Pathobiochemie der Leber: Biotransformation und Sekretion PDF

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Pathobiochemie Wintersemester 17/18 ...

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Pathobiochemie der Leber: Biotransformation und Sekretion

Die Biotransformation ist ein Stoffwechselvorgang: Umwandlung von nicht ausscheidungsfähige Verbindungen (apolar, lipophil) in (polare) wasserlösliche Substanzen

Z.B.

Endobiotika

Xenobiotika

Steroidhormone! Bilirubin

Pharmaka,! Konservierungs-,! Geschmacksmitel

Z.B.

Viele Gewebe sind zur Biotransformation fähig, vor allem die Leber!

Der größte Teil der benötigten Enzymaktivitäten ist im glatten ER

Phase I: Modifikation der Verbindungen durch Oxidation, Reduktion, Hydrolyse -> Reaktive Gruppen

Phase II:

Bildung von Konjugaten durch Reaktion der reaktiven Gruppen mit polaren/stark geladenen Verbindungen -> Gut wasserlösliche Produkte

In der Gallenflüssigkeit befindet sich der größte Teil dieser Produkten! Alternative: ! Die Produkten werden auch an das Blut abgegeben und über die Niere ausgeschieden Löffler/Petrides Biochemie & Pathobiochemie 8. Auflage, s. 1091

Phase I: Enzyme aus der Familie der Monooxygenasen: ! Molekularer O2 und NADPH als Cosubstrate

Cytochrom-P-450-Enzyme (CYP)! Unterschied: Substratspezifität

Gebildete reaktive Gruppen: -OH,- NH2, -SH, -COOH

Die große Gruppe der CYP Enzyme setzt sich beim Menschen aus derzeit 18 bekannten Familien zusammen. CYP Enzyme der BT gehören zu den Familien 1-3

Die CYP1 Familie Zu dieser Familie gehören CYP1A1, 1A2 sowie 1B1. Während das CYP1A2 das Leberspezifische Enzym der CYP1 Familie darstellt, sind CYP1A1 und CYP1B1 auch extrahepatisch exprimiert.

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Die Expression dieser Familienmitglieder wird durch den AhR (Arylhydrocarbon Rezeptor) kontrolliert

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Der AhR bindet hauptsächlich polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

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Der durch den Fremdstoff aktivierte AhR transloziert in den Zellkern, dimerisiert dort mit einem weiteren Protein (ARNT: Arylhydrocarbon Receptor Nuclear Translocator) und bindet dann an XREs der DNA, was zur Induktion bestimmter Proteine, wie z.B. CYP 1A1 führt

Die CYP2 Familie Die wichtigsten Vertreter der CYP2A Familie des Menschen sind die leberständigen CYP2A6 und 2A7 Enzyme

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CYP2A6 ist das Hauptenzym der 7-Hydroxylierung von Cumarin, welches daher als Modellsubstrat zur Messung der CYP2A6 Enzymaktivität herangezogen wird. Ebenso setzt es Nikotin zu Cotinin um und ist somit das einzige bisher bekannte Nikotin metabolisierende Enzym der Leber

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CYP2A6 ist an der Aktivierung einiger Prokarzinogene wie Aflatoxin B1, 6-Aminochrysen sowie im Tabakrauch enthaltener Nitrosamine beteiligt

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Das CYP2B6 metabolisiert Antitumormittel wie Cyclophosphamid, einige ProKarzinogene wie das Aflatoxin B1 und Tabakrauch-spezifische Nitrosamine !

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Das CYP2E1 metabolisiert kleine Moleküle wie Ethanol, Paracetamol oder Benzol. Bei der Oxidation entstehen häufig toxische Intermediate, was besonders am Beispiel des Paracetamols gut demonstriert ist

Die CYP3 Familie Der Hauptanteil des hepatischen CYP des Menschen setzt sich aus Mitgliedern der CYP3A Familie (3A4 und 3A5) zusammen

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Das extrahepatische Vorkommen: Die CYP3A4/3A5 Isoenzyme sind in Teilen des Respirations- sowie des Gastrointestinaltrakts exprimiert und können in diesen Organen induziert werden

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Das CYP3A4 nimmt am Metabolismus verschiedenster Pharmaka wie Makrolidantibiotika, Steroidhormone, Calciumantagonisten vom Dihydropyridin Typ, Fungizide sowie Antikonvulsiva teil

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Auch toxikologisch ist das CYP3A4 von Bedeutung, da es Prokarzinogene wie das Benzo(a)pyren-7,8-Dihydrodiol oder das Aflatoxin B1 zum Aktivieren bringt

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Kann gesteigert und gehemmt werden. Beispiele solcher extrem potenten Inhibitoren sind Azol-Fungizide und Grapefruitsaft.

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Das wichtigste Enzym des Arzneimittelstoffwechsels

Mechanismus der Monooxygenasen

Eine Hämgruppe mit einem O2-bindenden Eisen-Ion ! Aufnahme des Substrats. Eisen-Ion von Fe3+ zu Fe2+ reduziert -> bindet O2! Ein O2 reagiert mit dem Substrat. Das zweite bildet unter Aufnahme von 2 Protonen ein H2O.!

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Der Reaktionszyklus benötigt nur 2 e-

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P-450-Enzyme bekommen e- von einer Cytochrom-P-450-Reduktase!

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Die Reduktasen nehmen e- von NADPH auf!

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NADPH-CYP-450-Reduktasen enthalten ein FMN/FAD

Duale Reihe, Biochemie, s.757

Phase I Reaktionen:

Phase II Reaktionen:

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Konjugation mit Glucuronsäure: Die Glucuronidierung wird durch das Enzym UDPGlucuronosyltransferase katalysiert!

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Verbindungen aus Phase I koppeln sich an die Glucuronsäure -> Glucuronide -> Ausscheiden über die Galle!

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Mit OH-Gruppen, primären + sekundären Aminen, Carboxylgruppen

Phase II Reaktionen:

Sulfatisierung: Substrat ist das aktivierte Sulfat oder PAPS (3’-Phosphoadenosin-5’Phosphosulfat) !

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Übertragen von Sulfatgruppen auf OH-, Aminogruppen der Phase II Substrate!

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Wird von ATP synthetisiert

Phase II Reaktionen:

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Konjugation mit Glutathion! Es ist ein Tripeptid (Glu-Cys-Gly)!

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Wird von der Glutathion-S-Transferase auf verschiedene Substanzen übertragen -> Erhöht die Wasserlöslichkeit

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Glutathion schützt von Sauerstoffradikalen

Duale Reihe, Biochemie

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Alle Konjugationsreaktionen werden von Transferasen katalysiert

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Eine schon hydrophile Substanz überspringt die Phase I!

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Um mit einer hydrophilen Substanz konjugiert werden zu können, muss der körpereigene Stoff in einer aktivierten Form vorliegen: Acetylgruppe: Acetyl-CoA Sulfat: 3’-Phosphoadenosin-5’-phosphat Glucuronsäure: UDP-Glucuronsäure Methylgruppe: S-Adenosylmethionin

ABC-Transporter

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Sind Trasport-ATPasen und ursprünglich in Bakterien entdeckt

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Wichtig sind die, die Fremdstoffe und Medikamente oder lipidartige Moleküle transportieren

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Cholesterin/Phospholipid-Transporter verantwortlich für die Bildung der Galle und Export von Cholesterin aus Mukosazellen + Makrophagen

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Häufiger Vertreter ist MDR-Protein bzw. P-Glykoprotein

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Die Leber synthetisiert den größten Teil der Plasmaproteine!

Z.B. Blutgerinnungsfaktoren, Proteine der Fibrinolyse, Proteaseinhibitoren, Transferrin, Transcortin, Akutphase-Proteine

Synthese von Albumin:

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Albumin ist das Genprodukt des ALB-Gens, das auf Chromosom 4 Genlocus q13.3 liegt! Syntheserate von 0,2#g Albumin/kg Körpergewicht und Tag!

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Das von den Leberzellen produzierte Preproalbumin wird im rauen endoplasmatischen Retikulum posttranslational modifiziert. Durch das Abtrennen von Aminosäuren am N-Terminus entsteht Proalbumin. Das Proalbumin wird letztlich in den Golgi-Vesikeln zu Albumin umgewandelt.!

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Der Abbau geht über die Niere, den Gastrointestinaltrakt und in den Gewebezellen der Leber vonstatten.

Akut-Phase-Proteine Als Akute-Phase-Proteine bezeichnet man Proteine, die im Rahmen von Gewebeschädigungen (Traumata, Infektionen) als Teil der unspezifischen Immunreaktion (Akute-Phase-Reaktion) innerhalb von 6-48 Stunden vermehrt im Blut auftreten Die zahlreichen Aufgaben der Akute-Phase-Proteine umfassen:! • Lokalisierung der Entzündung! • Verhinderung der Ausbreitung! • Unterstützung des Immunsystems

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Ihre Synthese wird durch Interleukin-1 und Interleukin-6 induziert C-reaktives Protein (CRP) → Opsonisierung, Aktivierung des Komplementsystems! Fibrinogen → lokale Thrombusbildung (verhindert u.a. die weitere Ausbreitung der Erreger)! Alpha-1-Antitrypsin → Hemmung der Proteasen (Reduktion der Gewebsschädigung)

Komplementsystem Teil des unspezifischen humoralen Immunsystems zur Eliminierung von zellulären Antigenen

Kallikrein-Kinin-System

Kinine sind biologisch aktive Oligopeptide, die zu den Gewebshormonen zählen. Wichtige Vertreter sind unter anderem das Bradykinin und das Kallidin Das Kinin-Kallikrein-System spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung von vielen biologischen Prozessen, zum Beispiel:! • Entzündung! • Blutgerinnung! • Blutdruckregulation! • Schmerz

Kinine entstehen unter der Wirkung der Serinprotease Kallikrein aus Vorläufersubstanzen, den Kininogenen. Man unterscheidet! • hochmolekulares Kininogen (HMWK) und! • niedermolekulares Kininogen (LMWK) HMWK ist ein Cofaktor bei der Blutgerinnung und bei Entzündungsprozessen, der selbst keine enzymatische Aktivität hat $$ $$ $ •$

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Bradykinin: Wirkt auf B2 Rezeptoren! Kallidin: Wird zu BD durch Addieren von Lysin an den N-Terminus ! Kallikreins (tissue and plasma kallikrein) sind Serinproteasen-> Freisetzung von Kininen (BK and KD) von Kininogenen! Carboxypeptidases Abspaltung von Argininresten vom Carboxylterminus von BK und KD! Angiotensin converting enzyme (ACE), inaktiviert v.a. Bradykinin. Aktiviert Angiotesin! Neutral endopeptidase deaktiviert Kinene und andere Mediatoren

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Alpha-2-Makroglobulin ist ein Akute-Phase-Protein. Es wird in Hepatozyten, Fibroblasten und Makrophagen synthetisiert. Es hat inhibitorische Eigenschaften auf Proteinasen

• Erhöhte Werte finden sich beispielsweise bei Entzündungen, Malignomen,

Herzinfarkt, Sepsis, nephrotischem Syndrom, postoperativ, posttraumatisch, bei disseminierter intravasaler Gerinnung (DIC) oder bei Verschlussikterus.!

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Erniedrigte Werte findet man bei chronisch aktiver Hepatitis, einem Haptoglobinmangel, akuter Pankreatitis oder Morbus Wilson.

Opsonine sind im Körper vorkommende Proteine, die einen Teil der Immunantwort darstellen. Opsonine können entweder Antikörper oder Komplementfaktoren sein, die die Verknüpfung von Phagozyten an Bakterienzellen oder andere Mikroorganismen erleichtern, indem sie als Brücke zwischen beiden Zellen fungieren. In diesem Zusammenhang spricht man auch von der Opsonisierung der Zielzelle

Pathobiochemie Der First-Pass-Effekt beschreibt die Umwandlung eines Arzneistoffes während dessen erster Passage (engl. first pass) durch die Leber. Durch die dabei stattfindende biochemische Umwandlung (Metabolisierung) kann ein wirksamer oder unwirksamer Metabolit entstehen. Manche Wirkstoffe erhalten erst durch die Leberpassage ihre Wirksamkeit, andere werden zu einem gewissen Grad dadurch inaktiviert.

Ein ausgeprägter First-Pass-Effekt führt also dazu, dass ein betroffener Arzneistoff noch vor Erreichen seines Wirkorts zu einem großen Teil metabolisiert oder ausgeschieden wird

Als Prodrug wird ein inaktiver oder wenig aktiver pharmakologischer Stoff bezeichnet, der erst durch Metabolisierung im Organismus in einen aktiven Wirkstoff (Metaboliten) überführt wird.! Prodrugs sind in denjenigen Fällen von strategischer Bedeutung, in denen der eigentlich aktive Wirkstoff, würde er direkt verabreicht, nicht oder nur geringfügig oder nicht selektiv genug den gewünschten Wirkort erreichen. ! Die Verwendung von Prodrugs kann z.B. den First-Pass-Effekt verringern oder einen Arzneistoff dazu befähigen, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren.

Beispiele: !

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Levodopa, das Ausgangsstoff für die körpereigene Synthese von Adrenalin, Noradrenalin und Dopamin ist. Levodopa wird als Prodrug zur Behandlung der Parkinson-Krankheit verwendet: Nach Passieren der Blut-Hirn-Schranke wird Levodopa zu Dopamin verstoffwechselt, welches dann die eigentlich gewünschte pharmakologische Wirksamkeit entfaltet. • Omeprazol ist ein Arzneistoff aus der Gruppe der Protonenpumpenhemmer, der zur Behandlung von Magen- und Zwölffingerdarmgeschwüren sowie bei Refluxösophagitis eingesetzt wird.

• Codein ist eine natürlich vorkommende chemische Verbindung aus der Gruppe der Opiate. In der Medizin wird Codein als Arzneistoff eingesetzt. Es wird als Schmerzmittel meist in Kombination mit Paracetamol sowie als Hustenstiller verwendet.

Paracetamol

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Ein Acetanilid, wirkt als mildes Analgetikum

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Wird durch Glucuroniedierung bzw. Sulfatierung ausscheidungsfähig Wegen geringer Mengen von Glutathion reagiert das Zwischenprodukt mit SHGruppen auf Hepatozytenproteinen -> wenn Überdosierung = Lebernekrose

Inaktivieren

Procainamid Arzneimittel zur Therapie von Herzrhythmusstörungen! Normaler Abbau beginnt durch eine NAcetylierung. 2 Acetylierungstypen laut genetischer Varianten: Schneller und langsamer Bei Personen mit langsamem Acetylierungstyp findet bevorzugt eine NHydroxylierung statt N-Hydroxyprocainamid bildet weiter reaktionsfähige Zwischenprodukte, die mit zellulären Makromolekülen kovalente Verbindungen bilden z.B. Nukleinsäure -> Antigenbildung Kann zu Lupus erythematodes führen

Lupus erythematodes

Die normale Immunreaktion ist bei der Autoimmunkrankheit Lupus erythematodes fehlreguliert: Sie ist dauerhaft aktiviert und produziert anhaltend eine erhöhte Zahl von Antikörpern gegen körpereigene Zellkernbestandteile, so genannte antinukleäre Antikörper (ANA). Diese Autoantikörper schädigen körpereigene Zellen und damit auch das jeweilige Gewebe

Für die Erkrankung spielen eine genetische Prädisposition sowie endogene und exogene Auslöser eine Rolle

Aflatoxin

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Sekundärmetabolit verschiedener Shimmelpilze

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In den Hepatozyten oxidativ zu Epoxid

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Entweder wasserlöslich durch Glutathion-S-Konjugat und Ausscheiden durch MRP2ATPabhängigen Transporter oder in den Nucleus eindringen und DNA-Addukt bilden -> Mutationen/ Tumoren

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Letale Dosis bei Erwachsenen - 1 bis 10!mg/kg

• Tumorzellen besitzen die MDR-Protein (multi-drug-resistance):%

Transport von Zytostatika unterschiedlicher chemischer Natur aus der Zelle

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Deswegen sind viele Tumorerkrankungen schwer zu behandeln

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Zwei Typen der MDR-Familie:

MRD-1 in Nieren, Nebennieren, Colon, Placenta, Endothel in der Blut-Gehirn- und Blut-HodenSchranke

MRD-2: In der Leber

Serumelektrophorese bei Leberzirrhose Bei verminderten Albuminen sind die γ-Globuline vermehrt! Eine Vermehrung von IgG-, IgA, IgM-Globulinen

a1-Antitrypsin-Mangel Erbkrankheit, bei der das Enzym a1-Antitrypsin in der Leber fehlerhaft freigesetzt oder gebildet wird

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Gebildet von Hepatozyten, teilweise auch Monozyten und Neutrophilen! Gen auf Chromosom 14q31, aus 7 Exons

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Der häufigste Defekttyp ist der homozygote Z-Phänotyp (PI*ZZ). ! Serumkonzentration ist 20-50mg/dL. Gesunde Werte sind 150-300mg/dL.

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Pulmonale Symptome: Husten, Auswurf, Dyspnoe unter Belastung und später auch in Ruhe, treten typischerweise zwischen dem 30. und 40. Lebensjahr auf

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Dauerhafte Serumkonzentration unter 80mg/dL verursacht Bronchitis und/oder Lungenemphysem

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Das Krankheitsbild ist progredient und endet in einer respiratorischen Insuffizienz mit ausgeprägtem Lungenemphysem

a1-ATmangel -> wenige oder keine Antiproteasen -> Zerstörung körpereigener Substanzen Betroffene Alveolarwände -> kontinuierliche Zerstörung führt zum Emphysem

• Hepatomegalie, chron. Hepatitis! • Hypoplasie der intrahepatischen Gallengängen! • Hepatozytenschädigung durch a1-AT-Ablagerungen im rauhen ER! • Verminderte Gallesekretion -> Vitamin-Mangelzustand, da fettlösliche Vitamine nicht ausrichend aufgenommen werden (D, E, K, A)

Therapie

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Obligatorisch ist eine regelmäßige Physio- und Atemtherapie! Zur Infektionsprophylaxe ist die Pneumokokken-Schutzimpfung, in den Herbstmonaten auch eine Grippeschutzimpfung, zu empfehlen

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Substitutionstherapie mit humanem a1-Anti-Trypsin durch parenterale Gabe

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Leber: bei fehlender Organpathologie -> jährliche Kontrolle von Transaminasen, Vermeiden von Alkohol, Hepatitis-Impschutz! Bei Organopathologie -> Behandlung durch Spezialisten, Extremfall: Lebertransplantation (heilt a1-AT-Mangel)

Lunge: Nikotinabstinenz Inhalation z.B. mit Kortikosteroiden

Albuminmangel

Hypoalbuminämie versteht man eine erniedrigten Gehalt an Albumin im Blut. Die Hypoalbuminämie ist eine Form der Hypoproteinämie

• Albumin stellt einen Anteil von rund 50% des Plasmaproteins und ist für 75-80%

des onkotischen Drucks verantwortlich! • Albuminmangel -> deutliche Erniedrigung des onkotischen Drucks -> Bildung von Ödemen! • Albumin bindet viele Substanzen im Blut. Arzneistoffe, die normalerweise an Albumin gebunden sind, frei im Blutplasma vorliegen und dort zu höheren Wirkstoffspiegeln führen! • Die Feststellung einer Hypalbuminämie erfolgt durch Messung des Serumalbumins. Auch in der Serumeiweißelektrophorese wird eine Hypoalbuminämie durch den verminderten Albumin-Peak sichtbar Kommt es durch einen Verlust an Albumin zum Absinken des kolloidosmotischen Druckes im Blut, so tritt in das Interstitium ausgetretene Flüssigkeit nicht wieder in den Kreislauf ein. Es kommt zur Ausbildung von onkotisch bedingten Ödemen

Prothrombin ist einer der Gerinngungsfaktoren, die an der Steuerung der Blutgerinnung (Hämostase) beeigt sind. Es ist eine Vorstufe von Thrombin. Vitamin K abhängig! Störungen der Hämostase durch:! • Defekte von Thrombozyten, Plasmatischen Gerinnung, Fibrinolyse! • Lebererkrankungen: Reduzierte Leberfunktion -> Verminderte Speicherung von Vitamin K -> Verminderte Prothrombinproduktion -> Blutgerinnungsstörungen

Quellen http://flexikon.doccheck.com/de/Akute-Phase-Protein http://www.med4you.at/laborbefunde/techniken/elektrophorese/normal_gruen.gif https://de.wikipedia.org/wiki/First-Pass-Effekt http://www.spektrum.de/lexikon/biochemie/biotransformation/837 http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/2/vlu/oxidation_reduktion/ oxi_alk.vlu.html https://de.wikipedia.org/wiki/Prodrug https://de.wikipedia.org/wiki/Aflatoxine#Aflatoxine_als_biologischer_Kampfstoff https://de.wikipedia.org/wiki/Omeprazol https://de.wikipedia.org/wiki/Codein https://de.wikipedia.org/wiki/Humanalbumin https://de.wikipedia.org/wiki/Angiotensinogen https://de.wikipedia.org/wiki/Lupus_erythematodes#Ursache_und_Entstehung...