Katedra Biochemii Farmakologii i
Toksykologii Wydział Medycyny
Weterynaryjnej Uniwersytetu
Przyrodniczego we Wrocławiu
Toksykokinetyka -
biotransformacja trucizn
opracował prof. dr Marcin Świtała
Materiały wykładowe z przedmiotu
Toksykologia weterynaryjna i Ochrona Środowiska
(w.2b/2010)
Trucizna po dostaniu się do ustroju przechodzi w procesach
metabolicznych zmiany jakościowe
Przekształcanie się cząsteczki ksenobiotyku w tych procesach
nazywamy jej biotransformacją
nazywamy jej biotransformacją
Przemiany metaboliczne którym podlegają ksenobiotyki dzieli się na :
1. reakcje pierwszej fazy: utlenianie, redukcja, hydroliza
(modyfikacje cząsteczki ksenobiotyku w tych reakcjach sprzyjają
powstaniu grup funkcyjnych , które mogą wchodzić w procesy
sprzęgania)
2. reakcje drugiej fazy - sprzęganie
(w reakcjach tych powstają metabolity wykazujące dużą
polarność cząsteczek, co pozwala na ich łatwiejsze wydalenie
z organizmu)
W organizmie przemianom metabolicznym nie ulegają :
-związki bardzo silnie polarne ( np. kwas szczawiowy, kwasy sulfonowe,
kwas ftalowy, aminy czwartorzędowe), które nie mogą wejść do
wnętrza komórek gdzie zachodzi większość przemian metabolicznych .
Zwiazki te łatwo wydalają się przez nerki
- większość bardzo lotnych związków (cyklopropan, eter etylowy) -
szybko wydalają się z organizmu
- związki silnie lipofilne - kumulujące się w tkance tłuszczowej
Mechanizmy biotransformacji trucizn -
Miejscem większości reakcji biotransformacji są mikrosomy.
Są to elementy gładkiej siateczki endoplazmatycznej zawierające białka
enzymatyczne. Najbogatsze w mikrosomy jest retikulum plazmatyczne
wątroby.
Biotransformacja przybiegać może również w nerkach , płucach, jelicie
cienkim, łożysku, skórze, osoczu, gonadach, siatkówce oka.
cienkim, łożysku, skórze, osoczu, gonadach, siatkówce oka.
Enzymy mikrosomalne biorą udział w reakcjach utleniania, redukcji
oraz reakcjach sprzęgania.
Najczęściej ksenobiotyki ulegają reakcji utlenienia. Enzymami,
przeprowadzającymi tą reakcję są monooksygenazy.
We frakcji mikrosomalnej występuje łańcuch transportu elektronów
składający się z
A - cytochromu P-450 (hemoproteina złożona z białka apoproteiny i
żelazoprotoporfiryny IX. Cytochrom łączy substrat i przeprowadza
reakcję utleniania dzięki przejściu Fe+3 w Fe+2,
B - reduktazy NADPH-cytochrom P-450 (flawoproteina przenosząca
elektrony NADPH na cytochrom) i
C - czynnika lipidowego ( łączącego układ)
ksenobiotyk
Część gładka siateczki endoplazmatycznej hepatocytu zawierające mikrosomalne białka
enzymatyczne (Niesink i wsp. 1996)
Reakcja utleniania przebiega w myśl równania
SH +NADPH +H+ +O2 SOH + NADP+ + H2O
gdzie
gdzie
SH jest substratem
SOH produktem hydroksylacji
(jeden z atomów cząsteczki tlenu łączy się z substratem -drugi
redukuje się tworząc wodę)
Reakcje utleniania - największa grupa reakcji metabolicznych I fazy
- przebiegać mogą w mikrosomach przy udziale monooksygenaz lub poza
mikrosomami
Reakcje mikrosomalne to:
- reakcje hydroksylacji - związków
- reakcje dealkilacje (N-dealkilacja,
- reakcje deaminacji
- reakcje utlenienia amin z wytworzeniem amoniaku
- reakcje epoksydacji (ze związkami zawierającymi podwójne wiązania)
- reakcje epoksydacji (ze związkami zawierającymi podwójne wiązania)
- reakcje S-oksydacji
- reakcje desulfiracji oksydatywnej
reakcje jednoelekronowe z wytworzeniem wolnych rodników
Reakcje pozamikrosomalne to
reakcja utlenienia alkoholi do aldehydów i kwasów np. w mitochondriach
Reakcje redukcji
Zachodzą pod wpływem reduktaz mikrosomalnych , a warunkach
beztlenowych mogą być przeprowadzone przez cały łańcuch transportu
elektronów z cytochromem C-450 (w formie zredukowanej Fe +2)
Reakcjom redukcji ulegają związki nitrowe i azowe
Reakcje hydrolizy
Enzymy przeprowadzające te reakcje to : esterazy, amidazy
Enzymy te wykazują małą specyficzność i występują w osoczu, wątrobie,
nerkach, śledzionie, sercu, mięśniach
Reakcjom hydrolizy ulegają:
estry, amidy, hydrazyny, karbaminiany, cyjanki
Czynniki wpływające na procesy metaboliczne I fazy :
1. genetyczne (różnice międzygatunkowe)
2. fizjologiczne (płeć, ciąża, stan odżywienia)
3. środowiskowe (zimno, hałas )
Reakcje II fazy - reakcje sprzęgania
Reakcji sprzęgania ulegają:
1. metabolity utworzone w procesach I fazy lub
2. bezpośrednio ksenobiotyki o dużej hydrofilności
Produkty reakcji II fazy to zazwyczaj kwasy organiczne o pKa 3 - 4,
Produkty reakcji II fazy to zazwyczaj kwasy organiczne o pKa 3 - 4,
które w warunkach fizjologicznych występują w formie zjonizowanej i
łatwo ulegają wydaleniu z moczem lub żółcią.
Ksenobiotyki lub ich metabolity (z I fazy) ulegają następującym
reakcjom w procesach II fazy.
reakcji sprzęgania z kwasem glukuronowym
reakcji sprzęgania z kwasem siarkowym
metylacji
acetylacji
sprzęganiu z aminokwasami najczęściej z glicyną
reakcji z glutationem do wytworzenia kwasów
reakcji z glutationem do wytworzenia kwasów
merkapturowych
reakcji tworzenia tiocyjanianów
Reakcje sprzęgania zachodzi dwuetapowo
I etap to aktywacji układu, w którym substancja endogenna wchodząca w
reakcję jest aktywowana pod wpływem związków wysokoenergetycznych
np. UTP, ATP
II etap łączenia (sprzegania) z metabolitem I fazy
Procesy te zachodzą głównie w mikrosomach i biorą w nich udział
Procesy te zachodzą głównie w mikrosomach i biorą w nich udział
odpowiednie transferazy
Typy reakcji sprzęgania a rodzaje podstawników lub grup związków alifatycznych
lub aromatycznych, które biorą w nich udział
Sprzęganie z kwasem glukuronowym
Etap I.
synteza UDPGA (kwasu alfa-urydynodifosforoglukuronowego)
zachodzi dwuetapowo we frakcji cytoplazmatycznej,
substraty to : glukozo-1-fosforan, UTP, 2 cząsteczki NAD
COOH
OR
o
Etap II
OH
przemieszczenie grupy glukuronylowej z UDPGA
O-glukuronidy
OH
na ksenoniotyk (UDP-glukuronotransferaza)
OH
OH
zachodzi we frakcji mikrosomalnej wątroby, nerek, jelita cienkiego,
zachodzi we frakcji mikrosomalnej wątroby, nerek, jelita cienkiego,
COOH
śledziony, skóry, mózgu
SR
o
OH
Produktami tej reakcji mogą być:
S-glukuronidy
OH
O-glukuronidy typu eterowego (z alkoholami, fenolami)
OH
O-glukuronidy typu estrowego (z kwasami karboksylowymi)
COOH
S-glukuronidy (związki z grupą sulfhydrylową np. tiofenoli)
NR
o
N-glukuronidy (związki z aminami, sulfonamidami, karbaminianami)
OH
N-glukuronidy
OH
OH
W organizmie występuje także beta-glukuronidaza, która hydrolizuje
niektóre połączenia kw. glukuronowy-ksenobiotyk
Wydalane z żółcią glukuronidy często hydrolizują do macierzystych
związków i są zwrotnie wchłaniane.
W połączeniu z kwasem glukuronowym wydalają się endogenne związki
sterydowe i bilirubina
Reakcje sprzęgania z kwasem glukuronowym nie zachodzą u ryb, mają
drugorzędne znaczenie u kota. Są słabo wydolne u noworodków i
podczas chorób wątroby.
Połączenia z kwasem glukuronowym są lepiej rozpuszczalne w wodzie od
substancji macierzystych i szybciej wydalają się z moczem i żółcią
O
O
Sprzęganie z kwasem siarkowym
R O S O
R NH S O
O
O
Etap I
synteza PAPS (5'-fosfosiarczanu 3'-fosfoadenozyny) siarczany ksenobiotyków
zachodzi dwuetapowo we frakcji cytoplazmatycznej,
substraty to: siarczan pochodzący z przemian aminokwasów siarkowych i ATP.
Etap II
przemieszczenie grupy siarczanowej z PAPS na ksenobiotyk (sulfotransferaza)
zachodzi w mikrosomach wątroby, nerek, jelita cienkiego, mózgu, nadnerczy i gonad
Produktami tej reakcji mogą być: siarczany eterowe (estry z alkoholami lub fenolami)
Produktami tej reakcji mogą być: siarczany eterowe (estry z alkoholami lub fenolami)
lub sulfaminiany (z aminami aromatycznymi)
W tej formie wydalają się z organizmu: heparyna i aminy biogenne, cholina,.
Liczba reakcji sprzęgania z kwasem siarkowym jest ograniczona pulą siarczanów
występujących w organizmie. Reakcje te zachodzą u wszystkich gatunków zwierząt,
a u świni proces ten wykazuje najmniejszą intensywność.
Połączenia z kwasem siarkowym są lepiej rozpuszczalne w wodzie od substancji
macierzystych i szybciej wydalają się z moczem i żółcią
Sprzęganie z kwasem octowym (acetylacja)
Jest najczęstszą reakcją sprzęgania amin aromatycznych, hydrazydów, sulfonamidów i
części amin alifatycznych
R-NH . COCH3
octan ksenobiotyku
Etap I - synteza acetylokoenzymuA (CH3CO.S.CoA)
zachodzi we frakcji cytoplazmatycznej, substraty to: octan, ATP i CoA
Etap II
przemieszczenie grupy octanowej z acetyloCoA na ksenobiotyk (N-acetylotransfe-
raza) zachodzi w mikrosomach wątroby, nerek, jelit, płuc, śledziony
Produktami tej reakcji są octany (acetylometabolity)
Produktami tej reakcji są octany (acetylometabolity)
Istnieje kilka typów N acetylotransferaz. U ludzi wyróżnia się grupy osób
wolnoacetylujących i szybkoacetylujących. Ma to znaczenie dla efektów leczenia lekami
podlegającymi acetylacji (sulfonamidy, izoniazyd). Istnieją różnice międzygatunkowe w
sposobie i intensywności acetylacji. np. człowiek tworzy N4 pochodne sulfonamidów,
pies natomiast N1-pochodne
Część zacetylowanych amin ulega w organizmie deacetylacji. Szczególnie aktywnie
proces ten przebiega u psa.
Acetylacja może lecz nie musi prowadzić do powstania metabolitów lepiej
rozpuszczalnych w wodzie.
Sprzęganie z glutationem
CONH CH2 COOH
SH CH2 CH
glutation jest trójpeptydem zbudowanym
NHCO CH2 CH2 CHNH2 COOH
z cysteiny, kwasy glutaminowego i glicyny
glutation
Reakcja z glutationem może mieć charakter
- prostego sprzężenia (S-arylotransferaza)
- lub przebiegać wieloetapowo do powstania kwasów merkapturowych
Najczęściej połączenia z glutationem tworzą wodory aromatyczne i ich
Najczęściej połączenia z glutationem tworzą wodory aromatyczne i ich
chlorowcopochodne oraz halogenowe nitroalkany
Glutation chroni przed toksycznym działaniem wolnych rodników gdyż ma
zdolność wiązania elektrofilnych połączeń ksenobiotyków powstających w
mikrosomach w wyniku procesów jednoelektronowych
Sprzęganie z aminokwasami
Sprzeżeniu z aminokwasami ulegają aromatyczne lub heterocykliczne
kwasy karboksylowe oraz kwasy arylooctowe.
I etap to aktywacja ksenobiotyku (kwasu) przez połączenie z
koenzymem A zachodzi w mitochondriach wątroby i nerkach, przy
udziale ATP (mało swoistość)
udziale ATP (mało swoistość)
II etap to połączenie aktywowanego ksenobiotyku z aminokwasem
wiązaniem peptydowym
U ssaków, gadów i płazów obok glicyny sprzęganie może zachodzić z
glutaminą, ornityną, seryną, argininą, tauryną i lizyną - u ptaków głównie
z ornityną
Sprzęganie z grupą metylową (metylacja)
ma mniejsze znaczenie w inaktywacji ksenobiotyków.
Donorem grupy metylowej jest SAM - S adenozynometionina.
Grupa ta przenoszona jest na związki przez metylotransferazy
Metylacji ulegają aminy, alkohole, fenole, merkaptany a nawet
związki arsenu
związki arsenu
Metylacja nie zwiększa przepuszczalności ksenobiotyków ani ich
wydalania z organizmu.
Tworzenie tiocyjanianów
Cyjanki nieorganiczne są sprzęgane z siarką i tworzą tiocyjaniany
(rodanki), które są 200 razy mniej toksyczne niż cyjanki.
Reakcję tę, przebiegającą głównie w wątrobie, katalizuje głównie
siarkotransferaza tiosiarczanowa (rodanaza)
y
ródłem siarki są tiosiarczany, tiosulfoniany lub nadsiarczki rzadziej
cysteina.
CN + S2O3 SCN + SO2
Indukcja i inhibicja enzymów mikrosomalnych
Indukcja enzymatyczna to zwiększenie aktywności enzymów prowadzących
przemiany metaboliczne ksenobiotyków, głównie mikrosomalnych, pod
wpływem substancji obcych tzw. induktorów biorących równocześnie
udział w procesach biotransformacyjnych.
Cechy typowe induktora to duża lipofilność oraz długi okres biologicznego
Cechy typowe induktora to duża lipofilność oraz długi okres biologicznego
półtrwania.
Zdolność indukcji enzymatycznej monooksygenaz mikrosomalnych wykazuje
ok. 300 substancji o zróżnicowanej budowie.
Wyróżnia się dwie grupy induktorów:
1. o stosunkowo dużej swoistości substratowej, których działaniu towarzyszy:
- zwiększenie aktywności enzymów mikrosomalnych wątroby w tym
cytochromu P-450, reduktazy NADPH-cytochrom P-450, transferazy
glukuronylowej
- proliferacja gładkiej siateczki śródplazmatycznej
- zwiększenie zawartości fosfolipidów i białka mikrosomalnego
- zwiększenie masy wątroby
Zalicza się do nich fenobarbital oraz aminofenazon, fenylobutazon, meprobamat,
imipraminę, glutetimid, insektycydy polichlorowe (DDT), heksachlorobenzen,
imipraminę, glutetimid, insektycydy polichlorowe (DDT), heksachlorobenzen,
polichlorowane bifenyle, etanol.
Fenobarbital pobudza np. biotransformację digitoksyny, pochodnych kumaryny,
kortyzolu, przy dłuższym stosowaniu również własny metabolizm (autoindukcja)
2. o małej swoistości substratowej
- pobudzające procesy hydroksylacji aromatycznej
- pobudzających syntezę cytochyromu P-448
- nie wywołujących proliferacji siateczki ani aktywacji reduktazy NADPH
Należy do nich np. benzopiren
Inhibicja enzymów mikrosomalnych
prowadzi do zahamowania przemian ksenobiotyków.
Może być ona wynikiem:
1. procesów niszczenia siateczki środplazmatycznej i obniżenia poziomu
cytochromu P-450 przez działanie tzw. wolnych rodników (np. CCl4)
cytochromu P-450 przez działanie tzw. wolnych rodników (np. CCl4)
2. tworzenia kompleksów z cytochromem P-450 (CO, zw. fosforooganiczne
Skutki biotransformacji ksenobiotyków
1. Detoksykacja
2. Aktywacja metaboliczna
1. Detoksykacja
Detoksykacją nazywamy te procesy metaboliczne, które prowadzą do
powstania produktu o słabszym działaniu toksycznym w porównaniu z
substancją macierzystą lub pozbawionego aktywności biologicznej
Taki charakter mają zazwyczaj produkty powstające w procesach
sprzęgania z kwasem glukuronowym, siarkowym, glicyną, glutationem
sprzęgania z kwasem glukuronowym, siarkowym, glicyną, glutationem
oraz reakcje hydrolizy.
Większość produktów reakcji utleniania i redukcji również ma mniejsze
właściwości toksyczne niż substraty.
2. Aktywacja metaboliczna
Aktywacją metaboliczną nazywamy takie procesy metaboliczne, które
prowadzą do powstania produktu o silniejszym działaniu toksycznym w
porównaniu z substancją macierzystą .
Przykłady takich reakcji:
- utlenienie insektycydów fosforoorganicznych
-utlenienie metanolu do formaldehydu
-utlenienie metanolu do formaldehydu
Szczególnie niebezpieczne są silnie reaktywne metabolity takie jak
chinony, związki epoksydowe, wolne rodniki, które tworzą toksyczne
metabolity tlenu. W wyniku peroksydacji lipidów niszczą błony
biologiczne komórek oraz łączą się trwale z kwasami nukleinowymi i
białkami wywołując skutki cytotoksyczne, mutagenne rakotwórcze.