Biotransformace cizorodých látek

1. Biotransformace cizorodých látek Eva Samcová

2. 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 jsoujátra, 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 │ │ CH3 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 • Stolicí • 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 prostředkubis(trichlorhydroxyfenyl)methanu