L’AZIONE DI UNO XENOBIOTICO DIPENDE raggiungimento mantenimento di adeguate concentrazioni nella sede in cui va ad agire dalla quantità di xenobiotico dalla entità e dalla velocità dei processi di: entità e velocità dipendono dalle proprietà chimico-fisiche degli xenobiotici e sono condizionate dalla via di ingresso ASSORBIMENTO dipende in gran parte dalla dal flusso ematico locale DISTRIBUZIONEliposolubilità, e dal legame alle proteine plasmatiche METABOLISMO ESCREZIONE in forma immodificata se idrosolubili, composti trasformati se liposolubili trasformazione di una sostanza in composti, i metaboliti, più idrosolubili le reazioni metaboliche sono più facilmente eliminabili catalizzate da enzimi presenti soprattutto a livello epatico, sono essenzialmente di due tipi: REAZIONI DI FASE I o Fase di Funzionalizzazione idrolisi riduzione ossidazione REAZIONI DI FASE II o Fase di Coniugazione glucuronoconiugazione acetilazione solfatazione metilazione, etc. BIOTRASFORMAZIONE DI XENOBIOTICI FEGATO è l’organo primario per le trasformazioni (fisiologicamente deputato a modificare i nutrienti introdotti con la dieta) POLMONI, INTESTINO, RENI le trasformazioni degli xenobiotici determinano metaboliti inattivi (l’organismo cerca di proteggersi) metaboliti più attivi metaboliti attivi o tossici (eroina (profarmaci) morfina; paracetamolo) Data la natura enzimatica delle trasformazioni metaboliche, gli enzimi devono essere caratterizzati da una grande adattabilità alla struttura di un substrato così variabile come imprevedibile Questa versatilità è ottenuta con uno o più dei seguenti fattori GENETICI: differenze di specie e individuali polimorfismo genetico nell'acetilazione; polimorfismo genetico nell'ossidazione; idrolisi FISIOLOGICI:età (nel neonato la capacità metabolica epatica è ridotta;anche l'anziano presenta una ridotta capacità di biotrasformazione), sesso, gravidanza fenomeni di accumulo PATOLOGICI: insufficienza epatica (riduzione di enzimi epatici,digestivi) AMBIENTALI: fattori voluttuari (fumo, alcool), accidentali (contaminati dell’aria, acqua etc.), farmaci induzione e inibizione metabolica FLORA BATTERICA: bioattivazione di precursori inattivi (es. cancerogeni da precancerogeni). INTESTINALE attività epatica di coniugazione dei farmaci IL METABOLISMO DEI FARMACI DIPENDE DALL’ETÀ ontogenesi del metabolismo epatico pubertà nascita adulto anziano (> 65 anni) età sono maggiormente deficitarie le reazioni di ossidazione e la coniugazione con acido glucuronico riduzione della massa epatica correlazione tra metabolismo del diazepam ed età emivita, t ½(b), ore 100 80 60 40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 età in anni DIFFERENZE NEL METABOLISMO TRA I DUE SESSI Maggiore attività CYP3A4 (verapamil, diazepam, prednisolone) Minore attività CYP2D6 (propanololo) CYP2C19 (piroxicam) CYP1A2 (caffeina) alcool-deidrogenasi gastrica etil-esterasi (cocaina) glucuronazione (morfina, aspirina, digossina) ENZIMI IMPLICATI NELLA BIOTRASFORMAZIONE xenobiotico fattore che determina l’intensità ENZIMI di azione fattore che determina ENZIMI la durata di azione termine degli effetti della sostanza e attenuazione della tossicità nomenclatura I singoli enzimi non possono essere denominati in base alle reazioni catalizzate avendo scarsa specificità di substrato sistemi arbitrari di nomenclatura che si basano sulla sequenza primaria di aminoacidi dei singoli enzimi distribuzione Sono ampiamente distribuiti nell’organismo il fegato è la sede più ricca di attività enzimatiche di biotrasformazione; presentano gli stessi enzimi anche : cute reni e ghiandole surrenali polmoni pancreas livello delle mucosa nasale principali vie cuore cervello flora batterica intestinale occhio di esposizione tratto-gastrointestinale plasma e cellule ematiche mitocondri Sono localizzati in vari compartimenti subcellulari principalmente nel reticolo endoplasmatico (microsomi) (poiché molti xenobiotici sono lipofili) citosol nucleo lisosomi DISTRIBUZIONE DEGLI ENZIMI La biodisponibilità sistemica delle sostanze ingerite è limitata da (“eliminazione presistemica” o “eliminazione in 1° passaggio”) mediante estrazione e biotrasformazione di ciò che viene assorbito nel tratto gastrointestinale MUCOSA GASTRICA es. ossidazione dell’alcool ad acetaldeide Alcuni distretti extraepatici hanno contenuti abbastanza elevati di enzimi di biotrasformazione degli xenobiotici tuttavia se la dimensione di questi organi è modesta il contributo complessivo al processo di biotrasformazione è trascurabile Un ruolo importante nelle biotrasformazione solo delle sostanze inalate è svolto EPITELIO DELLA MUCOSA NASALE pur contenendo quantità di enzimi di biotrasformazione non dissimili dal fegato, Il fatto che i tessuti differiscono nella loro capacità di biotrasformare gli xenobiotici ha importanti implicazioni tossicologiche, specie per quanto riguarda la selettività del danno Nell’ambito di uno stesso organo, le cellule possono avere differente capacità di biotrasformare gli xenobiotici e questa eterogeneità ha anch’essa implicazioni rilevanti OGNI XENOBIOTICO PUÒ DARE ORIGINE A PIÙ DI UN METABOLITA xenobiotico METABOLISMO DEGLI XENOBIOTICI La biotrasformazione di uno xenobiotico può portare alla formazione di: l’esempio del paracetamolo REAZIONI DI BIOTRASFORMAZIONE DEGLI XENOBIOTICI Il metabolismo degli xenobiotici si attua attraverso due fasi Es. morfina, eroina e codeina sono tutte convertite in morfina-3-glucuronide la coniugazione con acido glucuronico è preceduta dalla Fase I per diretta coniugazione della sostanza con acido glucuronico alcuni xenobiotici (morfina) subiscono direttamente il metabolismo di Fase II xenobiotico Fase I ossidazione, riduzione idrolisi Fase II prodotti di coniugazione lo xenobiotico coniugato è solitamente inattivo a seguito della Fase I lo xenobiotico può risultare attivato, immodificato o, nella maggior parte dei casi, inattivato Le reazioni di Fase I hanno la finalità di inserire o mettere in evidenza nella molecola gruppi funzionali come –OH, -NH2, -COOH Le reazioni di Fase II usano i gruppi funzionali inseriti nelle reazioni di Fase I come un “terminale” per la coniugazione con molecole endogene VIE DI BIOTRASFORMAZIONE DEGLI XENOBIOTICI Reazione Localizzazione Enzima FASE I Idrolisi carbossilesterasi peptidasi epossido-idrolasi microsomi, citosol sangue, lisosomi microsomi, citosol Riduzione di azo- e nitrogruppi di gruppi carbonilici di gruppi disolfuro di gruppi solfossido di chinoni dealogenazione flora int., microsomi, citosol citosol citosol citosol citosol, microsomi microsomi Ossidazione alcool deidrogenasi aldeide deidrogenasi aldeide ossidasi xantina ossidasi monoaminossidasi diaminoossidasi prostaglandina H sintasi monoossigenasi flavinica è la più frequente citocromo P 450 citosol mitocondri, citosol citosol citosol mitocondri citosol microsomi microsomi microsomi FASE II coniugazione glucuronica coniugazione solforica coniugazione con glutatione coniugazione con aminoacidi acetilazione metilazione microsomi citosol citosol, microsomi citosol, microsomi mitocondri, citosol citosol citosol microsomi mitocondri DNA membrana nucleare REAZIONI DI FASE I: IDROLISI CARBOSSILESTERASI Sono presenti in molti tessuti e nel plasma. Idrolizzano numerosi composti endogeni: O H2C O C HO C H monoacil-glicerolo CH2OH O O H2C O C C O C H CH2OH … diacil-glicerolo altri lipidi esterificati Idrolizzano anche molti xenobiotici scarsa specificità possono idrolizzare non solo esteri REAZIONI DI FASE I: IDROLISI idrolizzano xenobiotici aventi gruppi funzionali del tipo: CARBOSSILESTERASI O H2C O CH3 O CH2 N C H3 CH2 CH2 OH H2O H2N HO H2N ESTERE DI ACIDO CARBOSSILICO (procaina ) ( viene rapidamente inattivata nel sangue) CH3 anestetico locale O HC CH2 N C H3 CH2 CH2 OH H2O H2N CH3 C H2 N CH3 CH2 C H2 O 2 NH + H2C + N H2 H2N H2C CH3 C H2 N CH3 CH2 C H2 (l’idrolisi enzimatica, come in vitro, è più lenta della procaina: a parità di AMIDE (procainamide)ingombri sterici, RNH è un gruppo uscente meno favorevole di RO dell’estere, aritmie cardiache è in grado di mantenersi attiva dopo aver raggiunto il circolo sistemico) L’azione delle carbossilesterasi influenza durata e sede di attività di certi farmaci O O O H3C C H3 H2O H H O H S O H3C C H3 O H H H O C H3 SH + O HO C H3 (notare che l’anello lattonico-un estere ciclico-rimane integro. Ciò a causa della TIOESTERE maggiore stabilità dei sistemi ciclici: la struttura aperta è ottenibile solo in (spironolattone) ambiente nettamente alcalino [pH > 8] nella forma HO-(CH ) COO-M+) 2 n NO2 O O P O O H3C H2O O O P O-H O H3C H3C H3C + NO2 H-O (alcuni pesticidi organofosforici sono detossicati da ESTERE DI ACIDO FOSFORICO (paraoxon: dietil-p-nitrofenil fosfato)citpcromo P450, monoossigenasi flaviniche, glutatione S-transferasi) pesticida organofosforico O iP r-O P F H2O iP r-O ANIDRIDE ACIDA (diisopropilfluorofosfato DFP) O iP r-O P iP r-O OH + H-F CARBOSSILESTERASI t u t t a v i a, la presenza di sostituenti che sottraggono elettroni indebolisce il legame amidico rendendo la molecola più suscettibile all’idrolisi enzimatica carbossilesterasi sierica nota come succinilcolina agente miorilassante pseudocolinesterasi durata d’azione anestetico circa il 2% tra i caucasici è geneticamente carente dell’enzima prolungato blocco neuromuscolare apnea CARBOSSILESTERASI non sempre il metabolismo degli xenobiotici da parte delle carbossilesterasi comporta detossificazione in presenza di un alcool, possono catalizzare la trans-esterificazione degli xenobiotici: etanolo O H3C N C ESTERE ETILICO (etilcocaina) O CH3CH2OH OCH3 H3C N tossico OCH2CH3 C O O O C CH3CH metanolo O C attivazione metabolica ESTERE METILICO (cocaina) La cocaina ed alcuni suoi metaboliti vengono idrolizzati da una carbossilesterasi epatica che in presenza di etanolo proveniente da bevande alcoliche, produce trans-esterificazione trasformando il gruppo carbossimetilico in carbossietilico COCAINA-COOCH3 COCAINA-COOCH2CH3 gli esteri etilici sono ancora più attivi e lipofili incremento di attività e tossicità epatica MORTALE (ad alti dosaggi e in presenza di etanolo) CARBOSSILESTERASI non sempre il metabolismo degli xenobiotici da parte delle carbossilesterasi comporta detossificazione O O CH3O-C-CH2CH2-C-OCH3 dimetilestere dell’acido succinico carbossilesterasi 2 x CH3OH metanolo HOOC- CH2-CH2-COOH acido succinico epitelio nasale degenerazione dell’epitelio O CH3-C-O-CH-CH2 acetato di vinile carbossilesterasi O CH3-C-OH acido acetico O- CH-CH3 acetaldeide legame covalente con DNA e proteine tumori nasali CARBOSSILESTERASI non sempre il metabolismo degli xenobiotici da parte delle carbossilesterasi comporta detossificazione O N CH3 C N CH3 CH3 1,3-dimetil-3-fenil-1-nitrosurea carbossilesterasi O N C OH [HO- N N-CH3] metildiazonio idrossido CH3 acido N-metil-N-fenilcarbammico legame covalente con il DNA tumori cutanei CARBOSSILESTERASI non si ha ancora una classificazione sistematica La limitata specificità di substrato preclude la possibilità di denominare questi enzimi in base alle reazioni che catalizzano. Aldridge (1953) ha classificato le carbossilesterasi in base alla natura delle loro interazioni con gli organofosforici ESTERASI A idrolizzano gli organofosforici (contengono un residuo di cisteina nel sito attivo) ESTERASI C ESTERASI B sono inibite dagli organofosforici non interagiscono con organofosforici (contengono un residuo di serina nel sito attivo) In realtà il termine carbossilesterasi è in un certo senso poco appropriato perché questi enzimi possono agire anche come amidasi o fosfatasi REAZIONI DI FASE I: IDROLISI PEPTIDASI Molti enzimi vengono sintetizzati come zimogeni (proenzimi), precursori inattivi. L’attivazione consiste nella rimozione di una piccola parte della catena polipeptidica, a opera di peptidasi specifiche. CARBOSSIPEPTIDASI AMINOPEPTIDASI ENDOPEPTIDASI R COOH C NH H aa carbossiterminale O H C C NH … … NH2 catena polipeptidica OH aa aminoterminale aa endopeptidici l’idrolisi è rapida se il residuo carbossiterminale ha una catena R aromatica o alifatica lunga TRIPSINA (spezza il legame peptidico sui carbonili Lys o Arg) CHIMOTRIPSINA (spezza il legame peptidico ai carbonili della Phe, Trp o Tyr) REAZIONI DI FASE I: IDROLISI trans addizione di H2O agli epossidi alchenici o ossidi arenici (oxirani) EPOSSIDO IDROLASI sono stereoselettive fornendo trans-dioli importante ruolo nella detossificazione la notevole reattività degli epossidi è dovuta alla deformazione degli angoli di legame dai normali valori di 109° a circa 60° C O H CH2 O H H stirene 7,8-epossido + H 2O + H 2O H C naftalene 1,2-ossido CH2OH H HO H OH H stirene 7,8-glicole naftalene 1,2-diidrodiolo Nel corso del metabolismo ossidativo di composti olefinici e aromatici si formano epossidi reattivi che costituiscono un substrato per l’epossido idrossilasi REAZIONI DI FASE I: IDROLISI Gli epossidi, in assenza di idrolasi o glutatione e glutatione EPOSSIDO IDROLASI transferasi che fornisce un addotto nettamente più idrofilo inerte e facilmente coniugabile con acido glucuronico come a-glicole, potrebbero attaccare proteine e DNA innescando processi di mutazione e cancerogenesi Es. alta attività cancerogena del benzo[a]pirene (idrocarburi aromatici policiclici) sono trasformati dal citocromo P450 in numerosi ossidi arenici che stabiliscono legami covalenti con il DNA Regione di baia 12 RUOLO “TOSSICANTE” 1 2 11 10 P450 epossido idrolasi 3 9 8 7 6 O (+)benzo[a]pirene7,8-ossido 5 epossido idrolasi benzo[a]pirene 4,5-ossido O HO OH (-)benzo[a]pirene7,8-ddidrodiolo RUOLO DETOSSICANTE P450 O P450 PHS HO 4 benzo[a]pirene è un esempio di diolo epossido di regione di baia OH (+)benzo[a]pirene 7,8-diidrodiolo-9,10-ossido è più potente del benzo[a]pirene resistente alla riduzione prodotta dalla epossido idrolasi OH OH benzo[a]pirene 4,5-diidrodiolo • altamente mutageno da test sui batteri (perché manca l’epossido idrolasi) • poco mutageno nelle cellule di mammifero legame covalente con il DNA mutazione del 12° codone dell’oncogene Hras tumori del polmone e della cute Una caratteristica comune di tutti gli epossidi di regione di baia è la loro resistenza alla epossido idrolasi dovuta all’impedimento sterico da parte di un vicino gruppo diidrodiolico REAZIONI DI FASE I: IDROLISI È tra gli enzimi inducibili della frazione microsomiale del fegato EPOSSIDO IDROLASI La sua induzione è associata a quella del citocromo P450 È distribuito in quasi tutte le sedi: nel FEGATO esistono 3 forme immunologicamente distinte per Western blot prodotti da geni distinti con diversa specificità di substrato reticolo endoplasmatico citosol reticolo endoplasmatico Nel sito attivo è presente un residuo basico His431 + H+-O-H OH- nucleofilo sull’atomo di C più accessibile dell’anello ossiranico REAZIONI DI FASE I: RIDUZIONE REDUTTASI più o meno specifiche i substrati più comuni ed i relativi prodotti di riduzione sono: Substrato Prodotti di riduzione Ar-N=N-Ar Azocomposti Ar-NH-NH-Ar Idrazocomposti 2 Ar-NH2 Arilammine Ar-NO2 Nitroderivati Ar-NO Nitrosoderivati Ar-NHOH Arilidrossilamine R-CHO Aldeidi Alcoli I R-COO Chetoni Alcoli II R-S-S-R Disolfuri 2 R-SH Tioli o mercaptani R-SO2-R Solfoni R-SO-R Solfossidi Chinoni Idrochinoni ArNH2 R-S-R Solfuri Alogenoalcani Elementi inorganici (es. arsenico pentavalente) Le sostanze esogene contenenti gruppi funzionali riducibili vengono ridotte dagli enzimi microsomiali e citoplasmatici. Le sostanze esogene assunte per via orale possono essere ridotte già dai batteri intestinali. Anche nella riduzione si possono formare metaboliti tossici. A tutte le reazioni di riduzione è comune il fatto che gli enzimi partecipanti trasferiscono inizialmente 2 equivalenti di H dal cofattore NADH o NADPH alla molecola esogena. A seconda dei gruppi funzionali l’H: rimane ligato alla molecola esogena (alchene, azocomposto o chinone) provoca l’eliminazione di un atomo di O (nitrocomposti e N-ossidi) REAZIONI DI FASE I: RIDUZIONE REDUTTASI AZO- e NITROGRUPPI operate da batteri intestinali catalizzate da 2 enzimi epatici: citocromo P450 e NADPH-chinone ossidoreduttasi (flavoproteina del citosol nota come DT-diaforasi) richiedono NADPH e sono inibite dall’ossigeno (ambiente anaerobico del digerente) AZO- RIDUZIONE NH2 N N NITRO- RIDUZIONE SO2NH2 NO2 prontosil NH2 nitrobenzene [4H] [2H] NH2 N H2 + H2N NH2 1,2,4-triaminobenzene SO2NH2 NO sulfanilamide (principio attivo) nitrosobenzene [2H] NHOH fenilidrossilamina [2H] NH2 anilina importanza tossicologica REAZIONI DI FASE I: RIDUZIONE GRUPPI CARBONILICI nel sangue e citosol di: fegato (aldeidi e chetoni) CARBONIL- REDUTTASI i loro substrati fisiologici sono le prostaglandine rene cervello etc. ridotti anche dalla alcool deidrogenasi sono presenti carbonil-reduttasi ad alta e bassa affinità la cui attività varia anche di 10 volte da un individuo all’altro REDUTTASI GRUPPI DISOLFURO nel citosol Alcuni disolfuri vengono ridotti e scissi nei rispettivi componenti sulfidrilici Es. riduzione del gruppo disolfuro nella biotrasformazione del disulfiram (Antabuse) S C2H5 N C2H5 C S S S C C2H5 N 2X C2H5 disulfiram C2H5 C2H5 S N C SH dietiltiocarbammato Es. riduzione glutatione dipendente dei gruppi disolfuro di xenobiotici GSH XSSX XSH GSH XSSG glutatione-S-transferasi XSH NADPH + H+ GSSG glutatione-S-transferasi GSH, glutatione XSSX, disolfuro dello xenobiotico GSSG, glutatione ossidato NADP+ glutatione reduttasi 2GSH REAZIONI DI FASE I: RIDUZIONE REDUTTASI SOLFOSSIDO e N-OSSIDO nel citosol di: fegato rene a n a l o g a me n t e generati per ossidazione da parte del citocromo P450 o monoossigenasi flaviniche la riduzione dei gruppi N-ossido può far tornare indietro l’effetto della N-ossigenazione delle amine formate dalle monoossigenasi flaviniche la riduzione dei gruppi solfossidi può far tornare indietro l’effetto della solfossidazione possono prolungare quindi l’emivita di certi xenobiotici NADPH-CHINONE OSSIDO REDUTTASI DT-DIAFORASI CHINONI flavoproteina citosolica idrochinoni Al pari dei chinoni sono substrati anche numerosi agenti potenzialmente tossici (epossidi chinonici, chinonimmine, azo-composti e C-nitroso derivati da arilamine) Nell’uomo questi enzimi sono codificati da 4 distinti loci genici (DIA1 fino a DIA4) Il 4° locus codifica la NQ O1 è inducibile responsabile di gran parte dell’attività nei tessuti umani NQ O2 è non inducibile espresso in modo polimorfico NADPH-CITOCROMO P450 REDUTTASI CHINONI flavoproteina microsomiale radicale libero semichinonico REAZIONI DI FASE I: RIDUZIONE REDUTTASI DEALOGENAZIONE nei microsomi (F, Cl, Br, I dalle sostanze alifatiche) DEALOGENAZIONE RIDUTTIVA (es. CCl4, fluotano) X X + 2H X-C-C-X XH - HX X X X-C-C-H XH penta-aloetano tetra-aloetano catalizzata dal citocromo P450 tramite 3 meccanismi principali DEALOGENAZIONE OSSIDATIVA (es. fluotano) X X X-C-C-X XH X X + [O] X-C-C-O - HX X tetra-aloacetilaldeide penta-aloetano catalizzata dal citocromo P450 DEALOGENAZIONE DI 2 ALOGENI SU ATOMI DI C ADIACENTI X X X-C-C-X XH + 2H - 2H penta-aloetano X X C X C X tri-aloacetaldeide catalizzata dal citocromo P450 e dalla glutatione S-transferasi Ruolo importante nella attivazione metabolica di molti alcani alogenati REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE ALCOL DEIDROGENASI ALCOLI 1a (ADH) Bassa specificità, utilizza NAD+ come coenzima per ossidoriduzioni metanolo etanolo formaldeide ALDH acido formico acetaldeide* acido acetico ADH alcoli semplici aldeidi circa 1/3 è metabolizzato anche da CYP2E1 (indotto) R-CH2OH acidi carbossilici meno tossici e tossiche facilmente eliminabili legami covalenti *triptofano carboline O ADH NAD+ citosol di: fegato rene polmone mucosa gastrica R-C NADH + H+ H ALDH NAD+ + H 2O Solo alcuni ALCOLI 2a ALCOLI 2a e ALCOLI 3a 40 kDa NADH + H+ OH direttamente coniugati VARIABILITÀ subunità 40 kDa dimero proteico ADH dell’uomo Poiché loci genici codificanti R-C chetoni (eliminati come tali) subunità O subunità varianti alleliche ADH1 a ADH2 (gene polimorfico) b b1 b2 ADH3 (gene polimorfico) g g1 g2 ADH4 p ADH5 b3 Le ADH nell’uomo comprendono 8 subunità che possono combinarsi come eterodimeri o omodimeri REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE ALCOL DEIDROGENASI (ADH) Le differenti forme molecolari di ADH vengono suddivise in 3 classi principali comprendenti i vari isoenzimi CLASSE I ADH1 aa oppure ab ag ADH2 bb (1,2,3) oppure CLASSE III ADH3 gg (1,2) CLASSE II ADH4 pp bg (1,2) Responsabili dell’ossidazione dell’etanolo e altri alcoli alifatici a basso PM Sono fortemente inibiti dal pirazolo Ossidano alcoli alifatici di dimensioni maggiori ADH5 Ossidano alcoli a catena lunga e gli alcoli aromatici Non vengono inibiti dal pirazolo Non vengono inibiti dal pirazolo Gli isoenzimi della classe I differiscono nella loro capacità di ossidare l’etanolo omodimero b2b2 eterodimeri … b2 “ADH atipiche” sono isoenzimi particolamente attivi nell’ossidare l’EtOH a pH fisiologico sono responsabili della conversione eccezionalmente rapida in acetaldeide che si osserva nell’85% della popolazione giapponese e cinese ( intolleranza all’alcool) accumulo di acetaldeide vasodilatazione al viso, palpitazioni e nausea L’ADH atipica è espressa con frequenza molto minore nei caucasici: < 5% negli americani; ˜ 8% negli inglesi; ˜ 12% nei tedeschi; ˜ 20% negli svizzeri negli afroamericani (< 10%), negli americani nativi (zero), negli indiani asiatici (zero) REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE ALCOL DEIDROGENASI (ADH) ISOENZIMI DELLA CLASSE I ADH1 ADH2 ADH3 fegato per cui l’ossidazione dell’alcol differisce alquanto principalmente rene tratto gastrointestinale polmone in minor quantità stomaco ADH3 (gg) ha una minore affinità (Km >) per l’alcol ma dopo ingestione di bevande dispone di una grande quantità di substrato Tale variabilità è la base della risposta agli xenobiotici. Infatti le forme isoenzimatiche, pur catalizzando la stessa reazione, possono avere costanti cinetiche diverse e diversa compartimentazione . Ciò permette di trasformare gli xenobiotici in relazione al loro percorso e alla loro concentrazione relativa durante tale percorso. REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE ALDEIDI mitocondri e ALDEIDE DEIDROGENASI (ALDH) citosol Bassa specificità: trasforma sia aldeidi alifatiche che aromatiche utilizza NAD+ come coenzima per ossidoriduzioni ALDH R-CHO NAD+ + H 2O R-COOH NADH + H+ Le differenti forme molecolari di ALDH vengono suddivise in 3 classi ALDH I citosol grande varietà di xenobiotici a struttura aldeidica subunità subunità 54 kDa 54 kDa subunità subunità 54 kDa 54 kDa ALDH III ALDH II mitocondri acetaldeide subunità subunità 54 kDa 54 kDa citosol stomaco (altri distretti extraepatici) subunità 85 kDa subunità subunità 54 kDa 54 kDa mutazione puntiforme (Glu 487 Lys 487) isoforma meno attiva presente nel 45-50% di cinesi e giapponesi (insieme alla “ADH atipica”) subunità 85 kDa REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE ALDEIDE OSSIDASI Sono enzimi metalloflavoproteinici XANTINA OSSIDASI intervengono nella trasformazione intermedia delle sostanze RIDUZIONE OSSIDAZIONE dei derivati piridinici delle purine delle pirimidine Km elevata rispetto a quella dell’ALDH l’aldeide ossidasi partecipa in maniera poco significativa alla degradazione delle aldeidi REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE AMINE 1a MONOAMINOSSIDASI (MAO) mitocondri in tutti i tessuti funzione fisiologica è quella di disattivare amine degli alimenti (tiramina) catecolamine altre amine biogene Bassa specificità per i substrati: preferisce le ammine 1a alchiliche e aromatiche in secondo luogo anche le ammine 2a e 3a RCH2NH2 MAO RCH NH + H2O *FAD come coenzima OH - NH3 RCH NH2 RCHO il gruppo aminico sia legato a un gruppo metilenico non sostituito (es. benzilamina). anilina non sono substrati anfetamina *FAD= flavin adenin dinucleotide DIAMINOSSIDASI (DAO) UNICA CONDIZIONE AMINE 1a citosol Catalizzano la stessa reazione nelle sostanze provviste di due centri basici: istidina lisina ornitina istamina decarbossilazione cadaverina putrescina REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE PROSTAGLANDINA H SINTASI (PGS) microsomi nelle cellule epiteliali della maggior parte degli organi Complesso enzimatico contenente Fe che catalizza la biosintesi di prostaglandine e trombossani Le sostanze esogene possono essere “co-ossidate” mediante l’attività perossidasica dell’enzima PGS ossida una quantità ampia di sostanze COOH deidrogenazioni acido arachidonico fenoli aminofenoli 2O2 cicloossigenasi O N-demetilazioni prostaglandina H sintetasi COOH O catalizza entrambe amine aromatiche epossidazioni solfossidazioni OOH N-idrossilazioni idroperossi-endoperossido (PGG2) xenobiotico A B amine aromatiche prostaglandina idroperossidasi O COOH O idrossilazioni composti aromatici policiclici Etc. OH idrossi-endoperossido (PGH2) il contributo totale di questo enzima al processo di disattivazione di xenobiotici può anche sembrare piccolo (crf. numerose reazioni dovute al citocromo P450) t u t t a vi a se si considera che la bioattivazione di sostanze cancerogene può avvenire nei tessuti bersaglio, allora la PGS assume un ruolo importante REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE MONOSSIGENASI FLAVINICA attiva l’OSSIGENO MOLECOLARE microsomi (FMO) fegato polmoni Complesso enzimatico FAD che utilizza NADPH come coenzima substrato dipende 3a dal tipo amine di S se aclicliche 2a FMO cicliche porta a aromatiche metaboliti eteroaromatiche inattivi o attivati idrossilamina idrazina 1,1-disostituita tiolo FMO ossida i seguenti gruppi funzionali: struttura R3N prodotto R3N O (N-ossido)* R2N-H R2N-OH (idrossilamina) R2N-OH R2N-O (nitrone) R-CH2, R)N-NH2 R-CHO + R-NH-NH2 (aldeide+ idrazina monost.) RSH RSSR (disolfuro) disolfuro RSSR RSR O (tioetere) O tioetere RSR RSR O (solfone) *la molecola di ossigeno legata alla flavina viene ridotta a perossido per ossidazione dello xenobiotico un atomo di O del perossido è trasferito sulla molecola esogena O2 + NADPH + H+ + enzima FAD R3NH + enzima FAD .OOH enzima FAD .OH + H+ enzima FAD .OOH + NADP+ R3N O + enzima FAD .OH Enzima FAD + H2O REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE è il sistema enzimatico più diffuso per l’ossidazione CITOCROMO P450 di xenobiotici microsomi CYP 450 famiglia di enzimi che permette all’organismo di ossidare praticamente tutte le sostanze organiche il nome deriva dal fatto che la forma ridotta con Fe2+ lega CO per dare un complesso con un massimo di assorbimento a 450 nm (nel blu) È COSTITUITO DA: • eme-proteina, (ferro-porfirinico) trasporto di e- e attivazione di O2 ione ferroso N si riferisce al ruolo dell’eme-proteina: contiene il centro attivo a cui la sostanza esogena e l’O2 si legano e su cui avviene il trasferimento di ossigeno al substrato N Fe3+ N N • NADPH associato a NADPH reduttasi • altri cofattori L’insieme di questi enzimi è contenuto nella matrice fosfolipidica del reticolo endoplasmatico O2 RH H2 O R-OH La presenza dei fosfolipidi è fondamentale per permettere sia le reazioni fra i due enzimi che l’arrivo del substrato a livello del sistema enzimatico attivo REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE CITOCROMO P450 CYP 450 GRANDE VERSATILITÀ CATALITICA differenziatosi geneticamente per il metabolismo di steroidi e acidi biliari è in tutte le specie polimorfismo genetico polimorfismo inducibile uno dei più versatili sistemi di difesa da sostanze estranee alla biologia cellulare REAZIONE FONDAMENTALE durante la catalisi, il CYP450 si lega direttamente ad S e all’O2 ma non interagisce direttamente con il NADPH substrato (RH) + O2 + NADPH + H+ MONOOSSIGENAZIONE un atomo di ossigeno viene incorporato nel substrato, l’altro atomo di ossigeno è ridotto ad acqua con gli equivalenti riducenti forniti dal NADPH prodotto (ROH) + H2O + NADP+ il meccanismo con cui CYP450 riceve e- dal NADPH dipende dalla sua localizzazione subcellulare NADPH citocromo P450 reduttasi e- eFe citocromo P450 FMN citoplasma FAD membrana Componenti molecolari del sistema P450 nella membrana del reticolo endoplasmatico citocromo b REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE CICLO CATALITICO CITOCROMO P450 il funzionamento e le possibili interazioni di questo complesso CYP 450 sistema enzimatico con i substrati è rappresentabile al meglio dal cosiddetto ciclo di ossidazione A prodotto (ROH) substrato (RH) Fe3+ P450 I Fe3+ B (RH) Fe3+ G ROH IV F ossidazione del substrato e- II attivazione dell’ossigeno (FeO)3+ agente RH ossidante Fe2+ C (RH) H2O O2 (CO) H+ Fe2+OOH RH E Fe2+ O2 RH III H+ , e- si lega ancora più saldamente D NADPH-citocromo citocromo b I microsomi epatici di tutte le specie di mammifero contengono numerosi enzimi P450 e ognuno di essi ha la capacità di catalizzare differenti tipi di reazioni REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE La specificità di substrato, spesso molto ampia e non CITOCROMO P450 sovrapponibile tra i diversi sottotipi rende impossibile CYP 450 denominare gli enzimi in base alla reazione catalizzata REAZIONI CATALIZZATE DAL CYP 450 Isomerizzazione (es. conversione di PGH2 in trombossano e prostaciclina) alifatiche (tolbutamide) Idrossilazione O O O O aromatiche S-ossigenazione (omeprazolo) O H cumarina H O OH O N-ossigenazione (4-metilnitrosamina-1-(3piridil)butan-1-one (NNK), specifica del tabacco) Dealchilazione (diazepam; 7-etossiresorufina; 6-metilmercaptopurina) (N-; O-; S-) CH2 C O + NH3 CH2 CH NH2 Deaminazione ossidativa anfetamina CH3 [o] CH3 Desolforazione ossidativa (parathion) ossidativa Dealogenazione riduttiva azo-gruppi Riduzione nitro-gruppi Scissione di esteri (loratadina) Deidrogenazione (nicotina) Attraverso tecniche del DNA ricombinate è stato possibile determinare la sequenza della catena aa di numerosi enzimi P 450 REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE La sequenza aa dell’eme-proteina determina CITOCROMO P450 l’affinità dell’enzima CYP per una determinata CYP 450 classe chimica di substrato: lega per affinità idrocarburi aromatici sacca lipofila in grado di legare sostanze apolari fenilalanina aa apolari ( leucina, isoleucina, valina) CENTRO CATALITICO aa bicarbossilici ( glutamato, aspartato) lisina arginina legano composti carichi negativamente legano composti con centri cationici REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE CITOCROMO P450 La sequenza aa costituisce la base per CYP 450 classificare e denominare gli enzimi P 450 NOMENCLATURA in base al grado di parentela con la sequenza di geni (> 300) il principio su cui si basa la nomenclatura per i prodotti genici è il grado do omologia della sequenza aa che deriva dalla sequenza di acidi nucleici del gene codificante Il singolo enzima viene denominato con la sigla CYP seguita da: 1° numero FAMIGLIA (1, 2, 3, …) ˜ 35% lettera maiuscola omologia SOTTOFAMIGLIA (2A, 2B...) 40-60% omologia 2° numero Es. CYP1A1 SOTTOTIPO (2A1, 2A2...) > grado omologia REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE I nomi sono assegnati in ordine cronologico CITOCROMO P450 indipendentemente dalla specie di origine CYP 450 (es. nel fegato dell’uomo è espresso CYP2A6, ma è l’unico 2A) Famiglie di enzimi P 450 procariotici ed eucariotici Famiglia n° sottofamiglie n° enzimi Funzioni enzimatiche CYP1 1 2 addizione O2 xenobiotici CYP2 8 57 addizione O2 xenobiotici, steroidi CYP3 2 10 addizione O2 xenobiotici, steroidi CYP4 2 10 idrossilazione di acidi grassi CYP7 1 1 colesterin-7a-idrossilasi CYP11 2 3 steroide-11b-idrossilasi CYP17 1 1 steroide-17a-idrossilasi CYP19 1 1 aromatasi CYP21 1 1 steroide-21-idrossilasi CYP27 1 1 colesterina-27-idrossilasi CYP51 1 1 lanosterolo… in saccaromiceti 9 in lieviti e aspergilli CYP52-CYP57 CYP101 CYP102-107 camferossigenasi in batteri 8 in diversi ceppi di batteri il numero di enzimi P450 in ciascun sottotipo differisce da una specie all’altra REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE CITOCROMO P450 L’enzima principale del fegato umano è il CYP3A4 seguito da CYP2E1, CYP2C9 e CYP1A2 CYP 450 FAMILY OF ENZYMES (CYPs) IN LIVER Proportion of Pharmaceuticals Metabolized by Individual Cytochrome P450’s P-4502B6 P-4502C9/10 P-4501A2 P-4502C19 P-4502A6 P-4502C9 Major P450 Content of Human Liver P-4502B6 P-4502E1 Other P-4502C19 P-4502E1 P-4502C8 P-4501A2 P-4503A P-4503A P-4502B6 P-4502A6 Gli enzimi citocromo P 450 dell’uomo Famiglia Organo Substrato CYP1A1 polmone, placenta, linfociti, pelle IPA (es. benzo[a]pirene) CYP1A2 fegato amine e ammidi aromatiche e N-eterocicliche caffeina, fenacetina, aflatossina B1 CYP2A6 fegato cumarina, dietilnitrosamina CYP2C9 fegato, intestino tenue antiepilettici (S-mefenitoina) CYP2D6 fegato antiaritmici, b-bloccanti, antidepressivi CYP2E1 fegato, esofago alcani, alcoli, acetone, benzene, anilina, etc. intestino tenue fegato, aflatossina, nifedipina, cancerogeni aromatici tratto gastrointestinale CYP3A4 REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE I livelli e l’attività di ciascun enzima P 450 CITOCROMO P450 variano da individuo a individuo in rapporto a CYP 450 fattori ambientali e/o genetici mutazioni bloccano la sintesi dell’enzima o determinano la produzione di enzima inattivo o poco efficiente dal punto di vista catalitico infezioni, esposizione a xenobiotici ATTIVITÀ a causa di deprimono la sintesi del P450 con l’inibizione del CYP 450, un farmaco può bloccare la trasformazione di un altro xenobiotico e modificarne la risposta (l’inibizione riproduce gli effetti di un deficit genetico) esposizione a sostanze che inibiscono o rendono inattivo l’enzima presente duplicazione genica sovraespressione della proteina enzimatica ATTIVITÀ a causa di esposizione a xenobiotici induzione della sintesi del CYP 450 È il meccanismo più frequente stimolazione da parte di uno xenobiotico dell’enzima già presente Sostanze esogene inducenti nell’uomo Sostanza esogena fumo di tabacco fumo di tabacco, carne alla griglia indolo nel cavolo di Bruxelles, alcol barbiturici, desametasone, rifampicina è necessaria l’interazione con una specifica proteina recettore; il complesso con il recettore migra all’interno del nucleo e legandosi alla regione genica di promozione dell’enzima mette in azione la sintesi di mRNA Enzima P450 indotto CYP1A1 CYP1A2 CYP2E1 CYP3A4 REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE In una % significativa della popolazione, gli CITOCROMO P450 effetti di alcuni xenobiotici sono accentuati dalla CYP 450 carenza ereditaria di enzimi P450 POLIMORFISMO GENETICO CYP 2C19 ereditate come caratteri autosomici recessivi ha le più importanti implicazioni cliniche: la sua attività è distribuita bimodalmente nella popolazione in cui si possono distinguere 2 fenotipi ultraveloci (amplificazione del gene 2D6) rapidi metabolizzatori lenti (3-10%) Frequenza relativa degli alleli CYP 2D6 AA Aa aa Attività enzimatica relativa omozigoti per un carattere autosomico recessivo e non posseggono l’enzima a livello epatico REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE CITOCROMO P450 CYP 450 sito reattivo O C NH2 O CH2 O + N CONH2 ¨ N + H+ + 2e- R R HO OH NAD+ NADH NH2 C N HC O- P H H CONH2 HH HH O H + N O O- P TRASPORTATORI DI ELETTRONI N C C N CH N O CH2 O O sito reattivo NAD+ (nicotinamide adenin dinucleotide R = H) NADP+ (nicotinamide adenin dinucleotide R = PO32-) H H HH HO OR H3 C N H3 C N H H H H C C C C H C O NH N H OH OH OH H O sito reattivo NH2 C N O N C CH O P O HC C N N O O- P O CH2 O O H3C N H3C N R FAD H O NH N O + 2H+ + N H3C 2e- N N R H FADH2 H H HH HO OH O H3C FAD (flavin adenin dinucleotide: flavinmonunucleotide(FMN), AMP) NH O REAZIONI DI FASE I: OSSIDAZIONE CITOCROMO P450 CYP 450 scarsa specificità di substrato* ogni difetto genetico può influenzare il metabolismo di molti farmaci citocromo P450 tuttavia, l’osservazione che soggetti con difetto genetico di un particolare P450 hanno un metabolismo lento di una o più sostanze * principio generale: la velocità di eliminazione di uno xenobiotico può essere in larga misura determinata da un singolo CYP 450 ciò sembra contraddire In realtà i diversi CYP450 pur potendo catalizzare uno stesso xenobiotico, hanno caratteristiche di affinità molto diverse tra loro FENOTIPIZZAZIONE DEL CYP 450 1) Analisi di correlazione: velocità di trasformazione di un substrato in prodotto in frazioni microsomiali umane, in relazione al contenuto dei singoli tipi P450 presenti nelle varie frazioni. 2) Inibizione chimica: inibizione enzimatica con composti noti, tipici di una certa isoforma. Inibitori non competitivi. 3) Inibizione con anticorpi specifici. 4) Uso di cDNA di isoforme specifiche di CYP450. REAZIONI DI FASE II: DI CONIUGAZIONE Sono reazioni enzimatiche di biosintesi per mezzo delle quali un composto esogeno o un metabolita derivato dalle reazioni di fase I si lega in modo covalente con una molecola endogena mediante –OH –COOH -NH2 -SH La maggior parte degli enzimi preposti si trova nel citosol unica eccezione (microsomi) S ENDOG. ENZIMA REAZIONE SUBSTRATO coniug. glucuronica UDP-glucuronil transferasi ac. UDP glucuronico coniug. solforica sulfotrans. fosfoadenisil fosfosolfato fenoli, alcoli: morfina, diazepam fenoli, alcol, amine: paracetamolo coniug. con glutatione GSH-Stransferasi epossidi acido etacrino coniug. con aa acil-CoA glicina trans. glicina acidi carbossilici acetilazione N-acetil transferasi acetil CoA amine: clonazepam metilazione transmetilasi S-adenosil metionina dopamina, adren., istamina tranne queste, causano un aumento notevole della idrofilicità dello xenobiotico Il meccanismo di reazione prevede consumo di energia, utilizzata per attivare i cofattori ad intermedi ad alta energia. si svolgono nel corso di reazioni con xenobiotici attivati Le reazioni di fase I procedono in genere più lentamente di quelle di fase II la velocità di eliminazione è in genere determinata dalle reazioni di fase I REAZIONI DI FASE II: DI CONIUGAZIONE Gli agenti coniuganti più comuni sono: ACIDO GLUCURONICO ACIDO SOLFORICO GLICINA La sequenzialità delle coniugazioni di una stessa sostanza può dare origine a svariati prodotti di coniugazione Es. acido p- amminosalicilico può essere substrato di più di un enzima metabolizzante, così che processi di coniugazione diversi possono competere per lo stesso gruppo funzionale coniugazione con glicina acil glucuronazione COOH OH NH2 O. solfoconiugazione O. glucuronazione acetilazione N. glucuronazione vasta gamma di metaboliti REAZIONI DI FASE II: GLUCURONAZIONE UDP-GLUCURONIL trasferisce l’acido glucuronico sul substrato TRANSFERASI formando un legame b-glicosidico microsomi Differenti classi di coniugati di acido glucuronico tipo di glucuronide C-O-glucuronide gruppo funzionale esempio C O G alcol alifatico aliciclico benzilico fenolico tricloroetano esobarbital metilfenilcarbinolo 3-idrossi-benzo[a]pirene C O G acido carbossilico alifatico aromatico acido a-etilesano acido a-aminobenzoico CH C O G chetone a,b insaturo progesterone N-O-glucuronide N O G N-idrossi- N-acetil-N-fenil-idrossilamina carbamato meprobramato arilamina 2-naftilamina amina alifatica 3a tripelennamina ariltiolo tiofenolo 1,3-dicarbonil fenilbutazone N-glucuronide O C N G O H Ar N G H (R)3 N+ G S-glucuronide (R)3 S G C-glucuronide C S G L’uomo e i grandi primati sono le uniche specie in grado di formare i glucuronidi di ammonio quaternario dalle amine 3a REAZIONI DI FASE II: GLUCURONAZIONE UDP-GLUCURONIL Il co-substrato della reazione è l’acido UDP-glucuronico TRANSFERASI poiché questo è in equilibrio con glicogeno e D-glucosio 6-P, il D-glucosio –1-P co-substrato della glucuronazione nel fegato può essere limitante UTP solo in condizioni estreme UDPG-pirofosforilasi PPi UDP-D-glucosio 2NAD+ 2NADH2 UDPG-deidrogenasi acido UDP- (0.3-0.5 mM nel fegato) glucuronico OH UTP UDP-glucuronil-transferasi 1-naftolo O O COOH OH OH La glucuronazione è catalizzata da un gruppo di isoenzimi (con specificità per i substrati a volte sovrapponibile) OH i singoli isoenzimi possono essere indotti dagli stessi induttori dei CYP450 NOMENCLATURA Essendo noti i cDNA, i singoli enzimi vengono nominati sulla base della sequenza di aa derivata (come per i CYP450) Il singolo enzima viene denominato con la sigla UGT seguita da: numero FAMIGLIA (1, 2) lettera maiuscola (UDP-glucuroniltransferasi) l’omologia fra le due non supera il 50% SOTTOFAMIGLIA (UGT2B) omologia > 60% numero identifica il GENE (UGT2B1) o la PROTEINA REAZIONI DI FASE II: GLUCURONAZIONE La scissione di glucuronidi nell’intestino dovuta alle UDP-GLUCURONIL b-glucuronidasi batteriche può prolungare la permanza TRANSFERASI dello xenobiotico I glucuronidi possono costituire i “metaboliti di trasporto” di sostanze tossiche. Es. ruolo della glucuronazione nell’attivazione di 2-naftilamina. fegato NH2 N Gluc NH N-glucuronazione OH GT N-idrossilazione CYP450 OH sangue reni vescica + NH urina essendo instabile a causa del basso pH, si idrolizza a idrossilamina e per eliminazione di H2O si forma nitroione reattivo La glucuronazione può contribuire alla disattivazione di metaboliti reattivi con l’interruzione dei cicli ossidazione/riduzione presenti nel metabolismo di chinoni. Ciclo di riduzione di chinone/idrochinone Oe O O2 Benzo[a]pirene-3,6-chinone . O - O-.2 OH Benzo[a]pirene-3,6-semichinone O2 e- OH O-.2 OH Benzo[a]pirene-3,6-idrochinone GT Benzo[a]pirene-idrochinone glucuronide REAZIONI DI FASE II: SOLFOCONIUGAZIONE le solfotransferasi e le glucuroniltransferasi competono SOLFOTRANSFERASI per lo stesso substrato, reagendo con: tipo di solfoconiugato gruppo funzionale citosol esempio C O SO3 alcol idrossidimetridazolo C O SO3 fenolo fenolo N O SO3 (solfonato) idrossilamina N-idrossi-2-acetilaminofluorene C amina anilina 2-naftilamina NH SO3 (solfamato) l’estere del solfato formatosi si trova soprattutto in forma ionizzata ai pH fisiologici, cioè la solubilità dello xenobiotico aumenta Il co-substrato della reazione è la 3’-fosfoadenosin-5’-fosfosolfato (PAPS) SO42ATP PPi deriva dalla alimentazione o dal metabolismo ossidativo della cisteina ATP-sulforilasi APS ATP ADP (50 mM nel fegato) OH 1-naftolo APS-cinasi PAPS PAP OSO3 - fenol-solfotransferasi Le solfotransferasi sono isoenzimi citosolici possono essere indotti possono dare composti tossici REAZIONI DI FASE II: GLUTATIONE-CONIUGAZIONE Il glutatione (GSH) è contenuto in tutte le cellule e GSH- S TRANSFERASI in alcuni tessuti raggiunge conc. di 10 mM citosol (> 95%) microsomi Composti fortemente elettrofili possono reagire con GSH anche per via non enzimatica. alla disattivazione di ossigeno reattivo GSH partecipa anche al mantenimento delle funzioni di membrana al mantenimento dell’equilibrio redox nelle cellule Glu H3N+ COOCH CH2 CH2 C O Cys Gly NH libero su cui avviene la conuigazione con lo xenobiotico HC CH2 SH O C NH CH2 H3N+ COOCH CH2 CH2 C O COO- CH2 CH2 O C NH NH HC CH2 S S CH2 HC O C NH - COO GSH (forma ridotta) Si conoscono 5 diverse classi di GSH-S-transferasi con specificità sovrapponibile H3N+ CH C O NH CH2 CH2 COO- COO- GSSG (forma ossidata) 4 sono localizzate nel citosol diverse specificità 1 localizzata nei microsomi (inducibili) disintossicazione da metaboliti formati nel reticolo endoplasmatico REAZIONI DI FASE II: GLUTATIONE-CONIUGAZIONE catalizzano la formazione di un legame tioetere tra GSH- S TRANSFERASI un atomo C fortemente elettrofilo del substrato e il gruppo sulfidrilico del GSH REAZIONI CATALIZZATE sostituzione nucleofila all’atomo C saturo CH3-SG + HI + GSH CH3I metilioduro sostituzione nucleofila all’atomo C aromatico Cl Cl Cl SG + HCl + GSH NO2 3,4-dicloronitrobenzene sostituzione nucleofila all’atomo C saturo di una catena laterale dell’anello NO2 CH2SG CH2Cl + GSH + HCl cloruro di benzile reazione di addizione su un doppio legame C=C CHCOOC2H5 CHCOOC2H5 + GSH CH2COOC2H5 GS CHCOOC2H5 dietilmaleato reazione di addizione con apertura dell’anello di un epossido O CH CH2 CH(OH)CH2 SG + GSH 1,2-epossidazione REAZIONI DI FASE II: GLUTATIONE-CONIUGAZIONE i coniugati di xenobiotici sono degradati nei reali GSH- S TRANSFERASI prodotti di eliminazione, N-acetilati cistein-tioeteri (acidi mercaptanici) O C Gly HC CH2 SH HN g Glu + RX GSH-S-transferasi HX O C Gly HC CH2 SR HN g Glu g-glutamiltranspeptidasi Glu O C Gly CH2 SR HC HN2 cisteinilglicinasi Gly COOH CH2 SR HC HN2 AcCoa N-acetiltransferasi COOH HC CH2 SR HN C CH3 O acido mercaptanico Cys-S-R + H2O R-SH + CH3COCOOH + HN3 cisteina b liasi Tuttavia le cisteine b liasi, presenti soprattutto nel fegato, reni e batteri intestinali, possono scindere allo stadio di cisteina-coniugato il legame B-C della cisteina e lo zolfo con la formazione di un tiolo reattivo e instabile come anche di piruvato e ammoniaca REAZIONI DI FASE II: AMINOACIDI-CONIUGAZIONE alcuni acidi carbossilici vengono trasformati ACIDI CoA-LIGASI ATP- e N-ACETILTRANSFERASI in amidi per coniugazione con aa DIPENDENTI mitocondri citosol glicina glutamina SUBSTRATI acidi carbossilici aromatici gli acidi carbossilici sono substrato anche per la glucuronazione acidi acetici aromatici sostituiti acido b-arilpropionico acidi acrilici b-sostituiti CONIUGAZIONE CON GLICINA attivazione PP COOH acido benzoico AMP O C AMP ATP adenilato C S CoA CoA coenzima A-tioestere O O C S CoA C NH CH2 coenzima A-tioestere NH2 CH2 COOH O COOH REAZIONI DI FASE II: ACETILAZIONE nella biotrasformazione degli xenobiotici i gruppi N-ACETILTRANSFERASI aminici e idrossilaminici sono acetilati citosol possono essere acetilate sia SUBSTRATI all’N che al gruppo idrossilico amine aromatiche acido arilidrossamico alcune amine alifatiche primarie alcune idrossilamine acetossiarilamina idrazine idrazidi solfonamidi N-idrossiderivati delle arilamine arilidrossilamine Il co-substrato “attivato” della reazione è l’acetil CoA NH2 NH O CH3 C CH C CH2 CH2 OH CH2 C O CH3 O P O P O O - - O CH2 N O O O NH CH2 CH2 S C CH3 N N O O - HO3P N si forma durante il metabolismo intermedio della sostanza dal CoA Attraverso l’acetilazione del gruppo sulfidrilico della molecola O H La N- e O-acetilazione di arilamine o arilidrossilamine avviene in 2 stadi: il gruppo acetilico del co-substrato è trasferito all’enzima il gruppo acetilico è sottratto dal gruppo aminico o idrossilaminico del substrato Forme polimorfiche REAZIONI DI FASE II: METILAZIONE O-METIL, N-METIL, S-METIL, TRANSFERASI nella metilazione di xenobiotici vengono mascherati i gruppi funzionali e aumenta la lipofila citosol microsomi gruppi idrossilici fenolici (-OH del pirogallolo) possono essere metilati gruppi aminici 1a, 2a, 3a (atomo N della piridina) gruppi sulfidrilici (-SH del metiltiolo) Dal punto di vista quantitativo, la metilazione ha un’importanza minore nel metabolismo degli xenobiotici Il co-substrato “attivato” della reazione è la S-adenosilmetionina(SAM) HOOC CH CH2 + CH2 S CH2 N N O H H H H CH2 per donazione del gruppo metilico HO OH S-adenosilomocisteina NH2 N N MUTAZIONI E LORO AZIONE SUL FENOTIPO mutazioni geniche conseguenza enzimatica scambio di basi esempio diminuzione N-acetiltransferasi 2 aumento alcol deidrogenasi 2 perdita aldeide deidrogenasi 2 insersione di basi perdita citocromo P-450 2D6 delezione di gene perdita citocromo P-450 2D6, glutatione S transferasi amplificazione genica aumento citocromo P-450 2D6 BIOTRASFORMAZIONE DEGLI XENOBIOTICI E SISTEMA IMMUNITARIO molecole estranee di PICCOLE dimensioni molecole estranee di GROSSE dimensioni virus e batteri La biotrasformazione degli xenobiotici può essere considerata un importante meccanismo omeostatico Il sistema immunitario è responsabile del meccanismo omeostatico quantità illimitata di anticorpi specifici