CAPÍTULO 47: Metabolismo de los xenobióticos

El humano está expuesto a una amplia variedad de sustancias químicas extrañas (xenobióticos), tanto compuestos naturales en alimentos vegetales, como compuestos sintéticos en medicinas, aditivos de alimentos, y contaminantes ambientales. El conocimiento del metabolismo de los xenobióticos es esencial para un entendimiento de la farmacología y la terapéutica, la toxicología, y el manejo de enfermedades. Todas estas áreas comprenden la administración de xenobióticos, o la exposición a los mismos. Muchos de los xenobióticos en alimentos vegetales tienen efectos en potencia beneficiosos (p. ej., al actuar como antioxidantes, capítulo 45), y el conocimiento de su metabolismo permitirá la extrapolación desde la medición in vitro de la actividad antioxidante, a la acción protectora in vivo.

El entendimiento de los mecanismos involucrados en el metabolismo de xenobióticos permitirá el desarrollo de microorganismos y plantas transgénicos que contienen genes que codifican para enzimas para el metabolismo de compuestos específicos que pueden usarse para convertir contaminantes en potencia peligrosos en compuestos inocuos. De modo similar, los organismos transgénicos pueden usarse para la biosíntesis de fármacos y otras sustancias químicas.

Un xenobiótico (del griego xenos “extraño”) es un compuesto que es extraño al organismo. Las principales clases de xenobióticos de importancia médica son fármacos, carcinógenos químicos, compuestos naturales en alimentos vegetales y diversos compuestos que han entrado al ambiente de las personas mediante una vía u otra, como los bifenilos policlorados (PCB), insecticidas y otros plaguicidas. Hay más de 200 000 sustancias químicas ambientales fabricadas. Casi todos estos compuestos quedan sujetos a metabolismo, principalmente en el hígado. Si bien en general se considera que el metabolismo de los xenobióticos es un proceso de destoxificación, a veces los metabolitos de compuestos que son por sí mismos inertes o inocuos son biológicamente activos. Esto puede ser deseable, como en la activación de un profármaco al compuesto activo, o indeseable, como en la formación de un carcinógeno o mutágeno a partir de un precursor inerte.

El metabolismo de xenobióticos en general se considera en dos fases. En la fase 1, la principal reacción involucrada es la hidroxilación, catalizada principalmente por miembros de una clase de enzimas denominadas monooxigenasas o citocromos P450. La hidroxilación puede terminar la acción de un fármaco, aunque esto no siempre es así. Además de hidroxilación, estas enzimas catalizan una amplia gama de reacciones, entre ellas las que comprenden desaminación, deshalogenación, desulfuración, epoxidación, peroxigenación y reducción. En la fase 1 también ocurren reacciones que comprenden hidrólisis (p. ej., catalizadas por esterasas) y ciertas otras reacciones no catalizadas por P450.

El metabolismo de fase 1 hace a los compuestos más reactivos, al introducir grupos que pueden conjugarse con ácido glucurónico, sulfato, acetato, glutatión o aminoácidos en el metabolismo fase 2. Esto produce compuestos polares que son hidrosolubles y, por ende, pueden excretarse con facilidad en la orina o la bilis. Los xenobióticos muy hidrofóbicos persistirían en el tejido adiposo casi por tiempo indefinido si no fueran convertidos en formas más polares.

En algunos casos, las reacciones metabólicas fase 1 convierten xenobióticos desde compuestos inactivos hacia compuestos biológicamente activos. En estas circunstancias, los xenobióticos originales se denominan profármacos o procarcinógenos. A veces, reacciones fase 1 adicionales (p. ej., reacciones de hidroxilación adicionales) convierten estos compuestos activos en formas menos activas, o inactivas, antes de conjugación. En aún otros casos, son las reacciones de conjugación mismas las que convierten los productos activos de las reacciones fase 1 en compuestos menos activos o inactivos, que se excretan. En muy pocos casos, la conjugación puede aumentar la actividad biológica de un xenobiótico.

La principal reacción involucrada en el metabolismo fase 1 es la hidroxilación, catalizada por una familia de enzimas conocidas como monooxigenasas o citocromos P450. Hay al menos 57 genes que codifican para citocromo P450 en el genoma del humano.

El citocromo P450 es una enzima hem. Se denomina así porque originalmente se descubrió cuando se notó que preparaciones de microsomas (fragmentos del retículo endoplasmático) que habían sido químicamente reducidas y después expuestas a monóxido de carbono, mostraron un máximo de absorción a 450 nm. Un 50% de los fármacos comunes que los humanos ingieren son metabolizados mediante isoformas de citocromo P450. También actúan sobre hormonas esteroides, carcinógenos y contaminantes. Los principales citocromos P450 en el metabolismo de fármacos son miembros de las familias CYP1, CYP2 y CYP3 (véase más adelante). Además de su papel en el metabolismo de xenobióticos, los citocromos P450 son importantes en el metabolismo de varios compuestos fisiológicos (por ejemplo, la síntesis de hormonas esteroides [capítulo 26]) y la conversión de vitamina D en su metabolito activo, calcitriol [capítulo 44]).

La reacción general catalizada por un citocromo P450 es:

La función del NADPH es reducir el citocromo P450; el citocromo reducido a continuación reduce el oxígeno a agua y el grupo hidroxilo que es introducido en el sustrato. El mecanismo de la reacciones complejo (figura 12-6). Al usar ¹⁸O₂, se ha mostrado que un átomo de oxígeno forma el grupo hidroxilo de R–OH y el otro forma agua; este destino doble del oxígeno explica la denominación anterior de las monooxigenasas como “oxidasas de función mixta”.

Las isoformas del citocromo P450 constituyen una superfamilia de enzimas que contienen hem

Debido al gran número de isoformas de citocromo P450 que se han descubierto (alrededor de 150) en una amplia gama de organismos, incluso bacterias), es importante tener una nomenclatura sistemática para las enzimas y sus genes. Se basa en la homología de secuencia de aminoácidos de las enzimas. El símbolo raíz abreviado CYP denota un citocromo P450. Esto va seguido por un número arábigo que designa la familia; los citocromos P450 se incluyen 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; los P450 están en la misma subfamilia si muestran más de 55% de identidad de secuencia. A continuación se asignan números arábigos a los P450 individuales en su subfamilia. De este modo, CYP1A1 denota un citocromo P450 que es un miembro de la familia 1 y la subfamilia A, y es el primer miembro individual de esa subfamilia. La nomenclatura para los genes que codifican para citocromos P450 es la misma, salvo porque se usan letras cursivas; de este modo, el gen que codifica para CYP1A1 es CYP1A1. En el cuadro 47-1 se muestran las familias de citocromo P450 en tejidos humanos y sus principales funciones.

En mamíferos, los citocromos P450 están presentes en mayor cantidad en células hepáticas y enterocitos, pero es probable que estén presentes en todos los tejidos. En el hígado y en casi todos los otros tejidos, están presentes principalmente en las membranas del retículo endoplasmático liso, que constituye parte de la fracción microsomal cuando el tejido queda sujeto a fraccionamiento subcelular. En microsomas hepáticos, los citocromos P450 pueden comprender hasta 20% de la proteína total. Los P450 se encuentran en casi todos los tejidos, aunque a menudo en cantidades bajas en comparación con el hígado. En la glándula suprarrenal, se encuentran en mitocondrias, así como en el retículo endoplasmático; las diversas hidroxilasas presentes en la glándula están involucradas en la biosíntesis de colesterol y de hormona esteroide. El sistema de citocromo P450 mitocondrial difiere del sistema microsomal en que usa una flavoproteína enlazada a NADPH, la adrenodoxina reductasa, y una proteína hierro-azufre no hem, la adrenodoxina. Además, las isoformas de P450 involucradas en la biosíntesis de esteroides en general están mucho más restringidas en su especificidad de sustrato.

No sólo hay una amplia variedad de citocromos P450, sino que también tienen especificidades de sustrato que se superponen, de modo que un rango muy amplio de xenobióticos puede metabolizarse por uno u otro de los citocromos P450.

El NADPH, no el NADH, está involucrado en el mecanismo de reacción del citocromo P450, en una reacción catalizada por NADPH-citocromo P450 reductasa. Los electrones son transferidos del NADPH a la NADPH-citocromo P450 reductasa y después al citocromo P450. Esto lleva a la activación reductiva de oxígeno molecular y un átomo de oxígeno después es insertado en el sustrato. El citocromo b₅, otra hemoproteína que se encuentra en las membranas del retículo endoplasmático liso (capítulo 12), puede estar involucrado como un donante de electrón en algunos casos.

Casi todas las isoformas de citocromo P450 son inducibles, por ejemplo, la administración de fenobarbital u otros fármacos causa hipertrofia del retículo endoplasmático liso, y un incremento de 3 a 4 veces de la cantidad de citocromo P450 en el transcurso de 4 a 5 días. Esto casi siempre comprende transcripción aumentada de mRNA. No obstante, en algunos casos, la inducción comprende estabilización de mRNA o la proteína enzima misma, o un incremento de la traducción de mRNA.

La inducción de citocromo P450 subyace interacciones farmacológicas, cuando los efectos de un fármaco son alterados por la administración previa, concurrente o posterior de otro. Por ejemplo, el anticoagulante warfarina es metabolizado por el CYP2C9, que es inducido por el fenobarbital. La inducción de CYP2C0 por el fenobarbital aumentará el metabolismo de warfarina, de modo que reducirá su eficacia y se debe aumentar la dosis. Otro ejemplo involucra al CYP2E1, que es inducido por el consumo de etanol; este P450 metaboliza algunos solventes ampliamente usados y compuestos que se encuentran en el humo de tabaco, muchos de los cuales son procarcinógenos establecidos. Si la actividad de CYP2E1 es inducida por etanol, esto puede aumentar el riesgo de carcinogenicidad.

Compuestos naturales en alimentos también pueden afectar el citocromo P450. La toronja contiene diversas furanocumarinas, que inhiben el citocromo P450 y, así, afectan el metabolismo de muchos fármacos. Algunos fármacos son activados por el citocromo P450, de modo que la toronja reducirá su actividad; otros son desactivados por el citocromo P450, así que la toronja aumenta su actividad. Los fármacos que son afectados comprenden estatinas, omeprazol, antihistamínicos y antidepresivos benzodiazepina.

El polimorfismo de citocromos P450 puede explicar gran parte de las variaciones de las respuestas a fármacos que se notan entre muchos pacientes (las variantes con actividad catalítica baja llevarán a metabolismo más lento del sustrato y, por ende, a acción prolongada del fármaco, y acumulación de este último en el organismo). Un polimorfismo interesante es el del CYP2A6, que está involucrado en el metabolismo de la nicotina a 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, que tienen metabolismo alterado de la nicotina, al parecer están protegidos contra hacerse fumadores dependientes del tabaco. Estos individuos fuman menos, probablemente porque sus concentraciones de nicotina en la sangre y en el cerebro permanecen altas más tiempo que las de individuos que tienen el alelo natural. Se ha especulado que inhibir el CYP2A6 tal vez proporcione una nueva manera de ayudar al cese del tabaquismo.

En el cuadro 47-2 se resumen algunas características principales de los citocromos P450.

En reacciones fase 1, los xenobióticos por lo general son convertidos en derivados hidroxilados, más polares. En las reacciones fase 2, estos derivados son conjugados con moléculas como ácido glucurónico, sulfato, o glutatión. Esto las hace aún más hidrosolubles, y finalmente son excretadas en la orina o la bilis.

Aquí se describen cinco tipos de reacciones fase 2

Glucuronidación

La glucuronidación de la bilirrubina se comenta en el capítulo 31; los xenobióticos son glucuronidados de la misma manera, usando UDP-ácido glucurónico, catalizado por diversas glucuronosiltransferasas, presentes tanto en el retículo endoplasmático como en el citosol. Moléculas como el 2-acetilaminofluoreno (un carcinógeno), anilina, ácido benzoico, meprobamato (un tranquilizante), fenol y muchos esteroides, son excretadas como glucurónidos. El glucurónido puede estar fijo al oxígeno, nitrógeno o grupos de azufre de los sustratos. La glucuronidación probablemente es la reacción de conjugación más frecuente.

Sulfación

Algunos alcoholes, arilaminas y fenoles son sulfatados. El donante de sulfato en estas reacciones y en otras reacciones biológicas y de sulfación (p. ej., sulfación de esteroides, glicosaminoglicanos, glucolípidos, y glucoproteínas) es la adenosina 3′-fosfato-5′-fosfosulfato (PAPS) (capítulo 24) (el llamado “sulfato activo”).

Conjugación con glutatión

Glutatión S-transferasas

El tripéptido glutatión (γ-glutamilcisteinilglicina) es importante en el metabolismo fase II de compuestos electrófilos, al formar S-conjugados de glutatión que se excretan en la orina y la bilis. La reacción catalizada por las glutatión S-transferasas es:

donde R es un compuesto electrófilo y GSH es glutatión.

Hay cuatro clases de glutatión S-transferasa citosólica y dos clases de enzima unida a membrana microsomal, así como una clase κ distinta desde el punto de vista estructural que se encuentra en mitocondrias y peroxisomas. Las glutatión S-transferasas son homodímeros o heterodímeros de al menos siete tipos diferentes de subunidad y distintas subunidades son inducidas por diferentes xenobióticos.

Dado que las glutatión S-transferasas también se unen a diversos ligandos que no son sustratos, incluso bilirrubina, hormonas esteroides y algunos carcinógenos y sus metabolitos, a veces se conocen como ligandina. La glutatión S-transferasa se une a la bilirrubina en un sitio separado del sitio catalítico, la transporta del torrente sanguíneo al hígado, y después al retículo endoplasmático para conjugación con ácido glucurónico, y excreción en la bilis (capítulo 31). La unión de carcinógenos los secuestra, de modo que evita sus acciones sobre el DNA.

El hígado tiene una actividad muy alta de glutatión S-transferasa; in vitro, todo el fondo común de glutatión puede agotarse en cuestión de minutos en el momento de la exposición a sustratos xenobióticos. La actividad de la glutatión S-transferasa está regulada en dirección ascendente en muchos tumores, lo que conduce a resistencia a la quimioterapia.

Los conjugados de glutatión pueden transportarse hacia afuera del hígado, donde son sustratos para γ-glutamiltranspeptidasa y dipeptidasas extracelulares. Los cisteína S-conjugados resultantes son captados por otros tejidos (en especial el riñón) y N-acetilados para dar ácidos mercaptúricos (N-acetil cisteína S-conjugados) que se excretan en la orina. Algunos glutatión S-conjugados hepáticos entran a los canalículos biliares, donde son desintegrados a cisteína S-conjugados que a continuación son captados hacia el hígado para N-acetilación, y reexcretados en la bilis.

Además de su papel en el metabolismo fase 2, el glutatión tiene varios otros papeles en el metabolismo:

1. Proporciona el reductor para la reducción de peróxido de hidrógeno en potencia tóxico a agua en la reacción catalizada por la glutatión peroxidasa.

2. Es un importante reductor y antioxidante intracelular, y ayuda a mantener grupos -SH esenciales de enzimas en su estado reducido. Su participación en la anemia hemolítica causada por deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa se comenta en los capítulos 20 y 53.

3. Un ciclo metabólico que comprende GSH como transportador ha quedado implicado en el transporte de algunos aminoácidos a través de membranas en los riñones. A continuación se muestra la primera reacción del ciclo.

Esta reacción transfiere aminoácidos a través de la membrana plasmática; el aminoácido después es hidrolizado desde su complejo con glutamato, y el GSH es resintetizado a partir de cisteinilglicina. La enzima que cataliza la reacción anterior es la γ-glutamiltransferasa (GGT). Está presente en la membrana plasmática de las células de los túbulos renales, en las células de los conductillos biliares y en el retículo endoplasmático de hepatocitos. La enzima tiene cierto valor diagnóstico porque se libera hacia el torrente sanguíneo desde células hepáticas en diversas enfermedades hepatobiliares (capítulo 48).

Otras reacciones

Las dos reacciones más importantes que no son conjugación son acetilación y metilación.

Acetilación. La acetilación es representada por

Donde X representa un xenobiótico. Al igual que para otras reacciones de acetilación, la acetil-CoA es el donante de acetilo. Estas reacciones son catalizadas por acetiltransferasas presentes en el citosol de diversos tejidos, en particular el hígado. El fármaco isoniazida, usado en el tratamiento de tuberculosis, está sujeto a acetilación. Hay polimorfismo de acetiltransferasas, lo que da por resultado individuos que son clasificados como acetiladores lentos o rápidos. Los acetiladores lentos están más sujetos a los efectos tóxicos de la isoniazida porque el fármaco persiste más tiempo en estas personas.

Metilación. Algunos xenobióticos están sujetos a metilación por metiltransferasas, que emplean S-adenosilmetionina (figura 29-18) como el donante de metilo.

Diversos factores pueden afectar las actividades de las enzimas involucradas en el metabolismo de xenobióticos. Las actividades de estas enzimas pueden diferir considerablemente entre las especies. De este modo, por ejemplo, la posible toxicidad o carcinogenicidad de un xenobiótico no puede extrapolarse libremente desde un animal experimental a humanos o a otra especie de animales. Hay diferencias importantes de las actividades de enzimas entre los individuos, muchas de las cuales parecen deberse a factores genéticos. Las actividades de algunas de estas enzimas varían de acuerdo con la edad y el sexo.

La ingestión de algunos xenobióticos puede causar inducción enzimática. De este modo, es importante saber si un individuo ha estado expuesto o no a estos agentes inductores en la evaluación de respuestas bioquímicas a xenobióticos. Los metabolitos de algunos xenobióticos pueden inhibir o estimular las actividades de enzimas metabolizadoras de xenobióticos. De nuevo, esto puede afectar las dosis de ciertos fármacos que se administran a pacientes. Diversas enfermedades (p. ej., cirrosis hepática) pueden afectar las actividades de enzimas metabolizadoras de fármacos, lo que a veces hace necesario ajustar las dosificaciones de diversos fármacos para pacientes que tienen estos trastornos.

Hay muy pocos xenobióticos, incluso fármacos, que no generen algunos efectos tóxicos si la dosis es suficientemente grande. Los efectos tóxicos de los xenobióticos cubren un amplio espectro, pero los principales efectos pueden considerarse bajo tres encabezados generales (figura 47-1).

1. La unión covalente de metabolitos de xenobióticos a macromoléculas, incluso DNA, RNA y proteína, puede llevar a lesión celular (citotoxicidad), que puede ser suficientemente grave como para dar por resultado muerte celular. Por ejemplo, en respuesta a daño del DNA, se activan los mecanismos de reparación de DNA de la célula. Parte de esta respuesta comprende la transferencia de múltiples unidades de ADP-ribosa sobre proteínas de unión a DNA, catalizada por poli(ADP-ribosa polimerasa). La fuente de ADP-ribosa es el NAD, y en respuesta a daño grave de DNA hay considerable disminución de NAD. Esto, a su vez, da pie a alteración grave de la formación de ATP y muerte celular.

2. El metabolito reactivo de un xenobiótico puede unirse a una proteína, actuar como un hapteno, y alterar su antigenicidad. No estimulará por sí mismo la producción de anticuerpos, pero lo hace cuando está unido a una proteína. Los anticuerpos resultantes reaccionan no sólo con la proteína modificada, sino también con la no modificada, de modo que en potencia imitan enfermedad autoinmunitaria.

3. Se cree que las reacciones de especies activadas de carcinógenos químicos con DNA son de gran importancia en la carcinogénesis química. Algunas sustancias químicas (p. ej., benzo[a]pireno) requieren activación por citocromo P450 en el retículo endoplasmático para hacerse carcinogénicas (de este modo, se llaman carcinógenos indirectos). Así, las actividades de las enzimas metabolizadoras de xenobióticos presentes en el retículo endoplasmático ayudan a determinar si esos compuestos se hacen carcinogénicos o son “destoxificados”.

La enzima epóxido hidrolasa despierta interés porque puede ejercer un efecto protector contra algunos carcinógenos. Los productos de la acción del citocromo P450 sobre algunos sustratos procarcinógenos son epóxidos. Los epóxidos son altamente reactivos y mutagénicos o carcinogénicos. La epóxido hidrolasa está presente en las membranas del retículo endoplasmático como citocromo P450. Actúa sobre estos compuestos, y los convierte en dihidrodioles mucho menos reactivos. En la figura 47-2 se muestra la reacción catalizada por la epóxido hidrolasa.

• Los xenobióticos son compuestos químicos extraños al organismo, incluso fármacos, aditivos de alimentos, y contaminantes ambientales, así como compuestos naturales en alimentos vegetales.

• Los xenobióticos son metabolizados en dos fases. La principal reacción de la fase 1 es hidroxilación catalizada por diversas monooxigenasas, conocidas como los citocromos P450. En la fase 2, las especies hidroxiladas son conjugadas con diversos compuestos hidrofílicos, como ácido glucurónico, sulfato o glutatión. La operación combinada de estas dos fases convierte compuestos lipofílicos en compuestos hidrosolubles que pueden excretarse en la orina o la bilis.

• Los citocromos P450 catalizan reacciones que introducen un átomo de oxígeno derivado de oxígeno molecular en el sustrato, lo que da un producto hidroxilado, y el otro hacia agua. El NADPH y la NADPH citocromo P450 reductasa están involucrados en el mecanismo de la reacción.

• Los citocromos P450 son hemoproteínas y por lo general tienen una especificidad de sustrato amplia; actúan sobre muchos sustratos exógenos y endógenos. En el tejido de humanos se encuentran al menos 57 genes que codifican para citocromo P450.

• Los citocromos P450 en general están situados en el retículo endoplasmático de células, especialmente en el hígado.

• Muchos citocromos P450 son inducibles. Esto tiene implicaciones importantes para interacciones entre fármacos.

• También hay citocromos P450 mitocondriales, los cuales están involucrados en la biosíntesis de colesterol y esteroide. Usan una proteína azufre que contiene hierro no hem, la adrenodoxina, que no es requerida por isoformas microsomales.

• Las reacciones de conjugación fase 2 son catalizadas por enzimas, como las glucuroniltransferasas, sulfotransferasas, y glutatión S-transferasas, usando UDP-ácido glucurónico, PAPS (sulfato activo) y glutatión, respectivamente, como donantes.

• El glutatión no sólo desempeña una función clave en las reacciones fase 2, sino que también es un agente reductor intracelular.

• Los xenobióticos pueden producir diversos efectos biológicos, entre ellos respuestas farmacológicas, toxicidad, reacciones inmunológicas, y cáncer.