Tutti gli organismi viventi sono continuamente esposti a composti xenobiotici di origine naturale o sintetica La velocità con cui i composti esogeni sono eliminati dall’organismo dipende in primo luogo dalla loro idrosolubilità I composti lipofili, infatti, tendono ad essere riassorbiti nell’intestino e nei tubuli renali data la loro capacità di diffusione attraverso le membrane cellulari

Eukaryotic cell

The Cell Membrane

Cell Membrane: At Very High Magnification & in color

Membrane Structure

Gli organismi superiori hanno sviluppato dei meccanismi di difesa per convertire i composti lipofili in metaboliti più idrosolubili. Tali processi biochimici vengono detti processi di biotrasformazione. Le reazioni enzimatiche deputate all’eliminazione di xenobiotici vengono distinte in reazioni di FASE I e reazioni di FASE II

Le reazioni di FASE I consistono in ossidazioni, riduzioni ed idrolisi: aggiunta di gruppi funzionali, -SH, -OH, -NH 2, -COOH, nella molecola del composto che viene metabolizzato Le reazioni di FASE II consistono in processi di coniugazione e sintesi: il composto esogeno, o un suo metabolita derivante dalle reazioni di FASE I, si combina con una molecola endogena formando un coniugato maggiormente solubile in acqua

Gli enzimi ed i sistemi enzimatici che catalizzano le reazioni di biotrasformazione sono localizzati soprattutto a livello epatico Il fegato, infatti, riceve e processa le sostanze estranee assorbite per via gastrointestinale prima che queste possano raggiungere gli altri organi e tessuti

Il metabolismo epatico dei composti estranei all’organismo avviene ad opera di svariati sistemi enzimatici Gli enzimi di FASE I (quelli che aggiungono o espongono gruppi funzionali) hanno principalmente sede a livello del reticolo endoplasmatico, una rete di canali interconnessi presenti nel citoplasma della maggior parte delle cellule

La localizzazione degli enzimi di FASE I in una matrice lipoproteica costituisce un elemento di grande importanza in quanto i substrati lipofili degli enzimi metabolizzanti si distribuiscono preferenzialmente nelle membrane lipidiche

In seguito a omogenizzazione di un campione di fegato si ha la rottura del reticolo endoplasmatico e i frammenti delle membrane si aggregano a formare microvescicole. A queste si dà comunemente il nome di microsomi Gli enzimi di biotrasformazione vengono definiti citoplasmatici o microsomiali per indicare la loro specifica localizzazione subcellulare

L’azione svolta dagli enzimi di FASE I e II di solito risulta “positiva” in quanto queste reazioni rendono più solubili gli xenobiotici: ciò favorisce il loro allontanamento dall’organismo e limita l’eventuale azione tossica Nei processi di bioattivazione i metaboliti che si formano in seguito a biotrasformazione risultano più tossici del composto di partenza (es. pesticidi) oppure si formano intermedi altamente instabili e reattivi

Le biotrasformazioni di FASE I avvengono attraverso due sistemi enzimatici ossidativi: il sistema del citocromo P-450 e il sistema delle aminoossidasi a funzione mista. In ogni caso si ha l’addizione di gruppi idrossilici nella molecola del substrato Il citocromo P-450 è un sistema comprendente due enzimi, la NADPH-citocromo P-450 reduttasi più lo stesso citocromo P-450, enzima contenente eme

Unique characteristics of biotransformation enzymes Inducible –transcription is dependent on both internal and external ‘signals’ –some transcription factors are activated by external ligands –chemicals that ‘up-regulate’ the transcription of biotransformation enzymes are called ‘enzyme inducers’ –induction may occur via the ligand binding to an endogenous receptor –induction may occur indirectly through alterations of the intracellular environment - e.g., redox status

Ciclo catalitico del citocromo P-450: nelle reazioni catalizzate dal citocromo P-450 il substrato (RH) si combina con la forma ossidata del citocromo (Fe 3+ ) a formare il complesso substrato- citocromo. Questo riceve in seguito un elettrone dal NADPH (attraverso la NADPH-citocromo P-450 reduttasi) : il ferro del gruppo eme viene ridotto a Fe 2+ Il complesso substrato-citocromo ridotto reagisce con l’ossigeno molecolare e riceve un altro elettrone dal NADPH Il substrato, intanto, si dissocia dal citocromo P-450, rigenerando la forma ossidata dello stesso

Esempi di reazioni catalizzate dal citocromo P-450 sono: l’idrossilazione alifatica del carbonio  o  -1 RCH2CH2CH3  RCH2CHOHCH3 l’idrossilazione aromatica R-Ar  R-Ar-OH L’ossidazione dello zolfo e dell’azoto R-S-R  R-SO-R Il monossido di carbonio è un potente inibitore delle reazioni catalizzate dal citocromo P-450 in quanto compete con l’ossigeno per il legame con la forma ridotta dell’enzima

Metabolism of benzene to toxic intermediates

Le Monoossigenasi microsomiali FAD- dipendenti sono enzimi ossidativi che intervengono nelle biotrasformazioni di FASE I Questi enzimi sono flavoproteine del reticolo endoplasmatico capaci di ossidare funzioni azotate nucleofile utilizzando NADPH e O 2 Susbrati della monoossigenasi flavinica sono le amine, composti solforati (solfuri, tioeteri, tioli,…) ed organofosforici

Le biotrasformazioni di FASE II hanno carattere biosintetico, avvengono mediante attivazione di cofattori o del substrato e si possono distinguere in: - Glucuroniltransferasi - Solfotransferasi - N-acetil-transferasi - Coniugazioni con aminoacidi - Glutatione S-transferasi

Glucuroniltransferasi La coniugazione con acido glucuronico è una delle principali reazioni di Fase II: consente la conversione di sostanze esogene o endogene in metaboliti (glucuronidi) polari e idrosolubili, che vengono eliminati con la bile o con le urine L’enzima che catalizza la reazione è la uridin difosfato glucuroniltrasferasi (UDP glucuronil trasferasi): consente l’interazione tra un nucleotide ad alta energia (l’acido-UDP glucuronico) ed il gruppo funzionale della molecola accettrice Esistono diverse forme di UDP-glucuroniltransferasi. Questa eterogeneità spiega in parte le differenze dell’attività enzimatica nei confronti dei diversi substrati

Durante il processo di coniugazione si forma un gruppo carbossilico che si trova in gran parte in forma ionizzato a pH fisiologico. Questo gruppo è in grado di promuovere l’eliminazione della molecola coniugata non solo per la idrosolubilità che conferisce ad essa ma anche perché viene “riconosciuto” dal sistema di trasporto degli anioni organici presente a livello renale e biliare. I glucuronidi sono dunque escreti con la bile o con le urine

Alcuni glucuronidi possono rappresentare un veicolo per il trasporto di composti reattivi dal fegato a tessuti bersaglio. L’esempio più noto è quello dei glucuronidi delle N- idrossiarilamine che sono stati chiamati in causa per spiegare l’induzione di tumori della vescica a seguito dell’esposizione a 2-naftilamina, 4-aminobifenile e composti analoghi. Nel fegato queste arilamine vanno incontro a N- idrossilazione con conseguente formazione di glucuronidi N-idrossi-arilaminici che passano nel rene e si concentrano nell’urina presente in vescica. Tali glucuronidi sono instabili a pH acido e vengono quindi idrolizzati con formazione dell’agente cancerogeno N- idrossilamina

Solfotransferasi Sono enzimi solubili contenuti principalmente nel fegato, nel rene, nel tratto intestinale e nei polmoni. La loro principale funzione è quella di trasferire un solfato inorganico al gruppo idrossilico di fenoli ed alcoli alifatici

N-Acetil transferasi Nella maggior parte delle specie animali, la principale via di biotrasformazione delle arilamine è l’acetilazione della funzione aminica. Substrati per le N-acetil transferasi possono essere, a titolo di esempio, amine aromatiche primarie, idrazine, idrazidi, sulfonamidi e alcune amine alifatiche primarie

Coniugazione con aminoacidi Gli xenobiotici contenenti un gruppo carbossilico possono essere metabolizzati mediante coniugazione con un aminoacido. Ciò porta alla formazione di un legame peptidico tra il carbossile dello xenobiotico ed il gruppo amminico dell’aminoacido. Comuni substrati per questo tipo di coniugazione sono gli acidi carbossilici aromatici, gli acidi arilacetici. Una reazione molto frequente è quella con la glicina

Le glutatione S-transferasi (GSTs) intervengono nella tappa iniziale del processo di coniugazione che porta alla sintesi degli acidi mercapturici. Sono presenti nel citoplasma e in minor misura nella frazione microsomiale. Si tratta di enzimi ubiquitari con prevalente attività nel fegato Il cofattore di questi enzimi è il glutatione (GSH), costituito da glicina, acido glutammico e cisteina

Le GSTs catalizzano la reazione tra il sulfidrile nucleofilo del glutatione e composti contenenti atomi di carbonio elettrofili I substrati delle GSTs hanno in comune tre caratteristiche: un certo grado di idrofobicità, la presenza di un atomo di carbonio elettrofilo e la capacità di reagire in qualche misura con il glutatione

I prodotti glutatione-coniugati possono essere scissi a derivati cisteinici ad opera di enzimi presenti soprattutto a livello renale. Questi metaboliti vengono in seguito acetilati formando acidi mercapturici, cioè coniugati con N-acetil-cisteina Gli acidi mercapturici sono facilmente escreti nelle urine. Il distacco dell’acido glutammico dal glutatione-coniugato avviene per mezzo della  - glutamil transpeptidasi

Le glutatione S-transferasi favoriscono la coniugazione dei diversi xenobiotici elettrofili con il glutatione, attenuando l’interazione di questi composti con costituenti essenziali della cellula In particolare, le GSTs intervengono nella detossificazione degli intermedi reattivi prodotti dal sistema del citocromo P450 durante il metabolismo di composti quali bromobenzene, cloroformio e paracetamolo

All’interno delle cellule esiste dunque un delicato equilibrio tra la formazione di metaboliti reattivi e la loro inattivazione da parte del glutatione Fattori che alterano questo equilibrio possono modificare drasticamente il potenziale tossico di quelle sostanze che agiscono attraverso intermedi reattivi. Gli intermedi reattivi possono al tempo stesso depletare le riserve cellulari di GSH

Cianuri L’acido cianidrico è un liquido altamente volatile (p.e. 26°C) dal caratteristico odore di mandorle amare. I cianuri sono usati in metallurgia e l’esposizione ad acido cianidrico può avvenire nei laboratori chimici o nella combustione di materie plastiche (nitrocellulosa e poliuretani) l’azione tossica si esplica attraverso l’inibizione dello stato terminale nel sistema di ossidazione: il piruvato non si ossida ulteriormente nel ciclo dell’acido citrico, ma piuttosto si riduce a lattato

In seguito ad avvelenamento da cianuro il paziente soffoca perché l’ossigeno non può essere utilizzato. Il colore rosso brillante del sangue e la colorazione rossa degli organi sono le conseguenze della saturazione del sangue da parte dell’ossigeno e la sua significativa ridotta utilizzazione da parte dei tessuti. La saturazione in ossigeno del sangue venoso raggiunge quasi lo stesso livello di quello arterioso

Categorie lavoratori a rischio Acido cianidrico e composti. Lavoratori addetti: a) alla produzione di acido cianidrico, di cianuri e di altri composti del cianogeno; b) alla derattizzazione e disinfestazione; c) alla distruzione di parassiti in agricoltura d) alla depurazione chimica del gas illuminante; e) alle operazioni di galvanoplastica; f) alle operazioni di tempera e di cementazione;

Arsenico L’arsenico si trova nel suolo, nell’acqua e nell’aria come un comune tossico ambientale. L’impiego di pesticidi ed erbicidi contenenti arsenico, inoltre, ha fatto aumentare la sua immissione nell’ambiente La fonte principale di esposizione professionale a composti contenenti arsenico è rappresentata dalla produzione di erbicidi e pesticidi

La tossicità dei composti arsenicati è in rapporto alla loro velocità di clearance dell’organismo e, quindi, al grado di accumulo nei tessuti. Gli arseniati (pentavalenti) sono notoriamente disaccoppianti della fosforilazione ossidativa mitocondriale. Si ritiene che il meccanismo sia basato sulla sostituzione competitiva dell’arseniato al posto del fosfato inorganico

Gli arsenicati trivalenti (es arsenito inorganico) sono considerati composti in grado di reagire con i gruppi sulfidrici. In tal modo inibiscono numerosi enzimi in quanto reagiscono con ligandi biologici contenenti gruppi –SH disponibili Viene immagazzinato soprattutto nel fegato, nel rene, nel cuore e nel polmone. Minori quantitativi, invece, si ritrovano nel muscolo e nel tessuto nervoso. La presenza di cheratina (contenente un notevole numero di gruppi –SH) rende ragione dell’elevata concentrazione di arsenico che si ritrova nelle unghie e nei capelli.

L’ingestione cronica di arsenico tramite acqua potabile o l’esposizione a disinfettanti nell’agricoltura predispongono a carcinomi cutanei, neoplasie polmonari e tumori epatici Categorie lavoratori a rischio: Arsenico, leghe e composti. Lavoratori addetti: a) alla produzione dell'arsenico; b) alla preparazione delle leghe e dei composti; c) ai lavori di pulitura, verniciatura e smaltatura; d) alla preparazione delle miscele per la produzione del vetro; e) alla tintura dei filati e dei tessuti;

Piombo Il piombo è praticamente ubiquitario nell’ambiente in ragione sia della sua presenza naturale sia della sua utilizzazione industriale. La fonte più importante di esposizione dell’uomo al piombo è l’alimentazione. Il piombo assunto si accumula nel sangue e nei tessuti molli ed infine nelle ossa nella forma di fosfato di piombo. Massima parte della tossicità da piombo, però, deriva dall’esposizione ambientale ed industriale

L’avvelenamento da piombo causa l’anemia ipocromica microcitica. Tale anemia si ritiene causata da riduzione della vita media degli eritrociti e da inibizione della sintesi dell’eme. Il piombo, infatti, inibisce l’attività di molteplici enzimi deputati alla sintesi dell’eme

Categorie lavoratori a rischio: Piombo Lavoratori addetti: a) alla produzione del piombo; b) alla preparazione delle leghe e dei composti; c) alla fabbricazione e preparazione di colori, di vernici e di mastici; d) alle operazioni di pittura e di intonaco con mastici o colori di piombo; alla asportazione di verniciature piombifere; e) alla saldatura con leghe piombifere e dissaldatura; f) alla piombatura o smaltatura su superfici metalliche; h) alle operazioni di tempera con bagno di piombo;