Unidad 2. La biotransformación

de xenobióticos y su

importancia toxicológica

DRA. PAULINA DEL VALLE PÉREZ

Principios de la biotrasformación

de xenobióticos

Convertir xenobióticos lipofílicos (de fácil acceso a través de las membranas biológicas) en sustancias hidrofílicas (fáciles de excretar por orina o bilis). Excepciones: reacciones de acetilación y metilación.

Las reacciones de biotransformación de xenobióticos son catalizadas por enzimas (excepciones: hidrólisis ácida de ésteres, reducción de sulfóxidos a sulfuros, etc.) y se dividen en:

✓ Hidrólisis

✓ Reducción

✓ Oxidación

✓ Conjugación

Localización de las enzimas de biotrasformación y variabilidad genética

Generación de metabolitos reactivos (electrofílicos)!

Variabilidad genética inta e interespecie

Biotransformación de xenobióticos

Hígado: principal órgano de biotransformación de xenobióticos

Efecto de primer paso

Biotransformación extrahepática: riñón, pulmón, piel,

intestino, etc.

Fase I

Fase II

Fase III

Aumentar la polaridad de los xenobióticos para que puedan excretarse

Tracto gastrointestinal hígado

Fases de la

Biotransformación

Fase I

Reacciones para la transformación de grupos funcionales

Introducción de grupos polares

Incluye:

✓ oxidaciones

✓ reducciones

✓ hidrólisis

Microsomas: estructuras vesiculares formadas a partir del retículo endoplásmico.

Se separan por centrifugación diferencial

Contienen enzimas de biotransformación (Citocromo P450)

Fase I: Posibles efectos de la biotransformación

de xenobióticos

Efecto Ejemplo Reacción

Desactivación* Barbitúricos Oxidación

Incremento de la

actividad*

Codeína Oxidación

Activación tóxica Hidrato de cloral Reducción

Incremento de la

toxicidad

Metanol Oxidación

*Actividad farmacológica

Reacciones de Fase I

Enzimas Ubicación Reacciones

Citocromo P450 (CYP) Microsomas

Epoxidación/hidroxilación

N-, O-, S- desalquilación

N-, S-, P- oxidación

Deshalogenación

Nitro y azo reducción

Flavin-monooxigenasa

(FMO)Microsomas

N-, S-, P- oxidación

Desulfuración

Prostaglandín H sintetasa

(ciclooxigenasa)Microsomas

Deshidrogenación

N-desalquilación

Epoxidación/hidroxilación

Oxidación

Esterasas y amidasas Microsomas/Citosol Hidrólisis

Alcohol DH Citosol/mitocondria Oxidación, reducción

Aldehído DH Citosol/ mitocondria Oxidación

Monoaminooxidasa Mitocondria Oxidación

Citocromo P450

Se estima que existen alrededor de 57 genes activos de CYP450 (CYP1)

Hemoproteínas, monooxigenasas

Catalizan principalmente reacciones de oxidación

Se clasifican en familias y subfamilias

Se encuentran en hígado, piel, mucosa nasal, pulmón, TGI, riñón, placenta, etc…

Existen 18 familias y 44 subfamilias (humanos)

Familias 1, 2 y 3: metabolismo de xenobióticos

75-80% del metabolismo de fase I

Variaciones genéticas

Ultrarápidos, extensos, intermedios y pobres

CYP1A1

FamiliaSubfamilia

Isoenzima

Variaciones genéticas e inducción

Mecanismo de reacción (oxidación)

Requiere de NADPH, O2 y NADPH-CYP450 reductasa o

NADH-CyT b5

Son monooxigenasas: se incorpora un átomo de O

RH + O2 + NADPH + H+ → NADP+ + ROH + H2O

El Fe esta enlazado a la proteína a través de un

tiolato (cisteína)

Familia CYP1

Genes funcionales CYP1A1, CYP1A2 y CYP1B1

CYP1A2 se encuentra en hígado, CYP1A1 y CYP1B1 son extrahepáticas

CYP1A1 y CYP1A2 son inducibles por xenobióticos (receptor nuclear de aril-

hidrocarburos AhR)

CYP1A1 actúa sobre hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) y ácidos

grasos poliinsaturados endógenos

CYP1A2 actúa sobre aminas aromáticas y compuestos heterocíclicos. Es

inducible por cigarro. Metabolismo de analgésicos y antipiréticos

(paracetamol, fenacetina y lidocaína), antipsicóticos (clozapina),

antidepresivos (duloxetina), antinflamatorios (nabumetona), cardiovasculares

(propranolol, guanabenz), cafeína.

Activación de procarcinogénicos: benzo[a]pireno, arilarenos, nitroarenos y

arilaminas.

Familia CYP2 y CYP3

CYP2 Incluye 10 subfamilias

5 subfamilias son hepáticas

CYP2A6 hepática: metabolismo de nicotina y cumarina

Procarcinógenos: aflatoxina B1, 1,3-butadieno, 2,6-diclorobenzonitrilo y nitrosaminas

CYP2B6 hepática

Activación de organofosforados (insecticidas y herbicidas)

CYP3 incluye 4 subfamilias

Son las mas abundantes en hígado

CYP2D6 y CYP3A4: metabolismo de más del 50% de los fármacos

Macrólidos, hormonas, esteroides, alcaloides, warfarina

Isoforma Sustratos Ejemplo Inductores Inhibidores

CYP1A2

Amidas y aminas

aromáticas y

heterocíclicas

Planas

poliaromáticas

Cafeína

Naproxen

Lidocaína

Estradiol*

Melatonina*

Café

Brócoli

Omeprazol

HAPs

Cigarro

Anticonceptivos

Ciprofoxacino

Cimetidina

Disulfiram

CYP2A6

Moléculas no

planas, 2 aceptores

de H

Cetonas y

Nitrosaminas

Nicotina

Pilocarpina

Letrozol

Cumarina

Bilirubina*

Artemisinina

Carbamazepina

Estrogenos

Fenobarbital

Rifampicina

Pilocarpina

Selegilina

Tranilciproina

CYP2B6

Neutras, bases

débiles, lipofílicos no

planos, 1 o 2

aceptores de H.

Anestésicos e

insecticidas

Metadona

Ketamina

Ciclofosfamida

Metanfetamina

Endosulfan

Testosterona*

Fenobarbital

Estatinas

Vitamina D

Hierba de San

Juan

Clotrimazol

Imidazoles

Bergamotina

Sertralina

Isoforma Sustratos Ejemplo Inductores Inhibidores

CYP2C8

Moléculas grandes,

ácidos débiles

Animalaricos y

antidiabeticos

Tolbutamida

Cloroquina

Montelukast

Carbamazepina

Taxol

Pioglitazona

Ciclofosfamida

Dexametasona

Taxol

Fenobarbital

Hiperforina

Trimetoprim

Montelukast

Gemfibrozil

CYP2C9

Ácidos débiles con 1

aceptor de H

AINES

Celecoxib

Warfarina

Diclofenaco

Ibuprofeno

Meloxicam

THC

Barbituratos

Prednisona

Nifedipino

Ciclofosfamida

Carbamazepina

Fluconazol

Naringenina

Amiodarona

Voriconazol

CYP2C19

Neutras, bases

débiles, amidas con

2 o 3 acpetores de

H. Inhibidores de la

bomba de H+

Omeprazol

Lansoprazol

Pantoprazol

Diazepam

Fenitoína

Indometacina

Barbituratos

Carbamazepina

Efavirenz

Ritonavir

Dexametasona

Naringenina

Omeprazol

Ticlopidina

Isoforma Sustratos Ejemplo Inductores Inhibidores

CYP2D6

Moléculas básicas

con N protonables.

Alcaloides y

antidepresivos

Anfetamina

Codeína

Loratadina

Metoprolol

Imipramina

Tamoxifen

No se conocen Celecoxib

Fluoxetina

Metadona

Quinidina

CYP2E1

Moleculas

pequeñas neutras,

hidrofílicas, planas,

alcoholes alifáticos y

Alcanos

halogenados

Tetracloruro de

Carbono

Etanol

Benceno

Acetaminofén

Acido salicílico

Acetona

Etanol

Isoniazida

Disolventes

Disulfiram

Dietilditiocarbamato

Clometiazol

CYP3A4/5

Moléculas grandes

lipofílicas

> 50% de los

fármacos

Ciclosporina

Aflatoxina B1

Paracetamol

Sildenafil

Quinina

THC

Vincristina

Colesterol*

Cortisol*

Barbituratos

Carbamazepina

Ginkgo biloba

Fenobarbital

Glucocorticoides

Azamulina

Eritromicina

Jugo de uva

Isoniazida

Ketoconazol

Epoxidación e hidroxilación

aromática

CYP450

Intermediarios reactivos

Activación de

procarcinógenos (CYP1A1)

Benzo[a]pireno

Fármacos

Carbamazepina

Epoxidación e hidroxilación

alifática y alicíclica

CYP450

Moléculas alifáticas simples: n-

butano, n-pentano y n-hexano

Cadenas alifáticas laterales

Carbonos insaturados

Activación de

procarcinógenos (CYP1A1)

Aflatoxinas

N- oxidación y desaminación

oxidativa

Dapsona

S- y P- oxidación y desulfuración

Tioéteres → sulfóxidos → sulfonas

Albendazol

Fosfinas → óxidos de fosfina

Difenilmetilfosfina

O-, N- y S- desalquilación

Dextrometorfano

Cafeína

CYP3A4

CYP1A2

CYP2C9

CYP2C9

CYP2B6

Flavin-monooxigenasa

Monooxigenasas dependientes de FAD

Microsomal (hígado y pulmón)

Reacciones de oxidación (N, S, P)

Depende de NADPH y O2

Isoformas: FMO1-FMO6

FMO3 : trimetilaminuria (síndrome de olor a pescado)

Sustratos nucleofílicos (N, S, P, Se)

Pocos xenobióticos son sustratos:

Dimetilanilina, imipramina, clorpromazina, cimetidina y tamoxifen, Forato, fonofos y metiocarb, nicotina.

Inhibidor de CYP: N-bencilimidazol

Prostaglandin-H-sintetasa

Síntesis de prostaglandinas

COX1 y COX2

Microsomal (pulmón)

Cooxidación de xenobióticos

CYP↓

Radicales libres

(actividad peroxidasa)

Oxidaciones no microsomales

Mitocondria y citosol

Alcohol Deshidrogenasa (ADH): Alcohol → Aldehído, cetona

Reacciones de activación: Aldehídos electrofílicos

Citotóxicos, genotóxicos, mutagénicos y carcinogénicos

RCH2OH + NAD+ → RCHO + NADH + H+

Aldehído Deshidrogenasa (ALDH): Aldehído → ácido carboxílico

RCHO + NAD+ → RCOOH + NADH + H+

Aldehído oxidasa: aldehídos, azaheterocíclos aromáticos, iones iminio,

Xantina oxidasa: xantinas monometiladas, derivados de purinas.

Aminooxidasas: MAO, DAO, PAO, desaminación oxidativa de aminas

Reducciones

Reacción Sustrato Producto Enzima Ubicación

Azo ArN=NAr ArNH2 + ArNH2 Azoreductasa Microsomal,

citosol,

microflora

Nitro R-NO2 R-NH2 Nitroreductasa Microsomal,

citosol,

microflora

Quinona O=Ar=O OH-Ar-OH DT-diaforasa

NQO1 y 2

Microsomal,

citosol

Sulfóxido

Disulfuro

R-S(O)-R

R-S-S-R

R-S-R

R-SH / R-SH

FMO

GSH

Citosol

Carbonilo R-CHO R-CH2-OH Aldo-

ceto(carbonil)

reductasas

Microsomal,

citosol,

plasma

Reacciones de hidrólisis

Microsomales, citosol, plasma

Esterasas, amidasas, tioesterasas, lipasas, peptidasas y proteasas

Carboxilesterasas (hidrólisis de ésteres): Esterasas CES1-CES5

RC(O)OR´+ H2O → RCOOH +HOR´

Colinesterasas: acetilcolinesterasa (AChE) y butirilcolinesterasa (BChE)

Paraoxonasas (hidrólisis de lactonas): PON1-PON3

Amidasas (hidrólisis de amidas): Peptidasas

RC(O)NR´R´´ + H2O → RCOOH +HNR´R´´

Carboxitioesterasas (hidrólisis de tioésteres)

RC(O)SR´+ H2O → RCOOH +HSR´

Epóxido-hidrolasas (hidrólisis de epóxidos): EPHX1, EPHX2, ChEH, LTA4H

R-C(O)C-R → R-COH-COH-R

Deshalogenaciones

Deshalogenación reductiva

CYP

Deshalogenación oxidativa

CYP

Deshalogenación

CYP, GHS

Fase II

Reacciones de conjugación

Fase I: metabolitos nucleofílicos o electrofílicos

Más polares, menos tóxicos (reactivos) y excretables. Activación tóxica

Hígado, riñón, pulmón, intestino, piel, bazo.

Reacción Enzima

Conjugación con glucurónido UDP-glucuronosil-transferasa (UGT)

Conjugación con sulfato Sulfotransferasa

Metilación y acetilación Metiltransferasa y acetiltransferasa

Conjugación con glutatión Glutatión-S-transferasa

Conjugación con aminoácidos b-liasa

Glucuronidación

Transferencia de un grupo glucuronilo (nucleófilo) hacia un grupo funcional O-, N-, S- o C-

Ácido uridin-5´-difosfo-a-D-glucurónico (UDPGA)

UDP-glucuronosiltransferasa (UGT): microsomal en hígado, riñón e intestino. 9 isoenzimas.

Sustratos: alcoholes, fenoles, ácidos carboxílicos, hidroxilaminas, arilaminas y tioles.

Bilirrubina y esteroides

Eliminación a través de la bilis y la orina (MRP2 y 3)

(dependiendo del tamaño de la aglicona)

Reacción tipo SN2 con inversión de la configuración

Conjugación con sulfato

Sulfotransferasas (SULT)

Formación de sulfatos más

polares

Alcoholes, arilaminas y fenoles

Hormonas tiroideas, esteroides

y catecoles

3´-fosfoadenosin-5´-fosfosulfato

(PAPS, proveniente de ATP)

Metilación

Metiltransferasas

SAM (s-adenosil-metionina)

N-metilación

Histamina-N-metiltransferasa

Feniletanolamina N-metiltransfersasa

Indoetilamina-N-metiltransferasa

O-metilación

Catecol-O-metiltransferasa

O-metiltransferasa (microsomal)

Hidroxindol O-metiltransferasa

S-metilación

Tiol-S-metiltransferasa (microsomal)

Acetilación

Ocurre sobre aminas primarias e hidrazinas (R-NH-NH2)

N-acetil transferasa (citosol, diversos órganos): NAT1 y

NAT2

Enzimas citosólicas en hígado y otros tejjidos

Acetilcoenzima A: donador del grupo acetilo

Polimorfismos NAT2: lentos y rápidos. Isoniazida

ACoA → NAT → Xenobiótico

Conjugación con glutatión

Glutatión (GSH): Glutámico, cisteína y glicina

Xenobióticos con grupos electrofílicos. Hidroxilaminas, uretanos, sulfonamidas, tiofenos, triazinas, éteres difenilos, compuestos halogenados, epóxidos, nitro, dobles ligaduras y sulfatos

Múltiples pasos para la formación de ácido mercaptúrico (N-acetil-cisteína) en riñón

1. Conjugación del xenobiótico con glutatión . (R-S-G). Glutatión S-transferasas (GST), microsomales y en fracción soluble

2. Remoción de glutamato: g-glutamiltransferasa (GGT1)

3. Remoción de glicina . Cisteinilglicinasa

4. Acetilación de la cisteína. N-acetil transferasa

Conjugación con glutatión

Conjugación con

aminoácidos

Conjugación de xenobióticos

que contienen ácidos

carboxílicos

Glicina, glutamina, taurina (-NH)

Requiere activación del

xenobiótico con ACoA

Conjugación con hidroxilaminas

aromáticas

Serina, prolina (COOH)

Activación del aminoácido

Resumen Fase IIReacción Enzima Ubicación Coenzima Sustratos

Glucuronidación UGT Microsomal UDPGA

-OH, Ar-OH,

RCOOH, Ar-NH2,

R-NH-OH, R-SH

Conj. con sulfato SULT Citosol PAPS-OH, Ar-OH,

R-NH2, Ar-NH2,

Conj. con glutatión GSTMicrosomal

CitosolGSH

R-NH-OH

R-NH-C(O)OR´

R-Cl, C=C, R-O-R

R-(O)S(O)-NH2

Metilación MetiltransferasasMicrosomal

CitosolSAM N- O- S-

Acetilación NATCitosol

MitocondriaAcetilCoA R-NH2

Conj . Con AA TransferasasCitosol

MitocondriaAminoácido

Ac. Carboxílicos o

Hidroxilaminas

Mapa metabólico

Presenta las diversas rutas de

biotransformación de un

xenobiótico.

Fase I y Fase II

Ruta predominante

Rutas secundarias

Reacciones de activación

Electrófílicos

Radicales libres

Carbenos( R2C:) y nitrenos (R-N:)

ROS

Activación del 2-AAF

Activación del CCl4

Activación del benzo[a] pireno

Activación de paratión y Aflatoxina B

Fase III Transporte y excreción de los metabolitos generados en fase I

y II

Principales órganos de eliminación de xenobióticos:

Riñón → orina

Hígado → bilis

Pulmón → aire

Rutas secundarias de eliminación:

Piel (volátiles)

Saliva

Sudor (hidrosolubles)

Leche (hidrosolubles y liposolubles)

Cabello (metales pesados, sustancias de abuso)

Transporte

Sitio de origen → sitio de eliminación

Sistema circulatorio

Hidrosolubles → sangre (albúmina)

Liposolubles → Lipoproteínas

Difusión desde la proteína transportadora al órgano excretor.

Unión de la proteína a la membrana y endocitosis

Glicoproteína P (MDR)

Proteínas asociadas a resistencia de fármacos (MRP1-6): Colón, intestino delgado, riñón, BHE. Dependen de ATP. Sacar xenobióticosde los diferentes órganos. Conjugados de glutatión, glucurónico y sulfato. Metales pesados.

Polipéptido transportador de aniones orgánicos (OATP). 11 isoformas. Entrada de xenobióticos a los hepatocitos. Sales biliares

Eliminación renal

Moléculas hidrosolubles

Filtración glomerular

Excreción tubular

Proceso de filtración

Difusión pasiva

Tamaño ( < 350 Da)

Solubilidad

MDR1, MRP2

Nefrotóxicos (concentración)

Eliminación biliar

Captura de xenobióticos (sangre) → Biotransformación (hepática) → Eliminación

Bilis: líquido producido por el hígado (sales biliares, proteínas, hormonas y agua)

Arteria hepática, vena porta, sinusoides (difusión pasiva) → hepatocitos

MRP2, BCRP, MDR1, MATE1 Y BSEP (Transporte activo)

Bilis → vesícula biliar → heces

Resumen Unidad 2 Fase I: Modificación de grupos funcionales

Oxidación: CYP450, FMO y oxidaciones no microsomales

Reducción: Reductasas

Hidrólisis: esterasas, amidasas, hidrolasas

Generación de metabolitos tóxicos!!!

Fase II: Adición de moléculas pequeñas (conjugación)

Glucuronidación

Glutatión → ácido mercaptúrico

Acetilación y metilación

Sulfato

Fase III: Excreción a través de transportadores

Hepática

Renal

Pulmón