Biotransformace Biotransformace cizorodých látekcizorodých látekEva SamcováEva 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 distribuceAbsorbce a distribuce

Expozice polutantům neúmyslné, léčivům úmyslnéExpozice polutantům neúmyslné, léčivům úmyslné Absorbce závisí na chemické struktuře látkyAbsorbce závisí na chemické struktuře látky povaha membrány je důležitá pro transport toxické látkypovaha membrány je důležitá pro transport toxické látky do buňky (glycerolfosfolipidy- fosfatidylcholin)do buňky (glycerolfosfolipidy- fosfatidylcholin)◘◘ Transport Transport xenobiotika xenobiotika do buňky:do buňky: 1. Pasivní difuse: 1. Pasivní difuse: Xenobiotika většinou nemají svůj transportní systém Xenobiotika většinou nemají svůj transportní systém

a proto jsou absorbovány pasivní difuzía proto jsou absorbovány pasivní difuzí Lipofilní látky procházejí membránou, v důsledkuLipofilní látky procházejí membránou, v důsledku koncentračního spádukoncentračního spádu Malé hydrofilní molekuly procházejí bez Malé hydrofilní molekuly procházejí bez ohledu na hydrofobní charakter membrányohledu na hydrofobní charakter membrány

Transport xenobiotik Transport xenobiotik

Rozdělovací koeficientRozdělovací koeficient

předpovídá, zda látka bude nebo nebude předpovídá, zda látka bude nebo nebude transportována do buňky, a je podílem transportována do buňky, a je podílem koncentrace dané látky v lipidu a ve voděkoncentrace dané látky v lipidu a ve vodě

P P >> 1, látky je více v lipidu→ difuse probíhá 1, látky je více v lipidu→ difuse probíhá

snadnosnadno

P P << 1, difuse probíhá méně snadno 1, difuse probíhá méně snadno

Koncentrace vně a uvnitř buňkyKoncentrace vně a uvnitř buňky

Lipofilní sloučeniny mnohem snadněji projdou Lipofilní sloučeniny mnohem snadněji projdou membránou, za předpokladu, že pohyb není proti membránou, za předpokladu, že pohyb není proti koncentračnímu spádukoncentračnímu 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 β-aminopropansulfonová 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 Cizorodé látky nebo jejich metabolity se v krvi váží velmi ochotně na bílkoviny (zvláště krvi váží velmi ochotně na bílkoviny (zvláště albumin) nebo na buněčné struktury albumin) nebo na buněčné struktury (problémem může být náhlé uvolnění z (problémem může být náhlé uvolnění z vazby na proteiny)vazby na proteiny)

Lipofilní látky mají tendenci se kumulovat v Lipofilní látky mají tendenci se kumulovat v tukové tkáni v kostech (akumulace je tukové tkáni v kostech (akumulace je výhodná – pomalé uvolňování (PCB)výhodná – pomalé uvolňování (PCB)

BiotransformaceBiotransformace

BiotransformaceBiotransformace – způsob přeměny a – způsob přeměny a odstraňování nízkomolekulárních a odstraňování nízkomolekulárních a vysokomolekulárních cizorodých látek z vysokomolekulárních cizorodých látek z organismuorganismu

Biotransformační proces je dynamický a Biotransformační proces je dynamický a závislý na endogenních a exogenních látkáchzávislý na endogenních a exogenních látkách

Hlavním místem biotransformace jsouHlavním místem biotransformace jsou játra, játra, i když biotransformační procesy probíhají i když biotransformační procesy probíhají také v plicích, ledvinách, kůži i GIT také v plicích, ledvinách, kůži i GIT (tj. v (tj. v místech jejich vstupu a exkrece)místech jejich vstupu a exkrece)

BiotransformaceBiotransformace Subcelulární lokalizace : Subcelulární lokalizace : - hladké endoplasmatické retikulum je centrem- hladké endoplasmatické retikulum je centrem oxidativní aktivity hepatocytuoxidativní aktivity hepatocytu - cytosol- cytosol

Zvýšená koncentrace xenobiotika indukuje syntézu Zvýšená koncentrace xenobiotika indukuje syntézu enzymůenzymů

Enzymový systém musí být nespecifickýEnzymový systém musí být nespecifický Enzymy účastnící se biotransformace xenobiotik, jsou Enzymy účastnící se biotransformace xenobiotik, jsou

používány i při metabolismu endogenních sloučeninpoužívány i při metabolismu endogenních sloučenin

Metabolismus cizorodých látek probíhá ve dvou Metabolismus cizorodých látek probíhá ve dvou fázíchfázích

Fáze I – biotransformačníFáze I – biotransformační (do lipofilních látek se (do lipofilních látek se zabudovávají nové funkční skupiny)zabudovávají nové funkční skupiny)

Výsledek – zvýšení polarityVýsledek – zvýšení polarity Fáze II – konjugačníFáze II – konjugační (syntéza malých endogenních (syntéza malých endogenních

molekul s funkčními skupinami metabolitů vzniklých ve molekul s funkčními skupinami metabolitů vzniklých ve fázi I)fázi I)

Výsledek – pokles lipofility, zvýšení polarity větší než Výsledek – pokles lipofility, zvýšení polarity větší než ve fázi I a rychlejší exkrece metabolitů z buňky, ve fázi I a rychlejší exkrece metabolitů z buňky, nejčastěji močí a žlučínejčastěji močí a žlučí

Chemie reakcí I. fázeChemie reakcí I. fáze

Nejrozsáhlejší jsou oxidace, méně časté redukce a Nejrozsáhlejší jsou oxidace, méně časté redukce a hydrolýza xenobiotikhydrolýza xenobiotik

Biotransformační reakce neznamenají nutně inaktivaci Biotransformační reakce neznamenají nutně inaktivaci látky (tj. aktivní látka látky (tj. aktivní látka → inaktivní metabolit)→ inaktivní metabolit)

Nejčastější oxidací je hydroxylace probíhající v Nejčastější oxidací je hydroxylace probíhající v postranním řetězci nebo na aromatickém jádřepostranním řetězci nebo na aromatickém jádře

Monooxygenasy (oxidasy se smíšenou funkcí) – Monooxygenasy (oxidasy se smíšenou funkcí) – podmínka přítomnost NADPH a kyslíkupodmínka přítomnost NADPH a kyslíku

Souhrnná rovnice :Souhrnná rovnice :

R-H + OR-H + O22 + NADPH + H + NADPH + H++ → R-OH + NADP → R-OH + NADP++ + H + H22OO

Oxidace xenobiotika R-H a NADPHOxidace xenobiotika R-H a NADPH

Cytochrom P-450 jako součást Cytochrom P-450 jako součást multienzymového komplexumultienzymového komplexu

Obsahuje FeObsahuje Fe3+3+ a váže na sebe xenobiotikum a kyslík a váže na sebe xenobiotikum a kyslík Další složka NADPH-cytochrom reduktasa – redukuje Další složka NADPH-cytochrom reduktasa – redukuje

FeFe3+ 3+ cytochromu P450 na Fecytochromu P450 na Fe2+2+. Ten je v ER zapojen do . Ten je v ER zapojen do systému transportu elektronů jako je tomu u systému transportu elektronů jako je tomu u respiračního řetězce v mitochondrii.respiračního řetězce v mitochondrii.

Enzymový systém je vázán na fosfolipidovou část Enzymový systém je vázán na fosfolipidovou část membrány ERmembrány ER

Induktorem syntézy monooxygenasy může být např. Induktorem syntézy monooxygenasy může být např. fenobarbitalfenobarbital

Příklady oxidacePříklady oxidace

HydroxylaceHydroxylace : : alifatických sloučenin , aromatických alifatických sloučenin , aromatických sloučeninsloučenin

R-CHR-CH22-CH-CH22-CH-CH3 3 → R-CH→ R-CH22-CHOH-CH-CHOH-CH33

● ● OxidaceOxidace probíhá i probíhá i na atomu dusíkuna atomu dusíku (za účasti NADPH (za účasti NADPH a Oa O22, výsledkem je fenylhydroxylamin a nitrosobenzen) :, výsledkem je fenylhydroxylamin a nitrosobenzen) :

CC66HH55-NH-NH2 2 → C→ C66HH55-NHOH → C-NHOH → C66HH55-N=O-N=O

● ● N-, O- nebo S-dealkylace :N-, O- nebo S-dealkylace :

R – NH – CHR – NH – CH33 → R-NH → R-NH22 + HCHO + HCHO

● ● Deaminace :Deaminace :

R – CH – NHR – CH – NH2 2 → R – C=O + NH→ R – C=O + NH33

│ │ │ │

CHCH3 3 CHCH33

Oxidace alkoholůOxidace alkoholů

První krok (ethanol) – oxidace na acetaldehyd s produkcí První krok (ethanol) – oxidace na acetaldehyd s produkcí NADH + HNADH + H++ za pomoci alkoholdehydrogenázy. za pomoci alkoholdehydrogenázy. Alkoholdehydrogenáza umístěna exkluzivně v cytosolu.Alkoholdehydrogenáza umístěna exkluzivně v cytosolu.

Vzniklý acetaldehyd je přenesen přes mitochondriální Vzniklý acetaldehyd je přenesen přes mitochondriální membránu do mitosolu, kde je oxidován pomocí membránu do mitosolu, kde je oxidován pomocí aldehyddehydrogenázy na acetát. Acetát po aktivaci na aldehyddehydrogenázy na acetát. Acetát po aktivaci na Acetyl-CoA je využit v citrátovém cykluAcetyl-CoA je využit v citrátovém cyklu

NADH vyprodukované při 1. reakci musí být pomocí NADH vyprodukované při 1. reakci musí být pomocí člunků buď člunků buď malát-aspartát nebo glycerol-fosfát malát-aspartát nebo glycerol-fosfát přeneseno do mitochondrie, kde je použito v respiračním přeneseno do mitochondrie, kde je použito v respiračním řetězciřetězci

Další enzym katalasa (používá HDalší enzym katalasa (používá H22OO2 2 jako oxidant)jako oxidant)

Další reakce I. fázeDalší reakce I. fáze

Redukční reakceRedukční reakce probíhají na ER i v cytoplasmě Např. probíhají na ER i v cytoplasmě Např. Redukce karbonylu :Redukce karbonylu :

R-CO-RR-CO-R11+ NADPH+H+ NADPH+H++ → R-CHOH-R→ R-CHOH-R11+ NADP+ NADP++

● ● Hydrolytické reakceHydrolytické reakce : štěpení esterových, amidových, : štěpení esterových, amidových, etherových vazeb, ale také C-N vazby v hydrazidech, etherových vazeb, ale také C-N vazby v hydrazidech, karbamátech, nitrilech a hydroxamových kyselináchkarbamátech, nitrilech a hydroxamových kyselinách

● ● Jiné transformace zahrnují např. Jiné transformace zahrnují např. cyklizacicyklizaci (která je (která je spontánní a neenzymová) nebo naopak spontánní a neenzymová) nebo naopak otevření otevření heterocyklického nebo aromatického kruhuheterocyklického nebo aromatického kruhu

Konjugace – II. Fáze přeměny cizorodých Konjugace – II. Fáze přeměny cizorodých láteklátek

Potřeba endogenní složky - tím xenobiotika zasahují do Potřeba endogenní složky - tím xenobiotika zasahují do intermediárního metabolismuintermediárního metabolismu

Ze syntetického charakteru konjugací plyne i jejich Ze syntetického charakteru konjugací plyne i jejich endergonní charakter (přenos se uskutečňuje přes endergonní charakter (přenos se uskutečňuje přes aktivované sloučeniny)aktivované sloučeniny)

Zvýšení polárního charakteru, vysoká ionizace,konjugát Zvýšení polárního charakteru, vysoká ionizace,konjugát již nemůže pronikat do buněk a je vylučován nejčastěji již nemůže pronikat do buněk a je vylučován nejčastěji ledvinami (do 300kDa, nad žlučí)ledvinami (do 300kDa, nad žlučí)

Konjugace probíhá v játrech (v malém rovněž kůže a Konjugace probíhá v játrech (v malém rovněž kůže a střevo)střevo)

Konjugát vznikl tedy syntézou aktivované endogenní Konjugát vznikl tedy syntézou aktivované endogenní složky s xenobiotikemsložky s xenobiotikem

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 )

• • HH22SOSO44, aktivovaná forma : aktivní sulfát PAPS, , aktivovaná forma : aktivní sulfát PAPS,

reaguje s xenobiotiky aromatické -OH a –NHreaguje s xenobiotiky aromatické -OH a –NH22; ;

produkt :aryl-alkylsulfátyprodukt :aryl-alkylsulfáty

Další konjugační činidlaDalší konjugační činidla

GlukosaGlukosa,aktivované činidlo: UDP-glukosa, konjuguje ,aktivované činidlo: UDP-glukosa, konjuguje aromatické –OH, -COOH; produkt O-glukosidyaromatické –OH, -COOH; produkt O-glukosidy

Acetát,Acetát, aktivované činidlo: Acetyl-CoA, konjuguje aktivované činidlo: Acetyl-CoA, konjuguje sloučeniny s –NHsloučeniny s –NH22; produkt N-acetylderiváty; produkt N-acetylderiváty

GlycinGlycin, konjuguje aromatické a heterocyklické kyseliny; , konjuguje aromatické a heterocyklické kyseliny; produktem je kyselina hippurová a podobné látkyproduktem je kyselina hippurová a podobné látky

Glutathion Glutathion (tripeptid s nukleofilním S atomem), konjuguje (tripeptid s nukleofilním S atomem), konjuguje polycyklické aromatické sloučeniny, ale i halogenované polycyklické aromatické sloučeniny, ale i halogenované alkylsloučeniny atd. Tvoří merkapturové kyseliny 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 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxinem jako znečištění při výrobě desinfekčního prostředku bis(trichlorhydroxyfenyl)methanu