KSENOBIOTIKI
Človeško telo je izpostavljeno širokemu spektru ksenobiotikov od dodatkov hrani, zdravil do industrijskih polutantov. V telo pridejo preko prebavnega trakta, pa tudi kože, pljuč in sluznice.
Večinoma se izločajo z urinom, znojem, pa tudi izdihanim zrakom.
Naša telesa so torej morala iznajti način, kako toksične substance pretvoriti v netoksične in jih nato izločiti. Zato so se (večinoma) v jetrih izoblikovali sistemi za detoksifikacijo telesu nevarnih substanc.
Hipoteza o ksenobiotikih je bila prvič predstavljena v poznem 18. stoletju. Hipurna kislina, odkrita leta 1773, je bila ena izmed prvih odkritih metabolitov in znanstveniki so odkrili, da nastane s konjugacijo benzojeve kisline in glicina.
Glicinacija benzojeve kisline (1842, Kellerjev poskus)

Benzojeva kislina se je (ker ima COOH skupino) v reakciji konjugacije lahko povezala z glicinom v bolj polarno hipurno kislino, ki jo ledvica lahko izloči.

V vseh reakcijah konjugacije je ksenobiotik tisti, ki je zmožen reagirati s konjugacijskim deležem tj. da ima aktivni center ali bolje rečeno funkcionalno skupino, s katero lahko konjugira in poveže deleža konjugacije. Toda kaj se zgodi s komponentami, ki reaktivnega mesta nimajo
V monografiji Detoksifikacijski mehanizmi, izdani leta 1947, je R.T.Williams definiral področje detoksifikacije. Williams je menil, da se te komponente brez reaktivnega mesta lahko biotransformirajo (biotransformacija je skupek kemičnih procesov v organizmih, ki spreminjajo zgradbo spojin, zlasti zdravil) v dve fazi: fazo funkcionalizacije (tu se uporablja kisik, da ustvari reakcijsko mesto) in fazo konjugacije (v vodi topne skupine za dosego reakcijskega mesta). Ti dve fazi sta imenovani preprosto faza 1 in faza 2 detoksifikacije.
Bistvo detoksifikacije je torej pravzaprav biotransformacija lipofilne (ki absorbira ali raztaplja lipide) komponente, ki se ni zmožna izločiti z urinom, v vodotopno komponento, ki je tega zmožna.
V benzen, ki pride v telo preko pljuč z izpušnimi plini, moramo najprej uvesti funkcionalno skupino (največkrat je to OH skupina), da ga lahko nato konjugiramo. Metabolizem takih ksenobiotikov poteka v dveh fazah-faza 1 vključuje procese oksidacije, redukcije in hidrolize, faza 2 pa reakcije konjugacije.
Več kot je vzbujenih oz. induciranih citokromov P450, več vmesnih metabolitov nastane v naših telesih. Te encime inducirajo kofein, alkohol in drugi industrijski onesnaževalci, diete z veliko beljakovinami, steroidni hormoni, izpušni plini, hlapi barv, lepil, pomaranče, različna zdravila vključno s paracetamolom (acetaminofen) , pomirjevali in kontracepcijskimi tabletami. Te snovi vsebujejo ogljikov monoksid ali tetraklorid, barbiturale, kvercetin (bolj znan kot flavin- C15H10O7) in naringenin (v grapefruitu in tangerinah).
Reakcija oksidacije je lahko blokirana bodisi zaradi pomanjkanja hranil, kisika ali povečane koncentracije toksinov. Tako pomanjkanje v tarčnih tkivih povzroči tvorbo toksičnih vmesnih metabolitov (formaldehid), to pa lahko v končni fazi vodi k naraščajoči občutljivosti do določenih substanc (ketonov, alkoholov in celo naravnih snovi, ki jih srečujemo vsakodnevno- hrana, prah, cvetni prah).
FAZA 1 IN FAZA 2.
Citokrom P450-spojina iz skupine
citokromov tipa b, ki je v GER,
mitohondriju in v mikroorganizmih
(sestavina monooksigenaz z mešano funkcijo,pomembnih za
reakcije hidroksilacije v jetrih,
pri katerih iz lipofilnih spojin
endogenega in eksogenega izvora
nastajajo bolj hidrofilne spojine,
za sintezo žolčnih soli,
25-hidroksiholekalciferola ter za
aktivacijo večine karcinogenov, ki
iz okolja vstopajo v organizem)
Reakcije faze 1, ki so katalizirane z mikrosomskimi encimi, znanimi kot oksidaze citokroma P450, vključijo kisik v strukturo toksinov in metabolitov. Ti encimi se nahajajo na membrani jetrnih celic (hepatocite). Jetrne celice imajo namreč genetske kode za mnoge encime citP450 in prav za specifičnost omogoča zaščito pred širokim spektrom ksenobiotikov. Vmesni metaboliti, ki nastanejo v fazi 1 (prosti radikali) so lahko izjemno toksični. Njihovo škodljivo delovanje je sprva kontrolirano s strani antioksidantov (nujna zadostna količina za telo!). Poleg prostih radikalov nastajajo še epoksidi , kloralhidrati in endogeni benzodiazefini, podobni uspavalnim tabletam.
Epoksidi-spojine, ki vsebujejo kisikov atom mostičasto vezan na dva med seboj povezana C atoma
Kloralhidrati-močni hipnotiki (Mickey Finn*)
Endogeni benzodiazefini-skupina kemičnih sestavin, ki se uporabljajo kot pomirjevala npr. diazepam (Valium)
Substrati citokroma P450: kofein, teofilin (alkaloid v listih čajevca), fenacetin (derivat anilina, opuščen zaradi nefrotoksičnega delovanja), lidokain (lokalni anestetik), imipramin (antidepresiv), etilmorfin (blaži kašelj), omeprazol (zmanjša izločanje žolčne kisline), kortizon.
V tipični reakciji faze 1 torej encim citoktom P450 (CypP450) uporablja kisik, kot kofaktor pa NADH, da doda reaktivno mesto (npr. hidroksilni radikal).
Primer: ksenobiotik x (glej le fazo1!!)
V fazi 2 se toksičnemu vmesnemu metabolitu priključi še ena substanca, da zmanjša toksičnost. Ta faza vključuje konjugacije z glutationom, sufatom, glicinom in glukuronsko kislino (jetrne celice za uspešno detoksifikacijo potrebujejo AK ki vsebujejo žveplo-cistein, tavrin, holin, glutamin, glicin.. ( Dobri viri žvepla so jajca,česen, čebula, šalotka, brokoli, cvetača, zelje in brstični ohrovt; poleg tega zelenjava sama po sebi razstruplja telo)
Faza 2 vključuje tako UDP-glukuroniltransferazo (GT) kot glutation-S-transferazo (GSH-T).

KONJUGACIJA Z GLUTATIONOM (ksenobiotik se poveče s –SH skupino (tiolna skupina) cisteina v GSH)
GSH + X-OH ―> G-S-X +H2O

Glutationska konjugacija, ki uporablja AK glutation v reducirani obliki, se uporablja za biotransfromacijo ksenobiotikov, kot so aromatični disulfidi, antracen (triciklični aromatski ogljikovodik iz premogovega katrana, za izdelavo barvil C6H4(CH)2C6H4) in alifatični disulfidi (nearomatski, z odprto verižno strukturo).

Konjugacija s sulfatom (donor sulfata je PAPS-fosfoadenozilfosfat sulfat)
-sulfacija za nevrotransmiterje, steroidne hormone, določena zdravila, fenolne komponente (npr. estrogen), alifatične alkohole, ariloamide skupine.
Konjugacija z glukuronsko kislino (donor g.kisline je UDP-glukuronska kislina)
Glukuronska kislina je uronska
kislina, ki nastane z oksidacijo
hidroksimetilne skupine na C-6
atomu glukoze, je sestavina GAG,
sodeluje v konjugaciji,ko v jetrih
nastajajo glukuronidi.
Glukuronska kislina je metabolit glukoze. Lahko konjugira s kemijskimi in bakterijskimi toksini; alkoholi, fenoli, amini, hidroksiamini, tioli, žveploamidi.
Za mnoge posameznike je glukuronizacija le dopolnilen proces detoksifikacije (sekundaren in počasnejši).


prvi primer: O-glikozidna vez


drugi primer: N-glikozidna vez

Konjugacija z glicinom (velike doze glicina in N-glicinglicina se uporabljajo kot pomoč pri
predoziranju aspirina)

Toluen (brezbarvna, vnetljiva tekočina, podobna benzenu, je iz petroleja in premoga, najbolj popularno industrijsko topilo, C6H5CH3) se v jetrih spremeni v benzoat, ki mora biti kakor aspirin in drugi salicitati detoksificiran s konjugacijsko aminokislino glicinom.
*benzoat-kondenziranje hrane

Poznamo še konjugacijo s tavrinom ( tavrin je derivat cisteina, ki vstopa v reakcije konjugacije z žolčnimi kislinami).
Konjugacija žolčnih kislin v jetrih z glicinom in tavrinom je nujno potrebna za učinkovito odstranitev potencialno toksičnih substanc. Če jo zmoti prekomerno povečanje nivoja polutacije, se zniža nivo žolča v gastrointestinalnem traktu in pojavi se znižana asimilacija lipidov in v lipidih topnih vitaminov. Zmoti se metabolizem holesterola.
Poleg že naštetih poznamo še tri konjugacijske kategorije: acetilacijo, acilacijo in metilacijo.
Acetilacija zahteva pantenonsko kislino (HO-CH2-C(CH3)2-CHOH-CO-NH-CH2-CH2-COOH da deluje.
Je vodilna pot degradacije za komponente, ki vsebujejo aromatske amine (histamin, serotonin, PABA-p-aminobenzojska kislina, anilin, anilinskih barvil, prokainamid(aritmitrik), žveploamid, komplekshidrazin (H2N-NH2, močen reducent).

Acilacija pa za svoje delovanje potrebuje koencim A z AK glicinom, glutaminom in tavrinom.






Metilacija (reakcija katalizirana z metioninom)

Metionin je glavni donor metila za detoksifikacijo
aminov, fenolov, tiolov, dopaminov, noradrenalinov, melatonina, histamina, seratonina, piridina, sulfatov in hipokloridov, ki se izločijo skozi pljuča. Metionin je potreben za detoksifikacijo hipokloridne reakcije (znižanje koncentracije kloridnih ionov v krvi!).
Toksični intermediati. Bolezni.
Včasih so produkti faze 1 (X-OH) veliko bolj toksični kot izhodne spojine(X). V primeru indukcije P450, slabe aktivnosti encimov iz faze 2 (polimorfizem!), ali če se porabijo zaloge spojin za konjugacijo (GSH,PAPS...), se intermediati kopičijo, vežejo na biomolekule in to lahko vodi celo do tako resnih bolezni kot je rak. (nalaganje lipidotopnih komponent v z lipidi bogatih predelih-možganih)
Obstaja faza 3
V zadnjem času se namreč pojavlja hipoteza, da antiportersko aktivnost (p-glikoprotein ali MDR) lahko definiramo kot fazo 3. Antiporter je energijsko odvisna izlivna črpalka, ki ksenobiotike črpa iz celic in torej znižuje njihovo koncentracijo v celici. Antiporterska aktivnost v črevesju je koregulirana s črevesnim encimom faze 1 Cyp3A4. Ta hipoteza predvideva, da antiporter podpira in pospešuje detoksifikacijo. Njegova funkcija črpanja nemetaboliziranih ksenobiotikov iz celice in nazaj v lumen črevesa omogoča več možnosti procesom faze 1, da metabolizirajo ksenobiotik preden ta potuje naprej po svoji poti(krožni cikel).
Na aktivnost detoksifikacije namreč vplivajo naslednji faktorji: genetske polimorfoze, spol in starost, diete, življenjski stil, okolje in bolezni.
Znana sta dva gena, ki naj bi nadzorovala antiportersko aktivnost: MDR1, ki je odgovoren za odpornost proti zdravilom pri rakastih celicah in ga najdemo v epiteliju jeter, ledvicah, pankreasu, možganih, črevesju in testisih, ter MDR2, ki ga prvotno najdemo v jetrih in igra podobno vlogo kot MDR1, čeprav njegova točno določena funkcija ni znana.

Indukcija.
Ko je v telesu veliko ksenobiotikov, se poveča količina delujočih encimov obeh faz, to pa vodi k hitrejši detoksifikaciji ksenobiotikov. Snovi, ki sprožijo indukcijo, so lahko mono-funkcionalne ali multi-funkcionalne (zgolj en encim oz. ena faza detoksifikacija ali multiple aktivnosti)
Mono-funkcionalni inducerji (policiklični ogljikovi hidrati cigaretnega dima, arilamini iz zažganega mesa) povzročijo dramatično indukcijo na Cyp1A1 in Cyp1A2 encimu, kar vodi k postopnemu naraščanju aktivnosti faze 1, največkrat brez indukcije faze 2. Ob indukciji faze 1 brez indukcije faze 2 pa pride do porušenega ravnotežja med fazama in to vodi k nastajanju preštevilnih prostih radikalov kot vmesnih metabolitov, ti pa lahko poškodujejo DNA, RNA in beljakovine v telesu.
Multi-funkcionalni inducerji pa vključujejo mnoge flavonoidne molekule (aromatske heterociklične spojine s tremi obroči), ki jih najdemo v sadju in zelenjavi.
Mnoge citokrome P450 določeni ksenobiotiki inducirajo, pri tem pride do povečane količine encima.
Inhibicija.
Inhibicija se pojavi ob tekmovanju dveh ali več komponent za isti detoksifikacijski encim. Povečana koncentracija toksinov lahko vodi k inhibiciji detoksifikacije tako, da zmanjka donorjev za konjugacijo (PAPS,GSH) in pride to tekmovanja za aktivnosti detoksifikacijskih encimov. Nekatere komponente celo selektivno inhibirajo samo eno aktivnost cikla detoksifikacije.
Polimorfizem
Genetske razlike v posameznikovih zmožnostih metabolizma ksenobiotikov so povezane s prisotnostjo različnih vezij gena, ki kodira določeno aktivnost ali z genetsko polimorfozo. Med populacijo obstajajo variacije gena Cyp2D6; nekatere kodirajo encim s počasnejšo sposobnostjo aktiviranja, druge pa tiste s hitrejšo. Posamezniki, ki prejmejo dve verziji gena, ki kodira aktivnosti Cyp2D6 počasneje kot običajno, počasneje detoksificirajo substance po poti detoksifikacije, značilne za Cyp2D6. Taki ljudje so počasni metabolizerji. Omenjeni encim je pomemben detoksifikant mnogih ozko delujočih zdravil, vključno z antiritmiki, antidepresivi in antipsihotiki.
Povzetek
Vsak ksenobiotik je metaboliziran z določeno encimsko potjo v jetrih. Mnoge od toksičnih kemikalij, ki vstopajo v telo, so topne v lipidih, kar pomeni, da se v vodi ne topijo. To otežkoča telesu, da bi jih izločilo.
Zato telo v procesu detoksifikacije lipidotopnim komponentam sprva doda kisik (faza 1), nato pa jih v procesih konjugacije spremeni v vodotopne komponente-jetrne celice toksinu dodajo substanco, da je ta manj škodljiv( cistein, glicin, žveplo) (Faza2).
―> Bistvo detoksifikacije je torej pravzaprav biotransformacija lipofilne (ki absorbira ali raztaplja lipide) komponente, ki se ni zmožna izločiti z urinom, v vodotopno komponento, ki je tega zmožna. Mnogokrat je produkt faze 1 (x-OH) bolj toksičen kot izhodna spojina, zato je pomembno, da fazi 1 sledi faza 2- to je konjugacija, ko se na OH veže polarna skupina.
Poznamo naslednje konjugacije faze 2:
-konjugacija z glutationom (ksenobiotik se poveče s –SH skupino (tiolna skupina) cisteina v GSH)
-konjugacija s sulfatom (donor sulfata je PAPS-fosfoadenozilfosfat sulfat
-konjugacija z glukuronsko kislino (donor g.kisline je UDP-glukuronska kislina)
-konjugacija z glicinom (velike doze glicina in N-glicinglicina se uporabljajo kot pomoč pri
predoziranju aspirina)
-konjugacijo s tavrinom ( tavrin je derivat cisteina, ki vstopa v reakcije konjugacije z žolčnimi kislinami)
-acetilacija zahteva pantenonsko kislino (HO-CH2-C(CH3)2-CHOH-CO-NH-CH2-CH2-COOH da deluje.
-acilacija pa za svoje delovanje potrebuje koencim A z AK glicinom, glutaminom in tavrinom.
-metilacija (reakcija katalizirana z metioninom)
indukcija Ko je v telesu veliko ksenobiotikov, se poveča količina delujočih encimov obeh faz, to pa vodi k hitrejši detoksifikaciji ksenobiotikov. Snovi, ki sprožijo indukcijo, so lahko mono-funkcionalne ali multi-funkcionalne.
Prevelike količine toksinov npr. pesticidov zmotijo delovanje encimskega sistema P-450-indukcija-posledično nastajajo prevelike količine zelo toksičnih prostih radikalov. Indukcijo povzročajo: kofein, alkohol, nasičene m.kisline, barbiturati, hlapi barv in izpušnih plinov, lepil,droge..
Če je toksinov preveč, se skladiščijo v z lipidi obloženih delih telesa, največkrat v endokrinih žlezah in možganih. To se lahko odraža v motnjah delovanja možgan in hormonskih nepravilnostih kot npr. neplodnost, zgodnja menopavza, menstrualne težave, celo rak.
Inhibicija Inhibicija se pojavi ob tekmovanju dveh ali več komponent za isti detoksifikacijski encim. Povečana koncentracija toksinov lahko vodi k inhibiciji detoksifikacije tako, da se sistemi preprosto zapolnijo(ali pa zmanjka donorjev za konjugacijo-PAPS,GSH) in pride to tekmovanja za aktivnosti detoksifikacijskih encimov.
Polimorfizem Med populacijo obstajajo variacije gena Cyp2D6; nekatere kodirajo encim s počasnejšo sposobnostjo aktiviranja, druge pa tiste s hitrejšo. Posamezniki, ki prejmejo dve verziji gena, ki kodira aktivnosti Cyp2D6 počasneje kot običajno, počasneje detoksificirajo substance po poti detoksifikacije, značilne za Cyp2D6. Taki ljudje so počasni metabolizerji.
Vloga gastrointestinalnega trakta pri detoksifikaciji*