Transcript ppt
Biotransformace
cizorodých látek
Eva Samcová
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
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
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
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
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
2. Transportní systémy
Xenobiotika používají i transportní systémy
endogenních látek :
usnadněnou difusi, aktivní transport (alanin a βaminopropansulfonová kyselina)
fagocytosu, pinocytosu (fagocytosa částic v
alveolu, Kupferovy buňky)
musí však mít velmi podobnou strukturu
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
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.
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)
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)
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)
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
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
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
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
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
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)
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
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
Konjugační činidla
Nejdůležitější konjugační činidla :
• kyselina glukuronová, aktivovaná forma
UDP-glukuronát → vytváří O- nebo Nglukuronidy
(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
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
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.
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
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
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
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
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
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 2,3,7,8tetrachlorodibenzo-p-dioxinem jako znečištění
při výrobě desinfekčního prostředku
bis(trichlorhydroxyfenyl)methanu