Biotransformace cizorodých látek

Prezentace na téma: "Biotransformace cizorodých látek"— Transkript prezentace:

1 Biotransformace cizorodých látek
Eva Samcová

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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.

10 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)

11 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)

12 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)

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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 │ │ CH CH3

18 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)

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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.

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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