TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2014 – 2015

Lector dr. Adriana Urdă

Curs 4. Biotransformarea compușilor organici prin reacții metabolice.

Principii generale; reacții din faza I - hidroliza

După absorbție și distribuție, compușii toxici se elimină din organism pe căile uzuale, în

special pe cale urinară pentru compușii hidrosolubili, fără o biotransformare prealabilă.

Compușii liposolubili se elimină foarte greu pe cale urinară, deoarece sunt reabsorbiți la

nivelul rinichilor. Cu cât compusul este mai liposolubil, cu atât atât biotransformările

metabolice sunt mai extinse. Prin aceste transformări compusul devine din liposolubil (nepolar)

din ce în ce mai hidrosolubil (mai polar). O excepție de la această regulă generală este eliminarea

compușilor volatili prin expirație, caz în care biotransformarea în compuși nevolatili, solubili în

apă poate micșora viteza de eliminare.

Fără biotransformare, compușii xenobiotici lipofili ar fi excretați din corp atât de lent,

încât în cele din urmă s-ar acumula în cantități prea mari și ar conduce la moartea unui organism.

În multe cazuri, modificarea chimică a unui compus xenobiotic prin biotransformare îi

modifică efectele biologice. Toxicitatea poate varia în urma biotransformării, fie în sensul

detoxifierii, fie în sensul bioactivării (creșterea toxicității prin transformarea în reacții

metabolice). Importanța acestui principiu în farmacologie este că unele medicamente trebuie să

sufere biotransformare pentru a-și exercita efectul (adică nu medicamentul, ci metabolitul lui are

efect farmacologic). Importanța principiului pentru toxicologie este că mulți compuși xenobiotici

trebuie să sufere biotransformare pentru a-și exercita efectul toxic sau cancerigen (adică mulți

compuși chimici ar fi considerabil mai puțin toxici sau cancerigeni dacă nu ar fi transformați în

metaboliți reactivi de către enzime). În cele mai multe cazuri, însă, biotransformarea elimină

efectul farmacologic sau micșorează efectul toxic al compușilor xenobiotici.

Într-o oarecare măsură, gradul în care organismele sunt expuse la compuși xenobiotici

determină capacitatea lor de biotransformare. De ex., insectele care se hrănesc cu plante diferite

au o capacitate mai mare de a biotransforma xenobiotice decât insectele care se hrănesc cu un

număr limitat de plante; acestea, la rândul lor, au o capacitate mai mare de a biotransforma

xenobiotice decât insectele care se hrănesc cu un singur tip de plante. În comparație cu

mamiferele, peștii au o capacitate scăzută de a metaboliza xenobiotice, aparent pentru că le pot

elimina nemodificate prin branhii.

Principii generale

În general, biotransformarea compușilor xenobiotici este realizată de un număr mic de

enzime, care pot transforma un număr mare de molecule. Sinteza unora dintre aceste enzime este

declanșată de xenobiotic (printr-un proces de inducere a enzimei), dar în cele mai multe cazuri

enzimele sunt sintetizate în absența unui stimul extern specific.

Structura unei enzime de biotransformare (adică secvența de aminoacizi) poate să difere

de un individ la altul, ceea ce dă naștere unor diferențe între vitezele de biotransformare a

xenobioticelor.

Termenii biotransformare și metabolism sunt deseori utilizați ca sinonime, în special

atunci când ne referim la medicamente. De ex., enzimele de biotransformare a compușilor

xenobiotici sunt deseori denumite enzime de metabolizare, dar termenul enzime de

2

biotransformare este mai cuprinzător. Termenul metabolism este deseori utilizat pentru a descrie

transformarea finală a unui xenobiotic, incluzând adsorbția, distribuția, biotransformarea și

eliminarea. Totuși, metabolism este utilizat în mod obișnuit pentru a desemna biotransformarea,

ceea ce este de înțeles prin faptul că produsele de biotransformare a xenobioticelor sunt

cunoscute ca metaboliți.

Mulți compuși xenobiotici, în special medicamente, conțin unul sau mai mulți centri

chirali și pot exista sub forma enantiomerilor și/sau diastereoizomerilor. Biotransformarea

unora dintre compușii xenobiotici chirali se produce stereoselectiv – adică unul dintre

enantiomeri (diastereoizomeri) este biotransformat mai rapid decât celălalt. Capacitatea unora

dintre compușii xenobiotici chirali de a inhiba activitatea enzimelor de biotransformare se poate

produce, de asemenea, selectiv (doar unul dintre enantiomeri produce inhibarea).

În unele cazuri, molecule achirale (sau centri achirali) sunt transformați într-un amestec

de metaboliți enantiomeri, iar această transformare poate decurge stereoselectiv astfel încât unul

dintre enantiomeri este format preferențial. Cetonele pot fi reduse de enzime la un amestec de

alcooli secundari enantiomeri, iar acest lucru se produce deseori cu un grad mare de

stereoselectivitate. De ex., pentru pentoxifilină, un medicament recomandat pentru tulburări

circulatorii:

Pentoxifilină (cetonă)

Alcool secundar (configurația S)

– produs major

Alcool secundar (configurația R)

– produs minor

Reducerea cetonelor la alcooli secundari este o reacție reversibilă, și astfel de

interconversii pot duce la o inversie a configurației, caz în care, de ex., un alcool secundar cu

configurație R este oxidat la o cetonă (care este achirală); aceasta , la rândul ei, este redusă la un

alcool secundar cu configurație S (adică R-alcool → cetonă → S-alcool).

Reacțiile de biotransformare metabolică se împart în două tipuri importante:

1. Reacțiile din faza I implică hidroliza, reducerea și oxidarea. Aceste reacții expun sau

introduc o grupare funcțională (-OH, -NH2, -SH sau –COOH), și conduc în mod obișnuit la o

creștere mică a hidrofilicității.

2. Reacțiile din faza a II-a includ glucoronidarea, sulfonarea (cunoscută mai uzual ca

sulfatare), acetilarea, metilarea, conjugarea cu glutation (sinteza acidului mercapturic) și

conjugarea cu aminoacizi (cum sunt glicina, taurina și acidul glutamic). Enzimele pentru aceste

reacții reacționează cu grupele funcționale, care fie sunt prezente în compusul xenobiotic, fie

sunt introduse/expuse în timpul fazei I a biotransformării. Cele mai multe reacții din faza a II-a a

biotransformării conduc la o creștere mare a hidrofilicității compusului xenobiotic, deci

intensifică mult excreția compușilor străini. Biotransformarea compușilor xenobiotici în faza a

II-a poate fi precedată sau nu de biotransformarea în faza I.

3

Diferențele de toxicitate observate între diferite specii sau de la un organism la altul,

pentru același compus toxic, își au originea în căile diferite de metabolizare și în viteza diferită

de desfășurare a acestor procese.

Enzimele de biotransformare a compușilor xenobiotici există în întregul corp. La

vertebrate, ficatul este cea mai bogată sursă de enzime care catalizează reacțiile de

biotransformare. Aceste enzime mai sunt localizate în piele, plămâni, mucoasa nazală, ochi și

tractul GI – care sunt căi majore de expunere la compuși xenobiotici – ca și în numeroase alte

țesuturi, incluzând rinichii, pancreasul, splina, inima, creierul, testiculele, ovarele, placenta,

plasma sanguină etc. Microflora intestinală joacă un rol important în biotransformarea anumitor

xenobiotice.

Reacții din faza I

Hidroliza

Mamiferele conțin diferite enzime pentru hidroliză, denumite esteraze (ex.

carboxilesteraze) și amidaze, care hidrolizează compușii xenobiotici cu grupări funcționale cum

sunt esterii acizilor carboxilici (ex. procaina, medicament analgezic), amidele (ex.

procainamida, medicament pentru aritmiile cardiace), tioesterii (ex. spironolactona, medicament

diuretic și antihipertensiv), esterii acidului fosforic (ex. paraoxon, metabolit al insecticidului

parathion) etc.

- hidroliza esterilor acizilor carboxilici:

Procaină (novocaină) Acid p-aminobenzoic Alcool (dietilaminoetanol)

- hidroliza amidelor:

Procainamidă Acid p-aminobenzoic Amină

- hidroliza tioesterilor:

Spironolactonă Tiol Acid acetic

4

- hidroliza esterilor fosforici:

Paraoxon p-Nitrofenol Fosfat acid de dietil

Metabolismul compușilor xenobiotici prin intermediul carboxilesterazelor nu este

întotdeauna un proces de detoxifiere, ci se poate produce bioactivarea. De ex., dimetilesterul

acidului succinic, CH3O–CO–CH2CH2–CO–OCH3, este hidrolizat la două molecule de metanol

(CH3OH, toxic) și acid succinic, HOOC–CH2CH2–COOH, care produce leziuni ale mucoasei

nazale. Acetatul de vinil, CH3–COO–CH=CH2, este hidrolizat la acid acetic, CH3COOH, și

acetaldehidă, CH3–CHO, care se poate lega covalent de ADN și proteine, producând tumori

nazale.

O altă reacție de hidroliză este cea de adiție a apei la epoxizii alchenelor și la oxizii

arenelor (oxirani), intermediari care se pot forma în timpul oxidării alchenelor alifatice și a

hidrocarburilor aromatice în prezența citocromului P450, catalizată de enzime numite epoxid

hidrolaze. Citocromul P450 este, de fapt, o familie de enzime ce catalizează multe reacții în

corp.

Mulți epoxizi și oxizi sunt metaboliți intermediari formați în timpul oxidării compușilor

xenobiotici alifatici nesaturați și aromatici. Acești metaboliți se pot lega de proteine și acizi

nucleici și pot produce toxicitate celulară și mutații genetice. Faptul că epoxid hidrolazele și

citocromul P450 sunt localizate în aceleași organe din corp (ex. ficat) asigură detoxifierea rapidă

a acestor epoxizi alchenelor oxizi.

- hidroliza epoxizilor:

Stiren-7,8-epoxid Stiren-7,8-diol

- hidroliza oxiranilor:

Naftalen-1,2-oxid Naftalen-1,2-diol

Reducerea

Anumiți compuși xenobiotici care conțin o grupare aldehidă, cetonă, disulfură, sulfoxid,

chinonă, N-oxid, alchenă, azo sau nitro, sunt deseori reduși în organele sau țesuturile corpului.

Unele din aceste grupe funcționale pot suferi fie reducere, fie oxidare. De ex., aldehidele

(RCHO) pot fi reduse la un alcool (RCH2OH) sau oxidate la un acid carboxilic (RCOOH), în

timp ce sulfoxizii (R1SOR2) pot fi reduși la sulfură (R1SR2) sau oxidați la o sulfonă (R1SO2R2).

În cazul compușilor halogenați, dehalogenarea poate decurge pe cale oxidativă sau reducătoare,

5

ambele fiind catalizate de aceeași enzimă, citocromul P450. În unele cazuri, cum sunt reducerea

grupelor azo și nitro, sau la reducerea unor duble legături (de ex. acidul cinamic,

C6H5CH=CHCOOH), reacția este catalizată în mare măsură de flora intestinală.

- reducerea grupelor azo și nitro În timpul reducerii grupei azo, dubla legătură N-N este redusă treptat și ruptă, cu

obținerea a două amine primare, o reacție care necesită patru atomi de hidrogen. Reducerea

grupei nitro necesită șase atomi de hidrogen, care sunt consumați în trei reacții succesive, așa

cum se observă pentru reducerea nitrobenzenului la anilină.

Reducerile grupelor azo și nitro sunt catalizate de microflora instestinală și de două

enzime din ficat, dintre care una este citocromul P450. Reacțiile sunt inhibate de oxigen, dar în

mediul anaerob din intestin ele au loc semnificativ. Cea mai mare parte a reacțiilor catalizate de

citocromul P450 implică oxidarea compușilor xenobiotici, dar reducerile grupelor azo și nitro

sunt exemple în care, în condiții de lipsă de oxigen, citocromul P450 poate cataliza reducerea

compușilor xenobiotici.

Prontosil (compus azo) 1,2,4-triaminobenzen Sulfanilamidă

Nitrobenzen Nitrozobenzen Fenilhidroxilamină Anilină

Exemplu de reducere a unui nitroderivat: reducerea cloramfenicolului (antibiotic):

Cloramfenicol Arilamină (metabolit)

- reducerea grupei carbonil: reducerea anumitor aldehide la alcooli primari și a cetonelor

la alcooli secundari este catalizată de enzime (multe dintre ele numite carbonil reductaze)

prezente în sânge, ficat, rinichi, creier etc. De ex., pentru haloperidol (medicament antipsihotic):

6

Reducerea cetonelor la alcooli secundari poate decurge cu grad mare de

stereoselectivitate, așa cum am arătat în cazul pentoxifilinei (vezi subcapitolul Principii

generale).

- reducerea sulfoxizilor conduce la sulfuri. De ex., pentru sulindac (medicament inti-

inflamator):

Sulfură

- reducerea chinonelor conduce la hidrochinone. De ex, pentru menadionă (precursor al

vitaminelor K):

Menadionă Hidrochinonă

- dehalogenarea. Există trei mecanisme majore pentru îndepărtarea halogenilor (F, Cl,

Br, și I) din compușii xenobiotici alifatici. Primul, cunoscut ca dehalogenare reducătoare,

implică înlocuirea unui halogen cu hidrogen:

Pentahaloetan Tetrahaloetan

În al doilea mecanism, cunoscut ca dehalogenare oxidativă, un atom de halogen și unul

de hidrogen de la același atom de carbon sunt înlocuite cu oxigen. În funcție de structura

compusului halogenat, dehalogenarea oxidativă conduce la formarea unei halogenuri de acil sau

a unei aldehide:

Pentahaloetan Halogenură de trihaloacetil

Tetrahaloetan Trihaloacetaldehidă

7

Al treilea mecanism de dehalogenare implică eliminarea a doi halogeni de la atomi de

carbon adiacenți, cu formarea unei legături duble C=C:

Pentahaloetan Trihaloetenă

O variantă a acestui mecanism este dehidrohalogenarea, în care un hidrogen și un halogen

de la atomi de carbon adiacenți sunt eliminați pentru a forma legătura C=C.

Dehalogenarea reducătoare și cea oxidativă sunt ambele catalizate de citocromul P450

(capacitatea citocromului P450 de a cataliza atât reacții de reducere, cât și de oxidare va fi

explicată ulterior).

Bibliografie

1. V. A. Voicu – Toxicologie clinică, Editura Albatros, București, 1997

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

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