IMPACTO DE LOS PLAGUICIDAS
ORGANOFOSFORADOS EN LA SALUD HUMANA:
ESTRATEGIAS DE SÍNTESIS Y EVALUACIÓN DE
REACTIVADORES DE ACETILCOLINESTERASA
IMPACT OF ORGANOPHOSPHATE PESTICIDES ON HUMAN
HEALTH: SYNTHESIS STRATEGIES AND EVALUATION OF
ACETYLCHOLINESTERASE REACTIVATORS
María Fernanda Martínez Hernández
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México
Jacqueline Jiménez Hernández
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México
Jorge Rigoberto Juárez Posadas
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México
Victor Gomez-Calvario
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México
Andrea Sosa-Barrios
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, México
pág. 3563
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i6.15109
Impacto de los Plaguicidas Organofosforados en la Salud Humana:
Estrategias de Síntesis y Evaluación de Reactivadores de
Acetilcolinesterasa
María Fernanda Martínez Hernández
1
mh224470035@alm.buap.mx
https://orcid.org/0000-0002-1513-6272
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ciencias Químicas
México
Jacqueline Jiménez Hernández
jacqueline.jimenez@correo.buap.mx
https://orcid.org/0000-0002-0316-2721
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ciencias Químicas
México
Jorge Rigoberto Juárez Posadas
jorge.juarez@correo.buap.mx
https://orcid.org/0000-0002-2553-5285
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Instituto de Ciencias
México
Victor Gomez-Calvario
victor.gomez@correo.buap.mx
https://orcid.org/0000-0002-5644-7114
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ciencias Químicas
México
Andrea Sosa-Barrios
sb224470037@alm.buap.mx
https://orcid.org/0009-0006-1099-8478
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Instituto de Ciencias
México
RESUMEN
El uso de plaguicidas organofosforados ha desempeñado un papel importante en la agricultura,
facilitando el control de plagas y aumentando la producción de alimentos. Sin embargo, la falta de
selectividad de estos compuestos puede provocar daños colaterales en otros organismos, incluidos los
seres humanos. La contaminación por organofosforados es preocupante, ya que puede causar
neurotoxicidad e incluso la muerte. Esta neurotoxicidad se debe a la acumulación de acetilcolina, un
neurotransmisor que, debido a la acción de los plaguicidas, no puede unirse a la enzima
acetilcolinesterasa, provocando su inhibición, generando una sobreactividad en los tejidos, músculos y
el sistema nervioso en general. Esta sobreactividad puede desencadenar una crisis colinérgica,
ocasionando un fallo multiorgánico que, sin tratamiento oportuno, resulta en la muerte del individuo.
Por lo tanto, es crucial investigar la síntesis de reactivadores de la acetilcolinesterasa para contrarrestar
la actividad de estos plaguicidas y mejorar la calidad de vida de las personas expuestas. En este estudio
se desarrollan compuestos reactivadores de la acetilcolinesterasa, obtenidos mediante una metodología
sintética y evaluados in silico a través de docking molecular para explorar su posible actividad biológica.
Palabras clave: acetilcoliesterasa, acoplamiento molecular, síntesis orgánica, reactivador-inhibidor,
organofosforado
1
Autor principal
Correspondencia: jacqueline.jimenez@correo.buap.mx
pág. 3564
Impact of Organophosphate Pesticides on human Health: Synthesis
Strategies and Evaluation of Acetylcholinesterase Reactivators
ABSTRACT
The use of organophosphate pesticides has been fundamental to agriculture, facilitating pest control and
increasing food production. However, the lack of selectivity of these compounds can cause collateral
damage to other organisms, including humans. Organophosphate contamination is of concern because
it can cause neurotoxicity and even death. This neurotoxicity results from the accumulation of
acetylcholine, a neurotransmitter that cannot bind to the enzyme acetylcholinesterase due to the action
of pesticides, resulting in enzyme inhibition, leading to hyperactivity in tissues, muscles, and the
nervous system in general. This hyperactivity can lead to a cholinergic crisis, resulting in multiple organ
failure and, if not treated in time, death. Therefore, it is crucial to study the synthesis of
acetylcholinesterase reactivators to counteract the activity of these pesticides and improve the quality
of life of exposed individuals. In this study, acetylcholinesterase reactivator compounds are developed
using a synthetic methodology and evaluated in silico via molecular docking to explore their potential
biological activity.
Keywords: acetylcholinesterase, molecular docking, organic synthesis, reactivator/inhibitor,
organophosphate
Artículo recibido 02 noviembre 2024
Aceptado para publicación: 28 noviembre 2024
pág. 3565
INTRODUCCIÓN
Según datos de la Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural en México, Puebla se posiciona en el
duodécimo lugar a nivel nacional en producción agropecuaria, con un volumen cercano a los nueve
millones de toneladas. De esta cifra, el 84.6% corresponde a la producción de maíz en grano y caña de
azúcar. (Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural, 2022). En cuanto al control de plagas, las familias
de pesticidas de uso más común son los organofosforados y los carbamatos (Mdeni, Adeniji , Okoh, &
Okoh, 2022).
El uso indiscriminado de pesticidas organofosforados genera efectos severos; entre ellos, el metil
paratión (MPT), malatión, paraoxón y clorpirifos actúan como inhibidores de la enzima
acetilcolinesterasa (AChE) en humanos, lo que causa una acumulación de acetilcolina (ACh). Esta
acumulación conduce a una crisis colinérgica que, sin tratamiento oportuno, puede ser fatal (Moore,
Yedjou, & Tchounwou, 2010). Los reactivadores de acetilcolinesterasa son esenciales en el tratamiento
de la neurotoxicidad causada por estos compuestos, ya que ayudan a descomponer el exceso de
acetilcolina, restaurando su funcionalidad normal. El proceso de inhibición y reactivación se ilustra en
la Imagen 1 (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 2010).
Imagen 1. Proceso de inhibición y reactivación
A
B
pág. 3566
A. Función Normal AChE. La molécula de acetilcolina, cargada positivamente, es atraída al sitio
aniónico de la acetilcolinesterasa, donde se cataliza su hidrólisis, generando colina y ácido acético.
B. Función con la intervención de un Inhibidor de AChE. El átomo de fósforo, con carga
parcialmente positiva, es atraído hacia el residuo de serina en la acetilcolinesterasa, que tiene carga
parcialmente negativa, formando un enlace estable que impide la hidrólisis de la acetilcolina.
C. Función con la intervención de un Reactivador de AChE. El nitrógeno del reactivador, con carga
positiva, es atraído al sitio aniónico de la acetilcolinesterasa, facilitando la liberación del inhibidor
del sitio activo y restaurando la función de la enzima.
D. Acetilcolinesterasa Regenerada. La función de la acetilcolinesterasa se restablece, recuperando
su actividad normal.
La síntesis de compuestos antagonistas de organofosforados representa una prioridad en el ámbito de
la química médica y farmacéutica, debido a su potencial para contrarrestar los efectos tóxicos de ciertos
pesticidas y agentes neurotóxicos (Richardson, Fitsanakis, Westerink , & Kanthasamy, 2019). En este
contexto, la reacción de Mannich (Mannich, 1912) se convierte en una herramienta fundamental para
la obtención de compuestos β-aminocarbonílicos, esenciales en la construcción de estructuras químicas
con propiedades biológicas significativas. Este proceso permite no solo la formación de enlaces
carbono-carbono, sino también la introducción de grupos funcionales nitrogenados en una sola etapa,
optimizando así la síntesis de moléculas complejas.
C
D
pág. 3567
Estos grupos nitrogenados son cruciales para modificar y potenciar la actividad biológica de los
compuestos, ya que mejoran su afinidad y selectividad en la interacción con blancos biológicos
específicos.
De esta manera, la reacción de Mannich no solo facilita la síntesis eficiente de antagonistas de
organofosforados, sino que también permite el diseño de nuevas estructuras que puedan servir como
agentes protectores en entornos vulnerables a la exposición química. Esto resalta la importancia de
explorar y perfeccionar métodos sintéticos que puedan dar respuesta a desafíos médicos y ambientales
emergentes.
La síntesis de antagonistas de organofosforados mediante herramientas como la reacción de Mannich
es solo una parte del proceso; para maximizar su efectividad, es esencial comprender y predecir cómo
estas moléculas interactuarán con sus blancos biológicos. En este sentido, el docking molecular se
convierte en una técnica de gran importancia, ya que permite modelar las interacciones entre los
compuestos sintetizados y las enzimas u otros objetivos biológicos, proporcionando información crucial
sobre la afinidad y el modo de unión de las moléculas (Xuan-Yu, Hong-Xing, Mihaly, & Cui, 2011).
Realizar el estudio de modelado molecular en la búsqueda de nuevos antagonistas de organofosforados
permite identificar modificaciones estructurales que pueden optimizar la actividad inhibitoria y
selectividad de los compuestos sintetizados.
En este trabajo se investigó la actividad biológica de diversos compuestos β-aminocarbonílicos,
obtenidos a través de una reacción de tipo Mannich, mediante análisis de acoplamiento molecular
(docking). El objetivo de esta investigación es evaluar el potencial de estos compuestos como
reactivadores de la enzima acetilcolinesterasa, con el propósito de contrarrestar los efectos nocivos
derivados de la exposición a compuestos organofosforados.
METODOLOGÍA
Se realizó una reacción de Mannich empleando distintos sustituyentes. La reacción comienza con un
aldehído, un catalizador y una imina preformada (Imagen 2), catalizada en medio ácido. La síntesis de
la imina se lleva a cabo al hacer reaccionar un compuesto carbonílico con una amina, con la posible
adición de un agente azeotrópico para favorecer la eliminación del agua generada en la reacción (Wade,
2011).
pág. 3568
Imagen 2. Preformación de la imina.
El producto se sometió ya sea a una reducción (Ruta A) o a una oxidación (Ruta B) (Imagen 3). En la
Ruta A, se realiza una reducción in situ utilizando NaBH
4
en etanol, obteniéndose el correspondiente
β-aminoalcohol (Martínez Hernández, Jiménez Hernández, & Juárez Posadas, 2023) .
Imagen 3. Rutas de síntesis de productos β-aminocarbonílicos.
En la Ruta B, se lleva a cabo una oxidación in situ de los aductos de Mannich, con el fin de generar los
correspondientes ácidos carboxílicos. Al concluir la Ruta B, en una última etapa, se realiza una reacción
de ciclación a partir de los ácidos carboxílicos para obtener β-lactamas ópticamente activas, las cuales
pueden tener actividad biológica, farmacéutica y bioquímica. La comprobación de su obtención se
realizó mediante diversas técnicas espectroscópicas.
La evaluación biológica de los intermediarios y productos de reacción frente a diversas proteínas se
llevó a cabo utilizando acoplamiento molecular (docking). El análisis comenzó con una búsqueda en
SciFinder de las ocho estructuras objetivo presentadas en la Imagen 4, con el propósito de obtener
pág. 3569
información sobre sus actividades biológicas y posibles sitios de unión. Las estructuras teóricas se
optimizaron en MOE (Molecular Operating Environment) para minimizar su energía y, finalmente, se
acoplaron con proteínas cribadas de la base de datos PDB (Protein Data Bank).
Imagen 4. Estructuras involucradas en la reacción de Mannich
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se evaluaron las proteínas seleccionada con diez estructuras derivadas de la síntesis. En caso de que la
proteína presentara valores de energía de acoplamiento buenos a excelentes, se procedió a buscar sus
homólogos utilizando la herramienta BLAST del NCBI. Además, se empleó el programa Way2Drug,
el cual ofrece una extensa información sobre la actividad biológica documentada en la literatura para
estructuras similares, recopilando datos sobre las actividades reportadas de proteínas similares y
proporcionando una probabilidad de coincidencia con las estructuras investigadas.
En la base de datos PDB se seleccionaron las 20 mejores actividades candidatas para identificar las
proteínas que podrían contribuir, considerando factores como los valores de difracción de rayos X y el
organismo en el que se expresa la proteína. Las proteínas seleccionadas cumplen diversas funciones,
destacando entre ellas los neuroreceptores (McGuire, y otros, 2021), agentes antiproliferativos
(Çankaya & Yalçin, 2022), desacetilasas (Blander & Guarente, 2004), canales iónicos (Morgenstern &
Colecraft, 2021) y receptores de estrógeno (Kumar, y otros, 2011).
pág. 3570
El análisis de docking se realizó en el programa Molecular Operating Environment (MOE), donde se
visualizaron las interacciones entre las estructuras y las proteínas. Posteriormente, se identificaron los
valores de energía que mostraban la afinidad más baja en comparación con el ligando original, lo cual
es indicativo de un mejor acoplamiento y, por lo tanto, de una mayor probabilidad de que estas
estructuras actúen como sustituyentes optimizados para la actividad deseada (Imagen 5).
Imagen 5. Esquema general para realizar un docking molecular
Se identificaron nueve proteínas con actividades biológicas, 6WUY, 5HFA, 6NTO destacan como
excelentes candidatas para ser proteínas blanco como reactivadores de acetilcolinesterasas, tal como se
muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Energías resultantes de los acoplamientos realizados en Kcal/mol.
También se descubrió que estas estructuras presentan actividades en diferentes citocromos como son
2HI4 en el citocromo P450 1A2 (Sansen, y otros, 2007) y 3RUK en el citocromo 17A1 (DeVore &
Scott, 2012)
• Información
• Activdad
biológica
• Ligandos
Búsqueda
• Moléculas
sintetizadas
• Derivados
Evaluación
y Síntesis
• Ligando-
proteína
• Derivado-
proteína
• Derivado-
homólogo
Docking
pág. 3571
Los acoplamientos realizados muestran que, entre las estructuras propuestas para la posible actividad
biológica, las que presentan mejores valores son aquellas con grupos propargílico y metilo como
sustituyentes (Tabla 2).
Tabla 2. Las moléculas con mayor afinidad por las proteínas se muestran en color azul, lo que sugiere
la mejor actividad biológica reactivadora posible.
Entre las proteínas identificadas, aquellas que muestran una interacción más destacada con los ligandos
se presentan en las siguientes imágenes. En particular, se incluyen las proteínas con funciones
inhibitorias de la acetilcolinesterasa, que interactúan con diferentes ligandos como 6WUY (McGuire, y
otros, 2021) (Imagen 6), 5HFA (Franklin, Rudolph, Ginter, Cassidy , & Cheung , 2016) (Imagen 7),
6NTO (Height, y otros) (Imagen 8), e incluso aldosas reductasas como 2R24 (Blakeley MP, 2008).
Imagen 6. Ejemplos de acoplamientos estructura – aminoácidos de la proteína 6WUY.
pág. 3572
Imagen 7. Ejemplos de acoplamientos estructura – aminoácidos de la proteína 5HFA.
Imagen 8. Ejemplos de acoplamientos estructura – aminoácidos de la proteína 6NTO.
CONCLUSIONES
Para la obtención de la molécula reactivadora de AChE, se sintetizó una imina que fue empleada en la
reacción de Mannich. Se optimizaron diez moléculas involucradas en la reacción de Mannich, de las
cuales las estructuras B, 4 y 6 (Tabla 2) mostraron los mejores resultados en más de 100 acoplamientos,
destacando por su interacción con ligandos que presentan funciones reactivadoras de las
acetilcolinesterasas 5HFA, 6WUY y 6NTO. Asimismo, se identificaron posibles nuevas actividades
biológicas para las moléculas sintetizadas, incluyendo su participación en la actividad de los citocromos
2HI4 y 3RUK, así como en la actividad de la aldosa reductasa 2R24, entre otras.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Agency for Toxic Substances and Disease Registry. (2010). Part 2: What are cholinesterase inhibitors?
Obtenido de Cholinesterase Inhibitors: Including Insecticides and Chemical Warfare Nerve
Agents: https://www.atsdr.cdc.gov/csem/cholinesterase-inhibitors/inhibitors.html
pág. 3573
Blakeley MP, R. F.-S. (2008). Quantum model of catalysis based on a mobile proton revealed by
subatomic x-ray and neutron diffraction studies of h-aldose reductase. PNAS, 1844-1848.
Blander, G., & Guarente, L. (2004). The Sir2 family of protein deacetylases. Annual Review of
Biochemistry, 417-435.
Çankaya, N., & Yalçin, S. (2022). Antiproliferative activity and interaction with proteins of N-
cyclohexylacrylamide. Saudi Journal of Biological Sciences, 101670.
DeVore, N., & Scott, E. (2012). CYTOCHROME P450 17A1 STRUCTURES WITH PROSTATE
CANCER DRUGS ABIRATERONE AND TOK-001. Nature, 116–119.
Franklin, M., Rudolph, M., Ginter, C., Cassidy , M., & Cheung , J. (2016). Structures of paraoxon-
inhibited human acetylcholinesterase reveal perturbations of the acyl loop and the dimer
interface. Proteins, 1246-56.
Height, J., Bester, S., Guelta, M., Bae, S., Cheung, J., & Pegan, S. (s.f.). Insights into inhibition of
human acetylcholinesterase by Novichok, A-series Nerve Agents.
Kumar, R., Zakharov, M., Khan, S., Miki, R., Jang, H., Toraldo, G., . . . Jasuja, R. (2011). The dynamic
structure of the estrogen receptor. Journal of Amino Acids, 812540.
Mannich, C. (1912). Über Morphinglucosid. Chemistry Europe, 223-228.
Martínez Hernández, M. F., Jiménez Hernández, J., & Juárez Posadas, J. (2023). Síntesis asimétrica
catalítica aplicada a reacciones de condensación. Puebla: Benemérita Universidad Autónoma
de Puebla.
McGuire, J., Bester, S., Guelta, M., Cheung, J., Langley, C., Winemiller, M., . . . Height, J. (2021).
Structural and Biochemical Insights into the Inhibition of Human Acetylcholinesterase by G-
Series Nerve Agents and Subsequent Reactivation by HI-6. Chemical Research in Toxicology,
804-816.
Mdeni, N. L., Adeniji , A. O., Okoh, A. I., & Okoh, O. O. (2022). Analytical Evaluation of Carbamate
and Organophosphate Pesticides in Human and Environmental Matrices: A Review. Molecules,
618. Obtenido de IFAS EXTENTION: https://edis.ifas.ufl.edu/publication/PI242
Moore, P., Yedjou, C., & Tchounwou, P. (2010). Malathion-Induced Oxidative Stress, Cytotoxicity and
Genotoxicity in Human Liver Carcinoma (HepG2) Cells. Environ Toxicol, 221-226.
pág. 3574
Morgenstern, T., & Colecraft, H. (2021). Chapter Six - Controlling ion channel trafficking by targeted
ubiquitination and deubiquitination. En D. Minor, & H. Colecraft, Methods in Enzymology
(págs. 139-167). Estados Unidos: Academic Press.
Richardson, J., Fitsanakis, V., Westerink , R., & Kanthasamy, A. (2019). Neurotoxicity of Pesticides.
Acta Neuropathol, 343–362.
Rural, S. d. (5 de mayo de 2022). Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural. Obtenido de Producción
agropecuaria y pesquera de Puebla: https://www.gob.mx/agricultura/articulos/produccion-
agropecuaria-y-pesquera-de-puebla
Sansen, S., Yano, J., Reynald, R., Schoch, G., Griffin , K., Stout, C., & Johnson, E. (2007). Adaptations
for the oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons exhibited by the structure of human P450
1A2. J Biol Chem, 14348-55.
Wade, L. (2011). Química Orgánica (Séptima ed., Vol. 1). (M. A. Lanto Arriola, & V. González y Pozo,
Trads.) México: PEARSON EDUCACIÓN.
Xuan-Yu, M., Hong-Xing, Z., Mihaly, M., & Cui, M. (2011). Molecular Docking: A powerful approach
for structure-based drug discovery. Current Computer-Aided Drug Design, 146-157.
