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