Biotransformacja (reakcje I i II fazy, toksykacja, detoksykacja) PDF

Przedmiot: TOKSYKOLOGIA Temat: Biotransformacja (reakcje I i II fazy, toksykacja, detoksykacja) Rok akademicki 2024/2025 Niniejsze materiały edukacyjne są chronione zgodnie z ustawą z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach p...

Przedmiot: TOKSYKOLOGIA Temat: Biotransformacja (reakcje I i II fazy, toksykacja, detoksykacja) Rok akademicki 2024/2025 Niniejsze materiały edukacyjne są chronione zgodnie z ustawą z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Ich rozpowszechnianie i użytek inny niż do celów edukacyjnych studentów Wrocławskiego Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu jest zabroniony. Wydział: Farmaceutyczny Tytuł naukowy/zawodowy: prof. dr hab. n. farm. Kierunek: farmacja Imię, nazwisko osoby prowadzącej zajęcia: Agnieszka Piwowar Poziom studiów: jedn. mgr. Stanowisko osoby prowadzącej zajęcia: profesor Forma studiów: stacjonarne Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu Rok studiów: IV Copyright © BIOTRANSFORMACJA  BIOTRANSFORMACJA różnorodne przemiany chemiczne ksenobiotyków zachodzące w organizmie z wytworzeniem (przeważnie) mniej toksycznych i łatwiej usuwalnych metabolitów ❑ BRAK BIOTRANSFORMACJI: ▪ substancje silnie polarne - kwasy sulfonowe - IV rz. zasady amoniowe ▪ substancje silnie lipofilne - polichlorowane bifenyle (niektóre) ▪ substancje/związki lotne - eter etylowy - cyklopropan - alkany krótkołańcuchowe  BIOTRANSFORMACJA Reakcje I fazy Reakcje II fazy Reakcje III fazy funkcjonalizacja sprzęganie aktywacja wprowadzenie tworzenie wytwarzanie nowych lub bardziej reaktywnych modyfikacja polarnych metabolitów już istniejących metabolitów grup funkcyjnych  FAZY BIOTRANSFORMACJI cd. ❑ W FAZIE I do struktury chemicznej lipofilowych ksenobiotyków → wprowadzenie grupy polarnej lub odłączenie grupy alkilowej ❑ W FAZIE II metabolit lub ksenobiotyk (posiadające ugrupowania polarne) → sprzęganie ze związkami bardzo dobrze rozpuszczalnymi w wodzie  TOKSYKACJA BIOTRANSFORMACJA ≠ DETOKSYKACJA BIOTRANSFORMACJA I FAZY  GŁÓWNE REKACJE BIOTRANSFORMACJI I FAZY ❑ UTLENIANIE ❑ REDUKCJA ❑ HYDROLIZA  ENZYMY BIOTRANSFORMACJI ▪ przemiany zachodzą przy udziale enzymów zlokalizowanych we wszystkich prawie narządach ▪ najważniejsze - wątroba, jelito cienkie, nerki ▪ również - płuca, łożysko, jądra, jajniki, skóra, siatkówka oka, osocze krwi ▪ lokalizacja: mikrosomalne enzymy wątroby; mikrosomalne enzymy pozawątrobowe; niemikrosomalne enzymy wątroby ▪ najważniejsza rola → enzymy mikrosomalne SER wątroby  ENZYMY ENZYMY MIKROSOMALNE CYTOZOLOWE ▪ nadrodzina ▪ glukuronidazy cytochromów P-450 ▪ sulfotransferazy ▪ monooksygenazy glutationowe flawinowe (FMO) ▪ metylotransferazy ▪ monoaminooksydazy ▪ acetylazy (MAO)  ENZYMY MIKROSOMALNE ▪ monooksygenazy (oksydazy; hemoproteiny) współdziałające z układem cytochromu P-450 ▪ enzymy polisubstratowe, mało specyficzne ▪ najczęściej reakcje wielokierunkowe → wiele metabolitów ▪ wymagają niepolarnych substratów (tylko takie przenikają do wnętrza komórki) ▪ katalizują wszystkie typy reakcji (utlenianie, redukcja, hydroliza, sprzęganie) ▪ duża ilość w hepatocytach (ok. 20% ogólnej zawartości białka w wątrobie)  ENZYMY cd. ❑ aktywność enzymów przemian ksenobiotyków zależy od: ▪ gatunku ▪ płci ▪ wieku ▪ cech genetycznych ▪ stanu narządów uczestniczących w biotransformacji ▪ inhibicji tych enzymów  REAKCJE I FAZY BIOTRANSFORMACJI NAJCZĘSTSZE - REAKCJE UTLENIANIA RH + O2 + NAD(P)H + H+ E ROH + H2O + NAD(P)+ 3 niezbędne czynniki: tlen cząsteczkowy donor wodoru (NADPH lub NADH) enzymy - monoksygenazy z nadrodziny cytochromu P-450 3 składniki łańcuchu transportu elektronów we frakcji mikrosomalnej: cytochrom P-450 czynnik lipidowy (fosfatydylocholina) reduktaza NADPH-cytochromu P-450 (flawoproteina) Reduktaza NADPH-cytochromu P-450: - zawiera FMN i FAD - przenoszenie pojed. elektronów z NADPH na cyt. P-450 - oddziałuje ze wszystkimi izoformami CYP  LEK/KSENOBIOTYK http://www.wbc.poznan.pl/Content/177543/PDF/index.pdf  Cytochrom P-450 ▪ grupa enzymów wykazujących aktywność monooksygenaz - wymagają obecności tlenu i NADPH ▪ w ludzkim genomie - 57 genów i ponad 58 pseudogenów sklasyfikowanych w 18 rodzinach i 43 podrodzinach cytochromu P450 ▪ występuje w postaci wielu izoenzymów - różnice w budowie apoproteiny, - właściwościach immunologicznych i spektralnych - masie cząsteczkowej ▪ izoenzymy - mają szeroką i nakładającą się na siebie specyficzność - substratową, gatunkową, osobniczą, etniczną, tkankową; różnice także w zależności od wieku i płci http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/1997/121.pdf  Cytochrom P-450 cd. ▪ ważny element w metabolizmie ksenobiotyków, zwł. o charakterze hydrofobowym  reakcje hydroksylacji ▪ produkty metabolizmu ksenobiot. → zazwyczaj bardziej hydrofilowe od substratów wyjściowych → sprzyja dalszemu metabolizowaniu i wydalaniu z org. ▪ inne katalizowane reakcje: epoksydacja, dealkilacja, oksydacyjna deaminacja, C- oksydacja (hydroksylacja, epoksydacja, peroksydacja), N- oraz S-oksydacja, dehalogenacja, oksydacyjna O-, S-, i N-dealkilacja ▪ mogą powstawać też produkty dimeryzacji, izomeryzacji oraz struktury cykliczne ▪ bierze również udział w detoksykacji alkoholowej http://www.wbc.poznan.pl/Content/177543/PDF/index.pdf Izoenzymy cyt. P-450  RODZAJE GŁÓWNYCH REAKCJI  REAKCJE BIOTRANSFORMACJI I FAZY rodzaje katalizowanych reakcji UTLENIANIA 1. utlenianie bocznych alifatycznych 6. utlenianie przy heteroatomie: łańcuchów węglowodorów - N-oksydacja 2. epoksydacja - S-oksydacja 3. hydroksylacja węglowodorów 7. utlenianie związane z aminami aromatycznych - oksydacyjna deaminacja 4. utlenianie alkoholi i aldehydów - utlenianie amin aromatycznych 5. oksydacyjna dealkilacja: 8. desulfatacja (np. pochodnych - N-dealkilacja tiomocznika) - O-dealkilacja - S-dealkilacja REAKCJE BIOTRANSFORMACJI I FAZY rodzaje katalizowanych reakcji REDUKCJI HYDROLIZY 1. redukcja aldehydów 1. hydroliza estrów 2. redukcja związków azowych 2. hydroliza amidów 3. redukcja związków nitrowych 3. hydroliza glikozydów 4. dehalogenacja/ 4. hydroliza epoksydów dehydrohalogenacja  UTLENIANIE http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf  UTLENIANIE cd. http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf  UTLENIANIE cd. http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf  REDUKCJA http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf  REDUKCJA cd. http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf INNE BIOTRANSFORMACJA II FAZY  REAKCJE BIOTRANSFORMACJI II FAZY - SPRZĘGANIE CEL: usuwanie ksenobiotyków lub ich metabolitów powstałych w I fazie biotransformacji → dezaktywacja i wytwarzanie polarnych metabolitów ksenobiotyków → ułatwione wydalanie z organizmu (z moczem lub żółcią) MECHANIZM: wiązanie (sprzęganie) z odpowiednimi związkami endogennymi (uprzednio aktywowanymi) RODZAJE REAKCJI SPRZĘGANIA ❑ glukuronidacja ❑ sulfatacja ❑ metylowanie ❑ acetylowanie ❑ sprzęganie z aminokwasami ❑ sprzęganie z glutationem  REAKCJE BIOTRANSFORMACJI II FAZY 3 niezbędne czynniki: wysokoenergetyczne związki (ATP, UTP) enzymy: transferazy (UGT, SULT, NAT, GST) związki endogenne (kw. glukuronowy, siarkowy, aminokwasy, itd.) 2 etapowy proces: aktywacja czynnika endogennego → związki wysokoenergetyczne (wyjątek aa) przeniesienie grupy o wysokim potencjale energetycznym na drugi składnik GLUKURONIDACJA SPRZĘGANIE Z KWASEM GLUKURONOWYM ZWIĄZEK ENDOG.: kwas glukuronowy POSTAĆ AKTYWNA: kwas urydyno-5′-difosfo-D-glukuronowy (UDPGA)  (powstaje z glukozy - najczęstsza reakcja biotr. II fazy) ENZYM: UDP-glukuronozylotransferaza (UGT) IZOENZYMY: najważniejsze - UGT1 i UGT2 ← genetyczny niedobór UGT1 - ↓ sprzęganie bilirubiny → żółtaczka, uszkodzenie wątroby, działanie neurotoksyczne MECHANIZM: proces wieloetapowy → przeniesienie grupy glukuronylowej na ksenobiotyk; w sprzęganiu bierze udział gr. -OH przy C1 CEL: powstanie glukuronidów → lepiej rozpuszczalne w wodzie → szybciej wydalane z organizmu (mocz, żółć) ← transport aktywny  SPRZĘGANIE Z KWASEM GLUKURONOWYM cd. ZWIĄZKI ULEGAJĄCE SPRZĘGANIU: ▪ alkohole i fenole → etery (O-glukuronidy) ▪ kwasy karboksylowe → estry (O-glukuronidy) ▪ aminy alif. i aromat. → N-glukuronidy ▪ merkaptany → tioetery (S-glukuronidy) TRWAŁOŚĆ: O-glukuronidy ≥ S-glukuronidy > N-glukuronidy  SPRZĘGANIE Z KWASEM GLUKURONOWYM cd. ▪ proces sprzęgania jest odwracalny  hydroliza CEL: możliwa resorbcja zwrotna kw. glukuronowego ale też wolnego ksenobiotyku ENZMYMY - -glukuronidazy (lizosomy wielu narządów oraz flora bakteryjna jelit) GLUKURONIDACJA - NIE TYLKO DETOKSYKACJA ! - może powodować aktywację metaboliczną ksenobiotyków - zwłaszcza amin aromatycznych - niekorzystne zwłaszcza w środowisku kwaśnym pecherza moczowego → nowotwory  SPRZĘGANIE Z KWASEM GLUKURONOWYM cd. PRZYKŁAD AMINY AROMATYCZNE - wątroba → detoksykacja - pęcherz moczowy → aktywacja (kwaśne środowisko) → nowotwory - jelito grube (flora bakteryjna) → nowotwory oddziaływanie z DNA ▪ aktywacja metaboliczna leków → NLPZ (diklofenak, ketoprofen) i leków hipolipidemicznych (klofibrat) ▪ reaktywne acylowe glukuronidy → wiązanie kowalencyjne z białkami w wątrobie → r. immunologiczna → martwicze uszkodzenie wątroby SULFATACJA  SPRZĘGANIE Z KWASEM SIARKOWYM ZWIĄZEK ENDOG: kwas siarkowy(VI) → źródło siarczanów – aminokwasy siarkowe (cysteina) POSTAĆ AKTYWNA: 5’-fosfosiarczan 3’-fosfoadenozyny (PAPS) ▪ PAPS - większe powinowactwo do ksenobiotyków niż UDPGA, ale mniejsza pojemność wiązania i mniejsze stężenie w komórkach ZWIĄZKI ULEGAJĄCE SPRZĘGANIU: ▪ alkohole → estry (ROSO3H) ▪ fenole → estry ▪ aminy aromatyczne → sulfaminiany (ArNHSO3H)  SPRZĘGANIE Z KWASEM SIARKOWYM c.d. ENZYMY: sulfotransferazy (ST) - synteza sulfatazy – hydroliza (proces odwracalny) IZOENZYMY: sulfotransferazy fenolowe (PST) - najważniejsze w wątrobie: ▪ izoforma termostabilna (TS-PST) - sprzęganie ksenobiotyków (fenol, p-nitrofenol, 2-aminonaftalen; acetaminofen) ▪ izoforma termolabilna (TL-PST) - sprzęganie leków (dopamina, epinefryna, lewodopa) ▪ sulfotransferaza alkoholowa (DHEA-ST) - sprzęganie alkoholi, cholesterolu, kwasów żółciowych, hormonów steroidowych (dehydroepiandrosteronu)  SPRZĘGANIE Z KWASEM SIARKOWYM cd. SULFATACJA - NIE TYLKO DETOKSYKCJA ! - może powodować aktywację metaboliczną ksenobiotyków → działanie rakotwórcze - sprzęganie 2-acetyloaminofluorenu (2-AAF) z siarczanami → toksyczne jony → inicjacja procesu nowotworowego (wątroba, nerki, pęcherz moczowy) wiązanie z DNA METYLACJA  METYLACJA ❑ na ogół nie zwiększa rozpuszczalności związków i nie przyspiesza ich wydalania - wyjątek N-metylacja pochodnych pirydyny (np. nikotyna) – IV rzędowe zasady – dobrze rozpuszczalne i łatwo wydalane ▪ O-metylacja ▪ N-metylacja ▪ S-metylacja ZWIĄZEK ENDOGENNY: L- metionina POSTAĆ AKTYWNA: S-adenozylometionina (SAM)  METYLACJA ❑ O-metylacja: POMT – O-metylotransferaza fenolowa (mikrosomalna)  ksenobiotyki fenolowe COMT – O-metylotransferaza katecholowa (cytozolowa)  aminy katecholowe, egzogenne katechole (L-dopa, metylodopa) ❑ N-metylacja: N-metylotransferaza histaminowa (cytozolowa)  pochodne imidazolu (histamina) N-metylotransferaza nikotynamidowa (mikrosomalna)  pochodne pirydyny (nikotyna) i indolu (tryptofan, serotonina)  METYLACJA cd. ❑ S-metylacja: - biotransformacja leków zawierających grupę sulfhydrylową (6-merkaptopuryna, kaptopril, D-penicylamina, disulfiram, BAL) IZOENZYMY: ▪ TPMT – metylotransferaza tiopurynowa (cytozolowa)  związki aromatyczne i heterocykliczne zawierające siarkę ▪ TMT - metylotransferaza tiolowa (mikrosomalna)  alifatyczne związki sulfhydrylowe - izozymia TPMT → wpływ na leczenie choroby nowotworowej → mała aktywność → większe dawki leku (tiopuryn) - ↑ ryzyko mielotoksycznego działania  METYLACJA cd. ▪ metylacja biologiczna nieorganicznych połączeń arsenu, selenu, telluru, rtęci – w mikroorganizmach ▪ CZŁOWIEK: rozpuszczalne zw. arsenu III wartościow. – arseniany (III) → → kwas dimetyloarsenowy (DMAA) → wydalanie z moczem wydalanie z moczem kwas monometyloarsenowy kwas dimetyloarsenowy ▪ metylacja rtęci – warunki tlenowe i beztlenowe ▪ katalizator reakcji - bakterie obecne w przewodzie pokarmowym, wodzie, glebie, osadach dennych metylokobalamina - donor grup metylowych ACETYLACJA  ACETYLACJA SUBSTANCJA ENDOG.: kwas octowy → grupa acetylowa (CH3CO-) POSTAĆ AKTYWNA: acetylokoenzym A (CH3COSCoA)  aktywowany octan  (octan, ATP, koenzym A) SUBSTANCJE EGZOG.: aminy aromatyczne (najczęstszy sposób detoksykacji) sulfonamidy, hydrazydy, niektóre aminy alifatyczne leki (izoniazyd, prokainamid) nie zachodzi dla grup hydroksylowych i tiolowych ksenobiotyków  ACETYLACJA cd. ENZYMY: N-acetylotransferazy (NAT) ▪ polimorfizm genetyczny: NAT1 (wszystkie narządy) NAT2 (gł. wątroba, jelita) ▪ NAT1 – preferencyjne sprzęganie: PAS (kwas p-aminosalicylowy), kwas p-aminobenzoesowy, sulfanilamid, sulfametoksazol ▪ NAT2 – preferencyjne sprzęganie: izoniazyd, prokainamid, sulfametazyna ▪ obydwa – kancerogenne aminy aromatyczne (np. 2-aminofen)  ACETYLACJA cd. różnice osobnicze w acetylacji (nawet > 100-krotne) fenotyp wolnego (WA) i szybkiego (SA) acetylatora (po 50% w populacji kaukaskiej) WA częściej zapadają na nowotwory pęcherza moczowego indukowane aminami aromatycznymi (zwł. benzydyną) SA częściej zapadają na nowotwory jelita grubego WA – mają objawy neurotoksyczne po izoniazydzie SA – niepożądane efekty lecznicze (nawet gruźlicy)  ACETYLACJA cd. ACETYLACJA - NIE TYLKO DETOKSYKCJA ! ↑ toksyczności sulfonamidów → (nawet 10-krotne) →  rozpuszczalności metabolitów w wodzie → krystalizacja i wytrącanie w środowisku kwaśnym → uszkodzenie kanalików nerkowych  (wskazane środki alkalizujące)  SPRZĘGANIE Z AMINOKWASAMI  SPRZĘGANIE Z AMINOKWASAMI ZWIĄZEK ENDOG.: aminokwasy: gllicyna, glutamina, seryna, tauryna, prolina, (ornityna - ptaki) ENZYMY: N-acylotransferazy (swoiste dla aminokwasów) ZWIĄZKI: kw. karboksylowe aromatyczne i heterocykliczne, kwasy acylooctowe MIEJSCE WIĄZANIA: - azot -aminowej grupy NH2 – glicyna, glutamina, tauryna, z ksenobiotykami będącymi kwasami karboksylowymi - grupa karboksylowa aminokwasów – seryna, prolina – z ksenobiotykami zawierającymi aromatyczną hydroksylaminą (np. N-hydroksyaromatyczna amina) TYP WIĄZANIA: peptydowe -CO-NH-  SPRZĘGANIE Z AMINOKWASAMI cd. WYJĄTEK: jedyna reakcja sprzęgania przebiegająca z aktywacją ksenobiotyku, a nie związku endogennego ! Najczęściej – glicyna – pula ograniczona SUBSTRATY ENDOGENNE dla glicyny i tauryny – kw. żółciowe ZWIĄZKI: kwas benzoesowy + glicyna → kwas hipurowy kwas fenylooctowy + glutamina → fenyloacetyloglutamina kwas salicylowy + glicyna → kwas salicylurowy CEL: łatwiejsze wydalanie z moczem – dobra rozpuszczalność w wodzie i transport aktywny w kanalikach nerkowych SPRZĘGANIE Z AMINOKWASAMI - NIE TYLKO DETOKSYKCJA ! – może też powodować aktywację metaboliczną ksenobiotyków → arylowe N-hydroksyloaminy → reaktywne jony nitreniowe  SPRZĘGANIE Z GLUTATIONEM  SPRZĘGANIE Z GLUTATIONEM ZWIĄZEK ENDOG.: glutation (3 peptyd - kwas glutaminowy, cysteina (G-SH), glicyna) - największe stężenie – wątroba ▪ ZWIĄZKI ULEGAJĄCE SPRZĘGANIU: epoksydy węglowodorów - alifatycznych, aromatycznych i alicyklicznych nienasycone węglowodory alifatyczne halogenowe węglowodory alifatyczne i aromatyczne związki heterocykliczne halogenowe związki nitrowe CEL: ↑ wydalanie z moczem (jako kwasy merkapturowe) lub z żółcią  SPRZĘGANIE Z GLUTATIONEM cd. ENZYMY: S-transferaza glutationowa (GST) – frakcja cytozolowa i mikrosomalna IZOENZYMY: 6 rodzin (,,,,,) – u ludzi: 2 z , 4 z , 1 z  INDUKTORY: fenobarbital i 3-metylocholantren DALSZA DETOKSYKACJA: - alifatyczne i aromatyczne tiocyjaniany → tiole - organiczne wodoronadtlenki → alkohole i fenole DZIAŁANIE ANTYOKSYDACYJNE: wolne rodniki i reaktywne metabolity (epoksydy, chinony), nadtlenek wodoru REGENERACJA GRUP SULFHYDRYLOWYCH różnych enzymów  Rola GSH ▪ stosunek ilości zredukowanej formy glutationu (GSH) do formy utlenionej (GSSG) - R=[GSH]/[GSSG] – miara stresu oksydacyjnego; zwykle 500, w warunkach głodu ok. 150, w wyniku stresu – ok. 2 ▪ udział w detoksyfikacji w organizmie - reaguje m.in. z nadtlenkiem wodoru i nadtlenkami organicznymi ▪ komórki krwinek - zawierają niedostateczną ilość zredukowanego glutationu (GSH) - łatwo ulegają hemolizie ▪ ochronna rola glutationu w stosunku do paracetamolu - aktywny metabolit paracetamolu – N-acetylo-p- benzenochinonoimina (NAPQI)  jeśli za mało glutationu – metabolit wiąże się z białkami tkankowymi → uszkodzenie i martwica wątroby  SPRZĘGANIE Z GLUTATIONEM cd. SPRZĘGANIE Z GSH - NIE TYLKO DETOKSYKCJA ! – może też powodować aktywację metaboliczną ksenobiotyków → reaktywne metabolity → TOKSYKACJA – produkty biosyntezy bardziej toksyczne niż wyjściowe Działanie mutagenne PRZYKŁAD 1,2-dibromoetan → jon episulfoniowy - DNA - dział. mutagenne dichlorometan → formaldehyd - DNA - tumorogeneza halogenowe alkeny → reaktywne tioketony - nerka - nowotwory bromobenzen → reaktywne rodniki - nerka - uszkodzenie nabłonka PRZYKŁADY GŁÓWNYCH REAKCJI http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf http://dl.cm-uj.krakow.pl:8080/Content/4143/Paulina_Kubowicz_Kwa%C5%9Bny_rozprawa_doktorska.pdf  Dziękuję za uwagę W celu uzyskania szczegółowych informacji na temat prezentowanych treści proszę o przesłanie wiadomości na adres mailowy: [email protected]