La biométhylation des métaux chez l'homme et dans l'environnement : succès ou échec sur le plan toxicologique ?

AnnalesdeToxicologieAnalytique, vol.

XVII,

n° 3,2005

La biométhylation des métaux chez l'homme

et dans l'environnement ^{: succès} ou échec sur le plan toxicologique ^?

The biométhylation of metals in man and in

the environment : a success or ^a failure in toxicology ^?

Jean-Pierre ANGER

(1)*,

Laurence LABAT(2), Michel LHERMITTE2»

(1)Université deRennes 1,FacultédePharmacie,2,avenueduProfesseurLéonBernard - 35043 RENNESCedex

Tel

^: 02 99 68 92 39 -

E-mail

^:jean-pierre.anger@wanadoo.fr (2) Universitéde

Lille

2,LaboratoiredeToxicologieetGénopathies,HôpitalCalmettë, Avenue duPr.JulesLeclercq 59037

LILLE

Cedex -Tel ^: 03 204449 51 -Fax ^: 03 2044 47 29 -E-mail ^:

l.labat@chru-lille.fr Tel

^: 03 2044 49 63 -Fax ^: 03 2044 47 29 -E-mail ^:

mlhermitte@chru-lille.fr

*

Auteuràquiadresserlacorrespondance^:Jean-PierreANGER, 10,

Allée

delaRivière-35760

SAINT

GRÉGOIRE (Reçu le23

juin

2005 ; acceptéaprèsmodificationsle 12 août2005)

RESUME

Le termedebiométhylation (méthylationbiologique) corres¬

pondautransfertd'ungroupement méthyle (-CH3), àpartir d'un donneurde méthylegrâceà une enzyme, àl'intérieur d'unorganismevivant. Chezlesprocaryotescommechezles mammifères, lesdonneursbiologiquessontleplussouventla S-adénosylméthionine(S.A.M)etlaméthylcobalamine(VitB 12).Lesenzymesqui contrôlentdetelstransferts sontappe¬

léesméthyltransferases. Sila biométhylation desubstances organiquessurlesatomesdecarbone, d'azote, desoufreou d'oxygène estfréquente aucours du métabolisme cheztous les organismes supérieurs, d'autres éléments la subissent également: c'estle cas deplusieursmétaux etmétalloïdes comme l'arsenic, le mercure, le bismuthou l'étain. Onsait aujourd'hui que ces composés méthylés présentent pour l'hommedes risquesnonnégligeablespoursa santé. Dans cette revuetrès générale et non exhaustive, nousrappelons ladécouverte etlemécanismedebiométhylationdequelques métaux etmétalloïdesayant entraîné au cours du siècle der-

SUMMARY

Biométhylationcorrespondsto thetransferofamethylgroup (-CH3)from a methyl donor to another compound by an enzymatic reaction. With germsaswith mammals,biological donors are often the S-adenosylmethionin (SAM) andthe methylcobalamin (Vit B12). Enzymes which control these transfers arecalledmethyltransferases. Ifbiométhylationof organicsubstances on carbon, nitrogen, sulphuroroxygen atoms isfrequent duringthemetabolism withallthehigher organisms,otherelementsarealsoconcerned:

it

is the case

of

somemetalsandmetalloidssuch asarsenic,mercury,bis¬

muthortin.Weknow todaythatthesemethylated compounds couldbewithpresent risks

for

humanhealth.Inthisgeneral and inexhaustivereview, werecallthediscoveryandthe bio¬

méthylation mechanism

of

somemetals andmetalloidsres¬

ponsible during the lastcenturyto dramatic human intoxi¬

cations consecutivelyofanaccidental contaminationofenvi¬

ronment (case ofmercury in Minamata) or a therapeutic treatment(cases

of

bismuth andtin salts) orwhich appear

175 AnnalesdeToxicologieAnalytique, vol.

XVII,

n° 3,2005

La biométhylation des métaux chez l'homme

et dans l'environnement ^{: succès} ou échec sur le plan toxicologique ^?

The biométhylation of metals in man and in

the environment : a success or ^a failure in toxicology ^?

Jean-Pierre ANGER

(1)*,

Laurence LABAT(2), Michel LHERMITTE2»

(1)Université deRennes 1,FacultédePharmacie,2,avenueduProfesseurLéonBernard - 35043 RENNESCedex

Tel

^: 02 99 68 92 39 -

E-mail

^:jean-pierre.anger@wanadoo.fr (2) Universitéde

Lille

2,LaboratoiredeToxicologieetGénopathies,HôpitalCalmettë, Avenue duPr.JulesLeclercq 59037

LILLE

Cedex -Tel ^: 03 204449 51 -Fax ^: 03 2044 47 29 -E-mail ^:

l.labat@chru-lille.fr Tel

^: 03 2044 49 63 -Fax ^: 03 2044 47 29 -E-mail ^:

mlhermitte@chru-lille.fr

*

Auteuràquiadresserlacorrespondance^:Jean-PierreANGER, 10,

Allée

delaRivière-35760

SAINT

GRÉGOIRE (Reçu le23

juin

2005 ; acceptéaprèsmodificationsle 12 août2005)

RESUME

Le termedebiométhylation (méthylationbiologique) corres¬

pondautransfertd'ungroupement méthyle (-CH3), àpartir d'un donneurde méthylegrâceà une enzyme, àl'intérieur d'unorganismevivant. Chezlesprocaryotescommechezles mammifères, lesdonneursbiologiquessontleplussouventla S-adénosylméthionine(S.A.M)etlaméthylcobalamine(VitB 12).Lesenzymesqui contrôlentdetelstransferts sontappe¬

léesméthyltransferases. Sila biométhylation desubstances organiquessurlesatomesdecarbone, d'azote, desoufreou d'oxygène estfréquente aucours du métabolisme cheztous les organismes supérieurs, d'autres éléments la subissent également: c'estle cas deplusieursmétaux etmétalloïdes comme l'arsenic, le mercure, le bismuthou l'étain. Onsait aujourd'hui que ces composés méthylés présentent pour l'hommedes risquesnonnégligeablespoursa santé. Dans cette revuetrès générale et non exhaustive, nousrappelons ladécouverte etlemécanismedebiométhylationdequelques métaux etmétalloïdesayant entraîné au cours du siècle der-

SUMMARY

Biométhylationcorrespondsto thetransferofamethylgroup (-CH3)from a methyl donor to another compound by an enzymatic reaction. With germsaswith mammals,biological donors are often the S-adenosylmethionin (SAM) andthe methylcobalamin (Vit B12). Enzymes which control these transfers arecalledmethyltransferases. Ifbiométhylationof organicsubstances on carbon, nitrogen, sulphuroroxygen atoms isfrequent duringthemetabolism withallthehigher organisms,otherelementsarealsoconcerned:

it

is the case

of

somemetalsandmetalloidssuch asarsenic,mercury,bis¬

muthortin.Weknow todaythatthesemethylated compounds couldbewithpresent risks

for

humanhealth.Inthisgeneral and inexhaustivereview, werecallthediscoveryandthe bio¬

méthylation mechanism

of

somemetals andmetalloidsres¬

ponsible during the lastcenturyto dramatic human intoxi¬

cations consecutivelyofanaccidental contaminationofenvi¬

ronment (case ofmercury in Minamata) or a therapeutic treatment(cases

of

bismuth andtin salts) orwhich appear

175

nier, desintoxicationsdramatiqueschezl'hommedessuites d'une contamination accidentelle de l'environnement (cas dumercureàMinamata) oud'une utilisationthérapeutique (casdessels debismuth et del'étain)ouenfinquiapparais¬

sentaucours du métabolismede l'élémentetdonton igno¬

raitjusqu'alors la toxicité (cas de l'arsenic). Les circons¬

tances et la symptomatologie de chaque intoxication sont succinctementévoquées.

Silabiométhylationdesmétaux dansl'environnementest en

fait

unprocessusgénéraldedétoxication etdonc un succès

pourles microorganismes,

il

apparaîtque laformation ou

l'utilisation chez l'homme de ces composés organométal¬

liques et organométalloïdiques. est plutôt un échec ainsi qu 'entémoignentlesintoxicationsgravissimesqui ontmar¬

quél'histoiredelatoxicologieaucours du vingtièmesiècle.

L'imprudence,l'ignoranceoul'irresponsabilité^enontétéla cause. Il importe donc de surveiller la présence de ces formesorganométalliques dans l'environnement et dans les milieuxbiologiques. Les méthodes modernes de speciation alliantla séparation chromatographique(GCouLC) àune détection très spécifique et très sensible comme VICP-MS permettentaujourd'huidesuj-veillerlesniveauxd'exposition etdevraientàl'aveniréviterdetelsproblèmesdesanté.

MOTS-CLÉS

Biométhylation-métaux-arsenic-mercure-bismuth-étain.

during elementmetabolism with unknown toxicity

till

now (case of arsenic). Circumstances and symptomatology of

eachintoxication

will

^besuccinctly described.

If

metal bio¬

méthylation in environmentis ageneral process

of

detoxifi¬

cation anda microbialsuccess, it appearsthathumanfor¬

mationoruseofthoseorganometalor organometalloidcom¬

poundsisratherafailureas

it

isshownwithserious intoxi¬

cationmarkedthetoxicologyofthe XX"'century.

Imprudence, ignorance or irresponsibility have been the cause. It is importanttosupervisethese organometalicpre¬

sences in environment and in biological samples. Actual methods

of

speciation withcouplingchromatographicsepa¬

ration (GC orLC) and specific and sensible detection as ICP-MS allow today swveillance oflevel expositions and shouldavoidthesehealth problems.

KEY-WORDS:

Biomethylation-metals-arsenic-merciay-bismuth-tin.

Introduction

Le terme de biométhylation (méthylation biologique) correspond au transfert

d'un

groupement méthyle (-CH3) à partir d'un donneur de méthyle grâce à une enzyme à

l'intérieur d'un

organisme vivant. Les enzymes qui contrôlentdetels transferts sontappelées méthyltransférases. Le terme plus général detransme¬

thylation correspond à n'importe quelle réaction de transfert

d'un

groupementméthyleauseindetoutorga¬

nismevivant ou non.

Ainsi

labiométhylation équivaut àunetransmethylationenzymatiqueseproduisantdans lescellules.

La bioalkylationseréfère aux processusimpliquantdes groupements alkylés autres quele groupement méthy¬

le, par exemple éthyle(-C2H5) ou propyle (-C3H7) ; ce processus est plusrare. On acependant retrouvédans certains gaz naturels des composés comme

l'éthyl-

diméthylarsine As C2H5(CH3)2 ou le triéthylarsine As (C2H5)3formés paractionmicrobienne,leplus sou¬

ventces formesalkyl-métal sont

d'origine

anthropogé- nique.

Si la biométhylation de substances organiques sur les atomesdecarbone,d'azote,d'oxygèneoudesoufreest fréquente au coursdes réactions du métabolisme chez tous les organismes supérieurs, d'autres éléments la subissent également: c'est le cas de plusieurs métaux ou métalloïdes (As,

Bi,

Hg, Sn) dont on sait aujour¬

d'hui

que lesdérivés méthylés présententpour

l'hom

me des risques toxicologiques non négligeables. En effet, danslaplupartdes cas, laformationdetelscom¬

posés augmente la biodisponibilité de l'élément qui peut ainsis'accumulerlelongdeschaînesalimentaires.

Tandis que lesformes minéralesde ces composés sont bien caractérisées (As, Hg), et que certaines d'entre elles présentent unefaible toxicité(Sn,

Bi),

lescompo¬

sésméthylésformés,plusliposolublespeuventserévé¬

ler particulièrement toxiques. Au cours du vingtième siècle l'hommeapu constaterà ses dépensquelabio¬

méthylation ou plus généralementlabioalkylation des métaux pouvait avoir des conséquences désastreuses poursasanté etl'environnement.

L'intoxication

par le méthylmercure (Maladie de Minamata), l'encéphalo- pathiebismuthique aucours dutraitement descolopa- thies, la tentative malheureuse d'essayer de traîter la furonculose à

l'aide d'un

dérivé organique de

l'étain (Affaire

duStalinon),plusrécemmentlerisquedecan¬

cers

lié

^àlaprésenced'arsenicdansl'eaudeboissonet les considérables dégâts occasionnés chez les mol¬

lusquespar le tributylétainenmilieu aquatiquenesont làquequelques exemplesquiaurontpermisdeprendre conscience du danger de la bioalkylation que

l'on

considérait à tort autrefois, comme un mécanisme de détoxication.

Dans cette revue très générale, non exhaustive, nous rappelons la découverte et les mécanismes de biomé¬

thylation de quelques métaux etmétalloïdes ^: arsenic, mercure, étain, bismuth, ayant entraîné des intoxica-

nier, desintoxicationsdramatiqueschezl'hommedessuites d'une contamination accidentelle de l'environnement (cas dumercureàMinamata) oud'une utilisationthérapeutique (casdessels debismuth et del'étain)ouenfinquiapparais¬

sentaucours du métabolismede l'élémentetdonton igno¬

raitjusqu'alors la toxicité (cas de l'arsenic). Les circons¬

tances et la symptomatologie de chaque intoxication sont succinctementévoquées.

Silabiométhylationdesmétaux dansl'environnementest en

fait

unprocessusgénéraldedétoxication etdonc un succès

pourles microorganismes,

il

apparaîtque laformation ou

l'utilisation chez l'homme de ces composés organométal¬

liques et organométalloïdiques. est plutôt un échec ainsi qu 'entémoignentlesintoxicationsgravissimesqui ontmar¬

quél'histoiredelatoxicologieaucours du vingtièmesiècle.

L'imprudence,l'ignoranceoul'irresponsabilité^enontétéla cause. Il importe donc de surveiller la présence de ces formesorganométalliques dans l'environnement et dans les milieuxbiologiques. Les méthodes modernes de speciation alliantla séparation chromatographique(GCouLC) àune détection très spécifique et très sensible comme VICP-MS permettentaujourd'huidesuj-veillerlesniveauxd'exposition etdevraientàl'aveniréviterdetelsproblèmesdesanté.

MOTS-CLÉS

Biométhylation-métaux-arsenic-mercure-bismuth-étain.

during elementmetabolism with unknown toxicity

till

now (case of arsenic). Circumstances and symptomatology of

eachintoxication

will

^besuccinctly described.

If

metal bio¬

méthylation in environmentis ageneral process

of

detoxifi¬

cation anda microbialsuccess, it appearsthathumanfor¬

mationoruseofthoseorganometalor organometalloidcom¬

poundsisratherafailureas

it

isshownwithserious intoxi¬

cationmarkedthetoxicologyofthe XX"'century.

Imprudence, ignorance or irresponsibility have been the cause. It is importanttosupervisethese organometalicpre¬

sences in environment and in biological samples. Actual methods

of

speciation withcouplingchromatographicsepa¬

ration (GC orLC) and specific and sensible detection as ICP-MS allow today swveillance oflevel expositions and shouldavoidthesehealth problems.

KEY-WORDS:

Biomethylation-metals-arsenic-merciay-bismuth-tin.

Introduction

Le terme de biométhylation (méthylation biologique) correspond au transfert

d'un

groupement méthyle (-CH3) à partir d'un donneur de méthyle grâce à une enzyme à

l'intérieur d'un

organisme vivant. Les enzymes qui contrôlentdetels transferts sontappelées méthyltransférases. Le terme plus général detransme¬

thylation correspond à n'importe quelle réaction de transfert

d'un

groupementméthyleauseindetoutorga¬

nismevivant ou non.

Ainsi

labiométhylation équivaut àunetransmethylationenzymatiqueseproduisantdans lescellules.

La bioalkylationseréfère aux processusimpliquantdes groupements alkylés autres quele groupement méthy¬

le, par exemple éthyle(-C2H5) ou propyle (-C3H7) ; ce processus est plusrare. On acependant retrouvédans certains gaz naturels des composés comme

l'éthyl-

diméthylarsine As C2H5(CH3)2 ou le triéthylarsine As (C2H5)3formés paractionmicrobienne,leplus sou¬

ventces formesalkyl-métal sont

d'origine

anthropogé- nique.

Si la biométhylation de substances organiques sur les atomesdecarbone,d'azote,d'oxygèneoudesoufreest fréquente au coursdes réactions du métabolisme chez tous les organismes supérieurs, d'autres éléments la subissent également: c'est le cas de plusieurs métaux ou métalloïdes (As,

Bi,

Hg, Sn) dont on sait aujour¬

d'hui

que lesdérivés méthylés présententpour

l'hom

me des risques toxicologiques non négligeables. En effet, danslaplupartdes cas, laformationdetelscom¬

posés augmente la biodisponibilité de l'élément qui peut ainsis'accumulerlelongdeschaînesalimentaires.

Tandis que lesformes minéralesde ces composés sont bien caractérisées (As, Hg), et que certaines d'entre elles présentent unefaible toxicité(Sn,

Bi),

lescompo¬

sésméthylésformés,plusliposolublespeuventserévé¬

ler particulièrement toxiques. Au cours du vingtième siècle l'hommeapu constaterà ses dépensquelabio¬

méthylation ou plus généralementlabioalkylation des métaux pouvait avoir des conséquences désastreuses poursasanté etl'environnement.

L'intoxication

par le méthylmercure (Maladie de Minamata), l'encéphalo- pathiebismuthique aucours dutraitement descolopa- thies, la tentative malheureuse d'essayer de traîter la furonculose à

l'aide d'un

dérivé organique de

l'étain (Affaire

duStalinon),plusrécemmentlerisquedecan¬

cers

lié

^àlaprésenced'arsenicdansl'eaudeboissonet les considérables dégâts occasionnés chez les mol¬

lusquespar le tributylétainenmilieu aquatiquenesont làquequelques exemplesquiaurontpermisdeprendre conscience du danger de la bioalkylation que

l'on

considérait à tort autrefois, comme un mécanisme de détoxication.

Dans cette revue très générale, non exhaustive, nous rappelons la découverte et les mécanismes de biomé¬

thylation de quelques métaux etmétalloïdes ^: arsenic, mercure, étain, bismuth, ayant entraîné des intoxica-

Annales deToxicologieAnalytique, vol.

XVII,

n°3,2005 tions dramatiques chez

l'homme

des suites d'une contamination accidentelle de l'environnement ou d'une

utilisation

thérapeutique etqui ont jalonné l'his¬

toire de latoxicologie au cours du siècle dernier. Ces catastrophes devraient être plus facilement évitées aujourd'huigrâceauxnouvelles approches expérimen¬

tales in vitro de la toxicologie moléculaire et surtout aux immenses progrès de l'analyse toxicologique par

l'apport

desméthodes de speciation.

Considérations générales sur la biométhylation

La biométhylation-

est un processus métabolique important,largementdistribuéchez touslesorganismes vivants des systèmes géochimiques et anthropogé- niques (1). Plusieurs substances naturelles méthylées sur un atome d'azote ont été découvertes au début du iojsmc siècle ^:iacreatine, lacreatinine, la choline, latri- méthylamine ainsi que, la

triméthylglycine

ou bétaïne.

On

doit

lapremière observation de méthylation biolo¬

giqueà His (2) qui, s'intéressant à ladétoxication des composés aromatiques, administrade lapyridine àun chien et constatalaprésencedeN-méthylpyridinedans sesurines^. D'autresexemplesdebiométhylation furent démontrés ultérieurement ^: laconversion de la xanthi¬

ne enméthylxanthine chezlelapin oucelle de l'acide nicotinique en trigonelline chez le chien (3). Par la suite divers travaux ont montré que les rats pouvaient substituer 1'homocysteine parla methionine dans leur régime en présence de choline, conduisant au concept detransmethylation (transfert

d'un

groupement méthy¬

le

d'un

composéàun autrepourformer ^descomposés N-CH3 ou S-CH3).Le rôletrèsimportantde la methio

nine composé S-méthylé

fut

lentement reconnu, le groupementméthylenepouvant être transféréqu'à^par¬

tir d'un

composé riche en énergie, la S-adénosylmé- thionine (4). Le rôlede laS-adénosylméthionine, don¬

neur de méthyle dans des centaines de réactions de méthylation est maintenant bien établi. Le mécanisme delabiosynthèse«denovo»degroupementsméthylés aégalementété déterminé. Du

fait

de salarge distri¬

butionetde sesnombreusesutilisations en agriculture, dans

l'industrie

ou même en thérapeutique, laplupart des recherches concernent l'arsenic. Comme l'azote, l'arsenic est membre du groupe 15 dans la classifica¬

tion périodique des éléments, au même titre d'ailleurs que

l'antimoine

etlebismuth.Pourl'arsenic, lesprin¬

cipaux composés volatils formés parméthylation pos¬

sèdentlastructure(CH3)nAs

H

(3.n) où

n=l,

2ou3 ;ce sont respectivement les mono-, di- et triméthylarsine

(MMA, DMA

et

TMA).

Lesprincipaux composésnon volatils sont le monométhylarsonate

(MMAsv),

le diméthylarsonate

(DMAsv)

et le triméthylarsonate (TMAsv) (Tableau

I).

Historique de la méthylation de l'arsenic

Les efforts conjugués des mycologues, des microbiolo¬

gistes, des chimistes, des biochimistes et plus récem¬

mentdes spécialistesenbiologie moléculaireont contri¬

bué àmieux comprendre les mécanismes de labiomé¬

thylation de l'arsenic. Dans une série de travauxentre¬

prisaudébutdesannées30,FrederickChallengeret son équipe (5) apportèrentla preuve chimiqueque despro¬

duitsmono-,di-ettriméthyléspouvaient être formés par les microorganismesexposés àde l'arsenic inorganique (arsénite) ^. En 1945, Challengerpubliaune revuesurla méthylationbiologiqueetproposa mêmeun mécanisme

Tableau

I

:Principauxcomposésarséniés dansl'environnement.

Composés; :;: .V':.

-i.'-V;..

Arsine

Monométhylarsme

(MMA)

Diméthylarsine

(DMA)

Triméthylarsine

(TMA)

Acidearsénieux Acidearsénique

Acide monométhylarsonique

(MMAsv)

Acide diméthylarsonique

(DMAsv)

ouAcide cacodylique Oxyde detriméthylarsine

(TMAO)

Arsénobétaïne Arsénocholine Arsénosucres

Formule

AsH3 CH3AsH2 (CH3)2AsH (CH3)3As As(OH)3 AsO(OH)3 CH3AsO(OH)2 (CH3)2AsO(OH) (CH3)3AsO

(CH3)3As+CH2COO- (CH3)3As+CH2CH2OH

Valence -3 -3 -3 -3 +3 +5 +5 +5 +5 +5 +5 Annales deToxicologieAnalytique, vol.

XVII,

n°3,2005

tions dramatiques chez

l'homme

des suites d'une contamination accidentelle de l'environnement ou d'une

utilisation

thérapeutique etqui ont jalonné l'his¬

toire de latoxicologie au cours du siècle dernier. Ces catastrophes devraient être plus facilement évitées aujourd'huigrâceauxnouvelles approches expérimen¬

tales in vitro de la toxicologie moléculaire et surtout aux immenses progrès de l'analyse toxicologique par

l'apport

desméthodes de speciation.

Considérations générales sur la biométhylation

La biométhylation-

est un processus métabolique important,largementdistribuéchez touslesorganismes vivants des systèmes géochimiques et anthropogé- niques (1). Plusieurs substances naturelles méthylées sur un atome d'azote ont été découvertes au début du iojsmc siècle ^:iacreatine, lacreatinine, la choline, latri- méthylamine ainsi que, la

triméthylglycine

ou bétaïne.

On

doit

lapremière observation de méthylation biolo¬

giqueà His (2) qui, s'intéressant à ladétoxication des composés aromatiques, administrade lapyridine àun chien et constatalaprésencedeN-méthylpyridinedans sesurines^. D'autresexemplesdebiométhylation furent démontrés ultérieurement ^: laconversion de la xanthi¬

ne enméthylxanthine chezlelapin oucelle de l'acide nicotinique en trigonelline chez le chien (3). Par la suite divers travaux ont montré que les rats pouvaient substituer 1'homocysteine parla methionine dans leur régime en présence de choline, conduisant au concept detransmethylation (transfert

d'un

groupement méthy¬

le

d'un

composéàun autrepourformer ^descomposés N-CH3 ou S-CH3).Le rôletrèsimportantde la methio

nine composé S-méthylé

fut

lentement reconnu, le groupementméthylenepouvant être transféréqu'à^par¬

tir d'un

composé riche en énergie, la S-adénosylmé- thionine (4). Le rôlede laS-adénosylméthionine, don¬

neur de méthyle dans des centaines de réactions de méthylation est maintenant bien établi. Le mécanisme delabiosynthèse«denovo»degroupementsméthylés aégalementété déterminé. Du

fait

de salarge distri¬

butionetde sesnombreusesutilisations en agriculture, dans

l'industrie

ou même en thérapeutique, laplupart des recherches concernent l'arsenic. Comme l'azote, l'arsenic est membre du groupe 15 dans la classifica¬

tion périodique des éléments, au même titre d'ailleurs que

l'antimoine

etlebismuth.Pourl'arsenic, lesprin¬

cipaux composés volatils formés parméthylation pos¬

sèdentlastructure(CH3)nAs

H

(3.n) où

n=l,

2ou3 ;ce sont respectivement les mono-, di- et triméthylarsine

(MMA, DMA

et

TMA).

Lesprincipaux composésnon volatils sont le monométhylarsonate

(MMAsv),

le diméthylarsonate

(DMAsv)

et le triméthylarsonate (TMAsv) (Tableau

I).

Historique de la méthylation de l'arsenic

Les efforts conjugués des mycologues, des microbiolo¬

gistes, des chimistes, des biochimistes et plus récem¬

mentdes spécialistesenbiologie moléculaireont contri¬

bué àmieux comprendre les mécanismes de labiomé¬

thylation de l'arsenic. Dans une série de travauxentre¬

prisaudébutdesannées30,FrederickChallengeret son équipe (5) apportèrentla preuve chimiqueque despro¬

duitsmono-,di-ettriméthyléspouvaient être formés par les microorganismesexposés àde l'arsenic inorganique (arsénite) ^. En 1945, Challengerpubliaune revuesurla méthylationbiologiqueetproposa mêmeun mécanisme

Tableau

I

:Principauxcomposésarséniés dansl'environnement.

Composés; :;: .V':.

-i.'-V;..

Arsine

Monométhylarsme

(MMA)

Diméthylarsine

(DMA)

Triméthylarsine

(TMA)

Acidearsénieux Acidearsénique

Acide monométhylarsonique

(MMAsv)

Acide diméthylarsonique

(DMAsv)

ouAcide cacodylique Oxyde detriméthylarsine

(TMAO)

Arsénobétaïne Arsénocholine Arsénosucres

Formule

AsH3 CH3AsH2 (CH3)2AsH (CH3)3As As(OH)3 AsO(OH)3 CH3AsO(OH)2 (CH3)2AsO(OH) (CH3)3AsO

(CH3)3As+CH2COO- (CH3)3As+CH2CH2OH

Valence -3 -3 -3 -3 +3 +5 +5 +5 +5 +5 +5

pourexpliquerlabiométhylationdel'arsenic ^:

As"'03-+

CH3+

-*

CH3Asv03"+ 2e--*CH3Asm02-+CH3+

-> (CH3)2Asv02- + 2e-

-*

(CH3)2As'"0- + CH3+

*> (CH3)3Asv0

Ce schéma où laméthylation oxydative de As alterne avec la réduction de Asv en As"1 suggérait immédiate¬

ment deux questions ^:

1) Quelle est la source des groupements méthylés nécessaires àlaformationdes méthylarsonates ?

2) CommentAsvest-il réduitenAs"1 ?

Challenger (6) suggéra comme réponse ^à la première question le rôle du formaldehyde comme source de groupements méthylés.

L'identification

de la S-adéno- sylméthionine (SAM), donneur presque universel de groupements CH3 chez les mammifères et la mise en évidence de nombreuses méthyltransfèrases

SAM

dépendantes ont définitivement répondu à la première question. La secondequestion concernant

l'origine

du pouvoirréducteurqui convertitAsvenAs"1commepré¬

requis à saméthylationest plus

difficile

àcomprendre etdemeuretoujours un

objectif

delarecherche(7).

Mécanismes ^de la biométhylation de l'arsenic

La biométhylation de l'arsenic esttrès répandue ^: elle

se produit non seulement chez les microorganismes maiségalement chezles algues, lesplantes et les mam¬

mifères.

Chez leschampignons et leslevures

La libération d'arsenicparleschampignonsaétédécri¬

tepourla premièrefois, en 1893.Le produit qui aune odeur caractéristique

d'ail,

estparfois connucomme le gazGosio (8).

L'addition

d'oxydesarséniés, de

MMA

ou de

DMA

dans les cultures de champignons Pénicillium brevicauleentraînelaproductionde

TMA.

La réduction del'arséniateen

TMA

seraitlasuivante ^:

As04- -*

As03-

-*

(CH3)As03-

->

(CH3)2As02- -> (CH3)3As

Les groupementsthiols (-SH)endogènesjouentunrôle primordialdanslatransformationdesespècesarséniées inorganiques(Fig1).Le glutathion (G-SH) agitcomme un agent réducteurde Asv etl'As1" produit, peut alors accepter un groupement méthyle du donneur

SAM

pour former de l'arsenic méthyle (9). Les produits finaux vont dépendre de l'organisme responsable de cette réaction. Par exemple, dans le cas des champi¬

gnons, le produit final de la réaction sera

l'oxyde

tri¬

méthylarsine

(TMAO)

ouletriméthylarsine

(TMA).

Des études plus récentes ont montré que les espèces fongiques telles que Candida humicola, Gliocladium

roseum etPénicillium sp sont capables de transformer l'acideméthylarsoniqueen

DMA, lui

mêmetransformé en

TMA.

Cox etAlexander(1973), cités par Laperche (10)ontmontréquelalevureCandidahumicola pouvait méthyler l'arséniate, l'arsénite, le méthylarsonate, le diméthylarsonateet

l'oxyde

triméthylarsineen

TMA.

Chez lesbactéries

La méthylationbactérienne de l'arsenic inorganique a été très étudiée chez les bactéries méthanogènes, en condition anaérobie. Ces bactéries vont produire du méthane commeproduit finalde leurmétabolisme. La voie de production de diméthylarsine par Methanobacterium est représentée sur la figure 1.

L'arséniateestpremièrementréduitenarsénite,ensuite méthyle,

via

le donneur de groupement méthyle (méfhylcobalamine), pour former l'acide méthylarso¬

nique. Ce derniercomposé est réduit et méthyle pour former l'acide diméthylarsinique qui sera

lui

même réduitendiméthylarsine.

Il

faut noterquelaréactionde méthylationdel'acide méthylarsonique enacidedimé¬

thylarsinique est inhibée par un excès d'arsénite.

La

méthylationdel'arsenicorganiqueestcoupléeàlabio¬

synthèse du méthane et se trouve être un des méca¬

nismesdedetoxificationde l'arsenic(11).

Enconditionaérobie,desbactéries isoléesdel'environ¬

nement (Proteus sp., Escherichia

coli

et

Flavobacterium

sp., Corynebacterium sp., Pseudomonas sp.) préacclimatées àdes concentrations de 100 mg/1 d'arséniatede sodium sont capables de le réduireenarsénitepuisdeleméthylerenméthylarsines

volatils.

Les bactéries

Serratia marinorubra,

Aeromonas sp., Escherichia coli, et Flavobacterium sont capables de transformer l'arsenic accumulé dans leurscellulesenformesarséniéesmono-etdiméthylées.

La transformationde l'arsenic en espèces triméthylées seraitplutôtlefaitdesalguesmarines etd'eauxdouces.

La biométhylation dans l'environnement est ainsi un mécanismederésistance développé par les microorga¬

nismes carles composés arséniés méthylés sont beau¬

coup moins toxiques que les formes d'arsenic inorga¬

niques. Différents microorganismes bactériens et fon¬

giques sont capablesde méthylerl'arsenic inorganique présent dans le sol. La voie de méthylation des bacté¬

ries etdes champignonsest différente.

La

biométhyla¬

tionparlesbactéries auracommeproduit

final

ledimé¬

thylarsineouletriméthylarsine.Parcontre les champi¬

gnons sont capablesde transformerles composés arsé¬

niés inorganiques etorganiques en arsonates méthylés non volatils.Notons

qu'il

seproduitégalementdans les solsle processus inversequiestunedéméthylationdes.

composés organoarséniés. Ces composés sont minéra¬

lisés pour former de l'arsenic inorganique et du gaz carbonique (10).

pourexpliquerlabiométhylationdel'arsenic ^:

As"'03-+

CH3+

-*

CH3Asv03"+ 2e--*CH3Asm02-+CH3+

-> (CH3)2Asv02- + 2e-

-*

(CH3)2As'"0- + CH3+

*> (CH3)3Asv0

Ce schéma où laméthylation oxydative de As alterne avec la réduction de Asv en As"1 suggérait immédiate¬

ment deux questions ^:

1) Quelle est la source des groupements méthylés nécessaires àlaformationdes méthylarsonates ?

2) CommentAsvest-il réduitenAs"1 ?

Challenger (6) suggéra comme réponse ^à la première question le rôle du formaldehyde comme source de groupements méthylés.

L'identification

de la S-adéno- sylméthionine (SAM), donneur presque universel de groupements CH3 chez les mammifères et la mise en évidence de nombreuses méthyltransfèrases

SAM

dépendantes ont définitivement répondu à la première question. La secondequestion concernant

l'origine

du pouvoirréducteurqui convertitAsvenAs"1commepré¬

requis à saméthylationest plus

difficile

àcomprendre etdemeuretoujours un

objectif

delarecherche(7).

Mécanismes ^de la biométhylation de l'arsenic

La biométhylation de l'arsenic esttrès répandue ^: elle

se produit non seulement chez les microorganismes maiségalement chezles algues, lesplantes et les mam¬

mifères.

Chez leschampignons et leslevures

La libération d'arsenicparleschampignonsaétédécri¬

tepourla premièrefois, en 1893.Le produit qui aune odeur caractéristique

d'ail,

estparfois connucomme le gazGosio (8).

L'addition

d'oxydesarséniés, de

MMA

ou de

DMA

dans les cultures de champignons Pénicillium brevicauleentraînelaproductionde

TMA.

La réduction del'arséniateen

TMA

seraitlasuivante ^:

As04- -*

As03-

-*

(CH3)As03-

->

(CH3)2As02- -> (CH3)3As

Les groupementsthiols (-SH)endogènesjouentunrôle primordialdanslatransformationdesespècesarséniées inorganiques(Fig1).Le glutathion (G-SH) agitcomme un agent réducteurde Asv etl'As1" produit, peut alors accepter un groupement méthyle du donneur

SAM

pour former de l'arsenic méthyle (9). Les produits finaux vont dépendre de l'organisme responsable de cette réaction. Par exemple, dans le cas des champi¬

gnons, le produit final de la réaction sera

l'oxyde

tri¬

méthylarsine

(TMAO)

ouletriméthylarsine

(TMA).

Des études plus récentes ont montré que les espèces fongiques telles que Candida humicola, Gliocladium

roseum etPénicillium sp sont capables de transformer l'acideméthylarsoniqueen

DMA, lui

mêmetransformé en

TMA.

Cox etAlexander(1973), cités par Laperche (10)ontmontréquelalevureCandidahumicola pouvait méthyler l'arséniate, l'arsénite, le méthylarsonate, le diméthylarsonateet

l'oxyde

triméthylarsineen

TMA.

Chez lesbactéries

La méthylationbactérienne de l'arsenic inorganique a été très étudiée chez les bactéries méthanogènes, en condition anaérobie. Ces bactéries vont produire du méthane commeproduit finalde leurmétabolisme. La voie de production de diméthylarsine par Methanobacterium est représentée sur la figure 1.

L'arséniateestpremièrementréduitenarsénite,ensuite méthyle,

via

le donneur de groupement méthyle (méfhylcobalamine), pour former l'acide méthylarso¬

nique. Ce derniercomposé est réduit et méthyle pour former l'acide diméthylarsinique qui sera

lui

même réduitendiméthylarsine.

Il

faut noterquelaréactionde méthylationdel'acide méthylarsonique enacidedimé¬

thylarsinique est inhibée par un excès d'arsénite.

La

méthylationdel'arsenicorganiqueestcoupléeàlabio¬

synthèse du méthane et se trouve être un des méca¬

nismesdedetoxificationde l'arsenic(11).

Enconditionaérobie,desbactéries isoléesdel'environ¬

nement (Proteus sp., Escherichia

coli

et

Flavobacterium

sp., Corynebacterium sp., Pseudomonas sp.) préacclimatées àdes concentrations de 100 mg/1 d'arséniatede sodium sont capables de le réduireenarsénitepuisdeleméthylerenméthylarsines

volatils.

Les bactéries

Serratia marinorubra,

Aeromonas sp., Escherichia coli, et Flavobacterium sont capables de transformer l'arsenic accumulé dans leurscellulesenformesarséniéesmono-etdiméthylées.

La transformationde l'arsenic en espèces triméthylées seraitplutôtlefaitdesalguesmarines etd'eauxdouces.

La biométhylation dans l'environnement est ainsi un mécanismederésistance développé par les microorga¬

nismes carles composés arséniés méthylés sont beau¬

coup moins toxiques que les formes d'arsenic inorga¬

niques. Différents microorganismes bactériens et fon¬

giques sont capablesde méthylerl'arsenic inorganique présent dans le sol. La voie de méthylation des bacté¬

ries etdes champignonsest différente.

La

biométhyla¬

tionparlesbactéries auracommeproduit

final

ledimé¬

thylarsineouletriméthylarsine.Parcontre les champi¬

gnons sont capablesde transformerles composés arsé¬

niés inorganiques etorganiques en arsonates méthylés non volatils.Notons

qu'il

seproduitégalementdans les solsle processus inversequiestunedéméthylationdes.

composés organoarséniés. Ces composés sont minéra¬

lisés pour former de l'arsenic inorganique et du gaz carbonique (10).

Annales deToxicologieAnalytique, vol.

XVH,

n° 3,2005

A) Chez les champignons et les levures

^:

Candida humicola, Pénicillium 2 G-SH 1^ ^{^ÉliAsv Me-Asv} , _j^ S-adénosyl homocysteine GS-SG

BV Chez les bactéries

As1* ~ ^^ S-adenosylméthionme

CH3BI2 B12

H3As04 Arséniate

HÀs02 Arsénite

(CH3)2HAs ^ Diméthylarsine

CH3AsO(OH)2

ac. méthylarsonique l^-CH3-B12

4^ ^B

¹²

(CH3)2AsO(OH)

ac. diméthylarsinique

Figure1 : Méthylationdel'arsenic.

Méthylation

de

l'arsenic

chez

l'Homme

Chez de nombreux mammifères y compris l'Homme, l'arsenic inorganique

(iAs)

estréduitdanslesangde sa

forme pentavalente (arséniate) en arsenic trivalent (arsénite), capté par les hépatocytes, où

il

subit une méthylation oxydative le transformantsuccessivement enacidemonométhylarsonique

(MMAsv)

puisenacide diméthylarsonique(DMAsv)ou acidecacodylique,éli¬

minés par

l'urine.

Cette biotransformation se déroule doncen deuxétapessuccessives (Fig2) :

une étape de réduction assurée par le glutathion (G-SH)en présenced'uneAsv reductase ;

une étape deméthylation oxydativecatalyséepar une As"1 méthyltransférase appelée

CYT

19 par Styblo et al. (12), qui utilise la S-adénosylméthionine

(SAM)

comme donneur de méthyle (13).

La SAM

est alors convertie en S-adénosylhomocystéine (SAH) dont la régénération en

SAM

est possible grâce au 5-10 méthyltétrahydrofolate(THF), àlavitamine B6ouàla vitamine B12(14).

Les méthyltransférasesimpliquéesdansla méthylation de l'arsenic

n'ont

pas encore été toutes caractérisées.

Desenzymesontétépurifiées à

partir

de

foie

de lapin, dehamster etde singe Rhésus etpartiellementcaracté¬

risées(15,16).

L'

arséniteméthyltransférase etla

MMA

méthyltransférase semblent appartenir à des protéines de poids moléculaire voisin de60 kDa, chacune ayant

ses propres caractéristiques. Une activité méthyltrans¬

féraseaégalementétédétectéedansdes culturesd'hé¬

patocytes humains (17).

Des études expérimentales montrentque le foieest le site le plusimportant de méthylationdel'arsenic, spé¬

cialementaprès ingestion (18). CependantAspeut être méthyle dans d'autres tissus (testicules, rein et pou¬

mon), chezlaSouris mâle (19).

Facteurs

modifiant la méthylation

de As chez

l'Homme

Puisque le

MMAsv

etleDMAsv^sontrapidementexcré¬

tés dans

l'urine,

l'évaluation de la méthylation de As est principalement basée sur les taux relatifs de ces deuxmetabolitesurinaires.Le calcul montre

qu'il

exis¬

te de très grandes variations dans le métabolisme de iAsentre lesmammifères.

D'ailleurs

les étudessurles As méthyltransférases hépatiques de divers animaux apportent la preuve d'une diversité marquée selon les espèces (19). Contrairement à la plupart des autres mammifères,

l'Homme

excrète des quantités appré¬

ciables de

MMAsv

dans

l'urine

(20). La Souris et le Chien sont également très efficaces à méthyler l'arse¬

nicenDMAsvcequisetraduitpar unerapideexcrétion urinairede cemetaboliteet unefaiblerétentiondel'ar¬

senic dans les tissus. Les Rats aussi méthylent bien l'arsenic inorganique mais une grandepartie du dimé- thylarsonateforméestretenudans leserythrocytes et

il

Annales deToxicologieAnalytique, vol.

XVH,

n° 3,2005

A) Chez les champignons et les levures

^:

Candida humicola, Pénicillium 2 G-SH 1^ ^{^ÉliAsv Me-Asv} , _j^ S-adénosyl homocysteine GS-SG

BV Chez les bactéries

As1* ~ ^^ S-adenosylméthionme

CH3BI2 B12

H3As04 Arséniate

HÀs02 Arsénite

(CH3)2HAs ^ Diméthylarsine

CH3AsO(OH)2

ac. méthylarsonique l^-CH3-B12

4^ ^B

¹²

(CH3)2AsO(OH)

ac. diméthylarsinique

Figure1 : Méthylationdel'arsenic.

Méthylation

de

l'arsenic

chez

l'Homme

Chez de nombreux mammifères y compris l'Homme, l'arsenic inorganique

(iAs)

estréduitdanslesangde sa

forme pentavalente (arséniate) en arsenic trivalent (arsénite), capté par les hépatocytes, où

il

subit une méthylation oxydative le transformantsuccessivement enacidemonométhylarsonique

(MMAsv)

puisenacide diméthylarsonique(DMAsv)ou acidecacodylique,éli¬

minés par

l'urine.

Cette biotransformation se déroule doncen deuxétapessuccessives (Fig2) :

une étape de réduction assurée par le glutathion (G-SH)en présenced'uneAsv reductase ;

une étape deméthylation oxydativecatalyséepar une As"1 méthyltransférase appelée

CYT

19 par Styblo et al. (12), qui utilise la S-adénosylméthionine

(SAM)

comme donneur de méthyle (13).

La SAM

est alors convertie en S-adénosylhomocystéine (SAH) dont la régénération en

SAM

est possible grâce au 5-10 méthyltétrahydrofolate(THF), àlavitamine B6ouàla vitamine B12(14).

Les méthyltransférasesimpliquéesdansla méthylation de l'arsenic

n'ont

pas encore été toutes caractérisées.

Desenzymesontétépurifiées à

partir

de

foie

de lapin, dehamster etde singe Rhésus etpartiellementcaracté¬

risées(15,16).

L'

arséniteméthyltransférase etla

MMA

méthyltransférase semblent appartenir à des protéines de poids moléculaire voisin de60 kDa, chacune ayant

ses propres caractéristiques. Une activité méthyltrans¬

féraseaégalementétédétectéedansdes culturesd'hé¬

patocytes humains (17).

Des études expérimentales montrentque le foieest le site le plusimportant de méthylationdel'arsenic, spé¬

cialementaprès ingestion (18). CependantAspeut être méthyle dans d'autres tissus (testicules, rein et pou¬

mon), chezlaSouris mâle (19).

Facteurs

modifiant la méthylation

de As chez

l'Homme

Puisque le

MMAsv

etleDMAsv^sontrapidementexcré¬

tés dans

l'urine,

l'évaluation de la méthylation de As est principalement basée sur les taux relatifs de ces deuxmetabolitesurinaires.Le calcul montre

qu'il

exis¬

te de très grandes variations dans le métabolisme de iAsentre lesmammifères.

D'ailleurs

les étudessurles As méthyltransférases hépatiques de divers animaux apportent la preuve d'une diversité marquée selon les espèces (19). Contrairement à la plupart des autres mammifères,

l'Homme

excrète des quantités appré¬

ciables de

MMAsv

dans

l'urine

(20). La Souris et le Chien sont également très efficaces à méthyler l'arse¬

nicenDMAsvcequisetraduitpar unerapideexcrétion urinairede cemetaboliteet unefaiblerétentiondel'ar¬

senic dans les tissus. Les Rats aussi méthylent bien l'arsenic inorganique mais une grandepartie du dimé- thylarsonateforméestretenudans leserythrocytes et

il

As04-

Arséniate (Asv)

2

G-SH (2

e-)

+ As03-

Arsénite (Asin)

MMTase

.

CH3AsO(OH)2

(CH3+) Ac.monométhylarsonique (MMAsv)

(10

à

30%)

[

(60

à

70%)

(10

à

20%)

(CH3)2AsO(OH) DMTase Ac. diméthylarsonique

(CH3)2AsOH**

Acide diméthylarsénieux

(DMAs111)

ou cacodylique

(DMAsv) ^(CH3+)

2

G-SH (2

e-)

CH3As(OH)2**

Ac. monométhylarsénieux

(MMAs111)

**MMAsra et DMAsm :cytotoxiques, génotoxiques et cancérigènes d'après STYBLO (12)

Figure2:MéthylationdeAs chezl'homme.

en résulte une faible excrétion urinaire ^. Par contre le Singe etleCobaye

n'ont

pas lapossibilitédeméthyler l'arsenic inorganique(20).

Chezl'Homme,

il

existeégalementdes variations dans la méthylation deAs entre différents groupesde popu¬

lation. Quelque soitletypeetla naturedel'exposition, la distribution relative moyenne des metabolites de l'arsenic dans

l'urine

semble être assez constante :10- 30% deAs inorganique, 10-20%de

MMAsv

et60-70%

de DMAsv (20). Cependant

il

^{y a des} exceptions.

Certaines peuplades indigènes des Andes, vivant dans le nord du

Chili

et de l'Argentine où l'eau du sol est fortementcontaminéeparl'arsenic,excrètent moinsde

MMAsv

dans

l'urine,

souvent un trèsfaible pourcenta¬

ge (19). Par ailleurs, des personnes vivant dans cer¬

taines régions deTaiwan semblent avoirun pourcenta¬

ge élevé inhabituel (20-30% en moyenne) de

MMAsv

dans

l'urine

(21, 22).Cesdonnéessemblent indiquerla possibilité

d'un

polymorphisme génétique dans la régulation des méthyltransférases impliquées dans la méthylation del'arsenic (21).

Enfin il

existe des variations

inter individuelles

notables dans le métabolisme de l'arsenic (17). Des études expérimentales ont montré que divers facteurs :

niveau dedose, voied'administration, naturedel'arse¬

nic administré,étatnutritionnel,

etc.,

peuventmoduler la méthylation de l'arsenic inorganique. Cependant les

facteurs derégulationserapportantàlaméthylation de l'arsenicchez

l'Homme

sont peuconnus. Quelquestra¬

vauxindiquentquel'âge(23) etlagrossesse (24)pour¬

raient

jouer

unrôle significatif.

Méthylation

de

l'arsenic

ettoxicité

Les produits de méthylation de l'arsenic inorganique (iAs), le

MMAsv

et le DMAsv sont nettement moins réactifs avec les constituants cellulaires etplusrapide¬

ment excrétés dans

l'urine

que l'arsenic inorganique (25).

D'ailleurs

lorsque

l'on

compare les toxicités aiguës expérimentales, on note effectivement que le

MMAsv

etleDMAsv^sontmoinstoxiques quel'arsenic minéral trivalent ou pentavalent, chez le rongeur (Tableau

II).

En ce sens la méthylation de l'arsenic a longtemps été considérée comme un processus de détoxication. Cependant des travaux récents ont rap¬

porté que le

MMAs'"

et/ou leDMAs1" formés au cours du métabolisme de l'arsenic et mis en évidence dans

l'urine d'individus

chroniquement exposés à l'arsenic minéral (26) ainsi que dans des cultures d'hépatocytes humains exposés à différentes concentrations de iAs1"

(27), se sont révélés des inhibiteurs enzymatiques cel¬

lulairesplus puissants queiAsv ouiAs"1.Dans les essais de

viabilité

cellulaire au cours d'études in vitro, le MMAs"1 s'est montré très réactifet plus toxique que As"1 ou Asv vis à vis des hépatocytes humains, des kératinocytes et des cellules épithéliales bronchiques

As04-

Arséniate (Asv)

2

G-SH (2

e-)

+ As03-

Arsénite (Asin)

MMTase

.

CH3AsO(OH)2

(CH3+) Ac.monométhylarsonique (MMAsv)

(10

à

30%)

[

(60

à

70%)

(10

à

20%)

(CH3)2AsO(OH) DMTase Ac. diméthylarsonique

(CH3)2AsOH**

Acide diméthylarsénieux

(DMAs111)

ou cacodylique

(DMAsv) ^(CH3+)

2

G-SH (2

e-)

CH3As(OH)2**

Ac. monométhylarsénieux

(MMAs111)

**MMAsra et DMAsm :cytotoxiques, génotoxiques et cancérigènes d'après STYBLO (12)

Figure2:MéthylationdeAs chezl'homme.

en résulte une faible excrétion urinaire ^. Par contre le Singe etleCobaye

n'ont

pas lapossibilitédeméthyler l'arsenic inorganique(20).

Chezl'Homme,

il

existeégalementdes variations dans la méthylation deAs entre différents groupesde popu¬

lation. Quelque soitletypeetla naturedel'exposition, la distribution relative moyenne des metabolites de l'arsenic dans

l'urine

semble être assez constante :10- 30% deAs inorganique, 10-20%de

MMAsv

et60-70%

de DMAsv (20). Cependant

il

^{y a des} exceptions.

Certaines peuplades indigènes des Andes, vivant dans le nord du

Chili

et de l'Argentine où l'eau du sol est fortementcontaminéeparl'arsenic,excrètent moinsde

MMAsv

dans

l'urine,

souvent un trèsfaible pourcenta¬

ge (19). Par ailleurs, des personnes vivant dans cer¬

taines régions deTaiwan semblent avoirun pourcenta¬

ge élevé inhabituel (20-30% en moyenne) de

MMAsv

dans

l'urine

(21, 22).Cesdonnéessemblent indiquerla possibilité

d'un

polymorphisme génétique dans la régulation des méthyltransférases impliquées dans la méthylation del'arsenic (21).

Enfin il

existe des variations

inter individuelles

notables dans le métabolisme de l'arsenic (17). Des études expérimentales ont montré que divers facteurs :

niveau dedose, voied'administration, naturedel'arse¬

nic administré,étatnutritionnel,

etc.,

peuventmoduler la méthylation de l'arsenic inorganique. Cependant les

facteurs derégulationserapportantàlaméthylation de l'arsenicchez

l'Homme

sont peuconnus. Quelquestra¬

vauxindiquentquel'âge(23) etlagrossesse (24)pour¬

raient

jouer

unrôle significatif.

Méthylation

de

l'arsenic

ettoxicité

Les produits de méthylation de l'arsenic inorganique (iAs), le

MMAsv

et le DMAsv sont nettement moins réactifs avec les constituants cellulaires etplusrapide¬

ment excrétés dans

l'urine

que l'arsenic inorganique (25).

D'ailleurs

lorsque

l'on

compare les toxicités aiguës expérimentales, on note effectivement que le

MMAsv

etleDMAsv^sontmoinstoxiques quel'arsenic minéral trivalent ou pentavalent, chez le rongeur (Tableau

II).

En ce sens la méthylation de l'arsenic a longtemps été considérée comme un processus de détoxication. Cependant des travaux récents ont rap¬

porté que le

MMAs'"

et/ou leDMAs1" formés au cours du métabolisme de l'arsenic et mis en évidence dans

l'urine d'individus

chroniquement exposés à l'arsenic minéral (26) ainsi que dans des cultures d'hépatocytes humains exposés à différentes concentrations de iAs1"

(27), se sont révélés des inhibiteurs enzymatiques cel¬

lulairesplus puissants queiAsv ouiAs"1.Dans les essais de

viabilité

cellulaire au cours d'études in vitro, le MMAs"1 s'est montré très réactifet plus toxique que As"1 ou Asv vis à vis des hépatocytes humains, des kératinocytes et des cellules épithéliales bronchiques

AnnalesdeToxicologieAnalytique,vol.

XVII,

n°3, 2005

(11). D'autres études in vitrodémontrent que MMAs"1 et DMAs1" sont génotoxiques et beaucoup plus puis¬

sants àaltérer

l'ADN

que l'iAs111(28).

Il

apparaît donc essentiel de comprendre aujourd'hui la contribution importantedecesdeuxmetabolitesintermédiairesdans la

toxicité

de

l'arsenic.

Diverses hypothèses ont d'ailleursétéproposées pour expliquerlepouvoircan- cérogène de l'arsenic mais les mécanismes n'en ^sont pastotalement élucidés.

Il

semblerait queAs

n'agit

pas selon des mécanismes génotoxiques et mutagéniques classiques mais sans doute comme un promoteur de tumeur qui modifierait les signaux de transduction impliquésdansla croissance etlaproliférationcellulai¬

re (28). La biométhylationestdoncbien

ici

unproces¬

susqui favoriselatoxicitéetlacancérogénicitédel'ar¬

senic.

Il

estégalement très intéressant denoter queplusieurs travauxontindiquéquele pourcentagede

MMAsv

uri¬

naire était légèrement plus élevé par rapport à la moyenne chez les sujets présentant des problèmes de santé suiteàuneexpositionàl'arsenic. Cetteconstata¬

tion serait-elledueàunerétentionduMMAs1"dansles tissus ainsique le suggère Vahter? (20). Au Mexique, certaines personnes présentent des effets cutanés suite à la consommation d'eau contaminée par l'arsenic :

elles ont un taux urinaire de MMAsv plus élevé, de

l'ordre

de5% etuntauxdeDMAsvplusfaibleparrap¬

port à la population non touchée (29). De même, à Taiwan, les personnes sujettes àlésions cutanées arse¬

nicales ontun taux de

iAs

et de

MMAsv

plus élevé et un taux de DMAsvplus faibleparrapportàlapopula¬

tion témoin(30).Lenombredesaberrations chromoso¬

miques structurelles dans les lymphocytes périphé¬

riques depopulations finlandaises exposées àl'arsenic présentdans l'eau de boisson est également associé à un taux de

MMAsv

urinairecroissant alors que letaux deDMAsvestdiminué(31).D'autresétudessurlerôle des metabolites méthylés dans la toxicité de l'arsenic sont, bienentendu nécessaires, mais si on retrouveun taux

significatif

de MMAs"1 dans les tissus à la suite

TableauII : Toxicitéaiguë comparéedequelquescomposés arséniés.

Compose ^, As203 Na2As03 Na3As04 MMAsV DMAsV Arsénobétaïne Arsénocholine TMAO TMA

Dt50ing/kg

34,5 4,5 14-18

1800 1200 10000

6500 10600

8000

Espèce Souris

Rat Rat Souris Souris Souris Souris Souris Souris

Voie;d'administration orale intra-péritonéale intra-péritonéale

orale orale orale orale orale sous-cutané

d'une exposition à l'arsenic inorganique, on devrait s'attendreàcequeles gensquiéliminentdavantagede

MMAsv

retiennent plus de MMAs"1 dans leurorganis¬

me queceuxquiprésententun tauxurinaire normalde cemetabolite.

Cas du mercure

Lemercure,élémentchimiquedenuméroatomique 80, est le seul métal liquide à la température ordinaire.

Il

tire son symbole Hg du motgrec latinisé « hydrargy¬

rum ^>> (argent liquide). Le mercure présente un risque

majeurpour l'écosystème marinetpourle consomma¬

teurhumain, enraisonde satoxicitéetdesescapacités debiomagnificationparlachaînealimentaire.

Il

^estuti¬

lisédans des activités très variées (industriepapetière, industrie du bois, industrie chimique, agriculture...).

C'estdonc unmétalubiquitaire,comme leplomboule cadmium, mais dont la concentration moyenne dans l'environnementest très inférieure àcelle de ces deux autres métaux.

Le cycle biogéochimique du mercure

Le cycle globaldumercureestdominéparleséchanges entre le

milieu

aquatique et l'atmosphère. En milieu aqueux, deux réactions chimiques essentielles sont en compétition ^: la réduction et la méthylation. La pre¬

mière favorise le recyclage atmosphérique, la seconde labioaccumulation. Le mercure estémis dans l'atmo¬

sphère sous forme de Hg° gazeux etde Hg2+ gazeux et particulaire. Les sourcesnaturelles sont constituées par les sols etles roches mercurifères, le volcanisme etla biomasse,enparticulier vialesfeuxdeforêt. Lesémis¬

sions anthropogéniques directes ou indirectes, les réemissions proviennentaussisurtoutdes processusde combustion. Les 70% de la surface de laplanète cou¬

verts d'eau sontaussi source de mercure pour l'atmo¬

sphère. Les eaux de surface abritent la formation de Hg°

volatil

par photoréduction et réduction enzyma¬

tique du Hg2+. Les océans et mers côtières émettent dans l'atmosphère du mercure essentiellement sous forme élémentaire Hg°.

La

présence de mercure dans l'eaude pluie qui retombe sur les continents etla mer résulte à la fois de la solubilitéde Hg° dans l'eau, de sonoxydation etdeson adsorption subséquentesurles aérosols.

La

formemonométhylée(MeHgou CH3Hg+), issue de la décomposition ^du diméthylmercure (CH3)2Hg, constitue moins de 1%du mercure dansles précipitations. Leséjour du Hgdansl'atmosphèresous forme de particules est très court, de

l'ordre

de quelques jours. Par contre, en phase vapeur,

il

est de

l'ordre

d'une année.

AnnalesdeToxicologieAnalytique,vol.

XVII,

n°3, 2005

(11). D'autres études in vitrodémontrent que MMAs"1 et DMAs1" sont génotoxiques et beaucoup plus puis¬

sants àaltérer

l'ADN

que l'iAs111(28).

Il

apparaît donc essentiel de comprendre aujourd'hui la contribution importantedecesdeuxmetabolitesintermédiairesdans la

toxicité

de

l'arsenic.

Diverses hypothèses ont d'ailleursétéproposées pour expliquerlepouvoircan- cérogène de l'arsenic mais les mécanismes n'en ^sont pastotalement élucidés.

Il

semblerait queAs

n'agit

pas selon des mécanismes génotoxiques et mutagéniques classiques mais sans doute comme un promoteur de tumeur qui modifierait les signaux de transduction impliquésdansla croissance etlaproliférationcellulai¬

re (28). La biométhylationestdoncbien

ici

unproces¬

susqui favoriselatoxicitéetlacancérogénicitédel'ar¬

senic.

Il

estégalement très intéressant denoter queplusieurs travauxontindiquéquele pourcentagede

MMAsv

uri¬

naire était légèrement plus élevé par rapport à la moyenne chez les sujets présentant des problèmes de santé suiteàuneexpositionàl'arsenic. Cetteconstata¬

tion serait-elledueàunerétentionduMMAs1"dansles tissus ainsique le suggère Vahter? (20). Au Mexique, certaines personnes présentent des effets cutanés suite à la consommation d'eau contaminée par l'arsenic :

elles ont un taux urinaire de MMAsv plus élevé, de

l'ordre

de5% etuntauxdeDMAsvplusfaibleparrap¬

port à la population non touchée (29). De même, à Taiwan, les personnes sujettes àlésions cutanées arse¬

nicales ontun taux de

iAs

et de

MMAsv

plus élevé et un taux de DMAsvplus faibleparrapportàlapopula¬

tion témoin(30).Lenombredesaberrations chromoso¬

miques structurelles dans les lymphocytes périphé¬

riques depopulations finlandaises exposées àl'arsenic présentdans l'eau de boisson est également associé à un taux de

MMAsv

urinairecroissant alors que letaux deDMAsvestdiminué(31).D'autresétudessurlerôle des metabolites méthylés dans la toxicité de l'arsenic sont, bienentendu nécessaires, mais si on retrouveun taux

significatif

de MMAs"1 dans les tissus à la suite

TableauII : Toxicitéaiguë comparéedequelquescomposés arséniés.

Compose ^, As203 Na2As03 Na3As04 MMAsV DMAsV Arsénobétaïne Arsénocholine TMAO TMA

Dt50ing/kg

34,5 4,5 14-18

1800 1200 10000

6500 10600

8000

Espèce Souris

Rat Rat Souris Souris Souris Souris Souris Souris

Voie;d'administration orale intra-péritonéale intra-péritonéale

orale orale orale orale orale sous-cutané

d'une exposition à l'arsenic inorganique, on devrait s'attendreàcequeles gensquiéliminentdavantagede

MMAsv

retiennent plus de MMAs"1 dans leurorganis¬

me queceuxquiprésententun tauxurinaire normalde cemetabolite.

Cas du mercure

Lemercure,élémentchimiquedenuméroatomique 80, est le seul métal liquide à la température ordinaire.

Il

tire son symbole Hg du motgrec latinisé « hydrargy¬

rum ^>> (argent liquide). Le mercure présente un risque

majeurpour l'écosystème marinetpourle consomma¬

teurhumain, enraisonde satoxicitéetdesescapacités debiomagnificationparlachaînealimentaire.

Il

^estuti¬

lisédans des activités très variées (industriepapetière, industrie du bois, industrie chimique, agriculture...).

C'estdonc unmétalubiquitaire,comme leplomboule cadmium, mais dont la concentration moyenne dans l'environnementest très inférieure àcelle de ces deux autres métaux.

Le cycle biogéochimique du mercure

Le cycle globaldumercureestdominéparleséchanges entre le

milieu

aquatique et l'atmosphère. En milieu aqueux, deux réactions chimiques essentielles sont en compétition ^: la réduction et la méthylation. La pre¬

mière favorise le recyclage atmosphérique, la seconde labioaccumulation. Le mercure estémis dans l'atmo¬

sphère sous forme de Hg° gazeux etde Hg2+ gazeux et particulaire. Les sourcesnaturelles sont constituées par les sols etles roches mercurifères, le volcanisme etla biomasse,enparticulier vialesfeuxdeforêt. Lesémis¬

sions anthropogéniques directes ou indirectes, les réemissions proviennentaussisurtoutdes processusde combustion. Les 70% de la surface de laplanète cou¬

verts d'eau sontaussi source de mercure pour l'atmo¬

sphère. Les eaux de surface abritent la formation de Hg°

volatil

par photoréduction et réduction enzyma¬

tique du Hg2+. Les océans et mers côtières émettent dans l'atmosphère du mercure essentiellement sous forme élémentaire Hg°.

La

présence de mercure dans l'eaude pluie qui retombe sur les continents etla mer résulte à la fois de la solubilitéde Hg° dans l'eau, de sonoxydation etdeson adsorption subséquentesurles aérosols.

La

formemonométhylée(MeHgou CH3Hg+), issue de la décomposition ^du diméthylmercure (CH3)2Hg, constitue moins de 1%du mercure dansles précipitations. Leséjour du Hgdansl'atmosphèresous forme de particules est très court, de

l'ordre

de quelques jours. Par contre, en phase vapeur,

il

est de

l'ordre

d'une année.