Биотрансформация как первая фаза метаболизма лекарственных веществ в организме.

Биохимическая трансформация лекарственных веществ в организме. Под биотрансформацией (метаболизмом) понимают комплекс физико-химических и биохимических превращений ЛВ, в процессе которых образуются полярные водорастворимые вещества (метаболиты), которые легче выводятся из организма. Установлено, что основные метаболические превращения ЛВ протекают в печени, хотя биотрансформация ксенобиотиков параллельно происходит в лёгких, плаценте, слизистой кишечника и в других органах. Как правило, чужеродные вещества или эндогенные субстраты превращаются в более полярные водорастворимые молекулы ферментами различных органелл клетки. Например, попадая в организм, толуол окисляется ферментами эндоплазматического ретикулума до бензилового спирта, который в цитоплазме окисляется до бензойной кислоты. Последняя, в свою очередь, соединяется с глицином. Образующийся бензоилглицин (гиппуровая кислота) хорошо растворим в воде и поэтому легко выводится с мочой. Однако основная роль в биотрансформации лекарственных средств отводится ферментам эндоплазматического ретикулума клеток печени. Эндоплазматическая сеть представляет собой общую внутриклеточную систему, объединяющую все клеточные органеллы в единое целое, являясь динамическим скелетом клетки. Установлено, что метаболические превращения лекарственных, канцерогенных, токсических веществ, а также эндогенных субстратов (гормонов) осуществляются ферментативными системами, локализованными в эндоплазматическом ретикулуме печёночных клеток. Одна из этих систем специфична к никотинамидоадениндинуклеотид-фосфату (НАДФН), а другая — к никотинамидоадениндинуклеотиду (НАДН). Суть реакций окисления, которые участвуют в детоксикации ядов и метаболизма некоторых эндогенных субстратов, состоит в гидроксилировании, т. е. во введении гидроксильной группы в структуру фармакологического препарата, что делает последний более полярным и облегчает выведение его почками. Гидроксильная группа может быть введена в молекулу в результате окисления, восстановления или гидролиза. При помощи меченого кислорода было показано, что, во-первых, в реакциях гидроксилирования участвует молекулярный кислород воздуха, во-вторых, один атом кислорода восстанавливается до воды, а другой инкорпорируется в составе гидроксильной группы в молекулу метаболизируемого субстрата. Процесс можно представить в виде следующего уравнения: где RН — фармакологический препарат. Система микросомального гидроксилирования состоит по меньшей мере из двух каталитических компонентов: цитохрома Р-450 и флавопротеида. Последний катализирует восстановление этого цитохрома посредством НДФН2 и называется НАДФН-цитохром-Р-450-редуктазой. Некоторые авторы предполагают, что данный флавопротеид, помимо своей основной функции (переноса электронов в гидроксилирующей системе), может катализировать и некоторые оксигеназные и редуктазные реакции. Механизм гидроксилирования включает пять основных стадий процесса. На первой стадии метаболизируемый субстрат связывается с окисленной формой цитохрома Р-450. Вторая стадия гидроксилирования заключается в восстановлении фермент-субстратного комплекса. Затем идёт образование тройного комплекса: восстановленный цитохром Р-450 — субстрат — кислород. Четвёртая стадия включает в себя активирование молекулярного кислорода в этом комплексе путём его восстановления. Завершается этот цикл распадом образовавшегося комплекса на окисленный цитохром Р-450, гидроксилированный продукт метаболизма и воду. Круг реакций, осуществляемых ферментативными системами печени необычайно широк: возможно окисление различных химических функциональных групп, гидроксилирование и окисление органических соединений различного строения. Кроме того возможны и реакции восстановления. Таким образом, эндоплазматический ретикулум клеток печени располагает набором различных ферментов, которые осуществляют метаболические превращения ЛВ. Механизмы биотранформации лекарственных веществ в печени Различают два типа реакций метаболизма лекарственных препаратов в организме: несинтетические (фаза I биотрансформации) и синтетические (фаза II биотрансформации). Несинтетические реакции метаболизма лекарственных препаратов можно разделить на две группы: катализируемые ферментами эндоплазматического ретикулума (микросомальные) и катализируемые ферментами другой локализации (немикросомальные). К несинтетическим реакциям относятся окисление, восстановление и гидролиз. В основе синтетических реакций лежит конъюнгация лекарственных средств с эндогенными субстратами (глюкуроновая кислота, сульфаты, глицин, глутатион, метильные группы, вода и др.). Соединение этих веществ с лекарственными препаратами происходит через ряд функциональных групп: гидроксильную, карбоксильную, аминную, эпоксидную. После завершения реакции молекула препарата становится более полярной, гидрофильной (водорастворимой) и, следовательно, легче выводится из организма. Фаза I биотрансформации Реакции окисления. Цитохром-Р-450-зависимые реакции окисления (микросомальные реакции окисления). В гепатоцитах наиболее полно представлен набор ферментных систем, осуществляющих окисление разнообразных ксенобиотиков. Микросомальному преобразованию подвергаются прежде всего жирорастворимые вещества, которые легко проникают через мембраны в эндоплазматический ретикулум и связываются с одним из цитохромов системы Р-446 — Р-455 (зачастую по первому обнаруженному ферменту этой системы указывают только цитохром Р-450). Эти цитохромы — первичные компоненты окислительной ферментной системы. Скорость биотрансформации препаратов системой оксидаз смешанного типа определяется концентрацией цитохрома Р-450, количеством различных форм цитохрома Р-450 и их сродством к субстрату, концентрацией цитохром-с-редуктазы и скоростью восстановления комплекса препарат — цитохром Р-450. Скорость биотрансформации может зависеть и от конкурирования эндогенных и экзогенных субстратов. Схематично реакция может быть записана следующим образом: ЛВ могут как повышать, так и снижать активность микросомальных ферментов. Существует большая группа веществ, включающихся в печёночный метаболизм, активирующих, подавляющих и даже разрушающих цитохром Р-450 (ксикаин, совкаин, бенкаин, индерал, вискен, эралдин). Более значительной является группа веществ, индуцирующих синтез ферментативных белков печени, по-видимому, с участием НАДФН2-цитохром-Р-450-редуктазы, цитохрома Р-420, N- и О-деметилаз микросом, ионов Mg2+, Са2+, Mn2+. Это гексобарбитал, фенобарбитал, пентобарбитал, фенилбутазон, кофеин, этанол, никотин, бутадион, нейролептики, амидопирин, хлорциклизин, димедрол, мепробамат, трициклические антидепрессанты, бензонал, хинин, кордиамин, многие хлорсодержащие пестициды. Показано, что в активации этими веществами ферментов печени участвует глюкуронилтрансфераза. При этом возрастает синтез РНК и микросомальных белков. Индукторы усиливают не только метаболизм ЛВ в печени, но и их выведение с желчью. Причем ускоряется метаболизм не только вводимых вместе с ними лекарственных препаратов, но и самих индукторов. Цитохром Р-450 преимущественно представлен в печени, он является гетерогенным ферментом, его суперсемейства обозначают как CYP (Cytochrome P). Для генов, кодирующих цитохром Р-450, характерен большой полиморфизм. Пересечения кружков означают перекрёстную субстратную специфичность. Стрелки показывают метаболические пути. При низкой скорости метаболизма ЛВ основным ферментом может наблюдаться его перекрёстная (альтернативная) утилизация другим ферментом, что в ряде случаев приводит к появлению токсических соединений (к примеру, пара ферментов – алкогольредуктаза-алкогольдегидрогеназа).В результате изменения скорости и/или направления метаболизма наблюдается изменение клиренса ЛВ, повышается его концентрация в плазме крови, увеличивается время полувыведения, возрастает риск развития токсических осложнений при лекарственной терапии. Если больному одновременно назначается несколько ЛВ, метаболизирующихся с участием цитохрома Р-450, то вероятность развития токсических осложнений лекарственной терапии возрастает в несколько раз. Основные типы реакций превращения лекарственных веществ в эндоплазматическом ретикулуме печени С-гидроксилирование алифатических соединений, осуществляемое микросомальными ферментами печени, можно представить следующим образом: RCH3  RCH2OH Обычными субстратами в этих реакциях служат боковые цепи барбитуратов. Данная реакция протекает на цитохроме Р-450 в присутствии кислорода. Боковая цепь барбитуратов и других ЛВ окисляется ферментами эндоплазматического ретикулума печени до первичных и вторичных спиртов. Эта реакция может ингибироваться типичными ингибиторами цитохрома Р-450 (SKF-525A, СО и др.) и индуцироваться фенобарбиталом. Гексобарбитал относится к барбитуратам короткого действия, в организме, помимо гидроксилирования, он дезактивируется N-деметилированием и разрывом барбитурового кольца. С-гидроксилирование ароматических соединений. Ароматическое гидроксилирование приводит к образованию соединений фенольного типа в результате включения гидроксильной группы в ароматическое кольцо бензола, полициклических углеводородов, гетероциклических соединений и их производных. Типичные субстраты гидроксилируются почти исключительно в пара-положении (90%), не более 10% продукта гидроксилируется в орто-положении. Если же полициклические ароматические углеводороды не содержат в кольце заместитель, то они могут гидроксилироваться в разных положениях. Реактивность кольца в значительной степени влияет на скорость гидроксилирования ароматических субстратов и на положение вводимой ОН-группы. Большинство полициклических углеводородов имеет две характерные области реактивности: К-область ― наиболее реакционное место, по которому происходит связывание с тканями, и Л ― область, место вторичной реактивности, по которому обычно происходит гидроксилирование. Окислительное деалкилирование. Потеря лекарственным веществом в организме алкильных групп называется процессом деалкилирования. Наиболее часто эти группы отщепляются от атомов кислорода, азота или серы, что приводит соответственно к понятиям О-, N- и S-деалкилированию: Основным путём метаболизма вторичных и третичных аминов является N-деметилирование с образованием в качестве конечных продуктов альдегида и соответствующего амина. О- и N-деалкилирование — процессы, наиболее общие для многих лекарств и ядов, в результате которых фармакологическая активность веществ может либо уменьшаться, либо повышаться. Установлено, что практически любой анальгетик подвержен в организме N-деметилированию. Наиболее интенсивно эти процессы протекают в печени, и особенно в микросомальной фракции, в присутствии НАДФН2 и О2, хотя N-деметилирующая активность имеется и в других органах и фракциях, но значительно слабее, чем в микросомальной фракции печени. N-деалкилироваться могут метиламфетамин, меперидин, метиланилин, диацетилморфин (героин), метадон, кодеин и другие вещества. Первоначально атмосферный кислород «атакует» углерод N-алкильной группы (С-окисление) с образованием N-оксиалкильного промежуточного продукта, который быстро разрушается с образованием формальдегида и амина. Скорость деметилирования аминов находится в прямой зависимости от способности их растворяться в липидах. Реакция деалкилирования по своему механизму является, по-видимому, реакцией гидроксилирования и протекает по схеме: где X—N, S или О. Промежуточная стадия включает гидроксилирование. Реакция требует восстановленных кофакторов и О2 и осуществляется по механизму «оксидаз смешанного действия». Кислород, актиируемый цитохромом Р-450, гидроксилирует метильную группу с образованием нестабильного промежуточного метаболита, который распадается на соответствующий норметаболит и формальдегид. Основные процессы метаболизма связаны с N-деметилированием, однако в микросомах могут идти реакции N-деэтилирования, N-депропилирования, N-дебутилирования; но эти реакции играют незначительную роль в метаболизме ксенобиотиков. Анальгезирующее и жаропонижающее действие фенацетина зависит от превращения его в М-ацетил-пара-аминофенол, который применяют как самостоятельное лекарственное средство под на-званием парацетамола. Обезболивающее действие кодеина связано с деметилированием его в морфин. О-деметилированию в микросомах печени подвергаются также папаверин, колхицин, мескалин и др. Дезаминирование характеризуется отщеплением аминогрупп от молекул фармакологических препаратов. Роль этого процесса в организме трудно переоценить, так как дезаминирование приводит к полной потере биологической активности многих фармакологических препаратов: Окислительному дезаминированию в микросомах печени подвергаются также серотонин, гистамин, адреналин, норадреналин и др. На примере разобранных реакций можно сделать заключение, что в печени имеется достаточно полный набор ферментов, способ-ных метаболизировать широкий круг ЛВ и ядов, попавших в организм. Сущность этих реакций состоит в детоксикации, т. е. в изменении химической структуры и превращении чужеродных веществ из липидорастворимых в более водорастворимые, что способствует скорейшему выведению их из организма. Однако указанные реакции часто являются лишь начальной, первой фазой метаболизма. N-деалкилирование — частный случай гидроксилирования, при помощи этой реакции преимущественно осуществляется детоксикация аминов и альдегидов. Дегидрогенация. Наиболее важным ферментом, осуществляющим до 75% реакций дегидрогенации в печени, является алкогольдегидрогеназа. Примерно 25% реакций дегидрогенации осуществляется специальными микросомальными ферментами. Алкогольдегидрогеназа представлена преимущественно в печени, её активность существенно возрастает в постнатальном периоде развития. Показано, что для этого фермента существует очень узкий рН-оптимум, поэтому при развитии ацидозов или алкалозов его активность резко снижается. Алкогольдегидрогеназа осуществляет гидролиз спиртов. Показано наличие субстратной индукции фермента, т. е. при длительной стимуляции субстратом при хроническом алкоголизме наблюдается активация ферментативной активности. Другие реакции. Очень большое значение имеют реакции восстановления кольца пиридина. Эти реакции осуществляет фермент А-редуктаза. Его активность чрезвычайно мала во время эмбрионального развития. Этот фермент является ключевым в метаболизме стероидных соединений.Фермент нитроредуктаза осуществляет инактивацию ряда нитросоединений, в частности нитрофуранов. Его активность чрезвычайно мала в эмбриональном периоде развития.Гидролиз эфиров осуществляется эстеразами. Активность большинства эстераз возрастает в постнатальный период развития.