16.4: Sustancias Tóxicas y Toxicología

Una de las mayores preocupaciones que el público en general tiene con la química son los posibles efectos tóxicos de diversas sustancias entre ellas las que podrían ser utilizadas para ataques terroristas. Los venenos, o tóxicos, son sustancias que pueden afectar de manera adversa al tejido biológico dando lugar a respuestas dañinas incluyendo, en los casos más severos, incluso la muerte. El estudio de tales sustancias y sus efectos es la ciencia de la toxicología. La ciencia que relaciona las propiedades químicas de las sustancias tóxicas con sus efectos tóxicos es la química toxicológica. Debido a que los venenos se encuentran entre las principales amenazas terroristas, es apropiado considerar aquí las sustancias tóxicas y la química toxicológica.

Cualquier tipo de tejido y todos los órganos pueden ser objeto de ataque por sustancias tóxicas. Los principales sistemas de órganos humanos que son potencialmente afectados negativamente por sustancias tóxicas se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Mesa\(\PageIndex{1}\)

Mesa\(\PageIndex{1}\)	Respuestas tóxicas típicas
\ (\ PageIndex {1}\) ">Sistema respiratorio	Enfisema por humo de cigarrillo, cáncer de pulmón por asbesto
\ (\ PageIndex {1}\) ">Respuestas de piel	Dermatitis alérgica de contacto, como por exposición a dicromato; cloracné por exposición a 2,3,7,8-tetraclorodibenzo- p-dioxina (“dioxina”); cáncer de piel por exposición al constituyente de alquitrán de hulla
\ (\ PageIndex {1}\) ">Hepatotoxicidad (efectos tóxicos)	Esteatosis (hígado graso), como por exposición a cirrosis de tetracloruro de carbono; (deposición y acumulación de tejido fibroso de colágeno) por ingestión excesiva de etanol; hemangiosarcoma, un tipo de cáncer de hígado observado en trabajadores fuertemente expuestos al cloruro de vinilo en la fabricación de plásticos de PVC
\ (\ PageIndex {1}\) ">Sistema reproductivo	Interferencia con el desarrollo de esperma por algunos químicos industriales, interferencia con células involucradas con la formación de óvulos por químicos como la ciclofosfamida
\ (\ PageIndex {1}\) "> Sangre	Formación de carboxihemoglobina por unión de monóxido de carbono a hemoglobina sanguínea, metahemoglobinemia consistente en conversión de hierro (II) a hierro (III) en hemoglobina por exposición a sustancias como anilina o nitrobenceno, anemia aplásica por exposición al benceno
\ (\ PageIndex {1}\) ">Efectos del sistema inmune	Inmunosupresión por exposición a radiación, hipersensibilidad por exposición al berilio
\ (\ PageIndex {1}\) ">Efectos del sistema endocrino	Interrupción de la función endocrina por disruptores endocrinos como el bisfenol-A
\ (\ PageIndex {1}\) ">Sistema nervioso	Encefelopatía (trastorno cerebral), como por exposición al plomo; neuropatía periférica por exposición a solventes orgánicos; inhibición de la enzima acetilcolinesterasa en la función nerviosa por exposición a venenos militares organofosforados
\ (\ PageIndex {1}\) ">Sistema renal y del tracto urinario	Nefrotoxicidad renal por cadmio de metales pesados

Toxicidades

Las toxicidades de las sustancias varían en un amplio rango, y las que son tóxicas a dosis más bajas son las de mayor preocupación por el envenenamiento deliberado. Esto se ilustra en la Figura 16.1 que da las toxicidades de varias sustancias. Es importante señalar que la escala de dosificación en esta figura es logarítmica; es decir, por cada disminución de división en la escala, una sustancia es diez veces más tóxica. Los dos círculos de la Tabla\(\PageIndex{1}\) ilustran las enormes diferencias entre toxicidades de diferentes sustancias. Si el área del círculo grande representa el tamaño de una dosis fatal de paratión, un insecticida que alguna vez fue ampliamente utilizado que ha matado a varias personas y ahora ha sido prohibido por su toxicidad, ¡una dosis fatal de gas nervioso venenoso militar Sarín está representada por el minúsculo punto debajo del círculo! Las toxicidades se expresan normalmente como valores DL50, la dosis en unidades de masa de veneno por unidad de masa del sujeto de prueba. Las ratas generalmente se usan para las pruebas, y las toxicidades para los humanos se deducen de estos valores de prueba.

Cuadro\(\PageIndex{1}\): Toxicidades relativas de diversas sustancias en unidades de dosis de miligramos por kilogramo de masa corporal requerida para matar al 50% de los sujetos de prueba (DL50). Tenga en cuenta que la dosis letal estimada se grafica en una escala logarítmica También se muestran las toxicidades relativas del paratión, un insecticida que alguna vez se usó comúnmente que ha sido discontinuado por su toxicidad para los humanos, y Sarin, un veneno militar extremadamente tóxico.

Metabolismo de sustancias tóxicas

Las sustancias tóxicas que ingresan al organismo y que le son extrañas, comúnmente llamadas sustancias xenobióticas, están sujetas a procesos metabólicos que pueden activarlas o hacerlas menos tóxicas (desintoxicación). El metabolismo de las sustancias tóxicas puede dividirse en dos fases. Las reacciones de fase I normalmente consisten en la unión de un grupo funcional, generalmente acompañada de oxidación. Por ejemplo, el benceno, C ₆ H ₆, (ver Capítulo 6, Sección 6.2) se oxida en el organismo por la acción del sistema enzimático del citocromo P-450 como se muestra en la Reacción 16.4.1. El producto de oxidación de Fase I es fenol, una sustancia tóxica. Un intermedio reactivo en el proceso es el epóxido de benceno, que interactúa con biomoléculas para causar efectos tóxicos. El producto de oxidación de fenol Fase I del benceno puede sufrir una segunda reacción, una reacción de Fase II en la que se une con un agente de conjugación que es endógeno a (producido naturalmente por) el cuerpo, tal como glucurónido como se ilustra en la Reacción 16.4.2

Si bien las reacciones de Fase I y Fase II generalmente actúan para hacer que las sustancias xenobióticas sean más solubles en agua, más fácilmente eliminadas del organismo y menos tóxicas, en algunos casos ocurre lo contrario y los procesos metabólicos hacen que las sustancias sean más tóxicas. La mayoría de los carcinógenos humanos conocidos (agentes cancerígenos) en realidad son producidos por procesos bioquímicos en el cuerpo a partir de sustancias precursoras no cancerígenas.

La Acción de Sustancias Tóxicas

Las sustancias tóxicas, que como se señaló anteriormente, a menudo son producidas por procesos metabólicos a partir de precursores no tóxicos, producen una respuesta tóxica al actuar sobre un receptor en el organismo. Por lo general, un receptor es una enzima que es esencial para alguna función en el cuerpo. Como consecuencia de la unión del receptor al tóxico se produce un efecto bioquímico. Un ejemplo común de un efecto bioquímico ocurre cuando un tóxico se une a una enzima de tal manera que la enzima unida puede ser inhibida de llevar a cabo su función normal. Como resultado de un efecto bioquímico, existe una respuesta, como una respuesta conductual o fisiológica, que constituye el efecto tóxico real observado. Enzima acetilcolinesterasa inhibida por la unión al gas nervioso Sarin puede fallar en detener los impulsos nerviosos en los procesos respiratorios, lo que lleva a la asfixia. Los fenómenos recién descritos ocurren en la fase dinámica de acción tóxica como se resume en la Figura 16.3.