Mecanismos de toxicidad de XBs

M. de toxicidadM. de toxicidad EXPOSICIEXPOSICIEXPOSICIEXPOSICIÓÓÓÓNNNN XBsXBsXBsXBs----CINCINCINCINÉÉÉÉTICA TICA TICA TICA

Efectos tEfectos tEfectos tEfectos tóóóóxicosxicosxicosxicosAbsorciAbsorciAbsorciAbsorcióóóón, metabolismo,n, metabolismo,n, metabolismo,n, metabolismo,DistribuciDistribuciDistribuciDistribucióóóón, eliminacin, eliminacin, eliminacin, eliminacióóóónnnn

Oral aguda o repetida,Oral aguda o repetida,Oral aguda o repetida,Oral aguda o repetida,inhalaciinhalaciinhalaciinhalacióóóón, pieln, pieln, pieln, piel

Sistemas/Sistemas/Sistemas/Sistemas/óóóórganos (SNC, pulmrganos (SNC, pulmrganos (SNC, pulmrganos (SNC, pulmóóóón, reproductores, n, reproductores, n, reproductores, n, reproductores, etcetcetcetc),),),),

Nivel celular/bioquNivel celular/bioquNivel celular/bioquNivel celular/bioquíííímicomicomicomico

Nivel molecular (DNA, RNA, proteNivel molecular (DNA, RNA, proteNivel molecular (DNA, RNA, proteNivel molecular (DNA, RNA, proteíííínas)nas)nas)nas)

Toxicodinámica:Mecanismos de toxicidad de XBs• Estudia la manera de actuar de los xenobióticos

para ejercer sus efectos tóxicos sobre los organismos vivos.

Cuando las defensas de la célula o del organismo se agotan, se produce el efecto tóxico.

La toxicidad es la capacidad de un XB para producir un daño en las células, tejidos u organismos; es una propiedad int rínseca de cada compuesto y la intensidad de su efecto es dependien te de la dosis.

- Cambios pequeños en la estructura de los XBs pueden acompañarse de cambios importantes en su toxicidad.

- Las características estructurales reactivas como e poxis, radicales libres, etc, aumentan la actividad y la posibilidad de reacción tóxica.

Los organismos tienen defensas para manejar e inten tar deshacerse de la agresión química.

M. de toxicidadM. de toxicidad

Importancia del estudio del mecanismo de acción tóxica

1. Proponer un tratamiento adecuado en casos de intoxicación.

2. Estudiar el desarrollo y uso de un antídoto.

3. Aplicar pruebas diagnósticas.4. Comprender las alteraciones

producidas a nivel bioquímico.


La interacción entre un XB o sus metabolitos con un a biomolécula puede cambiar o alterar la función bioló gica de ésta y en consecuencia derivar en una mala funci ón celular, un colapso del sistema, daños celulares, e tc.La importancia de su estudio radica:

M. de M. de toxicidadtoxicidad Mecanismos de Mecanismos de citotoxicidadcitotoxicidad de de XBsXBs

22--InteracciInteracci óón con METABOLITOS n con METABOLITOS ** DaDañño o oxidativooxidativo

- ROS, peroxidación de lípidos, ( GSH)( GSH)

InteracciInteracci óón del tn del t óóxico con:xico con:11--InteracciInteracci óón con PROTEn con PROTE ÍÍNAS y cambio en su NAS y cambio en su actividad actividad -- pérdida de función crítica: unión a receptores, canales iónicos , , inhibición de enzimas [ Or-P ]- activación de una respuesta perjudicial: inducción enzimática [ Or-Cl ], generación de haptenos

33--InteracciInteracci óón con DNA, desregulacin con DNA, desregulaci óón de la expresin de la expresi óón n ggéénica, nica, alteraciones en división celular, transcripción y sín tesis de proteínas


* Alteraciones metab* Alteraciones metab óólicas ( licas ( Ca2+, ATPCa2+, ATP), ), desregulacidesregulaci óón de la actividad yn de la actividad y muerte celular:muerte celular:

-- apoptosis, necrosis

MECANISMOS MOLECULARES DE LA MECANISMOS MOLECULARES DE LA TOXICIDAD INTRTOXICIDAD INTRÍÍNSECA de NSECA de XBsXBs . Tipos:. Tipos:


PrimariosPrimarios•Inhibición de enzimas, procesos bioquímicos•Alteración del metabolismo energético celular•Bioactivación y generación de especies reactivas (RO S y RNS)•Alteración del balance redox (estrés oxidativo)

SecundariosSecundarios•Peroxidación de lípidos•Alteración de la homeostasis iónica (Ca2+)•Unión covalente, desnaturalización de proteínas, da ño al DNA

TerciariosTerciarios•Alteración de funciones metabólicas no esenciales p ara la célula pero sí para el organismo•Cambios morfológicos apreciables•Muerte celular (necrosis / apoptosis)

BioactivacionesBioactivaciones

• Transforman los compuestos en otros con mayor reactividad química, compuestos electrofílicos con a lta afinidad por nucleófilos: DNA, proteínas, etc.

Conjunto de reacciones metabConjunto de reacciones metab óólicas que incrementan la licas que incrementan la toxicidad de los compuestos de origentoxicidad de los compuestos de origen

El BALANCE entre bioactivación / detoxicación y los m ecanismos de defensa de la célula es lo que determina si un meta bolito reactivo puede o no puede producir efectos tóxicos en las cé lulas.

• La mayoría de las bioactivaciones se producen como consecuencia del metabolismo por CYP 450:

1. Metabolitos reactivos con mayor capacidad para asociarse con biomoléculas e interferir en sus funciones:

• el N-hidroxilo del acetaminofen; el epoxi-benzo-a-p ireno, radicales, N-óxidos, S-óxidos, etc.


2. Compuestos que producen especies reactivas de oxí geno (ROS). Quinonas, paraquat, etc.

MMáás Ejemploss Ejemplos

• Los derivados mas polaresLos derivados mas polares suelen ser mas reactivos, i.e. N-hidroxilos, epoxis, etc.•El 7,8-dihidrodiol-9,10-epoxi-benzo(a)pireno(resistente a la epoxi hidrolasa) se une al DNA, es tumorogénico.

• Los derivados derivados dihalogenadosdihalogenados se conjugan con glutation y pueden generar sulfonios reactivos

• Los derivados derivados ““ oxooxo ”” suelen ser mas reactivos y mas tóxicos. La hidrólisis por esterasas suele desactivar.

• La inestabilidad de los glucurglucur óónicosnicos hace que , , a veces, antes de su excrección puedan hidrolizarsehidrolizarse por las glucuronidasas ; por ejemplo los conjugados de OHOH--aminasaminas que se hidrolicen generarán metabolitos reactivos.


Rutas de Rutas de BioactivaciBioactivaci óónny toxicidad: casosy toxicidad: casos

•1- El tejido blanco contiene las enzimas para bioactiv arel XB y el lugar blanco para la especie tóxica :- el Cit P450 bioactiva al Cl 4C por deshalogenación y el radical Cl3C• reacciona con proteínas y lípidos “in situ”

Cuando la vida media de los MR es larga vida media de los MR es larga pueden sufrir bioactivación en un tejido y ejercer la toxicidad en otro ::

•2- Un tejido no blanco bioactiva al XB y éste experimenta una segunda bioactivación en el tejido blanco :- el benceno es oxidado a fenol por el Cit P450 en híg ado y pasa a médula ósea donde pasa a hidroquinol, donde causa daño.

•3- Un tejido no blanco bioactiva al XB y éste produce d año otro tejido blanco :- el hexano se oxida a 2,5-hexanodiona por el Cit P450 y la ALD en Hig. El metabolito produce ligaduras cruzadas en los neurof ilamentos, dañando los nervios periféricos.


Mecanismos de DefensaMecanismos de Defensa

• las enzimas de biotransformación, de las dos fases.

Los organismos tienen defensas para manejar la Los organismos tienen defensas para manejar la agresiagresi óón qun qu íímica y cuentan con:mica y cuentan con:

• la presencia de antioxidantes (GSH, etc.) que elimi nan radicales libres y reducen las especies tóxicas

• las proteínas plasmáticas que ligan los tóxicos en el plasma sanguíneo impidiendo su difusión hacia los tejidos


•La célula responde a los estímulos externos adaptán dose, si el cambio va mas allá de su capacidad de adaptación se provoca un daño.• Algunas etapas del daño son REVERSIBLES, cuando funcionan l os mecanismos de defensa y de reparación.• Si el estímulo es severo y persistente provoca daño y muerte celular.

Respuesta tRespuesta t óóxicaxicaLa toxicidad de un XB es la capacidad de producir u n La toxicidad de un XB es la capacidad de producir u n efecto perjudicial como consecuencia de la reactivi dad de efecto perjudicial como consecuencia de la reactivi dad de un XB y es una propiedad intrun XB y es una propiedad intr íínseca de cada compuestonseca de cada compuesto

• la respuesta tóxica es cualquier cambio que produce una lesión celular permanente

• o la interrupción de la homeostasis de una célula q ue la lleva a una alteración irreversible y a la muerte.

La caracterización de los efectos tóxicos es esenci al en la evaluación del riesgo potencial de una sustancia.


• LA RESPUESTA TÓXICA OCURRE CUANDO TODAS LAS DEFENSAS HAN SIDO VENCIDASIncluidos los mecanismos de reparación.

Variaciones en la Variaciones en la respuesta trespuesta t óóxica a xica a XBsXBs


XENOBIXENOBIÓÓTICOTICO activaciactivaci óónn

Radicales libresUltracorta L ugar de formación

CYPsInhibidores suicidas

CYPCYP

Vida media Lugar de acción

Especies reactivas

de oxígeno

Metabolitos reactivos

Conjugados inestables

Muy larga Todo el organismoEfectos acumulativos

Corta Macromoléculas de lapropia célula

Larga Tejidos alejados del lugar de producción

Media Células del tejidoCélulas sanguineas

M. de toxicidadM. de toxicidad AlteraciAlteraci óón de procesos bioqun de procesos bioqu íímicos micos por accipor acci óón directa de n directa de XBsXBs

Deficiencia de metabolitos o cofactores

Compuesto Intermediario Efecto

Metionina S-AMEtionina Deficiencia adenina/ ATP

Galactosamina UDP-galactosamina Deplección UTP, UDP

Etanol NADPH Desequilibrio NADH/ NAD+

Cambios en la fluidez de membrana

� La integridad estructural de las membranas depende de una

relación adecuada colesterol/fosfolípido (plasmática y mitocondrial)

� Aumento de colesterol conlleva un aumento de la rig idez:• Alteración de la permeabilidad• Inactivación de enzimas de membrana (bombas iónicas Na+/K+

ATPasa, Ca++ ATPasa)• Alteraciones del transporteEjemplos: etanol, etinil-estradiol


AlteraciAlteraci óón del balance energn del balance energ éético celulartico celular

Aumento del consumo de ATP para: Aumento del consumo de ATP para:

(demanda energ(demanda energéética)tica)

- Síntesis de novo de GSH (ciclo del γγγγ-glutamilo)

Conjugación con metabolitos (GSH-tansf)

Oxidación de GSH y Eliminación de GS-SG

Alteración de los gradientes iónicos (ATPasas)

DisminuciDisminucióón de la produccin de la produccióón de ATP a n de ATP a

causa de:causa de:Disfunción mitocondrial

- Inhibidores TEM y agentes desacoplantes


QuQuéé es el ESTRes el ESTRÉÉS OXIDATIVO ?S OXIDATIVO ?

1. Alteración del balance entre los sistemas oxidant es (generadores de especies reactivas) y los antioxida ntes (preventivos, secuestradores y reparadores).

2. Si el balance queda desplazado a favor de proceso s oxidativos se produce:

- Aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS)

Anión superóxido (O 2-)

Radical hidroxilo (OH-)

Peróxidos (-O-O-)

- Disminución de GSH y del pool de nucleotidos NAD(P)H


PEROXIDACIPEROXIDACIÓÓN LIPN LIPÍÍDICADICA

Reacción por radicales que, en presencia de oxígeno y lípidos insaturados se propaga en cadena y conduce a la degradación oxi dativa de los lípidos de la membrana celular (determinación de MDA= malonildialdehido).

DefiniciDefinicióónn

Alteración de las propiedades fisico-químicas de la s membranas y de la funcionalidad de las enzimas alojadas en ellas. Se producen productos de degradación altamente tóxicos para la célula (aldehídos (MDA), hidroperóxidos, cetonas, etc.).

EfectosEfectos

Radicales libres generados durante la biotransformación de XBs (CYP).Especies reactivas de oxígeno generadas durante el metabolismo celular

oxidativo.Compuestos capaces de sufrir repetidos ciclos de oxidación y reducción

en el interior de la célula.

CausasCausas


PEROXIDACIPEROXIDACIÓÓN LIPN LIPÍÍDICADICA

IniciaciIniciacióónn

PropagaciPropagacióónn

TerminaciTerminacióónn

LLíípidopido

Radical Radical liplipíídicodico

PeroxiradicalPeroxiradical liplipíídicodico

HidroperHidroperóóxidoxido liplipíídicodico

FragmentaciFragmentacióón y n y

formaciformacióón de MDA, n de MDA,

((malonildialdehmalonildialdeh íídodo) etc.) etc.


EFECTOS de la AlteraciEFECTOS de la Alteraci óón de la n de la HOMEOSTASIS intracelular del Ca2+HOMEOSTASIS intracelular del Ca2+

•Aumento de la salida de calcio desde los reservorio s intracelulares (mitocondria o RE) o de su entrada d esde el exterior.•Alteración de la recaptación del calcio por la mitoc ondria y el RE o de su bombeo al exterior.

•Activación de fosfolipasas

•Activación de proteasas no lisosómicas

•Activación de las endonucleasas

•Formación de blebs (vesículas) en las membranas

La [Ca2+] en la célula depende:- Bombeo de Ca2+- Reservorios de Ca2+ en RE, mitocondria y proteínas

CONSECUENCIAS

M. de toxicidadM. de toxicidad Eventos Eventos en laen la CitotoxicidadCitotoxicidad porpor XBsXBs

EstrEstr éés s oxidativooxidativoMetabolitos reactivos

TTÓÓXICOXICO

Muerte CelularMuerte Celular

UniUni óón n covalentecovalente

Radicales de oxígenoPeroxidaciPeroxidaci óónnliplip íídicadica

Alteraciones del Alteraciones del citoesqueletocitoesqueleto

AlteraciAlteraci óón n permeabilidad de permeabilidad de la membranala membrana

AlteraciAlteraci óón homeostn homeost áática tica del calcio intracelulardel calcio intracelular

Activación fosfolipasasy endonucleasas

Deplección de GSH

Modificación de –SH de proteínas

Inactivación de Ca2+ ATPasas

•Vesículas en membrana•Estructura mitocondrial

preservada•Cambios nucleares•Fragmentación cromatina •Cuerpos apoptóticos

•Hinchamiento celular irreversible

•Ruptura de membrana•Cambios mitocondriales•Cromatina preservada•Reacción inflamatoria

DADAÑÑO CELULAR y MUERTE CELULARO CELULAR y MUERTE CELULAR


CaracterCaracter íísticas de los procesos desticas de los procesos de

ApoptosisApoptosis yy NecrosisNecrosis

•Proceso fisiológico o patológico

•Altamente regulado

•Activa síntesis de proteínas y RNA

•Condensación de la cromatina y fragmentación del DNA

•La membrana plasmática permanece intacta hasta el final: formación de cuerpos apoptóticos

•Eliminación por heterofagia

•No sale contenido celular al exterior

•No produce inflamación

•Participan enzimas celulares que causan cambios bioquímicos y morfológicos muy característicos

•No existe hinchamiento mitocondrial, aunque la mitocondria juega un papel activo.

•Accidental

•Siempre patológica

•No regulada

•La membrana plasmática se destruye tempranamente

•Salida del contenido celular

•Inflamación

•Cambios bioquímicos y morfológicos: hinchamiento del citoplasma (oncosis) e hinchamiento mitocondrial.

M. de toxicidadM. de toxicidad Muerte celular por Necrosis / Muerte celular por Necrosis / ApoptosisApoptosisTNF, FasL Estrés celular:

XBs, ROS, lesión DNA,

Ac biliares

DISCFADD, TRADD Bax

Caspasas iniciadoras 8 Bidceramida

- ATP+ ATP

Citocromo cApoptosoma

Apaf -1Caspasas efectoras 3, 6 y 7 Caspasa 9

La apoptosis, a diferencia de la necrosis,consume ATP, cuya energía es utilizada parala activación de las caspasas, cuya activaciónen cascada produce los efectos que podemos

Receptores de muerte

NECROSIS

MITOCONDRIA

APOPTOSIS

Lesiones reversiblesLesiones reversibles

•Pérdida de ATP porque disminuya la ATPasa

•Pérdida del control del volumen

•Aumento velocidad glicolisis, para ATP

•Aumento de la permeabilidad de la membrana y disminución de la actividad miticondrial, ligera vesiculación

•Desprendimiento de los ribosomas del R.E. rugoso


Lesiones irreversiblesLesiones irreversibles

Vacuolización de las mitocondrias

Daño masivo en la membrana celular

Crecimiento de los lisosomas

•Pérdida de proteínas, coenzimas y RNA.

•Entrada de Ca 2+ y activación de proteasas y fosfatasas

•Condensación nuclear y agregación de cromatina (pic nosis)

•Destrucción de cromatina (cariólisis)

•Digestión enzimática del citoplasma y del núcleo

•Fragmentación nuclear (carirrexis)


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Mecanismos de toxicidad de XBs