METABOLISMO

METABOLISMO Il Metabolismo dei Farmaci è un processo di biotrasformazione che ha lo scopo di modificare all’interno dell’organismo la struttura dei farmaci, per facilitarne l’escrezione (le sostanze sono rese più polari e idrosolubili) ma può anche renderli più attivi (trasformazione da profarmaco a farmaco)

Xenobiotico-(farmaco) Idrofilo

Molto lipofilo ACCUMULO NEI GRASSI

Lipofilo

Polare

BIOTRASFORMAZIONI DI FASE I: Ossidazione Riduzione Idrolisi Polare BIOTRASFORMAZIONI DI FASE II: Coniugazioni Idrofilo MOBILIZZAZIONE EXTRACELLULARE ESCREZIONE BILIARE

SANGUE ESCREZIONE RENALE

Farmaci non metabolizzati ES.

C2H5C2H5 Barbital

Ether

Farmaco inattivo (Profarmaco) Biotrasormazione

Farmaco Attivo

Il metabolismo dei farmaci si attua attraverso due fasi: • Fase I, chiamata anche fase di funzionalizzazione • Fase II, chiamata anche fase delle reazioni di coniugazione o di sintesi

Profarmaco

Esempi di farmaci inattivi che formano metaboliti attivi, di farmaci e/o veleni non tossici che formano metaboliti tossici

Significato attribuibile alle fasi del metabolismo

Ossidazioni Si dividono in microsomiali e non microsomiali Le microsomiali che principalmente concernono il metabolismo dei farmaci sono: •Ossidazione alifatica •Ossidazione aromatica •N-ossidazioni •S-ossidazioni •Ecc.

Le non microsomiali che principalmente concernono il metabolismo dei farmaci sono: •Alcool-deidrogenasi •Aldeide-deidrogenasi •Monoaminoòossidasi (MAO) •Xantino-ossidasi

Enzimi microsomiali • Gli enzimi microsomiali mancano di specificità: sono in grado di metabolizzare sostanze con struttura chimica assai differente. • Essi catalizzano reazioni riguardanti composti liposolubili e mantengono la loro attività solo se associati alle loro strutture

La maggior parte del metabolismo ossidativo degli xenobiotici è catalizzata dal sistema enzimatico P450 La superfamiglia del citocromo P450 Il citocromo P450 è presente in numerose forme isoenzimatiche caratterizzate da una diversa struttura peptidica. Mediante tecniche di DNA ricombinante si è giunti ad identificare l'esistenza di una superfamiglia del citocromo P450 costituita da numerosissime famiglie codificate da più di 300 geni diversi, che si sono evoluti da un unico gene ancestrale comparso da oltre circa 2000 milioni di anni.

Il corredo e l’attività enzimatica nell’uomo è spesso diversa dall’animale da laboratorio e sono riconoscibili anche notevoli differenze nella specie umana imputabili alla etnia

Rappresentazione schematica della Fe-protoporfirina IX incorporata nel citocromo: X è il quinto legame con un anione S- di un residuo cisteinico della catena polipeptidica dell’isoforma Y è il sesto legame del Fe occupato dall’acqua che può essere facilmente spiazzato dall’ossigeno o da qualche substrato

l sistema ossido- riduttivo del Citocromo P450

Tipico spettro di assorbimento del citocromo P450 ridotto e complessato a CO

L’insieme di questi enzimi è contenuto nella matrice fosfolipidica del reticolo endoplasmatico

La presenza dei fosfolipidi è fondamentale per permettere sia le reazioni fra i due enzimi sia l’arrivo del substrato a livello del sistema enzimaticamente attivo

La nomenclatura delle varie isoforme di P450 è la seguente: •Le lettere maiuscole CYP indicano isoforme umane •Il primo numero arabo che segue indica la famiglia dell’isoforma •La sottofamiglia è indicata dalla lettera che segue •Infine l’ultimo numero arabo indica un prodotto genico individuale nella sottofamiglia **

** Da A Parkinson in “Casarett & Doul’s TOXICOLOGY”

Nel REL sono presenti enzimi non costitutivi e inducibili che catabolizzano gli xenobiotici. Possono catalizzare: Idrossilazioni aromatiche e alifatiche Epossidazioni di doppi legami Ossigenazione di S-,N-,I-,e N-idrossilazione Dealogenazioni ossidative e riduttive Rottura di esteri Dealchilazioni su (O, S, N) Deaminazioni Dealogenazioni Sulfossidazioni Alcuni Farmaci sono anche metabolizzate da forme di P450 costitutive non inducibili presenti a livello mitocondriale

Reazioni di ossidazione Le reazioni di ossidazione richiedono la presenza di: • Ossigeno molecolare • NADPH • Del sistema ossidasico rappresentato da due enzimi accopiati: la NADPH citocromo P450 reduttasi (flavoproteina) e il citocromo P450 (emoproteina)

Ossidazioni non microsomiali Le reazioni di ossidazione possono essere catalizzate oltre che da: • Enzimi microsomiali denominati ossidasi a funzione mista • Anche da Enzimi non microsomiali localizzati prevalentemente nei mitocondri o da enzimi solubili presenti nel citosol.

RIDUZIONI Sono anch’esse catalizzate da: • Enzimi microsomiali • Enzimi non microsomiali

Riduzioni non microsomiali

IDROLASI:Sono presenti in vari tessuti tra cui sangue e fegato. Si dividono in: CARBOSSILESTERASI (nel REL e citosol) PEPTIDASI (in sangue e lisosomi) EPOSSIDO IDROLASI (nel REL e citosol) Le CARBOSSILESTERASI catalizzano 1. Idrolisi di: esteri di acidi carbossilici •

amidi

•

tioesteri

•

esteri di acidi fosforici

•

anidridi acide

2. Transesterificazioni ( es sostituzione di etanolo con metanolo)

R-CH2-CO-O-CH2-R’ + H2O esterasi

R-CH2-CO-OH + OH-CH2-R’ Acido

Alcool

R-CH2-CO-NH-CH2-R’ + H2O amidasi

R-CH2-CO-OH + NH2-CH2-R’ Acido

Amina

Tutte le reazioni di sintesi hanno caratteristiche comuni: • L’organismo fornisce l’energia e l’agente coniugante • Non sono reazioni peculiari per i farmaci (anche sostanze formatesi dai normali processi metabolici possono subire coniugazione) • I prodotti coniugati sono inattivi e meno liposolubili. Quasi tutti i composti coniugati sono acidi relativamente forti • I prodotti coniugati sono meno facilmente riassorbibili una volta raggiunta l’urina tubulare o l’intestino • Un composto può essere escreto sotto forma di coniugati diversi se possiede uno o più centri di coniugazione per una o più reazioni

Glucuronoconiugazioni Le reazioni di glucuronoconiugazione sono per la numerosità dei substrati sui quali agiscono, per la diversità e numerosità dei loro gruppi funzionali e per l’elevata disponibilità del cofattore coinvolto (l’acido urididifosfoglucuronico)

le più importanti fra le reazioni di coniugazione

Coniugazione con l’Acido Glucuronico Coniugazione per sostanze nucleofile:

1. Acidi organici: alifatici e aromatici 2. Alcol :alifatici, aliciclici, benzilici, fenolici 3. Chetoni , insaturi 4. Carbamati 5. Composti sulfidrilici (RSH) 6. Sulfonamidi (RSO2NH2) 7. Amine: ariliche, alifatiche terziarie 8. Idrossilamine (RNOH2) I l cofattore è l’UDP-G A (acido Uridindifosfoglucuronico)

Vi sono più isoforme, localizzate nel REL di quasi tutti gli organi, di UGT (UDP-GLUCURONOSILTRANFERASI), inducibili da xenobiotici come il P450 .

• La formazione dei glucoronidi è mediata dalla presenza di diverse isoforme di UDPglucoroniltransferasi • Le diverse isoforme rispondono ai diversi agenti induttori e dimostrano selettività verso alcune classi di substrati • L’eterogeneità di questi enzimi spiega le differenze di specie che portano a difetti nella glucuronazione soltanto per alcune classi di accettori dell’acido glucuronico

Coniugazione con aminoacidi Coniugazione importante per metabolizzare solubilizzare ed eliminare con le urine gli acidi carbossilici aromatici, acidi acetici aromatici sostituiti, si formano amidi. La reazione è in due tempi, necessita prima l’attivazione dell’acido carbossilico con CoA e consumo di ATP ad opera di una CoA-ligasi, segue quindi la coniugazione con un amino acido ad opera di una Naminoaciltranferasi. Le reazioni avvengono nel citosol e nel REL di vari organi di tutti gli organismi con differenti aminoacidi.

Coniugazione con AMINOACIDI

METILAZIONE Le Metiltransferasi sono enzimi citosolici con cofattore la S adenosil metionina (SAM)carente negli anziani.

I substrati sono: • le sostanze organiche con gruppi idrossilici fenolici (catecoli) •le sostanze organiche o con gruppi aminici primari,secondari, terziari •Le sostanze contenenti gruppi sulfidrilici Anche alcuni metalli possono essere metilati

Acetilazione Subiscono acetilazione • le Amine aromatiche • Alcune Amine Alifatiche primarie • Le Idrazine sostituite • Le idrazidi • Le Sulfonamidi Cofattore è l’Acetil CoA La localizzazione delle Acetiltranferasi è mitocondriale o citosolica, una piccola parte nel REL L’eliminazione dei prodotti acetilati è principalmente con le urine. Acetilazione e deacetilazione, operata da amidasi, contribuiscono all’attivazione in carcinogeni di amine aromatiche

Sulfotranferasi • Come le UGT coniugano sostanze nucleofile e competono tra loro per vari substrati. Sono localizzate nel citosol, e hanno come cofattore la 3’-fosfo-adenosin-5’-fosfosolfato (PAPS) • Le sulfotranferasi sono sistemi enzimatici con più affinità delle UGT per i substrati ma con meno capacità. I solfoconiugati sono eliminati nelle urine • Fattore limitante è la disponibilità di PAPS. Non vi è fenomeno di induzione da xenobiotici • I solfonati delle N-idrossilamine sono sostanze tossiche

IL GLUTATIONE

Coniugazione col tripeptide GLUTATIONE

Coniugazione con Glutatione e sintesi di Acidi Mercapturici

INDUZIONE METABOLICA Una caratteristica importante degli enzimi biotrasformativi è rappresentata dal fatto che la loro attività può aumentare in seguito a trattamento con: • Farmaci • Pesticidi • Sostanze chimiche di origine industriale, prodotti di origine naturale destinati all’alimentazione L’effetto viene chiamato induzione metabolica

• • • • • •

L’iduzione metabolica è stata inizialmente osservata nel caso delle aminossidasi; successivamente è stato riconosciuto che il fenomeno è comune a molte monossigenasi P450 dipendenti e coinvolge anche enzimi di tipo coniugativo. Il tempo di latenza della comparsa dell’induzione l’intensità, la durata, possono variare in funzione: Dell’agente inducente Della dose Della durata dell’esposizione Della etnia Del sesso

GLI AGENTI INDUTTIVI PRINCIPALMENTE STUDIATI POSSONO RACCOGLIERSI IN DUE GRANDI GRUPPI • Quello del fenobarbital • Quello degli idrocarburi aromatici (benzopirene e 3-metilcolantrene)

IL FENOBARBITAL INDUCE: • Ipertrofia del fegato • Proliferazione del reticolo endoplasmatico • Aumento del contenuto di proteine e fosfolipidi • Aumento della sintesi di enzimi quali la NADPH-citocromo P450 reduttasi e alcune forme del citocromo P450

IL 3 METILCOLANTRENE INVECE PROVOCA: • Un aumento selettivo di alcuni membri della superfamiglia del citocromo P450 con caratteristiche spettrali e catalitiche diverse da quelle degli isoenzimi indotti dal fenobarbital. • Non provoca ipertrofia del fegato né aumenta le proteine, i fosfolipidi o la NADPH citocromo-P450 reduttasi

Fenobarbital

metilcolantrene

L’attivazione del recettore Ah • • • • •

Induce la trascrizione: Del citocromo P450 1A1 Della Glutatione-S-transferasi Della UDP-glucoroniltransferasi Della Aldeide deidrogenasi

MECCANISMI POST-TRASCRIZIONALI DELL’INDUZIONE METABOLICA Splicing alternativi dell’mRNA per determinate isoforme di citocromo P450, che lo rendono meno suscettibile all’attacco delle ribonucleasi, possono conferire una maggior stabilità alla molecola

MECCANISMI POST-TRADUZIONALI DELL’INDUZIONE METABOLICA • Stabilizzazione della molecola d’enzima che viene degradato più lentamente

CONSEGUENZE DELL’INDUZIONE ENZIMATICA • Aumentata velocità con cui avviene la biotrasformazione epatica dei farmaci • Aumentata velocità di formazione dei metaboliti • Aumentata clearance epatica dei farmaci • Diminuzione dell’emivita plasmatica • Diminuzione delle concentrazioni plasmatiche totali di farmaco e di quelle di farmaco libero • Diminuzione degli effetti farmacologici qualora i metaboliti siano inattivi

Frazioni microsomiali (CYP), farmaci metabolizzati dai singoli CYP (substrati) e substrati utilizzati per la tipizzazione fenotipica (substrati sonda). L’elenco dei farmaci non è completo

Sono conosciute varianti enzimatiche negli individui relative sia ad enzimi coniuganti che acetilanti con diversa velocità di reazione Esistono almeno 2 famiglie e 3 sottofamiglie di Glucuronil-transferasi Esistono numerose forme di Acetiltransferasi e di Sulfotranferasi non ancora ben definite.

Nell’uomo esistono grosse variazioni nel metabolismo dei farmaci e la popolazione umana può essere suddivisa in sub popolazioni diverse su base genetica