BA-6;2010/11-1 TEMA 6.- BIOACTIVACIÓN Y DETOXICACIÓN: Biotransformaciones de XBs. Compuestos biodegradables y no biodegradables o persistentes: bioacumulación y biomagnificación. Rutas para la biotransformaciones de XBs. Reacciones de fase I y de fase II. Transformaciones de activación y de detoxicación.
BIOTRANSFORMACIONES DE LOS COMPUESTOS XENOBIOTICOS Los organismos están expuestos a un gran número de diferentes sustancias químicas xenobióticas, que, una vez absorbidas por el organismo, se acumulan en él y pueden amenazar su equilibrio funcional. Si la concentración de cualquier xenobiótico en el organismo es excesiva, inevitablemente comportará un riesgo para las funciones de las biomoléculas que actúen en su entorno, pudiendo alterar el correcto funcionamiento de un órgano, tejido, sistema, etc, interfiriendo en las reacciones bioquímicas. Al igual que la absorción y la distribución, dos procesos de transferencia, la Biotransformación también se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos, para ello se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos, a veces de estructura química similar. Al conjunto de reacciones metabólicas por medio de las cuales los organismos modifican la estructura química de un XB se le denomina BIOTRANSFORMACIÓN. Podemos predecir que la biotransformación de un XB consiste fundamentalmente en incrementar su polaridad para posibilitar su eliminación, en convertir un compuesto no polar en uno soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para transformar y eliminar los XBs ambientales. Un XB en el interior del organismo puede seguir muchas opciones, pero simplificando: a) puede ser excretado sin que haya sufrido modificación alguna, con su estructura original. b) puede sufrir reacciones de transformación metabólica, biotransformaciones. Cuando éstas se producen, los compuestos son biodegradables. Existe un conjunto de enzimas en los organismos que es más responsable de las biotransformaciones de XBs. METABOLISMO Y BIOTRANSFORMACION El metabolismo de un organismo es el conjunto de reacciones enzimáticas organizadas en rutas bioquímicas que sirven para mantener la funcionalidad de las células con las características estructurales y funcionales propias. Cuando las reacciones enzimáticas operan sobre componentes endógenos nos estamos refiriendo al metabolismo propiamente dicho y cuando las reacciones enzimáticas operan sobre los xenobióticos nos referimos a las reacciones de biotransformación. Ambos términos metabolismo y biotransformación se usan a veces como sinónimos, particularmente cuando se refiere al campo de los xenobióticos o de "drugs" . Por ejemplo, las enzimas biotransformadoras de xenobióticos son frecuentemente llamadas enzimas metabolizantes de drogas. Cualquier enzima puede operar sobre su sustrato natural o sobre un compuesto XB, sea fármaco, contaminante, etc.: enzima Sustrato --------------------------- Producto o metabolito Cofactor El término enzimas bitransformadoras de xenobióticos sería mas apropiado, aunque el término enmascararía el hecho de que varios compuestos endógenos, como los esteroides, puedan ser sustratos de estas mismas enzimas. Aplicar el término metabolismo a la biotransformación de xenobióticos, así como el término de metabolito a los derivados metabólicos de aquellos no parece muy adecuado, pero suele ser generalizado. Igualmente cuando se habla de individuos metabolizadores pobres, aquellos con alguna deficiencia enzimática y que tienen menor capacidad de biotransformar los XBs., o el término metabolizadores extensivos para aquellos individuos con fenotipo normal. Podría resultar conveniente aplicar el término de sistemas biotransformadores, aunque no es usual. Biotransformación: Cualquier reacción bioquímica que opere sobre un XB a cargo de los sistemas enzimáticos de un organismo. Se entenderá como BIODEGRADACIÓN el conjunto de transformaciones metabólicas que sufra un XB a lo largo de su paso por un organismo, especialmente cuando el XB se degrade y ha sido el proceso mas estudiado para muchos xenobióticos en muchos tipos diferentes de organismos (fundamentalmente µorganismos).
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BA-6;2010/11-2 Biodegradación: El resultado de todas las biotransformaciones de un XB en un entorno concreto, a cargo de los diferentes organismos que operen en él. La capacidad biotransformadora de los organismos es muy diferente y está relacionada, además, con su grado de exposición a XBs. Por ejemplo, los insectos, que se alimentan de una amplia variedad de plantas, tienen una mayor capacidad para biotransformar XBs que aquellos insectos que se alimentan de un número limitado de plantas. Comparados con los mamíferos, los peces tienen una ostensible menor capacidad de biotransformar XBs, porque ellos pueden eliminar más fácilmente los XBs no transformados a través de las branquias. Por otra parte, las diferencias específicas en la capacidad de biotransformar XBs entre los mamíferos no refleja simplemente unas diferencias en su exposición a contaminantes, sino otros muchos factores. Algunos compuestos estimulan la síntesis de enzimas implicadas en la biotransformación de XBs. Este proceso conocido como inducción enzimática es una respuesta reversible y adaptativa a la exposición a XBs. La inducción enzimática hace posible que algunos XBs aceleren su propia biotransformación y la biotransformación de otros compuestos. Se estudiará este proceso en relación con las enzimas tipo Cit. P-450 y algunas conjugasas. BIOACUMULACIÓN: COMPUESTOS BIODEGRADABLES Y NO DEGRADABLES O PERSISTENTES. Los xenobióticos después de ser absorbidos, dependiendo de sus propiedades físico-químicas, se acumulan en los organismos, especialmente los compuestos con características lipofílicas o que son fuertemente liposolubles. Otros compuestos se acumulan porque emulan comportamientos de análogos biológicos o porque interaccionan con algunas biomoléculas. Por ejemplo el Pb es transportado en sangre dentro de los eritrocitos, como el Fe2+ y se acumula en los huesos al igual que el Ca2+ .El Cd2+ interacciona con las enzimas que dependen de Zn2+ (carboxipeptidasas). El comportamiento bioacumulador se basa también en las funciones de los órganos excretores (riñón, pulmón, etc.), que generalmente se deshacen de las sustancias en contacto con líquidos o con gases, donde están en contacto con los conductos de estos órganos. El riñón excreta sustancias (hidrosolubles) a través del filtrado glomerular de la sangre, enviándolas por los túbulos renales a la vejiga. Desde los túbulos renales muchas sustancias son reabsorbidas hasta la circulación, bien de forma activa (agua, sales, glucosa) o bien de forma pasiva (sustancias lipofílicas). La reabsorción pasiva de las sustancias lipofílicas se produce porque dichas sustancias tienden a disolverse en los lípidos de las membranas de las células epiteliales. Puesto que en ellas pueden unirse después a proteínas o lipoproteínas de la sangre, así se genera un transporte neto desde el filtrado glomerular hacia la sangre. Este fenómeno explica que la concentración de sustancias lipofílicas en el organismo pueda ir en aumento y se produzca su bioacumulación, primordialmente en los tejidos con alto contenido lipídico (adiposo, hígado, mamas, etc). Este fenómeno se produce generalmente para los compuestos que en su paso por el organismo no son degradados, sino que son persistentes, porque no son abordados por los sistemas de biotransformación. En general son muy persistentes los hidrocarburos, mas si son policíclicos y si están halogenados y son menos persistentes los carbamatos y los organofosforados Estos compuestos XBs persistentes en el medio, se van acumulando desde entornos acuosos hasta los tejidos de las diferentes especies, conduciendo a un fenómeno de bioconcentración de los XBs. La acumulación de un compuesto en los tejidos de cualquier organismo para conseguir un nivel mayor que el que tiene el medio ambiente del entorno. BCF: factor de bioconcentración = razón entre las [ ] y BAF: factor de bioacumulación = razón entre las concentraciones del organismo/agua o medio, cuando hay un eslabón alimenticio intermediario. Las especies correspondientes a los eslabones superiores de las cadenas tróficas suelen soportar los niveles más altos de los XBs acumulados. Se denomina biomagnificación a los procesos de bioconcentración y bioacumulación que se producen en los organismos de una secuencia trófica a través de la cadena alimentaria. Ver pirámides invertidas de biomasa y de contenido en XBs o el Proceso de bioacumulación para TCDDs. Ejemplo de Biomagnificación de TCDDs (persistentes) Suelo superficial Hierba Hierba (Seveso) Hígado Granja Seveso
conejos pollos
150 pg/g 270 pg/g 100 pg/mg = ng/g 433-633 ng/g 35-24 ng/g
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BA-6;2010/11-3 BIOTRANSFORMACIONES Y ACCIÓN TÓXICA: Desactivación o detoxicación y bioactivación o activación. Los organismos contienen un número de sistemas enzimáticos capaces de biotransformar compuestos XBs, al igual que metabolizan los compuestos endógenos para convertirlos en desechables, para transformarlos en otros más hidrosolubles, que sean mas fácilmente excretables. Las biotransformaciones pueden inducir considerables cambios en la actividad biológica de los XBs. Si esta actividad decrece, el proceso se denomina de bioinactivación (detoxicación) y si aumenta se denomina bioactivación (activación). Así pues, los efectos tóxicos de los compuestos exógenos, frecuentemente no provienen de los compuestos patrón sino de los metabolitos reactivos formados a partir de ellos dentro de las células. Estas biotransformaciones de compuestos relativamente inertes a metabolitos muy reactivos con una toxicidad intrínseca mayor que la de los compuestos originales se denomina activacion metabolica , bioactivacion o toxificación Esquema de biotransformaciones: activaciónes y desactivaciones XENOBIÓTICOS ABSORCIÓN Efectos farmacológicos XBs en TORRENTE CIRCULATORIO y TEJIDOS
Efectos patológicos
Reacciones metabólicas
BIOTRANSFORMACIONES EXCRECCIÓN
Daños en el DNA
Reparación celular: DNA y proteínas
Replic ación DETO XIFICA CIÓN
Se unen a componentes celulares: Enzimas, Receptores, Membranas, DNA,
TOXI FICACI ÓN
DNA alterado METABOLITOS NO TÓXICOS
ACTIVACIÓN DESACTVACIÓN
METABOLITOS TÓXICOS o REACTIVOS
Ejemplos de biotransformaciones:
La hidroxilación en el anillo de aminas aromáticas 1ªs conduce a su destoxicación, mientras que la hidroxilación en el N de la aminas primarias conlleva activación. Los estudios pioneros de James y Miller (años 40-50) con el colorante N-(CH3)2-4-amino-azobenceno (DAB), un hepatocarcinógeno en ratas, demostraron la conversión “in vivo” del compuesto químico a productos derivados que eran los que se unían a Ac. nucleicos y proteínas, los carcinógenos. El -naftil-amino tiende primero a ser metabolizado antes que a causar cáncer de vejiga y el 2-Acetilaminofluoreno (2AAF) sólo es carcinógeno después de su biotransformación a N-OH-AAF. Estos hechos establecen la importancia de la activación metabólica en la carcinogénesis inducida químicamente.
DETOXICACIÓN: La actividad biológica (incluida la tóxica) de las sustancias frecuentemente desciende con las biotransformaciones, pero no siempre La biotransformación suele producir un aumento de hidrosolubilidad de una molécula y así mejora su excrección. Habrá menos acumulación de la sustancia en el organismo, su nivel descenderá y puesto que hay una relación general (dosis-respuesta) entre la concentración de sustancia y la intensidad de su efecto tóxico, este tipo de biotransformaciones significan un descenso de la intensidad de la acción biológica original y se puede definir como bioinactivación o detoxicación. La Detoxicación, sigue diversos caminos en dependencia de la naturaleza química del XB. - Detoxicación con grupos no funcionales - Detoxicación de nucleófilos - Detoxicación de electrófilos - Detoxicación de radicales libres
benceno, tolueno requiere 2 fases -OH, -SH, -NH2 conjugación: S, Glu, Ac. iones -GSH, epoxi hidrolasa, H-quinona y DT-diaforasa HO. Glutation (-GSH)
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BA-6;2010/11-4 BIOACTIVACIONES: Producen un aumento de la reactividad del XB; generalmente conllevan la FORMACIÓN DE: Formación de electrófilos, de radicales libres, de nucleófilos o de reactivos red-ox Estas reacciones aumentan la polaridad de los XBs y la introducción de grupos polares en una molécula no solo aumenta su reactividad para someterse a posteriores reacciones de destoxicación y aumenta su reactividad hacia otras muchas moléculas, incluidas las biológicas. Si un XB puede reaccionar con un componente de un sistema biológico (proteina, DNA, etc, o cualquier metabolito del metabolismo celular) hay una posibilidad razonable de que la célula se vea afectada por él. Si esta influencia es adversa, significa que el XB mostrará un efecto tóxico. REACCIONES DE BIOACTIVACIÓN más frecuentes Oxidación Des-conjugación Microflora intestinal
Enzimas
Cit P450, FMO, Alcohol y aldehido deshidrogenasa, PGSintasa B-liasa de XB- conjugados Hidrolasas y reductasas.
Ejemplos de reaciones: AMINAS PRIMARIAS N-hidroxilación HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS Derivados epoxi DERIVADOS AZO-BENCENO Radicales PCDD Y PCBs COPLANAR Todos forman metabolitos reactivos carcinógenos, sustancias electrófilas que se unen al DNA. Otras biotransformaciones que son reacciones de bioactivación, son las de oxidación de los organofosforados, i.e., la oxidación del insecticida parathion en paraoxon (cambia un >P=S por un >P=O). El parathion es un organotiofosfato, cuya neurotoxicidad
radica en la inhibición de la aceilcolinesterasa (AChE). La afinidad de la enzima por el paraoxon (metabolito) es muy superior que la que mantiene por el precursor. La reacción de oxidación que transforma al tóxico en un compuesto mas hidrosoluble y mas excretable, le convierte también en un compuesto más tóxico. El paraoxon, no obstante, puede ser hidrolizado y como consecuencia pierde su efecto tóxico sobre la AChE. Los nitritos y las aminas forman fácilmente carcinógenos en el organismo. Conversión de nitrato, vía nitrito en nitrosamina cancerígena. La formación de nitrosamina puede tener lugar en el estómago (pH) después del consumo de alimentos ricos en nitratos (espinacas), junto con un componente de la dieta que contenga aminas, que pueden nitrosilarse. Las nitrosaminas son carcinogénicas porque sus metabolitos son muy reactivos, por ejemplo la hidroxilación de las Nnitrosaminas procura procesos de metilación sobre las bases nitrogenadas en el DNA.
PRINCIPALES RUTAS PARA LA BIOTRANSFORMACIÓN DE XENOBIÓTICOS Las reacciones de biotransformacion son conversiones enzimáticas de sustancias xenobióticas lipofílicas hacia productos hidrofílicos, generalmente, mas eliminables o excretables. Las reacciones son a veces son coincidentes con las que sufren los
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BA-6;2010/11-5 productos metabólicos endógenos (Vit. D, prostaglandinas, ). El conjunto de reacciones de biotransformación de XB suele agruparse en dos fases: I y II. XENOBIÓTICOS altamente lipofílicos metabólicamente estables
lipofílicos
polares
hidrofílicos
BIOACUMULACIÓN acumulación de XBs en lípidos del cuerpo FASE I: + polares bioinactivación o activación OXIDACIÓN, REDUCCIÓN HIDRÓLISIS polares FASE II + hidrofílicos (bioanactivación) MOVILIZACIÓN EXTRACELULAR circulación plasmática Excrección biliar excrección renal
Aunque la degradación completa de un XB requiere de muchas reacciones, el ataque incial suele ser mediante las reacciones de fase I. Un primer conjunto de reacciones, en las que la biotransformación es la conversión de compuestos lipofílicos (no polares) en compuestos mas polares y por lo tanto algo más solubles en agua, mediante las reacciones llamadas de FASE I, (oxidaciones, reducciones e hidrólisis). Muchas de estas reacciones tienen lugar bajo la catálisis de enzimas componentes de los sistemas llamados oxidasas de función mixta (OFM), distribuidas principalmente en hepatocitos. Estas reacciones producen compuestos que pueden ser más, igual o menos tóxicos que sus predecesores, aunque si es frecuente que sean más reactivos, lo que suele conllevar una mayor capacidad tóxica. Las oxidaciones incluyen todas las monooxigenasas dependientes del Cit P-450, las monooxigenasas que contienen nucleótidos de flavina y otras (ver tabla adjunta). Son muchas las reacciones de oxidación que conllevan la bioactivación de sus sustratos por la formación de puentes epoxi. Este es el caso de los XBs con anillos aromáticos, cuya oxidación a derivados hidroxi pasa por la formación de intermediarios muy reactivos, epoxis. Estos epoxi no son estables y la mayor parte derivan hacia fenoles. A causa de su carácter electrófilo, los epoxi pueden también reaccionar con grupos nucleofílicos en biomoléculas como las proteínas o el DNA, que pueden inducir daño en dichas moléculas. Algunas de estas reacciones en el DNA pueden producir alteraciones que eventualmente deriven en cáncer. Muchas de las conocidas bioactivaciones carcinogenéticas pasan por la producción de un intermediario reactivo electrofílico.
Las reacciones de FASE II son reacciones de conjugación (glucuronidación, sulfonación y conjugación con GSH – con formación de Ac. Mercaptúrico-), donde los XBs polares, son conjugados con sustancias endógenas hidrofílicas (ac. glucurónico, sulfato, glutation). Estas reacciones enzimáticas están encaminadas a aumentar aún más la hidrosolubilidad de sus sustratos y por lo tanto hacerlos más fácilmente excretables por el organismo. Además la mayor parte de los derivados conjugados tienen muy baja actividad biológica, por lo tanto muchas reacciones de la fase II son reacciones de bioinactivación en procesos de detoxicación, aunque no siempre. Fase III.- después de las modificaciones Después de las reacciones de fase II, los conjugados de xenobióticos pueden sufrir aún más modificaciones. Un ejemplo muy común es el procesado de los conjugados de glutation hasta acetil5
BA-6;2010/11-6 cisteinil-derivados (ácidos mercaptúricos). En estos casos, los residuos de γ-glutamato y glicina en la molécula de glutation son hidrolizados por la Gamma-glutamil transpeptidasa y las dipeptidasas. En el paso último, la cisterna es acetilada en el conjugado. Los conjugados y sus metabolitos pueden ser excretados desde las células en la fase III de su metabolismo, con los grupos aniónicos actuando como marcadores de afinidad para una serie de transportadores de membrana de la familia proteina resistente a multi-XBs (MRP). Estas proteínas son miembros de la familia de transportadores transmembrana que unen ATP y pueden catalizar el transporte dependiente de ATP de una estrecha variedad de aniones hidrofóbicos, y así actuar para extraer productos de la fase II hacia el medio extracelular, donde pueden ser posteriormente metabolizados o excretados. MRP: P-glicoproteína: es una proteína humana transportadora de la subfamilia MDT/TAP. Está muy distribuida y se expresa en células normales tales como intestino, hígado, células proximales de riñón, endoteliales capilares y células de la barrera hemato-encefálica. También se expresa en células de la línea P-gp, denominadas cómo ABCB1, miembro 1 de la sub-familia B de las transportadoras dependientes de ATP, MDR1, y PGY1. la glicoproteina P también se la designa cómo CD243 (grupo de diferenciación 243). ATP-binding cassette transporters (ABC-transportadores) son miembros de una superfamilia, una de las más abundantes, y más antiguas (ancestrales) familias con representación en todos los organismos, desde procariotas a humanos. Estas son unas proteínas transmembrana que funcionan en el transporte de de una amplia variedad de sustratos a través de las membrana extra e intracelulares, incluyendo productos metabólicos, lípidos y esteroles, y drogas. Las proteínas son clasificadas cómo ABC transportadores basado en la secuencia y organización de su dominio de unión al ATP(s), también conocido como plieges de unión a nucleotidos (NBFs). ABC transportadores están implicados en resistencia de tumores, fibrosis cística, resistencia multi-drogas bacteriana y un rango de otras enfermedades humanas heredables.
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