Metales I

TOXICOLOGÍA DE LOS METALES
28/3/11
Cristóbal de los Ríos
cristobal.delosrios@uam.es
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