mecanismos de ingreso y eliminación de los tóxicos en el
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Mecanismos de ingreso y eliminación de los tóxicos en el
organismo
Mariana Flores Torres, Sitlali del Rosario Olguín Reyes, María Elena Bravo Gómez
Carrillo, Maria de la Concepcion C. Toxicología de los alimentos. McGraw-Hill Interamericana, 2012.
Introducción
La acción tóxica de cualquier xenobiótico requiere tres etapas para manifestar su efecto: exposición,
toxicocinética y toxicoodinamia. En este capítulo se revisarán los mecanismos de traslado de los xeno-
bióticos dentro del organismo, es decir, la etapa toxicocinética (Loomis, et al., 1996). El estudio de esta
etapa comprende los procesos de absorción, distribución, biotransformación y eliminación.
Absorción
Para que un xenobiótico que tiene actividad biológica ejerza su efecto, es necesario que se absorba
después de la exposición. La absorción se define como el proceso mediante el cual los xenobióticos y
nutrientes ingresan a los organismos y se transfieren desde el sitio de exposición (piel, mucosa
gastrointestinal o tracto respiratorio) a la circulación sistémica para su posterior distribución. En el caso
de un xenobiótico tóxico, si este proceso no ocurre, sólo puede presentarse toxicidad local (p. ej.,
irritación).
La absorción varía en forma amplia para algunos compuestos, de acuerdo con la ruta de exposición. En
el ámbito toxicológico son tres las principales rutas de exposición para la absorción de xenobióticos:
gastrointestinal, respiratoria y dérmica. Sin embargo, hay otras rutas de exposición que se emplean con
fines médicos, como intravenosa, intramuscular, conjuntival, rectal, vaginal o por medio de implantes.
En la mayor parte de las rutas de exposición, sólo se absorbe una fracción de la dosis.
Algunos factores que pueden modular la absorción de un xenobiótico son la ruta de exposición, la
concentración del xenobiótico en el sitio de contacto, el área de exposición, las características del epitelio,
la intensidad de la microcirculación subepitelial y las propiedades fisicoquímicas de la sustancia.
Para que un xenobiótico se absorba debe atravesar una serie de membranas biológicas que protegen la
célula y evitan el paso de agentes externos. Estas membranas son bicapas lipídicas que rodean a la célula.
Están formadas por dos capas de fosfolípidos que tienen una región polar y, por tanto, hidrofílica
(fosfato), y una región no polar, hidrofóbica (cadena hidrocarbonada). Las zonas polares se encuentran
orientadas hacia el exterior de la bicapa; inmersas en ella se encuentran moléculas como colesterol o bien
proteínas que funcionan como receptores, transportadores o poros transmembranales.
La estructura de las membranas biológicas determina su función y características.
La más importante, desde el punto de vista toxicológico, es que son permeables de manera selectiva, es
decir, sólo ciertas sustancias pueden atravesarlas, de acuerdo con sus características fisicoquímicas
(como liposolubilidad, polaridad, carga eléctrica, tamaño y similitud con sustancias endógenas).
En función de estas características, los xenobióticos se transportan a través de la membrana sobre todo
por dos tipos de transporte: pasivo y activo (figura 1).
Figura 1
Transporte celular.
Transporte pasivo
El transporte pasivo no requiere energía, ya que ocurre a favor de un gradiente de concentración. En esta
categoría se encuentran la difusión simple (transcelular y paracelular), la difusión facilitada y la filtración
por poros membranales. La difusión simple es la forma de transporte más utilizada por los xenobióticos;
está influida de manera importante por el gradiente de concentración en ambos lados de la membrana y
por la “habilidad” de la sustancia para moverse a través del interior lipofílico. Dicha “habilidad” en
realidad está determinada por las propiedades fisicoquimicas del compuesto, como liposolubilidad,
tamaño molecular y grado de ionización, que afectan este tipo de transporte.
La difusión facilitada —al igual que la difusión simple— no requiere energía, ya que el transporte se
realiza a favor de un gradiente de concentración; sin embargo, requiere una proteína acarreadora y, por
tanto, es saturable. Este transporte permite mover moléculas más grandes que pueden presentar dificultad
para difundirse a través de la membrana sin el acarreador. A pesar de que los xenobióticos casi no la
emplean, es la forma de transporte de algunos nutrientes como los aminoácidos en los glóbulos rojos
(Tunnicliff, 1994) y en el sistema nervioso central (Kanai, et al., 2003).
La filtración por poros membranales permite el transporte de moléculas hidrosolubles con un tamaño
menor a 4 Å. En general, las sustancias con peso molecular de 100 a 200 g/mol pueden pasar a través de
estos poros. La excepción son las membranas de los capilares y de los glomérulos, ya que tienen poros
más grandes (alrededor de 40 a 55 Å) (Bridges, et al., 1982), lo cual permite que moléculas con pesos
moleculares de 60 000 Dalton puedan atravesarlas.
Transporte activo
Las sustancias que no pueden moverse a través de las membranas por difusión, son muy grandes para
transportarse a través de los poros transmembranales y tienen alguna similitud con sustancias endógenas,
pueden transportarse por medio de un proceso activo. El transporte activo se realiza en contra de un
gradiente de concentración, por lo cual requiere energía en forma de ATP. Asimismo, se requiere un
acarreador, por lo que es un proceso saturable y selectivo. Este tipo de transporte es muy importante para
mantener el balance de electrólitos y nutrientes. Algunos xenobióticos tóxicos como el paraquat
(herbicida) se absorben con este tipo de transporte (Charles, et al., 1978).
Endocitosis: fagocitosis y pinocitosis
La endocitosis es el proceso mediante el cual la célula introduce moléculas grandes, partículas o líquidos,
para lo cual las encierra en una porción de la membrana celular. El proceso inicia con la formación de
una invaginación a partir de la cual se forma una vesícula que se desprende de la membrana y se incorpora
al citoplasma. Algunas moléculas grandes y partículas que no pueden ingresar a la célula mediante los
mecanismos pasivos y activos, pueden ingresar por esta vía. Hay dos tipos de endocitosis: la fagocitosis,
cuando se trata de partículas, y la pinocitosis, cuando se trata de líquidos o pequeñas partículas que se
encuentran en suspensión en el líquido extracelular. La fagocitosis es un proceso muy importante en el
sistema inmunitario y en la depuración de los pulmones (Voisin, et al., 1971; Bowden, 1976).
Rutas de absorción
Absorción gastrointestinal
Esta ruta de absorción es la más importante en las intoxicaciones alimentarias. El tracto gastrointestinal
(o tracto digestivo) es el sistema que permite el consumo de alimentos, y mediante la digestión de éstos
extrae energía y nutrientes, para luego excretar los residuos. Está compuesto por el tracto gastrointestinal
superior (boca, faringe, esófago y estómago), el tracto intestinal inferior (intestino delgado, intestino
grueso y ano) y las glándulas accesorias (hígado, vesícula biliar y páncreas). Las funciones del tracto
gastrointestinal son la ingestión, digestión, absorción y excreción. En este apartado se estudia la función
de absorción de este sistema.
Una sustancia tóxica debe absorberse desde el tracto gastrointestinal para tener efecto tóxico sistémico;
sin embargo, también puede presentarse daño local. El grado de absorción depende de modo considerable
de las características físicas, químicas y biológicas del sitio o región del tracto.
Los factores que afectan la absorción a través de esta ruta son:
1. El pH de la región gastrointestinal y el valor de pKa que presente el xenobiótico.
2. Tiempo de residencia y vaciamiento gástrico.
3. Área de absorción.
4. Transporte a través de las células.
5. Inestabilidad química y metabolismo del xenobiótico a nivel de membrana intestinal o por
la presencia de microflora (o ambos).
El pH de la región gastrointestinal y el valor de pKa del xenobiótico
Los valores de pH presentan variaciones a lo largo del tracto gastrointestinal (figura 2, cuadro 1), lo que
afecta el comportamiento de los xenobióticos que poseen propiedades de ácidos débiles o bases débiles.
Si se toman en cuenta únicamente las propiedades acidobásicas y se asume que la absorción ocurrirá por
difusión simple, sólo la forma no iónica tendrá la capacidad de atravesar las membranas; por tanto, se
espera que los compuestos ácidos se absorban en el estómago y los compuestos básicos en el intestino
delgado. Sin embargo, es necesario puntualizar que las diferentes sustancias —tanto básicas como
ácidas— se absorben también a nivel de intestino delgado, ya que la mayor parte de los xenobióticos son
ácidos o bases débiles y el valor de pH de esta región anatómica (5 a 8, según la zona) es adecuado para
su absorción por difusión simple. Además, con independencia del valor de pH que aquí se manifieste, el
intestino delgado presenta condiciones óptimas de área de absorción y vascularización para ser el sitio
de absorción preferencial de la mayor parte de los nutrientes y xenobióticos (figura 2).
Figura 2
Tracto gastrointestinal.
Tiempo de residencia y vaciamiento gástrico
El tiempo que tarda la sustancia en recorrer el tracto gastrointestinal o alguna porción del mismo (tiempo
de residencia) también afecta el grado de absorción de los xenobióticos ingeridos. Entre más lento sea el
recorrido, el compuesto estará disponible más tiempo para su absorción; por tanto, incrementará la
cantidad de xenobiótico que penetra en el organismo.
En condiciones normales, los xenobióticos casi no se absorben en la boca y el esófago, debido sobre todo
al corto tiempo de residencia (cuadro 1). Sin embargo, hay algunas excepciones como la nicotina, que
penetra de manera rápida la mucosa bucal. Otro ejemplo es la nitroglicerina, que se emplea como
vasodilatador para el tratamiento de algunas enfermedades cardiacas; su absorción es inmediata desde la
mucosa sublingual, ya que es una zona muy vascularizada, lo cual ayuda a que algunas sustancias se
absorban desde ahí con prontitud.
Cuadro 1: Regiones y características del tracto gastrointestinal
El vaciamiento gástrico determina el paso de alimentos del estómago hacia la parte superior del intestino
delgado, por lo que afecta el tiempo de residencia en cada una de estas zonas. Este proceso puede
acelerarse o retardarse de acuerdo con ciertas circunstancias (cuadro 2). En el caso de los xenobióticos
que tienen velocidades de disolución muy lentas, un vaciamiento gástrico retardado favorecerá el proceso
de absorción, ya que tendrán más tiempo para que una cantidad mayor se logre solubilizar; por otro lado,
un vaciamiento gástrico acelerado favorecerá la absorción de aquellos compuestos que tienen
velocidades de disolución altas, porque les ayuda a ingresar al intestino delgado con rapidez para
absorberse en mayor proporción.
Cuadro 2: Factores que afectan el vaciamiento gástrico
Otro factor determinante en la cantidad de xenobiótico absorbida en el estómago es la presencia de
comida, ya que si ésta se ingiere al mismo tiempo que el xenobiótico, provoca diferencias considerables
en el grado de absorción.
Área de absorción
La mayor parte de la absorción de xenobióticos y nutrientes tiene lugar en el intestino, en particular en
el intestino delgado. Éste tiene la mayor área de absorción del tracto gastrointestinal debido a la presencia
de vellosidades, que son proyecciones de la mucosa, del grosor de una célula, hacia el lumen del intestino.
Esta gran área superficial facilita la difusión de sustancias a través de las membranas celulares de la
mucosa. Por otra parte, el intestino tiene un excelente suplemento de flujo sanguíneo, lo cual asegura que
el xenobiótico se absorba en forma rápida. De esta manera logra mantener el gradiente de concentración.
Transporte a través de las células
Como se ha mencionado, el tipo de transporte a través de las células está en función de las propiedades
fisicoquímicas de los xenobióticos. En este parámetro hay que considerar la liposolubilidad, el tamaño
de partícula del xenobiótico, el pKa y la similitud con sustancias endógenas.
La mayor parte de los xenobióticos se absorbe por difusión pasiva. Sin embargo, la difusión facilitada y
el transporte activo permiten la absorción de algunas sustancias a través de las células intestinales; tal es
el caso de los nutrientes esenciales como glucosa, aminoácidos y calcio. Por otra parte, también ácidos y
bases fuertes, moléculas grandes y metales se transportan por estos mecanismos. El plomo, el talio y el
paraquat (herbicida) son ejemplos de tóxicos que se transportan a través de la pared intestinal por medio
de sistemas de transporte activo.
Inestabilidad química y metabolismo del xenobiótico al nivel de la
membrana intestinal o por la presencia de microflora (o ambos)
La descomposición de los xenobióticos es un factor importante en la absorción gastrointestinal. La
estabilidad química en los diferentes valores de pH a lo largo del tracto gastrointestinal, así como la
presencia de enzimas proteolíticas y bacterias intestinales que pueden biotransformar algunos
xenobióticos, son determinantes en la absorción por esta ruta.
La acidez del medio estomacal es de particular importancia para la elección de formas farmacéuticas que
se administran por esta vía, ya que los compuestos lábiles en el medio ácido —como penicilina— se
hidrolizan en el estómago.
Por otra parte, las enzimas proteolíticas digestivas destruyen péptidos como la insulina, oxitocina y
vasopresina. En la membrana intestinal también se presentan enzimas que pueden transformar a
compuestos que presenten grupos funcionales sensibles. Además de la descomposición por enzimas
humanas, algunos compuestos pueden transformarse por la acción de enzimas de los microorganismos,
que son flora habitual en el intestino grueso.
Desde el punto de vista toxicológico, la estabilidad o inestabilidad química de los xenobióticos no sólo
determina su absorción, sino también sus efectos tóxicos. En algunos casos disminuye la toxicidad y en
otros la potencia. Un ejemplo es la toxicidad de los glucósidos cianogénicos presentes en semillas de
manzanas, duraznos, cerezas y almendras en forma de amigdalina, que es inestable en el medio ácido
estomacal y libera cianuro.
Otro ejemplo importante es la formación de nitrosaminas carcinogénicas por parte de la flora intestinal a
partir de aminas y nitritos no carcinogénicos (Klubes, et al., 1971; Vargo, et al., 1980). Cabe destacar
que algunos nitritos —como el de sodio— se emplean como conservadores de alimentos cárnicos y
pueden representar un riesgo para cáncer de colon.
Absorción pulmonar
Muchos agentes ambientales y ocupacionales, así como fármacos, se absorben en el tracto respiratorio
después de inhalarse. Por ello esta ruta de absorción es importante en especial para la toxicología
ocupacional y ambiental. El tracto respiratorio está formado por tres regiones básicas: nasofaríngea,
traqueobronquial y pulmonar; esta última es la región de absorción más importante debido a la presencia
de bronquiolos y alvéolos en el pulmón.
Los pulmones tienen una gran área de absorción de alrededor de 50 a 100 m2 en el hombre y una excelente
irrigación sanguínea, además de que la barrera entre el aire en los alvéolos y la corriente sanguínea es
tan delgada como el grosor de dos capas de células (figura 3). Debido a esta circunstancia anatómica, la
absorción desde el pulmón en esta región es muy rápida y eficiente. Los xenobióticos casi no se absorben
en la región nasofaríngea por el grosor de la mucosa en esta zona y el movimiento rápido a través de ella,
mientras que en la región traqueobronquial puede llevarse a cabo la absorción de gases relativamente
solubles en sangre.
Figura 3
Tracto respiratorio.
Una vez inhalada una sustancia o partícula, ésta puede absorberse desde cualquier parte del tracto
respiratorio; sin embargo, la cantidad absorbida de un xenobiótico en alguna región específica depende
de su forma física y propiedades fisicoquímicas (como la solubilidad). En función de la forma física los
xenobióticos pueden clasificarse como: a) gases y vapores y b) partículas.
Gases y vapores
El oxígeno, dióxido de carbono y otros gases pasan a través de la membrana alveolar por difusión simple.
El grado de absorción depende de la solubilidad del compuesto gaseoso. Los compuestos que son muy
solubles en agua, y por tanto en sangre, pueden absorberse con facilidad casi de manera total con una
sola inhalación. Para los gases solubles en sangre es difícil alcanzar el equilibrio entre la concentración
del xenobiótico inhalado y la de la sangre. Un incremento en el flujo sanguíneo no afecta su velocidad
de absorción; la única forma de incrementarla es mediante el aumento de la ventilación pulmonar. Por el
contrario, la absorción de gases que tienen poca solubilidad en sangre es limitada debido a que se satura
con rapidez. En este caso, la única forma de acrecentar su paso a través de las membranas es mediante el
incremento del flujo sanguíneo.
Partículas
Además de la solubilidad, la absorción de las partículas depende de manera importante de su tamaño y
forma física. Las partículas se retendrán en una porción determinada del sistema respiratorio de acuerdo
con su tamaño: las mayores de 5 μm se depositan por lo general en la región nasofaríngea con muy poca
absorción; las de 2 a 5 μm pueden penetrar en la región traqueobronquial, y por último las pequeñas, es
decir, menores de 1 μm, penetran de manera profunda y se depositan en los alvéolos, donde pueden
absorberse. La mayor parte de las partículas depositadas en la región nasofaríngea y traqueobronquial
regresan a la boca, donde son tragadas.
Después de que las partículas se depositan en la región alveolar pueden disolverse y absorberse en el
torrente sanguíneo. Si no son muy solubles, se fagocitan y transfieren de manera directa al sistema
linfático por los macrófagos presentes en los alvéolos. Sin embargo, otras partículas pueden permanecer
en los alvéolos de manera indefinida, como el carbón y los asbestos, que pueden provocar la enfermedad
del pulmón negro (neumoconiosis de los carboneros) o asbestosis, respectivamente.
La toxicidad de los materiales inhalados depende de que en los alvéolos y bronquiolos se absorban o se
depositen. Si el agente se absorbe y también es lipofílico, se puede distribuir en forma rápida en el
organismo, ya que atraviesa las membranas con facilidad, y puede provocar efectos tóxicos en sitios
lejanos al pulmón. Lo mismo sucede si los macrófagos transportan las partículas hacia otro sitio. Sin
embargo, el material no absorbido también puede causar efectos tóxicos graves en el sistema respiratorio,
como bronquitis crónica, enfisema, enfermedad fibrótica pulmonar e incluso cáncer de pulmón.
Absorción dérmica
En contraste con los alvéolos del tracto respiratorio y las vellosidades intestinales del tracto
gastrointestinal, la piel es un tejido de varias capas que funciona como barrera protectora más que como
tejido de absorción, a pesar de la gran superficie de exposición. Debido a que la piel está expuesta de
manera constante a sustancias extrañas como gases, disolventes y soluciones, la absorción desde la
misma es importante en la toxicología laboral y ambiental. A pesar de que la piel es más o menos
impermeable a la mayor parte de los iones y a las soluciones acuosas, algunos tóxicos pueden penetrarla
mediante difusión pasiva (p. ej., pesticidas organofosforados y disolventes como tetracloruro de carbono
y hexano) y causar toxicidad en otros órganos y tejidos.
La piel consta de tres capas principales (figura 4): epidermis, dermis y tejido subcutáneo. La epidermis
es la capa que controla la penetración de xenobióticos a través de la piel. Consta de una capa externa de
células empaquetadas con queratina que se conoce como estrato córneo, el cual carece de vasos
sanguíneos. La presencia de queratina en este empaquetamiento hace que la piel sea resistente desde el
punto de vista químico e impermeable a muchas sustancias. El grosor del estrato córneo varía en las
diferentes regiones del cuerpo; como es de esperarse, la eficiencia de los tóxicos para penetrarlo se
relaciona de manera inversa con su grosor. Los xenobióticos que penetran la piel atraviesan el estrato
córneo sólo por difusión pasiva ya que no hay mecanismos conocidos de transporte activo en la
epidermis.
Figura 4
La piel.
Además del estrato córneo, pequeñas cantidades de xenobióticos pueden absorberse a través de las
glándulas sudoríparas y sebáceas, y de los folículos pilosos. Sin embargo, debido a que estas estructuras
representan sólo un pequeño porcentaje del área superficial total, la absorción a partir de ellas no es
significativa.
Después de que una sustancia penetra en el estrato córneo, ingresa en la epidermis, dermis y tejido
subcutáneo, zonas que presentan menos resistencia a la difusión. La mayor parte de los tóxicos que
atraviesan el estrato córneo pueden moverse a través del resto de la piel y entrar en la circulación
sanguínea a través de los vasos linfáticos y capilares presentes en la zona.
Por sus características, hay dos factores importantes que pueden incrementar la permeabilidad en la piel:
la abrasión del estrato córneo por cortaduras, quemaduras, dermatitis, daños corrosivos, rascaduras o
frotamientos; y el incremento en el grado de hidratación, lo cual ayudará a la penetración de sustancias
solubles en agua.
Es importante mencionar que la piel es el órgano metabolizante más grande y accesible. Expresa muchos
citocromos P450 (al menos 13 CYP2) que tienen funciones fundamentales en el metabolismo de sustratos
endógenos y exógenos. La mayor parte de estos genes se expresan en la epidermis o los queratinocitos.
Esto se relaciona en forma directa con algunas sustancias tóxicas que pueden metabolizarse en la piel
(Ahmad, et al., 2004).
Distribución
Una vez que los xenobióticos se absorben deben distribuirse. La distribución inicial en el sistema vascular
depende del sitio de absorción: la absorción cutánea implica, en primera instancia, a la sangre periférica;
la absorción pulmonar lleva al xenobiótico de manera directa a la circulación mayor; y, finalmente, para
la mayor parte de los compuestos absorbidos por vía oral, la vena porta será la responsable de acarrearlos
hacia el hígado (metabolismo de primer paso) y de ahí al torrente sanguíneo.
Una vez que los xenobióticos se encuentran en el torrente sanguíneo se distribuyen por todo el cuerpo en
función de sus propiedades fisicoquímicas, su gradiente de concentración entre los diferentes
compartimentos del organismo, el riego sanguíneo que reciben los diferentes órganos y tejidos, y la unión
del xenobiótico con proteínas plasmáticas. Este último factor es muy importante, ya que 6.5% de la
sangre está compuesta por proteínas (albúmina y α1-glucoproteína, entre otras).
Debido a su gran tamaño, los xenobióticos unidos a proteínas no pueden atravesar las membranas
biológicas; por ello su distribución en los tejidos y su posterior eliminación son limitadas, de modo que
se retienen en la circulación. La interacción entre proteínas plasmáticas y xenobióticos puede ser
irreversible o reversible. En el segundo caso, los xenobióticos presentan equilibrio entre la forma
enlazada y la libre. Uno de los aspectos a considerar en el campo de la toxicología es el desplazamiento
provocado por un xenobiótico de otras sustancias que se encuentran unidas a proteínas. Este
desplazamiento puede ocasionar aumento de la eficacia terapéutica del fármaco desplazado (en el caso
de medicamentos), incremento de la toxicidad del xenobiótico desplazado, redistribución del xenobiótico
en otros tejidos o potenciación de su actividad biológica.
Es importante mencionar que después de la distribución del xenobiótico, algunos tejidos funcionan como
tejidos de reserva, al acumular el xenobiótico y retardar su biotransformación y eliminación. Estos tejidos
son el adiposo para los compuestos lipofílicos y el hueso para algunos iones como plomo.
Biotransformación
Cualquier compuesto que ingresa en nuestro organismo tiene que eliminarse. De lo contrario se concentra
hasta alcanzar niveles tóxicos. Se sabe que algunas enzimas tienen la capacidad de biotransformar los
xenobióticos al incrementar su polaridad; de esta forma, también favorecen su eliminación mediante
procesos biliares y renales, ya que un compuesto químico polar es más fácil de eliminar. En el ser
humano, el hígado es el principal órgano en que las enzimas biotransforman a los xenobióticos, ya que
contiene 50 a 90% de estas enzimas en comparación con otros órganos del cuerpo. Dentro del hígado y
otros órganos, el retículo endoplásmico liso y el citosol, o fracciones solubles del citoplasma, son los
principales sitios donde se llevan a cabo estas reacciones.
El metabolismo de los xenobióticos ocurre en tres fases metabólicas: fase I de funcionalización; fase II
de conjugación, y fase III de transporte o excreción. El principal objetivo de la biotransformación es
incrementar la polaridad (hidrosolubilidad) y facilitar la eliminación de los xenobióticos.
Fase I
Las reacciones de la fase I abarcan la oxidación, reducción e hidrólisis de xenobióticos. Los productos
de estas reacciones no sólo son más polares, sino que también pueden ser sustratos de las enzimas de fase
II o ligandos de proteínas de transporte en la fase III.
Reacciones de oxidación
Hidroxilación alifática
Muchos xenobióticos son biotransformados y desactivados por medio de esta reacción. Las cadenas
alifáticas de los compuestos aromáticos se oxidan con facilidad a alcoholes que pueden a su vez continuar
su oxidación hasta el ácido correspondiente (figura 5).
Figura 5
Hidroxilación alifática y aromática.
Epoxidación e hidroxilación aromática
La mayor parte de los compuestos que tienen un anillo bencénico en su estructura están sujetos a
hidroxilación aromática. Esta reacción es precedida por una reacción de epoxidación. La hidroxilación
aromática es una de las reacciones más comunes para la generación de compuestos fenólicos, que son
sujetos de biotransformación en la fase II (figura 6).
Las reacciones de epoxidación generan epóxidos estables y persistentes en el ambiente, pero también
pueden producir óxidos de areno, que son los intermediarios reactivos de hidroxilaciones aromáticas
conocidos porque están implicados en la carcinogénesis química, al igual que en las necrosis celular e
hística inducidas. Ejemplos de compuestos que sufren biotransformación mediante reacciones de
epoxidación son los hidrocarburos aromáticos, las micotoxinas y el cloruro de fenilo (figura 6).
Figura 6
Epoxidación e hidroxilación aromática.
Desalquilación
Quizás es la reacción de biotransformación mejor conocida, en la que se desalquilan grupos alquilo
unidos a un oxígeno, nitrógeno o azufre. La reacción ocurre mediante la oxidación del grupo alquilo y
un reordenamiento que resulta en la pérdida de este grupo en forma de aldehído (figura 7).
Figura 7
Desalquilación.
Oxidación de nitrógeno y azufre
La oxidación del nitrógeno puede llevarse a cabo por diversas vías que darán como resultado la formación
de hidroxilaminas, oximas y óxidos (figura 8). La formación de hidroxilaminas es el inicio de la
biotransformación de compuestos que tienen un grupo amino exocíclico, incluye a las aminas aromáticas.
La formación de N-óxidos por lo general es dependiente de la enzima flavín monooxigenasa (FMO). Por
último, las oximas pueden formarse por la N-hidroxilación de iminas y aminas primarias. Por su parte,
la oxidación del azufre es una reacción que suele ocurrir en insecticidas, lo cual incluye carbamatos,
organofosforados e hidrocarburos clorados (figura 8).
Figura 4-8
N- y S- oxidación.
Desaminación oxidativa
Esta reacción inicia con la oxidación del carbono proximal para generar un intermediario inestable, la
carbinolamina, que elimina el amonio y produce la correspondiente cetona (figura 9). Los sistemas
enzimáticos que participan en las reacciones de oxidación son los que se describen a continuación.
Figura 4-9
Desaminación oxidativa.
Citocromo P450 (CYP)
De las enzimas de la fase I, el CYP es el principal sistema de familias enzimáticas implicado en la
biotransformación de fármacos. Contribuye con alrededor de 80% de los fármacos procesados en la fase
I y diversos xenobióticos. De manera adicional, se sabe que el CYP desempeña un papel importante en
el metabolismo oxidativo de compuestos endógenos importantes desde el punto de vista fisiologico en
mamíferos, como vitaminas, esteroides, prostanoides y otros eicosanoides, ácidos grasos y alcaloides.
Los CYP participan en diversas reacciones de oxidación; las más representativas son las de hidroxilación
alifática y aromática, desalquilación y epoxidación (figuras 5, 6 y 7).
Se han informado cerca de 57 isoformas del sistema del CYP en el ser humano, las cuales se expresan
en diferentes tejidos y presentan diferencias de especificidad catalítica. Estas enzimas se agrupan en
familias y subfamilias de acuerdo con su homología en la secuencia de aminoácidos. Las enzimas CYP
con 40% o más de identidad se incluyen en la misma familia, la cual se designa con un número arábigo
(p. ej., CYP1), y las que tienen más de 55% de identidad se incluyen en la misma subfamilia, que se
designa con una letra en mayúscula (p. ej., CYP1A). Por último, a los genes individuales se les asigna de
manera arbitraria un número (p. ej., CYP1A1). Las principales familias implicadas en el metabolismo de
xenobióticos son CYP1, CYP2 y CYP3 (cuadro 3).
Cuadro 3: Principales familias del citocromo P450 implicadas
en la biotransformación de xenobióticos
En mamíferos, los CYP se encuentran en el retículo endoplásmico, asociados con la flavoproteína
NADPH-citocromo P450 reductasa. Sin embargo, algunos también se encuentran en la mitocondria y la
membrana plasmática, donde tienen por lo general una función de oxidasas.
Los CYP catalizan una reacción de oxidación que se puede generalizar en la siguiente expresión:
NADPH + H+ + O2 + R → NADP+ + H2O + RO
Donde R representa al sustrato y RO el metabolito oxidado.
Las enzimas CYP son de gran interés en el estudio de la carcinogénesis química, por su participación en
la oxidación de protóxicos a metabolitos reactivos altamente electrofílicos que pueden causar daño a
macromoléculas como proteínas, lípidos y ácido desoxirribonucleico (ADN) (Lee, et al., 2003; Ortiz de
Montellano, 2005; Costas, 2002). Por tanto, se considera que los polimorfismos de los CYP se relacionan
con la sensibilidad para algunos tipos de cáncer. Sin embargo, hasta el momento no se ha comprobado
de manera fehaciente ninguna correlación (Rodríguez-Antona, et al., 2010).
Flavín monooxigenasas (FMO)
Las aminas terciarias, como trimetilamina y dimetilamina, se metabolizan a N-óxidos por la acción de la
FMO. Ésta cataliza la oxigenación de diversos fármacos, sustancias químicas utilizados en la agricultura
y aminas biogénicas, entre otros compuestos que poseen en su estructura heteroátomos nucleofílicos
como N-, S-, P- y Se- (Cash, 2000). La FMO, al igual que las enzimas del CYP, es dependiente de
NADPH y O2.
Los polimorfismos de esta enzima son los causantes de una enfermedad denominada trime-tilaminuria,
también conocida como “síndrome de olor a pescado”, característico de individuos que no pueden
convertir la olorosa trimetilamina (compuesto proveniente de la dieta o del metabolismo endógeno) al
inodoro N-óxido [1]. Es posible que algunos compuestos químicos de los vegetales pertenecientes a la
especie brassica puedan alterar la relación urinaria de la trimetilamina N-óxido a trimetilamina, y de esta
forma permitir que se establezca la trimetilaminuria (Fenwick, 1983).
Alcohol deshidrogenasa (ADH)
Esta enzima cataliza la conversión de aldehídos a cetonas:
RCH2OH + NAD+ → RCHO + NADH + H+
Es probable que sea la enzima más importante en el metabolismo de alcoholes exógenos. En mamíferos
se han descrito seis isoformas de ADH, que puede utilizar tanto NAD+como NADP como cofactores;
sin embargo, con NADP+la reacción es menos eficiente. Varios compuestos heterocíclicos como pirazol,
imidazol y sus derivados inhiben al alcohol deshidrogenasa.
Aldehído deshidrogenasa (ALDH)
La oxidación de aldehídos es un proceso de desintoxicación debido a la naturaleza electrofílica de los
metabolitos aldehídicos. La ALDH cataliza la formación de ácidos a partir de aldehídos alifáticos y
aromáticos. La reacción general es la siguiente:
RCHO + NAD+ → RCOOH + NADH H+
Las reacciones de oxidación de aldehídos también pueden llevarse a cabo por la acción de enzimas del
CYP y las molibdeno hidroxilasas.
Los polimorfismos de varias ALDH humanas se vinculan con la alteración del metabolismo de fármacos
y con fenotipos de algunas enfermedades o efectos fisiopatólogicos. En el genoma humano se han
identificado 16 genes de ALDH y tres seudogenes. Los polimorfismos de ALDH2 se caracterizan por el
decremento en el metabolismo del acetaldehído, bajo riesgo de alcoholismo e incremento en el riesgo de
cánceres inducidos por etanol. Pese a que es claro que los polimorfismos de ADH y de la ALDH alteran
el metabolismo de etanol, no se ha comprobado si eso también afecta el metabolismo de otros sustratos.
Amino oxidasa
La función más importante de las amino oxidasas es la oxidación de aminas provenientes de procesos de
biotransformación previos. Los mamíferos tienen varios sistemas de amino oxidasas que se distinguen
por sus requerimientos de cofactores, especificidad de sustrato y sensibilidad a inhibidores. Hay dos tipos
de amino oxidasas que participan en la desaminación oxidativa de aminas endógenas y exógenas: las
monoaminooxidasas (MAO), que son flavoproteínas, y las amino oxidasas que contienen en su sitio
activo cobre y un grupo de tipo carbonilo, también conocidas como amino oxidasas sensibles a
semicarbazida (SSAO). Ambas enzimas catalizan la oxidación de aminas de acuerdo con la siguiente
reacción:
RCH2NR′R″ + O2 + H2O → RCHO + NHR′R″ + H2O2
La aldehído deshidrogenasa o aldehído oxidasa puede biotransformar los aldehídos resultantes al
correspondiente ácido carboxílico, y la aldehído reductasa puede biotransformarlos a alcoholes.
Las monoaminooxidasas oxidan aminas primarias alifáticas y aromáticas, así como algunas aminas
secundarias y terciarias. Hasta ahora se conocen dos isoenzimas de monoaminooxidasa: MAO-A y
MAO-B.
Las MAO metabolizan la 2-feniletilamina, que está presente en diversos alimentos, en particular el
chocolate, donde se encuentra en altas concentraciones (Worland, 1983).
Molibdeno hidroxilasas
La aldehído oxidasa (AO), xantina oxidasa (XO) y xantina deshidrogenasa —que en conjunto se
denominan molibdeno hidroxilasas— son miembros de la familia de la molibdopterina. Estas enzimas
son responsables de la oxidación del carbono α o β de las iminas en los anillos aromáticos heterocíclicos
(azoarenos), lo que resulta en la formación de la correspondiente lactama (oxidación del carbono α) o
aminoenona (oxidación del carbono β).
La reacción de hidroxilación oxidativa catalizada por las molibdeno hidroxilasas implica un ataque
nucleofílico a un carbono electrodeficiente con la subsecuente inserción de un átomo de oxígeno
proveniente de H2O:
RH + H2O → ROH + 2H+ + 2e−
La AO y XO pueden reducir los grupos funcionales N− y S− en condiciones anaeróbicas.
Reacciones de reducción
Nitrorreducción
Los sustituyentes nitro (−NO2) se encuentran en compuestos contenidos en solventes industriales,
insecticidas, conservadores de alimentos y otros xenobióticos. En el tracto gastrointestinal, esta reacción
es catalizada por nitrorreductasas bacterianas de la microflora, las cuales contribuyen a la
biotransformación de xenobióticos antes de la absorción. La nitrorreducción es una reacción anaeróbica
dependiente de NADPH (figura 10). Los grupos nitro pueden reducirse a nitrosos (-NO) por tres
reducciones, cada una de las cuales implica a un par de electrones.
Figura 10
Reacciones de reducción.
Algunas enzimas pueden catalizar estas reacciones en mamíferos. Se ha encontrado actividad de
nitrorreductasa en hígado y corteza suprarrenal; sin embargo, las bacterias que forman parte de la
microflora intestinal realizan el mayor aporte a la nitrorreducción de compuestos. Hay varias enzimas
que poseen actividad de nitrorreductasa en seres humanos, como XO, AO, DT-diaforasa, flavoproteínas,
y NADPH reductasa sola o en combinación con el CYP (Nakao, et al., 1991; Belisario, et al., 1991;
Person, et al., 1991). Las aminas aromáticas son sensibles a la reducción tanto por nitrorreductasas
bacterianas como por algunas enzimas de mamíferos.
Azorreducción
Los compuestos azo (Ar-N=N-Ar) se usan en forma amplia en colorantes en la industria farmacéutica,
alimentaria, textil y de pinturas. Al igual que la nitrorreducción, la azorreducción es una reacción
anaeróbica dependiente de NADPH. La microflora intestinal es la principal responsable de llevar a cabo
esta reacción, y en menor proporción las células de mamífero (figura 10).
Las azorreductasas son flavoproteínas que se encuentran en bacterias. En mamíferos, algunas enzimas
como el CYP y la DT-diaforasa tienen actividad de azorreductasa. La DT-diaforasa es una flavoproteína
que cataliza la reducción de quinonas, iminas de quinona y compuestos azo por medio del uso de dos
electrones. Los metabolitos intermediaros y finales de la reacción de reducción que lleva a cabo la DT-
diaforasa no son reactivos. Dado que la biotransformación de compuestos azo por la DT-diaforasa no
genera compuestos mutagénicos o con efectos tóxicos, se sugiere que es un proceso de desintoxicación
de los compuestos azo (Belinsky, 1993).
Reacciones de hidrólisis
Varios ésteres, amidas e hidrazidas son hidrolizados por esterasas y amidasas (figura 11). Estas enzimas
están presentes en la mayor parte de los tejidos y por lo general se encuentran en el citosol, aunque
también en el retículo endoplásmico.
Figura 4-11
Reacciones catalizadas por esterasas.
Esterasas
Estas enzimas se distribuyen de manera amplia en el cuerpo (cuadro 4). La diferencia entre
esterasas y amidasas es su especificidad sobre los grupos carbonilo R, R″, R‴, y en menor
proporción su átomo adyacente (O, S o N). Las esterasas se han clasificado en tipos A, B y C.
Algunas están implicadas en la hidrólisis de compuestos endógenos y xenobióticos (cuadro 4).
Cuadro 4: Distribución de las enzimas de fases I y II, sustratos
e inhibidores
Epóxido hidrolasas
Los epóxidos son moléculas muy tóxicas, por lo cual su desintoxicación es muy importante. La
formación de dioles a partir de epóxidos es una reacción de hidratación que llevan a cabo las
enzimas epóxido hidrolasas (EH); de esta manera facilitan su eliminación (figura 12).
Las EH son enzimas que hidrolizan oxiranos. Estos compuestos son altamente electrofílicos y
sus blancos en los organismos vivos son sitios nucleofílicos en macromoléculas, en particular
proteínas y ácidos nucleicos (Miller, 1981). La principal función de las EH es proteger de los
efectos causados por los epóxidos. Éstos pueden ingresar al organismo o formarse como
producto de la biotransformación de xenobióticos y algunos compuestos endógenos.
Figura 12
Reacciones catalizadas por las epóxido hidrolasas.
En el hombre hay dos tipos de EH que biotransforman xenobióticos: 1) la EH unida a membrana, cuyo
principal sitio de localización es el retículo endoplásmico y 2) la EH soluble o citosólica (Armstrong,
1999; Guenerich, 1997). Hay otras tres EH que no están implicadas en el metabolismo de xenobióticos:
la leucotrieno hidrolasa A4, la colesterol epóxido hidrolasa y la hepoxilina epóxido hidrolasa
(Haeggstrom, et al., 1990; Oesch, et al., 1984; Pace-Asciak, 1989).
Las EH de xenobióticos tienen como principal efecto la desintoxicación, con algunas excepciones. El
mejor ejemplo de éstas es su participación en la activación metabólica de los hidrocarburos aromáticos
policíclicos (HAP) al correspondiente diol epóxido. En general, estos compuestos son conocidos por su
potencial carcinogénico; tal es el caso del benzo[a]pireno generado en la combustión incompleta de
productos cárnicos asados al carbón (Holder, et al., 1974).
Fase II
Los productos de fase I y otros xenobióticos que contienen grupos funcionales como hidroxilo, amino,
carboxilo, epóxido o halógeno pueden ser sustratos de reacciones de conjugación con sustratos
endógenos como azúcares, aminoácidos, glutatión, sulfato, etc. Estos grupos funcionales también pueden
ser metilados o acetilados. A estas reacciones de conjugación se les denomina en conjunto reacciones de
fase II. Con raras excepciones, los productos generados en las reacciones de fase II son más polares,
menos tóxicos y más fáciles de excretar y eliminar que sus compuestos originales.
Conjugación con glucurónido
La reacción de glucuronidación biotransforma compuestos lipofílicos endógenos y exógenos, y sus meta-
bolitos provenientes de la fase I, a metabolitos más hidrofílicos y fáciles de excretar. Esta reacción se
lleva a cabo por la acción de la UDP-glucuronosiltransferasa (UGT), que cataliza la conjugación entre
una molécula de ácido uridindifosfato glucurónico (UDPGA) y un grupo funcional como R-OH, Ar-OH,
R-NH2, Ar-NH2, R-COOH y Ar-COOH (figura 13). La N-glucuronidación es un paso muy importante
en la desactivación y excreción de aminas aromáticas, muchas de las cuales son carcinógenas. Algunos
ejemplos de este tipo de compuestos son la 2-naftilamina, la bencidina y la 2-amino-1-metil-6-
fenilimidazol[4,5-b]piridina (PhIP); esta última se encuentra en pescados y carnes rojas cocinadas
(Orzechowski, et al., 1994; Sugimura, 1983).
Figura 13
Reacciones de glucuronidación.
UDP-glucuronosiltransferasas
Las enzimas UDP-glucuronosiltransferasas (UGT) son proteínas integrales de retículo endoplásmico y
envoltura nuclear. Hasta el momento se conocen 35 productos génicos de UGT de varias especies.
La nomenclatura de estos genes es similar a la de las enzimas del CYP. Las familias UGT1 y UGT2
catalizan la biotransformación de más de 350 compuestos químicos (Fisher, et al., 2001).
Los metabolitos nucleofílicos son los sustratos preferenciales de las UGT, que favorecen su
desintoxicación; sin embargo, algunos productos de la glucuronidación son de carácter electrofílico y,
por tanto, pueden reaccionar con proteínas celulares, ADN y otras biomoléculas (Tukey, 2000; Ritter,
2000).
Conjugación con sulfato
Las reacciones de sulfatación de varios xenobióticos —que incluyen alcoholes, arilaminas y fenoles—
producen ésteres de sulfato solubles en agua que el organismo elimina con facilidad. Ésta es una de las
principales reacciones de biotransformación de la fase II, e implica la adición de sulfato inorgánico en
forma de 3′-fosfoadenosina-5′-fosfosulfato (PAPS) a los productos de fase I (figura 14).
Figura 14
Reacciones de conjugación con sulfato.
Sulfotransferasas
La sulfatación es una reacción que se lleva a cabo de manera amplia en la naturaleza, cuyos catalizadores
son las enzimas citosólicas denominadas sulfotransferasas (SULT). Hasta el momento se conocen 60
SULT en mamíferos y aves, que se han clasificado en seis familias (Coughtrie, 2002). Se
ha informado que los jugos de toronja y naranja, y los tés verde y negro inhiben la isoforma SULT1A1
(Nishimuta, et al., 2007). Por otra parte, las SULT pueden participar en la bioactivación de mutágenos
provenientes de la dieta. Algunos ejemplos son SULT1A1 y SULT1A2, que participan en la
biotransformación de 2-hidroxiamino-1-metil-6-fenilimidazo[4,5-b] piridina (N-OH-PhIP) (Ozawa, et
al., 1994), y SULT2A1, que lo hace en la de alcoholes bencílicos de HAP (Glatt, et al., 1995).
Conjugación con glutatión
Esta reacción es una de las vías más importantes del metabolismo, ya que permite a la célula prevenir el
daño por compuestos electrofilos. Implica al tripéptido nucleofílico glicina-cisteína-ácido glutámico,
conocido como glutatión (GSH). La reacción consiste en la formación de un enlace tioéster entre el grupo
tiol del GSH y el electrófilo (figura 15). La conjugación del compuesto electrófilo con GSH permite que
éste sea excretado de la célula a la bilis mediante la participación de proteínas de fase III, como las
vinculadas con la resistencia a fármacos (MRP); o que se transporte al riñón, donde la porción γ-glutamil
es hidrolizada por la γ-glutamiltranspeptidasa, la glicina por una cisteininglicin-dipeptidasa y la cisteína
remanente puede ser N-acetilada por la N-acetiltransferasa para generar ácido mercaptúrico. Por lo
general, este último es el producto final de la conjugación con GSH y se elimina del organismo en la
orina. Sin embargo, en lugar de la N-acetilación el conjugado con cisteína puede seguir varias rutas que
produzcan la bioactivación del xenobiótico (Van Bladeren, 2000).
Figura 15
Reacciones de conjugación con glutatión.
Glutatión S-transferasas
Las enzimas del glutatión S-transferasa (GST) abarcan dos grupos con actividad de transferasas. En el
ser humano, el primer grupo se ha clasificado en ocho familias designadas como α, μ, π, σ, θ, ζ, ω y κ
(Board, et al., 1997; Board, et al., 2000; Hayes, et al., 2000). El segundo grupo está compuesto por
enzimas microsomales denominadas proteínas del metabolismo de eicosanoides y glutatión asociadas a
membrana (MAPEG) (Jakobsson, 2000). Las GST están implicadas de manera principal en la
biotransformación de xenobióticos, en tanto que las MAPEG participan en la biosíntesis de leucotrienos
y prostanoides, macromoléculas lipídicas de señalización endógena (Jakobsson, 1999). En conjunto, las
isoenzimas de GST están implicadas en procesos de desintoxicación y mecanismos de regulación
autocrina y paracrina.
Ambas GST —tanto las solubles como las MAPEG— tienen la capacidad de reducir compuestos
altamente reactivos como O2−, H2O2, • OH, 4-hidroxinonenal, acroleína y peróxido de timina, con lo que
previenen el daño a macromoléculas endógenas importantes desde el punto de vista biológico, como
lípidos, proteínas y ADN (Hays, et al., 1999). Algunos estudios han demostrado que los extractos de
vegetales como ginkgo biloba, brócoli, coles y jugo de toronja, inducen la expresión de GST (Liu, et al.,
2009; Williamson, et al., 1997).
Metilación
Varios compuestos, tanto endógenos como exógenos, pueden ser metilados por N-, O- y S-
metiltransferasas. El donador de metilos más común es la S-adenosil metionina (AdoMet, también
conocida como SAM), que se forma a partir de metionina y ATP (figura 16). Pese a que estas reacciones
pueden dar lugar a disminución de la solubilidad en agua, son de desintoxicación.
Figura 16
Reacciones de conjugación con metilo.
Metiltransferasas
La transferencia de grupos metilo es catalizada por O-, N- y S-metiltransferasas. Hasta el momento se
conocen más de 100 metiltransferasas que catalizan la metilación de diversas moléculas, tanto
xenobióticos como compuestos endógenos (hormonas, neurotransmisores, proteínas, lípidos, ARN y
ADN). Algunas de las metiltransferasas más comunes son la catecol O-metiltransferasa (COT),
fenetanolamina N-metiltransferasa (PNMT), histamina N-metiltransferasa (HNMT), tiopurina S-
metiltransferasa y tioéter S-metiltransferasa (TMT).
Acetilación
Las N-acetiltransferasas (NAT), acetilan aminas exógenas, para lo cual utilizan como donador de acetilos
a la acetil-coenzima A (acetil-CoA). La reacción de acetilación se lleva a cabo en dos pasos: 1) el grupo
acetilo se transfiere a un residuo de cisteína de la NAT, y forma como intermediario catalítico a la acetil-
cisteinil-NAT; 2) el acetilo es transferido al nitrógeno del amino del sustrato en cuestión.
La identificación de polimorfismos en las NAT ha permitido la clasificación de acetiladores lentos y
rápidos en seres humanos (Weber, et al., 1985). Las implicaciones clínicas de este fenómeno son la
variabilidad interindividual en la respuesta a fármacos; la asociación entre acetiladores lentos y el riesgo
de cáncer de vejiga (Cartwright, et al., 1982), y la asociación entre acetiladores rápidos y riesgo de cáncer
colorrectal (Lang, et al., 1986). Cabe señalar que los acetiladores lentos son más sensibles a los efectos
de compuestos que se desintoxican por acetilación.
Acetiltransferasas
Las aminas exógenas son acetiladas por la enzima citosólica, N-acetiltransferasa (NAT). Además de la
N-acetilación, las NAT también pueden catalizar una tercera reacción conocida como N, O-
transacetilación, la cual consiste en la transferencia de un grupo acetilo del nitrógeno del ácido
arilhidroxámico a su oxígeno, lo cual produce una acetoxiarilamina.
En seres humanos hay dos enzimas de NAT: NAT1 y NAT2. La reacción que producen es la misma,
pero la especificidad por sus sustratos es diferente (Grant, et al., 1989) (cuadro 4).
Al igual que otras enzimas que biotransforman xenobióticos, las NAT pueden realizar una activación
tóxica. Tal es el caso de las hidroxilaminas, cuyos metabolitos bioactivados por NAT1 causan toxicidad.
Las NAT participan en el metabolismo de compuestos ambientales como β-naftilamina, bencidina y 2-
aminofluoreno, así como de arilaminas hetorocíclicas producidas durante la pirólisis en la cocción de los
alimentos (Vatsis, 1997).
Conjugación con aminoácidos
Los ácidos orgánicos exógenos pueden conjugarse con aminoácidos a través de su grupo carboxílico. La
glicina es uno de los más comunes. Otros aminoácidos que se conjugan con xenobióticos son la
glutamina, taurina y ornitina (estos dos últimos en aves y reptiles, respectivamente). El grupo carboxílico
de los xenobióticos forma un enlace peptídico con el a-amino del aminoácido. Esta reacción ocurre en
dos pasos: en el primero, se forma un enlace tioéster entre el grupo carboxílico y la acetil-coenzima A
(acetil-CoA) mediada por la acil CoA sintetasa; en el segundo, la N-acetiltransferasa cataliza la
transferencia del grupo acetilo del acetil-CoA al grupo amino del aminoácido (Killenberg, 1980).
Las reacciones de conjugación con aminoácidos se llevan a cabo sobre todo en el hígado, aunque se ha
encontrado que también el riñón tiene actividad de N-aciltransferasa.
Fase III
En general, el metabolismo de xenobióticos se refiere a las fases I y II. La fase I implica la oxidación de
compuestos y la fase II la conjugación de productos generados en la primera con glucurónido y glutatión,
entre otros. Sin embargo, hace poco tiempo se reconoció que la última etapa del metabolismo de
xenobióticos es la fase III, que implica el 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,
donde actúan como una barrera contra la entrada de xenobióticos.
La importancia fisiológica de la fase III radica en que las reacciones de conjugación con glutatión pueden
dar lugar en ocasiones a la activación tóxica de los compuestos en lugar de facilitar su excreción de la
célula. En estos casos, el sistema sirve de protección, ya que disminuye la concentración intracelular de
los compuestos tóxicos.
Entre los transportadores que participan en la fase III se encuentran la glucoproteína P, las proteínas
asociadas a la resistencia a fármacos y el polipéptido transportador de aniones orgánicos (Xu, et al., 2005;
Yang, et al., 2010).
Glucoproteína-P
La glucoproteína-P (P-gp), que necesita la hidrólisis del ATP para llevar a cabo el transporte, es uno de
los primeros transportadores ABC (ATP binding cassette) identificados y estudiados (Yang, et al., 2010;
Dean, et al., 2001). La P-gp es una glucoproteína de membrana de 107 kDa que regula la salida de ciertos
compuestos de las células (Ishikawa, 1992). En mamíferos está codificada por una pequeña familia de
genes que cuenta con dos isoformas en humanos y tres en roedores. Las isoformas I y III son
transportadores de fármacos y la II se encarga del transporte de fosfatidilcolina a la bilis (Ruetz, et al.,
1994).
Esta proteína se expresa en bajas cantidades en la mayor parte de los tejidos, pero se encuentra en mayor
cantidad en colon, intestino delgado, conductos pancreáticos, conductos biliares, riñón y glándulas
suprarrenales (Thiebaut, et al., 1987; Croop, et al., 1989). También se ha encontrado que se expresa en
la barrera hematoencefálica, donde protege al cerebro del ingreso de compuestos tóxicos que pueden
llegar mediante la circulación sanguínea (Beaulieu, et al., 1997). En el epitelio intestinal, las P-gp se
encargan de la entrada de xenobióticos de la sangre a la luz intestinal e impiden que estos compuestos
regresen a la circulación sanguínea.
Proteínas asociadas a la resistencia a fármacos (MRP, multidrug-
resistance-associated protein)
Los transportadores MRP reciben este nombre porque son los posibles responsables de la resistencia al
tratamiento con diferentes fármacos. Esto puede contribuir a que disminuya la efectividad de algunos
tratamientos, como el de quimioterapia contra el cáncer. Pertenecen a la familia de transportadores ABC
y realizan el transporte fuera de las células (dependiente de la hidrólisis de ATP [Yang, et al., 2010;
Dean, et al., 2001]) de los productos de las reacciones de conjugación con glutatión, glucurónido y
sulfato. Estos transportadores son de gran importancia, ya 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 (Keppler, et al., 1998; Homoloya, et al., 2003). En seres
humanos, los MRP descritos para el transporte de compuestos conjugados son MRP1, MRP2, MRP3,
MRP4, MRP5 y MRP6 (Homoloya, et al., 2003).
Los complejos formados con glutatión, glucurónido o sulfato durante la fase II son sustratos de MRP1
(Homoloya, et al., 2003), al igual que algunos aniones orgánicos como las sales biliares monoaniónicas.
Sin embargo, el glutatión reducido (GSH) libre no es un sustrato para este transportador, pero puede
servir como cotransportador de sustancias catiónicas (Keppler, et al., 1998). Los transportadores MRP1
y MRP2 pueden excretar —aunque con una baja afinidad— el glutatión oxidado (GSSG), lo cual
contribuye al control de los niveles intracelulares del mismo cuando la actividad de la glutatión reductasa
se vuelve limitante (Homoloya, et al., 2003). Por otra parte, el MRP3 transporta de manera principal
compuestos conjugados con glucurónido, pero no compuestos conjugados con glutatión o GSH libre
(Hirohashi, et al., 1999).
Los MRP se encuentran distribuidos de manera amplia en distintos tejidos (Homoloya, et al., 2003)
(cuadro 5). Varios miembros de la familia de los MRP pueden participar en la eliminación de metales
pesados, como arsenito y antimonio. El mecanismo propuesto para la eliminación de estos metales
pesados implica la conjugación con glutatión. En el caso del arsenito (H3AsO3) se puede formar un
complejo con tres moléculas de glutatión [As(SG)3], que más tarde es secuestrado por estas proteínas
transportadoras. Otros estudios muestran que MRP1 puede mediar la eliminación de arsénico y
antimonio, para lo cual no es necesaria su conjugación con glutatión, ya que estos metales son
cotransportados con glutatión fuera de la célula (Salemo, et al., 2002). MRP1 y quizá también MRP5
contribuyen a la resistencia de los seres humanos al arsenito (Zaman, et al., 1995).
Cuadro 5: Distribución de los MRP en distintos tejidos
A través de los MRP pueden excretarse de las células algunos xenobióticos presentes en los alimentos.
Un ejemplo es el producto de la conjugación de la aflatoxina B1 con glutatión, que es un sustrato de alta
afinidad para MRP1 (Keppler, 1999; Loe, et al., 1997) (figura 17).
Figura 17
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 OATP son una gran familia de transportadores de membrana que regulan la captación de gran
cantidad de compuestos, tanto endógenos como exógenos, en especial fármacos (Niemi M, 2007).
En seres 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 desempeñan OATP1B1, 1A2, 1B3
y 2B1 en la farmacocinética de fármacos. OATP1A2 facilita la entrada de sustancias al torrente
circulatorio a través de la pared duodenal (Kalliokoski, et al., 2009). OATP1B1, 1B3, 2B1 se localizan
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 mediante el metabolismo
o la eliminación biliar (Niemi, 2007) (figura 18).
Figura 18
Papel de los transportadores en la entrada y salida de compuestos de la célula: polipéptido
transportador de aniones orgánicos (OATP), proteínas asociadas a la resistencia a fármacos
(MRP) y glucoproteína-P(P-gp).
Los OATP están codificados por la familia de genes SLCO (antes denominada SLC21) (Hagenbunch,
2004) y se distribuyen en gran variedad de tejidos (Niemi, 2007) (cuadro 6).
Cuadro 6: Distribución de los OATP en diferentes tejidos
Entre los sustratos endógenos de 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 pueden inhibir a estos transportadores; los jugos de naranja y toronja
inhiben a OATP1A2, al igual que los flavonoides presentes en ellos: naringina en el jugo de toronja y
hesperidina en el de naranja, lo cual afecta la entrada de xenobióticos, como fármacos, a la célula
(Dresser, et al., 2002). Además, el jugo de toronja inhibe de manera significativa a OATP2B1 (Satoh, et
al., 2005).
Tanto P-gp como los MRP y los OATP se expresan en la membrana de los enterocitos intestinales, los
cuales excretan xenobióticos al lumen intestinal (Yang, et al., 2010).
Eliminación
La eliminación de una sustancia del cuerpo desempeña un papel determinante en el potencial tóxico de
los xenobióticos. Cuando un xenobiótico tóxico o sus metabolitos se eliminan con rapidez del organismo,
es poco probable que aumente su concentración y pueda causar algún daño. Las sustancias polares
(hidrofílicas) tienen ventaja sobre los xenobióticos liposolubles, en cuanto a su pronta eliminación.
La eliminación de xenobióticos puede ocurrir por diferentes vías. Las más importantes son urinaria, fecal
y pulmonar. Por tanto, los principales sistemas implicados son el urinario, el gastrointestinal y el
respiratorio. La orina es la principal vía para eliminar xenobióticos que se han biotransformado en
compuestos más solubles en agua (polares). La segunda vía en importancia es la bilis en las heces fecales
y, por último, los compuestos volátiles pueden eliminarse a través de los pulmones. Sin embargo, los
xenobióticos también pueden eliminarse mediante diferentes secreciones como saliva, sudor, lágrimas y
leche. Esta última es de gran importancia para la toxicología alimentaria.
Eliminación renal
Es la principal vía de eliminación de xenobióticos. El riñón es el principal órgano de eliminación debido
al número de compuestos que pueden utilizar esta vía. La eliminación renal abarca tres mecanismos
principales: filtración glomerular, secreción tubular activa y reabsorción tubular pasiva.
Para la filtración glomerular, el xenobiótico debe tener un peso molecular menor a 60 000 Da, ya que el
tamaño del poro de la membrana del glomérulo es de alrededor de 40 Å. Los xenobióticos con peso
molecular mayor no pasan a través de la membrana glomerular y permanecen en sangre. La unión a
proteínas plasmáticas afecta la velocidad de filtración. Los compuestos hidrosolubles no pueden unirse
a proteínas plasmáticas, de modo que pueden filtrarse y eliminarse en la orina; en cambio, los
xenobióticos unidos en forma irreversible a proteínas plasmáticas no pueden filtrarse a través del
glomérulo. Por otra parte, las sustancias muy liposolubles pueden reabsorberse por difusión pasiva.
La secreción tubular activa se lleva a cabo en el túbulo proximal y es un mecanismo de transporte activo
para compuestos polares de la sangre a la orina. Entre las sustancias secretadas se pueden incluir iones
de potasio, iones de hidrógeno y algunos xenobióticos. Hay dos sistemas: el encargado de transportar
ácidos débiles (como los xenobióticos conjugados con glucurónido y sulfatos) y el que transporta bases
débiles (como histamina y colina).
En la reabsorción tubular pasiva las sustancias liposolubles, agua, potasio y aminoácidos perdidos
durante la filtración glomerular, se reabsorben a la sangre. Las sustancias ionizadas no pueden
reabsorberse y se eliminan por la orina.
El pH de la orina es un factor muy importante en la eliminación renal, ya que puede determinar si un
xenobiótico es reabsorbido o eliminado en función de su grado de ionización. Si la orina tiene un pH
básico, los ácidos débiles (como xenobióticos conjugados con glucurónido y sulfatos) estarán más
ionizados, por lo que se eliminarán en mayor proporción. En cambio, si la orina tiene un pH ácido, los
ácidos débiles estarán menos ionizados, lo que favorecerá su reabsorción y disminuirá su eliminación.
La dieta puede influir en las variaciones del pH de la orina (dietas ricas en proteínas acidifican el pH
urinario) y, en consecuencia, en la eliminación de algunos xenobióticos.
Eliminación por bilis-heces fecales
Esta vía es de las más importantes para la eliminación de xenobióticos y sus metabolitos. La eliminación
de compuestos de bajo peso molecular a través de la bilis es escasa, en tanto que compuestos o sus
metabolitos conjugados (glutatión o glucurónido) de peso molecular mayor a 325 g/mol se eliminan en
grandes cantidades, al igual que xenobióticos unidos a proteínas plasmáticas.
En esta vía de eliminación intervienen de manera principal dos procesos: la eliminación por la bilis que
llega después al intestino y la eliminación directa a la luz del tracto gastrointestinal. El hígado es el
principal órgano que realiza la biotransformación de xenobióticos y su remoción de la sangre después de
la absorción gastrointestinal. La bilis está formada por la secreción activa de los hepatocitos. Cuando los
hepatocitos excretan algún xenobiótico o sus metabolitos, éstos pasan a la bilis y de ahí al intestino
(duodeno). A partir de este punto el xenobiótico puede eliminarse por las heces fecales o sufrir una
reabsorción que se conoce como circulación enterohepática. En esta recirculación, la flora intestinal
puede hidrolizar los conjugados de glucurónido o sulfato; esto disminuye la hidrosolubilidad y aumenta
la concentración del xenobiótico, con lo cual puede reabsorberse. En consecuencia, hay aumento en el
tiempo de vida media de un xenobiótico en el organismo.
En la eliminación intestinal directa se pueden eliminar aquellos xenobióticos que se encuentren poco
ionizados en plasma (bases débiles), los cuales se difunden en forma pasiva desde los capilares hacia la
mucosa intestinal y de ahí a la luz intestinal, para eliminarse en heces fecales. Algunos metales como
arsénico, plomo y mercurio, pueden eliminarse también por esta vía.
Eliminación pulmonar
Por esta vía se eliminan aquellos xenobióticos y sus metabolitos que se encuentran en forma gaseosa en
la sangre, los cuales se excretan por difusión pasiva de la sangre al alvéolo. Los gases que son poco
solubles en sangre se eliminan con mayor facilidad que los muy solubles.
Otras vías de excreción
La secreción de compuestos tóxicos en la leche es muy importante, ya que ésta puede ser fuente de
contaminación de productos lácteos. Dado que el pH de la leche es más ácido (pH 6.5) que el del plasma,
es probable que en ella se acumulen compuestos básicos. Además, la leche contiene de 3 a 4% de lípidos,
lo que facilita la acumulación de compuestos liposolubles en la porción grasa. Los xenobióticos que
pueden estar presentes en la leche son DDT e hidrocarburos polihalogenados, al igual que metales
parecidos al calcio, como el plomo.