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I metabolismo dei farmaci è essenzialmente un meccanismo di difesa di un organismo vivente contro composti esogeni estranei e non essenziali ai processi vitali: xenobiotici, estranei alla vita. La finalità è di inattivare dette sostanze (detossificazione) e, contemporaneamente, di renderle più facilmente eliminabili. Qualche volta la biotrasformazione può aumentare l'attività biologica della sostanza in circolo: si parla, allora, di profarmaci, qualora venga potenziata l'attività terapeutica desiderata; o veleni potenziali qualora la nuova attività o l'incremento di attività così acquisiti non siano desiderati. In qualche caso i metaboliti sono dotati di un quadro di attività farmacologica parzialmente sovrapponibile al quello del composto di origine; questa evenienza darà luogo ad una durata d'azione maggiore, che deve suggerire un adeguato protocollo terapeutico.
Le trasformazioni metaboliche normalmente portano ad un aumento di idrofilia degli xenobiotici, facilitando così la loro eliminazione per le vie più comuni, come renale, biliare, fecale, essudativa ; al contrario la vie meno utilizzate come la polmonare e la traspirativa richiedono diminuzione della polarità e del peso molecolare in modo da diminuire la tensione di vapore.
Fra gli xenobiotici che suscitano una risposta di difesa metabolica, non immunitaria, si possono ricordare: Farmaci e Sostanze di Sintesi
Polveri e Solventi
Fumo e Bevande
Veleni e Tossine
Precancerogeni e Cancerogeni ...
Data la natura enzimatica delle trasformazioni metaboliche, gli enzimi essere caratterizzati da una grande adattabilità alla struttura di un substrato così variabile come imprevedibile . Questa versatilità è ottenuta con uno o più dei seguenti fattori: a) polimorfismo genetico, cioè dotazione genetica di numerose isoforme; b) polimorfismo inducibile, rapida proliferazione di nuove isoforme stimolata dalla presenza dello xenobiotico stesso; c) induzione metabolica, aumento dell'attività enzimatica (dovuta ad aumento della sintesi di enzimi metabolici) in seguito ad esposizione a xenobiotici ; d) ridotta selettività nei confronti del substrato.
Fattori che influenzano la capacità metabolica:
Il metabolismo dei farmaci si attua attraverso due fasi:
Reazioni di Fase I o Fase di Funzionalizzazione attuata attraverso i seguenti tipi di reazioni:
Scopo funzionale: rendere più idrofilo il composto estraneo per facilitarne l'eliminazione
inattivare il composto
preparare il substrato per la Fase II
Scopo funzionale:
Il sistema enzimatico più diffuso per l'ossidazione di xenobiotici è il Citocromo P450 , chiamato anche CYP450 , monoossigenasi, ossidasi o idrossilasi. É localizzato nella frazione microsomiale di fegato, rene, polmone, intestino ...
Costituito da: Eme-Proteina: responsabile del trasporto di e- e attivazione di O2
NADPH associato a NADPH-citocromo reduttasi
e altri cofattori
Differenziatosi geneticamente per metabolismo di steroidi e acidi biliari, è in tutte le specie viventi caratterizzato da spiccato polimorfismo genetico e polimorfismo inducibile e costituisce così uno dei più versatili sistema di difesa da sostanze estranee alla biologia cellulare.
Sono state identificate più di 110 famiglie di CYP450 per le quali viene adottata la seguente nomenclatura:
CYP seguito da:
Alcuni Tipi di CYP450, e relativo substrato (da non memorizzare):
CYP1A1 Idrocarburi Policiclici Aromatici, Arilamine, Estrogeni
Indotta da fumo di tabacco e da detti idrocarburi aromatici
CYP1A2 Arilamine, Nitrosamine, Idrocarburi Aromatici
Indotta da fumo di tabacco
CYP2A6 Cumarine, Aflatossina B1
Testosterone (nel Ratto)
CYP2D6 Numerosi farmaci: amine lipofile ® binding a coppia ionica
Stereoselettiva, non inducibile
Inibita dalla chinina
CYP2E1 Alogenoderivati e piccole molecole (etanolo, benzene, acetonitrile, DMF ...
CYP3A... Molto numerosa …
N.B. La sequenza aminoacidica dell'eme-proteina determina l'affinità dell'enzima per una deteminata classe chimica di substrato: la presenza di AA apolari come leucina isoleucina e valina in prossimità del centro catalitico può formare una sacca lipofilica in grado di legare sostanze apolari; la presenza di fenilalanina determina affinità per idrocarburi aromatici, residui di AA bicarbossilici (glutamato e aspartato) tendeno a legare composti con centri cationici, al contrario residui di AA tipo lisina e arginina determineranno affinità per i composti carichi negativamente ...
Inibizione del CYP450 :
Inibitori reversibili: monossido di carbonio, fluorochinoloni, cimetidina, …
Inibitori complessanti: complessano gli intermedi del ciclo catalitico del CYP450 e sono nitrosoalcani, antibiotici macrolidici, …
Inibitori irreversibili: Inibizione “suicida” o inibiz. basata sul metabolismo, cioè l'enzima produce dei metaboliti che lo inattivano. Questi metaboliti sono radicali formati formati da alcheni, alchini, da aloalcani ..., da ormoni androgeni e progestinici, epossidi e acilalogenuri da polialogenoderivati (vedi avanti).
Centro Catalitico Ferro(III) eme tiolato:
La carica del ferro trivalente (N° di coordinazione 6) è neutralizzata da due carica negative su due atomi di azoto pirrolici del nucleo porfirinico (dove per brevità le catene laterali sono omesse) e la terza carica negativa è sullo zolfo di un residuo di cisteina della porzione proteica del citocromo. Il sesto legando è una molecola di acqua, debolmente legata, che appunto nel ciclo catalitico viene sostituita dall'ossigeno.
Ciclo Ossidativo
SCHEMA 1 Ciclo ossidativo del CYP450
I passaggi sopra descritti possono essere riassunti dalle seguenti equazioni, dove ·O· sostituisce il perferril-ossene e ·OH il perferril-idrossido:
O2 + 2H+ + 2 e- ® ·O· + H2O
·O· + R-H ® [ R· + ·OH] ® R-OH
O2 + 2H+ + 2e- ® R-OH + H2O
Ossidazione di Catene Alchiliche:
Le catene alchiliche sono più reattive dei residui arilici nelle reazioni radicaliche: il centro radicalico viene stabilizzato da effetti di risonanza (coniugazione con legami p), iperconiugativi (coniugazione con legami C-H) ed induttivi, come dal seguente prospetto:
Stabilità del radicale @ carbocatione
Effetto iperconiugativo potenziato da vicinanza di metili:
Reattività per Impedimento Sterico
Meccanismo dell'ossidazione enzimatica di radicali alchilici
Lo schema sotto riportato illustra una tipica ossidrilazione di una catena alchilica che procede con un meccanismo radicalico come già descritto in precedenza. Un eventuale prodotto secondario può derivare dalla deidrogenazione ossidativa con introduzione di un doppio legame; questa via metabolica è facilitata da carbocationi intermedi stabili e impediti stericamente ad avvicinarsi al sito catalitico.
SCHEMA 2
Ad es. nei barbiturici la resistenza dei residui idrocarburici in C5 è determinante per la durata del sonno da questi indotto: raggiunge una durata di 12 h con il fenobarbitale e di 4-6 h con gli altri in accordo con la rispettiva emivita come sotto riportato.
SCHEMA 3
Nel fenobarbitale il gruppo CH2 legato al sistema eterociclico dà radicali poco stabili per l'effetto elettronattrattore di detto anello; più disponibili per l'ossidrilazione da parte del CYP450 rimangono il CH3 e il fenile, relativamente poco reattivi.
Nel Pentobarbitale è presente un radicale ramificato, 1'-metilbutile; tuttavia il carbonio terziario 1', oltre che risentire del risucchio di elettroni da parte dell'eterociclo, è stericamente più impedito dei C secondari 2' e 3', dei quali è preferito 3' per il minor ingombro e per l'iperconiugazione con il metile 4'.
Nell'aprobarbile il carbonio più reattivo verso l'ossidrilazione radicalica è l'1' in posizione allilica: l'efficace stabilizzazione per risonanza compensa e supera l'inattivazione da parte dell'eterociclo.
Nell'amobarbitale il centro più attivo per l'ossidrilazione è il C3' del radicale isoamilico: è terziario, è inoltre lontano dall'eterociclo ed adiacente a due metili.
Si può concludere che nei barbiturici, come in altri composti, l'introduzione di ramificazioni o di insaturazioni nei sostituenti in C5 riduce sensibilmente la loro durata d'azione per essere metabolizzati più velocemente ed estensivamente.
Ossidazione Anelli Aromatici:
Come si è accennato in precedenza i residui aromatici sono più resistenti all'ossidazione radicalica rispetto a residui alifatici. In ogni caso la loro reattività e alquanto variabile, risentendo sensibilmente della presenza di sostituenti e degli ingombri sterici quasi in maniera parallela alle stesse reazioni condotte in ambiente chimico. I sostituenti a rilascio elettronico stabilizzano i radicali e, particolarmente, i carbocationi intermedi della reazione enzimatica di ossidrilazione e così aumentano la reattività orientando l'OH in para e orto; quest'ultima posizione è meno favorita per la compressione sterica e per l' effetto orto. La presenza su strutture aromatiche di sostituenti a risucchio elettronico rendono praticamente impossibile l'ossidazione da parte del CYP450. Allo stesso modo gli anelli eterociclici (es. anelli pyrrolici, piridinici, pirimidinici ...), a causa dell'aromaticità e dell'effetto elettronattrattore dell'eteroatomo, praticamente sono molto più resistenti alla ossidazione enzimatica così come lo sono a quella chimica.
Ad es. l'ossidazione della fenacetina, un vecchio analgesico antipiretico ormai in disuso, procede secondo il seguente schema:
Il prodotto di ossidazione in para, cioè la p-idrossi-acetanilide o paracetamolo, è nettamente il principale, come avverrebbe in una sostituzione elettrofila aromatica essendo il sostituente R-CONH orto/para orientante. Come si vedrà nel Cap. 22, il paracetamolo è più attivo e meno tossico dell'acetanilide ( da ritenere un pro-drug ): la biotrasformazione è quindi favorevole.
Meccanismo dell'ossidazione enzimatica di residui aromatici attivati
Un possibile meccanismo dell'ossidazione dei sistemi aromatici da parte del CYP450 viene illustrato nello schema seguente. Gli ossidanti, come gli elettrofili, forniscono dapprima un complesso p che può dar luogo al complesso s radicalico o ad un comlesso s ionico, comune alle sostituzioni elettrofile aromatiche; nel primo caso il Fe(V)=O/eme si appropria di uno dei due elettroni del legame p riducendo il suo numero di ossidazione da 5+ a 4+, nel secondo acquista entrambi gli elettroni riducendosi a Fe3+. Dal complesso s radicalico si distacca Fe3+ lasciando un elettrone spaiato sull'ossigeno: l'accoppiamento dei due centri radicalici formati, sull'ossigenio e sul carbonio, fornisce l'epossido. Gli epossidi sono agenti alchilanti molto efficaci alchilando gli azoti del gruppo eme del citocromo, residui lisinici della parte proteica del stesso citocromo (catalisi suicida) o di altri enzimi producendo varie manifestazioni tossiche. Esistono, tuttavia numerosi meccanismi di difesa come l'idrolisi a cicloesadien.glicole o la coniugazione con il glutatione (vedi avanti) per dare composti meno reattivi.
SCHEMA 4
Nel complesso s ionico il distacco di Fe 3+ lascia una carica negativa sull'ossigeno che si accoppia con il C+ per dare l'epossido come sopra. Tuttavia, preferibilmente, si ha migrazione di ione idrogeno negativo o idruro (NIH shift) con distacco di Fe3+, l'ossigeno negativo fornisce gli elettroni per il legame p con il C vicinale; la forma carbonilica così ottenuta tautomerizza completamente a fenolo. Il fenolo è molto più stabile dell'epossido perchè quest'ultimo ha tensioni di legame e perde la stabilizzazione aromatica. Il fenolo si può formare anche per dismutazione dell'epossido.
Il a-glicol del cicloesadiene prodotto dalla epossidoidrolasi per autoossidazione o per deidrogenazione aromatizza facilmente per dare l' o-difenolo corrispondente o catecolo, che poi a sua volta è soggetto ad autossidazione per dare un o-chinone:
Il radicale idrochinone esercita azione citotossica combinamdosi con proteine e/o DNA. Anche il chinone, per addizione nucleofilica 1,4 di gruppi amminici, produce l'effetto citotossico tipico di queste sosttanze (vedi Cap. ??? , metabolismo delle catecolamine). Il glutatione, G-SH, quando presente, evita l'azione tossica dei chinoni, comportandosi lui stesso da ottimo nucleofilo:
L'anione radicale superossido, –O2· , produce direttamente danni cellulari ossidativi o indirettamente producendo H2O2 per opera della superossidodismutasi (SOD) e radicali OH· con altri processi enzimatici:
Analogamente la cancerogenità del benzene e degli idrocarburi aromatici in genere ( fenoli e idrochinoni e di tutti gli intermedi di ossidazione a chinone) può almeno in parte essere attribuita alla formazione di idrochinone radicalico e chinone in seguito a doppia ossidrilazione da parte del CYP450, successiva formazione del radicale idrochinonico per opera di perossidasi e infine autossidazione a chinone con produzione di anione radicale superossido, come visto in precedenza:
L'epossido idrolasi (Schema 4) catalizza il processo di trans addizione di acqua agli epossidi per dare i corrispondenti trans-1,2-dioli (a-glicoli) e così svolge un importante ruolo nella detossificazione di epossidi elettrofili altamente reattivi per la notevole tensione degli angoli di legame nel ciclo a tre termini. Gli epossidi, in assenza di idrolasi oppure di glutatione e glutatione transferasi che fornisce un addotto nettamente più idrofilo inerte e facilmente coniugabile con acido glucuronico come l'a-glicole, potrebbero attaccare proteine e DNA innescando processi di cancerogenesi e di mutazione. L'alta attività cancerogena del benzo[a]pirene ( (1) Schema 5, dove le lettere 'b' indicano anelli benzenoidi a tre legami p; le 'c' anelli chinonoidi con soli due legami p ) è appunto dovuto alla formazione di una epossido nella "regione di baia" cioè nella parte convessa della molecola. I doppi legami ossidabile dal CYP 450 sono quelli esterni alla regione di baia: il legame p 4-5 è quello più ossidabile e forma il trans-benzo[a]pirene-4,5-diidrodiolo (2), questo viene poi eliminato come solfato o come glucoronide senza alcun problema. Ma quando viene ossidato il legame 7-8 per dare il trans-benzopirene[a]pirene-7,8-diidrodiolo (3), questo viene rapidamente riossidato in 9-10, perché il legame p pur essendo nella regione di baia, ora è completamente non aromatico. Sul benzo[a]pirene-7,8-diidrodiolo-9,10-diidroossido (4) non possono intervenire né la epossido idrolasi né la glutatione transferasi perché impedite stericamente; tuttavia l'epossido (4) è in grado di legarsi al DNA per produrre tumori cutanei o polmonari:
N- O- S-Dealchilazioni ossidative:
Le dealchialzioni procedono secondo i seguenti schemi, producendo da una parte una ammina o un alcol o un tiolo e dall'altra sempre un aldeide. Quando presente il gruppo metilico è quello che preferenzialmente subisce l'ossidrilazioe e poi il distacco.
Nel caso di assenza di gruppi metilici direttamente legati all'eteroatomo (come nell'etilalchilsolfuro sopra riportato), l'ossidazione attacca il carbonio direttamente legato all'eteroatomo stesso.
Meccanismo delle N- O- S-dealchilazioni
La via principale è quella che conduce ad aldeide e all'ammina dealchilata. Come prodotto decondari si può avere l'N-ossido, secondo il seguente schema:
Lo stesso schema è valido per le ossigeno- e tio-dealchialzioni.
Deamminazione Ossidativa
Simile alle N-dealchilazioni procede con lo stesso meccanismo, con la differenza che richiede un altro sottotipo di CYP450 e libera ammoniaca invece di una ammina secondaria o primaria
Dealogenazione ossidativa (e riduttiva):
Gli alogenoderivati, per la loro stessa natura quasi sempre xenobiotici, sono molto diffusi: si usano come insetticidi, pesticidi, anestetici generali, plasticizzanti, isolanti in trasformatori elettrici, antiincendio e solventi commerciali. Solo gli alogenuri alchilici prendono parte facilmente a sostituzioni nucleofiliche (SN1 o SN2) o a dealogenazioni ossidoriduttive. Le sostituzioni da parte di un nuclefilo dell'alogeno è tipica dei monoalogeno derivati e dei 1,2-dialoderivati, mentre il cumulo di due o più atomi di alogeno su un atomo di carbonio riduce la mobilità dell'alogeno stesso: gli atomi di alogeno con il loro effetto elettron attattore riducono la stabilità del sia del carbocatione che del radicale intermedi [ R-(X)2C+ R-(X)2C∙]. Di qui la possibilità di impiego del CCl4 come antiincendio e del teflon (perfluoroidrocarburo) nelle protesi. La mobilità degli alogenuri dipende dalla forza di legame C-X e dalla polarizzabilità (cioè dal volume) di X- come gruppo uscente; presenta, quindi, il seguente ordine: I > Br > Cl >> F. Gli alogenoderivati e i polialogenoderivati non vicinali risultano tossici alchilando centri nucleofilici di enzini, acidi nucleinici e altre biomolecole di interesse vitale. Il nostro organismo di difende coniugando questi agenti alchilanti con glutatione (in presenza di glutatione transferasi) :
R-X + -SG → R-S-G + Cl- → ... derivati mercapturici stabili e idrofilici
La deidroalogenazione ossidativa catalizzata dal citocromo P450 è la via metabolica più comune per numerosi idrocarburi gem-polialogenati. L'ossidazione produce una gem‑aloidrina intermedia che può eliminare acido alogenidrico e formare un derivato carbonilico (aldeidi, chetoni, alogenuri acilici, fosgene [diclouro dell'ac. carbonico], ... ). La sequenza di reazioni, inizialmente radicaliche e poi ioniche, è illustata nello schema sotto riportato. Per l'attacco iniziale è necessaria la presenza di un a‑idrogeno.
Gli alogenuri di acile e di carbonile sono tra gli intermedi più reattivi e più tossici: possono reagire con l'acqua per formare acidi carbossilici e ioni alogenuri meno tossici, ma possono reagire anche con molecole tissutali con conseguenze dannose. Le proteine acilate si comportano da apteni stimolando risposte immunologiche e di ipersensibilizzazione (vedi). Il cloramfenicolo (RNHCOCHCl2) è biotrasformato nell'alogenuro acilico (RNHCOCOCI) che acila selettivamente l'apoproteina del CYP450 rendendolo così inattivo. Fortunatamente, data la relativa inerzia dei gem-polialogenuri, questa attivazione metabolica avviene su una bassa percentuale di composto.
Ossidazioni Catalizzate da FMO
Un altro complesso enzimatico, la flavina monoossigenasi (FMO), la quale, analogamente al CYP450 sebbene con meccanismo differente, attiva l'ossigeno molecolare. Anche la FMO è
microsomiale, ma è meno diffusa, presenta poche isoforme e minor inducibilità rispetto al
CYP450; è quindi dotata di minor specificità di substrato; tipicamente catalizza l'ossigenazione di atoni di N e S, ma non le reazioni di dealchilazione di detti eteroatomi come viene brevemente riportato nello schema successivo. I gruppi funzionali ossidati dalla FMO sono: Ammine 2ª e 3ª acicliche cicliche aromatiche ed eteroaromatiche, le idrossilamine , le idrazine, tioli, solfuri aciclici ciclici e teroaromatici, polisolfuri; i prodotti di ossidazione per la maggior polarità vengono escrete dai reni.
Ossidazioni non Microsomiali
Nella frazioni mitrocondriale e nella frazione solubile di omogenati di tessuti esistono altri tipi di ossidasi, fra le quali le più diffuse sono le seguenti.
Ossidazioni di Alcoli:
Le alcoldeidrogenasi, enzimi non specifici NAD dipendenti, ossidano la maggior parte degli alcoli 1ª a corrispondenti aldeidi, mentre solo alcuni dei secondari sono convertiti a chetoni; i rimanenti alcoli 2ª, unitamente agli alcoli 3ª, rimangono immodificati nelle biotrasformazioni di I Fase e sono eliminati come tali o come coniugati.
CH3-CH2-O-H ® CH3-CHO
CH3-CHOH-CH3 ® CH3-CO-CH3
L'etanolo per circa 1/3 viene metabolizzato anche da una determinata isoforma di CYP450 (CYP2E1) la cui attività viene fortemente incrementata dal consumo delle bevande alcoliche. L'induzione di questa isoforma contribuisce all'attivazione metabolica di molte sostanze, come anestetici generali, analgesici, benzodiazepine ... la cui assunzione contemporanea all'alcol o da parte di forti bevitori deve essere vivamente sconsigliata. L'acetaldeide contribuisce alla tossicità epatica, cardiovascolare e di altro tipo. Inoltre, l'acetaldeide combinandosi con triptofano e derivati produce carboline (vedi) che si comportano da inibitori inversi del GABA; l'inibizione del GABA, che è essenzialmente un neurotrasmettitore di sinapsi inibitorie , produce iperecittabilità, responsabile dell'iniziale azione disinibente de euforica e del perdita di controllo motorio attraverso le vie extrapiramidali, a sua volta responsabile del tremore (delirium tremens) degli alcolizzati.
Ossidazioni di Aldeidi:
Le aldeidi sono composti dotati di buona reattività anche in vivo, perciò vengono prontamente trasformate in composti più stabili e meno pericolosi per i processi vitali: possono essere ridotte ad alcoli 1ª o ossidate ad acidi carbossilici. L'ossidazione delle aldeidi viene catalizzata da aldeide deidrogenasi NAD dipendente o da enzimi metalloflavoproteici come la xantina ossidasi e l'aldeide ossidasi.
CH3-CHO ® CH3-COOH
Deamminazione Ossidativa:
La deamminazione di ammine 1ª catalizzata dalle le MAO, Mono Ammino Ossidasi, procede in modo analogo a quella catalizzata dal CYP450 riportata in precedenza: di formano gli stessi intermedi, dei quali nello schema sotto riportato si riportano per brevità l'immina e l'ammonaldeide prodotta per idrolisi di quest'ultima.
Le DAO o Di Ammino Ossidasi catalizzano la stessa reazione nelle sostanze provviste di due centri basici, come istamina, cadaverina e putrescina prodotte per decarbossilazione della istidina, lisina e ornitina rispettivamente:
Ossidazione delle Purine:
Catalizzate da xantinossidasi, che sono metallo flavoproteine. Ad es., la 6-mercaptupurina fornisce l'acido mercapturico, secondo la seguente equazione:
b-Ossidazioni:
Farmaci che contengano residui di acidi carbossilici lineari, a numero pari di atomi di C ed eventualmente con uno o più doppi legami alternati e a struttura cis, vengono rapidamente e completamente biotrassformati dalle b-ossidasi, secondo un meccanismo esaurientemente trattato nei testi di Chimica Biologica. Gli acidi alifatici ramificati o a numero dispari di atomi di C o a struttura trans vengono metabolizzati più lentamente e solo parzialmente, interrompendosi la sequenza ossidativa in prossimità di una ramificazione, di un ciclo e di una struttura non riconosciuta.
L'efficacia dalla b-ossidazione metabolica degli acidi alifatici spiega la grande difficoltà incontrata nell'usare in terapia i prostanodi naturali o sintetici per il fatto che la loro struttura conserva parte dell'acido arachidonico dal quale derivano e perciò viene rapidamente attaccata dalle b-ossidasi.
Riduzioni
Le reazioni di riduzioni sono rese possibili da reduttasi più o meno specifiche alle quali molto spesso è associato come coenzima il NADPH. I substrati più comuni ed i relativi prodotti di riduzione sono brevemente elencati nella seguente Tabella
Substrato |
Prodotti di riduzione |
||
Aldeidi |
Acoli I |
|
|
Chetoni |
Alcoli II |
|
|
Ar-N=N-Ar Azocomposti |
Ar-NH-NH-Ar Idrazocomposti |
2 Ar-NH2 Arilammine |
|
Ar-NO2 Nitroderivati |
Ar-NO Nitrosoderivati |
Ar-NHOH Arilidrossilamine |
ArNH2 |
R-S-S-R Disolfuri |
2 R-SH Tioli o mercaptani |
|
|
R-SO2-R Solfoni |
R-SO-R Solfossidi |
R-S-R Solfuri |
|
Idrolisi
I gruppi funzionali suscettibili di idrolisi (SNAcilica) in ordine di reattività decrescente sono:
Epossidi > Esteri > Lattoni > Amidi > Imidi > Lattami> Uretani > Uree > Barbiturici.
Gli enzimi che attivano le reazione di idrolisi vengono dette genericamente, idrolasi, e sono praticamente ubiquitari, presentando la più alta attività nel fegato e nel plasma
Carbossiesterasi o Carbossilesterasi.
Sono presenti in molti tessuti e nel plasma (tubo digerente ??) ed agiscono non solo su composti endogeni come diacil- e monoacil-gliceroli, acil-CoA, ma anche su molti xenobiotici. Quindi sono dotate di scarsa specificità e possono idrolizzare non solo esteri (es.: procaina) ma anche amidi (es.: procainamide), tioesteri (es.: spironolattone), esteri organofosforici (es.: paraoxon), anidridi (es.: diisopropilfluorofosfato), epossidi, … Nella Tabella successiva vengono riportati tipici esempi di idrolisi metaboliche, che alle quali si può applicare i principi che regolano la reattività in vitro: forza basica e stabilità del gruppo uscente, energia dei legami che si devono rompere e impedimenti sterici. Inoltre, la velocità delle reazioni di idrolisi, come sostituzione nucleofile aciliche, dipendono dalla carica positiva sul carbonio carbonilico: effetti induttivi e mesomerici elettron attrattori che la incrementano aumentano la reattività e viceversa, come risulta dai seguenti esempi.
Questo effetto elettrondonatore dell'anello aromatico viene accresciuto sensibilmente dalla presenza di sostituenti elettrondonatori come gruppi NR2 > OR > R specie nelle posizioni para e orto, aumentando ulteriormente la resistenza all'idrolisi e quindi la durata dell'effetto di anestetici locali come la procaina (vedi Cap. 11).
TABELLA
Non sempre il metabolismo degli xenobiotici da parte delle carbossiesterasi comporta detossificazione ad es. le idrolisi di acetato di vinile e di nitroso amidi producono acetaldeide e metidiazo idrossido rispettivamente che combinandosi con il DNA risultano cancerogeni:
CH3-CO.O-CH=CH2 → CH3-COOH + [ HO-CH=CH2 ] → O=CH-CH3
R-CO.N(NO)CH3 → RCOOH + [ O=N-NH-CH3 ] → HO-N=N-CH3
COCAINA-COOCH3 → COCAINA-COOCH2CH3
Gli esteri etilici sono ancora attivi e più lipofili, incrementando l'attività e la tossicità epatica dell'alcaloide al punto da risultare mortale ad alti dosaggi e in presenza di forti dosi di etanolo.
Peptidasi.
Amidasi
Epossido idrolasi
(riportare da pag156)
Le epossido-idrolasi sono stereoselettive fornendo trans - dioli, come accennato in precedenza in
" Meccanismo dell'ossidazione enzimatica di residui aromatici ". La notevole reattività degli epossidi è
dovuta alla deformazione degli angoli di legame dai normali valori di 109° a circa 60°.
Gli agenti coniuganti più comuni sono: acido glucuronico - acido solforico - glicina. Le reazioni di coniugazione possono essere precedute da quelle della Fase I, ma per sostanze provviste già di adatti gruppi la coniugazione è immediata.
I prodotti di coniugazione hanno le seguenti caratteristiche generali:
Nettamente più idrofili, ad esclusione di quelli di metilazione e acilazione
Per la maggior parte dei farmaci come degli xenobiotici, la coniugazione rappresenta un meccanismo di detossificazione anche se è noto che alcuni di questi intermedi risultano farmacologicamente attivi o sono coinvolti nella carcinogenesi, nelle reazioni allergiche ed in danni tissutali. Esempi tipici di coniugati attivi sono il 6-glucoronide della morfina che è più attivo della stessa morfina ed il minoxidil solfato che è il metabolita attivo (antiipertensivo) del minoxidil.
La sequenzialità delle coniugazioni di una stessa sostanza può dar origine a svariati prodotti di coniugazione, come nel caso dell'acido p_amminosalicilico (antitubercolare), che può essere il substrato di più di un enzima metabolizzante, così che processi di coniugazione diversi possono competere per lo stesso gruppo funzionale. Il risultato è una vasta gamma di metaboliti escreti con le urine o con le feci.
Gli enzimi di coniugazione, quando un farmaco sia somministrato come racemato, possono mostrare stereospecificità verso uno degli enantiomeri. Anche la via di somministrazione, orale o endovenosa, può condizionare il tipo di biotrasformazione per il verificarsi di coniugazioni presistemiche intestinali.
GLUCURONAZIONE: Coniugazioni con Acido Glucuronico
É la più diffusa via coniugativa. Il fegato è particolarmente ricco non solo di acido glucuronico ma anche di UDP-glucuronil-transferasi (*), cioè dell'enzina che trasferisce l'acido glucuronico sul substrato
Glucosio-1-fosfato + UTP ® UTP-glucosio ®(+ 2 NAD + UDPG-deidrogenasi) ® UDP-glucoronato
Cioè, il a-glucosio-1-fosfato reagisce dapprima con Uridintrifosato (UTP) per dare uridindidfosfato-a-glucosio con eliminazione di pirofostato inorganico e con conservazione di configurazione a del C1 del glucosio. Poi il gruppo alcolico 1ª in C6 viene deidrogenato ad aldeide e quindi ossidato ad acido. Poi il centro nuclefilo , HY: (dove YH = OH, NH, SH) , del substrato dà una tipica SN2 da retro con inversione di configurazione catalizzata da UDPG-transferasi (*). La sostituzione è resa possibile dal fatto che il gruppo uscente uridindifosfato è una base molto debole essendo l'anione (fosfato) coniugato con un acido forte (uridin di fosforico). Si ottiene quindi un b-glucoronide. La UDP-glucuronil transferasi ha proprietà inducibili: efficaci agenti di induzione sono i barbiturici ed il fumo di tabacco.
Nella glucuronazione si ha un grande aumento di idrofilia prodotto dai gruppi ossidrilici liberi e soprattutto dall'anione carbossilato. Il coniugato dopo filtrazione glomerulare non è affatto riassorbibile nell'ansa. Quando il glucuronide ha un elevato peso molecolare (superiore a circa 500 Dalton), la via di eliminazione preferita è quella biliare. Il glucuronide così secreto nell'intestino non verrebbe affatto riassorbito attraverso la parete intestinale ed andrebbe incontro a completa eliminazione fecale se non venisse idrolizzato da glucoronidasi ivi presenti (prodotte anche dalla flora batterica). Questo riassorbimento (effetto di secondo passaggio), che è proporzionale all'entità della liberazione del farmaco dal glucuronide, è solo parziale.
I glucuronidi sono in relatà dei glucosidi o emiacetali ciclici: la loro suscettibilità all'idrolisi è quindi intermedia fra esteri e gli eteri ed è promossa dagli acidi ed elettrofili, mentre è insensibile alle basi ed ai nuclefili. I gruppi funzionali che posssono essere glucuronati sono:
alcoli → O-glucuronidi a carattere etereo, buons stabilità: alcoli Iª > IIª > IIIª
fenoli → O-glucuronidi a carattere etereo c. s., ostacolo da orto-sostituenti ingombranti
acidi → O-acilglucuronidi a carattere estereo, molto sensibili all'drolisi
ammine → N-glucuronidi poco stabili in ambiente acido
tioli → S-glucuronidi poco stabili in ambiente acido
amine IIIª → N-glucuronidi quarternari, minor stabilità dei precedenti
Contrariamente ai C1-O-glucuronidi eterei, i C1-O-acilglucuronidi, data la natura esteri acetalici sono sensibili agli alcali ed ai nucleofili e, data la mobilità del gruppo acilico, possono dar luogo a reazioni di trans-esterificazione, che possono portare al trasferimento dell'acile sugli altri ossidrili della stesso residuo glucuronico o su gruppi amminici di proteine o altre 
biomolecole. La proteina così acilata può comportarsi da aptene e causare risposte i mmunologiche in seguito ad una successiva esposizione alla sostanza acida (vedi precedente cshema). Questa ipersensibilizzazione è responsabile delle reazioni anafilattiche all'acido acetilsalicilico e ad altri FANS. La frequenza di queste risposte immunotossiche dipendono dalla reattività dell'acil glucuronide e dalla stabilità della proteina antigenica: antiinfiammatori come il benoxaprofene, zomepirac, indoprofene ... sono stati ritirati dal commercio. Questa reattività degli O-acilglucoronidi può essere responsabile di epatotossicità e crcinogenesi. L'induzione di tumori alla vescica da parte di arilamine sembra legata alla formazione di N-glucuronidi di N-idossiarilamine (prodotti di ossidrilazione con CYP450, vedi). Questi glucuronidi si concentrano nelle urine, dove, per il pH acido si idrolizzano a N-idrossiarilamine che possono subire eleiminazione di acqua e convertirsi in ioni arilnitrenio, capaci di reagire con nuclefili endogeni, come gli acidi nucleinici, inizioando il processo mutagenetico e precarcinogeno.
% Glucuronazione
O-acil-glucuronide + proteina ® proteina acilata ® aptene
Altra somministrazione ® reazione immunologica (ipersensibilità)
Comune ad aspirina e molti FANS.
Steroidi, bilirubina, tirosina e tiroxina, … elininati come glucuronidi
Esempi di glucuronidi attivi della morfina:
In competizione con solfoconiugazione: stessi substrati
Preferenziale per fenoli: Catecolamine
Acidi Biliari
Ormoni steroidei
Farmaci Fenolici e Derivati tirosinici
Solfonati anche: alcoli amine >> tioli
Limitata dalla disponibilità di solfato:
Alcuni solfoconiugati possono risultare attivi:
Minoxidil solfato Morfina 6-solfato
Altri tossici per spiccate proprietà alchilanti
Sedi principali: fegato e intestino
SO42- + 2 ATP ® (ATP-solforilasi + Chinasi) ® 3-Fosfoadenosina-
5-fosfosolfato + 2 ADP + PPi
Sostanze con gruppi COOH ramificate, alicicliche e aromatiche
Lineari: beta-ossidazione e acetato
AA principale: Glicina (taurina per ac. biliari)
Coniugati sempre non tossici
R-COOH + HS-CoA + ATP ® ADP + R-CO-S-CoA
(acilsintetasi)
R-CO-S-CoA + H2N-CH2-COO- ® HS-CoA + R-CO-NH-CH2-COO-
(aciltransferasi)
ACETILAZIONE
Avviene principalmente su gruppi amminici:
Alcuni coniugati conservano attività: N-acetil-procainamide
Polimorfismo ereditario:
tumore alla vescica e fegato
(*) Ossidrilazione catalizzata da CYP 450
[Ar-NH+ ]: ione nitrenio, fornisce legami covalenti con ac. nucleinici e proteine
cancerogeno (tumore alla vescica)
Coinvolge sostanze alchilanti: suscettibili all'attacco nucleofilico
Protegge dall'alchilazione proteine, enzimi, ac. nucleinici
O- e N-Metilazioni : più attive su composti endogeni
Molto spesso si osserva incremento di attività
Complessasione con Fe dei Citocromi ed Emoglobina
Programma di Tossicologia
Grande variabilità nel metabolismo dei farmaci CYP 450-dipendenti:
Pol. Gen. : diversità genetica nell' espressione naturale di isoforme di CYP 450
Isoforme: diversa capacità di catalizzare le biotrasformazioni
risposte insolite o esagerate a normali dosaggi di un farmaco
CYP 450 che catalizza ossidrilazioni e demetilaziono ossidative (CY2D6):
alta capacità di detossificazione
ma maggior rischio per .estensiva attivazione di percancerogeni
Risposte esagerate sia terapeutiche che tossiche
Insensibili alla codeina per mancata O-demetilazione
Polimorfismo è stato associato anche aad altri processi enzimatici:
Ad es.: 50 % degli orientali mancano di aldeide deidrogenasi …
Molti Enzimi metabolizzanti gli xenobiotici sono ubiquitari
Superfici gastrointestinale e polmomare: relativamente più ricche:
Presenti: varie famiglie di CYP 450 (ossidazioni e demetilazioni)
Enzimi di coniugazione, acetilazione, idrolisi …
Per os sono particolarmente evidenti interazioni fra farmaci e farnaci/dieta:
Induzioni e Inibizioni
Induttori (es. fumo): biodisponibilità di altri farmaci
Inibitori ( es. eritromicina, steroidi ): ¯ “ “ “
Cavoletti di Bruxelles: rallentano la 2a-ossidrilazione del testosterone
Vit B6 dietaria aumenta l'attività della L-AA-decarbossilasi intestinale
Tiramina (formaggi, vino rosso, banane ) come substrato inibisce le MAO intestinali e sistemiche
Paracetamolo (fenoli) co-somministrato a etinilestradiolo ne aumenta del 48%
la conc. Ematica competendo per la solfoconiugazione.
Microflora intestinale: produce b-glucuronidasi, solfatasi e varie glucosidasi
Ruolo importante nel metabolismo presistemico
b-glucoronidasi, solfatasi, … ® riciclo entero-epatico
Farmaci: digossina, contraccettivi, cloramfenicolo
Endogeni: H. Tiroidei, Ac. biliari, ac. folico, colesterolo
Riduttasi: NO2 nitroimidazoli
Ar-N=N-Ar sulfalazina, prontosil rosso, … (prodrugs)
R2S®O sulfinpirazone
Polmone possiede tipiche attività CYP450 , FMO, Epossido idrolasi e
coniugazioni confrontabili a quelle epatiche
Polmone sede di 1° Passaggio dopo somministrazioni: Endovenosa
Intramuscolare
Sottocutanea
Dermica
2° Passaggio altre vie
Si accumulano nel polmone per interazione con fosfolipidi tissutali:
b-bloccanti
oppioidi
antidepressivi triciclici
Enzimi chirali ® buona stereoselettività di substrato
stereospecificità di prodotto
Stereoselettività: azione preferenziale su un isomero (> velocità)
Es.: decarbossilazione di S-a-metildopa a S-a-metildopamina
i relativi enantiomeri D inattaccati
Es.: riduzione del metadone produce prevalentemente un isomero
Ossidrilazione fenitoina: idem
Riduzione del naltrexone ® solo 6-a-isomero
Stereoselettività di substrato-prodotto, es.: R-a-metildopamina
b-idrossilata selettivamente
prodotto un solo isonero : (1R, 2S)-a-metilnoradrenalina
Ossidazioni ® Bioattivazione ® Sost. Nucleofiliche: epossidi (*)
chinoni (*)
radicali (*)
(*) stericamente impediti ® non attaccati da enzimi detossificanti
epossido idratasi o glutatione S-transfer.
Talvolta ® coniugati reattivi dove coniugante e buon grppo uscente
Spesso un farmaco modifica il decorso metabolico di altri farmaci:
Sinergismo
Antagonismo
Reazioni tossiche
Evitare somministrazioni simultanee specie di farmaci molto attivi.
Es. fenobarbitale: potente induttore di CYP450
diminuisce attività: fenitoina, anticoagulanti, …
anti-MAO potenziano azione adrenergici e antidepressivi
allopurinolo usato come antigottoso, inibitore xantinossidasi®
porta ad accumulo di 6-mercaptopurina, immunosoppressore
Poche notizie: probabilmente dovute ai diversi ormoni sessuali
Es. N-demetilazione dell'eritromicina è più alta nella Donna
Differenze di velocità di metabolizzazione:
Si consulti un testo di Fisiologia per una sommaria descrizione di queste funzioni escretorie.
Il nome deriva dal fatto che la forma ridotta con Fe2+ lega monossido di carbonio per dare un complesso con un massimo di assorbimento a 450 nm (nel blu)
Il Ferro-eme, analogamente a quello della emoglobina, per poter legare l'ossigeno molecolare deve essere ridotto a Fe (II), cioè ferro a numero di ossidazione 2+.
Schema della dismutazione. Nell'epossido i due carboni legati all'ossigeno hanno numro di ossidazione zero, dopo il riassestamento di elettroni rappresentato con le frecce, il C legato all'OH di ossida a 1+ e l'altro si riduce ad 1-
Gli arilalogenuri ed i vinil alogenuri sono stabilizzati per risonanza che porta anche a rafforzamento e diminuzione della polarità del legame C-X. L'effetto induttivo +I dell'alogeno è in direzione contraria all'effetto mesomerico +M del radicale e pur prevalendo ne risulta indebolito:
Purtroppo gli 1,2-dialogeno derivati diventano mutageni perchè trasformati dal GSH in ioni episulfonio che sono ancora più reattivi del composto di partenza e alchilano il DNA:
I C2- , C3- e C4-O-acilglucuronidi ottenuti per trasposizione dei C1-O-acilglucuronidi sono dei regioisomeri non più riconosciuti dalle glucuronidasi e quindi resitenti all'idrolisi.
Fonte: http://unilitpu.xoom.it//gmichele/Testi/Cap%2008%20Metabolismo.doc
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