Dr. Özlem Görüroğlu Öztürk Tıbbi Biyokimya AD KSENOBİYOTİKLER Dr. Özlem Görüroğlu Öztürk Tıbbi Biyokimya AD

Terimler Ksenobiyotikler: Besin amaçlı doğal bileşikler dışında, çeşitli yollardan vücuda giren yabancı maddeler. Ksenos: Yun. Vücuda yabancı. Biyotransformasyon: Ksenobiyotiklerin çeşitli enzimlerin etkisi ile vücutta uğradığı kimyasal değişiklikler. Biyoaktivasyon: Biyotransformasyon sırasında bazı ksenobiyotiklerin biyolojik olarak daha etkin veya toksik bileşiklere dönüşmesi. Biyoinaktivasyon: Biyotransformasyon sırasında bazı ksenobiyotiklerin biyolojik etkisiz bileşiklere dönüşmesi.

Ksenobiyotik türleri Vücuda giriş yolları Değişim şekilleri Kozmetikler GIS yoluyla (oral), deriden emilim Spontan değişim Katkı maddeleri, renklendirici, tatlandırıcılar GIS yoluyla Değişmeden atılım ilaçlar GIS yoluyla, deriden emilim, inhalasyon, Parenteral enjeksiyon Değişmeden atılım, biyotransformasyon İnsektisidler ve fungisid artıkları Deriden emilim, inhalasyon Biyotransformasyon Endüstriyel kimyasallar ve atıklar GIS yoluyla, inhalasyon Bakteriyel ve bitkisel maddeler GIS yoluyla, deriden emilim, inhalasyon

Ksenobiyotiklerin transportu Ksenobiyotikler kanda transport proteinlerine (en fazla albümin ve alfa-1 asit glikoprotein) bağlanarak taşınırlar; Bağlanma geri dönüşümlüdür (reversible). Bazı ksenobiyotikler kalıcı bağlanma yapar, kalıcı bir toksisite ortaya çıkar. Bağlanma iyonik bağlar ve hidrofobik etkileşmeler aracılığı ile olur. Ksenobiyotiğin sadece serbest fraksiyonu biyolojik olarak aktiftir.

Ksenobiyotiklerin transportu Proteinlere bağlanma ksenobiyotiklerin vücuttan eliminasyonunu azaltır. Albumin daha çok asidik maddeleri bağlar. Alfa-1 asit glikoproteinler ise daha çok bazik ilaçları bağlar.

Bazı ksenobiyotikler afiniteleri olan dokularda birikebilirler. Bu olaya sekestrasyon denir. DDT, pestisitler adipoz dokuda CO Hb Kurşun, alüminyum diş eti kemik dokusu Siyanür Fe+3, sitokromlar Uyuşturucular saçta birikir

KSENOBİYOTİK METABOLİZMASI

KSENOBİYOTİK METABOLİZMASI vücudun tosik maddelere ne yaptığıdır….. Toksik maddeler Daha az toksik kimyasallara (metabolitlere), veya Daha toksik kimyasallara (metabolitlere) , veya Farklı tip ve etkisi olan kimyasallara dönüştürülebilirler..

Ksenobiyotikler Suda çözünür ksenobiyotikler: İdrar ve safra yolu ile kolayca atılabilirler Ör: Penicillin grubu 2. Lipofilik ksenobiyotikler Kolayca vücuttan atılamazlar Adipoz doku ve lipidden zengin yapılarda birikirler (Bazı tarım ilaçları-DDT) Bu nedenle, lipofilik ksenobiyotikler, idrar ve safra yolu ile atılabilecek suda çözünür bileşiklere dönüştürülür.

Ksenobiyotik Metabolizması Nerede Gerçekleşir? Metabolizma için gerekli enzimler; Plazma, Böbrek, Akciğer, Bağırsak duvarı ve KARACİĞER de bulunur KARACİĞER sindirim yolu ile alınan toksinlerin metabolizması için ideal organdır ve biyotransformasyonda majör rol oynar

KARACİĞER safra Feçes venöz kan İdrar, Hava yolu ile ekspirasyon Hepatositler (karaciğer hücreleri) portal venöz kan Düz Endoplazmik retikulum safra Feçes mikrozom Sitokrom p450 içerir sistemik arteryal kan venöz kan İdrar, Hava yolu ile ekspirasyon

Ksenobiyotikler Yüksek lipofilik bileşikler Lipofilik bileşikler Polar bileşikler FAZ I biotransformasyon (oksidasyon, redüksiyon, hidroliz) FAZ II biotransformasyon (Konjugasyon) Böbrek ve safra yolları ile atılım Hidrofilik bileşikler

Biotransformasyon reaksiyonlarının tipleri Moleküllerdeki yapısal değişimi ifade eder FAZ I Reaksiyonları– sentez reaksiyonları değildir. Polariteyi arttıran bir grup eklenir ya da oluşturulur. FAZ II Reaksiyonları– sentez reaksiyonlarıdır. İlaç endojen bir sustrat ile birleştirilir.

Biotransformasyon reaksiyonlarının tipleri Moleküllerdeki yapısal değişimi ifade eder FAZ I – ksenobiyotiğin hem kimyasal hem de biyolojik etkisinde değişikliğe yol açar (hidroksilasyon reaks.) oksidasyon redüksiyon kopma (hidroliz) FAZ II – faz I reaksiyonu sonucu oluşan metabolitleri daha polar hale getirir (Konjugasyon reaks.) Glukuronidasyon (Glukuronik asit ile konjugasyon) Glutatyon ile konjugasyon Asetilasyon Metilasyon Sulfatasyon

Ksenobiyotiklerin metabolizmasında görev alan enzimler FAZ I sitokrom P450 enzim sistemi Flavin-içeren monoksijenazlar Epoksid hidrolazlar FAZ II “Transferazlar” Sulfotransferazlar (ST) UDP-glucuronosiltransferazlar (UGT) Glutatyon S-transferaz (GST)

Faz I reaksiyonları Faz I reaksiyonlar ksenobiyotiğin hem kimyasal yapısında, hem de biyolojik etkisinde değişikliğe yol açar: Oksidasyon: Büyük bir kısmı karaciğer parankim hücrelerinin mikrozomal enzimleri tarafından gerçekleştirilir. İndirgenme: Oksidasyon reaksiyonlarına göre daha az gerçekleşir. Aldehitlerin alkole dönüşmesi, Azo grubunun aminlere dönüşmesi, Nitro grubunun hidroksilaminlere dönüşmesi Hidroliz: Ksenobiyotiğin bir grubunun koparılması ya da iki parçaya bölünme. Hidroliz, O-dealkilasyon, N-dealkilasyon

Faz I Reaksiyonları 1. Oksidasyon reaksiyonları Faz I reaksiyonlarında en önemli reaksiyon tipi hidroksilasyondur. Bu reaksiyonlar monooksijenaz reaksiyonları olup elektron taşıyıcısı olarak sitokrom p- 450 enzimini gerektirir.

SİTOKROM P450 ENZİMLERİ Hücrede düz endoplastik retikulum, mitokondride bulunur. İlaç, kimyasal ve karsinojenlerin NADPH bağımlı oksidasyonunu katalizlerler. NADPH- Sitokrom P450 redüktaz birlikte çalışır Hem içeren oksidazlardır. Enzimin aktif noktası demir (Fe) iyonudur Prokaryotlardan yüksek ökaryotlara kadar tüm canlılarda bulunurlar.

SİTOKROM P450 ENZİMLERİ Sitokrom p-450 türlerinin 150 izoformu vardır. 500 den fazla Sitokrom P450 geni tanımlanmıştır. Sitokromlar insan dokusunda 18 aile ve 43 alt aile olarak expresse edilmektedir. Sitokrom P4501A1, 1A2 Sitokrom P4502A6, A7, B6, C8, C9, C18, C19 Sitokrom P450D6, E1, F1, J2 Sitokrom P4503A4, 3A5, 3A7 Sitokrom P4504A4, 4A9, 4B1, 4F2, 4F3 Sitokrom P4507 Sitokrom P45011A1, 11B1, 11B2, Sitokrom P45017 Sitokrom P45019 Sitokrom P45021A2 Sitokrom P45027

CYP450 ADLANDIRMA SİSTEMİ CYP – Sitokrom P450 3 – Familya (> 40% sekans benzerliği) A – Alt-familya (> 55% sekans benzerliği) 4 – Spesifik gen/enzim (izozim, izoenzim) CYP –mRNA veya protein CYP – gen (italik) İnsanda 50’den fazla CYP450 izozimi saptanmış olup, bunlar amino asid sırası (sekans) benzerliklerine göre 17 familya, 39 alt familya içinde sınıflandırılmışlardır. Nelson DR. Arch Biochem Biophys 369:1-10, 1999 CYP1A1 – Sitokrom P450 1A1’e ait bilgiyi kodlayan gen

Sitokrom P450 enzimleri 2 genel sınıfa ayrılır Steridojenik Sitokrom P450 Enzimleri (Mitokondri) Steroid Safra asitleri Kolesterol Prostaglandin 2. Ksenobiyotik Sitokrom P450 Enzimleri (düz ER) Toksin Karsinojen İlaç Mutagen

SİTOKROM P450 ENZİMLERİ Sitokrom P450 enzimleri uyarılabilir (indüklenebilir) enzimlerdir. Uyarılmaları durumunda ilaçların inaktivasyon ve atılım hızında artışa veya etkinliklerinde değişikliğe yol açar. Örnek: Fenobarbital antiepileptik bir ilaçtır. Fenobarbital ile kullanılan 2. bir ilaç varsa tedavi etkinliğinin artırılması için 2. ilacın dozu artırılır.

Fenobarbital P450 sistemini uyarır ve birkaç gün içinde endoplazmik retikulum hipertrofiye uğrar. Bu etki P450 mRNA transkripsiyonunda artış ve katabolizmasında azalışa bağlıdır. Fenobarbitalle birlikte kullanılan ikinci bir ilaç varsa bu yüzden dozunun artırılması gerekir.

SİTOKROM P450 ENZİMLERİ Sitokrom izoformlarının büyük çoğunluğu bir oksijen atomunu substrata ekleyen karışık işlevli monooksijenazlardır. Flavoproteinler: FAD ve FMN

Sitokrom P450 Transport Sistemleri Endoplazmik retikulumda NADPH-sitokrom P450 redüktaz: Yapısında FAD ve FMN bulunur. FAD elektron giriş, FMN çıkış yeridir. Mitokondride NADPH-adrenodoksin redüktaz: Yalnızca FAD bulunur. Flavoproteinler: FAD ve FMN

Sitokrom P450 enzimleri Ksenobiyotik METABOLITE =ksenobiyotik+O O2 karaciğer Düz ER NADP+ NADPH WATER H+

Sitokrom P450 sistem Reaks.

2. Faz I İndirgenme reaksiyonları Bu reaksiyonlarda NADPH ile birlikte FADH2 ve diğer flavinler görev alır. Aldehitlerin alkollere dönüşümü: Örnek olarak sedatif ve hipnotik ilaç kloralhidratın etkin şekil olan trikloretanole dönüşümü gösterilebilir. CCl3-CHO  CCl3-CH3-OH Azo (N=N) grubunun aminlere dönüşümü: prontosilinin sülfonamide dönüşümü. R-N=N-R’  R-NH-NH-R’  R-NH2 + R’-NH2 Nitro grubunun hidroksilamin veya amin grubuna dönüşümü: kloramfenikolün nitro grubu amine dönüşerek inaktivasyona yol açar. R-NO2  R-NO  R-NH-OH  R-NH2

3. Faz I Kopma reaksiyonları Hidroliz: Esterazlar esterleri hidroliz ederek inaktif hale getirir. Örneğin antiaritmik prokain PABA ve dietilaminoetanole hidroliz edilir. R-CO-O-R’  R-CO-OH + R’-OH R-CO-NH-R’  R-CO-OH + R’-NH2 b) Dekarboksillenme: dekarboksilazlar tarafından aminlere dönüşüm olur. c) Glikozidlerin hidrolizi: glikozidazlar etili olur d) O-dealkilasyon ve N-dealkilasyon.

Faz II Reaksiyonları Faz II reaksiyonları ile, faz I reaksiyonları sonucunda hidroksile olmuş ksenobiyotikler; Glukuronik asit, Sulfat, Asetat, Glutatyon gibi moleküller ile konjugasyona uğrarlar ve bu da onları suda çözünür kılar ve sonuçta idrar ve safra ile atılırlar. Glukuronidasyon (Glukuronik asit ile konjugasyon) Glutatyon ile konjugasyon Asetilasyon Metilasyon Sulfatasyon

1. Glukuronidasyon Ksenobiyotiklerin glukuronidasyonu bilirubine benzer. UDP-glukuronik asit glukuronil donorüdür. Karsinojen olan fluoren, anilin, benzoik asit, steroidler ve bir çok moleküller glukuronatlar şeklinde atılıma uğrarlar. Glukuronik asit bu bileşiklerin oksijen, azot ve kükürt gruplarına bağlanır.

2. Glutatyon ile konjugasyon (GST) Ksenobiyotik- GSH  ksenobiyotik-S-G Bu reaksiyonları katalizleyen Enzimler Glutatyon S-Transferaz (GSTT1, GSTM1, GSTP1, …) lardır Karaciğerde yüksek, diğer dokularda düşük oranda bulunurlar.

H2O2 biriktiği zaman, hemoglobinin methemoglobine oksidasyon hızı artmakta ve sonuçta eritrositlerin yaşam süresi kısalmaktadır. Doku hasarı MetHb NADP H2O SOD NADPH + H+ 2O2- +2H H2O2 Redükte GSH Redüktaz GULUTATYON Peroksidaz GSSG okside H2O

3. Asetilasyon Ksenobiyotik + Asetil coA  Asetil-ksenobiyotik Ko A Bu reaksiyonlar özellikle karaciğer başta olmak üzere bir çok dokuların sitozollerinde bulunan N-asetiltransferazlar (NAT1, NAT2) tarafından katalizlenir. Örnek: Sulfonamidler ve tüberküloz tedavisinde kullanılan izoniazid asetilasyona uğrayarak vücuttan atılır.

4. Metilasyon Ksenobiyotiklerin bir kısmı da, metil donorü olarak S-Adenozil metiyonin kullananarak metiltransferazlar (MT) ile metilasyona uğrarlar

5. Sulfatasyon (Sulfat ile konjugasyon) Alkol, aril aminler, fenoller sulfatlanarak vücuttan atılırlar. Bunlar, steroid, glikozaminoglikanlar, glikoproteinler, glikolipidler gibi diğer biyolojik sulfatasyon reaksiyonlarında olduğu gibi sulfat donorü olarak Adenozin 3’ fosfat 5’ fosfosülfat (PAPS) (Aktif sülfat) kullanır

5. Sulfatasyon Reaksiyonları

Ksenobiyotikleri metabolize eden enzim aktivitelerini etkileyen faktörler: Türler; Bir tür için toksik ve karsinojen olan bir bileşik başka bir tür için olmayabilir. Etnisite; örn. İzoniazidin yavaş veya hızlı asetilasyonu (hız Eskimolarda %95, İngilizlerde, mısırlılarda %13) Genetik faktörler; (GST, NAT, Sitokrom P450 mutasyonlar ve polimorfizm) Yaş; yaşlılarda ve çocuklarda ksenobiyotik metabolizma hızlı yavaştır Cinsiyet; örn. Kadınlarda etanol daha yavaş metabolie edilir Klinik ve fizyolojik durumlar; Bireylerin indükleyici kullanıp kullanmaması Ör, fenobarbital

Türler Hekzobarbital metabolizmasının türler arası oranı (örn; fenilbutazon tavşanlarda 3 saat, atlarda 6 saat, farelerde 18 saat, insanlarda ise 36 saatte metabolize edilir) Kumarin : 7-Hidroksilasyon sadece insanda, kedide ve tavşanda gerçekleşir fakat rat ve farede gerçekleşmez. Bu yüzden toksisite araştırmalarında kullanılan hayvanların metabolizması insanlara benzer olmalıdır

YAŞ Birth Adult % Enzyme activity CP Fetus & yeni doğan : UDPGT Conjugated-CP Excretion Fetus & yeni doğan : Erişkinlere oranla ilaç metabolizma kapasitesi düşüktür. İlaçlara sensitivite vardır İlaçların etkisi uzun sürer Glucoronosyltransferase (UDPGT) GREY BABY SYNDROME (toxicity of chloramphenicol in newborn baby) Volmiting irregular & rapid respiration Cyanosis % Enzyme activity Birth Adult

GENETİK Ksenobiyotikleri metabolize eden enzimler bireyler arasında farklılıklar gösterebilir. Populasyonlar hızlı metabolize edenler ve yavaş metabolize edenler olarak ayrılabilir. Variation in toxicant metabolism Variation of toxicant level in the body Variation of toxicant response/toxicity

İlaç ve ksenobiyotik etkisinin genetik fakörlere bağlı değişimi Ksenobiyotiklerin detoksifikasyonunda rol alan enzim sistemlerinin yaklaşık yarısının etnik ve bireysel farklılık göstermesi (genetik polimorfizm) farmakogenetik alanındaki çalışmaların önemini arttırmıştır. Kalıtsal özelliği olan ve ilaca karşı beklenmeyen cevap veren bireyler farmakogenetiğin konusu olmuştur.

Hastalıklar Hormonlar Karaciğer hastalıkları: azalmış ilaç metabolizmasına yol açar. siroz Akut alkol kullanımı, kronik alkol kullanımı, alkolik siroz Endrokrin hastalıklarda : diabet Hormonlar Tiroid hormonları Insülin hipofiz hormonları cinsiyet hormonları

FOOD Non-nutrients Protein Pyrolysis products Cabohydrate Fat Vitamins Non-nutrients Pyrolysis products some chemical in plants : Indole compounds (Cabbage/ Brussel sprout) PYROLYSIS PRODUCTS Break down products of amino acid after over cook meat at high temp (fried/charcoal -broiled) Induce drug metabolizing enzymes : P450s and UDPGT Mutagenecity/ Carcinogenicity

Kimyasallar/ İlaçlar İNHİBİTÖRLER (simetidin) Toksik maddelerin aktif olarak vücutta kalma sürelerini arttırır Yada aktif ajanlara dönüşmesi gereken ön-ilaçların dönüşümünü geciktirir. İNDÜKLEYİCİLER (barbitürat, carbamazepine) toksik maddelerin aktif kaldığı süreyi kısaltırlar Ya da ön-ilaçların aktif ilaca dönüşümünü hızlandırırlar.

ÖZET Ksenobiyotikler ilaç, gıda katkıları ve çevresel kirlilikler gibi çok sayıda belirlenmiş vücuda yabancı bileşiklerdir. İki fazda metabolize edilirler: Başlıca faz 1 reaksiyonu monooksijenazlar tarafından katalizlenen hidroksilasyondur . Faz 2’de hidroksile bileşik suda çözünen glukuronik asit, sülfat ve glutatyon gibi bileşiklerle konjuge edilir.

ÖZET Sitokrom P450’ler moleküler oksijenden bir oksijen atomunu moleküle katarlar. NADPH ve NADPH-sitokrom P450 redüktaz kompleks reaksiyon mekanizmasına katılır. Tüm Sitokrom P450’ler hemoproteindir ve geniş substrat özgüllüğüne sahiptir. Bilinen en çok yönlü katalisttir. Genellikle endoplazmik retikulumda yerleşiktir ve indüklenebilirdir. Mitokondriyal Sitokrom P450 kolesterol ve steroid biyosentezinde görev alır.

ÖZET Faz 2 reaksiyonları glukuroniltransferazlar, sulfotransferazlar, glutatyon-S-transferazlar gibi enzimlerle katalizlenir. Bunlar sırasıyla UDP-glukuronik asit, PAPS ve glutatyonu kullanır. Ksenobiyotikler farmakolojik yanıt, toksisite, immunolojik yanıt ve kanser gibi çeşitli biyolojik etkilere yol açabilir.