Mecanismos de toxicidade

Mecanismos de toxicidade

1. Etapa 1 - Liberação: do sítio de exposição ao alvo

   • A intensidade do efeito tóxico depende da concentração e da persistência do toxicante no sítio de ação
   • O aumento da concentração do toxicante é facilitado pela absorção, distribuição no sítio de ação, reabsorção e toxificação
   • A eliminação pré-sistêmica, a distribuição para fora do sítio de ação, a excreção e a detoxificação diminuem a concentração do toxicante no alvo

2. Absorção versus eliminação pré-sistêmica

   • Absorção
     • É a passagem de substâncias do local de contato, que pode ser um órgão, a pele, os endotélios, para o sangue
       • Fatores que influenciam a absorção:
         • Concentração
         • Área de superfície de exposição
         • Características da camada epitelial
         • Solubilidade lipídica
   • Eliminação pré-sistêmica (de primeira passagem)
     • É comum para compostos químicos absorvidos pelo sistema digestório
     • Reduz os efeitos tóxicos de compostos químicos que alcançam os sítios-alvo pela circulação sistêmica

3. Distribuição para o alvo e para longe do alvo

   • Mecanismos que facilitam a distribuição para o alvo
     • Porosidade do endotélio capilar:
       • Permite até a passagem de proteínas ligadas a xenobióticos.
         • Isso favorece o acúmulo de compostos químicos no fígado e nos rins
     • Transporte especializado através da membrana plasmática:
       • Canais de Na+, K+-ATPase, Ca2+ dependentes de voltagem, absorção mediada por carreador, endocitose e reciclagem da membrana
         • Facilitam a entrada de toxicantes nas células específicas, transformando-as em células-alvo
     • Acumulação em organelas celulares
       • A acumulação lisossomal ocorre pela difusão da amina na forma não protonada para o interior ácido da organela, no qual a amina é protonada, prevenindo seu efluxo, de modo a prejudicar a degradação fosfolipídica
     • Ligação reversível intracelular
   • Mecanismos que dificultam a distribuição para o alvo
     • Ligação com proteínas plasmáticas:
       • Fortes ligações às proteínas plasmáticas atrasam e prolongam os efeitos e a eliminação dos toxicantes
     • Barreiras especializadas:
       • Barreira hematoencefálica, barreira placentária
     • Distribuição dos sítios de armazenamento:
       • Tal armazenamento diminui a disponibilidade dos toxicantes para os sítios-alvo
     • Associação com proteínas ligantes intracelulares:
       • Reduz temporariamente a concentração de toxicantes no sítio de ação
     • Liberação a partir de células

4. Excreção versus reabsorção

   • Excreção
     • É a passagem dos fármacos da circulação sanguínea para o meio externo
     • Tipos:
       • Excreção pelas glândulas mamárias e pelo leite
       • Excreção biliar
       • Excreção para o lúmen intestinal a partir do sangue
     • A rota e a velocidade de excreção dependem das propriedades físico-químicas do toxicante
     • Principais órgãos de excreção - rins e figado
   • Reabsorção
     • Toxicantes liberados para o interior dos túbulos renais podem ser difundidos de volta por meio das células tubulares para os capilares peritubulares
     • Toxicantes liberados para o sistema digestório pela excreção biliar, gástrica e intestinal, e secreção por glândulas salivares e exócrinas pancreáticas podem ser reabsrovidos por difusão pela mucosa intestinal

5. Toxificação versus detoxificação

   • intoxificação:
     • A biotransformação para produtos danosos é chamada de toxificação ou ativação metabólica
       • O aumento da reatividade pode ser devido à conversão em:
         • Eletrófilos
         • Radicais livres
         • Nucleófilos
         • Reagente redox-ativo
   • Detoxificação:
     • Biotransformadores que eliminam o toxicante ou previnem a formação desses toxicantes são chamadas de detoxificações
       • Detoxificação de toxicantes sem grupos funcionais:
         • O benzeno e o tolueno são detoxificados em 2 fases
       • Detoxificação de nucleófilos:
         • Geralmente, são detoxificados pela conjugação do grupo funcional nucleofílico
       • Detoxificação de eletrófilos:
         • Geralmente, a detoxificação de eletrófilos envolve a conjugação com glutationa nucleófla
       • Detoxificação de radicais livres:
         • Como o O2- pode ser convertido em compostos muito mais reativos, sua eliminação é um importante mecanismo de detoxificação
           • Radicais livres gerados pela peroxidase são eliminados pela transferência de elétron da glutationa
       • Detoxificação de proteínas toxinas

6. Etapa 2 - reação do toxicante com a molécula alvo

   • Para identificar de forma conclusiva a molécula-alvo como a responsável pela toxicidade, deve ser demonstrado que o toxicante:
     • Reage com o alvo e afeta negativamente sua função
     • Alcança uma concentração efetiva no sítio-alvo
     • Altera o alvo de maneira relacionada à toxicidade observada

7. Tipos de reações:

   • Ligação não covalente
   • Ligação covalente
   • Abstração de hidrogênio
   • Transferência de elétrons
   • Reações enzimáticas

8. Efeitos dos toxicantes sob as moléculas alvo

   • Disfunção das moléculas alvos
     • Alguns toxicantes ativam moléculas-alvo proteicas, simulando ligantes endógenos
       • É comum os compostos químicos inibirem a função da molécula-alvo
   • Destruição das moléculas-alvo
     • Toxicantes alteram a estrutura endógena primária de moléculas por ligação cruzada e fragmentação
   • Formação de neoantígenos
     • Alguns compostos químicos se ligam às proteínas espontaneamente, outros obtêm reatividade pela auto-oxidação de quinonas ou por biotransformação enzimática

9. Etapa 3:

   • Disfunção celular e toxicidade resultante

10. Toxicidade não iniciada pela reação com moléculas-alvo

    • Alguns xenobióticos alteram o microambiente biológico produzindo uma resposta tóxica
      • Agentes químicos que alteram as concentrações de íon H+ na biofase aquosa
      • Solventes e detergentes que físico-quimicamente alteram a fase lipídica da membrana celular e destroem gradiente de solutos transmembrana
      • Xenobióticos que causam lesão meramente pela ocupação de um sítio ou de um espaço

11. Desregulação celular induzida por toxicante

    • Desregulação da expressão gênica
      • Desregulação da transcrição
        • Desregulação da transdução de sinal
          • Desregulação da produção do sinal extracelular
            • Desregulação da atividade celular em progresso
              • Desregulação das células eletricamente excitáveis
                • Desregulação da atividade de outras células

12. Comprometimento da manutenção celular interna:

    • Depleção de ATP
      • Classe A
        • Inibidores da liberação de hidrogênio para ação na cadeia transportadora de elétrons por agirem na cadeia ou mimetizando o hidrogênio
      • Classe B
        • Inibidores do transporte de elétrons
      • Classe C
        • Inibidores da liberação de oxigênio para a cadeia de transporte de elétrons
      • Classe D
        • 1.
          • 2.
            • 3.
              • 4.
                • Privação da síntese de ATP de sua força motriz, a entrada controlada de prótons dentro do espaço da matriz
              • Interferência na liberação de fosfato inorgânico
            • Interferência na liberação de ADP
          • Inibição direta na síntese de ATP
        • Inibidores da ação da fosforilação de ADP
    • Aumento prolongado de Ca2+ intracelular pode resultar em:
      • Depleção da reserva de energia pela inibição da ATPase usada na fosforilação oxidativa
      • Disfunção de microfilamentos
      • Ativação de enzimas hidrolíticas
      • Geração de ROS e RNS
    • Superprodução de ROS e RNS
      • Pode ser sucundária à hipercalemia intracelular
        • Ca2+ ajuda a gerar ROS e/ou RNS por ativar desidrogenases no ciclo do ácido cítrico
    • Interação entre alterações metabólicas primárias significa desastre celular
      • A depleção da reserva de ATP celular priva as bombas de Ca2+ da membrana plasmática e endoplasmática do seu combustível, causando elevação de Ca2+ no citoplasma
      • A hipercalcemia intracelular facilita a formação de ROS e RNS, que inativa oxidativamente a bomba de Ca2+, agravando a hipercalcemia. ROS e RNS podem, também, drenar as reservas de ATP.
    • Transição de permeabilidade mitocondrial e o pior resultado: necrose
      • A captação de Ca2+ mitocondrial, o potencial de membrana mitocondrial diminuído, a geração de ROS e RNS, a depleção de ATP e as consequências de distúrbios metabólicos primários são considerados fatores causais de um aumento abrupto na permeabilidade da membrana interna das mitocôndrias
    • Efeito alternativo da MPT: apoptose
      • Compostos químicos que adversamente afetam o metabolismo de energia celular, a homeostase de Ca2+, o estado redox, causam necrose. Podem também induzir apoptose
    • A morte celular é determinada pela disponibilidade de ATP
      • Muitos xenobióticos podem causar necrose e apoptose

13. Etapa 4

    • Reparo ou falha no reparo

14. Reparo molecular

    • Reparo de proteína
      • Redução enzimática
        • Tioredoxinas e glutaredoxinas
    • Reparo da hemoglobina oxidada
      • Transferência de elétrons
        • Citocromo bs e citocromo bs redutase dependente de NADPH
    • Reparo de lipídeos
      • Série de redutores
        • Glutationa peroxidase e glutationa redutase
    • Reparo do DNA
      • O DNA mitocondrial não possui histonas e mecanismos de reparo eficientes, sendo mais propício a danos
    • Reparo direto
      • Ligações covalentes ao DNA são diretamente revertidas pela enzima:
        • DNA fotoliase
    • Reparo por excisão
      • PARP
    • Reparo recombinacional (ou pós-replicação
      • Ocorre na restauração do DNA com cruzamentos interfita

15. Reparo celular

    • É uma estratégia dos neurônios periféricos
      • O reparo dos neurônios danificados é minimamente aplicado na superação a danos celulares porque neurônios maduros perdem sua capacidade de se multiplicar.
        • Embora o dano ao sistema nervoso seja irreversível, o grande número reserva de células nervosas pode compensá-lo parcialmente, assumindo as funções dos neurônios perdidos

16. Reparo tecidual

    • Apoptose: supressão ativa de células danificadas
      • A apoptose iniciada pelas células lesadas pode ser considerada reparo tecidual
    • Proliferação: regeneração do tecido
      • O reparo de tecidos lesados envolve tanto a regeneração de células perdidas e matriz extracelular quanto a reintegração em tecidos e órgãos dos novos elementos formados
    • Substituição, por mitose, de células perdidas
      • Células quiescentes em G0 entram em G1 e progridem para a mitose
    • Substituição da matriz extracelular
      • A matriz extracelular é composta de proteínas, glicosaminoglicanas, glicoproteínas e proteoglicanas.
    • Reações adversas à lesão tecidual
      • Inflamação, produção alterada de proteínas de fase aguda e reações generalizadas, como febre.
    • Inflamação
      • A alteração da microcirculação e o acúmulo de células inflamatórias são iniciados principalmente por macrófagos residentes que secretam citocinas, tais como TNF-alfa e IL-1, na resposta à lesão tecidual
      • Inflamação produz espécies reativas de O e de N

17. Mecanismo de adaptação

    • A adaptação da toxicidade pode resultar de mudanças biológicas causando:
      • Menor disponibilidade do agente tóxico no alvo de ação
      • Menor suscetibilidade do alvo
      • Capacidade aumentada do organismo de se reparar
      • Mecanismos fortificados para compensar a disfunção infligida pelo agente tóxico

18. Toxicidade resultante de falha no reparo

    • Carcinogênese
      • Envolve a função inapropriada de vários mecanismos de reparo
      • Falha no reparo ao DNA
        • Falha na apoptose
          • Falha em encerrar a proliferação celular
        • Mutação, o evento inicial da carcinogênese
    • Fibrose
      • Condição patológica caracterizada pela deposição excessiva de uma matriz extracelular de composição anormal
    • Necrose tecidual
      • A progressão de lesão celular para necrose tecidual pode ser interceptada por 2 mecanismos de reparo trabalhando em conjunto: apoptose e proliferação celular
    • Carcinogênese não genotóxica: promotores de mitose e inibidores de apoptose:
      • Muitos compostos químicos não alteram o DNA ou induzem mitose, ainda que induzam câncer após a administração crônica
    • Falha da apoptose: promoção de mutação e crescimento clonal
      • Células pré-neoplásicas têm atividade apoptótica muito maior do que células normais. A apoptose neutraliza a expansão clonal das células iniciadas e tumorais
    • Falha no encerramento da proliferação: promoção de mutação, expressão de proto-oncogenes e crescimento clonal
      • A atividade mitótica aumentada promove carcinogênese por diversas razões:
        • Atividade mitótica elevada aumenta a probabilidade de mutações
        • Superprodução de proto-oncogenes pode cooperar com proteínas oncogenes para facilitar a transformação neoplásica das células
        • Comunicação célula-célula interrompida