Biotransformarea substantelor toxice

BIOTRANSFORMAREA SUBSTANTELOR TOXICE

Dupa ce patrunde in organism , un xenobiotic este perceput ca o molecula straina si organismul cauta sa se debaraseze de el . Dar , pentru ca sa se poata absorbi prin difuzie pasiva , xenobioticul trebuie sa fie lipofil . O astfel de molecula este greu excretabila din organism . De aceea , majoritatea xenobioticelor dup ace patrund in organism sufera diferite reactii biochimice care conduc la formarea unor compusi mai polari ( mai hidrofili ) decat substanta parinte , compusi mai usor excretabili pe cale renala , caci pot fi usor filtrati prin glomeruli , fara sa fie reabsorbiti la nivel tubular .

Totalitatea reactiilor pe care un xenobiotic le sufera in organism poarta denumirea de biotransformare sau metabolizare , iar compusii rezultati din aceste reactii se numesc produsi de biotransformare sau metaboliti .

In urma reactiilor de biotransformare pot sa rezulte :

metabolite mai putin toxici sau netoxici , in general mai hidrosolubili si mai usor excretabili . Procesul se numeste DETOXIFIERE . Prin detoxifiere scade t_1/2  al unei substante toxice si , in consecinta , scade potentialul sau toxic . De exemplu , succinil-colina ( miorelaxant ) este transformata rapid la compusi inactivi si actiunea sa dureaza numai cateva minute .

metabolite mai toxici. Procesul se numeste BIOACTIVARE . De exemplu , metanolul este metabolizat sub actiunea alcool-dehidrogenazei la formaldehida , iar aceasta , sub actiunea aldehid-dehidrogenazei , este transformata in acid formic . Formaldehida si acidul formic sunt metabolite mai toxici decat metanolul , fiind responsabili de principalele efecte toxice care apar in intoxicatia cu metanol . In unele cazuri , metabolizarea conduce la formarea unor metabolite mai putin hidrosolubili . De exemplu , sulfamidele pot suferi o reactie de acetilare , iar metabolitii acetilati rezultati , mai putin solubili in urina , pot sa cristalizeze la nivelul tubilor renali sis a induca necroza .

Reactiile de biotransformare pe care le sufera un xenobiotic depind de structura si proprietatile sale fizico-chimice si de enzimele care se gasesc la nivelul tesutului expus . Ele au loc in principal la nivel hepatic , dar se pot produce si la nivelul altor organe : plamani , stomac , intestine , piele , rinichi . Xenobioticele , dupa absortia lor din intestin in sange , ajung mai intai in ficat prin intermediul venei porte . Datorita irigarii sale sanguine intense si a functiei sale de metabolizare ( are un continut ridicat de enzime de metabolizare ) , ficatul intervine adesea in biotransformarea xenobioticelor , fiind totodata si organul cel mai expus la actiunea substantelor toxice .

Reactiile de biotransformare se clasifica in :

- reactii ale fazei I - sunt reactii ce conduc la o crestere a hidrosolubilitatii xenobioticului prin introducere in molecula lui a unor grupari cu character polar : -OH ,

-NH₂ , -CHO, -COOH , -SH etc. Metabolitii rezultati sunt mai reactivi si vor participa in continuare la reactiile fazei a II-a . Fiind mai reactivi , adesea sunt mai toxici decat molecula mama .

- reactii ale fazei a II-a ( de conjugare ) - sunt reactii de biosinteza care au loc intre xenobiotic sau metabolitii rezultati din faza I si un produs metabolic endogen ( ex. Acidul glucuronic , glutationul etc. ) . In general rezulta metabolite polari , usor excretabili , netoxici .

Nu toate xenobioticele sufera reactii ale fazei I si apoi ale fazei a II-a . Substantele hidrosolubile foarte polare se pot excreta direct pe cale renala , ca atare . Substantele mai putin polare pot suferi numai reactii de conjugare inainte de eliminare . Unele substante lipofile sunt putin biotransformabile ; ele pot fi stocate in lipidele organismului si apoi eliminate ca atare prin bila si fecale , si in proportie mai mica prin lapte .

1. Reactiile fazei I sunt reactii de oxidare , reducere si hidroliza .

1.1. Reactiile de oxidare

a) La nivel microzomial sunt catalizate in principal de monooxigenazele legate de citocromul P₄₅₀ , localizate in reticulul endoplasmatic ( RE ) . Cand celula este lezata , distrusa , RE se divide in fragmente mici care formeaza vezicule numite microzomi . Datorita localizarii lor si a varietatii mari de reactii pe care le catalizeaza aceste enzime se mai numesc " oxidaze cu functii mixte microzomiale " ) OFMM ) . Exemple de reactii catalizate de OFMM :

hidroxilarea alifatica conduce la formarea de alcooli primary sau secundari .

Alcoolii formari sunt transformati in continuare prin oxidare nemicrozomiala la aldehide si acizi carboxilici .

hidroxilarea aromatica are loc de obicei prin formarea unui intermediar epoxidic care este foarte reactiv si instabil si care trece in fenol .

De exemplu , din medicamente , fenobarbitalul se metabolizeaza la para-hidroxi-fenobarbital prin hidroxilare aromatica .

epoxidarea se intalneste atat la compusii aromatici , cat si la cei alifatici .

a) Epoxidarea substantelor aromatice este o etapa intermediara in hidroxilarea aromatica . Hidrocarburile aromatice policiclice formeaza epoxizi relativ stabili , care pot fi izolati si analizati .

Epoxizii sunt metabolite foarte reactivi , care pot fi transformati in fenoli sau pot fi inactivati prin conjugare cu gluatation . Cand capacitatea organismului de a-i inactiva este depasita , se pot lega de macromoleculele celulare ( proteine , acizi nucleici ) prin legaturi covalente , ireversibile , cauzand necroze sau cancer .

b) Dintre compusii care se metabolizeaza prin epoxidare alifatica , formand de asemenea epoxizi foarte reactivi , amintim aflatoxina B₁ , o micotoxina , considerate ca fiind unul dintre cei mai puternnici hepatocancerigeni cunoscuti .

O- , S- , N-dezalchilarea sunt reactii care se intalnesc la medicamentele sau la substantele toxice care contin o grupare alchil fixata pe un atom de oxygen , sulfat sau azot . Gruparea alchil este eliminata , cu formarea unui alcool , aunui tiol sau a unei amine . Exemplu :

Codeina se metabolizeaza la morfina prin O-dezalchilare .

Tioridazinul , o fenotiazina , trece in dimetil-tioridazin prin S-dezalchilare.

Imipramina formeaza desimipramina prin N-dezalchilare .

N-hidroxilarea este o reactie de metabolizare intalnita la aminele aromatice primare , amide si hydrazine care formeaza metabolite N-hidroxilati . De exemplu , anilina formeaza fenil-hidroxilamina .

N-oxidarea este o reactie caracteristica aminelor secundare sau tertiare , care formeaza metabolite N-oxid . De exemplu , nicotina se oxideaza la nicotin-N-oxid .

Compusii organofosforici se pot oxida la atomul de fosfor ( ex. Difenil-metil-fosfina ) .

S-oxidarea se intalneste la compusii heterociclici cu sulf in molecula ( ex. Fenotiazinele ) care formeaza sulfoxizi si sulfone .

Dezaminarea oxidativa este caracteristica aminelor alifatice . De exemplu , amfetamina formeaza pe aceasta cale fenil-acetona .

Dehalogenarea oxidativa se intalneste la solventii clorurati cu tetraclorura de carbon sau cloroformul .

Desulfurarea oxidativa este reactia prin care parationul este bioactivat la paraxon , metabolit foarte toxic .

c) Exista oxidaze ne-microzomiale , localizate in mitocondrii sau in citosol :

minoaminoxidaza si diaminoxidaza oxideaza aminele primare , secundare si tertiare la aldehide ;

alcooldehidrogenaza catalizeaza dehidrogeranrea alcoolilor , iar aldehid-dehidrogenaza catalizeaza dehidrogenarea aldehidelor .

1.2. Reactiile de reducere sunt catalizate de reductaze . Aceste reactii sunt mult mai intense la bacteriile intestinale decat in tesuturile mamiferelor si pot avea loc :

a) la nivel microzomial - de exemplu , reducerea nitro-derivatilor si a derivatilor azotici .

b) reduceri ne-microzomiale - include :

- reactii inverse celor catalizate de alcool-dehidrogenaze si aldehid -dehidrogenaze ;

- reactii de reducere a disulfurilor la compusi tiolici ( prin intermediul glutationului ) .

1.3. Reactiile de hidroliza sunt catalizate de esterase nespecifice si amidaze , fiind caracteristice substantelor care contin in molecula legaturi sensibile , usor hidrolizabile ( in special esteri , amide si compusi fosforati ) . De exemplu , aspirina este hidrolizata la acid salicilic .

2. Reactiile fazei a II-a sunt reactii de conjugare .

2.1. Glucuronoconjugarea este reactia de conjugare cu acidul glucuronic , catalizata de glucuronil-transferze , enzime localizate mai ales in ficat ( RE ) , dar si in rinichi , piele si intestine . Se pot conjuga cu acidul glucuronic formand metabolite glucuronoconjugati sau glucuronide : alcoolii alifatici sau aromatici ,acizii carboxilici , compusii sulfurati , aminele primare .

De exemplu , calea principala de metabolizare a paracetamolului este prin glucuronoconjugare .

2.2. Sulfoconjugarea este reactia de conjugare cu ionul sulfat , catalizata de sulfotransferaze . Se pot sulfoconjuga formand sulfoconjugati : fenolii alcoolii alifatici , aminele aromatice .

Paracetaamolul formeaza de asemenea cantitati mici de metabolit sulfoconjugat .

2.3. Metilarea este reactia prin care molecula xenobioticului este introdusa o grupare metal sub actiunea metal-transferzelor . Este o cale minora de biotransformare , dar are importanta deosebita deoarece compusii metilati nu sunt neaparat mai hidrosolubili , ci din contra , adesea sunt mai toxici decat molecula mama ( ex. Metil-mercurul , fiind lipofil , trece BHE si are actiune neurotoxica ) .

2.4. Acetilarea este reactia prin care in molecula xenobioticului este introdusa o grupare acetil sub actiunea N-acetil-transferazelor . Se pot acetila : aminele aromatice primare , hidrazinele , sulfon-amidele , unele amine alifatice primare . Uneori , acetilarea conduce la formarea de metabolite toxici ( ex. Izoniazida ) sau ptin hidrosolubili ( ex. Sulfamidele ) . In ultimul caz , acestia pot precipita la nivel renal , cauzand leziuni .

2. Conjugarea cu aminoacizi : glicina , glutamine ( la om si unele maimute ) si ornitina ( la pasari ) . Pot suferi astfel de reactii acizii carboxilici aromatici . De exemplu , acidul benzoic se conjuga cu glicina formand acid hipuric , netoxic , care se excreta renal.

2.6. Conjugarea cu glutationul ( o tripeptida ) este catalizata de glutation-S-transferaze . Ulterior , metabolitii conjugate rezultati sufera o scindare enzimatica si o acetilare , formand acizi mercapturici ( derivati de N-acetil-cisteina ) , netoxici , usor excretabili pe cale renala . Substraturi posibile : expoxizii , derivatii halogenati aromatici , compusii alifatici nesaturati , radicalii liberi , hidroperoxizii .

Glutationul , datorita capacitatii sale oxido-reducatoare , are capacitatea de a conjuga compusi foarte reactivi , cum sunt expoizii , radicalii liberi , hidroperoxizii , compusi lipofili care contin grupari electrofile . Actioneaza astfel ca protector al structurilor biologice . Cand rezervele celulare de glutation sunt epuizate , aceste molecule reactive se pot lega covalent de proteine sau acizi nucleici , producand necroza celulara sau tumori . Daca celula dispune de sufficient glutation , efectele toxice pot fi evitate ; daca nu , pot aparea efecte toxice intense .

Biotransformarea poate fi foarte complexa pentru unele xenobiotice , care pot urma mai multe cai de metabolizare si pot avea un numar mare de metaboliti ( ex. Fenotiazinele ) . Importanta relativa a anumitor cai de metabolizare depinde de factori fizico-chimici , farmacologici ( in special in ceea ce priveste echipamentul enzymatic ) si de mediu ( a se vedea capitolul referitor la factorii care influenteaza toxicitatea ) .