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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
