INDICE DE CONTENIDOINTRODUCCIÒN..................................................................................................................2

OBJETIVOS..........................................................................................................................3

GENERAL.............................................................................................................................3

ESPECÍFICOS......................................................................................................................3

CAPITULO I..........................................................................................................................4

CONCEPTO PREVIOS.........................................................................................................4

1.1 Clasificación............................................................................................................5

1.2.1 Por su origen:..................................................................................................5

1.2.2 Por sus aplicaciones:.......................................................................................5

1.2.3 Por su acción intrínseca:.................................................................................6

1.2.4 Por su acción biológica o bioquímica:.............................................................6

1.2.5 Por su reactividad metabólica:........................................................................6

1.2.6 Por su naturaleza:...........................................................................................6

CAPITULO II.........................................................................................................................7

BIOTRANSFORMACIONES DE LOS COMPUESTOS XENOBIOTICOS............................7

2.1 METABOLISMO Y BIOTRANSFORMACION.............................................................8

2.1.1 BIOTRANSFORMACIÓN.....................................................................................8

2.1.2. BIODEGRADACIÓN............................................................................................9

2.2. BIOACUMULACIÓN: COMPUESTOS BIODEGRADABLES Y NO...........................9

DEGRADABLES O PERSISTENTES...............................................................................9

2.3. BIOTRANSFORMACIONES Y ACCIÓN TÓXICA...................................................10

2.3.1. DETOXICACIÓN................................................................................................10

2.3.2 BIOACTIVACIONES...........................................................................................10

2.4. PRINCIPALES RUTAS PARA LA BIOTRANSFORMACIÓN DE.............................11

XENOBIOTICOS.............................................................................................................11

2.4.1 FASE I (oxidaciones, reducciones e hidrólisis)...................................................11

2.4.2. FASE II...............................................................................................................12

3. CAPITULO III..................................................................................................................15

3.1 ABSORCIÓN DE XENOBIOTICOS........................................................................15

3.1.1 Rutas exposición y vías de entrada de los xenobioticos..................................16

3.1.2 Membranas biológicas......................................................................................16

3.1.2.1 Mecanismos de transporte a través de membrana...................................17

3.1.2.2 Factores que afectan al paso de compuestos a través de membranas....18

3.1.2.3 Velocidad y extensión de la absorción......................................................21

3.1.2.4 Biodisponibilidad (velocidad y extensión de la absorción).........................22

3.1.2.5 Principales vías de entradas de los xenobioticos......................................23

4. CAPITULO IV..................................................................................................................28

4.1 BIODEGRADACIÓN DE COMPUESTOS XENOBIÓTICOS................................28

4.1.1 Biodegradación de compuestos aromáticos clorados...................................28

4.1.2 Biodegradación de dioxinas y furanos clorados............................................29

4.1.3 Biodegradación de los policlorobifenilos (PCB)............................................31

4.1.4 Las bacterias como ingenieros metabólicos.................................................32

4.2 Biodegradación de compuestos nitroaromáticos..................................................33

4.2.1 Transformaciones bioquímicas de los compuestos nitroaromáticos.............35

4.2.2 Metabolismo del 2, 4,6-Trinitotolueno (TNT).................................................40

4.2.3 Metabolismo de hidrocarburos nitroaromáticos............................................43

INDICE DE ILUSTRACIONESIlustración 1. Número de membranas encontradas por un xenobíotico en los procesos de absorción y distribución por el organismo...........................................................................17Ilustración 2. Se observan las principales rutas de entrada de los xenobióticos en los organismos..........................................................................................................................18Ilustración 3. Diagrama esquemático de la membrana biológica, (modelo de mosaico fluido según Singer y Nicolson, 1972)................................................................................19Ilustración 4. Efecto del pH sobre la ionización de compuestos Absorción intestinal de ácidos y bases débiles en función del pH...........................................................................21Ilustración 5. Las mayores tasas de bioacumulación se producen para valores de 3 <log Kow< 6................................................................................................................................22Ilustración 6. Curvas de penetración de los xenobióticos atreves de la piel.......................24Ilustración 7. Principales vías de entradas de los xenobioticos..........................................25Ilustración 8. Semejanza estructural de algunas hormonas animales con compuestos Xenobióticos clorados.........................................................................................................30Ilustración 9.Esquema representando la convergencia en clorocatecoles de las rutas de degradación de dioxinas cloradas, clorodibenzofuranos y policlorobifenilos(PCB)............31Ilustración 10.Conversión de dioxina y bibenzofurano en derivados dihidroxilados por Sphingomonas sp. RW1.....................................................................................................32Ilustración 11.Estructura general de los PCB.....................................................................33Ilustración 12. Esquema general de la ruta degradativa de bifenilo por bacterias.............35

Ilustración 13. La susceptibilidad del ataque reductivo aumenta con el n° de grupos nitro (N) dependiendo del resto de sustituyentes. Cuando N=3 el ataque es normalmente reductivo..............................................................................................................................37Ilustración 14. Relaciones entre el cometabolismo del dinitrofenol y la fijacion de nitrógeno atravez del control por balance C/N. NCR(sistema de reprecion por catabolito nitrogenado); DNP ;ANP;N2 asa; ferredoxina reducida;NPR.............................................40Ilustración 15. Foto reducción de ácido pícrico (Izquierda) a ácido pricramico(derecha)...41Ilustración 16. Mineralizacion de Acido pícrico y 2-CLdinitrofenol vía 2.4 binitrofenol.......42Ilustración 17. Potencial de los grupos-NO2 del TNT (E4>e2=E6)....................................42Ilustración 18. Biodegradación de TNT;DNT;MNT;NTPR;ATT; Aeróbico; Anaeróbico......43Ilustración 19. Metabolitos anaerobios del TNT en bacterias. El TAT se puede metabolizar a tolueno, p-cresol y metilfloroglucinol................................................................................44Ilustración 20. hidrocarburos aromáticos poli cíclicos nitrados...........................................45Ilustración 21.Degradacion de Nitro-PAH por el hongo Cunninghamella elegans.(Amarillo aromático); Cit P-450; Glucosa; GU(glucuronato)..............................................................45

INTRODUCCIÒN

Se puede definir a un compuesto xenobiótico como aquel compuesto extraño que al contrario de los compuestos naturales en su mayoría presentan mayor resistencia a la degradación, debido a su gran toxicidad y capacidad acumulativa es perjudicial para todos los organismos vivos y a su medio.

Es necesario conocer sobre estos compuestos con el fin de intentar darle una solución al impacto que estos generan, en el ambiente en el cual interactúan.

Para la redacción de este trabajo se sintetizó la información obtenida de fuentes físicas y digitales.

La monografía se divide en cuatro capítulos: el primero tratara conceptos previos para el reconocimiento y clasificación de xenobioticos según su medio, el segundo está basado en la biotransformación de compuestos xenobioticos , la tercera parte está basado en la biotransformación de compuestos xenobioticos en animales y plantas y el cuarto sobre biodegradación de xenobióticos.

Estos compuestos sintéticos son poco peculiares pero necesarios en la vida cotidiana de los seres humanos pero al mismo tiempo muy toxico para nosotros, la flora, fauna y todo el medio ambiente que nos rodea, comportándose de distinta forma, dependiendo del medio donde se encuentren.

Entre los obstáculos para la realización del trabajo se destaca la falta de coordinación del tiempo entre los integrantes.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Identificar los organismos y procesos que biotransforman los xenobióticos.

OBJRTIVOS ESPECÍFICOS

Determinar los organismos que intervienen en la biotransformación de los xenobióticos

Determinar el impacto ambiental de los xenobióticos en los diversos tipos de ecosistemas.

Determinar las reacciones presentes en la biodegradación de los xenobióticos.

Determinar los organismos más efectivos para la biotransformación de los diversos xenobióticos.

CAPITULO I

CONCEPTO PREVIOS

¿Qué es un xenobiótico? Son compuestos químicos que no forman parte de la composición de los seres vivos, ni tampoco son producto del metabolismo de los organismos. Son creados por el hombre mediante síntesis química y que contienen estructuras que no están presentes (o son muy raras) en la naturaleza (especialmente grupos Cl-, SO4

-2 y NO3-).Suelen ser productos contaminantes (aún más si su concentración es mayor) de determinados tipos de ecosistemas y generalmente ejercen algún tipo de efecto sobre los seres vivos, aunque no tengan toxicidad aguda. Se ha dicho que pueden llegar a tener efectos cancerígenos, mutagénicos, inhibidores de los procesos metabólicos, etc.; pero también son usados como fármacos en algunas ocasiones dependiendo de su actividad biológica, como es el caso de los fungicidas. Al mismo tiempo son usados para el control de plagas por sus propiedades insecticidas y fumigantes, pero como poseen grados de bioacumulación, estos son transportados a los organismos consumidores secundarios y terciarios y así mismo sus efectos nocivos.

Se podría decir que el efecto de los xenobióticos en los organismos vivos depende de: Variabilidad metabólica del organismo que lo asimila

Concentración del xenobiótico

Tiempo de vida del organismo asimilador

Condición fisiológica e inmune del organismo

Tiempo de expulsión del sistema del organismo del xenobiótico (depende de las enzimas del organismo generalmente)

Clase de xenobiótico (origen, toxicidad, naturaleza, etc.)

Predisposición genética del organismo asimilador.

NO TODA SUSTANCIA TÓXICA ES UN XENOBIÓTICO

Puesto que los seres vivos también producen sustancias tóxicas denominadas toxinas. Pero probablemente no exista xenobiótico que no sea tóxico y carezca de un grado de bioacumulación. Para que un xenobiótico pueda eliminarse y/o neutralizarse debe ser metabolizado. Algunos autores indican que estos compuestos pueden ser excretados sin cambio alguno, pero sostienen que esto no significa necesariamente que no queden trazas acumuladas en el organismo que no puedan ser eliminadas por completo. Para la eliminación de un xenobiótico del organismo se distinguen dos fases importantes:

Fase I: Donde la reacción más común es la hidroxilación por enzimas monoxigenasas (citocromo P450) y la hidrólisis (por ejemplo, la catálisis por parte de las esterasas)

Fase II: Los productos de la fase I son convertidos a metabolitos más polares por acción de enzimas específicas, por conjugación con ácido glucurónico, sulfato, acetato, glutatión o ciertos aminoácidos o por metilación.

El propósito global de ambas fases es incrementar su solubilidad en agua al aumentar la polaridad. Pero en algunas ocasiones las reacciones metabólicas convierten a los xenobióticos inactivos en compuestos biológicamente activos.

1.1 Clasificación

Se puede abordar desde diferentes puntos de vista:

1.2.1 Por su origen:  Intencionado o casual: Deshechos urbanos, desechos industriales,

mixtos, explotaciones mineras, explotaciones agrícolas.

De procedencia variada: tabaco, conservantes, plaguicidas, estabilizantes, plastificantes, aditivos, inductores del crecimiento, toxinas bacterianas.

Accidentes industriales: factorías, transporte, etc.

1.2.2 Por sus aplicaciones: Medicamentos. Productos de uso doméstico. Productos de usos industriales. Productos de usos agrícolas. Productos de locomoción.

1.2.3 Por su acción intrínseca: Fármacos: Antibióticos, antineoplásicos (metotrexato, agentes

quimioterapéuticos y citostáticos, agentes alquitrantes, vinblastina, etc.)plaguicidas, sustancias de abuso o drogas, etc.

Tóxicos de acción local: cáusticos, corrosivos o vesicantes: ácidos, lejías, NO2, SO3, disolventes, cromatos, alquitranes. Destruyen células de la piel, mucosas, árbol respiratorio. Dermatitis, bronquitis, conjuntivitis, quemaduras, reacciones alérgicas.

Tóxicos de acción sistémica: Aditivos, Edulcorantes, Conservantes, Plaguicidas.

1.2.4 Por su acción biológica o bioquímica:  Biosidas.

Muta génicos.

Carcinogénicos,

Teratogénicos;

Inhibidores, activadores e inductores de enzimas

Agentes desacoplantes, etc.

1.2.5 Por su reactividad metabólica: Biodegradables o persistentes: Bioacumulativos, bioactivables.

1.2.6 Por su naturaleza:

De Naturaleza física: Color tintes (naturaleza química). Turbidez minas e industria. Calor centrales nucleares y térmicas. Radiaciones en la naturaleza (rocas y cósmica), uso de la energía

nuclear (investigación, medicina, industria). Ruido o Contaminación por olores.- Sustancias volátiles olorosas:

alcanfor, almizcle, floral, mentolado, éter, agrios, fétidos.

De Naturaleza biológica: Seres vivos o compuestos procedentes de ellos: bacterias, virus, hongos, protozoos, materia orgánica, residuos: vegetales, urbanos, fecales, de mataderos, etc.

De naturaleza química: Orgánicos e inorgánicos.

CAPITULO II

BIOTRANSFORMACIONES DE LOS COMPUESTOS XENOBIOTICOS

Los organismos están expuestos a un gran número de diferentes sustancias químicas xenobióticas, que, una vez absorbidas por el organismo, se acumulan en él y pueden amenazar su equilibrio funcional. Si la concentración de cualquier xenobiótico en el organismo es excesiva, inevitablemente comportará un riesgo para las funciones de las biomoléculas que actúen en su entorno, pudiendo alterar el correcto funcionamiento de un órgano, tejido, sistema, etc, interfiriendo en las reacciones bioquímicas. Al igual que la absorción y la distribución, dos procesos de transferencia, la Biotransformación también se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos, para ello se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos, a veces de estructura química similar. Al conjunto de reacciones metabólicas por medio de las cuales los organismos modifican la estructura química de un XB se le denomina BIOTRANSFORMACIÓN. Podemos predecir que la biotransformación de un XB consiste fundamentalmente en incrementar su polaridad para posibilitar su eliminación, en convertir un compuesto no polar en uno soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para transformar y eliminar los XBs ambientales.

Un XB en el interior del organismo puede seguir muchas opciones, pero simplificando:

a) Puede ser excretado sin que haya sufrido modificación alguna, con su estructura original.

b) Puede sufrir reacciones de transformación metabólica, biotransformaciones. Cuando éstas se producen, los compuestos sonbiodegradables. Existe un conjunto de enzimas en los organismos que es más responsable de las biotransformaciones de XBs.

2.1 METABOLISMO Y BIOTRANSFORMACION (José, 2006)El metabolismo de un organismo es el conjunto de reacciones enzimáticas organizadas en rutas bioquímicas que sirven para mantener la funcionalidad de las células con las características estructurales y funcionales propias. Cuando las reacciones enzimáticas operan sobre componentes endógenos nos estamos refiriendo al metabolismo propiamente dicho y cuando las reacciones enzimáticas operan sobre los xenobióticos nos referimos a las reacciones de biotransformación. Ambos términos metabolismo y biotransformación se usan a veces como sinónimos, particularmente cuando se refiere al campo de los xenobióticos o de "drugs".

Por ejemplo, las enzimas biotransformadoras de xenobióticos son frecuentemente llamadas enzimas metabolizantes de drogas.

Cualquier enzima puede operar sobre su sustrato natural o sobre un compuesto XB, sea fármaco, contaminante, etc.

enzimaSustrato --------------------------- Producto o metabolito

Cofactor

El término enzimas bitransformadoras de xenobióticos sería mas apropiado, aunque el término enmascararía el hecho de que varios compuestos endógenos, como los esteroides, puedan ser sustratos de estas mismas enzimas. Aplicar el término metabolismo a la biotransformación de xenobióticos, así como el término de metabolito a los derivados metabólicos de aquellos no parece muy adecuado, pero suele ser generalizado. Igualmente cuando se habla de individuos metabolizadores pobres, aquellos con alguna deficiencia enzimática y que tienen menor capacidad de biotransformar los XBs., o el término metabolizadores extensivos para aquellos individuos con fenotipo normal. Podría resultar conveniente aplicar el término de sistemas biotransformadores, aunque no es usual.

2.1.1 BIOTRANSFORMACIÓNCualquier reacción bioquímica que opere sobre un XB a cargo de los sistemas enzimáticos de un organismo. Se entenderá como BIODEGRADACIÓN el conjunto de transformaciones metabólicas que sufra un XB a lo largo de su paso por un organismo, especialmente cuando el XB se degrade y ha sido el proceso más estudiado para muchos xenobióticos en muchos tipos diferentes de organismos (fundamentalmente organismos).

2.1.2. BIODEGRADACIÓNEl resultado de todas las biotransformaciones de un XB en un entorno concreto, a cargo de los diferentes organismos que operen en él. La capacidad biotransformadora de los organismos es muy diferente y está relacionada, además, con su grado de exposición a XBs. Por ejemplo, los insectos, que se alimentan de una amplia variedad de plantas, tienen una mayor capacidad para biotransformar XBs que aquellos insectos que se alimentan de un número limitado de plantas. Comparados con los mamíferos, los peces tienen una ostensible menor capacidad de biotransformar XBs, porque ellos pueden eliminar más fácilmente los XBs no transformados a través de las branquias. Por otra parte, las diferencias específicas en la capacidad de biotransformar XBs entre los mamíferos no refleja simplemente unas diferencias en su exposición a contaminantes, sino otros muchos factores.

2.2. BIOACUMULACIÓN: COMPUESTOS BIODEGRADABLES Y NO

DEGRADABLES O PERSISTENTES.Los xenobióticos después de ser absorbidos, dependiendo de sus propiedades físico-químicas, se acumulan en los organismos, especialmente los compuestos con características lipofílicas o que son fuertemente liposolubles. Otros compuestos se acumulan porque emulan comportamientos de análogos biológicos o porque interaccionan con algunas biomoléculas.

Por ejemplo el Pb es transportado en sangre dentro de los eritrocitos, como el Fe2+ y se acumula en los huesos al igual que el Ca2+ .El Cd2+ interacciona con las enzimas que dependen de Zn2+ (carboxipeptidasas).

El comportamiento bioacumulador se basa también en las funciones de losórganos excretores (riñón, pulmón, etc.), que generalmente se deshacen de las sustancias en contacto con líquidos o con gases, donde están en contacto con los conductos de estos órganos. El riñón excreta sustancias (hidrosolubles) a través del filtrado glomerular de la sangre, enviándolas por los túbulos renales a la vejiga. Desde los túbulos renales muchas sustancias son reabsorbidas hasta la circulación, bien de forma activa (agua, sales,glucosa) o bien de forma pasiva (sustancias lipofílicas). La reabsorción pasiva de las sustancias lipofílicas se produce porque dichas sustancias tienden a disolverse en los lípidos de las membranas de las células epiteliales. Puesto que en ellas pueden unirse después a proteínas o lipoproteínas de la sangre, así se genera un transporte neto desde el filtrado glomerular hacia la sangre. Este fenómeno explica que la concentración de sustancias lipofílicas en el organismo pueda ir en aumento y se produzca su bioacumulación, primordialmente en los tejidos con alto contenido lipídico (adiposo, hígado, mamas, etc).

2.3. BIOTRANSFORMACIONES Y ACCIÓN TÓXICA

Desactivación o detoxicación y bioactivación o activación.Los organismos contienen un número de sistemas enzimáticos capaces de biotransformar compuestos XBs, al igual que metabolizan los compuestos endógenos para convertirlos en desechables, para transformarlos en otros más hidrosolubles, que sean más fácilmente excretables. Las biotransformaciones pueden inducir considerables cambios en la actividad biológica de los XBs. Si esta actividad decrece, el proceso se denomina de bioinactivación (detoxicación) y si aumenta se denomina bioactivación (activación). Así pues, los efectos tóxicos de los compuestos exógenos, frecuentemente no provienen de los compuestos patrón sino de los metabolitos reactivos formados a partir de ellos dentro de las células. Estas biotransformaciones de compuestos relativamente inertes a metabolitos muy reactivos con una toxicidad intrínseca mayor que la de los compuestos originales se denomina activacion metabolica , bioactivacion o toxificación.

2.3.1. DETOXICACIÓNLa actividad biológica (incluida la tóxica) de las sustancias frecuentemente desciende con las biotransformaciones, pero no siempre La biotransformación suele producir un aumento de hidrosolubilidad de una molécula y así mejora su excrección. Habrá menos acumulación de la sustancia en el organismo, su nivel descenderá y puesto que hay una relación general (dosis-respuesta) entre la concentración de sustancia y la intensidad de su efecto tóxico, este tipo de biotransformaciones significan un descenso de la intensidad de la acción biológica original y se puede definir como bioinactivación o detoxicación.

2.3.2 BIOACTIVACIONESProducen un aumento de la reactividad del XB; generalmente conllevan la formación de: Formación de electrófilos, de radicales libres, de nucleófilos o de reactivos red-ox. Estas reacciones aumentan la polaridad de los XBs y la introducción de grupos polares en una molécula no solo aumenta su reactividad para someterse a posteriores reacciones de destoxicación y aumenta su reactividad hacia otras muchas moléculas,incluidas las biológicas. Si un XB puede reaccionar con un componente de un sistema biológico (proteina, DNA, etc, o cualquier metabolito del metabolismo celular) hay una posibilidad razonable de que la célula se vea afectada por él. Si esta influencia es adversa, significa que el XB mostrará un efecto tóxico.

2.4. PRINCIPALES RUTAS PARA LA BIOTRANSFORMACIÓN DE

XENOBIOTICOSLas reacciones de biotransformacion son conversiones enzimáticas de sustancias xenobióticas lipofílicas hacia productos hidrofílicos, generalmente, mas eliminables o excretables.

El conjunto de reacciones de biotransformación de XB suele agruparse en dos fases: I y II.

Aunque la degradación completa de un XB requiere de muchas reacciones, el ataque incial suele ser mediante las reacciones de fase I. Un primer conjunto de reacciones, en las que la biotransformación es la conversión de compuestos lipofílicos (no polares) en compuestos más polares y por lo tanto algo más solubles en agua, mediante las reacciones llamadas de

2.4.1 FASE I (oxidaciones, reducciones e hidrólisis). Muchas de estas reacciones tienen lugar bajo la catálisis de enzimas componentes de los sistemas llamados oxidasas de función mixta (OFM), distribuida principalmente en hepatocitos. Estas reacciones producen compuestos que pueden ser más, igual o menos tóxicos que sus predecesores, aunque si es frecuente que sean más reactivos, lo que suele con llevar una mayor capacidad tóxica.

2.4.1.1. OXIDACIONAunque la degradación completa de un XB requiere de muchas reacciones, el ataque inicial suele ser mediante las reacciones de fase I: oxidaciones o reducciones.

Las oxidaciones incluyen todas las monooxigenasas dependientes del Cit P-450

Para hacer este trabajo las células cuentan con dos sistemas de enzimas, que tienen la función de introducir en el substrato un átomo de oxígeno proveniente del oxígeno molecular (oxigenasas de función mixta).

Estos dos sistemas son las amino-oxigenasas y los Citocromos P-450. Ambos sistemas se encuentran localizados en el retículo endoplásmico.

Los Citocromos P-450 están formados por dos proteínas diferentes, una tiene función de reductasa y la otra es una hemoproteína con actividad de oxigenasa.

La oxigenasa es una proteína, que en estado reducido y monoxicarbonada, presenta un pico de absorción a 450 nm. Que es lo que le da el nombre a esta familia de enzimas).

2.4.1.2. REDUCCIONLos Citocromos P-450 están formados por dos proteínas diferentes, una tiene función de reductasa y la otra es una hemoproteína con actividad de oxigenasa.

La oxigenasa es una proteína, que en estado reducido y monoxicarbonada, presenta un pico de absorción a 450 nm. Que es lo que le da el nombre a esta familia de enzimas).

2.4.1.3. HIDRÓLISISLiteralmente significa rotura del agua. El resultado neto de la hidrólisis es que tanto la molécula del contaminante como la del agua se rompen y los dos fragmentos de la molécula de agua se unen a los dos fragmentos de la molécula del contaminante para dar lugar a nuevos compuestos.

La hidrólisis es un tipo de transformación de compuestos orgánicos que, a diferencia de la biodegradación, no requiere ser catalizada por microorganismos.

2.4.2. FASE II

Son reacciones de conjugación (glucuronidación, sulfonación y formación de Ac. mercaptúrico), donde los XBs polares en origen y los XBs que se han convertido

en polares por haber soportado reacciones tipo fase I, son conjugados (ac. glucurónico, sulfato, glutation) con sustancias endógenas hidrofílicas.

Son reacciones de conjugación.

Se unen covalentemente a compuestos endógenos: ácido glucurónico, sulfatos,glutation, AA, o acetatos.

Los conjugados son compuestos polares generalmente inactivos y eliminables.

Estas reacciones enzimáticas están encaminadas a aumentar aún más la hidrosolubilidad de sus sustratos y por lo tanto hacerlos más fácilmente excretables por el organismo.

Además la mayor parte de los derivados conjugados tienen muy baja actividad biológica, por lo tanto muchas reacciones de la fase II son reacciones de bioinactivación en procesos de detoxicación. Aunque no siempre.

Tal como se mencionó anteriormente, consiste en reacciones de conjugación, catalizadas por un conjunto de enzimas, la mayoría de ellas localizadas en el citosol.

El resultado que se logra con estas reacciones es un gran incremento de la solubilidad en agua del xenobiótico.

2.4.2.1. GLUCURONIDACIÓN La reacción consiste en agregar un grupo glucuronil en un grupo hidroxilo,

amino o sulfhidrilo del tóxico.

La enzima que cataliza la reacción es la UDP glucuronil transferasa y el donador del grupo polar es el ácido UDP glucurónico.

La enzima se encuentra localizada en el retículo endoplásmico, a diferencia de las otras enzimas de la Fase II que se localizan en el citosol.

Los compuestos glucuronidados son muy solubles en agua y aparecen en la orina y en la bilis.

2.4.2.2. SULFATACIÓN O SULFACIÓN La reacción consiste en la transferencia de un grupo sulfato de PAPS (3´-

fosfoadenosil-5´-fosfosulfato) a un grupo hidroxilo o amino en el xenobiótico.

La reacción es catalizada por sulfotransferasas, enzimas solubles localizadas en el citosol.

El producto de la reacción es un sulfato orgánico ionizado, muy soluble en agua que se excreta en la orina.

2.4.2.3. AMINOACIDACIÓN La reacción consiste en la formación de una unión peptídica entre el grupo

amino de un aminoácido, normalmente glicina, y un carboxilo en el xenobiótico.

Para que esta reacción se pueda dar es indispensable que el xenobiótico tenga un grupo carboxilo.

Estos conjugados son eliminados en la orina debido a que el sistema de transporte del riñón reconoce al aminoácido.

2.4.2.4. GLUTATIONIZACIÓN La glutationización consiste en la adición de glutatión (GSH), a través de su

grupo sulfhidrilo (nucleofílico), con un carbón electrofílico del xenobiótico.

La reacción es catalizada por la glutatión-S-transferasa y el glutatión mismo es el cofactor de alta energía.

El glutatión es un tripéptido, Glu-Gli-Cis.

El compuesto que se forma se rompe en el riñón produciendo el Cis-derivado, que se acetila para producir un conjugado del ácido mercaptúrico, el cual se excreta en la orina.

2.4.2.5. METILACIÓN La metilación juega un papel menor en la biotransformación de xenobióticos,

excepto en la destoxificación de arsénico.

La metilación es importante en la transformación de compuestos endógenos y forma parte en la biosíntesis de varios aminoácidos y esteroides, así como en la metilación del ADN.

3. CAPITULO III

3.1 ABSORCIÓN DE XENOBIOTICOS

Absorción es el proceso por el cual un compuesto penetra dentro del torrente circulatorio

de un organismo desde el entorno ambiental en el que se mantiene dicho organismo,

después podrá llegar hasta el medio celular (órgano, tejido, etc.)

La transferencia hasta el interior de un orgánulo subcelular, aislado por membranas,

puede ser necesaria para que el tóxico pueda ejercer la interacción molecular con la

macromolécula correspondiente.

Ilustración 1. Número de membranas encontradas por un xenobíotico en los procesos de absorción y distribución por el organismo.

3.1.1 Rutas exposición y vías de entrada de los xenobioticos (Collin, 2004)

Exposición: manera cómo el organismo se pone en contacto con los tóxicos.

Vías de absorción: mayoritarias (inhalatoria, cutánea, digestiva) y minoritarias

(placentaria, leche materna y parenteral).

Ilustración 2. Se observan las principales rutas de entrada de los xenobióticos en los organismos.

3.1.2 Membranas biológicas

Sea cual fuere la vía de entrada de los xenobióticos: ruta dérmica, oral o por inhalación,

las membranas son la primera estructura biológica con la que se encuentran.

Las membranas biológicas están compuestas por fosfolípidos, colesterol y proteínas. El

modelo básico, postulado por Davson and Danielli (1935), es todavía válido para describir

la estructura de las membranas celulares y una montaña de datos (microscópicos,

bioquímicos) han confirmado esta hipótesis con relativamente pocas modificaciones.

Diagrama esquemático de la membrana biológica, (modelo de mosaico fluido según

Singer y Nicolson, 1972)

Componentes: Proteínas y Lípidos: Colesterol, fosfolípidos y glicolípidos.

Lípidos: Fosfolípidos, proteína / lípido= 5 en mielina

Glicolípidos= 1 en membrana externa mitocondrial

Ilustración 3. Diagrama esquemático de la membrana biológica, (modelo de mosaico fluido según Singer y Nicolson, 1972)

3.1.2.1Mecanismos de transporte a través de membrana

Los mecanismos primarios de transporte de compuestos a través de las membranas

biológicas son básicamente 4:

Filtración: La filtración a través de los poros es un posible canal para

moléculas de tamaño relativamente pequeño (MW 100), pero las moléculas

grandes son excluidas. La filtración es considerada como importante en los

mecanismos de eliminación más que en los de absorción. iones, algunos

necesitan transporte activo

Difusión pasiva o simple: Parece ser el primer mecanismo en la entrada de

tóxicos. El compuesto se mueve a través de las membranas por simple

difusión y un coeficiente de reparto adecuado entre las fases agua: lípidos son

los parámetros más responsables de la velocidad de movimiento. formas

elementales de metales o compuestos inorgánicos

Proteína integralProteína periférica

Transporte facilitado: Algunos exógenos pueden ser absorbidos por sistemas

específicos (proteínas) del transporte de compuestos endógenos a través de

membrana.

Algunos sistemas de transporte no requieren energía con lo que son incapaces

de mover compuestos frente a gradientes de concentración, solo actúan a

favor de gradiente (difusión facilitada o mediada).

Otros requieren energía y transportan los compuestos contra un gradiente de

concentración (transporte activo). No para XBs.

Iones unidos a ligandos, aminoácidos, proteínas. Dependerá de: Membrana

celular y Naturaleza de los compuestos.

Endocitosis: La pinocitosis y la fagocitosis son procesos especializados en los

que las membranas celulares se invaginan o fluyen alrededor de un tóxico y lo

engullen; así son capaces de transferirlo a su interior, sin atravesar

estrictamente la membrana. compuestos unidos a partículas.

3.1.2.2Factores que afectan al paso de compuestos a través de membranas

Propiedades físico-químicas de los xbs

Grado de ionización, pKa, y Coeficiente de partición, Tamaño, Solubilidad en medios

acuosos y en medios lipídicos.

Ionización de los compuestos: La naturaleza anfipática de las membranas

crea una barrera para los iones, compuestos altamente polares, aunque no los

excluye completamente. Con los alcaloides se demostró que las membranas

eran más permeables a los compuestos no iónicos que para los iónicos. Los

alcaloides en el medio ácido del estómago son difícilmente absorbidos y la

toxicidad sistémica no se ve alterada. Si el medio estomacal se hace más

alcalino, los compuestos se hacen no iónicos y son absorbidos y por lo tanto

ejercen su toxicidad. Luego la absorción de xenobióticos por vía estomacal

está muy afectada por las condiciones de pH.

La cantidad de tóxico en forma ionizada y no ionizada depende del pKa del

tóxico y del pH del medio; cuando el pH del medio sea igual al pKa del

compuesto disuelto, el 50 % de compuesto estará en forma ionizada y el 50 %

en forma no ionizada. La relación vendrá dada por la ecuación de Henderson-

Hasselbalch.

Forma no ionizada: Son compuestos ácidos muy ionizados a pH > 6, poco

absorbibles, poco ionizados a pH < 6, muy absorbibles.

Forma ionizada: Son compuestos básicos muy ionizados a pH < 6, poco

absorbibles, poco ionizados a pH > 6, muy absorbibles.

Ilustración 4. Efecto del pH sobre la ionización de compuestos Absorción intestinal de ácidos y bases débiles en función del pH.

Puesto que la forma lípido-soluble (no ionizada) de un electrolito débil es el

constituyente difundible, los ácidos orgánicos débiles difunden más fácilmente

en un ambiente ácido y las bases orgánicas débiles en ambientes básicos (ver

Tabla). La absorción de un compuesto resulta muy afectada por el pH del

medio y su eliminación por el pH de la orina.

Coeficiente de partición o de reparto

Puesto que después de atravesar la bicapa lipídica los XB pasan a la fase acuosa, ha

habido estudios que correlacionan el coeficiente de partición (solubilidad en fase

orgánica/solubilidad en agua) de los tóxicos con la tasa de penetración a través de las

membranas. Los compuestos liposolubles atraviesan mejor las membranas

biológicas. Muchos estudios con series de compuestos homólogos muestran una

buena correlación entre coeficiente de partición y tasa de penetración. En este

parámetro se incluyen las propiedades de tamaño y de solubilidad.

Kow es el coeficiente de partición entre octanol / agua

Kow alto, alta afinidad por lípidos = lipofílico

Kow bajo, baja afinidad por lípidos = hidrofílico

Ilustración 5. Las mayores tasas de bioacumulación se producen para valores de 3 <log Kow< 6

3.1.2.3Velocidad y extensión de la absorción

El movimiento de xenobióticos no polares a través de las membranas puede ser predicho

por la ley de Fick`s que rige el fenómeno de la difusión. Igualmente puede servir para

grupos polares o electrolitos de bajo peso molecular.

<> Ka [C1-C2] para un supuesto concreto.

La velocidad de difusión es relativa al gradiente de concentración a través de membrana

(C1-C2), del área superficial disponible para la transferencia (A), del espesor de la

membrana (d) y de la constante de difusión (K). Para una situación concreta, Ka será

constante y representa la velocidad de penetración, será la pendiente de la recta si la

relación es lineal.

La representación del logaritmo de la cantidad remanente, que no ha entrado, frente el

tiempo, puede ser lineal.

La curva puede ser:

recta, monofásica, que indica una velocidad constante de penetración.

de apariencia curva con dos fases, lo que demuestra que el compuesto penetra

con dos velocidades diferentes, una fase rápida y otra fase lenta.

Ilustración 6. Curvas de penetración de los xenobióticos atreves de la piel.

La determinación de la vida media de penetración, si  el proceso es de primer orden y la

representación es lineal es un cálculo fácil; T1/2 (vida media de penetración) que es un

parámetro útil para la comparación del comportamiento de tóxicos. La T1/2 es el tiempo

que tarda en entrar el 50% de la cantidad total de compuesto que finalmente penetra a

través de la membrana.

(A) Monofásica, (B) bifásica y (C) multifásica. (Se representa el compuesto no absorbido

frente al tiempo)

3.1.2.4Biodisponibilidad (velocidad y extensión de la absorción)

El efecto terapéutico de un fármaco o tóxico de un xenobióticos dependerá de su

velocidad de entrada (K) y de la extensión de la absorción (F). F es el total de la fracción

de droga absorbida. Ambos parámetros son importantes para definir la cantidad de

xenobióticos disponible para un órgano o tejido, parámetro que se denomina con el

término biodisponibilidad. Ambos factores afectan a la correlación entre la dosis

administrada de un fármaco o de la exposición a un contaminante y su concentración en

el organismo, así como de su respuesta toxicológica, en función de la relación dosis-

respuesta.

La velocidad de absorción depende de los siguientes factores:

La concentración del tóxico.

La magnitud y localización en el cuerpo del área expuesta.

La hidratación, quemaduras y ciertas enfermedades incrementan la permeabilidad.

La velocidad de flujo sanguíneo.

Temperatura y humedad ambiental.

La interacción con otras substancias que puedan modificar la permeabilidad de la

piel.

3.1.2.5Principales vías de entradas de los xenobioticos

Ilustración 7. Principales vías de entradas de los xenobioticos.

Absorción cutánea (a través de la piel)La absorción a través de la piel es un tema complejo, por la propia estructura de la

piel. Esta se considera una buena barrera de protección (100 micras), por lo tanto, es

bastante impermeable a soluciones acuosas y a iones; es permeable a muchos tipos

de xenobióticos fundamentalmente por su carácter lipofílico. Es importante en

especies acuáticas (peces). Para humanos es importante en casos de exposición en

ambientes de fabricación o manipulación.

Tóxicos que pueden absorberse por piel y causar intoxicación aguda:

Organofosforados

Anilinas

Derivados halogenados de los hidrocarburos.

Derivados nitrados del benceno

Sales de talio

Por contacto dérmico suelen entrar: Medicamentos y contaminantes.

Factores que afectan al proceso:

Biotransformación cutánea, puede alterar la absorción.

Diferentes velocidades de absorción según región anatómica: escroto, axila,

espalda, abdomen.

Efectos de surfactantes y disolventes que acompañan a los xenobióticos. Para

metales sólo se absorben los derivados orgánicos.

Diferencias importantes entre especies, grosor, pelo, etc. El cerdo y los

primates sirven para el modelo humano.

Los ésteres penetran mejor que las drogas libres. Las esterasas (que

hidrolizan ésteres) de la piel liberan la droga activa.

Ingestión (absorción intestinal-gastrointestinal)

Ruta más frecuente en las intoxicaciones accidentales o con fines suicidas.

Diversos compartimentos con particulares características histológicas,

bioquímicas y físico – químicas.

Cuando el tóxico se ingiere, entra al Tracto Gastro Intestinal (TGI), la mayor

cantidad se absorbe en el estómago y en los intestinos aunque también puede

haber absorción en cualquier lugar del TGI, incluyendo las absorciones

sublingual y rectal.

La gran área de absorción del intestino y los largos tiempos de residencia,

dependiendo de la movilidad intestinal, permiten que se tengan absorciones

considerables aunque el flujo, cantidad transportada por unidad de área y de

tiempo, sea pequeño.

Es la vía más importante para la entrada de tóxicos en el organismo. El tracto

intestinal está muy capilarizado y una vez que los compuestos han atravesado

el epitelio entran en la circulación sistémica a través de los capilares. Se ha

estimado que la alimentación con leche materna puede llegar a aportar 100 pg.

iTEQ/kg peso/día. El sitio de absorción depende en parte del estado de

ionización del compuesto. Los ácidos débiles es más probable que se

absorban en el estómago, donde hay un pH bajo, mientras que las bases

débiles, que están menos ionizadas a pH alto, se absorben mejor en el

intestino donde existen estas condiciones

El lugar de absorción más importante es el estómago e intestino delgado.

Gran superficie por el número de microvellosidades (120 m2).

Presencia de alimentos.

Peristaltismo intestinal y Velocidad de evacuación gástrica.

Concentración, rapidez de disolución, coeficiente de partición (liposolubilidad).

La absorción de los xenobióticos usa los mismos mecanismos que tiene el TGI para

absorber los nutrimentos. Por ejemplo, el plomo se absorbe en el intestino usando el

sistema de transporte del calcio.

Para que un compuesto ingerido pueda alcanzar la circulación general, acceder al

resto del organismo y tener la posibilidad de causar un daño, debe primero ser capaz

de resistir:

La acción de las enzimas digestivas,

El pH del estómago,

La biodegradación por la flora intestinal.

La biotransformación por las enzimas hepáticas.

La absortividad del tóxico ingerido depende de sus propiedades fisicoquímicas. Los

compuestos liposolubles de bajo peso molecular y los compuestos no ionizados se

absorben mejor.

Factores que modulan la absorción gastrointestinal:

pH.

la dieta.

la motilidad intestinal.

Biotransformación. Por la flora microbiana y las enzimas liberadas desde el

epitelio.

Absorción respiratoria (a través del sistema respiratorio)

Es la tercera ruta mayoritaria. La inhalación es la vía de exposición a gases, vapores

de líquidos volátiles, aerosoles y partículas suspendidas en el aire (CO, NO2,

benceno, formaldehido, CCl4, Pb, silica, asbestos, etc.). Los sitios de absorción son

la nariz y los pulmones. La nariz actúa como un limpiador o trampa para los gases

solubles en agua y los muy reactivos así como, para retener las partículas grandes.

La absorción de gases que llegan al pulmón usa el mecanismo del intercambio de

oxígeno y bióxido de carbono. 

La velocidad de difusión de los gases en el pulmón es muy grande, debido a que la

barrera es escasa, el flujo sanguíneo es muy alto y el área de transferencia es muy

grande. Lo anterior produce que la velocidad de absorción en el pulmón sea alta,

independientemente de la naturaleza química del agente.

Las substancias ionizadas, que son las de más lenta absorción, normalmente no son

volátiles, por lo que es poco probable que se encuentren en el aire como vapores o

gases, aunque pueden llegar hasta los alvéolos si están absorbidas a las partículas.

Vapores y gases

La velocidad de entrada vendrá definida por la concentración del compuesto, el

tiempo de inhalación, la solubilidad del mismo en la sangre. Interior de edificios con

conservantes de madera (clorofenoles).

Aerosoles y partículas

La entrada de aerosoles y partículas dependerá en gran medida del efecto de filtro

que ejerzan las vías respiratorias. Es una vía importante de entrada de contaminantes

ambiental.

4. CAPITULO IV

4.1 BIODEGRADACIÓN DE COMPUESTOS XENOBIÓTICOS (Rodrigues, 2005)

Además de los compuestos naturales susceptibles de biodegradación, la industria sintetiza miles de compuestos químicos, denominados xenobióticos, que poseen una gran cantidad de contaminación ambiental ya que al contrario de los compuestos naturales poseen mayor o menor resistencia a la biodegradación. Entre los compuestos xenobióticos, los más importantes desde el punto de vista cuantitativo son los derivados aromáticos clorados y los nitrados, ya que son base de las industrias de fabricación de productos manufacturados de interés industrial.

4.1.1 Biodegradación de compuestos aromáticos cloradosLa biodegradación de compuestos aromáticos clorados ha recibido gran atención debido a su especial toxicidad, debido a que además de sus efectos directos deletéreos sobre las estructuras biológicas, algunos actúan como hormonas (xenohormonas), esto ha hecho que estos compuestos aromáticos clorados se tomen en prioridad. Así los policlorobifenilos (PCB) se han relacionados con problemas de infertilidad, con el

Como puede observarse en la ilustración 8 , los PCB ,las Dioxinas y furanos clorados tienen cierta semejanza con algunas hormonas como el estadiol, pero en la mayoría de

los

casos no se conoce exactamente a qué nivel actúan.

Cabe destacar que las rutas degradativas aeróbicas de todos estos compuestos formen un embudo metabólico que converge en los clorocatecoles. Ilustración 9

Ilustración 8. Semejanza estructural de algunas hormonas animales con compuestos Xenobióticos clorados.

Ilustración 10.Esquema representando la convergencia en clorocatecoles de las rutas de degradación de dioxinas cloradas, clorodibenzofuranos y

policlorobifenilos(PCB).

Debido a que los PCB se produjeron intencionadamente por sus aplicaciones industriales, tanto dioxinas como dibenzofuranos clorados se generan accidental mente.

Los PCB se tratan al final junto con la degradación de clorocatecoles, mientras que la degradación de dioxinas y dibenzofuranos clorados se trata de manera conjunta.

4.1.2 Biodegradación de dioxinas y furanos cloradosLas dioxinas y furanos clorados son muy recalcitrantes a la biodegradación y debido a su hidrofobicidad se acumulan en la cadena trófica, La primera bacteria que puede usar dioxina como fuente de carbono es la Sphingomonas sp. RW1, por ende cabe indicar que hay bacterias que son capaces de degradar esta molécula.

La degradación de dioxinas comienza con el ataque del oxígeno molecular a la posición angular de la molécula catalizando por una dioxigenasa. Cabe destacar que los genes de las dos subunidades terminales de la dioxigenasa no se encuentran ubicados en un operón con los genes de las dos subunidades que le transfieren los electrones. Además, el resto de los genes necesarios para la transformación de la molécula en catecol tampoco se encuentran agrupados. Estos hechos se han relacionado con una mayor versatilidad metabólica de la bacteria, pero también son indicativos que se trata de una ruta metabólica poco evolucionada y, por lo tanto sugiere que se trata de un grupo de moléculas relativa mente recientes en la biosfera. El paso 2 está catalizado por una dioxigenasa que rompe en “meta” el anillo más oxidado para rendir un intermediario que es sustrato de una hidrolasa. En ambos casos se genera un metabolito de 5 ó 6 átomos de carbono que es fácilmente asimilado por la bacteria. En el caso de la dioxina la hidrólisis rinde además catecol, mientras que en el caso del bibenzofurano se forma silicato. Este último se puede degradar tanto vía gentisato como a través de catecol, las

dos reacciones necesitan de oxígeno molecular y en las se forma un derivado dihidroxilado susceptible de seguir oxidándose.

Ilustración 11.Conversión de dioxina y bibenzofurano en derivados dihidroxilados por Sphingomonas sp. RW1.

Influencia de los cloros en la biodegradabilidad. Deshalorrespiración

La presencia de cloros en la molécula la hace más recalcitrante, hasta el punto que no sea en aerobiosis. Los estudios en anaerobiosis son escasos, pero desde hace tiempo se sabe que existen microorganismos que catalizan la eliminación de cloro en anaerobiosis. Muy reciente mente se han aislado bacterias que utilizan compuestos orgánicos clorados como oxidantes y por tanto se trata de un proceso respiratorio que se ha denominado “deshalorrespiración”.este proceso podría ser el primer paso de un proceso biotecnológico para la biodegradación de dioxinas muy cloradas, siendo el segundo la degradación aeróbica que es mucho más rápida.

Para moléculas poco cloradas existe cierta preferencia de la primera dioxigenasa por el anillo no clorado o menos clorado por lo que se generan con preferencia clorocatecoles y

clorosalicilatos. A continuación se estudia en detalle la degradación de PCB y de los productos comunes de todas las rutas, los clorocatecoles.

4.1.3 Biodegradación de los policlorobifenilos (PCB)Los bifenilos policlorados son compuestos químicos con la estructura genética representada en la Ilustración 11.

Ilustración 12.Estructura general de los PCB

Hay 5 posibles posiciones de sustitución de cloro en cada anillo aromático del bifenilo, y por lo tanto, existen teóricamente 209 posibles congénes. Los PCB se introdujeron en el mercado rápidamente alcanzaron una gran aceptación debido a su uso en la fabricación de cosméticos, barnices, papel de calco sin carbón, material ignigungo y como aceite en los transformadores eléctricos.

La razón principal de la síntesis a gran escala de PCB se debe a su uso en los transformadores eléctricos. Para el fin , los PCB resultan ideales debido a su estabilidad a altas temperaturas y su capacidad díeléctrica.

A pesar de los indudables beneficios de los PCB para la sociedad, con el paso del tiempo se han ido acumulando pruebas de su inconveniencia. La primera es su persistencia en el medio ambiente. La recalcitrancia de los PCB en la biósfera es una consecuencia directa de su composición. Se sintetisaron precisamente para perdurar , y además se trata de mezclas de compuestos xenobioticos alta mente clorados. La segunda es su bioacumulación. Los PCB son poco solubles en el agua y muy solubles en la grasa. Sia ello unimos que se degradan muy lenta mente, el resultado es que se van acumulando a lo largo de la cadena trófica. Así, se ha encontrado en la gaviota Argentéa del lago Ontario una concentración de PCB 25 millones de veces superior a la detectada en el agua. También se han encontrado concentraciones muy elevadas de PCB en grasa de ballenas, focas, pingüinos, etc. Ello demuestra claramente que la contaminación viaja a través de la cadena alimenticia y se acumula en los superpredadpres.

Todo lo anterior mencionado no pasaría de ser preocupante si los PCB no fuesen tóxicos. La exposición a PCB provoca cuadros de toxicidad aguda que afectan principal mente al sistema nervioso central, riñón e hígado aunque el efecto más llamativo es su interferencia con el sistema endocrino, tal y como se indicó al principio del capítulo. Por lo anterior mente dicho , la fabricación de PCB está prohibida en la mayoría de los países

desarrollados . en la CE no solo está prohibida su fabricación , sino que los PCB inventariados deben ser eliminados antes del año 2010 .

IncineraciónLos PCB pueden ser incinerados, pero en instalaciones especialmente equipadas para que la temperatura sea de 1200◦C y con un tiempo de residencia de, al menos, 2 segundos. Ello hace que la eliminación de los PCB de os transformadores en desuso sea un proceso relativamente costoso.

BiodegradaciónSe han descrito gran variedad de microorganismos capaces de degradar PCB. Sin embargo, no se sabe de ningún proceso que concluya con su mineralización total.

Entre los microorganismos han recibido especial interés las bacterias, ya que degradan una gran variedad de congènes y son susceptibles de ser manipuladas genéticamente con mayor facilidad que los eucariotas. También se han descrito hongos que transforman PCB.

4.1.4 Las bacterias como ingenieros metabólicos

Biodegradación de PCB por bacteriasLas contaminaciones accidentales del medio ambiente con PCB han permitido detectar la presencia de micro organismos, fundamental mente bacterias, capaces de biodegradarlos. La estrategia común para el aislamiento de bacterias capaces de degradar PCB conciste en el enriquecimiento bacteriano a partir de suelos contaminados usando bifenilo, un sustrato natural análogo no toxico, como única fuente de carbono y energía. Ello a permitido el aislamiento de gran variedad de bacterias capaces de degradar PCB. Hay que adelantar que hasta el momento , no se ha encontrado una bacteria capas de mineralizar todos los tipos de PCB . para comprender donde se encuentran los pasos limitantes que impiden su mineralización veace la ruta metabolica por la cual las bacterias degradan el bifenilo.

Ilustración 13. Esquema general de la ruta degradativa de bifenilo por bacterias.

4.2 Biodegradación de compuestos nitroaromáticos

Gran parte de los compuesto xenobióticos poseen un anillo aromático, que les confiere una gran estabilidad sobre todo si poseen sustituyentes que extraen carga electrónica del anillo.

Este es el caso de los compuestos nitroaromáticos, que en una inmensa mayoría tienen un origen humano derivado de las industrias de explosivos (TNT), ácido pícrisol, colorantes, plaguicidas (paration), disolventes, herbicidas (dinoseb) y fármacos. La falta

de estabilidad de estos compuestos les hace especialmente persistentes en el medio ambiente, donde pueden permanecer prácticamente inalterados durante siglos.

Los compuestos nitroaromáticos y sus productos de condensación se pueden absorber a la superficie de las fases inorgánica y orgánica (humus) del suelo, bien mediante enlaces débiles (puente de hidrógeno, fuerza de wan der Waals e interacciones hidrofóbicas) o por enlaces covalentes. Posiblemente, este sumidero a contribuido a piliar la contaminación ambiental por nitroderivados, pero el consumo humano de estos complejos órgano – nitrados puede resultar muy peligroso por la alta toxicidad de los nitroaromáticos (el de2.4 – dinitrofenol es un desacoplante y los nitrotoluenos causan anemia y hepatitis) o la mutagenicidad de sus derivados aminoaromáticos, como el 2 – nitro – 4 aminofenol y la 5 – nitro – o – toluidina, que son carcinogénicos. Algunos compuestos nitroaromáticos no son tóxicos per se, sino sus productos de biotransformación

La carga positiva sobre los N del grupo – NO2 extrae carga electrónica del anillo aromático, que resulte cargado positivamente, tanto más cuando mayor sea el número de grupos nitro. La carga positiva del anillo nitroaromático queda además influenciada por la presencia de sustituyentes como el – CH3 (Nitrotoluenos), - OH (Nitrofenoles), - COO- (Nitrobenzoatos), - NH2 (aminoaromáticos), que pueden aumentar aún más la carga positiva del anillo (halógeno, C≡N, SO3H, N = N – R2, COO-), o a disminuirla (- CH3, - NH2, - OH). Por ejemplo el grupo – COO- disminuye la carga (-) del anillo en 0.06 unidades.

La presencia de grupos nitro estabiliza a los compuestos nitroaromáticos con relación al ataque electrofílico del dioxígeno, principal agente ambiental activo en los procesos de demolición de compuestos aromáticos naturales o xenobióticos. En su lugar, los seres vivos han desarrollado estrategias de ataque reductivo, bien sobre el propio anillo (derivados Meisenheiner) o sobre los grupos – NO2 (derivados aminoaromáticos), mucho más susceptibles al ataque electrofílico convencional por oxigenasas.

Dado que los compuesto nitroaromáticos son muy resistentes a la degradación tanto por agente bióticos como abióticos, la eliminación de los excedentes (por ejemplo de explosivos) por incineración es muy costosa y se imponen técnicas de biorremediación in situ (mediante acumulación de bacterias autótrofas) o ex situ (mediante biorreactores).

4.2.1 Transformaciones bioquímicas de los compuestos nitroaromáticos

La presencia de N grupos nitros dificulta el ataque oxidativo y favorece el reductivo.

Ilustración 14. La susceptibilidad del ataque reductivo aumenta con el n° de grupos nitro (N) dependiendo del resto de sustituyentes. Cuando N=3 el ataque es normalmente reductivo.

Los microorganismos llevan a cabo el ataque oxidativo mediante oxigenasas, que insertan átomos de oxígeno en el anillo, y el reductivo mediante reductasas que transfieren iones hidruros N- bien al anillo nitroaromático o al grupo nitro. El ataque oxidativo siempre se lleva a cabo en aerobiosis, mientras que el reductivo puede tener lugar en aerobiosis y anaerobiosis.

Rutas aeróbicas oxidativas del anillo aromáticoMonooxigenasas.

Liberan el grupo nitrofenólico directamente como nitrito o insertan un grupo – OH previamente a la liberación de nitrito

Como se sabe el catecol es un intermediario en la degradación del anillo aromático de origen biológico y se mineraliza a CO2 y H2O mediante ruptura de orto o meta.

Dioxigenasas.

Producen nitrito a partir de grupos nitrotolueno.

El p – nitrofenol es muy abundante en la naturaleza como resultado de la degradación del plaguicida paratión, muy utilizado en el pasado, y de la síntesis de explosivos. Algunos estirpes de Flavobacterium y Pseudonomas diminuta poseen paratión hidrolasa y pueden degradar este compuesto xenobiótico vía nitrocatecol.

El nitrito producido en la oxidación del anillo nitroaromático puede ser incorporado al material celular en las bacterias asimiladoras de nitrato mediante su reducción a amonio por la nitro reductasa:

N O2−¿+H+¿+6H →N H3+2H2 O ¿¿

Rutas aeróbicas reductivas del anillo aromáticoLos sustratos de estas rutas son normalmente polinitroaromáticos, estables frente al ataque del O2, pero susceptibles de ataques nucleofílicos por parte de iones H- tanto al grupo – NO2 como el anillo.

Reducción del grupo nitroaromático: nitrorreductasas.

La nitrorreductasas son un grupo de enzimas ampliamente distribuidas entre las bacterias y eucariotas, que normalmente utilizan NAD(P)H como dador de electrones. Dada la baja densidad electrónica del anillo nitroaromático existen numerosas enzimas con actividad nitrorreductasa inespecífica, incluso en los cloroplastos.

Las nitrorreductasas bacterianas son de dos tipos:

Nitrorreductasas del tipo I, insensibles al O2, que reducen al grupo NO2 en etapas sucesivas de 3 pares de e- formándose los intermediarios nitroso e hidroxilamino.

Ar-NO_2 □(→┴(2 e^- ) ) Ar-N=O □(→┴(2 e^- ) ) Ar-HNOH □(→┴(2 e^- ) ) Ar-NH_2

Reducción secuencial del grupo-NO_2.Ar (Anillo aromático)

Nitrorreductasas del tipo II: catalizan la transferencia de 1 e- al grupo nitro con producción de un radical libre aniónico, que reacciona con el O2 dando Ar – No2 y anión superóxido O2-.

Algunas enzimas bacterianas poseen actividad nitrorreductasa, como la hidrogenasa y la piruvato: ferredoxina óxidorreductasa (PFOR) de Desulfovibrio, que reducen el 4,6 – diamino – 2 – nitrotolueno a 2,4,6 – triaminotolueno. Por su parte, la CO – deshidrogenasa de la misma bacteria lo reduce solo parcialmente a 2,4 – diamino – 2 – hidroxilaminotolueno.

La nitrorreductasa de las bacterias entéricas se ha relacionado con el cáncer de colon por la producción de aminas aromáticas mutagénicas a partir de nitrofenoles contaminantes de los alimentos.

Las bacterias entéricas reducen entre otros los nitrofuranos (bactericidas usados desde hace 50 años) a aminofuranos, siendo las estirpes mutantes carentes de nitrorreductasa especialmente resistentes a la mutagénesis por aminoarenos (Ar – NH2).

La reducción del grupo Ar – NO2 a Ar – NH2 restaura en parte la densidad electrónica del anillo y lo desestabiliza propiciando la liberación de amonio y el ataque de las oxigenasas.

En otras ocasiones, el grupo hidroxilamino sufre una reordenación a aminofenol.

Los derivados aminoaromáticos se pueden mineralizar por varias vías que implican al catecol o a compuestos aminoalifáticos.

Reducción del anillo: Hidruro transferasasEl anillo nitroaromático polinitrado (trinitrolueno, ácido pícrico, dinotrofenol) debe sufrir una degradación reductiva mediante la transferencia de iones hidruro (H-) a regiones del anillo que poseen densidad de carga positiva (especialmente en la posición orto (2) respecto al grupo nitrol, debido a la capacidad de éste para retirar e- π del anillo. Por esta razón, el 2 – nitrofenol y el 4 – nitrofenol son mas ácidos que el 3 – nitrofenol. A continuación se muestran las diferentes especies resonantes del trinitrotolueno que, como se observa, es muy susceptible al ataque reductivo mediante un agente nucleofílico (H-) a las posiciones m y p.

Las bacterias de Gram positivas del género Rhodococcus mineralizan los polinitrofenoles (ácido pícrico, 2,4 – dinitrofenol) a través de intermediarios como los derivados no aromáticos reductivos del anillo (complejos Meisenheimer) y derivados nitroalifáticos. En Rhodococcus sp RB1, la ruta del 2,4 – dinitrofenol tiene dos fases:

a) Transferencia de hidruros y formación de derivados hidruro – Meisenheimer (HM): el grupo – OH no atrae e- del anillo aromático, pero sí los grupos – NO, y aparecen cargas δ+ en meta (m).

En la ruta del ácido pícrico se han identificado los genes de las reductasas I y II que utilizan F420 como cofactor rédox, un gen que codifica la tautomerasa del HM y un gen regulador.

b) Liberación de NO2- y degradación del anillo.

Rutas anaeróbicas

Los microorganismos anaeróbicos metabolizan el anillo nitroaromático reduciendo los grupos – NO2 a NH2 mediante nitrorreductasas que actúan de forma secuencial (a través de intermediarios nitroso e hidroxilamino) o directa (transferencia de 6 e- y formación del producto Ar – NH2). Este proceso transcurre a bajas concentraciones de O2, como la reducción de TNT a triaminotolueno, que requiere condiciones de estricta anaerobiosis (E < - 0.2V).

Cometabolismo del 2,4 – dinitrofenol en bacterias fototróficas

Rhodobacter capsulatus es una bacteria de fija el N2 en luz y anaerobiosis, proceso que consume gran cantidad de energía, muy sensible a los desacoplanes como el 2,4 – dinitrofenol. En presencia de este compuesto xenobiótico, R capsulatus introduce una nitrorreductasa que reduce el grupo 2 – nitro a 2 – amino formando el derivado 2 – amino – 4 – nitrofenol que ya no es desacoplante, pero sí genotóxico. Para evitar daños al ADN, la bacteria bombea al medio el 2 – amino – 4 – nitrofenol, con una cinética de producción equimolecular con la del consumo del 2,4 – dinitrofenol.

Una vez que la mayor parte del 2,4 – dinitrofenol se ha reducido a 2 – amino – 4 nitrofenol, la bacteria reanuda el crecimiento por fijación del N2 presente en el medio.

La nitrorreductasa es una NADPH – flavoproteína de 27 kDa, introducible por 2,4 – dinitrofenol y ácido pícrico, y que se inactiva por luz azul en ausencia del reductor o del sustrato.Este proceso es un caso claro de cometabolismo pero que presenta conexiones con el metabolismo del N2, aunque la nitrorreductasa no pertenece al sistema enzimático de la nitrogenasa, enzima que cataliza la fijación de N2. El consumo de nitrofenoles y la fijación de N2 se bloquean en presencia de amonio, una fuente de nitrógeno reducido que disminuye el balance C/N.

Por su parte, las mutaciones que afectan a genes implicados en la transferencia de e- a la nitrogenasa (que codifican el complejo Rnf de la membrana celular), dificultan l

a fotorreducción del cometabolismo del dinitrofenol con la fijación del N2.

Ilustración 15. Relaciones entre el cometabolismo del dinitrofenol y la fijacion de nitrógeno atravez del control por balance C/N. NCR(sistema de reprecion por catabolito nitrogenado); DNP ;ANP;N2 asa; ferredoxina reducida;NPR.

La nitrorreductasa de R capsulatus puede utilizar diferentes sutratos, como el ácido pícrico (2,4,6 – trinitrofenol), al que reduce a ácido picrámico (2 – amino – 4,6 – dinitrofenol), que posteriormente se degrada con liberación del nitrito.

Rhodobacter capsulatus puede también utilizar mononitrofenoles como el p – nitrofenol en condiciones de fotosíntesis microaeróbica, produciendo nitrocatecol como intermediario.

4.2.2 Metabolismo del 2, 4,6-Trinitotolueno (TNT)El TNT es el explosivo por excelencia, tanto de uso civil como militar, que genera en su fabricación residuos difíciles de eliminar y que por sí mismo constituye un problema madiambiental dado que se caducidad lo hace altamente peligroso. Además, su recalcitrancia lo hace muy persistente en áreas donde se dispersa TNT, como en los polígonos de tiro, maniobras militares o zonas en guerra.

La biodegradación del TNT y compuestos relacionados como el ácido pícrico puede utilizarse para el diseño de tecnologías de biorremediación in situ (para paliar la contaminación ambiental) y ex situ (para eliminar los excedentes mediante biorreactores).

Catabolismo del TNT

Como se ha dicho anteriormente, el TNT posee un anillo aromático altamente desactivado con relación al ataque de las oxigenasas y solo puede ser objeto de ataques reductivos biológicos o abióticos.

- Catabolismo aeróbico, similar al propuesto para la mineralización de ácido pícrico y 2 – Cl – 4,6 – dinitrofenol en células de Rhodococcus erythropolis.

- Catabolismo anaeróbico, catalizado por nitrorreductasas que producen derivados parcial o totalmente reducidos (triaminotolueno) capaces de sufrir una oxidación posterior con liberación de NH3 y ruptura del anillo.

- También puede ocurrir una reducción abiótica, a partir de donadores orgánicos, azufrados o ferrosos.

Los grupos – NO2 del TNT difieren por su capacidad atrayente de electrones y la reducción de primer grupo (normalmente en la posición 4) tiene lugar con mucha más

Ilustración 16. Foto reducción de ácido pícrico (Izquierda) a ácido pricramico(derecha).

facilidad que la del grupo 2 – Nitro y la del 6 – nitro: el primer grupo – NH2 formado disminuye la densidad de carga positiva del anillo al dejar atraer ya los electrones e- π.

El potencial negativo de los grupos nitro del TNT en las posiciones 2, 4 y 6 se ordena de la siguiente manera:

La reducción de los grupos nitro del TNT puede originar 38 productos parcialmente reducidos ( - NO, - NHOH, 1 ó 2 – NH2) y un producto totalmente reducido (3 – NH2). Los derivados – NO y – NHOH se combinan entre sí, dando lugar a polimerizaciones del anillo de tipo azoxi:

R1−NO+R2−NHOH→R1−N=N +¿−R2¿

La biodegradación del TNT podría llevarse a cabo tanto aeróbica como anaeróbicamente.

Degradación del TNT en el suelo

Ilustración 18. Potencial de los grupos-NO2 del TNT (E4>e2=E6)

Ilustración 19. Biodegradación de TNT;DNT;MNT;NTPR;ATT; Aeróbico; Anaeróbico.

El TNT y sus derivados parcialmente reducidos se pueden reducir totalmente a triaminotolueno (TAT) en suelo muy anaeróbicos. Los microorganismos aeróbicos poseen una capacidad limitada para reducir los grupos Ar – NO2 y solamente los aerobios pueden generar TAT:

TNT aerobios→

MAT facutativos→

DAT anaerobios→

TAT

El TAT se une con gran afinidad a las frases polianiónicas hidratadas del suelo (silicatos de aluminio y magnesio), intercalándose entre ellas a través de sus grupos Ar – NH3

-.

Esta capacidad de fijación de TAT se incrementa si el suelo contiene una fase orgánica ácida (humus) capaz de atraer moléculas básicas, como el TAT, sobre todo teniendo en cuenta la capacidad polimerizante de éste en presencia de O2, cuyo ataque se facilita por la alta densidad electrónica de anillo poliaminoaromático.

nTAT +nO2→nTAT−¿+O2−¿ →poli−TAT ¿¿

O en presencia de compuestos fenólicos:

Lignina→fenoles→fenol−TAT (enlacesC−C yC−O)

En este proceso de humificación es aplicable, aunque es más lento, a los diaminotoluenos y las toluidinas procedentes de los dinitro – y mononitrotoluenos.

La biodegradación (mineralización) de los compuestos aminoarompaticos transcurre por desaminación reductiva, para lo cual el compuesto debe ser previamente activado reduciendo la densidad electrónica del anillo.

Ar−N H 2CO2→

H 2N−Ar−COO−¿ ATP+CoA

→H 2N−Ar−CO−S−CoA2 H

→N H 3+Ar−CO−S−CoA→CO2+H 2O¿

Reducción enzimática de nitrotoluenos.

Se desconoce la naturaleza de las enzimas reductoras de TNT aunque podrían estar implicadas la hidrogenasas y las ferredoxinas. La etapa limitante en la reducción de TNT a TAT es la reducción del 2,4 – diamino – 6 – nitrotolueno, DANT. En Clostridium pasteurianum y C. thermoacetium se transfieren 4 e- a partir del CO ó H2 y los dos e- restantes quizá por el sulfito reductasa:

DANT CODH , Hasa→

2−hidroxilamino−diaminotolueno SiR→

TAT

1. Asimilación anaeróbica de nitrotoluenos.

La estirpe JLR11 de Pseudomonas degrada TNT anaeróbicamente por una ruta que asimila el 85% del nitrógeno nitroaromático. La transferencia de electrones al TNT tiene lugar mediante una enzima de membrana y genera fuerza motriz de protones y ATP. La

degradación anaeróbica del TNT tiene varias ramas, en una de las cuales el grupo metilo se oxida a – COOH, formándose 2 – nitro – 4 – hidroxibenzoato y p – hidroxibenzoato.

Ilustración 20. Metabolitos anaerobios del TNT en bacterias. El TAT se puede metabolizar a tolueno, p-cresol y metilfloroglucinol.

4.2.3 Metabolismo de hidrocarburos nitroaromáticos Los hidrocarburos policíclicos aromáticos nitrados , se producen al reaccionar los PAHs con óxidos de nitrógeno y por combustión incompleta de combustibles fósiles , estando presentes en el carbón, aceite de pescado, humo de tabaco y tinta de fotocopiadoras.

Ilustración 21. hidrocarburos aromáticos poli cíclicos nitrados.

La biodegradación de los Nitro-PAH se lleva a cabo de forma similar a la de los nitroaromáticos monocíclicos , bien a través de nitrorreductasas bacterianas de

monooxigenasas que producen óxidos de nitroareno y derivados fenólicos y de dioxigenasas, que producen dihidrodioles.

Ilustración 22.Degradacion de Nitro-PAH por el hongo Cunninghamella elegans.(Amarillo aromático); Cit P-450; Glucosa; GU(glucuronato)

CONCLUSIONESEstos compuestos sintéticos son poco peculiares pero necesarios en la vida cotidiana

de los seres humanos pero al mismo tiempo muy toxico para nosotros, la flora, fauna y todo el medio ambiente que nos rodea, comportándose de distinta forma, dependiendo del medio donde se encuentren.

Los xenobióticos se dispersan de diversa manera en los diversos ecosistemas (terrestre, aéreo y acuático) de acuerdo a su concentración y fase (gaseoso, sólido o líquido).

Aparte de su conducta deleterea sobre las estructura s , algunos de ellos actuan como hormónas, convirtiendose en un granproblema.

El anillo aromático que poseen los compuestos xenobioticos les confieren gran estabilidad, sobre todo si poseen sustituyentes que extraen carga del anillo.

Los compuestos xenobióticos son absorbidos al organismo principalmente

por tres formas (dérmica o mediante la piel, gastrintestinal o sistema

gástrico y respiratorio o pulmonar).

La biotransformación es importante porque todos los organismos se

encuentran constantemente expuestos a compuestos y elementos químicos

que no pueden utilizar como alimento y serían dañinos si se acumularan en

sus células.

BibliografíaCollin. (2004). Química ambiental. Barcelona: REVERTÉ.

José, X. y. (2006). Química ambental de Sistemas Terrestres. Barcelona: Reverté.

Rodrigues, F. c. (2005). Biotecnología ambiental. Madrid: EDITORIAL TÉBAR.