Metabolizem zdravilnihuinkovinuinkovin

doc. dr. Janez Ilaš, mag. farm.

15. Oktober 2009

1

Vnos snovi v teloHrana

Vir energije v telesu

Ksenobiotiki

telesu tuje snovi brez hranilne vrednosti

Konzervansi, barvila, arome, geli, vlažilci, agrokemikalije, kofein, etanol,

zdravilne učinkovine

∆M=0; ravnotežno stanje (“steady state”)

Izločanje z metabolizmom!

2

Metabolizem učinkovin

Odstranjevanje telesu tujih snovi z namenom vzdrževanja stacionarnega stanja

Številni encimi!Številni encimi!

Večinoma tvorba vodotopnih metabolitov

Metaboliti netoksični!?

3

Metabolizem učinkovin

Odstranjevanje telesu tujih snovi z namenom vzdrževanja stacionarnega stanja

Ne-jetrni mikrosomalni encimi

Jetrni mikrosomalni encimi (oksidacija, konjugacija)

Ne-jetrni mikrosomalni encimi(oksidacija, konjugacija, hidroliza)

4

Jetrni ne-mikrosomalni encimi(oksidacija / redukcija, alkoholna /aldehidna dehidrogenaza, hidroliza,acetiliranje, sulfatiranje, GSH)

Faze metabolizma učinkovin

I. Faza

– reakcije funkcionalizacije; uvedba novih, modifikacija obstoječih skupin

Oksidacije, Redukcije, Hidratacije-dehidratacije

II. Faza

– reakcije konjugacije; pripajanje večinoma hidrofilnih molekul

Glukuronska kislina, sulfat, acetilna skupina, aminokisline

5

Posledice metabolizma

Ksenobiotik in metaboliti brez učinka

Ksenobiotik ima učinek, metaboliti ne

Ksenobiotik in metaboliti imajo učinek

Metaboliti imajo drugačen FD ali toksičen učinek

Ksenobiotik nima učinka, metaboliti imajo (predzdravila!)

6

Metabolizem učinkovin – I. faza

Oksidacije z encimskim sistemom citokrom P450 (CYP 450)

Oksidacije

flavinske monooksigenazemonoaminska oksidazaalkoholna in aldehidna dehidrogenazaksantinska oksidaza

Redukcije

specifične reduktazespecifične reduktazeoksido-reduktaze

Hidrolize – številne hidrolaze

esteraze; serinske, arilesteraze, sulfataze, fosfatazepeptidaze

7

Encimski sistem CYP 450

Lastnosti CYP 450

Hemoproteini - hem

več encimov katalizira isti tip oksidacije: široka substratna specifičnost

CYP3A4 najpogostejši izocim

NADPH + H+ + O2 + U → NADP+ + H2O + U-OHreduktaza je vir elektronov za pogon oksidacijskega kroga

8

Mehanizem mikrosomalne oksidacije učinkovin s CYP 450

e-

Uč.

CYP

R-Aza

NADP+

CYP Fe+3

CO

hυυυυCYP-Fe+2

Uč.

CO

eR-Aza

NADPH

OHUč.

Uč.

CYP Fe+2

Uč.

CYP Fe+3

OHUč.

9

Uč.

O2

e-

2H+

H2O

Uč.

CYP Fe+2

Uč.

O2

Biotransformacije s CYP 450

Tipi reakcij:

Alifatsko hidroksiliranje

Aromatsko hidroksiliranje

Oksidacija alkenov, alkinov

Dealkiliranje (N-,O-, S-)

N-oksidacije, S-oksidacijeN-oksidacije, S-oksidacije

Deaminacija

Dehalogeniranje

10

CYP Nomenklatura

Družina: CYP in arabska številka, npr.: CYP1 (znotraj družine je >40% homologije zaporedja amino kislin).

Poddružina: označimo z veliko črko za številko: npr.: CYP1A. (znotraj Poddružina: označimo z veliko črko za številko: npr.: CYP1A. (znotraj poddružine je 40-55% homologija)

Poddružina: dodatna arabska številka, če je več kot 1 poddružina, npr.:

CYP1A2

Če je ime zapisano v poševni pisavi je to ime gena: (CYP1A2).

11

Družina citohromskih encimov CYP

Obstaja 12 družin CYP genov pri človeku; delitev na osnovi homolognosti encimov.

Večina zdravilnih učinkovin se metabolizira z CYP 1, 2, in 3 družinami. CYP encimi imajo molekulano maso okoli 45-60 kDa.

Pogosto 2 ali več encimov katalizira isti tip oksidacije: široka substratna specifičnost.

CYP3A4 je najobičajneši encim pri metabolizmu učinkovin; njegova prisotnost

v GIT je vzrok za majhno per os razpoložljivost mnogih učinkovin.v GIT je vzrok za majhno per os razpoložljivost mnogih učinkovin.

12

Alifatsko hidroksiliranje s CYP 450

Ibuprofen

Pentobarbital

13

Aromatsko hidroksiliranje s CYP 450

R R R

R R

OH

OH

OH

neencimskareakcija

Primeri

fenitoin, propranolol

RCYP450

R

OProtein-SH R

S

OH

Protein

R

OH

OH

reaktivniepoksid

HYL1epoksidnahidrolaza

H2O

fenitoin, propranolol

endogene snovi: steroidni hormoni

Velikokrat toksični podukti (benzen, policiklični aromati)

14

Oksidacija alkenov in alkinov s CYP 450

Alkeni

Tvorba epoksidov

Primer – ciproheptadin

Alkini

Oksidacija do ketenov – hidroliza do kislinOksidacija do ketenov – hidroliza do kislin

15

N(O,S)-dealkiliranje s CYP 450

EtilmorfinEtilmorfin

N-dealkiliranje prednostno pred O-dealkiliranjem

S-metiltiopurin

S-dealkiliranje

16

N, S-oksidacije s CYP 450

N-oksidacije

Primarni, sekundarni amini → hidroksilaminiPrimarni, sekundarni amini → hidroksilamini

Terciarni amini → N-oksidi

Amidi

Kancerogen

17

N, S-oksidacije s CYP 450S-oksidacije

Tioetri → sulfoksidi

Tioli – sulfenske, sulfinske, sulfonske kisline

KlorpromazinKlorpromazin

18

Oksidativno deaminiranje s CYP 450

Podoben mehanizem kot N-dealkiliranje

Amfetamin

19

Dehalogeniranje s CYP 450

Fluoro derivati se ne metabolizirajo

20

Ne-CYP 450 oksidacija

Flavin monooksigenaze (FMO)N

N

NH

N

O

O

FAD

Družina encimov,

katalizira oksidacijo N, P, S

Izjemno široka

substratna specifičnost

NH

N

NH

HN

O

O

NH

N

NH

N

O

O

OH

FADH2S

O

H2O

NADPH

O2

Potrebujejo O2, NADPH,

flavin adenozin dinukleotid (FAD)

21

NH

N

NH

N

O

O

O

S

HO

Oksidacije s FMO

Nikotin

Cimetidin

22

Ne-CYP 450 oksidacija

Monoamino oksidaze (MAO) - (mitohondrijska) oksidativno deaminira endogene snovi (dopamin, serotonin, noradrenalin, adrenalin)

Alkoholna in aldehidna dehidrogenaza - nespecifični encimi v topni frakciji jeter; metabolizem etanola

Ksantinska oksidaza - hipoksantin v ksantin in potem v sečno kislino, substrati: teofilin, 6-merkaptopurin

23

HN

NN

N

SHHN

NH

N

N

SH

O

6-merkapto purin

ksantinoksidaza

6-merkapto sečna kislina

Hidrolize

Estriesteraze

Amidipeptidaze

24

Metabolizem učinkovin – II. faza

Konjugacije

Reakcije kovalentne vezave endogenih molekul preko reaktivnih (nukleofilnih) skupin ksenobiotikovskupin ksenobiotikov

Namen: izboljšanje topnosti/zmanjšanje učinka

Značilno

Sledijo I. fazi

Metaboliti ponavadi neaktivni in vodotopni (nasprotno – morfin-6-glukuronid)Metaboliti ponavadi neaktivni in vodotopni (nasprotno – morfin-6-glukuronid)

Katalizirajo jih specifične transferaze

Sodelujejo kofaktorji – nosilci endogene molekule

Endogena molekula polarna, velikost večinoma primerljiva s substratom25

GlukuronidacijaNajpogostejša konjugacija

Glukuronil transferaze – družina izoencimov

Velika kapaciteta (zaloga gluk. kis. v jetrih)

Metaboliti bistveno bolj polarni, manj toksičniMetaboliti bistveno bolj polarni, manj toksični

26

Glukuronidacija

27

Tvorba sulfatovMajhna skupina – izjemna vodotopnost (pKa sulfatov=1-2)

Konjugacija endogenih substanc (steroidi, kateholamini, žolčne kisline) in ksenobiotikov

Konjugati večinoma neaktivni, izjema minoksidil

28

AcetiliranjePredvsem primarni amini

Toksičnost; kristalurija pri sulfonamidih

29

MetiliranjePredvsem endogene substance

COMT (katehol-O-metil transferaza)

30

Konjugacije z aminokislinamiKonjugati izključno s karboksilnimi kislinami

Manjši odmerki : konjugacija z glicinom

Večji odmerki : estri glukuronidiVečji odmerki : estri glukuronidi

31

Konjugacije z glutationomGlutation = GSH

Tripeptid: δ-Glu-Cys-Gly

Glutation transferaza (regeneracija)Glutation transferaza (regeneracija)

“Lovilec” elektrofilov, radikalov

32

Biotransformacija paracetamola

~ 60 % ~ 35 %

HN CH3

O

O

H

HOHO

H

O

COOH

~ 35 %

CYP2E1CYP1A2CYP3A4

33

H

HO

HOHH

O

NAPQIN-acetil-p-benzokinoimin

Biotransformacija paracetamola

CYP2E1

Protein-SH

NAPQIN-acetil-p-benzokinoimin

Protein-SH

Protein-NH2

34

Dejavniki spremenjenega

metabolizma učinkovin

Interindividualni• Biološka vrsta

• Spol

• Genetski faktorji

Intraindividualni• Starost

• Biološki ritem• Biološki ritem

• Nosečnost

• Indukcija/inhibicija encimov z drugimi ksenobiotiki

• Prehranske navade

35

Metabolizem – načrtovanje učinkovin

“Soft drugs” = presnovna zdravila‘‘biologically active compounds (drugs) characterized by a predictable and fast in

vivo metabolism to inactive and nontoxic moieties, after they have achieved their

therapeutic role”therapeutic role”

“Hard drugs” = nepresnovna zdravila“Hard drugs are pharmacologically active compounds that undergo little or no

metabolism ie the term 'hard' is synonymous with metabollicaly stabilised.”

“prodrugs” = predzdravila‘‘ Prodrugs are chemicals with little or no pharmacological activity, undergoing biotransformation to a therapeuticallybiotransformation to a therapeuticallyactive metabolite. ”

36

Nepresnovna zdravila

OHHNHO HO

OHHN

HOHO

salbutamol

37

Literatura predavanj

Foye’s Principles of Medicinal Chemistry:

8. Drug Metabolism

G.Thomas: Medicinal Chemistry, an Introduction, John Wiley & Sons, 2000G.Thomas: Medicinal Chemistry, an Introduction, John Wiley & Sons, 2000

9. Drug Metabolism

38