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 (Fe 3+ ), ce poate trece ușor și reversibil la starea feroasă (Fe 2+ ). Când este redus la forma feroasă, citocromul P450 poate lega liganzi ca O 2 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 (Fe 3+ ) la cea feroasă (Fe 2+ ) prin adiția unui singur electron de la o enzimă (reductază). Oxigenul se leagă de citocromul P450 în starea feroasă, iar complexul Fe 2+ O 2 este transformat într-un complex Fe 2+ OOH prin adiția unui proton și unui alt electron de la reductază. Introducerea unui al doilea proton rupe complexul Fe 2+ 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.
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 2
2,3 și 3,4, în timp ce meta-hidroxilarea decurge prin inserție directă, așa cum observă din figura 2: 2,3-oxid orto-hidroxilare Inserție directă Clorobenzen meta-hidroxilare 3,4-oxid Figura 2. Hidroxilarea aromatică a clorobenzenului. para-hidroxilare 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: 3
Acid 11-hidroxilauric Acid lauric Acid 12-hidroxilauric 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 4
- 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 (-SO 2 -), 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: 5
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: R 1 COOCH 2 R 2 + [O] R 1 COOH + R 2 CHO De asemenea, citocromul P450 catalizează dehidrogenarea alcoolilor și aldehidelor: CH 3 CH 2 OH CH 3 CHO CH 3 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 6
(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 CO 2 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 7