metabolizam ksenobiotika-2010.pdf
DESCRIPTION
kTRANSCRIPT
Metabolizam ksenobiotika
ksenobiotik (gr. xenos stranac) je supstancija koja je strana tijelu
Produktimikrobnesinteze
KemikalijePušenje
Brza hrana, a posebno ona s roštilja
Lijekovi
Osnovna podjela ksenobiotika od medicinskog značaja:
1. lijekovi2. kemijski karcinogeni3. različiti toksikanti (pesticidi)
Značaj u biomedicini
Poznavanje metabolizma ksenobiotika je izuzetno važno u razumijevanju
farmakologijetoksikologijeistraživanja rakauvođenja lijekova u kliničku praksu
"Kemikalije koje nas okružuju nisu ništa manje pogubne za život no što je to bila toljaga pećinskog pračovjeka“
Rachel Carson
l Postoji više od 200.000 kemikalija u okolišu proizvedenih od strane čovjeka.
l Mnoge od tih supstancija se metaboliziraju (kemijski mijenjaju) u tijelu čovjeka, gdje je jetraglavni organ uključen njihov metabolizam.
l Neki od ksenobiotika izlučuju se nepromijenjeni.
ApsorpcijaDistribucijaMetabolizamEliminacija
farmakokinetičkadostupnost
6
Ulazak ksenobiotika u organizam preko gastrintestinalnog trakta
U jetri se događaju brojne metaboličke transformacije.
Metabolizam preobražaja ksenobiotika se može podijeliti u 2 faze:
l Faza 1.:Reakcije oksidacije su jedne od najvažnijih reakcija pri transformaciji ili preobražaju ksenobiotika.
Provode ih: CITOKROM P-450 VRSTE (MONOOKSIGENAZE)
Ti enzimi mogu katalizirati i reakcije deaminacije, dehalogenacije, desulfuriranja, epoksidacije, peroksigenacije i reakcije redukcije.
Faza 2.:
nakon faze 1 - hidroksilirane ili na neki drugi način promjenjene supstancije prevode pomoću specifičnih enzima u različite polarne metabolite reakcijama:
1. konjugacije s glukouronskom kiselinom, sulfatima, acetatima, glutationom ili s nekim aminokiselinama
2. metilacijom
l Glavna svrha provođenja faze 2. u metabolizmu ksenobiotika je:l povećanje njihove polarnosti ( topljivosti u vodi), a time je olakšano i
izlučivanje iz organizma.
l Hidrofobni ksenobiotici koji se ne mogu prevesti u polarni oblikzadržavaju se u adipoznom tkivu.
Citokrom P-450
l citokrom-P450 potječe od apsorpcijskog maksimuma u vidljivom području pri valnoj duljini od 450 nm koji je dobiven pripravom mikrosoma koji su prethodno kemijski reducirani, a zatim izloženi djelovanju ugljikovog monoksida.
l Mikrosomi sadrže fragmente endoplazmatske mrežice gdje su smješteni mnogi citokromi P450
10
Citokromi P450Nad-obitelj enzima citokroma P450 ima ključnu ulogu u
metabolizmu ksenobiotika.
Gotovo se svi ksenobiotici transformiraju u organizmu pomoću tih enzima.
Enzimi CYP P450 su izuzetno strukturno polimorfni(razlike su nađene u kodirajućoj regiji)
Citokrom p-450 su velika obitelj koja imaju u svom sastavu hem, i kataliziraju reakcije tipa:
RH + O2 + NADPH + H+ → R-OH + H2O + NADPH (1)
RH – različiti lijekovi, karcinogeni, zagađivači ili neke endogene supstancije kao što su steroidi i brojni drugi lipidi
Reducirani citokrom p-450 → Oksidirani citokrom p-450RH + O2 → R-OH + H2O (2)
11
Metabolizam ksenobiotika uz CYP (citokrom P450)
Tijekom prvog prolaska kroz jetru događaju se ekstenzivne kemijske transformacije lipofilnih ili teških (MW >500) spojeva. Oni postaju značajno hidrofilniji i prema tome lakše se mogu izlučiti.
CH3 COOHO N
H
COOH
phase I phase II
CYP enzimi sudjeluju u reakcijama monoksigenacije
12
Metabolizam uz CYP
Monoksigenacija supstrata
Drug-RCYP
+ O2 Drug-OR + H2O
NADPH NADP
13
Metabolizam pomoću CYP
Citokromi - monooksigenaze uključeni su u biosintezu steroida i masnih kiselina
Do danas je otkriveno 17 obitelji CYP i opisano oko 150 izooblika
klasifikacija: CYP 3 A 4
obitelj>40% o sekvenci ovisne homologije
podobitelj>55% o sekvenci ovisne homologije
izoenzim
*15 A-B
alel
14
Obitelj gena citokroma P450
CYP450
Čovjek 57
Biljke 22
Insekti 3
Gljive 11 Kvasci 2 Nematode 3
Bakterije 18
Mekušci 1
15
Obitelj humanih CYP
CYP 1-5, 7, 8, 11, 17, 19, 21, 24, 26, 27, 39, 46, 51
Funkcija:
metabolizam ksenobiotika: CYP 1, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 3
metabolizam steroida: CYP 2G1, 7, 8B1, 11, 17, 19, 21, 27A1, 46, 51
metablizam masnih kiselina - CYP 2J2, 4, 5, 8A1
vCYP 24 (vitamin D), 26 (retinoična kiselina), 27B1 (vitamin D), ...
16
CYP
Izoenzim flavin-monoksigenaze
Alkohol dehidrogenaza
Aldehid oksidaza
Monoamin dehidrogenaza (MAO)
Oksidoredukcijski potencijal posredovan je porfirinskim željezom u aktivnom mjestu
Drug-RCYP
+ O2 Drug-OR + H2O
NADPH NADP
17
CYP• tercijarna struktura ima je visoko konzervirana unatočrazlikama u sekvenci
Za razliku od bakterijskih CYP, mikrosomalni CYP-ovi sisavaca imaju i dodatnu transmembransku uzvojnicu koja služi kao sidro u membrani
SuperpozicijahCYP 2C9 (1OG5.pdb) iCYP 450 BM3 (2BMH.pdb)Bacillus megaterium
18
CYP
Strukture nekoliko CYP sisavaca danas su detaljno određene i mogu se naći na:
Brookhaven Database:
http://www.pdb.mdc-berlin.de/pdb/
1DT6.pdb CYP 2C5 rabbit Sep 2000
1OG5.pdb CYP 2C9 human Jul 2003
1PO5.pdb CYP 2B4 rabbit Oct 2003
1PQ2.pdb CYP 2C8 human Jan 2004
19
CYPv Glavnina se nalazi u jetri, no neki se nalaze i na stijenci tankog crijeva.
vCYP sisavaca vezani su za membranu endoplazmatskog retikuluma
CYP distribution
CYP 2C1116%CYP 2E1
13%
CYP 2C66%
CYP 1A68%
CYP 1A213%
CYP 2A64%
CYP 2D62% other
7%CYP 331%
CYP 3CYP 2C11CYP 2E1CYP 2C6CYP 1A6CYP 1A2CYP 2A6CYP 2D6other
20
CYP
CYP 3A4, CYP 2D6 i CYP 2C9 sudjeluju u metabolizmu ksenobiotika.
Metabolic Contribution
CYP 2D630%
CYP 1A22%CYP 2C9
10%
other3%
CYP 3A455%
CYP 3A4CYP 2D6CYP 2C9CYP 1A2other
hepatic only
also small intestine
21
Specifičnost za supstrat
CYP 1A2 verapamil, imipramine, amitryptiline,caffeine (arylamine N-oxidation)
http://medicine.iupui.edu/flockhart/
CYP 2A6 nicotine
CYP 2C9 diclofenac, naproxen, piroxicam, warfarin
CYP 2C19 diazepam, omeprazole, propanolol
CYP 2D6 amitryptiline, captopril, codeine, mianserin, chlorpromazine
CYP 2E1 dapsone, ethanol, halothane, paracetamol
CYP 2B6 cyclophosphamid
CYP 3A4 alprazolam, cisapride, terfenadine, ...
22
Polimorfizmi u genima za CYP
„Svaki čovjek se razlikuje od drugog čovjeka više ili namje “
Genotip je određen sekvencom DNA.
Čovjek ima 2 seta kromosma - Što znači da isti genotip može dati različita fenotipska obilježja
Fenotipovi mogu biti različiti na osnovi aktivnosti ili sadržaja eksprimiranih CYP.
U ovisnosti o metaboličkoj aktivnosti, razlikujemo 3 glavna tipa metabolizanata:
intenzivni metabolizant (normalan)
slab metabolizant
ultra-brz metabolizant (povećan metabolizam ksenobiotika)
Lit: K. Nagata et al. Drug Metabol. Pharmacokin 3 (2002) 167
Metabolizam tetrahidrokanabinola
Kao primjer, citokrom P-450 posreduje pri oksidaciji Δ9-tetrahidrokanabinol-a i to na poziciji alila:
Metabolizam naftalena
Mehanizam karcinogeneze benzopirena
Mehanizam karcinogeneze aflatoksina
Hidroksilacija kolesterola citokrom P450 monoksigenazama
Kisik se za potrebe reakcije hidroksilacije aktivira pomoću citokrom P450 oksigenaza. Ti na membarnu vezani proteini sadrže hem kao prostetičku skupinu
Kao reducens u reakcije ulazi NADPH, koji prenosi elektron na flavoprotein koji ga zatim prenosi na adrenodoksin, protein koji sadrži nehemsko željezo.
Adrenoksin prenosi elektron i reducira Fe3+ u F2+ u hemu. Bez tog elektrona P450 ne veže kisik.
Reakcije hidrokislacije vrlo su značajne u sintezi kolesterola iz skvalena i pretvaranju kolesterola u žućne soli i steroidne hormone
Mitohondrijski p-450 sustavse razlikuje od mikrosomalnog po tome što koristi NADPH-vezan flavoprotein – pa se nazivaju flavinske monoksigenaze (FMO). slično citokromu P-450 imaju mješovitu ulogu oksidaza i zatijevaju kisik i NADPH kao kosupstrate. Ovi enzimi primarno kataliziraju oksidaciju nukleofilnih skupina kao što su amini i tioli.
Oba enzima traže NADP+ ili NAD+ kao kosupstrate.
Metabolizam etilnog alkohola
Disulfiram
Enzim aldehid dehidrogenaza se inhibira fungicidom disulfiramom, koji se u klinici koristi u terapiji alkoholizma.
Pacijent se spriječava u konzumiranju alkohola na razini acetaldehida, koji se vrlo brzo akumulira i izaziva glavobolju i mučninu i povraćanje.
Faza 2.
Postoji 5 tipova reakcija faze 2. metabolizma ksenobiotika:
REAKCIJE KONJUGACIJE U SVRHU PREOBRAZBE KSENOBIOTIKA U OBLIK PODESAN ZA IZLUČIVANJE
1. Glukouronidacija:
Reakciju kataliziraju glukouronil transferaze, prisutne u ER i citosolu.
Molekule poput 2-acetilaminofluoren, anilin, benzoična kiselina, meprobromat, fenol i mnogi steroidi se izlučuju kao glukouronidi.
Glukouronidi se mogu vezati na kisik, dušik ili sumporom bogate skupine što čini glukouronidaciju jednom od najčešćih reakcija konjugacije.
UDP-glukouroniča kiselina je donor glukouronila
(Uridin-5’-difosfo- alfa-D-glukouronska kiselina)
2. Sulfoniranje:
Neki alkoholi, akrilamini i fenoli se sulfuriraju uz enzim sulfotransferazu i
kosupstrat 3'-fosfoadenozin-5'-fosfosulfat (PAPS), koji donosi sulfatnu skupinu
Donor sulfata u drugim reakcijama (primjer: sulfuriranje steroida, glukozaminoglikana, glukopipida i glukoproteina) je adenozin 3'-fosfat-5'-fosfosulfat (aktivni sulfat)
3’-fosfoadenozin-5’-fosfosulfat
3. Konjugacija karboksilnih kiselina s aminokiselinama (najčešće glicinom) preko njihovih tiolestera.
Aminokiselinska konjugacija benzojeve kiseline
Reakciju katalizira aminoacid N-aciltransferazu
4. Konjugacija s glutationom
Glutation je tripeptid (gama-glutamilcisteinilglicin).Brojni potencijalni toksični elektrofilni ksenobiotici su konjugirani na nukleofilni GSH reakcijom:
R + GSH → R-S-G
Glutation, γ-glutamil peptid, služi kao sulfurhidrilni pufer i antioksidant
R – elektrofilni ksenobiotik
Glutation
l Glutation ima izuzetno važnu ulogu u stanici jer štiti crvene krvne stanice od oksidativnog oštećenja
l Glutation-S-transferaze - prisutne su u velikim količinama u citosolu jetre i u manjim količinama u drugim tkivima. U ljudskim tkivima nalazimo različite glutation S-transferazel pokazuju različitu specifičnost prema supstratu i mogu
se razdvojiti metodama elektroforeze
Glutation
l Ako se potencijalno otrovni ksenobiotici ne bi konjugirali s GSH, ostali bi slobodni za kovalentno vezanje s DNK, RNK ili staničnim proteinima, te bi tako mogli prouzročiti znatna oštećenja u stanicama.
l Kada se smanji koncentracija GSH u tkivima, kao što je jetra, tkivo postaje podložnije oštećenjima uzrokovanima spojevima koji bi se inače konjugirali s GSH.
l Prije izlučivanja konjugati glutationa prolaze kroz daljni metabolizam.
l Aminokiseline glutamin i glicin iz glutationa uklanjaju se putemspecifičnih enzima, a acetilna skupina (dobivena iz acetil-CoA) veže se na amino- skupinu preostalog cisteinskog dijela glutationa.
l Dobiveni spoj je merkapturna kiselina (konjugat L-acetilcisteina) koja se izlučuje mokraćom.
Glutation - funkcije u ljudskim stanicama
l sudjeluje u razgradnji potencijalno otrovnoga vodikovog peroksida u reakciji kataliziranoj glutation-peroksidazom
l važan je unutarstanični reducens koji pomaže u održavanju esencijalnih SH enzimskih skupina u reduciranom stanju
l metabolički ciklus za koji se pretpostavlja da prenosiaminokiseline kroz membrane bubrega, uključuje GSH kao nosača:
Aminokiselina + GSH → g-glutamilamino kiselina + cisteinilglicin
5. Metilacija
Manje je značajna u procesu transformacije ksenobiotika
Tioli, fenoli i amini se mogu metabolizirati uz S- adenozil-metionin
S-adenozilmetionin je aktivirani oblik metilne skupine
U reakcijama biosinteze:-fosfatidilkolina
-adrenalina-kreatina-cisteina
-acetilkolina
Metabolizam adrenalina
Metablizam paracetamola
Metabolizam DPX-H6564
ksenobiotikreaktivan metabolit
netoksičan metabolit
kovalentno vezanje za makromolekule
hapten
stvaranje protutijela
oštećenje stanice
mutacija
karcinom
oštećenje stanice
Citokrom P450
GSH-S-transferaza ili epoksid-hidrolaza
Pojednostavljena shema koja prikazuje kako metabolizam ksenobiotika može uzrokovati oštećenje stanice, imunološki poremećaj ili karcinom
U ovom je slučaju pretvorba ksenobiotika u reaktivni metabolit katalizirana CYP dok je konverzija tog reaktivnog metabolita (npr. epoksida) u netoksični spoj katalizirana s glutation-S-transferazom ili epoksid-hidrolazom
Toksični učinci ksenobiotika obuhvaćaju široki spektar djelovanja, ali se glavni učinci kreću u tri opća smjera :
DOB, SPOL I DRUGI ČIMBENICI UTJEČU NA AKTIVNOSTI ENZIMA KOJI METABOLIZIRAJU
KSENOBIOTKE
AKTIVNOST ENZIMA KOJI SUDJELUJU U METABOLIZMU KSENOBIOTIKA
postoje značajne razlike u aktivnostima enzima između vrstapostoje značajne razlike u aktivnosti enzima među pojedincima, od koje su mnoge zbog genetičkih faktoraaktivnost nekih od tih enzima je različita i povezana sa spolom i starošćuunos različitih ksenobiotika, kao što su fenobarbital, poloklorirani bifenili ili neki ugljikovodici, mogu prouzročiti indukciju enzimametaboliti nekih ksenobiotika mogu inhibirati aktivnosti ksenobiotik-metabolizirajućih enzima.
Barem jedan od gena drugačiji od onog koji kodira rajanodinski receptor uključen je u nekim slučajevima malignih hipertenzija.Poznati su mnogi drugi primjeri djelovanja lijekova koji se temelje na polimorfizmu ili mutacijama.
Enzim ili protein Posljedična reakcijagGlukoza-6-fosfat-dehidrogenaza(G6PD) [mutacija] (OMIM 305900)
hemolitička anemija kao posljedica uzimanja lijeka kao što je, primjerice, primakin
Ca2+-otpuštajući kanal (receptor rijanodina) u sarkoplazmatskom retikulu [mutacije] (OMIM180901)
maligna hipertermija (OMIM 145600) kao posljedica primjene nekih anestetika, npr. halotana
CYP2D6 [polimorfizam] (OMIM 124030) spori metabolizam pojedinih lijekova (npr. debrisokin), što dovodi do njihovog nakupljanja
CYP2A6 [polimorfizam] (OMIM 122720) onemogućen metabolizam nikotina, nemogućnost izazivanja ovisnosti o pušenju.
Neke važne reakcije lijekova koje su posljedica mutiranih ili polimorfnih oblika enzima ili proteina
FARMAKOGENOMIKA ĆE DOVESTI DO RAZVOJA NOVIH I SIGURNIJIH LIJEKOVA
l farmakogenomika proučava genetičke različitosti u odgovoru na terapiju lijekovima.
l Definirana je kao upotreba genomske informacije i tehnologija u optimizaciji otkrivanja i razvoja lijekova i ciljnih tkiva.
l Informacije dobivene genomikom, proteomikom, bioinformatikom, biokemijom i toksikologijom, koriste se u objedinjavanju znanja za sintezu novih i sigurnijih lijekova.
Pojednostavljena shema pristupa otkrivanju novih lijekova
kombinatorna kemija
računalne studije
Odabir ciljeva lijeka
(geni, RNA, proteini, glikonjugati itd.)
stvaranje lijekova prema modelu i interakcije između lijekova i ciljnih molekula te daljnje usavršavanje na temelju temelju testova
različiti testovi (in vitro, in vivo)
moguća klinička ispitivanja lijeka
poznavanje patogeneze specifičnih bolesti
glikomikaproteomika genomika
l Mikropostroji (engl. microarrays) visoke učinkovitosti koji mogu odrediti veliki broj različitih proteina doprinose probiru pojedinaca s potencijalno opasnim polimorfizmom prije no što se započne terapijom lijekovima.
l Genski čipovi za analizu određenih genotipa P450 (primjerice za CYP2D6), čiji je genski produkt uključen u metabolizam mnogih antidepresiva i antipsihotika, b-blokatora i nekih kemoterapeutika.
l Glavna smjernica u razvoju novih lijekova ide k poboljšanju djelovanja lijekova, ali i prema sigurnijoj i individualiziranoj terapiji lijekovima uzimajući u obzir polimorfizam i ostale važne čimbenike.
l Procijenjuje se da će oko 100 000 smrti svake godine samo u SAD-u uzrokovati neželjene reakcije na lijekove. l Vjeruje se da će nove informacije u različitim područjima istraživanja promijeniti ovu
statistiku i dovesti do učinkovite terapije, a možda i u konačnici do nove dobi "individualizirane" terapije za svakog pojedinca.