Metabolizem zdravilnih

učinkovin

doc. dr. Janez Ilaš

11. november 2011

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

ΔM=0; ravnotežno stanje (“steady state”)

Izločanje z metabolizmom!

2

Metabolizem učinkovin

Odstranjevanje telesu tujih snovi z namenom vzdrževanja stacionarnega stanja

Številni encimi!

Večinoma tvorba vodotopnih metabolitov

Metaboliti netoksični!?

3

4

UČINKOVINA

akumulacija v telesu(telesne maščobe)

Metabolizem II faze(konjugacija)

Metabolizem I faze(bioaaktivacija ali deaktivacija)

izločanje z žolčem izločanje z urinom

plazma

zelo lipofilnemetabolno stabilne

lipofilne

polarne

hidrofilne

polarne hidrof ilne

ekstracelularna mobilizacija

Metabolizem učinkovin

Odstranjevanje telesu tujih snovi z namenom vzdrževanja stacionarnega stanja

5

Jetrni mikrosomalni encimi

(oksidacija, konjugacija)

Ne-jetrni mikrosomalni encimi

(oksidacija, konjugacija, hidroliza)

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

6

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!)

7

Metabolizem učinkovin – I. faza

Oksidacije z encimskim sistemom citokrom P450 (CYP 450)

Oksidacije

flavinske monooksigenaze

monoaminska oksidaza

alkoholna in aldehidna dehidrogenaza

ksantinska oksidaza

Redukcije

specifične reduktaze

oksido-reduktaze

Hidrolize – številne hidrolaze

esteraze; serinske, arilesteraze, sulfataze, fosfataze

peptidaze8

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-OH

reduktaza je vir elektronov za pogon oksidacijskega kroga

9

Mehanizem mikrosomalne oksidacije

učinkovin s CYP 450

10

CO

huCYP-Fe+2

Uč.

CO

O2

e-

e-

2H+

H2O

Uč.

CYP

R-Aza

NADPH

NADP+

OHUč.

CYP Fe+3

Uč.

CYP Fe+2

Uč.

CYP Fe+2

Uč.

O2

CYP Fe+3

OHUč.

Biotransformacije s CYP 450

Tipi reakcij:

Alifatsko hidroksiliranje

Aromatsko hidroksiliranje

Oksidacija alkenov, alkinov

Dealkiliranje (N-,O-, S-)

N-oksidacije, S-oksidacije

Deaminacija

Dehalogeniranje

11

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

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).

12

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.

13

Alifatsko hidroksiliranje s CYP 450

Ibuprofen

Pentobarbital

14

Aromatsko hidroksiliranje s CYP 450

Primeri

fenitoin, propranolol

endogene snovi: steroidni hormoni

Velikokrat toksični podukti (benzen, policiklični aromati)

15

Oksidacija alkenov in alkinov s CYP 450

Alkeni

Tvorba epoksidov

Primer – ciproheptadin

Alkini

Oksidacija do ketenov – hidroliza do kislin

16

N(O,S)-dealkiliranje s CYP 450

Etilmorfin

N-dealkiliranje prednostno pred O-dealkiliranjem

S-metiltiopurin

S-dealkiliranje

17

N, S-oksidacije s CYP 450

N-oksidacije

Primarni, sekundarni amini → hidroksilamini

Terciarni amini → N-oksidi

Amidi

Kancerogen

18

N, S-oksidacije s CYP 450S-oksidacije

Tioetri → sulfoksidi

Tioli – sulfenske, sulfinske, sulfonske kisline

Klorpromazin

19

Oksidativno deaminiranje s CYP 450

Podoben mehanizem kot N-dealkiliranje

Amfetamin

20

Dehalogeniranje s CYP 450

Fluoro derivati se ne metabolizirajo

21

Ne-CYP 450 oksidacija

Flavin monooksigenaze (FMO)

Družina encimov,

katalizira oksidacijo N, P, S

Izjemno široka

substratna specifičnost

Potrebujejo O2, NADPH,

flavin adenozin dinukleotid (FAD)

22

Oksidacije s FMO

Nikotin

Cimetidin

23

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

24

Hidrolize

Estriesteraze

Amidipeptidaze

25

Metabolizem učinkovin – II. faza

Konjugacije

Reakcije kovalentne vezave endogenih molekul preko reaktivnih (nukleofilnih)

skupin ksenobiotikov

Namen: izboljšanje topnosti/zmanjšanje učinka

Značilno

Sledijo I. fazi

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 substratom

26

GlukuronidacijaNajpogostejša konjugacija

Glukuronil transferaze – družina izoencimov

Velika kapaciteta (zaloga gluk. kis. v jetrih)

Metaboliti bistveno bolj polarni, manj toksični

27

Glukuronidacija

28

Tvorba sulfatov

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

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

ksenobiotikov

Konjugati večinoma neaktivni, izjema minoksidil

29

Acetiliranje

Predvsem primarni amini

Toksičnost; kristalurija pri sulfonamidih

30

Metiliranje

Predvsem endogene substance

COMT (katehol-O-metil transferaza)

31

Konjugacije z aminokislinami

Konjugati izključno s karboksilnimi kislinami

Manjši odmerki : konjugacija z glicinom

Večji odmerki : estri glukuronidi

32

Konjugacije z glutationom

Glutation = GSH

Tripeptid: δ-Glu-Cys-Gly

Glutation transferaza (regeneracija)

“Lovilec” elektrofilov, radikalov

33

Reaktivni metaboliti - elektrofili

34

Karboksilne kisline kot acilatorji

Acetilen

Reaktivni metaboliti - elektrofili

35

Halogenirani ogljikovodiki

Tiazolidindioni

Reaktivni metaboliti - elektrofili

36

Furani

Aromatske spojine in olefini

Reaktivni metaboliti - radikali

37

Izoniazid

Hidrazini

Tioli

Biotransformacija paracetamola

38

~ 60 % ~ 35 %

CYP2E1

CYP1A2

CYP3A4

NAPQI

N-acetil-p-benzokinoimin

Biotransformacija paracetamola

39

CYP2E1

NAPQI

N-acetil-p-benzokinoimin

Protein-SH

Protein-NH2

Dejavniki spremenjenega

metabolizma učinkovin

Interindividualni

• Biološka vrsta

• Spol

• Genetski faktorji

Intraindividualni

• Starost

• Biološki ritem

• Nosečnost

• Indukcija/inhibicija encimov z drugimi ksenobiotiki

• Prehranske navade

40

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”

“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 therapeutically

active metabolite. ”

41

Nepresnovna zdravila

42

Toksičnost

Sistemska toksičnost

•akutna toksičnost

•subkronična toksičnost

•kronična toksičnost

•genetska toksičnost

•karcinogenost

•razvojna toksičnost

•fototoksičnost

Specifična toksičnost (organotoksičnost)

•srčna/kardiovaskularna toksičnost

•hepatotoksičnost

•imunotoksičnost

•reproduktivna toksičnost

•respiratorna toksičnost

•nefrotoksičnost

•nevrotoksičnost

•dermalna/okularna toksičnost

Toksičnost

Paracetamol (metabolizem)

Halotan (metabolizem)

Valprojska kislina

Nenadna smrt

Sindrom podaljšanega QT (long QT syndrome)

Molekulski nivo blokada – hERG K+

Farmakoforni model

Kako izboljšamo učinkovino, ki je toksična

zaradi blokade hERG kalijevega kanala

Zmanjšanje lipofilnosti

• odstranitev enega ali obeh halogenov;

• uvedba polarne substituente na aromatski obroč

• nasičenje fenilnega obroča do cikloheksilnega

• nasičenje indola do indolina

Zmanjšanje bazičnosti

Zmanjšanje fleksibilnosti

Premik bazičnega centra

Tvorba iona-dvojčka (zwiter ion)

NHN

O

N

N

F

Cl sertindol1998

hERG IC50 = 56 nM

ClogP=6.1

PSA= 43.7

hERG IC50 = 23 nM

ClogP = 2.0

PSA = 81.0

feksofenadin

CYP450 CYP3A4

Literatura predavanj

Foye‟s Principles of Medicinal Chemistry:

8. Drug Metabolism

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

9. Drug Metabolism

49