Toksikokinetikk ogbiotransformasjon, og

biodegraderingBIO4500 h 2004

Stoff A Stoff BkA B + H2O AOH + BH

k

dC k Cdt

− = ×

t

0

C t

C 0

kt kttt 0

0

dC dCk C som gir k dtdt C

Cog C C e eller eC

− −

− = × − =

= =

∫ ∫

k693,0

k5,0lnt 2/1 =−=

Toksikokinetikk

Logskalaførsteordens kinetikk

0 3 6 9 12-4

-3

-2

-1

0

1

C0= 5k = 1

Tid (timer)

log(

C)

0 3 6 9 120

2

4

Lineær skalaførsteordens kinetikk

Tid (timer)

Kon

sent

rasj

on(C

)

LogskalaMichaelis-kinetikk

0 3 6 9 12-4

-3

-2

-1

0

1

C0= 5k = 1KM= 1

Tid (timer)

log(

C)

0 3 6 9 120

2

4

Lineær skalaMichaelis-kinetikk

Tid (timer)

Kon

sent

rasj

on(C

)

Logskalanulteordens kinetikk

0 3 6 9 12-4

-3

-2

-1

0

1

C0= 5k = 1

Tid (timer)

log(

C)

0 3 6 9 120

2

4

Lineær skalanulteordens kinetikk

Tid (timer)

Kon

sent

rasj

on(C

)tkCC 0 ×−=

tkCCClnKC 0

0M ⋅−=+

CKCk

dtdC

M +⋅

=−

kdtdC

=−

dC k Cdt

− = ×

ktt

0

C eC

−=

1.orden

Michaelis

0. orden

KOMPARTMENT

Et hypotetisk volum i et systemder et stoff oppfører seghomogent i transport og

transformasjon(Hodgson et al. 1998)

To kompartment

k-1

k+1

kel

Cs Cp

p1s1selS CkCkCk

dtdC

+− −+=−

Konsentrasjon mot tid ien

tokompartmentmodellmed 1. ordens kinetikk

0 2 4 61

10

100

Målte verdier

Første leddAnnet ledd

Tid

Kon

sent

rasj

on( )t tlog C log Ae Be−α −β= +

tt eBeA =C βα −− ×+×

Toksikokinetikk ogbiotransformasjon, og

biodegraderingHOVEDSPØRSMÅLENE

– Detoksikering, bioaktivering og ”faser”– Biotransformasjon og evolusjon

• INNLEDENDE EKSEMPLER– DDT-dehydroklorinaser– Malation– Fluorositratdannelse– Alkoholdehydrogenaser og metabolisme av

alkoholer• KORT OVERSIKT OVER VIKTIGE

REAKSJONER– Oksidasjon– Reduksjon– Peroksidreduksjon– Hydrolyse– Elektrofil substitusjon– Konjugering

• OKSIDASJONSENZYMENE– CYP-enzymer– Induksjonsmekanismer– Alkohol og aldehyddehydrogenaser og

polymorfisme– Lipoksygenaser– Dismutaser– Peroksidaser– Aminooksidaser

• HYDROLYSE– Epoksidaser– Arylesteraser– Karboksylesteraser– Kolinesteraser

• KONJUGERINGS-REAKSJONER– Glutationtransferaser– Sulfotransferaser– Glukoronsyretransferaser– Aminosyretransferaser

• METABOLISME AV ENKELTE STOFFER– Paracetamol– DDT– Malation– PCB– PAH

• BIODEGRADERING– Xenobiotika– Adaptasjon og kometabolisme– ”Persistensregler”– Anaerob og aerob degradering– Metoder

Eksempler (DDT)

C

H

CCl3

ClCl C

CCl2

ClCl

DDT DDE

GSH

malation

P

S

SCH3O

CH3OCHCOOC2H5

CH2COOC2H5

P

S

SCH3O

CH3OCHCOOC2H5

CH2COOC2H5

GSH, O2, H2O

Glutation- transferaser

CYP-enzymer

Carboksyl- esteraser

fluoroeddiksyreCH2C CoA

OF

COOH

CO

CH2

COOH

COOH

CHF

CCOOHHO

CH2

COOH

COOH

CH2

C-COOHHO

CH2

COOHCOOH

CH2

C-COOH

CH

COOH

COOH

CO

CH2

COOH

CoA

CH3C CoA

O CoA

aconitase

fluorocitric acid

citric acid

succinylkolin

CH2COOCH2CH2N(CH3)3

CH2COOCH2CH2N(CH3)3

CH2COO

CH2COOCH2CH2N(CH3)3

Butyrylkolinesterasei plasma

Lærdom

• Kunnskap om metabolisme ogvirkningsmekanisme kan brukes bevisstbehandling

• Overføring av data mellom dyrearter harbegrenset verdi, dersom man ikkesamtidig tar hensyn i forskjell itoksikokinetikk og metabolisme!

Biotransformasjonsenzymer

• Fase I – enzymer– Oksidasjon (alkoholdehydrogenase, CYP-enzymer)– Hydrolyse (kolinesteraser, karboksylesteraser,

epoksidhydrolaser, arylesteraser)• Fase II – enzymer

– Sulfatkonjugering (sulfotransferaser)– Glukuronsyrekonjugering (glukuronosyltransferaser)– Glutationkonjugering (glutationtransferaser)– Og flere

ALKOHOLMETABOLISMEN

• Kinetikken• De viktigste enzymene involvert• Artsforskjeller og raseforskjeller• Metanolforgiftning og etylenglykolforgiftning• Detoksikering og bioaktivering (etanol,

propylenglykol metanol og etylenglykol)• Stoffer og tilstander som påvirker metabolismenSe nr. 40–46 i ”Gifter – virkninger og mekanismer

Kinetikken og involverte enzymer

• Forsvinner etter en 0te ordens kinetikk ikonsentrasjonsområdet 1,2 promille til edru – ca8 timer– Alkoholdehydrogenase etterfulgt av

aldhyddehydrogenase (NAD+).– Katalase (H2O2) – Clofibrat og andre peroksisomale

proliferatorer fører til økt betydning av katalase.– CYP2E1 (O2) – Xylitol gir mer NADPH og øker

betydningen. Viktig for interaksjon mellom etanol ogParacetamol.

ADH• Alkoholdehydrogenase (lever, tarmepitel osv. I

cellenes cytosol)

CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO NADH H++ +

Legg merke til at det dannesH+

Fra propylenglykol til pyrodruesyre

Fra etylenglykol til oksalsyre

Fra metanol til maursyre

Fra etanol til eddiksyre

CH3

COCOOH

CH3

CHOHCH2OH

COOHCOOH

CH2OHCH2OH

HCOOHHCHOCH3OH

CH3COOHCH3CHOC2H5OH

Egenskaper tilalkoholdehydrogenaser

• Cytosoliske• Inneholder sink• Dimerer med to av følgende 8 monomerer

(ca 40 kDa store):α, β1, β2, β3, γ1, γ2, π, χ dessuten σ og µ

6 ulike gener: For ekspresjon av α, β, γ, π, χ, σ og µ.Som visstnok også betegnes: ADH1- ADH6

Finnes i lever, nyre, tarm og mage.

Klasser og egenskaper

• Klasse 1: Substrater: etanol, og lavere alkoholer (lever!)– ADH1: αα, αβ, αβ1, αβ2, αβ3 αγ, (alle har en α )– ADH2: ββ, βγ (alle har en β)– ADH3: γγ

• Klasse 2: Substrater: større alifatiske alkoholer lever– ADH4: ππ

• Klasse 3: Substrater: aromatiske alkoholer, formaldehyd-detoksikering (alle vev)– ADH5: χχ

• Klasse 4: Substrater: lavere alkoholer og retinol (magespiserør etc.- ikke i lever hos voksne) Har høy Km ogviktig i tarmen– ADH6: σσ, σµ, µµ

Alkoholisme og metabolisme

• Mageformen (σ og µ − høy Km) er viktigved høyt alkoholinntak. Ikke-alkoholisertemenn har mest, mens kvinneligealkoholikere har lite. Mageformen har storbetydning for nordiske drikkeskikker pågrunn av den høye Km-verdien.

• Former med β2 -allelen er meget aktivoverfor etanol og har en svært ujevnrasemessig fordeling.

Rasemessig fordeling av β2

• Japanere og kinesere 85%• Amerikanere 5%• Engelske 8%• Tyskere 12%• Sveitsere 20%• Afroamerikanere 10%• Indere 0%• Indianere 0%

1. Hvordan klassifiseresaldehyd-dehydrogenasene?

Aldehyddehydrogenasene deles i tre klasser:• Klasse I: Cytosolisk, tar seg først og fremst av xenobiotiske

aldehyder.• Klasse II: Finnes i mitokondriene. Lav Km dvs. høy affinitet.

Oksiderer enkle aldehyder. Hemming av dette enzymet meddisulfiram (Antabus) skaper sterke forgiftningssymptomer med sterktubehag ved inntak av etanol. Ca. 50 % japanere og kinesere har enlite aktiv form av dette enzymet og særlig når denne opptrersammen med en spesielt aktiv alkoholdehydrogenase (β2β2) tåler deetanol dårlig.

• Klasse III: Finnes i cytosol og kalles ogsåformaldehyddehydrogenase. Dette enzymet bruker glutation somkofaktor. Det er i mage/tarm og annet ekstrahepatisk vev.Biotransformerer ikke acetaldehyd.

Aldehyddehydrogenaser, 3 klasser

• Klasse 1– Cytosolisk– Omsetter xenobiotiske aldehyder

• Klasse 2– Mitokondriell. Omsetter enkle aldehyder.– En punktmutasjon der Glu? Lys som gir lav aktivitet

(ALD2)– Lav Km.– Den lite aktive formen (ALD2, som er i 50% av

japanere og kinesere) vil sammen med β2,β2−ADH giet høyt nivå av aldehyder ved alkoholkonsum

• Klasse 3– Spesielt for formaldehyd via et glutationaddukt– Ikke aktivt for acetaldehyd– Cytosolisk, i tarm. Er identisk med ADH5!

HCHO + GSH HC

OH

H

SGNAD+

HCOOH GSH+

Hemmere av ALD

RCHO + NAD+ NADHH2O+ RCOOH + + H+

Koprin og disulfiram hemmer og gir svært ubehagelige symptomer vedalkoholkonsum. Farlig synergisme ved allylalkoholforgiftning, som ogsåer svært giftig for kinesere og japanere.

CH2 CHCH2OH CH2 CHCHO CH2 CHCOOH

alyllalkohol akrolein akrylsyre

Andre metabolismeveier foraldehyder

• Aldehyder kan reduseres av alkoholdehydrogenaser ogkarbonylreduktraser til alkoholer

• Aldehydoksidase og xantinoksidase er metalloflavoproteinersom innheholder jern, molybden og FAD. Mange ulikesubstrater.

CH3CHO CH3COOHO2

Aldehyders giftighet

RCO

HH2N R'+ R C

OH

NHR'

Haldehyd aminogruppe Schiffs base

Metanols giftighet

• Primater:– LD90-dose gir forbigående

løsemiddeltoksisitet (rus), etterfulgt avacidose. Omsetter via alkoholdehydrogenase.

– Men også om acidosen behandles vellykket,opptrer CNS-skader

– Lite giftig via løsemiddelvirkning (se ”de sjudødsmåter”

– HCOOH er kanskje det proksimale toksiskestoffet.

• Metanol smaker og lukter som etanol, men gir lavere rusvirkning• Stor fare, og høy risiko for forgiftning• Starter med mild inebriasjon og søvnighet (3-36 timner) – kvalme, oppkast,

magesmerter, uklahet, hodepine og coma• Synsforstyrrelser, store pupiller(!), liten reaktivitet overfor lys (6 timer)• 30 ml er dødelig• 10 ml gir blindhet• Latensperiode 12 til 24 timer• Synsforstyrrelser opptrer mellom 18 og 24 timer etter inntak• Angriper retina, optisk disk og optisk nerve• Toksisk mekanisme: HCOOH hemmer cytokrom oksidase

• TRE FORGIFTNINGSTYPER:• 1) Organisk løsemiddel-forgiftning (Alle organismer)• 2) Systemisk acidose• 3) Sentralnervesystemskader, spesielt nervus optikus og retina

Behandling

• HCOOH er en sterk syre, men vedacidose er mye udissosiert og passererblod-hjernebarrieren.– HCOOH hemmer cytokromoksidase og

skader den optiske nerven som har fåmitokondrier.

• Behandle acidosen med natriumbikarbonat intravenøst• Hemme ADH med etanol eller metylpyrazol• Gi folat for å øke omsetningen av maursyren• Hemodialyse

• Andre pattedyr– Lite giftig for dyr som metaboliserer HCOOH

raskt– Omsettes mye via katalase– Mer aktiv formyltetrafolat syntase (FTS) i

andre dyr som omsetter maursyre tilkarbondioksid

Oppsumering av metabolismen av etanol

Etylenglykol gir acidose

Forskjell mellom dyrearter foretylenglykoll