Fortbildung-2009-05-Fremdstoffmetabolismus-Teil-1

PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT
Wim Wätjen, Ellen Fritsche
Die Rolle des Fremdstoffmetabolismus
in Pharmakologie und Toxikologie
Teil 1: Phase-I-Reaktionen
lisiert und dann als inaktive Transformationsprodukte ausgeschieden werden müssen. Viele Arzneimittel, wie z.B. Acetylsalizylsäure
oder Taxol sind Abkömmlinge solcher Naturstoffe. Xenobiotika, die
eine geringe Wasserlöslichkeit aufweisen, können vom Organismus
nicht direkt eliminiert werden, sondern müssen in einer ersten
Phase (Phase I) durch den Einbau bzw. die Demaskierung funktioneller Gruppen funktionalisiert werden. Diese Modifikationen sind
nötig, um lipophile Fremdstoffe effektiv ausscheiden zu können und
ihre Akkumulation im Organismus zu verhindern (Abb. 1).
Um seinem Zweck als universelle Entgiftungsmaschinerie nachzukommen, muss das FME die besondere Eigenschaft besitzen, eine
sehr große Anzahl von Substraten unterschiedlichster chemischer
Struktur zu metabolisieren. Zudem muss es in der Lage sein, neue,
unbekannte Substanzen zu verstoffwechseln. Diese Anforderungen schließen eine
„Ein Enzym - ein Substrat“- Situation, wie
sie von klassischen biochemischen Stoffwechselwegen bekannt ist, aus. Die Evolution hat diese Aufgabe gelöst, indem sie
das FME aus „promiskuitiven“ Enzymen
zusammengesetzt hat, die jedoch jeweils
eine geringe Substratspezifität aufweisen.
Abbildung 1: Ausscheidung von Fremdstoffen (schematische Darstellung)
Während hydrophile Stoffe direkt eliminiert werden, müssen lipophile Substanzen vor
ihrer Ausscheidung in hydrophilere Metabolite überführt werden. Diese Substanzen werden zunächst in der Phase I oxidiert, die polaren Intermediate in der Phase II konjugiert
und als hydrophile Metabolite ausgeschieden. Fremdstoffe mit funktionellen Gruppen,
wie z.B. das Phenol, können direkt durch Phase II Enzyme in hydrophile Metabolite
überführt und eliminiert werden. Einige funktionalisierte Phase I-Metabolite können auch
hydrophil genug sein, um renal ausgeschieden zu werden. Bestimmte lipophile Substanzen, wie z.B. das „Sevesogift“ Tetrachlorodibenzo(p)dioxin werden kaum metabolisiert und akkumulieren im Fettgewebe.
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1. Chemische Reaktionen der Phase I
Die chemischen Reaktionen des FME der
Phase I beinhalten hauptsächlich oxidative
Prozesse, wobei die Einführung eines Sauerstoffatoms in den Fremdstoff die Schlüsselreaktion darstellt (Abb. 3 & 4). Ziel der
Phase I Reaktionen ist es, den lipophilen
Fremdstoff durch Einführung bestimmter
Gruppen zu funktionalisieren und damit
eine Interaktion mit den Enzymen der
Phase II zu ermöglichen. Eine allgemeine
Übersicht der Enzyme der Phase I findet
sich in Tab. 1. Obwohl Phase I Reaktionen
die erste Stufe des körpereigenen Entgiftungssystems darstellen, kann es durch
Phase I Reaktionen zur ‚Aktivierung’ von
an sich inerten Fremdstoffen kommen.
Einige Beispiele für Substanzen, die erst
durch metabolische Aktivierung in toxische
Verbindungen umgewandelt werden, sind
in Abb. 2 gezeigt.
Abbildungen: Wätjen/Fritsche
Das Fremdstoff-metabolisierende Enzymsystem (FME) ist ubiquitär
über die meisten Spezies verbreitet. Es wird vermutet, dass es sich
vor ca. 2,5 Milliarden Jahren zur Entgiftung von Sauerstoff entwickelte. Die anschließende Weiterentwicklung der Enzymsysteme wird als
Folge der evolutionären Trennung von Tier- und Pflanzenreich vor ca.
1,8 Milliarden Jahren erklärt. Tiere mussten in der Lage sein, sekundäre Pflanzeninhaltstoffe wie z. B. Blütenpigmente, chemo-taktische
Schreck- und Lockstoffe sowie Phytoalexine zu metabolisieren.
Diese Theorie wird von der Beobachtung unterstützt, dass es vor
etwa 400 Millionen Jahren eine „explosionsartige“ Vermehrung der
tierischen Cytochrom P450 (CYP)2 Familie, gab, als die ersten Tiere
begannen, das Land zu besiedeln und anfingen sich von Landflora
zu ernähren. Bei dem Konsum von Pflanzen wird der Organismus mit
zehntausenden von Pflanzeninhaltstoffen konfrontiert, die metabo-
Zertifizierte Fortbildung
Cytochrom P450
Die große Gruppe der CYP Enzyme setzt sich beim Menschen aus
derzeit 18 bekannten Familien zusammen. Zu einer Familie, die mit
der ersten Zahl klassifiziert wird (z.B. CYP1), gehören CYP Enzyme
mit einer Sequenzhomologie von mehr als 40%. Innerhalb dieser
Familien werden CYPs mit Homologien von mehr als 55% durch
einen Buchstaben in (beim Menschen 43) Unterfamilien gruppiert
(z.B. CYP1A). In diesen Unterfamilien werden einzelne Isoenzyme
zusammengefasst und durch eine weitere Zahl (z.B. CYP1A1)
definiert. Bisher sind beim Menschen 57 Isoenzyme bekannt, die
Anzahl variiert jedoch erheblich zwischen einzelnen Spezies. Da es
hohe genetische Variabilitäten innerhalb der CYP Enzyme einer
Spezies gibt, werden die verschiedenen Allele durch ein Sternchen
und folgende Nummerierung identifiziert (z.B. CYP1A1*1). Dabei ist
das *1 Allel in der Regel der Wildtyp und alle weiteren Allele (*2, *3,
etc.) werden in der Reihenfolge ihrer Entdeckung durchnummeriert.
tor Nuclear Translocator) und bindet dann an XREs der DNA, was zur
Induktion bestimmter Proteine, wie z.B. CYP 1A1 führt (Abb. 5).
Der Metabolismus von Benzo(a)pyren durch CYP1A1 ist in Abb. 6 dargestellt und zeigt, dass es sowohl zu einer Entgiftung als auch zur
Giftung von B(a)P kommen kann.
Die generelle CYP1-Aktivität kann über die Ethoxyresorufin O-Deethylierung gemessen werden. Während es für CYP1A1/1B1 keine spe-
Die CYP Enzymaktivitäten des menschlichen Körpers sind nicht
allein der Leber vorbehalten. Fast alle Zellen sind in der Lage, in
gewissem Umfang Xenobiotika zu metabolisieren. Da sich die
Expression der meisten CYP Enzyme - und damit ihre Aktivität Organ- und Substrat-spezifisch induzieren lässt, unterscheidet man
zwischen basaler und induzierbarer Aktivität. Die Induktion durch
ein Substrat erfolgt dabei auf der Ebene des Zellkerns: Ein Substrat
bindet einen zytosolisch lokalisierten Rezeptor (z.B. AhR, CAR, PXR),
welcher dann als Transkriptionsfaktor über spezifische Sequenzen
der DNA (XRE: „Xenobiotic responsive element“) zur Geninduktion
des CYPs führt. Die Leber besitzt zwar die höchsten basalen CYP
Aktivitäten, jedoch sind auch in vielen extrahepatischen Organen
CYP Enzyme basal exprimiert oder lassen sich induzieren.
CYP Enzyme des FM gehören zu den Familien 1-3, auf welche dieses
Kapitel näher eingehen wird. Diese Enzyme stellen quantitativ den
größten Anteil des Phase-I-Stoffwechsels von Fremdstoffen dar.
Abbildung 2: Beispiele für Fremdstoffe, die erst durch Metabolisierung (Cytochrom P450) in reaktive, toxische Substanzen
umgewandelt werden (Benzo(a)pyren, n-Hexan, Vinylchlorid
und Tetrachlorodibenzo(p)dioxin (TCDD))
Die CYP1 Familie
Zu dieser Familie gehören CYP1A1, 1A2 sowie 1B1. Während das
CYP1A2 das Leber-spezifische Enzym der CYP1 Familie darstellt, sind
CYP1A1 und CYP1B1 auch extrahepatisch exprimiert. Die Expression
dieser Familienmitglieder wird durch den AhR (Arylhydrocarbon
Rezeptor) kontrolliert. Der AhR bindet hauptsächlich polyzyklische
aromatische Kohlenwasserstoffe welche z.B. im Tabakrauch enthalten sind oder das als ‚Seveso-Gift’ bekante Dioxin (TCDD). Der durch
den Fremdstoff aktivierte AhR transloziert in den Zellkern, dimerisiert dort mit einem weiteren Protein (ARNT: Arylhydrocarbon Recep-
Oxidoreduktasen
Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen (CYP)
Flavin-abhängige Monooxygenasen (FMO)
Monoaminoxidasen (MAO)
Cyclooxygenasen (COX)
Dihydrodioldehydrogenasen
DT-Diaphorase (NQOR)
Alkohol- und Aldehyd-dehydrogenasen (ADH, ALDH)
Hydrolasen
Esterasen
Amidasen
Glucuronidasen
Epoxidhydrolasen (EH)
Tabelle 1: Phase-1-Enzym
Abbildung 3: CYP-vermittelte Reaktionen Zu den Cytochrom
P450-vermittelte Reaktionen zählen die aromatische und
aliphatische Hydroxylierung, N-, O- S-Desalkylierung, Epoxidierung, Dehydrogenierung, N-Hydroxylierung, N-Oxidation, oxidative Desaminierung, oxidative Desulfurierung und Sulfoxidation.
In dieser Abbildung sind beispielhaft einige Reaktionen
dargestellt.
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PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT
CYP 1A1
A2
Theophyllin, Clozapin, Coffein, Benzo(a)pyren
Amitriptylin, Theophyllin, Clozapin, Coffein,
Haloperidol
CYP 2A6
B6
Nicotin
Clopidogrel, Cyclophosphamid, Methadon,
Bupropion, Ifosfamid
Tolbutamid, Verapamil, Paclitaxel
Warfarin, Diclofenac, Tamoxifen, Amitriptylin,
Tamoxifen, Losartan, Naproxen, Rosiglitazon
Verapamil
Omeprazol, Diazepam, Propanolol, Warfarin,
Imipramin, Phenytoin
Codein, Imipramin, Tamoxifen, Desipramin,
Fluoxetin, Risperidon, Timolol, Haloperidol,
Chlorpromazin, Amitriptylin
Ethanol, Paracetamol, Tetrachlorkohlenstoff,
Halothan, Enfluran
C8
C9
C18
C19
D6
E1
CYP 3 A4
A5
Clarithromycin, Ciclosporin, Coffein, Docetaxel,
Lovastatin, Sildenafil, Simvastatin, Verapamil,
Nifedipin, Midazolam, Cyclophosphamid,
Vincristin, Saquinavir, Lidocain
Verapamil, Nifedipin, Ciclosporin, Midazolam,
Cyclophosphamid
Tabelle 2: Pharmakologisch/toxikologisch relevante
CYP-Enzyme und deren Substrate (Auswahl)
Abbildung 4: Der katalytische Zyklus des Cytochrom P450.
Die Bindung des Substrats (X-H) unterstützt den Übergang des
Hämin-Eisens in die high-spin-Konfiguration (1). Die folgende
Reduktion des Hämins zu Häm wird durch die Cytochrom P450
Reduktase katalysiert (2). Nach Bindung von molekularem
Sauerstoff an das Häm (3) wird der Komplex durch einen zweiten Ein-Elektron-Reduktionsschritt aktiviert. Das Elektron wird
dazu entweder durch die CYP Reduktase oder durch Cytochrom
b5 geliefert (4). Die heterolytische Spaltung der O-O Bindung
geschieht unter Wasserabspaltung (5). Der angenommene
Zwischenkomplex hat hohes Sauerstoffübertragungspotential
und führt zur Oxygenierung des Substrats (6). Das Reaktionsprodukt wird vom Enzym freigesetzt (7). Die Intermediate
(gestrichelte Kästchen) sind hypothetisch, da sie analytisch
schwer nachweisbar sind.
Abbildung 5: Ah-Rezeptor-Aktivierung durch TCDD (schematische, vereinfachte Darstellung) Der durch den Fremdstoff aktivierte AhR transloziert in den Zellkern, dimerisiert dort mit
einem weiteren Protein (ARNT: Arylhydrocarbon Receptor
Nuclear Translocator) und bindet dann an XREs der DNA, was
zur Induktion bestimmter Proteine, wie z.B. CYP 1A1 führt.
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zifischen Markersubstrate gibt, lässt sich für die Bestimmung der
CYP1A2-Aktivität das Koffein nutzen. Das Besondere an CYP1A1/1B1
ist, dass diese Enzyme bisher in fast allen extrahepatischen
Organen nachgewiesen werden konnten.
Die CYP2 Familie
Die CYP2 Familie ist die größte CYP Familie der Säugetiere. Zu ihr
gehören die Unterfamilien CYP2A, CYP2B, CYP2C, CYP2D und CYP2E.
Die wichtigsten Vertreter der CYP2A Familie des Menschen sind die
leberständigen CYP2A6 und 2A7 Enzyme (beide machen <5% des
Leber-CYPs aus) sowie das extrahepatisch exprimierte CYP2A13.
CYP2A6 ist das Hauptenzym der 7-Hydroxylierung von Cumarin,
welches daher als Modellsubstrat zur Messung der CYP2A6 Enzymaktivität herangezogen wird. Ebenso setzt es Nikotin zu Cotinin um
und ist somit das einzige bisher bekannte Nikotin metabolisierende
Enzym der Leber. Des Weiteren ist CYP2A6 an der Aktivierung einiger Prokarzinogene wie Aflatoxin B1, 6-Aminochrysen sowie im Tabakrauch enthaltener Nitrosamine beteiligt. Das unter anderem im
Respirationstrakt identifizierte CYP2A13 scheint das effizienteste
CYP Enzym für die Aktivierung des Tabak-spezifischen Karzinogens,
4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanon (NNK) zu sein. Die
Induktion von CYP2A6 durch Rifampizin und Phenobarbital (PB)
wird durch den PXR (Pregnan X Rezeptor) vermittelt.
Beim Menschen existieren verschiedene CYP2A6 Allele, von denen
einige (CYP2A6*2, *4, *5) keine Enzymaktivitäten haben. Eine mögliche Schutzwirkung solcher CYP2A6 Allele vor Xenobiotika-induzierten Erkrankungen, wie z.B. Tabakrauch-induzierten Tumorerkrankungen, ist bisher noch nicht geklärt.
Das CYP2B6 des Menschen macht 2 - 10% des menschlichen Leber
CYPs aus und metabolisiert Antitumormittel wie Cyclophosphamid,
Abbildungen: Wätjen/Fritsche
Alle drei Gene der CYP1 Familie sind polymorph exprimiert. Im
Gegensatz zum fehlenden Phänotyp der CYP1A1 Polymorphismen,
variiert die CYP1A2 Aktivität der Leber zwischen verschiedenen Individuen um den Faktor 60.
Zertifizierte Fortbildung
Abbildung 6: Der Metabolismus von Benzo(a)pyren (schematische Darstellung)
Erläuterung im Text (Abk.: GST: Glutathion-S-Transferase, UGT: UDP-Glucuronosyltransferase).
Pestizide wie Methoxychlor, PCBs sowie einige Pro-Karzinogene wie
das Aflatoxin B1 und Tabakrauch-spezifische Nitrosamine. PB ist der
bekannteste Induktor des CYP2B und involviert den Rezeptor CAR
(konstitutiver Androstan Rezeptor). Die Gruppe der strukturell sehr
unterschiedlichen PB-ähnlichen CYP2B Induktoren ist sehr groß und
umfasst u.a. Medikamente, Pestizide, Lösemittel und bestimmte
PCBs. Zudem variiert die Enzymexpression interindividuell um den
Faktor 20 bis 250.
Die CYP2C8, CYP2C9 und CYP2C19 Enzyme machen ca. 20% des
menschlichen CYPs aus. Sie metabolisieren eine große Zahl von
Pharmazeutika, wie z.B. nicht steroidale Antiphlogistika (NSAIDs),
Antidiabetika, orale Antikoagulantien, Protonenpumpenblocker und
Antidepressiva. CYP2C8, CYP2C9 und CYP2C19 sind nicht nur in der
Leber, sondern auch extrahepatisch exprimiert und können durch PB
oder Rifampizin induziert werden.
In der CYP2C Familie gibt es klinisch relevante Polymorphismen, so
die CYP2C9*2 und CYP2C9*3 Allele, welche mit reduzierter enzymatischer Aktivität assoziiert sind. Auch die CYP2C19*2 und CYP2C19*3
Allele gehen mit eingeschränkter Enzymaktivität einher, während das
CYP2C19*17 Allel ultraschnelle Metabolisierer hervorbringt. Die klinische Relevanz für die langsamen CYP2C19 Metabolisierer wird an der
verminderten Ausscheidung und damit höheren Plasmakonzentration
des Protonenpumpenblockers Omeprazol deutlich, welcher in Patienten mit diesem Phänotyp höhere Wirksamkeiten entfaltet.
Abbildung 7: Die durch MAO katalysierte Desaminierung von Dopamin Gezeigt ist hier die MAO-B-vermittelte Umwandlung von Dopamin in Dihydroxyphenylalaninaldehyd (DOPAL), Ammoniak und Wasserstoffperoxid.
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PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT
irrreversible Inhibition
Azol-Fungizide, Grapefruitsaft, Bergamottin,
Dihydroxybergamottin
Induktion
Barbiturate, Carbamazepin, Dexamethason, Phenytoin,
Rifampicin, Johanniskraut-Extrakte
Tabelle 3: Klinisch relevante Modulatoren des CYP3A4
Ein für den Metabolismus von Arzneistoffen ebenfalls sehr bedeutsames CYP Enzym ist das CYP2D6. Es sind mittlerweile mehr als 200
Stoffe bekannt, die zum Teil ausschließlich durch dieses Enzym verstoffwechselt werden. Zu diesen gehören u.a. neben Herz-Kreislauf
Medikamenten viele im zentralen Nervensystem wirksame Pharmaka wie Analgetika, Antitussiva, trizyklische Antidepressiva und Antipsychotika.
In den 1970iger Jahren fielen in klinischen Studien Patienten auf,
welche adverse Reaktionen gegenüber dem Sympatholytikum Debrisoquin sowie dem Antiarrythmikum Spartein zeigten. Die adversen
Reaktionen waren auf eine Unfähigkeit der Patienten zurückzuführen, diese Substanzen oxidativ zu verstoffwechseln. Spätere genetische Analysen identifizierten eine große Anzahl von CYP2D6 Polymorphismen (44 Allele), welche für interindividuelle Unterschiede im
Arzneimittelstoffwechsel verantwortlich gemacht werden können.
Durch das zusätzliche Vorhandensein von Genduplikationen ergab
sich für das CYP2D6 die Einteilung in langsame, normale, schnelle
sowie ultraschnelle Metabolisierer.
Im Gegensatz z.B. zur CYP1 Familie metabolisiert das CYP2E1 kleine
Moleküle wie Ethanol, Paracetamol oder Benzol. Bei der Oxidation
entstehen häufig toxische Intermediate, was besonders am Beispiel
des Paracetamols gut demonstriert ist. Paracetamol ist das Medikament, das bei Überdosierung Leberschäden verursacht. Eine Leberschädigung setzt normalerweise erst bei einer massiven Überdosierung ein (ca. 10 g Paracetamol), jedoch können bei chronischem
Alkoholkonsum in seltenen Fällen auch geringere Dosen schon zum
akuten Leberversagen führen. Diese Sensibilisierung kann man u.a.
auf eine Induktion von CYP2E1 zurückführen, welche zu einer ver-
stärkten Bildung des hepatotoxischen Metaboliten NAPQI (N-Acetylp-Benzochinonimin) führt.
Die CYP3 Familie
Der Hauptanteil des hepatischen CYP des Menschen setzt sich aus
Mitgliedern der CYP3A Familie (3A4 und 3A5) zusammen, wobei das
CYP3A4 mit 30% der gesamten Leber CYPs dominiert. Neben der
hepatischen Expression ist auch das extrahepatische Vorkommen
der CYP3A Familie gut dokumentiert; die CYP3A4/3A5 Isoenzyme
sind in Teilen des Respirations- sowie des Gastrointestinaltrakts
exprimiert und können in diesen Organen induziert werden. Die
strukturelle Bandbreite der CYP3A4 Substrate ist sehr groß. So
nimmt das CYP3A4 am Metabolismus verschiedenster Pharmaka wie
Makrolidantibiotika, Steroidhormone, Calciumantagonisten vom
Dihydropyridin Typ, Fungizide sowie Antikonvulsiva teil. Auch toxikologisch ist das CYP3A4 von Bedeutung, da es Prokarzinogene wie
das Benzo(a)pyren-7,8-Dihydrodiol oder das Aflatoxin B1 zu aktivieren vermag. Obwohl das CYP3A4 basal bereits einen großen Teil des
Leber CYPs ausmacht, lässt es sich durch pharmakologische Induktoren wie PB, Dexamethason, Pregnenoloncarbonitril, Rifampizin
sowie Johanniskraut bis auf 60% des gesamten Leber CYPs induzieren.
CYP3A Enzymaktivitäten lassen sich jedoch nicht nur steigern, sondern durch Pharmaka oder Naturstoffe auch effektiv hemmen. Beispiele solcher extrem potenten Inhibitoren sind Azol-Fungizide und
Grapefruitsaft. Sowohl die Steigerung als auch die Hemmung von
CYP3A4 Enzymaktivitäten führen bei dieser großen Substratbreite zu
unerwünschten pharmakologischen Wechselwirkungen. So kann die
gleichzeitige Einnahme von CYP3A4 Induktoren (z.B. Antikonvulsiva
oder Tuberkulostatika) mit Kontrazeptiva (z.B. Ethinylestradiol) zum
Versagen der empfängnisverhütenden Wirkung der ‚Pille’ führen, da
das induzierte CYP3A4 das Kontrazeptivum rasch zu unwirksamen
Plasmakonzentrationen metabolisiert. Umgekehrt werden nach Trinken eines Glases Grapefruitsaft durch Hemmung des CYP3A4 Metabolismus verschiedene pharmakokinetische Parameter von Pharmaka, wie z.B. Nifedipin, bis zum Fünffachen gesteigert. Das Trinken
von Grapefruitsaft ist daher im Beipackzettel vieler Arzneimittel als
Warnhinweis aufgeführt. Wegen dieser großen Substratbreite sowie
seiner ausgeprägten Expression ist das CYP3A4 das wichtigste
Enzym des Arzneimittelstoffwechsels.
1.2 Flavin-haltige Monooxygenasen (FMO)
FMO metabolisieren ein breites Spektrum an Substraten. Zu diesen
gehören Nikotin, Phenothiazin-Derivate oder Cimetidin. Die Produkte der FMO-Reaktionen sind somit meist N- oder S-Oxide, die in der
Regel ein geringeres pharmakologisches und toxikologisches Potential als ihre Ausgangssubstanzen haben.
+
Abbildung 8: Die Reaktion der Alkohol- und Aldehyddehydrogenase Unter Reduktion von NAD wird Ethanol zum Acetaldehyd
metabolisiert, welcher durch die Aldehyddehydrogenase zur Essigsäure oxidiert wird.
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Abbildungen: Wätjen/Fritsche
reversible Inhibition
Clarithromycin, Ciclosporin, Danazol, Fluoxetin, Indinavir,
Ketokonazol, Ritonavir,Verapamil
Zertifizierte Fortbildung
nase (ADH) zum Acetaldehyd, dem eigentlich toxischen Metaboliten,
verstoffwechselt (Abb. 8). Das CYP2E1 trägt nur in geringem Maße
(2-8%) zum Ethanolstoffwechsel bei. Der entstehende Acetaldehyd
wird dann weiter durch die Aldehyddehydrogenase (ALDH) zu Essigsäure metabolisiert.
Abbildung 9: Reaktionen von Hydrolasen Hydrolyse der Esterbindung (Procain) bzw. eines Epoxides (Carbamazepinepoxid)
1.3 Monoaminoxidasen (MAO)
Die zwei Monoaminoxidasen (MAO-A und -B) sind bis auf wenige
Ausnahmen in fast allen Geweben des Menschen exprimiert. MAO
metabolisieren biogene Amine wie Serotonin, Dopamin und Noradrenalin. Auch Fremdstoffe mit ähnlichen strukturellen Charakteristika werden von MAO umgesetzt. Die von MAO katalysierte chemische Reaktion ist die oxidative Desaminierung (Abb. 7). Die Menge
des bei dieser Reaktion entstehenden Wasserstoffperoxids kann
toxikologisch z.B. bei der Progredienz des Morbus Parkinson nach
jahrelanger L-DOPA Therapie relevant sein.
Cyclooxygenasen (COX)
Die Arachidonsäure metabolisierenden Cyclooxygenasen (COX-1 und
COX-2) sind die Schlüsselenzyme der Prostaglandinsynthese. Der
Metabolismus zum Prostaglandin (PG)H2 verläuft in zwei Reduktionsreaktionen über die Bildung von PGG2. Während dieser können
Xenobiotika (z.B. phenolische Verbindungen) co-oxidiert und somit
zu DNA-reaktiven Verbindungen aktiviert werden. Pharmakologisch
sind die COX Enzyme jedoch eher als Zielmoleküle für NSAIDs von
Interesse.
Dehydrogenasen und Reduktasen
Die toxikologisch bedeutsamsten Dehydrogenasen sind die Alkoholund Aldehyddehydrogenasen, da sie Ethanol verstoffwechseln. Ethanol wird hauptsächlich von der leberständigen Alkoholdehydroge-
Hydrolasen
Zu der Gruppe der Hydrolasen gehören die Esterasen, wie z.B. die
Cholinesterase und Epoxidhydrolasen (Abb. 9). Hydrolasen addieren
H2O an ein Xenobiotikum und sorgen so für eine starke Veränderung
der pharmakologischen Eigenschaften (Inaktivierung der Acetylcholinwirkung, Spaltung von Glucuroniden). Epoxid Hydrolasen (EH)
hydrolysieren Epoxide zu Dihydrodiolen. Da Epoxide meist sehr
reaktiv sind und daher eine Gefährdung für zelluläre Makromoleküle darstellen, sind die EH als Entgiftungsenzyme bedeutsam.
Die Biotransformation von Substanzen durch Enzyme des Fremdstoffmetabolismus hat eine große Bedeutung für die Elimination von
lipophilen Fremdstoffen, die ansonsten im Organismus akkumulieren würden. Diese Fremdstoffe werden zunächst durch Enzyme der
Phase I funktionalisiert, d.h. es werden durch Oxidation funktionelle Gruppen in das Molekül eingeführt. Die Fremdstoffe können nun
in der Phase II des Fremdstoffmetabolismus mit hydrophilen
Substanzen konjugiert und danach ausgeschieden werden. Enzyme
der Phase II sind z.B. UDP-Glucuronosyltransferasen, N-Acetyltransferasen, Sulfotransferasen und Glutathion-S-Transferasen, über die
in einem zweiten Fortbildungsbeitrag im Apothekenmagazin näher
eingegangen wird.
Zusammenfassung
Die Biotransformation von Substanzen durch Enzyme des Fremdstoffmetabolismus (FSM) hat eine große Bedeutung für die Elimination von lipophilen Fremdstoffen, die ansonsten im Organismus
akkumulieren würden. Diese Fremdstoffe werden zunächst durch
Enzyme der Phase I funktionalisiert. Wichtige Enzyme der Phase I
sind: Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen, Flavin-abhängige Monooxygenasen, Monoaminoxidasen, Cyclooxygenasen, Alkoholdehydrogenasen, aber auch Esterasen und Epoxidhydrolasen.
Die Fremdstoffe können danach in der Phase II des FSM mit
hydrophilen Substanzen konjugiert und ausgeschieden werden.
Aktivitäten der Enzyme des FSM unterliegen interindividuellen
Variationen, welche durch genetische Varianzen bedingt sind (Polymorphismen). Neben einer Entgiftung kann der FSM auch zu einer
‚Giftung’ von Fremdstoffen führen.
Die Autoren
PD Dr. rer. nat. Wim Wätjen
wurde in Bremen geboren und
studierte Chemie an der Universität Bremen, seine Promotion
erfolgte im Jahr 2000. Seit 2001
arbeitet er im Institut für Toxikologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf,
wo er sich im Jahre 2006 habilitierte. Forschungsgebiet von Herrn Wätjen sind Untersuchungen zu
toxischen Effekten und zellulärem Metabolismus
von Naturstoffen. Er ist Fachtoxikologe der Deutschen Gesellschaft für Pharmakologie und Toxikologie, Gutachter für verschiedene internationale
Fachzeitschriften und in nationalen Gremien (BfRKommission für Lebensmittelzusatzstoffe) tätig.
PD Dr. med. Ellen Fritsche wurde in Düsseldorf geboren
und studierte an den Universitäten Regensburg und
Düsseldorf Humanmedizin. Nach ihrer Promotion 1998
am damals Medizinischen Institut für Umwelthygiene in
Düsseldorf verbrachte sie 3 Jahre am National Institute
of Environmental Health Sciences in den USA. Seit 2002
arbeitet sie in der molekularen Toxikologie am Institut für Umweltmedizinische Forschung in Düsseldorf, wo sie sich im Jahre 2008 habilitierte. Ihre
Forschungsschwerpunkte liegen in der Signaltransduktion des Arylhydrokarbon Rezeptors, der Untersuchung von Toxizitäten auf das sich
entwickelnde Nervensystem sowie der Etablierung von in vitro Verfahren
als Alternativen zu Tierversuchen. Sie ist Gutachterin für verschiedene
internationale Fachzeitschriften und in internationalen Gremien zur Entwicklung von Tierversuchsersatzmethoden zur Erfassung von
Entwicklungsneurotoxizität vertreten.
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Fortbildungs-Fragebogen 5/2009
Faxnummer: 02 08 / 6 20 57 41
Hier finden Sie die Fortbildungsfragen zum Hauptartikel. Bei Beantwortung und Faxantwort erhalten Sie einen Fortbildungspunkt auf dem
Postweg. Sie erhalten den Fortbildungspunkt für die Kategorie „Bearbeiten von Lektionen“ (rezertifiziert durch die
Bundesapothekerkammer, Veranstaltungs-Nr.: BAK 2009/081). Es ist pro Aufgabe nur eine Antwort richtig. Die Lösungen werden Ihnen
zusammen mit dem Fortbildungspunkt mitgeteilt. Bitte tragen Sie unbedingt Ihre Postanschrift und Ihre Telefon-Nummer (für
evtl. Rückfragen) in das Faxformblatt ein! Faxnummer: 02 08 / 6 20 57 41
1. Welche Aussage über eine Vergiftung mit dem Analgetikum Paracetamol ist richtig?
A) 앮 Personen mit chronischem Alkoholkonsum reagieren weniger
sensitiv auf Paracetamol-Überdosierungen.
B) 앮 Das Analgetikum Paracetamol verursacht eine Leberschädigung über COX-1-vermittelte Synthese von reaktiven Sauerstoffspezies.
C) 앮 Der Leberschaden kommt durch einen oxidierten Metaboliten
zustande (N-Acetyl-p-Benzochinonimin).
D) 앮 Paracetamol wird hauptsächlich durch CYP 2D6 metabolisiert.
E) 앮 Paracetamol führt zu Zellnekrosen durch Inhibition des Ah-Rezeptors.
2. Welches der folgenden fremdstoffmetabolisierenden Enzyme ist
kein Phase-I-Enzym ?
A) 앮 Cyclooxigenase
B) 앮 Epoxid-Hydrolase
C) 앮 N-Acetyltransferase
D) 앮 Alkohol-Dehydrogenase
E) 앮 Flavin-abhängige Monooxigenase
3. Welche der folgenden Zuordnungen (Cytochrom-Familie und entsprechendes Substrat) ist falsch ?
A) 앮 CYP 2E1
↔
Ethanol
B) 앮 CYP 2B6
↔
Cyclophosphamid
C) 앮 CYP 2D6
↔
Amitryptilin
D) 앮 CYP 3A4
↔
Paracetamol
E) 앮 CYP 2A6
↔
Nikotin
4. Welche Aussage über den Fremdstoffmetabolismus ist falsch?
A) 앮 Cytochrom P450-Enzyme werden nur in der Leber exprimiert.
B) 앮 Durch Enzyminduktion kann eine starke Erhöhung bestimmter CYPs verursacht werden.
C) 앮 durch genetische Polymorphismen existiert eine breite Variabilität in der Enzymaktivität von CYP2D6.
D) 앮 Tetrachlordibenzodioxin (TCCD) wird kaum verstoffwechselt und
akkumuliert im Fettgewebe des Menschen.
E) 앮 Die Aktivierung des Ah-Rezeptors durch TCDD kann eine
CYP1A1-Induktion bewirken.
5. Welches des folgenden Enzyme wird durch Ethanol induziert?
A) 앮 CYP 2E1
B) 앮 CYP 2B6
C) 앮 CYP 2D6
D) 앮 CYP 3A4
E) 앮 CYP 2C19
Berufsbezeichnung:
앮 Apotheker/in
6. Bei der metabolischen Aktivierung von Benzo(a)pyren durch Cytochrom P450 entsteht als ultimater krebserzeugender Metabolit ein:
A) 앮 Carbokation
B) 앮 Diolepoxid
C) 앮 Chinon
D) 앮 O-Glucuronid
E) 앮 Nitrenium-Ion
7. Welche der folgenden Aussagen zur Enzyminduktion ist richtig?
A) 앮 Eine Enzyminduktion kommt durch Phosphorylierung eines
Apoproteins der Cytochrome P450 zustande.
B) 앮 Phenobarbital induziert Cytochrom P450 2E1.
C) 앮 Die Induktion von Cytochrom P450 1A1 kann zu verstärkter
metabolischer Aktivierung von polyzyklischen aromatischen
Kohlenwasserstoffen (z.B. Benzo(a)pyren) führen.
D) 앮 Der Enzyminduktor Phenobarbital erhöht die Aktivität von Cytochrom P450-Enzymen über einen allosterischen Mechanismus
(Bindung nicht an der Substratbindetasche des Enzyms)
E) 앮 Die Enzyminduktion kommt über G-Protein-vermittelte
Signalwege nach Aktivierung des Ah-Rezeptors zustande.
8. Welche der folgenden Substanzen ist kein CYP3A4-Inhibitor?
A) 앮 Grapefruitsaft
B) 앮 Ciclosporin
C) 앮 Ketokonazol
D) 앮 Ritonavir
E) 앮 Rifampicin
9. Welche Aussage zum Metabolismus des Antiarrhythmikums
Spartein ist falsch?
A) 앮 Es existieren gentische Polymorphismen des Sparteinabbauenden Enzyms CYP2D6.
B) 앮 Spartein inhibiert CYP2D6 und verursacht so individuell
schwere adverse Reaktionen.
C) 앮 Eine schnelle Metabolisierung kann durch Genduplikation von
CYP2D6 hervorgerufen werden.
D) 앮 In der Bevölkerung existieren langsame, normale, schnelle
und ultraschnelle Metabolisierer von Spartein.
E) 앮 Durch Polymorphismen von CYP2D6 können adverse
Reaktionen von Spartein hervorgerufen werden.
10. Welche Aussage über Cytochrom P450 Monooxigenasen ist
nicht richtig?
A) 앮 Cytochrom P450 Monooxigenasen sind Enzyme der Phase I des FSM.
B) 앮 Cytochrom P450 Enzyme besitzen eine Hämgruppe.
C) 앮 Die höchsten basalen CYP-Aktivitäten sind in der Leber zu finden.
D) 앮 Einige Cytochrom P450-Enzyme können durch Fremdstoffe
induziert werden.
E) 앮 Cytochrom P450 Monooxigenasen führen zu einer Erhöhung
der Lipohilie von Xenobiotika.
앮 PTA
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