Detoxikace endogenních a exogenních látek

mirka.rovenska@lfmotol.cuni.cz

A) Detoxikace amoniaku

Amoniak pochází z katabolismu aminokyselin a ty hlavně z odbourávání proteinů – přijatých potravou i endogenních:

trávicí enzymy proteiny pocházející z odloučených buněk povrchu GIT svalové proteiny hemoglobin intracelulární proteiny (poškozené, nepotřebné)

Odstranění dusíku z aminokyselin

Amoniak musí být odstraňován:

Amoniak je toxický, zejména pro CNS, protože reaguje s 2-oxoglutarátem, a tak snižuje jeho dostupnost pro citrátový cyklus kolaps CC a následně i syntézy ATP

Při poškození jater nebo vrozené metab. poruše (stoupá konc. amoniaku) se může objevit třes, nezřetelná řeč, rozmazané vidění, koma a smrt

Normální konc. amoniaku v krvi: 30-60 µM

Transaminace

Přenos aminoskupiny aminokyseliny na 2-oxokyselinu původní AA se mění na 2-oxokyselinu a naopak:

pyruvát glutamát oxalacetát

Transaminaci katalyzují transaminasy (aminotransferasy) s koenzymem pyridoxalfosfátem:

aminokyselina

pyridoxalfosfát Schiffova báze

Hlavní transaminasy:

Alaninaminotransrefasa (ve svalu):

AA + pyruvát 2-oxokyselina + Ala

Glutamátaminotransferasa:

AA + 2-oxoglutarát 2-oxokyselina + Glu Aspartátaminotransferasa:

AA + oxalacetát 2-oxokyselina + Asp

Transaminace jsou většinou zvratné mohou běžet oběma směry v závislosti na konc. reaktantů

Výsledek:

Většina transaminas používá jako oxokyselinu 2-oxoglutarát, v menší míře oxalacetát produkty jsou převážně Glu a Asp

Glu je buď oxidačně deaminován za vzniku NH3, který v játrech vstupuje do močovinového cyklu, nebo využit pro syntézy

Aspartát v játrech vstupuje do močovinového cyklu

Oxidační deaminace glutamátu

V mitochondriích

Glu + NAD(P)+ + H2O → NAD(P)H + H+ + NH4+ + 2-oxoglutarát

Reakce může v závislosti na konc. reaktantů běžet oběma směry – jak k tvorbě Glu, tak k uvolnění a detoxikaci amoniaku.

Reakci katalyzuje glutamátdehydrogenasa, která může využívat NAD+ i NADP+

Uvolněný amoniak je detoxikován v močovinovém cyklu

Transport dusíku: 1) jako Gln

V tkáních je amoniak zabudován do Gln glutaminsynthetasou:

Glu + ATP + NH4+ Gln + H2O + ADP + P

Gln je transportován do jater a ledvin a zde deaminován L-glutaminasou → vzniká Glu a amoniak:

Glu může být oxidačně deaminován, amoniak je v ledvinách vyloučen močí, v játrech detoxikován v moč. cyklu

– odstraňuje amidoskupinu,ne -aminoskupinu!!!

Gln v ledvinách

Část Gln se dostává do ledvin a je glutaminasou rozložena tady; přispívá i Gln tvořený v ledvinách

V ledvinách uvolněný amoniak nevstupuje do močovinového cyklu, nýbrž je vyloučen do moče

To má význam pro regulaci acidobazické rovnováhy a pH moče

Transport dusíku: 2) jako Ala

Hlavně ze svalu Mj. v glukoso-alaninovém cyklu:

Pyruvát je ve svalu transaminován na Ala Ala je krví přenesen do jater a přeměněn zpět na pyruvát Amoniak vstupuje v játrech do močovinového cyklu, pyruvát

do glukoneogeneze Vytvořená glukosa je přenesena zpět do svalu

Játra Sval

Ve stavu sytosti se absorbované AA ze střeva dostávají krví do jater a dalších tkání, kde jsou využity především k syntéze proteinů (v játrech zejména plasmatických):

Za hladovění některé tkáně (mozek, sval, ledviny) oxidují Val, Leu, Ile a zabudovávají dusík do Gln, Ala

Gln, Ala a další AA transportují dusík do jater, ledvin, střeva a buněk s rychlým obratem (leukocyty) pro biosyntézy (Nt), oxidaci, syntézu glukosy a ketolátek

Zbylý dusík je ve formě Ala přenesen do jater do moč. cyklu

Gln a Ala jsou hlavní přenašeče dusíku

Detoxikace amoniaku

a) zabudováním do Glu (glutamátdehydrogenasou) a Gln (glutaminsynthetasou):

2-oxoglutarát + NH4+ + NAD(P)H+H+ Glu + H2O + NAD(P)+

Glu + ATP + NH4+ Gln + H2O + ADP + P

Glu, Gln se pak využívají pro další syntézy: • Glu – syntéza Gln, Pro, Ala, Asp• Gln – syntéza bází NA

Transaminace Glu + oxalacetát → Asp + 2-oxoglutarát v játrech poskytuje Asp pro močovinový cyklus!!!

b) močovinový cyklus…HLAVNĚ

Zdroje amoniaku pro moč. cyklus:

Oxidační deaminace Glu, nahromaděného transaminacemi a glutaminasovou reakcí

Glutaminasová reakce – uvolňuje amoniak, který v játrech vstupuje do močovinového cyklu (v ledvinách do moče)

Katabolismus Ser, Thr a His rovněž uvolňuje amoniak:

Amoniak produkují také střevní bakterieAnalogicky: Thr na 2-oxobutyrát

urokanát

– NH3

serindehydratasa

Močovinový cyklus

Detoxikace amoniaku probíhá v močovinovém cyklu, který přeměňuje amoniak na močovinu (vylučována močí)

V játrech, ve 2 kompartmentech: Mt matrix a cytoplasmě

V matrix mitochondrií probíhá oxidační deaminace Glu a uvolněný amoniak je zde přeměněn na karbamoylfosfát:

NH4+ + HCO3

- + 2 ATP 2 ADP + P+

Karbamoylfosfát v mitochondriích reaguje s ornithinem za vzniku citrullinu, který je přenesen do cytoplasmy; regene-rovaný ornithin (krokem 5) je přenesen zpět do mitochondrií

Fumarate

← Glu + oxalacetát

V močovinovém cyklu se spotřebovávají 3 moly ATP na 1 mol močoviny:

2 na tvorbu karbamoylfosfátu 1 na tvorbu argininosukcinátu

Tvorbu karbamoylfosfátu katalyzuje karbamoylfosfátsynthetasa I (CPSI), jejímž allosterickým aktivátorem je N-acetylglutamát:

N-Ac-Glu je syntetizován z Glu a AcCoA, reakci stimuluje Arg

Větší odbourávání AA (tj. stoupá potřeba odstraňovat dusík) stoupá konc. Glu (transaminacemi) a Arg roste i koncentrace N-Ac-Glu aktivace CPS I, a tím stimulace močovinového cyklu

Regulace na úrovni CPSI

Deficience enzymů močového cyklu

Vedou ke zvýšení hladin Gln a amoniaku v krvi

1) N-acetylglutamátsynthetasa• podává se karbamoylglutamát – také aktivuje CPSI

2) CPSI• podává se benzoát a fenylacetát, hippurát a Phe-Ac-Gln

se vyloučí močí:

3) Ornithintranskarbamoylasa – nejobvyklejší porucha

• Léčba jako u 2) (tj. odstranění dusíku ve formě Gly a Gln)

4) Argininosukcinátsynthetasa: v krvi se akumuluje citrulin a dostává se do moče (citrulinemie)

• Je nutno dodávat Arg

5) Argininosukcinátlyasa• Terapie jako u 2) + dodávání Arg

6) Arginasa: vzácná porucha; Arg se akumuluje a je vylučován • Podává se benzoát a nízkoproteinová dieta obsahující

esenciální AA s výjimkou Arg, příp. jejich ketoanalogy

Vždy se nasazuje dieta s nízkým obsahem dusíku

Další dusíkaté degradační produkty vylučované močí

Kreatinin – vzniká z kreatinfosfátu:

Kyselina močová – vzniká katabolismem purinových bází

B) Metabolismus xenobiotik

Léky, konzervanty, barviva, pesticidy…

Hlavně v játrech, dále ve střevech, ledvinách, plicích

Probíhá ve dvou fázích

Fáze 1

Zavedení nové funkční skupiny nebo modifikace stávající

Probíhá hlavně v endoplasmatickém retikulu (ER)

Výsledek: zvýšení polarity (tj. usnadnění exkrece) změna biologické aktivity:

• A) snížení biologické aktivity (toxicity)• B) aktivace: některé látky jsou naopak až fází 1

přeměněny na biologicky účinnou (toxickou) formu

Možné nežádoucí účinky aktivovaných xenobiotik

Cytotoxické působení, např. kovalentní vazbou na proteiny

Vazba na protein následně rozpoznán jako antigen tvorba protilátek poškození buňky

Karcinogeneze – fáze 1 aktivuje prokarcinogeny (např. benzpyren). Protektivně může působit epoxidhydrolasa v ER: přeměňuje vysoce reaktivní epoxidy na méně reaktivní dioly:

epoxid diol

Reakce fáze 1:

Hydroxylace

Tvorba epoxidu

Redukce ketoskupin a nitroskupin

Dehalogenace

Hydroxylace

Hlavní reakce fáze 1

Katalyzována cytochromy P450: u člověka asi 60 různých isoforem; nejhojnější: CYP3A4 jde o monooxygenasy:

RH + O2 + NADPH + H+ ROH + H2O + NADP+

Elektrony jsou z NADPH přeneseny na NADPH:cytochrom P450 reduktasu a tou na cytochrom P450 a dál na kyslík. Jeden kyslíkový atom je zabudován do substrátu.

Metabolizují nejen xenobiotika, ale též endogenní látky, např. některé eikosanoidy, steroidy!!!

Isoformy cytochromu P450

Hemoproteiny v endopl. retikulu nebo vnitřní mitoch. membráně

Nejhojnější v játrech a tenkém střevě, dále v plicích; v játrech je nejméně 6 isoforem a každá má širokou substrátovou specifitu

Označení isoforem – podle identity AA sekvence:

Některé polymorfní formy mohou mít sníženou aktivitu vyšší hladina příslušných xenobiotik v těle

Některé isoformy metabolizují polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHs) na karcinogeny

CYP = cytochrom P450 3…rodina A…podrodina

4…číslo isoformy v dané podrodiněCYP3A4

Většina isoforem je inducibilních:

Např. fenobarbitalem a jinými léky, ale také svými substráty

Mechanismus: nejčastěji zvýšená transkripce

Může vést k interakci s podávanými léčivy:

indukce dané isoformy lékem 1 (např. fenobarbitalem) zrychlí metabolismus léku 2 (např. warfarin) touto isoformou pro žádaný účinek je nutno zvýšit dávku léku 2

Metabolismus ethanolu

Další dráha (~10-20%): isoforma cytochromu P450 CYP2E1:

CH3CH2OH + NADPH+H+ + O2 → NADP+ + 2 H2O + CH3CHO

Acetaldehyd se může dostat do krve a poškodit tkáně

CYP2E1 je indukován ethanolem a metabolizuje i některé karcinogenní složky tabákového kouře!

Většina acetátu vstupuje do krve a je (hlavně v kosterním svalu) aktivována na acetyl-CoA → CC

– hlavně v játrech

Fáze 2 – konjugace

Látky vzniklé ve fázi 1 jsou konjugovány s jinými molekulami: glukuronátem sulfátem glutathionem

Konjugace ještě více zvýší rozpustnost ve vodě, příp. sníží aktivitu

Ve formě konjugátu jsou látky vyloučeny z těla buď žlučí (látky s Mr 300) nebo močí (látky s Mr 300)

Glukuronidace

Donorem glukuronátu je UDP-glukuronová kyselina:

Glukuronát může být připojen na kyslíkaté (O-glukuronidy) či dusíkaté skupiny (N-glukuronidy)

Jako glukuronidy jsou vylučovány např.: kys. benzoová, fenol, meprobamat, ale i endogenní látky – bilirubin, steroidní hormony

glukuronát

Vylučování bilirubinu

Bilirubin je produktem katabolismu hemu

hem

transport do jater pomocí albuminu

M: methyl, V: vinyl, CE: karboxyethyl (propionyl)

hem → biliverdin → bilirubin

transport do jater (albumin)

konjugace glukuronátem bilirubindiglukuronid

vyloučen do žluče

bakterie v tlustém střevě uvolňují bilirubin z diglukuronidu a přeměňují ho na bezbarvé urobilinogeny

malá část je ledvinami vyloučena do moče

většina je oxidována na pigmenty, které se vylučují stolicí (urobilin, sterkobilin)

část je ve střevechreabsorbována, dostáváse zpět do jater a opětje vyloučena do žluče

Sulfatace

Některé alkoholy, arylaminy, fenoly, ale také steroidy, glykolipidy, glykoproteiny

Donorem sulfátu je PAPS (3´-fosfoadenosin-5´-fosfosulfát):

Konjugace s glutathionem

Glutathion (GSH) = -glutamylcysteinylglycin:

Konjugace s glutathionem:

G–S–H + R → G–S–R + H+ (R…elektrofilní xenobiotikum)

Konjugace několika potenciálně toxických xenobiotik s GSH zabraňuje jejich vazbě na DNA, RNA či proteiny, a tím i poškození buňky!

Další přeměny konjugátů s GSH:

Konjugát s glutathionem je dále přeměňován:

jsou odstraněny glutamyl a glycinyl z GSH

je připojen acetyl (z acetyl-CoA) na aminoskupinu Cys

vzniká kyselina merkapturová (konjugát acetylcysteinu), která je vyloučena močí

kys.merkapturová

C) Metalothioneiny

Malé proteiny (~ 6,5 kDa) bohaté na cystein, jehož – SH skupiny vážou ionty kovů: Cu2+, Zn2+ , Hg2+, Cd2+

V cytosolu buněk hlavně jater, ledvin a střev

Indukovány ionty kovů

Funkce: navázání kovů, regulace hladiny Zn2+, transport do místa potřeby (Zn2+)