Toxicodinamia: Mecanismos de Ação de Agentes Tóxicos

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TOXICODINAMIA 
 
Prof. Dra. Alicia G. Faletti 1 
 
Autor: Dra. Alicia G. Faletti 
Cátedra: Toxicología 
Departamento: Toxicología y Farmacología 
Facultad de Medicina, UBA 
 
 
El término Toxicodinamia describe el o los mecanismos moleculares responsables del daño producido 
por un agente tóxico determinado (xenobiótico) sobre un organismo vivo. El mecanismo de acción de un 
xenobiótico depende de cómo el agente entra al organismo, como interactúa con las moléculas blanco y como 
el organismo responde al daño. Pero definitivamente, la Toxicodinamia describe las interacciones entre el 
xenobiótico y la molécula blanco (macromoléculas celulares) del organismo expuesto, lo que se 
denomina sitio o blanco de acción. Esta interacción puede ser física o química y el resultado puede ser un 
cambio estructural y/o funcional. Las macromoléculas celulares tales como proteínas, canales iónicos, ADN o 
receptores, son el blanco biológico de los xenobióticos y sus intermediarios reactivos. Los mecanismos de acción 
de los xenobióticos y sus intermediarios reactivos, según sus propiedades químicas, determinará qué 
macromoléculas o receptores serán el blanco y el efecto tóxico a nivel celular. El conocimiento y comprensión de 
estos mecanismos de acción nos permiten diseñar un tratamiento adecuado, y si es posible, específico, para 
evitar, bloquear o contrarrestar eficazmente el daño generado. 
 
 
¿Cómo se estudia la acción de un tóxico? 
 
El conocimiento y comprensión de estos mecanismos deriva de distintos tipos de estudios donde cada uno 
de ellos tiene distintos alcances y variadas limitaciones por lo que se requiere de una cuidadosa evaluación e 
interpretación de todos los datos y de los distintos métodos de estudio para obtener conclusiones válidas. Estos 
estudios son: 
 
− Estudios toxicológicos en animales: se usan para predecir efectos sobre humanos y conocer los 
mecanismos patógenos. Estos métodos incluyen técnicas imposibles de utilizar en humanos, como el uso 
de distintas dosis, tiempos de exposición, y con una gran batería de blancos. Con estos estudios se pueden 
extrapolar al efecto humano ya que se selecciona la o las especies que responden en forma similar al 
humano. Si bien la extrapolación cualitativa es posible, la extrapolación cuantitativa no, dada las distintas 
sensibilidades inter-especies o inter-tejidos. Estos estudios han aportado muchos conocimientos en una gran 
variedad de agentes y han permitido predecir daños posibles a la comunidad humana. 
 
− Exposiciones controladas en humanos: consisten en estudiar los efectos de aquellos agentes tóxicos a 
los que la población humana está expuesta en ambientes laborales, aunque también involucran aquellos 
estudios que se realizan en voluntarios. Estas investigaciones se realizan siguiendo reglas y protocolos 
estrictos relacionados a dosis, tiempo de exposición, etc., establecidos y regulados por entidades oficiales 
nacionales e internacionales. Son de gran utilidad dado que tiene la ventaja de ser en la especie que nos 
interesa, eliminando el problema de la extrapolación. Además, con este método se puede estudiar mejor los 
mecanismos del efecto tóxico en los llamados grupos sensibles. Igual que antes, en estos estudios existen 
numerosas limitaciones y problemas éticos. Hay limitaciones también en el blanco biológico elegido para 
estudiar, aunque la tecnología actualmente nos permite mayor alcance en los estudios, dada la existencia 
de numerosos biomarcadores que hoy en día se pueden usar. También existen limitaciones con el tipo de 
agente tóxico que se pueden usar dado sus efectos irreversibles finales. Por último, el costo de tales estudios, 
el número limitado de sujetos que se pueden utilizar y la imposibilidad de estudiar exposición crónica son 
grandes problemas en estudios con humanos. 
 
− Estudios epidemiológicos: tienen la ventaja de revelar asociaciones entre la exposición de uno o varios 
agentes y la salud o el efecto sobre una comunidad o población de interés. Como estos datos son generados 
directamente por una exposición sobre un gran número de sujetos, son de gran utilidad para la comunidad. 
Una de las limitaciones que tienen estos estudios es la imposibilidad de separar un determinado agente de 
otro co-contaminante y de ciertas condiciones especiales (meteorológicas, etc.) de la exposición. Sin 
embargo, son de gran utilidad si el análisis de los datos se realiza teniendo en cuenta todos los factores. 
 
− Estudios en plantas: el estudio de la patología en plantas también revela los efectos de los agentes sobre 
la vegetación nativa y comercial. Si bien pueden estar afectadas por distintos mecanismos, las plantas 
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también pueden actuar como centinelas sensibles, advirtiéndonos sobre el impacto en la población, 
especialmente en ambientes de trabajo o entornos contaminados. 
 
− Estudios mecanísticos: se realizan in vitro con cultivos celulares, explantes de tejidos de distintos orígenes, 
órganos enteros o microorganismos. Nos permite conocer las modificaciones inter e intracelulares que causa 
la exposición a un xenobiótico y el blanco de acción. La principal limitación es que no se trata de un organismo 
entero por lo que es difícil extrapolarlo o relacionarlo con el organismo de interés y no resulta para estudios 
de exposición crónica o repetitiva. 
 
 
Tipos de agentes tóxicos 
 
La intensidad de un efecto tóxico depende, entre otros factores, de la concentración y persistencia del 
agente sobre el sitio de acción. Cuando las alteraciones inducidas por el tóxico exceden la capacidad de 
reparación del daño, los mecanismos de adaptación por el cambio o los mecanismos de compensación de la 
alteración producida, se genera “toxicidad”. La concentración del agente tóxico que llega al blanco depende de 
los procesos de absorción, distribución, reabsorción, biotransformación (si necesita activarse), excreción y 
desintoxicación. 
 
 El agente que interactúa con el blanco no siempre es el agente original al que un organismo estuvo 
expuesto. Muchas veces, el que interactúa es un metabolito del agente original o una especie generada por el 
agente original debido a su biotransformación o por inducir otras reacciones tales como especies oxigenadas o 
nitrogenadas. 
 
 Durante la biotransformación del xenobiótico, como ya vimos en el capítulo anterior, se puede originar 
un metabolito más tóxico que el original. Este proceso, llamando activación metabólica, genera productos que se 
deben tener en cuenta durante el estudio de toxicodinamia ya que ambos agentes, el original y su metabolito, 
o los productos que genera su biotransformación, pueden tener mecanismos diferentes de toxicidad. 
 
 La interacción del xenobiótico y/o sus intermediarios reactivos con las macromoléculas celulares puede 
ser de dos tipos: reversibles o irreversibles. Las interacciones reversibles no son permanentes y se recupera el 
blanco. La mayoría de los efectos tóxicos son reversibles y no causan daño permanente, aunque a veces la 
recuperación completa lleva mucho tiempo. Sin embargo, las interacciones irreversibles son permanentes y una 
vez que ocurren no pueden recuperarse. Muchos intermediarios reactivos causan interacciones irreversibles con 
macromoléculas especialmente con el ADN. Los ejemplos clásicos de este tipo de interacción son los causados 
por los metabolitos electrofílicos, generados por las enzimas del citocromo P450 (CYPs), quienes reaccionan con 
el ADN provocando mutaciones y eventualmente carcinogénesis por acumulación con el tiempo de las lesiones 
moleculares. 
 
 Los mecanismos de toxicidad dependen del tipo de molécula que sea el agente tóxico o del tipo de 
especie que genere el agente tóxico. Los distintos agentes tóxicos pueden ser: 
 
− Moléculas neutras sin grupo funcional: estas moléculas tienen diversos mecanismos de acción 
dependiendo de su masa molecular, propiedades físico-químicas, etc. En este grupo se incluyencompuestos 
alifáticos o aromáticos, tales como los solventes ciclohexano, tolueno, benceno, u otros hidrocarburos, etc. 
 
− Moléculas electrofílicas: Son moléculas que contienen un átomo deficiente de electrones con una carga 
parcial o total positiva que hace que reaccione para compartir con algún otro átomo con características 
nucleofílicas. Estos compuestos se producen por el agregado de un átomo de oxígeno (u otro 
electronegativo) que se lleva electrones de otro átomo. Los ejemplos más comunes son cuando se forman 
aldehídos, cetonas, epóxidos, etc. La formación de muchos de estos agentes electrofílicos es catalizada por 
alguna de las enzimas pertenecientes a la familia de enzimas CYPs. 
 
− Moléculas nucleofílicas: son moléculas ávidas de núcleos por lo que tienen una gran densidad de carga 
negativa y reaccionan con algún átomo con características electrofílicas. Ejemplos: i) formación de cianuro a 
partir de amigdalina catalizada por la bacteria -glucosidasa en el intestino; ii) formación de monóxido de 
carbono (CO) a partir de los dihalometanos que sufren deshalogenación oxidativa. 
 
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− Moléculas susceptibles a reacciones de óxido-reducción: son aquellos agentes oxidantes o reductores 
que intervienen en reacciones redox con sustancias endógenas. Ejemplos: i) formación de nitritos (NO2-) a 
partir de nitratos (NO3-) por reducción bacteriana en intestinos; ii) cromo (VI), que se reduce a cromo (V) por 
ácido ascórbico o reductasas endógenas; iii) agentes oxidantes como las quinonas que oxidan la 
hemoglobina a metahemoglobina. 
 
− Toxinas proteicas: son generalmente polipéptidos o venenos proteicos de origen animal con variado tamaño 
y masa molecular. Tienen mecanismos de acción específicos. Ejemplos: toxina botulínica o tetánica, 
micotoxinas (aflatoxinas), toxinas marinas (saxitoxinas, tetradotoxina), etc. 
 
− Radicales libres: un radical libre es una especie (átomo, molécula) que contiene uno o más electrones 
desapareados en su orbital más externo. Los radicales libres son formados por aceptar o perder electrones 
o por fusión hemolítica de un enlace covalente. Pueden tener carga negativa, positiva o ser neutro. Son 
especies muy inestables por lo que resultan muy reactivas. Ejemplos: formación de radicales libres a partir 
de medicamentos (clorpromacina), solventes (tetracloruro de carbono), hidrocarburos poliaromáticos 
(benzo[a]pireno), plaguicidas (paraquat), peróxido de hidrógeno (H2O2) etc. 
 
 
Etapas de la Toxicodinamia 
 
Los procesos involucrados en la Toxicodinamia comprenden generalmente las siguientes etapas: 
 
− Llegada del tóxico al blanco (gen, enzima, proteína, receptor, ADN, lípidos, etc.) 
− Interacción del tóxico con el blanco 
− Alteraciones o cambios estructurales y/o funcionales resultantes en el blanco involucrado 
− Toxicidad resultante 
− Mecanismos de detoxificación 
 
 
Llegada del agente tóxico al blanco 
 
 Este proceso es enteramente dependiente de las características físico-químicas del xenobiótico, de los 
procesos de absorción, distribución y biotransformación, de la concentración que llega al blanco y del organismo 
en cuestión dado que la genética de cada individuo determina la toxicidad. Todos estos temas fueron discutidos 
en el capítulo de Toxicocinética. Por lo tanto, seguiremos adelante con la siguiente etapa. 
 
 
Interacción del tóxico con el blanco 
 
 La toxicidad de un determinado agente depende de la interacción del agente con la molécula blanco. 
Una vez que esta interacción ocurre se produce una cadena de procesos bioquímicos que llevan a la disfunción 
o a un daño que se puede manifestar de distintas formas: a nivel molecular, celular, tisular, en algún órgano 
determinado o en todo el organismo. Estos procesos dependen de muchos factores inherentes al agente y al 
blanco. Las moléculas blanco más relevantes en toxicología son las macromoléculas tales como ácidos nucleicos 
(especialmente el ADN), los lípidos y las proteínas. Hay diversos tipos de interacciones entre el agente tóxico y 
el blanco, pero en general son reacciones químicas de distintas características entre las que podemos mencionar: 
 
- Uniones no covalentes: comprenden uniones no polares, coordinadas, por puente hidrógeno o 
interacciones de Van Der Walls. En esta categoría se incluyen las interacciones con receptores de membrana 
o intracelulares, interacciones con canales iónicos o interacciones con enzimas. En general, estas uniones 
son reversibles por ser uniones de baja energía. Ejemplos: i) unión del tipo agonista con un dado receptor 
(estricnina con el receptor de glicina sobre las neuronas motoras de la médula espinal, dioxinas con el 
receptor de hidrocarburos aromáticos, AhR citosólico); ii) unión del agente con canales iónicos tales como la 
unión de saxitoxinas a los canales de sodio dependientes de voltaje. 
 
- Uniones covalentes: son uniones fuertes y prácticamente irreversibles y de gran importancia 
toxicológica debido a que alteran las moléculas endógenas permanentemente. Ejemplos: i) metales, 
como el mercurio o plomo, que se unen a grupos sulfhidrilos (tioles) (-SH) de las proteínas/enzimas alterando 
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su estructura y función; ii) peróxido de hidrógeno que también reacciona con los grupos tioles de las 
proteínas; iii) aducto que forma el metabolito de la aflatoxina B1 con el ADN; iv) radicales libres, como el 
radical hidroxilo (HO°), que se une en forma covalente con las biomoléculas (lípidos, ADN o proteínas). 
 
- Uniones iónicas: son uniones muy fuertes. Los ejemplos clásicos son las uniones de los cationes metálicos 
(Ba2+, Cd2+) con los aniones fosfatos formando sales que precipitan y obstruyen membranas de filtración. 
 
- Transferencia de electrones: son las reacciones típicas de óxido-reducción. Ejemplos: i) oxidación del 
hierro de la hemoglobina (Fe2+/Hb) para generar metahemoglobina (Fe3+/Hb); ii) oxidación de lípidos 
generado por radicales libres como el anión peroxinitrito (ONOO-) o el radical hidroxilo (OH°). 
 
- Reacciones enzimáticas: algunas toxinas actúan enzimáticamente destruyendo proteínas específicas. 
Ejemplos: i) la ricina es una N-glicosidasa que hidroliza una unión glicosídica específica en el ARN ribosomal 
bloqueando la síntesis proteica; ii) la toxina botulínica actúa como una Zn-proteasa que hidroliza la fusión de 
las proteínas involucradas en la exocitosis de la acetilcolina en las neuronas colinérgicas. 
 
- Extracción de un átomo de hidrógeno: algunos agentes tóxicos son capaces de extraer un átomo de 
hidrógeno de una molécula endógena convirtiéndola en radical libre. Ejemplo: i) extracción de un átomo de 
hidrógeno de los grupos metilenos (CH2) de los aminoácidos en las proteínas convirtiéndolos en grupos 
carbonilos muy reactivos ya que se unen en forma covalente con biomoléculas alterando o rompiendo la 
estructura y función de proteínas y ADN; ii) extracción de un átomo de hidrógeno de ácidos grasos lo que 
genera radicales de lípidos e inician la peroxidación lipídica. 
 
 
Efecto del tóxico sobre la molécula blanco 
 
El efecto resultante de la interacción entre el xenobiótico o su metabolito reactivo con el blanco puede 
ser de distinto tipo: 
 
− Alteración de la función de la molécula blanco: es el típico caso de la activación o bloqueo de la función 
de un receptor. Ejemplos: i) morfina activa receptores opioides actuando como agonista; ii) atropina bloquea 
receptores colinérgicos por actuar como antagonista; iii) tetradotoxina inhibe la apertura de canales de sodio 
activados por voltaje en las membranas neuronales; iv) plaguicidas, como el DDT y análogos, o piretroides, 
inhiben el cierre de canales de sodio; v) metales como el arsénico, plomo o mercurio se unen a los grupos 
sulfhidrilos de las proteínas inhibiendo, en consecuencia, diversas actividades enzimáticas. 
 
− Destrucción de la molécula blanco: la unión covalente o cualquierunión estable del agente tóxico a una 
biomolécula suele destruir al blanco. Ejemplos: i) el 2,5-hexanodiona, metabolito del n-hexano, se une a 
proteínas del citoesqueleto generando alteraciones estructurales irreversibles; ii) los radicales libres inducen 
uniones cruzadas entre macromoléculas (proteína-ADN; proteína1-proteína2) adyacentes por convertirlas en 
radicales libres que reaccionan entre sí o con otras moléculas por combinación de radicales libres, generando 
alteraciones estructurales y funcionales irreversibles; iii) la peroxidación lipídica destruye lípidos de 
membranas, proceso que induce la muerte celular. 
 
− Alteración del entorno: algunos xenobióticos alteran el microentorno biológico. Ejemplos: i) la alteración de 
la concentración de protones disminuye o aumenta el pH del medio; ii) algunos solventes alteran la fluidez 
de la membrana celular por alterar los lípidos; iii) algunos xenobióticos, tales como el ácido oxálico, metabolito 
del etilenglicol, obstruyen el transporte o la filtración de iones o fluidos biológicos. 
 
− Formación de neoantígenos: la unión del xenobiótico o su metabolito con el blanco o con alguna 
biomolécula endógena puede generar una estimulación del sistema inmune que termina destruyendo la 
célula. Ejemplo: i) el metabolito del halotano (cloruro de trifluoroacetilo) se une, como un hapteno, a proteínas 
de la membrana celular en el hígado lo que induce en algunos pacientes una reacción inmune que genera 
anticuerpos. 
 
 
 
 
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Toxicidad resultante 
 
Cada célula en un organismo multicelular tiene programas de actividad bien definidos. Algunos 
programas determinan el destino de la célula, tales como división celular, diferenciación celular, apoptosis, etc.; 
otros controlan la actividad de ciertas células diferenciadas como por ejemplo si secretan más o menos productos, 
si se contraen o relajan, si transportan y/o metabolizan nutrientes, etc. Para regular todos estos programas, las 
células poseen una batería de señales que pueden activarse e inactivarse por moléculas de señalización 
externas. Para ejecutar estos programas las células contienen sistemas que producen energía, sistemas de 
transporte, sistemas de metabolización, etc., como asimismo, contienen elementos estructurales organizados en 
complejas macromoléculas gracias a las cuales mantienen su estructura, su integridad, y su función. La 
disfunción causada por un determinado xenobiótico depende del rol de la molécula blanco afectada. Entonces 
según su rol, la toxicidad resultante puede ser: 
 
− Desregulación en la expresión genética: ocurre sobre aquellas moléculas responsables de la transcripción, 
o sea en aquellos caminos de transducción de señales y en la síntesis, almacenamiento o liberación de las 
moléculas de señalización. Los procesos de metilación de genes son finamente regulados por mecanismos 
moleculares específicos por lo que la inducción de la metilación silencia y la demetilación activa genes. 
Muchos factores ambientales son capaces de alterar la metilación de diversos genes causando alteración en 
su expresión. Ejemplos: i) el fármaco antiarrítmico procainamida y el antihipertensivo hidralazina inhiben la 
metilación del ADN e inducen una disminución en su expresión en linfocitos T (CD4+) por lo que genera una 
sobreexpresión de proteínas importantes en inflamación induciendo lupus eritematoso sistémico; ii) los 
hidrocarburos poliaromáticos actúan sobre factores de transcripción (Arnt) celulares en el camino de 
activación del receptor de hidrocarburos aromáticos (AhR); ii) hormonas como el dietilestilbestrol, o 
contaminantes industriales como el bisfenol A, tienen acción sobre la expresión de los factores de 
transcripción de los receptores estrogénicos por unirse a ellos (ER, EREs). 
 
− Desregulación en la transducción de señales: la transcripción de la información genética del ADN al RNA 
mensajero es regulada por factores de transcripción y la región promotora del gen. Algunos xenobióticos son 
capaces de interactuar con los factores de transcripción y/o la región promotora del gen. Ejemplos: i) la 
talidomida (o su principal metabolito tóxico), potente agente teratógeno, se une a secuencias específicas del 
ADN impidiendo los caminos de señalización de dos factores de transcripción (IFG-2, FGF-2), esenciales en 
la angiogénesis y formación de los miembros en el embrión; ii) los ésteres de forbol activan la proteína 
quinasa C (PKC) ya que mimetizan al diacilglicerol, uno de los activadores principales de la PKC; iii) otro 
activador de la PKC es el catión Pb2+ que se une a los sitios del Ca2+ en la PKC; iv) el peróxido de hidrógeno, 
originado por la neutralización del anión superóxido, reacciona con los grupos sulfhidrilos de las proteínas 
por lo que inactiva reversiblemente a las fosfatasas que tienen el amino ácido tirosina; v) el arsenito (AsO2-) 
activa la enzima NADPH oxidasa que genera estrés oxidativo con la consecuente formación de especies 
reactivas del oxígeno (ROS) , e inhibe algunas fosfatasas en distintas células con lo que induce o inhibe 
distintas vías de señalización. 
 
− Desregulación de los potenciales eléctricos de las células excitables: muchos xenobióticos alteran la 
actividad de células neuronales, esqueléticas, cardíacas, o del músculo liso, por alterar los procesos de 
despolarización/repolarización de las membranas. Ejemplos: i) tetradotoxina bloquea los canales de sodio 
dependientes de voltaje en las neuronas motoras causando parálisis del músculo esquelético; ii) los 
insecticidas organoclorados del tipo ciclodienos, bloquean los receptores GABAA-iones Cl- por interactuar en 
el sitio de unión de la picrotoxina en el sistema nervioso central lo que induce excitación neuronal y 
convulsiones. 
 
− Alteración en los niveles de neurotransmisores: muchos xenobióticos pueden alterar los niveles de 
neurotransmisores por afectar la síntesis, el almacenamiento, la liberación o la extracción fuera del espacio 
cercano al receptor. Ejemplos: i) la toxina botulínica causa parálisis del músculo esquelético por inhibir la 
liberación de acetilcolina en las neuronas motoras por lo que no se produce activación de los receptores 
colinérgicos en la unión neuromuscular. Por el contrario, la inhibición de la acetilcolinesterasa, por los 
pesticidas organofosforados o carbamatos, previene la desactivación de la acetilcolina resultando una 
estimulación de los receptores colinérgicos. ii) La cocaína o los antidepresivos tricíclicos inhiben la captura 
neuronal de la noradrenalina lo que causa una sobreexcitación de los receptores adrenérgicos. Algo similar 
ocurre con la anfetamina ya que estimula la liberación de noradrenalina de las neuronas adrenérgicas e 
inhibe competitivamente la captación neuronal del neurotransmisor. iii) La clonidina, agonista de receptores 
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2-adrenérgicos, induce la liberación de -endorfina en el cerebro, la que estimula los receptores opioides 
por lo que una sobredosis de clonidina mimetiza algunos de los efectos de la morfina tales como depresión 
respiratoria y miosis. 
 
− Interacción con receptores: algunos agentes tóxicos interactúan directa o indirectamente con los 
receptores de los distintos neurotransmisores como i) agonistas, que interactúan con el sitio de unión como 
los ligandos naturales, ii) antagonistas, que ocupan el sitio de unión del ligando natural pero no activan el 
receptor, iii) activadores, o iv) inhibidores que se unen a un sitio del receptor distinto al sitio de unión del 
ligando. Por lo tanto, los agonistas o activadores mimetizan, mientras que los antagonistas e inhibidores 
bloquean, la respuesta fisiológica característica del ligando natural. Ejemplos: barbitúricos, benzodiacepinas 
o anestésicos generales son activadores del receptor GABAA por lo que causan inhibición de la actividad del 
SNC resultando sedación, anestesia o coma dependiendo de la dosis.El mismo efecto se obtiene con el 
muscimol, pero en este caso, a través de una acción agonista de los receptores GABAA. Debido a que existen 
múltiples receptores para cada neurotransmisor, los xenobióticos pueden afectarlos de distintas formas. 
 
− Inducción de mecanismos de muerte celular: cuando los daños ocasionados por un agente exceden las 
capacidades adaptativas de las células, y las alteraciones bioquímicas y morfológicas que ocurren son 
imposibles de reparar, el sistema culmina en muerte celular. La muerte celular es un proceso que ocurre 
normalmente durante el desarrollo y maduración de un organismo, pero también puede ser una respuesta a 
xenobióticos, microorganismos y/o agentes físicos tales como traumas, radiaciones, temperaturas extremas, 
etc., o a cambios endógenos tales como inflamación. La muerte celular puede ocurrir por dos mecanismos: 
apoptosis o necrosis. Apoptosis y necrosis son dos formas totalmente diferentes de muerte celular en 
cuanto a morfología, función y mecanismo. Una célula destinada a la apoptosis se encoge, su núcleo y el 
material citoplasmático se condensa y se rompe en fragmentos unidos a membranas (cuerpos apoptóticos), 
que luego son fagocitados por macrófagos, células parenquimales y degradados en fagolisosomas. Debido 
a que las células apoptóticas no liberan su contenido celular al entorno del tejido intersticial, no se produce 
inflamación. En cambio, durante la necrosis, las células y las organelas intracelulares se hinchan y se 
desintegran con lisis de la membrana. Mientras la apoptosis es un proceso ordenado, la necrosis es un 
proceso desordenado que finaliza con desechos celulares en el entorno extracelular. Los constituyentes de 
las células necróticas atraen células inflamatorias agresivas continuando una gran inflamación que amplifica 
el daño. La necrosis es un proceso pasivo, mientras que la apoptosis es un proceso activo que involucra 
procesos de activación genética para producir síntesis de proteínas que ayudan a preparar la célula para la 
muerte programada. La apoptosis es un proceso muy complejo que puede ser disparado por múltiples 
señales que depende del daño causado a la célula y de la célula blanco. A pesar de que la apoptosis y la 
necrosis son procesos diferentes de muerte celular, también se superponen. Por ejemplo, dos factores que 
convertirán un proceso apoptótico en uno necrótico incluye la disminución en la disponibilidad de caspasas 
y ATP intracelular. Si una célula va a sufrir apoptosis o necrosis depende de la naturaleza de la señal, del 
estadío de desarrollo, del tipo de tejido y del entorno fisiológico. Ambos procesos pueden ocurrir 
simultáneamente dependiendo de la intensidad y duración del estímulo, la magnitud de la disminución del 
ATP y demás factores. En general, los tóxicos pueden causar 3 tipos de alteraciones bioquímicas críticas 
para iniciar la muerte celular. Estas son: disminución del ATP, aumento de la concentración de Ca2+ 
intracelular y sobreproducción de ROS y especies reactivas del nitrógeno (RNS). 
 
a. Disminución del ATP: El ATP juega un papel central en el mantenimiento celular para el origen y la 
biosíntesis de la energía celular. El ATP se utiliza en numerosas reacciones activando compuestos 
endógenos, por fosforilación, incorporándolo en cofactores y en ácidos nucleicos. El ATP también 
participa en el transporte de iones como en la Na+/K+/ATPasa en la membrana celular, en la Ca2+/ATPasa 
en la membrana del retículo endoplasmático y celular, en la H+/ATPasa en la membrana de los lisosomas 
y en las vesículas que contienen neurotransmisores. La energía se libera por la hidrólisis del ATP 
pasando a ADP o AMP después de lo cual el ADP es refosforilado en la mitocondria por la ATP sintasa. 
Este proceso se denomina “fosforilación oxidativa”. Muchos tóxicos interfieren con la síntesis de ATP 
mitocondrial y en general se los dividen en distintas categorías según el proceso de inhibición. Ejemplos 
i) inhibidores de la liberación de protones para el transporte de electrones (ácido pentenoico, arsenitos, 
p-benzoquinona, peroxinitritos, fungicidas, etanol, etc.); ii) inhibidores del transporte de electrones 
(paraquat, antimicina A, cianuro, sulfuro de hidrógeno, azida, ácido fórmico o formiatos, fosfina, 
tetracloruro de carbono); iii) inhibidores de la liberación de oxígeno (depresores del SNC como los 
opioides, convulsivantes, irritantes pulmonares como el fosgeno, monóxido de carbono, 
metahemoglobinizantes, cocaína, alcaloides del ergot); iv) inhibidores de las fosforilación del ADP 
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(clordecona, DDT, p-benzoquinona, algunos herbicidas, salicilatos, pentaclorofenol); o v) aquellos que 
causan daño mitocondrial (cloranfenicol, etanol en el consumo crónico). El impedimento de la 
fosforilación oxidativa es fatal para las células ya que el fracaso de refosforilar el ADP produce una 
acumulación de ADP y una severa disminución del ATP. Esta carencia compromete todas las funciones 
que lo requieren llevando a una pérdida de los controles que regulan la concentración iónica de 
numerosos metales esenciales y de protones pudiendo llevar a una severa acidosis que lleva a un daño 
irreversible. 
b. Aumento de la concentración de iones Ca2+ intracelular: Los niveles de Ca2+ intracelular son finamente 
regulados. La diferencia en la concentración de iones Ca2+ intracelular (0.1 μM) y extracelular (1 mM) se 
mantiene gracias a los mecanismos específicos de transportadores de membrana intra y extracelular 
(transportador de Ca2+/Na+, transportador de Ca2+/ATP, etc.). Muchos tóxicos aumentan la concentración 
intracelular de iones Ca2+ a través de distintos mecanismos, como inductores del influjo iónico: i) como 
ligando de canales iónicos neuronales (glutamato, capsaicina); ii) vía apertura de poros iónicos 
(metilmercurio, anfotericina); ii) alterando las membranas celulares (detergentes, enzimas hidrolíticas, 
tetracloruro de carbono, falotoxinas); iii) como oxidantes (N-acetil-p-benzoquinoneimina (NAPQI), 
hidroperóxidos); o como inhibidores del eflujo de iones Ca2+ (acetaminofeno, tetracloruro de carbono, 
cloroformo, oxidantes de grupos sulfhidrilos, Cd2+). El aumento sostenido de iones Ca2+ genera un daño 
celular debido a que induce disminución de la energía celular, activación de enzimas hidrolíticas 
(fosfolipasas, proteasas, endonucleasas) y generación de ROS y RNS. En resumen, la hipercalcemia 
activa varios procesos que interfieren con la capacidad de las células para mantener su estructura e 
integridad funcional. 
c. Sobreproducción de ROS o RNS o disminución de defensas antioxidantes: muchos xenobióticos generan 
diferentes especies reactivas. Ejemplos (Reacciones 4.1): i) producción del anión superóxido (O2°-) por 
el metabolismo del paraquat; ii) generación de radicales libres a través de la reacción de Fenton; iii) 
metabolismo del tetracloruro de carbono (Cl4C), a través del sistema CYP que lleva a la formación del 
radical triclorometilo (Cl3Cº) que con el oxígeno molecular forma el radical triclorometilperóxido 
(Cl3COOº); iv) el anión superóxido con óxido nítrico (NO), generado por la óxido nítrico sintasa, lleva a la 
formación de peroxinitritos, que a su vez, inhibe a la enzima superóxido dismutasa con lo cual aumenta 
aún más su producción. El aumento de radicales libres también se puede producir por una hipercalcemia 
ya que el ión Ca2+ activa enzimas que generan radicales libres en mitocondrias. Ejemplos: i) el Ca2+ 
activa proteasas que convierten la xantina deshidrogenasa en xantina oxidasa cuyos productos son el 
anión superóxido y el peróxido de hidrógeno; ii) en las neuronas o células endoteliales el Ca2+ activa la 
óxido nítrico sintasa generando altas concentraciones de óxido nítrico y como consecuencia la 
generación de altas concentraciones de peroxinitritos. Como consecuencia del aumento de la 
concentración de especies reactivas se intensifican los procesos de peroxidación lipídica, oxidaciónproteica y alteraciones de ADN por oxidación, peroxidación o formación de aductos. 
 
Generación endógena de ROS: 
− Mitocondrias: O2-°, H2O2, HO° 
− Peroxisomas: H2O2 
− Macrófagos o células inflamatorias: O2-°, H2O2, ON°, OCl- 
− Enzimas CYPs: O2-°, H2O2 
 
Generación de ROS por xenobióticos: 
- Compuestos susceptibles a redox: O2-° 
- Metales: reacción de Fenton 
- Radiación: HO° 
- Reacciones de oxidación de fármacos, plaguicidas, dioxinas, agonistas PPARα, solventes, etc. 
 
 
Mecanismos de Detoxificación 
 
 Estos mecanismos se basan en la biotransformación que convierten al agente tóxico en una molécula no 
tóxica o previene la formación de algún metabolito tóxico. Estos mecanismos son también denominados 
desactivación metabólica como ya mencionamos en el capítulo de Toxicocinética. Estos mecanismos dependen 
de las características físico-químicas de los agentes tóxicos, según mencionamos anteriormente, y consisten en: 
 
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− Detoxificación de moléculas neutras sin grupo funcional: las sustancias neutras sin grupo funcional, 
tales como benceno, tolueno, hidrocarburos alifáticos, se detoxifican mediante dos etapas: i) en la primera 
etapa la molécula se oxida incorporando un grupo hidroxilo o carboxilo en su estructura, reacción catalizada, 
en la mayoría de los casos, por enzimas del sistema CYP (biotransformación de la Fase I); y ii) en la segunda 
etapa se adiciona a este grupo funcional tal como ácido glucurónico, sulfato, o algún aminoácido, reacción 
catalizada por una transferasa (biotransformación de la Fase II). Con algunas excepciones, el compuesto 
final es inactivo y puede ser excretado con facilidad. 
 
− Detoxificación de moléculas nucleofílicas: estas moléculas en general se desactivan mediante reacciones 
de oxidación y conjugación del grupo funcional nucleofílico. Por ejemplo: i) los alcoholes se oxidan a ácidos 
carboxílicos; ii) algunos compuestos hidroxilados se conjugan por sulfatación o glucuronidación; iii) oxidación 
de tioles, aminas o hidracinas mediante la acción de las monooxigenasas; iv) el cianuro se biotransforma en 
tiocianato por la rodanasa o por la mercaptopirúvico sulfurotransferasa; v) algunos tioles son metilados; vi) 
algunas aminas o hidracinas son acetiladas. Muchas de estas reacciones previenen la conversión de 
compuestos nucleofílicos a radicales libres. 
 
− Detoxificación de tóxicos electrofílicos: un mecanismo general para la inactivación de estas moléculas es 
la conjugación con el glutation que es una molécula nucleofílica. Esta reacción ocurre espontáneamente o 
puede ser inducida por la enzima glutation S-transferasa. Iones metálicos como Ag+, Cd2+, Hg2+, o CH3Hg+, 
son detoxificados por glutation. 
 
− Detoxificación de toxinas proteicas: algunas proteasas extra e intracelulares son las responsables de la 
inactivación de polipéptidos tóxicos. Algunos venenos proteicos tienen uniones disulfuro intramoleculares, 
que son esenciales para su actividad, por lo tanto, pueden ser inactivados por proteínas endógenas con 
grupos ditioles que reducen estas uniones. 
 
− Detoxificación de radicales libres: la eliminación de los radicales libres es una importante vía de 
detoxificación ya que muchos de ellos, como por ejemplo el anión superóxido, se convierte en compuestos 
muy reactivos tales como peróxido de hidrógeno, por la enzima superóxido dismutasa (SOD), localizada en 
citosol (Cu, Zn-SOD) y en mitocondria (Mn-SOD). La detoxificación por esta vía continúa con reacciones que 
convierten el peróxido de hidrógeno en agua por i) catalasas en los peroxisomas; ii) glutation peroxidasa 
(GPx) en citosol y mitocondrias, y por iii) peroxiredoxinas (Pxr) en el citosol, mitocondrias y retículo 
endoplásmico (Reacciones 4.2). Ninguna enzima elimina al radical HOº. Mientras que algunos radicales 
relativamente estables, tales como peroxilos (XOOº), pueden sacar un átomo de H del glutation o de otras 
moléculas [-tocoferol (vitamina E), ácido ascórbico (vitamina C)] para convertirlos en especies no reactivas, 
pero estos antioxidantes no son efectivos en detoxificar al HOº. Esto se debe a su extrema reactividad y corta 
vida media (10-9 segundos), lo que provee poco tiempo para reaccionar con antioxidantes. Por lo tanto, la 
única protección segura contra el HOº es prevenir su formación eliminando su precursor, el peróxido de 
hidrógeno, vía conversión a agua. La GPx y las Pxr pueden reducir al peroxinitrito convirtiéndolo en nitritos 
de la misma forma que reducen el peróxido de hidrógeno en agua. Estos peroxinitritos reaccionan con la 
oxihemoglobina y la albúmina, por lo que es importante eliminar sus dos precursores. Los radicales libres 
generados por peroxidasas son eliminados por transferencia de electrones del glutation. Esto produce la 
oxidación del glutation que es revertido luego por la glutation reductasa dependiente de NADPH. En 
consecuencia, el glutation juega un importante papel en la detoxificación de sustancias electrofílicas y de 
radicales libres. 
 
 
Mecanismos por los que pueden fallar la detoxificación 
 
 No siempre la toxicidad de un compuesto se debe a altas concentraciones si no a que fallan los 
mecanismos de detoxificación. Existen muchos factores por los cuales estos mecanismos pueden fallar: 
 
− Por saturación de los sistemas enzimáticos detoxificantes (glutatión S-transferasa, superóxido dismutasa, 
etc.) 
− Por agotamiento del consumo de cofactores (NADH, NAD, etc.) 
− Por agotamiento de las reservas celulares de antioxidantes (glutatión, ácido ascórbico, -tocoferol, etc.) 
− Por inactivar una enzima detoxificante. Ejemplo: el peroxinitrito inhibe a la Mn-SOD 
− Algunos procesos de detoxificación generan biproductos tóxicos. 
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Mecanismos de reparación 
 
Cuando se desarrolla toxicidad en un organismo, éste reacciona induciendo los llamados mecanismos 
de reparación, dependiendo del daño causado. Estos mecanismos de reparación pueden ser a nivel i) molecular 
(ADN, proteínas, etc.), ii) celular (a través de la acción de macrófagos o células especializadas, o mediante la 
muerte celular), o iii) tisular (a través de muerte celular y regeneración del tejido). Cuando el organismo no puede 
reparar el daño ocurrido recurre a otra estrategia induciendo “mecanismos de adaptación”. Adaptación es la 
capacidad que tiene un organismo en aumentar la tolerancia a un daño determinado. O sea, el organismo (tejido 
o sistema) trata de conservar su función y recuperar su homeostasis. Para ello suele recurrir a: 
− disminuir la disponibilidad del agente tóxico en el blanco (disminuyendo la absorción, aumentando la 
biotransformación, aumentando su asociación con proteínas intracelulares (glicoproteína-P, metalotioneínas, 
transportadores ABC, etc.), aumentando su excreción, etc.); 
− disminuyendo la sensibilidad del blanco hacia la acción del agente tóxico (inducción de tolerancia, 
disminución del número de receptores, etc.); 
− aumentando la capacidad de reparación; o 
− fortaleciendo los mecanismos para compensar la disfunción ocurrida. 
 
 
Resumen 
 
El organismo en general reacciona ante un daño causado por un determinado tóxico, por su acción 
directa o indirecta, induciendo mecanismos de reparación, que pueden ser a nivel molecular, celular o tisular. 
Otra estrategia que el organismo usa cuando no puede reparar el daño, es la activación de mecanismos de 
adaptación mediante el cual el organismo resiste al agente tóxico aumentando la tolerancia al daño mismo. Estos 
mecanismos involucran respuestas que inducen una disminución de la sensibilidad del blanco, un aumento en 
las respuestas inhibidas, o un refuerzo de los mecanismos de compensación a la disfunción resultante. Por lo 
tanto, la toxicidad generada por la exposición a un determinado agente no tiene por qué resultar una 
consecuencia inevitable, sino que, es un proceso que puede ser prevenido, revertido o compensado pormuchos 
mecanismos. La toxicidad se desarrolla solo cuando el agente es capaz de eludir o impedir los mecanismos 
protectores, y/o anular la adaptabilidad de los sistemas biológicos. Entonces, cuando los mecanismos de 
reparación y adaptación fracasan los procesos resultantes son necrosis tisular, fibrosis o carcinogénesis química. 
 
 
Bibliografía 
 
- BOROUJERDI, M; Pharmacokinetics and Toxicokinetics, CRC Press Taylor & Francis Group. 1st Edition, 
2015. 
- Ettlin RA. Toxicologic pathology in the 21st century. Toxicol Pathol 2013; 41 (5): 689-708. 
- GREGUS, Z; Mechanisms of Toxicity, En Casarett and Doull’s Toxicology, The Basic Science of Poisons. 
Curtis D. Klaassen. 8th Edition, 2013. P. 907-30. 
- LAW M, ELMORE S. Mechanism of cell death. En Molecular and Biochemical Toxicology. Smart and 
Hodgson. John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. 4th Edtion, 2008. p. 287-317 
- PARK YC, LEE S, CHO MH. The Simplest Flowchart Stating the Mechanisms for Organic Xenobiotics-
induced Toxicity: Can it Possibly be Accepted as a "Central Dogma" for Toxic Mechanisms? Toxicol Res 
2014; 30: 179-84. 
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