Tutti gli organismi viventi sono continuamente
esposti a composti xenobiotici di origine naturale
o sintetica
La velocità con cui i composti esogeni sono
eliminati dall’organismo dipende in primo
luogo dalla loro idrosolubilità
I composti lipofili, infatti, tendono ad essere
riassorbiti nell’intestino e nei tubuli renali
data la loro capacità di diffusione attraverso
le membrane cellulari
Eukaryotic cell
The Cell
Membrane
Cell Membrane:
At Very High
Magnification
& in color
Membrane Structure
Gli organismi superiori hanno sviluppato dei
meccanismi di difesa per convertire i composti lipofili in
metaboliti più idrosolubili. Tali processi biochimici
vengono detti processi di biotrasformazione.
Le reazioni enzimatiche deputate all’eliminazione
di xenobiotici vengono distinte in reazioni di
FASE I e reazioni di FASE II
Le reazioni di FASE I consistono in ossidazioni,
riduzioni ed idrolisi: aggiunta di gruppi
funzionali, -SH, -OH, -NH2, -COOH, nella
molecola del composto che viene metabolizzato
Le reazioni di FASE II consistono in processi di
coniugazione e sintesi: il composto esogeno, o un
suo metabolita derivante dalle reazioni di FASE I,
si combina con una molecola endogena formando
un coniugato maggiormente solubile in acqua
Gli enzimi ed i sistemi enzimatici che catalizzano
le reazioni di biotrasformazione sono localizzati
soprattutto a livello epatico
Il fegato, infatti, riceve e processa le sostanze
estranee assorbite per via gastrointestinale prima
che queste possano raggiungere gli altri organi e
tessuti
Il metabolismo epatico dei composti estranei
all’organismo avviene ad opera di svariati sistemi
enzimatici
Gli enzimi di FASE I (quelli che aggiungono o
espongono gruppi funzionali) hanno
principalmente sede a livello del reticolo
endoplasmatico, una rete di canali interconnessi
presenti nel citoplasma della maggior parte delle
cellule
La localizzazione degli enzimi di FASE I in una
matrice lipoproteica costituisce un elemento di
grande importanza in quanto i substrati lipofili degli
enzimi metabolizzanti si distribuiscono
preferenzialmente nelle membrane lipidiche
In seguito a omogenizzazione di un campione di
fegato si ha la rottura del reticolo endoplasmatico e i
frammenti delle membrane si aggregano a formare
microvescicole. A queste si dà comunemente il nome
di microsomi
Gli enzimi di biotrasformazione vengono definiti
citoplasmatici o microsomiali per indicare la loro
specifica localizzazione subcellulare
L’azione svolta dagli enzimi di FASE I e II di
solito risulta “positiva” in quanto queste reazioni
rendono più solubili gli xenobiotici: ciò favorisce
il loro allontanamento dall’organismo e limita
l’eventuale azione tossica
Nei processi di bioattivazione i metaboliti che si
formano in seguito a biotrasformazione risultano
più tossici del composto di partenza (es. pesticidi)
oppure si formano intermedi altamente instabili e
reattivi
Le biotrasformazioni di FASE I avvengono attraverso
due sistemi enzimatici ossidativi: il sistema del
citocromo P-450 e il sistema delle aminoossidasi a
funzione mista. In ogni caso si ha l’addizione di gruppi
idrossilici nella molecola del substrato
Il citocromo P-450 è un sistema comprendente due
enzimi, la NADPH-citocromo P-450 reduttasi più lo
stesso citocromo P-450, enzima contenente eme
Unique characteristics of
biotransformation enzymes
• Inducible
– transcription is dependent on both internal and
external ‘signals’
– some transcription factors are activated by
external ligands
– chemicals that ‘up-regulate’ the transcription of
biotransformation enzymes are called ‘enzyme
inducers’
– induction may occur via the ligand binding to an
endogenous receptor
– induction may occur indirectly through alterations
of the intracellular environment - e.g., redox status
Ciclo catalitico del citocromo P-450:
nelle reazioni catalizzate dal citocromo P-450 il
substrato (RH) si combina con la forma ossidata del
citocromo (Fe3+) a formare il complesso substratocitocromo. Questo riceve in seguito un elettrone dal
NADPH (attraverso la NADPH-citocromo P-450
reduttasi) : il ferro del gruppo eme viene ridotto a Fe2+
Il complesso substrato-citocromo ridotto reagisce con
l’ossigeno molecolare e riceve un altro elettrone dal
NADPH
Il substrato, intanto, si dissocia dal citocromo P-450,
rigenerando la forma ossidata dello stesso
Esempi di reazioni catalizzate dal citocromo P-450
sono:
l’idrossilazione alifatica del carbonio o -1
RCH2CH2CH3RCH2CHOHCH3
l’idrossilazione aromatica
R-Ar R-Ar-OH
L’ossidazione dello zolfo e dell’azoto
R-S-R R-SO-R
Il monossido di carbonio è un potente inibitore
delle reazioni catalizzate dal citocromo P-450 in
quanto compete con l’ossigeno per il legame con
la forma ridotta dell’enzima
Metabolism of benzene to
toxic intermediates
OH
OH
P450
P450
OH
O.
Protein and
DNA binding bone marrow
suppression
OH
myeloperoxidase
OH
OH
Le Monoossigenasi microsomiali FADdipendenti sono enzimi ossidativi che
intervengono nelle biotrasformazioni di FASE I
Questi enzimi sono flavoproteine del reticolo
endoplasmatico capaci di ossidare funzioni
azotate nucleofile utilizzando NADPH e O2
Susbrati della monoossigenasi flavinica
sono le amine, composti solforati (solfuri,
tioeteri, tioli,…) ed organofosforici
Le biotrasformazioni di FASE II hanno carattere
biosintetico, avvengono mediante attivazione di
cofattori o del substrato e si possono distinguere in:
- Glucuroniltransferasi
- Solfotransferasi
- N-acetil-transferasi
- Coniugazioni con aminoacidi
- Glutatione S-transferasi
Glucuroniltransferasi
La coniugazione con acido glucuronico è una delle principali
reazioni di Fase II: consente la conversione di sostanze
esogene o endogene in metaboliti (glucuronidi) polari e
idrosolubili, che vengono eliminati con la bile o con le urine
L’enzima che catalizza la reazione è la uridin difosfato
glucuroniltrasferasi (UDP glucuronil trasferasi): consente
l’interazione tra un nucleotide ad alta energia (l’acido-UDP
glucuronico) ed il gruppo funzionale della molecola
accettrice
Esistono diverse forme di UDP-glucuroniltransferasi.
Questa eterogeneità spiega in parte le differenze
dell’attività enzimatica nei confronti dei diversi substrati
Durante il processo di coniugazione si forma un gruppo
carbossilico che si trova in gran parte in forma ionizzato a
pH fisiologico.
Questo gruppo è in grado di promuovere l’eliminazione
della molecola coniugata non solo per la idrosolubilità che
conferisce ad essa ma anche perché viene “riconosciuto”
dal sistema di trasporto degli anioni organici presente a
livello renale e biliare.
I glucuronidi sono dunque escreti con la bile o con le
urine
Alcuni glucuronidi possono rappresentare un veicolo per
il trasporto di composti reattivi dal fegato a tessuti
bersaglio.
L’esempio più noto è quello dei glucuronidi delle Nidrossiarilamine che sono stati chiamati in causa per
spiegare l’induzione di tumori della vescica a seguito
dell’esposizione a 2-naftilamina, 4-aminobifenile e
composti analoghi.
Nel fegato queste arilamine vanno incontro a Nidrossilazione con conseguente formazione di
glucuronidi N-idrossi-arilaminici che passano nel rene e
si concentrano nell’urina presente in vescica. Tali
glucuronidi sono instabili a pH acido e vengono quindi
idrolizzati con formazione dell’agente cancerogeno Nidrossilamina
Solfotransferasi
Sono enzimi solubili contenuti principalmente
nel fegato, nel rene, nel tratto intestinale e nei
polmoni. La loro principale funzione è quella di
trasferire un solfato inorganico al gruppo
idrossilico di fenoli ed alcoli alifatici
N-Acetil transferasi
Nella maggior parte delle specie animali, la principale
via di biotrasformazione delle arilamine è
l’acetilazione della funzione aminica. Substrati per le
N-acetil transferasi possono essere, a titolo di
esempio, amine aromatiche primarie, idrazine,
idrazidi, sulfonamidi e alcune amine alifatiche
primarie
Coniugazione con aminoacidi
Gli xenobiotici contenenti un gruppo carbossilico
possono essere metabolizzati mediante
coniugazione con un aminoacido. Ciò porta alla
formazione di un legame peptidico tra il
carbossile dello xenobiotico ed il gruppo
amminico dell’aminoacido. Comuni substrati per
questo tipo di coniugazione sono gli acidi
carbossilici aromatici, gli acidi arilacetici. Una
reazione molto frequente è quella con la glicina
Le glutatione S-transferasi (GSTs) intervengono
nella tappa iniziale del processo di coniugazione
che porta alla sintesi degli acidi mercapturici.
Sono presenti nel citoplasma e in minor misura
nella frazione microsomiale. Si tratta di enzimi
ubiquitari con prevalente attività nel fegato
Il cofattore di questi enzimi è il glutatione (GSH),
costituito da glicina, acido glutammico e cisteina
Le GSTs catalizzano la reazione tra il sulfidrile
nucleofilo del glutatione e composti contenenti
atomi di carbonio elettrofili
I substrati delle GSTs hanno in comune tre
caratteristiche: un certo grado di idrofobicità, la
presenza di un atomo di carbonio elettrofilo e la
capacità di reagire in qualche misura con il
glutatione
I prodotti glutatione-coniugati possono essere scissi
a derivati cisteinici ad opera di enzimi presenti
soprattutto a livello renale. Questi metaboliti
vengono in seguito acetilati formando acidi
mercapturici, cioè coniugati con N-acetil-cisteina
Gli acidi mercapturici sono facilmente escreti nelle
urine. Il distacco dell’acido glutammico dal
glutatione-coniugato avviene per mezzo della gglutamil transpeptidasi
Le glutatione S-transferasi favoriscono la
coniugazione dei diversi xenobiotici elettrofili con il
glutatione, attenuando l’interazione di questi
composti con costituenti essenziali della cellula
In particolare, le GSTs intervengono nella
detossificazione degli intermedi reattivi prodotti dal
sistema del citocromo P450 durante il metabolismo
di composti quali bromobenzene, cloroformio e
paracetamolo
All’interno delle cellule esiste dunque un delicato
equilibrio tra la formazione di metaboliti reattivi e la
loro inattivazione da parte del glutatione
Fattori che alterano questo equilibrio possono
modificare drasticamente il potenziale tossico di quelle
sostanze che agiscono attraverso intermedi reattivi. Gli
intermedi reattivi possono al tempo stesso depletare le
riserve cellulari di GSH
Cianuri
L’acido cianidrico è un liquido altamente volatile (p.e.
26°C) dal caratteristico odore di mandorle amare. I cianuri
sono usati in metallurgia e l’esposizione ad acido
cianidrico può avvenire nei laboratori chimici o nella
combustione di materie plastiche (nitrocellulosa e
poliuretani)
l’azione tossica si esplica attraverso l’inibizione dello
stato terminale nel sistema di ossidazione: il piruvato non
si ossida ulteriormente nel ciclo dell’acido citrico, ma
piuttosto si riduce a lattato
In seguito ad avvelenamento da cianuro il paziente
soffoca perché l’ossigeno non può essere utilizzato.
Il colore rosso brillante del sangue e la colorazione rossa
degli organi sono le conseguenze della saturazione del
sangue da parte dell’ossigeno e la sua significativa ridotta
utilizzazione da parte dei tessuti.
La saturazione in ossigeno del sangue venoso raggiunge
quasi lo stesso livello di quello arterioso
Categorie lavoratori a rischio Acido cianidrico e
composti.
Lavoratori addetti:
a) alla produzione di acido cianidrico, di cianuri e di altri
composti del cianogeno;
b) alla derattizzazione e disinfestazione;
c) alla distruzione di parassiti in agricoltura
d) alla depurazione chimica del gas illuminante;
e) alle operazioni di galvanoplastica;
f) alle operazioni di tempera e di cementazione;
Arsenico
L’arsenico si trova nel suolo, nell’acqua e nell’aria come
un comune tossico ambientale. L’impiego di pesticidi ed
erbicidi contenenti arsenico, inoltre, ha fatto aumentare la
sua immissione nell’ambiente
La fonte principale di esposizione professionale a
composti contenenti arsenico è rappresentata dalla
produzione di erbicidi e pesticidi
La tossicità dei composti arsenicati è in rapporto alla loro
velocità di clearance dell’organismo e, quindi, al grado di
accumulo nei tessuti.
Gli arseniati (pentavalenti) sono notoriamente
disaccoppianti della fosforilazione ossidativa
mitocondriale.
Si ritiene che il meccanismo sia basato sulla sostituzione
competitiva dell’arseniato al posto del fosfato inorganico
Gli arsenicati trivalenti (es arsenito inorganico) sono
considerati composti in grado di reagire con i gruppi
sulfidrici.
In tal modo inibiscono numerosi enzimi in quanto
reagiscono con ligandi biologici contenenti gruppi –SH
disponibili
Viene immagazzinato soprattutto nel fegato, nel rene, nel
cuore e nel polmone. Minori quantitativi, invece, si
ritrovano nel muscolo e nel tessuto nervoso. La presenza
di cheratina (contenente un notevole numero di gruppi
–SH) rende ragione dell’elevata concentrazione di
arsenico che si ritrova nelle unghie e nei capelli.
L’ingestione cronica di arsenico tramite acqua potabile
o l’esposizione a disinfettanti nell’agricoltura
predispongono a carcinomi cutanei, neoplasie
polmonari e tumori epatici
Categorie lavoratori a rischio: Arsenico, leghe e
composti.
Lavoratori addetti:
a) alla produzione dell'arsenico;
b) alla preparazione delle leghe e dei composti;
c) ai lavori di pulitura, verniciatura e smaltatura;
d) alla preparazione delle miscele per la produzione
del vetro;
e) alla tintura dei filati e dei tessuti;
Piombo
Il piombo è praticamente ubiquitario nell’ambiente in
ragione sia della sua presenza naturale sia della sua
utilizzazione industriale. La fonte più importante di
esposizione dell’uomo al piombo è l’alimentazione.
Il piombo assunto si accumula nel sangue e nei tessuti
molli ed infine nelle ossa nella forma di fosfato di piombo.
Massima parte della tossicità da piombo, però, deriva
dall’esposizione ambientale ed industriale
L’avvelenamento da piombo causa l’anemia ipocromica
microcitica.
Tale anemia si ritiene causata da riduzione della vita
media degli eritrociti e da inibizione della sintesi dell’eme.
Il piombo, infatti, inibisce l’attività di molteplici enzimi
deputati alla sintesi dell’eme
Categorie lavoratori a rischio: Piombo
Lavoratori addetti:
a) alla produzione del piombo;
b) alla preparazione delle leghe e dei composti;
c) alla fabbricazione e preparazione di colori, di vernici e
di mastici;
d) alle operazioni di pittura e di intonaco con mastici o
colori di piombo; alla asportazione di verniciature
piombifere;
e) alla saldatura con leghe piombifere e dissaldatura;
f) alla piombatura o smaltatura su superfici metalliche;
h) alle operazioni di tempera con bagno di piombo;
