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Manifestations de la toxicité liées aux
biotransformations :Phase toxicodynamique
Le xénobiotiques et/ou ses métabolites peuvent :
- entrer en liaison réversible sur les biomolécules
(notamment les enzymes)
- entrer en liaison irréversibles sur les biomolécules
(adduits sur Protéines –immunogéniques, adduits sur
ADN)
-provoquer un stress oxydatif (via les espèces réactives
de l’oxygène ROS) dont la principale conséquence est la
peroxydation des lipides, altération de l’ADN et des
protéines cellulaires.
-Transfert d’électron : oxydation
détoxification bioactivation Toxicité directe
détoxification
Action basée sur une liaison réversible
• Liaison reversible non covalente (association
moléculaire temporaire) : liaison hydrogène, liaison
ionique, interaction hydrophobe/hydrophobe
• Les inhibitions enzymatiques procèdent souvent de ce
type de liaison (Cd sur l’ADN polymérase)
• L’action toxique dépend de :
La concentration dans l’organisme
La vitesse d’élimination
La capacité de rétention par des sites appropriés (cas
des métaux, cas des lipophiles)
Action basée sur une liaison irréversible
• Liaison irreversible covalente
• Les effets sont variables : de la réaction immunogène à l’altération de l’ADN
• Procède par la production d’agents d’alkylation, électrophiles en majorité
• Ex 1: les époxydes produits par la métabolisation desHydrocarbures aromatiques
The metabolic activation of benzo[a]pyrene by cytochrome P-450 1A1 to a diol epoxide metabolite, a
mutagen. This is believed to be the ultimate carcinogenic metabolite. Other routes of metabolism also
catalyzed by cytochrome P-450 give rise to the 9,10, and 4,5 oxides and subsequent metabolites namely
phenols, diols, and glutathione conjugates. The reactive site (carbon atom) on the metabolite is indicated.
The interaction (arylation) of guanine on the N2 position with the reactive metabolite of benzo[a]pyrene,
leading to an adduct believed to be responsible for mutation and cancer.
Ex 2 : bioactivation de l’aflatoxine B1
• Des études épidémiologiques tendent à montrer qu’il existe une
corrélation entre une exposition chronique à l’aflatoxine via le
régime alimentaire et une prévalence du cancer primitif du foie.
• Néanmoins, cette relation est modulée par d’autres facteurs qui
influencent ce risque de cancer comme l’infection virale à
l’hépatite B (HBV).
• Les études de toxicité aiguë montrent une grande variabilité d’une
espèce animale à une autre : ainsi
• la DL50 varie de 0,3 mg/kg p.c. pour le caneton à 9 mg/kg p.c. pour
la souris.
• En toxicité chronique, l’organe cible principal est le foie. De
nombreuses études menées pendant les années 70 et 80 ont
montré le caractère hautement cancérogène de l’AFB1 pour le foie.
Bioactivation du chlorure de vinylematière première de la fabrication du PVC (polymérisation)
peut entrer en contact avec les aliment en tant que traces dans des contenants
mutagène et cancérigène
Cancer (hemangiosarcome)
Types de manifestation de la toxicité des
xénobiotiques
• 1. Action toxique directe : lésions tissulaires
• 2. Effets pharmacologiques, physiologiques et biochimiques
• 3. Tératogenèse
• 4. Immunotoxicité
• 5. Mutagenèse
• 6. Cancérogenèse
Types de manifestation de la toxicité des
xénobiotiques
• 1. Action toxique directe : lésions tissulaires
• Peuvent provoquer la mort de cellules d’un organe
• Les organes les plus exposés à cette toxicité sont ceux
qui sont bien irrigués par le sang (ex: reins), ont la
capacité la plus élevée de métabolisation (ex: foie), ont
un contact élevé avec le xénobiotique à son absorption
(intestin) et/ou ont une grande spécialisation et donc peu
de mécanismes de réparation (ex: SNC)
Types de manifestation de la toxicité des
xénobiotiques
• La toxicité hépatique:
Stéatose : caractérisée par la présence de graisse
(triglycérides) dans les hépatocytes (causée notamment
par l’abus d’alcool)
Cytotoxicité
Cirrhose
Lésions vasculaires
tumeurs hépatiques
Prolifération des peroxysomes
Bioactivaton et toxicité du tétrachlorure de
carbone (solvant)
activation métabolique du
tétrachlorure de carbone par les
enzymes microsomales pour donner
le radical trichloromethyl. Ce radical
peut réagir avec l’oxygène ou enlever
un atome d’hydrogène à un donneur
d’é(R) et fournir un radical
secondaire, ou réagir de manière
covalente avec un lipide ou une
protéine. si R est un lipide
polyunsaturé, un radical lipide (R) est
formé, et peut initier une
peroxydation.
Accumulation de Ca
Altérations des membranes
Du RE
Accumulation
de triglycérides
Inhibition et destruction du CYP
Altération de la
Membrane plasmique
Modification de perméabilité
Peroxydation
des lipides
Diminution de la
synthèse protéique
Necrose cellulaire
fibrose
Types de manifestation de la toxicité des
xénobiotiques
• 2. effets biochimiques :
• Exemple ; peroxydation des lipides par production de radicaux libres
Les radicaux libres
Définition
•Un radical libre est une espèce chimique (atome ou molécule) neutre ou chargée,
contenant au moins un électron non apparié. Cet électron libre est dit célibataire.
Formation de radicaux libres
•Scission homolytique d’une liaison covalente
A..B A.
+ B.
Radicaux neutres
•Réduction monoélectronique
A.. + e-
A.- Radical négatif
•Oxydation monoélectronique
B..
B.+ + e
-Radical positif
•Anion superoxyde : O2 – .
Faible pouvoir oxydant en solution aqueuse, strictement contrôlé in vivo
Forme protonée de O2- . = radical hydroperoxyle HO2
.
O2-. + H + HO2
.
Oxydant plus puissant que O2-.
•Radical hydroxyle : OH.
le plus puissant Oxydant connu en biologie : attaque les molécules biologiques (ADN, protéines, lipides), la cellule ne possède pas de moyen pour le neutraliser, mais il a une durée de vie très très brève
•Peroxyde d’hydrogène : H2O2
Relativement peu réactif en l’absence de métaux de transition.
Diffuse rapidement à travers les membranes cellulaires.
Les principaux dérivés réactifs de l’oxygène
Réduction monovalente de l’oxygène
O2 O2- . H2O2 OH
.H2O
e- 2H++e- -H2O+2H++e- H++e-
Dioxygène
Anion superoxyde
Peroxyde d’hydrogène
Radical hydroxyle
Les sources physiologiques de radicaux libres
1) La chaîne respiratoire mitochondriale
La mitochondrie est une source continuelle de radicaux libres.
Elle permet la formation de trois espèces radicalaires : O2.-
, OH., H2O2
O2 O2
-.H2O2
SODOH
.Fe2+/Fe3+
•Au cours de la phagocytose, la NADPH oxydase est capable de réduire
O2 en O2 -.
Réaction globale
NADPH + O2 NADP+ + H+ + O2.-
Les sources physiologiques de radicaux libres
2) Les oxydases :
Les NADPH oxydases : membrane plasmique, membrane de vésicule de
phagocytose
Le transfert d’électrons fait intervenir la NADPH cytochrome P450 réductase capable
de réduire O2 en O2-.
NADPH + H+ cyt.P450-Fe 3+ O2
-.
NADP + cyt.P450-Fe 2+ O2
3) La NADPH cytochrome P450 réductase : Réticulum Endoplasmique
Les sources physiologiques de radicaux libres
e- e-
4) Autres sources :
-Monoamines oxydases (H2O2) ;
-5-lipooxygénases et cyclooxygénases (O2 -.)
-Auto-oxydation des catéchols et des cathécholamines (O2 -. + OH.)
Les sources exogènes de radicaux libres
1) Le paraquat, herbicide organonitré, attracteur d’é
Formation d’anion superoxyde. L’oxygène peut être dévié de la chaîne respiratoire
.
O2-.
O2
Paraquat ++
Paraquat + .
NADPH + H+
NADP+
P450
réductase
e-
e-
2) Métabolites électrophiles
Electrophiles non ioniques
-Epoxides : Aflatoxine B1 Aflatoxine B1 8,9 époxide
Bromobenzene 3.4 époxide bromobenzene
-Quinones : Paracétamol N-acétyl-p-benzoquinoneimine
Electrophiles cationiques
-Ions nitréniums :
2-acethylaminofluorène (AAF) Ion nitrénium
O
BrBr
Les sources exogènes de radicaux libres
Cyt P450
OH HNCOCH3 O NCOCH3
Cyt P450
O
N
H
C CH3
NC CH3
+OO
N
OH
C CH3
O
N
OSO3-
C CH3
P450 PAPSSO4
-
Espèces réactives de l’oxygène
Protéines Lipides ADN
Péroxydation
lipidique...Oxydation... Bases modifiées : bases hydroxylées
(8-OH guanine...),
Simples et doubles cassures de l’ADN,
Modification des sucres et des protéines
de l’ADN.
Altération de l’expression des
gènes ...
Altération
Membranaire...
Altérations des
transports ioniques
Systèmes enzymatiques...
ATTEINTE CELLULAIRE
Espèces réactives de l’oxygène
Réponse cellulaire
Activation de facteurs de transcription
Induction de gènes de réponse au stress oxydant
Anti-oxydants
Enzymes de Réparation de l’ADN
Enzymes de Réparation des lipides
Protéases, cytokines, protéines de choc thermique...
Apoptose
Nécrose
Adaptation
au Stress oxydant
Prolifération
cellulaire
abérrante
Les systèmes anti-oxydants
Inhibiteurs des sources de ROS
Inhibiteurs des oxydases
xanthine oxydase
A.I.N.S. (cyclooxygénase, lipooxygénase, métabolisme de l’acide
arachidonique)
Flavonoïdes (NADPH oxydase)
Piégeurs des sources de ROS
Superoxyde dismutase (SOD)
Catalase
Glutathion peroxydase, glutathion réduit (GSH)/glutathion oxydé (GSSG),
glutathion S-transférase, N-acétylcystéine , -glutamyl-cystéine synthétase,
Acide ascorbique (vitC), - et -tocophérol (vitE)
Les systèmes anti-oxydants
Systèmes enzymatiques
•Gluthathion ROOH + 2GSH ROH + GSSG + H2O
peroxydase
des phospholipides
hydroperoxydés (PHGPx)
N-acétylcystéine
•Gluthation H2O2 + 2GSH GSSG +2H2O
peroxydase
(GPx)
•Gluthation (GSH) GSH + R.
GS. + RH
(cytosolique) 2GS .
GSSG
PHGPx
Gluthation réductase
-glutamyl
cystéine synthétase
Polymérisation
Les systèmes anti-oxydants
•SOD O2-. + O2
-. +2H+ H2O2 + O2
•Catalase 2H2O2 2 H2O + O2
Systèmes non enzymatiques
Electrophiles qui vont piéger l’électron libre du radical pour former un radical plus stable
Membranaire= vitamine E ou -tocophérolArrête la propagation de lipopéroxydation
TH + ROO. .
T-O + ROH
Cytosolique = vitamine C ou acide ascorbique
Réagit avec le radical -tocophéryl à la surface de la membrane
Systèmes enzymatiques
LA PEROXYDATION DES LIPIDES
•Exemple d’initiateur:
Le métabolisme du CCl4
•Initiation : LH =Acide gras insaturé (phospholipides)
CCL 3.+ LH CHCL 3+ L. Radical lipidique
•Propagation
L. + O2 LOO . Radical peroxyle
LOO. + LH LOOH + L. Peroxyde
•Terminaison
L. + L’. L-L’ Produits
LOO . + L’OO . LOOL’ + O2 non réactifs
LOO . + L’. LOOL’
P450-Fe 3+
P450-Fe 3+-CCL4
P450-Fe 3+-CCL 3.
CCL4
e-
Cl-
CCL 3 .
Cascades d’évènements induisant
la nécrose du foie par le CCl4
Formation des hydropéroxydes d’acide gras (LOOH)
dans la membrane du Réticulum Endoplasmique
L.
LH
O2
CCl4 CCl3.
CHCl3
P450
Oxydation et déstabilisation
de la bicouche lipidique
Libération de produits solubles
Atteinte de la membrane cellulaireNECROSE
Types de manifestation de la toxicité des
xénobiotiques
• 2. effets biochimiques :
• exemple: effets du fluoroacétate: produit naturel de certaines plantes d’afrique
du sud, utilisé comme rodenticide, subit la transformation pour donner le
fluoroacétyl CoA puis devient un pseudosubstrat de l’aconitase
Inhibition enzymatique
Blocage du cycle
de Crebs
L’induction enzymatique par les xénobiotiques
L'induction enzymatique est une augmentation de la synthèse et de
l'activité des enzymes de l'hépatocyte (en particulier les
cytochromes P450) sous l'effet d'une influence extérieure comme
l'exposition à des substances chimiques nombreuses,
médicamenteuses ou alimentaires. L'alcool, les barbituriques, en
particulier le phénobarbital, et la rifampicine sont des inducteurs
enzymatiques.
Le phénomène d’induction est un processus transcriptionnel et
l’augmentation de l’expression d’enzymes du métabolisme prend
quelques jours pour arriver à l’effet maximum
C’est un phénomène réversible (disparaît avec le temps en
l'absence de prise de l’inducteur).
Conséquences de l’induction enzymatique
Par le fait de l'activation des enzymes du foie, Un inducteur enzymatique peut diminuer la toxicité d'un xénobiotique auquel l’animal est exposé en même temps que lui et ceci à cause de l'accélération de son métabolisme et donc son excrétion.
Un inducteur enzymatique peut également accentuer l'effet toxique en accélérant et en augmentant la constitution de métabolites plus réactifs que le xénobiotique lui-même
Exemple : les dioxines
Les dioxines sont des inducteurs enzymatiques
puissants (PCDD : 75 congénères)
Contaminants alimentaires : notamment du lait
et dérivés
2,3,7,8-tétrachlorodibenzodioxine (TCDD): Le
plus étudié
- TCDD est peu metabolisée,
- demi-vie : plus de 8 ans chez l’homme adulte
- possède une forte capacité d’induction de
l’activité CYP1A1 au niveau du foie (~36,000
fois la capacité du BaP, A. Poland, 1972)
- Perturbateur endocrinien
- cancérigène
TCDD
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Coplanar PCBs
Benzo[a]pyrene
3-Methylcholanthrene
ligands Classiques de AHR
ligands Naturels
ligands Non-classiques
Bilirubin
Prostaglandin G2
7-Ketocholesterol
NH2
NH2
1,5-Diaminonaphthalene
Tryptamine
Indirubin
Omeprazole
Detoxification
Rea ctive
intermediate
Inducer-receptor complex in cytosol
TCDD, BaP
Ba P
Conjugate
a nd other
environmenta l
polluta nts
Formation of excreted innocuous products
Critica l
target in
other cells
Inducer-receptor complex in nucleus
Messa ge rece ived
Unknown
Receptor
in cytosol
Binding
of reactive
intermediate
to critical
target
specific proteinsTranslation of induction-
Incorporation of CYP1A1/1A2/1B1 into membranes
c ritic al target
Transcription of induction-specificmRNAs
Toxicity
cancerand/or
activation Metabolique