Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Метаболизм Drug является метаболическим распадом из наркотиков живых организмов , как правило , через специализированные ферментные системы. В более общем смысле, метаболизм ксенобиотиков (от греческого xenos «незнакомец» и биотический «связанный с живыми существами») - это набор метаболических путей, которые изменяют химическую структуру ксенобиотиков , которые являются соединениями, чужеродными для нормальной биохимии организма, такими как любое лекарство. или яд . Эти пути представляют собой форму биотрансформации.присутствуют во всех основных группах организмов и считаются имеющими древнее происхождение. Эти реакции часто приводят к детоксикации ядовитых соединений (хотя в некоторых случаях промежуточные продукты метаболизма ксенобиотиков могут сами вызывать токсические эффекты). Исследование метаболизма лекарств называется фармакокинетикой .

Метаболизм фармацевтических препаратов - важный аспект фармакологии и медицины . Например, скорость метаболизма определяет продолжительность и интенсивность фармакологического действия лекарства. Метаболизм лекарственного средства также влияет множественную лекарственную устойчивость в инфекционных заболеваниях и в химиотерапии для рака , а также действия некоторых препаратов , как субстраты или ингибиторы ферментов , участвующих в метаболизме ксенобиотиков являются частой причиной опасных лекарственных взаимодействий . Эти пути также важны в науке об окружающей среде , поскольку метаболизм ксенобиотиковмикроорганизмы, определяющие, будет ли загрязнитель разрушаться во время биоремедиации или сохраняться в окружающей среде. Ферменты метаболизма ксенобиотиков, особенно S-трансферазы глутатиона , также важны в сельском хозяйстве, поскольку они могут вызывать устойчивость к пестицидам и гербицидам .

Метаболизм лекарства делится на три фазы. В фазе I ферменты, такие как оксидазы цитохрома P450, вводят реактивные или полярные группы в ксенобиотики. Затем эти модифицированные соединения конъюгируют с полярными соединениями в реакциях фазы II. Эти реакции катализируются ферментами трансферазы, такими как S-трансферазы глутатиона . Наконец, в фазе III конъюгированные ксенобиотики могут подвергаться дальнейшей обработке, прежде чем они будут распознаны переносчиками оттока и откачиваются из клеток. Метаболизм лекарств часто превращает липофильные соединения в гидрофильные продукты, которые легче выводятся из организма .

Барьеры проницаемости и детоксикация [ править ]

Точные соединения, которым подвергается организм, будут в значительной степени непредсказуемыми и могут значительно отличаться со временем; это основные характеристики токсического стресса ксенобиотиков. [1] Основная проблема, с которой сталкиваются системы детоксикации ксенобиотиков, заключается в том, что они должны быть способны удалить почти безграничное количество ксенобиотических соединений из сложной смеси химических веществ, участвующих в нормальном метаболизме . Решение, которое было разработано для решения этой проблемы, представляет собой элегантное сочетание физических барьеров и ферментативных систем с низкой специфичностью .

Все организмы используют клеточные мембраны в качестве гидрофобных барьеров проницаемости для контроля доступа к своей внутренней среде. Полярные соединения не могут диффундировать через эти клеточные мембраны , а поглощение полезных молекул опосредуется транспортными белками, которые специально отбирают субстраты из внеклеточной смеси. Это избирательное поглощение означает, что большинство гидрофильных молекул не могут проникать в клетки, поскольку они не распознаются какими-либо конкретными переносчиками. [2] В противоположность этому , диффузия гидрофобных соединений через эти барьеры нельзя управлять, а организмы, следовательно, не может исключить липидные -soluble ксенобиотиков с использованием мембранных барьеров.

Однако наличие барьера проницаемости означает, что организмы смогли развить системы детоксикации, которые используют гидрофобность, общую для проницаемых через мембраны ксенобиотиков. Таким образом, эти системы решают проблему специфичности, обладая такой широкой субстратной специфичностью, что они метаболизируют практически любое неполярное соединение. [1] Полезные метаболиты исключены, поскольку они полярны и обычно содержат одну или несколько заряженных групп.

Детоксикация реактивных побочных продуктов нормального метаболизма не может быть достигнута с помощью описанных выше систем, потому что эти виды происходят из нормальных клеточных компонентов и обычно имеют свои полярные характеристики. Однако, поскольку этих соединений немного, определенные ферменты могут распознавать и удалять их. Примерами таких специфических систем детоксикации являются система глиоксалазы , которая удаляет химически активный альдегид- метилглиоксаль [3], и различные антиоксидантные системы, устраняющие активные формы кислорода . [4]

Фазы детоксикации [ править ]

I и II фазы метаболизма липофильного ксенобиотика.

Метаболизм ксенобиотиков часто делится на три фазы: модификация, конъюгация и выведение. Эти реакции действуют согласованно, чтобы детоксифицировать ксенобиотики и удалить их из клеток.

Фаза I - модификация [ править ]

В фазе I различные ферменты действуют, вводя реактивные и полярные группы в свои субстраты. Одной из наиболее распространенных модификаций является гидроксилирование, катализируемое цитохром Р-450-зависимой системой оксидазы со смешанными функциями . Эти ферментные комплексы действуют, чтобы включить атом кислорода в неактивированные углеводороды, что может привести либо к введению гидроксильных групп, либо к N-, O- и S-деалкилированию субстратов. [5] Механизм реакции оксидаз P-450 протекает через восстановление кислорода, связанного с цитохромом, и образование высокореактивных форм оксиферрила в соответствии со следующей схемой: [6]

O 2 + НАДФН + H + + RH → НАДФ + + H 2 O + ROH

Реакции фазы I (также называемые несинтетическими реакциями) могут происходить путем окисления , восстановления , гидролиза , циклизации , дециклизации и добавления кислорода или удаления водорода, которые осуществляются оксидазами со смешанными функциями, часто в печени. В этих окислительных реакциях обычно участвуют монооксигеназа цитохрома P450 (часто сокращенно CYP), НАДФН и кислород. Классы фармацевтических препаратов, которые используют этот метод для метаболизма, включают фенотиазины , парацетамол., и стероиды. Если метаболиты реакции фазы I достаточно полярны, они могут легко выводиться из организма в этот момент. Однако многие продукты фазы I не удаляются быстро и подвергаются последующей реакции, в которой эндогенный субстрат объединяется с вновь включенной функциональной группой с образованием высокополярного конъюгата .

Обычное окисление фазы I включает превращение связи CH в C-OH. Эта реакция иногда превращает фармакологически неактивное соединение ( пролекарство ) в фармакологически активное. Точно так же Фаза I может превратить нетоксичную молекулу в ядовитую ( отравление ). Простой гидролиз в желудке обычно является безобидной реакцией, однако бывают исключения. Например, метаболизм фазы I превращает ацетонитрил в HOCH 2 CN, который быстро диссоциирует на формальдегид и цианистый водород . [7]

Метаболизм фазы I кандидатов в лекарства можно смоделировать в лаборатории с использованием неферментных катализаторов. [8] Этот пример биомиметической реакции имеет тенденцию давать продукты, которые часто содержат метаболиты фазы I. Например, основной метаболит фармацевтического тримебутина , десметилтримебутин (нор-тримебутин), можно эффективно продуцировать путем окисления in vitro коммерчески доступного лекарственного средства. Гидроксилирование N-метильной группы приводит к вытеснению молекулы формальдегида , в то время как окисление O-метильных групп происходит в меньшей степени.

Окисление [ править ]

  • Система монооксигеназы цитохрома P450
  • Флавинсодержащая монооксигеназная система
  • Алкогольдегидрогеназа и альдегиддегидрогеназа
  • Моноаминоксидаза
  • Совместное окисление пероксидазами

Сокращение [ править ]

  • НАДФН-цитохром Р450 редуктаза

Редуктаза цитохрома P450, также известная как NADPH: оксидоредуктаза ферригемопротеина, NADPH: оксидоредуктаза гемопротеина, NADPH: оксидоредуктаза P450, редуктаза P450, POR, CPR, CYPOR, представляет собой мембраносвязанный фермент, необходимый для переноса электронов в цитохром P450. клетка из FAD- и FMN-содержащего фермента NADPH: цитохром P450 редуктаза Общая схема электронного потока в системе POR / P450: NADPH → FAD → FMN → P450 → O 2

  • Восстановленный (железный) цитохром P450

Во время реакций восстановления химическое вещество может вступать в бесполезный цикл , в котором оно приобретает электрон со свободным радикалом, а затем быстро теряет его в кислороде (с образованием супероксид-аниона ).

Гидролиз [ править ]

  • Эстеразы и амидазы
  • Эпоксид гидролаза

Фаза II - конъюгация [ редактировать ]

В последующих реакциях фазы II эти активированные метаболиты ксенобиотиков конъюгированы с заряженными частицами, такими как глутатион (GSH), сульфат , глицин или глюкуроновая кислота . Сайты на лекарствах, на которых происходят реакции конъюгации, включают карбокси (-COOH), гидрокси (-OH), амино (NH 2 ) и тиоловые (-SH) группы. Продукты реакций конъюгации имеют повышенную молекулярную массу и имеют тенденцию быть менее активными, чем их субстраты, в отличие от реакций фазы I, которые часто производят активные метаболиты . Добавление больших анионных групп (таких как GSH) детоксифицирует реактивныеэлектрофилов и продуцирует более полярные метаболиты, которые не могут диффундировать через мембраны и, следовательно, могут активно транспортироваться.

Эти реакции катализируются большой группой трансфераз с широкой специфичностью, которые в сочетании могут метаболизировать практически любое гидрофобное соединение, содержащее нуклеофильные или электрофильные группы. [1] Один из наиболее важных классов этой группы - S-трансферазы глутатиона (GST).

Фаза III - дальнейшая модификация и выведение [ править ]

После реакций фазы II ксенобиотические конъюгаты могут подвергаться дальнейшему метаболизму. Типичным примером является переработка конъюгатов глутатиона в конъюгаты ацетилцистеина (меркаптуровая кислота). [11] Здесь остатки γ-глутамата и глицина в молекуле глутатиона удаляются с помощью гамма-глутамилтранспептидазы и дипептидаз . На заключительном этапе остаток цистеина в конъюгате ацетилируется .

Конъюгаты и их метаболиты могут выделяться из клеток в фазе III их метаболизма, при этом анионные группы действуют как аффинные метки для различных мембранных транспортеров семейства белков множественной лекарственной устойчивости (MRP). [12] Эти белки являются членами семейства переносчиков АТФ-связывающих кассет и могут катализировать АТФ-зависимый транспорт огромного количества гидрофобных анионов, [13] и, таким образом, удаляют продукты фазы II во внеклеточную среду, где они может подвергаться дальнейшему метаболизму или выведению из организма. [14]

Эндогенные токсины [ править ]

Детоксикация эндогенных реактивных метаболитов, таких как пероксиды и реактивные альдегиды, часто не может быть достигнута с помощью системы, описанной выше. Это результат того, что эти виды произошли от нормальных клеточных компонентов и обычно обладают своими полярными характеристиками. Однако, поскольку этих соединений немного, ферментативные системы могут использовать специфическое молекулярное распознавание для их распознавания и удаления. Таким образом, сходство этих молекул с полезными метаболитами означает, что для метаболизма каждой группы эндогенных токсинов обычно требуются разные ферменты детоксикации. Примерами этих конкретных систем детоксикации являются система глиоксалазы , которая действует для удаления реактивного альдегида.метилглиоксаль и различные антиоксидантные системы, удаляющие активные формы кислорода .

Сайты [ править ]

Количественно гладкая эндоплазматическая сеть из печени клетки является основным органом метаболизма лекарственных средств, хотя каждая биологическая ткань имеет некоторую способность к метаболизму наркотиков. Факторы, ответственные за вклад печени в метаболизм лекарств, включают в себя то, что это большой орган, что это первый орган, перфузируемый химическими веществами, абсорбированными в кишечнике , и что существует очень высокая концентрация большинства ферментных систем, метаболизирующих лекарства, по сравнению с другими органами. Если лекарство попадает в желудочно-кишечный тракт, где оно попадает в печеночную циркуляцию через воротную вену , оно хорошо метаболизируется и, как говорят, проявляет эффект первого прохождения .

Другие сайты метаболизма лекарственного средства включают в эпителиальные клетки на желудочно - кишечном тракте , легкие , почки , и кожу . Эти участки обычно несут ответственность за локализованные токсические реакции.

Факторы, влияющие на метаболизм лекарств [ править ]

Продолжительность и интенсивность фармакологического действия большинства липофильных препаратов определяется скоростью их метаболизма до неактивных продуктов. Система монооксигеназы цитохрома P450 является наиболее важным путем в этом отношении. В общем, все, что увеличивает скорость метаболизма ( например , индукцию ферментов ) фармакологически активного метаболита, снижает продолжительность и интенсивность действия лекарства. Верно и обратное ( например , ингибирование ферментов). Однако в случаях, когда фермент отвечает за метаболизм пролекарства в лекарство, индукция фермента может ускорить это преобразование и повысить уровни лекарства, потенциально вызывая токсичность.

На метаболизм лекарств также могут влиять различные физиологические и патологические факторы. Физиологические факторы, которые могут влиять на метаболизм лекарства, включают возраст, индивидуальные особенности ( например , фармакогенетику ), энтерогепатическое кровообращение , питание , кишечную флору или половые различия .

В целом, лекарства метаболизируются медленнее у плода , новорожденного и пожилых людей и животных, чем у взрослых .

Генетическая изменчивость ( полиморфизм ) объясняет некоторую вариабельность действия лекарств. С N-ацетилтрансферазами (участвующими в реакциях фазы II ) индивидуальные вариации создают группу людей, которые ацетилируют медленно ( медленные ацетилирующие вещества ), а тех, кто ацетилирует быстро, в популяции Канады приходится примерно 50:50 . Это изменение может иметь драматические последствия, поскольку медленные ацетилиры более склонны к дозозависимой токсичности.

Ферменты монооксигеназной системы цитохрома P450 также могут различаться у разных людей, при этом дефицит наблюдается у 1–30% людей, в зависимости от их этнического происхождения.

Доза, частота, способ введения, тканевое распределение и связывание с белками препарата влияют на его метаболизм.

Патологические факторы также могут влиять на метаболизм лекарств, включая заболевания печени , почек или сердца .

Методы моделирования и симуляции in silico позволяют прогнозировать метаболизм лекарств в виртуальных популяциях пациентов до проведения клинических исследований на людях. [15] Это может быть использовано для выявления лиц, подвергающихся наибольшему риску побочных реакций.

История [ править ]

Исследования того, как люди трансформируют вещества, которые они принимают внутрь, начались в середине девятнадцатого века, когда химики обнаружили, что органические химические вещества, такие как бензальдегид, могут окисляться и соединяться с аминокислотами в организме человека. [16] В течение оставшейся части девятнадцатого века было обнаружено несколько других основных реакций детоксикации, таких как метилирование , ацетилирование и сульфирование .

В начале двадцатого века работа перешла к исследованию ферментов и путей, ответственных за производство этих метаболитов. Эта область стала отдельной областью исследований после публикации Ричардом Уильямсом книги « Механизмы детоксикации» в 1947 году. [17] Это современное биохимическое исследование привело к идентификации S- трансфераз глутатиона в 1961 году [18], за которым последовало открытие. цитохрома P450s в 1962 г. [19] и осознание их центральной роли в метаболизме ксенобиотиков в 1963 г. [20] [21]

См. Также [ править ]

  • Антиоксидант
  • Биоразложение
  • Биоремедиация
  • Микробное биоразложение

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Jakoby WB, Ziegler DM (декабрь 1990 г.). «Ферменты детоксикации» . J. Biol. Chem . 265 (34): 20715–8. PMID  2249981 .
  2. Перейти ↑ Mizuno N, Niwa T, Yotsumoto Y, Sugiyama Y (сентябрь 2003 г.). «Влияние исследований переносчиков лекарств на открытие и разработку лекарств». Pharmacol. Ред . 55 (3): 425–61. DOI : 10,1124 / pr.55.3.1 . PMID 12869659 . S2CID 724685 .  
  3. ^ Thornalley PJ (июль 1990). «Система глиоксалазы: новые разработки в направлении функциональной характеристики метаболического пути, лежащего в основе биологической жизни» . Биохим. Дж . 269 (1): 1–11. DOI : 10.1042 / bj2690001 . PMC 1131522 . PMID 2198020 .  
  4. ^ Sies H (март 1997). «Окислительный стресс: оксиданты и антиоксиданты» (PDF) . Exp. Physiol . 82 (2): 291–5. DOI : 10.1113 / expphysiol.1997.sp004024 . PMID 9129943 . Архивировано из оригинального (PDF) 25 марта 2009 года . Проверено 29 декабря 2012 .  
  5. ^ Guengerich FP (июнь 2001). «Общие и необычные реакции цитохрома P450, связанные с метаболизмом и химической токсичностью». Chem. Res. Toxicol . 14 (6): 611–50. DOI : 10.1021 / tx0002583 . PMID 11409933 . 
  6. ^ Schlichting I, Berendzen J, K Чу, со AM, Maves SA, Бенсон DE, Сладкие RM, Ринге D, Petsko Г.А., Sligar SG (март 2000). «Каталитический путь цитохрома p450cam при атомном разрешении». Наука . 287 (5458): 1615–22. Bibcode : 2000Sci ... 287.1615S . DOI : 10.1126 / science.287.5458.1615 . PMID 10698731 . 
  7. ^ "Ацетонитрил (EHC 154, 1993)" . www.inchem.org . Проверено 3 мая 2017 .
  8. ^ Akagah B, Lormier AT, Фурнье A, B Figadère (декабрь 2008). «Окисление противопаразитарных 2-замещенных хинолинов с использованием металлопорфириновых катализаторов: масштабирование биомиметической реакции для производства метаболитов кандидатов в лекарства». Орг. Biomol. Chem . 6 (24): 4494–7. DOI : 10.1039 / b815963g . PMID 19039354 . 
  9. ^ а б в г д Листон Х. Л., Марковиц Дж. С., ДеВейн С. Л. (октябрь 2001 г.). «Лекарственная глюкуронизация в клинической психофармакологии». J Clin Psychopharmacol . 21 (5): 500–15. DOI : 10.1097 / 00004714-200110000-00008 . PMID 11593076 . S2CID 6068811 .  
  10. ^ Badenhorst CP, ван дер Слуис R, Erasmus Е, ван Дейк AA (сентябрь 2013 года ). «Конъюгация глицина: важность в метаболизме, роль глицин-N-ацилтрансферазы и факторы, влияющие на индивидуальные различия». Экспертное заключение по метаболизму и токсикологии лекарств . 9 (9): 1139–1153. DOI : 10.1517 / 17425255.2013.796929 . PMID 23650932 . S2CID 23738007 .  Конъюгирование митохондриальных ацил-КоА с глицином, катализируемое глицин-N-ацилтрансферазой (GLYAT, EC 2.3.1.13), является важным метаболическим путем, ответственным за поддержание адекватных уровней свободного кофермента А (CoASH). Однако из-за небольшого числа фармацевтических препаратов, конъюгированных с глицином, этот путь еще не был подробно охарактеризован. Здесь мы рассматриваем причины и возможные последствия индивидуальной вариабельности пути конъюгации глицина. ...
    Рисунок 1. Конъюгация бензойной кислоты глицином. Путь конъюгации глицина состоит из двух этапов. Первый бензоат связывается с CoASH с образованием высокоэнергетического тиоэфира бензоил-CoA. Эта реакция катализируется кислотами HXM-A и HXM-B со средней длиной цепи: лигазами CoA и требует энергии в виде АТФ. ... Бензоил-КоА затем конъюгируется с глицином с помощью GLYAT с образованием гиппуровой кислоты, высвобождая CoASH. В дополнение к факторам, перечисленным в рамках, уровни АТФ, CoASH и глицина могут влиять на общую скорость пути конъюгации глицина.
  11. ^ Boyland E, Chasseaud LF (1969). «Роль глутатиона и S-трансфераз глутатиона в биосинтезе меркаптуровой кислоты». Adv. Энзимол. Relat. Районы Мол. Биол . Достижения в энзимологии и смежных областях молекулярной биологии. 32 : 173–219. DOI : 10.1002 / 9780470122778.ch5 . ISBN 9780470122778. PMID  4892500 .
  12. ^ Homolya L, Váradi A, B Sarkadi (2003). «Белки, связанные с множественной лекарственной устойчивостью: насосы для экспорта конъюгатов с глутатионом, глюкуронатом или сульфатом». БиоФакторы . 17 (1–4): 103–14. DOI : 10.1002 / biof.5520170111 . PMID 12897433 . S2CID 7744924 .  
  13. König J, Nies AT, Cui Y, Leier I, Keppler D (декабрь 1999 г.). «Конъюгированные экспортные насосы семейства белков множественной лекарственной устойчивости (MRP): локализация, субстратная специфичность и MRP2-опосредованная лекарственная устойчивость». Биохим. Биофиз. Acta . 1461 (2): 377–94. DOI : 10.1016 / S0005-2736 (99) 00169-8 . PMID 10581368 . 
  14. ^ Командор JN, Stijntjes GJ, Vermeulen NP (июнь 1995). «Ферменты и транспортные системы, участвующие в образовании и расположении S-конъюгатов глутатиона. Роль в механизмах биоактивации и детоксикации ксенобиотиков». Pharmacol. Ред . 47 (2): 271–330. PMID 7568330 . 
  15. ^ Rostami-Hodjegan A, Tucker GT (февраль 2007). «Моделирование и прогнозирование метаболизма лекарств in vivo в человеческих популяциях на основе данных in vitro ». Nat Rev Drug Discov . 6 (2): 140–8. DOI : 10.1038 / nrd2173 . PMID 17268485 . S2CID 205476485 .  
  16. ^ Murphy PJ (июнь 2001). «Метаболизм ксенобиотиков: взгляд из прошлого в будущее» . Drug Metab. Dispos . 29 (6): 779–80. PMID 11353742 . 
  17. ^ Neuberger A, Smith RL (1983). «Ричард Теквин Уильямс: человек, его работа, его влияние». Drug Metab. Ред . 14 (3): 559–607. DOI : 10.3109 / 03602538308991399 . PMID 6347595 . 
  18. ^ Бут Дж, Boyland Е, Р Симс (июнь 1961). «Фермент из печени крысы, катализирующий конъюгацию с глутатионом» . Биохим. Дж . 79 (3): 516–24. DOI : 10.1042 / bj0790516 . PMC 1205680 . PMID 16748905 .  
  19. Перейти ↑ Omura T, Sato R (апрель 1962 г.). «Новый цитохром в микросомах печени» . J. Biol. Chem . 237 : 1375–6. PMID 14482007 . 
  20. ^ Estabrook RW (декабрь 2003). «Страсть к P450 (воспоминания о ранней истории исследований цитохрома P450)». Drug Metab. Dispos . 31 (12): 1461–73. DOI : 10,1124 / dmd.31.12.1461 . PMID 14625342 . 
  21. ^ Эстабрук RW, Купер DY, Розенталь О (1963). «Легкое обратимое ингибирование оксидом углерода стероидной C-21 гидроксилазной системы в коре надпочечников». Biochem Z . 338 : 741–55. PMID 14087340 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Парвез Х., Рейсс С. (2001). Молекулярные ответы на ксенобиотики . Эльзевир. ISBN 0-345-42277-5.
  • Иоаннидес С (2001). Ферментные системы, метаболизирующие лекарства и другие ксенобиотики . Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-89466-4.
  • Ричардсон М (1996). Экологические ксенобиотики . ISBN Taylor & Francis Ltd. 0-7484-0399-X.
  • Иоаннидес С (1996). Цитохромы P450: метаболические и токсикологические аспекты . CRC Press Inc. ISBN 0-8493-9224-1.
  • Авасти YC (2006). Токсикология S-трансферов глутатионина . CRC Press Inc. ISBN 0-8493-2983-3.

Внешние ссылки [ править ]

  • Базы данных
    • База данных метаболизма лекарств
    • Каталог систем, содержащих P450
    • База данных биокатализа / биодеградации Университета Миннесоты
    • SPORCalc
  • Метаболизм лекарств
    • Метаболизм лекарств с малыми молекулами
    • Портал метаболизма лекарств
  • Микробное биоразложение
    • Микробное биоразложение, биоремедиация и биотрансформация
  • История
    • История метаболизма ксенобиотиков на Wayback Machine (архивировано 13 июля 2007 г.)