Biotransformace xenobiotik Ó Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2006 Řecké slovo ce'no*s [xenos] znamená cizí * Xenobiotika jsou látky, které se v organismu normálně nevyskytují * Do těla se dostávají hlavně s potravinami nebo jako léky * Chemický průmysl -- produkuje syntetické sloučeniny, které se nevyskytují v přírodě (plasty, pesticidy, barviva, aditiva ...) * Farmaceutický průmysl -- produkuje sloučeniny syntetické a izolované z přírodních zdrojů (rostliny) -- nevyskytují se v lidském organismu Vstup xenobiotik do těla * Vnější bariéry: střevo, plíce, kůže * Bariéry mezi krví a tkáněmi jsou tvořeny epitely -- ty obsahují fosfolipidovou dvojvrstvu * Průnik xenobiotika závisí na jeho fyz.-chem. vlastnostech * Lipofilita usnadňuje průnik fosfolipidovou dvojvrstvou Vstup xenobiotik do buněk * Volná difuze -- významné pro lipofilní látky, rychlost závisí na konc. gradientu (játra -- volně prostupná, velké póry v buněčné membráně, jsou nejvíce zasažená při otravách) * Usnadněná difuze -- přenašeče, strukturní podobnost s endogenními substráty TH využití existujících transportních systémů * Aktivní transport -- primární, sekundární * Endocytóza Biotransformace xenobiotik v buňce * Probíhá převážně v játrech, dvě fáze: * I. Fáze - převážně hydroxylace, produkt často výrazně biologicky aktivní * II. Fáze -- konjugace, produkt většinou neaktivní * Výsledkem jsou polárnější deriváty, které se mohou vyloučit močí (žlučí) ven z těla Exkrece xenobiotik z buňky * primární aktivní transport -- vyžaduje energii, štěpení ATP (viz Biochemie I -- Semináře, str. 35) * speciální ATP-asy zvané ABC (ATP binding cassette) * lokalizované v plazmatických membránách, exportují xenobiotika z buňky do ECT * MRP (multidrug resistance protein) -- při zvýšené expresi jsou zodpovědné za rezistenci vůči lékům Exkrece xenobiotik z těla * chemicky modifikovaná xenobiotika se vylučují z těla močí, potem, stolicí * těkavé látky - plícemi * někdy dochází ve střevě k dekonjugaci a zpětné resorpci (enterohepatální oběh -- past) * exkrece do mateřského mléka Příklady reakcí I. fáze biotransformace Enzymy I. fáze biotransformace * Poměrně nespecifické TH zásadní výhoda! * Monooxygenasy (systém cytochromu P-450) * Flavinové monooxygenasy * Peroxidasy * Hydrolasy * Alkoholdehydrogenasy a další ... Cytochromy P-450 (CYP) * Skupina hemových enzymů (cca 150 izoforem) * Mnoho z nich je indukovatelných * Obsaženy ve všech tkáních (kromě svalů a erytrocytů) * Nejvíce zastoupené v játrech -- tam probíhá nejvíce biotransformačních pochodů * V buňce - hlavně v endoplazmatickém retikulu Mechanismus působení CYP * Katalyzují hydroxylační reakce = vznik hydroxylové skupiny (R-H (r) R-OH ) * Jsou to monooxygenasy, z molekuly O[2] se inkorporuje jeden atom O do substrátu ^* Druhý atom O vytváří vodu, donorem 2H je NADPH + H^+ [* ] Dochází k redukci dikyslíku na -OH skupinu a vodu Obecné schéma hydroxylace Hydroxylace účinkem CYP nastává u endogenních i exogenních substrátů * Endoplazmatické retikulum: skvalen, cholesterol, žluč. kyseliny, kalciol, desaturace MK, prostaglandiny, xenobiotika * Mitochondrie: steroidní hormony Srovnání různých hydroxylačních reakcí Hlavní izoformy cytochromu P-450 Indukce a inhibice CYP 450 * Některá xenobiotika vyvolávají indukci syntézy CYP, metabolická kapacita CYP se tím zvýší * Je-li současně s induktorem podán lék metabolizovaný stejným CYP TH léčivo je odbouráno rychleji TH léčivo je méně účinné * Některá xenobiotika působí jako inhibitory CYP * Nejrozšířenější izoformou je CYP3A4, metabolizuje více jak 120 různých léčiv * Inhibitory CYP3A4 jsou makrolidová ATB (Rulid, Klacid), grapefruit (furanokumariny), ketokonazol * Současné podání inhibitorů s léčivem TH zvýšená koncentrace léčiva TH předávkování TH nežádoucí účinky Genetický polymorfismus CYP 450 * geneticky dané rozdíly v aktivitě hydroxylujícího systému, rozlišují se tři typy osob: EM (extensive metabolizer) -- normální metabolizátor PM (poor metabolizer) -- špatný metabolizátor RM (rapid metabolizer) -- rychlý metabolizátor * důsledky u PM: vyšší hladiny léčiv, zvýšené nežád. účinky, extrémní příklad: podání warfarinu u PM TH život ohrožující krvácivost * důsledky u RM: snížená hladina léčiv, neúčinná léčba (např. v psychiatrii je nutno udržet stálou hladinu farmaka) Biotransformace benzenu Biotransformace polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU) Polycyklické aromatické uhlovodíky v životním prostředí * Průmyslové zdroje: spalovaní uhlí, benzínu, nafty; výroba koksu, asfaltu; havárie tankerů; zapalování ropných vrtů; popílek v ovzduší ... * Neprůmyslové zdroje: požáry lesů, spalování odpadů, domácí topeniště, cigaretový kouř ... * Potraviny: smažené, uzené, grilované potraviny, přepálený tuk, připálené maso a pečivo ... II. Fáze biotransformace * Konjugace - syntetický charakter * Xenobiotikum po I. fázi biotransformace reaguje s endogenní konjugační složkou * Vzniká konjugát, polárnější -- snadno se vylučuje močí * Endergonní charakter - nutná energie (reaguje aktivovaná konjugační složka) * Enzymy - transferasy Přehled konjugačních činidel Biosyntéza UDP-glukuronátu UDP-glukuronát Glukuronáty jsou nejčastější konjugáty * Vznikají O-glukosiduronáty etherový typ (Ar-O-glukuronát, R-O-glukuronát) esterový typ (Ar-COO-glukuronát) * N-, S-glukosiduronáty * Substráty: arom. aminy, amfetaminy, kys. salicylová, léčiva, flavonoidy, ... * Endogenní substráty: bilirubin, steroidy Biotransformace amfetaminu PAPS je sulfatační činidlo (phospho adenosine phospho sulfate) Konjugace fenolu Glutathion má trojí význam g-glutamylcysteinylglycin * Redukční činidlo (glutathionperoxidasa) * Konjugační činidlo (glutathiontransferasa) Endogenní substráty -- konjugace leukotrienů * Transport AK do buněk (g-glutamyltransferasa) Glutathion (GSH) Před exkrecí vznikají z R-SG merkapturové kyseliny Konjugace aminokyselinami * glycin, taurin * xenobiotika s -COOH skupinou * vznik amidové vazby * endogenní substráty -- žlučové kyseliny Jak odhalit čichače toluenu? Biotransformace ethanolu v játrech (cytosol) Další dráhy biotransformace ethanolu Důsledky biotransformace ethanolu Jak odhalit alkoholika? * GMT (g-glutamyltransferasa, viz Semináře I, s.36; Semináře II, s.14) * CDT (carbohydrate-deficient transferrin) molekula transferrinu obsahuje 4-6 sialových kys. Chronický abusus alkoholu narušuje glykosylaci transferrinu, vzniká CDT = formy transferrinu s 0-2 sial. kys. Zvýšená hodnota CDT = marker vydatného požívání EtOH během uplynulých 4 týdnů (kontrola abstinence u léčených ethyliků) * apo A-I (strukturní protein HDL, zvýšená hodnota = marker chronického abusu alkoholu) * FAEE (fatty acids ethyl esters) přetrvávají v krvi až 24 hod poté, co klesne hladina EtOH na nulu (význam při vyšetřování dopravních nehod) Nikotin je hlavní alkaloid tabáku Co se děje při hoření cigarety? * teplota kolem 900 °C * sušený tabák podléhá nedokonalému spalování, vzniká složitá směs produktů * nikotin částečně destiluje a přechází do kouře (aerosolu), částečně se pyrolyticky rozkládá Cigaretový kouř obsahuje * volný nikotin (bázi) - váže se na nikotinové receptory v mozku, dřeni nadlevin a jinde (viz Semináře II, str. 72) * CO - váže se na hemoglobin, vzniká karbonylhemoglobin -- ischemie tkání (u silných kuřáků až 12 % CO-Hb) * oxidy dusíku - mohou generovat volné radikály * polykondezované aromatické uhlovodíky (PAU) (pyren, chrysen ...), hlavní složky dehtu, atakují a poškozují DNA, karcinogeny * další látky (N[2], CO[2], HCN, CH[4], terpeny, estery ...) Biotransformace nikotinu Jak odhalit kuřáka? * test se slinami kuřákovy sliny obsahují mnohonásobně více thiokyanatanu než sliny nekuřáka, poločas 6 dní, thiokyanatan SCN^- vzniká biotransformací CN^- (síra pochází z cysteinu) reakcí s Fe^3+ ionty (r) červený komplex * nikotin v moči * minoritní alkaloidy tabáku a metabolity nikotinu v moči (kotinin, nornikotin, anatabin, anabasin) Biotransformace vybraných léčiv Biotransformace diazepamu Kodein podléhá O-demethylaci na morfin Biotransformace bromhexinu Hlavní dráha biotransformace paracetamolu je konjugace Vedlejší dráha biotransformace paracetamolu vede k hepatotoxickému chinoniminu Volně prodejné přípravky s paracetamolem (jednoduché a kombinované) Biotransformace acetylsalicylové kyseliny K čemu je dobrá znalost biotransformace léčiv? Polypragmazie a její důsledky (viz Biochemie II - Semináře, str. 54, otázka 52) * užívání mnoha léčiv současně * vzájemná interakce léčiv nebo jejich metabolitů (potencování, inhibice) * indukce, ale současně zatížení hydroxylujícího systému (CYP450) * více se uplatňují vedlejší (minoritní) dráhy biotransformace TH výraznější toxické účinky * možná deplece glutathionu .... atd. Vybrané ukazatele jaterního poškození