Ksenobiotyki to substancje obce nie będące składnikami żywego organizmu. Zaliczamy do nich: Leki, Trucizny, Kosmetyki, Używki, Zanieczyszczenia.

Przemiany ksenobiotyków w organizmie

Działanie toksyczne jest możliwe poza działaniem miejscowym (silnie żrące kwasy lub zasady) dopiero po wchłonięciu do krwioobiegu i następnie do tkanek.

Substancje chemiczne ulegają w organizmie różnym procesom co określa się metabolizmem ksenobiotyków i zaliczamy do nich:

• Wchłanianie (absorbcja)

• Rozmieszczenie (dystrybucję)- pomiędzy poszczególnymi tkankami i narządami oraz przenikanie przez bariery wewnątrzustrojowe i gromadzenie się w tkankach (kumulacja)

• Przemiany biochemiczne (biotransformacja) prowadzi często do powstania metabolitu bardziej toksycznego od substancji macierzystej

• Wydalanie.

Badaniem kinetyki powyższych procesów zajmuje się toksykokinetyka. Badaniem odpowiedzi organizmu na truciznę zajmuje się toksykodynamika.

Niewiele substancji nie ulega biotransformacji i są:

• Wydalane: związki silnie polarne (kwas szczawiowy) lub bardzo lotne (eter etylowy), które szybko wydalają się przez nerki lub płuca.

• Kumulowane: substancje silnie litofilne (pochodne polichlorowane), które kumulują się w tkance tłuszczowej

• Wiele trucizn działa bezpośrednio wiążąc się z tkankami na drodze działania denaturującego lub hydrolitycznego prowadzi do śmierci komórek, np. silne kwasy i zasady, fenol i jego homologi, formaldehyd, amoniak, podchloryny

Większość substancji obcych w organizmie ulega biotransformacji, przemiany ksenobiotyków w organizmie można podzielić na reakcje:

• Pierwszej fazy: utleniania, redukcji i hydrolizy, czyli funkcjonalizacji- modyfikacja struktury chemiczną substancji przez wytworzenie grup funkcyjnych, które są niezbędne do procesu sprzęgania

• Drugiej fazy: sprzęgania tak, aby były rozpuszczane w wodzie

• Trzeciej fazy: niektóre produkty sprzęgania ulegają aktywacji metabolicznej np. do wolnych rodników

Największą rolę w biotransformacji ksenobiotyków odgrywają enzymy zlokalizowane w siateczce śródplazmatycznej gładkiej tworzące mikrosomy w hepatocytach. Reakcje zachodzą przy udziale tlenu cząsteczkowego oraz wodoru (jako NADPH lub NADH), przy udziale monooksygenaz (inaczej oksydaz o funkcji mieszanej) lub przy udziale związków redukcyjnych.

Biotransformacja

Biotransformacja ksenobiotyków zachodzi przy udziale enzymów, które znajdują się w wątrobie, nerkach, płucach, jelicie cienkim, łożysku, gonadach, skórze, siatkówce oka, osoczu krwi. Powodują powstanie metabolitów o różnej aktywności biologicznej. W wyniku biotransformacji dochodzi do:

• Detoksykacji-powstania produktów o słabszym działaniu toksycznym lub nieczynne biologicznie-są to zazwyczaj reakcje sprzęgania z kwasem glukuronowym, siarkowym i glicyną oraz reakcje hydrolizy.

• Aktywacji metabolicznej- czyli powstania produktów o silniejszym działaniu toksycznym np. utlenianie metanolu do formaldehydu, utlenianie insektycydów fosfoorganicznych.

• Powstawanie bardzo niebezpiecznych silnie reaktywnych metabolitów, np.: aldehydów, ketonów, hinonów, epoksydów oraz reaktywnych form tlenu (RFT), wolnych rodników, które zapoczątkowują peroksydację lipidów i białek, niszcząc błony biologiczne komórek, lipidy, białka i DNA komórkowe, działając m.in. cytotoksycznie, mutagennie i rakotwórczo.

Reakcje utleniania i redukcji

1. mikrosomalne reakcje oksydacyjno-redukcyjne największe znaczenie mają reakcje utleniania, mniejsze redukcji.

- Układ cytochromu P-450 (najważniejszy)

Układ ten zbudowany jest z : cytochromu P-450, fosfolipidów oraz reduktazy NADPH-cytochrom P-450. Cytochrom P-450 jest hemoproteiną składającą się z białka i żelazoprotoporfiryny IX. Występuje w postaci wielu izoenzymów (kodujących jest ok. 150genów) różniących się budową. CYP wbudowuje do ksenobiotyków tlen cząsteczkowy i wodór (wodór pochodzi z cząsteczki NADPH). Izoformy CYP odznaczają się lokalizacją narządową np. CYP 1A2 występuje tylko w wątrobie, natomiast CYP1A1 wyłącznie w innych narządach. CYP katalizuje przemiany ksenobiotyków, cholesterolu, steroidowych kwasów tłuszczowych i żółciowych. Izoformy CYP są indukowane przez: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), Leki : fenoborbital, antybiotyki makrolidowe, Etanol (alkohol etylowy).

- Monooksygenaza związana z flawoproteiną (FMO),

Występuje 5 izoform (FMO1-FMO5); wykazuje znaczną specyfikę substratową i narządową: FMO1 w nerce, FMO2 w płucach, FMO3 występuje głównie w wątrobie.

Bierze czynny udział w przemianach metabolicznych i reakcjach utleniania ksenobiotyków używając tlenu cząsteczkowego i wodoru (wodór pochodzi z cząsteczki NADPH), podobnie jak cytochrom P-450 np. utlenianie niektórych amin np. kokainy, nikotyny, utlenianie siarczków i tioli.

- Peroksydazy

Zlokalizowane w różnych narządach np. Synteza prostaglandynowa, która bierze także udział w utlenianiu wielonienasyconych kwasów tłuszczowych. Laktoperoksydaza występująca w nabłonku gruczołów sutkowych. Mieloperoksydaza znajdująca się w makrofagach, granulocytach, w szpiku kostnym.

Biotransformacja przy udziale peroksydaz jest głównym szlakiem przemian ksenobiotyków w tkankach o małej aktywności monooksygenaz zwłaszcza w nerce, pęcherzu moczowym, śledzionie i pęcherzykach nasiennych np. utlenianie paracetamolu w nerce do silnie reaktywnej pochodnej- działanie uszkadzające nerki.

przykłady reakcji utlenienia:

• Hydroksylacja- wytworzenie grupy -OH: Benzen (C6H6)-fenol (C6H5OH)

• Epoksydacja- przyłączenie do podwójnego wiązania (=) atomu tlenu: Chlorek winylu- chloroacetoaldechyd (ma działanie rakotwórcze- wywołuje naczyniomięsaka wątroby)

• Dealkilacja- odłączenie grupy alkilowej (najczęściej metylowej -CH3) od atomu azotu, siarki, tlenu: Przemiany morfiny, Kodeina (eter metylowy morfiny)- morfina, Fenacetyna- paracetamol

1. pozamikrosomalne reakcje oksydacyjno- redukcyjne: zachodzą przy udziale enzymów umiejscowionych w mitochondriach i cytozolu wątroby, nerek, płuc oraz w osoczu krwi i zaliczamy do nich:

- utlenianie alkoholi- przy udziale dehydrogenazy alkoholowej (ADH) o największej aktywności w cytozolu wątroby, mniejszej w nerkach, płucach i błonie śluzowej przewodu pokarmowego; izoenzymy ADH 1-5; jeden z izoenzymów powoduje bardzo szybką przemianę etanolu do aldehydu octowego- nietolerancja u większości Japończyków i Chińczyków a zaledwie u kilku procent Europejczyków; etanol jest tez metabolizowany przez enzymy zlokalizowane w mikrosomach i peroksysomach: CYP 2E1.

- utlenianie aldehydów- przy udziale głównie dehydrogenazy aldehydowej (ALDH) do kwasów karboksylowych; izoenzymy (ALDH 1-3); ALDH2 utleniania Aldehyd octowy z etanolu-niektóre populacje (j.w.+Indianie południowoamerykańscy) mają zerową aktywność ALDH2- po spożyciu niewielkich ilości alkoholu złe samopoczucie, zaczerwienienie twarzy, nudności.

Reakcje hydrolizy

Estry, amidy, hydrazydy i epoksydy ulęgają w organizmie hydrolizie przy udziale nieswoistych esteraz i amidaz, które hydrolizują wiązania estrowe i amidowe substancji obcych. W wyniku hydrolizy estru powstaje kwas i alkohol. W wyniku hydrolizy amidu powstaje kwas i amina.

Enzymy te występują w osoczu krwi, w wątrobie, w nerkach, śledzionie, katalizują przemiany np. prokainy (lek do znieczulania miejscowego) oraz alkaloidów takich jak atropina czy kokaina. Aktywność esteraz wykazuje znaczne różnice gatunkowe, np. kokainę hydrolizują enzymy osoczowe królika, w przeciwieństwie do enzymów człowieka.

Reakcje sprzęgania

Ksenobiotyki lub ich metabolity utworzone w wyniku reakcji pierwszej fazy są sprzęgane z substancjami endogennymi. Produkty sprzęgania są zazwyczaj w formie zjonizowanej i łatwiej wydalają się z moczem lub żółcią.

1. Sprzęganie z kwasem glukuronowym

Aktywny kwas glukuronowy powstaje z glukozy w wątrobie i innych narządach. Jest najczęstsza reakcją drugiej fazy- tworzy połączenia z alkoholami, fenolami, tiolami, aminami i innymi. Przyłączenie aktywnego kwasu glukuronowego do ksenobiotyku katalizowane jest przez transferazę UDP-glukuronową (UGT) znajdującą się we frakcji mikrosomalnej wątroby, nerek, jelita cienkiego, skóry, mózgu. Połączenia z kwasem glukuronowym dają różne grupy związków chemicznych: połączenia estrowe, S-glukuronidy, N-glukuronidy i C-glukuronidy, które są na ogół lepiej rozpuszczalne w wodzie i szybciej wydalają się z moczem i żółcią- za pomocą transportu aktywnego.

2. sprzęganie z kwasem siarkowym

Katalizują enzymy: sulfotransferazy (ST), które występują we frakcji cytozolowej wątroby, nerek, jelit, mózgu. Źródłem kwasu siarkowego w organizmie są aminokwasy siarkowe, głównie cysteina, z którego powstaje tzw. aktywny siarczan (połączenie SO^2-4 z ATP). Sulfotransferazy występują w formie kilkunastu izoenzymów o różnej specyfice narządowej i substratowej.

Substratami są: alkohole, (etanol, glikol polietylenowy), fenole, aminy aromatyczne (anilina) a produkty sprzęgania są wydalane zazwyczaj z moczem, rzadziej z żółcią. Ze względu na ograniczoną pulę wolnej cysteiny u wielu gatunków zwierząt alkohole i fenole są przeprowadzane w większym stopniu w połączenia z kwasem glukuronowym niż siarkowym.

3. sprzęganie z aminokwasami

Kwasy karboksylowe oraz kwasy arylooctowe tworzą połączenia z aminokwasami, najczęściej z glicyną. Oprócz glicyny w reakcjach tych biorą również udział arginina, ornityna, glutamina, seryna, tauryna, lizyna. Produkty sprzęgania ksenobiotyków z aminokwasami są łatwiej wydalane z organizmu z moczem zarówno ze względu na dobra rozpuszczalność w wodzie, jak transport aktywny w kanalikach nerkowych. Wydalanie kwasu benzoesowego po połączeniu z glicyną (jako kwas hipurowy- pierwsza poznana reakcja biotransformacji ksenobiotyku).

4. sprzęganie z glutationem

Bardzo ważną rolę w organizmie spełnia glutation (GSH). Jest to tripeptyd składający się z cysterny, glicyny i kwasu glutaminowego. Występuje we wszystkich tkankach i narządach. W największych stężeniach jest obecny w wątrobie, co umożliwia nawet nieenzymatyczne sprzęganie niektórych ksenobiotyków. Glutation reaguje z substancjami zawierającymi nukleofilowe atomy azotu, siarki.

Przeniesienie glutationu na cząsteczki ksenobiotyków katalizowane jest przez enzymy transferazy S-glutationowej (GST).

Połączenie ksenobiotyków z glutationem albo wydalane są do żółci, albo po przekształceniu do kwasów merkapturowych wydalane są z moczem. Obecność dużej ilości ksenobiotyków w wątrobie może zmniejszyć stężenie GSH np. GSH reaguje z aktywnym metabolitem paracetamolu, a przy niedostatecznych ilościach GSH powstaje martwica wątroby.

5. metyzacja

6. acetylacja

7. tworzenie tiocyjanianów

Czynniki wpływające na biotransformację

1. różnice międzygatunkowe wiele ksenobiotyków jest metabolizowana w odmienny sposób u różnych gatunków zwierząt, trzeba wybrać gatunek, najbardziej zbliżony do człowieka. Różnice gatunkowe w przebiegu biotransformacji dotyczą zarówno utleniana, redukcji, hydrolizy, jak i sprzęgania. Selektywna toksyczność jest wykorzystywana do zwalczania szkodników, często uwarunkowana jest odmiennym przebiegiem biotransformacji u owadów i zwierząt ciepłostałych np. insekcydy fosfoorganiczne (u ludzi powstaje nieszkodliwy produkt, a u owadów toksyczna pochodna)

2. różnice wewnątrzgatunkowe uwarunkowania genetyczne często wpływają na odmienny przebieg biotransformacji u różnych populacji:

• utlenianie paracetamolu różni się u poszczególnych osób nawet ponad 10-krotnie

• zwiększona podatność na działanie etanolu (różnice w aktywności ADH i ALDH)

• wolna i szybka acetylacja

• wiek i płeć noworodki posiadają 20-50% aktywność enzymów mikrosomalnych osób dorosłych- ciężkie zatrucia, gdy związek ulega biotransformacji przy użyciu glukuronidów, glicyny i glutationu.

• różne stany fizjologiczne i patologiczne organizmu.

• Ciąża zmniejsza intensywność wielu reakcji biotransformacji (głównie sprzęganie z kwasem glukuronowym)

• Gospodarka hormonalna organizmu

• Stany patologiczne wątroby (marskość, zapalenie wątroby) wpływają ujemnie na intensywność biotransformacji ksenobiotyków (sprzęganie z kwasem glukuronowym i siarkowym)

• Stan odżywienia organizmu i skład diety: głód, niedobory pożywienia (głównie substancji mineralnych: żelaza, magnezu, selenu, wapnia, miedzi oraz witamin zwłaszcza C i E) hamują biotransformację.

1

---