Biotranszformáció Csala Miklós Semmelweis Egyetem Orvosi Vegytani, Molekuláris Biológiai és Patobiokémiai Intézet
Endobiotikumok: endogén vegyületek, amelyek nem tudnak lebomlani és energiát szolgáltatni a sejtben. Rendszerint hidrofób, kis vízoldékonyságú anyagok, ezért könnyen felhalmozódnak és mérgezővé válnak. (pl. koleszterin, szteroid hormonok, katekolaminok, hem, eikozanoidok stb.) Xenobiotikumok: hasonló természetű exogén vegyületek. (pl. a táplálék természetes főleg növényi eredetű összetevői; tartósítószerek, rovarirtó-, növényvédőszerek, gyógyszerek, környezetszennyező anyagok stb.)
Biotranszformáció: azon biokémiai reakciók és transzport folyamatok összessége, amelyek a xeno/endobiotikumokat inaktív és rendszerint vízoldékonyabb kiürítésre alkalmas molekulákká alakítják.
mérgező lehet A biotranszformáció fázisai X-H X-OH xenobiotikum gyakran mérgezőbb a kiindulóvegyületnél endobiotikum előkészítés: I. fázis funkciós csoportot tartalmazó intermedier konjugáció: II. fázis E-H E-OH biológiailag aktív lehet biológiailag aktív vegyület rendszerint nem mérgező és vízoldékony X-O-Y konjugált végtermék E-O-Y rendszerint inaktív kiürítés: III. fázis epe v. vizelet epe v. vizelet
Előkészítés I. fázis cél: funkciós csoportok (-OH, -NH 2, -SH, -COO - stb.) létrehozása oxidáció hidroxiláció aromás, alifás, nitrogén dezalkiláció (N-, S-, P) dezamináció N-, S-, P- oxidációk S-kicserélés epoxidáció egyebek Enzimek: redukció azo redukció nitro redukció diszulfid redukció egyebek monooxigenázok dioxigenázok dehidrogenázok hidrolázok hidrolízis észterek amidok
I. fázis reakciói
azo redukció H 2 N NH 2 H 2 N N N SO 2 NH 2 H 2 N + Prontosil NH 2 H 2 N SO 2 NH 2 szulfonamid sulfanilamide nitro redukció nitrobenzol NO 2 NO NHOH NH 2 NO 2 NH 2 anilin chloramphenicol (antibacterial) kloramfenikol CHOH CHOH HOCH 2 CHNHCCHCl 2 HOCH 2 CHNHCCHCl 2 O O
diszulfid redukció CH 3 CH 2 N CH 3 CH 2 S S S CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 C SS C N 2 N C CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 Disulfiram (Anatabuse ) SH egyéb redukciók C C C C O C OH C As 5+ As 3+
Hidrolízis észterek COOH OCCH 3 O + H 2 O COOH OH + HOCCH 3 O acetylsalicylic acid acetil-szalicilsav amidok O O H 2 N S CH 3 RCNH N O penicillins penicillinek S CH 3 CH 3 COOH RCOH O +H 2 O O RCNH HOOC N N H CH 3 COOH S CH 3 CH 3 COOH
Monooxigenálás
Citokróm P450 enzimek hemet tartalmazó fehérjék a kevert funkciójú oxigenáz elektrontranszfer rendszer terminális tagjai a sima felszínű endoplazmás retikulumban találhatók (minden sejttípusban) NADPH-t használnak monooxigenáláshoz széles a szubsztrátskálájuk (csekély a specificitásuk) jelentős polimorfizmust mutatnak indukálhatók
P450-reduktáz P450-reduktáz
Citokróm P450 monooxigenáz és P450-reduktáz NADPH + H + E-FAD E-FMNH 2 O 2 A-H P450-reduktáz CYP450 NADP + E-FADH 2 E-FMN H 2 O A-OH A-H O 2 NADPH + H + citokróm P450 (hem) és P450- reduktáz (FAD, FMN) NADP + H 2 O A-OH
FAD FAD FMN FAD FMN FAD FMN FAD FMN FAD
Hidroxiláció OH benzol Benzene fenol Phenol
Epoxidáció H Benzo[a]pyrene benzo[a]pirén O H benzo[a]pirén- Benzo[a]pyrene 7,8-oxide 7,8-epoxid
Dezalkilálás O H 2 C CH 3 OH + H o C CH 3 N N H C CH 3 H C CH 3 O Phenacetin O Acetaminophen Acetaldehyde fenacetin acetaminofen acetaldehid
A P450 gén szupercsalád Nomenklatúra: CYPCsalád/Alcsalád/Gén Család = 1, 2, 150 ~40% aa hasonlóság Alcsalád = A, B, H 55-65% aa hasonlóság Gén = 1, 2..10... >97% aa hasonlóság (polimorfizmus) CYP 3 A 4 *15 A-B család >40% szekvenciahomológia izoenzim alcsalád >55% szekvenciahomológia allél
Citokróm P450 enzimek A CYP izoenzimek főleg a májban expresszálódnak CYP 1A2 13% CYP 1A6 8% CYP 2D6 2% other CYP 2A6 7% 4% CYP 2C6 6% CYP distribution CYP 2E1 13% CYP 3 31% CYP 2C11 16% CYP 3 CYP 2C11 CYP 2E1 CYP 2C6 CYP 1A6 CYP 1A2 CYP 2A6 CYP 2D6 other
A CYP izoenzimek szubsztrát-specificitása CYP 1A2, CYP 2A-E, CYP 3A4 CYP 2E1 kicsi méret nagy CYP 3A4 CYP 2C9 savas közepes pk bázikus a CYP 2D6 neutrális CYP 1A2, CYP 2A, 2B CYP 2B6 magas planaritás lapos CYP 1A2 CYP 2A6 közepes Lit: D.F.V. Lewis Biochem. Pharmacol. 60 (2000) 293
A gyógyszermetabolizáló enzimek polimorfizmusáról
A P450 allélek genotipizálása ( DNA-chip )
Az első fázis biológiai/farmakológiai hatása pentobarbitál (aktív) hidroxi-pentobarbitál (inaktív) dietil-stilbösztrol karcinogén epoxid
acetil-szalicilsav Acetylsalicylic Acid ACTIVE(aktív) analgesic CO 2 H szalicilsav (aktív) Salicylic acid ACTIVE analgesic CO 2 H OCCH 3 OH O kodein Codeine (aktív kábító ACTIVE fájdalomcsillapító) narcotic analgesic morfin (még aktívabb kábító fájdalomcsillapító) Morphine ACTIVE (more potent) narcotic analgesic H N CH 3 H N CH 3 H H H 3 CO O OH HO O OH metanol (aktív depresszáns) Methanol ACTIVE CNS depressant CH 3 OH formaldehid Formaldehyde (méreg) TOXIC HCH O ( ) hangyasav Formic Acid (méreg) TOXIC ( ) HCOH O
O HO HO O HO OH HO HO HO HO HO HO O O HO HO HO NH HO DNA O P450IA1 Epoxide hydrolase P450IIIA4 7,8-epoxide 7,8-dihydrodiol 9,10-epoxide Protein 7,8-dihydrodiol O HO HO O HO OH HO HO HO HO HO HO O O HO HO HO NH HO DNA O P450IA1 Epoxide hydrolase P450IIIA4 7,8-epoxide 7,8-dihydrodiol 9,10-epoxide Protein 7,8-dihydrodiol A benzpirén metabolikus aktiválása A benzpirén metabolikus aktiválása
II. Fázis Konjugáció
Glukuronidáció glukóz-1-foszfát UGT: UDP-glukuronozil-transzferáz UTP PP i 2NAD + 2NADH + 2H + UDP-glukóz acetaminofen +UDP +UDP UDP-glukuronsav ibuprofen p-aminoszalicilsav +UDP
endobiotikum xenobiotikum VÉR citoplazma konjugált termék III. fázis EPE konjugált termék ER lumen endobiotikum xenobiotikum GUS I. fázis II. fázis konjugálandó szubsztrát konjugálandó szubsztrát konjugált termék konjugált termék UGT
Szulfatálás SO 4 2- ATP PP i ATP APS ADP szulfotranszferáz acetaminofen
Glutationos konjugáció Glu glutation S-transzferáz glutamil- transzferáz glutation (GSH) acetiláz ciszteinil- glicináz Gly acetyl-s-coa HS-CoA merkaptusavszármazék
Aminosavas konjugáció glicin N-aciltranszferáz benzoesav benzoil-koa hippurát
Acetilálás transzacetiláz HS-CoA prokainamid acetil-koa N-acetil-prokainamid
Metilálás ATP Metionin PP i + P i +SAH noradrenalin 3-metoxi-noradrenalin +SAH adrenalin
III. Fázis kiürítés
endobiotikum xenobiotikum X HEPATOCITA MRP1/3/6 vér OATPA/B/C/8 PGT X hoct1 NTCP endoplazmás retikulum X-OH X-konjugátum epe sejtmag citoplazma MRP2 MDR1/3 BSEP
ABC transzporterek citoplazma citoplazma nukleotidkötő domének (NBD) pumpa (MRP) motor (NBD) ABC: ATP-binding cassette csatorna (CFTR)
A koleszterin mint endobiotikum koleszterin NADPH 22-hidroxi-koleszterin NADPH 20,22-dihidroxi-koleszterin NADPH kortizol pregnenolon O 2 NADPH Izokaproaldehid
koleszterin A koleszterin biotranszformációja CYP450 monooxigenázok glikokolát (konjugált epesav) Kolát (epesav)
hem-oxigenáz hem A hem biotranszformációja biliverdinreduktáz
A hem biotranszformációja UDPglukuronoziltranszferáz 2 UDP-glukuronsav 2 UDP bilirubin-diglukuronid
A biotranszformációs enzimek transzkripciós szintű szabályozása: az Ah-receptor
DRE = dioxin response element XRE= xenobiotic RE
AH: poliaromás szénhidrogén metilkolantrén (MC) benz[a]pirén (BaP) halogénezett AH (Ezek némelyikét nem tudják átalakítani a biotranszformációs enzimek.) tetraklorobifenil (PCB)
Dioxin Először szennyeződésként fedezték fel a lombírtó vegyi fegyverben (Agent Orange), a vietnámi háborúban (1964-73). teratogén anenkefáliát, szájpadhasadékot, gerinczáródási zavart, abortuszt okoz, ami a reténsavmetabolizmus zavarának következménye antiösztrogén felgyorsítja az ösztrogénlebontást
Alkoholmetabolizmus
LD 50 Comparison Chemical LD 50 (mg/kg) Ethyl Alcohol 10,000 Sodium Chloride 4,000 Ferrous Sulfate 1,500 Morphine Sulfate 900 Strychnine Sulfate 150 Nicotine 1 Black Widow 0.55 Curare 0.50 Rattle Snake 0.24 Dioxin (TCDD) 0.001 Botulinum toxin 0.0001
endoplazmás retikulum O 2 NADPH + H + CYP2E1 citoplazma etanol CH 3 -CH 2 -OH NAD + alkoholdehidrogenáz (ADH) peroxiszóma kataláz H 2 O 2 NADP + 2H 2 O O 2 NADPH + H + acetaldehid CH 3 -CHO NADH + H + H 2 O NAD + 2H 2 O NADP + H 2 O + H + CYP2E1 acetát CH 3 -COO - NADH + H + H + KoA-SH ATP aldehiddehidrogenáz acetil-koaszintetáz AMP + PP i polimorfizmus, Antethil (diszulfiram) acetil-koa CH 3 -CO-S-KoA mitokondrium
Az acetil-koa-túlkínálat és a redox shift következményei magas [ NADH ] + [ NAD ] zsírsav-oxidáció enzimei citrátkör enzimei csökkent acetil-koaoxidáció csökkent zsírsav-oxidáció glicerin-3pdehidrogenáz glicerin-3pfelhalmozódás fokozott zsírsavszintézis hiperlipidémia zsírmáj LDH tejsavas acidózis
Az acetaldehidémia következményei adduktképződés apolipoproteinek tubulin fehérjeszekréciós zavar csökkent VLDL-termelés zsírmáj DNS-hibajavító enzimek GSH csökkent antioxidáns védelem csökkent VLDLszekréció DNSkárosodások oxidatív stressz mutációk rák
CYP2E1 indukciója CYP2E1 gén CYP2E1 mrns CYP2E1 fehérje + ubiquitin (+ ATP) + etanol CYP2E1 fehérje ubiquitin CYP2E1 fehérje etanol proteaszomális lebontás T ½ 7 óra lizoszomális lebontás T ½ 37 óra hem + aminosavak + ubiquitin hem + aminosavak
A CYP2E1 indukciójának következményei hipoxia oxidatív stressz mérgező intermedierek felhalmozódása a gyógyszer/hormon-metabolizmus megváltozása
Az etanol megzavarja a gyógyszer-metabolizmust A CYP 2E1 C CYP 2E1 A: nem iszákos és most sem ivott B: nem iszákos, de most ivott C: iszákos, de most nem ivott D: iszákos és most is ivott X-OH etanol X-OH etanol B CYP 2E1 D CYP 2E1 X-OH X-OH
Warnings Proposed for Over-the-Counter Drugs Published: December 20, 2006 More than 200 million Americans a year take products like Tylenol with acetaminophen, and overdoses cause up to 450 deaths a year from acute liver failure. In addition to deaths associated with liver failure, acetaminophen is the leading cause of calls to poison control centers and is responsible for an estimated 56,000 emergency room visits and 2,600 hospitalizations every year.
acetaminofen CYP2E1 (1A2, 3A4) szulfotranszferáz UDP-glukuronoziltranszferáz ártalmatlan konjugált termékek NAPQI (N-acetylp-benzoquinone imine) toxikus intermedierek Az acetaminofen hepatotoxicitása ROS-termelődés oxidatív stressz sejtmakromolekula ártalmatlan Cys / mercaptursav konjugátumok