del Etanol
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Farmacocinética y Aspectos Forenses del Alcohol Arthur I. Cederbaum Mount Sinai School of Medicine New York 10029, NY 1 Farmacocinética Farmacocinética del del Etanol, Etanol, Metabolismo Metabolismo yy Aspectos Aspectos Forenses Forenses •• El El objetivo objetivo de de esta esta conferencia conferencia es es describir describir las las vías vías bioquímicas bioquímicas que quejuegan jueganalgún algúnrol rolen enel elmetabolismo metabolismodel deletanol. etanol. •• Las Las vías vías se sedescribirán describiráncon conrespecto respectoaa las lasenzimas enzimasinvolucradas, involucradas, los los factores factores que que regulan regulan elel flujo flujo por por estas estas vías, vías, yy cómo cómo éstas éstas tienen tienen un un impacto impacto sobre sobre las las vías vías fisiológicas fisiológicas normales normales que que participan participanen enel elmetabolismo metabolismode denutrientes nutrientesyydrogas. drogas. •• Se Se revisarán revisarán los los efectos efectos del del consumo consumo crónico crónico de de etanol etanol sobre sobre el el metabolismo metabolismo del del etanol etanol yy del del acetaldehído, acetaldehído, incluyendo incluyendo los los factores factores que que podrían podrían ser ser responsables responsables de de la la tolerancia tolerancia metabólica. metabólica. •• Se Se revisarán revisarán los los factores factores que que influyen influyen en en la la absorción absorción yy eliminación eliminacióndel deletanol. etanol. Farmacocinética del Etanol, Metabolismo y Aspectos Forenses •El objeto de esta conferencia es el de describir las vías bioquímicas que cumplen un papel en el metabolismo del etanol. •Estas vías se describirán en relación con las enzimas correspondientes, los factores que regulan el flujo por estas vías y cómo éstas influyen en las vías fisiológicas normales que participan en el metabolismo de nutrientes y fármacos. •Se revisarán los efectos que el consumo crónico de etanol ejerce sobre el metabolismo de éste y del acetaldehído, con los factores que pueden ser los causantes de la tolerancia metabólica. •Se revisarán los factores que influyen en la absorción y eliminación del etanol. 2 ¿Por ¿Por qué qué es es Importante Importante Entender Entender las las Vías Vías del del Metabolismo Metabolismo del del Etanol Etanol? ? •• •• •• •• •• Aprender Aprendercómo cómoel elcuerpo cuerpoelimina eliminael eletanol etanolyysus sus metabolitos. metabolitos. Discernir Discerniralgunos algunosde delos losfactores factoresque queinfluyen influyenen eneste este proceso. proceso. Aprender Aprendercómo cómoel eletanol etanolinfluye influyeen enel elmetabolismo metabolismode de nutrientes y drogas, y cómo modula la nutrientes y drogas, y cómo modula laeficacia eficacia terapéutica terapéuticade deéstas. éstas. Podría Podríaayudar ayudaraaaprender aprendercómo cómoel eletanol etanoldaña dañavarios varios órganos. órganos. Podría Podríapermitir permitirla laidentificación identificaciónde depersonas personasque que presentan alto o bajo riesgo de toxicidad presentan alto o bajo riesgo de toxicidadpor poralcohol. alcohol. . 3 Distribución Distribución del del Etanol Etanol en en el el Cuerpo Cuerpo •• La La concentraión concentraión de de equilibrio equilibrio del del etanol etanol en en un un tejido tejido depende depende del del contenido contenido relativo relativo de de agua agua de de ese ese tejido. tejido. La La velocidad velocidad de de equilibrio equilibrio del del etanol etanolcon conun untejido tejidodepende dependede: de: Permeabilidad Permeabilidad(contenido (contenidode deagua) agua) Flujo sanguíneo Flujo sanguíneo Masa Masadel deltejido tejido •• El Eletanol etanoles esprácticamente prácticamenteinsoluble insolubleen engrasas grasasyyaceites, aceites,aunque aunquetal talcomo como elelagua, agua,puede puedepasar pasarfácilmente fácilmenteaatravés travésde demembranas membranasbiológicas. biológicas. •• El Eletanol etanolse sedistribuye distribuyede delalasangre sangreaalos lostejidos tejidosyylíquidos líquidosen enproporción proporciónaa su su contenido contenido relativo relativo de de agua. agua. La La concentración concentración de de etanol etanol en en un un tejido tejido depende dependedel delcontenido contenidorelativo relativode deagua aguadel deltejido, tejido, yyalcanza alcanzarápidamente rápidamente elelequilibrio equilibriocon conlalaconcentración concentraciónde deetanol etanolen enelelplasma. plasma.No Nohay hayproteínas proteínas plasmáticas que se unan al etanol. plasmáticas que se unan al etanol. Distribución del Etanol en el Organismo La concentración de equilibrio del etanol en un tejido depende del contenido relativo de agua de ese mismo tejido. La velocidad de equilibrio del etanol con un tejido depende de lo siguiente: Permeabilidad (contenido de agua) Velocidad del flujo sanguíneo Masa del tejido El etanol es prácticamente insoluble en grasas y aceites, aunque, como el agua, puede atravesar rápidamente las membranas biológicas. El etanol se distribuye desde la sangre a todos los tejidos y fluidos, en proporción a su contenido relativo de agua. La concentración del etanol en un tejido depende del contenido relativo de agua de éste y alcanza con rapidez el equilibrio con respecto a la concentración de etanol en el plasma. No existen proteínas plasmáticas transportadoras de etanol. La misma dosis de etanol por unidad de peso corporal puede producir concentraciones sanguíneas de etanol muy diferentes en individuos diferentes, debido a las grandes variaciones en las proporciones de grasa y agua de sus cuerpos, y el bajo coeficiente de partición de lípidos:agua en el etanol. Las mujeres generalmente presentan un volumen de distribución más bajo que los hombres debido a su mayor porcentaje de grasa corporal. En las mujeres, el nivel máximo de etanol sanguíneo será más alto que en los hombres al ingerir la misma dosis de etanol en gr por kg de peso corporal, pero no habrá diferencias cuando se administra la misma dosis por litro de agua corporal. El metabolismo de primer paso del etanol ocurre en el estómago, que puede ser mayor en hombres y también puede contribuir a los niveles sanguíneos más altos de etanol que se encuentran en las mujeres. La prueba del aliento para estimar las concentraciones de etanol sanguíneo depende de la difusión del etanol desde la sangre arterial pulmonar hacia el aire alveolar. El vapor del etanol en el aliento está en equilibrio con el etanol disuelto en el agua de la sangre con un coeficiente de partición sangre:aliento de 2100:1, aproximadamente. La interacción entre la cinética de absorción, distribución y eliminación, determina la magnitud de la exposición sistémica al etanol. 4 Factores Factores que que Afectan Afectan la la Absorción Absorción del del Etanol Etanol 1. 1.Concentración Concentraciónde deetanol etanol 3. 3.Propiedades Propiedadesirritantes irritantes del deletanol etanol 5. 5.Tipo Tipode debebida bebida 2. 2.Flujo Flujosanguíneo sanguíneoal al sitio de absorción sitio de absorción 4. 4.Velocidad Velocidadde deingesta ingesta 6. 6.Alimentos Alimentos La Laabsorción absorcióndel deletanol etanoldesde desdeel elduodeno duodenoyyyeyuno yeyunoes esmucho mucho más rápida que desde el estómago, por lo tanto, la velocidad más rápida que desde el estómago, por lo tanto, la velocidad de devaciamiento vaciamientogástrico gástricoes esun undeterminante determinanteimportante importantede dela la velocidad de absorción del etanol administrado por vía oral. velocidad de absorción del etanol administrado por vía oral. Factores que Afectan la Absorción del Etanol 1. Concentración de etanol 2. Flujo sanguíneo al sitio de absorción 3. Propiedades irritantes del etanol 4. Velocidad de la ingesta 5. Tipo de bebida alcohólica 6. Alimentos La absorción del etanol en el duodeno y en el yeyuno es mucho más rápida que en el estómago, por lo que la velocidad de vaciamiento gástrico es un factor determinante importante en la velocidad de absorción del etanol administrado por vía oral. El etanol atraviesa membranas biológicas mediante difusión pasiva, según su gradiente de concentración. Por lo tanto, cuanto mayor es la concentración de etanol, mayor es el gradiente de concentración resultante y más rápida es la absorción. La eliminación rápida del etanol desde el sitio de absorción, mediante un flujo sanguíneo eficaz, ayudará a mantener el gradiente de concentración y así favorecerá la absorción. El etanol tiene propiedades irritantes y las concentraciones altas pueden causar erosiones superficiales, hemorragias y parálisis de la musculatura lisa del estómago, lo que disminuirá la absorción del etanol. La máxima concentración sanguínea de etanol se alcanza más lentamente si la bebida alcohólica se ingiere con rapidez, quizás como reflejo de las propiedades irritantes del etanol. No obstante, los niveles máximos de etanol sanguíneo son más altos si se ingiere una dosis de etanol de una sola vez y no en varias dosis pequeñas, probablemente porque en el primer caso el gradiente de concentración del etanol será más alto. Ciertos congéneres presentes en las bebidas alcohólicas pueden disminuir la absorción del etanol; pero no se trata de un efecto significativo. En general, hay poca diferencia en la velocidad de absorción de la misma dosis de etanol, administrada en forma de diferentes bebidas alcohólicas. Esto es importante en aspectos forenses, esto es, la concentración sanguínea de etanol no varía significativamente con el tipo de bebida alcohólica consumida. La presencia de alimentos en el estómago retarda el vaciamiento gástrico y así disminuye la absorción de etanol; es el concepto de “no beber con el estómago vacío”. Estudios recientes indican que las comidas ricas en grasas, hidratos de carbono o proteínas tienen la misma eficacia para retardar el vaciamiento gástrico. 5 Otros factores que influyen en la absorción del etanol son el tabaco, ciertos medicamentos y el ejercicio Metabolismo Metabolismo de de Primer Primer Paso Paso del del Etanol Etanol en en el el Estómago Estómago Una Una parte parte del del etanol etanol que que se se ingiere ingiere por por vía vía oral oral no no entra a la circulación sistémica, sino que puede entra a la circulación sistémica, sino que puede oxidarse oxidarse en en el el estómago estómago por por isoformas isoformas de de la la ADH ADH como σ(o µ)-ADH y la ADH de clase I y clase como σ- (o µ)-ADH y la ADH de clase I y clase III. III. Este Este metabolismo metabolismo de de primer primer paso paso podría podría modular modular la la toxicidad toxicidad del del etanol etanol pues pues su su eficiencia eficiencia determina determina la la biodisponibilidad del etanol. biodisponibilidad del etanol. Metabolismo de Primer Paso del Etanol en el Estómago Una parte del etanol que se ingiere por la vía oral no entra en la circulación sistémica sino que puede oxidarse en el estómago por acción de isoformas de la ADH, como la s- (o m)- ADH-s y la ADH clase I y ADH clase III. Este metabolismo de primer paso podría modular la toxicidad del etanol, pues su eficacia determina la biodisponibilidad del etanol. El etanol pasa rápidamente al duodeno desde el estómago en ayunas. Este hecho reducirá al mínimo el metabolismo de primer paso, por lo que cumple un papel en las altas concentraciones sanguíneas de etanol que se observan en estado de ayuno frente a cuando se ha comido. Se ha descrito que este metabolismo de primer paso es bajo en los alcohólicos, especialmente en las mujeres alcohólicas, debido a baja actividad de la ADH. Lo anterior puede tener importancia en la mayor sensibilidad al etanol y en las concentraciones sanguíneas de etanol más altas en mujeres que en hombres, después de una dosis equivalente de etanol oral. Diversos fármacos, entre ellos los bloqueadores de los receptores H2, como la cimetidina o ranitidina, o la Aspirina, inhiben la actividad de la ADH estomacal. Con esto disminuirá el metabolismo de primer paso estomacal y se elevarán las concentraciones de etanol sanguíneo. La importancia global del metabolismo de primer paso por el estómago es discutible. También puede ocurrir metabolismo de primer paso en el hígado, especialmente cuando el paso del alcohol hacia la vena porta es lento, como ocurre en el estado postprandial. La contribución relativa del metabolismo de primer paso del estómago y del hígado no está definida. La velocidad del vaciamiento gástrico modula el metabolismo de primer paso gástrico y hepático del etanol. Frezza y cols. N. Engl. J. Med. 322, 95-9, 1990. Gentry y cols. J. Lab. Clin. Med. 123, 21-6, 1994; discussion 27. Ammon y cols. Clin. Pharmacol. Ther. 59, 503-13, 1996. Levitt y cols. Alcohol Clin. Exp. Res. 21, 293-7, 1997. 6 Esquema Esquema General General de de la la Oxidación Oxidación del del Etanol Etanol 11. . Menos Menosde deun un10 10%%del deletanol etanol es esexcretado excretadoen enrespiración, respiración, sudor sudoryyorina. orina. 2.2. ~~90 90%%del deletanol etanoles esremovido removido por poroxidación. oxidación. 3.3. La Lamayoría mayoríade delalaoxidación oxidacióndel del etanol etanolocurre ocurreen enelelhígado. hígado. 4.4. ElEletanol etanolno nose sepuede puede almacenar almacenaren enelelhígado. hígado. OH O OH 5.5. No Nohay haygrandes grandesmecanismos mecanismos de deretroalimentación retroalimentaciónpara para regular la velocidad regular la velocidadde de metabolismo etílico según metabolismo etílico segúnlas las condiciones condicionesfisiológicas fisiológicasdel del hepatocito. hepatocito. + + + NAD + NAD ADH + O ALDH NADH +H+ OH O + NADH + H+ SCoA CO 2 O O Fatty acids Ácidos grasos Ketone Cuerposbodies cetónicos Colesterol Cholesterol Metabolismo del Etanol – Principios Generales Los principales sistemas enzimáticos responsables de la oxidación del etanol, que son el sistema de la alcohol-deshidrogenasa (ADH) y, en menor medida, el sistema de oxidación del etanol dependiente del citocromo p450, están presentes, en máxima medida, en el hígado. El daño hepático retarda la velocidad de oxidación del etanol y, por tanto, su eliminación del cuerpo. El etanol es un nutriente y tiene valor calórico (alrededor de 7 kcal/gr; los hidratos de carbono y las proteínas producen 4 kcal por gr y la grasa, 9 kcal por gr); pero, al contrario de los hidratos de carbono (glicógeno en el hígado y músculo) y las grasas (triglicéridos en el tejido adiposo e hígado), que se pueden almacenar y luego utilizar en caso de necesidad, por ejemplo, en ayuno, el etanol no se almacena y permanece en el agua corporal hasta que se elimina. Si bien el metabolismo de los principales nutrientes se realiza bajo control hormonal, por ejemplo, con insulina/glucagón, leptinas, catecolaminas, hormonas tiroídeas, en general, hay escaso control hormonal que regule la velocidad de eliminación del etanol. En vista de estas consideraciones, pesa sobre el hígado una carga importante para oxidar el etanol y eliminarlo del organismo. En general, los animales cuyo peso corporal es bajo metabolizan el etanol a velocidades más rápidas que los animales más grandes. Por ejemplo: la velocidad de eliminación del etanol en ratones es cinco veces mayor que en seres humanos. Estas velocidades del metabolismo del etanol se correlacionan con la tasa metabólica basal de estas especies, lo que indica que la capacidad de oxidar etanol es paralela a la capacidad de oxidar los nutrientes típicos. Con todo, es importante notar que las calorías derivadas del etanol se producen a expensas del metabolismo de nutrientes comunes, puesto que el etanol se oxidará con preferencia sobre otros nutrientes. 7 Cinética Cinética de de Eliminación Eliminación del del Etanol Etanol In-vivo In-vivo 1 2 3 4 BAC or BrAC Co β Tiempo [Horas] Cinética de Eliminación del Etanol in vivo En un principio se pensó que la eliminación del etanol era un proceso de orden cero, lo que significa que el etanol se elimina del organismo a velocidad constante, independiente de la concentración del etanol. Numerosos estudios han demostrado un descenso lineal de la concentración sanguínea de etanol en el tiempo. Ya que el Km de la ADH es bajo en el etanol (aproximadamente 1 mM), la ADH se satura a concentraciones relativamente bajas de etanol; por esto, el proceso global de eliminación procede a velocidad máxima y es independiente de la concentración del etanol. Esta linealidad no se observa con concentraciones bajas de etanol, ya que en estas condiciones la ADH no se encuentra saturada de etanol. En este caso, la eliminación del etanol sigue la cinética de Michaelis-Menten; la velocidad de cambio en la concentración del etanol depende de la concentración del etanol y de las constantes cinéticas Km y Vmáx. Además, puesto que el metabolismo del etanol mediante CYP2E1 refleja una Km alta del sistema etílico, se puede observar una velocidad de eliminación etílica dependiente de la concentración, con velocidades más altas de eliminación a concentraciones sanguíneas más altas. Estas últimas están exageradas luego del consumo crónico de etanol, ya que se induce el sistema CYP2E1 con Km alta. Debido a esta dependencia de la concentración, no es posible estimar un valor único de la velocidad del metabolismo etílico. En algunos estudios referentes a eliminación, pero no en todos, se ha observado metabolismo de etanol dependiente de la concentración. Algunos estudios han comunicado un descenso más rápido de la concentración sanguínea de etanol con inicio más precoz, inmediatamente después de haber alcanzado la concentración sanguínea máxima de etanol, lo que puede reflejar ya sea un metabolismo etílico dependiente de concentración o bien una reoxidación más rápida del NADH. Si bien las velocidades varían ampliamente, la capacidad metabólica “promedio” de eliminar el etanol del organismo es aproximadamente 170 a 240 g/día en una persona que pesa 70 kg. Esta cifra sería equivalente a una velocidad metabólica promedio de alrededor de 7 g/hr, lo que equivale a un trago por hora. Como los alcohólicos pueden consumir 200 a 300 g de etanol/día, el equivalente de 1400 a 2100 kcal, disminuye significativamente el consumo de nutrientes normales (generalmente 2000-3000 kcal consumidas por día). 8 Alcohol Alcohol Deshidrogenasa Deshidrogenasa Constante Km NAD+, µM Km etanol, mM Ki 4-metilpirazol, µM Vmax min-1 pH-óptimo αα β1β1 β2β2 β3β3 13 4,2 1,1 27 10,5 7,4 0,049 0,13 9,2 10,5 180 0,94 400 8,5 530 24 2,1 300 7,0 γ1γ1 7,9 1 0,1 87 10,5 γ2γ2 8,7 0,63 35 10,5 ππ 14 34 2000 20 10,5 Crabb y cols. 1987 & Bosron y cols. 1993 ¿Función Fisiológica? Isoformas-¿Por qué tantas? Localización-consecuencia en la función hepática. Desarrollo. Alcohol Deshidrogenasa (ADH) La ADH es una enzima que contiene zinc, constituida por dos subunidades de 40 kDa cada una. Las funciones de la ADH pueden ser la oxidación de las pequeñas cantidades de etanol endógeno producido por microorganismos, la oxidación de etanol exógeno y otros alcoholes consumidos en la dieta, y tal vez la de oxidar sustratos que participan en el metabolismo de esteroides y ácidos biliares. La enzima tiene una gran especificidad de sustrato y oxida diversos alcoholes primarios o secundarios. La ADH se localiza en el citoplasma de las células. Se encuentra principalmente en el hígado, luego en el tracto gastrointestinal, riñones, mucosa nasal, testículos y útero. Existen formas múltiples de ADH en el hígado humano. Hasta el momento se conocen siete genes de la ADH, dos de los cuales presentan polimorfismo. La ADH Clase I contiene tres genes: ADH1, ADH2 and ADH3, los cuales codifican las siguientes subunidades: α, β1, β2 y β3, y γ1 y γ2,. Estas diferentes subunidades y formas polimórficas pueden combinarse para producir una variedad de homo o heterodímeros, por ejemplo: αα, β1β1, αβ2. Las formas se encuentran principalmente en el hígado ADH Clase II: El gen ADH4 codifica la subunidad π, la que produce homodímeros π π en el hígado y, en una proporción menor, en los pulmones y riñones. La Km elevada para etanol puede hacer de esta enzima una de las más importantes en el metabolismo de concentraciones altas de etanol. ADH Clase III: El gen ADH5 codifica la subunidad X, la que produce homodímeros XX. Esta enzima se conocía anteriormente como la formaldehído deshidrogenasa dependiente de glutatión y se encuentra en la mayoría de los tejidos. Esta isoforma tiene una Km muy alta para el etanol (>2M). ADH Clase V: El producto del ARN mensajero, producido por el gen ADH6, está presente en el hígado y estómago, pero la proteína no ha sido caracterizada. ADH Clase IV: El gen ADH7 codifica la subunidad sigma, la que es muy eficaz en oxidar el retinol a retinal. Esta isoforma se encuentra en el estómago. Hace poco se encontró una ADH de clase VI, pero aún no ha sido caracterizada. Las isoformas de la ADH clase I cumplen el papel más importante en la oxidación del etanol. La ADH se encuentra, en concentraciones bajas, en el hígado fetal; el homodímero αα se puede observar en etapas precoces de la gestación, la subunidad β comienza a expresarse en la gestación tardía; y la subunidad γ se expresa después del nacimiento. El feto elimina el etanol con mucha lentitud, debido a esta maduración tardía de los genes de la ADH. La capacidad de formar varias isoformas, con distintas propiedades cinéticas, probablemente contribuya a la gran variabilidad en la capacidad de metabolizar etanol que muestran las poblaciones humanas. La gran sensibilidad de la ADH clase I a la inhibición por pirazoles explica la fuerte inhibición del metabolismo etílico que tienen estos agentes. 9 Factores Factores que que Modifican Modifican la la Velocidad Velocidad de de Eliminación Eliminación del del Etanol Etanol Hay Hayuna unavariabilidad variabilidadde de3-4 3-4veces vecesen enla lavelocidad velocidadde de eliminación eliminacióndel deletanol etanolen enlos losseres sereshumanos humanosdebido debidoaa factores factoresgenéticos genéticosyyambientales, ambientales,que queson son sexo, sexo,edad, edad, raza, raza,alimentación, alimentación,ritmos ritmosbiológicos, biológicos,ejercicio, ejercicio, alcoholismo alcoholismoyydrogas. drogas. Factores que Modifican la Velocidad de Eliminación del Etanol Existe una variabilidad de 3 a 4 veces en la velocidad de eliminación del etanol en los seres humanos, debido a factores genéticos y ambientales, que son sexo, edad, raza, alimentación, ritmos biológicos, ejercicio físico, alcoholismo y fármacos. Sexo: Las primeras publicaciones, en general, no comunicaron efectos del sexo en la velocidad de eliminación del etanol. Estudios recientes demuestran una eliminación más rápida del etanol en mujeres, cuando los índices se corrigen por masa corporal magra. Como el tamaño corporal de las mujeres es más pequeño y, por tanto, la masa corporal magra es menor, la eliminación del etanol por unidad de masa magra es más alta en las mujeres. En hombres y mujeres, en general, las velocidades de eliminación son similares cuando los resultados se expresan en gr/hr o gr/lt de volumen hepático. Debido al metabolismo de primer paso gástrico, es posible que una dosis oral de etanol pueda producir una concentración sanguínea de etanol más alta en mujeres que en hombres (ver figura de Metabolismo de Primer Paso). Edad: Los animales muy jóvenes presentan velocidades bajas de eliminación del etanol, porque la ADH (y CYP2E1) no están completamente desarrolladas. El hígado fetal elimina muy mal el etanol, lo que puede tener consecuencias en el síndrome alcohólico fetal. Puede haber un pequeño descenso en la eliminación de etanol con la edad, quizá debido a una disminución de la masa hepática, o del contenido de agua corporal. Raza: La literatura es poco clara. La eliminación del etanol puede ser más alta en individuos portadores de la isoforma b3 de la ADH I, comparada con la isoforma b1(véase diapositiva de los alelos de la ADH). Algunos estudios, pero no todos, plantean que la velocidad de eliminación del etanol sería más alta en los indios americanos, comparados con los caucásicos. La velocidad de eliminación de etanol en chinos es similar a la de los caucásicos. Un estudio comunicó que la velocidad de eliminación etílica de los afroamericanos es más baja que en los caucásicos, lo que refleja un peso hepático más bajo por unidad de peso corporal. La masa hepática puede explicar las diferencias étnicas y sexuales en la velocidad de eliminación del etanol (véase diapositiva relativa al Metabolismo del Acetaldehído, en lo referente a las variantes activas e inactivas de la ALDH. Alimentación: El metabolismo del etanol es más alto en estado postprandial que en estado de ayuno, porque los niveles de ADH son más altos y la capacidad de los mecanismos de transporte de sustratos, para llevar equivalentes reductores hacia las mitocondrias, es alta. La comida también puede aumentar el flujo sanguíneo hepático. Los alimentos ricos en hidratos de carbono son más eficaces para aumentar la eliminación del etanol que los que son ricos en grasas o en proteínas. Una explicación de este fenómeno es “efecto de la fructosa”. La fructosa aumenta el metabolismo del etanol porque proporciona substratos que ayudan a convertir el NADH a NAD+, y produce ADP, lo que aumenta la captación mitocondrial de oxígeno. Los alimentos también afectan la absorción del etanol (diapositiva). Ejercicio: Literatura poco clara. En la mayoría de los estudios referentes al tema se describe un leve aumento de la velocidad de eliminación etílica, tal vez secundaria a un aumento de la temperatura o de la liberación de catecolaminas. Fármacos: Los agentes que inhiben la ADH (pirazoles, isobutiramida) o compiten con el etanol por la ADH (metanol, etilenglicol), o los que inhiben la cadena respiratoria mitocondrial disminuirán la velocidad de eliminación etílica. En la mayoría de los casos, las hormonas no afectan significativamente el metabolismo del etanol; puede haber un pequeño aumento producido por las hormonas tiroídeas. 10 Alcohol Alcohol Deshidrogenasa Deshidrogenasa •• El Elcontrol controlde de la laactividad actividad de dela la ADH ADHes es complejo complejo •• La La disociación disociacióndel delproducto productoNADH NADHes esel elpaso paso limitante limitantede de la lavelocidad. velocidad. •• Sujeta Sujetaaa inhibición inhibicióndel delproducto productopor porNADH NADHyy acetaldehído. acetaldehído. •• Sujeta Sujetaaa inhibición inhibiciónde desustrato sustratopor poraltas altas concentraciones de etanol. concentraciones de etanol. Alcohol Deshidrogenasa La oxidación del etanol está limitada, generalmente, por la capacidad máxima de la ADH. La cantidad de ADH en el hígado es más alta en estado postprandial que en ayunas, lo que desempeña un papel principal en la velocidad de oxidación más alta en el estado postprandial. Los inhibidores de la ADH, como el 4-metilpirazol o la isobutiramida, inhiben la oxidación del etanol en proporción directa a su potencia como inhibidores de la ADH. Los efectos hormonales sobre la ADH son complejos; se ha observado cierto grado de estimulación luego de tratamiento con hormona del crecimiento, epinefrina o estrógenos. Las hormonas tiroídeas y los andrógenos inhiben la actividad de la ADH. Edenberg y cols. Pharmacogenetics 9: 25-30, 1999. Crabb y cols. Arch. Biochem. Biophys. 224: 299-399, 1983. Dawson, A. G. Trends Biochem. Sci. 8: 195-197, 1983. 11 Frecuencia Frecuencia de de alelos alelos de de ADH ADH en en Poblaciones Poblaciones Raciales Raciales Frecuencia de Alelos de ADH en Poblaciones Raciales Blancos Americanos Blancos Europeos Japoneses Negros Americanos Bosron y cols. 1993 & Crabb 1995 Frecuencia de alelos de ADH Según Poblaciones Raciales (Bosron et. al. 1993 & Crabb 1995). Las formas polimórficas de la ADH (genes para Clase I ADH1, ADH2 and ADH3) varían en alguna medida en los diferentes grupos raciales, como se ve en el cuadro anterior. Hasta el momento no hay asociaciones claras entre las diferentes isoenzimas de ADH y el desarrollo de enfermedad hepática alcohólica ni la susceptibilidad a las acciones del alcohol, ni la propensión al consumo de etanol. Hace falta más investigación al respecto y también acerca de otros sustratos que las diversas isoenzimas de la ADH oxidan, y de la influencia que ejercen la nutrición y las hormonas en la cantidad y actividad de estas isoformas de ADH. En vista de la alta Vmax de las isoformas β2 y β3 , comparadas con las isoformas β1 β1, en teoría, las velocidades de oxidación del etanol deben ser más altas en los individuos que tengan los alelos β2 o β3. Algunos estudios han apoyado esta teoría, pero faltan estudios. Un estudio reciente muy interesante plantea que los individuos portadores de 1 ó 2 copias del alelo β2 y una copia del alelo inactivo ALDH 2 (véase la diapositiva sobre el acetaldehído) tienen el riesgo mínimo de alcoholismo, seguidos por los individuos con el alelo β 2 y el alelo ALDH normalmente activo; los individuos más sensibles son aquellos con el alelo β1 más el alelo ALDH normalmente activo. Esta “protección” contra el alcoholismo que aportan los alelos β2 más el ALDH inactivo se vería reflejada en altos niveles de acetaldehído, el que se acumularía y provocaría reacciones de aversión ante el consumo de etanol. Crabb et. al. J. Lab-Clin. Med 122: 234-240, 1993. McCarver et. al. J. Pharmacol Exp. Ther. 283: 1095-1101, 1997. Chen et. al. Amer J. Human Genet. 65: 795-807, 1999. 12 Estado Estado Redox Redox Hepático Hepático •• Las Las reacciones reacciones ADH ADHyy ALDH ALDHusan usan + + NAD producenNADH. NADH. NAD yyproducen •• Estado EstadoRedox RedoxCitosólico. Citosólico. •• Estado Redox Mitocondrial. Estado Redox Mitocondrial. •• Efectos Efectos sobre sobre el el Metabolismo Metabolismo Hepático. Hepático. El Estado Redox Hepático Debido a que las reacciones de la ADH y ALDH reducen el NAD+ a NADH, la relación redox celular de NAD+/NADH disminuye como consecuencia del metabolismo del etanol. Esto tiene efectos importantes en otras vías metabólicas hepáticas que necesitan NAD+. Ya que las reacciones de la ADH ocurren en el citosol, la razón redox citosólica de NAD+/NADH disminuirá. Esta relación se refleja en la razón piruvato/lactato debido a la reacción. LDH Piruvato + NADH----------------------------------------------------------->> lactato + NAD+ La gran actividad de la lactato deshidrogenasa (LDH) mantiene la razón piruvato/lactato en equilibrio con la relación NAD+/NADH. Debido a que la reacción ALDH ocurre principalmente en la mitocondria, la razón redox mitocondrial NAD+/NADH disminuirá. Esta reacción se refleja en la relación βhidroxibutirato/acetoacetato según la reacción siguiente: BOHBDH Acetoacetato + NADH---------------------------------------------------------->>β -Hidroxibutirato + NAD+ La LDH es una enzima citoplasmática; en cambio, la β-hidroxibutirato deshidrogenasa es mitocondrial. Algunas de las reacciones importantes que se inhiben con esta disminución de la razón redox NAD+/ NADH son las siguientes: Glicólisis Ciclo del ácido cítrico (se favorece la cetogénesis) Piruvato Deshidrogenasa Oxidación de ácidos grasos Gluconeogénesis Williamson y cols. J. Biol. Chem. 246: 7632-7641, 1971. Veech y cols. Biochem. J. 127: 387-397, 1972. 13 Reoxidación Reoxidación de de NADH NADH Generada Generada por por la la Reacción Reacción ADH ADH • Es necesario reoxidar el NADH para convertirlo nuevamente en NAD+. • Las vías citosólicas no son suficientes. • NADH debe ser reoxidado por la vía de transferencia de electrones mitocondrial que se muestra abajo. Reoxidación de NADH generado por la reacción de la ADH · Es necesario reoxidar NADH a NAD+ · Las vías citosólicas no son suficientes •El NADH debe ser reoxidado por la cadena mitocondrial de transferencia de electrones que se muestra a continuación. Para mantener índices eficaces de oxidación etílica por la ADH, es importante regenerar NAD+ del NADH producido por la reacción de la ADH. C2H5OH + NAD+ ------------------>> CH3 CHO + NADH Bajo ciertas condiciones, la velocidad de oxidación del etanol puede estar limitada a causa de la reoxidación del NADH. El sistema principal para reoxidar NADH es el sistema mitocondrial de transferencia de electrones. Al acoplar la reoxidación del NADH a este sistema, se producirá energía a partir del metabolismo del etanol (7 kcal/gr de etanol). 14 Transportadores Transportadores de de Sustratos Sustratos Transportadores de Sustratos Como las mitocondrias intactas no son permeables al NADH, es necesario transferir los equivalentes reductores del NADH presente en el citosol a las mitocondrias mediante mecanismos transportadores de sustratos. Los dos principales transportadores de sustratos son el a-glicerofosfato y el malato-aspartato, que se muestran más arriba. Basados en estudios con inhibidores enzimáticos, inhibición del transportador y cálculos de flujo, el transportador malato-aspartato desempeña el papel principal en transferir los equivalentes reductores hacia las mitocondrias. La velocidad de oxidación del etanol puede estar limitada por la transferencia de los equivalentes reductores hacia las mitocondrias (capacidad del transportador) o por la capacidad real de la cadena respiratoria mitocondrial para oxidar estos equivalentes reductores. La capacidad de transferencia se puede ver limitada, en estados metabólicos de ayuno, al disminuir los niveles de los componentes del transportador. Esto podría contribuir a los bajos índices de oxidación etílica (además de un bajo contenido de ADH) en el estado metabólico de ayuno. Los agentes o condiciones que pueden aumentar la reoxidación del NADH por la cadena respiratoria pueden aumentar la velocidad del metabolismo etílico; por ejemplo, los agentes no acoplados pueden acelerar la oxidación del etanol en el estado metabólico postprandial. Meijer y cols. Biochem. J. 150: 205-209, 1975. Cederbaum y cols. Arch. Biochem. Biophys. 183: 638-646, 1977. 15 Oxidación Oxidación de de Etanol Etanol Dependiente Dependiente de de Catalasa Catalasa CH CH33CH CH22OH OH++HH22OO22→ →CH CH33CHO CHO++2H 2H22OO La Lacatalasa, catalasa,una unaenzima enzimahem, hem,se seencuentra encuentraen enla la fracción peroxisomal de la célula. Es una enzima fracción peroxisomal de la célula. Es una enzima antioxidante antioxidanteimportante importanteya yaque quenormalmente normalmentecataliza cataliza la laremoción remociónde deHH2OO2.. 2 2 2H O + O HH2OO2 ++HH2OO2 → 2 2 2 2 → 2H22O + O22 Oxidación del etanol dependiente de catalasa CH3CH2OH + H2O2----------------------->> CH3CHO + 2H2O La catalasa es una enzima con grupo hem, y se encuentra en la fracción peroxisomal de la célula. Es una enzima antioxidante importante, ya que normalmente cataliza la eliminación de H2O2 H2O2 + H2O2-------------------------------->> 2 H2O + O2 Esta vía está limitada por los bajos índices de generación de H2O2 que se producen en condiciones celulares fisiológicas (menos de 4 umol/g de hígado/hr, sólo un 2% de lo que es la oxidación del etanol) y tendría un papel insignificante en la oxidación hepática del etanol. Sin embargo, puede ocurrir algo de oxidación etílica por catalasa en algunos tejidos donde la ADH o CYP2E1 (que se discute en seguida) están ausentes o en baja cantidad, por ejemplo, en el cerebro. El sistema peroxisomal de oxidación de ácidos grasos produce H2O2, lo que puede promover algo de oxidación etílica por la catalasa. Thurman & Handler, Drug Metab. Rev. 20: 679-688, 1989. 16 Oxidación Oxidación Microsomal Microsomal (Citocromo (Citocromo p450) p450) del del Etanol Etanol CYP2E1 + NADPH NADP NADPH++CH CH33CH CH22OH OH--------------->> --------------->> NADP+++CH CH33CHO CHO++2H 2H22OO + + O2 + H Función Funciónde deCYP2E1 CYP2E1 Rol Rolen enla laOxidación Oxidacióndel delEtanol Etanol Inducibilidad Inducibilidad Oxidación Microsomal (Citocromo P450) del Etanol El citocromo P450 es una familia de enzimas con grupo hem que participan en la oxidación de esteroides, ácidos grasos y muchos xenobióticos ingeridos del ambiente. Los niveles más altos de citocromo P450 se encuentran en el hígado, donde se ubican principalmente en el retículo endoplásmico (fracción microsomal). También se puede encontrar en las mitocondrias. El P450 funciona en conjunto con otras enzimas microsomales, como la NADPH-citocromo P450 reductasa y citocromo b5. Hay varias isoformas de P450; se han identificado más de 100 familias de genes. Los P450 se ordenan en familia con base en secuencias homólogas. CYP2E1 es el P450 con la mayor actividad para oxidar etanol a acetaldehído. Aparte del etanol, la CYP2E1 puede oxidar otros múltiples compuestos, tales como la acetona, el benceno y otros alcoholes. No se ha identificado una función fisiológica clara para el CYP2E1, aunque finalmente puede metabolizar acetona a glucosa. La Km de CYP2E1 para el etanol es aproximadamente 10 mM, alrededor de 10 veces mayor que la Km de la ADH para el etanol. A concentraciones bajas de etanol, la CYP2E1 da cuenta de alrededor de 10% de la capacidad oxidativa total de etanol del hígado. Sin embargo, considerando su elevada Km, la importancia de CYP2E1 en la oxidación del etanol aumenta ante concentraciones sanguíneas de etanol mayores. La oxidación del etanol aumenta con mayores concentraciones de éste y probablemente gran parte de este aumento se deba a su metabolismo por CYP2E1. Muchos P450 se inducen por sus sustratos; esto ayuda a eliminar xenobióticos del organismo. Los niveles de CYP2E1 aumentan ante el consumo crónico de etanol, mediante un mecanismo que se basa principalmente en la protección de la enzima contra la proteolisis de un complejo proteosoma macromolecular. La CYP2E1 también está inducida en diabéticos en estado de ayuno y ante el consumo de ciertos medicamentos, como los pirazoles inhibidores de ADH, y 4-metilpirazol. Debido a su inducibilidad, la CYP2E1 puede cumplir un papel importante en el metabolismo del etanol posterior al consumo crónico, es decir, en alcohólicos. Se han identificado 13 diferentes polimorfismos de CYP2E1. Algunos de ellos pueden ser importantes como factores de riesgo de carcinogénesis del tabaco y otras toxinas, pero no hay evidencia que asocie estos polimorfismos con la frecuencia de daño hepático alcohólico. Lieber, C.S. Alcoholism: Clin. Exp Res. 23: 991-1007, 2000. Koop y Tierney Bio Essays 12: 429-435, 1990. 17 Interacciones Interacciones Alcohol-Drogas: Alcohol-Drogas: El El sistema sistema CYP2E1 CYP2E1 puede puede explicar: explicar: •• La La mayor mayor sensibilidad sensibilidadde delos los bebedores bebedores activos activos aa ciertas ciertasdrogas. drogas. •• La La resistencia resistencia de de los losalcohólicos, alcohólicos,en en ausencia ausencia de de etanol, etanol,aaciertas ciertasdrogas. drogas. •• La La mayor mayor toxicidad toxicidadde de ciertos ciertos químicos químicosen en alcohólicos. alcohólicos. •• Estrés Estrés oxidativo oxidativodependiente dependientede de etanol. etanol. Interacciones del Alcohol con Drogas .El sistema CYP2E1 puede explicar lo siguiente: .Mayor sensibilidad de los consumidores activos de etanol a determinados fármacos; .Resistencia de los alcohólicos, en ausencia de etanol, a determinados fármacos; .Mayor toxicidad de algunos compuestos químicos en alcohólicos; .Estrés oxidativo dependiente de etanol; .Puesto que el etanol y ciertos fármacos compiten por el metabolismo del CYP2E1, los bebedores activos muestran con frecuencia una sensibilidad aumentada a ciertos fármacos, ya que el etanol inhibe el metabolismo del fármaco y, por lo tanto, prolonga su vida media; .Al contrario, debido a que la CYP2E1 se induce tras el consumo crónico de etanol, aumentará el metabolismo de ciertos fármacos que también son sustratos de la enzima. Esto disminuirá la vida media del fármaco y reducirá su eficacia cuando no hay presencia de etanol; .La CYP2E1 es muy activa y oxida muchos compuestos químicos a intermediarios reactivos, por ejemplo, tetracloruro de carbono, benceno, nitrosaminas, acetaminofeno, halotano. La toxicidad de estos agentes está aumentada en alcohólicos; .El ciclo catalítico de recambio de la CYP2E1 lleva a la producción de una cantidad relativamente grande de intermediarios del oxígeno, como el radical superóxido y el peróxido de hidrógeno. Esto puede ser importante en los mecanismos de daño hepático alcohólico en que hay estrés oxidativo. Lieber, C.S. Physiol Rev 77: 517-544, 1994. Koop, D.R. Faseb J. 6: 724-730, 1992. Dai. et. al. Biochemistry 32: 6928-6937, 1993. 18 Adaptación Adaptación Metabólica Metabólica (Tolerancia) (Tolerancia) Además Además de de la laadaptación adaptacióndel delSNC, SNC, los los alcohólicos (en ausencia de hepatopatía) alcohólicos (en ausencia de hepatopatía)aa menudo menudomuestran muestranuna una mayor mayor velocidad velocidadde de depuración del etanol sanguíneo. depuración del etanol sanguíneo. Esto Estose sellama llama tolerancia tolerancia ooadaptación adaptaciónmetabólica. metabólica. Los Los mecanismos mecanismos sugeridos sugeridos incluyen: incluyen: 1. Inducción de ADH. 1. Inducción de ADH. 2. 2. Mayor Mayor capacidad capacidadde de transporte. transporte. 3. 3. Mayor Mayor reoxidación reoxidaciónde de NADH. NADH. 4. 4. Inducción Inducciónde deCYP2E1. CYP2E1. 5. 5. Liberación Liberaciónde de citokinas citokinas ooprostaglandinas prostaglandinas que aumentan el consumo de que aumentan el consumo deoxígeno oxígenode delos los hepatocitos. hepatocitos. Adaptación Metabólica (Tolerancia) Además de la adaptación del sistema nervioso central (SNC), los alcohólicos (en ausencia de daño hepático) muestran con frecuencia una mayor velocidad de depuración del etanol sanguíneo. A esto se le llama tolerancia metabólica o adaptación. Se han planteado los mecanismos siguientes: •inducción de la ADH; •capacidad de transporte aumentada, •mayor reoxidación del NADH; •inducción de la CYP2E1; •liberación de citoquinas o prostaglandinas que aumentan el consumo de oxígeno del hepatocito; •la ADH Clase I generalmente no es inducible. Faltan estudios con las numerosas isoformas humanas, •la capacidad de transferencia de sustratos y el transporte de equivalentes reductores hacia las mitocondrías no se encuentran alterados por el consumo crónico de etanol, tampoco la impermeabilidad normal de las mitocondrias al NADH; •una de las principales teorías para explicar la adaptación metabólica, la “hipótesis del estado hipermetabólico”, postula que los cambios en los niveles de hormonas tiroídeas aumentan la Na+, K+ATPasa, con el aumento posterior de los niveles de ADP. Esto aumenta el estado 3 del consumo de oxígeno mitocondrial y así aumenta la reoxidación del NADH. Un mayor consumo de oxígeno puede producir hipoxia, especialmente en los hepatocitos de la zona 3 del acino hepático, región donde se origina la toxicidad por etanol (hipótesis de la hipoxia centrolobular); •los niveles de CYP2E1 se encuentran aumentados luego del consumo de etanol y como la CYP2E1 es el citocromo P450 más activo para oxidar el etanol, esto puede desempeñar un papel importante en la tolerancia metabólica; •el etanol, tal vez por aumentar los niveles de endotoxinas, puede activar células no parenquimatosas, como los células de Küpffer, para que liberen mediadores (citoquinas y prostaglandinas) que estimulan el consumo de oxígeno, y por ende la reoxidación del NADH, por las células parenquimatosas; •el llamado aumento rápido del metabolismo del alcohol. SIAM (swift increase in alcohol metabolism) se refiere a una mayor velocidad de metabolismo del etanol a las pocas horas de su administración in vivo o in vitro. El SIAM puede ser mediado por catecolaminas, endotoxinas o eicosanoides, cada uno de los cuales produciría una mayor captación de oxígeno por el hígado. Israel et al. (1975) Fed. Proc. 34, 2052-9. Cederbaum et al. (1978) Biochem. Pharmacol. 27, 7-15. Bradford et al. (1999) J. Pharmacol. Exp. Ther. 288, 254-9. 19 Metabolismo Metabolismo Zonal Zonal del del Etanol Etanol en en el el Acino Acino Hepático Hepático El El daño dañohepático hepáticotras trasel elconsumo consumocrónico crónico de etanol se origina en la de etanol se origina en lazona zona perivenosa perivenosa del dellóbulo lóbulohepático. hepático.Posibles Posibles factores factores que que expliquen expliquenesto estoincluyen: incluyen: 1. 1. Oxigenación Oxigenación 2. 2. Metabolismo Metabolismodel deletanol etanol por porla la ADH ADH 3. Metabolismo del acetaldehído por 3. Metabolismo del acetaldehído porla la ALDH ALDH 4. 4. CYP2E1 CYP2E1 5. 5. Niveles Niveles de deantioxidantes antioxidantes Metabolismo Zonal del Etanol en el Acino Hepático La lesión hepática, tras el consumo crónico de etanol, se origina en la zona perivenosa del lóbulo hepático. Los posibles factores que explicarían lo anterior son los siguientes: 1. Oxigenación 2. Metabolismo del etanol por la ADH 3. Metabolismo del acetaldehído por la ALDH 4. CYP2E1 5. Niveles de antioxidantes 1. La oxigenación es baja en esta zona, pues existe un gradiente de oxígeno a través del lóbulo hepático y los hepatocitos de la zona perivenosa reciben menos. Esto se exacerba tras la administración crónica de etanol, ya que aumenta la captación hepática de oxígeno, por lo que llega aún menos oxígeno a los hepatocitos perivenosos. 2. La (2 y 3)-ADH y ALDH, y la velocidad del metabolismo de etanol y acetaldehído estarían distribuidas uniformemente a lo largo del lóbulo. Sin embargo, debido a la tensión de oxígeno más baja, se observa una reducción más marcada del estado redox hepático producido por el etanol en la zona perivenosa. 3. CYP2E1 se encuentra, en gran parte, en la zona perivenosa. Esto puede explicar por qué la toxicidad de los fármacos que son metabolizados por la enzima a metabolitos reactivos, por ejemplo, CCl4, halotano o acetaminofeno, ocurre en la zona perivenosa. 4. Los niveles de antioxidantes, como el glutatión y la glutatión-peroxidasa, se encuentran disminuidos en la zona perivenosa. Lindros, K. O. (1997) Gen. Pharmacol. 28, 191-6. Vaananen et al. (1985) Alcohol Clin. Exp. Res. 9, 315-21. Chen et al. (1992) Alcohol Clin. Exp. Res. 16, 23-9. 20 Otras Otras Posibles Posibles Vías Vías de de Metabolismo Metabolismo del del Etanol Etanol •• Reacciones Reacciones de deconjugación. conjugación. •• Etil ésteres de ácidos Etil ésteres de ácidosgrasos. grasos. •• Reacciones dependientes Reacciones dependientes de de radicales radicales de de oxígeno. oxígeno. Otras Vías Posibles del Metabolismo del Etanol 1. Reacciones de conjugación 2. Etil ésteres de ácidos grasos 3. Reacciones dependientes de radicales de oxígeno 1. El etanol puede reaccionar con ácido glucurónico o con sulfato para formar etilglucuronido o etilsulfato. Estos conjugados solubles se excretan fácilmente. La disponibilidad de cofactores y la poca afinidad por el etanol que hay en la mayoría de las enzimas de conjugación limitan estas vías. Se ha propuesto el etilglucuronido como marcador de consumo alcohólico, porque puede persistir y se puede detectar por largo tiempo después de que el alcohol se haya eliminado completamente del organismo. La detección de este metabolito conjugado del etanol puede servir como marcador para el control de las recaídas. 2. Las enzimas conocidas con el nombre de sintetasa de etilésteres de ácidos grasos (FAEES) pueden catalizar la siguiente reacción: CH3CH2OH + RCOOH --> CH3CH2-O-C/R=O Las FAEES se encuentran en el cerebro, corazón, páncreas y tejido adiposo. La Km para el etanol es generalmente muy alta. Algunas FAEES son isoformas de la glutatión transferasa. Las FAEES pueden romper membranas biológicas y podrían contribuir a la toxicidad del etanol en tejidos carentes de ADH o CYP2E1. 3. El etanol es un agente eliminador de radicales del oxígeno y se puede oxidar a acetaldehído al reaccionar ante especies con radicales del tipo hidroxilo o ferrilo: CH3CH2OH + HO. (or [FeI V=O]) → CH3CH(.)OH Aun cuando no es probable que tengan importancia metabólica por su toxicidad, con estas reacciones es posible generar radicales de etanol, como el radical 1-hidroxietilo. Wurst y cols. (2000) Alcohol 20, 111-6. Laposata, M. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids. 60, 313-5, 1996. Cederbaum, A. I. (1987) Ann N. Y. Acad. Sci. 492, 35-49. 21 Metabolismo Metabolismo del del Acetaldehído Acetaldehído El El equilibrio equilibrioentre entrelas lasvariadas variadas isoformas isoformasde de ADH ADH yy ALDH regula la concentración de acetaldehído, ALDH regula la concentración de acetaldehído, importante importante factor factor de deriesgo riesgopara parael el desarrollo desarrollode de alcoholismo. alcoholismo. 1. 1. Isoformas Isoformasde de ALDH ALDH 2. 2. Efectos Efectos del del consumo consumode de alcohol alcohol 3. Drogas que producen rechazo 3. Drogas que producen rechazoal alalcohol alcohol 4. 4. Significación Significaciónde dela laeliminación eliminacióndel del acetaldehído acetaldehído Metabolismo del Acetaldehído El balance entre las diversas isoformas de la ADH y ALDH regula la concentración de acetaldehído, el que tiene importancia como factor de riesgo clave para el desarrollo del alcoholismo. La mayor parte del acetaldehído que se produce a partir de la oxidación del etanol se oxida luego en el hígado por acción de una familia de isoformas de ALDH. Las isoformas principales de ALDH se encuentran en los compartimentos mitocondriales, microsomales y citosólicos. Las mitocondrias presentan una ALDH de Km baja en la matriz (ALDH clase II) y una ALDH de Km alta en la membrana externa. Los microsomas tienen una ALDH de Km alta y el citosol tiene una de Km intermedia (ALDH clase I) y una de Km alta (ALDH clase III). La ALDH citosólica de Km alta puede ser inducida por algunos fármacos, como el fenobarbital y dioxinas, y se encuentra en gran cantidad en células tumorales. La ALDH mitocondrial con Km baja es responsable de la oxidación del acetaldehído derivado de la oxidación del etanol, aunque en el hígado humano la ALDH citosólica clase I también puede contribuir. Las ALDH clase I y II son enzimas tetraméricas, con subunidades cuyo peso molecular es de 54 kDa. En general, la capacidad de la ALDH de eliminar el acetaldehído supera la capacidad de generar acetaldehído. Por eso, los niveles de acetaldehído circulante son habitualmente muy bajos. El consumo crónico de etanol disminuye la oxidación del acetaldehído, debido a una actividad más baja de la ALDH o a una función mitocondrial deteriorada. La generación de acetaldehído es más elevada en el consumo crónico de etanol, debido a la adaptación metabólica. En consecuencia, los niveles de acetaldehído, en alcohólicos suelen ser altos. El principio de acción de ciertos fármacos de aversión al alcohol, como el disulfiram (Antabuse) o cianamida, es inhibir la ALDH y, por tanto, la oxidación del etanol. La acumulación resultante de acetaldehído produce varios efectos desagradables, como náuseas, sudoración, vómitos y aumento de la frecuencia cardíaca, si se consume etanol junto con dichos fármacos. Algunos individuos, generalmente de ascendencia asiática, presentan una ALDH mitocondrial inactiva, debido la sustitución de un solo aminoácido; glutamato 487 se convierte a un residuo de lisina; lo que provoca una importante disminución en la afinidad para el cofactor NAD+. El acetaldehído se elimina mal en estos individuos y, en consecuencia, se consume poco etanol. Los individuos con una ALDH2 deficiente presentan menos riesgo de alcoholismo y pueden tener más riesgo de presentar daño hepático si el consumo de alcohol continúa. El acetaldehído es un compuesto reactivo y puede reaccionar con los grupos amino y tiol de los aminoácidos en las proteínas. La formación de aductos de acetaldehído con proteínas puede provocar inhibición de la función de esa proteína o una respuesta inmune. La ALDH es importante no sólo por el hecho de eliminar el acetaldehído sino también por eliminar otros aldehídos, incluso los aldehídos biogénicos y los derivados de la lipoperoxidación. La eliminación eficaz es importante, no sólo para evitar la toxicidad celular, sino también para mantener la eliminación eficaz del etanol (por ejemplo, el acetaldehído es un inhibidor de la ADH). La ALDH clase I puede oxidar retinal a ácido retinoico; la posibilidad de que niveles altos de acetaldehído compitan con el retinal por la oxidación mediante ALDH clase I puede tener importancia experimental. 22 Consideraciones Forénsicas •Desfase en el tiempo. •Velocidad de Eliminación del Alcohol. •Coeficiente de Partición. •Fluctuaciones y Anomalías. •Extrapolación a tiempos anteriores. •Otros factores. La concentración del alcohol en la sangre o el aire expirado tiene gran importancia para determinar el grado de intoxicación alcohóolica de un individuo y su abilidad de conducir un automóvil. En algunos casos es necesario cacular la concentración de alcohol dos horas antes que la obtención de la muestra muestra. Existe un desfase en el tiempo desde que un individuo ha consumido alcohol hasta que se llega a su concentración máxima en la sangre o aliento. Existen varios factores que pueden determinar la absorción, y en un estudio los niveles máximos de alcohol se encontraron entre los 17 minutos y 130 minutos con una media de 57 minutos en hombres y 42 en mujeres. Si absorción no es completa, es probable que los valores sanguíneos máximos no hayan sido logrados. Debido a diferencias genéticas y medioambientales la velocidad de eliminación del alcohol puede variar hasta 3-4 veces. En un estudio controlado, que la disminución de la cantidad de etanol en mg/hora se determinó en 230 litros de aire expirado esta varió entre 5.9 y 27.9. La ingesta de comida tanto como el sexo deteminan la velocidad de absorción. La relacion entre la concentración de alcohol en sangre y el aire expirado es 1:2300, es decir en este estudio 230 litros de aire corresponden a 0.1 lt de sangre (100 ml). 23 24 Preguntas a ser consideradas • • • • • Qué limita y regula el metabolismo del etanol in vivo? Cual es (son) los mecanismos responsables de la tolerancia metabólica? Es el etanol por si mismo o sus metabolitos los que causan el daño orgánico? Cuál es el significado del metabolismo de primer paso por el estómago? Cuál es el rol de las varias ADH en la oxidación de sustratos endógenos, el metabolismo del etanol y su toxicidad? (Considerar por ejemplo el paso de retinol a retinal y acido retinoico). . 25 Preguntas a ser consideradas-II • • • Pueden las varias formas polimórficas de ADH, ALDH o CYP2E1 ser predictores o marcadores de individuos que desarrollarán alcoholismo? Pueden desarrollarse métodos no invasivos para medir cada una de estas isoformas Existen diferencias poblacionales o de género en el metabolismo del etanol y si es asi, está relacionado con las isoformas de estas enzimas? Qué controla al nivel transcripcional la expresión de las difersas isoformas? Existen modificaciones posttranscripcionales? Qué determina el recambio del las diversas enzimas y qué regula la cantidad de CYP2E1 activo? . 26 Preguntas a ser consideradas-III • Porqué las calorias derivadas del etanol son menos eficientes en proporcionar energía que las derivadas por otros nutrientes? • Cuál es el role del acetato, si existe, en las acciones metabólicas del etanol? • Podremos construir modelos y ecuaciones cinéticas para describir adecuadamente el proceso de metabolismo del etanol en diversas condiciones? . 27
