Biotransformation

Biotransformation is the transformation of the chemical structure of a substance by the action of a living organism. It is catalysed by [[enzymes]. The biological activity of a given substance can be reduced, unchanged or increased by biotransformation. An increase in biological activity can be therapeutically positive (e.g. the activation of a prodrug), or negative (e.g. the formation of a toxic metabolite).

Effect of polarity and ionisability of substances

 * Hydrophilic, polar or ionisable substances are largely excreted by the kidneys in their original form.
 * Lipophilic substances undergo extensive metabolism:
 * 1) They are reabsorbed from the renal glomerular filtrate into the blood and transformed into more polar metabolites so that these can be excreted in the urine.
 * 2) Lipophilic substances easily undergo enterohepatic metabolism and are partially excreted in the faeces.

400px|right

Biotransformation reactions and their classification
Usually, the biotransformation reaction is divided into two phases, named differently according to the personal preferences of the author of that publication. One possibility is the division into a non-synthetic phase and synthetic phase, which adequately and graphically describes the differences between these groups of biotransformation reactions. Alternatively, the first and second phase can be used to describe biotransformation, but the problem with this division is the fact that not every substance subject to biotransformation goes through both phases.

Phase I reaction, non-synthetic
Reakce I. fáze jsou reakce oxidační, v menší míře reakce redukční a hydrolytické. Během nesyntetické fáze dochází ke změnám v molekule transformované látky. Obvykle dochází ke vzniku funkčních skupin umožňujících následné zvýšení hydrofilnosti v syntetické fázi biotransformace. Biologická aktivita látky je obvykle snížena, ale může být i zvýšena (např. enalapril se aktivuje na enalaprilát, kodein se mění na morfin) nebo nezměněna (diazepam se mění na nordiazepam). V této fázi mohou vznikat i toxické metabolity (např. metabolity halotanu, paracetamolu, cyklofosfamidu). Nejčastěji probíhají oxidace, méně často redukce nebo hydrolytické reakce.

Přehled enzymatických systémů podílejících se na nesyntetické fázi:
 * oxidační systém rodiny cytochromu P450,
 * značí se CYP (rodina)(podrodina)(izoenzym), např. CYP 3A4; popisuje se 17 rodin,
 * většina léčiv je metabolizována systémy CYP 3A4 a CYP 2D6,
 * mikrozomální oxidační systém,
 * mitochondriální aminooxidázy,
 * cytoplazmatická alkohol- a aldehyddehydrogenáza,
 * xantinoxidáza,
 * peroxidázy,
 * reduktázy (endoplazmatické retikulum i cytoplazma),
 * hydrolázy (např. plazmatické esterázy).

Phase II reaction, synthetic
V této fázi biotransformace vznikají zpravidla neaktivní hydrofilní sloučeniny, které mohou být bez obtíží vyloučeny močí. Podstatou této fáze je připojení hydrofilní funkční skupiny k původní látce. Podle charakteru látky a zejména atakované skupiny může proběhnout několik reakcí:
 * glukuronidace – konjugace ‑COOH nebo ‑OH skupiny s kyselinou glukuronovou,
 * acetylace – izoniazid, sulfonamidy, anilinové deriváty,
 * polymorfismus v acetyláze činí problematickou léčbu tuberkulózy izoniazidem
 * konjugace s glycinem – kys. acetylsalicylová, kys. nikotinová,
 * konjugace s glutathionem – epoxidy, nitrosloučeniny, kys. etakrynová,
 * tvorba éterických sulfátů – minoritní dráha fenolických sloučenin.

Induction of enzymatic activity
Zvýšení aktivity biotransformačních enzymů, působením xenobiotika. Slouží jako ochrana organismu před chemickým stresem. Závisí na dávce induktoru. Indukovat lze zejména CYP oxidázy, tento jev může být podkladem farmakologické tolerance.

Fenobarbitalový typ indukce Zvyšuje se zejména aktivita CYP 2B1, 2B2, 3A1, 3A4 a podrodiny 2C. Je zvyšován metabolismus fenobarbitalu (autoindukce) a dalších látek (heteroindukce), např. tolbutamidu, kortizolu a kumarinu. Obvykle stoupá i hmota jater.

Benzpyrenový typ indukce Zvyšuje se aktivita CYP 1A1, 1A2, glutathiontransferázy, ALA‑syntázy a jiných enzymů. Kromě benzpyrenu se zvyšuje i metabolismus např. 3-metylcholanterenu. Hmota jater stoupá jen nepatrně.

Neindukovatelné enzymy Některé enzymy nelze indukovat. Patří mezi ně např. CYP 2D6.

Inhibition of enzyme activity
Snížení aktivity biotransformačních enzymů v důsledku jejich interakce s xenobiotikem. může dojít až k jejich úplné deaktivaci. Projevy intoxikace se mohou objevit již několik hodin po podání látky. Kompetitivně inhibují např. fluorochinolony CYP 3A4, chinidin heteroblokuje CYP 2D6 a cimetidin a ketokonazol mohou blokovat více enzymů ireverzibilní vazbou na hemové železo. Někdy se blokády enzymů i využívá, např. blokáda xantinoxidázy allopurinolem v terapii dny nebo blokáda aldehyddehydrogenázy disulfiramem jako součást terapie závislosti na alkoholu.

Classification of enzymes according to the IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology)
Biotransformační reakce xenobiotik jsou katalyzovány různými enzymy. Nejdůležitější je oxidace na enzymatickém systému P45O. Jsou popsány stovky různých enzymů v různých živočišných i rostlinných druzích.

Enzymatic catalysis of phase I biotransformations
400px|right
 * Nejdůležitější enzymy katalyzující reakce 1. fáze představují hemoproteiny vykazující charakteristické maximum při 450 nm – cytochrom P450 – odpovídá za oxidaci asi 75 % léčiv.
 * Cytochrom P450, smíšený enzymový systém oxidázový, je lokalizován na membránách endoplazmatického retikula, mitochondrií či jádra, tj, na membránách mikrosomů – mikrozomální enzymy. Existují jako izoenzymy s různou sekvencí aminokyselin a s rozdílnou substrátovou specificitou.
 * volně rozpustné enzymy – lysoenzymy


 * tři hlavní genetické rodiny metabolizující léčiva v játrech jsou: CYP 1, CYP 2, CYP 3
 * desítky izoenzymů P450: např. CYP1A1, CYP1A2, CYP2C9…
 * specificita metabolismu – důležité subtypy P450 a příklady substrátů


 * některá xenobiotika vyvolávají zvýšenou enzymatickou aktivitu – indukci
 * jiná xenobiotika naopak enzymatickou aktivitu tlumí – inhibují. např. chronický abuzus ethanolu vede k indukci CYP2E1 – rychlejší metabolismus léčiv
 * P450 a biologická variabilita u živočichů – význam výběru experimentálních zvířat pro testování toxicity nových léčiv pro humánní užití.
 * interindividuální variabilita uvnitř druhu – genetický polymorfismus enzymů – rychlí a pomalí metabolizátoři – potenciální vznik nežádoucích účinků
 * proměnlivost množství enzymu ve tkáních v průběhu života jedince


 * některé biotransformační reakce jsou na systému P450 nezávislé:
 * oxidativní deaminace řady nox (amfetamin) vyžaduje monoaminooxidázy (MAO); nachází se uvnitř buněk vázané na povrch mitochondrií, v ER, v nervových zakončeních, v játrech, ve střevním epitelu
 * ethanol je metabolizován rozpustným cytoplazmatickým enzymem alkoholdehydrogenázou vedle mikrosomální oxidázy CYP2E1
 * plazmatické esterázy způsobují hydrolýzu nox, jako jsou např. prokain či kokain. Nacházejí se v cytoplazmě v mnohých tkáních, v mikroflóře GI traktu.

Biotransformation of phase II reaction

 * reakce II. fáze – syntetické, konjugace nox či metabolitů s endogenními substráty – produkce velmi polárních metabolitů, schopných eliminace
 * endogenní substráty : glycin, glutathion, kyselina glukuronová, kyselina octová, kyselina sírová
 * konjugační enzymy:
 * glukuronidace – glukuronosyltransferáza (glukuronyltransferáza) – enzym lokalizován v ER v blízkosti systému cytochromu P450
 * sulfatace – sulfotransferáza
 * glutathion-S-transferáza
 * N-acetyltransferáza (cytozolový enzym v různých tkáních)
 * methyltransferázy – přenos methylu z S-adenosylmethioninu na vhodný substrát

Oxidation of alcohols
400px|

Ethyl alcohol
Kinetika: rychlost vstřebávání > rychlost eliminace Eliminace kinetika 0. řádu, lineární kinetika
 * hydrofilní látka, snadné vstřebávání (žaludek, střevo)
 * rozpustnost v tucích – narkotické účinky
 * individuální projevy (muži, ženy), abstinenti – chroničtí alkoholici – adaptace CNS, tolerance
 * chronická toxicita – postižení CNS, srdce, játra, ledviny – poškození hepatocytů, zpomalená eliminace
 * endogenní tvorba bakteriální fermentací potravy ve střevě (tisíciny promile)
 * postmortální vznik alkoholu, hnilobné procesy

Metabolism

 * 2–10 % vstřebané dávky se vyloučí dechem a močí, většina se oxiduje v játrech – enzymy ADH (60–70 %), MEOS

Oxidation of unsaturated bonds
400px|

O-Dealkylation
400px|

N-Dealkylation
400px|

N-Oxidation
400px|

S-Oxidation
400px|

Oxidative desulfurization
400px|

Oxidative deamination
400px|

Reduction of aldehydes and ketones
400px|

Reduction of nitro groups
400px|

Hydrolysis of esters
400px|

Hydrolytic Cleavage Cycles
400px|

Scheme of biotransformation of chlorpromazine
400px|

Conjugation of morphine
400px|

Biotransformation of heroin, codeine
400px|

Biotransformation of cocaine
400px|

Biotransformation of methamphetamine
400px|

Biotransformation of benzodiazepines
400px|

Biotransformation of delta-9-THC
400px|

Kinetic aspects of biotransformation
400px|

Knowledge of biotransformation

 * vývoj a optimalizace toxikologické metody
 * interpretace toxikologických nálezů
 * poznání mechanismu působení xenobiotik pro účinnou léčbu chorob a intoxikací, omezení nežádoucích účinků léčiv
 * farmakokinetika i dynamika: individuální odchylky (genetický základ, zdravotní stav, věk, pohlaví)
 * účinky ovlivňuje dávka, frekvence dávek, způsob aplikace, kombinace nox (inhibice či indukce enzymů) aj.
 * neočekávané projevy – šokové, komatózní stavy
 * posouzení toxikologických nálezů, interpretace – komplexní hledisko s ohledem na okolnosti případu

Related Articles

 * Cytochrom P450
 * Osud xenobiotik v organismu
 * Toxicita, účinky nox