Fremdstoffmetabolismus

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Aufnahme von Fremdstoffen[Bearbeiten]

Fremdstoffe können auf 3 bzw. 4 Wege aufgenommen werden. Oral, inhalativ, dermal und injektiv. Je nach Aufnahme beginnen die Stoffe ihren Weg durch den Körper in einem anderen Organ (Magen-Darm-Trakt, Lunge, Haut oder Blut bzw. Unterhautfettgewebe). Je nach Resorptionsmechanismus gelangen die Substanzen ins Blut oder in die Lymphe. Über den Magen-Darm-Trakt aufgenommene Stoffe gelange häufig über die Pfortader zur Leber um dort metabolisiert zu werden. Stoffe die ein relativ hohes Molekulargewicht aufweisen (MG > 300) werden über die Galle wieder an den Magen-Darm-Trakt abgegeben und im Idealfall mit dem Fäzes ausgeschieden. Im ungüstigen Fall können die Metabolite über den Enterohepatischen Kreislauf erneut resorbiert oder von Darmmikroorganismen erneut gespalten werden und ihre toxische Wirkung im dickdarm erneut entfalten. Metabolite mit einem Molekulargewicht < 300 werden in der Regel über die Niere wieder abgegeben. Leichtflüchtige Substanzen können auch abgeatmet werden.
Stoffe die über die Lunge aufgenommen werden und alveolengängig sind gelangen ins Blut und können von dort aus in sämtliche Organe gelangen.

Fremdstoffmetabolismus[Bearbeiten]

Beim Fremdstoffmetabolismus geht es in der Regel darum stark lipophile Substanzen in wasserlöslich (und somit ausscheidbare) Metabolite zu überführen. Dieser Metabolismus kann in 2 Phasen unterschieden werden. In der ersten Phase geht es meist darum die Substanz zu Funktionalisieren, dies geschiet über Reduktion, Oxidation oder Hydrolyse. Meist bleibt die Substanz dadurch noch lipophil. Nun kann jedoch in Phase 2 die funktionelle Gruppe genutzt werden um beispielsweise Glucoronide oder Sulfate zubinden. Dadurch wird die Substanz häufig hydrophil genug um ausgeschieden zu werden.
Das Hauptorgan für den Fremdstoffmetabolismus ist die Leber. Wie schon erwähnt werden die Stoffe je nach Molekulargewicht hauptsächlich über die Niere oder die Galle ausgeschhieden.
Ein Beispiel:

Benzol  Phenol  Phenyl-D-glucoronid

Teilweise ist dies aber von Nachteil, da es durch den Ab-/Umbau zu einer Giftung kommen kann und der toxische Effekt erst durch den Metaboliten ausgelöst wird. Ein Beispiel hierfür sind cyanogene Glycoside wie sie in Bittermandeln auftreten. Die -Glucosidasen der Darmbakterien spalten das glycosidischh gebundene Cyanid ab und es entsteht Bluasäure die membrangängig ist. Ein anderes Beispiel ist ein Metabolit der heterozyklischen, aromatischen Amine. Ein Phase 1 Metabolit ist Hydroxylamin. Dies wird in der Leber glucuronidiert und über die Galle an den Darm abgegeben. Die Darmbakterien spalten das Glucuronid wieder ab und es kommt zur erneuten Freisetzung. Die entstanden Nitreniumionen sorgen für DNA-Schäden im Dickdarm.


Phase 1[Bearbeiten]

Phase 1 Reaktionen[Bearbeiten]

Die Funktionalisierung erfolgt i.d.R. durch Cytochrom P-450 haltige Monooxygenasen. Hier eine Aufzählung der typischen Reaktionen:

  • Aliphatische Hydroxylierung (Alkan prim. oder sek. Alkohol)
  • Aromatische Hydroxylierung (Benzol Phenol)
  • Amin Hydroxylierung (R-NH2 R-NHOH)
  • Epoxidierung von Alkenen (Tetrachlorethen Tetrachlorepoxid Cl3C-COCl)
  • Epoxidierung von Alkinen (Alkin Alkenepoxid Keten Carbonsäure)
  • Oxidative Desaminierung (CH3-CHNH2-CH3 Keton + NH3)
  • O-, S- oder N-Dealkylierung (R-O-CH3 oder R-S-CH3 oder RR'-N-CH3 Alkohol, Thiol oder Amin + Formaldehyd)
  • Desulfunierung (S=C=S Epoxid S=C=O + S CO2 + S)
  • S-Oxidierung (R'-S-R O=SRR' RR'SO2

Phase 1 Enzyme[Bearbeiten]

Oxidoreduktasen:
Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen (CYP)
Flavin-abhängige Monooxygenasen(FMO)
Monoaminoxidasen (MAO)
Cyclooxygenasen (COX)
Dihydrodioldehydrogenasen
DT-Diaphorase (NQOR)
Alkohol- und Aldehyd-dehydrogenasen (ADH, ALDH)

Hydrolasen:
Esterasen
Amidasen
Glucuronidasen
Epoxidhydrolasen (EH)

Cytochrom P-450[Bearbeiten]
Schematischer Ablauf der mikrosomalen Monooxygenase Reaktion

Die Cytochrom-haltigen Monooxygenasen sind in der Membran des Endoplasmatische Retikulums lokalisiert. Sie bestehen aus den Bestandteilen P-450 (= Bindestelle für den Fremdstoff), fp1 (= CYP-Reduktase) und fp2 (= Cytochrom b5-Reduktase).
Grundsätzlich bestehen Cytochrome aus einem Porphyrinring der mit 2-wertigem Eisen assoziiert ist. Je nachdem welche Reste an den C3, 8 und 18 assoziiert sind erhält man unterschiedliche Cytochrome oder auch Hämoglobin.
CYP wird es nur abgekürzt, wenn es sich um das menschliche Cytochrom P-450 handelt (ca. 56 CYP-Gene). Bei anderen Spezies findet man die Abkürzung cyp (bis zu 273 cyp-Gene).
Cytochrome bilden sog. Superfamilien, die nach Vorkommen und Substratspezifität unterschieden werden. Abhängig von ihrer Sequenzähnlichkeit werden sie weiter in Familien und Unterfamilien unterteilt. Bei einer Übereinstimmung von mehr als 40% werden 2 CYP-Isomere der gleichen Familie zugeordnet. Ist die Übereinstimmung größer als 55% werden sie derselben Unterfamilie zugeordnet.
Die Familien werden mit Zahlen benannt die Unterfamilien mit Buchstaben und Zahlen:
CYP 2 E1 ist ein menschliches Isoenzym aus dem Magen/Darm-Trakt welches kleine Bausteine wie Ethanol,Styrol oder Dimethylnitrosamin funktionalisiert)
Das CYP 1 A1 ist bei der Beseitung polyaromatischer Kohlenwasserstoffe (PAKs) beteiligt.

Der höchste CYP-Gehalt findet sich, na wer hätts denkt, in der Leber (90 - 95%) 60 - 65% davon sind Enzyme, die den Arzneistoffwechsel katalysieren. Die wichtigste Familie in diesem Zusammenhang ist die CYP 3 A, welche 50 - 60% aller Medikamente metabolisiert.

Häufig ist es so, dass nur substratassoziierte Enzyme Sauerstoff aufnehmen. In der Regel werden sie auch erst nach einer Induktion exprimiert. Als Induktoren dienen Hormone, Metabolite oder Fremdstoff ansich. DDT (ein Insektizid) bewirkt beispielsweise eine starke Induktion, obwohl der Abbau an sich sehr sehr langsam abläuft.
Natürlich ist auch beim Cytochrom eine Hemmung möglich. Vanadat hemmt den e--Fluß zum CYP. Kohlenmonooxid oder andere Fremdstoffe können die Substratbindestelle am CYP blockieren.

Mechanismus der Monooxygenierung[Bearbeiten]

Das Substrat bindet an das aktive Zentrum des CYP. Das bis dahin 3-wertige Eisen wird durch die CYP-Reduktase (und einem Elektron) zu Fe2+ reduziert. Anschließend erfolgt eine Anlagerung von Sauerstoff. Es kommt zu einer 2. Reduktion durch die CYP-Reduktase (Das Eisen ist wieder 3 wertig und der Sauerstoff 2fach negativ geladen). Nach einer Abspaltung von H2O reagiert der aktivierte Sauerstoff mit dem zentralen Eisen. Zu guter Letzt wird die OH-Gruppe auf das Substrat übertragen und dann das Produkt abgespalten.

Bruttogleichung: RH + O2 + NADPH+H+  ROH + H2O NADP+

Bei einer Nebenreaktion dieses Zyklus kann es zu einer Abspaltung einer reaktiven Sauerstoffspezies (Superoxidanion O2-) kommen.Für die Toxikologie ist hier die Nähe zur Kernmembran relevant. Es kann zu Schädigung der DNA oder der Membranen kommen.

Monoaminooxidase[Bearbeiten]
Abbau eines beliebigen Amins durch die MAO

Die Monoaminooxidase ist ein Flavoprotein das in der äußeren Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Es kommt vor allem in der Dünndarmschleimhaut vor. Hier dient es dem Abbau von Catecholaminen wie Adrenalin und Noradrenalin. Es sind 2 Isoformen MAO-A und MAO-B bekannt. Die Aminosäuresequenz stimmt bei den beiden Isoenzymen zu 70% überein. Die Affinität der MAO zu primären Alkyl- und Arylaminen ist höher als zu sekundären und tertiären Aminen. Die Abbauprodukte sind die entsprechenden Aldehyde, Ammoniak und Wasserstoffperoxid.
MAO-Hemmer werden medizinisch als Antidepressiva verwendet. Der natürliche MAOH Harmalin wird traditionell von verschiedenen südamerikanischen Indianervölkern in der Drogenzubereitung Ayahuasca genutzt.

Phase 2[Bearbeiten]

Phase 2 Enzyme[Bearbeiten]

Transferasen
Glutathiontransferasen (GST)
UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT)
Sulfotransferasen (SULT)
Acetyltransferasen (NAT)
Methyltransferasen
Aminoacyltransferasen

Phase 2 Reaktionen[Bearbeiten]

Die Phase 2 Reaktionen sind in der Regel Konjugationsreaktionen. Die Glucuronidierung erfolgt im Endoplasmatischen Retikulum. Es können Phenole/Alkohole, Amine und Amide, sowie Thiole und Carboxylgruppen glucuronidiert werden.
Die Sulfatierung erfolgt dagegen im Cytoplasma und ist auf Phenole und Alkohole sowie aromatische Amine beschränkt.
Des Weiteren findet im Cytoplasma auch die Glutathion-Konjugation statt. Es werden vor allem elektrophile Zentren konjugiert, also Epoxide, Allyl- und Benzylverbindungen, aber auch Chinone und aktivierte Carbonylverbindungen.
Die Aminosäurekonjugation erfolgt häufig an COOH-Gruppen in Aromaten. Auch diese Reaktion findet im Cytoplasma statt.
Last but not least fehlt noch die Acetylierung häufig von Aminen und Hydrazinen. (Ebenfalls im Cytoplasma).

Glucuronidierung[Bearbeiten]
Bildung der aktivierten Glucuronsäure und deren Konjugation mit einem Fremstoff

Die Glucuronidierung ist eine der wichtigsten Phase 2 Reaktionen. Es entstehen dabei polare und sehr gut wasserlösliche Endprodukte die in der Regel weniger giftig sind. Glucuronide werden aufgrund ihrer Größe häufig über die Galle ausgeschieden. Es wird ein Cofaktor, nämlich eine aktivierte Glucuronsäure (UDP-Glucuronsäure oder UDPGA), benötigt. Dieser entsteht durch mehrere gekoppelte enzymatische Reaktionen. Zunächst wird Glucose-1-Phosphat (z.B. aus der Glycolyse) mit Uridindiphosphat assoziiert. Hierfür ist das Enzym UDP-Glucudyltransferase verantwortlich. Es ist membrangebunden und kommt in vielen Organen vor. Anschließend wird die UDP-Glucose zur UDP-Glucuronsäure oxidiert.
Fremdstoffe die konjugiert werden sollen benötigen eine der folgenden Gruppen: -OH, -COOH, -SH, -NH oder -NHOH. Es entstehen N-, S- oder O-Glucuronide. Es werden aber auch körpereigene Substanzen, wie Bilirubin, Steroidhormone und fettlösliche Vitamine glucuronidiert um sie auszuscheiden.
Wie beim Cytochrom auch kann UDP-Glucuronidyltransferase induziert werden. Beispielsweise durch Phenobarbital oder TCDD

Sulfatierung[Bearbeiten]

Die Sulfatierung dist die zweite Wahl des Fremdstoffmetabolismus um einen Fremdstoff Wasserlöslich zu machen. Die Glucuronidierung und die Sulfatierung konkurrieren miteinander um die Substrate. Die Sulfatierung ist jedoch auf schwefelhaltigen Aminosäuren aus der Nahrung angewiesen. Diese werden abgebaut und so kann anorganischer Schwefel, also SO42-, bereit gestellt werden.
Katalysiert wird die Reaktion von Sulfotransferase die in der Leber und im Magendarmtrakt anzutreffen sind. Auch bei dieser Reaktion wird ein aktiviertes Cosubstrat das PAPS benötigt. PAPS heißt soviel wie 3'-Phosphoadenosin-5'-Phosphosulfat.

Abbau S-haltige AS  SO42-  APS + PPi
APS + ATP  PAPS + ADP

APS ist übrigens Adenosinphosphosulfat. Die Reaktionen laufen aufgrund ihrer Kopplung relativ schnell ab. Da die Menge an anorg. Sulfat begrenzt ist, kann der Speicher natürlich auch erschöpfen und dann muss der Fremdstoff glucuronidiert werden.
Es gibt 2 Klassen von Sulfotransferasen. Membrangebunden am Golgi-Apparat oder gelöst. Die membrangebundenen sind für die Sulfatierung von körpereigenem Material verantwortlich. Tyrosin kann beispielsweise auch sufatiert werden. Die löslichen sulfatieren Fremdstoffe wie Phenol und körpereigene Substanzen wie kleine Steroidalkohole. Da Glucuronidierung und Sulfatierung konkurrieren können sie natürlich auch bei eine recht ähnliche Fremdstoffpalette abbauen (siehe also oben).Bei geringen Konzentrationen wird jedoch meist sulfatiert.
Ein Unterschied zur Glucuronidierung ist, dass die Sulfat meist kleiner sind, d.h. sie können noch renal ausgeschieden werden. Glucuronide werden eher biliär (also über die Galle) ausgeschieden. Dsa macht die Sulfatierung meist schneller und effizienter. Vor allem wenn man bedenkt, dass die Glucuronide im Darm durch Mikroorganismen wieder gespalten werden können. Die Sulfate sind unter physiologischem pH-Wert stabil und werden renal aufgrund ihrer Ladung nicht rückresorbiert.

Aminosäurekonjugation[Bearbeiten]
Aminosäurekonjugation und Acetylierung

Die Konjugation mit Aminosäuren erfolgt vor allem bei Carbonsäuren und aromatischen Carbonsäuren. Katalysiert wird das Ganze von der Ligase. Das Substrat wird nicht mit einem speziellen Coenzym assoziiert sondern reagiert mit Coenzym A. Anschließend ist möglich Aminosäuren wie Glycin oder Glutamin mithilfe der N-Acetyltransferase gegen das Coenzym A auszutauschen. Beide Katalysatoren der Reaktion sind löslich, somit ungebunden. Auch diese Reaktion ist eine Konkurrenzreaktion zur Glucuronidierung.

Acetylierung[Bearbeiten]

Vor allem aromatische Amine, -Aminosäuren, Hydrazine und Sulfonamide werden acetyliert. Es wird Acetyl von Acetyl-CoA übertragen. Dies geschiet vor allem in den Mitochondrien, im Mikrosomen und im Cytosol.
Diese Reaktion sorgt als einzige nicht dafür das die Produkte wasserlöslicher sind als vorher. sie sind jedoch biologisch inaktiv. Amidasen sind auch wieder in der Lage den Acetylrest zu entfernen.

Glutathion[Bearbeiten]
Konjugation mit GSH am Beipsiel Methyliodid

Die Reaktion von Fremdstoffen (v.a. weiche Elektrophile) mit Glutathion (GSH) erfolgt unter anderem spontan. Es gibt aber auch Enzyme die diese Reaktion katalysieren. Die sogenannten Glutathion-S-Transferasen. Diese Enzyme gehören zu einer großen Enzymklasse mit mehreren Isoformen. Die Konjugation stellt den 1.Schritt der Mercaptursäurebildung dar. Hohe Konzentrationen der Enzyme finden sich in der Leber, Magen-Darm-Trakt und in den Hoden. Auch hier haben die Isoformen eine breite teilweise überlappende Substratspezifität.
Der Cofaktor der Reaktion GSH kommt in so gut wie allen Zellen in relativ hohen Konzentrationen vor. Die Konjugation mit GSH stellt eine der wichtigsten Entgiftungsreaktionen für weiche Elektrophile, sowohl endo- als auch exogene, dar. Häufig ist die Inaktivierung von reaktiven Sauerstoffspezies zu beobachten. GSH ist aber auch an Transport- und Stoffwechselprozessen und am Redox-Gleichgewicht beteiligt. Chemisch gesehen ist Glutathion ein Tripeptid aus (-Glutamin-Cycstein-Glycin).
Nach Konjugation mit diesem Tripeptid wird zunächst das Glutamin durch -Glutamyltranspeptidase abgespalten. Anschließend spaltet die Dipeptidase den Glycinrest ab. Es bleibt der Fremdstoff an der SH-Gruppe des Cysteins gebunden. Das Enzym N-Acetyltransferase acetyliert nun noch die Amino-Gruppe des Cysteins und man erhält eine Mercaptursäure, die renal, also über den Harn, ausgeschieden werden kann. Die genannten Abspaltungsreaktionen sind vor allem in der Niere lokalisiert.

Metabolische Aktivierung[Bearbeiten]

Aktivierung in der Phase 1[Bearbeiten]

Aktivierung in der Phase 2[Bearbeiten]

Bisher wurde immer der Entgiftende Charakter der Phase 1 und 2 Enzyme hervorgehoben. Manche Substanzen werden aber erst durch diese Umwandlung giftig. Heterocyclische aromatische Amine werden durch sulfatierung in genotoxische Substanzen umgewandelt. Schuld ist ihre geringe Beständigkeit als Sulfat. Nach der Abspaltung der SO42--Gruppe entstehen in der Regel sehr elektrophile Verbindungen die leicht Reaktionen mit genetischem Material oder Proteinen eingehen können.

Weitere Beispiele:

  • Aflatoxine werden epoxidiert und können so Leberkrebs auslösen.
  • Benzen wird zum Benzochinon und kann Blutkrebs auslösen.