TOXICOLOGÍA DE LOS METALES

28/4/08Cristóbal de los Ríoscristobal.delosrios@uam.es

Metales y seres vivosEsenciales, micronutrientes o elementos extraños

Metales y seres vivos

Necesidad de un microorganismo por un metal micronutriente

Tres tipos de comportamiento

Esencial o macronutriente

Traza o micronutriente

Extraño o xenobiótico

Factores

Propiedades intrínsecas de los metales. Dúctiles, maleables, forman cationes, óxidos básicos, grandes conductores del calor y electricidad…

Movilización, formas químicas, agregaciones

Disponibilidad biológica

Factores que influyen en la toxicidad

Al3+

Al(OH)2+

Al(OH)2+

Al(OH)4-

Al(OH)3

pH

12

34

56

78

91

0

Mateo Orfila, 1811.DOC: “Dissolved Organic Carbon” son ligandos de metales, que afectan a su solubilidad y penetración en seres vivos.

- Citrato, acetatos- Ácido húmico, fúlvico- EDTA, NTA

NN

COOH

COOHHOOC

HOOC

Análisis

Persistencia. t1/2 biológica

Bioconcentración y Bioacumulación

Análisis de la toxicidad de los metales

[M]org> [M]entorno

FBC = [M]org /[M]entorno

MM

M

M

M

M

M

M

M

M

MM M

M M

M

M

M

FBA = [M]org /[M]entorno + dieta

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

Factores

Toxicidad según el tipo de exposición

Exposición aguda: a través de agua de consumo humano, alimentos o exposición ocupacional, presentando: síndrome gastrointestinal agudo, disfunción renal, neurotoxicidad, etc

Exposición prolongada, a través de agua de consumo humano, por vía aérea o por contacto con suelos contaminados. Desarrollo de distintos tipos de cáncer; hiper e hipopigmentación; inflamación crónica de las vías respiratorias; insuficiencia renal; dermatitis; síntomas neurológicos; daño reproductivo: fetotoxicidad, teratogenicidad, aborto espontáneo.

1. MercurioHg, N.ox.= 1, 2. Volátil, forma aleaciones especiales: amalgamas

Usos: aparatos eléctricos, industria del cloro-álcali, fungicidas (en desuso)

Varias formas químicas con diferente comportamiento:Metálico, Hg0

Inorgánico divalente, Hg2+

Organomercuriales:Alquilmercuriales (Pej: MeHg+)Arilmercuriales (Pej: ArHg+)

Toxicidad: Desde la antigüedad (Theofrastu, 387 A.C.), sólo desde el s. XX ha sido objeto de interés (Minamata; Iraq...)Estas especies químicas son interconvertibles en varios entornos biológicos.M

ercurio

Propiedades

PropiedadesPersistente, presenta bioacumulaciónEs el único metal que presenta biomagnificación

Mercurio Movilización y ToxicidadNatural: Meteorización de rocas, desgasificación de la corteza terrestre.Antropogénica: Carbón, incineración de residuos, extracción mineral

La toxicidad 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". .

Otros seres vivos: Biomagnificación fundamentalmente en ecosistemas marinos (algas, atún, pez espada, aves).

Pantanos y lagos artificiales.

Mercurio

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.

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. PlomoPb, N.ox.= 2, 4

El más abundante entre los metales pesados

Forma compuestos estables y muy insolubles (óxidos, carbonatos, cloruros).

Usos: Desde hace 4000 años.EN DESUSO: Transporte de agua, catalizador de gasolina, edulcorante, conservas, insecticidas, imprenta.ACTUALMENTE: Pinturas, protección de radioactividad, cristalería, cerámica, proyectiles, baterías.

Toxicidad: Debido a su persistencia y a la lenta sustitución, sigue siendo el 5º metal más usado y su toxicidad es muy relevante

Plomo

Plomo MovilizaciónLos compuestos de Pb son muy insolubles, pero una bajada aparente del pH hace aumentar su solubilidad. Extracción del mineral, reciclaje de viejas infraestructuras, gasolinas, lodos cloacales.

Transporte y acumulación

Fundamentalmente se transporta por el aire y solubilizado en entornos acuáticos débilmente ácidos.

Debido a su insolubilidad y a su falta de reactividad, se acumula en suelos y sedimentos marinos

Persistencia en el entorno (puede usarse como indicador histórico)

Presenta "biominificación“. En humanos se acumula en huesos.

Plomo

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.

Otros seres vivos: Síntomas análogos (cisnes y otras aves)Los organismos acuáticos acumulan Pb en órganosLas aves acumulan Pb huesos y tejidos blandos provocando crecimiento anómalo y efectos teratogénicos

Cd, N.ox.= 2

Muy escaso pero muy tóxico

Forma óxidos estables, se encuentra generalmente como impureza de minerales de Zn.

Usos: Manufactura del acero, aleaciones, manufactura de PVC, pigmento, agente antifricción, semiconductor y pilas.

Movilización y Transporte: Manufactura del Zn, humo del tabaco. Cd forma vapores y partículas en el aire muy volátiles

3. CadmioCadmio

Se acumula en organismos acuáticos (moluscos) y plantas regadas con aguas residuales. 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.

Síntomas: Alteración renal, hepática y pulmonar (edemas, pneumonitis, cancer). En dosis pequeñas vomitos, diarreas, colitis. En dosis crónicas hipertensión, hipertrofia coronoria y muerte

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

Acumulación y ToxicidadCadmio

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)

Al, N.ox.= 3. El metal más abundante de la corteza terrestre. Forma gran cantidad de compuestos, en general aluminosilicatos.

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 pHbajos

Penetra preferentemente por ingestión por el uso de medicamentos y utensilios de cocina

Se acumula en huesos, cerebro, hígado y bazo. Alta presencia de Al en pacientes de Alzheimer

Medios acuáticos ácidos afectan a invertebrados y peces donde el Al precipita en las branquias provocando asfixiaA

luminio

4. Aluminio

Cr, N.ox.= 2, 3, 6. Se encuentra en rocas básicas y ultrabásicas. Diferentes propiedades químicas y toxicológicas según el estado de oxidación. Elemento traza pues participa en diversos metabolismos.

Usos: Aceros y otras aleaciones, cromados, industria aeroespacial, como anticorrosivo y para curtir pieles.

Movilización y Transporte: Torres de refrigeración, incineración de combustibles fósiles, desechos urbanos, aguas residuales. Las partículas de Cr pasan a las atmósfera. Fundiciones e industria del papel liberan Cr a medios acuáticos.

Penetra en humanos preferentemente inhalación atmosférica, aunque también por ingestión.

El polvo de Cr(VI) provoca ulceración de la mucosa y perforaciones nasales. Crónicamente puede llevar a cáncer de pulmón y anormalidades cromosómicas.C

romo

5. Cromo

6. ZincZinc

Zn, N.ox.= 2. No es muy abundante en la corteza terrestre, pero algunos suelos tienen altas concentraciones de forma natural.

Usos: Baterías, recubrimiento de tejados, anticorrosión, latón.

Movilización: Minas, fundición, combustibles fósiles, incineración de residuos; movilizan polvo de Zn a la atmósfera y aguas.

Micronutriente: Núcleo prostético de muchas enzimas. Síntesis de RNA (dedos de Zn)

Acumulación: Se deposita en suelos y aguas favorecida por la acidificación. La principal vía es por la ingesta de alimento.

Toxicidad: Tiolprivo, estabilizante de ADN y membranas. Fiebre de Zn, exposición a polvo de Zn produce escalofríos, fiebres y nauseas.

7. EstañoSn, N.ox.= 2, 4.

Usos: Fabricación de hojalata, aleación, envases, soldaduras. Fungicidas, insecticidas, estabilizantes del PVC

Movilización: Acción de la materia orgánica disuelta (polifenoles) de bebidas

Acumulación: Huesos, riñon, hígado, pulmón y cerebro (organostannanos).

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

Estaño

8. ArsénicoArsénico

As, N.ox.= 3, 5.

Usos: electrónica, aleaciones, cerámica, vidrio, insecticidas.

Movilización: Se obtiene como producto secundario en la producción y refinación de cobre, plomo, zinc, estaño y oro.

Captación: Los humanos captan As por la ingesta de agua contaminada , pescados, crustáceos, carne y vino.

Acumulación: Se acumula en hígado, riñon, pulmón, pelo, uñas dientes y piel

Toxicidad: Es carcinogénico y mutagénico comprobado. Inhibidor enzimático tiolprivo, interfiriendo en el metabolismo celular.

9. BerilioBerilio

Be, N.ox.= 2

Usos: Piedras preciosas, reactores nucleares, industria aeroespacial, componentes electrónicos.

Movilización: Combustión de carbón.

Compite con el Mg por los centros enzimáticos: Inhibe la DNA-polimerasa, timidina quinasa y fosfatasa alcalina

Acumulación: Fundamentalmente en pulmón. Los tejidos de los mamíferos no lo excretan, por tanto se acumula.

Toxicidad: En humanos daña la piel y las mucosas, en el pulmón produce BERILIOSIS. Cáncer de pulmón y médula ósea

Fe, N.ox.= 2, 3. El 2º metal más abundante de la tierra. En todo tipo de rocas y suelos. Forma como óxidos, carbonatos y sulfuros.

Usos: Conocido desde la antigüedad.

Solubilidad diferencial. Fe (II), más soluble y tóxico, se transforma en condiciones aeróbicas en Fe (III), menos soluble y menos tóxico.

Movilización. Siderurgia. Manipulación de residuos. Drenaje en minas de Fe. Uso de utensilios de cocina.

Captación. Fundamentalmente por ingestión oral. Transfusiones. Preparaciones multivitamínicas en niños

Importancia biológica. Centro catalítico de reacciones redox.

Toxicidad: Irritación gastrointesitinal, coágulos. Polvo de hierroHierro

10. Hierro

Ni, N.ox.= 2, 3. No muy abundante. Arseniuros y sulfuros

Usos: En aleaciones como anticorrosivo, pilas, joyería, decoración.

Movilización: Combustibles fósiles, fundiciones, humo de tabaco.

Elemento traza de plantas, bacterias e invertebrados

Penetra en mamíferos por inhalación

Toxicidad: Ni se acumula en el citosol celular y se une a proteínas de bajo peso molecular. Dermatitis, desórdenes respiratorios y cáncer.

11. NíquelNíquel

12. VanadioVanadio

V, N.ox.= 2,3,4,5. Muy distribuido por la corteza terrestre. Generalmente en rocas asociado a minerales de titanio o uranio.

Usos: Industria nuclear, aditivo en la manufactura de hierros y aceros, colorantes, cerámica y catalizadores de la industria química

Movilización: Petróleo crudo y carbón contienen altos niveles de V. La combustión de fuel libera gran cantidad de partículas a la atmósfera

Elemento traza esencial para ratas, pollos y algunas bacterias

Acumulación: Los humanos se exponen al V por inhalación, depositándose y acumulándose a pulmones.

Toxicidad: Inhibe la oxidación de tejidos, la síntesis de colesterol, fosfolípidos y aminoácidos.

Cu, N.ox.= 1, 2. Muy distribuido en la naturaleza, como sulfuros, arseniuros, cloruros, carbonatos,... Forma sales muy poco solubles que se movilizan a pH ácidos. Forma complejos solubles pero poco biodisponibles.

Usos: Desde hace 6000 años. Aleaciones, en herramientas, armas y fungicidas. Actualmente destaca su uso en fontanería y cableado.

Es un elemento traza esencial para los seres vivos. Metal central de muchas metaloenzimas

Concentraciones altas de Cu se depositan en suelos y sedimentos (minas de Cu o dispersión de fungicidas)

En general, la toxicidad se apreciaría a muy altas concentraciones y en condiciones fisicoquímicas concretas.

13. CobreCobre

Mn, N.ox.= 2, 3, 4, 6, 7.

Usos: Manufactura del acero, pilas, cristal, tintes, cerámicas, fertilizante

Movilización: Erosión de rocas y actividad volcánica, minas, metalurgia y manufactura de acero, incineración

Micronutriente: Síntesis de ácidos nucleicos, metabolismo de carbohidratos, control del sistema nervioso, factores de coagulación, función hormonal.

Acumulación: Inhalación y en el caso del MMT por la piel.

Toxicidad: Exposición aguda ocupacional. Calambres, temblores, alucinaciones,...

14. ManganesoManganeso

Metales radiactivosMetales radiactivios

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.

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

AGENTES QUE PUEDEN MODIFICAR LA RESPUESTARADIOSENSIBILIZANTES: ej. oxígenoRADIOPROTECTORES: Moléculas secuestradoras de

radicales libres ej. Grupos SH

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

Metales radiactivios

Sindrome de Irradiación agudo

2 10 100

Tie

mp

o d

e s

up

erv

ive

ncia

Dosis Grays

S. Médula ósea

S. Gastrointestinal

S. Del SNC

Fases:

1.- Prodómica: Naúseas, vómitos y diarrea2.- Latente3.- E. Manifiesta: Refleja los sistemas afectados

Fases:

1.- Prodómica: Naúseas, vómitos y diarrea2.- Latente3.- E. Manifiesta: Refleja los sistemas afectados

Metales radiactivios

Lesiones por Radiaciones ionizantes

> 5.4DL50-60 (Disponible transplante médula ósea autólogo o stem cells

4.8-5.4DL50-60 (cuidados intensivos disponibles)

3.2-3.6DL50/60 (cuidados mínimos disponibles)

1.5Umbral aparición de muertes

1.0Umbral aparición de vómitos

0.5Aparición de cambios en recuento de sangre periférica

Dosis aguda en GyEfectos

Metales radiactivios