EXPOSICIÓN. Efectos tóxicos. Oral aguda o repetida, Absorción, metabolismo, Distribución, eliminación. Nivel celular/bioquímico

Transcripción

1 EXPOSICIÓN XBs-CIN CINÉTICA Oral aguda o repetida, inhalación, n, piel Absorción, metabolismo, Distribución, eliminación Efectos tóxicos t Sistemas/órganos (SNC, pulmón, reproductores, etc), Nivel celular/bioquímico Nivel molecular (DNA, RNA, proteínas)

2 Toxicodinámica: Mecanismos de toxicidad de XBs Estudia la manera de actuar de los xenobióticos para ejercer sus efectos tóxicos sobre los organismos vivos. La toxicidad es la capacidad de un XB para producir un daño en las células, tejidos u organismos; es una propiedad intrínseca de cada compuesto y la intensidad de su efecto es dependiente de la dosis. - Cambios pequeños en la estructura de los XBs pueden acompañarse de cambios importantes en su toxicidad. - Las características estructurales reactivas como epoxis, radicales libres, etc, aumentan la actividad y la posibilidad de reacción tóxica. Los organismos tienen defensas para manejar e intentar deshacerse de la agresión química. Cuando las defensas de la célula o del organismo se agotan, se produce el efecto tóxico.

3 Importancia del estudio del mecanismo de acción tóxica La interacción entre un XB o sus metabolitos con una biomolécula puede cambiar o alterar la función biológica de ésta y en consecuencia derivar en una mala función celular, un colapso del sistema, daños celulares, etc. La importancia de su estudio radica: 1. Proponer un tratamiento adecuado en casos de intoxicación. 2. Estudiar el desarrollo y uso de un antídoto. 3. Aplicar pruebas diagnósticas. 4. Comprender las alteraciones producidas a nivel bioquímico.

4 M. de toxicidad Mecanismos de citotoxicidad de XBs

5 Interacción n del tóxico t con: 1-Interacción n con PROTEÍNAS y cambio en su actividad - pérdida de función crítica: unión a receptores, canales iónicos, inhibición de enzimas [ Or-P ] - activación de una respuesta perjudicial: inducción enzimática [ Or-Cl ], generación de haptenos 2-Interacción n con METABOLITOS * Daño oxidativo - ROS, peroxidación de lípidos, ( GSH) * Alteraciones metabólicas ( Ca2+, ATP), desregulación n de la actividad y muerte celular: - apoptosis, necrosis 3-Interacción n con DNA, desregulación n de la expresión génica, nica, alteraciones en división celular, transcripción y síntesis de proteínas

6 MECANISMOS MOLECULARES DE LA TOXICIDAD INTRÍNSECA NSECA de XBs.. Tipos: Primarios Inhibición de enzimas, procesos bioquímicos Alteración del metabolismo energético celular Bioactivación y generación de especies reactivas (ROS y RNS) Alteración del balance redox (estrés oxidativo) Secundarios Peroxidación de lípidos Alteración de la homeostasis iónica (Ca2+) Unión covalente, desnaturalización de proteínas, daño al DNA Terciarios Alteración de funciones metabólicas no esenciales para la célula pero sí para el organismo Cambios morfológicos apreciables Muerte celular (necrosis / apoptosis)

7 Bioactivaciones Conjunto de reacciones metabólicas que incrementan la toxicidad de los compuestos de origen Transforman los compuestos en otros con mayor reactividad química, compuestos electrofílicos con alta afinidad por nucleófilos: DNA, proteínas, etc. La mayoría de las bioactivaciones se producen como consecuencia del metabolismo por CYP 450: 1. Metabolitos reactivos con mayor capacidad para asociarse con biomoléculas e interferir en sus funciones: el N-hidroxilo del acetaminofen; el epoxi-benzo-a-pireno, radicales, N-óxidos, S-óxidos, etc. 2. Compuestos que producen especies reactivas de oxígeno (ROS). Quinonas, paraquat, etc. El BALANCE entre bioactivación / detoxicación y los mecanismos de defensa de la célula es lo que determina si un metabolito reactivo puede o no puede producir efectos tóxicos en las células.

8 Más s Ejemplos Los derivados mas polares suelen ser mas reactivos, i.e. N-hidroxilos, epoxis, etc. El 7,8-dihidrodiol-9,10-epoxi-benzo(a)pireno (resistente a la epoxi hidrolasa) se une al DNA, es tumorogénico. Los derivados dihalogenados se conjugan con glutation y pueden generar sulfonios reactivos Los derivados oxo suelen ser mas reactivos y mas tóxicos. La hidrólisis por esterasas suele desactivar. La inestabilidad de los glucurónicos hace que, a veces, antes de su excrección puedan hidrolizarse por las glucuronidasas; por ejemplo los conjugados de OH-aminas que se hidrolicen generarán metabolitos reactivos.

9 Rutas de Bioactivación y toxicidad: casos Cuando la vida media de los MR es larga pueden sufrir bioactivación en un tejido y ejercer la toxicidad en otro: 1- El tejido blanco contiene las enzimas para bioactivar el XB y el lugar blanco para la especie tóxica: - el Cit P450 bioactiva al Cl 4 C por deshalogenación y el radical Cl 3 C reacciona con proteínas y lípidos in situ 2- Un tejido no blanco bioactiva al XB y éste experimenta una segunda bioactivación en el tejido blanco: - el benceno es oxidado a fenol por el Cit P450 en hígado y pasa a médula ósea donde pasa a hidroquinol, donde causa daño. 3- Un tejido no blanco bioactiva al XB y éste produce daño otro tejido blanco: - el hexano se oxida a 2,5-hexanodiona por el Cit P450 y la ALD en Hig. El metabolito produce ligaduras cruzadas en los neurofilamentos, dañando los nervios periféricos.

10 Mecanismos de Defensa Los organismos tienen defensas para manejar la agresión n química y cuentan con: las enzimas de biotransformación, de las dos fases. la presencia de antioxidantes (GSH, etc.) que eliminan radicales libres y reducen las especies tóxicas las proteínas plasmáticas que ligan los tóxicos en el plasma sanguíneo impidiendo su difusión hacia los tejidos La célula responde a los estímulos externos adaptándose, si el cambio va mas allá de su capacidad de adaptación se provoca un daño. Algunas etapas del daño son REVERSIBLES, cuando funcionan los mecanismos de defensa y de reparación. Si el estímulo es severo y persistente provoca daño y muerte celular.

11 Respuesta tóxicat La toxicidad de un XB es la capacidad de producir un efecto perjudicial como consecuencia de la reactividad de un XB y es una propiedad intrínseca nseca de cada compuesto la respuesta tóxica es cualquier cambio que produce una lesión celular permanente o la interrupción de la homeostasis de una célula que la lleva a una alteración irreversible y a la muerte. La caracterización de los efectos tóxicos es esencial en la evaluación del riesgo potencial de una sustancia. LA RESPUESTA TÓXICA OCURRE CUANDO TODAS LAS DEFENSAS HAN SIDO VENCIDAS Incluidos los mecanismos de reparación.

12 Variaciones en la respuesta tóxica t a XBs Vida media Lugar de acción Radicales libres Ultracorta Lugar de formación CYPs Inhibidores suicidas XENOBIÓTICO CYP activación Especies reactivas de oxígeno Metabolitos reactivos Corta Media Macromoléculas de la propia célula Células del tejido Células sanguineas Conjugados inestables Larga Tejidos alejados del lugar de producción Muy larga Todo el organismo Efectos acumulativos

13 Alteración n de procesos bioquímicos por acción n directa de XBs Deficiencia de metabolitos o cofactores Compuesto Intermediario Efecto Metionina S-AMEtionina Deficiencia adenina/ ATP Galactosamina UDP-galactosamina Deplección UTP, UDP Etanol NADPH Desequilibrio NADH/ NAD+ Cambios en la fluidez de membrana La integridad estructural de las membranas depende de una relación adecuada colesterol/fosfolípido (plasmática y mitocondrial) Aumento de colesterol conlleva un aumento de la rigidez: Alteración de la permeabilidad Inactivación de enzimas de membrana (bombas iónicas Na+/K+ ATPasa, Ca++ ATPasa) Alteraciones del transporte Ejemplos: etanol, etinil-estradiol

14 Alteración n del balance energético celular Aumento del consumo de ATP para: (demanda energética) - Síntesis de novo de GSH (ciclo del γ-glutamilo) Conjugación con metabolitos (GSH-tansf) Oxidación de GSH y Eliminación de GS-SG Alteración de los gradientes iónicos (ATPasas) Disminución n de la producción n de ATP a causa de: Disfunción mitocondrial - Inhibidores TEM y agentes desacoplantes

15 Qué es el ESTRÉS S OXIDATIVO? 1. Alteración del balance entre los sistemas oxidantes (generadores de especies reactivas) y los antioxidantes (preventivos, secuestradores y reparadores). 2. Si el balance queda desplazado a favor de procesos oxidativos se produce: - Aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS) Anión superóxido (O - 2 ) Radical hidroxilo (OH - ) Peróxidos (-O-O-) - Disminución de GSH y del pool de nucleotidos NAD(P)H

16 PEROXIDACIÓN N LIPÍDICA Definición Reacción por radicales que, en presencia de oxígeno y lípidos insaturados se propaga en cadena y conduce a la degradación oxidativa de los lípidos de la membrana celular (determinación de MDA= malonildialdehido). Efectos Alteración de las propiedades fisico-químicas de las membranas y de la funcionalidad de las enzimas alojadas en ellas. Se producen productos de degradación altamente tóxicos para la célula (aldehídos (MDA), hidroperóxidos, cetonas, etc.). Causas Radicales libres generados durante la biotransformación de XBs (CYP). Especies reactivas de oxígeno generadas durante el metabolismo celular oxidativo. Compuestos capaces de sufrir repetidos ciclos de oxidación y reducción en el interior de la célula.

17 PEROXIDACIÓN N LIPÍDICA Lípido Iniciación Radical lipídico Peroxiradical lipídico Propagación Hidroperóxido lipídico Fragmentación n y formación n de MDA, (malonildialdehído)) etc. Terminación

18 EFECTOS de la Alteración n de la HOMEOSTASIS intracelular del Ca2+ Aumento de la salida de calcio desde los reservorios intracelulares (mitocondria o RE) o de su entrada desde el exterior. Alteración de la recaptación del calcio por la mitocondria y el RE o de su bombeo al exterior. La [Ca2+] en la célula depende: - Bombeo de Ca2+ - Reservorios de Ca2+ en RE, mitocondria y proteínas CONSECUENCIAS Activación de fosfolipasas Activación de proteasas no lisosómicas Activación de las endonucleasas Formación de blebs (vesículas) en las membranas

19 Eventos en la Citotoxicidad por XBs TÓXICO Alteraciones del citoesqueleto Metabolitos reactivos Estrés oxidativo Peroxidación lipídica Unión covalente Radicales de oxígeno Alteración permeabilidad de la membrana Deplección de GSH Modificación de SH de proteínas Inactivación de Ca2+ ATPasas Alteración n homeostática tica del calcio intracelular Activación fosfolipasas y endonucleasas Muerte Celular

20 DAÑO O CELULAR y MUERTE CELULAR Vesículas en membrana Estructura mitocondrial preservada Cambios nucleares Fragmentación cromatina Cuerpos apoptóticos Hinchamiento celular irreversible Ruptura de membrana Cambios mitocondriales Cromatina preservada Reacción inflamatoria

21 Características de los procesos de Apoptosis y Necrosis Proceso fisiológico o patológico Altamente regulado Activa síntesis de proteínas y RNA Condensación de la cromatina y fragmentación del DNA La membrana plasmática permanece intacta hasta el final: formación de cuerpos apoptóticos Eliminación por heterofagia No sale contenido celular al exterior No produce inflamación Accidental Siempre patológica No regulada La membrana plasmática se destruye tempranamente Salida del contenido celular Inflamación Cambios bioquímicos y morfológicos: hinchamiento del citoplasma (oncosis) e hinchamiento mitocondrial. Participan enzimas celulares que causan cambios bioquímicos y morfológicos muy característicos No existe hinchamiento mitocondrial, aunque la mitocondria juega un papel activo.

22 DISC Muerte celular por Necrosis / Apoptosis TNF, FasL Receptores de muerte FADD, TRADD Estrés celular: XBs, ROS, lesión DNA, Ac biliares Bax Caspasas iniciadoras 8 Bid ceramida + ATP MITOCONDRIA - ATP Citocromo c Apoptosoma Apaf -1 Caspasas efectoras 3, 6 y 7 Caspasa 9 NECROSIS APOPTOSIS La apoptosis, a diferencia de la necrosis, consume ATP, cuya energía es utilizada para la activación de las caspasas, cuya activación en cascada produce los efectos que podemos

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24 Lesiones reversibles Pérdida del control del volumen Pérdida de ATP porque disminuya la ATPasa Aumento velocidad glicolisis, para ATP Desprendimiento de los ribosomas del R.E. rugoso Aumento de la permeabilidad de la membrana y disminución de la actividad miticondrial, ligera vesiculación

25 Lesiones irreversibles Vacuolización de las mitocondrias Daño masivo en la membrana celular Crecimiento de los lisosomas Entrada de Ca 2+ y activación de proteasas y fosfatasas Pérdida de proteínas, coenzimas y RNA. Condensación nuclear y agregación de cromatina (picnosis) Destrucción de cromatina (cariólisis) Fragmentación nuclear (carirrexis) Digestión enzimática del citoplasma y del núcleo