Enzimoloģija/Metabolisms Lekcijas saturs: Ksenobiotiķu metabolisms Literatūra:

1. Enzimoloģija/Metabolisms Lekcijas saturs: Ksenobiotiķu metabolisms Literatūra: 1. Pharmagenomics handbook. Ed.L.M.Cavallari et al.,, Lexicomp, 2005 2. Fundamental toxicology. Ed. J.H.Duffus, RSC Publishing,2006 Molekulāras bioloģijas (bioķīmijas)katedra 2009/2010. akad.gads

2. Ksenobiotiķi ir ķīmiskas vielas , ko atrod organismā, bet kuras tur neveidojas Tie var būt arī substances, kuras organismā ir daudz augstākā koncentrācijā, nekā parasti. Piemēram: medikamenti tādi kā antibiotikas ir cilvēkam ksenobiotiķi, jo tos cilvēka organisms nesintezē un tiem nevajadzētu būt normālā dietā. Ksenobiotiķi var būt normāli metabolīti vienam organismam, bet sveši citam (piemēram hormoni). Ksenobiotiķiem var pieskaitīt arī transplantētu orgānu dažādu sugu robežās. Ksenobiotiķi ir vides piesārņotāji – tādi kā dioksīni, polihlordifenīli, smagie metāli. tiomersāls 2,3,7,8 –tetrachlor dibenzo-p- dioksīns

3. Ksenobiotiķu (farmakokinētikā) liktenī organismā izšķir četras stadijas: • Absorbcija • Izplatīšanās un izvietošanās organismā • Metabolisms • Ekskrēcija

4. Absorbcijas veidi • Caurlaidība atkarīga no savienojuma polaritātes , pH diferences • Parastā difūzija – Fika (1855) likums: • A (virsmas platība, caur kuru notiek transports) x (c1-c2) • difūzijas ātrums= • D (membrānas biezums) • Parasti difundē nejonizētas, lipīdos šķīstošas vielas • Filtrācija • Nelielas hidrofīlas molekulas – urea, ūdens • Pinocitoze , receptora atkarīgā endocitoze • Lielas molekulas • d) Aktīvais transports

5. Pinocitoze Receptora atkarīgā endocitoze

6. Primārais aktīvais transports Sekundārais aktīvais transports izmanto prasa ATF jonu gradientu

7. 2. Izplatīšanās un izvietošanās organismā Audu barjeras: āda un gremošanas trakta gļotādas elpošanas ceļi hematoencefaliskā placentas

8. Bioloģiskās membrānas sedz visas šūnas un šūnu iekšpusē norobežo subšūnu struktūras

9. Membrānu lipīdu sastāvs ievērojami atšķiras

10. Membrānu kopīgās īpašības 1.Membrānas ir planāras struktūras, tikai dažu molekulu biezas, tās veido slēgtu robežu starp dažādiem starpšūnu un iekššūnu kompartmentiem. Lielākā daļa membrānu ir 60-100 Å biezas. 2. Membrānas pārsvarā sastāv no lipīdiem un proteīniem. Proteīnu/lipīdu svara attiecības vairumā bioloģisko membrānu ir robežās no 1:1 līdz 1:4. Membrānas satur arī ogļhidrātus , kas saistīti ar lipīdiem un proteīniem. 3. Membrānu lipīdi ir samērā mazas molekulas, kurām izšķir hidrofobo un hidrofīlo daļu. Ūdens šķīdumā lipīdi spontāni veido noslēgtas bimolekulāras struktūras. Lipīdu dubultslānis ir barjera polāru savienojumu molekulu plūsmai. 4. Specifiski proteīni nodrošina dažādu membrānu atšķirīgās funkcijas. Membrānu proteīni kalpo kā sūknis , kanāls, receptori, enerģijas pārnesēji un enzīmi. Membrānu proteīni ir integrēti lipīdu dubultslānī , kurš nodrošina attiecīgo mikrovidi proteīna funkcijām. 5. Membrānas ir nekovalenti agregāti. Membrānu pastāvīgie proteīni un lipīdu molekulas tiek kopā saturētas ar kooperatīvām nekovalentām mijiedarbībām. 6. Membrānas ir asimetriskas. Membrānu abas puses ir atšķirīgas. 7. Membrānas ir kustīgas struktūras. Lipīdu molekulas , kā arī proteīni ātri difundē membrānas plāksnē. Turpretī šīs molekulas nevar rotēt šķērsām cauri membrānai. Membrānas tādejādi ir orientēts divdimensionāls proteīnu un lipīdu šķidrums.

11. 3. Metabolisms Ksenobiotiķu metabolismā izšķir 3 stadijas: 1. Funkcionalizēšanas reakcijas. Šai stadijā uz ksenobiotiķa virsmas izveido funkcionālas grupas, savienojumu sagatavojot tālākām pārveidošanām, lai nodrošinātu ekskrēciju. Parasti šai stadijā zūd farmakoloģiskā aktivitāte. Tomēr var būt arī otrādi, kad no pro-medikamenta veidojas tā darbīgā forma. Mehānisms pārveidošanai ir oksidācija, reducēšana, hidrolīze. 2. Konjugācijas reakcijas, kuru galvenā jēga ir paaugstināt savienojuma šķīdību, lai to vieglāk ar urīnu vai žulti izdalītu. Šķīdību paaugstina, konjugējot savienojumu ar izteikti polāriem savienojumiem – glikuronskābi, glutationu, sulfātu, koenzīmu A, acetātu. Mehānisms pārveidošanai ir konjugācija Tātad, ksenobiotiķu biotransformācijā novēro četras reakciju grupas. Tās visas ir enzimātiskas. 3.Tālākā modifikācija un ekskrēcija

12. Ksenobiotiķu metabolismā nodala divas (trīs) fāzes

13. First-Pass Metabolism after Oral Administration of a Drug, as Exemplified by Felodipine and Its Interaction with Grapefruit Juice. CYP3A enzymes (e.g., CYP3A4) present in enterocytes of the intestinal epithelium extensively metabolize felodipine during its absorption,and on average only 30 percent of the administered dose enters the portal vein (solid line). Subsequently, CYP3A enzymes in the liver further metabolize the drug so that only 15 percent of the dose is bioavailable and finally reaches the systemic circulation and is able to exert its effects.Grapefruit juice selectively inhibits CYP3A in the enterocyte, with the net result being an increase in the oral bioavailability of felodipineby a factor of three, denoted by the asterisks and the dashed lines. Felodipīns ir kalcija kanālu blokators un to lieto pie sirds slimībām Metabolismu var ietekmēt dažādi faktori t.sk. uzturs – vai medikaments vispār tiek līdz farmakoloģiskās darbības veikšanai G.R.Wilkinson, NEJM,352,2211,2005

14. Medikamentu biopieejamība svārstās plašās robežās

15. Uztura ietekmē ievērojami var mainīties medikamenta farmakodinamiskie rādītāji

16. Medikamenta metabolisma izmaiņas tiek regulētas transkripcijas līmenī Mechanism of Induction of CYP3A4-MediatedMetabolism of Drug Substrates (Panel A) and the ResultingReduced Plasma Drug Concentration. In Panel A, an inducing agent (DrugI) interacts with thenuclear receptor PXR (pregnane X receptor), whichforms a heterodimer with the retinoid X receptor (RXR),which in turn binds to cognate recognition sites in the 5‘regulatory region of theCYP3A4gene. As a result, transcriptionof DNA is up-regulated, leading to increasedsynthesis of CYP3A4 enzyme and enhanced oxidativemetabolism of its substrates (Drug S).

17. This causes a reductionin the plasma drug concentration as exemplifiedby felodipine (Panel B) and, subsequently, decreaseddrug effects. The same molecular mechanism is also responsiblefor the induction of other metabolizing enzymesand membrane transporters important in drugdisposition. Comparison of the plasma felodipine concentration–time profiles in Panel B with those in Figure2A indicates the wide range of CYP3A activity that is possible.

18. Biotranformācijas I fāzes enzīmi ir oksidoreduktāzes un hidrolāzes

19. Lipofīlām un hidrofīlām vielām metabolisms ir dažāds

20. Hidrofobās ( lipofīlās) vielas ekskretējas sliktāk, līdz biotransformācijas rezultātā to hidrofilitāte pieaug (R.Weinshilboum, NEJM, 348,529,2003)

21. Oksidācija: 1. Citochroma P450 monooksigenāzes sistēma 2. Flavīnu saturošā monooksigenāzes sistēma 3. Alkohol dehidrogenāzes un aldehīd dehidrogrenāzes 4. Monoamīnoksidāzes 5. Peroksidāzes Reducēšana: 1. NADPH2 – citochroma P450 reduktāze 2. Reducētā Fe citochroma P 450 reduktāze

22. Oksidācija

23. Citohromi P450 un to nozīme

24. “Klasiskā” homogenizācijas un diferenciālās centrifugēšanas shēma

25. KF.1.14.14. Oksidoreduktāžu apakšapakšklase, kura oksidē substrātu vienu skābekļa atomu reducējot ar flavīnu, bet otru ieslēdz oksidēta substrātā Svarīgākais pārstāvis: KF.1.14.14.1 - nespecifiskā monooksigenāze sinonīmi: mikrosomālā monooksigenāze, mikrosomu P-450, ksenobiotiķu monooksigenāze, ar flavoproteīnu saistītā monooksigenāze Uzbūve: īstenībā grupa hēma-tiolātu proteīnu (P-450) grupa

26. Citohromi P450 - monooksigenāzes 1. Cilvēka organismā ~150 izoenzīmu formu, kuras dala >14 dzimtās , pie dzimtas pieskaitot proteīnus ar >40% homoloģiju. Dzimtas apzīmē: CYP 1, CYP 2 u.tt. Dzimtas dala apakšdzimtās ar homoloģiju >53% un apzīmē , piemēram: CYP1A u.tt. Apakšdzimtās ir noteikti pārstāvji, piemēram; CYP2E1 – šā enzīma biosintēzi inducē etanols CYP2C9 - šā enzīma biosintēzi inducē fenobarbitāls (miega līdzeklis) 2. CYP ir hemoproteīni 3. Dažādās dzīvnieku sugās plaši izplatīti 4. Sintezējas uz endoplazmatiskā tīkla membrānām un aknu mikrosomu frakcijā no visiem proteīniem 20% ir dažādi CYP 5. Daudzi no CYP ir inducējami, vismaz 6 izoformas aknās 6. To darbībā piedalās NADPH2 , iespējams arī citi citohromi , piemēram, cit b5 7. CYP spēj katalizēt apmēram 60 dažādu oksidācijas reakciju tipus

27. Iespējamā mikrosomalās oksidācijas sistēmas darbība O2 H2O Substrāts-CH3Substrāts CH2– OH Otrs H2donors oksidēts donors RCH3 NADPH2 FP Fe2+ CitP450 RCH2OH oksidēts H2O Nehemīna dzelzs Adrenodoksīns NAD FPH2 Fe3+ Cit P450 reducēts2e-1 O2 2H+

29. Citohromi P450 ir dažādi un dažādas ir to atsevišķo pārstāvju funkcijas

32. Dažādiem Citochromu P450 sistēmas pārstāvjiem ir atšķirīgi substrāti un inhibitori

33. Eimsa (Ames) tests savienojumu mutagenitātes novērtēšanai. Pievienotais aknu ekstrakts satur mikrosomālo oksidācijas sistēmu, kuras galvenais komponents ir citohroms P450.

34. Nemikrosomalā oksidēšanās 1. Monoaminooksidāzes, satur FAD (KF 1.4.3.4) 2. Alkohol un aldehīd dehidrogenāzes

35. Reducēšanās

36. Reducēšanās potenciālu (NADPH2) nodrošina glikozes-6-fosfāta- dehidrogenāze.Tās ģenētiskas nepietiekamības dēļ dažu ksenobiotiķu lietošana izraisa smagas hemolītiskas anēmijas (pat sulfonamīdi un nitrofurāni). Rēķina, ka pasaulē tādu cilvēku varētu būt ap 400.000.000

37. Reducētais NADPH2 un glutations nodrošina eritrocītu aizsardzību pret oksidatīvo stresu

38. Dabīgie organisma antioksidanti

39. Hidrolīze

40. Hidrolīze: 1. Ēsteru hidrolīze 2. Amīdu hidrolīze 3. Epoksīdu hidrolīze (KF 3.3.2.3)

41. Biotranformācijas II fāze Tur svarīgākie enzīmi ir transferāzes

42. Biotranformācijas II fāzes enzīmi ir transferāzes

43. Bilirubīns var konjugēties arī ar sulfātu, glikozi,ksilozi

44. Glutations- γ- glutamīl-cisteinīl- glicīns. Ar glutationu konjugē elektrofīlus ksenobiotiķus: piemēram: 1,2,dichlor-4-nitrobenzolu Enzīms: KF 2.5.1.18 glutation-S-transferāze The following is a list of human glutathione S-transferases:

45. Paracetamola- N-(4-oksifenīl)etānamīda) metabolisms (nesteroīda pret iekaisuma medikaments NSAID) 50% 30% 20%

46. Aktīvā sulfāta veidošanās. To izlieto: 1.Glikozaminoglikānu sintēzei – heparīns, hondroitīnsulfāts 2.Ceramīdsaturošo lipīdu – sulfatīdu sintēzei 3.Konjugācijai

47. S- adenozīlmetionīna veidošanās – aktīvais metionīns To izlieto pārmetilēšanās procesos, piemēram: 1.Kreatīns 2.Holīns 3.Adrenalīns 4.Daudz citu savienojumu, piemēram: Melatonīns,anserīns, ergosterīns, metīlkobalamīns, metīlhistamīns, trigonellīns, metanefrīns (adrenalīna inaktivēšana), trimetīllizīns (karnitīns), DNS un proteīnu metilēšana N

48. Pharmacogenetics of ThiopurineS-Methyltransferase (TPMT) (PanelA) and theTPMTGene (Panel B). Panel A shows the level of TPMT activity in red cells among 298 randomly selectedwhite adult blood donors. Presumed genotypes for theTPMTgenetic polymorphismare also shown.TPMTLandTPMTHare alleles that result clinicallyin low levels and high levels of activity, respectively. These allele designationswere used before the molecular basis for the polymorphism was understood. Panel B shows the humanTPMTgene. TPMT*1is the most commonallele, andTPMT*3Ais the most common variant allele among white subjects. TheTPMT*3Aallele is primarily responsible for the trimodal frequency distributionshown in Panel A. The two single-nucleotide polymorphisms in TPMT*3A,which are in strong linkage disequilibrium, as well as the resultant changes inencoded amino acids, are indicated. Tiopurīnu transformē metilējot

49. Izoniazīds transformējas acetilējoties

50. Ksenobiotiķus metabolizējošie enzīmi bieži ir inducējami Ogļūdeņražu receptors Androstāna receptors Farnezoīdu receptors Hepatocītu kodolfaktors Aknu receptors Peroksisomu proliferatora aktivētāj receptors Pregnāna receptors Retinoīdu Receptors Kalciferolu receptors