Curso Toxicología laboral Sede: HCSAE PEMEX Tutor: M. en C. Francisco Mercado Calderón Residente de segundo año de Medicina de Trabajo y Ambiental: Lizbeth Cejudo Aparicio Instituto Mexicano del Seguro Social ÁCIDO SULFHÍDRICO

Grupo de Asfixiantes Mitocondriales Nombre científico del agente químico: Ácido Sulfhídrico Fórmula Química: H 2 S Registro del CAS: (Chemical Abstract Service): Sinónimos: Hidrógeno Sulfurado, Sulfuro de Hidrógeno.

ÁCIDO SULFHÍDRICO Propiedades Físicas y Químicas Estado Físico: Gas extremadamente inflamable. Industria petrolera: contaminante natural de crudo y gas. Incoloro. Olor: en dosis bajas a huevos podridos(produce parálisis olfatoria transitoria=anosmia transitoria). Límite Olfatorio: a 0.13 ppm Fatiga NCI: ppm

Densidad Relativa de Vapor (aire = 1): 1.19 Peso Molecular: 34.1 Presión de Vapor (volatilidad): mm Hg, una atmósfera = 760 mm Hg Temperatura de ignición: 260°C Solubilidad: Soluble en agua, alcohol, éter. Incompatibilidades y reactividad: Oxidantes fuertes, ácido nítrico (HNO3) y metales ÁCIDO SULFHÍDRICO Propiedades Físicas y Químicas

ÁCIDO SULFHÍDRICO Toxicocinética Vías de Absorción: Respiratoria. Digestiva y cutánea*. Extensamente distribuido. Hígado, sangre, cerebro, pulmones, bazo y riñones de humanos que murieron después de la inhalación accidental. * Líquido comprimido: quemaduras en la piel por congelación.

Biotransformación Oxidación. Metilación. Reacciones con metaloproteínas o disulfuración de las proteínas Desintoxicación hepática y metilación

Metabolismo del ácido sulfhídrico Schematic representation of the metabolism of H 2 S (adapted from Beauchamp et al., 1984). Eliminación Bioindicadores de la exposición química. nivel urinario: tiosulfato y sulfato. Vida media biológica del tiosulfato: 15 horas. metiltiometano

Mecanismo Principal de Acción Inhibe el sistema de las citocromo oxidasas, impide el transporte de electrones en la fosforilación oxidativa, el oxígeno no actúa como el aceptor final de la cadena de electrones, bloquea la formación de oxígeno molecular a nivel mitocondrial y bloquea el metabolismo oxidativo celular, anoxia tisular

Solubilidad Disociación en solución acuosa: anión hidrosulfuro (HS-) y el anión sulfuro (S=). pH normal (7.4), un tercio del sulfuro total permanece como ácido no disociado y dos tercios como ión hidrosulfuro (HS-)

Cadena de transporte de electrones mitocondrial

A giant molecular proton pump: structure and mechanism of respiratory complex I The mammalian mitochondrial electron transport chain (ETC) includes the proton-pumping enzymes complex I (NADH–ubiquinone oxidoreductase), complex III (cytochrome bc 1 ) and complex IV (cytochrome c oxidase), which generate proton motive force that in turn drives F 1 F O -ATP synthase. Electron transport between complexes is mediated by membrane- embedded ubiquinone (Q) and soluble cytochrome c. Complex I is the entry point for electrons from NADH, which are used to reduce Q to ubiquinol (QH 2 ). QH 2 is subsequently used by complex III to reduce cytochrome c in the intermembrane space (IMS), and complex IV uses cytochrome c to reduce molecular oxygen, which is the ultimate electron acceptor. For each NADH molecule oxidized, 10 protons are translocated across the membrane from the matrix to the IMS. ΔΨ, membrane potential.

Cadena de transporte de electrones mitocondrial

Cytochrome c : functions beyond respiration: Oxidative phosphorylation begins with the entry of electrons into the electron-transport chain on the inner mitochondrial membrane (IMM), which is impermeable to low-molecular-weight solutes. There are four membrane-bound protein complexes (complex I–IV) in the electron-transport chain, and the electrons pass through them (black arrows) with the aid of the electron carriers, namely ubiquinone (Q), cytochromes and iron-sulphur proteins. The transfer of the electrons yields a highly exergonic reaction that is used to pump protons out of the mitochondrial matrix. This generates the membrane potential ( m ) across the IMM and electrochemical energy, in the form of a proton-motive force, in the IMM. The proton-motive force then drives the synthesis of ATP as protons flow passively back into the mitochondrial matrix through a proton pore that is associated with ATP synthase. Cytochrome c : functions beyond respiration One of the essential molecules of the electron-transport chain is cytochrome c (grey circle). Cytochrome c accepts electrons from Complex III and diffuses to Complex IV (cytochrome oxidase), where it donates the electrons to O 2, converting O 2 to H 2 O. Cytochrome c first forms as apocytochrome c, which is produced by translation and co-translational modification in the cytosol. Apocytochrome c then translocates to the mitochondrial intermembrane space where the haem moiety is covalently attached by cytochrome c haem lyase to form holocytochrome c. Concurrently, the partially extended conformation of apocytochrome c becomes the more compact structure of holocytochrome c.

Ensamblaje de la Enzima citocromo c oxidasa o complejo IV (número EC )

Sitio de unión del citocromo c Structure of and cofactor arrangement in caa 3 -oxidase. Structure (ribbon model). SU I/III is coloured to highlight its canonical subunits: SU I, blue; SU III, blue-grey and the fusion linker, dark blue. SU IIc is coloured to highlight the classical SU II (red) and the fused cytochrome c Centro III

Inhibición citocromo c Cytc se inhibe por la afinidad del anión HS- por el hierro férrico (Fe 3+ ) del hemo

Sitio de transferencia de electrones citocromo c Hemo a, que contiene un formilo en lugar de metilo en posición 8, no tiene metilo en posición 5 y en la 2 hay una cadena isoprenoide de 17 C en vez del vinilo. Están combinados y forman el citocromo aa 3 (peso molecular de 200,000 D), dos hemos a y dos átomos de Cu, los electrones del cit c pasan al a y luego al a 3, el Cu pasa de estado de oxidación II a I y cataliza la transferencia de a 3 al O 2, es precisamente en este lugar donde se une el cianuro que inhibe irreversiblemente a la enzima. heme a3 -a myoglobin-like heme Cu B - a distal tridentate imidazole copper complex

Sitio de transferencia de electrones citocromo c el hemo, está unido a la proteína por puentes tioéster entre el anillo de porfirina y dos residuos de Cys, único sitio donde hay un enlace covalente.

Modelos biomiméticos funcionales para el sitio activo Hierro ferroso (Fe 2+ ) Hierro férrico (Fe 3+ ) Hierro- afinidad oxígeno, nitrógeno y sulfuro

Modelo biosintético del transporte de electrones

Sitio activo, área de agua y canal de oxígeno en la oxidasa caaa3

a, b, The active site of haem a s3 viewed from the oxygen entry side (top) and the periplasm (bottom). a, 2mF o − DF c electron density map contoured to 1σ(blue) and an anomalous difference map contoured to 5σ (red). b, mF o − DF c electron density difference map calculated without the bridging ligands contoured to 4σ (green). For clarity, the anomalous map is not shown in a (bottom). c, Water pool. A water- filled cavity centred on a magnesium ion is situated above haem a s3. Coordinate bonds are shown as dashed black lines. d, The calculated oxygen channel is Y- shaped and hydrophobic. Two extremities of the channel (red) contact the apolar surface of the protein (black arrows); a third contacts the binuclear centre.

Modelo biomimético funcional para el sitio activo

Cuadro clínico Intoxicación aguda leve Tos Irritación con hiperemia en nariz y garganta Aumento en la frecuencia respiratoria (polipnea) Anosmia transitoria Irritación ocular con conjuntivitis Cefalea leve Mareos Náuseas

Cuadro clínico Intoxicación aguda moderada Queratoconjuntivitis Ulceraciones superficiales de la córnea Bronquitis Cefalea intensa Fotofobia Vértigo Vómitos Diarrea Sensación de debilidad Hiperexcitabilidad Anosmia transitoria

Cuadro clínico Intoxicación aguda severa Convulsiones tónico-clónicas Conducta esquizoide Mordedura de lengua Edema agudo pulmonar Pérdida súbita de la conciencia Dilatación pupilar Paro respiratorio Coma Muerte

Bronquitis hemorágicas Edema pulmonar no cardiogénico retardado, puede aparecer después de 12 a 24 h después de la exposición aguda.

Efectos a la salud gas asfixiante químico (dependientes de concentración y tiempo) Concentración (ppm)TiempoEfecto horasConjuntivitis ocular minutosAnosmia transitoria 900> 30 minutosSíntomas sistémicos y la muerte en menos de 1 hora a 30 minutosMuerte

Cuadro clínico intoxicación crónica Daño Sistémico anión hidrosulfuro (HS-) a hierro férrico (Fe 3+ ) sulfohemoglobina Dosis bajas, efecto local, irritante en mucosas. Bloquea la cadena de transporte de electrones para la respiración celular Forma el complejo sulfohemoglobina no apto para el transporte de oxígeno Acción directa cuerpo carotideo- intensa taquipnea. Tronco encefálico. Centro respiratorio- apnea.

Médula ventrolateral Caeotid bodies- H2S raises from the catabolism ofamino acids, such as cysteine and homocysteine predominantly bythe pyridoxal-5-phosphate- dependent enzymes cystathionine -synthase (CBS) and cystathionine - lyase (CSE) rostral ventrolateral medulla/Bötzinger complex VRG -ventral respiratory group. decreases respiratory frequency in an initial stage, whereas increases it in later stages. Hypoxia, hyperventilation.

ÁCIDO SULFHÍDRICO TWA- Time-Weighted Average. STEL-Short-Term Exposure Limit ; IDHL- Immediately Dangerous To Life or Health Concentration. NIOSH

TERAPIA ANTIDOTAL Nitrito de Sodio INDICACIONES: antídoto de elección en intoxicación moderada y/o grave CONTRAINDICACIONES RELATIVAS: Hipotensión significativa. Metahemoglobinemia >30% (presentación de cianosis en piel, labios y lechos ungueales, cefalea, mareos, astenia y disnea). Intoxicación por monóxido de carbono. CONTRAINDICACIONES ABSOLUTAS: Alergia al producto

TERAPIA ANTIDOTAL Nitrito de Sodio 0.5% de todo el hierro en el humano se encuentra en estado férrico (Fe3+) en las enzimas citocromo oxidasas mitocondriales Gran reserva que tiene el ser humano para transformar el hierro ferroso (Fe2+) a férrico (Fe3+) Restablecer el metabolismo aeróbico a nivel celular inhibido por los sulfuros 50% del hierro en el humano se encuentra en estado ferroso (Fe2+) en la hemoglobina Al producir metahemoglobina (oxidar Hb), el anión hidrosulfuro (HS-) se combina con el ión férrico (Fe3+) de la metahemoglobina para formar sulfometahemoglobina liberando la acción tóxica de los sulfuros a nivel de su enlace con el ión férrico (Fe3+) de las enzimas citocromo oxidasas mitocondriales.

DOSIS ADULTO*: Vía intravenosa 1 c.c. de la solución en 9 c.c. de agua destilada, solución fisiológica o glucosada al 5%, en un lapso de 3 a 5 minutos si es al 25%. Un frasco ámpula de 10 ml sin diluir si está al 3% administrar en 2 a 3 minutos. TERAPIA ANTIDOTAL Nitrito de Sodio DOSIS PEDIÁTRICA*: Vía intravenosa 0.12 a 0.33 ml/kg (sin rebasar un máximo de 10 ml) aplicar en un tiempo no menor a 5 minutos. *Se puede repetir la mitad de la dosis si no hay una respuesta clínica adecuada después de 30 minutos

Vigilancia de los niveles de la metahemoglobinemia TERAPIA ANTIDOTAL Nitrito de Sodio

TRATAMIENTO MÉDICO Azul de metileno Azul de Metileno Vía intravenosa Una dosis de 1-2 mg/kg (0.1 – 0.2 ml/kg) de una solución al 1%. La dosis puede repetirse cada 15 o 20 minutos.

TERAPIA ANTIDOTAL Nitrito de amilo Intoxicaciones leves Repetición: estará condicionado a mantener un 15% aproximadamente a metahemoglobina (cianosis distal) CONTRAINDICACIONES RELATIVAS: Hipotensión significativa. Metahemoglobinemia 40% (presentación de cianosis en piel, labios y lechos ungueales, cefalea, mareos, astenia y disnea). Intoxicación por monóxido de carbono CONTRAINDICACIONES ABSOLUTAS: Alergia al producto.

TERAPIA ANTIDOTAL Nitrito de amilo 3.Romper otra ampolleta y reiniciar la aplicación con el mismo ritmo explicado anteriormente. 4. El tratamiento debe seguirse hasta haber agotado 3 ó 4 ampolletas, si es necesario. 2. Quinta aplicación respirar aire fresco aproximadamente 2 minutos y medio. 1. Romper una ampolleta (0.3 ml) en una gasa o pañuelo, respirar los vapores durante 15 segundos hasta por 5 lapsos en los próximos tres minutos, cada uno con intervalos de descanso de 15 segundos

Fuente bibliográfica: 1.Bouillaud F. Mitochondrial oxidation of hydrogen sulfide (H2S). Disponible en: 2.Belevich I, Verkhovsky M, Wikström M. Proton-coupled electron transfer drives the proton pump of cytochrome c oxidase. Nature (2006);440: Colman J, Decréau R. Functional biomimetic models for the active site in the respiratory enzyme cytochrome c oxidase. Chemical Communications (2008);41 4.Cooper C & Brown G. The inhibition of mitochondrial cytochrome oxidase by the gases carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen cyanide and hydrogen sulfide: chemical mechanism and physiological significance. J Bioenerg Biomembr (2008);40:533–539 5.Donatti A, Soriano R, Sabino J,Branco L. Endogenous hydrogen sulfide in the rostral ventrolateralmedulla/Bötzinger complex downregulates ventilatory responses tohypoxia. Respiratory Physiology & Neurobiology (2014) ;200:97–104 6.Faxén K, Gwen Gilderson G, Ädelroth P, Peter Brzezinski P. A mechanistic principle for proton pumping by cytochrome c oxidase. Nature (2005);437: Hydrogen Sulfide Acute Exposure Guideline Levels. Acute Exposure Guideline Levels for Selected Airborne Chemicals: Volume 9. National Research Council (US) Committee on Acute Exposure Guideline Levels. Washington (DC): National Academies Press; Lyons J, Aragao D, Slattery O, Pisliakov A, Soulimane T & Caffrey M. Structural insights into electron transfer in caa 3 -type cytochrome oxidase. Nature (2012);487:514–518 9.Mercado Calderón Francisco. Compendio Toxicológico. Pemex. p Mick D, Fox T, & Rehling P. Inventory control: cytochrome c oxidase assembly regulates mitochondrial translation. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2011);12: NORMA Oficial Mexicana NOM-010-STPS-2014, Agentes químicos contaminantes del ambiente laboralReconocimiento, evaluación y control. Disponible en: 12.Sazanov L. A giant molecular proton pump: structure and mechanism of respiratory complex I. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2015);16:375–388