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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
ASSORBIMENTO METABOLISMO
Idrofilico
BIOTRASFORMAZIONE degli XENOBIOTICI
Xenobiotico
Metabolita
con attività diversa
Metabolita inattivo
Coniugato
Coniugato
Xenobiotico
Lipofilico
Xenobiotico Coniugato
Fase I Fase II
E
L
I
M
I
N
A
Z
I
O
N
E
Tipi di reazioni Enzima
Fase I
Ossidazione
Riduzione
Idrolisi
Fase II
Coniugazione
Citocromo P450
Alcol deidrogenasi
Aldeide deidrogenasi
Monossigenasi flaviniche
Monoaminossidasi
Chinone reduttasi (DT diaforasi)
Citocromo P450 reduttasi
Epossido idrolasi
UDP glucuronil transferasi
Solfotransferasi
N-acetil transferasi
Metiltransferasi
Coniugazione con amminoacidi
Glutatione transferasi
Enzimi del metabolismo degli xenobiotici
CITOCROMO P450 (emoproteina)
Protoporfirina: anello tetrapirrolico Protoporfirina IX + Fe = Eme
Cys SH
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.
XH + O2 + NAD(P)H + H+ XOH + NAD(P)+ + H2O
Reazione catalizzata dal P450
Il citocromo P450 è una ossidasi a funzione mista (monossigenasi)
X = Substrato
SUBSTRATI DEL CITOCROMO P450
Xenobiotici Composti di origine fisiologica
Farmaci, inclusi antibiotici
Carcinogeni
Antiossidanti
Solventi
Anestetici
Coloranti
Pesticidi
Derivanti del petrolio
Alcol
Odori
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
Non si conosce la ragione dell’esistenza delle due vie
S
SOH
S.
H2O2
O2.
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, CCl
4
Xenobiotici metabolizzati dal citocromo P450
Ossidrilazione composti alifatici
Pentobarbital
EPOSSIDAZIONE
Fenobarbital (sedativo, analgesico)
cancerogeno
HCHO
HCHO
Reazioni di dealchilazione
Deacetilazione dell’atomo di azoto
Dealchilazione dell’atomo di ossigeno
Deacetilazione dell’atomo di zolfo
Dealchilazione sull’atomo di azoto
REAZIONI DI OSSIDAZIONE
Dealogenazione riduttiva del CCl4(tetracloruro di carbonio)
Solvente organico
10-15% nel fegato5%
30%
CYP…
SUPERFAMIGLIA
Circa 150 geni
9 %
Cyp 3A4 metabolizza
circa il 60% 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
Farmacogenetica:
basi ereditarie delle differenze tra gli individui nell’azione dei farmaci
Polimorfismo del CYP2D6 nella popolazione caucasica
Allele con
funzionalità scarsaMutante nullo
Allele con
funzionalità normale
Attività
Polimorfismo del CYP2D6 nella popolazione caucasica
Allele con
funzionalità scarsaMutante nullo
Allele con
funzionalità normale
Co
nce
ntra
zio
ne
nel s
iero
• 3-metilcolantrene, benzopirene, diossina, fumo,
alimenti cotti a carbone, crocifere
• Fenobarbital, DTT
• Isoniazide, etanolo
• Steroidi, antibiotici
• Clofibrato, plastificanti
CYP1A1, CYP1A2
CYP2B1, CYP2B2
CYP3A1, CYP3A2
CYP2E1
CYP4A1, CYP 4A2, CYP4A3
Induttori del P450: appartengono a 5 classi,
con diverso meccanismo d’azione
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)
Tipi di reazioni Enzima
Fase I
Ossidazione
Riduzione
Idrolisi
Fase II
Coniugazione
Citocromo P450
Alcol deidrogenasi
Aldeide deidrogenasi
Monossigenasi flaviniche
Monoaminossidasi
Chinone reduttasi (NQO1 o DT
diaforasi)
Citocromo P450 reduttasi
Epossido idrolasi
UDP glucuronil transferasi
Solfotransferasi
N-acetil transferasi
Metiltransferasi
Coniugazione con amminoacidi
Glutatione transferasi
Enzimi del metabolismo degli xenobiotici
Metabolismo dell’etanolo
Alcol deidrogenasi Aldeide deidrogenasi
energia
tossica
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 O2- H2O2 OH. H2O
e-e-e- e-
Ossidasi
Citocromo c ossidasi; ceruloplasmina plasmatica
Reazioni tipo Fenton catalizzate da metalli:
O2 H2O2
Men + O2
-Men-1 OH- + HO. + Men Me = rame o ferro
Dismutazione dell’O2- spontanea o enzimatica ( superossido dismutasi )
Ossidasi perossisomiali: es. aminoacido ossidasi, urato ossidasi
Amino ossidasi ( diamino ossidasi, lisil ossidasi, monoamino ossidasi )
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
Prodotti di degradazione dei lipidi perossidati
Semialdeide glutamica
N
COR2
CONHR1 OCONHR1
NH
COR2
-prolil-
NH2
NHNH
CONHR1
R2CONH
-arginil-
CONHR2
NH2
R2CONH
-lisil-
O
CONHR1NH
COR2
Semialdeide aminoadipica
Ossidazione delle proteine: carbonilazione di residui amminoacidici