Kunskapsmål
Biotransformation av xenobiotika
Elvar Theodorsson
Xenobiotika
• För kroppen främmande substanser som
absorberas in i organismen och därför
behöver utsöndras
• Den stora majoriteten är oskadliga
• Vissa är skadliga
• Vissa blir skadliga vid metabolism i
organismen
• Ureacykelns roll vid ammoniaknedbrytningen
• Biotransformationens fas 1- och fas 2reaktioner (mikrosomala oxidationssystemet
(cytokrom p450) och konjugeringsreaktioner)
• Alkohol- och paracetamolnedbrytningen som
exempel
Biotransformation av läkemedel och
av andra kemiska ämnen
• Kroppens omvandling av läkemedel och av
andra exogena kemiska substanser kallas
biotransformation
• Denna innebär som regel att lipofila ämnen
blir mer hydrofila och att den biologiska
aktiviteten för läkemedlen/molekylerna
minskar eller upphör helt.
• Ökad vattenlöslighet innebär att
molekylresterna lättare kan utsöndras via
njurar och urinvägar
Enzymsystemer som enbart tar hand
om toxiska biprodukter av den
normala metabolismen
Ureacykelns roll vid
ammoniaknedbrytningen
• Urea syntetiserande enzymen tar hand om den
ammoniak som frisätts vid deamineringen av
aminosyror
• Katalas och peroxidas tar hand om det
väteperoxid som bildas vid oxidativ metabolism
• Små mängder cyanid bildas vid normal metabolism
och konverteras effektivt med enzymet rodenas till
tiocyanat som bara har ca 1% av cyanidens toxisitet.
Cyanid, antigen det bildas endogent genom oxidativ
nedbrytning av nitriler eller kommer utifrån bryts ned
på samma sätt
• Ca 80% av allt utsöndrad kväve utsöndras i
form av urea
• Urea bildas genom
ornitincykeln=ureacykeln
• Ureacykelns ända funktion är att eliminera
överskottet av ammonium-grupper
• Överskottet kommer i huvudsak från
aminosyror i födan som inte används med det
samma för proteinsyntes
1
Höga koncentrationer av ammoniak
är toxiska för människor
• Ändrar jämvikten i reaktionen som
katalyseras av glutamat dehydrogenas i
riktning av nybildning av glutamat
• Leder till minskning av alfa-ketoglutarat
• Denna reaktion drivs ytterligare vidare genom
att ammonium jonen inkorporeras i glutamat
för att bilda glutamin. Alfa-ketoglutarat är
en metabolit i citronsyracykeln, och brist på
det leder till brist på ATP. Brist på ATP är
mycket allvarligt för hjärnfunktionen.
Biotransformationens
fas 1- och fas 2-reaktion
• Fas 1 reaktioner: kallas de som ändrar själva
läkemedlets molekyl t ex genom 1) hydroxylering, 2)
oxidering, 3) reduktion eller 4) hydrolys.
• Fas 2 reaktioner kallas de reaktioner där konjugat
bildas med ett läkemedel eller en
läkemedelsmetabolit som bildas vid fas 2
reaktionerna; 1) konjugering med glukuronsyra, 2)
konjugering med sulfat, 3) konjugering med glycin,
4) konjugering med taurin, 5) acetylering, 6)
konjugering med glutation - merkaptursyra
Leverns struktur och viktigaste
funktioner
• Levern är ett av kroppens största solida organ med
en vikt som motsvarar ca 3% av kroppsvikten eller
cirka 1,5-2,5 kg hos vuxna
• Kroppens viktigaste metabola organ, använder ca
25% av kroppens energibehov och syntetiserar de
viktigaste av blodets proteiner och
hormonprekursorer (stort sätt alla andra än
hemoglobin och immunoglobulinerna).
• Levern ansvarar för biotransformationen
“avgiftningen“ av främmande eller giftiga ämnen.
2
Cytokrom P450 (CYP)
• Finns i samtliga av kroppens alla celler
förutom
– Erytrocyter
– Muskelceller
• Stort antal isoezymer
• Stor genetisk och omgivningsinducerad
variation
Leverns avgiftningsfunktioner
• Leverns avgiftningsfunktioner består i att ämnerna
metaboliseras i levern ofta i flera steg till
vattenlösliga föreningar som lättare utsöndras med
urinen
• De ämnen som avgiftas är
– ämnen i omgivningen t ex läkemedel eller gifter
– endogena ämnen och metaboliter som hormoner och
gallsyror. Ett exempel på endogena substanser är bilirubin
som konjugeras med glukuronsyra. Detta komplex kan
sedan elimineras via njurarna till skillnad från ickekonjugerat bilirubin.
Leverns arkitektur
• Leverlobulus - centrum i centralvenen och
ofta 5-6 kanter med portafälten i hörnen,
bestående av 1) artär, 2) en gren av veva
portae och 3) en gallgång, i bland finns det
även 4) ett lymfkärl.
• Hos människan är leverlobuli inte helt tydligt
avgränsbara som hos andra djur, men
indelningen behålls ändå av praktiska skäl.
Gränsen mellan parenkym och portafält kallas
limiting plate.
Leverns blodförsörgning är riklig
• Ca 1,1 liter kommer varje minut genom vena portae
från mag-tarmkanalen och ca 0,35 liter från hjärtat
genom arteria hepatica (totalt ca 1/3 del av
hjärtminutvolymen).
• Det arteriella och venösa blodet rinner från lobulus
periferi d v s från portafälten, blandar sig snabbt i
sinusoiderna och rinner mot lobulus´ centrum och
samlar sig i centralvenen.
• Lumen ökar successivt och blodets flödeshastighet
avtar. Varje hepatocyt syrasätts i flera plan av en
blandning av venöst-arteriellt blod.
3
Cytokrom P450 oxidationer
• Äger i första hand rum i levern
• Övriga celler i kroppen kan också men i
mindre grad
• I fall man sätter leverns kapacitet till 100%
–
–
–
–
–
Lungorna 10%
Njuren 2%
Tunntarmen 2%.
Placenta
Huden
Nomenklatur för CYP- systemet
• De stora bokstäverna CYP visar att enzymet
kommer från människor
• CYP’x’ – en ”arabisk” siffra som visar isoform
familjen
• CYP’x’’X’ – en stor bokstav som betecknar
subfamiljen
• CYP’x’’X’’x’ – en ”arabisk” siffra som
betecknar den individuella genprodukten i
subfamiljen
Enzyminduktioner
• Tillförsel av läkemedel inducerar cytokrom P450systemet (10-20 gånger) så att det ökar sin
metaboliserande förmåga, inte bara för det
inducerande läkemedlet utan också för andra
läkemedel
• Här ligger ofta förklaringen till tidsberoende
terapisvikt, toleransökning och interaktion mellan
substanser och läkemedel
Fas 1 reaktioner
– Svårighet att ställa in patienter på perorala antikoagulantia
– Alkohol metaboliseras delvis via cytokrom P-450-systemet
vilket gör att de behöver större doser sömnmedel
4
Genetiska faktorer
• Succinylkolin metaboliseras bara hälften så
snabbt hos personer med ärftlig brist på
pseudokolinesteras
• Acetylering av isoniazid
– 50% av amerikanarna (svarta som vita) är
långsamma acetylerare
– Långsam acetylering är ännu vanligare i Norden
Omgivningsfaktorer
• Grillad mat inducerar CYP1A
• Grapefrukt hämmar CYP3A
• Tobaksrökning och alkohol inducerar
cytokrom P450
• Hydroxylering av warafarin
5
Polymorfa P450 enzymer
• Ca 40% av alla cytokrom P450 enzymer är
polymorfa
– Ökad metabolism
– Minskad metabolism
– Obefintlig metabolism
Huvudorsaker till variationer i
läkemedelsmetabolism
• Genetiska polymorfismer
• Induktion eller inhibering av
läkemedelsmetaboliserande enzymer p.g.a.
– Behandling med andra läkemedel
– Omgivningsfaktorer
Cytokrom P450
• Viktigaste enzymsystemet som metaboliserar
läkemedel
• Metaboliserar ca 60% av alla läkemedel som
används i dagens sjukvård
• Organismens fysiologiska status
• Sjukdomar
Konjugering med glukuronsyra
Fas 2 reaktioner - konjugeringar
• Oxidering av C-6 i glukosmolekylen ger Dglukuronsyra. Denna metaboliska väg är en sidogren
på glukoneogenesen, och avgreningen består av
uridindifosfoglukos (UDP-glukos) som omvandlas till
UDP-glukuronsyra
• I många djurslag, t ex råtta och hund omvandlas
UDP-glukuronsyra vidare till askorbinsyra, men inte
hos människan, apor och hos marsvin
• UDP-glukuronsyra används i hepatocyterna för att
konjugera t ex bilirubin, en reaktion som katalyseras
av enzymet UDP-glukuronyl transferas
6
Konjugering med sulfat
• Sulfat grupper överförs från fosfoadenosinfosfosulfat (PAPS) med enzymer som kallas
sulfokinaser eller sulfotransferaser till
substrat innehållande hydroxy- eller primära
aminogrupper för att bilda eteriska sulfater
respektive N-sulfater.
Konjugering med glycin
• Aminogruppen i glycin kan bilda
peptidbindning med karbozylsyror som kan
omvandlas till acetyl koenzym A.
• Reaktionen äger rum i levercellernas
mitokondrier
• Typisk reaktion är konjugeringen av
benzoesyra till att bilda hippursyra (benzyl
glycin). Andra är nikotinsyra och salicylsyra.
Konjugering med acetylgrupper
• Reaktion där ett acetylradikal av acetyl koenzym A
bildar en amidbindning med 1) kväveatomen i
primära aminer, 2) aminosyror, 3) hydrasiner (R-NHNH2) eller 4) sulfonamider
• Aktuella läkemedel: sulfapreparat, isoniazid,
hydralasin, prokainamid
• Snabba och långsamma acetylerare: ca 50% av alla
vita patienter som behandlas med isoniazid är sk
långsamma acetylerare och får således höga
plasmakoncentrationer efter en normal dos av
läkemedlet.
Enterohepatiska kretsloppet
• Läkemedel och andra substanser som konjugeras
med glukuronsyra eller med svavelsyra får den
uttalade egenskapen att vara joniserade (negativ
laddning) vid fysiologiskt pH.
• Laddningen innebär att molekylerna har svårt att
passera biologiska membran. De passerar från
levercellerna till gallan och och med den till tarmen.
Bakterier i tjocktarmen innehåller beta-glukorinidas
som frigör ursprungsmolekylen som återresorberas
från tarmen in i blodflödet. Denna återreabsorption
leder till förnyad konjugering i levern och därmed är
en cirkel i gång som håller dessa molekyler gående i
en rundgång i kroppen.
Enterohepatiska kretsloppet
• Läkemedel och andra substanser som konjugeras
med glukuronsyra eller med svavelsyra får den
uttalade egenskapen att vara joniserade (negativ
laddning) vid fysiologiskt pH.
• Laddningen innebär att molekylerna har svårt att
passera biologiska membran. De passerar från
levercellerna till gallan och och med den till tarmen.
Bakterier i tjocktarmen innehåller beta-glukorinidas
som frigör ursprungsmolekylen som återresorberas
från tarmen in i blodflödet. Denna återreabsorption
leder till förnyad konjugering i levern och därmed är
en cirkel i gång som håller dessa molekyler gående i
en rundgång i kroppen.
Alkoholmetabolismen
7
Alkoholmetabolismen
• De flesta av alkohol förorsakade förändringarna i
levern är sekundära till alkoholmetabolismen
• Alkoholens patologiska verkningar i cellstrukturen och
metabolismen är mångsidiga och den primära toxiska
faktorn kan vara
– etanolen själv
– dess metaboliter acetaldehyd och acetat
– sekundära redoxförändringar i hepatocyternas
ämnesomsättning
• Trots att etanolens metabolism, metaboliter och olika
metaboliska vägar är välkända är den primära
orsaken bakom “celldöden“ ännu okänd.
Etanolens elimination
• Alkoholens eliminationshastighet är konstant – 0-te
ordningens kinetik
• Beror på kroppsstorleken, samt är större hos
alkoholister och storkonsumenter än hos de som
dricker måttligt
• Största delen av alkoholens elimination sker genom
oxidation i levern (90-98%)
• Ca 5 % av alkoholen försvinner med urin, svett och
utandning. Ju mer man har druckit desto större del
av alkoholen försvinner ooxiderad. Yttre faktorer
liksom idrott eller vila har ingen praktisk inverkan på
alkoholens eliminationshastighet.
Etanol som energikalla
• När etanolen metaboliseras i levern till acetaldehyd
och vidare till acetat frigörs en tredjedel av
etanolmolekylenas energi. Acetatets oxidation i de
perifera vävnaderna ger resten av energin.
• Alkohol är en effektiv energikälla, som vid oxidation
frigör 29,8 Kj (7,1 kcal)/g alkohol.
• Finns det alkohol i blodet dygnet runt, får man
dagligen ca 1200 extra kilokalorier. Alkoholister med
en ökad etanoloxidationshastighet kan få ännu mera
extrakalorier
• Alkoholkalorier är “tomma“ kalorier, som vanligen
inte innehåller proteiner, vitaminer och mineraler.
8
Redoxförändringens metabola
effekter
• NADH/NAD-förhållandets ökning under etanolens
oxidation den viktigaste händelsen i levercellernas
metabolism. Det har många sekundära verkningar av
klinisk betydelse
• Citronsyracykelns aktivitet minskar avsevärt. Till följd
av detta sjunker koldioxidproduktionen i levern.
Fettsyrorna, som oxideras i citronsyracykeln, utgör
leverns normala energikälla. I närvaro av alkohol
minskar fettsyrornas oxidation och detta är en av de
patogenetiska mekanismerna bakom
alkoholinducerad fettlever
Redoxförändringens metabola
effekter
• NADH/NAD-kvotens ökning hämmar produktionen av
glukos via pyruvat och av oxalättiksyra ur aminosyror glukoneogenesen minskar. Efter en lång fasta kan
alkohol leda till en farlig hypoglykemi, som hos barn
kan bli fatal
• Mjölksyreacidos – giktanfall. Etanolens oxidation
ökar både leverns och blodets mjölksyrekoncentration
på grund av den etanolinducerade redoxförändringen.
Levern försöker balansera NADH/NAD-förhållandet
genom att bilda laktat ur pyruvat med hjälp av extra
NADH. I närvaro av alkohol ackumuleras mjölksyra efter
större anaerobt muskelarbete.
Paracetamolförgiftning
Paracetamolförgiftning
Paracetamolförgiftning
• Normalt är halveringstiden för paracetamol i plasma
2 timmar, men vid förgiftning förlängs
halveringstiden till 8 timmar eller mer
• Symptomen kommer först efter 2-6 dagar i form av
ikterus, koagulationsproblem, encefalopati och koma.
Leverskadan sker som regel inom 1 timma, vilket
motsvarar högsta plasmakoncentrationen av
läkemedlet
• Detta betyder att leverskadan ofta har hunnit inträffa
innan dialys eller annan behandling har påbörjats.
• Läkemedlen acetanilid, fenacetin och
paracetamol visar liknande toxicitet.
Acetanilid är mest toxiskt och paracetamol
minst.
• Leverskada är den vanligaste och
allvarligaste konsekvensen av en akut
förgiftning. Så litet som 10 g av paracetamol
kan förosaka centrilobulär levernekros och en
15 g dos har förosakad död.
Paracetamolförgiftning
• Leverskadan förosakas av en mycket reaktiv
metabolit av paracetamol (N-acetyl-pbenzoquinon - toxisk epoxid - arenoxid - 310%) som binds till makromolekyler i levern
• Arenoxiden reagerar med cystein och
glutation till en merkaptursyra som
utsöndras genom njurarna. Toxiciteten
uppträder om det bildas större mängder av
metaboliten än det leverns glutation kan ta
hand om.
9
Clinical Stages of Acetaminophen Toxicity
Stage
Time Following
Ingestion
I
0.5 to 24 hr
II
24 to 48 hr
III
72 to 96 hr
IV
4 d to 2 wk
Characteristics
Anorexia, nausea, vomiting, malaise, pallor,
diaphoresis
Resolution of the above characteristics; right
upper quadrant abdominal pain and tenderness;
elevated bilirubin, prothrombin time, INR,
hepatic transaminases, oliguria
Peak liver function abnormalities; anorexia,
nausea, vomiting, malaise may reappear;
fulminant hepatic failure (FHF) with metabolic
acidosis, INR >6, and renal dysfunction may be
apparent
Resolution of hepatic dysfunction in survivors.
Oliguric renal failure can develop; death may
occur in patients with FHF
Modified from Linden CH, Rumack BH: Acetaminophen overdose. Emerg Med Clin North Am
1984; 2:103.
10
