230px|miniatura|As citocromo P450 oxidases son encimas importantes no metabolismo de xenobióticos. O metabolismo de fármacos tamén chamado metabolismo xenobiótico é a modificación bioquímica de substancias farmacéuticas ou xenobióticos polos organismos vivos, xeralmente mediante sistemas encimáticos especializados. O metabolismo de fármacos a miúdo converte os compostos químicos lipófilos en produtos hidrófilos máis fáciles de excretar. A taxa do metabolismo determina a duración e intensidade da acción dos fármacos.
O metabolismo xenobiótico está constituído polo conxunto de rutas metabólicas que modifican a estrutura química de substancias estrañas á bioquímica normal do organismo (xenobióticos), como fármacos e velenos. Estas rutas son unha forma de biotransformación presente en todos os grupos principais de organismos, e considérase que é de orixe antiga. Estas reaccións xeralmente actúan desintoxicando compostos velenosos; porén, nalgúns casos, os propios intermediarios do metabolismo xenobiótico poden causar efectos tóxicos.
As reaccións destas rutas son de especial interese para a medicina como parte do metabolismo de fármacos e como un factor que contribúe á resistencia a multidrogas en enfermidades infecciosas e quimioterapia do cancro. As accións dalgúns fármacos como substratos ou inhibidores de encimas implicados no metabolismo xenobiótico son unha causa común de interaccións de fármacos perigosas. Estas vías metabólicas son tamén importantes en ciencias ambientais, e o metabolismo xenobiótico de microorganismos determina se un contaminante será degradado durante a biorremediación, ou persista no ambiente. Os encimas do metabolismo xenobiótico, particularmente as glutatión S-transferases son tamén importantes en agricultura, xa que poden producir resistencia a pesticidas e herbicidas.
O metabolismo de fármacos está dividido en tres fases. Na fase I, encimas como as citocromo P450 oxidases introducen grupos reactivos ou polares nos xenobióticos. Estes compostos modificados son despois conxugados a compostos polares nas reaccións da fase II. Estas reaccións están catalizadas por encimas transferases como as glutatión S-transferases. Finalmente, na fase III, os xenobióticos conxugados poden sufrir aínda ou maior procesamento, antes de seren recoñecidos por transportadores de efluxo e bombeados fóra das células.
Barreiras de permeabilidade e desintoxicación
Os compostos exactos aos que está exposto un organismo son en gran medida impredicibles e poden diferir grandemente co tempo; estas son as principais características do estrés xenobiótico tóxico. O principal reto ao que se teñen que enfrontar os sistema de desintoxicación xenobiótica é que deben poder eliminar un número case ilimitado de compostos xenobióticos na complexa mestura de compostos químicos implicados no metabolismo normal. A solución que evolucionou para afrontar este problema é unha elegante combinación de barreiras físicas e sistemas encimáticos de baixa especificidade.
Todos os organismos usan as membranas plasmáticas como barreiras de permeabilidade hidrofóbicas para controlar o acceso ao seu ambiente interno. Os compostos polares non poden difundir a través desas membranas, e a captación de moléculas útiles é mediada por proteínas de transporte que seleccionan especificamente substratos da mestura extracelular. Esta captación selectiva significa que a maioría das moléculas hidrófilas non poden entrar nas células, xa que non son recoñecidos por ningún transportador específico. En contraste, a difusión de compostos hidrófobos a través destas barreiras non pode ser controlada, e os organismos, por tanto, non poden excluír xenobióticos liposolubles usando as barreiras de membrana.
Porén, a existencia dunha barreira de permeabilidade significa que os organismos teñen a capacidade de facer evolucionar sistemas de desintoxicación que explotan a hidrofobicidade común a xenobióticos permeables á membrana. Estes sistemas resolven o problema da especificidade ao posuíren unhas especificidades de substrato amplas coas que poden metabolizar case calquera composto non polar. Os metabolitos útiles son excluídos xa que son polares, e en xeral conteñen un ou máis grupos cargados.
A desintoxicación dos subprodutos reactivos do metabolismo normal non poden conseguirse polos sistemas indicados antes, porque estas especies son derivadas dos constituíntes celulares normais e xeralmente teñen tamén as súas mesmas características polares. Porén, como estes compostos son poucos en número, os encimas específicos poden recoñecelos e eliminalos. Exemplos destes sistemas de desintoxicación específica son o sistema da glioxalase, que elimina o aldehido metilglioxal reactivo, e os diversos sistemas antioxidantes que eliminan especies reactivas do oxíxeno.
Fases da desintoxicación
miniatura|350px|Fases I e II do metabolismo dun xenobiótico lipófilo. O metabolismo de xenobióticos é a miúdo dividido en tres fases: modificación, conxugación e excreción. Estas reaccións actúan concertadamente para desintoxicar xenobióticos e eliminalos das células.
Fase I. Modificación
Na fase I, diversos encimas actúan introducindo grupos polares e reactivos nos seus substratos. unha das modificacións máis comúns é a hidroxilación catalizada polo sistema de oxidases de función mixta dependente do citocromo P450. Este complexo de encimas actúa incorporando un átomo de oxíxeno en hidrocarburos non activados, que pode ter como resultado a introdución de grupos hidroxilo ou ben a N-, O- ou S-desalquilación de substratos. O mecanismo de reacción das oxidases dependentes do P-450 é a redución do oxíxeno unido ao citocromo e a xeración de especies oxiferril altamente reactivas, segundo o seguinte esquema:
O2 + NADPH + H+ + RH → NADP+ + H2O + ROH
As reacción de fase I (tamén chamadas reaccións non sintéticas) poden ocorrer por oxidación, redución, hidrólise, ciclación, desciclación, e adición dun oxíxeno ou retirada dun hidróxeno, levadas a cabo polas oxidases defunción mixta, xeralmente no fígado. Nestas reaccións oxidativas normalmente intervén unha citocromo P450 monooxixenase (xeralmente abreviada CYP), o NADPH e oxíxeno. Entre as clases de fármacos que utilizan este método para o seu metabolismo están as fenotiazinas, o paracetamol, e os esteroides. Se os metabolitos das reaccións de fase I son suficientemente polares, poden ser doadamente excretados neste momento. Porén, moitos produtos da fase I non son eliminados rapidamente e sofren máis reaccións nas cales un substrato endóxeno se combina con grupos químicos novos acabados de incorporar para formar un conxugado moi polar.
Unha oxidación común da fase I supón a conversión dun enlace C-H noutro C-OH. Esta reacción ás veces converte un composto farmacoloxicamente inactivo (un profármaco ou prodroga) noutro farmacoloxicamente activo. Igualmente, na fase I poden converterse moléculas non tóxicas en velenosas (toxifición). A hidrólise simple no estómago é normalmente unha reacción inocua, mais hai excepcións. Por exemplo, o metabolismo da fase I converte o acetonitrilo en HOCH2CN, que é rapidamente disociado en formaldehido e cianuro de hidróxeno, e ambos os dous son tóxicos.
O metabolismo da fase I de fármacos candidatos pode ser simulado no laboratorio usando catalizadores non encimáticos. Este exemplo dunha reacción biomimética tende a dar produtos que a miúdo conteñen os metabolitos da fase I. Como exemplo, o principal metabolito do composto farmacéutico trimebutina, que é a desmetiltrimebutina (nor-trimebutina), pode producirse eficazmente por oxidación in vitro do fármaco dispoñible comercialmente. A hidroxilación dun grupo N-metilo leva á expulsión dunha molécula de formaldehido, mentres que a oxidación dos grupos O-metilo ten lugar en menor medida.
Oxidación
Sistema da citocromo P450 monooxixenase Sistema da monooxixenase que contén flavina Alcohol deshidroxenase e aldehido deshidroxenase Monoamino oxidase Cooxidación por peroxidases
Redución
NADPH-citocromo P450 redutase A citocromo P450 redutase, tamén chamada NADPH:ferrihemoproteína oxidorredutase, NADPH:hemoproteína oxidorredutase, NADPH:P450 oxidorredutase, P450 redutase, POR, CPR, e CYPOR, é un encima unido a membranas necesario para a transferencia de electróns ao citocromo P450 nos microsomas da célula eucariota desde un encima NADPH:citocromo P450 redutase que contén FAD ou FMN. O esquema xeral do fluxo de electróns no sistema POR/P450 é: NADPH → FAD → FMN → P450 → O2 Citocromo P450 reducido (ferroso)
Durante as reaccións de redución, un composto químico pode entrar nun ciclo fútil, no cal gaña un electrón de radical libre, despois pérdeo inmediatamente ao oxíxeno (para formar un anión superóxido).
Hidrólise
Esterases e amidase Epóxido hidrolase
Fase II. Conxugación
Nas subseguintes reacciñóns da fase II, estes metabolitos xenobióticos activados son conxugados con especies cargadas comoo glutatión (GSH), sulfato, glicina, ou ácido glicurónico. Os sitios dos fármacos nos que ocorren as reaccións de conxugación poden ser grupos carboxilos (-COOH), hidroxilos (-OH), aminos (NH2), e sulfhidrilos (-SH). Os produtos das reaccións de conxugación incrementaron o seu peso molecular e tenden a ser menos activos que os seus substratos, a diferenza do que pasaba nas reaccións da fase I que a miúdo producían metabolitos activos. A adición de grandes grupos aniónicos (como o GSH) desintoxica electrófilos reactivos e produce máis metabolitos polares que non poden difundir a través das membranas, e poden, por tanto, ser transportados activamente.
Estas reaccións son catalizadas por un gran grupo de transferases de ampla especificidade, que en combinación poden metabolizar case calquera composto hidrófobo que conteña grupos nucleofílicos ou electrofílicos. Unha das clases máis importantes deste grupo é a das glutatión S-transferases (GSTs).
Mecanismo Encima implicado Cofactor Localización metilación metiltransferase S-adenosil-L-metionina fígado, riles, pulmóns, SNC sulfación sulfotransferases 3'-fosfoadenosina-5'-fosfosulfato fígado, riles, intestino acetilación N-acetiltransferases ácido biliar-CoA:aminoácido N-aciltransferases acetil coencima A fígado, pulmóns, bazo, mucosa gástrica, eritrocitos, linfocitos glicuronidación UDP-glicuronosiltransferases UDP-ácido glicurónico fígado, riles, intestino, pulmóns, pel, próstata, cerebro conxugación de glutatión glutatión S-transferases glutatión fígado, riles conxugación de glicina acetil coencima A-encima glicina fígado, riles
Fase III. Modificacións finais e excreción
Despois das reaccións da fase II, os conxugados xenobióticos deben ser ulteriormente metabolizados. Un exemplo común é o procesamento de conxugados de glutatión a conxugados de acetilcisteína (ácido mercaptúrico). Aquí, os residuos de γ-glutamato e glicina na molécula de glutatión son retirados por unha gamma-glutamil transpeptidase e dipeptidases. No paso final, o residuo de cistina no conxugado é acetilado.
Os conxugados e os seus metabolitos poden ser excretados das células na fase III do seu metabolismo, e os grupos aniónicos actúan como marcas de afinidade para unha variedade de transportadores de membrana da familia da proteína de resistencia a multidrogas (MRP). Estas proteínas son membros da familia do transportador de casete que se une ao ATP e poden catalizar o transporte dependente de ATP dunha enorme variedade de anións hidrofóbicos, e así actúan eliminando os produtos da fase II ao medio extracelular, onde poden sufrir unha maior metabolización ou ser excretados.
Toxinas endóxenas