Unidad 2. La biotransformación de xenobióticos Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
1 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
Unidad 2. La biotransformación de xenobióticos y
su importancia toxicológica
2.1 La biotransformación hepática de xenobióticos
Cuando los xenobióticos que ingresan por vía oral, se absorben en
el intestino delgado, pasan a la vena mesentérica y luego a la vena porta, la
cual los conduce hacia el hígado. En este órgano es donde mayoritariamente
se van a efectuar las reacciones metabólicas. Cuando los xenobióticos al
pasar por primera vez por el intestino y el hígado, sufren de alguna
transformación metabólica, se dice que presentan un efecto de primer paso.
Figura 2-1. Paso de los xenobióticos del intestino delgado al hígado
Una vez que los xenobióticos llegan al hígado por la vena porta, se
difunden hacia los hepatocitos, que son las células encargadas de realizar
las reacciones metabólicas. Los hepatocitos se presentan en forma de
placas, las cuales están unidas mediante sinusoides.
Figura 2-2. Distribución de xenobióticos
Unidad 2. La biotransformación de xenobióticos Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
2 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
Para mejor comprensión de los procesos metabólicos que se llevan
a cabo en el hígado, las reacciones que ocurren en este proceso se han
agrupado en tres apartados, denominados Fase I, Fase II y Fase III.
Figura 2-3. Las tres Fases del metabolismo
2.2 Fase I del metabolismo: oxidación, reducción,
hidrólisis
La importancia de la Fase I radica en lograr la biotransformación de
los grupos funcionales susceptibles que presenten los xenobióticos, a sufrir
reacciones de:
a) Oxidación,
b) Reducción
c) Hidrólisis
Las transformaciones efectuadas incrementan la hidrofilia de los
diversos compuestos y en consecuencia facilita su excreción corporal.
a) Reacciones de oxidación
La oxidación es probablemente la reacción más común en el
metabolismo de xenobióticos. Muchos compuestos son oxidados por un
grupo no específico de enzimas denominado mono-oxigenasas (Citocromo
P450, Flavin-monoxigena), los cuales se encuentra principalmente en los
microsomas hepáticos, una fracción derivada del retículo endoplásmico liso.
Tabla 2-1. Enzimas y su ubicación celular
Enzima Ubicación
Citocromo P450 retículo endoplásmico (microsomas) Favin-monooxigenasa (FMNO) retículo endoplásmico (microsomas)
Prostaglandin H sintetasa retículo endoplásmico (microsomas) Xantina oxidasa citosol
Alcohol deshidrogenasa citosol Aldehído deshidrogenasa citosol, mitocondria
Aldehído oxidasa citosol Monoamina oxidasa mitocondria
Klassen C. Cassaret Doull´s Toxicology. Sixth edition. Mc-Graw Hill. p. 136.
Figura 2-4. Obtención de microsomas
Xenobiótico
Fase II
Fase I
Fase III
Menor polaridad
Mayor polaridad
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La superfamilia citocromo P 450 (CYP)
El término citocromo P450 representa a un grupo de enzimas
constituidas por hemproteínas (hem: porfirina y apoproteína, Figura 2.5). En
el cuerpo humano se ubican principalmente en el hígado, aunque su
presencia se detecta en varios otros órganos. La denominación 450 se debe
a que cuando esta hemoproteína, con el átomo de Fe en estado de oxidación
II, forma un complejo con el monóxido de carbono presenta una absorbencia
máxima a 450 nm en el espectro de luz visible.
Estas enzimas muestran una amplia capacidad de catalizar una
variedad de diversos sustratos. Uno de los aspectos importantes que hay
que resaltar es que para iniciar la biotransformación se requiere que el
sustrato interaccione con el citocromo. Por lo que los diversos compuestos
necesitan ser liposolubles para lograr alcanzar al sistema enzimático ubicado
en retículo plasmático; asimismo, deben presentar grupos funcionales
adecuados que puedan alterarse por reacciones enzimáticas y un tamaño
mayor a 150 D.
Figura 2-5. CYP, una hemoproteína
Figura 2-6. Absorbencia de CYP en complejo con monóxido de carbono
Para catalizar la formación de productos oxidados, el sistema
requiere de la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido fosfato
(NADPH),oxígeno molecular, así como de la enzima NADPH CYP reductasa
o NADH CyT b5. El CYP es una mono-oxigenasa porque al oxidar a un
sustrato el producto sólo presenta uno de los dos átomos de la molécula de
oxígeno.
+ +sustrato
RH O2
ROH H2O
2 NADPH + H+ 2 NADP+
CYP
Figura 2-7. La actividad de las mono-oxigenasas
[CYP Fe+2 C=O]
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4 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
[CYP-Fe+3] [CYP-Fe+3RH]
CYP-Fe+3
RH
CYP-Fe+3 RH
CYP-Fe+2 RH
NADPH CYPreductasa
NADPH + H+e-
CYP-Fe+3 RH
O2-.
O2
CYP-Fe+2 RH
O2-.
NADPH CYPreductasa
CyT b5
NADH
Cyt b5
reductasa
e-
O
CYP-Fe+3 RH
ROH
2H+
H2O
NADP+
NADH + H+
NAD+
e-
NADPH + H+
NADP+
o
Figura 2-8.
Hodgson E., Smart R.C. Introduction to Biochemical Toxicology. Third Edition. Wiley-interscience. 2001. USA. p. 72.
Existen prácticamente dos formas de presentar al citocromo P 450.
La más reciente utiliza la raíz CYP, seguido de un número que denota la
familia (40% de homología en la estructura primaria), la cual a su vez es
seguida por una letra mayúscula, para denotar la subfamilia (60% de
homología en su estructura primaria). Por último, un número para indicar la
forma correspondiente. La otra presentación utiliza las siglas, P 450, seguido
por un número romano para denotar la familia correspondiente (ej. P450 II).
Familia: 45-50% de homologación de la estructura primaria de la proteína
Subfamilia: 51-60% de de homologación de la estructura primaria de la
proteína
En algunas ocasiones se utiliza CYP para denotar a la proteína o al
mARN y CYP para referirse al gen que les da origen.
Treinta familias de citocromos P 450 han sido descritas, 10 en
mamíferos, 1 en insectos, 2 en caracoles, 1 en plantas, y 2 en bacterias. Las
familias identificadas en mamíferos se presentan en la siguiente tabla.
Tabla 2-2. Familas y subfamilias de citocromos P 450
P 450 No. de
subfamilas
No. de formas
Reacciones
CYP 1 A 1
familia
subfamiliaforma individual
ADN (genes) mARN Proteína (enzima)
CYPCYP
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CYP1 1 3 metabolismo de xenobióticos CYP2 8 61 metabolismo de xenobióticos y esteroides CYP3 1 10 metabolismo de xenobióticos y esteroides CYP4 3 11 hidroxilación ω y ω-1 de ácidos grasos
CYP7 1 1 hidroxilación 7α en el colesterol
CYP11 2 4 hidroxilación 11β en esteroides
CYP17 1 1 hidroxilación 17α en esteroides
CYP19 1 1 aromatasa CYP21 1 2 hidroxilación en C-21 en esteroides CYP27 1 1 hidroxilación en C-27 en colesterol
Tabla 2-3. Nombres triviales para algunos CYP y su presencia en diversas
especies
Gen Hemoproteína Nombre trivial Especie
CYP1A1 CYP1A1 C,bNF-B rata P1, c, forma 6 humano Forma 6 conejo 1 A1 trucha Dah1 perro Mkah1 mono
CYP1A2 CYP1A2 P-448, d, HCB rata P3, d, forma 4 humano LM4 conejo MC4 trucha Dah2 perro Mkah2 mono
Hodgson E., Smart R.C. Introduction to Biochemical Toxicology. Third Edition. Wiley-interscience. 2001. USA. p. 75.
Figura 2-9. Abundancia de CYP en el hígado y su participación en el
metabolismo
(Hodgson E., Smart R.C. Introduction to Biochemical Toxicology. Third Edition. Wiley-interscience. 2001. USA. p. 77.
Tabla 2-4. Sustratos, inductores e inhibidores de algunos CYP
Enzima Sustrato Inductor Inhibidor
CYP1A2
acetaminofen, acetanilida, antipirina aminas aromáticas, cafeína, estradiol, teofilina, tacrina, warfarina
humo de cigarro, carne carbonizada, crucíferas, benzopireno, dioxina(TCDD**), safrol, omeprazol
ciprofloxacina, fluvoxamina, a-naftoflavona
CYP2D6
Amitriptilina, captopril, clorpromazina, cinnarizina, clozapina, codeína, detrometrofan, imipramina*
No conocido
celecoxib, fluoxetina, lobelin, quinidina,trifluoperidol, yohimbina
CYP3A4
acetaminofen, carbamazepina, dapsona, diltiazem, diazepam, lidocaína, omeprazol, taxol, teofilina, verapamil*
carbamazepina, fenobarbital, fenitoina, rifampina, sulfamidimina, hierba de San Juan*
clotrimazol, etinilestradiol, indinavil, ketoconazol, nicardipina, verapamil*
**TCDD = 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina *La lista completa la puede consultar en la siguiente referencias: Klassen C. Cassaret Doull´s Toxicology. Sixth edition. Mc-Graw Hill. pp. 184-185. Hodgson E., Smart R.C. Introduction to Biochemical Toxicology. Third Edition. Wiley-interscience. 2001. USA. p. 74.
Abundancia en el hígado
3A4
2C
2E 12A61A2
2D6
Otros3A4
2C2E 11A2
2D6
Importancia en el metabolismo de fármacos
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Figura 2-10. Localización e importancia de los CYP1
Figura 2-11. Reacciones de oxidación de Fase I del metabolismo
b) Reacciones de reducción
Los grupos carbonilos, azo y nitro son objetos de reducción,
resultando en la formación de grupos hidroxilos y aminos más polares. Hay
varias reductasas en el hígado, las cuales dependen de NADH o NADPH,
que catalizan tales reacciones.
Tabla 2-5. Reacciones de reducción presentes en la Fase I
Reacción Sustrato Producto Enzima Ubicación
Azo ArN=NAr ArNH2 + NH2Ar azo-reductasa Microsoma, citosol, microflora
Nitro R-NO2 R-NH2 nitro-reductasa Microsoma, citosol, microflora
Quinona O=Ar=O HO-Ar-OH DT-diaforasa Microsoma citosol Sulfóxido R-S(O)-R R-S-R FMO Citosol Carbonilo R-CHO R-CH2OH aldehído-
reductasa Microsoma, citosol, sangre
Klassen C. Cassaret Doull´s Toxicology. Sixth edition. Mc-Graw Hill. p. 136.
c) Reacciones de hidrólisis
Las hidrolasas constituye un grupo de enzimas generalmente de
baja especificidad, capaces de hidrolizar ésteres, amidas, lactonas, ésteres
de fosfatos y sulfatos, disacáridos, glicosidos, peptidos. El grupo éster es el
más lábil a sufrir tales reacciones. Recientemente, se ha mostrado que hay
múltiples isoenzimas de las esterasas hepáticas, algunas de las cuales han
sido caracterizadas. La hidrólisis de varios ésteres por la albúmina del suero
ha sido también reportada.
Tabla 2-6. Reacciones de hidrólisis presentes en la Fase I.
Reacción Sustrato Producto Enzimas Ubicación
Hidrólisis de ésteres
R-COO-R´ R-COOH + R-OH Esterasas Microsomas, citosol, sangre
Hidrólisis de amidas
R-CONH-R´ R-COOH + R-NH2 Peptidasa Sangre, lisosomas
Hidrólisis de epóxidos
R-C(0)C-R R-COH-COH-R Epóxido hidrolasa
Microsomas, citosol
Klassen C. Cassaret Doull´s Toxicology. Sixth edition. Mc-Graw Hill. p. 136.
CH2CH2CH2CH3
Oxidación de las cadenas laterales
CH2CH2CH2CH2OHCH2CH2CHCH3
OH
CHCH2CH2CH3
OH
-oxidación -1 oxidación - oxidación
Hidroxilación aromática
N
C
NH2
NH
Debrisoquina
N
C
NH2
NH
HO
N-dealquilación
N
CH2CH2CH2N
CH3
CH3
N
CH2CH2CH2NCH3
H
Imipramina
O-dealquilación
Fenacetina
C2H5O NHCCH3
O
NHCCH3
O
HO
S-dealquilación
N
N N
N
SCH3
H
6-Metiltiopurina
N
N N
N
H
SH
+
CH3COH
Deaminación oxidativa
Anfetamina
Sulfoxidación
N
S
CH2CH2CH2N(CH3)2
Cl
N
S
CH2CH2CH2N(CH3)2
O
Cl
Clorpromacina
CH2CHNH2
CH3
CH2CCH3
O
+NH3
+
HCOH
N-oxidación
(CH3)3N
(CH3)3N O
Trimetilamina
N-hidroxilación
NH2
Anilina
NHOH
CYP1A1
CYP1A2
CYP1B1
(extrahepático)
(hepático)
(extrahepático, menor proporción)
Activan algunos pro-mutágenos o pro-carcinógenos: - Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) - Arilaminas
Unidad 2. La biotransformación de xenobióticos Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
7 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
Consecuencias del metabolismo de la Fase I en la actividad de
algunos fármacos
Tabla 2-7. Efectos por el metabolismo de xenobióticos
Efecto Xenobiótico Reacción efectuada
Desactivación Barbitúricos Oxidación Co-activación* Diacepam Oxidación Activación Hidrato de cloral Reducción Incremento de la toxicidad Metanol Oxidación
*tanto el metabolito como el fármaco presentan la misma actividad biológica.
Tabla 2-8. Activación de xenobióticos en el pulmón
Xenobiótico Enzima Tipo de toxicidad
4-ipomeanol P450 Necrosis de células clara Benzopireno P450, epóxido hidrolasa Carcinoma Tiourea P450, FMNO Daño a células Tipo I Nitrofurantoina P450 reductasa, xantina oxidasa Fibrosis Paraquat P450 reductasa Necrosis alveolar, edema Hodgson E., Smart R.C. Introduction to Biochemical Toxicology. Third Edition. Wiley-interscience. 2001. USA. p. 215.
2.3 Fase II del metabolismo: reacciones de conjugación
Las enzimas que participan en la Fase II generalmente catalizan la
adición de pequeñas moléculas polares a los metabolitos o fármacos para
hacerlos más polares. A estas enzimas se les denomina transferasas, ya que
adicionan una sustancia endógena a un xenobiótico o un metabolito del
mismo. Las reacciones más comunes son:
- Glucuronidación
- Conjugación con sulfato (sulfatación)
- Conjugación con glutatión (conjugados con ácido mercaptúrico)
- Metilación
- Acetilación
- Conjugación con aminoácidos
En general los compuestos químicos son convertidos por la Fase I
en una variedad de metabolitos nucleofílicos o electrofílicos. La interacción
de los electrófilos más reactivos con macromoléculas celulares de
importancia biológica, juega uno de los papeles más importantes en los
aspectos de la toxicidad de xenobióticos. Adicionalmente, en algunas
ocasiones, los metabolitos nucleofílicos más estables y abundantes, pueden
ser convertidos a intermediarios reactivos, de naturaleza electrofílica.
Figura 2-12. Reacciones para metabolitos nucleofílicos y electrofílicos
Muchos organismos, incluyendo los seres humanos, pueden realizar
reacciones de conjugación en determinados sitios de órganos y células. En
las ratas y en los seres humanos, la mayor cantidad de reacciones de Fase
II, ocurren en el hígado, aunque todos los órganos, incluyendo a la piel,
pueden bio-transformar con alguna extensión. En las células, los sistemas de
conjugación están concentrados en las membranas, el citosol, las
mitocondrias, los lisosomas y el retículo endoplásmico.
Tabla 2-9. Reacciones principales del la Fase II del metabolismo
Conjugado Coenzima Enzima Grupos conjugados
Glucuronido Ácido uridin-5´-
difosfo-α-D-
glucurónico (UDP-GA)
UDP-glucuronosil-transferasa (UGT)
-OH, -COOH, -NH2, -NR2, -SH,
ADN, ARN, Proteínas
FASE I
conjugados con
glutatión
glucurónidos,
ésteres de sulfatos
Metabolitos
electrofílicos
Metabolitos
nucleofílicos
X M
Excreción
Excreción
FASE II
FASE II
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Sulfato 3´-fosfoadenosin-5´-fosfosulfato (PAPS)
Sulfotransferasa -OH (fenoles), NH-OH
Glutatión Glutatión (GSH) Glutatión S-transferasa
Ar-X, epóxido, carbocatión
Glicina Acil o aroil activados
Glicina N-aciltransferasa
-COOH
Acetilo Acetil coenzima A Acetiltransferasa -OH, -NH2
Metilo S-adenosilmetionina (SAM)
Metiltransferasa -OH, -NH2, -SH, -N (heterocíclos)
Tabla 2-10. Reacciones de Fase II en diversos tejidos y órganos
Tejido 1 2 3 4 5 6
Adrenal + + Vejiga + Células sanguíneas + Cerebro + + Intestino + + + + Riñón + + + + + + Hígado + + + + + + Pulmón + + + + Placenta + Piel + + Bazo + + + Timo +
1: glucuronidación; 2: metilación, 3 conjugación con glutatión 4: acetilación; 5: conjugación con aminoácidos; 6: ésteres de sulfatos
Tabla 2-11. Ubicación a nivel celular
Reacción Ubicación
Glucuronidación Microsomas Conjugación con sulfato Citosol Conjugación con glutatión Microsomas , citosol Conjugación con aminoácidos Microsomas , mitocondria Acetilación Citosol, mitocondria Metilación Microsomas, citosol Klassen C. Cassaret Doull´s Toxicology. Sixth edition. Mc-Graw Hill. p. 136
Reacciones de glucuronidación
Estas reacciones involucran la transferencia de un grupo glucuronilo
activado desde el ácido uridin-5´-difosfo-α-D-glucurónico (UDP-GA) hacia un
grupo funcional en el xenobiotico para formar O-, S-, N-, o C-
glucuronidación. La enzima que cataliza esta reacción se le denomina UDP
glucuronosiltransferasa.
O
O
HH
H
OH
OH
H OH
OHO
O
P-
O P-
O
O
O
O
O CH2
N
NH
O
O
OH OH
ácido uridin-5-difosfo-alfa-D-glucurónico
(UDP-GA)
uridin-5-difosfato(UDP)
O
UDP
HH
H
OH
OH
H OH
OHO
OH
+ UDP
ácido UDP-glucurónico
(UDP-GA) glucurónido de fenol
UDP -glucuronosil-
transferasa
O
HH
H
OH
OH
H OH
OHO
O
Figura 2-13. Reacción glucuronidación
En virtud de que grupos funcionales con oxígeno, azufre, nitrógeno y
carbono son susceptibles a formar glucuronidos, muchos xenobióticos, tales
como alcoholes, fenoles, ácidos carboxílicos, hidroxilaminas, aminas
aromáticas y tioles, asi como compuestos endógenos, tales como la
bilirrubina y esteroides, son substratos para la UDP-glucuronosiltransferasa
(UGT).
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Conjugación con glutatión (conjugados con ácido mercaptúrico)
En la conjugación de los xenobióticos, especialmente de carácter
electrofílico, con glutatión es importante tomar en cuenta la ubicación de los
diferentes etapas del proceso.
a) Los procesos enzimáticos (al menos siete isoenzimas de la
glutatión-S-transferasa) y no enzimáticos para que ocurra la
conjugación se llevan a cabo en el citosol.
b) La remoción del grupo glutamilo del conjugado por la γ-
glutamiltransferasa, la hidrólisis para remover la glicina por medio de
dipeptidasas y la N-acetilación del conjugado con cisteína por la
acetilcoenzima A, para producir el tioéter, son procesos que se
llevan a cabo por enzimas unidas a membranas.
Figura 2-14. Conjugación del naftaleno con el glutatión y formación de derivados
del ácido mercaptúrico
A diferencia de la mayoría de las reacciones de Fase II, esta
conjugación requiere de xenobióticos metabólicamente activados, en lugar
de co-sustratos activos. Los tipos de metabolitos que se pueden conjugar
con el glutatión incluyen N-hidroxi-compuestos, uretanos, sulfonamidas,
aminas aromáticas, tiofenos, triazinas, éteres difenilos, compuestos
halogenados, nitro-compuestos, compuestos con dobles enlaces y sulfatos.
o r g a n e l o s
g l u t a t i ó n
t r a n s f e r a s a
X
F a s e I
E - S G
G S H
G S S G g l u t a t i ó n o x i d a d o
H 2 O 2
H 2 O
g l u t a t i ó n p e r o x i d a s a
N A D P +
N A D P H 2 e -
H +
g l u t a t i ó n
r e d u c t a s a
E ( e l e c t r ó f i l o )
X ( x e n o b i o t i c o )
E s p a c i o i n t r a c e l u l a r E s p a c i o e x t r a c e l u l a r
E - S G
c o n j u g a d o c o n g l u t a t i ó n
G S S G
Figura 2-15. El glutatión como un “amortiguador redox”
Los productos de conjugación van a excretarse por diferente partes
de organismo según sea su peso molecular.
Tabla 2-12. Excreción de los derivados de las reacciones de conjugación
Tipo de reacción Sitio preferente de excreción
Glucurónidos <250 D (riñon), >250 D (hígado)
Conjugados del ácido mercaptúrico Riñon
Conjugados con glutatión Hígado
Sulfatos Riñon
Conjugados acetilados Hígado
Conjugados con aminoácidos Riñon
N-acetilación
AcCoA
Ac. Glutámico Cisteína Glicina
GSH = HOOCCHCH2CH2CNHCHCNHCH2COOH
O O
NH2 CH2SH
"producto conjugado con
el ácido Mercaptúrico"Conjugado de Cisteína
Naftaleno
H2O
SCH2CHCOOH
NHCCH3
O pérdida de
Glutámico
y Glicina
SG
OH
Glutatión
(GSH)
O
Fase I
especie
electrofílica
ácido
Mercaptúrico
SG
conjugado de
Glutatión
SCH2CHCOOH
NH2
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Figura 2-16. Activación tóxica: tipos de metabolitos reactivos
Figura 2-17. Intermediarios reactivos y daño ocasionado
Curtis D. Klaassen. Casarett and Doulls Toxicology. The basic Science of Poisons. 8 th edition. Mc Graw Hill, USA, 2013, p. 192.
NH CH3
O
OH
NH CH3
O
OC6H8O6
-
NH CH3
O
OSO3
-
NH CH3
O
O
N CH3
O
OH
N
O
CH3
O
NH CH3
O
OH
SG unión a proteínas hepáticas
y producción de cirrosis
unión a proteínas renales con
daño a la médula del riñón
acetaminofenglucurónido de
acetaminofen
sulfato de
acetaminofen
.
.
N-acetil-p-benzoqui-
noneimina (NAPQI)
CYP 2E1, 1A2,
3A4
NADPH2, O2
NADP, 2H2O
PHS
ROOH
ROH + H2O
H+, e-
H+, e-
conjugado
con glutatión
GSH
sulfato
transferasaUDP-glucurosil
transferasa
PAPSPAP UDP-GA UDP
Figura 2-18. Metabolismo del acetaminofén (paracetamol)
Curtis D. Klaassen. Casarett and Doulls Toxicology. The basic Science of Poisons. 8 th edition. Mc Graw Hill, USA, 2013, p. 244.
activación de xenobióticos
ácidos bases o neutros
UGT acilCoA sintetasa CYP peroxidasas
acilglucorónido acilCoA tioésterradicales
(het· )electrófilos radicales (C·)
hepatotoxicidad
hepatotoxicidad, inactivación de CYP
discrasia sanguínea
Unidad 2. La biotransformación de xenobióticos Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
11 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
OH OH
OH
OH
OHOH
O
hígado
médula ósea
PHSmieloperoxidasa
estimulación
supresión de médula ósea por unión a proteínas y ADN
.
CYP CYP
Figura 2.19. Biotransformación del benceno
Acetilación y polimorfismo
Las reacciones de acetilación de xenobióticos primeramente ocurren
sobre grupos aminos primarios; los aminos secundarios y terciarios, en
general, no son acetilados. De la misma manera, procesos de diacetilación
prácticamente no son observados. En las reacciones de acetilación, la acetil
coenzima A, es la molécula donadora del acetilo en aminas alifáticas. La
enzima arilamina transferasa (varias isoenzimas), cataliza la acetilación de
numerosas aminas aromáticas y sulfonamidas. Esta enzima ha sido
detectada en el hígado, estómago, pulmones, timo, ovarios, útero, glándulas
adrenales, leucocitos, riñones, médula ósea, páncreas, glándulas salivales,
cerebro y músculo de muchos animales (excepto los perros) incluyendo al
hombre.
La acetilación es un proceso que se lleva a cabo en dos etapas.
Primero ocurre la acetilación del sitio activo de la enzima por la acetil
coenzima A. Enseguida, el grupo acetilo se transfiere al grupo amino del
xenobiótico. Este proceso en dos etapas permite que la enzima manifieste
mayor control sobre el proceso catalítico.
Figura 2-20. Mecanismo de acetilación por la N-acetiltransferasa
En el hombre la N-acetilación está determinada genéticamente. Los
tres fenotipos son: a) homocigotos acetiladores rápidos, b) homocigotos
acetiladores lentos y c) heterocigotos acetiladores intermedios. La
distribución de los acetiladores rápidos y lentos depende de la raza de los
individuos. Acetiladores lentos como los egipcios, acetiladores
rápidos/acetiladores lentos (50:50) en los Estados Unidos, y acetiladores
rápidos/acetiladores lentos (90:10) en los orientales.
La respuesta de los individuos a la reacción de acetilación está
determinada por factores genéticos. Las enzimas con este tipo de
comportamiento presentan el denominado polimorfismo genético (rasgo
monogenético heredado que existe en la población en al menos 2 genotipos;
O
SCoA
CoA
X-
O
H2NR¨
NR
OH
XX
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12 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
se considera que el locus es polimórfico si el alelo más raro aparece con una
frecuencia mínima del 1%).
Se han detectado polimorfismos genéticos en más de 30 enzimas
que participan en el metabolismo de xenobióticos (acetiltransferasa, CYP,
glucuronidasa, entre otros), algunos de los cuales demuestran diferencias
étnicas sustanciales en la frecuencia de aparición y en las consecuencias
fenotípicas de su respuesta como son: la ampliación del efecto terapéutico
de los fármacos, aparición de reacciones adversas, dosis efectiva
incrementada de fármacos y aumento de las interacciones medicamentosas,
entre otras consecuencias.
Figura 2-21. Acetilación de la isoniazida
Aunque la acetilación frecuentemente destruye la actividad biológica
de los compuestos, en algunas ocasiones puede provocar lo contrario. Por
ejemplo, la N-acetilación del 2-aminofluoreno genera un compuesto
carcinogénico, el 2-acetilaminofluoreno.
Figura 2-22. Bioactivación del 2-acetilaminofluoreno
Mapa metabólico
Presenta las diversas rutas de biotransformación que presenta un
xenobiótico. Generalmente cada compuesto presenta una ruta de
transformación principal o predominante y otras rutas secundarias.
N
CNHNH2
O
Isoniazida
N
CNHNHCCH3
O O
Acetilisoniazida
N
COH
O
Ac. isonicotínico
CH3CNHNH2
O
CH3CNHNHOH
O
CH3CN=NH
O
CH3C
O
+
Acetilhidrazina
P450
Acetil-
transferasa
Hidrolasa
H2O
NHCCH3
O
2-Acetilaminoflureno
P450NCCH3
O
OH
PAPS Sulfotransferasa
NCCH3
O
OSO3-Na+
NCCH3
O
+
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Figura 2-23. Metabolismo del cianuro
Figura 2-24. Ruta de biotransformación del 2,6-dinitrotolueno
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14 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
CH3
OHO
O
OHOH
OH
OH
OH
tolueno
ácido cinámico
ácido quinico
OOH
CYP,
microsomas
-oxidación,
mitocondria
reducción y aromatización
por microflora intstinal
de humanos
ONH
OH
Oconjugación
con glicina
ácido benzoico ácido hipúrico
citoplasma
Figura 2-25. Ruta de biotransformación con un producto común
Curtis D. Klaassen. Casarett and Doulls Toxicology. The basic Science of Poisons. 8 th edition. Mc Graw Hill, USA, 2013, p. 190.
2.4 Fase III del metabolismo: transporte o excreción
En general, el metabolismo de xenobióticos se refiere a las Fases I y
II, en donde, la Fase I involucra la oxidación de compuestos y la Fase II a la
conjugación de los productos generados en la Fase I con glucurónido y
glutatión, entre otros. Sin embargo, hace poco se reconoció a la Fase III
como la última fase del metabolismo de xenobióticos, la cual se refiere al
transporte o excreción de los productos originados en la Fase II, a través de
la membrana celular para su posterior eliminación.
Los transportadores de la Fase III se expresan en varios tejidos
como: hígado, intestino, riñón y cerebro; en donde actúan como una barrera
en contra de la entrada de xenobióticos.
La importancia fisiológica de la Fase III radica en que en algunas
ocasiones las reacciones de conjugación con glutatión pueden dar lugar a la
activación tóxica de los compuestos en lugar de facilitar su excreción de la
célula. En estos casos, este sistema sirve de protección, ya que disminuye la
concentración intracelular de estos compuestos tóxicos.
Entre los transportadores involucrados en la Fase III se encuentran
la glicoproteína P, las proteínas asociadas a la resistencia a fármacos y el
polipéptido transportador de aniones orgánico.1,2 Tanto P-gp, MRPs como
OATPs se expresan en la membrana de los enterocitos intestinales, los
cuales excretan xenobióticos al lumen intestinal.2
OATP-polipéptido transportador de aniones orgánicos, MRP-proteínas asociadas a la resistencia a fármacos y P-gp- glicoproteína P.
Figura 2-26. Papel de los transportadores en la entrada y salida de compuestos
de la célula.
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Glicoproteína P
La glicoproteína-p (P-gp) es uno de los primeros transportadores
ABC (ATP binding cassette) identificados y estudiados, el cual necesita de la
hidrólisis del ATP para llevar a cabo el transporte.2,3 La P-gp es una
glicoproteína de membrana de 107 kDa que regula la salida de ciertos
compuestos de las células.4
Esta proteína se expresa en bajas cantidades en la mayoría de los
tejidos, pero se encuentra en mayor cantidad en el colon, intestino delgado,
conductos pancreáticos, conductos biliares, riñón y en las glándulas
adrenales.5,6 También se ha encontrado que se expresa en la barrera
hematoencefálica, en donde protege al cerebro de la entrada de compuestos
tóxicos que pudieran llegar a él a través de la circulación sanguínea.7 En el
epitelio intestinal, las P-gp se encargan de la entrada de xenobióticos de la
sangre a la luz intestinal y previene que estos compuestos regresen a la
circulación sanguínea.
Proteínas asociadas a la resistencia a fármacos (MRP, multidrug-
resistance-associated protein)
Proteínas asociadas a la resistencia a fármacos lo que puede
contribuir a la disminución en la efectividad de algunos tratamientos como el
de la quimioterapia contra el cáncer.
Pertenecen a la familia de transportadores ABC (ATP-binding
cassettes). Llevan a cabo el transporte, dependiente de la hidrólisis de ATP,2,
3 de los productos de las reacciones de conjugación con glutatión,
glucurónido y sulfato, fuera de las células. Estos transportadores son de gran
importancia debido a que las reacciones de conjugación con glutatión son un
mecanismo de defensa clave en la desintoxicación de compuestos
electrófilos tóxicos y en el mantenimiento de la homeostasis celular.8, 9
En humanos, los MRPs descritos para el transporte de compuestos
conjugados son: MRP1, MRP2, MRP3, MRP4, MRP5 y MRP6.9
Los complejos formados con glutatión, glucurónido o sulfato durante
la Fase II son sustratos del MRP1,9 al igual que algunos aniones orgánicos
como las sales biliares monoaniónicas. Varios miembros de la familia de los
MRPs pueden participar en la eliminación de metales pesados, como
Arsenito y Antimonio. El mecanismo propuesto para la eliminación de estos
metales pesados involucra la conjugación con glutatión.10 MRP1 y
posiblemente MRP5 contribuyen a la resistencia en humanos al Arsenito.11
Existen xenobióticos presentes en los alimentos que pueden ser
excretados de las células a través de los MRPs. Un ejemplo, es el producto
de la conjugación de la aflatoxina B1 con glutatión, el cual es un sustrato de
alta afinidad para el MRP112, 13 (Figura 2-24).
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Figura 2-29. Metabolismo de Fase I (oxidación), Fase II (conjugación) y Fase III
(eliminación) de la Aflatoxina B1 en el hígado.
Polipéptido transportador de aniones orgánicos (OATP, organic
anion transporting polypeptide)
Los OATPs son una gran familia de transportadores de membrana
que regulan la captación de una gran cantidad de compuestos tanto
endógenos como exógenos, en especial fármacos.14 En humanos, se han
descrito 11 de estos transportadores: OATP1A2, 1B1, 1B3, 1C1, 2A1, 2B1,
3A1, 4A1, 5C1, 5A1 y 6A1. De ellos, se ha caracterizado el papel que juegan
OATP1B1, 1A2, 1B3 y 2B1 en la farmacocinética de fármacos. El OATP1A2
facilita la entrada de sustancias al torrente circulatorio a través de la pared
duodenal.15 En humanos, OATP1B1, 1B3, 2B1, están localizados en los
hepatocitos y permiten la entrada de compuestos de la circulación sanguínea
a esta célula, lo cual representa un paso importante en la posterior
eliminación del compuesto, ya sea a través del metabolismo o la eliminación
biliar 14 (Figura 2-23).
Entre los sustratos endógenos del OATP1A1 y 1B1 se encuentran,
ácidos biliares (colato y taurocolato), esteroides conjugados con glucurónido
o sulfato, eicosanoides y hormonas tiroideas. Sin embargo, hay compuestos
de origen natural que puede inhibir a estos transportadores; el OATP1A2 se
inhibe por los jugos de naranja y toronja, así como por los flavonoides
presentes en ellos: naringina, en el jugo de toronja y hesperidina en el jugo
de naranja, lo cual afecta la entrada de xenobióticos, como fármacos, a la
célula.16 Además, OATP2B1 se inhibe significativamente por el jugo de
toronja.17
Consecuencias del metabolismo en una intoxicación aguda y
crónica
La diferencia entre un proceso de destoxificación y el de activación
tóxica radica en la reactividad química de los metabolitos formados. En la
siguiente figura se muestra la integración de la Fase I y la Fase II, en su
relación al proceso de destoxificación y activación tóxica.
Figura 2-30. Separación en las rutas de intoxicación y destoxificación metabólica.
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La oxidación no impedida metabólicamente de los xenobióticos por
el CYP 2, produce metabolitos los cuales son fácilmente conjugados y por lo
tanto eliminados. La oxidación de los xenobióticos planares por el CYP1 (P
448) producen intermediarios reactivos los cuales no son fácilmente
conjugados y eliminados, por lo que interaccionan con nucleófilos
intracelulares provocando toxicidad y carcinogenicidad.
En general los intermediarios reactivos pueden clasificarse en cuatro
grupos principales que son:
a) Compuestos electrofílicos: (intermediario químico que presenta
deficiencia de electrones: R3C+)
b) Radicales libres (son entidades químicas que contienen un número
impar de electrones. R3C-).
c) Carbenos (son moléculas en las que el carbono solo tiene seis
electrones: R2C:) y nitrenos (son moléculas neutras en las que el
nitrógeno tiene sólo seis electrones: R-N:
d) Oxígeno activado (cuando el oxígeno molecular se reduce para
ganar un electrón y producir un anión superoxido: O2·-).
La mayor parte de los intermediarios reactivos son formados por el
P450. Sin embargo, existen ejemplos, donde la activación la provocan
reacciones de conjugación (Fase II).
Las consecuencias que se presentan en una exposición aguda o
crónica a un xenobiótico se presentan en la siguiente figura.
A. En la toxicidad aguda, el xenobiótico A ejerce su efecto tóxico por la inhibición directa de una enzima, y es subsecuentemente destoxificado y eliminado. B. En la toxicidad crónica, el xenobiótico B, es activado metabólicamente hacia un intermediario reactivo el cual se une covalentemente a glutatión (GSH), proteínas, DNA y posiblemente a receptores reguladores.
Fugura 2-31. Diferencias en el riesgo de una intoxicación aguda y una
intoxicación crónica.
Para muchos agentes tóxicos, la duración de su acción es
inversamente proporcional a la velocidad a la cual ellos son metabólicamente
inactivados. En otras palabras, entre más rápido sea transformado una
sustancia in vivo a sus metabolitos inactivos, más corta será la duración de
su efecto. Las diferencias observadas en la duración de acción de muchos
agentes activos dentro de la población humana son debidas primordialmente
a la variación en la composición y cinética de los sistemas enzimáticos que
participan en el metabolismo.
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18 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social (2014-12/16–280): Circe Mouret-Hernández
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