TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2014 – 2015

Lector dr. Adriana Urdă

Curs 5. Biotransformarea compușilor organici prin reacții metabolice

(continuare). Reacții din faza I – oxidarea

Reacții din faza I (continuare)

Oxidarea

Reprezintă modalitatea cea mai frecventă de biotransformare pentru cea mai mare parte a

compușilor cunoscuți și se realizează în celulele hepatice. Multe dintre reacții 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 posibilităților de realizare a reacțiilor catalitice și al numărului de compuși

xenobiotici pe care îi detoxifică sau îi bioactivează la intermediari reactivi. Cea mai mare

concentrație de enzime P450 implicate în biotransformarea xenobioticelor se găsește în ficat, dar

enzimele P450 sunt prezente în toate țesuturile.

Toate enzimele P450 sunt proteine care conțin un centru activ cu fier în starea ferică

(Fe3+

), ce poate trece ușor și reversibil la starea feroasă (Fe2+

). Când este redus la forma feroasă,

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

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

Reacția de bază catalizată de citocromul P450 este monooxigenarea, în care un atom de

oxigen este încorporat într-un substrat RH:

RH + [O] → ROH

Produsele nu sunt însă limitate la alcooli și fenoli, ROH desemnând un produs în care se

inserează un atom de oxigen.

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

implică activarea oxigenului, iar partea finală implică oxidarea substratului. După legarea

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

) la cea feroasă (Fe2+

) prin

adiția unui singur electron de la o enzimă (reductază). Oxigenul se leagă de citocromul P450 în

starea feroasă, iar complexul Fe2+

O2 este transformat într-un complex Fe2+

OOH prin adiția unui

proton și unui alt electron de la reductază.

Introducerea unui al doilea proton rupe complexul Fe2+

OOH pentru a produce apă și un

complex (FeO)3+

, care își transferă atomul de oxigen substratului. Eliberarea substratului oxidat

readuce citocromul P450 la starea sa inițială.

2

Figura 1. Ciclul reacției de monooxigenare catalizată de citocromul P450.

Pe lângă reacțiile de oxidare, citocromul P450 poate cataliza și reacții de reducere (cum

sunt reducerea grupelor azo și nitro, dehalogenarea reducătoare), așa cum am văzut la reacțiile de

reducere din faza I.

Exemple de reacții de oxidare:

- hidroxilarea aromatică și alifatică

Citocromul P450 din ficat transformă benzenul în fenol, care la rândul lui este oxidat la

hidrochinonă:

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

al unei arene), care apoi izomerizează la fenolul corespunzător.

Naftalină

naftalen-1,2-epoxid

1-naftol + 2-naftol

O altenativă a hidroxilării aromatice pote decurge printr-un mecanism cunoscut ca

inserție directă. Orto-hidroxilarea și para-hidroxilarea clorobenzenului decurg prin epoxidarea

3

2,3 și 3,4, în timp ce meta-hidroxilarea decurge prin inserție directă, așa cum observă din figura

2:

Figura 2. Hidroxilarea aromatică a clorobenzenului.

Hidroxilarea alifatică implică inserția unui oxigen într-o legătură C–H. Ca și în cazul

hidroxilării aromatice prin inserție directă, ruperea legăturii C–H prin extragerea hidrogenului

este etapa determinantă de viteză:

În cazul hidrocarburilor simple, neramificate, cum este n-hexanul, hidroxilarea alifatică

apare atât la grupele metil terminale, cât și la grupele metilen interne.

n-hexan

n-hexanol + toți izomerii

n-propilbenzen

3-fenilpropan-1-ol

1-fenilpropan-2-ol

1-fenilpropan-1-ol

În cazul acizilor grași și derivaților lor, hidroxilarea alifatică apare la carbonul ω

(gruparea metil terminală) și la penultimul carbon, așa cum se observă pentru acidul lauric în

figura 3:

Clorobenzen

2,3-oxid

3,4-oxid

orto-hidroxilare

meta-hidroxilare

para-hidroxilare

Inserție directă

4

Figura 3. Hidroxilarea alifatică în cazul acizilor grași (acidul lauric).

- epoxidarea

Compușii xenobiotici care conțin o legătură dublă C=C (de ex. alchenele) pot fi epoxidați

(transformați în oxirani) similar cu oxidarea compușilor aromatici la oxizi. Așa cum oxizii

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

și oxizii arenelor, epoxizii alifatici sunt metaboliți potențial toxici. Ex.: epoxidarea insecticidului

aldrin la dieldrin.

Aldrin Dieldrin

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

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

inactivează, un proces cunoscut ca inhibare dependentă de metabolism sau inactivare sinucigașă.

- N-oxidarea: este o reacție prin care se realizează oxidarea aminelor terțiare nucleofile

la N-oxizi, iar a aminelor primare și secundare la hidroxilamine. De ex., din nicotină (amină

terțiară) se obține nicotin-1ʹ-N-oxid:

Anilină

Fenilhidroxilamină

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

Difenilmetilfosfină Difenilmetilfosfinoxid

Acid lauric

Acid 11-hidroxilauric

Acid 12-hidroxilauric

5

- Sulfoxidarea:

Enzimele catalizează oxigenarea (oxidarea) mai multor compuși xenobiotici care conțin S

în două reacții consecutive de sulfoxidare: una care transformă sulfura (–S– ) în sulfoxid (SO),

de ex. la oxidarea cimetidinei:

Cimetidină (sulfură) Cimetidin-S-oxid

Reacția consecutivă transformă sulfoxidul în sulfonă (-SO2-), figura 4.

Figura 4. Oxidarea sulfoxidului la sulfone.

Etapa inițială în oxigenarea heteroatomului de către citocromul P450 implică extragerea

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

, așa cum se observă mai

jos pentru sulfoxidare:

- N-dezalchilarea:

Mecanismul reacției de eliminare a unei grupe alchil legată de un atom de azot (reacția

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

azot este urmată rapid de extragerea unui proton (H+) de carbonul α (carbonul atașat de azot).

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

formarea aldehidei sau cetonei corespunzătoare și ruperea carbonului α de la azot, așa cum se

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

- O-dezalchilarea: este o reacție similară cu cea de N-dezalchilare (și cu reacțiile de S-

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

6

p-nitroanisol p-nitrofenol

- dezaminarea oxidativă:

În afară de N-dezalchilare, aminele primare pot suferi și deaminare oxidativă cu

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

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

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

sau cetone. Conversia amfetaminei la fenilacetonă este un exemplu de deaminare oxidativă:

Amfetamină Fenilacetonă

- desulfurarea reprezintă înlocuirea unui atom de S dintr-un compus cu unul de O. Un

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

puternic:

Parathion Paraoxon

Pe lângă facilitarea hidrolizei esterilor fosforici (vezi reacțiile de hidroliză), citocromul

P450 catalizează și ruperea esterilor acizilor carboxilici. În reacțiile de hidroliză (vezi acolo),

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

acid și a unui alcool. Dimpotrivă, citocromul P450 transformă esterii acizilor carboxilici într-un

acid și o aldehidă:

R1COOCH2R2 + [O] → R1COOH + R2CHO

De asemenea, citocromul P450 catalizează dehidrogenarea alcoolilor și aldehidelor:

CH3–CH2–OH → CH3–CHO → CH3–COOH

Reacția de dehidrogenare a alcoolului este catalizată de o enzimă numită alcool

dehidrogenază (ADH). Etanolul este biotransformat în mare măsură de ADH din ficat, dar ADH

există și în stomac.

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

înroșire a feței după consumul de alcool etilic este datorat unei acumulări rapide de acetaldehidă

7

(prin oxidarea rapidă a alcoolului, dar o oxidare mai lentă a aldehidei), ceea ce declanșează

dilatarea vaselor de sânge de pe față.

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

oxidat rapid la CO2 și apă. Totuși, în anumite cazuri, alcoolii sunt transformați în acizi

carboxilici toxici, așa cum se întâmplă în cazul metanolului și etilenglicolului, care sunt

transformați prin intermediari aldehidici la acid formic și, respectiv, oxalic, mult mai toxici decât

acidul acetic. Din acest motiv, otrăvirea cu metanol și etilenglicol sunt tratate similar, cu etanol,

care inhibă competitiv oxidarea metanolului și a etilenglicolului de către ADH și ALDH.

Biotransformarea prin intermediul citocromului P450 nu conduce întotdeauna la

detoxifiere, unii din compuși fiind transformați (activați) la intermediari reactivi care atacă

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

în capitolul următor al cursului (Chimia toxicologică a principalelor clase de compuși organici).

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