CURSUL VIII

CURSUL VIIIFACTORI CE AFECTEAZA METABOLIZAREA SI DISPOZITIA XENOBIOTICELORToxicitatea xenobioticelor si modul sau de expresie depind de o serie de variabile: Variatia susceptibilitatii in functie de specie datorita constitutiei genetice diferiteVarstaCaracteristicele sistemului de organeDoza si calea de expunereDieta animalului si expunerea la alte categorii de xenobioticeDaca acesti factori pot fi oarecum controlati la animale, la oameni este mult mai greu.

Factorii care afecteaza dispunerea xenobioticelor si toxicitatea acestora pot fi impartiti in doua categorii:Factori chimici: lipofilia, marimea moleculelor, structura, pKa, gradul de ionizare, chiralitateaFactori biologici: specia, sex, factorii genetici, conditiile patologice, influente hormonale, varsta, stres, dieta, specificitate de tesut si organ, doza, inductie si inhibitie enzimaticaFACTORII CHIMICILipofilia este un factor major pentru: absorbtia, distributia, metabolizarea si excretia xenobioticelor.Compusii lipofilici sunt foarte bine absorbiti, metabolizati si raspanditi in organisme, dar sunt mai greu excretati decat compusii hidrofili.

Gentamicina este un antibiotic aminoglicozidic care manifesta nefrotoxicitate in functie de starea de ionizare. Datorita gruparilor amino ionizate, medicamentul se leaga la fosfolipidele anionice de la nivelul brush border al celulelor din tubulii proximali din rinichi, acumulndu-se.

Similitudinile structurale dintre CO si O2 sunt importante pentru efectele toxice produse de CO.Marimea si structura moleculelor sunt importante n metabolism. Astfel, substratele i inhibitorii pentru CZP2D6 trebuie sa prezinte o regiune hidrofob extins i o grupare cu azot ncrcat pozitiv, care are capacitatea de a forma legturi de hidrogen cu atomi situai la 5-7 fa de atomul de azot. Moleculele foarte mari nu pot fi metabolizate datorit incapacitii lor de a se potrivi la nivelul centrului catalitic activ al unei enzime.Practic structura moleculelor va determina ce tip de transformare metabolic va avea loc.CHIRALITATEAImportana factorilor chirali n rspndirea i toxicitateaxenobioticelor a fost recunoscuta relativ recent. De exemplu: enantiomerul S(-) al talidominei are o embriotoxicitate mai mare dect enantiomerul R(+). Absorbia este afectat de prezena unui centru chiral doar cnd se realizeaz printr-un proces de transport activ. Astfel, L-DOPA este absorbit mai uor din tractul gastrointestinal dect izomerul D. Legarea la proteine i esuturi poate fi afectat de chiralitate. Astfel, pentru ibuprofen, raportul legrii la proteinele plasmatice a enantiomerilor (+) i (-) este 1,5. Enantiomerul S al propranololului se acumuleaz selectiv n terminaiile nervoase adrenergice n esutul miocardic.Excreia renal a compuilor poate fi afectat de prezena unui centru chiral, probabil ca rezultat al secreiei active. De exemplu, pentru medicamentul terbutilin, raportul de excreie al enantiomerilor (+) i (-) este 1,8. Secreia biliar poate de asemenea s prezinte stereo selectivitate.n metabolism, efectele chirale pot fi mprite n:Stereoselectivitate referitoare la substrat (efectele centrului chiral pre-existent n molecul)Stereoselectivitate referitoare la produii de reacieInversarea configuraieiPierderea chiralitii ca rezultat al metabolizrii

Efectele I i IINaftalenul este toxic pulmonar.Reacia de formare a 1R,2S-naftalen oxidului este predominant n speciile susceptibile (oarece) iar n cele nesusceptibile (obolan i hamster) enantiomerul 1S,2R. Enantiomerul 1R,2S este un substrat mai bun pentru epoxid hidrolaz dect cel 1S,2R i este mai citotoxic n hepatocite.Inelul oxiranic al celor 2 epoxizi enantiomerici poate fi deschis prin atacul glutationului n poziiile 1 sau 2 cu generare de 4 diastereoizomeri diferii. Formarea acestora a prezentat diferene considerabile n funcie de specie in vitro.Al treilea tip de efect chiral, inversia configuraiei s-a raportat la ibuprofen, care sufer inversia izomerului R la cel S, activ din punct de vedere farmacologic.

Totui, preluarea stereoselectiv a R-ibuprofenului n esutul adipos are loc datorit formrii tioesterului izomerului R cu CoA. Acest tioester poate suferi inversie la tioesterul S.Ambii tioesteri pot fi ncorporati n trigliceride formnd produi hibrizi.Soarta acestor hibrizi poate interfera cu metabolismul lipidelor cu posibile consecine toxice. In vivo, inversia ar putea fi afectat i de reducerea excreiei renale.Factorii biologici1. Diferene legate de speciePesticidele i antibioticele prezint toxicitate selectiv. Diferenele legate de specie sunt legate demetabolizare i rspndire. nelegerea unor asemenea diferene este extrem de important pentru evaluarea riscului unui compus prin extrapolarea studiilor de la animale la om. Diferenele interspecifice apar i datorit diferenelor n rspunsul organismelor la agresiuni sau n mecanismele de reparare.De exemplu, obolanii sunt susceptibili la unele rodenticide pe care le ingereaz pentru c nu pot vomita, spre deosebire de alte mamifere.De asemenea, pot exista diferene ntre sensibilitile receptorilor. Astfel, colinesteraza din oarece este mai sensibil dect cea din broasc la paraoxon.Un alt exemplu este dioxina

Diferentele se pare ca se manifest datorit variaiei sensibilitii timusuluiAbsorbiaAbsorbia unui xenobiotic depinde de condiiile fiziologice i fizice ale situsurilor de absorbie. Absorbia prin piele prezint variaii n funcie de specie. Pielea uman este n general mai puin permeabil la chimicaledect cea de iepure, oarece i obolan.Absorbia oral depinde parial de valoarea pH a tractului gastrointestinal care variaz n funcie de specie. De aceea apar diferene considerabile n absorbia acizilor slabi i a compuilor susceptibili la mediul acid din stomac ntre specii.

n cazul absorbiei prin inhalaie, animalele mici (obolani, oareci, psri) au o respiraie mai rapid dect cele de talie mare. Astfel, pentru compuii cu solubilitate mare n snge, unde absorbana este limitat de ventilaie, expunerea va fi mai important pentru animalele mici cnd sunt ntr-un mediu cu aceeai concentraie de compus (canari-min).Distribuia xenobioticelorDepinde de:esutul adipos corporalViteza de metabolizare i excreiePrezena unor sisteme de preluare n organeDe exemplu, metilglioxal-bis-guanil hidrazona este un toxic hepatic mai puternic la obolan (conc. 2-8%) fa de oarece (conc. 0,3-0,5%) dup 48 ore de intoxicare.Concentraia proteinelor plasmatice , proporia i tipurile de proteine sunt dependente de specie.

Toxici sunt compuii liberi, nelegai.Pestii pot avea proteine plasmatice 20g/l, comparativ cu vitele, care au 83 g/l.EXCREIA

Excreia renal. Dei cele mai multe mamifere au rinichi similari, diferenele funcionale dintre acetia se manifest prin viteza de producere, volumul i pH urinei.Dei pH urinei este identic pentru multe mamifere, o mic modificare n pH poate schimba semnificativ solubilitatea unui xenobiotic si implicit excreia (pp. Sulfonamidelor.

Observaia c atrofia tubulilor renali este cauzat de unele diuretice ca furosemidul la cine, dar nu la om, maimu i obolani se datorete sistemului vascular puternic dezvoltat la cine.

Excreia biliar. Pragul de MM pentru excreia biliar variaz n funcie de specie. Excreia biliar este redus pentru compui cu MM 300. Cnd MM300, excreia biliar sufer variaii specie specifice. n cazul compuilor cu MM mare, diferenele n excreia biliar sunt mai mici.

Metabolismul xenobioticelor influeneaz excreia biliar i de aceea diferenele ntre specii din punct de vedere metabolic pot constitui un factor biologic ce influeneaz toxicitatea.Ali factori:Viteza de secreie a bileipH al bileipH i flora intestinalCirculaia enterohepatic, care prelungete timpul de expunere

Diferenele metabolice ntre speciiPot fi cantitative si calitative.Animelele mici metabolizeaz xenobioticele cu viteze mai mari dect animalele mari. De exemplu, oxifenbutazona este metabolizat cu t1/2 de 30 min. n cine, cu t1/2 de 3-6 ore la maimu i t1/2 de 3 zile la om.Reaciile de faz I

Petii au o capacitate de hidroxilare mai mare dect oarecii i obolanii.n mute, oxidarea microzomal transform parationul n mai toxicul paraoxon.Hidroxilarea etilenglicolului se poate face pn la dioxid de carbon sau acid oxalic.

Toxicitatea crete o dat creterea producerii acidului oxalic: pisic, obolan, iepure

Carnivorele (cinii, pisicile) excret n principal o-aminofenol n timp ce ierbivorele (iepuri, cobai) excret n principal p-aminofenol. Omnivorele (lobolani) excret ambii produi. Speciile ce produc o-aminofenol sunt mai susceptibile la intoxicaia cu anilin.

Proxicromilul este medicament antialergic, care este hepatotoxic la cine. Cinele nu metabolizeazprin oxidare aliciclic, pe cnd obolanul, iepurele, hamsterul i omul elimin metabolii prin urin.La caine, compusul este excretat biliar iar cnd calea se satureaz, se instaleaz hepatotoxicitatea.

Reacii hidroliticeMalaoxonul este toxic pentru acetilcolinesteraz.

Dimetoatul este un insecticid care este mai puin toxic pentru speciile care l metabolizeaz. Ficatul oilor i al cobailor produce doar un produs, dar oarecii, obolanii produc ambii si tolereaz compusul. Reducerea

Reaciile de faz IICele mai multe specii au o cale de conjugare preferat dar i alte ci sunt utilizate.Glucuronarea. Conjugarea xenobioticelor cu acid glucuronic este foarte important n special n mamifere, psri, amfibieni i reptile, dar nu n peti. n insecte, conjugarea se face cu glucoz n loc de acid glucuronic.

Pisica nu prezint izoenzime care catalizeaz glucuronidarea fenolului i este mai sensibil la efectele toxice ale acestuia.Sulfoconjugarea. Se produce n cele mai multe mamifere, amfibieni, psri, reptile i insecte dar nu n peti. Porcul nu poate conjuga cu acid sulfuric fenolul dar 1-naftolul este excretat ca sulfoconjugat. Probabil porcul nu prezint sulfotransferaza adecvat pentru conjugarea fenolului.Raportul dintre conjugarea cu acid glucuronic i sulfoconjugare variaz n funcie de specie. Conjugarea cu aminoacizi. Exist diferene de specie pentru conjugarea acizilor carboxilici aromatici. Adeseori se folosete pentru conjugare glicina (mai puin la psri unde ornitina este aminoacidul preferat. Oamenii i maimuele primitive utilizeaz glutamina pentru conjugarea acizilor arilacetici, pe cnd la porumbel i dihor este folosit taurina. Reptilele excret conjugate de ornitin sau glicin iar unele insecte utilizeaz n principal arginina.n ierbivore este favorizat conjugarea cu aminoacizi, n carnivore glucuronoconjugarea iar omnivorele utilizeaz ambele ci de metabolizare.n general conjugarea are loc n ficat i rinichi, dar n cini i puii de gin are loc numai n rinichi.Conjugarea cu GSH se concretizeaz n excreia urinar a N-acetilcisteinei sau a derivailor de cistein la om, obolan, hamster, oarece, cini, pisici, iepuri i cobai.La mute, dehidroclorinarea DDT se face prin conjugarea cu GSH.Metilarea la nivelul atomilor de O, S i N pare s aib loc la cele mai multe specii de mamiferer, psri, amfibieni i insecte care au fost studiate.Acetilarea . Cele mai multe specii de mamifere sunt capabile s acetileze compuii amino aromatici, excepia major fiind cinele. Acesta are un nivel ridicat de deacetilaz n ficat i pare s prezinte un inhibitor al acetiltransferazei n ficat i rinichi. n consecin, acetilarea poate s nu fie absent n cine, dar probabil produii pot fi hidrolizai sau reacia este inhibat.Cobaiul nu poate acetila gruprile amino alifatice ca cele ale cisteinei. De aceea excret cistein n loc de N-acetilcistein sau acid mercapturic.Psrile, unii amfibieni i insectele sunt capabile s acetileze aminele aromatice, dar reptilele nu utilizeaz aceast reacie.CONCLUZII PARIALEDiferenele dintre specii sunt mai mult cantitative dect calitative, n sensul c anumite ci metabolice sunt favorizate n funcie de specieDiferenele cantitative se refer la concentraia enzimelor, parametrii cinetici, prezena cofactorilor, prezena enzimelor ce catalizeaz reacia invers, a inhibitorilor sau la concentraia substratelor n esutn general, omul prezint toate transformrile metabolice din alte mamifere i nu prezint o diferen particular referitoare la prezena sau absena unei ci metabolice.

2.Rasa si linia

oarecii i obolanii de diferite linii prezint diferene n durata aciunii hexobarbitalului, n timp ce n cadrul aceleiai linii este uniform (dev. Standard mic).Metabolismul antipirinei n obolani variaz n funcie de linie.3. Diferene legate de sexParationul este de 2 ori mai toxic la femelele de oareci comparativ cu masculii. Somnul indus de hexobarbital este mai lung la femele dect la obolanii masculi, pentru c masculii metabolizeaz mai repede xenobioticele dect femelele.Exist diferene n funcie de sex i pentru reaciile de faz I i II. Glucuronoconjugarea 1-naftolului este mai mare la obolanii masculi dect la femele, diferen ce se menine i n microsomi in vitro. Diferenele metabolice n funcie de sex depind de tipul de substrat. Hidroxilarea anilinei prezint diferene mici ntre sexe, n schimb, Metabolizarea hexobarbitalului sau aminopirinei se face de 3 ori mai rapid la obolani masculi comparativ cu femelele.

Hormonii influeneaz marcant metabolismul xenobioticelor.La oameni , cnd apar diferente n funcie de sex, sunt similare cu cele de la obolan.Aceste deosebiri se datoresc diferene hormonale i genetice. Cel mai bun exemplu pentru diferenele legate de sex este cel al toxicitii renale a cloroformului la oareci. Masculii sunt mai sensibili dect femelele. Sensibilitatea poate fi nlturat prin castrare i restabilit prin tratament cu testosteron. In vitro, cloroformul este metabolizat de 10 ori mai rapid de microsomii renali obinui de la masculi, comparativ cu cei de la femele. La oareci, ns, metabolizarea hexobarbitalului este mai lent la masculi comparativ cu femelele.

Excreia aditivului alimentar bis-ter butil hidroxitoluen la obolan se face majoriter prin urin la masculi i prin fecale la femele, probabil datorit diferenelor n vitezele de producere ale conjugailor glucuronid i mercapturat dintre sexe.2,4 dinitrotoluenul este un hepatocarcinogen mai puternic la obolanii masculi dect la femele. Este metabolizat prin hidroxilarea gruprii metil, urmat de conjugarea cu acid glucuronic. La masculi este excretat predominant pe cale biliar iar n intestin este eliberat agliconul, care sufer o reacie de reducere i este apoi reabsorbit prin circulaia enterohepatic. Acest compus redus se presupune c are efect carcinogen.

4. Factorii geneticiExist situaii cnd subiecii umani au prezentat reacii idiosincratice la aciunea farmacologic i toxicologic a medicamentelor, care au baze genetice.Factori genetici influeneaz toxicitatea unui xenobiotic n 2 moduri:Influennd rspunsul la compusAfectnd rspndirea compusului

Deficiena de glucozo-6-fosfat dehidrogenazAceast boal este determinat genetic, este sex-linkat (pe crs. X) . Transmiterea caracterelor nu este simpl. Peste 5-10% din brbaii negri sufer de aceast deficien, dar este raspndit n zona mediteranean i n unele grupri etnice cum ar fi barbaii sefarzi din Kurdistan. La acetia incidena atinge 53%. Boala se caracterizeaz prin absena unor izoenzime ale G6PDH, ceea ce determin existena unei cantiti mici de GSH. De aceea, Hb este neprotejat de atacul oxidativ, iar dac pacienii afectai iau primachin sau sunt expui la fenilhidrazin se instaleaz anemia hemolitic.Boala se numeste favism pentru c se instaleaz dac se consum Vicia faba.Expunerea la primachin sau dapson (amestec de rifampicin i clofazimin) oxideaz Hb la MetHb. Indivizii cu deficien n MetHb reductaz sufer de cianoz.

Sensibilitatea la alcool a galbenilor este determinat genetic.Variabilitatea populaiei umane face ca terapia medicamentoas s fie nepredictibil i evaluarea riscurilor dificil.Astfel, viteza de oxidare a paracetamolului variaz de 10 ori n funcie de individ. Persoanele cu rat sczut de oxidare nu prezint hepatotoxicitate.Deficienele enzimatice determinate genetic care afecteaz distribuia xenobioticelor se manifest att la oameni ct i la animale. Astfel obolanii Gunn sunt deficieni n glucuronil transferaz, iar oamenii afectai de sindroamele Gilberts i Crigler-Najjar prezint o activitate sczut i implicit o capacitate sczut de a conjuga bilirubina care produce vtmri cerebrale.Fenotipul de acetilare. Exist dou grupe mari de indivizi, care acetileaz rapid i respectiv lent, medicamente ca izoniazid i procainamida datorit unui polimorfism genetic.

Studiile n populaia uman sigereaz c fenotipul de acetilare este condiionat de un locus genetic autosomal cu 2 alele, care la iepure, oarece i hamster indic o expresie co-dominant.Exist 3 fenotipuri: rr, Rr, RR care se manifest cu viteze de acetilare mic, medie, mare.

Pentru substratele polimorfe (sulfametazina i procainamida) valoarile Km sunt mult mai mari i relativ similare n cele 2 fenotipuri dar valorile v max sunt marcant diferite i de aceea, metabolismul unor asemenea compui in vivo este diferit n cele 2 fenotipuri.La oameni exist 2 N-acetil transferaze, NAT1 i NAT2. NAT1 este larg distribuit n esuturi, cu afinitate pentru substratele monomorfice ca acidul p-aminobenzoic. NAT2 se gsete n ficat i are o afinitate mare pentru substratele polimorfe. Exist o modificare posttranslaional a produsului primar al genei. Oamenii cu viteze de acetilare sczute prezint n principal 2 mutaii care determin o NAT2 mai puin funcionalOrganismele care acetileaz lent sunt supuse riscului de carcinogenez, pentru c acetilarea protejeaz gruprile amino i hidrazin de activarea metabolic. Astfel, n aceti indivizi, benzamidina determin cancer de vezic urinar.Oamenii cu acetilare rapid sunt predispui la cancer colo-rectal ca rezultat al expunerii la amine aromatice.Piroliza hranei genereaz amine acetilate carcinogene i mutagene.

HIDROXILAREAFactorii genetici afecteaz cile oxidative ale fazei 1. Difenilhidantoina (anticonvulsiv) sufer hidroxilarea aromatic iar metabolitul fenolic este excretat ca glucuronid. Deficiena n hidroxilare determin nivele ridicate de difenilhidantoin i dezvoltare de efecte toxice: ataxie.De-etilarea defectiv a fenacetinei s-a observat la pacienii ce sufer de methemoglobinemie dup o doz mic de medicamente.