Kunskapsmål Biotransformation av xenobiotika Elvar Theodorsson Ureacykelns roll vid ammoniaknedbrytningen Biotransformationens fas 1- och fas 2- reaktioner (mikrosomala oxidationssystemet (cytokrom p450) och konjugeringsreaktioner) Alkohol- och paracetamolnedbrytningen som exempel Xenobiotika För kroppen främmande substanser som absorberas in i organismen och därför behöver utsöndras Den stora majoriteten är oskadliga Vissa är skadliga Vissa blir skadliga vid metabolism i organismen Biotransformation av läkemedel och av andra kemiska ämnen Kroppens omvandling av läkemedel och av andra exogena kemiska substanser kallas biotransformation Denna innebär som regel att lipofila ämnen blir mer hydrofila och att den biologiska aktiviteten för läkemedlen/molekylerna minskar eller upphör helt. Ökad vattenlöslighet innebär att molekylresterna lättare kan utsöndras via njurar och urinvägar Enzymsystemer som enbart tar hand om toxiska biprodukter av den normala metabolismen Urea syntetiserande enzymen tar hand om den ammoniak som frisätts vid deamineringen av aminosyror Katalas och peroxidas tar hand om det väteperoxid som bildas vid oxidativ metabolism Små mängder cyanid bildas vid normal metabolism och konverteras effektivt med enzymet rodenas till tiocyanat som bara har ca 1% av cyanidens toxisitet. Cyanid, antigen det bildas endogent genom oxidativ nedbrytning av nitriler eller kommer utifrån bryts ned på samma sätt Ureacykelns roll vid ammoniaknedbrytningen Ca 80% av allt utsöndrad kväve utsöndras i form av urea Urea bildas genom ornitincykeln=ureacykeln Ureacykelns ända funktion är att eliminera överskottet av ammonium-grupper Överskottet kommer i huvudsak från aminosyror i födan som inte används med det samma för proteinsyntes 1
Höga koncentrationer av ammoniak är toxiska för människor Ändrar jämvikten i reaktionen som katalyseras av glutamat dehydrogenas i riktning av nybildning av glutamat Leder till minskning av alfa-ketoglutarat Denna reaktion drivs ytterligare vidare genom att ammonium jonen inkorporeras i glutamat för att bilda glutamin. Alfa-ketoglutarat är en metabolit i citronsyracykeln, och brist på det leder till brist på ATP. Brist på ATP är mycket allvarligt för hjärnfunktionen. Biotransformationens fas 1- och fas 2-reaktion Fas 1 reaktioner: kallas de som ändrar själva läkemedlets molekyl t ex genom 1) hydroxylering, 2) oxidering, 3) reduktion eller 4) hydrolys. Fas 2 reaktioner kallas de reaktioner där konjugat bildas med ett läkemedel eller en läkemedelsmetabolit som bildas vid fas 2 reaktionerna; 1) konjugering med glukuronsyra, 2) konjugering med sulfat, 3) konjugering med glycin, 4) konjugering med taurin, 5) acetylering, 6) konjugering med glutation - merkaptursyra Leverns struktur och viktigaste funktioner Levern är ett av kroppens största solida organ med en vikt som motsvarar ca 3% av kroppsvikten eller cirka 1,5-2,5 kg hos vuxna Kroppens viktigaste metabola organ, använder ca 25% av kroppens energibehov och syntetiserar de viktigaste av blodets proteiner och hormonprekursorer (stort sätt alla andra än hemoglobin och immunoglobulinerna). Levern ansvarar för biotransformationen avgiftningen av främmande eller giftiga ämnen. 2
Cytokrom P450 (CYP) Finns i samtliga av kroppens alla celler förutom Erytrocyter Muskelceller Stort antal isoezymer Stor genetisk och omgivningsinducerad variation Leverns avgiftningsfunktioner Leverns avgiftningsfunktioner består i att ämnerna metaboliseras i levern ofta i flera steg till vattenlösliga föreningar som lättare utsöndras med urinen De ämnen som avgiftas är ämnen i omgivningen t ex läkemedel eller gifter endogena ämnen och metaboliter som hormoner och gallsyror. Ett exempel på endogena substanser är bilirubin som konjugeras med glukuronsyra. Detta komplex kan sedan elimineras via njurarna till skillnad från ickekonjugerat bilirubin. Leverns arkitektur Leverlobulus - centrum i centralvenen och ofta 5-6 kanter med portafälten i hörnen, bestående av 1) artär, 2) en gren av veva portae och 3) en gallgång, i bland finns det även 4) ett lymfkärl. Hos människan är leverlobuli inte helt tydligt avgränsbara som hos andra djur, men indelningen behålls ändå av praktiska skäl. Gränsen mellan parenkym och portafält kallas limiting plate. Leverns blodförsörgning är riklig Ca 1,1 liter kommer varje minut genom vena portae från mag-tarmkanalen och ca 0,35 liter från hjärtat genom arteria hepatica (totalt ca 1/3 del av hjärtminutvolymen). Det arteriella och venösa blodet rinner från lobulus periferi d v s från portafälten, blandar sig snabbt i sinusoiderna och rinner mot lobulus centrum och samlar sig i centralvenen. Lumen ökar successivt och blodets flödeshastighet avtar. Varje hepatocyt syrasätts i flera plan av en blandning av venöst-arteriellt blod. 3
Cytokrom P450 oxidationer Äger i första hand rum i levern Övriga celler i kroppen kan också men i mindre grad I fall man sätter leverns kapacitet till 100% Lungorna 10% Njuren 2% Tunntarmen 2%. Placenta Huden Nomenklatur för CYP- systemet De stora bokstäverna CYP visar att enzymet kommer från människor CYP x en arabisk siffra som visar isoform familjen CYP x X en stor bokstav som betecknar subfamiljen CYP x X x en arabisk siffra som betecknar den individuella genprodukten i subfamiljen Enzyminduktioner Tillförsel av läkemedel inducerar cytokrom P450- systemet (10-20 gånger) så att det ökar sin metaboliserande förmåga, inte bara för det inducerande läkemedlet utan också för andra läkemedel Här ligger ofta förklaringen till tidsberoende terapisvikt, toleransökning och interaktion mellan substanser och läkemedel Svårighet att ställa in patienter på perorala antikoagulantia Alkohol metaboliseras delvis via cytokrom P-450-systemet vilket gör att de behöver större doser sömnmedel Fas 1 reaktioner 4
Genetiska faktorer Succinylkolin metaboliseras bara hälften så snabbt hos personer med ärftlig brist på pseudokolinesteras Acetylering av isoniazid 50% av amerikanarna (svarta som vita) är långsamma acetylerare Långsam acetylering är ännu vanligare i Norden Hydroxylering av warafarin Omgivningsfaktorer Grillad mat inducerar CYP1A Grapefrukt hämmar CYP3A Tobaksrökning och alkohol inducerar cytokrom P450 5
Polymorfa P450 enzymer Ca 40% av alla cytokrom P450 enzymer är polymorfa Ökad metabolism Minskad metabolism Obefintlig metabolism Huvudorsaker till variationer i läkemedelsmetabolism Genetiska polymorfismer Induktion eller inhibering av läkemedelsmetaboliserande enzymer p.g.a. Behandling med andra läkemedel Omgivningsfaktorer Organismens fysiologiska status Sjukdomar Cytokrom P450 Viktigaste enzymsystemet som metaboliserar läkemedel Metaboliserar ca 60% av alla läkemedel som används i dagens sjukvård Konjugering med glukuronsyra Fas 2 reaktioner - konjugeringar Oxidering av C-6 i glukosmolekylen ger D- glukuronsyra. Denna metaboliska väg är en sidogren på glukoneogenesen, och avgreningen består av uridindifosfoglukos (UDP-glukos) som omvandlas till UDP-glukuronsyra I många djurslag, t ex råtta och hund omvandlas UDP-glukuronsyra vidare till askorbinsyra, men inte hos människan, apor och hos marsvin UDP-glukuronsyra används i hepatocyterna för att konjugera t ex bilirubin, en reaktion som katalyseras av enzymet UDP-glukuronyl transferas 6
Konjugering med sulfat Sulfat grupper överförs från fosfoadenosinfosfosulfat (PAPS) med enzymer som kallas sulfokinaser eller sulfotransferaser till substrat innehållande hydroxy- eller primära aminogrupper för att bilda eteriska sulfater respektive N-sulfater. Konjugering med acetylgrupper Reaktion där ett acetylradikal av acetyl koenzym A bildar en amidbindning med 1) kväveatomen i primära aminer, 2) aminosyror, 3) hydrasiner (R-NH- NH2) eller 4) sulfonamider Aktuella läkemedel: sulfapreparat, isoniazid, hydralasin, prokainamid Snabba och långsamma acetylerare: ca 50% av alla vita patienter som behandlas med isoniazid är sk långsamma acetylerare och får således höga plasmakoncentrationer efter en normal dos av läkemedlet. Konjugering med glycin Aminogruppen i glycin kan bilda peptidbindning med karbozylsyror som kan omvandlas till acetyl koenzym A. Reaktionen äger rum i levercellernas mitokondrier Typisk reaktion är konjugeringen av benzoesyra till att bilda hippursyra (benzyl glycin). Andra är nikotinsyra och salicylsyra. Enterohepatiska kretsloppet Läkemedel och andra substanser som konjugeras med glukuronsyra eller med svavelsyra får den uttalade egenskapen att vara joniserade (negativ laddning) vid fysiologiskt ph. Laddningen innebär att molekylerna har svårt att passera biologiska membran. De passerar från levercellerna till gallan och och med den till tarmen. Bakterier i tjocktarmen innehåller beta-glukorinidas som frigör ursprungsmolekylen som återresorberas från tarmen in i blodflödet. Denna återreabsorption leder till förnyad konjugering i levern och därmed är en cirkel i gång som håller dessa molekyler gående i en rundgång i kroppen. Enterohepatiska kretsloppet Läkemedel och andra substanser som konjugeras med glukuronsyra eller med svavelsyra får den uttalade egenskapen att vara joniserade (negativ laddning) vid fysiologiskt ph. Laddningen innebär att molekylerna har svårt att passera biologiska membran. De passerar från levercellerna till gallan och och med den till tarmen. Bakterier i tjocktarmen innehåller beta-glukorinidas som frigör ursprungsmolekylen som återresorberas från tarmen in i blodflödet. Denna återreabsorption leder till förnyad konjugering i levern och därmed är en cirkel i gång som håller dessa molekyler gående i en rundgång i kroppen. Alkoholmetabolismen 7
Alkoholmetabolismen De flesta av alkohol förorsakade förändringarna i levern är sekundära till alkoholmetabolismen Alkoholens patologiska verkningar i cellstrukturen och metabolismen är mångsidiga och den primära toxiska faktorn kan vara etanolen själv dess metaboliter acetaldehyd och acetat sekundära redoxförändringar i hepatocyternas ämnesomsättning Trots att etanolens metabolism, metaboliter och olika metaboliska vägar är välkända är den primära orsaken bakom celldöden ännu okänd. Etanolens elimination Etanol som energikalla Alkoholens eliminationshastighet är konstant 0-te ordningens kinetik Beror på kroppsstorleken, samt är större hos alkoholister och storkonsumenter än hos de som dricker måttligt Största delen av alkoholens elimination sker genom oxidation i levern (90-98%) Ca 5 % av alkoholen försvinner med urin, svett och utandning. Ju mer man har druckit desto större del av alkoholen försvinner ooxiderad. Yttre faktorer liksom idrott eller vila har ingen praktisk inverkan på alkoholens eliminationshastighet. När etanolen metaboliseras i levern till acetaldehyd och vidare till acetat frigörs en tredjedel av etanolmolekylenas energi. Acetatets oxidation i de perifera vävnaderna ger resten av energin. Alkohol är en effektiv energikälla, som vid oxidation frigör 29,8 Kj (7,1 kcal)/g alkohol. Finns det alkohol i blodet dygnet runt, får man dagligen ca 1200 extra kilokalorier. Alkoholister med en ökad etanoloxidationshastighet kan få ännu mera extrakalorier Alkoholkalorier är tomma kalorier, som vanligen inte innehåller proteiner, vitaminer och mineraler. 8
Redoxförändringens metabola effekter NADH/NAD-förhållandets ökning under etanolens oxidation den viktigaste händelsen i levercellernas metabolism. Det har många sekundära verkningar av klinisk betydelse Citronsyracykelns aktivitet minskar avsevärt. Till följd av detta sjunker koldioxidproduktionen i levern. Fettsyrorna, som oxideras i citronsyracykeln, utgör leverns normala energikälla. I närvaro av alkohol minskar fettsyrornas oxidation och detta är en av de patogenetiska mekanismerna bakom alkoholinducerad fettlever Redoxförändringens metabola effekter NADH/NAD-kvotens ökning hämmar produktionen av glukos via pyruvat och av oxalättiksyra ur aminosyror - glukoneogenesen minskar. Efter en lång fasta kan alkohol leda till en farlig hypoglykemi, som hos barn kan bli fatal Mjölksyreacidos giktanfall. Etanolens oxidation ökar både leverns och blodets mjölksyrekoncentration på grund av den etanolinducerade redoxförändringen. Levern försöker balansera NADH/NAD-förhållandet genom att bilda laktat ur pyruvat med hjälp av extra NADH. I närvaro av alkohol ackumuleras mjölksyra efter större anaerobt muskelarbete. Paracetamolförgiftning Paracetamolförgiftning Läkemedlen acetanilid, fenacetin och paracetamol visar liknande toxicitet. Acetanilid är mest toxiskt och paracetamol minst. Leverskada är den vanligaste och allvarligaste konsekvensen av en akut förgiftning. Så litet som 10 g av paracetamol kan förosaka centrilobulär levernekros och en 15 g dos har förosakad död. Paracetamolförgiftning Normalt är halveringstiden för paracetamol i plasma 2 timmar, men vid förgiftning förlängs halveringstiden till 8 timmar eller mer Symptomen kommer först efter 2-6 dagar i form av ikterus, koagulationsproblem, encefalopati och koma. Leverskadan sker som regel inom 1 timma, vilket motsvarar högsta plasmakoncentrationen av läkemedlet Detta betyder att leverskadan ofta har hunnit inträffa innan dialys eller annan behandling har påbörjats. Paracetamolförgiftning Leverskadan förosakas av en mycket reaktiv metabolit av paracetamol (N-acetyl-pbenzoquinon - toxisk epoxid - arenoxid - 3-10%) som binds till makromolekyler i levern Arenoxiden reagerar med cystein och glutation till en merkaptursyra som utsöndras genom njurarna. Toxiciteten uppträder om det bildas större mängder av metaboliten än det leverns glutation kan ta hand om. 9
Clinical Stages of Acetaminophen Toxicity Stage Time Following Ingestion Characteristics I 0.5 to 24 hr Anorexia, nausea, vomiting, malaise, pallor, diaphoresis II 24 to 48 hr Resolution of the above characteristics; right upper quadrant abdominal pain and tenderness; elevated bilirubin, prothrombin time, INR, hepatic transaminases, oliguria III 72 to 96 hr Peak liver function abnormalities; anorexia, nausea, vomiting, malaise may reappear; fulminant hepatic failure (FHF) with metabolic acidosis, INR >6, and renal dysfunction may be apparent IV 4 d to 2 wk Resolution of hepatic dysfunction in survivors. Oliguric renal failure can develop; death may occur in patients with FHF Modified from Linden CH, Rumack BH: Acetaminophen overdose. Emerg Med Clin North Am 1984; 2:103. 10