IRE Chapitre 5 : Métabolisation des xénobiotiques Les biotransformations sont importantes en toxicologie, de nombreuses réactions permettent de transformer un composé liposoluble en métabolites hydrosolubles, aisément excrétés. Ces réactions enzymatiques conduisent à des métabolites moins toxiques que le produit initial (détoxication), mais des métabolites réactifs peuvent aussi se former (toxification). Les systèmes enzymatiques responsables de ces biotransformations métabolisent les substances naturelles (stéroïdes, vitamines...) aussi bien que les xénobiotiques. LES PHASES DU METABOLISME Il est habituel de séparer les réactions enzymatiques en plusieurs phases (figure 9). La phase I (fonctionnalisation) comprend des réactions d’hydrolyse, de réduction ou d’oxydation. La molécule formée est un peu plus hydrosoluble, mais surtout a incorporé un groupement fonctionnel, permettant au métabolite d’être pris en charge au cours de la phase II (conjugaison) ; les dérivés formés peuvent être excrétés par voie urinaire ou par voie biliaire. L’excrétion peut être dépendante de transporteurs, cette élimination est appelée phase III. Les enzymes se trouvent dans la plupart des organes, le foie étant le plus riche en enzymes. Certaines enzymes se trouvent dans le réticulum endoplasmique, d’autres dans le cytosol, le noyau ou les mitochondries. TOXICOLOGIE & SECURITE ALIMENTAIRE Figure. Représentation schématique du métabolisme des xénobiotiques. Les enzymes se trouvent dans la plupart des organes, le foie étant le plus riche en enzymes. Certaines enzymes se trouvent dans le réticulum endoplasmique, d’autres dans le cytosol, le noyau ou les mitochondries. Le métabolisme extrahépatique est encore désigné sous le terme de phase IV. a. LES ENZYMES DE PHASE I Système des monooxygénases à cytochrome P450 Ce système effectue des biotransformations de substances physiologiques (stéroïdes, acides biliaires, vitamine D, acides gras, prostaglandines, leucotriènes, rétinoïdes...), aussi bien que des biotransformations de très nombreux xénobiotiques : médicaments, polluants, pesticides, toxiques naturels (végétaux) ou de synthèse. Il s’agit d’un système multienzymatique, capable d’oxyder une substance en lui transférant directement un atome d’oxygène à partir de l’oxygène moléculaire. Ce système comprend : Un donneur d’électrons : NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate) et, accessoirement, NADH (nicotinamide adénine dinucléotide) ; Une chaîne de transfert d’électrons qui comporte au moins : La NADPH cytochrome P450 oxydoréductase, encore nommée NADPH cytochrome c réductase, flavoprotéine de masse moléculaire 78 000 environ ; cette protéine est entourée de plusieurs cytochromes P450, qui reçoivent d’elle les électrons. Le cytochrome P450 (figure), oxydase terminale du système : un cytochrome P450 est une hémoprotéine. Figure : Schéma d’un cytochrome P450 avec la partie himnique et l’apoprotéine. Principales réactions dépendant du système des monooxygénases : Les monooxygénases sont capables d’effectuer un grand nombre de réactions, essentiellement d’oxydation. ● Hydroxylation aliphatique : C’est une réaction commune qui conduit à des alcools primaires ou secondaires. ● Hydroxylation aromatique : La biotransformation du benzène est un modèle. Le principal produit de la réaction est un phénol, mais des catéchols et des quinols peuvent aussi être produits. L’hydroxylation aromatique s’effectue via la formation d’un époxyde intermédiaire. Le déplacement d’un atome d’hydrogène au cours de cette réaction est dénommé « NIHshift ». Les époxydes sont normalement instables, sauf ceux des hydrocarbures polycycliques qui peuvent être isolés. Les époxydes se décomposent pour conduire aux phénols, ou bien ils sont substrats des époxydes hydrolases ou encore des glutathion –S-transférases. ● O-, S-, N-, déalkylations : Ce type de réaction intervient pour de nombreux médicaments et toxiques contenant un groupement alkyl fixé sur l’oxygène, le soufre ou l’azote. Ce groupement est éliminé de façon oxydative et produit l’aldéhyde correspondant. Différents P450 sont responsables de l’O- déalkylation de différents substrats. On ne peut pas établir de relation a priori entre l’atome à déalkyler et le cytochrome P450 responsable. N-déalkylation : ● N-hydroxylation La N-hydroxylation des arylamines primaires, des amides et des hydrazines conduit à l’hydroxylamine correspondante. Dans le cas de l’aniline, la phénylhydroxylamine est oxydée en nitrobenzène, qui peut être lui-même réduit en phénylhydroxylamine. Ce mécanisme d’oxydoréduction est tenu pour responsable de la méthémoglobinémie causée par l’aniline. ● N-oxydation Cette réaction conduit à un N-oxyde à partir d’amines secondaire ou tertiaire. Elle est effectuée par les monooxygénases à cytochrome P450, mais également par les autres monooxygénases dites à flavine : Amine secondaire : Amide: Amine tertiaire : ● S-oxydation Cette réaction conduit à un sulfoxyde et à un sulfone. Le phorate, un insecticide transformé en phorate sulfoxyde, constitue un exemple. Les métabolites (sulfoxydes) sont cytotoxiques. ● Déhalogénation oxydative et réductive Les solvants chlorés et les anesthésiques comme l’halothane sont métabolisés de cette façon. La déhalogénation réductive du tétrachlorure de carbone conduit au chloroforme. Il y a production de radical libre au cours de cette réaction. Activation des xénobiotiques par P450 Les réactions induites par les P450 peuvent générer la formation de métabolites toxiques (toxification). Les métabolites formés sont de nature électrophile et vont réagir avec des structures nucléophiles de l’organisme pour conduire à des réactions néfastes, réaction avec des protéines, avec des lipides, à l’origine de nécrose ou avec des acides nucléiques, à l’origine de mutations, voire de cancers. On peut donner quelques exemples : • Formation d’époxydes : le benzopyrène peut induire une tumeur pulmonaire ou cutanée, l’aflatoxine B1 une tumeur hépatique, le benzène est myélotoxique, le chlorobenzène et la coumarine sont transformés en métabolites hépatotoxiques. • Formation de radicaux libres : le tétrachlorure de carbone est hépato- et néphrotoxique, par réaction avec les constituants cellulaires, mais aussi par initiation de la lipopéroxydation. L’halothane (un anesthésique) agit par le même mécanisme. Le paracétamol est hépatotoxique par la formation d’une quinone imine. • Formation de néoantigènes après prise d’halothane, d’acide tiélinique ou encore dans le cas des hépatites auto-immunes induites par le CYPIID6. • Formation des dérivés alkylants lors du métabolisme des nitrosamines tumorigènes. • Cas des organophosphorés : le parathion est transformé en paraoxon, un inhibiteur des cholinestérases. • Formation d’acroléine lors du métabolisme du cyclophosphamide anticancéreux. b. LES ENZYMES DE LA PHASE II Les réactions de phase II (conjugaison) sont des réactions qui conduisent généralement à un produit hydrosoluble, peu ou pas actif ; sauf exception, le métabolite est éliminé dans l’urine ou dans la bile. Elles demandent un cofacteur et seront classées en fonction du cofacteur nécessaire et de son état d’activation, de l’énergie est souvent nécessaire pour une réaction de phase II. Activation des xénobiotiques par les P45 Glucuronoconjugaison : Principale réaction de conjugaison, elle conjugue le métabolite formé en phase I avec l’acide glucuronique, à partir de l’acide UDP-glucuronique (UDP : uridine-diphosphate). Cet accepteur est dit « accepteur activé ». Les atomes sur lesquels s’effectue la conjugaison sont l’oxygène d’un hydroxyle ou d’un carbonyle du substrat, ou parfois le soufre ou l’azote. Les substrats peuvent être des xénobiotiques ou des substances endogènes (stéroïdes, bilirubine). Méthylation : Elle s’effectue sur les groupements, amino, hydroxyle ou thiol par l’intermédiaire de méthyltransférases groupements méthyle. Les enzymes appartiennent à la fraction soluble et quelques-unes au réticulum endoplasmique. La méthylation est une voie de faible importance pour les xénobiotiques. Acétylation : Le cofacteur de cette réaction est l’acétylcoenzyme A. Il nécessite l’ATP pour sa synthèse. L’acétylation est la voie de conjugaison principale pour des composés aminés, amines aromatiques ou aliphatiques ou des hydrazines comme l’isoniazide. Les acétyltransférases (NAT1 et NAT2), responsables de ces réactions sont des enzymes du cytosol de la cellule hépatique, de la muqueuse gastro-intestinale et des leucocytes. demandant de la S-adénosylméthionine, le donneur de Conjugaison aux acides aminés : Au contraire des réactions précédentes, le substrat doit être activé avec le coenzyme A. L’acide aminé mis en jeu le plus souvent est le glycocolle, dans une moindre mesure la glutamine. Chez l’homme, l’exemple historique de la conjugaison au glycocolle est celle de l’acide benzoïque éliminé sous forme d’acide hippurique (conjugué découvert par Keller en 1842, dans l’urine de cheval). Cette conjugaison s’effectue dans les fractions mitochondriales et cytoplasmiques du foie et du rein. Conjugaison au glutathion : Cette réaction ne demande activation ni du substrat, ni du donneur, car le caractère nucléophile du glutathion suffit à le conjuguer avec des substrats électrophiles. Les réactions sont catalysées par des glutathion-S-transférases, famille d’enzymes de spécificité plus ou moins restreinte. Les enzymes se trouvent dans le cytoplasme, quelques-uns ont une localisation membranaire microsomale. Formation des thiocyanates : Elle élimine les traces de cyanure, grâce à l’intervention de la rhodanèse (mitochondrie) qui forme du thiocyanate à partir du cyanure (CN–) et de thiosulfates (S2O3), provenant du sulfate organique. Le thiocyanate est 200 fois moins toxique que le cyanure : Remarque Les phases I et II du métabolisme ne sont pas isolées, elles fonctionnent de façon séquentielle. Un toxique peut être métabolisé par plusieurs voies. La phase I peut conduire des métabolites intermédiaires toxiques. La phase II conduit souvent à l’élimination des métabolites qui peuvent être recherchés dans l’urine ou des fèces, mais au cours de cette phase, certains substrats peuvent être activés (amines hétérocycliques, dibromoéthane...). 2.1.4. L’excrétion des xénobiotiques : Ce processus consiste à rejeter le produit inchangé ou ses métabolites à l’extérieur de l’organisme. L’excrétion peut se faire par voie rénale (l’urine), gastro-intestinale (les selles), pulmonaire (l’air expiré), cutanée (la sueur) ou lactée (le lait). Excrétion urinaire : Les toxiques hydrosolubles sont éliminés comme les métabolites endogènes par la filtration glomérulaire, diffusion tubulaire passive (mécanisme peu important) et sécrétion tubulaire active. Les capillaires des glomérules ont des gros pores (70 nm), laissant filtrer les protéines Excrétion fécale : On retrouve, avec le matériel non digéré, des aliments et des xénobiotiques non absorbés. Excrétion intestinale : La digoxine, l’ochratoxine A passent par diffusion passive lente du sang dans l’intestin. La muqueuse intestinale est capable de métaboliser les toxiques. Le métabolisme des xénobiotiques favorise leur réabsorption plutôt que leur excrétion. de masse moléculaire inférieure à 69000 daltons (albumine). Excrétion par voie pulmonaire : Les substances, existant sous forme de gaz à température de l’organisme, sont éliminées principalement par simple diffusion par les poumons, de façon inversement proportionnelle à leur vitesse d’absorption. L’éthylèneglycol, peu soluble dans le sang, est rapidement éliminé, le chloroforme très lentement, l’halothane et le méthoxyflurane, gaz anesthésique peuvent se retrouver deux à trois semaines après quelques heures d’anesthésie, suite à l’accumulation dans le tissu adipeux. Des produits très volatils comme l’éther sont exclusivement excrétés par les poumons. Autres voies d’excrétion : ● Liquide céphalorachidien (LCR) : tous les produits peuvent quitter le SNC avec le LCR par les villosités de l’arachnoïde. ● Lait : voie importante, car les nouveau-nés peuvent être exposés ; d’autre part le lait de vache peut contaminer l’homme. Les toxiques sont sécrétés par simple diffusion. ● Sueur et salive : excrétion mineure, dépend de la diffusion de la forme non ionisée, à l’origine de dermatite. Les substances excrétées dans la salive sont avalées et absorbées par le tube digestif
