XENOBIOTICI
Composti estranei all’organismo
Contaminanti ambientali assorbiti attraverso la pelle, i polmoni
o introdotti con l’alimentazione
Prodotti chimici industriali (pesticidi, inquinanti)
Prodotti di pirolisi della cottura dei cibi
Alcaloidi (sostanze azotate prodotte nelle piante a partire da aminoacidi aromatici)
metaboliti secondari delle piante
Tossine prodotte da funghi, piante, animali
Farmaci
Gli xenobiotici sono spesso SOSTANZE LIPOFILICHE
BIOTRASFORMAZIONE degli XENOBIOTICI
ASSORBIMENTO
METABOLISMO
Fase I
Xenobiotico
Xenobiotico
Metabolita
con attività diversa
Metabolita inattivo
Xenobiotico
Lipofilico
Fase II
Coniugato
Coniugato
Coniugato
E
L
I
M
I
N
A
Z
I
O
N
E
Idrofilico
Enzimi del metabolismo degli xenobiotici
Tipi di reazioni
Enzima
Fase I
Ossidazione
Citocromo P450
Alcol deidrogenasi
Aldeide deidrogenasi
Monossigenasi flaviniche
Monoaminossidasi
Riduzione
Chinone reduttasi (DT diaforasi)
Citocromo P450 reduttasi
Idrolisi
Epossido idrolasi
Fase II
Coniugazione
UDP glucuronil transferasi
Solfotransferasi
N-acetil transferasi
Metiltransferasi
Coniugazione con amminoacidi
Glutatione transferasi
CITOCROMO P450
(emoproteina)
Cys SH
Protoporfirina: anello tetrapirrolico
Protoporfirina IX + Fe = Eme
Il Cyt P450 assorbe a 450 nm
quando il Ferro è nello stato
ridotto (Fe2+)
e legato al CO
(monossido di carbonio)
Caratteristiche spettroscopiche del citocromo P450
Localizzazione intracellulare
Il citocromo P450 degli eucarioti è ancorato alle membrane
microsomiale e mitocondriale
Gli enzimi P450 predisposti al metabolismo degli
xenobiotici si trovano soprattutto nel reticolo
endoplasmatico del fegato
Il citocromo P450 microsomiale è
legato alla membrana del reticolo
endoplasmatico tramite la regione
N-terminale idrofobica che forma
un’elica transmembrana.
Reazione catalizzata dal P450
Il citocromo P450 è una ossidasi a funzione mista (monossigenasi)
XH + O2 + NAD(P)H + H+
XOH + NAD(P)+ + H2O
X = Substrato
SUBSTRATI DEL CITOCROMO P450
Xenobiotici
Farmaci, inclusi antibiotici
Carcinogeni
Antiossidanti
Solventi
Anestetici
Coloranti
Pesticidi
Derivanti del petrolio
Alcol
Odori
Composti di origine fisiologica
Colesterolo, Steroidi
Eicosanoidi (leucotrieni, prostaglandine)
Acidi grassi
Idroperossidi dei lipidi
Retinoidi (vitamina A)
Acetone
Sistema di trasporto degli elettroni del citocromo P450
• Uno dei problemi: il ferro-eme del gruppo prostetico può accettare un elettrone
alla volta mentre l’NADPH trasferisce generalmente due elettroni
• Per cui è necessaria una proteina che prende due elettroni dall’NADPH e ne
trasferisce uno al citocromo P450
• Questa funzione è svolta da una flavoproteina NADPH-dipendente
• Il sistema di trasporto degli elettroni dall’ NADPH al citocromo P450 si trova
associato con le membrane mitocondriali o del reticolo endoplasmatico
Sistema di trasporto microsomiale del citocromo P450
• Nel reticolo endoplasmatico l’NADPH dona gli elettroni ad una
flavoproteina denominata NADPH-citocromo P450 reduttasi
• Peso molecolare di 78 kDa
• Contiene sia il FAD che l’FMN come gruppi prostetici
• N-terminale contiene numerosi residui idrofobici ed è la parte associata alla
membrana
1. Il FAD prende elettroni
dall’NADPH
2. L’FMN li dona al ferro
3. Gli elettroni possono derivare
dal citocromo b5
4. Il citocromo b5 è ridotto:
- NADPH-citocromo P450 red
- NADH-citocromo b5 red
Sistema di trasporto microsomiale del citocromo P450
Citocromo P450 reduttasi
Sistema di trasporto microsomiale del citocromo P450
S
SOH
Non si conosce la ragione dell’esistenza delle due vie
H2 O2
O2.
S.
Xenobiotici metabolizzati dal citocromo P450
Reazione
Esempi
Ossidrilazione comp. alifatici
Ossidrilazione comp. aromatici
Formazione di epossidi
Dealchilazioni ossidative
Deaminazione ossidativa
Ossidazione di N o S o P
Rimozione di alogeni
Ossidazione di alcoli
Acido valproico, pentobarbital
Benzopirene, fenobarbital
Benzene, benzopirene
Fenacetina, morfina, caffeina
Anfetamina
Cloropromazina, paracetamolo
Alotano
Alcol etilico
Riduzione (bassa [O2])
Alotano, CCl4
Ossidrilazione composti alifatici
Pentobarbital
EPOSSIDAZIONE
Fenobarbital (sedativo, analgesico)
cancerogeno
Reazioni di dealchilazione
Dealchilazione dell’atomo di ossigeno
Deacetilazione dell’atomo di azoto
HCHO
Deacetilazione dell’atomo di zolfo
HCHO
Dealchilazione sull’atomo di azoto
REAZIONI DI OSSIDAZIONE
Dealogenazione riduttiva del CCl4
(tetracloruro di carbonio)
Solvente organico
CYP…
10-15% nel fegato
5%
9%
SUPERFAMIGLIA
Circa 150 geni
Cyp 3A4 metabolizza
circa il 60% dei
farmaci
30%
Farmacogenetica:
basi ereditarie delle differenze tra gli individui nell’azione dei farmaci
Fenotipi del CYP2D6
“polimorfismo per la debrisochina”
Metabolizzatori Lenti (PM): incapacità di utilizzare la via del CYP2D6
Metabolizzatori Intermedi (IM): capacità fortemente diminuita
Metabolizzatori Normali (EM): capacità normale
Metabolizzatori Ultrarapidi (UM): capacità eccessiva
Polimorfismo del CYP2D6 nella popolazione caucasica
Attività
Allele con
funzionalità normale
Mutante nullo
Allele con
funzionalità scarsa
Polimorfismo del CYP2D6 nella popolazione caucasica
Concentrazione nel siero
Allele con
funzionalità normale
Mutante nullo
Allele con
funzionalità scarsa
Induttori del P450: appartengono a 5 classi,
con diverso meccanismo d’azione
• 3-metilcolantrene, benzopirene, diossina, fumo,
alimenti cotti a carbone, crocifere
CYP1A1, CYP1A2
• Fenobarbital, DTT
CYP2B1, CYP2B2
• Isoniazide, etanolo
CYP2E1
• Steroidi, antibiotici
CYP3A1, CYP3A2
• Clofibrato, plastificanti
CYP4A1, CYP 4A2, CYP4A3
Modalità di regolazione dell’espressione dei citocromi P450
IDENTIFICAZIONE DELLA REGIONE REGOLATRICE DEL GENE DI UN P450
INIBITORI DEL CITOCROMO P450
Inibitori competitivi
SKF 525 A
sostanze contenenti imidazolo
Substrati suicidi trioleandomicina
(antibiotico macrolide)
cloramfenicolo
Si trasforma in un prodotto
che si lega al ferro
Si trasforma in un prodotto
che alchila la proteina e la inattiva
Piante di patata transgeniche per CYP1A1(dai mammiferi)
diventano resistenti all’erbicida clorotorulon (CT)
Enzimi del metabolismo degli xenobiotici
Tipi di reazioni
Enzima
Fase I
Ossidazione
Citocromo P450
Alcol deidrogenasi
Aldeide deidrogenasi
Monossigenasi flaviniche
Monoaminossidasi
Riduzione
Idrolisi
Fase II
Coniugazione
Chinone reduttasi (NQO1 o DT
diaforasi)
Citocromo P450 reduttasi
Epossido idrolasi
UDP glucuronil transferasi
Solfotransferasi
N-acetil transferasi
Metiltransferasi
Coniugazione con amminoacidi
Glutatione transferasi
Metabolismo dell’etanolo
tossica
energia
Alcol deidrogenasi
Aldeide deidrogenasi
Alcol deidrogenasi:
enzima dimerico, citosolico, contenente Zn
5 geni (α, β, γ, π, κ). β ha 3 alleli, γ 2 alleli
Quindi 8 subunità diverse che si combinano
a formare isoenzimi con diversa efficienza
catalitica. La subunità β è molto attiva.
Gli isoenzimi presenti nelle popolazioni
asiatiche sono molto efficienti.
Aldeide deidrogenasi (16 geni, famiglia di proteine):
Allele di classe 2: basso metabolismo delle aldeide,
fattore di rischio per il cancro indotto da alcol
Nelle popolazioni orientali:
intolleranza all’alcol (vasodilatazione, “flushing syndrome”).
FMO (MONOSSIGENASI FLAVINICHE) :
Ossidazione a livello di eteroatomi nucleofili: S, P, N
FMO: MONOSSIGENASI FLAVINICHE DEL RETICOLO ENDOPLASMATICO
Monoamminossidasi (MAO A e B)
(flavoproteina mitocondriale)
Trasformazione di una ammina in una aldeide
(substrati fisiologici: serotonina, adrenalina, noradrenalina)
RCH2NH2 + FAD
RCH=NH + FADH2
RCH=NH + H2O
RCHO + NH3
FADH2 + O2
FAD + H2O2
L’atomo di ossigeno incorporato nel substrato proviene dall’ H2O,
ed i 2 elettroni sottratti al substrato vengono ceduti all’O2
formando H2O2
Reazione catalizzata dalla monoamminossidasi (MAO):
1-metil-4-fenil-1,2,5,6-tetraidropiridina (MPTP)
DT-diaforasi o NAD(P)H:chinone ossidoreduttasi 1 (NQO1)
 Enzima citosolico
 Omodimero (27 kDa per subunità)
 Flavoproteina (FAD)
 Catalizza la riduzione bielettronica di substrati di natura chinonica,
in un singolo passaggio
• Spesso i suoi livelli sono più alti nelle cellule tumorali
(resistenza ai farmaci antitumorali)
Farmaci antitumorali che vengono attivati dalla NQO1
O2
e-
e-
O2-
H2O2
e-
OH.
e-
H2O
Autossidazione dell’ossiemoglobina
NADPH ossidasi dei leucociti
Catena di trasporto degli elettroni
•mitocondri ( nei siti dell’ubichinone e della NADH-deridrogenasi )
•microsomi ( citocromo P450 e citocromo P450 riduttasi )
Enzimi citosolici: es. xantina ossidasi, aldeide ossidasi
Dismutazione dell’O2- spontanea o enzimatica ( superossido dismutasi )
Ossidasi perossisomiali: es. aminoacido ossidasi, urato ossidasi
Amino ossidasi ( diamino ossidasi, lisil ossidasi, monoamino ossidasi )
Reazioni tipo Fenton catalizzate da metalli:
Men + O2
O2
H2O2
Men-1
OH- + HO. + Men
Ossidasi
Citocromo c ossidasi; ceruloplasmina plasmatica
Me = rame o ferro
Prodotti di degradazione dei lipidi perossidati
Ossidazione delle proteine: carbonilazione di residui amminoacidici
CONHR1
O
CONHR1
N
NH
COR2
COR2
-prolil-
Semialdeide glutamica
NH2
NH
NH
CONHR1
R2CONH
-arginil-
NH2
O
NH
CONHR2
CONHR1
R2CONH
COR2
-lisil-
Semialdeide aminoadipica