INTERACCIONES DE LOS XENOBIÓTICOS CON LOS ORGANISMOS VIVOS: La Bioquímica Ambiental trata de estudiar las interacciones que se producen entre los xenobióticos (compuestos químicos) ambientales con los componentes bioquímicos y los procesos metabólicos de los seres vivos, así como las posibles alteraciones o malfunciones derivadas de su presencia y/o interacción. Su contenido es muy análogo al de la Bioquímica Toxicológica. Conexiones con otras ciencias: Biología, Ecología, Genética, Química y Bioquímica; Medicina Toxicológica, Agricultura, Tecnología de los Alimentos, etc., Bioquímica Clínicas, Patología Molecular. La bioquímica de la acción tóxica es polifacética y multifásica, cubriendo todos los aspectos desde el inicio del contacto ambiental de un organismo con un xenobiótico hasta su excreción de nuevo al medio ambiente, pasando por todas las posibles interacciones del xenobiótico con los componentes del sistema biológico. La interacción xenobiótico-organismo, con proceso tóxico (envenenamiento) o no, tiene lugar a través de varias fases y la Bioquímica Ambiental está implicada en el estudio de la mayoría de ellas. El destino de un compuesto en el medio es muy complejo y su interacción con los organismo dependerá de un gran número de parámetros, que afectarán según en la fase en la que se encuentre dicha interacción (entre la sustancia y el or ganismo).
Fases de la Interacción de los organismos con los xenobióticos 0. EXPOSICION: EXPOSICION: Relación de los organismos con el medio ambiente del que forman parte; es propiamente dominio para el estudio de otras áreas, c omo la epidemiología e higiene higi ene industrial. 1. ENTRADA o VIAS DE PENETRACION: PENETRACION: piel, tracto gastrointestinal y pulmones. Depende de la estructura bioquímica de las membranas biológicas (membranas, epicutícula en insect., cutícula y estromas en plant.) y de la naturaleza físico-química de xenobióticos; la relación entre las propiedades estructurales de los xenobióticos y el proceso de su absorción es un tema del programa. La mayoría de los xenobióticos entran en los organismos a causa de su lipofibilidad. 2. DISTRIBUCION: Transporte a través del organismo de los XBs (proteínas plasmáticas, lipoproteínas) y su distribución entre los tejidos según las propiedades del compuesto y la actividad metabólica de los órganos implicados. Los estudios toxicocinéticos de distribución por tejidos se ajustan a modelos matemáticos para establecer el comportamiento de los tóxicos, o de los fármacos, etc., dentro de un organismo. 3. METABOLISMO: comprende el estudio de las actividades enzimáticas que modifican la estructura química del xenobiótico y puede tener lugar en el tejido de entrada o en otros órganos. La modificación enzimática puede conllevar un aumento de la toxicidad y a veces una disminución de la misma. Se pueden producir toda una serie de reacciones enzimáticas que se catalogan en dos fases. (I y II). Destaca el hígado como órgano muy activo metabólicamente, seguido del tracto gastrointestinal, pulmones, riñón, etc. Como orgánulos subcelulares se pueden destacar: el núcleo por la información que contiene, la mitocondria porque soporta la producción energética y el retículo endoplásmico por su actividad oxidativa. 4. MODO DE ACCION: ACCION: tanto los compuestos tóxicos intrínsecamente, como los metabolitos activos pueden interaccionar con compuestos o estructuras celulares con actividad biológica y pertubarla, desencadenando así el efecto tóxico. El estudio de los mecanismos del modo de acción de los xenobióticos corresponde a un área de mucho interés en la Bioquímica Toxicológica o Ambiental. Los tóxicos agudos suelen afectar al sistema nervioso central (sinapsis) o periférico (uniones neuromusculares). La toxicidad crónica se manifiesta a muchos niveles, es muy importante la actividad carcinogenética de muchos de los xenobióticos.
5. EXCRECION: fase en la que los productos metabólicos, los propios xenobióticos o sus metabolitos de transformación, salen del organismo generalmente como derivados conjugados. Primordialmente los riñones, la vesícula biliar y los pulmones son los encargados de este proceso, aunque hay otras vías de eliminación minoritarias (glándulas sudoríparas y sebáceas, cabello) y otras ligadas a la actividad sexual s exual o reproductiva (leche, huevos, feto, etc.).
El tema de la exposición a xenobioticos, está directamente relacionado con la entrada o absorción de los xenobióticos en los organismos. Aqui se recogen conceptos básicos.
EXPOSICION AMBIENTAL Y RIESGO DE TOXICIDAD. EXPOSICION: Consiste en la condicion por la que un compuesto se pone en contacto con un organismo y penetra en él. La interfase entre el medio y el organismo presenta varios aspectos cualitativos y cuantitativos que son los que determinan el nivel de exposición. 1.-Fase de producción o de origen fuentes o emisores 2.-Fase de cinética en el medio. transporte y transformaciones 3.-Fase de exposición cuantificar el nivel de exposición. Formas y rutas de exposición rutas naturales: Alimentos, agua, aire, piel, huevo, yema y placenta. rutas artificiales aplicaciones. Puede haber procesos y factores externos que afectan a la exposición especiación química y exposición. relación entre la estructura química, la forma de exposición y el posible efecto a producido. SIGNIFICADO TOXICOLOGICO DE LAS RUTAS DE EXPOSICION - Indican qué factores y procesos determinan que un grupo de población sea de alto riesgo. - La severidad del efecto dependerá de la magnitud de la carga y de la sensibilidad del individuo expuesto. - Factores y condiciones que diferencian las sensibilidades entre especies o entre individuos y que pueden definir el concepto de “hipersensibilidad”.
RIESGO El riesgo que la salud de los organismos pueda soportar como consecuencia de la presencia de sustancias xenobióticas en el medio ambiente depende de 2 factores: a- la capacidad de entrada de una sustancia en el medio y en el organismo. b-la toxicidad de dicha sustancia a.- La capacidad de entrada en el medio determina la ruta y la extensión de exposición para los organismos. a.- La capacidad de entrada en el organismo determinará si habrá o no efecto manifiesto. b.- La citotoxicidad y la relación dosis-respuesta son los factores que definen fundamentalmente la toxicidad de las sustancias. UNIDADES
DE
MEDIDA
DEL
EFECTO
TOXICO
Y
DE
RIESGO
AMBIENTAL
Tipos de BLV: a.- [ ] de tóxico o sus metabolitos en fluidos o tejidos biológicos. b.- modificación de parámetros biológicos o bioquímicos (células sanguineas, glucosa, glucógeno, actividades enzimáticas). c.- alteraciones de funciones fisiológicas (capacidad respiratoria,, conductividad nerviosa, reflejos, reacc. muscular, diuresis).
¿Qué son los compuestos xenobióticos y cómo se degradan? La palabra xenobiótico deriva del griego (xeno-extraño, y biótico-vida), y se aplica a los compuestos cuya estructura química es poco frecuente o inexistente en la naturaleza. Por lo tanto, se denominan xenobióticos a los compuestos sintetizados por el hombre en el laboratorio, en contraposición al termino biogénico que se utiliza para designar a los compuestos que son de origen natural. Debido a su estructura inusual, algunos xenobióticos persisten mucho tiempo en la biosfera sin alterarse y por eso se dice que son “recalcitrantes" a la biodegradación. Varios xenobióticos, como ciertos insecticidas, herbicidas y detergentes, se utilizan en grandes cantidades y tienen una larga persistencia en el medio ambiente. Los procesos más importantes por los que se degradan los compuestos xenobióticos son la fotodegradación por radiaciones solares, los procesos de oxidación y reducción químicos, y la biodegradación por los seres vivos. La mayoría de los compuestos xenobióticos han aparecido en el medio ambiente durante los últimos 100 años, lo que en la escala evolutiva de la tierra significa sólo un instante. A pesar de ello, los seres vivos, especialmente los microorganismos, son capaces de adaptarse rápidamente a su presencia, lo que facilita que muchos de estos compuestos puedan ser biodegradados. Los xenobióticos son sintetizados por el hombre en el laboratorio LA RAZÓN fundamental de que muchos compuestos sintéticos no sean fácilmente biodegradables radica en la gran estabilidad de su estructura química. Muchos compuestos sintéticos tienen estructuras químicas distintas a las de los compuestos naturales, pero incluso los que tienen estructuras similares a las naturales suelen contener modificaciones que los hacen muy estables. Esto hace que las capacidades degradadativas de los seres vivos, que han evolucionado durante millones de años para degradar los compuestos naturales, actúen más lentamente sobre muchos compuestos sintéticos con estructuras químicas significativamente distintas a las naturales. Además, a veces es frecuente que la biodegradación de estos compuestos se vea limitada por su escasa biodisponibilidad
Muestreo biológico
El muestreo biológico o dosimetría interna consiste en la determinación cuantitativa de la concentración del tóxico o sus metabolitos en uno o más medios corporales del organismo expuesto. Esta información se usa para estimar la exposición que experimentan cada uno de los tejidos del cuerpo, con el fin de estimar la magnitud de la exposición ambiental y para demostrar que existió una exposición efectiva. El simple hecho de que el tóxico se encuentre dentro del organismo es la prueba de que existió la exposición. El diseño del muestreo biológico consiste en seleccionar el medio biológico que se va a muestrear, la especie química que se deberá analizar y el tiempo al que se deberá tomar la muestra. Es necesario asegurarse que las condiciones de muestreo sean las que proporcionen observaciones de valores representativos del nivel del tóxico en el organismo. Factores principales que se consideran al diseñar el muestreo.
Tipo de Exposición. En el caso de las exposiciones intermitentes el tiempo transcurrido desde la exposición es muy importante debido a que la concentración del agente puede variar rápidamente con el tiempo. La concentración interna se incrementa al inicio de la exposición y después empieza a disminuir debido al efecto de los procesos de desintoxicación del organismo (metabolismo y excreción). El tiempo transcurrido no es tan importante si la exposición es continua, ya que la concentración del compuesto estará prácticamente constante, cuando se establece el régimen estacionario. Movilidad y metabolismo. Dependiendo de las propiedades físicoquímicas y bioquímicas del tóxico éste se transportará a distintas velocidades hacia los órganos, se acumulará y se transformará a velocidades diferentes en cada uno de los órganos en los que penetró. Si el compuesto original se biotransforma rápidamente, entonces su concentración, en los medios biológicos, será muy baja y en ese caso es más significativo seguir la concentración de sus metabolitos. El compuesto se puede encontrar en la sangre, acumulado en grasa, pelo, uñas, músculo o hueso, o encontrarse en las secreciones del organismo (orina, heces, leche, sudor) etc. Facilidad de muestreo.- Se prefiere analizar los medios de los que se puedan obtener las muestras más fácilmente, invadiendo el organismo lo menos posible. Se prefiere el medio en el que se encuentre la especie química relevante en forma más fácil de analizar. El muestreo de cada medio tiene sus ventajas y desventajas y la selección del medio más adecuado, en cada caso, dependerá del balance entre esas ventajas y desventajas. Los medios más comúnmente analizados son la orina, la sangre y el cabello. A continuación se describen las características principales de los muestreo de estos medios. Orina En este medio se encuentran los xenobióticos y/o sus productos de excreción que seansolubles en agua. El muestreo es muy sencillo, no requiere de procedimientos invasivos ni de personal
especializado. Como la orina es una solución acuosa homogénea es muy fácil estimar la recuperación del analizando. Los cambios en flujo y composición de la orina influyen sobre la concentración de las substancias en este medio y por lo tanto los resultados se deben de corregir por estos factores. 2.2.1.2 Sangre Como se mencionó anteriormente, la sangre se supone que está en equilibrio con todos los órganos del cuerpo y, por lo tanto, es el medio que mejor refleja la exposición de los diferentes órganos en un momento dado. El factor que más afecta la representatibidad de los resultados del muestreo de sangre es la distribución del tóxico entre el plasma y las células que puede variar con el periodo de exposición y el lapso transcurrido desde que sucedió. Como se verá más adelante, la distribución depende de las propiedades fisicoquímicas del compuesto. Los liposolubles normalmente se encuentran en las células y los compuestos ionizados en el plasma. En cada uno de estos compartimentos el compuesto se puede encontrar libre o asociado a diferentes ligandos como proteínas, cloruros, glutatión. 2.2.1.3 Cabello
La mayoría de los compuestos que se incorporan al cabello son los que tienen afinidad por los grupos sulfhidrilo de la queratina. El cabello crece lentamente, así que su muestreo no es adecuado para evaluar exposiciones recientes. Se sabe que sólo en una de las fases de crecimiento del cabello (anagenia) se incorporan los xenobióticos, presentes en el cuerpo, al eje del cabello y se sabe también que la velocidad de crecimiento en esa fase es de 0.37 mm/día. Esta información se usa para reconstruir, con buena exactitud, la historia de exposiciones pasadas por períodos prolongados. Desafortunadamente solo se tiene datos para muy pocas substancias que nos permitan estimar el coeficiente de partición sangre-pelo. El principal problema que se tiene con el muestreo del cabello es la contaminación proveniente de fuentes externas como partículas suspendidas en el aire, contaminantes presentes en el agua, productos de limpieza y cosméticos. 2.2.1.4 Otros medios
Se pueden seleccionar otros medios biológicos para tomar muestras, tales como, aire exhalado (v.g. en la determinación de alcohol etílico), células exfoliadas de la piel, uñas, sudor, saliva, hueso y leche materna. El análisis de leche materna se utiliza principalmente para estimar exposiciones de infantes, más que para estimar concentraciones corporales en la madre. Toxicodinámica
En el medio ambiente la biota está rodeada permanentemente de una gran cantidad de substancias con las cuales interacciona en todas sus actividades vitales. Aunque todos los compuestos con los que está en contacto, incluyendo el agua, pueden ser tóxicos en determinadas dosis, es evidente que un gran número de especies han tolerado esta situación. Para que un tóxico ambiental cause un daño, en primer lugar se debe estar expuesto a él y en segundo lugar el tóxico tiene que vencer las defensas del organismo que tratan de impedirle que llegue al tejido blanco en forma activa. Las defensas consisten fundamentalmente en mecanismos que restringen la movilidad y disminuyen el período de exposición del tejido blanco. Esto lo puede hacer el organismo poniendo barreras a su desplazamiento hacia determinados tejidos, disminuyendo su difusibilidad a través de las membranas celulares y/o facilitando su excreción.
El efecto producido por una dosis, depende de la cantidad de tóxico que llegue en estado activo al sitio de acción y del tiempo que se le permita actuar allí. El proceso de transporte y transformaciones que experimenta el tóxico desde la superficie epitelial de contacto hasta llegar a los órganos en los que se almacenan y en los que causa lesiones es muy complejo. Por conveniencia, para facilitar su estudio se considera que consta de cuatro pasos: Absorción, Distribución, Metabolismo y Excreción. El proceso se conoce por sus siglas ADME (Figura 2.3).
Ingestión
Cuando el tóxico se ingiere, entra al Tracto Gastro Intestinal (TGI), la mayor cantidad se absorbe en el estómago y en los intestinos aunque también puede haber absorción en cualquier lugar del TGI, incluyendo las absorciones sublingual y rectal. El sitio de absorción depende en parte del estado de ionización del compuesto. Los ácidos débiles es más probable que se absorban en el estómago, donde hay un pH bajo, mientras que las bases débiles, que están menos ionizadas a pH alto, se absorben mejor en el intestino donde existen estas condiciones. La gran área de absorción del intestino y los largos tiempos de residencia, dependiendo de la movilidad intestinal, permiten que se tengan absorciones considerables aunque el flux, cantidad transportada por unidad de área y de tiempo, sea pequeño. La absorción de los xenobióticos usa los mismos mecanismos que tiene el TGI para absorber los nutrimentos. Por ejemplo, el plomo se absorbe en el intestino usando el sistema de transporte del calcio. Para que un compuesto ingerido pueda alcanzar la circulación general, accesar el resto del organismo y tener la posibilidad de causar un daño, debe primero ser capaz de resistir: • la acción de las enzimas digestivas, • el pH del estómago, • la biodegradación por la flora intestinal.
• la biotransformación por las enzimas hepáticas.
La absortividad del tóxico ingerido depende de sus propiedades físicoquímicas. Los compuestos liposolubles de bajo peso molecular y los compuestos no ionizados se absorben mejor.
Inhalación
La inhalación es la vía de exposición a gases, vapores de líquidos volátiles, aerosoles y partículas suspendidas en el aire. Los sitios de absorción son la nariz y los pulmones. La nariz actúa como un limpiador o trampa para los gases solubles en agua y los muy reactivos así como, para retener las partículas grandes. La absorción de gases y vapores que llegan al pulmón usa el mismo mecanismo que existe para el intercambio de oxígeno y bióxido de carbono. La velocidad de difusión de los gases en el pulmón es muy grande, debido a que la distancia de difusión es muy pequeña, el flujo sanguíneo es muy alto y el área de transferencia es muy grande. Lo anterior produce que la velocidad de absorción en el pulmón sea alta, independientemente de la naturaleza química del agente. Las substancias ionizadas, que son las de más lenta absorción, normalmente no son volátiles, por lo que es poco probable que se encuentren en el aire como vapores o gases, aunque desde luego pueden llegar hasta los alvéolos si están absorbidas en las partículas pequeñas de polvo. Contaminantes ambientales (o xenobióticos) (etimológicamente: “ajeno a la vida”) estaba limitado a
compuestos químicos sintetizados por el hombre, constituidos por determinados elementos o grupos estructurales y que fueron detectados con posterioridad en los sistemas naturales. Todo cambio significativo en la composición o condiciones normales de un medio, constituye una forma de contaminación. Tales cambios afectan al recurso en sí o a su uso para un fin determinado, y los agentes que lo provocan pueden ser:- químicos- físicos- biológicos El medio afectado puede ser aire, agua, suelo o cualquier sustrato orgánico (de ordinario, más de uno de ellos simultáneamente).Tal amplitud de factores y de efectos, involucran agentes de diferente naturaleza y acciones continuas y discontinuas, que pueden producirse espontáneamente o ser provocadas, muchas veces por la actividad del hombre en su búsqueda de recursos a consumir, asociadas con la transformación de materias primas naturales a través de procesos industriales y la acumulación de una cantidad de residuos considerable. En cuanto a la composición, puede ser que implique una variación anómala en la proporción en que se encuentran los componentes habituales (ej.: concentración de nitratos en el agua subterránea por uso de fertilizantes) o la aparición e incorporación de sustancias que normalmente no se encuentran en el ambiente. Estos contaminantes químicos pueden ser inorgánicos (generalmente sales) u orgánicos(derivados más o menos sustituidos de moléculas inicialmente formadas por carbono e hidrógeno, p.e. hidrocarburos). A su vez, tanto unas como otras pueden reconocer un origen natural (ej.: flúor, vanadio o arsénico en aguas subterráneas en varias provincias del país; productos de degradación biológica, que incluyen desde detritos hasta metano, en condiciones anaeróbicas), o en la mayoría de los casos, ser el resultado de la actividad del hombre: origen antrópico (metales pesados provenientes de la minería, metalurgia; residuos domiciliarios o agropecuarios).Los contaminantes físicos incluyen variaciones repentinas en la temperatura, la incorporación de isótopos radioactivos (vuelcos de agua de refrigeración, en general y de reacciones nucleares, en particular),radiación electromagnética y ruidos. En ciertas zonas de grandes ciudades se manifiesta una sobrecarga de información gráfica (contaminación visual).La contaminación biológica, puede ser muy variada, desde las parasitosis endémicas en zonas pantanosas, en embalses o en cuerpos de agua con aporte de desechos domiciliarios, hasta las denominadas “mareas rojas”, producidas por el
crecimiento poblacional de determinado grupo de algas.
Dinámica de los xenobióticos en los organismos -Conocer los procesos de absorción, distribución, bioacumulación y eliminación de los xenobióticos (XBs) en los organismos vivos.
Tema 3 Absorción Rutas de exposición a xenobióticos y vías de penetración en los organismos. Absorción a través de membranas biológicas. Otras vías de absorción. Características químicas de los xenobióticos qu e influyen en su absorción. Velocidad y extensión de la absorción: biodisponibilidad.
Tema 4 Distribución Distribución de los xenobióticos en los organismos. Factores que afectan a la distribución y cinética. Interacciones ligando-proteína. Receptores celulares. Otros factores.
Tema 5 Eliminación Excreción y eliminación de xenobióticos y sus metabolitos. Excreción renal y hepática. Efecto del peso molecular, solubilidad y polaridad sobre la excreción. Otras rutas de eliminación: por pulmón, ligada al sexo, asociada a la alimentación, etc... Rutas oscuras. Módulo 3. Biotransformaciones de los xenobióticos Tema 6 Bioactivación y detoxicación Biotransformaciones: activaciones e inactivaciones. Compuestos biodegradables y persistentes: bioacumulación y biomagnificación.
Rutas para la biotransformación de xenobióticos. Reacciones de fase I: oxidaciones, reducciones e hidrólisis.
Tema 7 Oxidaciones del citocromo P-450 Monooxigenasas microsomales. Enzimas constituyentes del sistema Cit. P450. Mecanismo de la reacción. Variaciones isoenzimáticas. Inducción enzimática por xenobióticos. Poli morfismo genético y
biotransformación de drogas.
Otras oxidaciones, reducciones e hidrólisis Monooxigenasas que contienen flavina. Oxidaciones no microsomales. Reacciones de reducción: ejemplos. Deshalogenaciones: DDT-deshidroclorinasa. Reacciones de hidrólis is: Esterasas.
Tema 9 Reacciones de conjugación Biotransformaciones de fase II: conjugaciones. Ejemplos. Glutation-S-transferasa y formación de mercaptúricos. Degradación de fenoles, funguicidas y herbicidas en p lantas.
Tema 10 Factores que afectan a las biotransformaciones Factores endógenos: desarrollo, edad, género, estado hormonal, embarazo, enfermedad, ciclos biológicos. Factores exógenos: químicos y ambientales.
Alteraciones bioquímicas por xenobióticos Tema 11 Mecanismos de toxicidad Mecanismos moleculares de toxicidad. Relación entre estructura química y actividad biológ ica: ejemplos. Interacciones químicas: potenciación y antagonismo. Efectos tóxicos de los m etales pesados. Metalotioneinas.
Tema 12 Neurotoxicidad de organofosforados y carbamatos
Mecanismos moleculares de actuación de plaguicidas organofosforados y carbamatos. Inhibición de la transmisión nerviosa. Agentes preventivos y terapéuticos.
Tema 13 Alteraciones biológicas por compuestos organoclorados Disponibilidad de ATP y metabolismo. Acción de los plaguicidas organoclorados. Inhibidores y desacoplantes de la fosforilación oxidativa. Acción de los herbicidas sobre la fotofosforilación. Disrruptores endocrinos.
Tema 14 Organoclorados y receptor de hidrocarburos aromáticos Mecanismos bioquímicos de la toxicidad por PCDDs y PCBs. Mecanismo de acción a través del receptor de hidrocarburos aromáticos. Tema 15 Daño celular por radicales libres Mecanismos del daño celular inducido por xenobióticos. Estrés oxidativo. Daño celular por O2 y sus derivados. Peroxidación de lípidos. Mecanismos de protección celu lar contra los oxidantes: el glutation como agente protector. Tema 16 Hepatotoxicidad Biomarcadores e índices de toxicidad. Enzimas marc adoras para la detección y monitorización de la hepatotoxicidad. Compuestos que causan daño hepático: drogas, metales, toxinas, etc.. Fármacos hepatoprotectores. Tema 17 Acción de xenobióticos sobre el ADN Ciclo celular. La oxidación como causante de daño al ADN. Compuestos que forman aductos covalentes con el ADN: aminas aromáticas, nitrosaminas, etc. Métodos de estudio de la genotoxicidad: test de Ames. Tema 18 Carcinogénesis Bases bioquímicas de la carcinogénesis. Genes implicados en la aparición del cáncer. Oncogenes y transformación celular. Genes supresores de tumores. Carcinógenos físicos y químicos. Agentes genotóxicos y epigenéticos. Mecanismos de reparación del ADN. Tema 19 Respuesta celular y Adaptación Respuesta y Adaptación a los xenobióticos: mecanismos bioquímicos responsables. Aspectos evolutivos. Otros mecanismos de respuesta
ABSORCIÓN: Rutas de exposición y Vías de entrada de los xenobióticos en los organismos. Absorción a través de membranas biológicas. Factores que afectan a la absorción de compuestos químicos.. Velocidad y extensión de la absorción. Relación con los mecanismos de transporte. 3.1.- FASES DE LA DINÁMICA DE UN XENOBIÓTICO EN LOS ORGANISMOS (EADME) 1.- EXPOSICIÓN (no se entra a estudiarlo, puesto que se considera materia de contaminación ambiental ) 2.-ABSORCIÓN 3.-DISTRIBUCIÓN 4.-BIOTRANSFORMACIONES 5.-ELIMINACIÓN FASES DE LA ACTUACCIÓN FARMACOLOGICA EXPOSICIÓNPotencial de contaminación de los acuiferos por XBs:Con el objeto de evaluar el poder contaminante de un compuesto se han establecido diversos índices de riesgo potencial de contaminación. Es de destacar que la mayoría de los índices utilizados para evaluar el potencial de contaminación de las aguas Se emplean con la finalidad es establecer dos categorías de plaguicidas: lixiviables y no lixiviables. Para ello se suelen utilizar dos tipos de índices: -basados en aproximaciones empíricas -basados en modelos de transporte. Aproximaciones empíricas El índice GUS se basa en la aplicación de una función obtenida a partir de valores de plaguicidas detectados en las aguas subterráneas y clasifica a los plaguicidas en lixiviables: GUS>2.8, no lixiviables GUS>1.8 y los comprendidos entre estos dos valores de transición. Los p arámetros Koc y t1/2 constituyen un criterio más o menos simplificado de los efectos de tiempo de residencia y de degradación sobr e los procesos de transporte de plaguicidas a los acuíferos.
3.2 RUTAS EXPOSICIÓN y VIAS DE ENTRADA DE LOS XENOBIOTICOS EXPOSICIÓN: Manera cómo el organismo se pone en contacto con los tóxicos. VÍAS DE ABSORCIÓN: mayoritarias (inhalatoria, cutánea, gastrointestinal) y minoritarias (placentaria, leche materna y parenteral). Las principales rutas de entrada de los xenobióticos en los organismos son: gastrointestinal, la dérmica y la respiratoria. Otras vías son puramente experimentales como: IP, IV, IM o subcutanea. La vía alimentaria es la de mayor incidencia generalizada, sin considerar algunas exposiciones profesionales. Las inyecciones en el sistema circulatorio (IV) eliminan la fase de absorción como tal. 3.3.- ABSORCIÓN: Es el ingreso del xenobiótico en la sangre, atravesando las distintas barreras biológicas. Absorción es el proceso por el cual un compuesto penetra dentro del torrente circulatorio de un organismo desde el entorno ambiental en el que se mantiene dicho organismo, después podrá llegar hasta el medio celular (órgano, tejido, etc). La ruta que sigue un xenobiótico desde e l entorno de exposición o punto de administración al lugar de acción dentro de él abarca el tránsito por una serie de tejidos y células, todos aislados por membranas. La transferencia hasta el interior de un orgánulo subcelular, aislado por membranas, puede ser necesaria para que el tóxico pueda ejercer la interacción molecular con la macromolécula correspondiente . Ilustración del número de membranas encontradas por un xenobiótico en los procesos de absorción y distribución por el organismo: Exterior / M piel o mucosa / FLUIDO INTERSTICIAL / M capilares / PLASMA / M capilar / FLUIDO INTERSTICIAL / M celular / FLUIDO INTRACELULAR / M orgánulo / FLUIDO INTRAORGÁNULO (nucleo, mitocondria, lisosoma, etc).
3.4.- MEMBRANAS BIOLOGICAS Sea cual fuere la vía de entrada de los xenobióticos: ruta dérmica, oral o por inhalación, las membranas son la primera estructura biológica con la que se encuentran. Las membranas biológicas están compuestas por fosfolípidos, colesterol y proteínas. El modelo básico, postulado por es todavía válido para describir la estructura de las membranas celulares y una montaña de datos (microscópicos, bioquímicos) han confirmado esta hipótesis con relativamente pocas modificaciones. Diagrama esquemático de la membrana biológica, (modelo de mosaico fluido según Singer y Nicolson, 1972) Componentes: Proteínas y Lípidos: Fosfolípidos proteína / lípido = 5 mielina Glicolípidos =1 membrana externa mitocondrial Colesterol Contenido en proteínas / lípidos muy variable Proteína integral Proteína periférica 3.5.- MECANISMOS FISIOLÓGICOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS Los mecanismos primarios de transporte de compuestos a través de las membranas biológicas son básicamente 4: 1 Difusión pasiva o simple: Parece ser el primer mecanismo en la entrada de tóxicos. El compuesto se mueve a través de las membranas por simple difusión y un coeficiente de reparto adecuado entre las fases agua:lípidos son los parámetros mas responsables de la velocidad de movimiento. FORMAS ELEMENTALES DE METALES O COMPUESTOS INORGÁNICOS 2 Filtración / Difusión facilitada : La filtración a través de los poros es un posible canal para moléculas de tamaño relativamente pequeño (MW 100), pero las moléculas grandes son excluidas. La filtración es considerada importante en los mecanismos de eliminación mÁs que en los de absorción. IONES, ALGUNOS NECESITAN TRANSPORTE ACTIVO 3.- Transporte activo: (con proteínas de membrana) Algunos exógenos pueden ser absorbidos por sistemas específicos del transporte de compuestos endógenos. Algunos sistemas de transporte requieren energía y transportan los compuestos contra un gradiente de concentración (TRANSPORTE ACTIVO). No para XBs Otros no requieren energía con lo que son incapaces de mover compuestos frente a gradientes de concentración, solo actúan a favor de gradiente (DIFUSIÓN FACILITADA o mediada). IONES UNIDOS A LIGANDOS, AMINOÁCIDOS, PROTEÍNAS. El proceso dependerá de: Membrana celular Naturaleza de los compuestos 4.- Endocitosis: La pinocitosis y la fagocitosis son procesos especializados en los que las membranas celulares se invaginan o fluyen alrededor de un tóxico y lo engullen; así son capaces de transferirlo a su interior, sin atravesar estrictamente la membrana. COMPUESTOS UNIDOS A PARTICULAS.
3.6.- FACTORES QUE AFECTAN AL PROCESO DE ABSORCIÓN DE XENOBIÓTICOS: 3.6.1.-Propiedades físico-químicas de los XBs: Grado de ionización, pKa, Coeficiente de partición, Tamaño, Solubilidad, Lipofilicidad Ionización de los compuestos La naturaleza anfipática de las membranas crea una barrera para los iones, compuestos altamente polares, aunque no los excluye completamente. Con los alcaloides se demostró que las membranas eran más permeables a los compuestos no iónicos que para los iónicos. Los alcaloides en el medio ácido del estómago son dificilmente absorbidos y la toxicidad sistémica no se ve alterada. Si el medio estomacal se hace más alcalino, los compuestos se hacen no iónicos y son absorbidos y por lo tanto ejercen su toxicidad. Luego la absorción de xenobióticos por vía estomacal está muy afectada por las condiciones de pH. La cantidad de tóxico en forma ionizada y no ionizada depende del pKa del tóxico y del pH del medio; cuando el pH del medio sea igual al pKa del compuesto disuelto, el 50 % de compuesto estará en forma ionizada y el 50 % en forma no ionizada. La relación vendrá dada por la e cuación de Henderson-Hasselbalch. forma no ionizada log ------------------ = pKa - pH (ácidos) Compuestos ácidos muy ionizados a pH > 6, poco absorbibles forma ionizada " " poco ionizados a pH < 6, muy absorbibles forma ionizada log ------------------ = pKa - pH (bases) Compuestos básicos muy ionizados a pH < 6, poco absorbibles forma no ionizada " " poco ionizados a p H > 6, muy absorbibles Efecto del pH sobre la ionización de compuestos Absorción intestinal de ácidos y bases débiles en función del pH, en rata pH Ácido % no Anilina % no % de absorción intestinal en función del pH benzóico ionizado ionizado pKa 3.6-4.3 4.7-5.0 7.0-7.2 7.8-8.0 BASES COOH NH3+ Anilina 4.6 40 48 58 61 1 99.9 Aminopireno 5.0 21 35 48 52 2 99 0.1 Quinina 8.4 9 11 41 54 3 90 1 ACIDOS 4 COO 50 NH2 10 Nitrosalicílico 2.3 40 27 espalda>abdomen. Efectos de surfactantes y disolventes que acompañan al XB. Para metales sólo se absorben los derivados orgánicos. Diferencias importantes entre especies, grosor, pelo, etc. El cerdo y los primates sirven para el modelo humano. Los ésteres penetran mejor que las drogas libres. Las esterasas (que hidrolizan ésteres) de la piel liberan la droga activa.
3.8.2.- Ingestión: absorción intestinal: A través del digestivo gstrin a a testinl - Ruta más frecuente en las intoxicaciones accidentales o con fines suicidas. - Compartimentos con particulares características histológicas, bioquímicas y físico – químicas. Cuando el tóxico se ingiere, entra al Tracto Gastro Intestinal (TGI), la mayor cantidad se absorbe en el estómago y en los intestinos aunque también puede haber absorción en cualquier lugar del TGI, incluyendo las absorciones sublingual y rectal. La gran área de absorción del intestino y los largos tiempos de residencia, dependiendo de la movilidad intestinal, permiten que se tengan absorciones considerables aunque el flujo, cantidad transportada por unidad de área y de tiempo, sea pequeño. Es la vía mas importante para la entrada de tóxicos en el organismo. El tracto intestinal está muy capilarizado y una vez que los compuestos han atravesado el epitelio entran en la circulación sistémica a través de los capilares. Se ha estimado que la alimentación con leche materna puede llegar a aportar 100 pg iTEQ/kg peso/dia. El sitio de absorción depende en parte del estado de ionización del compuesto. Los ácidos débiles es más probable que se absorban en el estómago, donde hay un pH bajo, mientras que las bases débiles, que están menos ionizadas a pH alto, se abso rben mejor en el intestino donde existen estas condiciones - El lugar de absorción más importante es el estómago e intestino delgado. - Gran superficie por el número de microvellosidades (120 m ). 2 - Presencia de alimentos. - Peristaltismo intestinal y Velocidad de evacuación gástrica. - Concentración, rapidez de disolución, coeficiente de partición (liposolubilidad). La absorción de los xenobióticos usa los mismos mecanismos que tiene el TGI para absorber los nu trimentos. Por ejemplo, el plomo se absorbe en el intestino usando el sistema de transporte del calcio. Para que un compuesto ingerido pueda alcanzar la circ ulación general, acceder al resto del organismo y tener la posibilidad de causar un daño, debe primero ser capaz de resistir: • la acción de las enzimas digestivas, • el pH del estómago, • la biodegradación por la flora intestinal. • la biotransformación por las enzimas hepáticas.
La absortividad del tóxico ingerido depende de sus propiedades físicoquímicas. Los compuestos liposolubles de bajo peso molecular y los compuestos no ionizados s e absorben mejor. . Factores que modulan la absorción gastrointestinal: pH, la dieta, la motilidad intestinal. * Biotransformación. Por la flora microbiana y las enzimas liberadas desde el epitelio. Diferencias importantes entre especies. Alimentos y agua son un vehículo: NO3 en espinacas, Cd2+ en cereales, aditivos, colorantes, etc. Se pueden conducir fácilmente hasta el hígado. Es la vía mas importante de entrada de XB, por ejemplo de PCDFs y PCDDs (hasta un 95 %). En
general se absorben bien las sales minerales; el Pb solo se absorbe un 10 %; en niños hasta el 53 %. 3.8.3.- Absorción respiratoria:A través del sistema respiratorio; Es la tercera ruta mayoritaria. La inhalación es la vía de exposición a g ases, vapores de líquidos volátiles, aerosoles y partículas suspendidas en el aire (CO, NO2, benceno, formaldehido, CCl4, Pb, silica, asbestos, etc). Los sitios de absorción son la nariz y los pulmones. La nariz actúa como un limpiador o trampa para los gases solubles en agua y los muy reactivos así como, para retener las partículas grandes. La absorción de gases que llegan al pulmón usa el mecanismo del intercambio de oxígeno y bióxido de carbono. La velocidad de difusión de los gases en el pulmón es muy grande, debido a que la barrera es escasa, el flujo sanguíneo es muy alto y el área de transferencia es muy grande. Lo anterior produce que la velocidad d e absorción en el pulmón sea alta, independientemente de la naturaleza química del agente. Las substancias ionizadas, que son las de más lenta absorción, normalmente no son volátiles, por lo que es poco probable que se encuentren en el aire como vapores o gases, aunque pueden llegar hasta los alvéolos si están absorbidas a las partículas . Vapores y gases: La velocidad de entrada vendrá definida por la concentración del compu esto, el tiempo de inhalación, la solubilidad del mismo en la sangre. Interior de edificios con conservantes de madera (clorofenoles). Aerosoles y partículas: La entrada de aerosoles y partículas dependerá en gran medida del efecto de filtro que ejerzan las vías respiratorias. Es una vía importante de entrada de contaminantes ambientales (metales pesados y derivados, PCDD/PCDF).
Rápida y completa. Factores: gran tamaño de la superficie alveolar, rica red vascular y corta distancia (1-1.5 micra). Suelen ser muy agudas y graves. El tóxico no pasa por el hígado, los mecanismos de defensa y metabolización no son eficaces. No se puede hacer tratamiento neutralizante, o que disminuya la absorción. La toxicidad dependerá de: Ctte de Haber, relacionada con la frecuencia y el volumen respiratorios del sujeto. La región del aparato respiratorio en la que se depositan las partículas y aerosoles depende de su tamaño. Las partículas de 5 µm o más grandes se depositan en la región nasofaríngea, que es la región más alta. Las partículas de 1 a 5 µm son depositadas en la región traqueobronquiolar del pulmón, de aquí pueden ser eliminadas por medio de estornudos o tos, y pueden pasar al TGI. Las partículas de 1 µm y más pequeñas penetran a los alveolos pulmonares. Estas pueden se r absorbidas a la sangre o bien, pueden ser eliminadas por medio de macrófagos alveolares. Las partículas inhaladas por la boca son deglutidas y entran al TGI. 3.9.- DISTRIBUCION Una vez que el tóxico está en la circulación sistémica, comienza su dis tribución hacia los diferentes tejidos u órganos, lugares
donde ejercer una acción con respuesta toxicológica o no. La distribución de compuestos hacia los tejidos periféricos suele hacerse en base a los sistemas de transporte de lípidos y es dependiente d e cuatro factores: - Las propiedades químico-físicas del compuesto (pKa, liposolubilidad, MW). - Su capacidad de unión a proteínas y lipoproteínas para el transporte. - El gradiente de concentración establecido entre la sangre y los tejidos. - La razón de flujo de sangre a masa del tejido y la afinidad del compuesto por los constituyentes del tejido u órgano blanco. DISTRIBUCIÓN de XBS en el ORGANISMO ORAL TÓPICO I INTESTINO HECES V PIEL V Bilis HÍGAD Lugar de ACCIÓN: O CIRCULACIÓN CIRCULACIÓN TÓXICA, I vena PORTA vena PORTA SC TERAPEÚTICA Unión a M proteínas TEJIDOS CIRCULACIÓN Unión a tejidos, SISTÉMICA BIOACUMULACIÓN BIOACUMULACIÓN Reabsorción tubular Secreccion HÍG onones RIÑ BIOTRANSFORMACIÓN AD ÓN O BILISORINA ESQUEMA DE LAS FASES RECURRENTES EN LA INTERACCIÓN DE LOS XBS CON LOS ORGANISMOS VIVOS y que son consideradas como contenido de la MATERIA.
Introduccion de los xenobioticos Cuando el tóxico llega al organismo, dependiendo de la vía de exposición, entra en contacto con las superficies epiteliales del tracto digestivo, del aparato respiratorio o de la piel. Cuando cruza esas membranas y alcanza el torrente sanguíneo, se considera que el tóxico penetró al organismo. La sangre lo transporta a los distintos órganos y en uno o en varios de ellos puede llegar a causar un daño permanente. La cantidad de tóxico que penetra al organismo puede ser muy diferente de la cantidad inhalada o ingerida, debido a que la substancia no siempre está 1 00% biodisponible. Por ejemplo; el arsénico ingerido en el agua se absorbe casi totalmente, pero se absorbe mucho menos si el vehículo de ingreso es el suelo. El arsénico no está igualmente disponible cuando está absorbido en las partículas de suelo que cuando está disuelto en el agua. En este caso, para ingestas de la misma cantidad de arsénico, una persona tendrá una concentración mayor en sangre cuando el vehículo fue el agua potable. Para estudiar el transporte, modificaciones y destino de los tóxicos dentro del organismo es necesario determinar la concentración de las especies químicas que producen los daños, así como medir la magnitud de esos daños. Las substancias que llegan a las superficies de contacto del organismo con el medio ambiente lo penetran a velocidades diferentes, dependiendo de sus propiedades fisicoquímicas y de las condiciones que existan en la superficie de contacto, tales como, área y permeabilidad de la membrana de contacto y magnitud del flujo sanguíneo en la zona de contacto. El xenobiótico es transportado por la sangre a los distintos órganos del cuerpo en los que se distribuye y en algunos de ellos puede llegar a producir un daño. Desde el momento en que el tóxico penetra en el organismo empieza a ser transformado por las distintas enzimas del organismo de las que pueden ser substrato. Al conjunto de reacciones que convierten los tóxicos en especies químicas distintas que pueden ser menos o más dañinas que el tóxico original, se le da el nombre de biotransformación. Si los convierten en substancias más dañinas se dice que el proceso fue una bioactivación y si lo convierten en substancias menos peligrosas se dice que el proceso fue una destoxificación. Los procesos de destoxificación normalmente consisten en incrementar la polaridad de los xenobióticos lo cual los hace menos difundibles a través de las membranas biológicas y más solubles en el agua, lo cual facilita su excreción en forma de solución acuosa (orina). Estos procesos reducen la cantidad de tóxico que penetra al tejido blanco, así como, el tiempo de permanencia del tóxico dentro del organismo y, por lo tanto reducen la magnitud del daño probable a las células del tejido blanco. Además del tiempo y concentración de contacto entre el tóxico y el tejido blanco también influyen en la magnitud del daño la toxicidad del agente y el estado del receptor. Los daños producidos
pueden ser reversibles debido a que las células tengan capacidad de reparar los daños que sufran o bien pueden ser irreversibles y producir una transformación permanente, incluyendo la muerte de la célula, en cuyo caso se dice que se produjo una respuesta t óxica. A partir del estudio de la relación que existe entre la dosis contactada por un organismo y la magnitud de la respuesta tóxica se llega a la estimación de los índices toxicológicos que son una medida de la peligrosidad de una substancia. Este parámetro es el que se usa para estimar los riesgos en la población expuesta a los tóxicos, que se encuentran en los distintos medios que constituyen el ambiente de una determinada población que, habita, trabaja o hace otros usos de un sitio contaminado. Cuantificación de tóxicos en el organismo. Como se mencionó anteriormente, la respuesta tóxica en un órgano determinado depende de la exposición de ese órgano al tóxico, o sea el daño depende de la concentración de la substancia en el tejido blanco. Es evidente que si se desea estudiar cuantitativamente el efecto de los tóxicos ambientales en la salud del hombre es necesario poder estimar la cantidad de tóxico que realmente entró al organismo, estudiar las transformaciones que le hace el metabolismo y las concentraciones en las que se encuentran las especies tóxicas en los distintos órganos del cuerpo. La estimación de la concentración de las especies tóxicas en los medios corporales se puede hacer de dos formas: por medio de muestreo biológico y por el uso de marcadores biológicos Como se degradan los compuestos xenobioticos
Debido a su estructura inusual, algunos xenobióticos persisten mucho tiempo en la biosfera sin alterarse y por eso se dice que son “recalcitrantes" a la biodegradación. Varios xenobióticos, como ciertos insecticidas, herbicidas y detergentes, se utilizan en grandes cantidades y tienen una larga persistencia en el medio ambiente. Los procesos más importantes por los que se degradan los compuestos xenobióticos son la fotodegradación por radiaciones solares, los procesos de oxidación y reducción químicos, y la biodegradación por los seres vivos. La mayoría de los compuestos xenobióticos han aparecido en el medio ambiente durante los últimos 100 años, lo que en la escala evolutiva de la tierra significa sólo un instante. A pesar de ello, los seres vivos, especialmente los microorganismos, son capaces de adaptarse rápidamente a su presencia, lo que facilita que muchos de estos compuestos puedan ser biodegradados. Los seres vivos suelen degradar más lentamente los compuestos sintéticos Fundamental muchos compuestos sintéticos no son fácilmente biodegradables ya que radica en la gran estabilidad de su estructura química. Muchos compuestos sintéticos tienen estructuras químicas distintas a las de los compuestos naturales, pero incluso los que tienen estructuras similares a las naturales suelen contener modificaciones que los hacen muy e stables.
Esto hace que las capacidades degradadativas de los seres vivos, que han evolucionado durante millones de años para degradar los compuestos naturales, actúen más lentamente sobre muchos compuestos sintéticos con estructuras químicas significativamente distintas a las naturales. Es frecuente que la biodisponibilidad.
que la biodegradación de estos compuestos se vea limitada por su escasa
