Az Etanol Metabolizmusa és az Alkoholos Májkárosodás Biokémiája
A) Az etanol metabolizmusa emberben A metabolizmus átlagos sebessége: 10 g etanol/óra Az etanol energiatartalma: 30 kj/g (7,1 kcal/g) Az etanol elsősorban a májban metabolizálódik (1. ábra). A folyamatban részt vevő enzimek a következők: 1. alkohol dehidrogenáz (ADH) CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+ A citoplazmában található enzim az etanolt acetaldehiddé oxidálja, miközben NAD+ redukálódik. Az enzimet alacsony KM (0,2 - 2 mM), tehát etanol iránti nagy affinitás jellemzi, de az etanol nem indukálja. Alacsony vér alkohol szint esetén ez a fő etanol oxidáló enzim (az össz metabolizmus kb. 60%-a). Jelentős genetikai polimorfizmust figyeltek meg az enzim aktivitásával kapcsolatban. Öröklődően fokozott aktivitás észlelhető pl. a lakosság 90%-ánál Dél-Kelet-Ázsiában. Ilyen esetben a szeszesital fogyasztását acetaldehidémia követi a velejáró kellemetlen tünetekkel. 2. mikroszómális etanol oxidáló rendszer (MEOS) CH3CH2OH + O2 + NADPH + H+ → CH3CHO + 2H2O + NADP+ Az endoplazmás retikulum membránjában található enzim az etanolt acetaldehiddé oxidálja molekuláris oxigén és NADPH felhasználásával (monooxigenáz). Azonos a citokróm P450 IIE1 (CYP450 IIE1) izoenzimmel, amelynek számos egyéb szubsztrátja (köztük a gyógyszerek jelentős része) van. Az enzimet magas KM (8 - 10 mM), tehát etanol iránti kis affinitás jellemzi, de az etanol kb. 5-10-szeresen indukálja. Az etanol általi indukció elsősorban az enzim stabilizálásának (élettartama meghosszabbodásának) következménye (2. ábra). Alacsony vér alkohol színt esetén csupán 30 - 35%-ban felelős az etanol oxidációjáért, de magas szintek mellett, illetve krónikus alkoholfogyasztókra jellemző indukált állapotban már 65 - 70%-ban. Az endogén szubsztrátja az aceton (egyik ketontest), amelyet két lépésben metilglioxállá oxidál, ami aztán piruváttá alakul (3. ábra). Ennek a folyamatnak a különlegessége, hogy lehetővé teszi a glukoneogenezist ketontestből (tehát acetil-KoA-ból). A CYP450 IIE1 néhány egyéb ismert szubsztrátja: éterek, kloroform, széntetraklorid, acetaminofen, fenol, benzol, pirazol, metilpirazol, anilin, N-nitrozodimetilamin. A CYP450 IIE1 izoenzimet etanolon kívül számos tényező indukálja (esetenként akár százszorosára). Ilyenek az éhezés (transzkripció szintjén hat), diabetes mellitus (mRNS stabilizációval), aceton, egyéb ketonok, benzol, éter, pirazol, imidazol stb. 3. kataláz CH3CH2OH + H2O2 → CH3CHO + 2H2O A peroxiszómában található enzim az etanolt acetaldehiddé oxidálja, miközben hidrogén-peroxid vízzé redukálódik. Aktivitása a májsejt H2O2 termelésének függvénye. Normálisan alacsony intracelluláris hidrogén-peroxid koncentráció esetén ennek az enzimnek igen kicsi a jelentősége az etanol oxidációjában (az össz metabolizmus kb. 5 - 10%-a). 1
4. aldehid dehidrogenáz CH3CHO + H2O + NAD+ → CH3COOH + NADH + H+ A mitokondriumban található enzim az acetaldehidet ecetsavvá oxidálja, miközben NAD+ redukálódik. Az alkoholista beteg szeszesital fogyasztásról való leszoktatásának egyik gyógyszeres lehetősége az aldehid dehidrogenáz gátlása disulfirammal (Antaethyl). Ilyenkor ugyanis az alkoholfogyasztás acetaldehidémiát okoz rosszulléttel (fejfájás, émelygés, hányás, szédülés stb.), hasonlóan a dél-keletázsiai lakosságnál megfigyelt fokozott ADH aktivitás következményeihez. 5. acetát tiokináz (acetil-KoA szintáz) CH3COOH + KoA + ATP → CH3CO-KoA + AMP + PPi Elsősorban citoplazmában, peroxiszómában és mitokondriumban található enzim aktiválja az ecetsavat acetil-KoA-vá. Az etanolból keletkető acetil-KoA részben a citromsav ciklusban oxidálódik, részben a zsírsav és koleszterin szintézishez használódik fel.
B) Az alkoholos májkárosodás biokémiája Akut alkohol intoxikáció fokozatai az etanol vérben mért koncentrációja szerint: 1 - 2 ‰ (100 - 200 mg etanol 100 ml vérben) enyhe mérgezés 3 - 4 ‰ közepes mérgezés (ittasság) 4 - 5 ‰ súlyos mérgezés (részegség) 5 ‰ fölött halálos mérgezés Hivatalosan alkoholistának tekinthető az, aki naponta rendszeresen több mint 50 g etanolnak megfelelő szeszesitalt fogyaszt (kb. egy liter sör, fél liter bor vagy 1 - 2 dl tömény ital). Ilyenkor már általában kialakul az alkoholfüggőség részben pszichésen, részben az alkohol metabolizmusában részt vevő enzimek (pl. MEOS) indukált állapota miatt. A májban a következő tényezőkkel kell számolni (4. ábra): 1. A tápanyagellátás zavarainak következményei Az etanol energiatartalma magasabb a szénhidrátokénál, de alacsonyabb a lipidekénél. Egy súlyos alkoholista összes energiaigényének több mint felét fedezi az alkoholbevitel, amely táplálkozás-élettani szempontból "üres kalóriának" tekinthető. Ezalatt azt értjük, hogy sem esszenciális aminosavakat, zsírsavakat, sem vitaminokat nem tartalmaz, így ezek bevitele arányosan csökken. Ehhez hozzájárul még az alkoholisták állandó emésztési és felszívódási zavara (gyomor- és bélnyálkahártya hurut, hasnyálmirígy gyulladás stb.) Az alkoholistákban gyakran megfigyelhető folsav, tiamin és egyéb B-vitamin hiányok számos enzim működésében okoznak zavart (koenzimek). Külön említést érdemel az A-vitamin hiány, amely a csökkent felvételen kívül fokozott lebomlásnak is (CYP450 IIE1) köszönhető.
2
2. A csökkent hatásfokú ATP termelés következményei Az alkoholizmus - a nagymértékű kalóriabevitel ellenére - nem okoz súlygyarapodást, sőt az egyéb tápanyagok elegendő bevitele esetén is inkább fogyást eredményez. Ennek hátterében a rossz hatásfokú energiafelhasználás áll. Okai a mitokondriális membrán károsodása (részleges szétkapcsolás), ubikinon hiány, az acetaldehid toxicitása és a CYP 450 IIE1 indukció (energiát fogyaszt az oxidációhoz, ahelyett, hogy termelné). 3. Megemelkedett NADH / NAD+ arány következményei Az ADH és az aldehid dehidrogenáz enzimek kontrollálatlanul termelik a redukált NAD-ot a májsejtben, ezért az arány a NADH javára tolódik el. (Normális körülmények között a citoplazmában NAD+ túlsúly van.) Azok a redox reakciók, amelyek reverzibilisek és NAD+-NADH koenzimet igényelnek, a megváltozott arány hatására eltolódnak a redukció irányába (Le Chatellier elv). - A tejsav dehidrogenáz (LDH) által katalizált reakció, amely normális körülmények között a májban a laktátot alakítja piruváttá, megfordul. A kialakult laktacidózis súlyosbítja az ecetsav hatására kialakult intracelluláris acidózist. A vérben kialakuló laktacidózis másodlagos hiperurikémiát (emelkedett húgysav szint) okoz, illetve súlyosbítja a köszvényt, mert gátolja a húgysav kiürítését a vesékben. - A glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogenáz (glikolízis-glukoneogenezis) által katalizált reakció glicerinaldehid-3-foszfátot és így dihidroxi-aceton-foszfátot termel. - A glicerin-3-foszfát dehidrogenáz a keletkezett dihidroxi-aceton-foszfátot redukálja glicerin-3foszfáttá. Ezzel emelkedik a triglicerid termelés előanyagának koncentrációja. - A zsírsav β-oxidáció két dehidrogenáza gátolt. (Az acil-KoA dehidrogenáz közvetve, a hidroxiacil-KoA dehidrogenáz közvetlenül). Ez zsíracil-KoA felszaporodással jár. - A transzhidrogenáz enzim NADH felhasználásával a NADP+-t NADPH-vá redukálja. Az így keletkező NADPH elősegíti az etanolból képződött acetil-KoA zsírsav, illetve koleszterin szintézishez való felhasználását. Ezzel azonban tovább nő a zsíracil-KoA koncentráció. Végső soron a májsejtben súlyos intracelluláris acidózis, csökkent glikolízis és fokozott triglicerid szintézis figyelhető meg. Mivel az apolipoproteinek szintézise nem nő, az exocitózis viszont a mikrotubuláris rendszer károsodása miatt gátolt, a triglicerid felhalmozódik a májsejtekben (zsírmáj). 4. A megváltozott biotranszformáció következményei (5. ábra) A CYP450 IIE1 izoenzim indukciója (más CYP450 izoenzimek is indukálódnak) fokozott drog oxidációt idéz elő, ami miatt számos gyógyszer hatástalanná válik, illetve nagyobb dózisban adandó. Az A-vitamin fokozott lebomlásáról már szóltunk. Azt is figyelembe kell venni azonban, hogy számos gyógyszert a citokróm P450 enzimek alakítanak toxikus vegyületté, ezért a gyógyszerek veszélyei fokozódnak. Ugyanakkor az etanol jelenléte kompetitiven gátolja a drog oxidációt a CYP450 IIE1 izoenzimen, ezért a legveszélyesebb állapot akkor következik be, amikor az alkoholista nem iszik alkoholt, de gyógyszert szed. (Gyakran előfordul, mert az alkohol megvonásakor a betegek fájdalomcsillapítókat, nyugtatókat kénytelenek szedni.) Jól ismert például a paracetamol (acetaminofen) májkárosító hatásának fokozódása alkoholistákban. A helyzetet súlyosbítja, hogy a biotranszformáció konjugációs fázisa (főleg a glukuronidáció, a glutationos konjugáció és a szulfatálás) gátolt, tehát csökken az oxidált termékek kiürítése. 5. Az oxidatív stressz következményei Részben a megemelkedett citokróm P450, részben a károsodott mitokondriális légzési lánc következtében megnövekszik a szabadgyökök termelődése. Hidroxietil gyök keletkezik az etanolból, és oxigén tartalmú szabadgyökök az oxigénből um.: hidroxil gyök, szuperoxid anion, hidrogénperoxid stb. Ezt az állapotot nevezik oxidatív stressznek. A májsejt antioxidáns védekező mechanizmusai kimerülnek: glutation és tokoferol (E-vitamin) hiány lép fel. A szabadgyökök
3
közvetlenül károsítják a membránokat (lipidperoxidáció), fehérjéket (enzim gátlások), illetve a nukleinsavakat (mutáció, karcinogén hatás) 6. Az acetaldehid-termelődés következményei Az acetaldehid rendkívül toxikus vegyület, mert kovalensen kötődik a fehérjékhez, és azokat denaturálja. Ezáltal egyrészt metabolikus utakat blokkol (pl. cisztein, glutation termelés), másrészt csökkenti a sejt repair (DNS javító) enzimeinek kapacitását, harmadrészt gátolják a fehérjeszekréciót a tubulin nevű fehérje gátlása révén. 7. A Kupffer sejtek aktiválódásának következményei A krónikus alkoholfogyasztás hatására megnő a bélnyálkahártya áteresztő-képessége, ezért megemelkedik a bélflóra Gram negativ baktériumainak sejtfalából származó bakteriális endotoxin (LPS) koncentrációja a vérben. Az LPS aktiválja a monocitákat és a kitapadt makrofágokat, köztük a máj Kupffer sejtjeitt is. A Kupffer sejtek aktiválódásához hozzájárul az oxigén tartalmú szabadgyökök emelkedett szintje is. A Kupffer sejtek olyan lokális hormonokat termelnek (IL-1, IL6, TNFα, eikozanoidok, NO, PDGF, TGFβ), amelyek a limfociták és granulociták kitapadását (gyulladás), a májsejt pusztulását (nekrózis) és a kötőszöveti sejtek (fibroblasztok) burjánzását, valamint kötőszöveti rostok termelését (fibrózis) idézik elő. Az így pusztuló és "kötőszövetté alakuló" májat cirrotikus májnak, illetve a folyamatot cirrózisnak nevezik. Míg a zsírmáj kialakulását reverzibilis elváltozásnak tartják, a cirrózis visszafordíthatatlan progresszív folyamat, mely végül májelégtelenséghez vezet. C) A témához kapcsolódó korábbi anyagrészek 1. oxidoreduktázok csoportosítása 2. a szénhidrát és lipid anyagcsere összefüggései (aceton metabolizmus) redox shift szerepe a glikolízisben és a zsírsav-anyagcserében
4
1. Ábra Az etanol metabolizmusa
citoplazma endoplazmás retikulum O2 NADPH + H+ MEOS
peroxiszóma etanol CH3-CH2-OH NAD+ alkohol dehidrogenáz (ADH)
NADH + H+
NADP+ 2H2O
H2O2 kataláz
2H2O
acetaldehid CH3-CHO O2 NADPH + H+ MEOS
NADP+ H2O + H+
H2O NAD+ aldehid dehidrogenáz
NADH + H+ H+ acetát CH3-COOKoA-SH ATP acetil-KoA szintáz
AMP + PPi acetil-KoA CH3-CO-S-KoA mitokondrium
5
2. Ábra A CYP2E1 indukciója etanol hatására fehérjestabilizáció révén
CYP2E1 gén
CYP2E1 mRNS
CYP2E1 fehérje + ubiquitin (+ ATP)
CYP2E1 fehérje ubiquitin
+ etanol
CYP2E1 fehérje etanol
proteaszómális lebontás
lizoszómális lebontás
T½ ≈ 7 óra
T½ ≈ 37 óra
hem + aminosavak + ubiquitin
hem + aminosavak
6
3. Ábra A CYP2E1 szerepe az aceton glukoneogenikus termékké alakításában
aceton
O2 NADPH + H+ CYP 2E1 H2O NADP+ hidroxi-aceton
O2 NADPH + H+ CYP 2E1 2H2O NADP+ metil-glioxál
H2O NAD+ aldehid dehidrogenáz NADH + 2H+ piruvát
7
4. Ábra az alkoholfogyasztás hatásai
8
5. ábra Az etanol akut és krónikus hatásai a biotranszformációra, illetve gyógyszer-metabolizmusra A: nem alkoholista, etanol nélkül; B: nem alkoholista, etanollal; C: alkoholista, etanol nélkül; D: alkoholista, etanollal
A
C
CYP 2E1
CYP 2E1
X-OH
X-OH
etanol etanol
B
CYP 2E1
X-OH
D
CYP 2E1 X-OH
9
