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.
El metabolismo de Xenobióticos
por los Organismos.
Reacciones de Fase I y de Fase II.
Teresa Donato
Centro de Investigación, Hospital La Fe
9 Xenobióticos y reacciones de biotransformación
9 Reacciones de Fase I
9 Reacciones de Fase II
9 Regulación del metabolismo de xenobióticos.
Influencia de factores exógenos y endógenos.
Inducción e inhibición.
9 Consecuencias clínicas.
9 Métodos de estudio del metabolismo de xenobióticos
1
Xenobióticos
Xenobióticos
Xenobióticos:
Xenobióticos: Características
Características químicas
químicas
• cadenas alquílicas • anillos aromáticos • halógenos
saturadas, insaturadas
Lipofílicos
• atraviesan con facilidad las membranas biológicas
• son excretados a baja velocidad
• se acumulan en compartimentos hidrofóbicos
2
Los
Los xenobióticos
xenobióticos en
en el
el organismo...
organismo...
acceden con relativa facilidad y son difícilmente
excretables
tienden a acumularse aumentado el riego de toxicidad
su eliminación requiere una transformación previa
en metabolitos más hidrosolubles y fácilmente
excretables
Las reacciones de biotransformación o
metabolización de xenobióticos...
...son los procesos enzimáticos a los que se ven
sometidos los xenobióticos en el organismo
tendentes, en general, a su eliminación y
neutralización
3
Reacciones
Reaccionesde
debiotransformación
biotransformación
FASE 1
Oxidaciones, reducciones o hidrólisis que
convierten los xenobióticos en metabolitos más
polares.
FASE 2
Conjugación de los xenobióticos, o sus
metabolitos, con moléculas endógenas polares.
Reacciones
Reaccionesde
debiotransformación
biotransformación
xenobiótico
Fase I
metabolito
polar
Fase II
conjugado
EXCRECIÓN
4
Los
Los enzimas
enzimas de
de biotransformación...
biotransformación...
¾ metabolizan compuestos químicos diferentes
¾ tienen baja especificidad de sustrato
¾ son inducibles por xenobióticos
Fase
Fase II del
del metabolismo
metabolismo de
de xenobióticos
xenobióticos
Oxidación
Citocromo P-450
Flavin monooxigenasa
Alcohol deshidrogenasa
Aldehido deshidrogenasa
Xantina oxidasa
Reducción
Hidrólisis
Hidratación
Isomerización
Citocromo P-450
Esterasas
Epóxido hidratasa
Isomerasas
5
Metabolización
Metabolización de
de xenobióticos
xenobióticos
intestino
piel pulmón
riñón
reducción hidrólisis
peroxidación
FMNoxidación
P450
Hígado
Tejidos de metabolización
Enzimas de fase I
Componentes
citocromo
P-450
Componentesdel
delsitema
sistema citocromo
P-450
Componentes
del
sitema
citocromo
P-450
NADPH
ee-
Citocromo
P450
reductasa
Fe
FMN
Citoplasma
FAD
P450
Citocromo
b5
Retículo endoplásmico
RH + O2 + NADPH+ H+
ROH + H2O + NADP+
6
Reacciones
Reacciones de
de oxidación
oxidación
monooxigenasa
RH + NADPH + O2 + H+
ROH + NADP+ + H2O
oxidasa
NADPH + O2 +
H+
NADP+ + H2O2
peroxidasa
RH + LOOH
ROH + LOH
Mecanismo
Mecanismo de
de catálisis
catálisis
Substrato H
OH Substrato
Fe3+
P450
OH Substrato
Substrato H
Fe3+
Fe3+
P450
P450
H Substrato FeO3+
e-
Substrato H
Fe2+
P450
P450
H2O
H Substrato
H+
FeOOH
P450
Substrato H
H+ e -
O2
Fe2+ O2
P450
7
Enzimas
Enzimas P450
P450 en
en el
el hombre
hombre
Familias
1
2
3
4
5
7
8
11
17
19
21
24
27
Subfamilias
1A1 1B1
1A2
3A4
3A5
3A7 4A11 4B1 4F2
4F3
3A43 4A20
21A2
11A1
11B1
11B2
2A6 2B6 2C8 2D6 2E1 2F1 2J2 2R1 2S1 2U1 2W1
2A7
2C9
2A13
2C10
2C18
2C19
Enzimas
Enzimas P450
P450 en
en el
el hombre
hombre
CYP3A4
CYP1A2
CYP3A4
CYP1A2
CYP2A6
CYPC9
CYP2A6
CYP2B6
CYP2C19
CYP2E1 CYP2D6
CYP2Cs
Abundancia relativa
en hígado
CYP2E1
CYP2D6
Metabolismo
de fármacos
8
Enzimas
Enzimas de
de Fase
Fase II
II
Enzima
Sustrato endógeno
UDP-glucuroniltransferasa
UDP-glucurónico
UDP-glucosiltransferasa
UDP-glucosa
Sulfotransferasa
3-Fosfoadenosin-5-fosfosulfato
Acetiltransferasa
Acetil-coenzima A
Metiltransferasa
S-adenosilmetionina (SAME)
Glutation S-transferasa
Glutation
N-aciltransferasa
Aminoácidos (gly, gln)
Conjugación
Conjugación con
con glucurónico
glucurónico
O
COOH
O
R-OH +
OH
HO
COOH
NH
O-P-O-P-O-CH2
O
OH OH OH
N
O
O
HO
UDP
OR
OH
OH
OH OH
R-OH + UDP-glucurónico
R-COOH + UDP-glucurónico
R-NH2 + UDP-glucurónico
R-SH + UDP-glucurónico
R-O-glucurónico + UDP
R-COO-glucurónico + UDP
R-NH-glucurónico + UDP
R-S-glucurónico + UDP
9
Conjugación
Conjugación con
con sulfato
sulfato
SO42- + ATP
adenosin-5-fosfosulfato (APS) + PPi
APS + ATP
3-fosfoadenosin-5-fosfosulfato (PAPS) +ADP
R-OH + PAPS
R-O-SO3H + PAP
R-N-H + PAPS
R’
R-N-SO3H + PAP
R’
Enzimas
Enzimas de
de Fase
Fase II
II
Enzima
Sustrato endógeno
UDP-glucuroniltransferasa
UDP-glucurónico
UDP-glucosiltransferasa
UDP-glucosa
Sulfotransferasa
3-Fosfoadenosin-5-fosfosultafo
Acetiltransferasa
Acetil-coenzima A
Metiltransferasa
S-adenosilmetionina (SAME)
Glutation S-transferasa
Glutation
N-aciltransferasa
Aminoácidos (gly, gln)
10
Conjugación
Conjugación con
con glutation
glutation
O
-C-C-
X-CR-
NO2-R-
C=C
epóxidos
haloalcanos
nitroalcanos
alquenos
X
γ-Glu-Cys(SH)-Gly + xenobiótico
NO2
compuestos halo
o nitroaromáticos
γ-Glu-Cys(S)-Gly
xenobiótico
Conjugados
Conjugados con
con glutation:
glutation: eliminación
eliminación
X
S
Glu-Cys-Gly
X
Glu
S
Cys-Gly
X
Gly
S
Cys-NH2
Acetil-CoA
Conjugado
con glutation
CoA
X
EXCRECIÓN
S
Cys-NH-CO-CH3
Ácido mercaptúrico
11
Sustratos
Sustratos endógenos
endógenos
Citocromo P-450
Reductasas
Oxidasas
Ac. grasos, esteroides, esteroles,
hormonas tiroideas, leucotrienos,
prostaglandinas, vitamina D
Esteroides
Xantina, neurotransmisores
UDP-glucuroniltransferasa
Sulfotransferasa
Acetiltransferasa
Metiltransferasa
Glutation S-transferasa
N-aciltransferasa
Esteroides, bilirrubina, catecolaminas
Esteroides, carbohidratos
Serotonina
Aminas biógenas
Esteroides, leucotrienos
Ac. biliares
9 Xenobióticos y reacciones de biotransformación
9 Reacciones de Fase I
9 Reacciones de Fase II
9 Regulación del metabolismo de xenobióticos.
Influencia de factores exógenos y endógenos.
Inducción e inhibición.
9 Consecuencias clínicas.
9 Métodos de estudio del metabolismo de xenobióticos
12
CYP3A4 ACTIVITY
(pmol/mg x min)
Variabilidad
Variabilidad interindividual
interindividual del
del P450
P450
4000
3000
2000
1000
0
1 17 25 8 7 26 5 10 4 9 2 16 21 19 23 18 31 3 20 14 27 24 28 29 30
LIVER DONOR
CYP2D6 ACTIVITY
(pmol/mg x min)
800
600
400
200
0
31 29 25 24 2 16 19 18 21 5 17 10 23 28 8 27 20 26 9 4 14 30 3 7 1
LIVER DONOR
Regulación
Regulación del
del metabolismo
metabolismo de
de fármacos
fármacos
Factores ambientales
fármacos, tabaco, alcohol,
polución, agentes químicos, dieta
Factores genéticos
Polimorfismos
Factores multigénicos
Errores congénitos
Factores endógenos
Edad, sexo
Estados hormonales
Tratamientos terapéuticos
Enfermedades hepáticas
Otras enfermedades
FENOTIPO INDIVIDUAL
13
Regulación
Regulación del
del P450
P450
succinil Co-A + glicina
POLIMORFISMOS
Polimorfismos
Gen-CYP
ALA sintetasa
ácido d-aminolevulínico
ALA deshidratasa
mRNA
Inductores
INDUCTORES
químicos
QUÍMICOS
Señales inflamatorias
Hormonas
Dieta, etc.
porfobilinógeno
PBG desaminasa
Porfirias
Co++, Pb++
Citocromo P450
apoproteína
protoporfirina IX
Fe
Ferroquelatasa
HEMO
CYP
Inhibidores
INHIBIDORES
Inductores
Inductores del
del citocromo
citocromo P450
P450
CYP
Inductor modelo
Otros inductores
1A2
3-Metilcolantreno
Hidrocarburos
aromáticos policíclicos
2B6
Fenobarbital
Pesticidas
2E1
Etanol
Isoniazida, disolventes
(acetona, benceno)
3A4
Dexametasona
Rifamipicina
Glucocorticoides
Antibióticos macrólidos
4A
Acido clofíbrico
Proliferadores de
peroxisomas (fibrato)
14
Mecanismos
Mecanismos de
de inducción
inducción
Metilcolantreno (CYP1A)
Fenobarbital (CYP2B)
Glucocorticoides (CYP3A)
Ac. clofíbrico (CYP4A)
Transcripción
hemo
Traducción
Estabilización
de mRNA
Estabilización
de proteína
Etanol (2E1)
TAO (3A)
Inducción
Inducción aa nivel
nivel transcripcional
transcripcional
Inductor
Receptor nuclear
CYP
Hidrocarburos
aromáticos
AhR
1A
Fenobarbital
CAR
2B6
Glucocorticoides
PXR
3A4
Proliferadores
de peroxisomas
PPAR
4A1
15
Receptores
Receptores nucleares
nucleares
Fenobarbital
(CYP2B)
Ac. clofíbrico
(CYP4A)
+
+
-
Glucocorticoides
(CYP3A)
HAP
(CYP1A)
+
+
Hsp90
RXR
PXR
RXR
PPAR
Arnt
AhR
CAR
+
RXR
+
AhR
+
-
Hsp90
PXR
+
+
AhR
PPAR
CAR
CAR
+
Promotor del CYP
Inhibición
Inhibición de
de la
la biotransformación
biotransformación
Inhibición de la
síntesis
de enzimas
Reducción del
nivel de enzimas
Destrucción
del enzima
Menor metabolización
Inhibición
competitiva o
no competitiva
Menor actividad
del enzima
Formación de
complejos
inactivos
16
Inhibidores
Inhibidores de
de enzimas
enzimas P450
P450
Inhibición competitiva
I I
I I
S
S
I
Inhibición por unión covalente
S
S S
I
S
S
S
S
I
I
Unión
covalente
Degradación
del enzima
S
Inhibición por sustratos suicidas
I I
S
S
S S
S
S S
S
S
I
I
Intermediario reactivo
Factores
Factores que
que regulan
regulan el
el P450
P450
Endógenos
especie
polimorfismo
sexo
edad
hormonas
patologías
Exógenos
nutrientes
xenobióticos
17
Metabolización
Metabolización de
de hexobarbital
hexobarbital
Tiempo (minutos)
400
350
tiempo de sueño
vida media
300
250
200
150
100
50
0
ratón
rata
perro
hombre
Oxifenbutazona
Oxifenbutazona
niveles plasmáticos
100
hombre
perro
10
1
1
6
11
16
21
26
horas
18
Conjugación
Conjugación de
de fenol
fenol
% de excreción total
120
100
glucurónido
sulfato
80
60
40
20
0
gato hombre rata conejo cerdo
Enzimas
Enzimas P450
P450 en
en hombre
hombre vs
vs rata
rata
CYP3A
CYP1A
CYP2A
CYP2B
CYP2E CYP2D
CYP3A
CYP1A
CYP2A
CYP2B
CYP2C
HOMBRE
CYP2C
RATA
19
Enzimas
Enzimas P450
P450 en
en diferentes
diferentes especies
especies
CYPs
1A
2A
2B
2C
2D
2E
3A
Hombre
1,2
6,7,13
6,7
8,9,18,19
6
1
3-5,7
Rata
Ratón
Conejo
Perro
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2,3
4,5,12
10,11
?
1-3,8,12 9,10,13
4,5
11
6,7,11-13
9,10 1-5,14-16 21
1-5,18
9-12
?
?
1
1
1,2
1
1,2,9,18 11,13,16
6
?
Factores
Factores que
que regulan
regulan el
el P450
P450
especie
polimorfismo
sexo
edad
hormonas
patologías
nutrientes
xenobióticos
20
Efectos
Efectos del
del etanol
etanol sobre
sobre el
el P450
P450
exposición
aguda
cirrosis
inhibición
inhibición
exposición
crónica
inducción
9 Xenobióticos y reacciones de biotransformación
9 Reacciones de Fase I
9 Reacciones de Fase II
9 Regulación del metabolismo de xenobióticos.
Influencia de factores exógenos y endógenos.
Inducción e inhibición.
9 Consecuencias clínicas.
9 Métodos de estudio del metabolismo de xenobióticos.
21
Variabilidad
Variabilidad metabólica:
metabólica: consecuencias
consecuencias
¾ Farmacocinéticas:
biodisponibilidad
vida media
¾ Farmacodinámicas:
ineficacia terapéutica
respuesta exagerada
¾ Efectos adversos
¾ Aparición de metabolitos tóxicos
Variabilidad
Variabilidad metabólica:
metabólica: consecuencias
consecuencias
Efecto tóxico
CYP
LENTO
Efecto terapéutico
CYP
NORMAL
Sin efecto
terapéutico
CYP
RAPIDO
22
Paracetamol:
PARACETAMOL activación/destoxificación
Paracetamol:
activación/destoxificación
NHCOCH3
NHCOCH3
Activación
CYP2E1
CYP3A4
CYP1A2
OH
Detoxificación
Fase II
NHCOCH3
Activación
+
O
macromoléculas
Nucleófilos
Macromoléculas O
Fase II
NHCOCH3
NHCOCH3
OH
Glucurónido
o sulfato
TOXICIDAD
S-glutation
EXCRECIÓN
Activación
Activación de
de pre-carcinógenos
pre-carcinógenos
ACTIVACIÓN DE PRE-CARCINÓGENOS
CYP
epóxido hidrolasa
OH
O
Benzo[a]pireno
Benzo[a]pireno-7,8-epóxido
OH
Benzo[a]pireno-7,8-diol
CYP
O
Benzo[a]pireno-7,8-diol-9,10-epóxido
OH
OH
23
Interacciones
Interacciones fármaco-fármaco
fármaco-fármaco de
de
origen
origen metabólico
metabólico
¾ Competición por el mismo enzima
¾ Inhibición enzimática
¾ Inducción de enzimas
Fármacos
Fármacos metabolizados
metabolizados por
por el
el CYP3A4
CYP3A4
Antidepresivos:
amitriptilina
imipramina
nofozodona
sertralina
Anconvulsivantes:
Anconvulsivantes:
carbamacepina
clonazepam
etoxisumida
zonisamida
Antibió
Antibióticos:
azitromicina
claritromicina
clindamicina
dapsona
eritromicina
rifampicina
AntiAnti-VIH:
indinavir
ritonavir
saquinavir
Analgé
Analgésicossicos-anesté
anestésicos:
alfentailina
Antifú
Antifúngicos:
ngicos:
etilmorfina
ketokonazol
fentanil
itraconazol
lidocaina
miconazol
Antihipertensivos:
Antihipertensivos
amlodipina
diltiazem
felodipinA
losartan
nircadipina
nifedipina
Psicotró
Psicotrópicos:
alprazolam
benzfetamina
clozapina
diazepam
midazolam
zolpiden
triazolam
Quinioterá
Quinioterápicos:
picos:
busulfan
ciclofosfamida
doxorubicina
etopósido
isofosfamida
paclitaxel
tamoxifen
tenipoxide
vinblastina
vincristina
Inmunosupresores:
Inmunosupresores:
ciclosporina
rapamicina
tacrolimus
24
Fármacos
Fármacos metabolizados
metabolizados por
por el
el CYP3A4
CYP3A4
Antiarrítmicos: Antihistamínicos:
amiodarona
astemizol
digoxina
ebastina
propafenona
loratidina
quinidina
mizolastina
verapamil
terfenadina
Antiulcerosos:
lasoprazol
omeprazol
Opiáceos:
codeína
morifina
Otros fármacos:
Sustratos endógenos:
alpidem
androstenediona
dextrometorfano cortisol
etinilestradiol
dehidroepiandrosterona
haloperidol
estradiol
metadona
progesterona
lovastatina
testosterona
Antiinflamatorios: ondansetron
aceteminofeno salmeterol
meloxicam
simvastatina
teofilina
terguride
warfarina
Inhibidores/inductores
Inhibidores/inductores de
de relevancia
relevancia clínica
clínica
CYP
Inhibidores
2D6
Antiarrítmicos: quinidina, amiodarona
Antidepresivos: fluoxetina, sertralina
paroxetina
3A4
Antifúngicos: ketokonazol, fluconazol
itraconazol, miconazol
Antibióticos macrólidos: eritromicina,
claritromicina, troleandromicina
Inhibidores proteasa VIH: ritonavir,
indinavir, amprenavir
Antidepresivos: fluvoxamina,
fluoxetina, nefodazona
Antiarrítmicos: amiodarona
Inductores
Antituberculosos: rifampin,
rifampicina, rifabutin
Anticonvulsivantes: fenitoina,
fenobarbital, carbamapecina
Glucocorticoides:
dexametasona
Hierba de San Juan
25
9 Xenobióticos y reacciones de biotransformación
9 Reacciones de Fase I
9 Reacciones de Fase II
9 Regulación del metabolismo de xenobióticos.
Influencia de factores exógenos y endógenos.
Inducción e inhibición.
9 Consecuencias clínicas.
9 Métodos de estudio del metabolismo de xenobióticos.
Estudios
Estudios de
de metabolización
metabolización de
de fármacos
fármacos
¾ Parámetros cinéticos: velocidad y grado de metabolización
grupos de población (polimorfismos,
edad, sexo)
¾ Patrón de metabolitos: metabolitos mayoritarios, tóxicos, etc
diferencias interespecie
¾ Interacciones:
inhibición del metabolismo
inducción de enzimas
¾ Estudios mecanísticos: identificación de enzimas implicados
estructura-función
estudios de regulación
26
Modelos
Modelos para
para estudios
estudios de
de metabolismo
metabolismo
¾ Ensayos clínicos
¾ Estudios in vivo
¾ Estudios in vitro
¾ Simulación por ordenador
Evaluación
Evaluación de
de la
la capacidad
capacidad metabolizadora
metabolizadora
¾ Métodos directos:
Monitorización del fármaco
(patologías, fármacos con índice
terapéutico bajo)
¾ Métodos indirectos: Fármacos modelo que evalúan
la capacidad metabolizadora
(inducción, polimorfismos)
“Cóctel” de sustratos modelo
Análisis de metabolitos en orina
Medida del aclaramiento plasmático
Tests respiratorios
27
14
Tests
Tests respiratorios:
respiratorios: 14C-aminopirina
C-aminopirina
14CH
H
3
CH3 -N
CH3 -N
CH3
N
N
CH3
CYP
CH3
+
N
N
H14CHO
NAD+
CH3
NADH
H14COOH
14CO
14C-aminopirina
2
Aire expirado
Fenotipación
Fenotipación de
de actividades
actividades P450
P450
Relación metabólica (sustrato/producto) o velocidad de
eliminación de fármacos modelo.
CYP
Sustrato
Reacción
1A2
Cafeína
N-Desmetilación
Orina, test respiratorio
Teofilina
2A6
Cumarina
7-Hidroxilación
Orina
Fenacetinas
2B6
2C9
Bupropion
Tolbutamida
Diclofenac
Fenitoína
S-Mefenitoína
Hidroxilación
Metilhidroxilación
4’-hidroxilación
4’-hidroxilación
4’-hidroxilación
Orina
Orina
Orina, sangre
Sangre
Orina
Debrisoquina
Dexatrometorfano
Clorzoxazona
Midazolam
Eritromicina
Nifedipina
6β-hidroxicortisol
4-hidroxilación
O-Desmetilación
6-Hidroxilación
1’-Hidroxilación
N-Desmetilación
Oxidación
Metabolito endógeno
Orina
Orina
Orina, sangre
Orina, sangre
Test respiratorio
Sangre
Sangre
2C19
2D6
2E1
3A4
Tipo de muestra
Otros
Naproxeno
Ibuprofeno
Diazepam
Imipramina
Omeprazol
Codeína
Alfentanil
Lidocaine
Triazolam
28
Cóctel
Cóctel de
de substratos
substratos
CYP
Pittsburg
GW
1A2
cafeina
cafeina
2C9
2C19 mefenitoina
Cooperstown
cafeina
diclofenac
losartan
mefenitoina
omeprazol
2D6 debrisoquina debrisoquina
debrisoquina
2E1 clorzoxazona clorzoxazona
3A4
dapsona
midazolam
Zhu
cafeina
Karolinska
cafeina
losartan
mefenitoina
omeprazol
metoprolol
debrisoquina
clorzoxazona
quinina
midazolam
quinina
29