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Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations : Phase toxicodynamique

Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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Page 1: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

Manifestations de la toxicité liées aux

biotransformations :Phase toxicodynamique

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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

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détoxification bioactivation Toxicité directe

détoxification

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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)

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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

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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.

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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.

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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.

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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)

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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

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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)

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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

Page 16: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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.

Page 17: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 18: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

Types de manifestation de la toxicité des

xénobiotiques

• 2. effets biochimiques :

• Exemple ; peroxydation des lipides par production de radicaux libres

Page 19: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 20: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

•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

Page 21: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 22: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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+

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•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

Page 24: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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.)

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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-

Page 26: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

-

Page 27: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 28: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 29: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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)

Page 30: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

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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

Page 32: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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 .

Page 33: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 34: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 35: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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).

Page 36: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 37: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 38: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 39: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011

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

Page 40: Manifestations de la toxicité liées aux biotransformations- Mouabad 2010-2011