Lectura adicional S07 - Bioactivación y Detoxicación

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 TEMA 6 .- BIOACTIVACIÓN Y DETOXICACIÓN: Biotransformaciones de XBs. Compuestos biodegradables y no 
biodegradables o persistentes: bioacumulación y biomagnificación. Rutas para la biotransformaciones de XBs. Reacciones de fase 
I y de fase II. Transformaciones de activación y de detoxicación. 
 
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 son 
biodegradables. Existe un conjunto de enzimas en los organismos que es más responsable de las biotransformaciones de XBs. 
METABOLISMO Y BIOTRANSFORMACION 
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.: 
enzima 
Sustrato ---------------------------� 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. 
Biotransformación: Cualquier 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 mas estudiado para muchos xenobióticos en muchos tipos 
diferentes de organismos (fundamentalmente µorganismos). 
 
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Biodegradación: El 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. 
Algunos compuestos estimulan la síntesis de enzimas implicadas en la biotransformación de XBs. Este proceso conocido 
como inducción enzimática es una respuesta reversible y adaptativa a la exposición a XBs. La inducción enzimática hace posible 
que algunos XBs aceleren su propia biotransformación y la biotransformación de otros compuestos. Se estudiará este proceso en 
relación con las enzimas tipo Cit. P-450 y algunas conjugasas. 
 
 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 los órganos 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). 
 
 Este fenómeno se produce generalmente para los compuestos que en su paso por el organismo no son degradados, sino que 
son persistentes, porque no son abordados por los sistemas de biotransformación. En general son muy persistentes los 
hidrocarburos, mas si son policíclicos y si están halogenados y son menos persistentes los carbamatos y los organofosforados Estos 
compuestos XBs persistentes en el medio, se van acumulando desde entornos acuosos hasta los tejidos de las diferentes especies, 
conduciendo a un fenómeno de bioconcentración de los XBs. La acumulaciónde un compuesto en los tejidos de cualquier 
organismo para conseguir un nivel mayor que el que tiene el medio ambiente del entorno. 
BCF: factor de bioconcentración = razón entre las [ ] y BAF: factor de bioacumulación = razón entre las 
concentraciones del organismo/agua o medio, cuando hay un eslabón alimenticio intermediario. 
Las especies correspondientes a los eslabones superiores de las cadenas tróficas suelen soportar los niveles más altos de los XBs 
acumulados. Se denomina biomagnificación a los procesos de bioconcentración y bioacumulación que se producen en los 
organismos de una secuencia trófica a través de la cadena alimentaria. Ver pirámides invertidas de biomasa y de contenido en XBs o 
el Proceso de bioacumulación para TCDDs. 
Ejemplo de Biomagnificación de TCDDs (persistentes) 
Suelo superficial 150 pg/g 
Hierba 270 pg/g 
Hierba (Seveso) 100 pg/mg = ng/g 
Hígado conejos 433-633 ng/g 
Granja Seveso pollos 35-24 ng/g 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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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 mas 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 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EXCRECCIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ejemplos de biotransformaciones: 
 
La hidroxilación en el anillo de aminas aromáticas 1ªs conduce a su destoxicación, mientras que la hidroxilación en el N de la aminas 
primarias conlleva activación. Los estudios pioneros de James y Miller (años 40-50) con el colorante N-(CH3)2-4-amino-azo-
benceno (DAB), un hepatocarcinógeno en ratas, demostraron la conversión “in vivo” del compuesto químico a productos derivados 
que eran los que se unían a Ac. nucleicos y proteínas, los carcinógenos. 
 El �-naftil-amino tiende primero a ser metabolizado antes que a causar cáncer de vejiga y el 2-Acetilaminofluoreno (2-
AAF) sólo es carcinógeno después de su biotransformación a N-OH-AAF. Estos hechos establecen la importancia de la activación 
metabólica en la carcinogénesis inducida químicamente. 
 
DETOXICACIÓN: La 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. 
 
 La Detoxicación, sigue diversos caminos en dependencia de la naturaleza química del XB. 
 
- Detoxicación con grupos no funcionales benceno, tolueno requiere 2 fases 
- Detoxicación de nucleófilos -OH, -SH, -NH2 conjugación: S, Glu, Ac. 
- Detoxicación de electrófilos iones -GSH, epoxi hidrolasa, H-quinona y DT-diaforasa 
- Detoxicación de radicales libres HO. Glutation (-GSH) 
 
Efectos farmacológicos 
METABOLITOS 
NO TÓXICOS 
METABOLITOS 
TÓXICOS o 
REACTIVOS 
XENOBIÓTICOS 
DNA alterado 
 
Daños en el DNA 
Esquema de biotransformaciones: activaciónes y desactivaciones 
Reacciones metabólicas 
BIOTRANSFORMACI ONES 
XBs en TORRENTE 
 CIRCULATORIO y 
TEJIDOS 
ABSORCIÓN 
DETO 
XIFICA
CIÓN 
TOXI 
FICACI
ÓN 
ACTIVACIÓN 
DESACTVACIÓN 
Efectos patológicos 
Reparación 
celular: DNA 
y proteínas 
Se unen a componentes 
celulares: Enzimas, 
Receptores, 
Membranas, DNA, 
Replic
ación 
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BIOACTIVACIONES: Producen 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. 
REACCIONES DE BIOACTIVACIÓN más frecuentes Enzimas 
Oxidación Cit P450, FMO, Alcohol y aldehido deshidrogenasa, PGSintasa 
Des-conjugación B-liasa de XB- conjugados 
Microflora intestinal Hidrolasas y reductasas. 
 
Ejemplos de reaciones: 
AMINAS PRIMARIAS N-hidroxilación 
HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS Derivados epoxi 
DERIVADOS AZO-BENCENO Radicales 
PCDD Y PCBs COPLANAR 
Todos forman metabolitos reactivos carcinógenos, sustancias 
electrófilas que se unen al DNA. 
 
Otras biotransformaciones que son reacciones de bioactivación, 
son las de oxidación de los organofosforados, i.e., la oxidación 
del insecticida parathion en paraoxon (cambia un >P=S por un 
>P=O). El parathion es un organotiofosfato, cuya neurotoxicidad 
radica en la inhibición de la aceilcolinesterasa (AChE). La afinidad de la enzima por el paraoxon (metabolito) es muy superior que la 
que mantiene por el precursor. La reacción de oxidación que transforma al tóxico en un compuesto mas hidrosoluble y mas 
excretable, le convierte también en un compuesto más tóxico. El paraoxon, no obstante, puede ser hidrolizado y como consecuencia 
pierde su efecto tóxico sobre la AChE. 
Los nitritos y las aminas forman fácilmente carcinógenos en el organismo. Conversión de nitrato, vía nitrito en 
nitrosamina cancerígena. La formación de nitrosamina puede tener lugar en el estómago (pH) después del consumo de 
alimentos ricos en nitratos (espinacas), junto con un componente de la dieta que contenga aminas, que pueden nitrosilarse. 
Las nitrosaminas son carcinogénicas porque sus metabolitos son muy reactivos, por ejemplo la hidroxilación de las N-
nitrosaminas procura procesos de metilación sobre las bases nitrogenadas en el DNA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PRINCIPALES RUTAS PARA LA BIOTRANSFORMACIÓN DE XENOBIÓTICOS 
Las reacciones de biotransformacion son conversiones enzimáticas de sustancias xenobióticas lipofílicas hacia productos 
hidrofílicos, generalmente, mas eliminables o excretables. Las reacciones son a veces son coincidentes con las que sufren los 
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productos metabólicos endógenos (Vit. D, prostaglandinas, ). 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 mas polares y por lo tanto algo más solubles en agua, mediante las reacciones llamadas de FASE I, 
(oxidaciones, reducciones e hidrólisis). Muchas de estas reacciones tienen lugar bajo lacatálisis de enzimas componentes de los 
sistemas llamados oxidasas de función mixta (OFM), distribuidas 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 conllevar una mayor capacidad tóxica. Las oxidaciones incluyen todas las monooxigenasas dependientes del Cit P-450, las 
monooxigenasas que contienen nucleótidos de flavina y otras (ver tabla adjunta). 
 Son muchas las reacciones de 
oxidación que conllevan la bioactivación de sus 
sustratos por la formación de puentes epoxi. Este 
es el caso de los XBs con anillos aromáticos, 
cuya oxidación a derivados hidroxi pasa por la 
formación de intermediarios muy reactivos, 
epoxis. Estos epoxi no son estables y la mayor 
parte derivan hacia fenoles. 
A causa de su carácter electrófilo, los epoxi pueden también reaccionar con grupos nucleofílicos en biomoléculas como las proteínas 
o el DNA, que pueden inducir daño en dichas moléculas. Algunas de estas reacciones en el DNA pueden producir alteraciones que 
eventualmente deriven en cáncer. Muchas de las conocidas bioactivaciones carcinogenéticas pasan por la producción de un 
intermediario reactivo electrofílico. 
 
Las reacciones de FASE II son reacciones de conjugación (glucuronidación, sulfonación y 
conjugación con GSH – con formación de Ac. Mercaptúrico-), donde los XBs polares, son conjugados 
con sustancias endógenas hidrofílicas (ac. glucurónico, sulfato, glutation). 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. 
 
Fase III.- después de las modificaciones 
Después de las reacciones de fase II, los conjugados de xenobióticos pueden sufrir aún más 
modificaciones. Un ejemplo muy común es el procesado de los conjugados de glutation hasta acetil-
 XENOBIÓTICOS 
lipofílicos polares hidrofílicos
 
FASE II + 
hidrofílicos 
(bioanactivación) 
MOVILIZACIÓN EXTRACELULAR 
circulación plasmática 
Excrección biliar excrección renal 
altamente lipofílicos 
metabólicamente estables 
BIOACUMULACIÓN 
acumulación de XBs 
en lípidos del cuerpo 
FASE I: + polares 
bioinactivación o activación 
OXIDACIÓN, REDUCCIÓN 
HIDRÓLISIS 
polares 
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cisteinil-derivados (ácidos mercaptúricos). En estos casos, los residuos de γ-glutamato y glicina en la 
molécula de glutation son hidrolizados por la Gamma-glutamil transpeptidasa y las dipeptidasas. En el 
paso último, la cisterna es acetilada en el conjugado. Los conjugados y sus metabolitos pueden ser 
excretados desde las células en la fase III de su metabolismo, con los grupos aniónicos actuando como 
marcadores de afinidad para una serie de transportadores de membrana de la familia proteina resistente a 
multi-XBs (MRP). Estas proteínas son miembros de la familia de transportadores transmembrana que 
unen ATP y pueden catalizar el transporte dependiente de ATP de una estrecha variedad de aniones 
hidrofóbicos, y así actuar para extraer productos de la fase II hacia el medio extracelular, donde pueden 
ser posteriormente metabolizados o excretados. 
MRP: P-glicoproteína: es una proteína humana transportadora de la subfamilia MDT/TAP. Está muy 
distribuida y se expresa en células normales tales como intestino, hígado, células proximales de riñón, 
endoteliales capilares y células de la barrera hemato-encefálica. También se expresa en células de la línea 
P-gp, denominadas cómo ABCB1, miembro 1 de la sub-familia B de las transportadoras dependientes de 
ATP, MDR1, y PGY1. la glicoproteina P también se la designa cómo CD243 (grupo de diferenciación 
243). 
ATP-binding cassette transporters (ABC-transportadores) son miembros de una superfamilia, 
una de las más abundantes, y más antiguas (ancestrales) familias con representación en todos los 
organismos, desde procariotas a humanos. Estas son unas proteínas transmembrana que funcionan en el 
transporte de de una amplia variedad de sustratos a través de las membrana extra e intracelulares, 
incluyendo productos metabólicos, lípidos y esteroles, y drogas. Las proteínas son clasificadas cómo 
ABC transportadores basado en la secuencia y organización de su dominio de unión al ATP(s), también 
conocido como plieges de unión a nucleotidos (NBFs). ABC transportadores están implicados en 
resistencia de tumores, fibrosis cística, resistencia multi-drogas bacteriana y un rango de otras 
enfermedades humanas heredables.