BIOTRANSFORMATION DES XENOBIOTIQUES Chapitre 4 BIOTRANSFORMATION DES XENOBIOTIQUES

1. Finalité des réactions de biotransformation Absorption Excrétion Lipophile Absorption Excrétion Hydrophile

2. Types de réaction Lipophile Hydrophile Type ou phase I : « fonctionalisation » Type ou phase II : « conjugaison » phase I phase II xénobiotique métabolite primaire métabolite secondaire urine bile Lipophile Hydrophile

Foie Poumon Rein 3. Localisation des réactions Tissulaire Intestin Peau Placenta Gonades …. Cellulaire . Réticulum endoplasmique lisse (RE) (microsomes) . Cytosol

a. Système du cytochrome P450 ou des monooxygénases 4. Réactions de phase I a. Système du cytochrome P450 ou des monooxygénases à fonction mixte dépendantes du cytochrome P450 Complexe comportant deux enzymes: . NADPH cytochrome P450 réductase . Cytochrome P450 Un pic d‘absorption à 450 nm lorsque le Fe²+ fixe le CO

Représentation du complexe du système du cytochrome P450 serti dans la membrane microsomiale NADPH cytochrome P450 réductase Membrane microsomiale Cytochrome P450

Réaction générale catalysée par le système du cytochrome P450 RH (substrat) + O2 +2 e + 2 H+  ROH+ H2O

Principaux types de P450 chez l’homme avec des exemples de substrats CYP1A1 benzo(a)pyrène et autres HAPs CYP1A2 caféine, amines aromatiques, estradiol, phénacétine, NNK, CYP2A6 nicotine, butadiène, NNK CYP2B6 cyclophosphamide CYP2C8 acide arachidonique, taxol CYP2C9 phénacétine, phénobarbital, warfarin CYP2C19 propanolol, diazepam CYP2D6 codéine, clozapine, captopril, debrisoquine, NNK CYP2E1 benzène, caféine, alcools, styrène, nitrosamines, aniline CYP3A4 aldrin, stéroïdes, diazepam, digitoxine, aflatoxine, nitropyrène

Cycle catalytique de cytochrome P450 (from Casarett and Doull’s toxicology, 6th Edition) Cycle catalytique du cytochrome P450

Cycle catalytique du cytochrome P450 Xenobiotique Fe3+ Fe3+ CYT P- 450 NADPH NADP e - CYT P-450 reductase + Fe3+ Fe2+ O2 H2O NADPH Fe3+ Fe2+ e - NADP O2 NADPH NADP+ Fp oxidized Fp reduced (RH)-P450-(Fe2+) (RH)-P450-(Fe3+) (RH)-P450-(Fe2+) ·O2 P450 (Fe3+) e - ROH + H2O e -

Exemples de réaction catalysée par le système P450 1. Hydroxylation aliphatique ou alicyclique sur la carbone w ou w - 1 aliphatique R - CH2 – CH2 – CH3 R – CH2 – CHOH – CH3 Ex.: n-hexane n-hexanol n-pentane n-pentanol alicyclique Ex.: cyclohexane cyclohexanol CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CHOH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

Exemples de réaction catalysée par le système P450 (suite) 2. Epoxydation aliphatique ou alicyclique R - CH = CH - R’ R - CH - CH - R’ O chlorure de vinyle O CH2 - CHCl CH2 = CHCl O CH = CH2 styrène CH - CH2

Exemples de réaction catalysée par le système P450 (suite) 3. Epoxydation et hydroxylation aromatique R - R - - OH Ex.: naphtalène, benzo(a)pyrène O Epoxyde de naphtalène Naphtalène

BP 7,8 - dihydrodio - 9,10 - époxyde 4 5 7 8 6 2 3 9 10 11 12 Benzo(a)pyrène (BP) Activation du benzo(a)pyrène P450 MFO BP 7,8 - dihydrodio - 9,10 - époxyde (cancérogène ultime) O époxyde hydrolase BP 7,8 oxide OH OH O P450 MFO BP 7,8 - dihydrodiol

Activation de l’aflatoxine B1 OCH3 o P450 MFO OCH3 o o aflatoxine B1 époxyde de l’aflatoxine B1

Exemples de réaction catalysée par le système P450 (suite) 4. Désulfuration et clivage de la liaison ester Parathion S P - Z Y X O - - NO2 Z = P450 MFO X et Y = C2H5O S P - Z Y X O O P - O- Y X détoxication activation O P - Z Y X ou ZH + S P - O- Y X Paranitrophénol Paraoxon

Exemples de réaction catalysée par le système P450 (suite) 5. Déamination oxydative R - CH2 - NH2 R - CHOH - NH2 R - CHO NH3 6. S, N oxydation O O R - NH - C - CH3 R - NOH - C - CH3 R - S - R’ R - SO - R’ 7. Déhalogénation oxydative R - C - H R - C - OH R - C - H + HX O X H X : halogène (chlore, brome,..)

4 - aminobiphényl (cancérigène) Exemples de réaction de réduction catalysée par le système P450 1. Réduction des aromatiques nitrés R - - NO2 R - - NH2 - NO2 - NH2 4 - nitrobiphényl 4 - aminobiphényl (cancérigène) 2. Activation du tétrachlorure de carbone Cl - C - Cl Cl Cl - C. Cl

b. Monooxygénases microsomiales 4. Réactions de phase I (suite) b. Monooxygénases microsomiales contenant le FAD . FAD-flavoprotéine . NADPH et O2 . Système sous contrôle distinct du P450 Cycle catalytique des MFO contenant le FAD . Oxydation des amines (primaires, secondaires et tertiaires) X - N R1 R2 OH X - N R1 R2 . S - oxydation 2 X - SH X - S - S - X 2 X - SO2

c. Oxydation par les peroxydases 4. Réactions de phase I (suite) c. Oxydation par les peroxydases ROOH + substratred ROH + substratox ROOH : hydroperoxyde (ex.: H2O2) Exemples de peroxydases : . Lactoperoxydase (glande mammaire) . Myéloperoxydase (neutrophiles, macrophages) . Système de synthèse des prostaglandines (médullaire rénale, épithélium vésical) . Production de réactifs électrophiles . Principale voie de bioactivation dans les tissues pauvres en P450 . Impliqué dans la biotransformation des amines aromatiques et HAPs

d. Réactions d’oxydo-réduction des alcools, aldéhydes et cétones Enzymes localisées dans le cytosol ou les mitochondries alcool déshydrogénase R - CH2OH + NAD+ R - CHO + NADH + H+ Exemples CH3OH + NAD+ CH2O + NADH + H+ méthanol formaldéhyde CH3 - CH2OH + NAD+ CH3 - CHO + NADH + H+ éthanol acétaldéhyde CH2OH - CH2OH + NAD+ CH2OH - CHO + NADH + H+ éthylène glycol aldéhyde glycolique

d. Réactions d’oxydo-réduction des alcools, aldéhydes et cétones (suite) aldéhyde déshydrogénase R - CHO + NAD+ R - COOH + NADH + H+ CH2O + NAD+ HCOOH + NADH + H+ Exemples formaldéhyde acide formique CH3 - CHO + NAD+ CH3 - COOH + NADH + H+ acide acétique acétaldéhyde CH2OH - CHO + NAD+ CH2OH - COOH + NADH + H+ aldéhyde glycolique acide glycolique CH2OH - COOH + NADH + H+ CHO - COOH + NADH + H+ COOH - COOH + NADH + H+ acide glycolique acide glyoxylique acide oxalique (rein) alcool déshydrogénase

Cooxydation par le système de synthèse des prostaglandines (PGs) benzène OH phospholipase A2 acide arachidonique substratred hydroquinone R - H cyclooxygénase PG synthase MPO PGG2 (ROOH) substratox R - OH hydroperoxydase O. OH PGH2 radical phénoxyl ADN (adduit) PGs thromboxanes Ex.: activation du benzène (moelle osseuse)

e. Epoxyde hydrolase (formation de dihydrodiols) R – CH – CH – R’ + H2O R – CHOH – CHOH – R’ Exemple: métabolisme du styrène O CH – CH2 CH = CH2 CHOH = CH2OH styrène époxyde de styrène C – COOH O CHOH – COOH principaux métabolites urinaires du styrène acide phénylglyoxylique acide mandélique

a. Conjugaison ave l’acide glucuronique 5. Réactions de phase II Réaction de conjugaison avec un substrat endogène a. Conjugaison ave l’acide glucuronique Enzyme : glucuronyltransférase (RE lisse) Donneur d ’acide glucuronique : UDP-GA Sur un atome N, O, S, C N, O, S ou C - glucuronides Si PM < 250 Si PM > 250 urine bile Exemples: amines aromatiques

b. Conjugaison avec le sulfate (sulfatation) Enzyme : sulfotransférase (cytosol) Donneur de sulfate : PAPS urine Exemples: phénol, catéchols, acides biliaires,... c. Conjugaison avec le méthyl (méthylation) Enzyme : méthyltransférase (cytosol) Donneur de méthyl : SAME Exemple: As MMA et DMA urine

d. Conjugaison avec l’acétyl (acétylation) Enzymes : N-acétyltransférases (cytosol) Donneur de acétyl : acétylcoenzyme A Exemple: amines aromatiques e. Conjugaison avec la glycine Exemple: formation de l’acide hippurique CO - NH - CH2 - COOH COOH + NH2 - CH2 - COO- toluène glycine acide benzoïque acide hippurique

Ex.: inactivation de l’oxyde de naphtalène f. Conjugaison avec le glutathion Mécanisme important dans l’inactivation des métabolites électrophiles Enzymes : glutathiontransférases Formation d’acides mercapturiques Ex.: inactivation de l’oxyde de naphtalène O GSH SGH OH g. Rhodanèse CN- + S2O32- cyanure SCN- + SO32- thiocyanate

6. Exemples de voies métaboliques . Benzène . Toluène

Principales voies de biotransformation du benzène Principaux métabolites urinaires

Principales voies de biotransformation du toluène Principaux métabolites urinaires

7. Activation métabolique Exemples d’inducteurs du P450 . Alcool (ex. CYP2E1) . Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) (ex. CYP1A) . Barbituriques (phénobarbital) (CYP2B6) . Pesticides organochlorés (DDT, lindane, chlordane) . Polychlorobiphényls (PCBs) . Steroïdes . Dioxines (TCDD)(ex. CYP1A)

Induction du cytochrome P-450 Cellule récepteur Ah -hsp90 HC (inducteur) HC Noyau HC-AhR HC-AhR P450 gen hsp90 XRE Protéine P450 P450 mRNA Bioactivation Détoxication toxicité HC: inducteur XRC: gène régulateur (stimule la transcription du gène P-450) Elimination

8. Conséquences des réactions de biotransformation 1. Rend la substance plus hydrophile et donc facilite son élimination via l’urine ou la bile Ex. la plupart des cas 2. Rend la substance moins toxique (détoxication) Ex. inactivation des époxydes, aldéhyde hydrogénase, méthylation de l’As, rhodanèse 3. Rend la substance plus toxique (activation) Ex. activation des cancérogènes (aflatoxine, benzène, chlorure de vinyle, HAPs), alcool déshydrogénase, ..)