ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Εισαγωγή Άνθρωποι και ζώα καθημερινά εκτίθενται σε χημικές τοξικές ουσίες του περιβάλλοντος οι οποίες αποτελούν προϊόντα ξένα για τους ανώτερους οργανισμούς (ξενοβιοτικά). Πολλές ουσίες, ιδίως λιπόφιλες, απορροφούνται εύκολα από το δέρμα, τους πνεύμονες και το ΓΕΣ. Η περιοδική έκθεση του οργανισμού στις τοξικές ουσίες θα μπορούσε να οδηγήσει σε χρόνια συσσώρευση και μεγάλη τοξικότητα αν ο οργανισμός δεν είχε τη δυνατότητα να τις απομακρύνει. Ευτυχώς, οι ανώτεροι οργανισμοί έχουν τη δυνατότητα να μεταβολίσουν και να αποβάλλουν τις τοξικές ουσίες σε σημαντικό βαθμό, άσχετα αν πολλές από αυτές είναι πολύ λιπόφιλες και έχουν μεγάλο όγκο κατανομής.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Μεταβολισμός Μεταβολισμός είναι οι βιοχημικές διαδικασίες που έχουν αναπτύξει οι οργανισμοί για τη μετατροπή των ξενοβιοτικών σε διάφορους υδρόφιλους μεταβολίτες. Έτσι μια τοξική ουσία μπορεί να υποστεί κατά τη μεταβολική διαδικασία δομικές μεταβολές με τη βοήθεια ενζύμων. Συνήθως οι μεταβολίτες που προκύπτουν είναι περισσότερο υδρόφιλοι από τις μητρικές ενώσεις και αυτό συμβάλλει στην απέκκρισή τους διαμέσου των νεφρών ή της χολής.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Συνήθως ο μεταβολισμός των ξενοβιοτικών διεκπεραιώνεται ενζυμικά σε δύο φάσεις. Στη φάση Ι ανήκουν αντιδράσεις οξείδωσης, αναγωγής και υδρόλυσης, ενώ στη φάση ΙΙ αντιδράσεις σύζευξης με ενδογενείς ουσίες (π.χ. γλυκουρονικό οξύ). Στη φάση Ι τα ξενοβιοτικά μεταβολίζονται σε περισσότερο υδατοδιαλυτούς μεταβολίτες με την προσθήκη (ή ελευθέρωση) υδρόφιλων ομάδων, όπως -OH, -SH, -NH2 και -COOH που επιτρέπουν τη σύζευξή τους με ενδογενή μόρια προς περισσότερο υδρόφιλα προϊόντα τα οποία απεκκρίνονται.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να συμβαίνουν μόνο αντιδράσεις φάσης ΙΙ, π.χ. η μορφίνη μπορεί να συζευχθεί (στις θέσεις 3-ΟΗ ή 7-ΟΗ) με γλυκουρονικό οξύ και να απεκκριθεί στα ούρα υπό τη μορφή του 3- ή 7-γλυκουρονιδίου της. Σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να συμβαίνουν μόνο αντιδράσεις φάσης Ι. Βασικά αν μια τοξική ουσία θα μεταβολισθεί ή όχι εξαρτάται από τις φυσικοχημικές της ιδιότητες. Οι πτητικές οργανικές ουσίες μπορεί να απομακρυνθούν από το σώμα δια της εκπνοής από τους πνεύμονες. Τα μεταβολικά συστήματα που είναι υπεύθυνα για το μεταβολισμό των ξενοβιοτικών εντοπίζονται κυρίως στο ήπαρ (μεταβολισμός πρώτης διόδου από το ήπαρ). Όμως μεταβολισμός συμβαίνει και σε άλλους ιστούς αλλά σε περιορισμένη κλίμακα (έντερο, δέρμα, νεφροί).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ένζυμα Μεταβολισμού (Ηπατικά Μικροσωμάτια) Τα ένζυμα μεταβολισμού της φάσης Ι εντοπίζονται στο ενδοπλασματικό δίκτυο συνδεδεμένα με μεμβράνες μέσα σε λιπόφιλες περιοχές στις οποίες εισέρχονται οι λιπόφιλες ουσίες. Από το ήπαρ με φυγοκέντρηση λαμβάνονται τελικά τα ηπατικά μικροσωμάτια (microsomes) ως ίζημα (pellets) ενώ στο υπερκείμενο διαλυτό κυτοσόλιο περιέχονται μεταβολικά ένζυμα της φάσης ΙΙ (π.χ. γλυκουρονυλοτρανσφεράση). Οι μεταβολίτες δεν είναι πάντοτε αδρανείς (ανενεργοί) αλλά μπορεί σε αυτούς να οφείλεται αποκλειστικά η τοξικότητα μιας ουσίας (μεταβολική ενεργοποίηση, π.χ. στην περίπτωση των καρκινογόνων). Ο μεταβολισμός των ξενοβιοτικών επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως διατροφή, παθολογική κατάσταση του οργανισμού, ηλικία, δόση, φύλλο, είδος, κ.ά.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ενζυμικές Αντιδράσεις Φάσης Ι Κατά τη φάση Ι του μεταβολισμού μπορεί να συμβούν οι παρακάτω μεταβολικές διαδικασίες: 1) Υδρόλυση ουσιών με υδρολυτικά ένζυμα που καταλύουν τη διάσπαση διαφόρων δεσμών (εστερικών, αμιδικών, θειοεστερικών, φωσφοεστερικών, ακετυλοεστερικών, οργανοφωσφορικών). Η υδρόλυση οδηγεί σε περισσότερο υδρόφιλους μεταβολίτες. Υπάρχουν επίσης και πεπτιδάσες που υδρολύουν πεπτιδικές ενώσεις καθώς και οι υδρολάσες των εποξειδίων, οι οποίες ανενεργοποιούν τοξικά εποξείδια. 2) Αναγωγή: Οι αντιδράσεις καταλύονται από αναγωγάσες και αφορούν ουσίες όπως αζωενώσεις και νιτροενώσεις (οι οποίες ανάγονται προς αμίνες), καθώς και άλλες ουσίες όπως κινόνες, αλδεϋδες, κετόνες, κ.ά. Επίσης με αναγωγή διασπώνται δισουλφιδικοί δεσμοί και απομακρύνονται αλογόνα.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ 3) Οξείδωση: Η οξείδωση αποτελεί τη σημαντικότερη μεταβολική διαδικασία των ξενοβιοτικών και διεκπεραιώνεται με αφυδρογονάσες (π.χ. αλκοολική αφυδρογονάση) ή με οξειδάσες (π.χ. ξανθινοξειδάση, ΜΑΟ). Χαρακτηριστικό παράδειγμα τοξικότητας στο ΚΝΣ αποτελεί η ενεργοποίηση του MPTP (ισχυρή νευροτοξική ουσία) που επιφέρει παρκινσονισμό λόγω οξείδωσης και μετατροπής της προς το MPP+ το οποίο καταστρέφει τους ντοπαμινεργικούς νευρώνες. Αρκετές οξειδώσεις καταλύονται μέσω του συστήματος μικτής δράσης μονοξυγενάσης (FMO) που οξειδώνει πυρηνόφιλα ετεροάτομα (N, S, P) σε αρκετές τοξικές ουσίες. Το συνένζυμο FAD ανάγεται σε FADH2 με τη μεσολάβηση του NADPH που οξειδώνεται σε NADP+. Το σημαντικότερο όμως μεταβολικό σύστημα των ξενοβιοτικών είναι το σύστημα του κυτοχρώματος P-450 (σύστημα οξειδάσης μικτής λειτουργίας, MFO).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Κυτόχρωμα P-450 Το σύστημα του κυτοχρώματος P-450 αποτελείται από τα παρακάτω ένζυμα: 1) NADPH-ρεδουκτάση του κυτοχρώματος P-450 και 2) κυτόχρωμα P-450. Τα ένζυμα βρίσκονται στο ήπαρ (μικροσωμάτια) και η ρεδουκτάση του κυτοχρώματος P-450 χρησιμοποιεί ως συνένζυμο το NADPH που μεταφέρει ηλεκτρόνια στο κυτόχρωμα P-450. Το κυτόχρωμα P-450 δεν είναι ένα ένζυμο αλλά μια υπεροικογένεια ισοενζύμων (τα κυριότερα ισοένζυμα περιλαμβάνουν το 1A2, 2C9, 2D6, τα οποία μεταβολίζουν διάφορα υποστρώματα). Αντίθετα με την ποικιλομορφία που παρατηρείται με το κυτόχρωμα P-450, μόνο μια ρεδουκτάση του κυτοχρώματος P-450 έχει ταυτοποιηθεί.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Κατά τη φάση Ι του μεταβολισμού ένα υπόστρωμα (RH) αντιδρά με την οξειδωμένη μορφή του κυτοχρώματος P-450 (Fe+++) σχηματίζοντας ένα σύμπλοκο από την ουσία (RH) και το κυτόχρωμα P-450, το οποίο στη συνέχεια αποδέχεται ένα ηλεκτρόνιο από το NADPH μέσω της NADPH-ρεδουκτάσης του κυτοχρώματος P-450 που ανάγει το τρισθενή σίδηρο σε δισθενή. Στη συνέχεια το σύμπλοκο συνδέεται με μοριακό Ο2 που στη συνέχεια αποδέχεται ένα νέο ηλεκτρόνιο από το NADPH ή το NADH.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Μέσω μιας σειράς περίπλοκων βιοχημικών αντιδράσεων τα δύο ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο μοριακό οξυγόνο που το καθιστούν ενεργό. Ένα άτομο του ενεργού οξυγόνου μεταφέρεται στο υπόστρωμα και το άλλο αντιδρά με 2H+ και σχηματίζει H2O. Το οξυγονωμένο υπόστρωμα αναγεννά την οξειδωμένη μορφή του κυτοχρώματος P-450. Συνοπτικά κάθε τοξική ουσία που συμπεριφέρεται ως υπόστρωμα (RH) οξειδώνεται προς τον οξειδωμένο μεταβολίτη της (ROH) σύμφωνα με την αντίδραση: RH + O2 + NADPH + H+ → ROH + H2O + NADP+.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ FAD Μονοοξυγενάση Ένα άλλο ένζυμο της φάσης Ι του μεταβολισμού είναι η FAD μονοοξυγενάση γνωστό και ως αμινοξειδάση μικτής λειτουργίας. Το ένζυμο αυτό βρίσκεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο και συναγωνίζεται το κυτόχρωμα P-450 για την οξείδωση των αμινών (Ν-οξείδωση τριτοταγών αμινών, οξείδωση δευτεροταγών αμινών και ακρυλαμινών, οξείδωση υδραζινών, S-οξείδωση θειαμιδίων, θειολών, δισουλφιδίων και αμινοθειολών).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Οξείδωση από Υπεροξειδάση Οι υπεροξειδάσες που βρίσκονται στο ήπαρ προκαλούν συζευγμένη αναγωγή του H2O2 και των λιποϋδροπεροξειδίων με ταυτόχρονη οξείδωση διαφόρων υποστρωμάτων. Η γενική αντίδραση είναι: RCOOOH + RH (υπόστρωμα) → RCOOH + ROH. Επιπλέον οι υπεροξειδάσες προκαλούν οξείδωση αρωματικών αμινών, φαινολών, υδροκινονών, πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων, κ.ά. Εποξειδική Υδρολάση Η εποξειδική υδρολάση καταλύει την ενυδάτωση των αλειφατικών εποξειδίων προς τις αντίστοιχες διόλες. Το ένζυμο αυτό θεωρείται ως ένζυμο αποτοξίνωσης (αδρανοποίησης) ορισμένων ενεργών εποξειδίων (μεταλλαξιογόνα).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Εστεράσες και Αμιδάσες Τα ένζυμα αυτά υδρολύουν εστερικούς και αμιδικούς δεσμούς σε διάφορα ξενοβιοτικά (τοξικές ουσίες και φάρμακα). Οι μεταβολίτες (οργανικά οξέα ή αμίνες) που σχηματίζονται στη συνέχεια συζευγνύονται με ενδογενή μόρια (π.χ. γλυκουρονικό οξύ) κατά τη φάση ΙΙ του μεταβολισμού. Άλλα ένζυμα που καταλύουν άλλες μεταβολικές αντιδράσεις είναι η ρεδουκτάση αλδεϋδης/κετόνης, η αφυδρογονάση της αιθανόλης και η αφυδρογονάση της ακεταλδεϋδης (μεταβολισμός της αιθανόλης). Το κυριότερο ένζυμο είναι η αφυδρογονάση της αιθανόλης που προκαλεί οξείδωση της αιθανόλης προς ακεταλδεϋδη στο ήπαρ σύμφωνα με την αντίδραση: CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+. Στη συνέχεια η ακεταλδεϋδη οξειδώνεται προς οξικό οξύ με τη βοήθεια της αφυδρογονάσης της ακεταλδεϋδης, ένα ένζυμο το οποίο βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα σε άτομα της κίτρινης φυλής (Κινέζοι).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ενζυμικές Αντιδράσεις Φάσης ΙΙ Οι αντιδράσεις της φάσης ΙΙ του μεταβολισμού απαιτούν ενέργεια που προέρχεται κυρίως από ενεργοποίηση των συνενζύμων και των ενδιάμεσων προϊόντων υψηλής ενέργειας όπως το ακετυλοσυνένζυμο Α (Acetyl CoA), S-αδενοσυλομεθειονίνη (SAM), UDP-γλυκουρονυλοτρανσφεράση και η φωσφοθειική-φωσφοαδενοσίνη (PAPS).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Σύζευξη με Γλυκουρονικό Οξύ Η σύζευξη των ξενοβιοτικών ή των μεταβολιτών τους με γλυκουρονικό οξύ αποτελεί μια από τις σημαντικότερες μεταβολικές διαδικασίες της φάσης ΙΙ (τα γλυκουρονίδια είναι πολύ υδρόφιλοι μεταβολίτες και απεκκρίνονται από τους νεφρούς και τη χολή). Το ένζυμο που καταλύει τη σύζευξη με το γλυκουρονικό οξύ είναι η UDP-γλυκουρονυλοτρανσφεράση που εντοπίζεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο (στο ήπαρ και σε μικρότερο βαθμό στους νεφρούς, λεπτό έντερο, δέρμα, εγκέφαλο και σπλήνα). Υπάρχουν περισσότερα από 10 ισοένζυμα που εμφανίζουν διαφορετική εκλεκτικότητα για τα διάφορα ξενοβιοτικά. Το γλυκουρονίδιο που σχηματίζεται φέρει τουλάχιστον μια καρβοξυλική ομάδα (-COOH) η οποία ιονίζεται και βοηθά στην απέκκριση.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Σουλφοτρανσφεράση για Προσθήκη Θειικών Ομάδων Εκτός από τη σύζευξη με γλυκουρονικό οξύ, στα ανώτερα θηλαστικά μπορεί να γίνει και σουλφούρωση με τη μεταφορά θεϊκών ομάδων σε ελεύθερες υδροξυλομάδες με τη βοήθεια των σουλφοτρανσφερασών οι οποίες εντοπίζονται στο ήπαρ, νεφρούς, λεπτό έντερο και πνεύμονες. Η προσθήκη θειικών ομάδων σε αλκοόλες, φαινόλες, υδροξυλαμίνες, στερόλες έχει σαν αποτέλεσμα το σχηματισμό θειικών εστέρων (ROSO3-) οι οποίοι είναι πολύ υδρόφιλοι και απεκκρίνονται στα ούρα (αποτοξίνωση). Ως δότης των θειικών ομάδων είναι το φωσφοαδενοσυλο-5’-φωσφοθειικό (PAPS) το οποίο δρα ως συνένζυμο των σουλφοτρανσφερασών.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Μεθυλίωση Η μεθυλίωση αποτελεί μια σημαντική βιοχημική διαδικασία για το μεταβολισμό ενδογενών ουσιών. Σε αντίθεση με τη γλυκουρονίδωση και τη σουλφούρωση που οδηγούν σε υδρόφιλους μεταβολίτες η μεθυλίωση οδηγεί σε λιγότερο υδρόφιλους μεταβολίτες. Ουσίες που υφίστανται μεθυλίωση είναι οι αρωματικές και αλειφατικές αμίνες και οι φαινολικές ενώσεις (π.χ. κατεχολαμίνες). Η μεθυλίωση επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των μεθυλοτρανσφερασών (COMT για τη μεθυλίωση κατεχολαμινών, σεροτονίνης, ισταμίνης, αμφεταμίνης) που χρησιμοποιούν την S-αδενοσυλομεθειονίνη (SAM) ως συνένζυμο. Υπάρχουν μεθυλοτρανσφεράσες που μεθυλιώνουν εστέρες της γλουταθειόνης (GSH).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ακετυλίωση Η Ν-ακετυλίωση αποτελεί την κύρια μεταβολική οδό για ορισμένες πρωτοταγείς αμίνες, υδραζίδια, σουλφοναμίδια, κ.ά. Τα ένζυμα που καταλύουν την ακετυλίωση είναι οι Ν-ακετυλοτρανσφεράσες ενώ το ακετυλοσυνένζυμο Α χρησιμοποιείται ως δότης ακετυλομάδων. Η ακετυλίωση εμφανίζει γενετικό πολυμορφισμό (ταχείς και βραδείς ακετυλιωτές, π.χ. με ισονιαζίδη). Για παράδειγμα γυναίκες βραδείς ακετυλιωτές που λαμβάνουν το αντιυπερτασικό φάρμακο διυδραλαζίνη εμφανίζουν αυξημένη τοξικότητα. Όπως στην περίπτωση της μεθυλίωσης η ακετυλίωση οδηγεί σε λιγότερο υδρόφιλα ακετυλοπαράγωγα που μερικές φορές κρυσταλλώνονται στα ουροφόρα σωληνάρια προκαλώντας νεφροτοξικότητα (σουλφοναμίδια).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Σύζευξη με Αμινοξέα Σύζευξη μπορεί να γίνει με διάφορα αμινοξέα με το σχηματισμό αμιδικών δεσμών. Έτσι σύζευξη του βενζοϊκού οξέος με γλυκίνη οδηγεί στο σχηματισμό του ιππουρικού οξέος, του φαινυλοξικού οξέος με γλουταμίνη οδηγεί στο σχηματισμό της φαινυλακετυλογλουταμίνης. Τα προϊόντα σύζευξης με αμινοξέα είναι περισσότερο υδρόφιλα από τις μητρικές ενώσεις και απεκκρίνονται στα ούρα (π.χ σύζευξη σαλικυλικού οξέος με γλυκίνη οδηγεί στο σχηματισμό του σαλικυλουρικού οξέος που αποτελεί τον κύριο μεταβολίτη των σαλικυλικών που απεκκρίνεται στα ούρα).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Μεταβολισμός με S-Τρανσφεράσες της GSH Η γλουταθειόνη (GSH) αποτελεί τριπεπτίδιο αποτελούμενο από γλυκίνη, γλουταμικό οξύ και κυστεΐνη. Οι τρανσφεράσες της γλουταθειόνης (GSH) είναι τα ένζυμα που καταλύουν την αντίδραση των διαφόρων τοξικών ουσιών με τη σουλφιδρυλική ομάδα (-SH) της γλουταθειόνης. Βασικά, οι αντιδράσεις που καταλύονται από τα ένζυμα αυτά αποτελούν αντιδράσεις υποκατάστασης και προσθήκης. Αυτή η μεταβολική οδός οδηγεί στην αποτοξίνωση πολλών χημικά δραστικών τοξικών ουσιών (ηλεκτρονιόφιλα εποξείδια, ελεύθερες ρίζες, κ.ά.) και τα τελικά προϊόντα που απεκκρίνονται στα ούρα είναι παράγωγα του μερκαπτουρικού οξέος.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Αναλυτικά οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι οι παρακάτω: Αρχικά αντιδρά το υδρόφοβο ξενοβιοτικό (RX) με τη γλουταθειόνη με τη βοήθεια της S-τρανσφεράσης της GSH και σχηματίζεται ομοιοπολικός θειοαιθερικός δεσμός. Στη συνέχεια με τη βοήθεια της γ-γλουταμυλοτρανσπεπτιδάσης απομακρύνεται το γλουταμικό οξύ. Κατόπιν με τη βοήθεια της γλυκινάσης της κυστεΐνης απομακρύνεται και η γλυκίνη. Τέλος ακολουθεί Ν-ακετυλίωση με τη βοήθεια της Ν-ακετυλοτρανσφεράσης και σχηματίζεται το παράγωγο του μερκαπτουρικού οξέος RSCH2CH(COOH)NHCOCH3 το οποίο απεκκρίνεται στα ούρα. Σε περίπτωση εξάντλησης των αποθεμάτων της GSH αυξάνει ο κίνδυνος τοξικότητας, γιατί οι χημικά δραστικές τοξικές ουσίες μπορούν να αντιδράσουν με πυρηνόφιλες ομάδες (π.χ. -SH, -OH) μακρομορίων (π.χ. πρωτεΐνες) σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Μεταβολισμός Τοξικών Ουσιών σε Άλλα Όργανα εκτός του Ήπατος Εκτός από το ήπαρ που αποτελεί το κύριο όργανο στο οποίο λαμβάνει χώρα ο μεταβολισμός των ξενοβιοτικών, υπάρχουν και άλλα όργανα όπου συμβαίνουν μεταβολικές διαδικασίες όπως οι νεφροί, πνεύμονες, δέρμα και ΓΕΣ όπου υπάρχει η μικροβιακή χλωρίδα (υπάρχουν πάνω από 400 είδη μικροβίων).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Παράγοντες που Επηρεάζουν το Μεταβολισμό Τοξικών Ουσιών Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν το μεταβολισμό των ξενοβιοτικών είναι: 1) Οι φυσικοχημικές ιδιότητες του ξενοβιοτικού, 2) η δόση και 3) η οδός εισόδου στον οργανισμό. Ο βαθμός μεταβολισμού επηρεάζεται από το είδος του οργανισμού, την ηλικία, το φύλο, καθώς και την επαγωγή ή την αναστολή των μεταβολικών ενζύμων από διάφορα ξενοβιοτικά ή συστατικά τροφίμων (αλληλεπιδράσεις).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Επαγωγή Μεταβολικών Ενζύμων Η δραστικότητα των μεταβολικών ενζύμων μπορεί να αυξηθεί (επαγωγή, αύξηση βιοσύνθεσης των ενζύμων) από ξενοβιοτικά που εισέρχονται στον οργανισμό. Ισχυροί επαγωγείς μεταβολικών ενζύμων είναι η φαινοβαρβιτάλη, οι αρωματικοί πολυκυκλικοί υδρογονάνθρακες (βενζοπυρένιο, μεθυλοχολανθρένιο), η αιθανόλη (χρόνια λήψη), το DDT, τα πολυχλωριωμένα διφαινύλια, τα στεροειδή, κ.ά. Οι επαγωγείς των μεταβολικών ενζύμων είναι γενικά λιπόφιλες ενώσεις. Η επαγωγή οφείλεται στην ενεργοποίηση της μεταγραφής γονιδίων που κωδικοποιούνται σε μεταβολικά ένζυμα και προκαλεί αύξηση της πρωτεϊνοσύνθεσης των ενζύμων. Η επαγωγή των ενζύμων εμφανίζεται μετά από πάροδο λίγων ή περισσότερων ημερών.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Αναστολή Μεταβολικών Ενζύμων Υπάρχουν ουσίες που αναστέλλουν το μεταβολισμό των ξενοβιοτικών. Η αναστολή μπορεί να προέλθει: 1) Με απευθείας αναστολή των ενζύμων ή συνενζύμων, 2) από αναστολή της μεταφοράς των χημικών ουσιών στο μεταβολικό σύστημα και 3) από αλλοστερικές αλλαγές οι οποίες μπορεί να επηρεάζουν την ενζυμική δράση. Υπάρχουν αρκετά ξενοβιοτικά που δρουν ως αναστολείς του μεταβολικού συστήματος του κυτοχρώματος Ρ-450, όπως το CO, το βινυλοχλωρίδιο, το ακετυλένιο, η σιμετιδίνη, τα αντιμυκητιακά φάρμακα του ιμιδαζολίου (π.χ. κετοκοναζόλη), κ.ά.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Διαφορές Μεταβολισμού μεταξύ των Ειδών των Θηλαστικών Υπάρχουν σημαντικές διαφορές του μεταβολισμού μεταξύ των διαφόρων ειδών των ανώτερων θηλαστικών. Έτσι, παρατηρείται παντελής έλλειψη συγκεκριμένων μεταβολικών ενζύμων ή υπάρχει μια νέα μεταβολική διαδικασία σε ορισμένα είδη σε σύγκριση με άλλα (ποιοτικές διαφορές). Σε ορισμένα είδη παρατηρούνται διαφορές στα επίπεδα των μεταβολικών ενζύμων (ποσοτικές διαφορές).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο μεταβολισμός του Ν-ακετυλαμινοφλουορενίου που μεταβολίζεται με Ν-υδροξυλίωση προς ένα καρκινογόνο μεταβολίτη (Ν-υδροξυπαράγωγο) καθώς και με αρωματική υδροξυλίωση προς ένα ατοξικό μεταβολίτη (7-υδροξυπαράγωγο). Τα ινδικά χοιρίδια δεν παράγουν τον καρκινογόνο μεταβολίτη, σε αντίθεση με τα ποντίκια, τους σκύλους και τα κουνέλια που τον παράγουν. Ακόμη, σημαντικές διαφορές όσον αφορά το μεταβολισμό της αμφεταμίνης έχουν παρατηρηθεί μεταξύ αρουραίων και κουνελιών. Επίσης στους σκύλους δεν είναι εφικτός ο μεταβολισμός των αρωματικών αμινών γιατί δεν έχουν την ανάλογη Ν-ακετυλοτρανσφεράση.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Υπάρχουν διαφορές και μεταξύ των φύλλων. Έτσι οι οργανοφωσφορικοί εστέρες (παραθείο) είναι πιο τοξικοί σε θηλυκούς αρουραίους σε σχέση με αρσενικούς. Όμως σημαντικές διαφορές δεν παρατηρούνται μεταξύ ανδρών και γυναικών. Σημαντικές διαφορές παρατηρήθηκαν επίσης και σε πειραματόζωα διαφορετικής ηλικίας. Σε νεαρούς αρουραίους η μεταβολική ικανότητα διαφέρει σαφώς από τα ενήλικους ή υπερήλικους αρουραίους (τα υπερήλικα πειραματόζωα γενικά παρουσιάζουν χαμηλή μεταβολική δραστηριότητα και συνεπώς εμφανίζουν αυξημένη ευαισθησία στην τοξική δράση διαφόρων ξενοβιοτικών).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Οι μεταβολικές διαδικασίες επίσης επηρεάζονται από τη διατροφή αφού ουσίες όπως τα ιόντα Ca, Cu, Mg και Zn μειώνουν τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις του κυτοχρώματος Ρ-450, όπως και η έλλειψη βιταμινών C, E και Β. Διατροφή φτωχή σε πρωτεΐνες καθώς και στέρηση τροφής αυξάνει την τοξικότητα των τοξικών ουσιών, λόγω μείωσης των αποθεμάτων της γλουταθειόνης. Τέλος τη μεταβολική διαδικασία επηρεάζει και η παθολογική κατάσταση του ήπατος (π.χ. κίρρωση, ίκτερος, ηπατίτιδα, ηπατοκαρκίνωμα), καθώς και άλλες παθολογικές καταστάσεις (π.χ. υπερ- ή υποθυρεοειδισμός, καρδιακή ανεπάρκεια, κ.ά.). Ακόμη οι ρυθμικές εναλλαγές του χρόνου (π.χ. κιρκαδικός ρυθμός) επηρεάζουν τα επίπεδα της γλουταθειόνης και των μεταβολικών ενζύμων και συνεπώς το μεταβολισμό των ξενοβιοτικών.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Βιοενεργοποίηση Τοξικών Ουσιών Ο μεταβολισμός δεν οδηγεί πάντοτε σε ανενεργούς μεταβολίτες αλλά πολλές φορές οι παραγόμενοι μεταβολίτες μπορεί να κατέχουν φαρμακολογική ή τοξική δράση. Μερικές φορές σχηματίζονται ενδιάμεσα μεταβολικά προϊόντα που είναι σαφώς πιο δραστικά από τις μητρικές ενώσεις (βιοενεργοποίηση). Τα χημικά δραστικά ενδιάμεσα προϊόντα (ηλεκτρονιόφιλα όπως εποξείδια, ελεύθερες ρίζες, παράγωγα υδροξυλαμίνης) μπορεί να αντιδράσουν με πυρηνόφιλες ομάδες (-SH, -OH, -NH2) διαφόρων μακρομορίων (πρωτεΐνες, DNA, RNA) που βρίσκονται στους ιστούς σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς, με αποτέλεσμα την εμφάνιση τοξικότητας (π.χ. καρκινογένεση).

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Βέβαια τα ενεργά ενδιάμεσα προϊόντα αδρανοποιούνται με τη βοήθεια της γλουταθειόνης. Όμως αν η συγκέντρωσή τους είναι υψηλή και μεγαλύτερη από εκείνη που τα αποθέματα της γλουταθειόνης μπορούν να αδρανοποιήσουν και να απομακρύνουν παρατηρείται καταστροφή κυττάρων. Η βιοενεργοποίηση των πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων επιτυγχάνεται μέσω του κυτοχρώματος Ρ-450 που οδηγεί σε ενεργά βιολογικά εποξείδια τα οποία στη συνέχεια αντιδρούν με μακρομόρια. Επίσης η αναγωγική αποαλογονοποίηση των αλογονωμένων ενώσεων οδηγεί στο σχηματισμό ελευθέρων ριζών. Ακόμη υπάρχει η πιθανότητα μια αντίδραση να οδηγήσει στο σχηματισμό ενός μεταβολίτη που στη συνέχεια δρα ως υπόστρωμα σχηματίζοντας τοξικά προϊόντα.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ένα παράδειγμα βιοενεργοποίησης αποτελεί το 2-ακετυλαμινοφλουορένιο το οποίο κατά τη φάση Ι υδροξυλιώνεται προς Ν-υδροξυ-2-ακετυλαμινοφλουορένιο (παράγωγο υδροξυλαμίνης) και στη συνέχεια κατά τη φάση ΙΙ μπορεί να συζευχθεί και να δώσει το αντίστοιχο ακετυλοπαράγωγο, γλυκουρονίδιο ή θειικό εστέρα που όλα είναι ενεργά προϊόντα γιατί μπορούν να αντιδράσουν με μακρομόρια και να σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Ένα άλλο παράδειγμα βιοενεργοποίησης αποτελεί η αφλατοξίνη Β1 που οδηγεί σε ενεργούς μεταβολίτες οι οποίοι δρουν στο DNA και προκαλούν καρκινογένεση.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ