1 Xenobiotika a jejich účinky na organismus. Detoxikace, mechanismus. Patobiochemie-xenobiotika 2 Biotransformace xenobiotik Patobiochemie-xenobiotika 3 Řecké slovo ξένος [xenos] znamená cizí • Xenobiotika jsou látky, které se v organismu normálně nevyskytují • Do těla se dostávají hlavně s potravinami nebo jako léky • Chemický průmysl – produkuje syntetické sloučeniny, které se nevyskytují v přírodě (plasty, pesticidy, barviva, aditiva …) • Farmaceutický průmysl – produkuje sloučeniny syntetické a izolované z přírodních zdrojů (rostliny) – nevyskytují se v lidském organismu Patobiochemie-xenobiotika 4 Vstup xenobiotik do těla • tři hlavní vstupy: střevo, plíce, kůže • bariéry mezi krví a tkáněmi jsou tvořeny epitely – ty obsahují fosfolipidovou dvojvrstvu • průnik xenobiotika závisí na jeho fyz.-chem. vlastnostech • lipofilita usnadňuje průnik fosfolipidovou dvojvrstvou Patobiochemie-xenobiotika 5 Vstup xenobiotik do buněk • Volná difuze – významné pro lipofilní látky, rychlost závisí na konc. gradientu (játra – volně prostupná, velké póry v buněčné membráně, jsou nejvíce zasažená při otravách) • Usnadněná difuze – přenašeče, strukturní podobnost s endogenními substráty  využití existujících transportních systémů • Aktivní transport – primární, sekundární • Endocytóza Patobiochemie-xenobiotika 6 Biotransformace xenobiotik v buňce • Probíhá převážně v játrech, dvě fáze: • I. Fáze - převážně hydroxylace, produkt často výrazně biologicky aktivní • II. Fáze – konjugace, produkt většinou neaktivní • Výsledkem jsou polárnější deriváty, které se mohou vyloučit močí (žlučí) ven z těla Velmi hydrofobní látky by bez biotransformace mohly přetrvávat v tukové tkáni neomezeně dlouho!! TEST Patobiochemie-xenobiotika 7 Exkrece xenobiotik z buňky • primární aktivní transport – vyžaduje energii, štěpení ATP speciální ATP-asy zvané ABC (ATP binding cassette) • lokalizované v plazmatických membránách, exportují xenobiotika z buňky do ECT • MRP (multidrug resistence protein) – při zvýšené expresi jsou zodpovědné za rezistenci vůči lékům Patobiochemie-xenobiotika 8 Nadrodina transmembránových proteinů, které mají doménu pro vazbu určitého substrátu a doménu pro ATP. Po vazbě ATP získá transportér schopnost pumpovat ligand přes membránu. Lidský genom obsahuje nejméně 49 genů pro ABC transportéry. ABC kasety u savců mohou být jak v plazmatických, tak v intracelulárních membránách a umožňují přenos různých typů lipidů, peptidů, různých toxických organických molekul a chemoterapeutik. ABC transportéry (ATP binding cassettes) • Jednou skupinou ABC transportérů u člověka jsou P-glykoproteiny, označované jako MRP proteiny (multidrug resistence proteins). • Odstraňují z buněk celou řadu xenobiotik. Při jejich zvýšené expresi u nádorových buněk dochází ke zvýšení rezistenci na léčbu chemoterapeutiky. • Další MRP proteiny zajišťují eflux látek konjugovaných s glutathionem, sírovou kyselinou a glukuronáty. Patobiochemie-xenobiotika 9 Exkrece xenobiotik z těla • chemicky modifikovaná xenobiotika se vylučují z těla močí, potem, stolicí • těkavé látky - plícemi • někdy dochází ve střevě k dekonjugaci a zpětné resorpci (enterohepatální oběh – past) • exkrece do mateřského mlékaPatobiochemie-xenobiotika 10 Příklady reakcí I. fáze biotransformace Reakce Příklad xenobiotika Hydroxylace Sulfooxidace Dehydrogenace Redukce Hydrolýza (hetero)aromatické sloučeniny (Ar-H  Ar-OH) dialkylsulfid (R-S-R)  sulfoxid (R-SO-R) alkohol / aldehyd-hydrát  aldehyd / kyselina nitrosloučeniny (R-NO2)  aminy (R-NH2) ester  kyselina + alkohol Reakce probíhají hlavně v ER, některé v cytosolu Enzymy I. fáze jsou poměrně nespecifické – výhoda !! TEST Patobiochemie-xenobiotika 11 Cytochromy P-450 (CYP) • Skupina (nadrodina) hemových enzymů (velké množství izoforem) • Mohou katalyzovat různé typy reakcí, hlavně hydroxylaci • Široká a překrývající se substrátová specifita - výhoda • Mohou být indukovány a inhibovány • Obsaženy ve všech tkáních (kromě svalů a erytrocytů) • Nejvíce zastoupené v játrech (ER) • Vykazují genetický polymorfismus – atypická biotransformace léčiv Vysvětlení zkratky: P = pigment, 450 = vlnová délka (nm), při které enzym výrazně absorbuje po navázání oxidu uhelnatého COPatobiochemie-xenobiotika 12 4 % 1A2 11 % 2C 30 % 2D6 2 % 2E1 52 % 3A4 1 % ostatní Podíl isoforem CYP na metabolismu léčiv Patobiochemie-xenobiotika 13 Mechanismus hydroxylace působením CYP • vznik hydroxylové skupiny (R-H  R-OH ) • jsou to monooxygenasy, z molekuly O2 se inkorporuje jeden atom O do substrátu, mezi C a H • druhý atom O vytváří vodu, donorem 2H je NADPH + H+ • dochází k redukci dikyslíku na -OH skupinu a vodu R-H + O2 + NADPH + H+  R-OH + H2O + NADP+ 2 e- + 2 H+Patobiochemie-xenobiotika 14 Složky systému cytochromu P-450 NADP + FAD FADH2 Fe ++ hem Fe +++ hem NADPH H + + 2 H + cyt. reduktasa cyt P-450 RH R OH O2 H2O Systém cytochromu P-450 je složen ze: • dvou enzymů a tří kofaktorů (NADPH, FAD, hem) • NADPH:CYP reduktasa (dělič elektronového páru, 2 H  2 e- + 2 H+) • cytochrom P-450 (hydroxylasa) Patobiochemie-xenobiotika 15 cyt P-450 Fe +3 A H cyt P-450 Fe +3 A H cyt P-450 Fe +2 A H NADPH + H NADP O2 e e cyt P-450 Fe +2 A H O2 cyt P-450 Fe +2 A H O2 2 H H2O A OH hydroxylovaný substrát substrát Podrobnější schéma hydroxylace ukazuje aktivaci a redukci O2 Patobiochemie-xenobiotika 16 O + O + 2 e- + 2 H+ -OH H2O Co se stalo s dikyslíkem Patobiochemie-xenobiotika 17 Hydroxylace účinkem CYP nastává u endogenních i exogenních substrátů • Endoplazmatické retikulum: skvalen, cholesterol, žluč. kyseliny, kalciol, desaturace MK, prostaglandiny, xenobiotika • Mitochondrie: steroidní hormony Patobiochemie-xenobiotika 18 Srovnání různých hydroxylačních reakcí Substrát Produkt Původ O Koreduktant Další složky Fenylalanin Xenobiotika Prolin Dopamin tyrosin xen-OH 4-OH-Pro noradrenalin O2 O2 O2 O2 BH4 NADPH+H+ 2-oxoglutarát askorbát FAD, hem Fe2+, askorbát Cu2+ Patobiochemie-xenobiotika 19 Hlavní izoformy cytochromu P-450 CYP Substráta Induktora Inhibitora CYP1A2 CYP2A6 CYP2C9 CYP2C19 CYP2D6 CYP2E1 CYP3A4 theofylin methoxyfluran ibuprofen omeprazol kodein halothan diazepam cig. kouř fenobarbital fenobarbital fenobarbital rifampicin alkoholb fenobarbital erythromycin methoxsalem sulfafenazol teniposid chinidin disulfiram grapefruit Různé subtypy enzymu preferují různé substráty, mají různé induktory a inhibitory a Pouze vybrané příklady z mnoha existujících. b viz dále. Patobiochemie-xenobiotika 20 Indukce a inhibice CYP 450 • Některá xenobiotika vyvolávají indukci syntézy CYP, metabolická kapacita CYP se tím zvýší • Je-li současně s induktorem podán lék metabolizovaný stejným CYP  léčivo je odbouráno rychleji  léčivo je méně účinné • Některá xenobiotika působí jako inhibitory CYP • Nejrozšířenější izoformou je CYP3A4, metabolizuje více jak 120 různých léčiv • Inhibitory CYP3A4 jsou makrolidová ATB (Rulid, Klacid), grapefruit (furanokumariny), ketokonazol • Současné podání inhibitorů s léčivem  zvýšená koncentrace léčiva  předávkování  nežádoucí účinky Patobiochemie-xenobiotika 21 Mechanismy indukce CYP induktor (komplex s intracelulárním receptorem): • váže se na DNA a zvyšuje transkripci mRNA = stimulace syntézy CYP • snižuje rychlost degradace mRNA a/nebo CYP • ovlivňuje posttrankripční modifikace mRNA • může vyvolat hypertrofii ER Patobiochemie-xenobiotika 22 Genetický polymorfismus CYP450 a klinický účinek vyšší hladiny léku nežádoucí účinky toxicita Pomalý metabolizátor žádný / nedostatečný efekt Ultrarychlý metabolizátor Střední (Rychlý) metabolizátor normální odpověď klinický účinek léčiva Př. warfarin krvácivé stavy Problém: psychofarmaka Průměrná dávka léčiva většina populace Patobiochemie-xenobiotika 23 Biotransformace benzenu H hydroxylace (CYP 450) O H Důkazem chronické expozice benzenu je zvýšené vylučování fenolu močí (pracující v chem. průmyslu, čichači, sniffers) Příklad Patobiochemie-xenobiotika 24 Biotransformace polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU) O epoxid OH HO H2O OH HO O dihydrodiol vazba na DNA, mutace nádory (kůže, plíce) benzo[a]pyren Příklad Patobiochemie-xenobiotika 25 Polycyklické aromatické uhlovodíky v životním prostředí • Průmyslové zdroje: spalovaní uhlí, benzínu, nafty; výroba koksu, asfaltu; havárie tankerů; zapalování ropných vrtů; popílek v ovzduší … • Neprůmyslové zdroje: požáry lesů, spalování odpadů, domácí topeniště, cigaretový kouř … • Potraviny: smažené, uzené, grilované potraviny, přepálený tuk, připálené maso a pečivo … Patobiochemie-xenobiotika 26 Co vzniká spalováním Materiál Toxické produkty spalování PVC Polystyrén PET lahve Dřevo z demolice, nábytku Zbytky jídla, tráva, listí ... Barevné časopisy Tetrapak Pneumatiky Dioxiny Styrén Polycyklické aromatické uhlovodíky Dioxiny Dioxiny Těžké kovy Chlororganické látky, těžké kovy Polycyklické aromatické uhlovodíky Patobiochemie-xenobiotika 27 II. Fáze biotransformace • Konjugace - syntetický charakter • Xenobiotikum po I. fázi biotransformace reaguje s endogenní konjugační složkou • Vzniká konjugát, polárnější – snadno se vylučuje močí/žlučí • Endergonní charakter - nutná energie (reaguje aktivovaná konjugační složka nebo aktivované xenobiotikum) • Enzymy - transferasy Patobiochemie-xenobiotika 28 Přehled konjugačních činidel Typ konjugace Konjugační činidlo Skupina v xenobiotiku Glukuronidace Sulfatace Methylace Acetylace Glutathionem Aminokyselinou UDP-glukuronát PAPS SAM acetyl-CoA glutathion glycin, taurin -OH, -COOH, -NH2 -OH, -NH2, -SH -OH, -NH2 -OH, -NH2 Ar-Hal, Ar-epoxidy -COOH TEST Patobiochemie-xenobiotika 29 Biosyntéza UDP-glukuronátu O OH OH OH O CH2OP H O O OH OH O CH2HO PH O O OH OH O CH2HO UDPH UTP glukosa-6-P glukosa-1-P UDP-glukosa H O O OH OH O C UDP OO NAD + H2O NAD + glukosiduronáty UDP-glukuronát Patobiochemie-xenobiotika 30 UDP-glukuronát N OHOH O NH O O O P O O O P O O O O OH O COO H H N-glykosidová vazba O-glykosidová vazba esterového typu O Patobiochemie-xenobiotika 31 Glukuronáty jsou nejčastější konjugáty • Vznikají O-glukosiduronáty etherový typ (Ar-O-glukuronát, R-O-glukuronát) esterový typ (Ar-COO-glukuronát) • N-, S-glukosiduronáty • Substráty: arom. aminy, amfetaminy, kys. salicylová, léčiva, flavonoidy, … • Endogenní substráty: bilirubin, steroidy Patobiochemie-xenobiotika 32 Biotransformace amfetaminu CH2 CH NH2 CH3 CH2 CH NH2 CH3 HO CH2 CH NH2 CH3 O O OHHO HO HOOC I. fáze II. fáze Příklad O-glukosiduronát etherového typu Příznaky užívání: neklid, euforie, upovídanost, třes, nespavost, pocení, sucho v ústech, rozšířené zřítelnice, hubnutí, úzkostné stavy, paranoia, halucinace Patobiochemie-xenobiotika 33 PAPS je sulfatační činidlo (phospho adenosine phospho sulfate) O OHO O P P O O OS O O O O O O N N N N NH2 Fyziologické sulfatace: Glykosaminoglykany heparin, dermatansulfát, keratansulfát, chondroitinsulfát Sulfoglykosfingolipidy (kyselé glykolipidy, sulfatidy) Patobiochemie-xenobiotika 34 Konjugace fenolu konjugace O glukuronát O sulfát H hydroxylace (CYP 450) OH Příklad Patobiochemie-xenobiotika 35 Methylace je součástí inaktivace katecholaminů a estrogenů CH2HO HO CH2 NH2 CH2HO HO C H O CH2HO HO C OH O CH2HO O C OH O CH3 dopamin MAO - NH3 dihydroxyfenyloctová kys. COMT homovanilová kys. MAO monoaminooxidasa, COMT katechol-O-methyltransferasa SAM Inaktivace může probíhat i v opačném pořadí: nejdříve COMT, pak MAO, výsledný produkt je stejný. dihydroxyfenylacetaldehyd Patobiochemie-xenobiotika 36 Glutathion má trojí význam -glutamylcysteinylglycin • Redukční činidlo (glutathionperoxidasa) • Konjugační činidlo (glutathiontransferasa) Endogenní substráty – konjugace leukotrienů • Transport AK do buněk (-glutamyltransferasa) TEST Patobiochemie-xenobiotika 37 Glutathion (GSH) HOOC N N COOH O H CH2 SH O H NH2    R-X + GSH  R-SG + XH (R-X epoxidy, halogenalkany) nukleofilní skupina elektrofilní centrum Patobiochemie-xenobiotika 38 Před exkrecí vznikají z R-SG merkapturové kyseliny N-acetyl-S-substitovaný cystein (merkapturová kyselina) Příklad GSH acetyl-S-CoA CoA-SH Glu + Gly epoxid Patobiochemie-xenobiotika 39 Konjugace aminokyselinami • glycin, taurin • xenobiotika s -COOH skupinou • vznik amidové vazby • endogenní substráty – žlučové kyseliny Patobiochemie-xenobiotika 40 CH3 CH2OH COOH toluen benzylalkohol benzoová kys. C OH O glycin C NH O CH2 C OH O benzoová kys. hippurová kyselina (N-benzoylglycin) aktivovaná navázáním na CoA: benzoyl-CoA Patobiochemie-xenobiotika 41 Biotransformace ethanolu v játrech (cytosol) H3C C H H O H + NAD H3C C H O + alkoholdehydrogenasa aldehyddehydrogenasa + H2O H3C C OH H O H H3C C OH ONAD - 2H NADH+H H3C C H O acetaldehyd aldehyd-hydrát octová kyselina (acetaldehyddehydrogenasa) Patobiochemie-xenobiotika 42 • Alkoholdehydrogenasa (AD) – metaloenzym (Zn), více molekulových forem, v játrech, plicích, ledvinách, GIT, a dalších tkáních • Žaludeční forma je výrazně aktivnější u mužů než u žen • Acetaldehyddehydogenasa (AcD) – více forem, játra, cytosol i mitochondrie Patobiochemie-xenobiotika 43 Další dráhy biotransformace ethanolu ER hepatocytu: MEOS (mikrosomální ethanol oxidující systém, CYP2E1) CH3-CH2-OH + O2 + NADPH+H+  CH3-CH=O + 2 H2O + NADP+ Tento systém se aktivuje až při zvýšené konzumaci alkoholu = vyšší hladiny (> 0,5 ‰)  zvýšená produkce acetaldehydu Peroxisomy: oxidace ethanolu za účasti peroxidu vodíku, katalasa CH3-CH2-OH + H2O2  CH3-CH=O + 2 H2O Patobiochemie-xenobiotika 44 Důsledky biotransformace ethanolu Ethanol ADH MEOS Acetaldehyd Částečně rozpustný v membr. lipidech zvýšení fluidity membrán toxický efekt (CNS) adukty s proteiny, nukl. kys., biog. aminy acetát acetyl-CoA syntéza MK  TAG steatosa jater ADH Nadbytek NADH v cytosolu Reoxidace pyruvátem nadbytek laktátu = nedostatek pyruvátu snížení glukoneogeneze laktátová acidóza různé produkty (kocovina) Patobiochemie-xenobiotika 45 Reakcí acetaldehydu s biogenními aminy vznikají deriváty tetrahydroisochinolinu (tzv. živočišné alkaloidy) NH2 HO HO H C O CH3 HO HO N CH3 H salsolinol 6,7-dihydroxy-1-methyl-1,2,3,4-tetrahydroisochinolin dopamin - H2O acetaldehyd Patobiochemie-xenobiotika 46 • Enzymy: AST, ALT, GMD, GMT ....↑, CHS ...↓ • CDT (carbohydrate-deficient transferrin, bezsacharidový transferrin) molekula transferrinu obsahuje 4-6 sialových kys. Chronický abusus alkoholu narušuje glykosylaci transferrinu, vzniká CDT = formy transferrinu s 0-2 sial. kys. Zvýšená hodnota CDT = marker vydatného požívání EtOH během uplynulých 4 týdnů (kontrola abstinence u léčených ethyliků) • FAEE (fatty acids ethyl esters) přetrvávají v krvi až 24 hod poté, co klesne hladina EtOH na nulu (význam u dopravních nehod) • Ethylglukosiduronát (EtG) přetrvává až 5 dní • Fosfatidylethanol (PEth) přetrvává až 3 týdny Jak odhalit alkoholika? Patobiochemie-xenobiotika 47 Hladina alkoholu v krvi se vypočte z poměru hmotnosti alkoholu (g) a celkové tělesné vody (kg) fm m t alkohol (kg) (g)  alkohol v krvi (‰) = 0,67 (muži) 0,55 (ženy) Charakteristika Muži Ženy Celková tělesná voda 60 – 67 % 50 - 55 % Celkový tělesný tuk 10 – 20 % 20 – 30 % Patobiochemie-xenobiotika 48 Biotransformace ethylenglykolu oxid. COOH COOH glyoxalová kyselina CH2OH CH2OH CHO CHO COOH CH2OH oxid. CHO CH2OH COOH CHO ethylenglykol glykolaldehyd glyoxal glykolová kyselina št'avelová kyselina oxid. oxid. oxid. oxid. Otrava ethylenglykolem může mít fatální průběh Patobiochemie-xenobiotika 49 Tabák Látky nikotin, produkty nedokonalého spalování Účinky euforie, psychická relaxace, zvýšení tepové frekvence, vazokonstrikce, stimuluje sekreci adrenalinu („tichý stres“), zvyšuje sekreci slin a žaludeční šťávy, zesiluje střevní peristaltiku (defekační účinek první ranní cigarety) Příznaky užívání typický zápach, zažloutlé prsty a zuby Rizika plicní choroby (CHOPN, nádory), infarkt, vředová choroba žaludku, poruchy potence, předčasné vrásky Patobiochemie-xenobiotika 50 Nikotin je hlavní alkaloid tabáku N N CH3 3-(1-methylpyrrolidin-2-yl)pyridin Na krabičce cigaret Nikotin: 0.9 mg/cig. Dehet: 11 mg/cig. Co se děje při hoření cigarety? sušený tabák podléhá nedokonalému spalování, vzniká složitá směs produktů nikotin částečně destiluje a přechází do kouře (aerosolu), částečně se pyrolyticky rozkládá Patobiochemie-xenobiotika 51 Cigaretový kouř obsahuje • volný nikotin (bázi) - váže se na nikotinové receptory v mozku, dřeni nadlevin a jinde • CO - váže se na hemoglobin, vzniká karbonylhemoglobin – ischemie tkání (u silných kuřáků až 12 % CO-Hb) • oxidy dusíku - mohou generovat volné radikály • polykondezované aromatické uhlovodíky (PAU) (pyren, chrysen …), hlavní složky dehtu, atakují a poškozují DNA, karcinogeny • další látky (N2, CO2, HCN, CH4, terpeny, estery …) Patobiochemie-xenobiotika 52 Biotransformace nikotinu N N CH3 N N H N N CH3 OH N N CH3 O nikotin nornikotin 5-hydroxynikotin kotinin nikotin-N-glukuronát kotinin-N-glukuronát Příklad Patobiochemie-xenobiotika 53 Jak odhalit kuřáka? 1. test se slinami kuřákovy sliny obsahují mnohonásobně více thiokyanatanu než sliny nekuřáka, poločas 6 dní, thiokyanatan SCN- vzniká biotransformací CN(síra pochází z katabolismu cysteinu) reakcí s Fe3+ ionty  červený komplex 2. nikotin v moči 3. minoritní alkaloidy tabáku a metabolity nikotinu v moči (kotinin, nornikotin, anatabin, anabasin) Patobiochemie-xenobiotika 54 Biotransformace vybraných léčiv Léčivo Biotransformace Metabolit Diazepam Kodein Bromhexin Paracetamol Acetylsalicylová k. hydroxylace, demethylace demethylace hydroxylace, demethylace konjugace, oxidace hydrolýza, hydroxyl., konjug. oxazepam (aktivní stejně) morfin (aktivní jinak) ambroxol (aktivní) různé konjugáty (neaktivní)a různé konjugáty (neaktivní) a Situace může být složitější, viz dále Patobiochemie-xenobiotika 55 Hlavní dráha biotransformace paracetamolu je konjugace H N C CH3 O OH PAPS H N C CH3 O O S O O O UDP-glukuronát H N C CH3 O O OOOC HO OH HO paracetamol N-(4-hydroxyfenyl)acetamid Patobiochemie-xenobiotika 56 Vedlejší dráha biotransformace paracetamolu vede k hepatotoxickému chinoniminu H N C CH3 O O H cyt P-450 N C CH3 O O N-acetylbenzochinonimin (hepatotoxický) NADPH H + O2+ + NADP + H2O+ 2 paracetamol  nebezpečí při předávkování  u alkoholiků je větší část paracetamolu metabolizována na chinonimin CYPE21 indukovaný alkoholem váže se na buněčné proteiny - nekróza Patobiochemie-xenobiotika 57 Biotransformace acetylsalicylové kyseliny COOH OCOCH3 esterasa COOH OH salicylová kys. COOH OH HO cyt P-450 gentisová kys. UDP-glukuronát salicyl(acyl)-glukosiduronát salicyl(fenol)-glukosiduroná glycin glycin salicyloyl-glycin gentisoyl-glycin Patobiochemie-xenobiotika 58 Polypragmazie a její důsledky • užívání mnoha léčiv současně • vzájemná interakce léčiv nebo jejich metabolitů (potencování, inhibice) • indukce, ale současně zatížení hydroxylujícího systému (CYP450) • více se uplatňují vedlejší (minoritní) dráhy biotransformace  výraznější toxické účinky • možná deplece glutathionu …. atd. Patobiochemie-xenobiotika 59 Vybrané ukazatele jaterního poškození Analyt (sérum) Referenční hodnoty Změna ALT GMD GMT Bilirubin Amoniak Urobilinogeny (moč) -------------------------- Cholinesterasa (CHS) Močovina Albumin 0,1 - 0,8 kat/l 0,1 - 0,7 kat/l 0,1 - 0,7 kat/l 5 - 20 mol/l 5 - 50 mol/l do 17 mol/l -------------------- 65 - 200 kat/l 3 - 8 mmol/l 35 - 53 g/l       ---------    Patobiochemie-xenobiotika