BA-6;2006/07-1 TEMA 6.- BIOACTIVACIÓN Y DETOXICACIÓN: Biotransformaciones de XBs: activaciones e inactivaciones. Compuestos biodegradables y persistentes: bioacumulación y biomagnificación. Rutas para la biotransformaciones de XBs. Reacciones de fase I: oxidaciones, reducciones e hidrólisis.
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. Al conjunto de reacciones metabólicas por medio de los cuales los tejidos modifican la estructura química de un XB se le denomina biotransformación. Podemos decir que la biotransformación de un XB consiste fundamentalmente en incrementar su polaridad, en convertir un compuesto no polar en uno soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para eliminar los tóxicos ambientales. 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. Se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos de estructura química similar. 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. Estas se producen para compuestos biodegradables. El sistema metabólico de los organismos es el responsable de las biotransformaciones (ver esquema Nº 1). 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" en general. 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: Suma de reacciones bioquímicas que operan sobre un XB a cargo de los sistemas enzimáticos de un organismo. Será pues el proceso de transformaciones metabólicas que sufre un XB a lo largo de su paso por un organismo, y ha sido el proceso mas estudiado para muchos xenobióticos en muchos tipos diferentes de organismos (fundamentalmente µorganismos).
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BA-6;2006/07-2 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 el Cit. P-450. BIOACUMULACIÓN. COMPUESTOS BIODEGRADABLES Y 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 después unirse a proteínas o lipoproteínas de la sangre, así se genera un transporte neto desde el filtrado glomerular hacia la sangre. Este fenómeno explica que su concentración 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 abordables 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 (BCF) de los XBs. BCF: factor de bioconcentración = razón
entre las [ ] Las especies correspondientes a los eslabones mas altos de las cadenas tróficas suelen soportar los niveles mas altos de los XBs acumulados. Se denomina biomagnificación al proceso de bioconcentración que se produce en los organismos de una cadena trófica a través de los alimentos ingeridos en la cadena alimentaria. Ver pirámides invertidas de biomasa y de contenido en XBs o el Proceso de bioacumulación para TCDDs. BAF: factor de bioacumulación = razón entre las concentraciones del organismo/agua o medio 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;2006/07-3 BIOTRANSFORMACIONES Y ACCION TOXICA: Deactivación 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
TOXI FICACI ÓN
Se unen a componentes celulares: Enzimas, Receptores, Membranas, DNA,
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-aminoazo-benceno (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 β-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. Los aromáticos policíclicos son cancerígenos por la formación de derivados oxidados. DETOXICACIÓN: La actividad biológica (incluida la tóxica) de las sustancias frecuentemente desciende con las biotransformaciones, pero no siempre La biotransformación que produce cambios de aumento de hidrosolubilidad de una molécula y mejora su excrección, generalmente conlleva una disminución del efecto tóxico de la sustancia original y se puede definir como bioinactivación o detoxicación. 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. La Detoxicación, sigue diversos caminos en dependencia de la naturaleza química del XB. - Detoxicación con grupos no funcionales benceno, tolueno requiere 2 fases - Detoxicación de nucleófilos -OH, -SH, -NH2 conjugación: S, Glu, Ac. - Detoxicación de electrófilos iones -GSH, epoxi hidrolasa, H-quinona y DT-diaforasa - Detoxicación de radicales libres HO. glutation - Detoxicación de toxinas proteicas son eliminadas por proteasas o por tioredoxina en los –S-SBIOACTIVACIÓN: La reactividad aumenta en un XB debido a alguna de estas variables: Formación de electrófilos, de radicales libres, de nucleófilos o de reactivos red-ox Esto no es extraño, puesto que hay que comprender que, la introducción de grupos polares en una molécula no solo aumenta su capacidad para su eliminación o para someterse a posteriores reacciones de destoxicación, sino que aumenta su reactividad hacia otras muchas moléculas, incluidas las biológicas. Si un XB puede reaccionar con un componente de un sistema biológico
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BA-6;2006/07-4 (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 mas frecuentes
Enzimas
Oxidación Cit P450, FMO, Alcohol y aldehido deshidrogenasa, PGSintasa Conjugación Glutatio transferasa., Sulfotransferasa., glucuronidación Des-conjugación B-liasa de CYS-S- conjugados Microflora intestinal Hidrolasas y reductasas.
Ejemplos de reaciones: AMINAS PRIMARIAS N-hidroxilación HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS Derivados epoxi DERIVADOS AZO-BENCENO PCDD Y PCBs COPLANAR Todos forman metabolitos reactivos cancerígenos, 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 Los nitritos forman meta-hemoglobina. 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.
El arseniato es menos tóxico que el arsenito.
Algunas biotransformaciones de XBs pueden afectar a su capacidad de absorción por otros organismos; por ejemplo el Hg cuando es metilado por bacterias se hace más liposoluble; la afinidad del CH3-Hg por los grupos sulfidrilo (-SH) de las proteínas le convierte en bioactivo para otros organismos.
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BA-6;2006/07-5 PRINCIPALES RUTAS PARA LA BIOTRANSFORMACIÓN DE XENOBIÓTICOS Las reacciones de biotransformacion son conversiones enzimáticas de sustancias xenobióticas lipofílicas, generalmente a productos hidrofílicos, mas eliminables o excretables, las reacciones son a veces son coincidentes con las que sufren los productos metabólicos endógenos (Vit. D, prostaglandinas, ). El conjunto de reacciones biotransformadoras 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
+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), que tienen lugar frecuentemente bajo la catálisis de enzimas componentes de los sistemas llamados oxidasas de función mixta (OFM). 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. Aunque la degradación completa de un XB requiere de muchas reacciones, el ataque incial suele ser mediante las reacciones de fase I: oxidaciones o reducciones. 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 a través de la formación de puentes epoxi. Este es el caso del benceno, u otros H. aromáticos, cuya oxidación a fenol pasa por la formación de un intermediario muy reactivo, un epoxi. Este epoxi no es estable y la mayor parte de él se convierte rápidamente en fenol.
A causa de su carácter electrofílico, 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. (EJEMPLOS COMENTADOS ANTERIORMENTE). Las reacciones de FASE II son reacciones de conjugación (glucuronidación, sulfonación y formación de Ac. mercaptúrico), donde los XBs polares en origen y los XBs que se han convertido en polares por haber soportado reacciones tipo fase I, son conjugados (ac. glucurónico, sulfato, glutation) con sustancias endógenas hidrofílicas. 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.
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