Metabolismus I
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Metabolismus I Seminar zum Praktikum pharmazeutische Chemie III Martin Schmitt Einführung Anreicherung lipophiler Fremdstoffe/Giftstoffe im Körper Funktionalisierung und Hydrophilisierung, um Ausscheidung zu erleichtern: - Phase 1: Funktionalisierung (Oxidation, Reduktion und die Hydrolyse lipophiler Substanzen) - Phase 2: Funktionelle Gruppen werden mit niedermolekularen Substanzen konjugiert. Dies erhöht die Wasserlöslichkeit und fördert die Exkretion über Niere und Leber. Metabolisierung bedeutet nicht per se Detoxifizierung. Vorkommen fremdstoffmetabolisierender Enzyme bei Wirbeltieren v.a. in der Leber (Firstpass-Effekt: Magen-Darm – Pfortaderkreislauf – Leber). 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 2 Phase I-Reaktionen Enzymatische Oxidationen, Reduktionen und Hydrolysen: - 18.05.2011 Cytochrom P450 Monooxygenase Azo- und Nitroreduktase Aldehyddehydrogenase Alcoholdehydrogenase Epoxidhydrolase Monoaminooxidase Aldo-Keto Reduktasen Unspezifische Esterasen Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 3 Phase II-Reaktionen Enzymatische Konjugationen mit: - 18.05.2011 Aktivierter Glucuronsäure (Alkohole, Amine, Sulfonamide) Aktivierter Schwefelsäure (aromatische Amine) Aminosäuren (Benzoesäure, Isonicotinsäure) Aktivierter Essigsäure (Isoniazid, Sulfonamide) S-Adenosylmethionin (Methadon, Nicotinamid) Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 4 Cytochrom P 450 Name stammt von der Absorptionswellenlänge des COKomplexes des Häm-Eisens (Soret-Peak) > 6000 identifizierte CYP-Gene in der Natur, 60-100 beim Menschen (Metabolom) Hämhaltige Superfamilie von Enzymen Membranständige Enzyme auf der inneren Membran von Mitochondrien oder im endoplasmatischen Retikulum Vorkommen vor allem in der Leber, aber auch in anderen Geweben, z.B. auf der Darmmukosa 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 5 Cytochrom P450 Einteilung in: - Genfamilien CYP1 (40% Aminosäuresequenz gleich - Subfamilien CYP1A (55% Aminosäuresequenz gleich) - Isoenzyme CYP1A1 Bestimmte Isoenzyme metabolisieren selektiv endogene Substrate andere akzeptieren weniger selektiv auch exogene Substrate 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 6 Cytochrom P450 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 7 Mechanismus der Enzymreaktion Cyp450 Enzym bindet im oxidierten Zustand an das lipophile Substrat NADPH-Reduktase überträgt ein Elektron auf das Häm-Fe3+, das zu Fe2+ wird. O2 bindet an Fe2+ Nach Übertragung eines 2. Elektrons durch die NADPH-Reduktase entsteht aktivierter Sauerstoff und Wasser Als Produkte entstehen das oxidierte Substrat und Wasser 28.04.2010 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 8 Mechanismus der Enzymreaktion 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 9 Mechanismus der Enzymreaktion H H+ N OH N OH H O H N H N + H 18.05.2011 O - H+ H + H Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt H 10 Cytochrom P450 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 11 Polymorphismen des CYP Systems Starke interindividuelle Unterschiede in Wirkung und Wirkdauer von Arzneistoffen aufgrund von genetischen Unterschieden SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) können sich, wenn sie in regulatorischen DNASequenzen liegen, auf die Expression des vom entsprechenden Gen kodierten Proteins auswirken. Befinden sich SNPs im kodierenden Bereich eines Gens, können sie zum Austausch von AS im gebildeten Protein führen, was dieses im Extremfall funktionslos macht 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 12 Beispiele für CYP450-Reaktionen Aromatische Hydroxylierung HO NH O NH O N H N H O O Phenytoin Aliphatische Hydroxylierung HO COOH COOH Ibuprofen 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 13 Beispiele für CYP450-Reaktionen H N N-Dealkylierung H N N O NH O Lidocain COOH COOH O-Dealkylierung HO O Naproxen 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 14 Beispiele für CYP450-Reaktionen SH S N S-Dealkylierung N N N H N N H N N 6-Methylthiopurin O F N N N N-Oxidation HO N F N N HO F N F N F F N N Voriconazol 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 15 Beispiele für CYP450-Reaktionen S-Oxidation H N H N O S O O N N S N N O O O O Omeprazol Alkoholoxidation Cl Cl N N OH OH N N O N N N N N NH N NH Losartan 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 16 Arzneistoffmetabolismus CYP3A4 metabolisiert 55% aller Arzneistoffe CYP2D6 metabolisiert 30% aller Arzneistoffe CYP2C9 metabolisiert 10% aller Arzneistoffe CYP1A2, CYP2C19 sowie CYP2E1 spielen ebenfalls eine Rolle im menschlichen Arzneistoffmetabolismus, jedoch ist diese deutlich geringer. 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 17 Substratcharakteristika 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 18 CYP1A2 Substrate sind neutrale oder basische, lipophile, planare Moleküle mittlerer Größe, die mindestens einen HBrückendonor besitzen. Modellsubstrat ist Theophyllin bzw. Coffein Substrate Inhibitoren Induktoren Amitryptilin Cimetidin (w) Tabak Clozapin / Olanzapin Ciprofloxazin (s) Polycyclische KW Imipramin Fluvoxamin (s) Haloperidol Theophyllin Coffein Paracetamol Naproxen Fluvoxamin 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 19 „Giftung“ von CYP1A2-Substraten O H O O H O O O O CYP H O O O H O OMe OMe 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 20 „Giftung“ von CYP1A2-Substraten 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 21 CYP2E1 Substrate sind kleine, lipohile Moleküle (Molekulargewicht unter 200Da), üblicherweise linear, jedoch auch cyclisch. Modellsubstrate sind leicht flüchtige Anaesthetika Substrate Inhibitoren Induktoren Halothan Disulfiram Isoniazid Enfluran Ethanol Paracetamol Benzol Das Enzym wird auch durch Hungerkuren und schlecht eingestellten Diabetes induziert. 18.05.2011 Ethanol Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 22 „Giftung“ von Paracetamol O O HN O N CYP O O N HN HN H+ H SH OH Paracetamol O O R S S R O R OH NAPQI Die Oxidation des Paracetamols durch CYP Enzyme (1A2, 2E1) bildet ein reaktionsfähiges Chinonimin 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 23 „Giftung“ linearer KWs OH O CYP2E1 ADH O O ADH CYP2E1 OH O O + O NH H2N HN Paal-Knorr NH N O O HN 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 24 „Giftung“ linearer KWs Mechanismus der Pyrrolbildung O N + H2N R R O O R N R HN N R O 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 25 CYP2D6 CYP2D6 metabolisiert zwischen 20% und 30% aller Arzneistoffe Quantitativ jedoch nur 2% aller CYP Enzyme Zusätzlich hoher Grad an Polymorphismen - - 18.05.2011 5-8% der Europäer, 10% der Kaukasier sowie 1% der Asiaten sind PM In der Afrikanischen und Orientalischen Bevölkerung nicht näher bekannter Anteil an EM Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 26 CYP2D6 Substrate sind basische, relativ hydrophile Moleküle, meist mit aromatischem Ring und einem HBrücken Donor / Akzeptor. Der basische Stickstoff liegt meist 5-7 Å vom Angriffspunkt des Enzyms entfernt. O O N H OH 2D6 O HO O N H OH 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 27 CYP2D6 18.05.2011 Substrate Inhibitoren Induktoren Betablocker Duloxetin (m) (Dexamethason) Tricyclische Antidepressiva Bupropion (s) (Rifampicin) Antipsychotika Terbinafin (m) Amphetamin Amiodaron (w) Codein Cimetidin (w) Tamoxifen Paroxetin (s) Ondansetron Chinidin (s) Flecainid Sertralin (w) Dextromethorphan Fluoxetin (s) Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 28 CYP2D6 Tamoxifenaktivierung durch CYP2D6 OH OH CYP3A4/5 CYP2D6 H3C H3C O H3C O Tamoxifen (TAM) O 4'-Hydroxy-TAM N CH3 H3C 18.05.2011 N CH3 H3C Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt Endoxifen NH H3C 29 CYP2D6 β1-selektive Betablocker durch para-Substitution des Phenoxypropanolamins O NH 2D6 O NH HO O OH OH Metoprolol Erhöhte HWZ durch sterisch anspruchsvollen Ether O NH O OH Betaxolol 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 30 CYP2C9 Substrate sind schwach saure, mäßig lipophile Moleküle mit 1-2 Wasserstoffbrückendonatoren / akzeptoren 5-8 Å von der Metabolisierungsstelle entfernt 1-3% der Kaukasier sind PM Substrate Inhibtoren Induktoren Diclofenac Amiodaron (m) Rifampicin Paclitaxel Fluconazol (s) Rifamicin Sulfonylharnstoffe Isoniazid (w) Sulfamethoxazol Coxibe Warfarin Fluvastatin Losartan Phenytoin 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 31 CYP2C9 O S H N H N O 2C9 S HO O H N H N O O O Tolbutamid OH O Cl S H N H N O NH OH O Cl NH Cl O Cl O Chlorpropamid Cl Diclofenac 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt Fenclofenac 32 CYP2C19 Substrate sind neutrale oder schwach basische Moleküle mittlerer Lipophilie. 2-3 Wasserstoffbrückenbindungsdonatoren / akzeptoren 4-5 Å bzw. 5-8 Å von der Metabolisierungsstelle entfernt 3% der Kaukasier, aber 15% der Asiaten sind PM Substrate Inhibitoren (schwach) Induktoren Omeprazol Fluoxetin (Carbamazepin) Pantoprazol Fluvoxamin (Rifampicin) Lansoprazol Ketoconazol (Prednison) Rabeprazol Omeprazol Diazepam Lansoprazol Phenytoin Ticlopidin Amitryptilin Cyclophphos . Progesteron 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 33 CYP3A4 Wichtigstes CYP-Enzym, das mehr als die Hälfte aller Arzneistoffe metabolisiert Nur geringe Anzahl von Mutationen, Polymorphismen nur im Zusammenhang mit dem MDR1Transportergen Substrate sind große, relativ lipophile, strukturell sehr unterschiedliche Moleküle mit 1-2 Wasserstoffbrückendonatoren / akzeptoren 5,5-7,5 Å und 8-10 Å vom Ort der Metabolisierung 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 34 CYP3A4 Substrate 18.05.2011 Makrolide HMG-CoAReduktasehemmer 17β-Hydroxy-Steroide Clarithromycin Atorvastatin Estradiol Erythromycin Cerivastatin Hydrocortison Benzodiazepine Lovastatin Testosteron Diazepam Pravastatin Diverse Midazolam HIV-Therapeutika Codein (N) Triazolam Indinavir Taxol Immunmodulatoren Ritonavir Zolpidem Ciclosporin Saquinavir Salmeterol Tacrolimus Nelfinavir Sildenafil Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 35 CYP3A4 Inhibitoren Stark Mittel Schwach Indinavir, Ritonavir Aprepitant Cimetidin Nelfinavir, Saquinavir Erythromycin Amiodaron Clarithromycin, Telithromycin Fluconazol Voriconazol Nefazodon Verapamil Chloramphenicol Ketoconazol, Itraconazol Grapefruitsaft Gestoden, Mifepriston Diltiazem Norfloxacin Sternfrucht (Karambole) 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 36 CYP3A4 Induktoren 18.05.2011 Barbiturate Carbamazepin Glucocorticoide Phenytoin Rifampicin Efavirenz Nevirapin Pioglitazon Johanniskraut Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 37 CYP3A4 Beispiele für die Heterogenität der Substrate 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 38 CYP3A4 Sehr großes, leicht zugängliches aktives Zentrum (520 - 1386Å) Schwache lipophile WW im aktiven Zentrum Verschiedene Ausrichtungen von Substraten im aktiven Zentrum möglich Metabolisierung mehrerer Substrate gleichzeitig 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 39 Enzyminduktion durch Johanniskraut Fallberichte über Abbruchblutungen und ungewollte Schwangerschaften bei mit niedrig dosierten oralen Kontrazeptiva behandelten Frauen nach Johanniskrautgabe Johanniskraut verringert die Blutspiegel von Indinavir (AUCSenkung um 57%) Johanniskrautinduzierte Abstoßungsreaktionen bei 2 mit Ciclosporin behandelten Herztransplantierten 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 40 UAWs durch CYP3A4-Induktion 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 41 CYP3A4 Ein Beispiel für Enzyminduktion 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 42 Johanniskraut 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 43 Enzyminduktion Über nukleäre Rezeptoren Typ der Enzyminduktion Rezeptor Enzyminduktion Methylcholanthrentyp ArylhydrocarbonRezeptor (Ah) CYP-1-Familie Phenobarbitaltyp Androstanrezeptor (CAR) CYP-2-Familie Rifampicintyp Pregnan-Rezeptor (PXR) CYP-3-Familie 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 44 Metabolismus II Seminar zum Praktikum pharmazeutische Chemie III Martin Schmitt Phase II - Metabolismus Grundprinzipien - Pharmakologischen Effekt des Moleküls aufheben Das Molekül so wasserlöslich machen, dass es renal oder biliär eleminiert werden kann Erzielt durch - 18.05.2011 Änderung der Molekülform, so dass es nicht mehr an den Rezeptor bindet Lipophile Stoffe hydrophilisieren, um hohe Wasserlöslichkeit zu erreichen Erhöhung der Molekülmasse, so dass sowohl Niere (nephral) als auch Galle (biliär) als Eliminationsweg in Frage kommen Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 46 Phase II - Metabolismus Phase II Reaktionen sind Konjugationsreaktionen, in denen ein organisches Molekül an ein Xenobiotikum oder einen körpereigenen Stoff gebunden wird, um es wasserlöslicher, schwerer und dadurch leichter ausscheidbar zu machen. Typ-1 Reaktionen Xenobiotikum + reaktiver konjugierter Ligand konjugiertes Produkt Typ-2 Reaktionen reaktives Xenobiotikum + konjugierender Ligand 18.05.2011 konjugiertes Produkt Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 47 Typ-1 Reaktionen Glucuronidierung / Glucosidierung - Sulfatierung - Cofaktor 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) Acetylierung - Cofaktor UDP-Glucuronsäure und UDP-Glucose Cofaktor Acetyl-Coenzym A Methylierung - 18.05.2011 Cofaktor S-Adenosylmethionin Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 48 Glucuronidierung / Glucosidierung O O CH2OH COOH HN O OH O OH O OH P O O O P O HN O N O O OH O OH O OH P O O O (UDP-GA) 18.05.2011 N O O OH OH OH OH Uridin-5'-diphospho-D-glucuronsäure P O Uridin-5'-diphospho-D-glucose (UDP-G) Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 49 Glucuronidierung / Glucosidierung Wichtigste und häufigste Form der Konjugierung Vorkommen in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen Bildung der reaktiven Cofaktoren aus Glucose Keine Gefahr des Ausgangsstoffmangels ! Reaktion mit vielen funktionellen Gruppen 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 50 Bildung von UDP-Glucuronsäure O OH HN O O O OH O OH P + OH O O P O OH OH P O Glucose-1-phosphat O O O P O O P O O O Uridintriphosphat (UTP) UDP-GlucosePyrophosphorylase N O HO OH O O O P OH O O OH HN O O OH O OH OH P O O O P N O O 2 NAD+ H2O COOH 2 NADH 2 H+ O OH O UDP-Glucosedehydrogenase O O UDP OH OH Uridindiphosphat-Glucose (UDP-Glucose) 18.05.2011 HO OH UDP-Glucuronsäure Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 51 Glucuronidierungsreaktion Glucuronidierungen finden meist an elektronenreichen Heteroatomen statt (O, N, S) O-Glucuronide (Alkohole) - O-Glucuronide (Säuren) - Anilin, Amitryptilin, Imipramin, Mianserin S-Glucuronide - Bilirubin, Diclofenac, Naproxen, Valproinsäure, Ibuprofen N-Glucuronide - Paracetamol, Codein, Morphin (keine Phase-I), Estron, Hexobarbital, Naphtol, Chloramphenicol Thiophenol, Thiole allg. C-Glucuronide - 18.05.2011 Phenylbutazon, 1,3-Dicarbonyle, Ethinyle Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 52 Glucuronidierung Es gibt mehr als 20 verschiedene UGTs Einteilung analog zu den CYPs: z.B. UGT2B4 Vorkommen: Meist in der Leber, teils auch im GI-Trakt Induzierbar und inhibierbar Regulation über CAR und PXR, ähnlich wie bei den CYPs 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 53 Glucuronidierung Glucuronidierung in Wirbeltieren Glucosidierung in Wirbellosen Tieren und Pflanzen Glucuronide MW < 250 werden über den Urin ausgeschieden, Glucuronide > 350 über die Galle (Faustregel) Die „Gallengrenze“ liegt bei verschiedenen Spezies verschieden hoch Genetisch bedingte Krankheiten wie Criglar-Najjar Syndrom und Gilbert‘s Disease führen zu keiner oder verminderter Bildung von UGT1A1 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 54 Typ-1 Reaktionen Glucuronidierung / Glucosidierung - Sulfatierung - Cofaktor 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) Acetylierung - Cofaktor UDP-Glucuronsäure und UDP-Glucose Cofaktor Acetyl-Coenzym A Methylierung - 18.05.2011 Cofaktor S-Adenosylmethionin Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 55 Sulfatierung (Sulfonylierung) NH2 N O O S O N O O P O O N N O O O P OH O O 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 56 Sulfatierung Biotransformierung sowohl von Xenobiotika als auch von endogenen Stoffen (Schilddrüsenhormone, Steroide, einige Peptide) Vorkommen bei Wirbeltieren, Wirbellosen, Pilzen und Bakterien Das reaktive Agens PAPS liegt nur in niedrigen Spiegeln vor, Bildung von PAPS erfolgt aus 2 ATP und Sulfat Reaktion mit Hydroxylgruppen von Phenolen und Alkoholen, Thiolen, Hydroxylaminen und Aminen 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 57 Sulfatierung NH2 N H R X O O S O N O O P O O N N O PAPS O O P OH NH2 O N O N O O P O O N N O O + Sulfotransferase O O P OH O R X S OH O Sulfat-Konjugat O 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphat 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 58 Substrate der Sulfatierung Primäre Alkohole - Sekundäre Alkohole - Minoxidil Aliphatische Amine - Dopamin N-Oxide - Estron, Ethinylestradiol, Naphtol, Salicylamid, Methotrexat Katechole - Gallensäuren, Cholesterin, DHEA Phenole - Chloramphenicol, Ethanol, PEGs Desipramin Aromatische Amine und Hydroxylamine - 18.05.2011 Anilin Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 59 Sulfotransferasen (SULTs) Zwei Hauptfamilien (SULT1 und 2) sowie vier bzw. 2 Unterfamilien, Nomenklatur wie bei den CYPs SULT1 Familie sulfatiert z.B. xenobiotische Östrogene (SULT1E1) bzw. Phenole und Arylamine (SULT1A1, gleichzeitig wichtigste SULT) SULT2 sulfatiert v.a. Hydroxysteroide und reguliert somit die Androgenspiegel Sulfatierungsprodukte können im Darm durch bakterielle Sulfatasen gespalten werden. SULTs nur schwer induzierbar, inhibierbar z.B. durch Pentachlorophenol oder einige natürliche Antioxidantien wie Quercetin oder Cucurmin 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 60 „Giftung“ durch SULTs Acetylaminofluoren DNA ! H N N O O N-Hydroxylierung (CYP450) O - SO42- HO O S O O N PAPS PAP N O O 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 61 Typ-1 Reaktionen Glucuronidierung / Glucosidierung - Sulfatierung - Cofaktor 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) Acetylierung - Cofaktor UDP-Glucuronsäure und UDP-Glucose Cofaktor Acetyl-Coenzym A Methylierung - 18.05.2011 Cofaktor S-Adenosylmethionin Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 62 Cofaktor Acetyl-CoA NH2 N O H3C S H N OH H N O O O N O P O P O O OH N N O OH O OH HO P O OH 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 63 Acetylierung Wichtiger Biotransformationsweg für Xenobiotika, die ein aromatisches Amin oder ein Hydrazin enthalten Diese werden zum Amid bzw. zum Hydrazid NAT NH2 NH O NH2 R N H NAT H N R N H O 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 64 Acetylierung Zwei wichtige N-Acetyltransferasen im Menschen: NAT-1 und NAT-2 Acetylierte Xenobiotika werden weniger wasserlöslich Im menschlichen Organismus Acetylierung / Deacetylierung häufig als On / Off Switch Genetische Polymorphismen: Langsam / Schnellacetylierer mit jeweils individuellen Risiken: - - 18.05.2011 LA: Nervenschäden durch Isoniazid, Dapson; Lupus erythematosis durch Hydralazin und Procainamid; Blasenkrebs durch Rauchen (bicyclische aromat. Amine) SA: Myelotoxische Effekte durch antineoplastische AS (schlechtere Clearance); Darmkrebs durch heterocyclische aromatische Amine Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 65 „Giftung“ durch Acetylierung Acetylaminofluoren DNA ! H N N O O N-Hydroxylierung (CYP450) O - AcOHO O N AcCoA CoA N O NAT 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt O 66 Typ-1 Reaktionen Glucuronidierung / Glucosidierung - Sulfatierung - Cofaktor 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat (PAPS) Acetylierung - Cofaktor UDP-Glucuronsäure und UDP-Glucose Cofaktor Acetyl-Coenzym A Methylierung - 18.05.2011 Cofaktor S-Adenosylmethionin Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 67 Methylierung H2N N N CH3 OOC S H N O N NH2 OH OH S-Adenosylmethionin (SAM) 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 68 Methylierung Verbreiteter, aber eher unwichtiger Weg der Biotransformation von Xenobiotika Durch Methylierung werden Substrate weniger wasserlöslich, zusätzlich werden funktionelle Gruppen maskiert ! Grosse Zahl an Akzeptoren - Proteine, Lipide, Phospholipide und Nucleinsäuren Xenobiotika mit N, S, oder O-Nucleophilen Synthese von SAM aus L-Methionin und ATP 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 69 O-Methylierung Phenol-O-Methyltransferase (POMT) methyliert Phenole, aber keine Catechole Catechol-O-Methyltransferase (COMT) methyliert Catechole aber keine Phenole - Wichtige Substrate sind Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, L-DOPA, Catecholöstrogene (z.B. 2-Hydroxyestradiol) COO HO SAM O NH2 NH2 HO - 18.05.2011 COO HO COMT-Polymorphismen - hohe Aktivität verursacht z.B. Probleme bei der Behandlung von Parkinson Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 70 N-Methylierung Phenylethanolamin-N-methyltransferase (PNMT) - Histamin-N-methyltransferase (HNMT) - N-Methylierung von Noradrenalin zu Adrenalin Methyliert den Imidazolring von Histamin und Histaminanaloga Nicotinamid-N-Methyltransferase (NNMT) - Methyliert Verbindungen mit einem Pyridinring wie Nicotinamid und Nicotin Methyliert Verbindungen mit einem Indolring wie Tryptophan und Serotonin Arginin-Methyltransferasen - Methylieren Histon-Proteine an Argininen Lysin-Methyltransferasen - 18.05.2011 Methylieren Histon-Proteine an Lysinen Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 71 S-Methylierung Wichtiger Biotransformationsweg für Xenobiotika mit Sulfhydrylgruppen - Thiopurin Methyltransferase (TPMT) - D-Penicillamin, 6-Mercaptopurin, Disulfiram Polymorphismen müssen bei der Krebstherapie, der Therapie von Morbus Crohn, Colitis Ulcerosa und Rheuma beachtet werden (Abbau von 6Mercaptopurin und Azathioprin) Thiol Methyltransferase (TMT) - 18.05.2011 Ebenfalls Polymorphismen im Menschen Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 72 Typ-2 Reaktionen (aktiviertes Xenobiotikum) COO Reaktion mit Glutathion O H N H2N N H O COO SH Glutathion COO NH2 H2N Bindung an Aminosäuren (Glycin, Glutamin, Taurin) H2 N COO O Glutamin Glycin O S H2N O O Taurin 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 73 Konjugierung an Glutathion Substrate meist hydrophob mit einem elektrophilem Atom (+ oder δ+) Reaktion mit Glutathion teilweise nichtenzymatisch, teilweise durch Glutathiontransferasen (GSTs) katalysiert - 5 Klassen von GST (α,µ,π,τ,ω), diverse Unterklassen Hohe Konzentration von Glutathion in Zellen (10mM) Glutathion auch Cofaktor für die Glutathion Peroxidase, die Zellen vor Lipid-Peroxidation schützt O O HO NH2 18.05.2011 SH N H H N O OH O Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 74 Glutathionsystem 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 75 Konjugation an Aminosäuren Aktivierung einer Carboxylgruppe eines Xenobiotikums durch CoA durch eine CoA Ligase Acyl-CoA Derivat reagiert dann mit einer Aminosäure (Glycin, Glutamin, Taurin) katalysiert durch eine Aminosäure NAcyltransferase Aktivität in Pflanzenfressern höher als in Fleisch- und Allesfressern 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 76 Phase-3 Reaktionen Nach Phase I und II Reaktionen sind die Xenobiotika oft zu hydrophil, um die Zelle verlassen zu können - Toxizität der Konjugate für die Zelle Hydrolyse der Konjugate Inhibition von Phase II Enzymen Effluxtransportersysteme - 18.05.2011 ATP-abhängige ABC-Transporter: PGP, MRP Nicht ATP-abhängig: RLIP76 (non-ABC ATPase aktivierendes Protein; transportiert z.B. GSH-gebundene aber auch andere Phase-2 Produkte) Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 77 ATP-abhängige Effluxpumpen P-Glycoprotein (Gen: MDR-1) - MRP (Gen: MDR-Gene) - Transportiert große lipophile Stoffe aus der Zelle (unmetabolisierte AS, potentielles Therapieproblem) Transport von anionischen, hydrophilen Stoffen aus der Zelle, besonders toxikologisch wichtigen wie GSH-Konjugaten (GS-X Pumpen). Andere Substrate: Bilirubin (Ausscheidung über Galle durch MRP-2), Steroidglucuronide oder sulfatierte Phase-2 Produkte DNP-SG ATPase - 18.05.2011 Transport von sowohl anionischen wie auch kationischen Substanzen (Dinitrophenyl-S-Glutathion) Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 78 Zusammenfassung 18.05.2011 Metabolismus-Seminar, Praktikum pharmazeutische Chemie III, Martin Schmitt 79
