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