Xenobiochemie Matej Kohutiar

Osnova 1.Vstup xenobiotik do organizmu 2. Eliminace xenobiotik 3. Biotransformace xenobiotik -I. a II. fáze -enzymové systémy -cytochrom P-450 4. Biochemický a klinický význam biotransformace -interakce cytochromů -degradace vybraných molekul -chemická kancerogeneze 5.Exkrece xenobiotik 6. Metalothioneniny

Zdroje xenobiotik Primární zdroje – chemický průmysl Sekundární zdroje Příklad Zemědelství Pesticidy, herbicidy Lékařství Syntetické látky Potravinářství Aditiva, ochucovadla, barviva Energetický průmysl CO2, SO2, popílek Doprava NOx, olovo, CO2 Spotřební průmysl Plasty, barviva, nátěry Z. KnejzlIk, J. Kas, and T. Ruml Mechanism of Xenobiotics Entry into the Organism and Their Detoxication

Vstup xenobiotika do organizmu Trávicí systém Respirační systém Kůže Krycí epitel; lipidy a fosfolipidy; povrch – vysoká resorpční schopnost Fyzikální a chemické vlastnosti molekul

Lipid Composition of Cell Membranes a Lipid Plasma membrane  % protein  % lipid  % carbohydrate  myelin  18  79  3  human erythrocyte plasma membrane  49  43  8  mitochondrial inner membrane  24  0  Lipid Composition of Cell Membranes a Lipid Plasma membrane Rough endoplasmic reticulum Outer mitochondrial membranes E. coli Erythrocyte Phosphatidylcholine 17 55 50 Phosphatidylserine 6 3 2 Phosphatidylethanolamine 80 16 Sphingomyelin 5 Glycolipids Cholesterol 45 <5 http://www.sivabio.50webs.com/

Maeda et al: Polymeric drugs for efficient tumor-targeted drug delivery based on EPR-effect,European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics Volume 71, Issue 3, March 2009, Pages 409–419 Misra et al: Drug delivery to the central nervous system: a review, J Pharm Pharmaceut Sci 6(2):252-273, 2003 http://www.technion.ac.il/~mdcourse/274203/lect10.html  

Dosažení cílové tkáně Volná difuze Facilitovaná difuze Aktivní tranposrt Endocytosa

Fyzikálně-chemické vlivy David W. A. Bourne (david@boomer.org) PHAR 7633 Chapter 3 Biopharmaceutics and Pharmacokinetic Introduction

pH a absorpce

pH a absorpce

Eliminace xenobiotik Biotransformace a zvýšení polarity Detoxikace Snížení/ zvýšení účinku Aktivace a chemická karcinogeneze

Eliminace xenobiotik Renální exkrece : Jaterní eliminace Filtrace Aktivní tubulární sekrece Tubulární reabsorpce Biotransformace Lipofilita, ionizace, vazba na proteiny, molek. hmotnost Jaterní eliminace Eliminace žlučí Alternativní cesty: plíce, kůže, mozek, vlasy

Eliminace xenobiotik Moschetta et al. BS, PL, and biliary cholesterol carriers

http://www. 78steps. com/human-physiology/enterohepatic-circulation http://www.78steps.com/human-physiology/enterohepatic-circulation.html http://www.uiowa.edu/~c046138/elim.pdf

Biotransformace xenobiotik Enzymatická konverze (většinou) Lokalizace: játra, ledviny, plíce, GIT, mozek … Endoplazmatické retikulum a cytosol

Biotransformace xenobiotik I fáze: mikrosomy Oxidace, hydroxylace, deaminace, epoxidace, sulfoxidace, N- oxidace, hydrolýzy II.fáze: cytosol Konjugace Zvýšení polarity molekuly

Enzymové systémy I.fáze katalyzující redukční reakce Monooxygenázy Flavínové Oxidázy se smíšenou funkcí CYP 450 Dioxygenázy Štěpící Neštěpící aromatické kruhy Peroxidázy

Enzymové systémy I.fáze katalyzující redukční reakce NADPH: chinonoxidoreduktáza (diaforasa) Xanthinoxidasa NADPH:cytochrom P450 oxidoreduktasa

Enzymové systémy I.fáze Hydrolázy Arylesterázy Acetylesterázy Cholínesterázy http://www.atsdr.cdc.gov/csem/csem.asp?csem=11&po=5

Cytochromy P 450 Hemoproteiny s porfyrinovým skeletem http://www.chem.uci.edu/~pfarmer/127i/p450.html, http://www.people.ku.edu/~eescott/StructureGallery/cyp2a13.html

A-H + O2 + NADPH → A-OH + H2O + NADP+ Cytochromy P 450 A-H + O2 + NADPH → A-OH + H2O + NADP+ NADPH:cytochrom P450 reduktasa (ER) Ferredoxinreduktasa (mitochondrie)

Groves J T PNAS 2003;100:3569-3574

Schenkman JB: The many roles of cytochrome b5; Pharmacology & Therapeutics Vol97, Iss 2, 2003, P139–152 http://www.uky.edu/Pharmacy/ps/porter/CPR_enzymology.htm

Klasifikace CYP450 CYP 3A4 3: >40% podobnost A: >55% podobnost Steroly Xenobiotika Mastné kyseliny Eikosanoidy Vitaminy Neznámé 1B1 1A1 2J2 4F2 2R1 2A7 7A1 1A2 4A11 4F3 24A1 2S1 7B1 2A6 4B1 4F8 26A1 2U1 8B1 2A13 4F12 5A1 26B1 2W1 11A1 2B6 8A1 26C1 3A43 11B1 2C8 27B1 4A22 11B2 2C9 4F11 17A1 2C18 4F22 19A1 2C19 4V2 21A2 2D6 4X1 27A1 2E1 4Z1 39A1 2F1 20A1 46A1 3A4 27C1 51A1 3A5 CYP 3A4 3: >40% podobnost A: >55% podobnost podrodina 4: pomocná kritéria Guengerich FP. Cytochrome P450s and Other Enzymes in Drug Metabolism and Toxicity. AAPS Journal. 2006; 8(1)

Guengerich FP. Cytochrome P450s and Other Enzymes in Drug Metabolism and Toxicity. AAPS Journal. 2006; 8(1)

II.Fáze biotransformace xenobiotik Další zvýšení polarity molekuly Konjugační činidlo reaguje s vhodnou funkční skupinou v molekule xenobiotika Většinou probíhá v cytoplazmě Glukuronidace, sulfatace Glutation, glycin

Chem. Listy 94, 913 n 918 (2000)

Konjugáty

Inhibice a indukce CYP 450 1A2 2D6 3A4 Inhibitor Ciprofloxacine Fluoxetine Fluvoxamine Paroxetine Caffeine Haloperidol Verapamil Duloxetine Cimetidine Clomipramine Diltiazem Bupropion Nefazodone Grapefruit Induktor Phenobarbital Modafinil Phenytoin Carbamazepine Omeprazol Tobacco St. John´s Wort

Interakce CYP3A Metabolizmus: blokátory Ca kanálů Benzodiazepiny Inhibitory: Ketokonazol Itrakonazol Fluconazol Cimetidine Clarithromycin Erythromycin Grapefruit Metabolizmus: blokátory Ca kanálů Benzodiazepiny Antivirotika HIV Inhibitory HMG-CoA- reduktázy Cyclosporin Non-sedativní antihistaminika Induktory: carbamazepine rifampicine ritonavir třezalka tečkovaná

CYP a steroidogeneze Loose et al: ketokonazole blocks adrenal steroidogenesis by inhibiting CYP 450 dependent enzymes. J Clin Invest 1983. Vol 71. p.1495-9. Daniel W Nebert, David W Russell, Clinical importance of the cytochromes P450, The Lancet, Vole 360, Iss 9340, 2002, P.1155-62

Degradace vybraných léčiv diazepam a carbamazepine http://www.toxlab.co.uk/diaz-met.htm, http://www.uic.edu/classes/phar/phar402/Antiepileptic%20Drug%20Metabolism7.htm

Degradace vybraných léčiv paracetamol

Degradace aromatických uhlovodíků http://depts.washington.edu/digital/term2.html, http://herkules.oulu.fi/isbn9514270398/html/x203.html

Biotransformace ethan-1,2-diol a aromatické KK http://www.anaesthesiamcq.com/AcidBaseBook/ab8_6b.php, http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Toluene

Chemická karcinogeneze aflatoxin B1 Annie Pfohl-Leszkowicz, Chapter 7 Formation, Persistence and Significance of DNA Adduct Formation in Relation to Some Pollutants from a Broad Perspective, In: James C. Fishbein, Editor(s), Advances in Molecular Toxicology, Elsevier, 2008, Volume 2, Pages 183-239, ISSN 1872-0854, ISBN 9780444530981, 10.1016/S1872-0854(07)02007-3. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1872085407020073)

Chemická karcinogeneze Aristolochové kyseliny http://www.fda.gov/Food/DietarySupplements/Alerts/ucm095272.htm, Stiborova M:Studium enzymů biotransformujících xenobiotika jako nástroj poznání mechanizmu působení kancerogenů a konstrukce kancerostatik nové generace. http://luirig.altervista.org/flora/aristolochia.htm

Exkrece xenobiotik GFR (gradient, polarita, pH) GIT – žluč, enterohepatální oběh, stolice P-glykoprotein Drug resistance in brain diseases and the role of drug efflux transporters Wolfgang Löscher & Heidrun Potschka Nature Reviews Neuroscience 6, 591-602 (August 2005)

Metalothioneiny Malé proteiny (500-1400 Da) bohaté na Cys Golgiho aparát (játra, ledviny, střevo) Detoxikace Cd, Hg, Ag, As Indukované kovy Klaassen et al: METALLOTHIONEIN: An Intracellular Protein to Protect Against Cadmium Toxicity Annual Review of Pharmacology and Toxicology Vol. 39: 267-294