A biotranszformációs lépések áttekintése

Az előadások a következő témára: "A biotranszformációs lépések áttekintése"— Előadás másolata:

1 A biotranszformációs lépések áttekintése
gyógyszermolekula erősen lipofil lipofil poláros hidrofil metabolikusan stabil felhalmozódás (zsírszövet) I. fázis bioaktiváció vagy inaktiváció oxidáció, redukció, hidrolízis poláros II. fázis bioinaktiváció konjugáció hidrofil extracelluláris mobilizáció keringés vérplazmával kiválasztás epével kiválasztás vizelettel

2 A biotranszformációs lépések áttekintése
gyógyszermolekula erősen lipofil lipofil poláros hidrofil metabolikusan stabil felhalmozódás (zsírszövet) I. fázis bioaktiváció vagy inaktiváció oxidáció, redukció, hidrolízis poláros II. fázis bioinaktiváció konjugáció hidrofil extracelluláris mobilizáció keringés vérplazmával kiválasztás epével kiválasztás vizelettel

3 A biotranszformáció II fázisának reakciói
I. Konjugációs reakciók Exogén szubsztrát funkciós csoportja Kofaktor Endogén molekula Enzim A reakció helye Glükuronsavas konjugáció -OH, -COOH, -NH2, -NH, -SH, -CH UDPGA Glükuronil transzferáz (GT) Sima endoplazmás retikulum Szulfát konjugáció aromás-OH/NH2 -COOH PAPS Szulfotranszferáz Citoszol Glicin konjugáció aromás-NH2, -COOH KoenzimA Glicin Aminosav-aciltranszferáz Mitokondrium Acetilálás aromás/alifás-NH2, hidrazinok, -SO2, NH2 Acetil koenzimA N-, O-acetil transzferáz (van mikroszómális is) Metilálás aromás-OH, NH2, NH -SH Adenozil-S- metionin Metiltranszferáz Glutation konjugáció epoxid, szerves haloid Redukált glutation Glutation transzferáz II. Nem konjugációs reakciók enzimjei: epoxid hidrolázok, glioxalázok, karboxilészterázok Az idegen molekula bizonyos csoportjaihoz a sejtben található, un endogén molekulák kötődnek. A konjugációt enzimek katalizálják és a kötés kialakulásához energiát használ fel a sejt. A glükuronsavas konjugáció a sima endoplazmatikus retikulumban zajlik, ahol sok lipofil molekula I fázisbeli oxidációja is történik. (ld MFO komplex ábrája: glükuronil transzferáz, GT.)

4 A kevert funkciójú oxidáz rendszer elhelyezkedése
a sima endoplazmás retikulumban kofaktorok xenobiotikum A GT, glukuronil transzferáz enzim közvetlenül az MFO, a vegyes funkciójú oxidáz komplex közelében helyezkedik el, a sima endoplazmatikus retikulumban. Igy a biotranszformáció I fázisában keletkező reaktív (elektrofil) gyökök életideje rendkívül rövid. fp1, fp2: flavoproteinek b5: citokróm b5

5 (nagy energiatartalmú molekula)
A glükuronsav uridin difoszfát szintézise (nagy energiatartalmú molekula) UTP : uridin trifoszfát UDP: uridin difoszfát

6 A fenol glükuronsavas konjugációja
Fenil-glükuronid A glükuronsav hidrofil molekula, a glükuronsavas konjugáció növeli a poláros fenol molekula hidrofilitását, a konjugátum gyorsabban kiürül a szervezetből, vizelettel távozik. A bioinaktiváció jellemző a II fázis reakcióira, amikor kevésbé hatékony molekula jön létre. Előfordul azonban aktiváció is : a morfin glükuronidjai közül például a 6-glükuronid hatékonyabb, mint az eredeti molekula, míg a 3-glükuronidja viszont hatástalan. Jellemző a reakció típusra, hogy egy molekula többszörösen konjugálódhat glükuronsavval, ha több alkalmas poláros csoportja van.

7 A glükuronsavas konjugáció jellemzői
Gyors (endoplazmatikus retikulumban, MFO komplexhez kapcsolódva) Gyakori (a gyógyszer molekulák jelentős részénél végbemegy) Nem mutat telítődést Egy gyógyszer molekulára több glükuronid csoport is kerülhet (több poláros csoport esetén) OH csoporton, vagy NH2 csoporton (N-glükuronid)

8 Morfin glükuronidjai Morfin-6-glükuronid- hatékonyabb, mint az eredeti molekula Morfin-3-glükuronid-hatástalan

9 A fenol átalakulása fenilszulfáttá
szulfuriláz SO42- + ATP APS + PPi (pirofoszfát) (adenozin-foszfoszulfát , pirofoszfát) APS foszfokináz APS + ATP PAPS + ADP (foszfo-adenozin-foszfo-szulfát) A szulfát-konjugációhoz enegiával feltöltött szulfát ion szükséges. Az energia az adenozin -trifoszfát (ATP) molekulától származik. APS : adenozin -foszfoszulfát PAPS: foszfo -adenozin -foszfo -szulfát PAP: foszfo -adenozin -foszfát A reakcióra jellemző: bizonyos szubsztrát-specificitás (fenolok, alkoholok, szteroidok) Telíthető (a szulfát készlet véges, sok idegen molekula esetén másféle II. fázisbeli reakció történik, konjugáció, vagy nem konjugáció) Általában a citoszolban zajlik Terméke főleg a vizelettel ürül A 2. leggyakoribb reakció

10 Szulfát konjugáció jellemzői
Bizonyos szubsztrát-specificitás (fenolok, alkoholok, szteroidok) Az exogén szubsztrátok poláros csoportjai: aromás OH, aromás amin, szerves sav Telíthető (a szulfát készlet véges) A 2. leggyakoribb II.fázis reakció Általában a citoszolban zajlik A szulfotranszferáz enzimnek (ST) sok izozimje van

11 Aminosav konjugáció Leggyakrabban glicin konjugáció, de előfordul más aminosavval történő konjugáció is Nem az endogén szubsztrát (glicin) hanem a kofaktor koenzimA kerül aktivált állapotba Mitokondriumokban zajlik (Aminosav acil-transzferázok) A koenzim A ciszteaminból, (tioetanolamin; 5), β-alanin-ból (4), pantoinsavból (dihidroxi-dimetil-butánsav; 3) és egy 3'-foszforilált adenozin-difoszfát (ADP; 1+2) molekularészből épül fel, ahol a foszfát a ribózrész 3-as C-atomjához kapcsolódik. A ciszteaminrész tiolcsoportjához kötődnek az aktivált tioészterek acilcsoportjai. A β-alanin és a pantoinsav együtt pantoténsavat képeznek, amely a ciszteaminnal panteteint képez. A koenzim A tehát 3-foszfo-ADP-ből és panteteiből tevődik össze. A koenzimA zsírsavszintézis, a zsírsavoxidáció és a piruvát oxidáció (Szentgyögyi-Krebs ciklus vagy citrimsav ciklus) és a xenobiotikumok aminosav konjugációjában vesz részt.

12 Acetilálás Funkciós csoportok: alifás, aromás aminok, amidok, hidrazinok, szulfamidok Enzimek:N-acetil transzferáz, O-acetil transzferáz A reakció helyszíne: citoszol

13 Metilálás Funkciós csoportok: hidroxil, amino csoport
Kofaktor:adenozil-S-metionin (nagy energiájú metil donor) Enzimek: metil-transzferázok A reakció helyszíne: citoszol, endoplazmás retikulum

14 Glutation konjugáció glutation: tripeptid, gamma-glutamil-ciszteinil-glicin, GS Veszélyes molekulákat alakít át merkaptúrsavvá (kevés gyógyszermolekula konjugálódik glutationnal)

15 Glutation konjugáció:
Kevés gyógyszer távozik glutation konjugátumként, de a glutationos konjugáció fontos, mert nagyon veszélyes , elekrofil molekulákat vagy köztes termékeket inaktivál. Funkciós csoportok: szervesshalogenidek (halidok), Pl: A 3,4 diklóro-nitrobenzol epoxidok, C=C kettős kötést tartalmazó csoportok. Pl Brómciklohexánból ciklohexén, majd egy epoxid köztes termék keletkezik, amelyelektrofil, mutatén, karcinogén lehet. Az epoxid glutation addícióval alakul át ártalmatlan merkaptursavvá.

16 Epoxid átalakulása merkaptursavvá glutation
konjugációval A benzolból az 1. fázis során epoxid köztes termék keletkezik. Az epoxid többféle úton alakulhat tovább. A múlt alkalommal egy utat felvázoltunk, ahol molekulán belüli átrendeződéssel fenol jön létre. Egy másik lehetséges átalakulás az epoxid-csoport konjugációja glutationnal, amely egy közegből felvett proton segítségével, egy vízmolekula képződése közben benzol merkaptúrsavvá alakul át. A merkaptúrsav a vizeletbe kerül, onnan ki is mutatható. Ezt az iparban felhasználják munkások oldószer expozíciójának monitorozására.

17 A II. fázis nem konjugációs reakciói
Epoxid hidrolázok Glioxalázok Karboxilészterázok által katalizált reakciók

18 Epoxidok eliminációja epoxid hidroláz enzim segítségével
Pl. Brómbenzolból brómbenzol 3,4 epoxid jön létre (I.fázis), ami epoxid hidroláz enzim segítségével brómbenzol 3,4 hidrodiollá alakul. A reakció első lépéseként az enzim aktivál (deprotonál) egy vízmolekulát. Az epoxid hidrolázok valószínűleg nem az epoxid gyűrűt aktiválják, hanem egy vízmolekula deprotonálása révén hatnak. Dihidro-diolok jönnek létre.

19 A biotranszformáció II. fázisa Általában bioinaktivációt jelent
Kivételes esetben aktiváció is történhet: Morfin glukuronid konjgátuma A termékek vízoldhatósága nagyobb, mint a kiindulási termékeké, a termékeket a szervezet könnyen üríti. Ezen kívül a konjugátumoknak általában nagyon alacsony a biológiai aktivitása X

20 Aromás aminok inaktivációja a májban és reaktivációja a hugyhólyagban
A savanyú közeg visszafordítja a konjugációs reakciót.

21 Karbónium és nitrénium ion képződése
benzilalkohol és hidroxámsav szulfátkonjugátumából Előfordul , hogy a keletkező szulfát-konjugátum nem stabil A benzilalkoholt gyakran használják amino-csoportok védelmére. Az aminocsoportot (R3) védő benzilalkohol szulfát-konjugátuma azonban gyakran nem stabil, szulfát ionra és erősen elektrofil karbónium ionra bomlik. A hidroxám savak a karbonsavak funkcionális formái. A sejtben többségében nukleofil , negatív töltésű molekulák vannak jelen . A nukleofil molekulák könnyen helyettesítik a disszociált karbonsavak hidroxilamino csoportját, A hidroxil amino csoport helyére nukleofil mulekula csoport léphet, ami instabillá teszi a molekulát, és hidroxilamin válik szabaddá, ami erős redukáló szer, és közepesen mérgező. Ha a hidroxámsav szulfát ionnal konjugálódik, a konjugátum szulfátra és erősen elektrofil nitréniu m ionra bomlik. A karbónium és a nitrénium ion fehérjékkel vagy nukleinsavakkal reagálva a sejt pusztulását okozhatják, vagy daganat kialakulásához vezethetnek.

22 Thiiránium ion keletkezése dibróm – etán glutationos konjugációja után
Egy példa a glutationos konjugáció bioaktivációs hatására: A dibróm etán glutation-konjugátumából bróm szabaddá válása mellett egy tiol vegyület , thi-iranium jön létre, ami elektrofil szerkezet. Ez az élő szervezetben kialakuló metabolit felelős a dibróm etán mutagenitásáért és karcinogenitásáért. A glutation konjugáció ritka a gyógyszerek metabolizmusában, ha azonban szerepel a metabolikus utak között, gyakran bioaktivációhoz vezet.

23 Tiol képződése cisztein glutation konjugátumából
Hexaklór butadién . Sok szulfhidril csoport reaktív.

24 Egy molekula metabolizmusának vizsgálata
Rádioaktív jelöléssel ellátott molekulával végzett in vivo állatkísérletek In vitro kísérletek

25 A dimethachlor metabolikus átalakulása (18 azonosított metabolit)

26 A biotranszformációt befolyásoló tényezők
Faj Fajon belüli genetikai különbségek Életkor Élettani állapot Külső tényezők (egyéb gyógyszerek, élelmiszerek, élvezeti cikkek)

27 A fenol glükuronsavas és szulfátos
konjugációjának aránya néhány fajnál Glükuronid konjugáció (%) Szulfát Macska 87 Ember 23 71 Patkány 25 68 Nyúl 46 45 Disznó 100

28 Amfetamin biotranszformációja nyúl, patkány
tengerimalac és kutya esetében Patkánynál és kutyánál: aromás hidroxiláció történik, majd konjugációs reakció következik Nyúlon, tengerimalacon és emberben: oxidatív dezamináció az első lépés, fenilaceton jön létre, majd tengerimalacnál benzoesav jön létre (I fázisos reakció), nyúlnál karbonil redukció történik, hidroxil származék jön létre, majd konjugációs reakció következik. Az emberi metabolizmus a tengerimalacéhoz áll közel. Az amfetamin fő metabolitja a benzoesav. Kis mennyiségben 4- hidroxi amfetamin is keletkezik és jelentős mennyiségű amfetamin ürül változatlan állapotban.

29 A biotranszformáció I. fázisának reakciói az
életkor függvényében Lineáris növekedés pl patkány aromás és alifás hidroxiláció Választás utáni lineáris növekedés pl.néhány N-demetiláció Születés és választás között maximum, majd lecsökkenő aktivitás, a magzati életben szerepet játszó molekulák eliminálásában részt vevő enzimek aktivitása Szoptatás alatt erősen emelkedő, a választás után csökkenő enzimaktivitás A változások mögött a sejtek metabolizáló rendszerének változásai, az endoplazmás reitkulum aránya, a citokróm P 450 komplex (MFO) komponenseinek változásai állnak. Hasonló életkori változások a biotranszformáció II fázisához tartozó enzimek aktivitásában is megfigyelhetők. A glukuronidáció képessége a születés körül alakul ki és kezd emelkedni. A szulfatálás ezzel szemben már a magzati életben is aktív, valószínűleg azért, mert a magzatban termelődő szteroidok biotranszformációjában a szulfát-konjugáció fő szerepet játszik.

30 Születés előtti hatások
A thalidomid története 1953 szintézis, Chemie Grünenthal 1957. forgalmazás kezdete Az 1950-es évek elején Németországban, a Chemie Grünenthal cég kutatói peptidekből szerettek volna antibiotikumot előállítani. 1953-ban ftalo-izoglutamin hevítésével ftálimido-glutárimidet állítottak elő, amit Thalidomide-nek neveztek el és keresték, hogy a vegyületet milyen betegség gyógyítására lehetne használni. Hamar kiderült, hogy a Thalidomide nem antibiotikum. A rágcsálókon , nyúlon, kutyán és macskán elvégzett kísérletekben a molekulának semmilyen ártalmas hatását nem figyelték meg, viszont a kezelt állatok a kezeletleneknél nyugodtabbak voltak. Így a cég mellékhatások nélküli nyugtatóként hozta forgalomba a molekulát. A nyugtató hatást az egerek ugrásainak csökkenésével támasztották alá. A molekula születendő gyermekre való ártalmasságát egereken végzett teratogenitási vizsgálattal zárták ki. 1957-ben engedélyezték a Thalidomide tartalmú nyugtatót Contergan néven. Eleinte epilepsziás betegeknek adták (bár a hatóanyag görcsoldó hatása nem volt bizonyítva), majd terhes nőknek is ajánlották a kora terhességi tünetek enyhítésére. Először az Egyesült Királyságban figyeltek fel a torzszülött gyerekek ls az anya Contergán szedése közötti kapcsolatra. A szer forgalmazását 1961-ben betiltották, de addigra több, mint csonka végtaggal született csecsemő jött a világra.

31 Thalidomide babies

32

33 Thalidomide S: nyugtató hatású R: torzkeltő (teratogén)
A Thalidomide két enatiomer változatban létezik. Az S változat nyugtató, az R változat torzkeltő (teratogén) hatású.

34 A tragédia okai Nem ismerték a molekula királis jellegét
Nem ismerték a molekula apoptózisra gyakorolt hatását Nem ismerték a faji különbségeket egér: Szuperoxid keletkezés glutation- konjugáció ember: Szuperoxid keletkezés glutation- konjugáció

35 Néhány példa a biotranszformációs folyamatokat
befolyásoló külső tényezőkre Környezeti tényezők Inszekticidek, herbicidek, nehézfémek, ipari szennyező anyagok Étrendi tényezők Indolok, dohánytermékek, marihuána termékek, alkoholfogyasztás, pirolízis termékek, a táplálék egyes alkotórészei (nyomelemek, ásványi anyagok, vitaminok, fehérjék, lipidek, szénhidrátok

36 Néhány bifenil molekulasúlya és kiválasztási útja patkányban
Nefron Néhány bifenil molekulasúlya és kiválasztási útja patkányban Kiválasztás útja (%) Anyag Molekulatömeg Vese Fécesz Bifenil 154 80 20 4-monoklórbifenil 188 50 4,4’-diklórbifenil 223 34 66 2,4,5,2’,5’-pentaklórbifenil 326 11 89 2,3,6,2’,3’,6’-hexaklórbifenil 361 1 99 Referencia: H. B. Mattheus in: Introduction to Biochemical Toxicology (1960)

37 Enterohepatikus körforgás