Garnitura enzimatica microzomiala (nespecifica). sistemul ofmm (oxidaze cu functii mixte microzomiale)

GARNITURA ENZIMATICA MICROZOMIALA (NESPECIFICA). SISTEMUL OFMM (OXIDAZE CU FUNCTII MIXTE MICROZOMIALE)

Garnitura enzimatica microzomiala (nespecifica) se caracterizeaza prin specificitate de substrat redusa. Activitatea acestor enzime se adapteaza cu mare plasticitate - datorita fenomenului de inductie enzimatica la solicitarile determinate prin patrunderea medicamentelor si toxicelor in organism.

Enzimele microzomiale - se gasesc mai ales in ficat (localizate in reticulul endoplasmic neted), rinichi, mucoasa intestinala, cortico­suprarenale.

Cu ajutorul enzimelor microzomiale au loc procesele de oxidare, reducere si glucuronoconjugare ale unor substante fiziologice (acizi grasi, hormoni steroidieni, bilirubina), dar si ale multor medicamente.

Reactiile de oxidare sunt foarte frecvente si in general se realizeaza utilizand citocromul P₄₅₀ care se gaseste preponderent la nivelul hepatocitului, acesta fiind o hemoproteina care formeaza un complex ternar cu substratul endogen sau exogen si oxigenul.

Oxidarea medicamentelor necesita oxigen, NADPH si un sistem enzimatic microzomal dependent de citocromul P₄₅₀ cunoscut sub denumirea de monooxigenaza- oxidaza cu functie mixta.

Sistemul monooxigenazei cuprinde: NADPH citocrom P₄₅₀ reductaza (flavoproteina care reduce citocromul P₄₅₀) si citocromul P₄₅₀ (realizeaza transferul de electroni). NADPH-ul este sursa de electroni.

De fapt, citocromul P₄₅₀ (a carui denumire deriva de la maximul de absorbtie al enzimei tratate cu monoxid de carbon) reprezinta o familie de izoenzime care metabolizeaza sute de medicamente si de alte xenobiotice. Aceste izoenzime sunt impartite in mai multe familii si subfamilii care difera prin anumite secvente de aminoacizi, dar in structura generala a tuturor se regasesc 104 resturi de aminoacizi si o grupare prostetica (hemul).

Conform conventiilor internationale, abrevierea pentru citocromul P₄₅₀ este CYP, urmata de o cifra care indica familia (in cadrul unei familii sunt grupate izoenzimele care au cel putin 40% resturi de aminoacizi in comun); in continuare, o litera majuscula desemneaza subfamilia (care cuprinde izoenzimele cu cel putin 55% aminoacizi in comun), iar individualizarea se face adaugand inca o cifra. De exemplu, CYP 2A6. Diferitele izoenzime ale citocromului P₄₅₀ sunt supuse in mod diferit si in proportii variabile proceselor de inductie si de inhibitie enzimatica.

Schematic, oxidarea se produce conform ecuatiei:

MED= medicament, cu participarea sistemelor enzimatice amintite.

Procesul detaliat de metabolizare la nivel microzomial, cu participarea oxigenului, a NADPH si a oxidazelor cu functii mixte este prezentat in figura nr. 7.

Sistemul oxidazelor cu functii mixte cromozomiale (OFMM) catalizeaza 7 tipuri reactii de oxidare (reactii ale fazei I) - hidroxilarea aromatica, hidroxilarea alifatica, dezaminarea oxidativa, O-dezalchilarea oxidativa, N-dezalchilarea oxidativa, N-oxidarea si S-oxidarea, precum si un tip de reactie de conjugare (reactie a fazei a II-a) - glucuronoconjugarea. Schema generala a reactiilor de oxidare microzomiala, cu indicarea reactantilor (substante medicamentoase) si a produsilor de reactie (metaboliti primari) este prezentata in figura nr. 8.

1. Reactii metabolice ale fazei I catalizate de enzimele microzomiale

A. Reactii de oxidare

a). Hidroxilarea aromatica si alifatica

Hidroxilarea nucleului aromatic este o cale de metabolizare frecvent intalnita in lumea vie, in urma reactiei de oxidare rezultand fenoli, care la randul lor, in cadrul reactiilor metabolice din faza a II-a, sunt supusi procesului de glucuronoconjugare sau de sulfat conjugare. Schematic, procesul decurge conform reactiei:

In cazul in care nucleul aromatic este substituit, hidroxilarea aromatica decurge stereospecific, cu formarea preferentiala a p-fenolilor si, in mai mica masura, a o-fenolilor. De pilda, biotransformarea fenobarbitalului implica hidroxilarea aromatica in pozitia para a nucleului benzenic si, in mult mai mica masura o-hidroxilarea sau obtinerea unor derivati dihidroxilati (polifenoli). Metabolitul primar format cu preponderenta - p-hidroxi-fenobarbitalul - este apoi, in cadrul reactiilor fazei a doua, glucuronoconjugat sau sulfoconjugat. Oxidarea fenobarbitalului la p-hidroxi-fenobarbital este redata in figura urmatoare (fig. nr. 9):

Daca exista mai multe nuclee aromatice in structura moleculei medicamentase, hidroxilare poate avea loc la fiecare din acestea, obtinandu-se ca metaboliti ai fazei I mai multi compusi fenolici. De exemplu, metabolizarea diclofenacului poate avea loc prin oxidarea in pozitiile 3' sau 4' ale nucleului diclorofenil sau in pozitia 5 a nucleului fenil de care este atasat radicalul provenit din acidul acetic, conform figurii nr. 10.

Referat: Vitaminele - surse alimentare de vitamine Referat: 41 de sfaturi pentru viata lunga recomandate de doctor

Se considera ca multitudinea enzimelor microzomiale care realizeaza hidroxilarea aromatica prezinta asemanari sterice cu enzimele care realizeaza introducerea gruparii hidroxil in cazul hormonilor steroizi

In cazul catenelor alchilice, principala cale de metabolizare la nivelul microzomilor hepatici este hidroxilarea alifatica, in urma acestui proces metabolic rezultand alcooli primari sau secundari:

In continuare, acesti metaboliti primari sunt preluati de enzimele citosolice si sunt oxidati in continuare la aldehide (alcoolii primari), respectiv cetone (alcoolii secundari).

Putem prezenta, ca exemplu de hidroxilare alifatica, biotranformarea hepatica a tolbutamidei, metabolitul hidroxilat fiind inactiv (figura nr. 11):

In cazul in care un compus medicamentos prezinta in structura sa chimica un nucleu aromatic, dar si substituenti alchil, exista doua cai de metabolizare principale: oxidarea alifatica a catenei laterale, proces care are loc preferential si este cu atat mai pronuntat cu cat lungimea catenei laterale este mai mare, precum si hidroxilarea aromatica, care este o cale metabolica secundara.  De pilda, in cazul fenilbutazonei, prin hidroxilarea nucleului aromatic in pozitia para, se obtine oxifenbutazona (metabolit I), care este un metabolit activ, responsabil, cel putin in parte, de actiunea antiinflamatoare a medicamentului; prin hidroxilarea alifatica a catenei laterale se obtine un metabolit de tip alcool secundar - 1,2-difenil-4-(3-hidroxibutil)-pirazolidin-3,5-diona - care poseda o puternica actiune uricozurica, conform figurii nr. 12.

b).  Dezaminarea oxidativa

Dezaminarea oxidativa a xenobioticelor se realizeaza la nivel microzomial pentru substantele medicamentoase cu structura de amina, a caror configuratie structurala este diferita de a moleculelor endogene (aminele endogene si medicamentele sau metabolitii cu structura asemanatoare acestora sunt dezaminate de catre MAO).

In urma dezaminarii oxidative microzomiale se obtin aldehide sau cetone, precum si amoniac conform reactiei generale:

Amfetamina, compus cu structura de b-fenil-etilamina lipsit de gruparile hidroxil fenolice specifice catecolaminelor endogene, este dezaminata oxidativ la nivel microzomial, obtinandu-se fenilacetona (care este oxidata in continuare la acid fenilacetic, care in reactiile fazei a II-a este conjugat cu glicina) si amoniac; o cale metabolica secundara este hidroxilarea aromatica, in pozitia para a nucleului aromatic, derivatul hidroxilat obtinut fiind apoi glucuronoconjugat (figura nr.13):

c). O-dezalchilarea oxidativa a eterilor

Reactia metabolica de dezalchilare a eterilor are ca urmare aparitia, ca produsi de biotransformare, a fenolilor sau a alcoolilor. Aceasta reactie biochimica este o reactie de oxidare deoarece are loc printr-o etapa intermediara care consta in hidroxilarea catenei alifatce, urmate de indepartarea acesteia sub forma unui compus oxidat (de exemplu, formaldehida), conform reatiei generale:

In urma dezalchilarii se pot obtine compusi cu efect farmacodinamic mai puternic decat al moleculei parentale (dezalchilarea codeinei la morfina) sau care prezinta reactii adverse mai reduse si o toleranta mai buna (biotransformarea fenacetinei la paracetamol). Toate aceste exemple sunt ilustrate in figura nr. 14 .

d). N-dezalchilarea oxidativa a aminelor secundare si tertiare

N-dezalchilarea aminelor secundare si tertiare este o cale metabolica generala pentru xenobiotice la nivelul microzomilor hepatici. Enzimele microzomiale hepatice implicate in acest tip de biotransformare nu metabolizeaza compusii similari endogeni cum sunt aminoacizii N-metilati.

Reactia de N-dezalchilare decurge ca o reactie de oxidare, deoarece mai intai are loc hidroxilarea gruparii alifatice de la nivelul atomului de azot, grupare care apoi este indepartata, conform reactiei generale:

In urma acestui tip de reactie se pot obtine metaboliti activi (biotransformarea imipraminei la desipramina). Totusi, in anumite situatii, metabolitul dezalchilat poate avea o toxicitate mai ridicata decat produsul din care provine (norpetidina, metabolit al petidinei este neurotoxic, producand excitatie centrala, chiar convulsii). Aceste exemple de biotransformare sunt ilustrate in figura nr. 15 :

Metabolizarea diazepamului decurge in principal, prin N-dezalchilare, obtinandu-se un metabolit activ - desmetildiazepamul sau nordazepamul. Acest metabolit are un timp de injumatatire foarte lung, se cumuleaza, fiind responsabil in mare masura de efectele medicatiei in terapia de durata. Practic, metabolizarea diazepamului decurge prin N-dezalchilari si hidroxilari repetate, cu formare de metaboliti activi (nordazepam, oxazepam) si inactivi, derivatii hidroxilati obtinuti fiind apoi supusi procesului de glucuronoconjugare, in faza a doua. Shematic, procesul de biotransformare hepatica in faza I a diazepamului este redat in figura nr. 16.

e). N-oxidarea aminelor tertiare

Reactiile de N-oxidare sunt caracteristice aminelor tertiare, obtinandu-se ca produs de reactie N-oxidul corespunzator aminei respective:

Trebuie subliniat faptul ca si aminele secundare sau primare pot suferi procesul de N-oxidare (de exemplu, anilina este transformata partial in nitrobenzen, cu consecinte methemoglobinizante), dar acest proces este neinsemnat din punct de vedere cantitativ si nu prezinta importanta generala ca forma de biotransformare metabolica.

In schimb, aminele tertiare sunt N-oxidate cu formare de metaboliti care pot fi identificati ca atare. Astfel, imipramina, pe langa procesul de demetilare prezentat mai inainte poate suferi reactia de N-oxidare.

f). S-oxidarea derivatilor tiolici

Procesul de S-oxidare mareste gradul de oxidare a atomului de S si creste polaritatea moleculei. In urma acestui proces, metabolitii principali sunt sulf-oxizii:

Putem exemplifica, dintre medicamentele care se metabolizeaza prin sulf-oxidare, derivatii de fenotiazina, cum este clorpromazina:

Trebuie subliniat faptul ca, in organism, in cursul procesului de metabolizare, majoritatea compusilor cu sulf sufera un proces de desulfurare, in care atomul de S  este inlocuit cu unul de oxigen. Se obtin astfel, analogi oxigenati ai compusilor cu sulf, dintre care unii sunt activi (tiopentalul trece in pentobarbital, parationul trece in derivatul oxigenat mult mai toxic paraoxon (figura nr. 18):

B. Reactiile de reducere

La nivelul garniturii  enzimatice microzomiale, pe langa reactiile de oxidare se intalnesc si alte tipuri de reactii, cum sunt cele de reducere (procese de azo-, nitro- si cetoreducere).

a). Procesul de azoreducere a fost intens studiat dupa descoperirea prontosilului rosu de catre Domagk, deoarece, prin descoperirea modului de biotransformare al acestei substante s-a descoperit ca responsabilitatea actiunii antimicrobiene revine unui metabolit obtinut in urma reducerii gruparii azo, adica sulfanilamidei.

b). Reactia de nitroreducere catalizata enzimatic conduce la amine primare; punem exemplifica cu procesul de nitroreducere al cloramfenicolului sau al nitrazepamului. Acesta din urma este prezentat schematic in figura nr. 19.

c). Reactia de cetoreducere este foarte importanta pentru activarea metabolica a corticosteroizilor  care au o grupare cetonica in pozitia 11 a nucleului sterolic. In urma activarii prin reducere, acesti derivati sunt transformati in 11-hidroxi-analogi; la indivizii care au o functie hepatica deficitara, reactia de cetoreducere se desfasoara cu dificultate, de aceea se vor administra numai derivati glucocorticoizi 11-hidroxilati, activarea metabolica nefiind posibila.

Exemplificam acest tip de reactie cu procesul de transformare a cortizonului in hidrocortizon, respectiv a prednisonului in prednisolon (figura nr. 20):

2. Reactii metabolice ale fazei a II-a catalizate de enzimele microzomiale hepatice

La nivel microzomial, reactiile fazei a II-a, in urma carora rezulta metaboliti intens polari, usor eliminabili, cuprind procesele de glucurono-conjugare si glutation-conjugare. Procesul de conjugare cu glutationul nu este specific numai enzimelor microzomiale, el putand avea loc si la nivel intracitoplasmatic si va fi prezentat in cadrul proceselor enzimatice nemicrozomiale. In continuare se vor evidentia cateva aspecte specifice ale fenomenului biochimic de glucurono-conjugare.

a). Procesul de glucurono-conjugare

Reactiile de glucurono-conjugare sunt reactii de inactivare, cu formare de compusi intens hidrofili, usor de eliminat. Metabolitii formati in urma glucurono-conjugarii sunt de tipul O-eter sau O-ester glucuronat.

Prin glucuronoconjugare sunt transformati atat compusi endogeni (bilirubina, hormoni steroizi, vitamine precum acidul nicotinic, derivati ai colesterolului), precum si numeroase substante exogene si metabolitii acestora rezultati in urma reactiilor din faza I, cu structura fenolica sau de acid carboxilic.

Procesul de glucuronoconjugare este un proces consumator de energie, care necesita o activare prealabila. Forma activa a glucuronil-transferazei hepatice este UDP-glucuronil-transferaza. Procesul metabolic decurge prin formarea din G-1-fosfat si UTP a UDP-glucozei, care apoi este dehidrogenata, in prezenta coenzimei NAD⁺, forma oxidata, la acid UDP-glucuronic (UDP-GA, numit si acid uridin -5'-difosfoglucuronic). Forma activa a acidului glucuronic astfel rezultata (UDP-GA) este legata de metabolitul hidroxilat sau carboxilat al unei substante exogene medicamentoase, la nivelul microzomilor hepatici. Secventele metabolice implicate in metabolizarea pe aceasta cale sunt urmatoarele:

Numeroase medicamente sunt supuse, in cadrul fazei a II-a de metabolizare, procesului de glucuronoconjugare: acid p-aminobenzoic, acid salicilic, cloramfenicol, morfina, paracetamol, diazepam, mentol, fenolftaleina etc.

Deoarece activitatea UDP-glucuronil-transferazei este foarte redusa la nou-nascut, administrarea unor medicamente care se metabolizeaza pe aceasta cale poate duce la reactii adverse grave, fie prin deplasarea unor compusi endogeni de pe substrat (cresterea cantitatii de bilirubina libera in detrimentul celei conjugate cu aparitia icterului nuclear), fie prin capacitatea redusa de metabolizare (aparitia sindromului cenusiu dupa administrare de cloramfenicol).

Dintre numeroasele exemple de biotransformare prin glucurono­conjugare prezentam in figura nr. 21 reactiile de conjugare din faza a II-a pentru morfina si acid salicilic (rezultat prin hidroliza aspirinei).