TOXICOLOGÍA DE LOS METALES 28/3/11 Cristóbal de los Ríos [email protected]

Metales y seres vivos Esenciales, micronutrientes o elementos extraños Necesidad de un microorganismo por un metal micronutriente

Tres tipos de comportamiento

Metales y seres vivos

Esencial o macronutriente

Traza o micronutriente

Extraño o xenobiótico

Factores que influyen en la toxicidad Propiedades intrínsecas de los metales. Dúctiles, maleables, forman cationes, alta densidad, óxidos básicos, grandes conductores del calor y electricidad… Las propiedades que inducen a su uso humano son las que provocan su movilización y, por tanto, su exposición alterada a los seres vivos. Medicina: Hg, As, Al Pesticidas: Hg, Pb, Cu Pinturas: Hg, Pb, Cd, Cr, Mn Construcción: Hg, Pb, Cu, Cr, Zn Electrónica: Hg, Cd, Cu, Zn, Mn Industria: Hg, Pb, Cd, Cu, Ni, Cr, Mn, Be, V Alimentación: Pb, Al Conservas: Pb, Al Autómovil: Pb, Cd, Ni, Cr, Al, Mn

Movilización Proceso por el que se extrae el tóxico (metálico) desde su sustrato natural, generalmente por acción humana. Puede envolver una transformación física o química

Factores

Las médulas, León

Rio Caura, Venezuela

8 7

Al(OH)3

6

Al(OH)2+ Al(OH)2+

Factores. Movilización

1

2

3

4

pH

Al(OH)4-

5

9 10

• Influencia del pH

Todos los metales, excepto Cr, se movilizan mejor a pH ácidos. Destaca Pb, Al.

Al3+

• Movilización natural: Hg, Mn •Extracción del Mineral: Hg (C), Cd (Zn), Be (Cu) • Incineración de residuos: Hg • Desechos industriales: Hg, Cr, Fe, Mn • Residuos urbanos: Pb, Cr • Reciclaje: Pb

Factores. Movilización

• Incineración y comb. fósiles: Hg, Pb, Ni, Cr, Zn, Mn, Be, V • Humo de tabaco: Cd, Ni • Dispersión de pesticidas: Cu • Torres de refrigeración: Cr • Manipulación casera: Pb, Al

Formas químicas No solo la facilidad de entrar en contacto, sino también su toxicidad intrínseca va a cambiar en función de la especie química.

Agregados

Factores

• Partículas: Las partículas metálicas pueden ser transportadas por el aire a grandes distancias. Tienen como órgano diana el pulmón (cáncer).

Disponibilidad biológica (Biodisponibilidad) Concentración relativa de un tóxico (metálico) capaz de entrar en contacto con un ser vivo. Mateo Orfila, 1811. DOC: “Dissolved Organic Carbon” o Carbon orgánico. Son ligandos de metales, que afectan a su solubilidad y penetración en seres vivos. Suelen ser sustancias quelantes. - Citrato, acetatos HOOC - Ácido húmico, fúlvico HOOC N - EDTA, NTA N COOH

Factores

COOH

Factores. Biodisponibilidad

• Influencia de la materia orgánica en la biodisponibilidad

Metales con fácilmente captados por materia orgánica: Pb, Cu

Factores. Biodisponibilidad

• Influencia de la textura del suelo. Arcillas

Acumulación - La toxicidad de un tóxico (metálico) dependerá tanto de dónde se acumula en el organismo, como de cuanto tiempo se necesita para eliminarlo.

Factores

Hg: Músculo de peces, fetos en embarazadas, cerebro, en general sistémico en humanos. Pb: Cáscaras de huevos, Órganos de seres acuáticos, huesos, tejido blando Cd: Riñones, hígado y órganos reproductores (humanos), hepatopancreas (crustáceos), plantas regadas con agua contaminada Cu: Huevos Ni: Piel PARTÍCULAS DE METALES SIEMPRE TIENEN COMO DIANA EL PULMÓN

• Análisis de la acumulación de un tóxico Persistencia. t1/2 biológica Bioconcentración [M]org > [M]entorno FBC = [M]org /[M]entorno

M

Factores. Acumulación

Bioacumulación [M]org > [M]entorno + dieta (a lo largo de la vida) FBA = [M]org /[M]entorno + dieta

M

M M

y

M M M M M M M M M M M

M

M

M

1. Mercurio Hg. Volátil, forma aleaciones especiales: amalgamas.
Xenobiótico
Persistente
Muy tóxico

Propiedades

Mercurio

Formas de tóxicidad variable: Metálico (Hg0), volátil, muy poco soluble en agua. Inorgánico divalente (Hg2+), poco soluble, forma partículas. Organomercuriales: (Pej: MeHg+) soluble en agua, estable. Persistente, presenta bioacumulación. Además, es el único metal que presenta biomagnificación

Ciclo bioquímico Hg0

Aves y otros seres Humanos

Hg2+

Algas

Hg0

Mercurio

Hgp

CH3HgCH3

Peces

Hg2+

CH3Hg+

CH3HgCH3

Hg2+

CH3Hg+

CH3HgCH3

HgS

Toxicidad Toxicidad: Desde la antigüedad (Theofrastu, 387 A.C.), sólo desde el s. XX ha sido objeto de interés (Minamata; Iraq...) Dependerá de la especie química (Hg0, MeHg+,...) Humanos: MetilMercurio provoca afasia, ataxia, convulsiones y muerte. Dosis elevadas agudas tienen como diana riñón, corazón y aparato digestivo. "Enfermedad de Minamata".

Mercurio

Otros seres vivos: Biomagnificación en ecosistemas marinos Plantas: Perturbaciones mitóticas Pantanos y lagos artificiales.

Incidente de la bahía de Minamata, Japón (1975). Una fábrica que usaba HgSO4 liberó Hg2+. En los sedimentos del agua, el Hg2+ se convirtió en MeHg+, acumulándose en moluscos y peces que fueron ingeridos por los habitantes locales. 115 personas fallecieron, parálisis, alteraciones de vista y oído, manifestaciones neurológicas. Envenenamientos prenatales incluso en ausencia de sintomatología de la madre.

Mercurio

Tratamiento de las semillas con alquil mercurio para evitar las enfermedades del grano. En Irak, las semillas tratadas se sembraron y cultivaron para hacer pan. Miles de personas fueron envenenadas y centenares murieron. En EEUU el ganado vacuno alimentado con grano tratado fue usado para consumo humano. De nuevo se produjo un envenenamiento severo.

2. Plomo Forma compuestos estables y muy insolubles, pero altamente movilizables a pH ligeramente ácidos y por materia orgánica Debido a su persistencia y a la lenta sustitución, sigue siendo el 5º metal más usado y su toxicidad es muy relevante
Xenobiótico
Persistente
Muy tóxico

Propiedades Debido a su insolubilidad y a su falta de reactividad, se acumula en suelos y sedimentos marinos fácilmente. Fundamentalmente se transporta por el aire y es solubilizado en entornos acuáticos débilmente ácidos. Debido a su insolubilidad y a su falta de reactividad, se acumula en suelos y sedimentos marinos, alta incidencia en vegetales cultivados cerca de zonas industriales. Presas de caza y pesca.

Plomo

Persistencia en el entorno (puede usarse como indicador histórico)

Toxicidad Humanos: Aunque no fácil, puede pasar a cerebro, provocando desórdenes neurológicos. Saturnismo: Envenenamiento debido a exposición aguda a niveles altos de Pb: estupor, convulsiones, parálisis, etc... Pb afecta al transporte de oxígeno por la hemoglobina: Palidez y Anemia. Afecta al metabolismo del calcio.

Plomo

Microorganismos: Retardan degradación heterótrofa de la materia orgánica

3. Cadmio Cd. Muy escaso pero muy tóxico
Xenobiótico?
Persistente
Muy tóxico

Propiedades Se acumula en organismos acuáticos (moluscos) y plantas regadas con aguas residuales y fertilizantes. Los humanos se intoxican principalmente por ingesta, acumulándose en riñones, hígado y órganos reproductores. Mimetiza al Zn en su bioquímica y compite con Ca por proteínas trasnportadoras y canales. Inhibición de diversas enzimas. Tiolprivo, afinidad por los grupos tioles (SH) presentes en el aminoácido cisteina.

Cadmio

Difícilmente capturado por materia orgánica. La absorción de Cd se facilita en dietas bajas en calcio, hierro o proteínas

Toxicidad Humanos: Alteración renal, hepática y pulmonar (edemas, pneumonitis, cancer). En dosis pequeñas vómitos, diarreas, colitis. En dosis crónicas hipertensión, hipertrofia coronaria y muerte

Cadmio

La mayor epidemia se describió en el río Jintsu (Toyama, Japón 1955) por ingestión de arroz contaminado (disfunción renal, osteomalacia, osteroporosis, deformidades esqueleticas,...).

Mercurio, Plomo, Cadmio

EL PAIS, 21/11/2006. David Segarra, p.46. Fuente: Ribepeix (www.fmcs.urv.cat/portada/ribepeix/). J.L. Domingo (Univ. Rovira y Virgili)

4. Cobre Cu. Es un elemento micronutriente para muchos seres vivos. Metal central de muchas metaloenzimas. Afecta a seres vivos acuáticos y microorganismos. Forma sales poco solubles que se movilizan a pH ácidos. Forma complejos solubles pero poco biodisponibles. Concentraciones altas de Cu se depositan en suelos y sedimentos (minas de Cu o dispersión de fungicidas).

5. Níquel

Níquel

Ni. Elemento traza de plantas, bacterias e invertebrados (metal central de enzimas ureasas).

Penetra en mamíferos por inhalación. Suelos cercanos a carreteras con alta densidad de tráfico presentan alto contenido en níquel.

Níquel

Ni se acumula en el citosol celular y se une a proteínas de bajo peso molecular. A pesar de ser micronutriente y su baja vida media biológica, se ha comprobado su toxicidad (dermatitis, desórdenes respiratórios y cáncer, daños cromosómicos). Depende de la especie química: - Sales solubles: Poco toxicas - Níquel libre: Muy tóxico pero fácilmente eliminable. - Níquel particular: Sulfuros e hidróxidos de Níquel - Ni(CO)4

6. Aluminio Al. El metal más abundante de la corteza terrestre. Usos: Envases, recubrimientos, utensilios de cocina, etc. El metal más importante del s. XX. Tecnología aeroespacial Los compuestos de Al(III) son insolubles, pero se movilizan a pH bajos.

Aluminio

Penetra preferentemente por ingestión por el uso de medicamentos y utensilios de cocina. Se acumula en huesos, cerebro, hígado y bazo. Osteomalacia en pacientes renales. En otros seres vivos destaca por intervenir en el metabolismo del fósforo. Medios acuáticos ácidos afectan a invertebrados y peces donde el Al precipita en las branquias provocando asfixia

7. Cromo Cr. Los estados de oxidación más comunes son III y VI, con diferentes propiedades químicas y toxicológicas. El Cr(III) es un elemento micronutriente para mamiferos, pues participa en diversos metabolismos

Movilización, propiedades y toxicidad Penetra en humanos preferentemente inhalación atmosférica, aunque también por ingestión El polvo de Cr(VI) provoca ulceración de la mucosa nasal y perforación del septum nasal. Tasas de reproducción alterada en otros seres vivos. Crónicamente puede llevar a cáncer de pulmón y anormalidades cromosómicas.

Cromo

Un alta concentración de Cr en cítricos causa una morfología y coloración anormal

8. Hierro Fe (II) es más soluble y tóxico pero, en condiciones aeróbicas, se transforma en Fe (III), menos soluble y menos tóxico. Captación. Fundamentalmente por ingestión oral. Transfusiones. Preparaciones multivitamínicas en niños. Los cultivos de arroz (suelos inundados) captan mucho hierro.

Hierro

Toxicidad: Polvo de hierro: pneumoconiosis benigna. Movilización de pirita. Seres vivos drenadores de suelos. Irritación gastrointesitinal, coágulos. Polvo de hierro

10. Zinc

Zinc

Zn, N.ox.= 2 No es de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, pero algunos suelos tienen altas concentraciones de forma natural.

Movilización, propiedades y toxicidad Micronutriente: Núcleo prostético de muchas enzimas. Síntesis de RNA (dedos de Zn) Acumulación: Se deposita en suelos y aguas favorecida por la acidificación. Inhalación en industrias de polvo de Zinc. La principal vía de incorporación es por la ingesta de alimento. Toxicidad: Fiebre de Zn, exposición a polvo de Zn produce escalofríos, fiebres y nauseas. Humos de ZnCl2: casos de muerte por edema pulmonar.

Zinc

Otros seres vivos: Suelen tolerar bien Zn, los más sensibles son los organismos acuáticos. Se acumulan en varios tejidos.

7. Estaño Sn. Usos: Fabricación de hojalata, aleación, envases, soldaduras. Fungicidas, insecticidas, estabilizantes del PVC Movilización: Acción de la materia orgánica disuelta (polifenoles) de bebidas Acumulación: Huesos, (organostannanos).

riñon,

hígado,

pulmón

y

cerebro

Estaño

Toxicidad: Daña las cosechas. Inhibe la hidrólisis de ATP. Tiolprivo, estabilizante de ADN y membranas.

Metales radiactivos Como consecuencia de contaminación por fugas radiactivas o por el uso de fuentes de radiactividad para la esterilización y conservación de los alimentos (Co-60 o Cs-137). Acumulación y comportamiento diferente según el elemento.

Metales radiactivios

De forma natural se destaca la presencia de K-40 en frutas y verduras, Ra-226 en cereales, U-238 en agua y zumos y Pb-210 y Po-210 en carnes y pescados. Por desastres nucleares, los radioisótopos a tener en cuenta toxicológicamente son Kr-85, Sr-89 y 90, Ru-103 y 106, I-129 y 131, Xe-133, Cs-134, 135 y 137, Ba-140 y Ce-144. Órganos diana son los ácidos nucleicos y el sistema retículo endotelial (Radiación directa). Generan radicales libres que provocan peroxidación (Radiación indirecta). Carcinogénesis, mutagénesis y teratogénesis. Accidente nuclear de Chernobil (24/10/1986). Se diseminaron radionúclidos al aire, agua y alimentos.

Radiosensibilidad y muerte celular RADIOSENSIBILIDAD: grado de afectación celular provocado por la acción de las RI. LEY DE BERGONIE Y TRIBON: La RI es más eficaz sobre las células que son activamente mitóticas

Metales radiactivos

AGENTES QUE PUEDEN MODIFICAR LA RESPUESTA RADIOSENSIBILIZANTES: ej. oxígeno RADIOPROTECTORES: Moléculas secuestradoras radicales libres ej. Grupos SH

de

¿CÓMO SE COMPARA LA RADIOSENSIBILAD DE LOS TEJIDOS?: Parámetros de muerte celular

Tiempo de supervivencia

Metales radiactivos

Sindrome de Irradiación agudo Fases: Fases: 1.1.- Prodómica: Prodómica: Naúseas, Naúseas, vómitos vómitos yy diarrea diarrea 2.2.- Latente Latente 3.3.- E. E. Manifiesta: Manifiesta: Refleja Refleja los los sistemas sistemas afectados afectados

S. Médula ósea

S. Gastrointestinal S. Del SNC

2

10

100

Dosis Grays

Lesiones por Radiaciones ionizantes

Metales radiactivos

Efectos

Dosis aguda en Gy

Aparición de cambios en recuento de sangre periférica

0.5

Umbral aparición de vómitos

1.0

Umbral aparición de muertes

1.5

DL50/60 (cuidados mínimos disponibles)

3.2-3.6

DL50-60 (cuidados intensivos disponibles)

4.8-5.4

DL50-60 (Disponible transplante médula ósea autólogo o stem cells

> 5.4