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.
A biotranszformáció fázisai mérgező lehet
xenoX-H biotikum
endobiológiailag E-H biotikum aktív lehet
előkészítés: I. fázis gyakran mérgezőbb a kiindulóvegyületnél
biológiailag aktív funkciós csoportot X-OH E-OH vegyület tartalmazó intermedier
konjugáció: II. fázis 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, -NH2, -SH, -COO- stb.) létrehozása
oxidáció
•hidroxiláció aromás, alifás, nitrogén •dezalkiláció (N-, S-, P) •dezamináció •N-, S-, P- oxidációk •S-kicserélés •epoxidáció Enzimek: •egyebek
redukció
•azo redukció •nitro redukció •diszulfid redukció •egyebek
hidrolízis
•észterek •amidok
monooxigenázok dioxigenázok dehidrogenázok hidrolázok
I. fázis reakciói
azo redukció H2N H 2N Prontosil®
N
N
SO 2NH2
NH2
NH2 +
H2N H2N
SO 2NH2 sulfanilamide szulfonamid
nitro redukció
nitrobenzol
NO2
chloramphenicol kloramfenikol (antibacterial)
NO
NO2
NHOH
NH 2
NH2
CHOH
CHOH
HOCH 2 CHNHCCHCl 2
HOCH2 CHNHCCHCl2
O
O
anilin
diszulfid redukció
S
CH3CH 2 N C CH 3CH 2
S SS
C N
CH2CH 3 2
CH2CH 3
CH3CH2
Disulfiram (Anatabuse®)
egyéb redukciók
C C
C C
O
OH
C
C
As 5+
As 3+
CH3CH2
S N C
SH
Hidrolízis észterek
COOH OCCH3
+
COOH OH
H2O
O
HOCCH 3
+
O
acetylsalicylic acid acetil-szalicilsav
amidok
O
O
RCNH
S O
N
penicillins
penicillinek
H2N
RCOH CH3 CH3
COOH
+H2O
O
S N
CH3 CH3
COOH
O RCNH HOOC
S N H
CH3 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-FMNH2
P450-reduktáz
NADP+
E-FADH2
E-FMN
O2
A-H
CYP450
H2O
A-OH
A-H
A-OH O2 NADPH +
citokróm P450 (hem) és P450reduktáz H+ (FAD, FMN)
H2O NADP+
FAD
FAD FMN
FAD FMN
FAD
FAD FMN
FAD FMN
Hidroxiláció
OH
Benzene benzol
Phenol fenol
Epoxidáció
H O H
Benzo[a]pyrene benzo[a]pirén
Benzo[a]pyrene benzo[a]pirén7,8-oxide 7,8-epoxid
Dezalkilálás H2 C CH3 O
OH H
+
C
CH3
o N H
N C
CH3
O
Phenacetin
fenacetin
H
C
CH3
O
Acetaminophen acetaminofen
Acetaldehyde
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 izoenzim >40% szekvenciaalcsalád homológia >55% szekvenciahomológia
allél
Citokróm P450 enzimek A CYP izoenzimek főleg a májban expresszálódnak
CYP 2D6 2% CYP 2A6 4%
CYP distribution other 7% CYP 3 31%
CYP 1A2 13%
CYP 2E1 CYP 2C6 CYP 1A6 CYP 1A2 CYP 2A6
CYP 1A6 8% CYP 2C6 6%
CYP 3 CYP 2C11
CYP 2E1 13%
CYP 2C11 16%
CYP 2D6 other
A CYP izoenzimek szubsztrát-specificitása CYP 1A2, CYP 2A-E, CYP 3A4 CYP 2E1
CYP 2C9
kicsi
méret
nagy
közepes savas bázikus pK a
CYP 3A4
CYP 2D6
neutrális CYP 1A2, CYP 2A, 2B CYP 2B6
magas
planaritás
lapos
CYP 1A2
közepes CYP 2A6
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)
dietil-stilbösztrol
hidroxi-pentobarbitál (inaktív)
karcinogén epoxid
Acetylsalicylic Acid acetil-szalicilsav analgesic ACTIVE(aktív)
Salicylic acid szalicilsav ACTIVE analgesic (aktív) CO2H
CO2H
OH
OCCH3 O
Codeine kodein Morphine morfin narcotic analgesic ACTIVE (more potent)kábító narcotic fájdalomcsillapító) analgesic ACTIVE (aktív kábító fájdalomcsillapító) (még aktívabb H
N
CH3
H
H
H3CO
O
N
CH3
H
OH
metanol Methanol ACTIVE CNS depressant (aktív depresszáns) CH3OH
O
HO
formaldehid Formaldehyde (méreg) TOXIC (1 ) HCH O
OH
hangyasav Formic Acid (méreg) TOXIC (1 ) HCOH O
A benzpirén metabolikus aktiválása
P450IA1 7,8-epoxide
O
Epoxide hydrolase
7,8-dihydrodiol
HO HO
P450IIIA4
O
7,8-dihydrodiol 9,10-epoxide OH
DNA
HO
Protein O HO
O
HO HO
HO
O
NH
HO
HO
HO
HO HO
HO
II. Fázis Konjugáció
Glukuronidáció UGT: UDP-glukuronozil-transzferáz glukóz-1-foszfát UTP PPi
UDP-glukóz
+UDP acetaminofen
2NAD+ +UDP
2NADH + 2H+
UDP-glukuronsav
ibuprofen
+UDP p-aminoszalicilsav
endobiotikum xenobiotikum
VÉR
EPE
konjugált termék
III. fázis
citoplazma
konjugált termék
ER lumen endobiotikum xenobiotikum
GUS I. fázis II. fázis konjugálandó szubsztrát
konjugálandó szubsztrát
konjugált termék
UGT
konjugált termék
Szulfatálás SO42ATP PPi
APS ATP
ADP szulfotranszferáz
acetaminofen
Glutationos konjugáció Glu
glutamil-
glutation
transzferáz
S-transzferáz glutation (GSH) ciszteinil-
acetiláz
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 Metionin ATP PPi + Pi +SAH
noradrenalin
3-metoxi-noradrenalin
+SAH
adrenalin
III. Fázis kiürítés
endobiotikum xenobiotikum “X” OATPA/B/C/8 X PGT hOCT1 NTCP endoplazmás retikulum
HEPATOCITA
MRP1/3/6 vér
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 O2
NADPH
Izokaproaldehid
koleszterin
CYP450 monooxigenázok
A koleszterin biotranszformációja glikokolát (konjugált epesav)
Kolát (epesav)
hem-oxigenáz
hem biliverdinreduktáz
A hem biotranszformációja
A hem biotranszformációja
2 UDP-glukuronsav UDPglukuronoziltranszferáz
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
LD50 Comparison Chemical Ethyl Alcohol Sodium Chloride Ferrous Sulfate Morphine Sulfate Strychnine Sulfate Nicotine Black Widow Curare Rattle Snake Dioxin (TCDD) Botulinum toxin
LD50 (mg/kg) 10,000 4,000 1,500 900 150 1 0.55 0.50 0.24 0.001 0.0001
citoplazma endoplazmás retikulum O2 NADPH + H+ CYP2E1
peroxiszóma etanol CH3-CH2-OH NAD+ alkoholdehidrogenáz (ADH) NADH + H+
NADP+ 2H2O
O2 NADPH + H+ CYP2E1
acetaldehid CH3-CHO
NADH + H+ H+ acetát CH3-COO-
kataláz 2H2O
H2O NAD+
aldehiddehidrogenáz
NADP+ H2O + H+
H2O2
KoA-SH ATP
acetil-KoAszintetáz AMP + PPi acetil-KoA CH3-CO-S-KoA mitokondrium
polimorfizmus, Antethil (diszulfiram)
[ NADH ] magas [ NAD + ]
zsírsav-oxidáció enzimei citrátkör enzimei
glicerin-3Pdehidrogenáz LDH
tejsavas acidózis
csökkent zsírsav-oxidáció
csökkent acetil-KoAoxidáció
fokozott zsírsavszintézis
glicerin-3Pfelhalmozódás
hiperlipidémia zsírmáj
Az acetil-KoA-túlkínálat és a „redox shift” következményei
csökkent VLDL-termelés
apolipoproteinek
tubulin
fehérjeszekréciós zavar
DNS-hibajavító enzimek GSH
csökkent antioxidáns védelem
csökkent VLDLszekréció
DNSkárosodások oxidatív stressz
mutációk rák
adduktképződés
zsírmáj
Az acetaldehidémia következményei
CYP2E1 „indukciója”
CYP2E1 gén
CYP2E1 mRNS
CYP2E1 fehérje + ubiquitin (+ ATP)
CYP2E1 fehérje ubiquitin
proteaszomális lebontás
T½ ≈ 7 óra hem + aminosavak + ubiquitin
+ etanol
CYP2E1 fehérje etanol
lizoszomális lebontás
T½ ≈ 37 óra hem + aminosavak
A CYP2E1 indukciójának következményei •hipoxia •oxidatív stressz •mérgező intermedierek felhalmozódása •a gyógyszer/hormon-metabolizmus megváltozása
Az etanol megzavarja a gyógyszer-metabolizmust A
C
CYP 2E1
CYP 2E1
X-OH
X-OH
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
etanol etanol
B
CYP 2E1
X-OH
D
CYP 2E1 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.
szulfotranszferáz
acetaminofen CYP2E1 (1A2, 3A4)
NAPQI (N-acetylp-benzoquinone imine)
ROS-termelődés oxidatív stressz
UDP-glukuronoziltranszferáz
toxikus intermedierek
ártalmatlan konjugált termékek
Az acetaminofen hepatotoxicitása
sejtmakromolekula
ártalmatlan Cys / mercaptursav konjugátumok
