Devenir des toxiques dans un organisme vivant Chapitre III Devenir des toxiques dans un organisme vivant b jbljb :lm

Plan du cours Absorption Distribution Métabolisation Excrétion

TOXICOCINETIQUE Étude du devenir des substances exogènes ou endogènes toxiques, dans les organismes vivants, depuis leur pénétration jusqu'à leur élimination, en tenant compte de la vitesse et de la concentration avec laquelle elles apparaissent sous leur forme initiale ou sous une forme métabolisée à l'endroit où elles vont développer leur action toxique (site de toxicité)

Tissu Adipeux Nez/bouche Peau Bouche Estomac Sang Autres organes Rein Foie Poumons Intestin Rein Peau Bile Selles Estomac Liquide extra cellulaire Bouche Urine Autres organes Tissu Adipeux

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Absorption Voies d’absorption Tractus gastro-intestinal Bouche et œsophage Estomac Intestin Colon et rectum Tractus respiratoire Peau Autres voies

Absorption à travers les membranes cellulaires Feuillet bi-lipidique Perméabilité de la membrane cellulaire à des solutés varie inversement avec la taille des molécules PM < 1000 da Diamètre effectif < 14,7 Å

Absorption à travers les membranes cellulaires Filtration Diffusion passive Transport actif Transporteurs membranaires uniport symport et antiport  Diffusion facilitée Phagocytose et pinocytose

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Distribution A travers l’organisme grâce à la circulation sanguine Poumons Intestins Foie Organes Coeur

Sang : compartiment central Premier tissu : sang : compartiment central Liaison aux protéines plasmatiques (Albumine): liés : lipophiles, anions organiques … non-liés : hydrophiles très polaires (glucose,…) Rôle important dans le transport du xénobiotique Equilibre : Etat libre ↔ Etat lié Seules les fractions libres traversent les membranes des capillaires Conséquences : Distribution limitée Diminution [xénobiotique Libre] : toxicité réduite Élimination ralentie : durée toxicité augmentée

Tissus : compartiments périphériques Une fois dans la circulation (sang : premier compartiment central), un xénobiotique est distribué dans les autres organes et tissus (compartiments secondaires) Seules les molécules non-ionisées (hydrophobes) seront distribuées La distribution est différente d’un tissu à un autre (organes cibles, affinité spécifique) La rapidité de la distribution dépend Degré d’irrigation Taille des pores

Tissu adipeux : compartiment de stockage Les xénobiotiques s’accumulent surtout au niveau des tissus adipeux (18- 28% du poids corporel) Les xénobiotiques sont inactifs dans les tissus adipeux jusqu’à réutilisation de ce tissu (régime), les toxiques réintègrent la circulation sanguine Les femmes ont moins d’eau (54 vs. 60%) et plus de tissu adipeux (28 vs.18%) que les hommes : différence d’action des toxiques

Compartiment aqueux : le plus important Les fluides de l’organisme représentent plus de 65% de la totalité de l’organisme Eau plasmatique = 93% protéines, lipides, etc... = 7% Eau interstitielle péricarde, péritoine Eau trans-cellulaire humeur aqueuse de l’œil, fluide cérébrospinal, systèmes GI, Génito-urinaire, nasorespiratoire Eau intra-cellulaire

Volume de distribution (VD) Le volume de distribution (VD ) est le volume dans lequel xénobiotique semble se distribuer à l’équilibre : relie la quantité de xénobiotique présente dans l'organisme à la concentration mesurée dans le plasma C’est le volume qu’aurait l’organisme si la substance y était distribuée de façon homogène, à la même concentration que dans le plasma Le VD d’un xénobiotique dans l’organisme dépend ses propriétés physico-chimiques (liposolubilité) son affinité pour les protéines sanguines et/ou tissulaires du débit sanguin vers les organes grand débit : cerveau, coeur, rein, organes splanchniques faible débit : tissu adipeux, os débit variable (vasoconstriction – vasodilatation) : peau, musculature ) / .( . ( l mg plasm Conc Dose VD =

Temps de demi-vie (t1/2) Temps nécessaire pour que la concentration plasmatique diminue de moitié Reflète la vitesse avec laquelle les processus dynamiques auront lieu in vivo

Concentration plasmatique à l’équilibre Notion qui existe lors d’une prise répétée d’un xénobiotique (conditions chroniques) Elle dépend : Vitesse d’élimination Intervalles d’intoxication Elle est mesurée au plateau de la courbe

Clearance (C) Mesure de l’élimination des xénobiotiques Constante qui relie la vitesse d’élimination à la concentration plasmatique (C) Si l’élimination se fait à plusieurs endroits (foie et reins), les clairances s’additionnent

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Métabolisation Métabolisme: ensemble des réactions chimiques subies par les molécules d’un organisme vivant La quasi-totalité du métabolisme est intracellulaire Métabolisme : Anabolisme + Catabolisme Anabolisme = synthèse des molécules Catabolisme = dégradation des molécules Métabolisme endogène : synthèse et dégradation des protéines Métabolisme des xénobiotiques : les médicaments Les réactions métaboliques sont catalysées par des enzymes et sont irréversibles Une réaction métabolique se caractérise par : Nature chimique Vitesse Energie Transformation chimique d’un composé : biotransformation

Rôle de la métabolisation Le métabolisme permet l’élimination des molécules étrangères à l’organisme (xénobiotiques) Aucun xénobiotique n’est éliminé directement dans les urines ou dans la bile, il doit être métabolisé Cette métabolisation peut être: simple: une seule réaction chimique et une seule voie d’élimination complexe: plusieurs voies de métabolisation et plusieurs voies d’élimination La métabolisation modifie la structure chimique du médicament et donc ses propriétés physicochimiques : solubilité, taille, charge et ionisation.

Organisation de la métabolisation Deux catégories de réactions biochimiques sur les médicaments : Les réactions de phase I Réactions de « fonctionnalisation » telles que: les oxydations, les hydrolyses, les réductions Modification de la molécule par adjonction ou libération de groupes chimiques dits « fonctionnels », qui pourront réagir plus facilement dans d’autres réactions Les réactions de phase II Réactions de conjugaison Transfert sur le médicament ou ses métabolites de petites molécules majoritairement polaires par des transférases. Quand l’élimination des métabolites nécessite des transporteurs transmembranaires actifs d’excrétion : phase III

Paradigme classique xénobiotique Plusieurs combinaisons sont possibles : • des phases I non suivies de phases Il • des phases Il directes • certains métabolites sont moins polaires que les produits parents • certains métabolites sont trop réactifs chimiquement pour pouvoir être éliminés

Propriétés physicochimiques et métabolisation

Impact toxicologique de la métabolisation

Lieu de la métabolisation Site majeur de métabolisation : FOIE Sites mineurs de métabolisation : autres organes : Intestin Poumons Reins Peau

Réactions de phase I Les réactions de phase I oxydent, réduisent ou hydrolysent la molécule initiale Accroissement de la polarité  réactions de la phase Il L’oxydation, la réduction et l’hydrolyse sont des biotransformations qui conduisent à des dérivés hydroxyles (-OH) amines (-NH2) carboxyles (-COOH)

Réactions de phase I Réactions d’oxydation Réactions de réduction Majoritairement localisées dans les microsomes hépatiques Consomment du NADPH (nicotinamide phosphate réduit) de l’oxygène Réactions de réduction beaucoup moins fréquentes Pas exclusivement au niveau hépatique mais également dans l’intestin via la flore bactérienne Réactions d’hydrolyse Voie métabolique banale Intervient dans le foie, dans différents tissus et même dans le plasma Les enzymes de type des estérases sont le plus souvent non spécifiques La réaction d’hydrolyse par clivage d’un ester ou d’un amide, est chez l’homme, très rapide.

Réticulum endoplasmique lisse : siège des principales enzymes de phase I Enzymes situés dans le foie, plus particulièrement dans le réticulum endoplasmique lisse (REL) fraction microsomale des hépatocytes Enzymes solubles (cytoplasmiques)

Principales enzymes de réactions de phase I Réactions de réduction : Enzymes microsomales Cytochromes P450 Enzymes solubles Réactions d’hydrolyse : Enzymes solubles (estérases, amylases)

Principales enzymes de réactions de phase I Réactions d’oxydation Le réticulum endoplasmique lisse: Les cytochromes P450 (CYPs) Les monooxygénases à flavines Les mitochondries Monoamine oxydase Le cytosol Alcool déshydrogénase Le cytosol et les mitochondries Aldéhyde déhydrogénase

Système d’oxydation microsomal à cytochromes P450 Dans une réaction de mono-oxygénation, il y a consommation d’une molécule de 02 par une molécule de substrat. Les monooxygénases à cytochromes P450 catalysent ce type de réaction. Elles sont aussi appelées «oxydases à fonction multiple» puisqu’elles oxydent à la fois le substrat et le NADPH.

Les monooxygénases à cytochromes P450 Il s’agit d’un système multienzymatique composé de deux types d’ enzymes : Les cytochromes P-450 : site de liaison du substrat et du dioxygène La NADPH cytochrome P-450 réductase : permet le transfert d’un ou deux électrons du cofacteur NADPH vers les CYP 450.

Les cytochromes P450 hémoprotéines poids moléculaire de l’ordre de 45 à 55 kDa Le groupe prosthétique du cytochrome P450 est situé dans une cavité hydrophobe de l’apoprotéine

Mécanisme réactionnel

Cycle catalytique des Cytochromes P450 Fixation du substrat sur le site catalytique Réduction des 2 flavines de la NADPH cytochrome P450 réductase par le NADPH, H+ et transfert d’un électron au cytochrome P450 Fixation d’une molécule d’oxygène pour donner un complexe cytochrome P450 dioxygéné ferreux Transfert d’un second électron par la NADPH cytochrome P450 réductase, au complexe dioxygéné Rupture de la liaison oxygène-oxygène avec incorporation d’un atome d’oxygène dans une molécule d’eau Activation du substrat Transfert du second atome d’oxygène au substrat Dissociation et libération du produit

Réactions de phase II La phase Il comporte les réactions de conjugaison, soit par : Acide glucuronigue (glucuronoconjugaison) Glycine (glycoconjugaison) Sulfate (sulfoconjugaison catalysée par des sulfo-transférases) Acétate (acétylation catalysée par des N-acétyl transférases) Méthyl ( catalysée par des méthyl-transférases) le glutathion (catalysée par des glutathions-S-transférases)

Exemple d’enzyme de phase II : la glutathion-S-transférase (GST) famille de protéine dimérique multifonctionnelle enzyme soluble, présente dans le cytosol sur chaque sous-unité : un site de fixation pour le glutathion un site de liaison pour le toxique catalysent l’addition du glutathion à un toxique hydrophobe possédant un groupement fonctionnel électrophile X-OH + G-SH X-GS + H2O X = toxique GST Excrétion dans la bile Transporté dans le rein

Réactions de phase III : Protéines de transport Il s’agit de transporteurs membranaires qui permettent d’éliminer : les molécules initiales intactes leurs métabolites hydrophiles Dans les entérocytes, ces transporteurs peuvent se situer sur la membrane apicale ou dans la membrane basolatérale élimination soit vers la lumière intestinale soit vers le sang.

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Excrétion Rôle essentiel dans la diminution de la toxicité Métabolites rapidement excrétés Pas de concentration pas d'endommagement des cellules Voies majeurs d'excrétion : l'urine, les fèces et l'air expiré L'excrétion est fortement affectée par propriétés physiques fixation éventuelle aux protéines plasmatiques polarité

Excrétion Xénobiotiques excrétés sous leur forme initiale Sous la forme de métabolites Sous formes de dérivés conjugués

Voies d’excrétion Urine Fèces Bile Air expiré Cheveux, ongles Sueur Lait maternel