Fortbildung-2010-09-Fremdstoffmetabolismus-Teil-2
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PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT Wim Wätjen, Ellen Fritsche Rolle des Fremdstoffmetabolismus in Pharmakologie und Toxikologie: Teil 2: Phase-II-Reaktionen Der Fremdstoffmetabolismus determiniert die Wirksamkeit von Arzneistoffen. Es kann dabei sowohl zu einer Inaktivierung als auch zu einer Aktivierung von Substanzen kommen. Der gleiche Grundsatz ist auch für die Toxikologie gültig, wo es teilweise erst durch den Metabolismus zur Bildung von reaktiven Intermediaten kommt, welche den Organismus schädigen. In einem ersten Fortbildungsartikel (Apothekenmagazin 05/2009) wurden die Enzyme und Reaktionen der Phase I beschrieben, in diesem Teil sollen die Auswirkungen von Phase II-Enzymen auf Pharmaka und Giftstoffe exemplarisch analysiert werden. In der Phase II des Fremdstoffmetabolismus werden unter Energieverbrauch bestimmte Kosubstrate an funktionelle Gruppen von Fremdstoffen gekoppelt. In der Regel wird bei diesen Konjugationsreaktionen die Polarität der Verbindung stark erhöht, d.h. die Wasserlöslichkeit steigt und das modifizierte Pharmakon kann über die Galle oder die Nieren ausgeschieden werden. Bestimmte Kopplungsreaktionen (z.B. Methylierungen, N-Acetylierungen) führen zumeist jedoch nicht zu einer Erhöhung der Polarität, sondern fungieren z.B. als Maskierung für funktionelle Gruppen (Abbildung 1). diese Kopplungsreaktion bewirken GSTs einen Schutz gegenüber einer potentiellen DNA-schädigenden Wirkung solcher Verbindungen. GSTs können jedoch nicht nur als Enzyme wirken, sie können auch an verschiedene Substrate binden, ohne eine Konjugationsreaktion zu katalysieren (z.B. Bilirubin, Penicillin, Tetracycline). Glutathion-STransferasen fungieren des Weiteren indirekt als Schutzmechanismus gegen reaktive Sauerstoffspezies, die z.B. durch das Redoxcycling von Eine schematische Übersicht der Reaktionen, Enzyme und Kofaktoren/Kosubstrate im Phase II Metabolismus ist in Tabelle 1 und Abbildung 2 gezeigt. Die meisten Reaktionen des Phase II Metabolismus (Glucuronidierung, Sulfatierung, Acetylierung und Methylierung) benötigen aktivierte Kosubstrate, wohingegen eine Kopplung von Fremdstoffen mit Aminosäuren und Glutathion eine Aktivierung der Xenobiotika voraussetzt. Glutathion- S-Transferasen (GST) Glutathion-S-Transferasen (GSTs) konjugieren Pharmaka und Fremdstoffe mit dem endogenen Tripeptid Glutathion (GSH, γ-Glutamylcysteinylglycin, Abbildung 3). Diese Reaktion ist der wichtigste Entgiftungsmechanismus des Körpers für elektrophile Substanzen. Durch 6 Abbildung 1: Schematische Übersicht des Fremdstoffmetabolismus. Reaktionen der Phase I und Phase II. Abbildung 2: Phase-II Metabolismus: Strukturen der Kofaktoren/Kosubstrate Kofaktoren/Kosubstrate im Phase II Metabolismus: Die jeweils übertragenen Gruppen sind blau unterlegt. Zertifizierte Fortbildung Phase-II-Reaktion Glucuronidierung Sulfatierung Acetylierung Methylierung Aminosäurekonjugation Glutathionkonjugation Enzym (Abkürzung) UDP-Glucuronosyltransferasen, UGT Sulfotransferasen, SULT N-Acetyltransferasen, NAT Methyltransferasen, MT Acyl-CoA-Aminosäure-Acyltransferasen) Glutathion-S-Transferasen, GST Kofaktor/Kosubstrat aktivierte Glucuronsäure (UDP-α-Glucuronsäure, UDPGA) aktiviertes Sulfat (3’-Phopho-adenosin-5’-phosphosulfat, PAPS) Acetyl-CoA) aktiviertes Acetat (A aktiviertes Methionin (S-Adenosylmethionin, SAM) Glutamat, Glycin, Taurin Glutathion (γ-Glutamylcysteinyl-glycin, GSH) Tab. 1: Schematische Übersicht des Phase II Metabolismus Reaktionen, Enzyme und entspr. Kofaktoren und Substrate im Phase II Metabolismus. Chinonen entstehen. GSTs werden aber auch in einen Zusammenhang mit Resistenzentwicklungen bei der Zytostatikatherapie gebracht: Bei der Therapie mit alkylierenden Zytostatika (Cyclophosphamid, Chlorambucil, Busulfan) sind Resistenzen bestimmter Tumorzellen gegenüber diesen Zytostatika mit einer Zunahme bestimmter GST-Enzyme assoziiert. Viele elektrophile Fremdstoffe reagieren mit dem nukleophilen Schwefelatom des Tripeptids Glutathion, welches in hoher Konzentration in Leberzellen vorhanden ist. Hierbei kommt es zur Bildung einer Thioetherbindung. Es reagieren jedoch nur bestimmte („weiche“) elektrophile Substanzen spontan mit dem „weichen“ Nucleophil GSH („hart“/“weich“-Zuordnung nach dem Konzept von Pearson). Die Geschwindigkeit dieser Reaktion wird durch die GST stark erhöht. Abbildung 3: Strukturformel von Glutathion: γ-Glutamylcysteinylglycin Aus diesem Grund stellen Glutathion-S-Transferasen eine sehr wichtige Klasse der fremdstoffmetabolisierenden Enzyme dar, sie können in der Leber speziesabhängig bis zu 10% der löslichen Proteine ausmachen. Auch in anderen Geweben (Darm, Magen) wurden GSTs in hoher Konzentration nachgewiesen. Die Konjugation mit GSH führt zu einer starken Erhöhung der Hydrophilie und einer raschen Ausscheidung des Pharmakons bzw. Fremdstoffes. Glutathionkonjugate werden mittels MDR-Proteinen (multidrug resistance) aus der Zelle transportiert. Vor der Ausscheidung findet in der Regel jedoch eine Modifikation der angelagerten GSHGruppe statt, die Substanz wird als sogenanntes Mercaptursäurekonjugat über den Harn ausgeschieden (Abbildung 4). GSTs werden in verschiedene Familien zusammengefasst. Zurzeit sind sieben zytosolisch lokalisierte, eine mitochondrial lokalisierte und drei membranständige mikrosomale GST-Familien bekannt (Tabelle 2). Sie besitzen eine breite und zum Teil überlappende Substratspezifität für Substanzen mit elektrophilen Gruppen. Zum Beispiel metabolisiert die GSTT1 kleine Substratmoleküle und ist aufgrund eines Polymorphismus für die Arbeitsmedizin relevant: Personen mit der Deletionsvariante GSTT1*2 sind defizient für die Kopplung von Molekülen wie z.B. Brommethan mit GSH. Da durch solch eine Konjugation das hoch reaktive Methanthiol entsteht, welches für die neurotoxischen Symptome der CH3Br Vergiftung verantwortlich ist, sind Personen mit dem GSTT1*2 Genotyp vor diesen Symptomen geschützt. Zytosolische und mitochondriale GSTs sind dimere Enzyme, die sich in der Zusammensetzung ihrer Untereinheiten unterscheiden können. Durch diese Variabilität bilden sich Enzyme mit jeweils geänderter Substratspezifität. Die mikrosomalen GSTs sind als Trimere aktiv. Eine Vielzahl von Chemikalien ist in der Lage, die GST-Expression zu induzieren. Dies geschieht über transkriptionelle Aktivierung bestimmter Promotorbereiche der DNA (z.B. „antioxidant responsive element“, „xenobiotic response element“ oder „barbie box element“), z.B. durch prooxidative Substanzen. Substrate für die GST besitzen ein elektrophiles Zentrum und haben im Allgemeinen eher hydrophobe Eigenschaften. Die durch GST vermittelten Konjugationsreaktionen können in folgende Reaktionstypen (Abbildung 5, 6) eingeteilt werden: Abbildung 4: Phase-II Bildung von Mercaptursäurederivaten Bildung des Glutathion-Konjugats durch die Glutathion-S-Transferase (1), folgend der Umbau zum Mercaptursäurederivat über die γ-Glutamyltranspeptidase (2), Dipeptidase (3) und N-Acetyltransferase (4). 7 PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT a) nukleophile Substitution elektronenziehender Substituenten am Kohlenstoffatom b) nukleophile Addition von Glutathion c) Reduktion von organischen Hydroperoxiden d) Isomerisierung von C-C-Doppelbindungen (cis-trans-Umlagerungen) Die GST spielt eine wichtige Rolle bei der Detoxifizierung der toxischen Metabolite des Analgetikums Paracetamol. Wie im Abschnitt über den Phase-I-Metabolismus bereits ausgeführt, wird ein gewisser Anteil des Paracetamols nicht über Phase II-Enzyme (Sulfotransferasen und UDP-Glucuronosyltransferasen) detoxifiziert, sondern über einen Phase I-Mechanismus (CYP P450 2E1) zu einem reaktiven Chinonimin (N-Acetyl-para-Benzochinonimin, NAPQI) umgewandelt. Bei hohen Paracetamoldosen erlangt diese Phase-I-Umwandlung eine starke Bedeutung. Zur Entgiftung dieser reaktiven Verbindung wird durch die GST Glutathion an die aktivierte Doppelbindung konjugiert (Abbildung 7). Ist der GSH-Vorrat erschöpft, führt das Chinonimin zur Leberschädigung (Tabelle 3). Abbildung 5: Reaktionen der GST (Beispiele) Nukleophile Substitution am Aromaten (3,4 Dichloronitrobenzol) Addition an Doppelbindung (Diethylmaleinsäure) Addition (Ringöffnung) an Epoxid (Naphtalinepoxid) Abbildung 6: GST-vermittelte Abspaltung von NO aus Glyceroltrinitrat α (Alpha-) μ (my-) π (pi-) σ (sigma-) θ (theta-) ζ (zeta-) ω (omega-) κ (kappa-) 8 GSTA1 GSTA2 GSTA3 GSTA4 GSTA5 GSTM1 GSTM2 GSTM3 GSTM4 GSTM5 GSTP1 PGDS GSTT1 GSTT2 GSTZ1 GSTO1 GSTO2 GSTK1 Chlorambucil Cumolhydroperoxid Δ5-Pregnan-3,20-dion 4-Hydroxynonenal (nicht bekannt) Benzpyrendiolepoxid Aminochrom BCNU CDNB CDNB Acrolein PGH2 CH2Cl2, Ethylenoxid Cumolhydroperoxid Dichloroacetat Dehydroascorbinsäure Dehydroascorbinsäure CDNB Tab. 2: Humane Glutathion-S-Transferasen mit Relevanz für den Fremdstoffmetabolismus (modifiziert n. Parkinson und Ogilvie 2008) Da die Aktivität der GST abhängig von der zur Verfügung stehenden Menge am Kofaktor Glutathion ist, ist die Bereitstellung von GSH der limitierende Faktor für die Toxizität von Paracetamol. Die entscheidenden Enzyme für die GSH-Synthese sind die GlutamatCystein-Ligase und die Glutathion-Synthase. Bei einer Paracetamol-Intoxikation kann Glutathion selbst zur Entgiftung nicht verabreicht werden, da dieses Tripeptid nicht über zelluläre Membranen transportiert werden kann. Daher wird als Antidot die GSH-Vorstufe NAcetylcystein (NAC) eingesetzt. Eine höhere Toxizität bei Paracetamolvergiftungen ist z.B. bei Unterernährung gegeben (verringerte intrazelluläre GSH-Spiegel). Die Konjugation von Xenobiotika mit Glutathion in der Phase II des Fremdstoffmetabolismus ist jedoch, wie schon oben beschrieben, nicht in allen Fällen gleichbedeutend mit einer Inaktivierung der Substanz. So stellt z.B. die Konjugation mit GSH den ersten Schritt der metabolischen Aktivierung von nierentoxischen halogenierten Alkanen dar: Dichlorethan bildet mit GSH ein Konjugat, welches das typische Strukturelement des stark alkylierenden Schwefel-Losts (Senfgas, β,β’-Dichlordiethylsulfid) besitzt. Das durch die GSH-Konjugation entstehende Episulfonium-Ion kann z.B. mit DNA-Basen unter Bildung des Guanin-Adduktes reagieren (Abbildung 8). UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT) Die Glucuronidierung ist der quantitativ wichtigste Entgiftungsschritt für die verschiedensten, meist nucleophilen, Pharmaka und Fremdstoffe. UDP-Glucuronosyltransferasen (UGTs) koppeln Substanzen mit aktivierter Glucuronsäure (UDP-α-Glucuronsäure (UDPGA)). Durch diese Kopplung wird a) für eine starke Erhöhung der Hydrophilie (die Carboxylgruppe der Glucuronsäure liegt bei physiologischem pH-Wert in der ionisierten Form vor) gesorgt und b) durch „Maskierung“ von funktionellen Gruppen die biologische Wirkung des Fremdstoffs beendet (Abbildung 9). Glucuronidierungsreaktionen sind mit verschiedenen funktionellen Gruppen möglich. Glucuronidiert werden vorzugsweise elektronenreiche O, N oder S-Heteroatome. Daher sind z.B. Alkohole und Phenole, Carbonsäuren, aliphatische und aromatische Amine und Thiole Substrate für UGTs (Tabelle 4). Bei der Übertragung des Glucuronosylrestes auf alkoholische und phenolische Hydroxylgruppen entstehen Ether-Glucuronide, aus Carbonsäuren die entsprechenden Ester-Glu- Zertifizierte Fortbildung Zeit nach Einnahme I 0,5 – 24 h II 24 – 48 h III IV 72 – 96 h 4d–2w Symptome, Klinik Übelkeit, Erbrechen Besserung der Symptome Oberbauchschmerzen Bilirubin Transaminasen Prothrombinzeit ➛➛ ➛ Stadium Maximum der Leberschädigung evtl. Besserung der Leberfunktion (bei Überlebenden), Nierenversagen möglich Tabelle 3: Klinische Stadien einer Paracetamolvergiftung Stoffklasse des Fremdstoffes O-Glucuronid Ethertyp Estertyp N-Glucuronid S-Glucuronid C-Glucuronid Alkohol Carbonsäure Carbamat aromatisches Amin Sulfonamid aromatisches Thiol Dithiocarbaminsäure 1,3-Dicabonylverbindungen Substanzbeispiele Trichlorethanol o-Aminobenzoesäure Meprobamat 2-Naphthylamin Sulfadimethoxin Thiophenol Diethyldithiocarbamat Phenylbutazon Tabelle 4: Beispiele verschiedener Klassen von Glucuroniden curonide. In bestimmten Xenobiotika wie Phenylbutazon können Kohlenstoffatome vorhanden sein, die hinreichend nukleophil sind, um C-Glucuronide zu bilden. Zu den Pharmaka, die glucuronidiert werden (Abbildung 10), zählen auch Paracetamol, Morphin, Amitryptilin (phenolische Hydroxylgruppen) sowie Probenecid und Ibuprofen (carboxylische Hydroxylgruppen). Der Kofaktor UDPGA wird in zwei Schritten durch die Enzyme UDPGPyrophosphorylase und UDPG-Dehydrogenase aus Glucose-1-phosphat gebildet. UGTs besitzen eine sehr große enzymatische Kapazität, das Cosubstrat ist unter normalen Bedingungen in hohen Konzentrationen (500 μM) in der Zelle vorhanden. Die Spiegel von UDPGA können aber z.B. unter Hungerbedingungen verringert sein, was die Toxizität des Analgetikums Paracetamol verstärken kann. Für den Menschen sind zwei Unterfamilien der UDP-Glucuronosyltransferasen wichtig: UGT1 und UGT2. UGTs der Klasse 1 bevorzugen planare Substrate, während Klasse 2 UGTs auch nicht-planare Substanzen wie z.B. Morphin konjugieren. In den UGT Familien existieren verschiedene Isoenzyme mit z.T. überlappender Substratspezifität (Tabelle 5). Die Enzyme vermitteln nicht nur die Ausscheidung von Fremdstoffmetaboliten, sondern auch die Ausscheidung von endogenen Stoffwechselprodukten, z.B. hydroxylierten Steroidhormonen, Bilirubin aus dem Häm-Abbau und fettlöslichen Vitaminen. Mutationen in der UGT1A1 verursachen z.B. Störungen im Bilirubin-Stoffwechsel, wie das mildere Gilbert-Meulengracht-Syndrom oder das fatale Crigler-Najjar-Syndrom, welche zu unterschiedlich ausgeprägter Hyperbilirubinämie führen. Die höchsten Konzentrationen an UGTs finden sich in der Leber, aber auch Nieren und Darm weisen relativ hohe Enzymaktivitäten auf. Andere Gewebe wie Haut und ZNS besitzen auch eine Kapazität für Glucuronidierungen. Abbildung 7: Rolle von GST beim Metabolismus von Paracetamol Abbildung 8: Giftung durch GST (1,2-Dihalogenalkan) Durch Substanzen wie Phenobarbital können bestimmte UGTs induziert werden. Es sind auch Inhibitoren für bestimmte UGTs beschrieben (z.B. Fluconazol für UGT2B7 und Hecogenin für UGT1A4). Einige Inhalationsnarkotika, wie z.B. Diethylether, interferieren mit der Phase II Elimination über UGTs, indem sie den UDPGA-Spiegel der Leber absenken. Im Vergleich zu den CYP-Enzymen sind bei den UGTs jedoch relativ wenige relevante Arzneimittelwechselwirkungen beschrieben. Das UGT1A1*28 Allel hat Bedeutung für die Toxizität von Irinotecan, einen in der Krebstherapie eingesetzten Topoisomerase I-Inhibitor, indem der aktive zytostatische Metabolit konjugiert wird. Polymorphismen der UGT2B15 haben Bedeutung für die Wirkdauer des Benzodiazepins Oxazepam. In bestimmten Fällen kann es durch Glucuronidierung auch zu einer Zunahme der Wirkstärke von Arzneimitteln kommen. Die pharmakologische Wirkung von Morphin kann durch Glucuronidierung der aliphatischen Hydroxylgruppe (6-OH) stark erhöht werden, eine Glucuronidierung an der phenolischen Hydroxylgruppe (3-OH) zeigt diesen Effekt nicht. Verschiedene UGTs wie UGT1A1, UGT1A3, UGT1A6 und auch UGT2B7 können die Glucuronidierung an Position 3 von Morphin katalysieren, die wirkungsverstärkende Konjugation an Position 6 wird jedoch nur durch UGT2B7 katalysiert. Die Reaktionsprodukte der UGT sind allerdings nicht immer chemisch stabil. Zum Beispiel werden viele in der Leber glucuronidierte Xenobiotika, die über die Galle in den Dünndarm ausgeschieden werden, durch β-Glucuronidasen im Darm wieder gespalten. Das nicht mehr konjugierte und dadurch wieder lipophilere Xenobiotikum kann danach erneut über die Pfortader in die Leber aufgenommen werden, was zu einem Kreisprozess führt. Dieser sogenannte „enterohepatische Kreislauf“ verlängert möglicherweise beträchtlich die Eliminationshalbwertszeit von Substanzen. Ein Beispiel hierfür stellt die Glucuronidierung von Substanzen wie Digitoxin oder Steroidhormonen dar, welche durch diesen Mechanismus verhältnismäßig lange biologische Halbwertzeiten aufweisen. Durch eine Modulierung des enter- 9 PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT Abbildung 9: Reaktionsmechanismus der UGT Glucuronidierung von Paracetamol: Ausbildung einer ß-glykosidischen Bindung UGT Gewebe Substanzbeispiel Bilirubin, 17β-Estradiol Ibuprofen Trifluorperazin, Amitryptilin nicht bekannt Leber, Dünndarm, Kolon, Magen 1-Naphtol, Serotonin, Ibuprofen Ösophagus, Magen, Lunge Octylgallat Kolon, Dünndarm, Nieren Antharchinone, Furosemid Leber, Nieren, Kolon Propofol Magen, Dünndarm, Kolon 1-Naphtol, Furosemid UGT1A1 UGT1A3 UGT1A4 UGT1A5 UGT1A6 UGT1A7 UGT1A8 UGT1A9 UGT1A10 Leber, Dünndarm, Kolon Leber, Dünndarm, Kolon Leber, Dünndarm, Kolon Leber UGT2A1 UGT2A2 UGT2A3 UGT2B4 UGT2B7 olfaktorisches System nicht bekannt nicht bekannt Leber, Dünndarm Nieren, Dünndarm, Kolon UGT2B10 Leber, Dünndarm, Prostata UGT2B11 Prostata, Brustdrüsen UGT2B15 Leber, Dünndarm, Prostata UGT2B17 Leber, Prostata UGT2B28 Leber, Brustdrüse Valproinsäure, Ibuprofen nicht bekannt nicht bekannt Codein Zidovudin, Morphin, Codein, Valproinsäure, Ibuprofen, Diclofenac nicht bekannt 4-Nitrophenol S-Oxazepam Androgene, Eugenol 17β-Estradiol, Testosteron Tabelle 5: Übersicht: Humane UDP-Glucuronosyltransferasen (adaptiert nach Kiang et al. 2005, Miners et al. 2006, Parkinson und Ogilvie 2008) 10 Abbildung 10: molekulare Angriffspunkte für UGT in Pharmaka ohepatischen Kreislaufes (Verhinderung der Glucuronidspaltung und nachfolgender enteraler Reabsorption) kann die Gabe von Antibiotika die Wirkung oraler Kontrazeptiva verringern. Bei einigen Substanzen stellen Glucuronide auch eine Transportform für die (toxische) Substanz dar. Dies ist z.B. für 2-Naphthylamin, eine Blasenkrebs auslösende Substanz, beschrieben. Sulfotransferasen (SULT) Sulfotransferasen sind zytosolische Enzyme, die Xenobiotika mit aktiviertem Sulfat (3’-Phopho-adenosin-5’-phosphosulfat, PAPS) koppeln. Es wird hierbei eine Sulfonylgruppe (-SO3-) übertragen. Die von den Sulfotransferasen gebildeten Sulfonsäureester liegen bei physiologischem pH-Wert in ionisierter Form vor und sorgen so für eine starke Erhöhung der Hydrophilie (Abbildung 11). Der Kofaktor wird in der Zelle aus Sulfat und ATP gebildet. Da das benötigte Sulfat zum überwiegenden Teil aus dem Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren stammt, steht es in der Zelle nur beschränkt zur Verfügung und limitiert so die Menge an PAPS. Bei hohen Konzentrationen an Pharmaka oder Fremdstoffen kann sich daher die Kapazität der Sulfotransferasen aus Mangel an dem Kosubstrat erschöpfen. Die Stoffe werden dann glucuronidiert, da die UGTs ein ähnliches Substratspektrum besitzen und einer viel geringeren Kofaktor-abhängigen Limitierung unterliegen. Die Sulfatierung konkurriert demnach mit der Glucuronidierung um die Substrate: Die Art der Konjugation wird dabei durch die unterschiedlichen Enzymkinetiken bestimmt. Fremdstoffe in geringer Konzentration werden sulfatiert, während bei höheren Konzentrationen Zertifizierte Fortbildung curonidierung erhöht. Auch die Sulfonierung kann zu einer Erhöhung der Toxizität eines Xenobiotikums führen. Am häufigsten geschieht das bei der Sulfonierung an OHGruppen, da das so stabilisierte Sulfat eine gute Abganggruppe darstellt und daher zur Bildung von reaktiven Carbeniumionen führt. Abbildung 11: Metabolisierung von Anilin zum entsprechenden Sulfamat, Bildung von Carbeniumionen nach Abspaltung von Sulfat als Abgangsgruppe SULT SULT1A1 SULT1A2 SULT1A3 SULT1A4 SULT1B1 SULT1C2 SULT1C4 SULT1E1 SULT2A1 SULT2B1_v1 SULT2B1_v2 Gewebe Substanzbeispiel Leber, Placenta Leber, Blasentumoren Dünndarm, Kolon 4-Nitrophenol, Acetaminophen 4-Nitrophenol Dopamin, albutamol Leber, Pankreas, Kolon, Gehirn Dopamin Kolon, Leber, Leukozyten 4-Nitrophenol Nieren, Magen, Schilddrüse 4-Nitrophenol Nieren, Eierstöcke 4-Nitrophenol, Bisphenol A Leber, Endometrium, Dünndarm 17β-Estradiol Leber, Nebennieren, Dünndarm 17β-Estradiol, DHEA Plazenta, Prostata, Haut Pregnenolon Cholesterol Tabelle 6: Übersicht: Humane zytosolische Sulfotransferasen. (modifiziert nach Parkinson und Ogilvie, 2008) die Glucuronidierung überwiegt. Interindividuelle Unterschiede in der Kinetik der Sulfatierung von Fremdstoffen können auch durch genetische Defekte in den Syntheseenzymen von PAPS bedingt sein. Cholesterol Sulfokonjugate werden häufig über den Urin ausgeschieden, da die Grenzmolmasse für die glomeruläre Filtration durch diese Kopplungsreaktion seltener erreicht wird. Die molare Masse des Fremdstoffes wird durch Sulfatierung nur um 80 im Vergleich zu 307 bei der Glu- Abbildung 12: Acyl-CoA-Aminosäure-Acyltransferasen: Reaktionstyp Von den Sulfotransferasen existieren zytoplasmatisch lokalisierte, lösliche Enzyme, welche Konjugationen von Fremdstoffen und niedermolekularen körpereigenen Molekülen katalysieren (Tabelle 6). Neben diesen zytosolisch lokalisierten SULT, existieren auch noch membrangebundene Sulfotransferasen im Golgi-Apparat, die in verschiedene endogene biologische Effekte involviert sind und für den Fremdstoffmetabolismus keine wesentliche Rolle spielen. Acyl-CoA-Aminosäure-Acyltransferasen Eine weitere Möglichkeit, die Hydrophilie von Fremdstoffen zu erhöhen, besteht in der Konjugation mit bestimmten Aminosäuren, z.B. Glycin oder Glutamin. Die Konjugation von Benzoesäure mit Glycin (Bildung von Hippursäure) wurde als erste Biotransformationsreaktion im Jahre 1842 beschrieben (Abbildung 12). Gallensäuren sind endogene Substrate für eine Konjugation mit Glycin oder Taurin. Bei der Konjugation von Carbonsäuren mit Aminosäuren wird im Gegensatz zu den anderen Kopplungsreaktionen nicht das Kopplungsagens, sondern der Fremdstoff aktiviert. Im Allgemeinen ist die Aminosäurekonjugation eine Reaktion mit hoher Affinität und geringer Kapazität, d.h. eher bei niedrigen Substratkonzentrationen wichtig. N-Acetyltransferasen (NAT) Die N-Acetylierung ist ein wichtiger Weg im Stoffwechsel von Aminen, Hydroxylaminen, Hydrazinen und Sulfonamiden. Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) fungiert dabei als das „aktivierte“ Cosubstrat, welches von zytosolischen N-Acetyltransferasen (NAT) auf den Fremdstoff übertragen wird. Im Gegensatz zu den vorher besprochenen Konjugationsreaktionen kommt es bei der Acetylierung jedoch nicht zu einer Erhöhung der Polarität. Die Bedeutung dieser Konjugation liegt vielmehr in der Inaktivierung der biologischen Wirkung durch Maskierung von funktionellen Gruppen. Es existieren zwei Isoenzyme der N-Acetyltransferasen mit ähnlichen katalytischen Eigenschaften, die jedoch unabhängig voneinander reguliert werden: NAT1 und NAT2. Die NAT1 wird in vielen Geweben exprimiert (Leber, Darm, Nieren, Lunge, Niere und Leukozyten), wohingegen die NAT2 hauptsächlich in Leber und Darm (jedoch nicht in Leukozyten) gefunden wird. 11 PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT Abbildung 13: Substrate der NAT1 und NAT2 Substrate für die NAT1 sind z.B. p-Aminobenzoesäure, Sulfamethoxazol und Sulfanilamid. Substrate für die NAT2 sind Pharmaka wie das Hydrazin Isoniazid und die Arylamine Procainamid, Aminoglutethimid und Dapson (Abbildung 13). Für die NAT2 existiert ein genetischer Polymorphismus, der sich in der Acetylierungsgeschwindigkeit des Tuberkulosemedikamentes Isoniazid zeigt. Langsame Acetylierung erhöht die Gefahr neurotoxischer Nebenwirkungen. Es ist ein langsamer, ein intermediärer und ein schneller Acetylierertyp bekannt (slow, intermediate, rapid metabolizers). Der langsame Acetylierertyp tritt gehäuft im Mittleren Osten auf, in Europa sind intermediäre Acetylierer verbreitet, in Ostasien trifft man überwiegend auf den schnellen Acetylierertyp. Die Wildtyp-NAT2 bringt den schnellen Acetylierertyp hervor, der langsame und der intermediäre Acetylierertyp wird durch Mutationen in verschiedenen Allelen des NAT2 Gens verursacht. Die NAT2 war das erste Beispiel für ein arzneistoffabbauendes Enzym, für das genetisch bedingte Unterschiede beschrieben wurden. 12 Abbildung 14: Methylierungsreaktionen Methyltransferasen Eine weitere für den Fremdstoffmetabolismus ungewöhnliche Kopplungsreaktion ist die Methylierung von Xenobiotika. Hier werden funktionelle Gruppen maskiert und die Lipophilie der Substanz im Allgemeinen Zertifizierte Fortbildung erhöht. Substrate sind alkoholische oder phenolische Hydroxylgruppen, primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen sowie Thiolgruppen. Metalle (Hg, As, Se) können ebenfalls methyliert werden. Es existieren verschiedene Enzyme, die Methylierungen katalysieren, z.B. die Catechol-O-Methyltransferase (COMT), die Histamin-N-Methyltransferase, die Nicotinamid-N-Methyltransferase und die ThiopurinS-methyltransferase. Als „aktiviertes“ Cosubstrat für die Methylierungsreaktionen fungiert S-Adenosylmethionin (SAM). Für den Fremdstoffmetabolismus ist die Methylierungsreaktion in quantitativer Hinsicht zumeist nur von untergeordneter Bedeutung. Durch Maskierung von funktionellen Gruppen wird eine Konjugation durch andere Phase-II Enzyme und damit eine Exkretion eher verhindert. Die O-Methylierung von Phenolen und Catecholgruppen katalysiert die COMT, Substrate sind hauptsächlich Neurotransmitter wie z.B. Dopamin und Noradrenalin (Abbildung 14). Es existieren sowohl zytosolische als auch membrangebundene Formen der COMT. Dieses Enzym besitzt durch die Verringerung der Dopamin-Konzentration im ZNS eine wichtige Bedeutung bei Morbus Parkinson. Pharmakologische Inhibitoren dieses Enzyms sind z.B. Entacapon und Tolcapon, die bei dieser Erkrankung eingesetzt werden. Bei der Therapie mit Thiopurinen ist von klinischer Bedeutung, dass bei ca. 0,5% der Bevölkerung die Thiopurinmethyltransferaseaktivität nicht vorhanden ist, bei 10% der Bevölkerung ist diese herabgesetzt. Diese genetische Varianten können bei Standarddosierung zu schweren Pancytopenien führen. Zusammenfassung 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. Wichtige Enzyme der Phase I sind: Cytochrom-P450abhängige Monooxygenasen, Flavin-abhängige Monooxygenasen, Monoaminoxidasen, Cyclooxygenasen, Alkoholdehydrogenasen, aber auch Esterasen und Epoxidhydrolasen. Die Fremdstoffe können danach in der Phase II des Fremdstoffmetabolismus mit hydrophilen Substanzen konjugiert und ausgeschieden werden. Aktivitäten der Enzyme des Fremdstoffmetabolismus unterliegen interindividuellen Variationen, welche durch genetische Varianzen bedingt sind (Polymorphismen). Neben einer Entgiftung kann der Fremdstoffmetabolismus auch zu einer ‚Giftung’ von Fremdstoffen führen. 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Er ist Fachtoxikologe der Deutschen Gesellschaft für Pharmakologie und Toxikologie, Gutachter für verschiedene internationale Fachzeitschriften und in nationalen Gremien (BfR-Kommission 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. Im Jahre 2009 bekam sie einen Ruf als W2-Professorin für Dermatotoxikologie an die RWTH Aachen. Ihre Forschungsschwerpunkte liegen beim Fremdstoffmetabolismus der Haut, 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 13 Fortbildungs-Fragebogen 9/2010 Faxnummer: 02 08 / 6 20 57 41 Mit dem Apotheken Magazin Fortbildungspunkte sammeln Das Apotheken Magazin veröffentlicht in jeder Ausgabe einen speziellen Fortbildungsartikel und einen dazu gehörigen Fortbildungsfragebogen, für dessen richtige Ausfüllung und Einsendung jeder Einsender einen von der Bundesapothekerkammer Berlin akkreditierten Fortbildungspunkt erhalten kann. Zusätzlich sind im gesamten Heft Beiträge enthalten, die als Fortbildungsbeiträge gekennzeichnet sind. Zur Gesamtheit dieser Beiträge gibt es einen weiteren Fragebogen, den Sie als Abonnent des Apotheken Magazins ebenfalls an den Verlag faxen und für den Sie einen weiteren Fortbildungspunkt erhalten können. Pro Frage auf beiden Fragebögen ist stets nur eine Antwort richtig. Die Lösungen werden Ihnen zusammen mit dem Fortbildungspunkt mitgeteilt. Wenn Sie in jeder Ausgabe des Heftes beide Fortbildungsfragebögen bearbeiten, können Sie sich übers Jahr insgesamt 20 Fortbildungspunkte aus der Kategorie „Bearbeiten von Lektionen“ (rezertifiziert durch die Bundesapothekerkammer, Veranstaltungs-Nr.: BAK 2010/042) sichern. Bitte tragen Sie unbedingt Ihre Postanschrift und Ihre Telefon-Nummer (für evtl. Rückfragen) lesbar in die Fragebögen ein! Die Faxnummer lautet: 02 08 / 6 20 57 41. 1. Welche der folgenden Aussagen zur UDP-Glucuronosyltransferasen ist nicht zutreffend? A) Die UGT kann O- und N-Heteroatome, jedoch nicht S-Heteroatome mit Glucuronsäure koppeln B) Die UGT benötigt als Kosubstrat aktivierte Glucuronsäure C) Die UGT konkurriert mit der SULT um die Substrate D) Morphin ist ein Substrat für die UGT E) Bei O-Glucuroniden unterscheidet man Ester- und Ethertyp 2. Welches der folgenden fremdstoffmetabolisierenden Enzyme ist kein Phase-II-Enzym? A) Glutathion-S-Transferase B) Epoxid-Hydrolase C) N-Acetyltransferase D) Sulfotransferase E) UDP-Glucuronyltransferasen 3. Welche der folgenden Aussagen zur Konjugation von Fremdstoffen mit Glutathion ist nicht zutreffend? A) Das Endprodukt des Konjugationsvorgangs sind Mercaptursäurekonjugate, die renal ausgeschieden werden können B) Einige Glutathion-S-Transferasen weisen beim Menschen einen genetischen Polymorphismus auf C) Die Konjugation mit Glutathion stellt einen Entgiftungsmechanismus für reaktive Metaboliten des Paracetamols dar (NAPQI) D) Eine Konjugation mit Glutathion stellt immer eine Entgiftung dar E) Glutathion besteht aus drei Aminosäuren 4. Welche der Aussagen zur Sulfotransferasen ist nicht zutreffend? A) Die SULT benötigt als Kosubstrat PAPS (aktiviertes Sulfat) B) Die SULT konkurriert mit der GST um die Substrate C) Der Kofaktor für die SULT wird aus Sulfat und ATP gebildet D) Bei hohen Konzentrationen kann sich die Kapazität der Sulfotransferasen erschöpfen E) Die molare Masse der metabolisierten Substanz wird durch Sulfatierung um 80 erhöht 5. Welche der Aussagen zur N-Acetyltransferasen ist nicht zutreffend? A) Von der NAT existieren 2 Isoenzyme (NAT 1 und NAT2) B) Isoniazid ist ein präferentielles Substrat für die NAT2 C) Die NAT benötigt als Kosubstrat AcetylCoA D) Sulfamethoxazol ist ein präferentielles Substrat für die NAT1 E) N-Acetylierung ist ein wichtiger Weg im Stoffwechsel von Epoxiden 6. Welche der Aussagen zur Methyltransferasen ist nicht zutreffend? A) Methyltransferasen benötigen als aktiviertes Cosubstrat S-Adenosylmethionin (SAM) Berufsbezeichnung: Apotheker/in B) L-DOPA wird durch die Catechol-O-Methyltransferase (COMT) methyliert C) Durch Methylierung können funktionelle Gruppen maskiert werden D) Neben organischen Substanzen können auch Metalle methyliert werden E) C-Methylierung ist die bevorzugte Form der Methylierung 7. Welche Aussage über den Fremdstoffmetabolismus ist falsch? A) GST, UGT und SULT sind Phase II-Enzyme B) Neben der Leber können auch andere Organe wie Haut und Darm Fremdstoffe metabolisieren C) Unterschiede im Fremdstoffmetabolismus können einen bedeutenden Parameter für die Toxizität bestimmter Xenobiotika darstellen D) Durch fremdstoffmetabolisierende Enzyme der Phase II (= Konjugation) wird die Polarität der Xenobiotika immer erhöht E) CYP, COX und FMO sind Phase I-Enzyme 8. Welche Aussage über eine Vergiftung mit dem Analgetikum Paracetamol ist nicht richtig? A) Ein Leberschaden kann schon bei der zwanzigfachen Überschreitung der analgetischen Einzeldosis zustande kommen. B) Der Leberschaden kommt durch einen reaktiven Metaboliten zustande (N-Acetyl-p-Benzochinonimin) C) Personen mit einem niedrigen Glutathiongehalt in der Leber (z.B. durch Unterernährung) sind besonders empfindlich gegenüber der hepatotoxischen Wirkung von Paracetamol D) Chronische Alkoholiker sind gegenüber der toxischen Wirkung von Paracetamol geschützt E) Antidot bei einer Paracetamolvergiftung ist N-Acetylcystein 9. Welche Zuordnung Phase II-Enzym-Kosubstrat ist nicht richtig? A) UDP-Glucuronosyltransferase : UDPGA B) Glutathion-S-Transferase : Methionin C) Methyltransferase : SAM D) Sulfotransferasen : PAPS E) NAT : AcetylCoA 10. Welche der Aussagen zur Glutathion-S-Transferasen ist nicht zutreffend? A) Zytosolische GSTs sind dimere Enzyme B) Konjugation mit GSH stellt den ersten Schritt der metabolischen Aktivierung bestimmter halogenierter Alkane dar C) Durch die GST kann ein reaktives Episulfoniumion gebildet werden D) GST vermittelt die NO-Freisetzung aus Trinitroglycerol E) Substrate für die GST besitzen ein nukleophiles Zentrum PTA Ja, ich möchte das Apotheken-Magazin für 25,– Euro regelmäßig erhalten! BITTE UNBEDINGT IHRE KONTAKTDATEN HIER EINTRAGEN! Name: ______________________________________________________ Straße: ______________________________________________________ Bitte ankreuzen PLZ/Ort: ______________________________________________________ Lösen Sie – exklusiv für Abonnenten – den ABO-Fragebogen in dieser Ausgabe und Sie erhalten einen zusätzlichen Fortbildungspunkt! Fax-Nr.: ______________________________________________________ Ich abonniere das Apotheken-Magazin zum Jahresvorzugspreis von 25,– EUR (10 Ausgaben inkl. MwSt. und Versand, Inland). 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