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La hidroxilación es la principal reacción involucrada en la fase 1. Las enzimas de las cuales depende se denominan monooxigenasas o citocromos P450. Se estima que hay alrededor de 57 genes que codifican para citocromo P450 en seres humanos. La reacción catalizada por una monooxigenasa (citocromo P450) es como sigue:
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donde RH puede representar una variedad muy amplia de xenobióticos, entre ellos fármacos, carcinógenos, plaguicidas, productos del petróleo y contaminantes (como una mezcla de PCB). Además, los compuestos endógenos, como ciertos esteroides, eicosanoides, ácidos grasos y retinoides, también son sustratos. Los sustratos por lo general son lipofílicos y se vuelven más hidrofílicos mediante hidroxilación.
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El citocromo P450 se considera el biocatalítico más versátil conocido. El mecanismo de reacción real es complejo y ya se describió brevemente (figura 12-6). Se ha mostrado mediante el uso de 18O2 que un átomo de oxígeno entra a R–OH, y un átomo entra a agua. Este destino doble del oxígeno explica la denominación anterior de las monooxigenasas como “oxidasas de función mixta”. La reacción catalizada por el citocromo P450 también puede representarse como sigue:
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El citocromo P450 se denomina así porque la enzima se descubrió cuando se notó que preparaciones de microsomas que se habían reducido químicamente y después expuesto a monóxido de carbono mostraban un pico definido en 450 nm. Los microsomas contienen fragmentos del retículo endoplásmico, donde está ubicado gran parte del contenido del P450 de las células (véase más adelante). Entre las razones por las cuales esta enzima es importante figura el hecho de que alrededor de 50% de los fármacos que los seres humanos ingieren con frecuencia, se metaboliza mediante isoformas de citocromo P450; estas enzimas también actúan sobre diversos carcinógenos y contaminantes. Los principales citocromos P450 en el metabolismo de fármacos son miembros de las familias CYP1, CYP2 y CYP3 (véase más adelante).
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Isoformas del citocromo P450 constituyen una superfamilia de enzimas que contienen hem
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Los que siguen son puntos importantes respecto a los citocromos P450.
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1. Debido al gran número de isoformas (alrededor de 150) que se han descubierto, adquirió importancia tener una nomenclatura sistemática para isoformas de P450 y para sus genes. Ahora tal nomenclatura está disponible, se usa ampliamente, y se basa en la homología estructural. El símbolo raíz abreviado CYP denota un citocromo P450. Esto va seguido por un número arábigo que designa la familia; los citocromos P450 quedan incluidos en la misma familia si muestran 40% o más de identidad de secuencia de aminoácidos. El número arábigo va seguido por una letra mayúscula que indica la subfamilia, si hay dos o más miembros; los P450 están en la misma subfamilia si muestran más de 55% de identidad de secuencia. A continuación se asignan de manera arbitraria números arábigos a P450 individuales. Así, CYP1A1 denota un citocromo P450 que es miembro de la familia 1 y la subfamilia A, y que es el primer miembro individual de esa subfamilia. La nomenclatura para los genes que codifican para citocromos P450 es idéntica a la antes descrita, salvo porque se usan letras cursivas; de este modo, el gen que codifica para CYP1A1 es CYP1A1.
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2. Al igual que la hemoglobina, son hemoproteínas.
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3. Están ampliamente distribuidos a través de especies, incluso bacterias.
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4. Se encuentran en cantidad mayor en células hepáticas y enterocitos, pero probablemente están presentes en todos los tejidos. En el hígado y en casi todos los otros tejidos, se encuentran principalmente en las membranas del retículo endoplásmico liso, que constituyen parte de la fracción microsómica cuando el tejido queda sujeto a fraccionamiento subcelular. En microsomas hepáticos, los citocromos P450 pueden comprender hasta 20% de la proteína total. Los P450 están presentes en casi todos los tejidos, aunque a menudo en cantidades bajas en comparación con el hígado. En las suprarrenales, se encuentran en mitocondrias, así como en el retículo endoplásmico; las diversas hidroxilasas presentes en ese órgano tienen un papel importante en la biosíntesis de colesterol y esteroides. El sistema de citocromo P450 mitocondrial difiere del sistema microsómico por cuanto usa una flavoproteína enlazada a NADPH, adrenodoxina reductasa, y una proteína de hierro-azufre no hem, la adrenodoxina. Además, las isoformas de P450 específicas involucradas en la biosíntesis de esteroides por lo general están mucho más restringidas en su especificidad de sustrato.
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5. Al menos seis especies diferentes de citocromo P450 se encuentran en el retículo endoplásmico del hígado del ser humano, cada una con especificidades de sustrato amplias y un poco superpuestas, y que actúan tanto sobre xenobióticos como sobre compuestos endógenos. Durante los últimos años se han aislado y estudiado con detalle los genes que codifican para muchas isoformas de P450 (tanto de seres humanos como de animales, como la rata). La combinación de ellos, siendo que hay varios tipos diferentes, cada uno con especificidad de sustrato relativamente amplia, explica por qué la familia de citocromo P450 es capaz de metabolizar miles de sustancias químicas diferentes.
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6. El NADPH, no el NADH, participa en el mecanismo de reacción del citocromo P450. La enzima que utiliza NADPH para dar el citocromo P450 reducido, que se muestra en el lado izquierdo de la ecuación anterior, se llama NADPH-citocromo P450 reductasa. Los electrones se transfieren desde el NADPH hacia la NADPH-citocromo P450 reductasa, y después hacia el citocromo P450. Esto lleva a la activación reductiva de oxígeno molecular, y después se inserta un átomo de oxígeno en el sustrato. El citocromo b5, otra hemoproteína que se encuentra en las membranas del retículo endoplásmico liso (cap. 12), puede quedar involucrado como un donador de electrón en algunos casos.
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7. Los lípidos también son componentes del sistema de citocromo P450. El lípido preferido es la fosfatidilcolina, que es el principal lípido que se encuentra en las membranas del retículo endoplásmico.
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8. Casi todas las isoformas del citocromo P450 son inducibles. Por ejemplo, la administración de fenobarbital o de muchos otros fármacos causa hipertrofia del retículo endoplásmico liso y triplicación a cuadruplicación de la cantidad de citocromo P450 en el transcurso de cuatro a cinco días. El mecanismo de inducción se ha estudiado extensamente, y casi siempre comprende transcripción aumentada de mRNA para citocromo P450. Sin embargo, ciertos casos de inducción involucran estabilización de mRNA, estabilización de enzima, u otros mecanismos (p. ej., un efecto sobre la traducción).
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La inducción de citocromo P450 tiene importantes inferencias clínicas, debido a que es un mecanismo bioquímico de interacción farmacológica. Una interacción farmacológica ha ocurrido cuando los efectos de un fármaco se alteran por la administración previa, concurrente o posterior de otro. Como un ejemplo, considérese la situación en la cual un paciente está tomando el anticoagulante warfarina para prevenir coagulación de la sangre. Este fármaco se metaboliza mediante CYP2C9. Al mismo tiempo, se empieza a tratar al paciente con fenobarbital (un inductor de este P450) para combatir un cierto tipo de epilepsia, pero no se modifica la dosis de warfarina. Después de alrededor de cinco días, la concentración de CYP2C9 en el hígado del paciente estará aumentada 3 a 4 veces. Esto a su vez significa que la warfarina se metabolizará con mucha mayor rapidez que antes, y su dosificación se habrá hecho inadecuada. Por ende, la dosis se debe aumentar para que la warfarina tenga eficacia terapéutica. Para proseguir con este ejemplo, podría surgir un problema más tarde si se suspendiera el fenobarbital pero la dosificación aumentada de warfarina permaneciera igual. El paciente tendrá riesgo de sangrado, puesto que la dosis alta de warfarina será aún más activa que antes, porque la concentración de CYP2C9 declinará una vez que se haya suspendido el fenobarbital.
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Otro ejemplo de la inducción enzimática comprende el CYP2E1, que se induce por consumo de etanol. Éste es un motivo de preocupación, porque este P450 metaboliza ciertos solventes ampliamente usados, y componentes que se encuentran en el humo de tabaco, muchos de los cuales son carcinógenos establecidos. De este modo, si la actividad de CYP2E1 aumenta por inducción, esto puede incrementar el riesgo de carcinogenicidad por exposición a esos compuestos.
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9. Ciertas isoformas del citocromo P450 (p. ej., CYP1A1) están particularmente involucradas en el metabolismo de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) y moléculas relacionadas; por la razón antes mencionada se les denominaba hidrocarburo aromático hidroxilasas (AHH). Esta enzima es importante en el metabolismo de PAH y en la carcinogénesis producida por estos agentes. Por ejemplo, en los pulmones puede quedar involucrada en la conversión de PAH inactivos (procarcinógenos), inhalados al fumar, en carcinógenos activos mediante reacciones de hidroxilación. Los fumadores tienen concentraciones más altas de esta enzima en algunas de sus células y tejidos que los no fumadores. Algunos informes han indicado que la actividad de esta enzima puede estar alta (inducida) en la placenta de una fumadora, lo que en potencia altera las cantidades de metabolitos de PAH (algunos de los cuales podrían ser perjudiciales) a los que el feto queda expuesto.
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10. Ciertos citocromos P450 existen en formas polimórficas (isoformas genéticas), algunas de las cuales muestran actividad catalítica baja. Estas observaciones resultan una explicación importante para las variaciones de las respuestas farmacológicas que se notan entre muchos pacientes. Un P450 que muestra polimorfismo es CYP2D6, que participa en el metabolismo de la debrisoquina (un antihipertensor; cuadro 53-2) y esparteína (un antiarrítmico y oxitócico). Ciertos polimorfismos de CYP2D6 causan metabolismo inadecuado de éstos y de varios otros fármacos, de modo que pueden acumularse en el cuerpo, lo que da por resultado consecuencias adversas. Otro polimorfismo interesante, es el de CYP2A6, que participa en el metabolismo de la nicotina hacia conitina. Se han identificado tres alelos de CYP2A6: un tipo natural y dos alelos nulos o inactivos. Se ha reportado que los individuos con los alelos nulos, quienes tienen metabolismo alterado de la nicotina, al parecer están protegidos contra hacerse fumadores dependientes del tabaco (cuadro 53-2). Estos individuos fuman menos, probablemente porque las concentraciones de nicotina en su sangre y cerebro permanecen altas durante más tiempo que en quienes tienen el alelo tipo natural. Se ha especulado que inhibir el CYP2A6 puede ser una nueva manera de ayudar a prevenir tabaquismo y tratarlo.
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En el cuadro 53-1 se resumen algunas de las principales características de los citocromos P450.
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