METABOLISMO

Il Metabolismo dei Farmaci è un processo di biotrasformazione che ha lo scopo di modificare all’interno dell’organismo la struttura dei farmaci, per facilitarne l’escrezione (le sostanze sono rese piùpolari e idrosolubili) ma può anche renderli più attivi (trasformazione da profarmaco a farmaco)

Xenobiotico-(farmaco)

Molto lipofilo

ACCUMULO NEI GRASSI

BIOTRASFORMAZIONI DI FASE I:

Ossidazione Riduzione Idrolisi

Lipofilo

BIOTRASFORMAZIONI DI FASE II: Coniugazioni

Polare

Polare

MOBILIZZAZIONE EXTRACELLULARE

Idrofilo

Idrofilo

ESCREZIONE BILIARE

SANGUE

ESCREZIONE RENALE

Barbital

C2H5C2H5

Ether

Farmaci non metabolizzati

ES.

Farmaco inattivo (Profarmaco)

Farmaco Attivo

Biotrasormazione

Il metabolismo dei farmaci si attua attraverso due fasi:

• Fase I, chiamata anche fase di funzionalizzazione

• Fase II, chiamata anche fase delle reazioni di coniugazione o di sintesi

Profarmaco

Esempi di farmaci inattivi che formano metaboliti attivi, di farmaci e/o veleni non tossici che formano metaboliti tossici

Significato attribuibile alle fasi del metabolismo

OssidazioniSi dividono in microsomiali e non microsomiali

Le microsomiali che principalmente concernono il metabolismo dei farmaci sono:•Ossidazione alifatica•Ossidazione aromatica•N-ossidazioni•S-ossidazioni•Ecc.

Le non microsomialiche principalmente concernono il metabolismo dei farmaci sono:•Alcool-deidrogenasi•Aldeide-deidrogenasi•Monoaminoòossidasi(MAO)•Xantino-ossidasi

Enzimi microsomiali

• Gli enzimi microsomiali mancano di specificità: sono in grado di metabolizzare sostanze con struttura chimica assai differente.

• Essi catalizzano reazioni riguardanti composti liposolubili e mantengono la loro attività solo se associati alle loro strutture

La maggior parte del metabolismo ossidativodegli xenobiotici è catalizzata dal sistema enzimatico P450

La superfamiglia del citocromo P450

Il citocromo P450 è presente in numerose forme isoenzimatiche caratterizzate da una diversa struttura peptidica.

Mediante tecniche di DNA ricombinante si è giunti ad identificare l'esistenza di una superfamiglia del citocromo P450 costituita da numerosissime famiglie codificate da più di 300 geni diversi, che si sono evoluti da un unico gene ancestrale comparso da oltre circa 2000 milioni di anni.

Il corredo e l’attività enzimatica nell’uomo è spesso diversa dall’animale da laboratorio e sono riconoscibili anche notevoli differenze nella specie umana imputabili alla etnia

Rappresentazione schematica della Fe-protoporfirina IX incorporata nel citocromo:

X è il quinto legame con un anione S- di un residuo cisteinico della catena polipeptidicadell’isoforma

Y è il sesto legame del Fe occupato dall’acqua che può essere facilmente spiazzato dall’ossigeno o da qualche substrato

Tipico spettro di assorbimento del citocromo P450 ridotto e complessato a CO

l sistema ossido- riduttivo del Citocromo P450

L’insieme di questi enzimi è contenuto nella matrice fosfolipidica del reticolo endoplasmatico

La presenza dei fosfolipidi èfondamentale per permettere sia le reazioni fra i due enzimi sia l’arrivo del substrato a livello del sistema enzimaticamenteattivo

La nomenclatura delle varie isoforme di P450 è la seguente:

•Le lettere maiuscole CYP indicano isoforme umane

•Il primo numero arabo che segue indica la famiglia dell’isoforma

•La sottofamiglia è indicata dalla lettera che segue

•Infine l’ultimo numero arabo indica un prodotto genico individuale nella sottofamiglia

** Da A Parkinson in “Casarett & Doul’s TOXICOLOGY”

**

Nel REL sono presenti enzimi non costitutivi e inducibili che catabolizzano gli xenobiotici. Possono catalizzare:

Idrossilazioni aromatiche e alifatiche

Epossidazioni di doppi legami

Ossigenazione di S-,N-,I-,e N-idrossilazione

Dealogenazioni ossidative e riduttive

Rottura di esteri

Dealchilazioni su (O, S, N)

Deaminazioni

Dealogenazioni

Sulfossidazioni

Alcuni Farmaci sono anche metabolizzate da forme di P450 costitutive non inducibili presenti a livello mitocondriale

Reazioni di ossidazioneLe reazioni di ossidazione richiedono la presenza di:

• Ossigeno molecolare• NADPH• Del sistema ossidasico rappresentato da

due enzimi accopiati: la NADPH citocromo P450 reduttasi (flavoproteina) e il citocromo P450 (emoproteina)

Ossidazioni non microsomiali

Le reazioni di ossidazione possono essere catalizzate oltre che da:

• Enzimi microsomiali denominati ossidasi a funzione mista

• Anche da Enzimi non microsomialilocalizzati prevalentemente nei mitocondri o da enzimi solubili presenti nel citosol.

RIDUZIONI

Sono anch’esse catalizzate da:• Enzimi microsomiali• Enzimi non microsomiali

Riduzioni non microsomiali

IDROLASI:Sono presenti in vari tessuti tra cui sangue e fegato.

Si dividono in: CARBOSSILESTERASI (nel REL e citosol)

PEPTIDASI (in sangue e lisosomi)

EPOSSIDO IDROLASI (nel REL e citosol)

Le CARBOSSILESTERASI catalizzano

1. Idrolisi di: esteri di acidi carbossilici

• amidi

• tioesteri

• esteri di acidi fosforici

• anidridi acide

2. Transesterificazioni ( es sostituzione di etanolo con metanolo)

R-CH2-CO-O-CH2-R’ + H2Oesterasi

R-CH2-CO-OH + OH-CH2-R’

Acido Alcool

R-CH2-CO-NH-CH2-R’ + H2Oamidasi

R-CH2-CO-OH + NH2-CH2-R’

Acido Amina

Tutte le reazioni di sintesi hanno caratteristiche comuni:

• L’organismo fornisce l’energia e l’agente coniugante• Non sono reazioni peculiari per i farmaci (anche

sostanze formatesi dai normali processi metabolici possono subire coniugazione)

• I prodotti coniugati sono inattivi e meno liposolubili. Quasi tutti i composti coniugati sono acidi relativamente forti

• I prodotti coniugati sono meno facilmente riassorbibili una volta raggiunta l’urina tubulare o l’intestino

• Un composto può essere escreto sotto forma di coniugati diversi se possiede uno o più centri di coniugazione per una o più reazioni

Glucuronoconiugazioni

Le reazioni di glucuronoconiugazione sono per la numerosità dei substrati sui quali agiscono, per la diversità e numerosità dei loro gruppi funzionali e per l’elevata disponibilità del cofattore coinvolto (l’acido urididifosfoglucuronico)

le più importanti fra le reazioni di coniugazione

Coniugazione con l’Acido GlucuronicoConiugazione per sostanze nucleofile:

1. Acidi organici: alifatici e aromatici

2. Alcol :alifatici, aliciclici, benzilici, fenolici

3. Chetoni �,�insaturi

4. Carbamati

5. Composti sulfidrilici (RSH)

6. Sulfonamidi (RSO2NH2)

7. Amine: ariliche, alifatiche terziarie

8. Idrossilamine (RNOH2)

I l cofattore è l’UDP-G A (acido Uridindifosfoglucuronico)

Vi sono più isoforme, localizzate nel REL di quasi tutti gli organi, di UGT (UDP-GLUCURONOSILTRANFERASI), inducibili da xenobioticicome il P450 .

• La formazione dei glucoronidi è mediata dalla presenza di diverse isoforme di UDP-glucoroniltransferasi

• Le diverse isoforme rispondono ai diversi agenti induttori e dimostrano selettivitàverso alcune classi di substrati

• L’eterogeneità di questi enzimi spiega le differenze di specie che portano a difetti nella glucuronazione soltanto per alcune classi di accettori dell’acido glucuronico

Coniugazione con aminoacidi

Coniugazione importante per metabolizzare solubilizzare ed eliminare con le urine gli acidi carbossilici aromatici, acidi acetici aromatici sostituiti, si formano amidi.

La reazione è in due tempi, necessita prima l’attivazione dell’acido carbossilico con CoA e consumo di ATP ad opera di una CoA-ligasi, segue quindi la coniugazione con un amino acido ad opera di una N-aminoaciltranferasi. Le reazioni avvengono nel citosol e nel REL di vari organi di tutti gli organismi con differenti aminoacidi.

Coniugazione con AMINOACIDI

METILAZIONELe Metiltransferasi sono enzimi citosolici con

cofattore la S adenosil metionina (SAM)carente negli anziani.

I substrati sono:

• le sostanze organiche con gruppi idrossilici fenolici (catecoli)

•le sostanze organiche o con gruppi aminici primari,secondari, terziari

•Le sostanze contenenti gruppi sulfidrilici

Anche alcuni metalli possono essere metilati

Acetilazione

Subiscono acetilazione• le Amine aromatiche• Alcune Amine Alifatiche primarie• Le Idrazine sostituite• Le idrazidi• Le SulfonamidiCofattore è l’Acetil CoALa localizzazione delle Acetiltranferasi è mitocondriale o

citosolica, una piccola parte nel RELL’eliminazione dei prodotti acetilati è principalmente con le

urine.Acetilazione e deacetilazione, operata da amidasi,

contribuiscono all’attivazione in carcinogeni di aminearomatiche

Sulfotranferasi

• Come le UGT coniugano sostanze nucleofile e competono tra loro per vari substrati. Sono localizzate nel citosol, e hanno come cofattore la 3’-fosfo-adenosin-5’-fosfosolfato(PAPS)

• Le sulfotranferasi sono sistemi enzimatici con più affinitàdelle UGT per i substrati ma con meno capacità. I solfoconiugati sono eliminati nelle urine

• Fattore limitante è la disponibilità di PAPS. Non vi èfenomeno di induzione da xenobiotici

• I solfonati delle N-idrossilamine sono sostanze tossiche

IL GLUTATIONE

Coniugazione col tripeptide GLUTATIONE

Coniugazione con Glutatione e sintesi di Acidi Mercapturici

INDUZIONE METABOLICA

Una caratteristica importante degli enzimi biotrasformativi è rappresentata dal fatto che la loro attività può aumentare in seguito a trattamento con:

• Farmaci• Pesticidi• Sostanze chimiche di origine industriale, prodotti

di origine naturale destinati all’alimentazioneL’effetto viene chiamato induzione metabolica

L’iduzione metabolica è stata inizialmente osservata nel caso delle aminossidasi; successivamente è stato riconosciuto che il fenomeno è comune a molte monossigenasiP450 dipendenti e coinvolge anche enzimi di tipo coniugativo.

• Il tempo di latenza della comparsa dell’induzionel’intensità, la durata, possono variare in funzione:

• Dell’agente inducente• Della dose• Della durata dell’esposizione• Della etnia• Del sesso

GLI AGENTI INDUTTIVI PRINCIPALMENTE STUDIATI

POSSONO RACCOGLIERSI IN DUE GRANDI GRUPPI

• Quello del fenobarbital• Quello degli idrocarburi aromatici

(benzopirene e 3-metilcolantrene)

IL FENOBARBITAL INDUCE:

• Ipertrofia del fegato• Proliferazione del reticolo endoplasmatico• Aumento del contenuto di proteine e

fosfolipidi• Aumento della sintesi di enzimi quali la

NADPH-citocromo P450 reduttasi e alcune forme del citocromo P450

IL 3 METILCOLANTRENE INVECE PROVOCA:

• Un aumento selettivo di alcuni membri della superfamiglia del citocromo P450 con caratteristiche spettrali e catalitiche diverse da quelle degli isoenzimi indotti dal fenobarbital.

• Non provoca ipertrofia del fegato néaumenta le proteine, i fosfolipidi o la NADPH citocromo-P450 reduttasi

Fenobarbital metilcolantrene

L’attivazione del recettore Ah

• Induce la trascrizione:• Del citocromo P450 1A1• Della Glutatione-S-transferasi• Della UDP-glucoroniltransferasi• Della Aldeide deidrogenasi

MECCANISMI POST-TRASCRIZIONALI DELL’INDUZIONE METABOLICA

Splicing alternativi dell’mRNA per determinate isoforme di citocromo P450, che lo rendono meno suscettibile all’attacco delle ribonucleasi, possono conferire una maggior stabilità alla molecola

MECCANISMI POST-TRADUZIONALI DELL’INDUZIONE METABOLICA

• Stabilizzazione della molecola d’enzima che viene degradato più lentamente

CONSEGUENZE DELL’INDUZIONE ENZIMATICA

• Aumentata velocità con cui avviene la biotrasformazione epatica dei farmaci

• Aumentata velocità di formazione dei metaboliti• Aumentata clearance epatica dei farmaci• Diminuzione dell’emivita plasmatica• Diminuzione delle concentrazioni plasmatiche

totali di farmaco e di quelle di farmaco libero• Diminuzione degli effetti farmacologici qualora i

metaboliti siano inattivi

Frazioni microsomiali (CYP), farmaci metabolizzati dai singoli CYP (substrati) e substrati utilizzati per la tipizzazione fenotipica(substrati sonda). L’elenco dei farmaci non è completo

Sono conosciute varianti enzimatiche negli individui relative sia ad enzimi coniuganti che acetilanti con diversa velocità di reazione

Esistono almeno 2 famiglie e 3 sottofamiglie di Glucuronil-transferasi

Esistono numerose forme di Acetiltransferasi e di Sulfotranferasinon ancora ben definite.

Nell’uomo esistono grosse variazioni nel metabolismo dei farmaci e la popolazione umana può essere suddivisa in sub popolazioni diverse su base genetica