Rapporto fenotipo-etnia nel metabolismo dipendente da CYP450

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1 Rapporto fenotipo-etnia nel metabolismo dipendente da CYP450 Studi familiari hanno dimostrato che i cattivi metabolizzatori sono omozigoti per un gene recessivo autosomico (aa) Sono stati identificati gli alleli mutati che causano carenza del CYP2D6. L analisi del genotipo (analisi del DNA dei leucociti) consente ora di stabilire con accuratezza il fenotipo. Sono state identificate varianti geniche con duplicazione o amplificazione del gene codificante per l enzima, varianti associate a capacità metabolica ultrarapida. 108

2 Conseguenze del polimorfismo del cyp2d6 Il CYP2D6 metabolizza molti farmaci di notevole importanza clinica e con discreta tossicità potenziale: antidepressivi triciclici, antipsicotici, molti antiaritmici, β- bloccanti lipofili, oppiacei. L influenza del polimorfismo del CYP2D6 dipende dall importanza dell ossidazione catalizzata da questo enzima sull eliminazione del farmaco. I cattivi metabolizzatori corrono quindi il rischio di sviluppare effetti avversi con dosi ordinarie di farmaco. D altra parte, in soggetti con capacità metabolizzante molto rapida, dosi ordinarie possono determinare concentrazioni plasmatiche sub-terapeutiche e quindi un effetto clinico inadeguato, come nel caso degli antidepressivi triciclici. Oppure possono presentare intossicazione da morfina dopo somministrazione di profarmaco codeina poiché viene velocemente convertita a morfina. Conseguenze tossicologiche del polimorfismo del CYP2D6, non legate ai farmaci Il CYP2D6 partecipa al metabolismo di: insetticidi organofosforici atrazina (erbicida) MPTP (neurotossina che induce PD) I cattivi metabolizzatori potrebbero essere più sensibili agli effetti tossici di queste sostanze. I cattivi metabolizzatori professionalmente esposti a pesticidi sembrano avere un più alto rischio di sviluppare il morbo di Parkinson 109

3 ALTRI ENZIMI OSSIDATIVI: monoossigenasi contenenti flavina (FMO) FMO catalizza la monoossigenazione di eterotaomi (N, S, P) molte reazioni possono essere catalizzate anche dal CYP450. La FMO catalizza la reazione: RH + NADPH + H + + O 2 ROH+ NADP + + H 2 O Anche la FMO è microsomiale, ma è meno diffusa rispetto al CYP450, presenta inoltre poche isoforme e minor inducibilità; è quindi dotata di minor specificità di substrato infatti agisce su substrati diversissimi. Catalizza l'ossigenazione di atoni di N e S, ma non le reazioni di dealchilazione di eteroatomi. La FMO catalizza l ossidazione di: amine 3 N-ossidi; amine 2 idrossilamine ( nitroni); amine primarie idrossilamine ( ossime) numerosi composti solforati (tioli, tioeteri, tiochetoni e tiocarbammati fosfine, rispettivamente a S- e P-ossidi: 110

4 FMO Uno xenobiotico può essere metabolizzato in modo diverso in specie diverse in dipendenza del contenuto dei CYP450 e degli enzimi FMO. Es. gli alcaloidi pirrolizidinici (tossine prodotte da alcune piante da fiore come difesa dagli insetti) sono epatotossici nel ratto (e nell uomo) perché sono ossidati a metaboliti tossici da un CYP450. Nella cavia, l attività di questo enzima è bassa e gli alcaloidi sono ossidati dalle FMO, con formazione di metaboliti non tossici. Gli alcaloidi pirrolizidinici attivati possono legarsi a proteine (epatotossicità) e al DNA (mutagenicità, cancerogenicità) 111

5 I metaboliti elettrofili formati dalle FMO non inibiscono le FMO ma possono inibire irreversibilmente i CYP. Nell uomo sono presenti 5 FMO. Non sono inducibili da sostanze esogene ma la loro attività è regolata dagli ormoni sessuali. La carenza di FMO3 provoca la sindrome dell odore di pesce, dovuta alla mancata ossidazione della trimetilamina endogena, che viene escreta nelle urine, sudore, alito. Non si sa se questa carenza provochi conseguenze tossicologiche. 112

6 Prostaglandina H sintasi (PHS) o COX (co-ossidazione perossidasi dip.) Esistono due isoenzimi distinti: La COX-1 (PGH sintasi-1) è espressa costitutivamente in cervello, stomaco, endoteli, dotti renali, piastrine), la sua presenza (fino a 2-4 volte in seguito a stimolazioni umorali. La COX-2 (o PGH sintasi-2) è invece inducibile in stati di infiammazione (10-18 volte in seguito alla stimolazione da parte di fattori di crescita, promotori tumorali, citochine, sostanze batteriche). Eccezione è la COX-2 renale, un enzima costitutivo la cui produzione di prostaglandine assicura il flusso nelle arterie afferenti. Entrambi gli isoenzimi COX possiedono un'attività cicloossigenasica (ciclizzazione della catena idrocarburica dell'acido arachidonico) + un'attività perossidasica. 113

7 Le perossidasi hanno una distribuzione ubiquitaria e sono presenti anche in tessuti in cui i livelli di CYP450 sono bassi o nulli: rene, midollo osseo, polmone ecc. COX e altre perossidasi hanno importanza nell attivazione di xenobiotici in metaboliti tossici e cancerogeni, specie in tessuti extraepatici aventi bassi livelli di citocromo P450. La biotrasformazione degli xenobiotici da parte di PHS è un processo controllato dall acido arachidonico, mentre quella condotta da altre perossidasi dipende dalla disponibilità di idroperossido. Reazioni catalizzate dalle perossidasi L ossidazione di xenobiotici da parte delle perossidasi avviene con trasferimento diretto di ossigeno dal perossido allo xenobiotico (X XO). Es. una reazione di questo tipo è l epossidazione PHS-dipendente del benzo[a]pirene7,8-diidrodiolo nel relativo 9,10-epossido. Es. PHS catalizza la 8,9-epossidazione dell aflatossina B1, uno dei più potenti epatocancerogeni conosciuti. Nel ratto causa tumori al rene poiché a tale livello vi sono elevati livelli di PHS (prostaglandina H sintasi). 114

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9 Aflatossina metabolizzata da perossidasi Il trasferimento diretto dell ossigeno da un perossido (es. PGG2) al substrato xenobiotico non è il solo meccanismo con cui avviene l ossigenazione degli xenobiotici da parte delle perossidasi: Le sostanze che fungono da donatori di elettroni (es. amine aromatiche, fenoli, idrochinoni, idrocarburi policiclici e composti insaturi coniugati) possono essere ossidate a radicali liberi durante la riduzione del perossido (PGG2) ad alcol (PGH2) e l ossigeno del perossido è ridotto ad H 2 O piuttosto che essere incorporato nella molecola dello xenobiotico. Es. dosi alte di paracetamolo nel fegato metabolita tossico generato da P450, mentre nel rene metabolita tossico generato da PHS presente in quantità elevate rispetto a P

10 Paracetamolo ad alte dosi 117

11 Mieloperossidasi La ticlopidina è un antiaggregante piastrinico, antagonista del recettore purinergico (P2Y12) per l'adp, che inibisce l'aggregazione piastrinica. La mieloperossidasi (perossidasi nei leucociti) trasforma il nucleo tiofenico in tiofene- S-cloruro che è un metabolita molto reattivo responsabile degli effetti collaterali della ticlopidina a carico dei neutrofili (grave diminuzione dei neutrofili nel sangue = agranulocitosi). 118

12 Alcol deidrogenasi (ADH) Ossidazione di alcol alifatici e aromatici ad aldeidi: ROH + NAD RCHO + NADH + H + Alcol primari: reazione veloce secondari: lenti terziari: praticamente nulla ADH è un enzima citosolico; è un omo- o etero-dimero; 5 tipi di subunità (α, β, γ, π, χ) molti isoenzimi, suddivisi in tre classi. La classe I è quella più importante: ossidazione di CH 3 OH e CH 3 CH 2 OH. CH 3 OH è ossidato molto più lentamente dell etanolo; dato che la tossicità del metanolo è dovuta alla sua ossidazione ad acido formico etanolo usato come antidoto (inibizione competitiva) nelle intossicazioni da metanolo. ADH gastrica: eliminazione pre-sistemica, limita la biodisponibilità orale dell etanolo. I livelli gastrici di ADH sono diminuiti dal digiuno maggiore effetto dell etanolo a digiuno. Gli isoenzimi di classe I che contengono almeno una subunità beta sono molto attivi nei confronti dell etanolo ADH atipica, che porta alla conversione molto rapida ad acetaldeide. Presente nell 85% di cinesi e giapponesi, in percentuali molto minori in altre razze (0-20%). Aldeide deidrogenasi (ALDH) R-CHO + NAD(P) + + H 2 O R-COOH+ NAD(P)H + H + Ossida le aldeidi ad acidi, utilizzando NAD come co-fattore ALDH2 è polimorfa; in un alta percentuale (~50%) di giapponesi, cinesi e vietnamiti è presente una variante ALDH2 a bassa attività, per una mutazione puntiforme. Dato che in queste popolazioni vi è un elevata prevalenza di ADH atipica, molti soggetti hanno tossicità da acetaldeide (flushing syndrome) dopo assunzione di etanolo L ALDH è inibita da diverse sostanze; il disulfiram è utilizzato nella disassuefazione degli alcolisti. In generale le aldeidi sono più tossiche dei rispettivi alcol. Una delle più tossiche è l acroleina (CH 2 =CHCHO, epatotossica), che si forma per ossidazione dell alcol allilico. 119

13 Monoaminoossidasi (MAO) Catalizzano la deaminazione ossidativa delle ammine ad aldeidi in modo analogo a quella catalizzata dal CYP450. Importanti nel metabolismo di ammine endogene (noradrenalina, serotonina, dopamina) ed esogene. Metabolizzano anche alcuni farmaci e xenobiotici La formazione delle neurotossina MPP + a partire da MPTP è catalizzata dalla MAO-B 120

14 Reazioni di fase I: riduzioni Gruppi azo e nitro: Sono ridotti da: 1) microflora intestinale (bassa tensione di O 2 ); 2) CYP450 (con bassa tensione di O 2 ). La riduzione dei nitrogruppi (-NO 2 ) a -NO (nitroso) e -NH 2 svolge un ruolo importante nella tossicità di alcuni composti nitroaromatici (es. dinitrotoluene, epatocancerogeno nel ratto). Ar-N=N-Ar Ar-NH-NH-Ar Ar-NH 2 R-SO 2 -R R-SO-R R-S-R solfoni solfossidi solfuri dinitroto R-S-S-R R-SH disolfuri tioli o mercaptani R-CHO o R-CO-R ROH aldeide o chetoni alcoli Es. Dinitrotoluene metabolizzato a compost cancerogeno 121

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16 Epossido idrolasi Catalizza l addizione trans di H 2 O agli epossidi formati (dal citocromo P450) nelle reazioni di ossidazione di alcheni e composti arilici trans dioli. Dato che questi epossidi sono quasi tutti altamente reattivi e tossici (cancerogeni), le epossido idrolasi sono enzimi detossificanti molto importanti. Sono ampiamente distribuiti nell organismo; all interno di alcuni tessuti, la loro distribuzione è parallela a quelle del citocromo P450 rapida detossificazione degli epossidi. Alcuni epossidi non possono essere metabolizati dall epossido idrolasi per ragioni steriche (v. bay region) e sono quindi particolarmente tossici (es., benzopirene-9,10-epossido). L epossido idrolasi è un enzima inducibile. La sua induzione è sempre associata a quella del citocromo P450. Può essere inibito da alcuni epossidi e da alcuni farmaci aumento della tossicità di altri xenobiotici metabolizzati ad epossidi. Es. acido valproico inibisce l attività della epossido idrolasi e così aumentano i livelli dell epossido che si forma per metabolizzazione della carbamazepina aumenta la tossicità di carbamazepina. Idrolisi Carbossilesterasi (esterasi). Idrolisi di esteri (veloce), amidi (lenta), esteri tiolici, esteri fosforici, anidridi acide. RCOOR 1 + H 2 O RCOOH + R 1 OH Le esterasi sono enzimi poco specifici. Oltre agli xenobiotici, metabolizzano anche composti endogeni. Sono ampiamente distribuite nell organismo; i livelli più alti si trovano nel fegato, plasma ed eritrociti, rene (tubulo prossimale), polmone. In alcuni casi l idrolisi porta alla formazione di composti reattivi. Le carbossilesterasi (esterasi A con residuo di cisteina nel sito attivo) idrolizzano i pesticidi organofosforici detossificazione. Le carbossilesterasi (esterasi B con residuo di serina nel sito attivo) il fosfato degli organofosforici viene trasferito sull'enzina e va ad esterificare l'oh di un residuo della serina in prossimità del sito attivo dell'enzima stesso. La carbossiesterasi, tipo B, viene così inattivata irreversibilmente, ma in questo modo viene protetta l'acetilcolinesterasi sinaptica del sistema colinergico. 123

17 Transesterificazione della cocaina in presenza di etanolo l estere etilico è più attivo e più lipofilo aumento della mortalità e tossicità epatica Così, la cocaina ed alcuni suoi metaboliti vengono idrolizzati da una carbossiesterasi epatica che, in presenza di etanolo proveniente da bevande alcoliche, produce transesterificazione trasformando il gruppo carbossimetilico in carbossietilico: COCAINA-COOCH 3 COCAINA-COOCH 2 CH 3 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. 124

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19 Reazioni di fase II Sono reazioni di coniugazione. Alcune aumentano l idrofilia (glucuronidazione, solfatazione, acetilazione, coniugazione con glutatione o con amminoacidi) e quindi facilitano l escrezione dei tossici nelle urine. L acetilazione e la metilazione possono diminuire l idrofilia ma possono proteggere dalla formazione di metaboliti reattivi. Coniugazione di nucleofili: glucuronidazione solfatazione acetilazione metilazione coniugazione con aminoacidi (glicina, taurina, acido glutammico) Coniugazione di elettrofili: coniugazione con glutatione (GSH) con formazione di acidi mercapturici Le reazioni coniugative richiedono energia, che viene fornita come attivazione del cofattore coniugativo (coniugazione di nucleofili) o attivazione dello xenobiotico (coniugazione di elettrofili. 126

20 Coniugazione con acido glucuronico Catalizzata dalla UDP-glucuroniltransferasi in presenza di co-substrato acido UDP-glucuronico 127