los 20 días de exposición la concentración de Zn alcanzó una meseta que se mantuvo a tiempos superiores. Durante la permanencia 57 Schroeder, T. M. F. e col. Revista Brasileira de Toxicologia, 13(1), 55-62, 2000 300 50 Tiempo de exposición (días) Figura 1 . Incorporación de Zn en ovario de hembras mantenidas en cautiverio a orillas del río Reconquista. Los resultados son los promedios ± SD de muestras procesadas por duplicado y son representativos de otro experimento realiza- do bajo idénticas condiciones. La concentración de Zn se midió por el método PIXE, como se indica en Métodos y se expresa en ng de Zn por mg de tejido (peso húmedo). de los animales en el jaulón, estuvieron en contacto con sedimentos en ausencia de columna de agua (hacia la parte más externa del jaulón) y agua con sedimentos hacia la porción que se internaba en el lecho del r ío . Durante lluvias abundantes el lugar quedaba casi completamente cubierto con agua durante períodos cortos (horas). La concentración de Zn en diversas muestras de agua tomadas en el lugar fue siempre inferior a 20 ng/g, valor igual a nuestro límite dedetección. Tomando en cuenta este último valor como la concentración de Zn más elevada probable de hallar en el agua, el factor de bioconcentración (BCF) para el Zn en nuestro sistema es >14000. Un análisis de la concentración del metal en los sedimentos podría reflejar una situación distinta de la del agua (concentraciones por encima de nuestro límite de detección). El presente estudio fue realizado durante los meses de invierno, cuando el ovario de esta especie aumenta notablemente de tamaño e incrementa su composición porcentual en ovocitos de estadio V (dimensiones y pigmentación semejantes a los hallados en ovocitos ovulados), mientras se produce la maduración de los ovocitos (ECHEVERRIA, 1987). Durante ese período el metabolis- mo del ovario es muy activo, y es seguramente responsable de la acumulación de Zn encontrada. Estos resultados concuerdan con los descriptos por Coimbra y CarraVa (COIMBRA e CARRACA, 1990) para la acumulación de Zn durante diferentes estadios del ciclo reproductivo en Mytilus edulis, quienes hallaron acumulación hasta niveles muy elevados durante el estadio correspondiente a la maduración de las células gonadales. Las hembras trasladadas al laboratorio e inyectadas con macerado de hipófisis ovularon de manera aparentemente normal, sus ovocitos fueron capaces de fertilizar y desarrollaron en forma similar a los obtenidos a partir de hembras controles, hasta alcanzar el estadio de gástrula. En el estadio de respuesta muscular se observó en cambio, una disminución significativa en el porcentaje de sobrevida de los embriones provenientes de hembras que acumularon Zn en sus ovarios (figura 2). El activo metabolismo de carbohidratos presente en los ovocitos de anfibios refleja los cambios en energía me- tabólica que ocurren en estas células durante la diferenciación. No se conoce aún la importancia de la síntesis de glucógeno a través de la "vía indirecta" citada anterior- mente, pero la glucólisis, operativa en estas células, es la única vía a través de la cual obtienen energía en forma de ATP, ya que el ciclo del ácido cítrico no es operativo(GUIXE e col., 1994). La figura 3 muestra que tanto la síntesis de glucógeno como la liberación de C0 2 a través de la vía de las pentosas se encuentran disminuidas en los ovocitos microinyectados con Zn, a las dos concentraciones estudiadas. Una concentración igual a 1,53 mM de Zn fue seleccionada porque corresponde a aquella presente en el ovario de las hembras expuestas, una vez realizados los cál- culos teniendo en cuenta el volumen y la masa en mg de los ovocitos. El estudio preliminar de la actividad de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa in vitro permite eviden- ciar inhibición de la misma en presencia de Zn 2 + , dependiente de la concentración del metal agregada (figura 4). Esta enzima 58 Revista Brasileira de Toxicologia, 13(1), 55-62, 2000 Schroeder, T. M. F. e col. .2, ce o <C "D "SI 1 l í Í o o o Q. W E w o 100- 75- 50- 25- Hembras control Hembras tratadas Gástrula (% to) R.M. (% gast.) Estadio del desarrollo Figura 2 . Desarrollo embrionario temprano de ovocitos obtenidos de hembras expuestas y controles, inseminados y desarrollados en el laboratorio. Los resultados son los promedios ± SD de muestras procesadas por triplicado para duplicado de animales y se expresan en % de sobrevida en los estadios de gástrula y respuesta muscular (R.M.) (ver Materiales y Métodos). ANOVA: * = p<0.01 entre tratamientos. re w re o i ° > o¡ a o O o 15 " g S glucógeno C02 Fracción l [LM4C]glucosa sola ] [lM4C]glucosa-Zn 0.31 mM rrrm [U-i4C]glucosa-Zn 1.53 mM Figura 3 . Incorporación de [U-14C]glucosa en glucógeno y C0 2 en ovocitos microinyectados in vivo con el trazador solo o simultáneamente con el trazador y Zn como catión bivalente, en concentración 0,31 mM o 1,53 mM. Los resulta- dos son los promedios ± SD de muestras procesadas por replicado (n=8), son representativos de otro experimento diseñado bajo idénticas condiciones y se expresan en pmoles por ovocito. ANOVA: a) p<0.0001 y b) p<0.01 entre tratamientos. 59 Schroeder, T. M. F. e col. Revista Brasileira de Toxicologia, 13(1), 55-62,2000 2 «5 -p T3 W £ £ TJ «2 Si, "F 3 •£ ^ 500 400 300- 200- 100- Zn2+ (mM) Figura 4 . Actividad de la enzima glucosa-6-P deshidrogenasa, medida in vitro según se describió, en función de la concentración de Zn agregada al medio de reacción. cataliza la primera reacción de la vía de las pentosas, el paso limitante de la velocidad de la vía. De esta manera la acumulación de Zn provoca importantes alteraciones meta- bólicas en los ovocitos in vivo, a través de una deficiente utilización de la glucosa tanto destinada a la síntesis de glucógeno como a decarboxilación oxidativa a través de la vía de las pentosas. Se ha demostrado recientemente que el glucógeno juega un importante papel en la formación de un intermediario de cromatina altamente condensado y el ensamble del núcleo in vitro en huevos de Xenopus laevis, probablemente secuestrando a la proteína fosfatasa 1 (PP-1) hacia el intermediario observado in vitro y hacia los cromosomas mitóticos in vivo (HARTL e Col., 1994). La deficiente utilización de la glucosa a través de la vía de las pentosas conduce en primer lugar a una disminución en la producción de NADPH necesario para: a) el mantenimiento del estado redox de la célula a través de adecuados niveles de glutatión reducido (GSH) y b) los procesos de síntesis que requieren este cofactor. Otra importante consecuencia es la reducción en la producción de ribosa-5-fosfato, pre- cursor de la síntesis de nucleótidos. Los resultados de nuestros experimentos realizados in vitro e in vivo (figuras 3 y 4) utilizando concentraciones de Zn, como catión bivalente, en el rango de las que se encuentran en los ovarios de las hembras expuestas, sugieren que la disminución en la sobrevida de los embriones mostrada en la figura 2, podría obedecer en gran parte a los efectos del metal sobre el metabolismo de carbohidratos de los ovocitos..,, La concentración de Zn en ovocitos ovulados provenientes de hembras expuestas se pudo medir solo en dos muestras. La concentración del metal no fue elevada en dichas muestras, respecto de las concentraciones encontradas en ovocitos controles (resultados no mostrados). Si estos resultados se repitieran en nuevos estudios, nuestros presentes hallazgos podrían obedecer a los efectos causados por el Zn sobre estas células con anterioridad a la ovulación, probablemente durante la maduración, etapa durante la cual se ha demostrado que la vía de las pentosas cumple un rol central (DOWNS e Col., 1998), aunque no se podría descartar un efecto de la disminución en la síntesis de glucógeno sobre la mitosis, que se sumaría al anterior. La exposición de las hembras se realizó durante períodos no muy prolongados y en un recurso natural de la provincia de Buenos Aires. Otros resultados de nuestro laboratorio aún no publicados demuestran además que la totalidad de los embriones obtenidos a partir de ovocitos controles (provenientes de hembras no expuestas) e incubados en agua de río sin diluir, mueren antes de alcanzar el estadio de respuesta muscular. Nuestros resultados permiten acercarnos hacia el conocimiento de los mecanismos de toxicidad del Zn, a la vez que reflejan la alarmante situación para la reproducción de la especie Bufo arenarum en esta zona de nuestro país. Bibliografía citada KANNAN, K.; YASUNAGA, Y.; ICHJHASHI, H.; TANABE, S.; TATSUKAWA, R. Concentrations of Heavy Metals, Organochlorines and Organotins-in Horseshoe Crab, Tachypleus tridentatus, from Japanese Coastal Waters. 69 Revista Brasileira de Toxicologia, 13(1), 55-62, 2000 Schroeder, T. M. F. e col. Arch. Environ. Contam. Toxicol, v. 28, p. 40-47,1995. FAVERO, N.; CATTALJM, F.;BERTAGGIA, D.; ALBERGONI, V. Metal Accumulation in a Biological Indicator (Ulva rígida)from the Lagoon of Venice (Italy). Arch. Environ. ConUm.ToxicoU v. 3\,p.9-18,1996. MARTÍNEZ, D.E.; LEVINTON, J. Adaptaúon to Heavy Metals in the Aquatic Oligochaete Limnodrilus hoffmeisteri: Evidence for Control by one Gene. Evolution,v.50,n.3,p. 1339-1343,1996. 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