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8.
Chapitre VIII
BIOTRANSFORMATION DES TOXIQUES
A. BENSAKHRIA
8.1. Introduction
La biotransformation est le processus par lequel une molécule mère subit une transformation
catalysée par des enzymes spécifiques en métabolites ultérieurement convertis en dérivés
conjugués. Les métabolites et les dérivés conjugués sont plus hydrosolubles plus polaires et
donc plus facilement éliminables par le rein, et ne subissent pas de réabsorption tubulaire.
But. Détoxication en atténuant la toxicité du toxique ou bio-activation en transformant ce
dernier en métabolite plus toxique.
8.2. Mécanismes
8.2.1. Les réactions de la phase I
8.2.1.1. Oxydation
Ce processus s’effectue par un système monooxygénase dépendant du Cyt P450,
Majoritairement localisé dans les microsomes hépatiques. Il y a consommation du NADPH
(nicotinamide phosphate réduit) et de l’oxygène moléculaire.
Le Cyt P450 est une hémoprotéine majoritairement localisée dans les microsomes hépatiques
et la face externe de la membrane du réticulum endoplasmique RE. Composée d’un
groupement prosthétique : l’hème : Une protoporphyrine IX + FeIII. Une apoprotéine de 45-55
kda qui permet sa classification. Elle absorbe à 450 nm en spectrophotométrie.
Deux éléments sont indispensables pour le fonctionnement du Cyt P450 : NADPH, et la Cyt
P450 réductase.
Biotransformation des toxiques
TOXICOLOGIE GÉNÉRALE 2
Mécanisme d’action
Figure 1. Oxydation par le système monooxygénaskque dépendant du Cyt P450
- Liaison Fe3+ (Cyt P450) et substrat.
- Réduction du Fe3+ en Fe2+ & Formation d’un complexe Cyt P450 ferreux – substrat.
- Fixation de l’oxygène moléculaire et production du complexe oxyferricytochrome.
- Oxydation du complexe Cyt P450 ferreux – substrat (Fe2+ à Fe3+) et réduction de l’O2 en
O2-.
- Réduction de O2- en O22-.
- Formation de substrat hydroxylé, une molécule d’eau à partir du complexe : Substrat-Cyt
P450 (Fe2+) – OOH. Puis régénération du Cyt P450 (Fe3+).
Réduction de l’O2 par le Cyt P450
Dans certains cas l’auto-oxydation du complexe O2-Cyt P450 (Fe II) pourrait libérer l’anion
superoxyde ȱ2 (barbituriques). L’anion superoxyde se dismute par la réaction de dismutation
en peroxyde d’hydrogène H2O2 et en dioxygène selon la réaction suivante :
2 O2- + 2 H2O → H2O2 + O2 + 2 HO-
En présence de certains métaux de transition, l’anion superoxyde peut réagir aussi avec le
peroxyde d’hydrogène H2O2 pour engendrer des radicaux hydroxyles OH° capables d’oxyder
certains substrats :
O2°- + H2O2 → OH- + OH° + IO2
IO2 : oxygène singulet (produit par réarrangement des é).
Activité peroxydsique du Cyt P450
En présence de différents hydroperoxydes (hydroperoxydes dérivés des AG non saturés) le Cyt
P450 peut catalyser l’hydroxylation de différents substrats.
Biotransformation de toxiques
3
Monooxygénase dépendant du FAD
Ce système enzymatique microsomique peut catalyser l’oxydation des divers composés
aminés, soufrés, séléniés (pesticides organophosphorés). Deux enzymes clés : Cyclooxygénase
(COX) & peroxydase.
Contrairement au système microoxygénasique dépendant du Cyt P450 la fixation du substrat
s’effectue après la réaction avec l’oxygène. C’est un système moins dépendant de la structure
du substrat et donc susceptible de catalyser l’oxydation d’une large variété de substrats.
Oxydation par la prostaglandine synthase
La prostaglandine synthase (PS) enzyme localisée dans les membranes microsomiques, elle
joue un rôle important dans la biotransformation dans les tissus pauvres en Microoxygénase
dépendant du Cyt P450 mais riches en prostaglandine synthase.
8.2.1.2. Réduction
Ce processus se déroule au niveau du Réticulum endoplasmique des cellules hépatiques, les
substrats sont les composés aromatiques nitrés et azoïques qui sont métabolisé en amines.
Le processus est catalysé par des enzymes spécifiques : les réductases.
Ce processus n’est pas exclusivement hépatique, mais également intestinal via la flore
bactérienne (plus intense). Certains Cyt P450 peuvent intervenir en tant que réductases.
Figure 2. Réduction du dinitrobenzène (dérivé nitré)
8.2.1.3. Hydrolyse
L’hydrolyse est catalysée par deux familles d’enzymes : les estérases et les amidases. Ce
processus concerne une large variété de toxiques (esters et amides) possédant des liaisons
sensibles à l’hydrolyse.
Les estérases : peuvent être des arylestérase (esters aromatiques) carboxylestérase (esters
aliphatiques) cholinestérases (esters dont le résidu est un alcool) acétylestérases (esters dont
la moitié acide est l’acide acétique).
Biotransformation des toxiques
TOXICOLOGIE GÉNÉRALE 4
Les amidases : l’hydrolyse par les amidases est plus lente que les estérases. Elles manquent
de spécificité de substrat.
Remarque : il existe des réactions qui sont catalysées par des enzymes non microsomiales par
exemple l’oxydation réversible par l’ADH cytosolique au niveau du foie (inhibée par le pyrazole),
la réduction des doubles liaisons disulfures en thiols (sulfoxydes).
8.2.2. Les réactions de la phase II
Les groupements fonctionnels issus des réactions de phase I peuvent être ensuite conjugués.
C’est la réaction de la phase II.
Les mécanismes de conjugaison chez l’homme font généralement appel à l’acide
glucuronique, au glycocolle, au sulfate et à l’acétyle.
8.2.2.1. Conjugaison avec l’acide glucuronique
Ces réactions sont catalysées par l’UDP-glucuronosyltransférase (UGTs) qui permet le transfert
de l’acide glucuronique à partir de l’acide UDP-glucuronique sur le groupe accepteur d’un
substrat (aglycone) (Acide UDP-glucuronique + aglycone à β glucuronide + UDP). Exemple de
substrat : composés stéroïdes et l’UGT2. Généralement, des O-glucoronides à partir des
groupements alcools (2-dichloroéthanol), des N-glucuronides à partir des groupements aminés
aromatiques (aniline), des S-glucuronides à partir des thiols (thiophénol) sont obtenus.
8.2.2.2. Sulfoconjugaison
Figure 3. Formation de Sulfoconjugué du p-nitrophénol
L’exemple de la figure 3 montre le mécanisme de formation d’un sulfoconjugué par le transfert
des sulfates activées à partir du PAPS (3’ –phospho adénosine -5’- phosphosulfate) formé à
partir de l’ATP et des sulfates inorganiques aux molécules conjugables (p-nitrophénol). Ce
transfert est catalysé par des sulfotransférases (fraction cytosolique soluble des cellules).
Biotransformation de toxiques
5
8.2.2.3. Acétylation
C’est le transfert de groupement acétyle à partir du coenzyme AcétylCoA aux molécules
conjugables. Ce transfert est catalysé par des acétyltransférases (cytosole) exemple :
hydrazines.
8.2.2.4. Méthylation
Transfert d’un groupement méthyl à partir de la S-adénosylméthionine. Ce transfert est
catalysé par les méthyltransférases (cytoplasme). Exemple : COMT et la méthylation des
catécholamines.
8.2.2.5. Conjugaison avec la glycine
Figure 4. Conjugaison de l'acide benzoïque à la Glycine
La conjugaison de l’acide benzoïque à la glycine est catalysée par la ligase (1ère étape), qui
active l’acide par le CoA (ATP) et aboutit à la formation d’un dérivé thioester du CoA. Puis la N-
acétyltransférase (2ème étape) qui catalyse le transfert du groupement acyle sur le
groupement aminé de la glycine.
8.2.2.6. Conjugaison avec le glutathion
Figure 5. Mécanisme de conjugaison au glutathion
Biotransformation des toxiques
TOXICOLOGIE GÉNÉRALE 6
Le tripeptide glutathion constitue plus de 90% de la quantité de thiol non protéinique du foie.
Cette réaction est catalysée par une enzyme Glutathion-S-transférase. Elle concerne
essentiellement les substances électrophiles (rarement N, O, S), il y a formation d’un X-GSH (X
est le substrat, par exemple : le Paracétamol). Il faut noter qu’il existe des variations au niveau
de métabolisme dues à divers facteurs à savoir l’espèce l’âge l’état physiopathologique et
l’environnement.
8.3. L’induction et l’inhibition enzymatiques
L’induction transcriptionnelle se fait par augmentation de la transcription de l’isoforme et
augmentation de la synthèse de la protéine. L’induction Post-transcriptionnelle se fait par
diminution de la dégradation de la protéine, exemple : phénobarbital et le Cyt P450 2C.
L’inhibition peut être réversible par fixation réversible sur le site actif, dans ce cas ce
mécanisme est compétitif et fait intervenir un inhibiteur non métabolique tel que la cimétidine.
L’inhibition irréversible se fait par liaison avec le Fe ou le N des noyaux pyroles ou l’apoprotéine,
ce qui aboutit à la formation d’un complexe stable (substrat de suicide) d’où l’altération
irréversible de l’isoforme, c’est un mécanisme qui fait appel à un inhibiteur métabolisé tel que
chloramphénicol et les Cyt P450 2B 2C.
8.4. Conséquences de la biotransformation sur le plan
toxicologique
De manière générale, la biotransformation de toxiques à pour conséquences : l’inactivation,
c’est-à-dire réduction de la toxicité d’une substance, exemple : cyanures en thiocyanates, ou
l’activation c’est-à-dire la toxification d’une substance, exemple : la 2-naphtylamine oxydée en
2-naphtylhydroxylamine cancérigène (Responsable du cancer de la vessie).
8.5. Références
- Robert R. Lauwerys; Robert Lauwerys (2007). Toxicologie industrielle et intoxications
professionnelles. Elsevier Masson. pp. 32–35. ISBN 978-2-294-01418-5.
- Michael Neal (1 June 2017). Pharmacologie médicale. De Boeck Superieur. pp. 9–11.
ISBN 978-2-8073-0611-0.
- Pascal Kintz (1998). Toxicologie et pharmacologie médicolégales. Elsevier Masson. pp.
49. ISBN 978-2-84299-037-4.

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Biotransformation des toxiques

  • 1. 8. Chapitre VIII BIOTRANSFORMATION DES TOXIQUES A. BENSAKHRIA 8.1. Introduction La biotransformation est le processus par lequel une molécule mère subit une transformation catalysée par des enzymes spécifiques en métabolites ultérieurement convertis en dérivés conjugués. Les métabolites et les dérivés conjugués sont plus hydrosolubles plus polaires et donc plus facilement éliminables par le rein, et ne subissent pas de réabsorption tubulaire. But. Détoxication en atténuant la toxicité du toxique ou bio-activation en transformant ce dernier en métabolite plus toxique. 8.2. Mécanismes 8.2.1. Les réactions de la phase I 8.2.1.1. Oxydation Ce processus s’effectue par un système monooxygénase dépendant du Cyt P450, Majoritairement localisé dans les microsomes hépatiques. Il y a consommation du NADPH (nicotinamide phosphate réduit) et de l’oxygène moléculaire. Le Cyt P450 est une hémoprotéine majoritairement localisée dans les microsomes hépatiques et la face externe de la membrane du réticulum endoplasmique RE. Composée d’un groupement prosthétique : l’hème : Une protoporphyrine IX + FeIII. Une apoprotéine de 45-55 kda qui permet sa classification. Elle absorbe à 450 nm en spectrophotométrie. Deux éléments sont indispensables pour le fonctionnement du Cyt P450 : NADPH, et la Cyt P450 réductase.
  • 2. Biotransformation des toxiques TOXICOLOGIE GÉNÉRALE 2 Mécanisme d’action Figure 1. Oxydation par le système monooxygénaskque dépendant du Cyt P450 - Liaison Fe3+ (Cyt P450) et substrat. - Réduction du Fe3+ en Fe2+ & Formation d’un complexe Cyt P450 ferreux – substrat. - Fixation de l’oxygène moléculaire et production du complexe oxyferricytochrome. - Oxydation du complexe Cyt P450 ferreux – substrat (Fe2+ à Fe3+) et réduction de l’O2 en O2-. - Réduction de O2- en O22-. - Formation de substrat hydroxylé, une molécule d’eau à partir du complexe : Substrat-Cyt P450 (Fe2+) – OOH. Puis régénération du Cyt P450 (Fe3+). Réduction de l’O2 par le Cyt P450 Dans certains cas l’auto-oxydation du complexe O2-Cyt P450 (Fe II) pourrait libérer l’anion superoxyde ȱ2 (barbituriques). L’anion superoxyde se dismute par la réaction de dismutation en peroxyde d’hydrogène H2O2 et en dioxygène selon la réaction suivante : 2 O2- + 2 H2O → H2O2 + O2 + 2 HO- En présence de certains métaux de transition, l’anion superoxyde peut réagir aussi avec le peroxyde d’hydrogène H2O2 pour engendrer des radicaux hydroxyles OH° capables d’oxyder certains substrats : O2°- + H2O2 → OH- + OH° + IO2 IO2 : oxygène singulet (produit par réarrangement des é). Activité peroxydsique du Cyt P450 En présence de différents hydroperoxydes (hydroperoxydes dérivés des AG non saturés) le Cyt P450 peut catalyser l’hydroxylation de différents substrats.
  • 3. Biotransformation de toxiques 3 Monooxygénase dépendant du FAD Ce système enzymatique microsomique peut catalyser l’oxydation des divers composés aminés, soufrés, séléniés (pesticides organophosphorés). Deux enzymes clés : Cyclooxygénase (COX) & peroxydase. Contrairement au système microoxygénasique dépendant du Cyt P450 la fixation du substrat s’effectue après la réaction avec l’oxygène. C’est un système moins dépendant de la structure du substrat et donc susceptible de catalyser l’oxydation d’une large variété de substrats. Oxydation par la prostaglandine synthase La prostaglandine synthase (PS) enzyme localisée dans les membranes microsomiques, elle joue un rôle important dans la biotransformation dans les tissus pauvres en Microoxygénase dépendant du Cyt P450 mais riches en prostaglandine synthase. 8.2.1.2. Réduction Ce processus se déroule au niveau du Réticulum endoplasmique des cellules hépatiques, les substrats sont les composés aromatiques nitrés et azoïques qui sont métabolisé en amines. Le processus est catalysé par des enzymes spécifiques : les réductases. Ce processus n’est pas exclusivement hépatique, mais également intestinal via la flore bactérienne (plus intense). Certains Cyt P450 peuvent intervenir en tant que réductases. Figure 2. Réduction du dinitrobenzène (dérivé nitré) 8.2.1.3. Hydrolyse L’hydrolyse est catalysée par deux familles d’enzymes : les estérases et les amidases. Ce processus concerne une large variété de toxiques (esters et amides) possédant des liaisons sensibles à l’hydrolyse. Les estérases : peuvent être des arylestérase (esters aromatiques) carboxylestérase (esters aliphatiques) cholinestérases (esters dont le résidu est un alcool) acétylestérases (esters dont la moitié acide est l’acide acétique).
  • 4. Biotransformation des toxiques TOXICOLOGIE GÉNÉRALE 4 Les amidases : l’hydrolyse par les amidases est plus lente que les estérases. Elles manquent de spécificité de substrat. Remarque : il existe des réactions qui sont catalysées par des enzymes non microsomiales par exemple l’oxydation réversible par l’ADH cytosolique au niveau du foie (inhibée par le pyrazole), la réduction des doubles liaisons disulfures en thiols (sulfoxydes). 8.2.2. Les réactions de la phase II Les groupements fonctionnels issus des réactions de phase I peuvent être ensuite conjugués. C’est la réaction de la phase II. Les mécanismes de conjugaison chez l’homme font généralement appel à l’acide glucuronique, au glycocolle, au sulfate et à l’acétyle. 8.2.2.1. Conjugaison avec l’acide glucuronique Ces réactions sont catalysées par l’UDP-glucuronosyltransférase (UGTs) qui permet le transfert de l’acide glucuronique à partir de l’acide UDP-glucuronique sur le groupe accepteur d’un substrat (aglycone) (Acide UDP-glucuronique + aglycone à β glucuronide + UDP). Exemple de substrat : composés stéroïdes et l’UGT2. Généralement, des O-glucoronides à partir des groupements alcools (2-dichloroéthanol), des N-glucuronides à partir des groupements aminés aromatiques (aniline), des S-glucuronides à partir des thiols (thiophénol) sont obtenus. 8.2.2.2. Sulfoconjugaison Figure 3. Formation de Sulfoconjugué du p-nitrophénol L’exemple de la figure 3 montre le mécanisme de formation d’un sulfoconjugué par le transfert des sulfates activées à partir du PAPS (3’ –phospho adénosine -5’- phosphosulfate) formé à partir de l’ATP et des sulfates inorganiques aux molécules conjugables (p-nitrophénol). Ce transfert est catalysé par des sulfotransférases (fraction cytosolique soluble des cellules).
  • 5. Biotransformation de toxiques 5 8.2.2.3. Acétylation C’est le transfert de groupement acétyle à partir du coenzyme AcétylCoA aux molécules conjugables. Ce transfert est catalysé par des acétyltransférases (cytosole) exemple : hydrazines. 8.2.2.4. Méthylation Transfert d’un groupement méthyl à partir de la S-adénosylméthionine. Ce transfert est catalysé par les méthyltransférases (cytoplasme). Exemple : COMT et la méthylation des catécholamines. 8.2.2.5. Conjugaison avec la glycine Figure 4. Conjugaison de l'acide benzoïque à la Glycine La conjugaison de l’acide benzoïque à la glycine est catalysée par la ligase (1ère étape), qui active l’acide par le CoA (ATP) et aboutit à la formation d’un dérivé thioester du CoA. Puis la N- acétyltransférase (2ème étape) qui catalyse le transfert du groupement acyle sur le groupement aminé de la glycine. 8.2.2.6. Conjugaison avec le glutathion Figure 5. Mécanisme de conjugaison au glutathion
  • 6. Biotransformation des toxiques TOXICOLOGIE GÉNÉRALE 6 Le tripeptide glutathion constitue plus de 90% de la quantité de thiol non protéinique du foie. Cette réaction est catalysée par une enzyme Glutathion-S-transférase. Elle concerne essentiellement les substances électrophiles (rarement N, O, S), il y a formation d’un X-GSH (X est le substrat, par exemple : le Paracétamol). Il faut noter qu’il existe des variations au niveau de métabolisme dues à divers facteurs à savoir l’espèce l’âge l’état physiopathologique et l’environnement. 8.3. L’induction et l’inhibition enzymatiques L’induction transcriptionnelle se fait par augmentation de la transcription de l’isoforme et augmentation de la synthèse de la protéine. L’induction Post-transcriptionnelle se fait par diminution de la dégradation de la protéine, exemple : phénobarbital et le Cyt P450 2C. L’inhibition peut être réversible par fixation réversible sur le site actif, dans ce cas ce mécanisme est compétitif et fait intervenir un inhibiteur non métabolique tel que la cimétidine. L’inhibition irréversible se fait par liaison avec le Fe ou le N des noyaux pyroles ou l’apoprotéine, ce qui aboutit à la formation d’un complexe stable (substrat de suicide) d’où l’altération irréversible de l’isoforme, c’est un mécanisme qui fait appel à un inhibiteur métabolisé tel que chloramphénicol et les Cyt P450 2B 2C. 8.4. Conséquences de la biotransformation sur le plan toxicologique De manière générale, la biotransformation de toxiques à pour conséquences : l’inactivation, c’est-à-dire réduction de la toxicité d’une substance, exemple : cyanures en thiocyanates, ou l’activation c’est-à-dire la toxification d’une substance, exemple : la 2-naphtylamine oxydée en 2-naphtylhydroxylamine cancérigène (Responsable du cancer de la vessie). 8.5. Références - Robert R. Lauwerys; Robert Lauwerys (2007). Toxicologie industrielle et intoxications professionnelles. Elsevier Masson. pp. 32–35. ISBN 978-2-294-01418-5. - Michael Neal (1 June 2017). Pharmacologie médicale. De Boeck Superieur. pp. 9–11. ISBN 978-2-8073-0611-0. - Pascal Kintz (1998). Toxicologie et pharmacologie médicolégales. Elsevier Masson. pp. 49. ISBN 978-2-84299-037-4.