A gyógyszerhatás fizikai-kémiai alapjai Rozmer Zsuzsanna – Perjési Pál

11.5Irodalom

Camenisch G. et al.: Shapes of membrane permeability-lipophilicity curves: Extension of theoretical models with an aqueous pore pathway. Eur J Pharm Sci 6, 321-329. (1998)

Avdeef A.: Physicochemical Profiling (Solubility, Permeability and Charge State). Current Topics in Medicinal Chemistry 1, 277-351. (2001)

Ádám V., Dux L., Faragó A., Fésüs L., Machovich R., Mandl J., Sümegi B.: Orvosi biokémia. Medicína Kiadó, Budapest (2001)

Takácsné Novák K., Völgyi G.: A fizikai-kémiai jellemzés helye és módszerei a gyógyszerkutatásban. Magyar Kémiai Folyóirat 111, 169-176. (2005)

Carrara S. et al.: Evaluation of in vitro brain penetration: Optimized PAMPA and MDCKII-MDR1 assay comparison, Int. J. Pharm. 10, 345(1-2):125-33 (2007)

Huszár M.: Az optimális lipo- és foszfolipofilitási tartomány meghatározása különböző potenciális antitumor és NOX inhibitor sajátsággal bíró molekulacsalád esetén. Doktori értekezés. Semmelweis Egyetem (2010)

A gyógyszerkutatás kémiája. Szerk. Keserű Gy. M. Akadémiai Kiadó, Budapest (2011)

Dávid B.: Új szövetspecifikus in vitro permeabilitási modell kidolgozása gyógyszerhatóanyagok eloszlásának előrejelzésére. Tudományos diákköri dolgozat. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Szerves Kémia és Technológia Tanszék (2014)

12.)Metabolizmus

A szervezetbe kerülő gyógyszerek és egyéb testidegen anyagok (ún. xenobiotikumok) nagy része a szervezetben kémiailag átalakul. Az átalakult vegyületek fizikai-kémiai tulajdonságai és biológiai hatásai különböznek az anyavegyületétől. Ezért a vegyületeke metabolikus átalakulásainak ismerete elengedhetetlen része gyógyszek (testidegen anyagok) biológiai hatása molekuláris szintű ismeretének.

A gyógyszervegyületek metabolizmusának vizsgálata a 19. század első feléig nyúlik vissza. Történetileg a benzoesav glicinnel képzett konjugátuma, a hippursav volt az elsőként izolált metabolitok egyike, melynek szerkezetét V. Dessaignes 1845-ben írta le (XII-1. ábra).

XII-. ábra: A benzoesav hippursavvá történő átalakulásának reakciója.


A területen folytatott munkák első összefoglalójának megírása R.T. Williams nevéhez fűződik, aki 1947-ben megjelent „Detoxification Mechanisms” című könyvében természetes vegyületek és szintetikus rokon származékainak detoxikációjában szerepet játszó folyamatokat foglalta össze. A szerző a könyv 1957-ben megjelent második kiadásában a testidegen anyagok metabolikus transzformációinak egy általános sémáját írta le, melyben a testidegen anyagok metabolikus átalakulásait „Fázis I” (oxidáció, redukció, hidrolízis) és „Fázis II” (szintézis) csoportokra osztotta (XII-2. ábra).

XII-. ábra: A xenobiotikumok átalakulásának két lehetséges útja

A gyógyszerek biotranszformációjának vizsgálata az 1950-es évektől a farmakológiai, a gyógyszerészi-kémiai, valamint a toxikológiai kutatások középpontjában áll. A gyógyszerek és más testidegen anyagok Fázis I és Fázis II átalakulásainak vizsgálata nagyban hozzájárult ahhoz, hogy napjainkban a korábbi vegyületekhez viszonyítva jóval kevesebb mellékhatással bíró származékokat sikerül a gyógyászatba bevezetni. Az egyes biotranszformációs utak molekuláris szintű vizsgálata alapján ugyanis megállapítható volt, hogy az eredendően detoxikáló (a testidegen anyagoknak a szervezetből történő kiürülését elősegítő) folyamatok során reaktív származékok is keletkezhetnek, melyek toxikus hatások kialakulását eredményezhetik.

A testidegen anyagok metabolikus átalakulásait kémiai/biokémiai szempontból a következőképpen csoportosíthatjuk:

1. 
   Nem enzim-katalizált reakciók
   
2. 
   Enzim-katalizált reakciók
   

2.1. Mikroszómális enzimek által katalizált reakciók

2.2. Nem-mikroszómális enzimek által katalizált reakciók

A metabolikus transzformációkat katalizáló enzimek mikroszómális és nem-mikroszómális csoportokba történő besorolása az elroncsolt sejtek (sejthomogenizátumok) ultracentrifugálás során keletkező frakcióinak megnevezése alapján történik. A mikroszóma frakcióban megtalálható enzimek membránhoz kötve, még a mikroszóma frakció felülúszójában lévő enzimek a citoszolban és egyéb sejtfolyadékokban találhatók az intakt sejtekben.

12.1Fázis I – vagy funkcionalizációs reakciók

A Fázis I metabolikus átalakulások három nagy csoportja - oxidációs, redukciós és hidrolitikus reakciók - közül kétségkívül az oxidációs folyamatok bírnak a legnagyobb jelentőséggel. A folyamatok természetéből adódóan azonban mind a redukciók, mind a hidrolitikus reakciók fontos szerepet játszhatnak a gyógyszer hatóanyagok aktiválásában és a szervezetből történő kiürülésüket elősegítő metabolitok képződésében. A Fázis I reakciókat katalizáló enzimeket az intakt sejten belüli lokalizációjuk szempontjából membránhoz kötött és nem membránhoz kötött csoportokba sorolhatjuk, melyek a sejthomogenizátumok centrifugálásával nyerhető un. mikroszómális, illetve nem-mikroszómális frakciójában találhatók (XII.1. táblázat).

XII- táblázat: A Fázis I. metabolikus átalakulások legfontosabb reakcióútjai és az azokat katalizáló enzimek fő szubcelluláris lokalizációi.

Reakcióút	Enzim vagy reakció	Lokalizáció^a
Oxidáció	Citokróm P450	mikroszóma, mitokondrium
	Flavin-monooxigenáz	mikroszóma
	Prosztaglandin-H szintetáz	mikroszóma
	Monoamin-oxidáz	mitokondrium
	Aldehid-dehidrogenáz	mitokondrium, citoszol
	Alkohol-dehidrogenáz	citoszol
	Xantin-oxidáz	citoszol
Redukció	Azo-reduktáz	bélflóra,mikroszóma, citoszol
	Nitro-reduktáz	bélflóra, mikroszóma, citoszol
	Karbonil-reduktáz	citoszol
	Kinon-reduktáz	citoszol
Hidrolízis	Észteráz	mikroszóma, citoszol, lizoszóma
	Peptidáz	lizoszóma
	Epoxid-hidroláz	mikroszóma, citoszol

^aMagyarázat: a) A mikroszóma membránhoz kötött enzimaktivitást jelent, ahol a membrán jelentheti a sejtmembránt, vagy sejten belüli membránt; b) A citoszol a sejt citoszolban oldott enzimek aktivitását jelenti.
A következő két szakasz az oxidációs folyamatok szempontjából két legfontosabb enzimcsalád legfontosabb tulajdonságait mutatja be.

12.1.1Oxidációs reakciók

12.1.1.1A citokróm P450 enzimek

Mind a mikroszómális, mind a nem-mikroszómális frakcióban található oxidációs folyamatokat katalizáló enzimek közül a legnagyobb jelentőségűek az un. „kevert funkciójú oxidázok” közé tartozó citokróm P450 (CYP450) enzimek. Egy részük csak meghatározott endogén anyagok (pl. szteroidok, zsírsavak, epesavak) transzformációjában vesz részt és fontos szerepet tölt be pl. a szteroidok bioszintézisében. Másik részük funkcióját tekintve jóval kevésbé szubsztrátspecifikus és a szervezetbe kerülő testidegen anyagok (xenobiotikumok) kémiai átalakulását katalizálja.

A CYP450 enzimek vastartalmú fehérjék, melyekben a vasion a hemoglobinban is megtalálható vas-protoporfirin IX (hem) komplexként kapcsolódik az enzim fehérjéhez. Minden citokróm P450 enzim egyetlen polipeptid láncból áll, amely egy hidrofób, elektrosztatikus és kovalens (koordinatív) kötéssel kapcsolódó vas-protoporfirin IX (hem) gyűrűt tartalmaz. Az enzim aktív helyén lévő protoporfirin-IX gyűrűben a vas hatos koordinációs számú. Az izoenzimek tömege 45000-60000 D között van.

A CYP450 enzimek nevüket arról a kísérleti tapasztalatról kapták, hogy az enzimek központi vasionjának redukált (vas(II)) formája a dioxigén (O₂) kötődéssel analóg módon szénmonoxidot képes megkötni, és az így keletkező komplexek 450 nm körül erős fényelnyelő képességgel rendelkeznek.

A CYP450 enzimek több gén által kódolt enzimcsalád, melynek egyes képviselőit a fehérjerész hasonlósága alapján csoportosíthatjuk, illetve azonosíthatjuk. A nemzetközileg elfogadott megállapodás alapján a 40%-nál nagyobb homológiát mutató CYP enzimeket egy családba tartozónak tekintjük, és ezt a CYP rövidítés után egy arab számmal (pl. CYP1, CYP2, stb.) jelöljük. Az 55%-nál nagyobb homológiát mutató enzimek egy családon belül alcsaládokat képeznek, melyeket az egyes enzimek azonosítására használt jelölésben az arab számot követő latin betű (pl. CYP1A, CYP2C, CYP3A, stb.) jelez. Az egyes enzimek (individuális citokróm P450 gének) a latin betűt követő újabb arab szám feltüntetésével különböztethetők meg egymástól (pl. CYP1A2, CYP2A6, CYP2E1, stb.).

A citokróm P450 enzimek expressziója a legnagyobb a májban, de megtalálhatók többek között a tüdőben, a vékonybélben, a vesében, a bőrben, a placentában és az agyban is. A CYP 3A4 és 3A5 izoenzimek mennyisége az emberi máj össz CYP450 tartalmának egyharmadát, míg a vékonybélben expresszálódó CYP450 enzimek mintegy kétharmadát teszik ki. A klinikailag jelentős gyógyszerek több mint egyharmadának biotranszformációjáért ez a két CYP450 izoforma felelős.
Az endoplazmás retikulum membránjában lévő P450 enzimek működéséhez szükséges elektront a NADPH, vagy a NADH szolgáltatja. A citokróm P450 enzim az elektrontranszportot létrehozó redukáló enzimekkel (NADPH-citokróm P450 reduktáz, NADH-citokromb₅-reduktáz) együtt multienzim komplexet alkot és a következő reakciót katalizálja:

RH + O₂ + NADPH + H⁺ → ROH + H₂O + NADP⁺

A CYP450 enzimek által katalizált reakciók legfontosabb típusai a következők:

1. Aromás szénatomon történő hidroxiláció.

2. Alifás szénatomon történő hidroxiláció.

3. Benzil-szénatom oxidációja

4. Allil szénatom oxidációja

5. Szén-szén kettős kötésen történő epoxidáció.

6. O-Dealkiláció

7. N-Dealkiláció

8. Oxidatív deamináció

9. Dehidrogénezés

12.1.1.2Flavin Monooxigenáz (FMO) enzimek

A fázis I oxidatív reakciók katalízisében fontosabb szerepet játszó további enzimek a nem hem-tartalmú, ugyancsak mikroszómális lokalizációjú, flavin-adenin-dinukleotid (FAD) tartalmú monooxigenáz (FMO) enzimek. A flavin-tartalmú monooxigenázok flavin-adenin-dinukleotid (FAD), dioxigén (O₂) és NADPH koszubsztrátok jelenlétében képesek katalizálni a testidegen vegyületek oxidatív metabolizmusát. Az FMO enzimek szerkezete, a katalizált reakciók mechanizmusa alapvetően különbözik a CYP450 enzimek által katalizált reakciókétól. Ennek eredményeképpen az FMO enzimek szubsztrátspecificitása jóval szélesebb, mint a CYP450 enzimeké. Ellentétben a CYP450 enzimekkel, melyek elsősorban szénatomon lejátszódó oxidációs folyamatokat katalizálnak, az FMO enzimek preferáltan a nitrogén-, kén-, a foszfor- és a szelénatomok oxidációs reakcióit katalizálják.

Az FMO enzimek által katalizált reakciók mechanizmusával kapcsolatosan megemlítendő, hogy – ellentétben a CYP enzimeknél tapasztaltakkal- a dioxigén molekula aktiválása a flavin molekularész (FAD) részvételével hidroperoxid formában történik, a szubsztrát molekulának az aktív helyhez történő kötődését megelőzően.

A nagyszámú CYP450 izoenzimekkel ellentétben, az FMO enzimek csupán öt funkcionális formáját írták le emlősökben. A felnőtt emberi májban az FMO3 forma a legnagyobb mennyiségben expresszálódó izoenzim. Az FMO3 forma mellett további két minor forma (FMO4 és FMO5) található, melyek csak nagyon kis mennyiségben voltak kimutathatók. A további, extrahepatikusan expresszálódó formák közül az FMO1 forma érdemel említést, melynek expressziója elsősorban a vesében és a vékonybél mukoza sejtjeiben kifejezett.
Az FMO enzimek által katalizált reakciók legfontosabb típusai a következők:

1. Alifás primer aminok oxidációja hidroxilamin-származékká

2. Alifás szekunder aminok oxidációja hidroxilaminokká, illetve nitronokká

3. Alifás tercier aminok oxidációja N-oxid-származékokká


4. N-alkil-arilaminok oxidációja hidroxilaminokká


5. Kénvegyületek oxidációja

12.1.1.3Nem-mikroszómális oxidációk (válogatás)

XII.1.1.3.1. Monoamin-oxidáz (MAO) enzimek

A monoamin-oxidáz (MAO) enzimek – együtt a diamin-oxidáz (DAO) és poliamin-oxidáz (PAO) enzimekkel – a primer, szekunder és tercier aminok oxidatív deaminációját katalizálják. A testidegen aminovegyületek elsősorban a MAO enzimek szubsztrátjai.

A MAO enzimek megtalálhatók a májban, a vesében, a vékonybélben, az agyban és a vérlemezkékben, a sejtekben a mitokondriumok külső membránjába beágyazódva. Emberben a MAO enzimek két formája (MAO-A és MAO-B) ismert. A MAO-A izoforma preferált szubsztrátja a szerotonin, a norepinefrin, valamint a propranolol dealkilált formája. Utóbbi metabolikus utat a XII-3. ábra mutatja be.

XII-. ábra: A propranolol metabolizmusa.

A MAO-B izoforma preferált szubsztrátjait képviseli a nem fenolos béta-fenilalkilaminok és a benzilamin.

A MAO enzimek flavin (FAD) tartalmú enzimek, melyek katalitikus ciklusát a XII-4. ábra mutatja be.

XII-. ábra: A monoamin-oxidáz enzimek működésének mechanizmusa.

A katalitikus ciklus első lépésében a szubsztrát imin-származékká oxidálódik, miközben a FAD FADH₂ származékká redukálódik. A következő lépésben – az imin hidrolízisének eredményeképpen – egy vízmolekula oxigénatomja épül be a szubsztrátba, miközben a szubsztrát aldehiddé oxidálódik és ammónia válik szabaddá. A katalitikus ciklus befejező lépése a FAD dioxigén (O₂) által történő regenerálása, miközben az hidrogén-peroxiddá redukálódik.