Curso 11/12 -Pág.1 TEMA 4.- TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE

TEMA 4.- TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE XENOBIÓTICOS EN LOS
ORGANISMOS.
Una vez que el xenobiótico (Xb) ha sido absorbido (piel, respiratorio, digestivo), se
transporta por todo el organismo hasta que alcanza su destino. Dentro de la sangre las sustancias
pueden ir incorporadas a las células, disueltas en el plasma, ó unidas a proteínas plasmáticas. El
destino de los Xb puede ser su sitio de acción, uno o varios almacenes de depósito o diversos
órganos para su biotransformación. El entendimiento de la distribución (localización y
concentración) de un Xb es importante para predecir la respuesta toxicológica.
Fluidos corporales entre los que se pueden distribuir las sustancias
% del peso del
cuerpo
Volumen
Compartimento
(L)
Propiedades físicoquímicas
Plasma sanguíneo
4
3
Masa molecular elevada
Líquido intersticial
14-18
10-13
Masa molecular elevada
Ejemplo
Dextranos,
heparina
-Hidrofílicos
Volumen
extracelular
18-22
13-16
-Masa mol.> 200-300
Inulina, Br-
-(an)iones
Volumen
intracelular
35-40
Volumen transcelular
(secreciones, LCE)
1-3
0,7-2
Volumen total
54-64
40-46
25-28
Lipofílicos
Masa mol. pequeña
Lipofílicos
Etanol, D2O
Una sustancia que no atraviesa la pared capilar, únicamente se distribuye en el plasma;
si atraviesa los capilares, pero no la membrana celular, se distribuye en el espacio extracelular, y
si atraviesa todas las membranas, se distribuye en todo el agua corporal (etanol).
PERFILES DE DISTRIBUCIÓN. Existen diferentes modelos que explican la
distribución de los xenobióticos en el organismo:
Monocompartimental, en el que el Xb se distribuye rápidamente por todo el organismo.
Bicompartimental, el xenobiótico se distribuye inicialmente en plasma y órganos muy
irrigados, alcanzando posteriormente el equilibrio con el resto del organismo.
Tricompartimental, semejante al anterior pero a continuación se concentra en órganos
específicos.
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DISTRIBUCIÓN DE XENOBIÓTICOS
1. Unión a proteínas. Los Xb se pueden ligar reversiblemente a las proteínas
plasmáticas, por medio de distintos tipos de uniones: interacciones hidrófobas, puentes de
hidrógeno y fuerzas de van der Waals. La molécula de proteína tiene un número limitado de
sitios donde se pueden ligar, tanto los xenobióticos, como los compuestos endógenos. Así
que, un agente determinado tiene que competir con los demás compuestos (xenobióticos y/o
endógenos) por los sitios de unión disponibles. La unión reversible del compuesto a las
proteínas impide la difusión simple pero no limita su transporte activo.
2. Transporte a tejidos especiales. El hígado y los riñones cuentan con mecanismos
de transporte activo, por lo que pueden captar muy diversas sustancias para almacenarlas,
biotransformarlas y/o excretarlas.
3. Transporte a tejido graso. Los lípidos pasan fácilmente las membranas y se
almacenan por disolución simple en las grasas neutras pudiendo dar lugar a grandes
acumulaciones, ya que las grasas representan entre el 20 y el 50% de la masa corporal. Esta
forma de acumulación puede parecer benigna, sin embargo el compuesto depositado está
siempre en equilibrio con su forma libre en la sangre, haciendo que se incremente la
permanencia del compuesto en este fluido. También existe el peligro de que se produzca un
elevación súbita de la concentración de la sustancia en la sangre cuando se tiene una rápida
movilización de grasa por inanición, o por esfuerzos extenuantes y prolongados, etc.
4. Transporte hacia tejido óseo. Ciertos iones, como los floruros, el plomo y el
estroncio, se intercambian en las interfaces entre los huesos y el fluido extracelular. El hueso
es almacén de depósito para el plomo y es el sitio de acción del floruro, donde produce
fluorosis ósea.
5. Barreras de exclusión. Los compuestos se pueden acumular en un sitio, pero
también pueden ser excluidos de otros. La barrera hemato-encefálica protege al Sistema
Nervioso Central (SNC) de la exposición a muchas sustancias químicas. Lo mismo sucede
con la barrera placentaria que protege al feto y con la barrera testicular que protege a los
testículos. La barrera del SNC tiene tres mecanismos de exclusión: las células epiteliales de
los vasos capilares del SNC están íntimamente unidas no dejando poros acuosos entre las
células. Esto impide la difusión de sustancias polares de bajo peso molecular. Los capilares
del SNC están rodeados de células gliales (astrocitos) imponiendo una película adicional que
cruzar. La concentración de proteínas en el líquido intersticial del SNC es la más baja de
todo el organismo, haciendo que los lípidos no cuenten con transportadores intercelulares. La
protección que proporciona la barrera varía, de una región del cerebro a otra, debido a las
diferencias en el suministro de sangre y en la permeabilidad de la barrera.
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FACTORES QUE AFECTAN A LA DISTRIBUCION
La distribución de compuestos depende, principalmente, de los siguientes factores:
1.- Las propiedades químico-físicas del compuesto (estructura, pKa, liposolubilidad, Pm).
2.- El flujo sanguíneo.
3.- La afinidad del tejido por el compuesto.
1.- Influencia de la estructura del compuesto en el transporte y distribución. De ella
dependerá la mayor o menor afinidad del compuesto por uno u otro órgano ó tejido. Como
ejemplo, en la siguiente tabla se dan las concentraciones relativas de diferentes derivados del
mercurio, en algunos órganos, a los 10 días de la inyección i.v.
Gl.rojos/
Sustancia
Sangre
Hígado Cerebro Músculo Riñones
plasma
Vapor de Hg (inhalación)
1,5-2
Hg0-
Hg0
2+
Hg
Sales-i de mercurio, Hg(NO3)2
(Soluble en H2O)
(Une SH de albúmina y Hb)
Metilmercurio (al-Hg)
0,4
2850
1
6,7
3960
37
(Mt)
10
(Mt)
1
1,5
0,8
0,7
1,7
1
3600
4,7
83
2400
(liposoluble, GSH gl. rojo)
Org-Hg y alox-Hg
(liposoluble, degradable a i-Hg)
De forma general, se puede afirmar que el 90% de los compuestos orgánicos se transportan en
las células rojas. Un 50% del Hg inorgánico es vehiculizado por el plasma, unido a proteínas.
2.- Flujo sanguíneo. Los principios estudiados para la absorción son aplicables a la
distribución, salvo que en ésta la concentración depende del flujo sanguíneo, la superficie de
absorción dentro de los tejidos depende de la masa del tejido y el reparto depende de la razón
sangre/tejido. La presencia de proteínas en plasma y tejidos hace más complejo el sistema. En
muchas ocasiones el paso de un compuesto de la sangre a los tejidos es por simple difusión
(bajo un gradiente de concentración), aunque también depende de la polaridad del compuesto.
Órgano
Veloc. de
perfusión
Hueso Cerebro T. adiposo
0.02
0.5
0.03
Corazón Riñones Hígado
0.6
4
0.8
Músculo
Piel
0.025
0.024
(mL/min/mL tej.)
Algunos tejidos tienen barreras anatómicas (ej. la barrera hematoencefálica).
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3.- La afinidad del tejido por el compuesto. Si la afinidad del tejido por el compuesto es
elevada, se acumulará en tejidos pobremente perfundidos (graso) y llevará mucho tiempo cargar
o descargar estos tejidos. La avidez en la unión a proteínas del tejido, junto con una relación
flujo/masa baja, explica la formación de depósitos.
Acumulación de sustancias en tejidos tras la exposición a dieldrin y plomo (niveles relativos
en sangre = 1) (ver también la tabla de los derivados del mercurio)
Sustancia
Sangre
Hígado
Cerebro
Riñones
Tej. adiposo
Hueso
Dieldrin
1
26,3
3,32/4,93
----
158
----
Plomo
1
1,7
1,1
6.6
----
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INTERACCIONES DE LOS XENOBIOTICOS CON LAS PROTEINAS
Muchos compuestos, orgánicos e inorgánicos, de bajo Pm (mayoritariamente lipofílicos)
se unen reversiblemente a lipoproteínas, albúminas (50%) y otras proteínas plasmáticas.
Xenobióticos acídicos suelen unirse a la albúmina, mientras que los xenobióticos básicos lo
suelen hacer a glicoproteínas con grupos alfa-ácidos y lipoproteínas. Muchas sustancias
endógenas (esteroides, vitaminas y metales iónicos) se unen a globulinas.
La unión se realiza mediante enlace con grupos funcionales, especialmente sulfhidrilos,
amino, fosfatos, carboxilato, imidazol e hidróxido. Las interacciones iónicas, hidrofóbicas,
puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals están implicadas en tales uniones. La unión
covalente suele ocurrir en una proporción mínima y no es importante en la posterior distribución
de tóxicos al no estar libre para ejercer su acción.
R
C=O
O+
NH3
Puentes de hidrógeno
O
Interacciones
iónicas
+Hg
O-
Interacciones
R
hidrofóbicas
H
O
O
C-R
CH2OH
CH2OH
R
Fuerzas de Van de Waals
R
C=O
Factores que influyen en la unión:
- La naturaleza química del sitio de unión (determina las características de la unión).
- El ambiente de la proteína
- La estructura tridimensional del sitio de unión
- La localización general en el conjunto global de la proteína
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- Cooperatividad y efectos alostéricos.
Métodos de estudio. Es importante determinar el grado de especificidad de la unión, número de
moléculas de ligando unidas a la proteína y número de sitios de unión existentes en la proteína.
K1
La unión de Xb a proteínas (P) es una unión reversible:
[Xb] + [P]
[Xb-P]
K2
Se trata como un equilibrio químico, por lo que se puede aplicar la ley de acción de masas:
[Xb-P]
Ka = --------------- = ------[Xb] [P]
Kd
1
La concentración total de sitios de unión, Pt, es igual a [P] + [Xb-P], de donde [P] = Pt - [Xb-P]
Haciendo cálculos se deduce la ecuación de la curva de unión:
([P] + [Xb-P]) x Xb
Bmax x F
[Xb-P] = --------------------------Kd + Xb
donde:
o
B = --------------Kd + F
[1]
B = concentración de Xb unido a la proteína ([Xb-P])
Bmax = concentración total de sitios de unión ([P] + [Xb-P])
F = concentración de Xb libre ([Xb])
Cuando el Xb está unido en un 50% (B/Bmax = 1/2): Kd = F.
De la ecuación [1] se pueden obtener distintas representaciones, entre las que destacan:
1. Dobles recíprocos : 1/B = 1/Bmax + Kd/Bmax x 1/F
Permite calcular la kd y la influencia de otros compuestos sobre la unión del ligando a la
proteína.
EJEMPLOS:
Unión de lipoproteínas de
suero de rata a:
Unión del DDT a
proteínas séricas humanas
1/B
12
10
30
Corte: Eje Y = 1/Bmax
Eje X = -1/Kd
8
1/B x 107
1/B
Lipoproteinas
8
Dieldrina
Paration
6
6
Pendiente
= Kd/Bmax
20
4
α o β-globulina
α-albúmina
4
1/Bmax = 0,65 2
Bmax = 1,5
10
Transferrina
0
-0,2
2
DDT
0,0
0,2
0,4
0
0
2
4
6
8
10
12
- 1/Kd = - 0,058 ; Kd = 17,2
1/F x 108
0,6
0
0
0,8
1/F
1,0
1
2
1/F x 108
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2. Representación de Scatchard. B/F = Bmax/Kd - 1/Kd x B
Permite conocer la existencia de diferentes tipos de unión y calcular las distintas ka o kd
y el nº de sitios de unión (B). La unión específica presenta alta Ka y bajo B, y la inespecífica
(generalmente con compuestos no polares) presenta baja Ka y elevado B.
2 RECEPTORES
0,10
B/F
B/F
1 RECEPTOR
Intersección: Bmax/Kd
0,08
Pendiente: -Ka = - 1/Kd
0,06
6
4
0,04
2
Intersección: Bmax
0,02
0
0,00
0
1
0
2
5
B
10
B
15
Curvas de desplazamiento. El empleo de radioligandos ha permitido analizar el fenómeno de
inhibición o competencia que se establece cuando dos ligandos presentan afinidad por el mismo
sitio de unión en proteínas. Esta unión competitiva puede tener importantes consecuencias
cuando uno de los ligandos potencialmente tóxico tiene muy alta afinidad por el receptor. A
continuación se muestra un ejemplo de unión competitiva entre fenilbutazona (antiinflamatorio)
y warfarina (anticoagulante) por la albúmina humana.
Fenilbutazona + Warfarina
6
Moles de albúmina/
Moles de Fenilbutazona
5
Fenilbutazona
4
3
2
1
0
-1
0
1
2
3
1/Fenilbutazona libre x 10-5
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RECEPTORES CELULARES
Llamamos receptor (Rc) a cualquier molécula que se une a un ligando para iniciar un
cambio en la función celular. Los Rc pueden situarse en la membrana plasmática, con el sitio
de unión al ligando hacia el exterior celular (receptor de acetilcolina, insulina), o en el interior
de la célula (receptores de hormonas esteroideas).
Sitios de unión a acetilcolina
α
β
α
Poro
acuoso
δ
γε
Espacio
extracelular
Bicapa
lipídica
Citoplasma
MODELO DEL RECEPTOR DE
ACETILCOLINA
RECEPTOR DE HORMONAS ESTEROIDEAS
Unión de hormonas a receptores
El proceso normal en la unión hormona-receptor ocurre de la siguiente manera:
1. Las hormonas (por ejemplo, los estrógenos), viajan por la sangre unidos a proteínas
(lipoproteínas),
y
entran
en
las
células
buscando
su
receptor.
2. Una vez dentro de la célula, la hormona se une al receptor y forma el complejo hormonareceptor.
3. La unión activa el receptor, que inicia diferentes procesos celulares. Actúa sobre genes
específicos causando cambios celulares que conducen a determinadas respuestas.
Disruptores endocrinos:
En muchos casos, los xenobióticos se unen a receptores específicos de hormonas y
pueden mimitizar la acción de éstas dentro de las células, interfiriendo su acción (disrupción
hormonal).
Si un Xb se une al receptor hormonal dentro de la célula, puede provocar una
respuesta normal de la hormona, una respuesta anormal, o no producir respuesta al bloquear
el sitio de unión del receptor y evitar la unión de la hormona.
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Ello puede tener importancia cuando se trata de hormonas que juegan importantes
papeles en el organismo humano, como son los estrógenos, hormonas tiroideas, etc. Así, o,p’DDT, algunos PCBs y muchos fitoestrógenos, se unen a Rc de estrógenos.
Estudios ambientales y epidemiológicos apoyan el incremento de anomalías
reproductivas y de algunos cánceres como consecuencia de la introducción de determinados
químicos sintéticos a partir de 1940, como son ciertos PCBs y dioxinas, algunos pesticidas, y
estirenos y fenoles alquilados, encontrados en algunos detergentes y plásticos.
OH
CH3 OH
Cl
Cl
HO
Cl
HO
17β-estradiol
Cl
Cl
dietilestilbestrol
c,p'-DDT
Se ha comprobado el efecto de elevadas concentraciones de PCBs y DDT en la
reproducción de peces (Grandes Lagos), panteras (Florida), humanos, etc.
Otros modos de acción:
Otros disruptores endocrinos envían mensajes celulares a través de diferentes
proteínas que, indirectamente, activan genes y alteran el crecimiento y la división celular. Ej.
El beta-hexaclorociclohexano (beta-HCH) producía respuestas estrogénicas (división y
crecimiento celular) a niveles encontrados en el tejido de cáncer de pecho. Este compuesto no
se une al Rc de estrógenos , pero activa la transcripción de ADN produciendo la respuesta
estrogénica.
El p,p’-DDT, a niveles menores que los encontrados en el tejido graso del pecho,
evitaba el Rc de estrógenos y estimulaba una compleja mezcla de proteínas de señalización
celular (Rc de factores de crecimiento) conduciendo a la división celular (alimentando el
tumor). Sin embargo, el p,p’-DDT puede también unir el Rc de andrógenos e inhibir la unión
de éstos. De este modo, el mismo compuesto puede influir en el sistema endocrino de
diferentes formas.
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El mecanismo bioquímico de la toxicidad por PCDD y PCBs, a traves del receptor
de hidrocarburos arilo (Ah) se estudia con detalle en el tema 15.
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