TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2014 – 2015 Curs 5

  • Published on
    30-Jan-2017

  • View
    216

  • Download
    3

Embed Size (px)

Transcript

  • TOXICOLOGIE ORGANIC Sem. II 2014 2015

    Lector dr. Adriana Urd

    Curs 5. Biotransformarea compuilor organici prin reacii metabolice

    (continuare). Reacii din faza I oxidarea

    Reacii din faza I (continuare)

    Oxidarea

    Reprezint modalitatea cea mai frecvent de biotransformare pentru cea mai mare parte a

    compuilor cunoscui i se realizeaz n celulele hepatice. Multe dintre reacii sunt catalizate de

    complexul de enzime numit citocrom P450, iar altele de enzime numite monooxidaze sau

    dehidrogenaze.

    Printre enzimele de biotransformare din faza I, citocromul P450 este cel mai important

    din punct de vedere al posibilitilor de realizare a reaciilor catalitice i al numrului de compui

    xenobiotici pe care i detoxific sau i bioactiveaz la intermediari reactivi. Cea mai mare

    concentraie de enzime P450 implicate n biotransformarea xenobioticelor se gsete n ficat, dar

    enzimele P450 sunt prezente n toate esuturile.

    Toate enzimele P450 sunt proteine care conin un centru activ cu fier n starea feric

    (Fe3+

    ), ce poate trece uor i reversibil la starea feroas (Fe2+

    ). Cnd este redus la forma feroas,

    citocromul P450 poate lega liganzi ca O2 sau CO. Complexul dintre citocromul P450 feros i CO

    are un maxim de absorbie a luminii la 450 nm, de unde vine i numele citocromului P450.

    Reacia de baz catalizat de citocromul P450 este monooxigenarea, n care un atom de

    oxigen este ncorporat ntr-un substrat RH:

    RH + [O] ROH

    Produsele nu sunt ns limitate la alcooli i fenoli, ROH desemnnd un produs n care se

    insereaz un atom de oxigen.

    Ciclul catalitic al citocromului P450 este prezentat n figura 1. Prima parte a ciclului

    implic activarea oxigenului, iar partea final implic oxidarea substratului. Dup legarea

    substratului de enzima P450, fierul este redus de la forma feric (Fe3+

    ) la cea feroas (Fe2+

    ) prin

    adiia unui singur electron de la o enzim (reductaz). Oxigenul se leag de citocromul P450 n

    starea feroas, iar complexul Fe2+

    O2 este transformat ntr-un complex Fe2+

    OOH prin adiia unui

    proton i unui alt electron de la reductaz.

    Introducerea unui al doilea proton rupe complexul Fe2+

    OOH pentru a produce ap i un

    complex (FeO)3+

    , care i transfer atomul de oxigen substratului. Eliberarea substratului oxidat

    readuce citocromul P450 la starea sa iniial.

  • 2

    Figura 1. Ciclul reaciei de monooxigenare catalizat de citocromul P450.

    Pe lng reaciile de oxidare, citocromul P450 poate cataliza i reacii de reducere (cum

    sunt reducerea grupelor azo i nitro, dehalogenarea reductoare), aa cum am vzut la reaciile de

    reducere din faza I.

    Exemple de reacii de oxidare:

    - hidroxilarea aromatic i alifatic

    Citocromul P450 din ficat transform benzenul n fenol, care la rndul lui este oxidat la

    hidrochinon:

    Hidroxilarea hidrocarburilor aromatice poate decurge printr-un intermediar oxiranic (oxid

    al unei arene), care apoi izomerizeaz la fenolul corespunztor.

    Naftalin

    naftalen-1,2-epoxid

    1-naftol + 2-naftol

    O altenativ a hidroxilrii aromatice pote decurge printr-un mecanism cunoscut ca

    inserie direct. Orto-hidroxilarea i para-hidroxilarea clorobenzenului decurg prin epoxidarea

  • 3

    2,3 i 3,4, n timp ce meta-hidroxilarea decurge prin inserie direct, aa cum observ din figura

    2:

    Figura 2. Hidroxilarea aromatic a clorobenzenului.

    Hidroxilarea alifatic implic inseria unui oxigen ntr-o legtur CH. Ca i n cazul

    hidroxilrii aromatice prin inserie direct, ruperea legturii CH prin extragerea hidrogenului

    este etapa determinant de vitez:

    n cazul hidrocarburilor simple, neramificate, cum este n-hexanul, hidroxilarea alifatic

    apare att la grupele metil terminale, ct i la grupele metilen interne.

    n-hexan

    n-hexanol + toi izomerii

    n-propilbenzen

    3-fenilpropan-1-ol

    1-fenilpropan-2-ol

    1-fenilpropan-1-ol

    n cazul acizilor grai i derivailor lor, hidroxilarea alifatic apare la carbonul

    (gruparea metil terminal) i la penultimul carbon, aa cum se observ pentru acidul lauric n

    figura 3:

    Clorobenzen

    2,3-oxid

    3,4-oxid

    orto-hidroxilare

    meta-hidroxilare

    para-hidroxilare

    Inserie direct

  • 4

    Figura 3. Hidroxilarea alifatic n cazul acizilor grai (acidul lauric).

    - epoxidarea

    Compuii xenobiotici care conin o legtur dubl C=C (de ex. alchenele) pot fi epoxidai

    (transformai n oxirani) similar cu oxidarea compuilor aromatici la oxizi. Aa cum oxizii

    arenelor se pot izomeriza la fenoli, epoxizii alifatici se pot izomeriza la enolul corespunztor. Ca

    i oxizii arenelor, epoxizii alifatici sunt metabolii potenial toxici. Ex.: epoxidarea insecticidului

    aldrin la dieldrin.

    Aldrin Dieldrin

    Oxidarea unor alchene sau alchine alifatice produce metabolii care sunt suficient de

    reactivi pentru a se lega covalent de centrul activ cu fier al citocromului P450, pe care l

    inactiveaz, un proces cunoscut ca inhibare dependent de metabolism sau inactivare sinuciga.

    - N-oxidarea: este o reacie prin care se realizeaz oxidarea aminelor teriare nucleofile

    la N-oxizi, iar a aminelor primare i secundare la hidroxilamine. De ex., din nicotin (amin

    teriar) se obine nicotin-1-N-oxid:

    Anilin

    Fenilhidroxilamin

    - P-oxidarea: conduce la inseria unui atom de oxigen la atomul de fosfor:

    Difenilmetilfosfin Difenilmetilfosfinoxid

    Acid lauric

    Acid 11-hidroxilauric

    Acid 12-hidroxilauric

  • 5

    - Sulfoxidarea:

    Enzimele catalizeaz oxigenarea (oxidarea) mai multor compui xenobiotici care conin S

    n dou reacii consecutive de sulfoxidare: una care transform sulfura (S ) n sulfoxid (SO),

    de ex. la oxidarea cimetidinei:

    Cimetidin (sulfur) Cimetidin-S-oxid

    Reacia consecutiv transform sulfoxidul n sulfon (-SO2-), figura 4.

    Figura 4. Oxidarea sulfoxidului la sulfone.

    Etapa iniial n oxigenarea heteroatomului de ctre citocromul P450 implic extragerea

    unui electron de la heteroatom (N, S sau I) de ctre complexul (FeO)3+

    , aa cum se observ mai

    jos pentru sulfoxidare:

    - N-dezalchilarea:

    Mecanismul reaciei de eliminare a unei grupe alchil legat de un atom de azot (reacia

    de N-dezalchilare) este similar cu cel de la sulfoxidare. Extragerea electronului de la atomul de

    azot este urmat rapid de extragerea unui proton (H+) de carbonul (carbonul ataat de azot).

    Rearanjarea atomului de oxigen conduce la hidroxilarea carbonului , care apoi se rearanjeaz cu

    formarea aldehidei sau cetonei corespunztoare i ruperea carbonului de la azot, aa cum se

    observ mai jos pentru N-dezalchilarea unei N-alchilamine:

    - O-dezalchilarea: este o reacie similar cu cea de N-dezalchilare (i cu reaciile de S-

    dezalchilare). De ex., pentru O-dezalchilarea p-nitroanisolului:

  • 6

    p-nitroanisol p-nitrofenol

    - dezaminarea oxidativ:

    n afar de N-dezalchilare, aminele primare pot suferi i deaminare oxidativ cu

    citocromul P450, care este un exemplu de transfer de grupare oxidant. Mecanismul este similar

    cu cel al N-dezalchilrii: carbonul adiacent aminei primare este hidroxilat, ceea ce produce un

    intermediar instabil care se rearanjeaz pentru a elimina amoniacul cu formarea unei aldehide

    sau cetone. Conversia amfetaminei la fenilaceton este un exemplu de deaminare oxidativ:

    Amfetamin Fenilaceton

    - desulfurarea reprezint nlocuirea unui atom de S dintr-un compus cu unul de O. Un

    exemplu este transformarea parathionului (insecticid) n paraoxon, care este un insecticid mai

    puternic:

    Parathion Paraoxon

    Pe lng facilitarea hidrolizei esterilor fosforici (vezi reaciile de hidroliz), citocromul

    P450 catalizeaz i ruperea esterilor acizilor carboxilici. n reaciile de hidroliz (vezi acolo),

    esterii acizilor carboxilici sunt transformai de carboxilesteraze, care conduc la formarea unui

    acid i a unui alcool. Dimpotriv, citocromul P450 transform esterii acizilor carboxilici ntr-un

    acid i o aldehid:

    R1COOCH2R2 + [O] R1COOH + R2CHO

    De asemenea, citocromul P450 catalizeaz dehidrogenarea alcoolilor i aldehidelor:

    CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH

    Reacia de dehidrogenare a alcoolului este catalizat de o enzim numit alcool

    dehidrogenaz (ADH). Etanolul este biotransformat n mare msur de ADH din ficat, dar ADH

    exist i n stomac.

    Aldehid dehidrogenaza (ALDH) oxideaz aldehidele la acizi carboxilici. Sindromul de

    nroire a feei dup consumul de alcool etilic este datorat unei acumulri rapide de acetaldehid

  • 7

    (prin oxidarea rapid a alcoolului, dar o oxidare mai lent a aldehidei), ceea ce declaneaz

    dilatarea vaselor de snge de pe fa.

    Oxidarea etanolului cu ADH i ALDH conduce la formarea de acid acetic, care este

    oxidat rapid la CO2 i ap. Totui, n anumite cazuri, alcoolii sunt transformai n acizi

    carboxilici toxici, aa cum se ntmpl n cazul metanolului i etilenglicolului, care sunt

    transformai prin intermediari aldehidici la acid formic i, respectiv, oxalic, mult mai toxici dect

    acidul acetic. Din acest motiv, otrvirea cu metanol i etilenglicol sunt tratate similar, cu etanol,

    care inhib competitiv oxidarea metanolului i a etilenglicolului de ctre ADH i ALDH.

    Biotransformarea prin intermediul citocromului P450 nu conduce ntotdeauna la

    detoxifiere, unii din compui fiind transformai (activai) la intermediari reactivi care atac

    proteinele sau ADN-ul corpului. Unele exemple au fost deja discutate, iar altele vor fi prezentate

    n capitolul urmtor al cursului (Chimia toxicologic a principalelor clase de compui organici).

    Bibliografie

    1. V. A. Voicu Toxicologie clinic, Editura Albatros, Bucureti, 1997

    2. Casarett and Doulls Toxicology: the basic science of poisons, (ed. C. D. Klaassen),

    McGraw-Hill, 2001, cap. 6 Biotransformation of xenobiotics

Recommended

View more >