Lectura adicional S6 - Excrecion de los xenobioticos y sus metabolitos

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TEMA 5.- EXCRECIÓN Y ELIMINACIÓN DE XENOBIÓTICOS Y SUS METABOLITOS. 
 
 Una vez que una sustancia ha sido absorbida, sus efectos dañinos quedarán minimizados 
si se excreta con rapidez. La eliminación de la sustancia o de los tóxicos formados en el curso 
de su metabolismo, se produce fundamentalmente mediante excreción renal y hepática 
(biliar ), pero también puede producirse mediante el aire exhalado, secreciones (sudor, leche, 
saliva, etc.) y mediante la renovación normal del pelo y la piel. 
 
 La mayoría de las especies animales son capaces de eliminar una gran cantidad de 
sustancias, debido a su capacidad para convertir tal variedad de xenobióticos a formas químicas 
(principalmente solubles en agua), las cuales pueden ser excretadas por los mismos mecanismos 
que envuelven la excreción de residuos metabólicos endógenos. En el caso excepcional de que 
los xenobióticos tóxicos sean absorbidos pero no realmente excretados, el motivo más frecuente 
se debe a la incapacidad del animal expuesto para convertir los xenobióticos lipofílicos en 
formas solubles en agua. 
 
EXCRECION RENAL 
 Los riñones están principalmente y perfectamente designados para la excreción. Estos 
órganos participan en la eliminación de muchos productos del metabolismo normal y la mayoría 
de los xenobióticos polares y metabolitos hidrofílicos de xenobióticos lipofílicos procedentes 
del medio ambiente. La unidad funcional del riñón es la nefrona. Los riñones humanos 
contienen aprox. 2.400.000 nefronas, en las que tienen lugar 3 grandes procesos (ver figura): 
 NEFRONA DE UN RIÑÓN DE MAMÍFERO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 a.- La filtración glomerular es la etapa inicial en la formación de la orina. Consiste en el 
filtrado pasivo del plasma como resultado de su paso por los poros glomerulares. Selecciona 
únicamente por el tamaño y cualquier soluto libre en plasma de tamaño suficientemente 
pequeño (peso molecular inferior a 5000 Da) atravesará los poros y aparecerá en este filtrado. 
Pequeñas moléculas que se unen o absorben inespecíficamente a otras moléculas más grandes 
que no son capaces de pasar a través de los poros glomerulares pueden estar ausentes del 
filtrado junto con moléculas de elevado peso molecular. Así, la filtración glomerular produce un 
ultrafiltrado de plasma sanguíneo conteniendo sustancias tóxicas y sus derivados en aprox. las 
mismas concentraciones que en sangre. 
 b.- Secreción tubular. Tiene lugar en el túbulo proximal. Los mecanismos de secreción 
tubular transportan solutos desde el fluido peritubular al lumen del tubulo. Es selectiva y puede 
ser activa y pasiva. Un mecanismo activo (requiere portador y una fuente de energía), actúa 
para la secreción de un número de ác. orgánicos, incluyendo el ác. glucurónido y conjugados de 
sulfato, y un segundo mecanismo activo segrega bases orgánicas fuertes. La alteración del pH 
influye en la difusión de compuestos ionizables a través de las membranas de las células 
adyacentes. La secreción de bases débiles y al menos dos ácidos débiles ocurre por un 
mecanismo pasivo que es ventajoso por el hecho de que estos compuestos son mucho más 
lipofílicos en la forma no ionizada y así, más difundibles a través de la membrana de las células 
del túbulo. 
 c.- La reabsorción tubular. Dado que el filtrado glomerular contiene mucho volumen y 
solutos que son necesarios para la fisiología normal del organismo, la mayoría del filtrado y su 
contenido debe ser recuperado. Así, la glucosa, aminoácidos, minerales, ciertos cationes, 
proteínas y un número de otros ácidos orgánicos son activamente reabsorbidos. Las sustancias 
tóxicas semejantes a estos metabolitos competirán con ellos por la reabsorción. De esta forma, 
no solo se acumularán estos compuestos en el organismo, sino que parte de su toxicidad puede 
ser debida a que provocan la pérdida de los metabolitos correspondientes en la orina. El agua y 
los iones cloro son pasivamente reabsorbidos como resultado de los gradientes osmótico y 
electroquímico generados por el transporte activo de sodio y potasio. La reabsorción de 
xenobióticos es en la mayoría de los casos pasiva. Los compuestos lipofílicos, al atravesar 
mejor las membranas, se reabsorben en mayor proporción que los xenobióticos polares o 
desechos endógenos, y la excreción renal de xenobióticos lipofílicos es proporcionalmente 
menor. 
 Una forma de describir cuantitativamente la excreción renal de sustancias es mediante 
los valores de aclaramiento renal. Se denomina aclaramiento renal (Clr) al resultado neto de (a 
+ b – c), y se calcula como: 
 
 
 
 
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 Co x Vo/t 
 Clr = ------------------ 
 Cp 
Donde Co y Cp se refieren a la concentración del Xb en orina y plasma, respectivamente 
Vo/t es el volumen de orina eliminado en un tiempo determinado (mL/min). 
 
 
Factores que afectan a la excreción renal de xenobióticos. La proporción de eliminación renal de 
la mayoría de los xenobióticos depende en gran medida de 2 factores: 
a.- Características del xenobiótico (carga, relación hidrofóbico/hidrofílico, grupos funcionales, 
estructura, etc.) 
b.- Factores fisiológicos: 
 * La proporción del filtrado glomerular , el cual depende a su vez, de la sangre que 
llega al riñón (relativamente constante en sanos, aprox. 1160 ml de sangre/min) 
 * La concentración de xenobiótico libre en plasma. Esta última depende de la dosis, 
grado de absorción, unión a proteínas plasmáticas o portadores y de la polaridad de los 
compuestos en cuestión. 
 * El grado de metabolización de un xenobiótico es frecuentemente el paso limitante en 
la excreción del mismo. Los compuestos lipofílicos que son metabolizados a compuestos más 
polares son realmente excretados, mientras que los compuestos lipofílicos (distribuidos en un 
mayor volumen de tejido) excretados en orina serán solamente los sobrantes. 
 * Otro factor que puede afectar la excreción de xenobióticos en orina es el pH. Esto es 
particularmente importante en aquellos compuestos sometidos a reabsorción tubular en la forma 
no-iónica y excreción en la forma ionizada. Ocurre cuando la constante de disociación (pKa) del 
compuesto está en el rango de pH del fluido tubular, entonces la fracción de ácido débil 
excretada o reabsorbida puede estar muy alterada por una manipulación relativamente suave del 
pH del fluido tubular. 
 
EXCRECION POR HECES Y BILIAR 
 
1. Las heces son otra ruta importante de excreción. Consisten de la ingesta no absorbida, 
secreciones biliares, secreciones intestinales y microflora. Cualquier dosis oral que no se 
absorbe se elimina con las heces y no existe la absorción 100%. La flora microbiana puede 
bioacumular compuestos y como parte de ella es eliminada en las heces, esto contribuye a la 
excreción de tóxicos. Hay también una pequeña contribución de la difusión pasiva de algunos 
compuestos de la sangre al intestino. 
 
 
 
 
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2. La bilis contribuye a la excreción de los metabolitos formados en el hígado. La excreción 
mediante bilis es una protección más eficaz que la renal frente a la toxicidad, puesto que 
implica una exposición menor de los tejidos a la sustancia tóxica. El hígado tiene una 
situación ideal para su papel en el metabolismo de nutrientes y destoxificación de 
xenobióticos que pueden ser absorbidos con los nutrientes. Los productos del metabolismo 
hepático (nutrientes o tóxicos) pueden ser liberados a la sangre circulante (excreción renal) o 
excretados en la bilis. Las substancias con peso molecular mayor a 350 se excretan más 
fácilmente por esta vía. 
 
 El hígado secreta de 0,25 a 1 litro de bilis al día. La secreción de bilis se cree que es un 
producto: 
a) del transporte activo de ciertos compuestos ionizados (generalmente moléculas anfipáticas), 
como ácidos grasos, sales biliares y colesterol (endógenos)y conjugados de xenobióticos 
lipofílicos (origen exógeno), de Pm adecuado para la excreción biliar (≈500Da) e ionizados 
en más de un 99% a pH fisiológico (pK 3-4). 
b) del transporte pasivo de otros solutos (Na, K, Cl) y agua, los cuales siguen una 
concentración de gradiente electroquímico. 
Una vez formada la bilis pasa al intestino para ser excretada con las heces. La microflora 
intestinal biotransforma algunos compuestos que van en la bilis y los metabolitos resultantes 
pueden ser reabsorbidos y llevados de nuevo al hígado. Este fenómeno, como se mencionó 
anteriormente, se conoce como el ciclo enterohepático y es la causa de que se incremente la 
permanencia del tóxico en el organismo. 
 
 
Circulación enterohepática 
 Las sales biliares en forma no ionizada, son reabsorbidas con los constituyentes grasos 
de la dieta por un mecanismo conocido como circulación enterohepática. La mayoría del 
material reabsorbido es devuelto al hígado pero una parte puede entrar en la circulación general 
para ser finalmente excretada por el riñón. 
Algunos compuestos químicos, especialmente nitrobencenos, se sabe que son más 
tóxicos como resultado de la acción microbiana intestinal sobre metabolitos excretados en la 
bilis y reabsorbidos en la circulación enterohepática. La acción de otras drogas y compuestos 
químicos son ampliadas e intensificadas como resultado del tiempo pasado en la circulación 
enterohepática. Al prolongar la duración de la acción del xenobiótico, puede concluirse con el 
envenenamiento acumulativo de las células del hígado. 
 
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ABSORCIÓN
RUPTURA
ENZIMÁTICA DEL
GLUCURÓNIDO
VERTIDOS DE
LA VESICULA BILIAR
METABOLISMO
EXCRECIÓN
RENAL
XENOBIÓTICO EN
CIRCULACIÓN
CONJUGADO
EN HÍGADO
XENOBIÓTICO
EN INTESTINO
CONJUGADO
EN BILIS
CONJUGADO EN
INTESTINO
EXCRECIÓN EN
HECES
CIRCULACIÓN ENTEROHEPÁTICA
 
 
EJEMPLOS DE LA EXCRECION RENAL / HEPÁTICA DE XENOBIOTICOS 
ORGÁNICOS 
 El hígado y riñón son los únicos órganos implicados en una gran proporción en la 
excreción activa, es decir, en contra de un gradiente de concentración o electroquímico mediado 
por un mecanismo fisiológico específico. Muchos otros órganos y tejidos están también 
implicados en la eliminación de xenobióticos como se verá mas tarde. En estos casos la 
eliminación suele ser pasiva e implica funciones distintas a las del propio órgano. La excreción 
biliar y renal son semejantes y a menudo complementarias, siendo la mayoría de los 
xenobióticos tóxicos excretados y degradados por ambas rutas. Por ello se discuten a 
continuación ambas excreciones juntas. 
1.- Efecto de la solubilidad y polaridad sobre la absorción y excreción 
 a) El primer requisito para la absorción de un xenobiótico es la solubilidad en un medio 
hidrofóbico. Los compuestos insolubles o poco solubles en dicho medio son pobremente 
absorbidos y rápidamente excretados. Un ejemplo son los xenobióticos polares tóxicos, como 
 los herbicidas diquat y paraquat (fuertemente ionizados). Debido a la escasa absorción, una 
dosis oral de estos herbicidas se elimina en primer lugar en las heces, pero la dosis inyectada se 
elimina rápidamente en la orina. El paraquat resulta tan tóxico que incluso a pesar de la 
absorción escasa una pequeña dosis oral puede tener graves consecuencias. 
 b) Sin embargo, muchos compuestos que se absorben con facilidad son suficientemente 
polares para ser excretados rápidamente por la orina antes de cualquier conversión a un 
compuesto más polar. Un ejemplo son ciertos aditivos alimenticios no nutritivos tales como 
colorantes y sacarina. Otros ejemplos más tóxicos son los herbicidas ácidos fenoxiacéticos, 2,4-
D y 2,4,5-T, numerosas drogas y algunos fenoles halogenados. 
a) b) 
 
 
+ 
N 
+ 
N 
2 Br
-
 
DIQUAT (Pm 182 Da) 
Cl 
Cl 
Cl 
OCH2COOH 
Ac. 2,4,5-triclorofenoxiacético, Pm 255,5 Da 
 
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2.- Facilitación metabólica de la excreción 
a) DEGRADACIÓN . Algunos xenobióticos tóxicos, tales como muchos insecticidas, ciertas 
drogas, químicos industriales, así como tóxicos producto de procesos industriales, son 
compuestos bastante lipofílicos. Muchos compuestos de éste tipo, incluyendo los insecticidas 
carbamato y fosfato, fitotoxinas, micotoxinas y ciertas drogas que deben ser metabolizadas antes 
que excretadas, se degradan a moléculas más pequeñas, más polares que pueden ser 
excretadas directamente o conjugadas a metabolitos polares endógenos para facilitar la 
excreción. Gran parte de este metabolismo ocurre en el hígado. Los productos suelen ser 
moléculas relativamente pequeñas que se excretan principalmente a la orina, pero otra parte 
puede ser excretada a la bilis y los metabolitos volátiles y dióxido de carbono pueden ser 
exhalados por los pulmones. 
b) OXIDACIÓN . Los hidrocarburos cíclicos y policíclicos no están normalmente sujetos al 
metabolismo degradativo. Los xenobióticos cíclicos se metabolizan frecuentemente a 
compuestos más polares por procesos oxidativos que introducen un grupo hidroxilo en el anillo 
o metabolizan una cadena lateral a ácido orgánico. Las enzimas más implicadas en este 
metabolismo de xenobióticos cíclicos son las monooxigenasas hepáticas. Los productos de estas 
reacciones enzimáticas pueden ser suficientemente polares para ser excretados en parte antes de 
su conjugación con grupos más polares como ác. glucurónico, pero con mas frecuencia un 
compuesto cíclico hidroxilado es excretado como un conjugado, bien por la bilis (heces) o por 
la orina (la mayoría). 
3.- Excreción de xenobióticos pobremente metabolizados 
 La halogenación es una forma de inhibir la degradación física y biológica de 
hidrocarburos cíclicos y policíclicos. La halogenación supone, al mismo tiempo, un incremento 
de la lipofilicidad y Pm del compuesto lo que disminuye la volatilidad del mismo. Así, estos 
compuestos se han utilizado mucho en la industria (bencenos polihalogenados, bifenilos y 
naftalenos) y agricultura (insecticidas clorados, como el DDT), por lo que están muy 
extendidos en el medio. 
 Debido a su resistencia a metabolizarse, parte de estos compuestos puede ser 
almacenada en tejido adiposo o hígado, dependiendo de su lipofilicidad. Compuestos 
completamente halogenados tales como hexaclorobenceno, o compuestos cuyo átomo de 
halógeno esta idealmente colocado para impedir su metabolismo, tales como bifenilos 
policlorados y polibromados, nunca se excretan adecuadamente y se almacenan en tejido 
adiposo y capas de la piel durante la vida media de exposición del animal. Los xenobióticos 
polares que se metabolizan peor, se almacenan a altas concentraciones en hígado y otros tejidos 
y se excretan lentamente en las heces debido a su equilibrio pasivo con la bilis y contenido 
intestinal. Se excreta muy poco en orina. 
 
 
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4.- Efecto del peso molecular sobre la excreción 
 Además de los factores vistos hasta ahora, el Pm puede influir en la excreción por orina 
o heces. Así, se ha publicado que el Pm crítico a partir del cual existe una excreción 
significativa por heces es 325 para la rata y 475 para conejos y humanos. Esta relación es 
dramática en algunos conjugados glucurónicos, sin embargo no siempre se mantiene. Hay un 
número de polímeros solubles en agua, de Pm 25000, que se excretan fácilmente en orina. 
 Muchos compuestos orgánicos aumentan su solubilidad en lípidos al aumentar su Pm. 
Este aumento es especialmente dramático cuando se añade Pm en forma de halógeno. Por ello, 
el aumento del Pm de bifenilos policlorados y otros compuestos aumenta su excreción en bilis 
contra orina al aumentar la solubilidad en lípidos y por ello la reabsorción de los túbulos 
renales. Los polímeros solubles en agua excretados en la orina pueden ser demasiado polares o 
demasiado grandes para ser reabsorbidos de los túbulos. 
RELACIÓN ENTRE EL PESO MOLECULAR DE ALGUNOS BIFENIL OS Y 
BIFENILOS-GLUCURÓNICOSY SU RUTA DE EXCRECIÓN EN RATAS 
 
Substancia 
 
Peso molecular 
Excreción (%) 
orina heces 
Bifenilo 154 80 20 
4-monoclorobifenilo 188 50 50 
4,4’-biclorobifenilo 223 34 66 
2,4,5,2’,5’-pentaclorobifenilo 326 11 89 
2,3,6,2’,3’,6’-hexaclorobifenilo 361 1 99 
Monoclorobifenilo-Glucurónico 347 80 20 
Biclorobifenilo-Glucurónico 381 50 50 
Pentaclorobifenilo-Glucurónico 519 10 90 
 
 
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ELIMINACION DE XENOBIOTICOS 
 Se define como el movimiento pasivo de xenobióticos del cuerpo, generalmente 
asociado a la eliminación de otras sustancias en el tejido implicado. Sería así un proceso 
secundario a la excreción (función primaria que implica gasto de energía al mover el 
xenobiótico en contra de gradiente de concentración). Algunos órganos y tejidos que no de 
forma principal pero sí están implicados en la eliminación de xenobióticos son: 
a) Pulmones: Cualquier compuesto en sangre suficientemente volátil (CH3-CCl3) pasará a través 
de la membrana alveolar a los pulmones (difusión pasiva) y será exhalado. El grado de 
eliminación dependerá de la solubilidad en sangre, volumen de respiración y el flujo de sangre a 
los pulmones. La baja solubilidad en sangre permite una excreción rápida y está limitada por la 
perfusión (flujo de sangre), mientras que para los compuestos con una alta solubilidad en sangre 
su excreción está limitada por la ventilación. Entre los compuestos que salen principalmente por 
exhalación se encuentran gases anestésicos (éter), pesticidas fumigantes (paraquat), algunos 
solventes orgánicos volátiles, y metabolitos volátiles de algunos xenobióticos no volátiles. 
b) Eliminación ligada al sexo: Ciertas rutas de eliminación de xenobióticos lipofílicos, como 
son la leche, huevos y fetos, están restringidas a las hembras de las especies. En muchos casos 
con cierto perjuicio para su salud. El pH ligeramente menor de la leche, con respecto al plasma, 
facilita la excreción de algunos compuestos básicos, pero también se pueden excretar algunos 
compuestos liposolubles e iones similares al calcio. 
c) Eliminación alimenticia: La mayoría de la eliminación de xenobióticos por el tracto 
alimenticio es pasiva y dependiente de factores ya mencionados: polaridad, tamaño molecular y 
grado de ionización del Xb así como del volumen y pH del fluido biológico. Hay tres pasos 
importantes: 
1.- La saliva. Se han detectado muchos xenobióticos en la saliva como pesticidas halogenados 
(DDT), y compuestos tóxicos inorgánicos como mercurio, cadmio y estroncio. 
2.- La mucosa gástrica e intestinal: juegan un papel muy importante, sino el que más, en la 
eliminación de xenobióticos inorgánicos, tales como mercurio, cadmio y plomo. No se conoce 
bien el mecanismo pero las células del intestino que se desprenden parecen ser las mayores 
fuentes del mercurio fecal. 
3.- Finalmente, los xenobióticos lipofílicos son lentamente eliminados del intestino por la 
constante renovación del contenido intestinal y el equilibrio pared intestinal/contenido, por un 
mecanismo de difusión pasiva. Entre estos xenobióticos se encuentra la tetracloro 
dibenzodioxina y kepone. 
 
 
 
 
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RUTAS OSCURAS DE ELIMINACION DE XENOBIOTICOS 
 Como ya se ha dicho anteriormente, cualquier xenobiótico puede difundir pasivamente 
por una membrana celular y establecer un equilibrio de concentración entre el contenido de la 
célula y la sangre. Si los contenidos de las células son excretados, secretados o perdidos, 
cualquier xenobiótico asociado sufrirá la misma suerte. Así no debe sorprender que 
xenobióticos tóxicos se puedan eliminar por el sudor y piel grasa así como pelo, piel y uñas. 
 En las células con función secretora, se mantiene un gradiente favorable de eliminación 
pasiva de xenobióticos por la constante renovación del contenido celular. 
 
1.- Las glándulas sudoríparas eliminan un gran número de iones metálicos y compuestos 
liposolubles no disociados que pueden causar dermatitis. Los xenobióticos polares son 
escasamente eliminados. 
2.- Las glándulas sebáceas segregan aceites que se almacenan en la piel y pelo blando y 
flexible. Estas secreciones son mucho más lipofílicas que las del sudor y son responsables de los 
compuestos lipofílicos, insecticidas halogenados, y bifenilos policlorados detectadas en 
muestras de piel humana procedentes de polución general así como del pelo de animales de 
laboratorio tratados con estos compuestos (pueden causar dermatitis). 
3.- Las células responsables del crecimiento del pelo, piel y uñas mantienen un gradiente 
favorable de eliminación de xenobióticos por su constante renovación. Muchos elementos 
tóxicos, incluyendo selenio, mercurio y arsénico, tienen particular afinidad por las proteínas del 
pelo (grupos SH) y se han detectado a concentraciones proporcionales a la dosis recibida. 
Además, ciertos xenobióticos orgánicos, como bromobenzeno, se eliminan también en el pelo. 
 
En cualquier caso, el beneficio que ofrecen al individuo las eliminaciones por estas vías 
oscuras es escaso. Pueden ser útiles para estimar la carga de ciertos Xb tóxicos en el cuerpo.