Efecto de la exposición al cadmio sobre los carbohidratos de la membrana plasmática y la fosforilación de proteínas de espermatozoides epididimarios de la rata Wistar

1. Introducción

En los mamíferos, la reproducción requiere del reconocimiento que ocurre entre dos células que son altamente diferenciadas: el espermatozoide (que es asimétrico y móvil) y el ovocito (que es grande e inmóvil), los cuales originan nuevo individuo; para ello se requiere de: 1) la unión especie-específica del espermatozoide con la zona pelúcida del ovocito, 2) la reacción acrosomal por parte del espermatozoide, 3) la penetración de la capa extracelular del ovocito por parte del espermatozoide, 4) la unión de la membrana del espermatozoide con la del ovocito y 5) la fusión entre gametos (fertilización) (Wassarman et al., 2001). Para que estos eventos se lleven a cabo, se requiere de una sólida estructura tanto en el espermatozoide como en el ovocito, hasta que ocurra la fusión entre los gametos.

En cuanto al gameto masculino, se ha descrito ampliamente que la producción continua y eficiente de éste depende de la proliferación de las espermatogonias y posteriormente su diferenciación a espermatozoides anatómicamente completos (Hess y Renato de Franca, 2008), para lo cual es necesario que el eje neuroendocrino hipotálamo-hipófisis-testículo funcione coordinadamente, debido a que la espermatogénesis es un proceso altamente complejo, en el que se lleva a cabo una serie ordenada de divisiones –primero mitosis y después meiosis–, que en combinación con la espermiogénesis da lugar a la formación de espermatozoides anatómicamente completos, a partir de espermatogonias, con la participación del adecuado microambiente que es regulado por las células de Sertoli y las de Leydig, que en conjunto y mediante factores paracrinos, como las citocinas y los agentes de crecimiento, regulan los mecanismos de división y renovación celular, y de la interleucina 1, que es capaz de modular las funciones de las células de Sertoli, teniendo como resultado la adecuada producción y desarrollo de los gametos masculinos en los túbulos seminíferos (Jenardhanan et al., 2016; Neto et al., 2016).

Sin embargo, tras su formación en los túbulos seminíferos y posterior liberación durante la espermiación a la luz del túbulo, los espermatozoides de los mamíferos se dirigen hacia la rete testis, para lo cual requerirán de una serie de procesos postesticulares, de modo que sean funcionales dentro del oviducto y puedan ejecutar una eficiente fertilización; es decir, necesitan del paso por una amplia gama de microambientes constituidos por diversos fluidos, cuyo origen y composición los brindarán órganos como el epidídimo, la próstata, la vesícula seminal y el oviducto. Dichos fluidos ejercerán en los espermatozoides una importante sucesión de cambios de maduración que transforman a las células inmóviles –las cuales también son incapaces de fertilizar– en otras vigorosamente activas con la capacidad de unirse y fusionarse con un ovocito, y en el momento adecuado otorgarán a los espermatozoides una inducción que culmine en la adquisición de la capacidad fertilizante (Sostaric et al., 2008).

2. Epidídimo: estructura y función

Se ha descrito al epidídimo como un órgano compuesto por un solo tubo largo y altamente serpentino, cuya longitud varía de acuerdo con cada especie, llegando a ser de 1 m en el ratón, 3m en la rata, entre 5 y 7 m en el humano y hasta de 70 a 80 m en el caballo (Sostaric et al., 2008; Arrotéia et al., 2012; Robaire y Hinton, 2015). Durante el desarrollo embrionario, el epidídimo de los mamíferos, al igual que los demás componentes del aparato urogenital, se forma a partir del mesonefros (Sostaric et al., 2008; Robaire y Hinton, 2015), tejido que da origen en animales inferiores a un riñón primitivo. Este órgano se encuentra ubicado en la parte superior de cada testículo y es por medio de los conductos eferentes que tiene comunicación con la rete testis, conectándose por estas vías con el testículo; asimismo, está delimitado con el inicio del conducto deferente (Arrotéia et al., 2012). Cuando es analizado de forma anatómica, el epidídimo se divide generalmente en cuatro regiones: la primera es el segmento inicial, seguido por la cabeza (caput o región cefálica), el cuerpo (corpus o región media) y la cola (cauda o región caudal) (Robaire y Hinton, 2015) (fig. 1); a lo largo de todas ellas, el lumen del epidídimo se encuentra formado por un epitelio pseudoestratificado, integrado por la presencia de diferentes tipos de células: a) principales, b) basales, c) apicales, d) estrechas, e) claras y f) halo. Algunas de ellas, como las principales y basales, pueden encontrarse en todo el túbulo, mientras que las apicales, estrechas, claras y halo (linfocitos intraepiteliales) sólo están presentes en algunos segmentos (Arrotéia et al., 2012; Robaire y Hinton, 2015), con lo que establecen diferentes microambientes. En conjunto, todas las células epiteliales que recubren el conducto del epidídimo forman un entorno fluido luminal, mediante la secreción activa y la absorción de macromoléculas (proteínas, glicoproteínas) que son sintetizadas por la expresión de diferentes genes, además de pequeñas moléculas (azúcares, electrolitos), que unidas a los contenidos derivados de los testículos proporcionan un entorno particular en el que los espermatozoides que recorren el conducto se modifican al entrar en contacto directo con el microambiente luminal, como un requisito del proceso de maduración (Tulsiani, 2006; Robaire y Hinton, 2015), aunado a que son las responsables de eliminar residuos citoplasmáticos y de proteger a los espermatozoides, gracias a la formación de una barrera anatómica e inmunológica durante el recorrido que realizan por todo el túbulo epididimario, al igual que cuando se encuentran almacenados (Hernández-Rodríguez et al., 2016).

Figura 1. Organización esquemática del epidídimo de rata. Las cuatro regiones del epidídimo, cabeza, cuerpo y cola están representadas, así como el segmento inicial. Las líneas indican el sitio donde se dividen las diferentes regiones (Hernández- Rodríguez et al., 2016).

Tras la producción de los espermatozoides por el epitelio de los túbulos seminíferos, se deben dirigir hacia la región de la cabeza y luego al cuerpo del epidídimo, para llevar a cabo su maduración, antes de ser reunidos y almacenados en la región de la cola (Robaire y Hinton, 2015), por lo cual es importante que en esta zona exista también un ambiente luminal específico que les permita ser recolectados por, incluso, varias semanas, debido a que se mantiene una quiescencia metabólica que previene que en los espermatozoides surja una activación previa a ser eyaculados (Sostaric et al., 2008). La maduración espermática brinda a los espermatozoides la capacidad fertilizante (Dacheux et al., 2009), lo que se refiere a que adquieren el potencial para moverse progresivamente y la capacidad de reconocer y unirse a la zona pelúcida para fecundar a un ovocito (Cornwall et al., 2007; Robaire y Hinton, 2015). Si bien entre las diferentes especies de mamíferos el largo del túbulo del epidídimo es variable, diversas investigaciones señalan que el promedio del tránsito de los espermatozoides por el epidídimo es altamente parecido y oscila entre 9 y 11 días (Sostaric et al., 2008; Robaire y Hinton, 2015), de manera que su madurez funcional en este órgano puede requerir hasta 12 días en el humano, 13 días en el carnero, de 10 a 11 días en el cerdo y en la rata puede durar entre 8 y 11 días (Robaire y Hinton, 2015). Gran parte de esta variabilidad se debe al tiempo que es requerido para poder llegar a la región de la cauda, pues en la mayoría de las especies el tránsito por la región de la cabeza y el cuerpo toma aproximadamente de uno a tres días en cada una, y el movimiento de los espermatozoides por ambas regiones se logra principalmente por las contracciones peristálticas continuas de los músculos lisos que están presentes en la pared de ambas regiones del epidídimo, mientras que en la cauda los músculos lisos se encuentran generalmente inactivos, hasta ser estimulados para contraerse.

3. Cambios en el espermatozoide durante la maduración epididimaria

Diversos estudios señalan que para que el espermatozoide de los mamíferos desarrolle la capacidad de desplazarse por el oviducto (adquisición de la movilidad progresiva) y posteriormente pueda reconocer y penetrar a la zona pelúcida, para finalmente fertilizar y fecundar a un ovocito (Tulsiani, 2006; Dacheux y Dacheux, 2014), es necesario que sucedan cambios en la composición de carbohidratos y proteínas de la membrana plasmática, que modifican las propiedades fisiológicas de los espermatozoides, conforme transitan e interactúan con diversas moléculas que producen las células del epidídimo (Tulsiani, 2006; Sostaric et al., 2008; Caballero et al., 2011; Perobelli et al., 2013; Robaire y Hinton, 2015).

Tras la salida del testículo, los espermatozoides cuentan con la estructura anatómica completa que se conoce (fig. 2), es decir, compuesto por una cabeza que contiene al núcleo con el ADN muy compactado entre protaminas y cuyo extremo anterior se encuentra recubierto con el acrosoma (estructura en forma de casquete que contiene enzimas hidrolíticas, cuya participación es relevante durante el proceso de fecundación), y un flagelo, necesario para la movilidad, el cual morfológicamente se divide en cuatro regiones: a) la cabeza con su pieza de conexión, que une a la cabeza con el flagelo, b) pieza media, también llamada cuello, donde están las mitocondrias en un arreglo helicoidal óptimo para generar energía que emplea el axonema (compuesto por nueve pares de microtúbulos dispuestos radialmente alrededor de los filamentos centrales) y que se extiende a lo largo de la siguiente región; c) la pieza principal, que abarca la mayor parte del flagelo y que se utiliza para la propulsión, mediante ondas de movimiento eficiente, para asegurar el transporte a distancia, y por último, d) parte terminal del flagelo, integrada por una vaina fibrosa (Cooper y Yeung, 2006; Arenas-Ríos et al., 2010). Sin embargo, los espermatozoides aún carecen del potencial fertilizante, por tal motivo requieren de la maduración postesticular, un proceso complejo y secuencial del que todavía la totalidad de modificaciones que deben experimentar se desconoce; sin embargo, se sabe que en esta transformación, el epidídimo juega el papel principal (Nixon et al., 2014), favoreciendo que ocurra una serie de cambios que propician transformaciones a nivel morfológico, fisiológico y bioquímico, cuyo resultado es un espermatozoide con el potencial de alta movilidad y con la completa capacidad para la fecundación (Palomo-Peiró, 1995; Rodríguez-Tobón, 2016).

Figura 2. Estructura anatómica del espermatozoide de la rata.

3.1 Cambios morfológicos

Para algunas especies de mamíferos, uno de los aspectos importantes en la maduración epididimaria es la migración y posterior pérdida de la gota citoplasmática (GC), la cual puede permanecer en el espermatozoide después de la liberación del epitelio germinal en la espermiación, pues generalmente la mayoría de citoplasma de la espermátida durante su elongación es fagocitado como “cuerpo residual” por la célula de Sertoli (Cooper, 2011). En un estudio morfológico de espermatozoides humanos eyaculados con diversas alteraciones se demostró que existen dos tipos de citoplasma en las células espermáticas: uno que representa el citoplasma remanente, el cual se puede localizar unido a cualquier parte del flagelo del espermatozoide, y la “verdadera” GC, que se presenta de manera más estable en la región del cuello del espermatozoide, mientras que en los espermatozoides del epidídimo de ratón, la GC se ubica en la pieza media del flagelo (Cooper, 2005), por lo que la diferencia en la morfología y la posición de las GC entre espermatozoides humanos y de ratón refleja diferencias entre especies (Xu et al., 2003). Sin embargo, en los de la rata albina se ha reportado que la GC se pierde durante la espermiación (O’Donnell et al., 2011), aunque es posible que en regiones del epidídimo todavía se observe como consecuencia de alguna alteración que sucedió en la espermiación, por lo que es necesario que las células del túbulo epididimario fagociten la GC. Al respecto, se ha descrito que el porcentaje de espermatozoides con GC disminuye notablemente conforme avanzan de la región de la cabeza hacia la cola del epidídimo (Cooper y Yeung, 2006; Arrotéia et al., 2012; Robaire y Hinton, 2015). De igual manera, el epidídimo propicia que se modifiquen las uniones entre las protaminas, que son nucleoproteínas, entre las cuales está el ADN o genoma masculino, por un incremento en la cantidad de puentes disulfuro (Cooper y Yeung, 2006), lo que permite que la información genética que transporta el espermatozoide esté dentro de un núcleo altamente compactado y estable, por lo que a su vez hay una disminución gradual en el tamaño de la cabeza del espermatozoide, tras estar en la región de la cabeza y ser conducido hacia la cola del epidídimo. También se ha documentado que durante la maduración epididimaria hay una reducción en el tamaño del acrosoma que recubre al núcleo del espermatozoide, tras la reorganización de diversas enzimas y otras proteínas que contiene (Cooper y Yeung, 2006; Arrotéia et al., 2012; Robaire y Hinton, 2015), para brindarle un mejor desplazamiento hidrodinámico; otras de las modificaciones que ocurren durante la maduración son a nivel de las mitocondrias, fibras y componentes microtubulares de las piezas media y principal, con la finalidad de dar lugar a la eficiencia en la movilidad progresiva. Todos estos cambios en el espermatozoide previenen en el eyaculado la presencia de células germinales con una carga genética anormal, incompleta o dañada, y evita la presencia de células infértiles que pudieran limitar el éxito reproductivo (Cooper y Yeung, 2006; Arrotéia et al., 2012; Robaire y Hinton, 2015; Rodríguez-Tobón, 2016).

3.2 Cambios fisiológicos

La funcionalidad óptima de los espermatozoides depende tanto de los procesos que ocurren en el interior como en el exterior de estas células, para lo cual es de gran importancia la formación de diversos microambientes a lo largo del epidídimo, por diferentes moléculas secretadas hacia la luz del túbulo y, asimismo, por los cambios entre las asociaciones celulares que se observan a lo largo del epitelio epididimario, lo que permite que ocurran variaciones en las características y la composición de la superficie de la membrana plasmática de los espermatozoides, lo que les otorga la capacidad de prolongar su supervivencia dentro del tracto genital femenino por el mantenimiento de las membranas acrosomales y plasmática como estructuras estables, al ocurrir los eventos de glicosilación en los componentes de la superficie del espermatozoide y hasta que se produzcan modificaciones que lleven a la reacción acrosomal. La combinación adecuada de los cambios fisiológicos y su vínculo con los morfológicos y bioquímicos favorece que en los espermatozoides ocurran los procesos ligados con la capacidad fertilizante, como pueden ser: a) la adquisición de un marcado incremento en el vigor de la movilidad, tras el paso del movimiento circular a rectilíneo, b) la capacidad de experimentar el proceso de capacitación y c) la competencia para interaccionar con la zona pelúcida y finalmente lograr la fertilización del ovocito (Hernández-Rodríguez et al., 2016).

3.3 Cambios bioquímicos

Todos los componentes del espermatozoide están rodeados por una membrana plasmática altamente compleja y muy especializada (Srivastava y Olson, 1991; Dacheux y Dacheux, 2014), la cual es un componente vital y de gran importancia para los eventos tempranos que se registran durante la fertilización, empero, el espermatozoide es una célula que pierde la capacidad de sintetizar proteínas o algún otro tipo de molécula de relevancia biológica en los últimos pasos de la espermatogénesis (Dacheux y Dacheux, 2014), por esta razón es que los cambios bioquímicos que se presentan en los gametos masculinos durante todo el recorrido por el epidídimo dependerán de las transformaciones postraduccionales (que se producen en los residuos de los aminoácidos que constituyen a las proteínas), las cuales pueden ser de varios tipos: de adición o de eliminación de grupos funcionales, o por la formación de enlaces con otras proteínas.

Dentro de las transformaciones de gran trascendencia que acontecen en la membrana plasmática de los espermatozoides están diversos cambios que permiten una mejor y específica distribución espacial en los componentes del glicocálix, denominado de esta forma por estar integrado por la presencia de abundantes oligosacáridos, los cuales se han unido a una gran cantidad de proteínas (Rodríguez-Tobón, 2016) y de lípidos, formando cadenas de glicoproteínas y de glicolípidos, respectivamente. Ambas cadenas forman la cubierta celular que está en contacto con el medio extracelular. De forma particular, en la glicosilación ocurren modificaciones que permiten la integración o separación de una o más cadenas de glicanos a una cadena principal por medio de enlaces covalentes.

Los cambios bioquímicos que suceden en las porciones de los carbohidratos de los componentes de la membrana plasmática de los espermatozoides durante su maduración en el epidídimo se han evaluado desde hace tiempo, pues se sabe que el contenido de glicoconjugados en los espermatozoides es un buen indicador de la maduración que éstos deben presentar a través de su recorrido por el epidídimo (Tajiri et al., 2012). Debido a que los glicoconjugados son una forma altamente compleja que participa en el reconocimiento célula a célula, en la unión del espermatozoide a la zona pelúcida en la reacción acrosomal y en la fusión espermatozoide-ovocito (Cardona-Maya y Cadavid, 2005), se requiere del uso de lectinas para evaluar la presencia de estos carbohidratos en la superficie de la membrana del espermatozoide (Srivastava y Olson, 1991).

Las lectinas son proteínas de origen vegetal y animal con una elevada especificidad de unión a los residuos de los carbohidratos, en los glicoconjugados (Hernández-Cruz et al., 2005) funcionan como una herramienta para el análisis de las variaciones en la distribución y densidad de la exposición de los sacáridos cuando el espermatozoide pasa a través del epidídimo, y a pesar de que ciertos detalles de estos cambios no han sido del todo esclarecidos, existe la evidencia de la participación de dos conjuntos de enzimas: a) las glicosiltransferasas, un grupo de enzimas sintéticas que adicionan residuos de azúcares a un azúcar donante (azúcar de nucleótido), y b) las glicohidrolasas, enzimas hidrolíticas que separan residuos de un azúcar de los glicoconjugados ya existentes, ambos grupos se hallan presentes en altas concentraciones en el fluido luminal del epidídimo que rodea a los espermatozoides, el cual favorece modificaciones en los glicoconjugados de la superficie espermática (Tulsiani, 2006).

Entre los azúcares identificados en la membrana del espermatozoide y cuya presencia se modifica con el transporte de estas células por el túbulo del epidídimo, están: a) ácido siálico, que se ha relacionado con la carga negativa total de la superficie del espermatozoide y que aumenta durante el tránsito epididimal; en el caso de la rata, diversos investigadores han reportado que es en la cabeza de los espermatozoides donde se tienen más altos valores de uniones de ácido siálico a la membrana y conforme avanzan a través del túbulo epididimario disminuyen a valores más bajos las uniones en la cola del espermatozoide, por lo que es posible que la unión de ácido siálico a la membrana pueda ser relevante y estar vinculada con la maduración espermática en esa especie (Hall y Killian, 1987) y como una preparación para la posterior fusión del espermatozoide con el ovocito; b) N-acetilglucosamina: la adecuada presencia y distribución de este carbohidrato tiene gran importancia en el proceso de interacción entre gametos, además de que en los espermatozoides de algunas especies de mamíferos se ha descrito que la presencia de N-acetilglucosamina es necesaria para que pueda llevar a cabo la reacción acrosomal y eventualmente también la fertilización (Cardona-Maya y Cadavid, 2005; Tulsiani y Abou-Haila, 2012); la presencia de ambos carbohidratos se puede evaluar mediante la afinidad que tienen con la lectina de Triticum vulgare aglutinina (WGA), la cual detecta a los residuos encontrados en los glicanos; c) manosa es un carbohidrato que conforma permanentemente la superficie de la membrana de los espermatozoides (Aliabadi et al., 2013), con sus respectivos cambios a lo largo del epidídimo, tiene importancia por participar en el reconocimiento del espermatozoide con la zona pelúcida y por estar implicado en el proceso de fertilización (Jiménez et al., 2006; Aliabadi et al., 2013); se ha reportado que la lectina Canavalia ensiformis aglutinina (Concanavalina A, Con A) se une a residuos de manosa, lo que hace posible identificar su presencia en la superficie espermática; d) fucosa es un carbohidrato que tiene relación con la unión especie-específica entre gametos, mediante su adherencia con proteínas de la zona pelúcida (Tulsiani y Abou-Haila, 2012) la presencia de fucosa unida a proteínas del espermatozoide y en el plasma seminal otorga la capacidad a los gametos de formar una reserva espermática en el oviducto, tras sumarse a proteínas del epitelio celular que reconocen a la fucosa (Ignotz et al., 2001). De forma particular, se reportó en el estudio de Hall y Killian (1987) que en los espermatozoides de la rata albina que transitan por el epidídimo la presencia de fucosa en membrana plasmática disminuye tres veces en la región de la cola, al comparar con espermatozoides de la zona de la cabeza.

Los cambios que ocurren durante el proceso de maduración espermática en la presencia de los carbohidratos de membrana incluyen a otras moléculas, como D-galactosa, que disminuye a medida que la célula avanza a lo largo del epidídimo, mientras que los niveles de N-acetilgalactosamina, por el contrario, son superiores en la membrana de los espermatozoides de la cola que en los de la cabeza del epidídimo. Otros residuos de carbohidratos, como la α-D-glucosa y manosa, se presentan en mayor proporción en las membranas de los espermatozoides de la cabeza y de la cola, pero en muy baja cantidad en las de las células del cuerpo epididimario. En relación con el contenido de manosa en la membrana plasmática, los cambios que se registran en el epidídimo pueden ser un buen indicador de maduración en los espermatozoides (Belmonte et al., 2002).

Por otro lado, la fosforilación de proteínas en residuos de tirosinas es otro de los cambios intracelulares importantes en la adquisición de la capacidad fertilizante del espermatozoide durante la maduración (Filtz et al., 2014), debido a que es considerada como la base molecular esencial para el desarrollo coordinado del movimiento progresivo por parte del flagelo y con la posterior capacitación (hiperactivación) y reacción acrosomal del espermatozoide (Moseley et al., 2005; Mor et al., 2007) en el oviducto de la hembra. Se ha encontrado que el estado de fosforilación de proteínas está regulado por una vía dependiente de adenosín monofosfato cíclico (AMPc) y por la actividad enzimática de dos tipos de proteínas: a) cinasas y b) fosfatasas, siendo las primeras las que agregan un grupo fosfato y las segundas las que lo remueven. En virtud de que el espermatozoide es incapaz de sintetizar nuevas proteínas, se puede argumentar que la dependencia a la fosforilación de proteínas es mayor al de otros tipos celulares y se asocia con el proceso de maduración epididimaria por los eventos de fosforilación y desfosforilación principalmente en proteínas del flagelo, participando en la adquisición de la movilidad y en la capacidad para fertilizar al ovocito, funcionando como un swich on/off. En las ratas se han identificado proteínas de un peso molecular de entre 50-64 y 91-127 kDa que se fosforilan, localizadas a nivel de todo el dominio acrosomal del espermatozoide, y de igual forma a nivel de la pieza media (Rodríguez-Tobón, 2016). En el trabajo de investigación realizado por Lewis y Aitken (2001) se analizó el impacto que tiene la maduración espermática epididimaria en los patrones de fosforilación de tirosinas en espermatozoides de la región de la cabeza y de la cola del epidídimo en la rata Wistar, por medio de inmunohistoquímica, cuyos resultados fueron que: a) en los espermatozoides de la región de la cabeza del epidídimo, el patrón de fosforilación de proteínas en residuos de tirosina que se presentó con mayor frecuencia fue el que se observó en la cabeza de los espermatozoides, mientras que b) en los espermatozoides del área de la cola del epidídimo, el patrón de fosforilación sobresaliente fue el que se advirtió en la parte posterior de los espermatozoides; es decir, que la inmunolocalización que predominó en la mayoría se concentró en la parte del flagelo.

Los múltiples cambios que sufren los espermatozoides cuando recorren las regiones del epidídimo son fundamentales (Tulsiani, 2003; Seligman et al., 2004) y dependen de la especialización del microambiente en cada sección del lumen tubular, mediante la síntesis y secreción de proteínas y moléculas que interactúan con los espermatozoides, y por la eliminación de sustancias por parte de las células que integran al epitelio epididimario, cuya funcionalidad depende de la acción que ejercen los andrógenos (Robaire y Hamzeh, 2011; Robaire y Hinton, 2015).

4. Regulación de la función del epidídimo por andrógenos

Las hormonas esteroides cumplen diversas funciones a lo largo del desarrollo embrionario y en etapas posteriores al nacimiento (Blok et al., 1992), de forma particular, en los varones los andrógenos tienen efectos que juegan un papel esencial en la masculinización del feto, en la formación de los órganos reproductores internos y externos (Arrotéia et al., 2012) y en el desarrollo de las características sexuales secundarias masculinas. La testosterona (T) es el principal andrógeno que circula en el torrente sanguíneo, es sintetizada y posteriormente secretada por las células de Leydig, localizadas en el espacio intersticial de los testículos; esta hormona puede llegar a las células del epidídimo mediante dos rutas distintas: a) mediante los conductos eferentes después de salir de la rete testis, donde mayormente se suma a la proteína de unión a andrógenos (ABP), y b) a través de la circulación sanguínea, en la cual la T libre puede entrar en las células por difusión pasiva. La mayor parte que llega hacia las células del túbulo epididimario se transforma por la reducción que origina la enzima esteroide 5α-reductasa a su metabolito más potente, la 5α-dihidrotestosterona (DHT) (Robaire y Hamzeh, 2011; Robaire y Hinton, 2015). Es la DHT el esteroide que se ha determinado como el de mayor poder de acción en el mantenimiento de las funciones del epidídimo, lo cual se logra por medio de su unión con el receptor para andrógenos (RA) (Arrotéia et al., 2012). Éste es un miembro de la superfamilia de receptores nucleares situado en el cromosoma X, cuyo gen codifica un receptor multidominio que está constituido por cuatro dominios funcionales: 1) un dominio NH -terminal (NTD), encargado de la activación transcripcional, calificado como el más variable entre los receptores nucleares tanto en longitud como en secuencia; 2) un dominio de unión a ADN (DBD), localizado en la parte central de la molécula del RA, es la región más conservada dentro de la familia de los receptores nucleares y es la que se une al ADN; 3) un dominio de unión al ligando (LBD), responsable de la dimerización y activación de la transcripción, este dominio regula la interacción entre el RA y las proteínas de choque térmico e interactúa con el dominio NTD del receptor para estabilizar la unión del andrógeno (Heinlein y Chang, 2002) y 4), una región bisagra no conservada y flexible, encargada de unir a los dominios LBD y DBD y de regular la unión al ADN, la translocación nuclear y la transactivación del RA (Haelens et al., 2007).

En los tejidos diana, la regulación de los efectos androgénicos que tienen el RA ocurren debido a que actúa como un factor de transcripción receptor-ligando, pues una vez que en el citosol el RA se ha unido con la T o DHT, deja de estar inactivado por la separación de las proteínas de choque térmico y se transporta hacia el núcleo de la célula, en donde en forma de un homodímero posteriormente se une a los elementos de respuesta a hormonas, denominados elementos de respuesta a andrógenos específicos (ERAs). En el epidídimo de la rata el RA se inmunolocaliza de manera específica, con mayor intensidad en la región de la cabeza y cuerpo, y menor intensidad en la de la cola, lo que sugiere que su presencia y expresión tienen funciones específicas en el epidídimo (Robaire y Hamzeh, 2011; Robaire y Hinton, 2015) para controlar su adecuado desempeño, por lo que la participación y regulación de los andrógenos en el epidídimo es de vital importancia en relación con una buena maduración y almacenamiento de los espermatozoides.

Aunque la función del epidídimo depende en su mayoría del efecto de los andrógenos, se sabe que no son los únicos esteroides que tienen acción dentro de sus diversas regiones, pues la T también se aromatiza a 17β-estradiol (E2), por medio de la enzima aromatasa P450 dentro de las células epiteliales epididimarias, en las que se ha identificado la presencia de las formas alfa y beta del receptor para estrógenos (REα y REβ), tanto en la región de la cabeza como en otras del epidídimo, y cuya expresión parece ser especie específica. El papel de los estrógenos se ha relacionado con la reabsorción del fluido luminal que ocurre en los conductos eferentes y en el segmento inicial del epidídimo; asimismo, los estrógenos regulan el transporte de fluido a través del conducto y son responsables del incremento en la concentración de espermatozoides cuando llegan a la cabeza del epidídimo. Si bien el epitelio del epidídimo se describe como andrógeno dependiente, los estrógenos también asisten en la diferenciación y en el mantenimiento de la morfología epitelial (Arrotéia et al., 2012), lo que indica que el E cumple con un papel en las funciones que debe desempeñar el epidídimo con los espermatozoides, es decir, que la fisiología del epidídimo está regulada por andrógenos y estrógenos a partir de la producción y secreción de T, la cual es necesaria para controlar la morfofisiología de células epiteliales y la expresión y secreción de proteínas, además de prevenir la muerte celular, lo que asegura la maduración y almacenamiento de los espermatozoides (O’Hara et al., 2011; Kerkhofs et al., 2012), y el incremento de la fertilidad masculina.

Sin embargo, existe una gran variedad de compuestos en el medio ambiente que afectan directamente a la síntesis y concentración de T en diversas especies, lo que conduce a que ocurran alteraciones en las funciones reguladas por hormonas esteroides, dentro de ellas se puede afectar a las que están involucradas con el desempeño del epidídimo en la maduración de los gametos masculinos por medio de las células epiteliales, debido a que se puede modificar la expresión y la secreción de proteínas relacionadas con la maduración y con el almacenamiento previo a la eyaculación de los espermatozoides, de manera que éste puede ser uno de los factores que incrementa los problemas de fertilidad en el varón.

5. Factores que afectan la fertilidad masculina

Durante los últimos años, el enfoque que han tenido diversas investigaciones se centra en la disminución de la calidad reproductiva masculina, debido a que como resultado de los aspectos que han sido evaluados de la salud y que están ligados con la reproducción del varón se han obtenido consecuencias negativas, por ejemplo, la repercusión ocasionada por la exposición a agentes químicos que se encuentran en el ambiente (Povey y Stocks, 2010). De forma que se ha detectado en el ser humano y en animales experimentales (la mayoría roedores) que los contaminantes arrojados por diversas vías hacia el medio ambiente pueden alterar el adecuado funcionamiento del sistema endocrino y provocar un efecto negativo que modifique la producción de espermatozoides, así como dañar el funcionamiento de los órganos que integran al aparato reproductor implicados en la adquisición del potencial fertilizante de los espermatozoides, como la próstata, las vesículas seminales y el epidídimo, lo cual puede afectar de esta forma la funcionalidad reproductiva de los machos (Anway et al., 2005; Wong y Cheng, 2011).

De forma general, en los últimos años alrededor de todo el planeta se han incrementado los casos de infertilidad, lo que constituye un serio problema en salud reproductiva para las parejas jóvenes. Específicamente en México, de acuerdo con los datos más recientes del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), la cifra de parejas con problemas de fertilidad corresponde a un aproximado de 1.5 millones, por lo que se ha mencionado que a una de cada seis en edad reproductiva no le resulta sencillo concebir (INEGI, 2016), es decir, enfrentan algún tipo de infertilidad.

La organización mundial de la salud (WHO, por sus siglas en inglés) ha definido clínicamente el concepto de infertilidad como la imposibilidad de lograr un embarazo luego de un año de relaciones sexuales regulares sin el uso de algún método anticonceptivo (WHO, 2010). De acuerdo con este organismo, un aproximado de 15% de las parejas tiene problemas de fertilidad, por lo que requieren de la asistencia de médicos especialistas, lo que implica un gran costo económico y emocional. Del total de las dificultades de fertilidad, se sabe que 30% de ellas obedecen a dificultades directas en la fisiología reproductiva de las mujeres, un 30% más está relacionado de forma concreta con alteraciones que provocan inconvenientes en los varones, mientras que el 40% sobrante corresponde a una gran variedad de causas, que al ser analizadas competen tanto a varones como a mujeres, razón por la que se ha estimado que el hombre se relaciona con 50% de los motivos que provocan infertilidad en la pareja (Cui et al., 2016).

En los varones, las causas de infertilidad pueden derivar de una gran diversidad de condiciones y en su mayoría coinciden con afectaciones que disminuyen de significativamente la cantidad y la calidad de los parámetros seminales, en términos de la concentración, la movilidad y la vitalidad de los espermatozoides (Palma y Vinay, 2014). Si bien en una mayoría los problemas que ocasionan infertilidad en los varones están relacionados con patologías que al ser identificadas pueden tratarse, como en los casos del varicocele y del hipogonadismo hipogonadotrópico, en otros más –como en la atrofia testicular y en las malformaciones congénitas genitales– es posible tener un diagnóstico contundente, aunque aún no se puede ofrecer tratamiento específico. A pesar de los avances en investigaciones clínicas que intentan responder a las razones por las cuales algunos hombres no logran tener éxito reproductivo, todavía se desconocen aquellas por las que existe cerca de 34-40% de hombres con problemas de fertilidad, de ahí que se les ha agrupado dentro de la infertilidad idiopática, cuya etiología se ignora (Povey y Stocks, 2010; Arrotéia et al., 2012).

Entre los contaminantes dispersos en el medio ambiente que afectan la fertilidad varonil están los metales pesados, los cuales perturban la fisiología reproductiva de diferentes maneras, algunos de éstos son el plomo (Pb), el mercurio (Hg) y el cadmio (Cd) (Wijesekara et al., 2015), elementos químicos que llegan a estar de forma constante, principalmente como consecuencia de las diversas actividades antropogénicas, en nuestro entorno, ya que el Cd se emplea comúnmente para proteger contra la corrosión de metales como el hierro y el acero, sales como el sulfito y el selenito de Cd forman parte de pinturas para colorear cerámicas y plásticos, asimismo, el Cd se utiliza en la fabricación de baterías de hidróxido de níquel-Cd para la industria automotriz, además de que está presente en fertilizantes fosforados y pesticidas utilizados en la agricultura (Cichy et al., 2014) e incluso los compuestos de Cd se vierten al agua de los ríos y lagos, por lo que puede llegar a los alimentos a través del riego y bioacumularse, dado que no es expulsado de los organismos (Tbeileh et al., 2007; Saeed, 2013), de ahí que se reporten altas concentraciones en peces y otras especies marinas de consumo humano. El humo del cigarro es otra causa importante de exposición al Cd, para fumadores activos y pasivos (Ashraf, 2012); la población en general entra en contacto con él a través de diferentes vías, entre ellas el agua potable, los alimentos y el aire, además en diversas áreas de trabajo industrial (Siu et al., 2009). Es por ello que se ha tratado de legislar a nivel nacional mediante la NOM-009-SSA1-1993 y en otros países como Estados Unidos, mediante el programa nacional de toxicología de la Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, ATSDR, 2012), el cual establece que las concentraciones de Cd a las que el ser humano puede exponerse son de 0.25 a 0.50 ppm (correspondientes a 0.25 y 0.5 mg de Cd por litro de agua); sin embargo, en zonas contaminadas, las concentraciones de este metal son más elevadas, por lo que se requiere de un continuo análisis del efecto que puede ocasionar en la salud y fisiología de los individuos.

6. Alteraciones en la fertilidad masculina por efecto del Cd

El Cd, al igual que otros metales pesados, no tiene una función fisiológica en los organismos, no obstante, puede incorporarse al cuerpo mediante alguna de las vías de absorción, debido a que tiene similitud con elementos esenciales como el calcio y el zinc, en cuyos procesos fisiológicos puede intervenir y afectar la regulación del metabolismo (Staessen et al., 1991; Yang y Shu, 2015). Una vez bioacumulado dentro del organismo, el Cd se elimina con mucha dificultad por medio de la orina, debido a que se une estrechamente a metalotioneínas que son completamente reabsorbidas en los túbulos renales; al no tener el Cd alguna participación en resultados benéficos en el cuerpo se bioacumula, alcanzando una vida media de entre 20 a 40 años dentro del organismo (ATSDR, 2012; Ronchetti et al., 2013). Por esta razón se ha reportado que la intoxicación por Cd causa graves daños a nivel celular en órganos vitales como el cerebro, el hígado, el riñón y los huesos, además de que se ha clasificado como cancerígeno (ATSDR, 2012).

La exposición postnatal a Cd acarrea graves consecuencias en el desarrollo sexual masculino, debido a que el eje de regulación neuroendocrina hipotálamo-hipófisis-testículo es blanco del efecto tóxico que provoca, lo que da origen a secuelas indeseables a nivel de sus tres componentes. De forma particular, en testículos de animales expuestos a este metal antes de la pubertad se ha observado que presentan una reducción en el desarrollo del epitelio seminífero y de la concentración de T, debido a que dentro del testículo el Cd disminuye la actividad de las enzimas esteroidogénicas: 3-hidroxiesteroide deshidrogenasa (3β-HSD) y 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (17β-HSΔ) (Ji et al., 2010; Lafuente, 2013), que son clave en la transformación del colesterol para la biosíntesis de T, aunado a que el Cd también reduce de forma significativa el número de las células de Leydig (Ji et al., 2010), en las que ocurre la síntesis del andrógeno. La intoxicación por Cd y la desregulación en la síntesis y concentración de T altera la espermatogénesis (Järup y Akesson, 2009; Lafuente, 2013) y causa disminución en la motivación y ejecución sexual, en comparación con individuos sanos (Arteaga-Silva et al., 2015). A la par, el Cd afecta a los órganos andrógeno-dependientes, como el epidídimo, cuyo tamaño y peso reduce.

No obstante, es poco lo que se conoce en cuanto a las alteraciones que produce el Cd en los diferentes cambios de los espermatozoides como parte de su proceso de maduración para adquirir el potencial fertilizante. Así, los daños de este metal en algún proceso bioquímico y/o morfológico pueden dar lugar a una deficiencia fisiológica en los espermatozoides que no permita el éxito reproductivo del macho. La mayor parte de las investigaciones al respecto se han realizado en muestras de eyaculados de humanos y de roedores, y se ha indicado una disminución en la concentración, movilidad y vitalidad espermática (Järup, 2003; Haouem et al., 2008; ATSDR, 2012).

En pacientes con infertilidad se ha determinado que la presencia de Cd en la sangre tiene correlación inversa con la concentración espermática en el eyaculado, esto es, aminora el número de espermatozoides conforme incrementa la bioacumulación de Cd, y lo mismo ocurre con los parámetros de movilidad, pues los porcentajes se reducen (Benoff et al., 2009), por estas razones es que se ha afirmado que la bioacumulación en el aparato reproductor masculino y su presencia en el semen interviene en la reproducción de los varones y favorece el incremento de infertilidad masculina, al reducir la calidad espermática (Pant et al., 2003). Lo anterior se suma al hecho de que eleva el porcentaje de anormalidades morfológicas en los espermatozoides, las cuales participan en la ejecución del movimiento progresivo, en el reconocimiento y en la posterior fertilización del ovocito, incluso se ha demostrado que el Cd puede ocasionar la reacción acrosomal de forma prematura (Oliveira et al., 2009). El referido elemento genera mecanismos pro-oxidantes que incentivan el desbalance en la formación de especies reactivas de oxígeno (ERO), las cuales producen un aumento en la lipoperoxidación de las membranas, lo que en el caso de los espermatozoides de varones expuestos a Cd se ha comprobado y se ha correlacionado con la azoospermia, debido a que el Cd tiene un efecto adverso durante la espermatogénesis (Akinloye et al., 2006). A nivel del núcleo y de la información genética que se resguarda en el espermatozoide, se ha reportado que puede causar diversos daños al ADN (Xu et al., 2003; Taha et al., 2013), debido a que hay un incremento en la fragmentación y en la descompactación de esta molécula, por lo que parte de la información almacenada en los ácidos nucleicos se puede perder. Es por los anteriores antecedentes que se ha propuesto como necesario seguir investigando con mayor detalle los efectos del Cd en el epidídimo, ya que puede ser que por la exposición per se haya una alteración en el desempeño del mismo, o que sea una consecuencia de la reducción en la concentración de T la que afecte a la expresión y secreción de proteínas relacionadas con la maduración y el almacenamiento de los espermatozoides, que ocurre como parte de las funciones que cumplen las células epiteliales que los rodean.

7. Efecto del Cd en el epidídimo y en espermatozoides durante su maduración

Los estudios que reportan efectos del Cd sobre la función epididimaria se centran en los parámetros de calidad espermática en muestras de eyaculados, tanto de humanos como de roedores. En dichas investigaciones se ha demostrado que a causa del Cd se registra una baja concentración de espermatozoides y en el porcentaje de los vivos (Järup, 2003; Haouem et al., 2008; ATSDR, 2012). También se sabe que el Cd ocasiona un alto número de anormalidades morfológicas a lo largo de todo el espermatozoide que afectan el movimiento progresivo y que posteriormente limitan el reconocimiento y fertilización del ovocito, aunado a que el Cd causa daño en el ADN de los espermatozoides (Taha et al., 2013; Xu et al., 2013), a través de ERO, que puede modificar la estructura e integridad de las membranas, lo que se ha relacionado con azoospermia en varones infértiles (Akinloye et al., 2006). Otro de los efectos negativos al ADN es la descompactación de la cromatina espermática por la pérdida de las uniones en los puentes disulfuro (S-S) entre los residuos de cisteína que unen a las protaminas y juntos estabilizan la cromatina durante los estadios finales de la maduración espermática (Quintero-Vásquez et al., 2015), por lo que estas alteraciones también se han asociado con la infertilidad. Sin embargo, en estudios con exposición de espermatozoides a CdCl in vitro, se ha reportado que no tiene un impacto sobre la integridad de la cromatina espermática, pero sí sobre la fragmentación del ADN espermático (Méndez et al., 2011).

En un estudio llevado a cabo por Ribeiro (2013) en ratas Wistar para ver el efecto del Cd en la función epididimaria, tras la administración en una sola dosis a diferentes concentraciones de CdCl (1.1, 1.4 y 1.8 mg/kg) se observó que entre mayor es la cantidad hay una menor presencia de espermatozoides en el lumen del túbulo de la región del segmento inicial, la cabeza y la cola del epidídimo. En este mismo estudio se evaluó el diámetro del epitelio y la luz del túbulo, encontrándose un aumento en el espesor del epitelio de la cabeza del epidídimo de los animales tratados con 1.1 y 1.4 mg/ kg de Cd, por lo que se sugirió que este efecto se debe a una incapacidad en la reabsorción del fluido luminal. Respecto de la luz del túbulo, se advirtió que en la región de la cola del epidídimo de los animales tratados con 1.8 mg/kg de Cd hay una mayor proporción en el diámetro de la luz y una disminución en el número de espermatozoides presentes; en datos similares reportados se indica que la exposición a Cd disminuye la concentración espermática en las tres regiones del epidídimo y que lo mismo ocurre al examinar la movilidad (Benoff et al., 2009). Se ha documentado que estos resultados se pueden deber a que el Cd tiene un efecto negativo sobre la regulación y el mantenimiento de la barrera hemato-epididimaria (Dubé y Cyr, 2012), lo que ocasiona cambios en la histología del epidídimo, incluyendo en el grosor del epitelio, necrosis de las células epiteliales, vasoconstricción y edema intersticial junto con la infiltración de células mononucleares, lo que desemboca en la alteración del proceso de maduración espermática, que puede interferir y causar con ello infertilidad (Adamkovicova et al., 2014).

A pesar de que los estudios antes mencionados analizan los efectos del Cd sobre parámetros de calidad espermática y algunas características histológicas, falta considerar lo que corresponde a los cambios bioquímicos propios de la maduración epididimaria, como la glicosilación de la membrana de los espermatozoides que involucra azúcares como N-acetilglucosamina, ácido siálico, manosa y la fucosa, así como la acción del Cd en los procesos relacionados con la adquisición de la movilidad espermática, como es el caso de la fosforilación de residuos de tirosina en proteínas de espermatozoides.

7.1 Efecto del Cd en la glicosilación de membrana espermática

De la realización adecuada y ordenada de los eventos de glicosilación que ocurren a nivel de la membrana plasmática durante la maduración epididimaria, depende el desarrollo de la capacidad del espermatozoide para atravesar las mucosas cervicales, acercarse al ovocito y fertilizarlo. Sin embargo, no existen trabajos de investigación que analicen con amplitud el impacto que puede tener el Cd en estos procesos bioquímicos, aunque de forma general es posible señalar que sí son afectados según se describe a continuación.

Como ya se mencionó previamente, la N-acetilglucosamina es un carbohidrato presente en la membrana plasmática del espermatozoide que cambia a lo largo del túbulo epididimario, por lo que se ha sugerido que estas modificaciones están relacionadas con la maduración espermática (Hall y Killian, 1987). Tulsiani (2006) indagó que la unión de N-acetilglucosamina a residuos de glicoconjugados se realiza por medio de la actividad de la enzima N-acetilglucosamiltransferasa, aunque no existe del todo un patrón bien diferenciado de su actividad; la descripción señala que en la región distal de la cabeza del epidídimo hacia la proximal de la cola (cercanas al cuerpo del epidídimo), la actividad de esta enzima es mayor sobre los espermatozoides (Tulsiani, 2006); acerca del efecto que el Cd puede tener sobre la actividad de enzimas de glicosilación como N-acetilglucosaminidasa, se ha evaluado in vitro en espermatozoides de eyaculado de carpa y no se han encontrado diferencias significativas entre las distintas concentraciones de Cd (1, 10 y 100 mg/L) y a diferentes tiempos de incubación (0, 4 y 24 horas), respecto de los espermatozoides del grupo control (Sarosiek et al., 2009). No obstante, en el análisis de nuestro equipo de trabajo hemos observado que la exposición in vivo a Cd disminuye la presencia de N-acetilglucosamina en los espermatozoides de las tres regiones del epidídimo de ratas Wistar expuestas a este tóxico, a diferencia de los espermatozoides de cada una de las mismas regiones del epidídimo de nuestro grupo control; esto se pudo visualizar por medio de la unión específica que tiene este carbohidrato con la lectina de Triticum vulgare, o aglutinina del germen de trigo (Wheat germ agglutinin, WGA), proteína que de igual forma puede reconocer a residuos de ácido siálico, un carbohidrato cuya presencia en los tejidos de la carpa (riñón, hígado, músculo y branquias) disminuye como resultado de la exposición a Cd (Aktaç et al., 2010); sin embargo, hasta el momento no se había descrito con exactitud si el Cd pudiera afectar la presencia del ácido siálico en los espermatozoides que transitan a lo largo del epidídimo, de ahí que en nuestro grupo de trabajo analizamos la presencia y las modificaciones de este carbohidrato a nivel de membrana plasmática conforme avanzaba a lo largo del epidídimo, a fin de descifrar de qué manera se pudiera estar dañando la maduración epididimaria en espermatozoides de ratas Wistar expuestas a una dosis de 0.25 mg/Kg de CdCl . Nuestros resultados apuntan a que siempre hubo una baja presencia de ácido siálico en los espermatozoides de las tres regiones del epidídimo, respecto de los espermatozoides correspondientes a cada región de estudio del grupo control; no obstante, aún es necesario saber si esto se debe a un efecto directo del Cd sobre los sitios de unión entre el ácido siálico con sus glicoconjugados o si se debe a que el Cd puede estar afectando per se la actividad de la enzima sialiltransferasa, la cual de manera normal es alta en la región de la cabeza del epidídimo y disminuye significativamente hacia la zona de la cola (Tulsiani, 2006). Asimismo, otra causa por la cual el Cd puede alterar la presencia de ácido siálico en los espermatozoides es que su efecto tóxico sobre el epitelio epididimario es capaz de dañar la secreción de este carbohidrato, pues se ha documentado que en condiciones normales es un evento que debe ocurrir en el epidídimo (Toshimori et al., 1988).

El papel que tiene la exposición a Cd sobre la presencia de otros carbohidratos en la membrana plasmática del espermatozoide cuando transitan por el epidídimo es un proceso desconocido, como en el caso de la adición de la manosa y la fucosa en la membrana.

Acerca de la manosa se ha descrito que es un carbohidrato localizado en la membrana de los espermatozoides (Jiménez et al., 2006; Aliabadi et al., 2013), con función activa en la reacción acrosomal (Wu y Sampson, 2013) y que tiene gran relevancia en la señalización de procesos posteriores, como en la fertilización del ovocito (Belmonte et al., 2002). Por tal motivo, en la investigación que realizamos se evaluó su presencia mediante su unión a la lectina de Canavalia ensiformis aglutinina (Concanavalina A, Con A) en espermatozoides de las tres regiones del epidídimo de ratas Wistar con tratamiento de CdCl2. Se encontraron porcentajes bajos de manosa en el área del glicocálix de los espermatozoides versus un alto porcentaje de espermatozoides sin presencia de este carbohidrato en la misma región en las ratas administradas con Cd, resultados que fueron significativamente opuestos a los obtenidos en los espermatozoides de ratas empleadas como grupo control, por lo que consideramos que dichas variaciones en presencia de manosa en los espermatozoides son ocasionadas por el Cd y pueden repercutir tanto en el proceso de maduración como en la capacitación y fertilización, de tal forma que el Cd podría afectar el potencial fertilizante de los espermatozoides.

Otro interés en nuestro grupo de trabajo fue investigar si el Cd generaba alguna alteración en la fucosa presente en los espermatozoides de ratas Wistar expuestas a este metal pesado, pues a la fecha no se ha descrito algo al respecto; sin embargo, es importante mencionar que cualquier tipo de modificación en la presencia y en el orden en que se integre fucosa al glicocálix del espermatozoide, puede ocasionar problemas de fertilidad masculina (Tecle y Gagneux, 2015). Del análisis que se efectuó con el uso de la lectina Ulex europaeus aglutinina (UEA), que es una proteína afín a los residuos de fucosa, obtuvimos que en los espermatozoides de ratas con administración de CdCl se tenía un patrón opuesto al de los del grupo control, es decir, se detectó un bajo porcentaje en la presencia de este carbohidrato en espermatozoides de la cabeza del epidídimo y fue aumentando hacia la región de la cola, mientras que en los espermatozoides de la cabeza del epidídimo de ratas control se tenía un gran porcentaje de fucosa, que posteriormente disminuía hacia la cola del epidídimo. Cabe mencionar que en el trabajo de investigación de Tulsiani (2006) se indica que la integración de fucosa hacia la membrana plasmática de los espermatozoides la lleva cabo la enzima fucosiltransferasa, la cual tiene una alta actividad en la cabeza y se reduce hacia la cola del epidídimo, por lo que el Cd podría afectar la síntesis y función de esta enzima, que se regula a partir del epitelio epididimario y por lo tanto ser una de las causas en las diferencias observadas en espermatozoides del grupo tratado con Cd.

8. Efecto del Cd en la fosforilación de residuos de tirosina de proteínas durante la maduración espermática

Se ha considerado a la fosforilación de tirosinas como uno de los cambios intracelulares más importantes que ocurren en el espermatozoide durante la maduración epididimaria, debido a que se ha tomado como la base molecular esencial para el desarrollo coordinado del movimiento progresivo, la capacitación y la reacción acrosomal del espermatozoide en el oviducto de la hembra, por lo que las alteraciones que genera en este proceso la exposición a Cd pueden ser causa principal en la infertilidad masculina.

Una de las modificaciones que ocasiona el Cd durante los eventos de fosforilación es que afecta la actividad de las tirosincinasas (enzimas con la capacidad de transferir un grupo fosfato a un residuo de tirosina de una proteína), o a los sitios de unión de las proteínas sustrato, por lo que se ha tomado a esta circunstancia como una explicación a los estudios que señalan que tanto en animales como en seres humanos con exposición a Cd se presentan alteraciones en la movilidad espermática (Da Costa et al., 2016). Por otra parte, también se ha descrito que las fallas en la movilidad espermática como consecuencia del Cd pueden deberse a un desgaste energético y a una disminución de la concentración de ATP/AMP, pues el estado de fosforilación está regulado por una vía dependiente de adenosinmonofosfato cíclico (AMPc), lo que influye sobre la actividad de proteínas cinasas y fosfatasas.

De acuerdo con el estudio in vitro de Wang et al. (2016), en el que observaron el efecto del Cd (usando diferentes concentraciones: 0.1, 0.5, 1, 5, 10 y 50 μM, en un medio basal) en la fosforilación de proteínas en espermatozoides de la cola del epidídimo de ratón, se determinó que incrementaba el porcentaje de proteínas fosforiladas en espermatozoides con exposición a CdCl2, comparados con el grupo control, al que no se le administró Cd. Empero, señalan que el aumento de proteínas fosforiladas en residuos de tirosina no es un hecho que pueda favorecer en todas las especies el desarrollo de la movilidad de los espermatozoides, debido a que cuando analizaron los parámetros de movilidad espermática, salvo el de inmóviles, los demás se presentaron anulados.

Particularmente, en la investigación que se llevó a cabo en nuestro equipo de trabajo, se observó que una concentración de 0.25 mg/Kg de CdCl2 por vía intraperitoneal también provoca un incremento de proteínas que se fosforilan, pues se tuvo un aumento progresivo de este proceso en espermatozoides de la región de la cabeza al cuerpo del epidídimo, y posteriormente fue mayor en aquellos de la región de la cola de sujetos tratados con Cd, lo cual fue distinto a lo encontrado en espermatozoides de sujetos control, cuyo patrón de fosforilación de proteínas era similar entre las áreas de la cabeza y el cuerpo del epidídimo, y disminuían notablemente en la región de la cola.

9. Conclusión

La información reunida en los diversos estudios que se consultaron en este capítulo señala que la adquisición de la capacidad fertilizante de los espermatozoides depende de la correcta funcionalidad del epidídimo y de los distintos cambios que propicia sobre los espermatozoides, en tiempo y espacio, a lo largo del mismo. Sin embargo, las alteraciones que genera el Cd sobre el epitelio y funciones del epidídimo modifican los cambios requeridos para la maduración, de manera que se afecta la adición de carbohidratos de la membrana plasmática y la fosforilación de proteínas en residuos de tirosina de los espermatozoides en las tres regiones del epidídimo. Así, la exposición a Cd puede perturbar la maduración espermática epididimaria y ser una de las causas de las diversas fallas en inhibición en la movilidad y con ello propiciar el aumento de problemas al momento de la fertilización del ovocito, incrementando los casos de infertilidad masculina en la actualidad.

Glosario

17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (17β-HSD): enzima con la capacidad de convertir a la estrona en estradiol.
3β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (3β-HSD): enzima con la capacidad de sintetizar pregnenolona a progesterona (17-hidroxipregnenolona a 17-hidroxiprogesterona) y dehidroepiandrosterona a androstenediona en la glándula suprarrenal.
5α-dihidrotestosterona (DHT): metabolito activo de la testosterona con alto poder biológico, debido a que la DHT tiene una afinidad tres veces más alta que la testosterona y 15-30 veces más alta que los andrógenos suprarrenales con el receptor para andrógenos. Es sintetizada por la enzima 5α-reductasa que disminuye el doble enlace 4,5 de la testosterona. En los hombres, aproximadamente 5% de la testosterona es reducida a DHT. En el desarrollo embrionario, la DHT es fundamental para la formación de los genitales externos masculinos y en el adulto actúa como el andrógeno principal en la próstata y folículos pilosos.
ADN: ácido desoxirribonucleico, una compleja cadena de polímeros que almacenan toda la información genética de un ser vivo.
ADN Acrosoma: estructura en forma de casquete que recubre al núcleo con el ADN, se sitúa en la parte anterior de la cabeza del espermatozoide y contiene enzimas hidrolíticas cuya participación es relevante durante el proceso de fecundación.
Bioacumulación: proceso de acumulación de sustancias químicas tóxicas en diferentes tejidos de los organismos vivos, cuyas concentraciones son más altas que las existentes en el medio ambiente o en los alimentos, tras entrar por vía respiratoria, digestiva o cutánea.
Cadmio (Cd): elemento químico cuyo número atómico es el 48 y su símbolo químico es Cd; se encuentra en el grupo 12 de la tabla periódica de los elementos. Es considerado como un metal pesado, por tener una densidad igual o superior a 5 g/ml, pues su peso atómico es de 112.40 g/mol; es un metal suave, color plata-blanquecino que generalmente no se presenta en el ambiente en forma pura, pero forma compuestos con otros elementos como el oxígeno (O) (óxido de cadmio, CdO), cloro (Cl) (cloruro de cadmio, CdCl2) o azufre (S) (sulfato y sulfuro de cadmio, CdSO y CdS).
Epidídimo: órgano que se divide en cabeza, cuerpo y cola; se compone de un solo tubo estrecho, largo y enrollado, cuya longitud depende del tipo de especie. Está ubicado en la parte superior del testículo y une a los conductos eferentes con el conducto deferente.
Especies reactivas de oxígeno (ERO): moléculas pequeñas con alto poder reactivo, debido a que tienen una capa de electrones de valencia no apareada, se pueden formar de manera natural como subproducto del metabolismo normal del oxígeno y tienen un importante papel en la señalización celular. Sin embargo, un aumento descontrolado en su concentración puede originar daños significativos en estructuras celulares.
Espermatogénesis: serie ordenada de ambos tipos de división celular (mitosis y meiosis) que junto con la espermiogénesis produce espermatozoides anatómicamente completos a partir de células espermatogonias, con la participación de las células de Sertoli y las células de Leydig en los túbulos seminíferos.
Espermatozoide: célula sexual haploide portadora del material genético masculino, que tiene el potencial de moverse.
Estradiol (E2 o 17β-estradiol): hormona sexual esteroide que se deriva del colesterol; para su formación,la enzima aromatasa toma a la testosterona como sustrato y la aromatiza. En las mujeres es producido por las células granulosas de los ovarios.
Flagelo: apéndice movible con forma de látigo que se presenta en una gran diversidad de organismos unicelulares y en algunas células de organismos pluricelulares. En los espermatozoides es una estructura necesaria para la movilidad.
Fosforilación: adición de un grupo fosfato a cualquier otra molécula, por ejemplo, a un aminoácido de una proteína. Éste es el mecanismo básico de transporte de energía desde el sitio en que se produce hasta en donde es requerida. La fosforilación es uno de los mayores procesos que regula la actividad de las proteínas, particularmente de enzimas.
Gametos: del griego upameetḗ “esposa” o μέgamétēs “marido”, son células sexuales haploides (n), originadas por mitosis y meiosis a partir de las células germinales. Se nombran de acuerdo con el sexo del portador, ovocito para el femenino y espermatozoide para el masculino; tras su fusión, se da origen a una célula cigoto con dos conjuntos de cromosomas o diploide (2n).
Glicocálix: estructura compuesta por la presencia de abundantes oligosacáridos que están unidos a una gran cantidad de proteínas.
Glicohidrolasas: grupo de enzimas hidrolíticas que separan residuos de un azúcar de los glicoconjugados existentes.
Glicosilación: modificaciones que permiten la integración o separación de una o más cadenas de glicanos a una cadena principal por medio de enlaces covalentes.
Glicosiltransferasas: conjunto de enzimas sintéticas que adicionan residuos de azúcares a un azúcar donante (azúcar de nucleótido).
In vitro: del latín “dentro del vidrio”, término que se emplea para las técnicas que se realizan como parte de un experimento en un ambiente controlado fuera de un organismo vivo.
In vivo: del latín “dentro de lo vivo”, término que se emplea para las técnicas que se llevan a cabo dentro de un organismo vivo, como las pruebas realizadas con animales y a los ensayos clínicos.
Infertilidad idiopática: incapacidad con etiología desconocida para lograr un embarazo en un plazo no mayor a un año.
Infertilidad: imposibilidad de lograr un embarazo luego de un año de relaciones sexuales regulares sin el uso de algún método anticonceptivo.
Lectina: proteína de origen vegetal o animal con la capacidad de unirse con alta especificidad a los residuos de un azúcar específico.
Membrana plasmática: integrada por una bicapa lipídica que engloba y da forma a la célula, está integrada por fosfolípidos, glucolípidos y proteínas. Mantiene el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular), y regula la entrada y salida de diversas sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular.
Ovocito: del latín ovŭlum, diminutivo de ovum “huevo”, es una célula sexual haploide portadora del material genético femenino, el cual es grande e inmóvil.
Potencial fertilizante: capacidad que adquieren los espermatozoides para moverse progresivamente, reconocer y unirse a la zona pelúcida a fin de fecundar un ovocito.
Puente disulfuro (S-S): enlace covalente fuerte entre grupos tiol (-SH) de dos cisteínas; este tipo de enlace es de gran relevancia en la estructura, plegamiento y función de las proteínas.
Rete testis: compleja red interconectada que se forma en los extremos de los túbulos seminíferos, se localiza en la parte superior del testículo y actúa como puente de unión con los conductos eferentes.
Testículo: órgano del aparato reproductor masculino que cumple con una doble función: ser una gónada en la que se producen los espermatozoides y una glándula en la que se sintetiza y secretan hormonas esteroides sexuales, entre ellas la testosterona.
Testosterona (T): es la principal hormona esteroidea sexual en los varones, pertenece al grupo de los andrógenos; se produce principalmente en los testículos dentro de las células de Leydig, aunque las glándulas suprarrenales pueden secretar cantidades pequeñas. Durante el desarrollo embrionario se encarga de diferenciar al aparato reproductor masculino y en la pubertad proporciona los caracteres sexuales secundarios.
Tirosina: aminoácido no esencial en los mamíferos, está formado por un carbono central alfa (Cα) unido a un átomo de hidrógeno (-H), un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2) y una cadena lateral (grupo fenólico).
Tirosincinasas: enzimas con la capacidad de transferir un grupo fosfato a un residuo de tirosina de una proteína, o a sitios de unión de las proteínas sustrato.