¿Qué efectos inhibidores tienen los pesticidas organofosforados y carbamatos sobre la acetilcolinesterasa?

Ya en el siglo XVIII, la fisostigmina, un carbamato natural, se utilizaba en oftalmología para tratar enfermedades que podían contraer la pupila. Si la dosis es demasiado alta, el paciente puede tener dificultad para respirar o incluso morir. En la década de 1930 se sabía que estos fármacos eran inhibidores de la acetilcolinesterasa (AChE). En 1941 se descubrió que los efectos del organofosforado y la fisostigmina eran similares, y también se confirmó que ambos pesticidas inhiben la AChE. Después de más de 30 años de investigación en insectos, se cree que estos dos compuestos también actúan sobre la AChE, y la inhibición de la AChE en los insectos es la causa de la muerte. Los primeros estudios encontraron que los organofosforados tienen un efecto inhibidor más fuerte sobre la lipasa que la AChE. Se ha aclarado que a pesar del efecto inhibidor de los organofosforados sobre las enzimas lipasas, los insectos experimentales no mostraron síntomas de intoxicación. El envenenamiento por insectos está estrechamente relacionado con el grado de inhibición de la AChE y la actividad enzimática es muy baja en el envenenamiento grave. La actividad enzimática aumenta cuando el insecto resucita y es más baja cuando el insecto muere.

Los organofosforados y los carbamatos reaccionan de forma muy similar a la acetilcolina.

La fórmula de reacción entre los pesticidas organofosforados y la acetilcolinesterasa es la siguiente

PX representa pesticidas organofosforados, X representa la parte de la cadena lateral, como E en paraoxon representa AChE y Kd es la constante de disociación ( o constante de afinidad), K2 es la constante de velocidad de la reacción de fosforilación, a veces escrita como Kp, K3 es la constante de velocidad de hidrólisis del defosforilo o constante de actividad enzimática. Al comienzo de la reacción, el organofosfato primero forma un complejo (PX) con la enzima, luego separa X para formar fosforilasa (PE) y luego recupera AChE mediante desfosforilación. Entre ellos, el paso K3 es el más lento.

Los pasos de reacción de los pesticidas carbamatos son exactamente los mismos que los anteriores. La fórmula de la reacción es la siguiente

El carbamato (CX) primero forma un complejo con la enzima (CX), luego separa X para formar carbamilasa (CE) y finalmente la carbamilasa hidroliza la reductasa. El paso K3 es más lento que la hidrólisis de la acetilasa pero mucho más rápido que la hidrólisis de la fosforilasa. En términos generales, se necesitan 20 minutos para restablecer el 50% de la actividad de la AChE.

Basado en los tres pasos de la reacción entre la enzima y el pesticida, el mecanismo de reacción se presenta de la siguiente manera.

(1) Formar un complejo reversible. Kd ha sido estudiado durante mucho tiempo. Debido al corto tiempo de formación y desaparición de los complejos, es difícil obtener complejos en condiciones experimentales generales. Por ello, la existencia del complejo ha sido debatida durante muchos años. Main e Iversion1966 utilizaron un tanque de reacción especial para probar la reacción entre el inhibidor y la AChE y descubrieron que el complejo existía durante 1 a 10 segundos. Hart y O'Brien utilizaron un osciloscopio para registrar el tiempo de reacción y obtener los valores de Kd y K2 de varios inhibidores. El complejo existió durante varios ms a 2 s. Se ha demostrado que las enzimas y los inhibidores se combinan en complejos antes de formar enlaces de valencia, tanto en diversas condiciones como en análisis cinéticos químicos.

(2) Reacción de acilación. Tanto los pesticidas organofosforados como los carbamatos inhiben la acetilcolinesterasa mediante reacciones de acilación para formar fosforilasa y carbamilasa.

(3) Resurrección de la enzima. La acetilcolinesterasa inhibida se basa principalmente en la hidrólisis para restaurar la actividad enzimática. Sin el uso de reactivadores enzimáticos, la recuperación de la fosforilasa es muy lenta. Por ejemplo, la AChE en los glóbulos rojos de conejo, la dimetilfosforilasa formada cuando es inhibida por compuestos de dimetilo, tarda 80 minutos en recuperar el 50% de su actividad a 37°C, la dietilfosforilasa necesita 500 minutos y la diisopropilfosforilasa básicamente no se puede recuperar. La acetilcolinesterasa de la cabeza de la mosca doméstica se puede recuperar in vivo, pero la fosforilasa no se puede recuperar in vitro. La actividad de recuperación de la carbamilasa es relativamente rápida. Se necesitan 65438 ± 09 min (pH 7, 38 ℃) para restaurar el 50 % de la actividad de la carbamilasa de los glóbulos rojos bovinos, 24 min (pH 8, 30 ℃) para la cabeza de una mosca doméstica. y 24 min (pH 8, 30 ℃) para la cabeza de una abeja 26 min (pH 8, 30 °C).

La AChE inhibida en animales superiores puede restaurarse rápidamente mediante fármacos químicos, y algunos fármacos se han utilizado como fármacos terapéuticos para el envenenamiento por organofosforados en animales superiores. Todos estos fármacos son nucleófilos, que atacan el átomo de fósforo de la fosforilasa y lo reemplazan.

Al igual que los pasos en los que se suprime el dolor; la enzima (E) reemplaza el grupo X en el organofosforado (PX) y el nucleófilo (A) reemplaza el p. El proceso de reacción se puede expresar simplemente mediante la siguiente fórmula.

E PX→PE X

PE A→P EA

Debido a que EA es inestable, la enzima (E) se separa rápidamente del nucleófilo A y la actividad es completa. restaurado.

El nucleófilo hidroxilamina (NH2OH) estudiado anteriormente es un resucitador débil de la AChE. Por ejemplo, la restauración de la actividad enzimática con hidroxilamina aumenta sólo un 10% con respecto a la restauración natural. Tiene un mejor efecto sobre la carbamilasa y puede aumentar 7 veces la tasa de hidrólisis del paso K3. Dado que la hidroxilamina en sí es demasiado tóxica para usarse como fármaco terapéutico, investigaciones posteriores encontraron que la piridina-2-carboxaldehído oxima (2-PAM) es un reactivador eficaz de la fosforilasa. Sin embargo, la p-carbamilasa no puede resucitar la enzima.

(4) Envejecimiento enzimático. El envejecimiento sólo ocurre en la fosforilasa y no se encuentra ningún problema de envejecimiento en la carbamilasa. El llamado envejecimiento significa que la fosforilasa se convierte en otra estructura durante el proceso de recuperación, de modo que los fármacos de hidroxilamina no pueden restaurar la actividad de la enzima. Por ejemplo, la dietilfosforilación de la butirilcolinesterasa puede restaurar el 90% de la actividad con hidroxilamina dentro de los 10 minutos posteriores al inicio de la inhibición. Si se usa nuevamente la hidroxilamina después de 24 horas, la actividad de recuperación de la enzima será inferior al 10%.

La causa del envejecimiento es la reacción de desalquilación de la fosforilasa. La fórmula de reacción es la siguiente:

La fosforilasa puede eliminar espontáneamente los grupos alquilo y convertirse en monoalquilfosfatos con aniones enzimáticos. Debido a su carga negativa, la AChE es insensible a nucleófilos como la hidroxilamina y no puede resucitar. La reacción de desalquilación fue demostrada por Beréndez et al. La butirilcolinesterasa en el plasma de caballo es inhibida por el fluorofosfato de diisopropilo marcado con radioisótopos y luego forma isopropilfosforilasa con la siguiente fórmula estructural:

Después del tratamiento con 2-PAM, se descubrió que la tasa de recuperación de la enzima es casi igual a la tasa de crecimiento de la isopropilfosforilasa. Al mismo tiempo, también se confirmó que el grupo isopropilfosforilo está efectivamente unido a la enzima.

La velocidad de envejecimiento de la fosforilasa está relacionada con el grupo alquilo del grupo fosforilo. Sólo unos pocos compuestos, después de formar fosforilasa, se convierten rápidamente en enzimas envejecidas. Por ejemplo, un gas nervioso organofosforado (Soman) O-1,2,2-trimetilpropilmetilfluorofosfato inhibe la AChE en los glóbulos rojos bovinos y envejece un 50% en 3,2 minutos. Otro ejemplo es la AChE, que se inhibe mediante la absorción de fósforo (HO). )(C2H5O)P(O)SCH2CH2N(C2H5)2 por dietilamina, difícilmente se puede reactivar con hidroxilamina. Después de inhibir la AChE en los glóbulos rojos de rata, se necesitan 36 horas para que el 50% de la dietilfosforilasa se convierta en una enzima que envejece, y solo se necesitan 4 horas para que el 50% de la diisopropilfosforilasa se convierta en una enzima que envejece.

(5)Intoxicaciones y tratamiento. Los pesticidas organofosforados y carbamatos inhiben la acetilcolinesterasa en el sistema nervioso de los animales. Si la actividad enzimática no se puede restablecer durante mucho tiempo, el animal morirá. La causa de la muerte suele ser la asfixia por dificultad para respirar. Los experimentos con animales vertebrados han encontrado cuatro situaciones diferentes: ① Obstrucción bronquial, la inhalación de aire está bloqueada; ② La presión arterial cae; ③ La unión neuromuscular del diafragma está bloqueada; ④ Hay algún problema con el centro respiratorio del cerebro. Por ejemplo, envenenamiento experimental con animales, insuficiencia del centro respiratorio, obstrucción bronquial en gatos e insuficiencia del diafragma en conejos. Estos síntomas dificultan la respiración del animal y provocan que se asfixie.

Hay dos formas de tratar el envenenamiento de vertebrados: una es usar medicamentos para resistir el efecto del exceso de acetilcolina, llamados antagonistas fisiológicos, y un medicamento de uso común es la atropina, la otra es restaurar la función enzimática lo más rápidamente posible; lo más posible, lo que se llama envenenamiento. Agente resucitador enzimático (también conocido como agente reanimador). Los medicamentos 2-PAM se pueden utilizar para el envenenamiento por pesticidas organofosforados. Ambos métodos son ineficaces contra los insectos. Puede deberse a que todas las sinapsis colinérgicas de los insectos se encuentran en el sistema nervioso central (el cerebro y los ganglios), y es difícil que los compuestos ionizados o disociados 2-PAM y atropina lleguen al sistema nervioso central.

Los agentes resurgentes de la acetilcolinesterasa son principalmente fármacos 2-PAM. Actualmente hay dos fármacos de uso común:

①Fosfatidilo. El nombre químico es piridina-2-carboxaldehído oxima yodometano, o 2-PAM-I para abreviar. Prácticamente no tóxico para los mamíferos. El valor de LD50 oral en ratas es de 4000 mg/kg de peso corporal y el valor de LD50 intravenoso es de 159 mg/kg de peso corporal.

Piridina 2 aldehído oxima yodometano

Metil clorpiridina oxima

②Clorofosforamida. Cloruro de metilo de piridina-2-carboxaldehído oxima, denominado 2-PAM-Cl. El valor de LD50 oral en ratas es de 4100 mg/kg de peso corporal y el valor de LD50 intravenoso es de 95 mg/kg de peso corporal.

Estos dos agentes reanimadores son eficaces contra el envenenamiento por organofosforados, pero son ineficaces contra el envenenamiento por pesticidas carbamatos. Los experimentos han confirmado que estos dos resucitadores no sólo no logran tratar a los perros envenenados con carbarilo, sino que también aumentan la toxicidad del carbarilo para los perros. El fosfatidil y el clorpirifos actúan sobre enzimas más que sobre receptores. Debido a que son compuestos iónicos bloqueados por la barrera hematoencefálica de los animales superiores y no pueden ingresar al sistema nervioso central, no pueden restaurar la actividad de la colinesterasa inhibida (incluida la AChE) en el cerebro.

La atropina es eficaz en el tratamiento de los síntomas causados ​​por las sinapsis muscarínicas y la pralidoxima es eficaz en el tratamiento de las sinapsis nicotínicas de los nervios periféricos, por lo que una combinación de ambas es la mejor opción de tratamiento.