KsenobiotikiČloveško telo je izpostavljeno širokemu spektru ksenobiotikov od pesticidov, herbicidov, dodatkov hrani (barvil, arom), zdravil do industrijskih polutantov.V telo pridejo preko prebavnega trakta, kože, pljuč in sluznice.Hipotezo o ksenobiotikih so prvič predstavili v poznem 18. stoletju. Glicinacija benzojeve kisline (1842, Kellerjev poskus)
R.T.Williams je v svojem delu Detoksifikacijski mehanizmi, izdanem leta 1947, definiral področje detoksifikacije. Menil je, da se lahko komponente brez reaktivnega mesta biotransformirajo v dve fazi: ◊ fazo funkcionalizacije ( faza 1)in ◊ fazo konjugacije (faza 2).
Bistvo detoksifikacije je biotransformacija lipofilne komponente, ki se ni zmožna izločiti z urinom, v vodotopno komponento, ki je tega zmožna. Pri tem je pomembna vloga encimov družine citokromov P450, ki zmanjša toksičnost in farmakološko učinkovitost ksenobiotikov.

! Več kot je vzbujenih citokromov P450, več vmesnih metabolitov nastane v našem telesu.
Te encime inducirajo:
Kofein
Alkohol
Diete z veliko beljakovinami
Steroidni hormoni
Izpušni plini
Hlapi barv
Hlapi lepil
Pomaranče
Zdravila, vključno s paracetamolom
(acetaminofen), pomirjevali in
kontracepcijskimi tabletami

Faza 1
Reakcije faze 1 so katalizirane z mikrosomskimi encimi, znanimi kot oksidaze encimske skupine citokroma P450
V strukturo toksinov se vključi kisik
Encimi se nahajajo na membranah jetrnih celic (hepatocite)
Vmesni metaboliti, ki nastanejo, so lahko izjemno toksični (prosti radikali, epoksidi, kloralhidrati) Mickey Finn*-hipnotik
Škodljivo delovanje prostih radikalov kontrolirajo antioksidanti

V tipični reakciji torej encim cypP450 uporablja kisk, kot kofaktor pa NADH, da doda reaktivno mesto (npr. hidroksilni radikal).


Primer:
Oksidaze so encimi, ki katalizirajo oksidacijo spojin ob redukciji kisika v vodo ali vodikov peroksid
Oksigenaza je encim, ki katalizira vgraditev kisika v molekulo substrata
Monooksigenaza je encim, ki katalizira oksidacijo s prenosom enega atoma kisika na substrat

S + O2 + NADPH ―> S – OH + H2O + NADP+
Faza 2

Mnogokrat je produkt faze 1(x-OH) bolj toksičen kot izhodna substanca, zato je NUJNO, da fazi 1 sledi faza 2
Toksičnemu metabolitu se torej priključi še ena substanca, da toksičnost zmanjša (polarna skupina)
Konjugacije z glutatuionom, sulfatom, glicinom in glukuronsko kislino
Nujne so aminokisline, ki vsebujejo veliko žvepla
( zelenjava!! )
Vključena UDP-glukuroniltransferaza (GT) in glutation-S-transferaza (GSH-T)


KOnjugacija z glutationom
Glutation je tripetpid iz cisteina, glicina in glukuronske kisline, vsebuje tiolno skupino, je koencim encimov in substrat v detoksifikaciji

Ksenobiotik se poveže z –SH skupino (tiolna sk.) cisteina v GSH

GSH + X-OH ―> G –S –X + H2O

Glutationska konjugacija uporablja AK glutation v reducirani obliki

Uporablja se za biotransformacijo aromatičnih disulfidov, antracena ( C6H4(CH)2C6H4), alifatičnih disulfidov z odprto verižno strukturo



Konjugacija s sulfatom

Donor sulfata je PAPS-fosfoadenozilfosfat sulfat
Sulfacija za nevrotransmiterje, steroidne hormone, določena zdravila, fenolne komponente (estrogen), alifatične alkohole ipd.


Profesor Stevenson iz univerze v Birminghamu je ugotovil, da veliko bolnikov z Alzheimerjevo in Parkinsonovo boleznijo ter atrofijo mišic namesto da bi imeli normalno zmožnost tvorbe sulfata iz AK cisteina le-te nimajo in akumulirajo kar cistein.

Sulfat se lahko dobi s hrano, a se s pomočjo encima cisteinske dioksigenaze tvori iz cisteina (sulfoksidacija).

Zmožnost telesa za konjugacijo toksinov s sulfatom je omejena s količino sulfata, ki je prisoten.

Če je tega premalo, se toksini in metaboliti lahko shranjujejo do takih količin, da so po več desetletjih zmožni povzročiti degeneracijo živčnega tkiva.
Konjugacija z glukuronsko kislino
Donor glukuronske 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 (glikozidi g.k.)
Za mnoge posameznike je glukuronizacija le dopolnilen proces detoksifikacije, ker je sekundarna in počasnejša
Konjugacija z glicinom
Glicin je neesencialna aminokislina, NH2 –CH2-COOH
Velike doze glicina in N-glicinglicina se uporabljajo kot pomoč pri predoziranju aspirina (redči kri!)
Glicin je torej konjugacijska AK, ki detoksificira benzoat (ki nastane v jetrih iz toluena), salicitate in aspirin

Poznamo še konjugacijo s tavrinom (derivat cisteina, ki vstopa v reakcije konjugacije z žolčnimi kislinami)
Obe sta nujno potrebni za učinkovito odstranitev potencialno toksičnih substanc.
Če ju zmoti zasičenje nivoja polutacije (oz. visok nivo!), 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 za delovanje potrebuje pantenonsko kislino (je vitamin kompleksa B, pogosta v naravi, vezana v koencim A, ki sodeluje pri prenosu acilnih skupin)
Je vodilna pot degradacije za komponente z aromatskimi amini
( anilin, histamin, serotonin).
!! Približno 50 populacije je počasnih acetilatorjev.

Acilacija pa potrebuje koencim A z Ak glicinom, glutaminom in tavrinom.

Metilacija je reakcija katalizirana z metioninom, ki je glavni donor metila za detoksifikacijo aminov, fenolov, tiolov, sulfatov, histamina, serotonina in hipokloridov.
Aktivnost encima metiltransferaze je odvisna od količine magnezija v telesu.
Glavne detoksifikacijske poti oz. procesi Faze 2
Toksični intermediati in bolezni
Včasih so produkti faze 1 (x-OH) veliko bolj toksični kot izhodne spojine (x). V primeru indukcije P450, slabe aktivnosti encimov faze 2 (polimorfizem!) ali če se porabijo zaloge spojin za konjugacijo (PAPS,GSH,..), se intermediati kopičijo, vežejo na biomolekule in to vodi do nastanka bolezni.
Preveč toksinov, zelo izkoriščene in obremenjene poti detoksifikacije
―> počasnejše pri odzivanju
―> zmanjkuje spojin za konjugacijo, toksini jih ustavljajo
―> toksini prisiljeni v prej obrobne poti detoksifikacije
―> tudi te zapolnijo
―> motijo urejen metabolizem
―> preobčutljivost na določene kemične substance

Primer: metabolizem paracetamola (lajšanje bolečin, Lekadol-Lek)
Alkoholiki imajo induciran P450, ki metabolizira paracetamol.
Kot posledica nastane več toksičnega intermediata
(iz paracetamola, ki ne uspe konjugirati s PAPS ali UDP-g.kislino), ki pa se z GSH veže v netoksičen produkt, ki se izloči.
Ko pa zaloge GSH poidejo, se intermediat veže na makromolekule hepatocita, posledica je hepatoksičnost paracetamola.
Obstaja faza 3
Pojav hipoteze o dejavnosti prenašalcev (p-glikoprotein ali MDR) kot faza 3
Prenašalec je energijsko odvisna izlivna črpalka, ki ksenobiotike črpa iz celic in torej znižuje njihovo koncentracijo v celici.
Prenašalska aktivnost v črevesju je koregulirana s črevesnim encimom faze 1 Cyp3A4.
Prenašalec naj bi podpiral in pospeševal detoksifikacijo.

!! Na aktivnost detoksifikacije vplivajo:
-genetske polimorfoze,
-spol,
-starost,
-diete,
-življenjski stil,
-okolje in
-bolezni.

Aktivnost prenašalcev naj bi nadzorovala dva gena.
MDR1

je odgovoren za odpornost proti zdravilom pri rakastih celicah in ga najdemo v epiteliju jeter, ledvicah, pankreasu, možganih, črevesju in testisih.

MDR 2

pa prvotno najdemo v jetrih in igra podobno vlogo kot MDR 1, njegova točna funkcija pa še ni znana
Indukcija
Ko je v telesu velika količina ksenobiotikov, se poveča število delujočih encimov obeh faz, to pa vodi k hitrejši detoksifikaciji ksenobiotika.
Inducerji so lahko mono- ali multi-funkcionalni.

Mono-funkcionalni inducerji (policiklični ogljikovi hidrati cigaretnega dima, arilamini iz zažganega mesa) povzročijo intenzivno indukcijo na Cyp1A1 in Cyp1A2 encimu, kar vodi k postopnemu naraščanju aktivnosti faze 1, največkrat brez indukcije faze 2.

!! Nevarnost, da 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.

Zanimivo:
Mnoge citokrome P450 določeni ksenobiotiki inducirajo, pri tem pride do povečane količine encima.
Npr. antimikrobno zdravilo rifampicin inducira citokrom P450 z oznako 3A4. Taisti P 450 metabolizira tudi oralna kontracepcijska sredstva, zato se njihova učinkovitost zniža.
Kislina, ki jo najdemo v olupku rdečega grapefruita inducira mnoge encime faze 2 in znižuje aktivnosti faze 1.
Česnovo olje, soja, zelje in brstični ohrovt vsi vsebujejo komponente, ki inducirajo encime faze 2. Zato pravimo, da sadje in zelenjava varujeta pred rakom.

Inhibicija
Pojavi se ob tekmovanju dveh ali več komponent za isti detoksifikacijski encim. Toksinov je veliko preveč in sistemi detoksifikacije se preprosto zapolnijo, zmanjka donorjev za konjugacijo in pride do tekmovanja za encim.


Sok grapefruita vsebuje velike količine flavonoida naringenina in je zmožen inhibirati prvo stopnjo metabolizma mnogih zdravil, ki se detoksificirajo v črevesju s sistemom encimskega antiporterja Cyp3A4.
Polimorfizem
Obstoj določenih variacij gena ―> kodiranje določenih aktivnosti ―> kodiranje encimov s počasnejšo in hitrejšo sposobnostjo aktiviranja.
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.

Neželjeni stranski učinki ob jemanju nekaterih zdravil (antipsihotiki, antinarkotiki) se lahko omilijo z nižanjem prejetih doz zdravila.
P450 z oznako 2C9 metabolizira warfarin, sredstvo proti strjevanju krvi (antikoagulant). Običajna doza zdravila je za ljudi s slabo dejavnim encimom usodna.
Vloga gastrointestinalnega trakta pri detoksifikaciji
Je tisti, ki pride prvi v stik s ksenobiotiki.

V povprečju tekom življenja predela okoli 25 ton hrane (delež ksenobiotikov ni zanemarljiv!)

Pomembna je mikroflora- ta proizvaja komponente, ki bodisi inducirajo ali inhibirajo aktivnosti detoksifikacije.
Patogene bakterije proizvajajo toksine, ki se lahko vključijo v kroženje (procese detoksifikacije) in zvišajo količino toksinov.


-bolezni, ki jih povzroči ali poslabša alergija na hrano:
AIDS, alkoholizem, manična depresija, shizofrenija, glavkom, dermatitis, diareja, bronhialna astma, Kronova bolezen, hipoglikemija, lupus, osteoartritis, Raynaudov sindrom, artritis

-bolezni, ki so direktno povezane s ksenobiotiki:
glavobol, hipertenzija, avtizem, nemir, nespečnost, agresivno vedenje, depresija, psoriaza, vaskulitis, bolečine, multipla skleroza, epilepsija, ekcem, edem, srčna aritmija

-Obstaja prenosljiva oz. dedno pogojena bolezen, znana kot Leberjeva optična atrofija (propad aksonov in ganglijskih celic na mrežnici). To je pravzaprav napaka v zmožnosti detoksifikacije cianida in vodi v takojšnjo ter stalno slepoto ob prvi izpostavljenosti cianidu (oz. cigaretnemu dimu).

-Čeprav so jetra prvotni in glavni center za oksidacijo ksenobiotikov, citokrom P450 najdemo še v koži, pljučih, placenti, možganih, testisih, ledvicah, limfocitih ter gastrointestinalnem traktu.


-hrana, ki pospeši detoksifikacijo: pesa, brokoli, cvetača, radič, vodna kreša

-dodatki, ki pospešijo detoksifikacijo: vitamin kompleksa B, vitamina C in E, beta karoteni, reduciran glutation, esencialne maščobne kisline

-zelišča, ki čistijo kri: pelin, posušene artičoke, tavžentroža, ingver, kurkuma.

- Dr. William Rae iz univerze v Dallasu je ugotovil povezanost med kemijsko občutljivimi pacienti in nenormalno znižano količino antipolutantskih encimov. Telo pacienta celo tvori protitelesa proti citokromu P450.
Ugotovil je tudi, da skoraj 35 tem pacientom primanjkuje intracelularnega žvepla. To lahko ovira ali celo prepreči detoksifikacijo nekaterih kemičnih preparatov, ki vsebujejo žveplo, pa tudi poveča škodljive učinke izpostavljenosti cianidu (hrana-npr. tropska rastlina manioca-tapioca, pa tudi madlji in tobačni izdelki).

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.

indukcija
Veliko ksenobiotikov, poveča se količina delujočih encimov obeh faz, hitrejša detoksifikacija.
Inducerji: mono-funkcionalni ali multi-funkcionalni.
Skladiščenje toksinov v z lipidi obloženih delih telesa, največkrat v endokrinih žlezah in možganih

Inhibicija
Tekmovanje dveh ali več komponent za isti detoksifikacijski encim. Povečana koncentracija toksinov vodi k inhibiciji, sistemi se preprosto zapolnijo (ali zmanjka donorjev za konjugacijo-PAPS,GSH)



Polimorfizem
variacije gena Cyp2D6; kodirajo encim s počasnejšo sposobnostjo aktiviranja ali s hitrejšo, počasni metabolizerji.