Метаболизм лекарств — это метаболическое расщепление лекарств живыми организмами, обычно с помощью специализированных ферментных систем. В более общем смысле метаболизм ксенобиотиков (от греч. xenos — «чужой» и biotic — «относящийся к живым существам») — это набор метаболических путей, изменяющих химическую структуру ксенобиотиков, которые являются соединениями, чуждыми нормальной биохимии организма, например любой наркотик или яд. Эти пути, считающиеся древними, представляют собой форму биотрансформации, присутствующую во всех основных группах организмов. Эти реакции часто служат для детоксикации ядовитых соединений (хотя в некоторых случаях промежуточные продукты метаболизма ксенобиотиков могут сами вызывать токсические эффекты). Изучение метаболизма лекарств называется фармакокинетикой.
Метаболизм фармацевтических препаратов является важным аспектом фармакологии и медицины. Например, скорость метаболизма определяет продолжительность и интенсивность фармакологического действия лекарства. Метаболизм лекарств также влияет на множественную лекарственную устойчивость при инфекционных заболеваниях и при химиотерапии рака, а действие некоторых лекарств как субстратов или ингибиторов ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, является распространённой причиной опасных лекарственных взаимодействий. Эти пути также важны для экологии, поскольку метаболизм ксенобиотиков в микроорганизмах определяет, будет ли загрязняющее вещество разрушено в процессе биоремедиации или сохранится в окружающей среде. Ферменты метаболизма ксенобиотиков, особенно глутатион S-трансферазы, также важны в сельском хозяйстве, поскольку они могут вызывать устойчивость к пестицидам и гербицидам.
Метаболизм лекарств делится на три фазы. В первой фазе ферменты, такие как оксидазы цитохрома Р450, вводят реактивные или полярные группы в ксенобиотики. Эти модифицированные соединения затем конъюгируются с полярными соединениями в реакциях фазы II. Эти реакции катализируются ферментами-трансферазами, такими как глутатион S-трансферазы. В фазе III конъюгированные ксенобиотики могут подвергаться дальнейшей обработке, после чего распознаются эффлюксными транспортерами и выводятся из клеток. Метаболизм лекарств часто преобразует липофильные соединения в гидрофильные продукты, которые легче выводятся из организма.
Барьеры проницаемости и детоксикация Точные соединения, которым подвергается организм, в значительной степени непредсказуемы и могут сильно меняться со временем; это основные характеристики ксенобиотического токсического стресса. Основная проблема, с которой сталкиваются системы детоксикации ксенобиотиков, заключается в том, что они должны быть способны удалить практически неограниченное количество ксенобиотических соединений из сложной смеси химических веществ, участвующих в нормальном метаболизме. Решение этой проблемы представляет собой элегантную комбинацию физических барьеров и низкоспецифичных ферментных систем.
Все организмы используют клеточные мембраны как гидрофобные барьеры проницаемости для контроля доступа к своей внутренней среде. Полярные соединения не могут диффундировать через эти клеточные мембраны, и поглощение полезных молекул происходит через транспортные белки, которые специально выбирают субстраты из внеклеточной смеси. Такое избирательное поглощение означает, что большинство гидрофильных молекул не могут попасть в клетки, поскольку они не распознаются никакими специфическими переносчиками. Диффузия гидрофобных соединений через эти барьеры, напротив, не может контролироваться, и поэтому организмы не в состоянии исключить жирорастворимые ксенобиотики с помощью мембранных барьеров.
Однако существование барьера проницаемости означает, что организмы смогли развить системы детоксикации, которые используют гидрофобность, характерную для мембранопроницаемых ксенобиотиков. Таким образом, эти системы решают проблему специфичности, обладая настолько широкой субстратной специфичностью, что метаболизируют практически любое неполярное соединение. Полезные метаболиты исключены, поскольку они полярны и, как правило, содержат одну или несколько заряженных групп.
Детоксикация реактивных побочных продуктов нормального метаболизма не может быть достигнута с помощью систем, описанных выше, поскольку эти виды получены из нормальных клеточных компонентов и обычно имеют общие полярные характеристики. Однако, поскольку этих соединений немного, специфические ферменты могут распознавать и удалять их. Примерами таких специфических систем детоксикации являются система глиоксалазы, которая удаляет реактивный альдегид метилглиоксаль, а также различные антиоксидантные системы, которые удаляют реактивные виды кислорода.
Фазы детоксикации
Метаболизм ксенобиотиков часто разделяют на три фазы: модификация, конъюгация и выведение. Эти реакции действуют согласованно для детоксикации ксенобиотиков и удаления их из клеток
Фаза I — модификация В фазе I различные ферменты вступают в реактивные и полярные группы на своих субстратах. Одной из наиболее распространённых модификаций является гидроксилирование, катализируемое цитохром Р-450-зависимой оксидазной системой со смешанной функцией. Эти ферментные комплексы включают атом кислорода в неактивированные углеводороды, что может привести либо к присоединению гидроксильных групп, либо к N-, O- и S-деалкилированию субстратов. Механизм реакции оксидаз P-450 протекает через восстановление связанного с цитохромом кислорода и образование высокореактивного оксиферрильного вида по следующей схеме:
O2 + НАДФH + H + + RH → НАДФ + + H2O + ROH
Реакции фазы I (также называемые несинтетическими реакциями) могут происходить путем окисления, восстановления, гидролиза, циклизации, дециклизации, присоединения кислорода или удаления водорода, осуществляемых оксидазами смешанной функции, часто в печени. В этих окислительных реакциях обычно участвуют монооксигеназа цитохрома P450 (часто сокращенно CYP), NADPH и кислород. К классам фармацевтических препаратов, которые используют этот метод для метаболизма, относятся фенотиазины, парацетамол и стероиды. Если метаболиты реакции фазы I достаточно полярны, они могут быть легко выведены из организма на этом этапе. Однако многие продукты I фазы не выводятся быстро и подвергаются последующей реакции, в которой эндогенный субстрат соединяется с вновь присоединённой функциональной группой, образуя высокополярный конъюгат.
Обычное окисление фазы I включает преобразование связи C-H в C-OH. Эта реакция иногда превращает фармакологически неактивное соединение (пролекарство) в фармакологически активное. Таким же образом фаза I может превратить нетоксичную молекулу в ядовитую (токсификация). Простой гидролиз в желудке обычно является безобидной реакцией, однако бывают и исключения. Например, метаболизм I фазы превращает ацетонитрил в HOCH2CN, который быстро диссоциирует на формальдегид и цианистый водород.
Метаболизм I фазы кандидатов в лекарственные препараты может быть смоделирован в лаборатории с использованием неферментных катализаторов. Этот пример биомиметической реакции, как правило, дает продукты, которые часто содержат метаболиты I фазы. Например, основной метаболит фармацевтического препарата тримебутин, десметилтримебутин (нор-тримебутин), может быть эффективно получен путем окисления in vitro коммерчески доступного препарата. Гидроксилирование N-метильной группы приводит к выделению молекулы формальдегида, в то время как окисление O-метильных групп происходит в меньшей степени.
Окисление Цитохром P450 монооксигеназная система Флавинсодержащая монооксигеназная система Алкогольдегидрогеназа и альдегиддегидрогеназа Моноаминоксидаза Коокисление с помощью пероксидаз
Восстановление НАДФ-цитохром-P450-редуктаза
Цитохром-P450-редуктаза, также известная как НАДФH-ферригемопротеиновая оксидоредуктаза, НАДФH-гемопротеиновая оксидоредуктаза, НАДФH-P450-оксидоредуктаза, P450-редуктаза, POR, CPR, CYPOR, является мембраносвязанным ферментом, необходимым для переноса электронов на цитохром P450 в микросоме эукариотической клетки от ФАД- и ФМН-содержащего фермента НАДФH-цитохром-P450-редуктазы Общая схема потока электронов в системе POR/P450 такова: НАДФH → ФАД → ФМН → P450 → O2.
Восстановленный (железистый) цитохром Р450.
Во время восстановительных реакций химическое вещество может вступать в бесполезную цикличность, при которой оно приобретает свободнорадикальный электрон, а затем быстро теряет его в пользу кислорода (с образованием супероксид-аниона).
Гидролиз Эстеразы и амидазы Эпоксид гидролаза
Фаза II — конъюгация В последующих реакциях фазы II эти активированные метаболиты ксенобиотиков конъюгируются с заряженными видами, такими как глутатион (GSH), сульфат, глицин или глюкуроновая кислота. Места на препаратах, где происходят реакции конъюгации, включают карбокси- (-COOH), гидрокси- (-OH), амино- (NH2) и тиоловые (-SH) группы. Продукты реакций конъюгации имеют повышенную молекулярную массу и, как правило, менее активны, чем их субстраты. В отличие от реакций фазы I, которые часто приводят к образованию активных метаболитов. Добавление больших анионных групп (таких как GSH) детоксифицирует реактивные электрофилы и производит более полярные метаболиты, которые не могут диффундировать через мембраны и, следовательно, могут активно транспортироваться.
Эти реакции катализируются большой группой трансфераз с широкой специфичностью, которые в совокупности могут метаболизировать практически любое гидрофобное соединение, содержащее нуклеофильные или электрофильные группы.Одним из наиболее важных классов этой группы являются глутатион S-трансферазы (GSTs). Механизм Вовлеченный фермент Кофактор Расположение Источники Метилирование Метилтрансфераза S-аденозил-L-метионин Печень, почки, легкие, ЦНС Сульфатация Сульфотрансферазы 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфат Печень, почки, кишечник Ацетилирование N-ацетилтрансферазы желчные кислоты-КоА: N-ацилтрансферазы аминокислот Ацетил кофермент А Печень, легкие, селезенка, слизистая желудка, эритроциты, лимфоциты Глюкуронирование UDP-глюкуронозилтрансферазы UDP-глюкуроновая кислота Печень, почки, кишечник, легкие, кожа, простата, головной мозг Конъюгация глутатиона Глутатион S-трансферазы Глутатион Печень, почки Конъюгация с глицином Двухэтапный процесс:
XM-лигаза (образует ксенобиотик ацил-КоА) Глицин-N-ацилтрансфераза (образует конъюгат глицина) Глицин Печень, почки
Фаза III — дальнейшая модификация и выведение После реакции фазы II конъюгаты ксенобиотиков могут подвергаться дальнейшему метаболизму. Обычным примером является переработка коньюгатов глутатиона в коньюгаты ацетилцистеина (меркаптуровой кислоты). Здесь остатки γ-глутамата и глицина в молекуле глутатиона удаляются гамма-глутамилтранспептидазой и дипептидазами. На последнем этапе остаток цистеина в конъюгате ацетилируется.
Конъюгаты и их метаболиты могут выводиться из клеток в III фазе метаболизма, при этом анионные группы действуют как аффинные метки для различных мембранных транспортеров семейства белков множественной лекарственной устойчивости (MRP). Эти белки являются членами семейства АТФ-связывающих кассетных транспортеров и могут катализировать АТФ-зависимый транспорт огромного разнообразия гидрофобных анионов, таким образом действуя для удаления продуктов II фазы во внеклеточную среду, где они могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму или выведены из организма.
Эндогенные токсины