Toksikokinetikk og biotransformasjon, og biodegradering. BIO4500 h 2004

Transkript

1 Toksikokinetikk og biotransformasjon, og biodegradering BIO4500 h 2004

2 Toksikokinetikk k A B + H 2 O AOH + BH Stoff A k Stoff B t dc dc = k C som gir k dt dt = C C C 0 0 t kt t kt og Ct = C0e eller = e C0 C ln 0,5 k t1 / 2 = = 0,693 k dc = k C dt

3 1.orden dc = k C dt C C t 0 = e kt log(c) Logskala førsteordens kinetikk C 0 = 5 k = Tid (timer) Konsentrasjon(C) 4 2 Lineær skala førsteordens kinetikk Tid (timer) Michaelis dc dt k C = K C C C + K M ln = C0 C 0 M + k t log(c) C 0 = 5 k = 1 K M = 1 Logskala Michaelis-kinetikk Tid (timer) Konsentrasjon(C) 4 2 Lineær skala Michaelis-kinetikk Tid (timer) 0. orden dc = dt k C = C0 k t log(c) Logskala nulteordens kinetikk C 0 = 5 k = Tid (timer) Konsentrasjon(C) 4 2 Lineær skala nulteordens kinetikk Tid (timer)

4 KOMPARTMENT Et hypotetisk volum i et system der et stoff oppfører seg homogent i transport og transformasjon (Hodgson et al. 1998)

5 To kompartment k-1 Cs Cp k+1 kel dc dt S = k el C s + k 1 C s k + 1 C p

6 C = A e αt βt + B e ( α t βt) log C = log Ae + Be 100 Konsentrasjon mot tid i en tokompartmentmodell med 1. ordens kinetikk Konsentrasjon 10 Målte verdier Første ledd Annet ledd Tid

7 Toksikokinetikk og biotransformasjon, og biodegradering HOVEDSPØRSMÅLENE Detoksikering, bioaktivering og faser Biotransformasjon og evolusjon INNLEDENDE EKSEMPLER DDT-dehydroklorinaser Malation Fluorositratdannelse Alkoholdehydrogenaser og metabolisme av alkoholer KORT OVERSIKT OVER VIKTIGE REAKSJONER Oksidasjon Reduksjon Peroksidreduksjon Hydrolyse Elektrofil substitusjon Konjugering OKSIDASJONSENZYMENE CYP-enzymer Induksjonsmekanismer Alkohol og aldehyddehydrogenaser og polymorfisme Lipoksygenaser Dismutaser Peroksidaser Aminooksidaser HYDROLYSE Epoksidaser Arylesteraser Karboksylesteraser Kolinesteraser KONJUGERINGS-REAKSJONER Glutationtransferaser Sulfotransferaser Glukoronsyretransferaser Aminosyretransferaser METABOLISME AV ENKELTE STOFFER Paracetamol DDT Malation PCB PAH BIODEGRADERING Xenobiotika Adaptasjon og kometabolisme Persistensregler Anaerob og aerob degradering Metoder

8 Eksempler (DDT) Cl H C Cl GSH Cl C Cl CCl 3 CCl 2 DDT DDE

9 malation CH 3 O CH 3 O S P S CHCOOC 2 H 5 CH 2 COOC 2 H 5 Glutationtransferaser GSH, O 2, H 2 O CYP-enzymer CH 3 O CH 3 O S P S CHCOOC 2 H 5 CH 2 COOC 2 H 5 Carboksylesteraser

10 fluoroeddiksyre COOH CO CH 2 COOH F O CH 2 C CoA CoA HO COOH CHF fluorocitric acid CCOOH CH 2 COOH COOH CO CH 2 COOH O CH 3 C CoA CoA HO COOH CH 2 C-COOH CH 2 aconitase COOH citric acid COOH CH 2 C-COOH CH COOH

11 succinylkolin CH 2 COOCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 3 CH 2 COOCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 3 CH 2 COO Butyrylkolinesterase i plasma CH 2 COOCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 3

12 Lærdom Kunnskap om metabolisme og virkningsmekanisme kan brukes bevisst behandling Overføring av data mellom dyrearter har begrenset verdi, dersom man ikke samtidig tar hensyn i forskjell i toksikokinetikk og metabolisme!

13 Biotransformasjonsenzymer Fase I enzymer Oksidasjon (alkoholdehydrogenase, CYP-enzymer) Hydrolyse (kolinesteraser, karboksylesteraser, epoksidhydrolaser, arylesteraser) Fase II enzymer Sulfatkonjugering (sulfotransferaser) Glukuronsyrekonjugering (glukuronosyltransferaser) Glutationkonjugering (glutationtransferaser) Og flere

14 ALKOHOLMETABOLISMEN Kinetikken De viktigste enzymene involvert Artsforskjeller og raseforskjeller Metanolforgiftning og etylenglykolforgiftning Detoksikering og bioaktivering (etanol, propylenglykol metanol og etylenglykol) Stoffer og tilstander som påvirker metabolismen Se nr i Gifter virkninger og mekanismer

15 Kinetikken og involverte enzymer Forsvinner etter en 0te ordens kinetikk i konsentrasjonsområdet 1,2 promille til edru ca 8 timer Alkoholdehydrogenase etterfulgt av aldhyddehydrogenase (NAD + ). Katalase (H 2 O 2 ) Clofibrat og andre peroksisomale proliferatorer fører til økt betydning av katalase. CYP2E1(O 2 ) Xylitol gir mer NADPH og øker betydningen. Viktig for interaksjon mellom etanol og Paracetamol.

16 ADH Alkoholdehydrogenase (lever, tarmepitel osv. I cellenes cytosol) CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO NADH H Legg merke til at det dannes H +

17 C 2 H 5 OH CH 3 CHO CH 3 COOH Fra etanol til eddiksyre CH 3 OH HCHO HCOOH Fra metanol til maursyre CH 2 OH CH 2 OH COOH COOH Fra etylenglykol til oksalsyre CH 3 CHOH CH 2 OH CH 3 CO COOH Fra propylenglykol til pyrodruesyre

18 Egenskaper til alkoholdehydrogenaser Cytosoliske Inneholder sink Dimerer med to av følgende 8 monomerer (ca 40 kda store): α, β 1, β 2, β 3, γ 1, γ 2, π, χ dessuten σ og µ 6 ulike gener: For ekspresjon av α, β, γ, π, χ, σ og µ. Som visstnok også betegnes: ADH1- ADH6 Finnes i lever, nyre, tarm og mage.

19 Klasser og egenskaper Klasse 1: Substrater: etanol, og lavere alkoholer (lever!) ADH1: αα, αβ, αβ 1, αβ 2, αβ 3 αγ, (alle har en α ) ADH2: ββ, βγ (alle har en β) ADH3: γγ Klasse 2: Substrater: større alifatiske alkoholer lever ADH4: ππ Klasse 3: Substrater: aromatiske alkoholer, formaldehyddetoksikering (alle vev) ADH5: χχ Klasse 4: Substrater: lavere alkoholer og retinol (mage spiserør etc.- ikke i lever hos voksne) Har høy Km og viktig i tarmen ADH6: σσ, σµ, µµ

20 Alkoholisme og metabolisme Mageformen (σ og µ høy Km) er viktig ved høyt alkoholinntak. Ikke-alkoholiserte menn har mest, mens kvinnelige alkoholikere har lite. Mageformen har stor betydning for nordiske drikkeskikker på grunn av den høye Km-verdien. Former med β 2 -allelen er meget aktiv overfor etanol og har en svært ujevn rasemessig fordeling.

21 Rasemessig fordeling av β 2 Japanere og kinesere 85% Amerikanere 5% Engelske 8% Tyskere 12% Sveitsere 20% Afroamerikanere 10% Indere 0% Indianere 0%

22 1. Hvordan klassifiseres aldehyd-dehydrogenasene? Aldehyddehydrogenasene deles i tre klasser: Klasse I: Cytosolisk, tar seg først og fremst av xenobiotiske aldehyder. Klasse II: Finnes i mitokondriene. Lav Km dvs. høy affinitet. Oksiderer enkle aldehyder. Hemming av dette enzymet med disulfiram (Antabus) skaper sterke forgiftningssymptomer med sterkt ubehag ved inntak av etanol. Ca. 50 % japanere og kinesere har en lite aktiv form av dette enzymet og særlig når denne opptrer sammen med en spesielt aktiv alkoholdehydrogenase (β 2 β 2 ) tåler de etanol dårlig. Klasse III: Finnes i cytosol og kalles også formaldehyddehydrogenase. Dette enzymet bruker glutation som kofaktor. Det er i mage/tarm og annet ekstrahepatisk vev. Biotransformerer ikke acetaldehyd.

23 Aldehyddehydrogenaser, 3 klasser Klasse 1 Cytosolisk Omsetter xenobiotiske aldehyder Klasse 2 Mitokondriell. Omsetter enkle aldehyder. En punktmutasjon der Glu? Lys som gir lav aktivitet (ALD2) Lav Km. Den lite aktive formen (ALD2, som er i 50% av japanere og kinesere) vil sammen med β 2,β 2 ADH gi et høyt nivå av aldehyder ved alkoholkonsum

24 Klasse 3 Spesielt for formaldehyd via et glutationaddukt Ikke aktivt for acetaldehyd Cytosolisk, i tarm. Er identisk med ADH5! OH HCHO + GSH HC SG NAD + HCOOH GSH + H

25 Hemmere av ALD RCHO + NAD + + H 2 O RCOOH + NADH + H + Koprin og disulfiram hemmer og gir svært ubehagelige symptomer ved alkoholkonsum. Farlig synergisme ved allylalkoholforgiftning, som også er svært giftig for kinesere og japanere. CH 2 CHCH 2 OH CH 2 CHCHO CH 2 CHCOOH alyllalkohol akrolein akrylsyre

26 Andre metabolismeveier for aldehyder Aldehyder kan reduseres av alkoholdehydrogenaser og karbonylreduktraser til alkoholer Aldehydoksidase og xantinoksidase er metalloflavoproteiner som innheholder jern, molybden og FAD. Mange ulike substrater. CH 3 CHO O 2 CH 3 COOH

27 Aldehyders giftighet O OH RC + H 2 N R' R C NHR' H H aldehyd aminogruppe Schiffs base

28 Metanols giftighet Primater: LD90-dose gir forbigående løsemiddeltoksisitet (rus), etterfulgt av acidose. Omsetter via alkoholdehydrogenase. Men også om acidosen behandles vellykket, opptrer CNS-skader Lite giftig via løsemiddelvirkning (se de sju dødsmåter HCOOH er kanskje det proksimale toksiske stoffet.

29 Metanol smaker og lukter som etanol, men gir lavere rusvirkning Stor fare, og høy risiko for forgiftning Starter med mild inebriasjon og søvnighet (3-36 timner) kvalme, oppkast, magesmerter, uklahet, hodepine og coma Synsforstyrrelser, store pupiller(!), liten reaktivitet overfor lys (6 timer) 30 ml er dødelig 10 ml gir blindhet Latensperiode 12 til 24 timer Synsforstyrrelser opptrer mellom 18 og 24 timer etter inntak Angriper retina, optisk disk og optisk nerve Toksisk mekanisme: HCOOH hemmer cytokrom oksidase TRE FORGIFTNINGSTYPER: 1) Organisk løsemiddel-forgiftning (Alle organismer) 2) Systemisk acidose 3) Sentralnervesystemskader, spesielt nervus optikus og retina

30 HCOOH er en sterk syre, men ved acidose er mye udissosiert og passerer blod-hjernebarrieren. HCOOH hemmer cytokromoksidase og skader den optiske nerven som har få mitokondrier. Behandling Behandle acidosen med natriumbikarbonat intravenøst Hemme ADH med etanol eller metylpyrazol Gi folat for å øke omsetningen av maursyren Hemodialyse

31 Andre pattedyr Lite giftig for dyr som metaboliserer HCOOH raskt Omsettes mye via katalase Mer aktiv formyltetrafolat syntase (FTS) i andre dyr som omsetter maursyre til karbondioksid

32 Oppsumering av metabolismen av etanol

33 Etylenglykol gir acidose

34 Forskjell mellom dyrearter for etylenglykoll