Biotransformace cizorodých látek Eva Samcová

Účinek je výsledkem interakce živé hmoty a látky. Závisí na Jed je látka způsobující otravu i v jednorázových malých dávkách, nebo poškozuje organismus v nepatrných opakovaných dávkách, jejichž účinek se sčítá. Účinek je výsledkem interakce živé hmoty a látky. Závisí na Látce – fyzikální, chemické vlastnosti Expozici –na dávce, na hladině prostředí, na trvání kontaktu, na druhu resorpce Na organismu – individuální, zděděné a získané vlastnosti

Absorbce a distribuce Expozice polutantům neúmyslné, léčivům úmyslné Absorbce závisí na chemické struktuře látky povaha membrány je důležitá pro transport toxické látky do buňky (glycerolfosfolipidy- fosfatidylcholin) ◘ Transport xenobiotika do buňky: 1. Pasivní difuse: Xenobiotika většinou nemají svůj transportní systém a proto jsou absorbovány pasivní difuzí Lipofilní látky procházejí membránou, v důsledku koncentračního spádu Malé hydrofilní molekuly procházejí bez ohledu na hydrofobní charakter membrány

Transport xenobiotik Rozdělovací koeficient předpovídá, zda látka bude nebo nebude transportována do buňky, a je podílem koncentrace dané látky v lipidu a ve vodě P > 1, látky je více v lipidu→ difuse probíhá snadno P < 1, difuse probíhá méně snadno Koncentrace vně a uvnitř buňky Lipofilní sloučeniny mnohem snadněji projdou membránou, za předpokladu, že pohyb není proti koncentračnímu spádu

Pasivní transport nabitých částic Nabité ionty neprochází membránou snadno. Užitečné je uvědomit si vlastnosti slabých kyselin a zásad mnoha organických sloučenin Jejich kyselý nebo bazický charakter, hodnotu pH prostředí, změnu pH při transportu jejich molekuly Příklad: Transport kyseliny benzoové (pKA = 4,2) a anilinu (pKA = 4,6) v gastrointestinálním traktu pH v žaludku 1,0 pH v duodenu 6,5

Xenobiotika jsou často extrémně hydrofobní látky Typické příklady : polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU), benzo(a)pyren, DDT, vinylchlorid a další nemají pKA a nejsou tedy ovlivňovány změnami pH během průchodu GIT Např. benzo(a)pyren nemá pKa a je nerozpustný ve vodě, není tedy ovlivněn změnami pH během pasáže GIT

2. Transportní systémy Xenobiotika používají i transportní systémy endogenních látek : usnadněnou difusi, aktivní transport (alanin a β-aminopropansulfonová kyselina) fagocytosu, pinocytosu (fagocytosa částic v alveolu, Kupferovy buňky) musí však mít velmi podobnou strukturu

Transport látek kůží Kůže je relativně impermeabilní pro xenobiotika (výjimka např. sarin - fluorofosfinát) Vnější vrstva - stratum corneum – keratinizovaná vrstva s plochými buňkami je efektivní barierou pro látky rozpustné ve vodě Epidermis – skládající se ze stratum corneum a 3 dalších vrstev - není vaskularizován - pasivní transport (difuse) lipofilních látek, které difundují úměrně rozdělovacímu koeficientu. Polární látky hydratované se váží na bílkoviny stratum corneum Vaskularizovaná propustná vrstva pod epidermis a tedy vysoce propustné

Transport plicemi Plíce jsou citlivé ke dvěma druhům toxických látek: dispergovaným částicím ve vzduchu a těkavým organickým látkám a plynům Výměna plynů - hlavní funkce plic. Ochrana proti těkavým rozpouštědlům nebo plynům je funkcí rozpustnosti plynů v krvi a rychlosti respirace.

Distribuce Distribuce ve vodném prostředí : plasmatická voda, intersticiální voda a intracelulární voda Příklad kyselina benzoová a anilin V žaludku bude absorbována převážně kyselina benzoová, v krvi (pH=7,35) benzoát, nabitý benzoát nedifunduje snadno do buněk Anilin je absorbován velmi málo v GIT, ale při pH krve nemá náboj a proto snadno přechází do intracelulární vody(tekutiny) Různé cesty podání mají významný vliv na distribuci toxické látky (intravenózní vs. orální)

Distribuce Cizorodé látky nebo jejich metabolity se v krvi váží velmi ochotně na bílkoviny (zvláště albumin) nebo na buněčné struktury (problémem může být náhlé uvolnění z vazby na proteiny) Lipofilní látky mají tendenci se kumulovat v tukové tkáni v kostech (akumulace je výhodná – pomalé uvolňování (PCB)

Biotransformace Biotransformace – způsob přeměny a odstraňování nízkomolekulárních a vysokomolekulárních cizorodých látek z organismu Biotransformační proces je dynamický a závislý na endogenních a exogenních látkách Hlavním místem biotransformace jsou játra, i když biotransformační procesy probíhají také v plicích, ledvinách, kůži i GIT (tj. v místech jejich vstupu a exkrece)

Biotransformace Subcelulární lokalizace : - hladké endoplasmatické retikulum je centrem oxidativní aktivity hepatocytu - cytosol Zvýšená koncentrace xenobiotika indukuje syntézu enzymů Enzymový systém musí být nespecifický Enzymy účastnící se biotransformace xenobiotik, jsou používány i při metabolismu endogenních sloučenin

Metabolismus cizorodých látek probíhá ve dvou fázích Fáze I – biotransformační (do lipofilních látek se zabudovávají nové funkční skupiny) Výsledek – zvýšení polarity Fáze II – konjugační (syntéza malých endogenních molekul s funkčními skupinami metabolitů vzniklých ve fázi I) Výsledek – pokles lipofility, zvýšení polarity větší než ve fázi I a rychlejší exkrece metabolitů z buňky, nejčastěji močí a žlučí

Chemie reakcí I. fáze Nejrozsáhlejší jsou oxidace, méně časté redukce a hydrolýza xenobiotik Biotransformační reakce neznamenají nutně inaktivaci látky (tj. aktivní látka → inaktivní metabolit) Nejčastější oxidací je hydroxylace probíhající v postranním řetězci nebo na aromatickém jádře Monooxygenasy (oxidasy se smíšenou funkcí) – podmínka přítomnost NADPH a kyslíku Souhrnná rovnice : R-H + O2 + NADPH + H+ → R-OH + NADP+ + H2O Oxidace xenobiotika R-H a NADPH

Cytochrom P-450 jako součást multienzymového komplexu Obsahuje Fe3+ a váže na sebe xenobiotikum a kyslík Další složka NADPH-cytochrom reduktasa – redukuje Fe3+ cytochromu P450 na Fe2+. Ten je v ER zapojen do systému transportu elektronů jako je tomu u respiračního řetězce v mitochondrii. Enzymový systém je vázán na fosfolipidovou část membrány ER Induktorem syntézy monooxygenasy může být např. fenobarbital

Příklady oxidace Hydroxylace : alifatických sloučenin , aromatických sloučenin R-CH2-CH2-CH3 → R-CH2-CHOH-CH3 ● Oxidace probíhá i na atomu dusíku (za účasti NADPH a O2, výsledkem je fenylhydroxylamin a nitrosobenzen) : C6H5-NH2 → C6H5-NHOH → C6H5-N=O ● N-, O- nebo S-dealkylace : R – NH – CH3 → R-NH2 + HCHO ● Deaminace : R – CH – NH2 → R – C=O + NH3 │ │ CH3 CH3

Oxidace alkoholů První krok (ethanol) – oxidace na acetaldehyd s produkcí NADH + H+ za pomoci alkoholdehydrogenázy. Alkoholdehydrogenáza umístěna exkluzivně v cytosolu. Vzniklý acetaldehyd je přenesen přes mitochondriální membránu do mitosolu, kde je oxidován pomocí aldehyddehydrogenázy na acetát. Acetát po aktivaci na Acetyl-CoA je využit v citrátovém cyklu NADH vyprodukované při 1. reakci musí být pomocí člunků buď malát-aspartát nebo glycerol-fosfát přeneseno do mitochondrie, kde je použito v respiračním řetězci Další enzym katalasa (používá H2O2 jako oxidant)

Další reakce I. fáze Redukční reakce probíhají na ER i v cytoplasmě Např. Redukce karbonylu : R-CO-R1+ NADPH+H+ → R-CHOH-R1+ NADP+ ● Hydrolytické reakce : štěpení esterových, amidových, etherových vazeb, ale také C-N vazby v hydrazidech, karbamátech, nitrilech a hydroxamových kyselinách ● Jiné transformace zahrnují např. cyklizaci (která je spontánní a neenzymová) nebo naopak otevření heterocyklického nebo aromatického kruhu

Konjugace – II. Fáze přeměny cizorodých látek Potřeba endogenní složky - tím xenobiotika zasahují do intermediárního metabolismu Ze syntetického charakteru konjugací plyne i jejich endergonní charakter (přenos se uskutečňuje přes aktivované sloučeniny) Zvýšení polárního charakteru, vysoká ionizace,konjugát již nemůže pronikat do buněk a je vylučován nejčastěji ledvinami (do 300kDa, nad žlučí) Konjugace probíhá v játrech (v malém rovněž kůže a střevo) Konjugát vznikl tedy syntézou aktivované endogenní složky s xenobiotikem

Konjugační činidla Nejdůležitější konjugační činidla : • kyselina glukuronová, aktivovaná forma UDP-glukuronát → vytváří O- nebo N- glukuronidy (Benzen pKA=40 → fenol pKA= 10 → konjugát pKA=3,2 ) • H2SO4, aktivovaná forma : aktivní sulfát PAPS, reaguje s xenobiotiky aromatické -OH a –NH2; produkt :aryl-alkylsulfáty

Další konjugační činidla Glukosa,aktivované činidlo: UDP-glukosa, konjuguje aromatické –OH, -COOH; produkt O-glukosidy Acetát, aktivované činidlo: Acetyl-CoA, konjuguje sloučeniny s –NH2; produkt N-acetylderiváty Glycin, konjuguje aromatické a heterocyklické kyseliny; produktem je kyselina hippurová a podobné látky Glutathion (tripeptid s nukleofilním S atomem), konjuguje polycyklické aromatické sloučeniny, ale i halogenované alkylsloučeniny atd. Tvoří merkapturové kyseliny

Glutathion -glutamylcysteinyl-glycin (GSH) Elektrofilní látky (s nedostatkem elektronů) se vážou na nukleofilní skupinu –SH glutathionu (glutathion-S-transferasa). Možnost vytvoření kovalentní vazby mezi GSH a makromolekulou (NK, proteiny) – toxicita. Tvorba těchto derivátů GSH může být mírou možnosti poškození organizmu. Konjugáty dále metabolizují – merkapturové kyseliny.

Příklad biotransformace Biotransformace vinylchloridu Vstup inhalační cestou, částečně vydechován, část metabolizována CH2=CHCl → chlorethylenoxid → ClCH2-COOH + GSH → HOOC─CH2─S─CH2─COOH kyselina thiodioctová Vznik merkapturových kyselin HO.CH2.CH2─S─CH2─CH─COOH ׀ NH─CO─CH3

Příklady biotransformací C6H5CH3 → C6H5COOH→ C6H5CONHCH2COOH Narkotický účinek Vstřebává se především plicemi (53%) Ze vstřebaného toluenu se 84% přeměňuje na kyselinu benzoovou a po konjugaci s glycinem na kyselinu hippurovou, která se velmi rychle vylučuje močí. Stanovení toluenu v biologickém materiálu se provádí zřídka, má však diagnostický význam

Vylučování cizorodých látek Močí, stolicí, výdechem (potem, slinami) Vylučování ledvinami je ovlivněno pH moči : Bazické látky se močí vylučují při kyselém pH, kdy jsou ionizovány Slabé kyseliny se močí vylučují při zásaditém pH, kdy jsou ionizovány Otrava fenobarbitalem – podávání hydrogenuhličitanu, neboť fenobarbital je slabá kyselina s pK = 7,2

Rychlost vylučování látky z organizmu Hladina koncentrace xenobiotika po dosažení maxima klesá exponenciálně s časem : Ct = koncent. v čase t Poločas vylučování (T) : čas za který se koncentrace xenobiotika v krvi sníží na na polovinu. dc/dt = k . c c – koncentrace xenobiotika v krvi ct = c0 . e-kt T = ln 2/ k

Vylučování xenobiotika stolicí nebo výdechem Játra → žluč → tenké střevo Spíše vysokomolekulární látky Antibiotika (tetracyklinová) mohou poškodit střevní mikrofloru Výdechem V případě dostatečné koncentrace xenobiotika v krvi

Chemické katastrofy Bophal (1984) otrava methylisokyanatanem (meziprodukt při výrobě karbamátového insekticidu) H3C-N=C=O Nemoc Minamata – otrava organickou rtutí CH3-Hg+ , použití obilí určeného k setí ošetřeného touto látkou jako potrava pro lidi, zvířectvo, ryby (1956 –Minamata, 1972 – Basra Seveso (1976) – otrava 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxinem jako znečištění při výrobě desinfekčního prostředku bis(trichlorhydroxyfenyl)methanu