Unidad 2. La biotransformación
de xenobióticos y su
importancia toxicológica
DRA. PAULINA DEL VALLE PÉREZ
Principios de la biotrasformación
de xenobióticos
Convertir xenobióticos lipofílicos (de fácil acceso a través de las membranas biológicas) en sustancias hidrofílicas (fáciles de excretar por orina o bilis). Excepciones: acetilación y metilación
Las reacciones de biotransformación de xenobióticos son catalizadas por enzimas (excepciones: hidrólisis ácida de ésteres, reducción de sulfóxidosa sulfuros, etc.) y se dividen en:
Hidrólisis
Reducción
Oxidación
Conjugación
Localización de las enzimas de biotrasformación y variabilidad genética
Generación de metabolitos reactivos (electrofílicos)!
Biotransformación de xenobióticos
Hígado: principal órgano de biotransformación de xenobióticos
Efecto de primer paso
Biotransformación extrahepática: riñón, pulmón, piel,
intestino, etc
Fase I
Fase II
Fase III
Aumentar la polaridad de los xenobióticos para que puedan excretarse y/o conjugarse
Tracto gastrointestinal hígado
Fases de la
Biotransformación
Fase I
Reacciones para la transformación de grupos funcionales
Introducción de grupos polares
Incluye:
oxidaciones
reducciones
hidrólisis
Microsomas: vesículas que se encuentran en el retículo endoplásmico.
Se separan por centrifugación diferencial
Fase I: Posibles efectos de la biotransformación
Efecto Ejemplo Reacción
Desactivación* Barbitúricos Oxidación
Incremento de la
actividad*
Codeína Oxidación
Activación tóxica Hidrato de cloral Reducción
Incremento de la
toxicidad
Metanol Oxidación
*Actividad farmacológica
Reacciones de Fase I
Enzimas Ubicación Reacciones
Citocromo P450 (CYP) Microsomas
Epoxidación/hidroxilación
N-, O-, S- desalquilación
N-, S-, P- oxidación
Deshalogenación
Nitro y azo reducción
Flavin-monooxigenasa
(FMO)Microsomas
N-, S-, P- oxidación
Desulfuración
Prostaglandin H sintetasa
(ciclooxigenasa)Microsomas
Deshidrogenación
N-desalquilación
Epoxidación/hidroxilación
Oxidación
Esterasas y amidasas Microsomas/Citosol Hidrólisis
Alcohol DH Citosol/mitocondria Oxidación, reducción
Aldehído DH Citosol/ mitocondria Oxidación
Monoaminooxidasa Mitocondria Oxidación
Citocromo P450
Se estima que existen alrededor de 57 genes activos de CYP450 (CYP1)
Hemoproteínas, monooxigenasas
Catalizan principalmente reacciones de oxidación
Se clasifican en familias y subfamilias
Hígado, piel, mucosa nasal, pulmón, TGI, riñón, placenta, etc…
Existen 18 familias y 44 subfamilias (humanos)
Familias 1, 2 y 3: metabolismo de xenobióticos
75-80% del metabolismo de fase I
Variaciones genéticas
Ultrarápidos, extensos, intermedios y pobres
CYP1A1
FamiliaSubfamilia
Isoenzima
Variaciones genéticas e inducción
Mecanismo de reacción (oxidación)
Requiere de NADPH, O2 y NADPH-CYP450 reductasa o
NADH-CyT b5
Son monooxigenasas: se incorpora un átomo de O
RH + O2 + NADPH + H+ → NADP+ + ROH + H2O
El Fe esta enlazado a la proteína a través de un
tiolato (cisteína)
Familia CYP1
Genes funcionales CYP1A1, CYP1A2 y CYP1B1
CYP1A2 se encuentra en hígado, CYP1A1 y CYP1B1 son extrahepáticas
CYP1A1 y CYP1A2 son inducibles por xenobióticos (receptor nuclear de aril-
hidrocarburos AhR)
CYP1A1 actúa sobre hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) y ácidos
grasos poliinsaturados endógenos
CYP1A2 actúa sobre aminas aromáticas y compuestos heterocíclicos. Es
inducible por cigarro. Metabolismo de analgésicos y antipiréticos
(paracetamol, fenacetina y lidocaína), antipsicóticos (clozapina),
antidepresivos (duloxetina), antinflamatorios (nabumetona), cardiovasculares
(propranolol, guanabenz), cafeína.
Activación de procarcinogénicos: benzo[a]pireno, arilarenos, nitroarenos y
arilaminas.
Familia CYP2 y CYP3
CYP2 Incluye 10 subfamilias
5 subfamilias son hepáticas
CYP2A6 hepática: metabolismo de nicotina y cumarina
Procarcinógenos: aflatoxina B1, 1,3-butadieno, 2,6-diclorobenzonitrilo y nitrosaminas
CYP2B6 hepática
Activación de organofosforados (insecticidas y herbicidas)
CYP3 incluye 4 subfamilias
son las mas abundantes en hígado
CYP3A4 30%
Macrólidos, hormonas, esteroides, alcaloides, warfarina
Isoforma Sustratos Ejemplo Inductores Inhibidores
CYP1A2
Amidas y aminas
aromáticas y
heterocíclicas
Planas
poliaromáticas
Cafeína
Naproxen
Lidocaína
Estradiol*
Melatonina*
Café
Brócoli
Omeprazol
HAPs
Cigarro
Anticonceptivos
Ciprofoxacino
Cimetidina
Disulfiram
CYP2A6
No planas, 2
aceptores de H
Cetonas y
Nitrosaminas
Nicotina
Pilocarpina
Letrozol
Cumarina
Bilirubina*
Artemisinina
Carbamazepina
Estrogenos
Fenobarbital
Rifampicina
Pilocarpina
Selegilina
Tranilciproina
CYP2B6
Neutras, bases
débiles, lipofílicos no
planos, 1 o 2
aceptores de H.
Anestésicos e
insecticidas
Metadona
Ketamina
Ciclofosfamida
Metanfetamina
Endosulfan
Testosterona*
Fenobarbital
Estatinas
Vitamina D
Hierba de San
Juan
Clotrimazol
Imidazoles
Bergamotina
Sertralina
Isoforma Sustratos Ejemplo Inductores Inhibidores
CYP2C8
Moléculas grandes,
ácidos débiles
Animalaricos y
antidiabeticos
Tolbutamida
Cloroquina
Montelukast
Carbamazepina
Taxol
Pioglitazona
Ciclofosfamida
Dexametasona
Taxol
Fenobarbital
Hiperforina
Trimetoprim
Montelukast
Gemfibrozil
CYP2C9
Ácidos débiles con 1
aceptor de H
AINES
Celecoxib
Warfarina
Diclofenaco
Ibuprofeno
Meloxicam
THC
Barbituratos
Prednisona
Nifedipino
Ciclofosfamida
Carbamazepina
Fluconazol
Naringenina
Amiodarona
Voriconazol
CYP2C19
Neutras, bases
débiles, amidas con
2 o 3 acpetores de
H. Inhibidores de la
bomba de H+
Omeprazol
Lansoprazol
Pantoprazol
Diazepam
Fenitoína
Indometacina
Barbituratos
Carbamazepina
Efavirenz
Ritonavir
Dexametasona
Naringenina
Omeprazol
Ticlopidina
Isoforma Sustratos Ejemplo Inductores Inhibidores
CYP2D6
Moléculas básicas
con N protonables.
Alcaloides y
antidepresivos
Anfetamina
Codeína
Loratadina
Metoprolol
Imipramina
Tamoxifen
No se conocen Celecoxib
Fluoxetina
Metadona
Quinidina
CYP2E1
Moleculas
pequeñas neutras,
hidrofílicas, planas,
alcoholes alifáticos y
Alcanos
halogenados
Tetracloruro de
Carbono
Etanol
Benceno
Acetaminofén
Acido salicílico
Acetona
Etanol
Isoniazida
Disolventes
Disulfiram
Dietilditiocarbamato
Clometiazol
CYP3A4/5
Moléculas grandes
lipofílicas
> 50% de los
fármacos
Ciclosporina
Aflatoxina B1
Paracetamol
Sildenafil
Quinina
THC
Vincristina
Colesterol*
Cortisol*
Barbituratos
Carbamazepina
Ginkgo biloba
Fenobarbital
Glucocorticoides
Azamulina
Eritromicina
Jugo de uva
Isoniazida
Ketoconazol
Epoxidación e hidroxilación
aromática
CYP450
Intermediarios reactivos
CYP1A1: Activación de
procarcinógenos
Benzo[a]pireno, aflatoxinas,
dimetilbenzantraceno, b-
naftilamina, 4-aminobifenilo y
benzidina
Ej: carbamazepina
Epoxidación e hidroxilación
alifática y alicíclica
CYP450
Moléculas alifáticas simples: n-
butano, n-pentano y n-hexano
Cadenas alifáticas laterales
Carbonos insaturados
O-, N- y S- desalquilación
Dextrometorfano
Cafeína
N- oxidación y desaminación
oxidativa
Dapsona
S- y P- oxidación y desulfuración
Tioéteres → sulfóxidos → sulfonas
Albendazol
Fosfinas → óxidos de fosfina
Difenilmetilfosfina
CYP3A4
CYP1A2
CYP2C9
CYP2C9
CYP2B6
Flavin-monooxigenasa
Microsomal (hígado y pulmón)
Reacciones de oxidación
Depende de NADPH y O2
Isoformas: FMO1-FMO6
FMO3 : trimetilaminuria (síndrome de olor a pescado)
Sustratos nucleofílicos (N, S, P, Se)
Pocos xenobióticos son sustratos:
Dimetilanilina, imipramina, clorpromazina, cimetidina y tamoxifen. Forato, fonofos y metiocarb
Nicotina
Inhibidor de CYP: N-bencilimidazol
Prostaglandin-H-sintetasa
Síntesis de PG
COX1 y COX2
Microsomal (pulmón)
Cooxidación de xenobióticos
CYP↓
Radicales libres
Oxidaciones no microsomales
Mitocondria y citosol
Alcohol Deshidrogenasa (ADH): Alcohol → Aldehído, cetona
Reacción reversible
Reacciones de activación: Aldehídos electrofílicos
Citotóxicos, genotóxicos, mutagénicos y carcinogénicos
RCH2OH + NAD+ → RCHO + NADH + H+
Aldehído Deshidrogenasa (ALDH): Aldehído → ácido carboxílico
RCHO + NAD+ → RCOOH + NADH + H+
Aldehído oxidasa
Xantina oxidasa
Aminooxidasas: MAO, DAO, PAO
Reducciones
Reacción Sustrato Producto Enzima Ubicación
Azo ArN=NAr ArNH2 + ArNH2 Azoreductasa Microsomal,
citosol,
microflora
Nitro R-NO2 R-NH2 Nitroreductasa Microsomal,
citosol,
microflora
Quinona O=Ar=O OH-Ar-OH DT-diaforasa
NQO1 y 2
Microsomal,
citosol
Sulfóxido
Disulfuro
R-S(O)-R
R-S-S-R
R-S-R
R-SH / R-SH
FMO
GHS
Citosol
Carbonilo R-CHO R-CH2-OH Aldo-
ceto(carbonil)
reductasas
Microsomal,
citosol,
plasma
Reacciones de hidrólisis
Microsomales, citosol, plasma
Esterasas, amidasas, tioesterasas, lipasas, peptidasas y proteasas
Carboxilesterasas (hidrólisis de ésteres): Esterasas CES1-CES5
RC(O)OR´+ H2O → RCOOH +HOR´
Colinesterasas: acetilcolinesterasa (AChE) y butirilcolinesterasa (BChE)
Paraoxonasas (hidrólisis de lactonas): PON1-PON3
Amidasas (hidrólisis de amidas): Peptidasas
RC(O)NR´R´´ + H2O → RCOOH +HNR´R´´
Carboxitioesterasas (hidrólisis de tioésteres)
RC(O)SR´+ H2O → RCOOH +HSR´
Epóxido-hidrolasas (hidrólisis de epóxidos): EPHX1, EPHX2, ChEH, LTA4H
R-C(O)C-R → R-COH-COH-R
Reacciones de hidrólisis
Tipo A: ésteres aromáticos y
organofosforados
Tipo B: carboxilesterasas,
amidasas, colinesterasas,
monoacilglicerol lipasas y
arilamidasas
Tipo C: acetilesterasas
Deshalogenaciones
Deshalogenación reductiva
CYP
Deshalogenación oxidativa
CYP
Deshalogenación
CYP, GHS
Fase II
Reacciones de conjugación
Fase I: metabolitos nucleofílicos o electrofílicos
Más polares, menos tóxicos (reactivos) y excretables. Activación tóxica
Hígado, riñón, pulmón, intestino, piel, bazo.
Reacción Enzima
Conjugación con glucurónido UDP-glucuronosil-transferasa (UGT)
Conjugación con sulfato Sulfotransferasa
Metilación y acetilación Metiltransferasa y acetiltransferasa
Conjugación con glutatión Glutatión-S-transferasa
Conjugación con aminoácidos b-liasa
Glucuronidación
Transferencia de un grupo glucuronilo activado hacia un grupo funcional O-, N-, S- o C-
Ácido uridin-5´-difosfo-a-D-glucurónico (UDPGA)
UDP-glucuronosiltransferasa (UGT): microsomal en hígado, riñón e intestino. 9 isoenzimas
Alcoholes, fenoles, ácidos carboxílicos, hidroxilaminas, arilaminas y tioles
Bilirrubina y esteroides
Eliminación a través de la bilis y la orina (MRP2 y 3)
(dependiendo del tamaño de la aglicona)
Reacción tipo SN2 con inversión de la configuración
Conjugación con sulfato
Sulfotransferasas (SULT)
Formación de sulfatos más
polares
Alcoholes, arilaminas y fenoles
Hormonas tiroideas, esteroides
y catecoles
3´-fosfoadenosin-5´-fosfosulfato
(PAPS, proveniente de ATP)
Metilación
Metiltransferasas
SAM (s-adenosil-metionina)
N-metilación
Histamina-N-metiltransferasa
Feniletanolamina N-metiltransfersasa
Indoetilamina-N-metiltransferasa
O-metilación
Catecol-O-metiltransferasa
O-metiltransferasa (microsomal)
Hidroxindol O-metiltransferasa
S-metilación
Tiol-S-metiltransferasa (microsomal)
Acetilación
Ocurre sobre aminas primarias e hidrazinas (R-NH-NH2)
N-acetil transferasa (citosol, diversos órganos): NAT1 y
NAT2
Enzimas citosólicas en hígado y otros tejjidos
Acetilcoenzima A: donador del grupo acetilo
Polimorfismos NAT2: lentos y rápidos. Isoniazida
ACoA → NAT → Xenobiótico
Conjugación con glutatión
Glutatión (GSH): Glutámico, cisteína y glicina
Xenobióticos con grupos electrofílicos. Hidroxilaminas, uretanos, sulfonamidas, tiofenos, triazinas, éteres difenilos, compuestos halogenados, epóxidos, nitro, dobles ligaduras y sulfatos
Múltiples pasos para la formación de ácido mercaptúrico (N-acetil-cisteína) en riñón
1. Conjugación del xenobiótico con glutatión . (R-S-G). Glutatión S-transferasas (GST), microsomales y en fracción soluble
2. Remoción de glutamato: g-glutamiltransferasa (GGT1)
3. Remoción de glicina . Cisteinilglicinasa
4. Acetilación de la cisteína. N-acetil transferasa
Conjugación con glutatión
Conjugación con
aminoácidos
Conjugación de xenobióticos
que contienen ácidos
carboxílicos
Glicina, glutamina, taurina (-NH)
Requiere activación del
xenobiótico con ACoA
Conjugación con hidroxilaminas
aromáticas
Serina, prolina (COOH)
Activación del aminoácido
Resumen Fase II
Reacción Enzima Ubicación Coenzima Sustratos
Glucuronidación UGT Microsomal UDPGA
-OH, Ar-OH,
RCOOH, Ar-NH2,
R-NH-OH, R-SH
Conj. con sulfato SULT Citosol PAPS-OH, Ar-OH,
R-NH2, Ar-NH2,
Conj. con glutatión GSTMicrosomal
CitosolGSH
R-NH-OH
R-NH-C(O)OR´
R-Cl, C=C, R-O-R
R-(O)S(O)-NH2
Metilación MetiltransferasasMicrosomal
CitosolSAM N- O- S-
Acetilación NATCitosol
MitocondriaAcetilCoA R-NH2
Mapa metabólico
Presenta las diversas rutas de
biotransformación de un
xenobiótico.
Fase I y Fase II
Ruta predominante
Rutas secundarias
Reacciones de activación
Electrófílicos
Radicales libres
Carbenos( R2C:) y nitrenos (R-N:)
ROS
Activación del 2-AAF
Activación del CCl4
Activación del benzo[a] pireno
Activación de paratión y Aflatoxina B
Fase III Transporte y excreción de los metabolitos generados en fase I
y II
Principales órganos de eliminación de xenobióticos:
Riñón → orina
Hígado → bilis
Pulmón → aire
Rutas secundarias de eliminación:
Piel (volátiles)
Saliva
Sudor (hidrosolubles)
Leche (hidrosolubles y liposolubles)
Cabello (metales pesados, sustancias de abuso)
Transporte
Sitio de origen → sitio de eliminación
Sistema circulatorio
Hidrosolubles → sangre (albúmina)
Liposolubles → Lipoproteínas
Difusión desde la proteína transportadora al órgano excretor.
Unión de la proteína a la membrana y endocitosis
Glicoproteína P (MDR)
Proteínas asociadas a resistencia de fármacos (MRP1-6): Colón, intestino delgado, riñón, BHE. Dependen de ATP. Sacar xenobióticosde los diferentes órganos. Conjugados de glutatión, glucurónico y sulfato. Metales pesados.
Polipéptido transportador de aniones orgánicos (OATP). 11 isoformas. Entrada de xenobióticos a los hepatocitos. Sales biliares
Eliminación renal
Moléculas hidrosolubles
Filtración glomerular
Excreción tubular
Proceso de filtración
Difusión pasiva
Tamaño ( < 350 Da)
Solubilidad
MDR1, MRP2
Nefrotóxicos (concentración)
Eliminación biliar
Captura de xenobióticos (sangre) → Biotransformación (hepática → Eliminación
Bilis: líquido producido por el hígado (sales biliares, proteínas, hormonas y agua)
Arteria hepática, vena porta, sinusoides (difusión pasiva) → hepatocitos
MRP2, BCRP, MDR1, MATE1 Y BSEP (Transporte activo)
Bilis → vesícula biliar → heces
Resumen Unidad 2 Fase I: Modificación de grupos funcionales
Oxidación: CYP450, FMO y oxidaciones no microsomales
Reducción: Reductasas
Hidrólisis: esterasas, amidasas, hidrolasas
Generación de metabolitos tóxicos!!!
Fase II: Adición de moléculas pequeñas (conjugación)
Glucuronidación
Glutatión → ácido mercaptúrico
Acetilación y metilación
Sulfato
Fase III: Excreción a través de transportadores
Hepática
Renal
Pulmón