Biotransformation
Av främmande
ämnen
Fas I och II
reaktioner
Människor och andra levande organismer exponeras ständigt för en mycket stor och hela tiden
ökande mängd kroppsfrämmande kemikalier (xenobiotika). Dessa substanser är både av
naturligt ursprung och av människan tillverkande syntetiska produkter. De xenobiotika som
absorberas av organismen är i regel av lipofil karaktär. Då utsöndringen i huvudsak endast
kan ske via vattenbaserade lösningar (urin och galla) kommer lipofila ämnen att ackumuleras i
kroppen om de inte kan omvandlas till mer vattenlösliga substanser. Lyckligtvis har vi
utvecklat ett antal effektiva system för omvandling av lipofila xenobiotika till mer hydrofila
metaboliter. Dessa system är i huvudsakligen enzymatiska processer som sammanfattas under
benämningen biotransformation.
Biotransformationen är ofta en bi-fasisk process. De enzymkatalyserande reaktionerna är av
två typer; Fas I-reaktioner vilka omfattar oxidations-, reduktions-, och hydrolysreaktioner och
fas II- reaktionerna som består av konjugeringsreaktioner. Vid fas II-reaktionerna binds fas Imetaboliter eller lipofila molekyler direkt till en endogen, vattenlöslig molekyl. Fas I –
reaktionerna gör i sig även de lipofila molekyler mer vattenlösliga men deras viktigaste
funktion är att addera eller exponera funktionella grupper hos inerta molekyler. Till dessa
funktionella grupper kan sedan mer hydrofila molekyler adderas vid fas II reaktioner.
De enzymer som katalyseras biotransformationen brukar ofta kallas avgiftningsenzym och är i
huvudsak lokaliserade i levern. Höga nivåer av avgiftningsenzymer finns även i lunga,
tarmsystemet och huden, medans små mängder finns i nästan alla vävnader. Levern är dock
det absolut viktigaste organet för biotransformation. Intracellulärt så är fas I enzymerna
huvudsakligen membranbundna i det endoplasmatiska nätverket och många fas II enzymer är
cytosoliska.
Ingen är perfekt, inte ens våra avgiftningsenzymer och biotransformation är inte alltid lika
med detoxifiering. En del ämnen omvandlas i stället till mycket reaktiva, ytterst toxiska
metaboliter, vilka sedan kan reagera med molekyler som DNA, RNA och proteiner och orsaka
celldöd, mutationer och/eller cancer. Många farliga ämnen är i sig själva inte toxiska utan det
är metaboliterna som orsakar skador.
Gemensamt för många avgiftningsenzymer är att de har en stor mängd närbesläktade
isoenzymer som kan grupperas i familjer. Dessa familjer har en mycket bred och
överlappande substratspecificitet och tillsammans ger de möjlighet att metabolisera en
oerhörd mångfald av ämnen. Priset man får betala för den breda specificiteten är relativ låg
effektivitet. Detta kompenseras genom att många avgiftningsenzymer förekommer i stora
mängder, åtminstone i levern. Dessa mängder kan ytterligare ökas vid exponering av vissa
ämnen, sk inducerare, vilka ofta i sig själv är substrat. De flesta avgiftningsenzym är
inducerbara och ger på så vis organismen en möjlighet att mobilisera extra försvarsstyrkor vid
exponering av vissa xenobiotika.
FAS I
FAS II
Addera eller exponera
funktionella grupper
Primär
produkt
Xenobiotika
Oxidation
Reduktion
Hydrolys
Sekundär
produkt
Konjugeringsreaktioner
exkretion
lipofil
hydrofil
Fas I enzymer
Fas I reaktioner är katabola (oxidation, reduktion eller hydrolys VISA BILD!). Produkterna är
oftast mer kemiskt reaktiva och faktiskt ibland mer toxiska eller carcinogena än
modersubstansen/läkemedlet. Fas I reaktioner introducerar oftast en relativ reaktiv grupp
(funktionell grupp), som t ex hydroxylgrupp (OH-grupp). Denna funktionella grupp kan sedan
fungera som punkt för konjugeringssystemet (fas II reaktion) att fungera på.
Både fas I och II faserna minskar fettlösligheten för att öka renal elimination.
Cytokrom P450 systemet
Detta system plus andra läkemedelsmetaboliserande enzymer hittas i endoplasmatiska
nätverket. För att nå dessa enzymer måste läkemedel passera plasma membranet. För polära
molekyler är det svårare att passera plasmamembranet än opolära molekyler om det inte finns
transport mekanismer som hjälp. Därför är intracellulär metabolism mindre viktigt för polära
än för fettlösliga läkemedel. Polära läkemedel utsöndras oförändrad i urinen och opolära når
intracellulära ezymer men utsöndras oeffektivt av njurarna.
CYP enzymer är hemproteiner bestående av en stor familj (superfamilj) av besläktade men
skilda enzymer (CYP plus en siffra och en bokstav). Dessa enzymer skiljer sig ifrån varandra
i aminosyrasekvensen, i reglering av inhibitorer och inducerande ämnen och i deras
specificitet i reaktioner de katalyserar. Olika medlemmar i familjen har skilda men ofta
överlappande substratspecificitet med några enzymer som agerar på samma substrat men med
olika hastigheter. Familjerna CYP1, 2 och 3 är de tre familjerna som står för
läkemedelsmetabolismen i människor.
Andra fas I enzymer
Det är inte all läkemedel som metaboliseras av CYP enzymer. Etanol metaboliseras t ex av
alkoholdehydrogenas, (även till en viss del av CYP2E1). Monoaminoxidas (MAO) inaktiverar
många biologiskt aktiva aminer t ex serotonin, noradrenalin, tyramin (oxidativ deaminering)
Oxidativa reaktioner: katalyseras i stor utsträckning av mikrosomala enzymer i ER, t ex
cytokrom P450- systemet. En molekyl med syre adderas eller förlust av elektroner. Detta gör
att molekylen kan lättare reagera med nya substrat (i fas II)
Hydroxylering: tillförsel av en OH-grupp
N-/O-/S-dealkylering: Vid N-dealkylering avlägsnas en alkylgrupp som är bunden till en Natom. Vid O-alkeylering avlägsnas en en alkylgrupp som är bunden till en syreatom. Vid Salkeylering avlägsnas en en alkylgrupp som är bunden till en svavelatom.
Oxidativ deaminering: sker med hjälp av MAO. En aminogrupp (-NH2) ersätts av en
syreatom.
Reduktiva reaktioner: dessa reaktioner är mindre vanliga än oxidativa reaktioner. Katalyseras
också av mikrosomala enzymer. Vid reduktiva reaktioner förlorar en molekyl syre eller
tillförs elektroner. T ex ketongrupp (=O) till hydroxylgrupp (-OH).
Hydrolytiska reaktioner: sker i cellernas cytosol i en rad olika vävnader inkl levern. Vid dessa
reaktioner bryts ester- och amidbindningar.
Fas II enzymer
UDP-glucuronosyltransferaser
Glucuronidering är den viktigaste utsöndringensvägen av biotransformation av xenobiotika
hos människan. Glukuronidering kräver kofaktorn ”uridine diphosphoate-glucuronic acid
(UDP-glucuronic acid)”, och reaktionerna katalyseras av UDP-glucuronosyltransferaser.
Dessa enzymer är lokaliserade i det endoplasmatiska nätverket, främst i levern men även i
andra organ. Glukuronideringen sker huvudsakligen på ett syre (O), kväve (N) eller svavel (S)
atom. Så substraten för glukuronidering innehåller sådana funktionella grupper som alkohol
och fenoler (O-), karboxyl syra (O-), aromatiska aminer (N-) och fria svavel (S-).
Förutom flertalet xenobiotika substrat så förekommer även flera kroppsegna (endogena)
ämnen, som gallsyra, steroid hormoner, tyroidea hormoner. De glukuroniderade konjugaten
av xenobitika och endogena ämnen är polära (laddade), vattenlösliga och elimineras från
kroppen via urinen eller gallan. Vilken av dessa utsöndringsvägar beror på främst på storleken
på substratet, de mindre molekylerna utsöndras via urinen.
Det finns 2 UGT familjer (UGT1 och UGT2) som sammanlagt inkluderar minst 14 olika
isoenzymer. UGT1 familjen glukuroniderar främst fenoler och bilirubin. Substrater för
UGT2 familjen är tex steroider och gallsyra.
Glukuronideringe innebär oftast en detoxifiering av xenobiotika och toxiska endobiotika som
t ex bilirubin.
Sulfotransferaser
Flera av de ämnen som genomgår O-glukuronidering kan också sulfat konjugeras. Sulfat
konjugering genererar en mycket vattenlöslig produkt. Reaktionen katalyseras av
sulfotransferaser, en grupp lösliga enzymer som finns främst i levern, njure, tarm,lunga, och
hjärna. Kofaktorn som behövs vid dessa reaktioner är 3´-phosphoadenosine-5´-phosphosulfate
(PAPS). Sulfatkonjugering innebär att SO3- förflyttas från PAPS till substratet. De största
grupperna av ämnen fenoler och alifatiska alkoholer. Sulfat konjugat utsöndras huvudsakligen
via urinen. Två olika subfamiljer av sulfotransferaser finns hos människa, en cytosolisk och
en membran-bunden familj. De vanligaste endogena ämnen som utsöndras som sulfat
konjugat inkluderar DHEA, östrogener.
I allmänhet så är sulfat konjugering en effektiv väg att minska de toxiska aktiviteten hos
xenobiotika. Men det finns fall då sulfatiseringen innebär en ökad toxisitet av främmande
ämnen då vissa sulfat konjugat är kemiskt ostabila och degraderas till elektrofila ämnen
(elekrofila –”tycker om elektroner”, tar elektron från andra ämnen och fria radikaler bildas
vilket leder bl a till DNA mutationer – cancer).
Metylering
En mindre vanlig utsöndringsväg av xenobiotik biotransformation. Inte alla ämnen som
metyleras blir mer vattenlösliga. Metylering av funktionella grupper kan hindra att substratet
blir konjugerat av andra fas II enzymer. Ett viktigt undantag är metylering av nikotin, som blir
mer vattenlöslig och utsöndras lätt. Som kofaktor används S-adenosylmethionine (SAM).
Metyltransferaser finns i flera organ, främst i levern, men även stora mängder i erytrocyterna.
Det finns flera former av metyltransferaser hos människan. Ett viktigt enzym farmakologiskt
sett, är thiopurin methyltransferas (TPMT). På grund av genetiska variationer i denna gen
uttrycker människor olika nivåer av detta enzym vilket påverkar hur vi svarar på thiopurin
behandling.
Acetylering
Den viktigaste utsöndringsvägen av boitransformation av ämnen innehållande en aromatisk
amin (R-NH2). Liksom med metylering så blir inte alla acetylerade xenobiotika mer
vattenlösliga. Acetylering av xenobiotika katalyseras av N-acetyltransferas (NAT) och
kofaktorn acetyl-coenzym A (acetyl-CoA) krävs. I motsats till de andra fas II enzymerna så är
antalet acetyltransferaser begränsade. Två familjer uttrycks hos människan, NAT1 och NAT2.
Acetyltransferaser är cytosoliska och uttrycks i de flesta vävnder.
Genetisk variationer i Acetyltransferaser genen gör så att vissa individer klassas som snabba
acetylerare och andra för långsamma acetylerare. Detta påverkar hur en individ svarar på
behandling av läkemedel som acetyleras, tex antihypertensiv läkemedlet hydralazine.
Glutation konjugering
Konjugering av xenobiotika med tripeptiden glutation, som består av glycin, cystein, och
glutaminsyra. Glutation konjugerar till en massa olika elektrofila substrat. De har en mindre
betydande roll vid eliminering av just läkemedel, men mycket viktig vid biotransformation av
endogena och exogena elektrofila ämnen. Eftersom elektrofila ämnen är skadliga så utövar
glutation transferaserna en mycket viktig roll i vårt försvar mot cancer. Alla glutation
konjugering kan ske utan enzym, men hastigheten är såklart mycket snabbare med hjälp av
glutation transferaserna. De flesta glutation transferaserna är cytosoliska, men
membranbundna förekommer också. Jätte höga nivåer uttrycks i levern.
