chuyển hóa sinh học dẫn đến sự chuyển hóa chất độc khía cạnh hóa học

CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC1 Liên kiết C-H oxy hóa Liên kết C-H nằm ở vị trí α với một nguyên tử khác loại như O, S, N, halogen, các dẫn xuất α hydroxy hóa th

MÔN HỌC: CHUYỂN HÓA SINH HỌC

NGUYỄN THỊ THANH KIỀU

CHUYỂN HÓA SINH HỌC DẪN ĐẾN SỰ CHUYỂN HÓA CHẤT ĐỘC:

KHÍA CẠNH HÓA HỌC

I Bối cảnh lịch sử II Giới thiệu III Các phản ứng liên quan tới

hoạt hóa sinh học

III Các phản ứng liên quan tới

hoạt hóa sinh học

 Nội dung

2

I Bối cảnh lịch sử

•Richard Tecwyn Williams đã giới thiệu các giai đoạn I và II  của phản ứng chuyển hóa

xenobiotics

•Đồng thời, Bernard Brodie nghiên cứu sự chuyển hóa thuốc chống sốt rét atabrine để tránh tác

dụng phụ của thuốc, nổi tiếng nhất là liên quan đến acetaminophen

•1940, Brodie et al cho rằng bioactivation có thể dẫn đến sự hình thành các đơn vị lực điện tử,

liên kết với các đại phân tử sinh học gây rối loạn chức năng tế bào

I Bối cảnh lịch sử

 1950, Omura và Sato phát hiện chức năng hỗn hợp oxidase và đặc tính của cytochrome P450

 Remmer phát hiện cytochrome P450 có thể được tạo bởi phenobarbital và Conney đặc trưng cảm

ứng với 3-methyl cholanthrene

 1999, Johnson cung cấp các quan điểm mới trong việc chế tạo thuốc an toàn hơn với sự kết tinh

đầu tiên của cytochrome P450 động vật hữu nhũ

4

II Giới thiệu

•Độc tính là kết quả của các tác nhân có hại nhiều hoặc ít của chất hóa học trên một cơ thể

sống

•Kết quả trao đổi chất có thể làm mất đi các hoạt tính sinh học Đôi khi, chuyển hóa sinh học

 có thể sản xuất chất gây độc Quá trình cuối cùng gọi là toxification hoặc bioactivation

•Các sản phẩm trao đổi chất có thể độc hại hơn các tiền hợp chất

•Các yếu tố ảnh hưởng:

+ Bên trong: đa hình di truyền của một số con đường trao đổi chất

+ Bên ngoài: liều dùng, con đường, thời gian,…

II Giới thiệu

3 trường hợp phát sinh độc tính từ các chất chuyển hóa

6

Các độc tính phát sinh từ các chất chuyển hóa ("độc tính gián tiếp"), có

thể được phân loại thành ba trường hợp:

•A Biến đổi bắt đầu với sự hình thành tạm thời của phản ứng trung

gian với các đại phân tử của tế bào => suy yếu => hoại tử tế bào

•B Chất chuyển hóa chính tích tụ => phản ứng với các thành phần tế

bào trước khi được chuyển đổi

•C Chất chuyển hóa cuối cùng tích tụ => phản ứng với các phân tử

của tế bào

II Giới thiệu

•Chuyển đổi chuyển hóa được chia thành 2 giai đoạn:

•Giai đoạn I:

Phản ứng chức năng hóa, liên quan đến nhóm chức năng có cực như nhóm hydroxyl vào

xenobiotics

•Giai đoạn II:

Nhóm chức năng + yếu tố nội sinh (bị ion hóa ở pH sinh lý) => tạo điều kiện bài tiết tích cực vào hệ

thống tiết niệu/ gan

•Bioactivation chủ yếu là sự kích hoạt của xenobiotic dạng electrophin - phản ứng không thuận

nghịch với nucleophile mô

sinh học

tạo cá

c c hất đ

ộc hất đ c c cá tạo học sinh hóa ển Chuy •

ộc

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

8

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

A Quá trình oxy hóa

 Cytochrome P450 (CYP) monooxygenase:

dehalogen hóa

enzyme khử flavoprotein NADPH CYP, và phosphatdylcholine phospholipid

không bão hòa

Công thức cấu tạo CYP

Cơ chế xúc tác của CYP

 Liên quan đến (FeO)+3, một

phức hợp được hình thành bởi

việc loại bỏ H2O từ vị trí Sắt

sau 2e- đã được thêm vào

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

 FAD- containing monooxygenase:

aldehyde và axit tương ứng

mặt khác

A Quá trình oxy hóa

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

1) Liên kiết C-H oxy hóa

Liên kết C-H nằm ở vị trí α với một nguyên tử khác loại (như O, S, N, halogen), các dẫn xuất α hydroxy hóa thu

được thường không ổn định và có thể được tiếp tục bị oxy hóa hoặc cắt

Sự oxy hóa cloroform

axit hydrochloric và tạo phosgen, rất hoạt động

12

1 Liên kiết C-H oxy hóa

Hoạt hóa trao đổi chất của chloramphenicol

 Chloramphenicol bị oxy hóa tạo thành

chloramphenicol oxamyl clorua hình thành bởi quá

trình oxy hóa phân nữa dichloromethyl

chloramphenicol tiếp theo loại bỏ các axit

hydrochloric.

 Các chất chuyển hóa có hoạt tính phản ứng với nhóm

ε -amino của một lượng dư Lysine trong CYP và ức

chế các phản ứng enzym dần theo thời gian

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

2) Liên kết oxy hóa không bão

Sự oxy hóa aflatoxin B1 14

 Liên kết đôi bị oxy hóa bởi CYP monooxygenases

thành epoxit, thông thường rất phản ứng Epoxit

được xem là chịu trách nhiệm về độc tính của các

hợp chất không no

 Hepatocarcinogenicity tạo thành do epoxit

(AFB1-oxit) liên kết trực tiếp với nguyên tử N-7 của một

phân tử guanin trong DNA

2) Liên kết oxy hóa không bão hòa

3,4-epoxide, không thể hiện hoạt

tính gây đột biến hoặc ung thư,

nhưng phản ứng với các protein

nonenzymatically gan và gây ra

hoại tử gan

Chuyển hóa của bromobenzen.

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

3) N-oxy hóa

(thường ít độc hại), nhưng các amin sơ cấp và thứ cấp được oxy hóa thành các dẫn xuất hydroxyl

cho những tổn thương gan và đột biến của acetamino-2-fluorine

N-oxy hóa của acetamino-2-fluorene. 16

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

4) Oxy hóa các nguyên tử khác

 Các nguyên tử khác như nitơ hoặc lưu

huỳnh bị oxy hóa ở các electron ngọai biên

không liên kết.

Thiophene được oxy hóa thành sulfoxide

thiophene, không ổn định và dimer hóa một

cách tự nhiên để dimer oxit S thiophene thông

qua một phản ứng Diels-Alder.

Oxy hóa thiophene

4) Oxy hóa các nguyên tử khác

 2-phenylthiophenes bị oxy hóa

thành epoxit thiophene không

III CÁC PHẢN ỨNG LIÊN QUAN TỚI QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA SINH HỌC

B Stress oxy hóa

• Là sự xáo trộn trong sự cân bằng gốc tự do có oxy (chất oxy hóa - chất chống oxy hóa),

nghiêng về phía chất oxy hóa dẫn đến sự thay đổi trạng thái oxy hóa khử của tế bào.

• 95% lượng gốc tự do sinh ra trong hô hấp tế bào sinh năng lượng, nhưng đã có sẵn

các enzyme chống oxy hóa và chất chống oxy hóa  không gây hậu quả đáng kể.

• 5% gốc tự do sinh ra do các hoạt động sinh lý khác (thực bào, nhiễm khuẩn,…), các

chất ô nhiễm (khói, bụi, hóa chất,…) gây stress oxy hóa

SỰ KHỬ

1 Hợp chất polyhalogen

3 Hợp chất azo

2 Hợp chất chứa nitro

20

C- SỰ KHỬ

1 Sự khử các hợp chất polyhalogen

 Polyhalogen: CCl4, BrCCl3 và halothane (CF3-CHBrCl), khi có sự

hiện diện của chất khử CYP reductase có thể diễn ra sự khử một

electron dẫn đến sự hình thành một gốc tự do và chúng có thể được

chuyển hóa theo nhiều con đường khác nhau.

Hình 33.14: Sự khử các hợp chất polyhalogen

22

Sự khử các hợp chất

polyhalogen làm tăng một số số

chất trung gian ví dụ như: gốc tự

do, carbene, peroxides sự tham

gia này có thể là yếu tố gây độc

cao.

2 Sự khử các hợp chất chứa nitro

23

Quá trình chuyển hóa sinh học có thể sản

xuất amin bậc 1 từ một hợp chất nitro thơm

liên quan đến một gốc tự do anion nitro,

một dẫn xuất nitroso, một nitroxyl gốc tự

do, một hydroxylamine và sau đó tạo thành

amin bậc 1

Hình 33.15: Sự khử các hợp chất chứa nitro

3 Sự khử hợp chất azo

tự do Người ta cũng cho rằng các hợp chất nitro cũng là các gốc anion azo tự do

24

Sự tiếp hợp Glucuronic acid

Sulfation Acetyl hóa

Sự tiếp hợp Glutathione

Sự methyl hóa

D Phản ứng thế: thủy phân và liên hợp

1 Sự tiếp hợp Glucuronic acid

glucuronic acid (UDPGA) thành các nhóm dị sinh cơ chất có chức năng (hydroxyl, carboxylic acid, amino hay các nhóm sulfur )

2 Sulfation

3’-phosphoadenosine-5’ phosphosulfate)

trình chuyển hóa chuỗi điện tử

N-oxidation of acetamino-2-fluorene

fluorene, O- sulfate là một nhóm dễ

tách ra, sự phân tách này hình thành

nên ion nitrenium, ion này đóng vai trò

trong sự alkyl hóa DNA

3 Acetyl hóa

hydroxyl or sulfhydryl

Hình 33.16: Hoạt tính sinh học của isoniazid

antitubercular dẫn đến tăng cường độc

gan của thuốc Acetyl hóa tiếp theo đó là

phản ứng thủy phân và hiệu suất oxy hóa

sản phụ thuộc vào CYP tạo gốc acetyl tự

do hoặc cation acylium, có thể acetyl hóa

các đại phân tử ái nhân (Hình 33,16)

4 Sự tiếp hợp Glutathione

glutathione đóng vai trò quan trọng nhất trong hiệu

quả khử độc

chất vicinal dihalogenated, sự tiếp hợp glutathione

sản xuất các dẫn xuất monosubstituted có thể

đóng vòng ion episulfonium có lực điện tử cao

(Hình 33.17)

Hình 33.17: Hoạt tính sinh học của ion episulfonium

5.Sự methyl hóa

. Các nhóm methyl hóa được chuyển từ nucleotide

S-adenosyl- L -methionine (SAM) bởi

methyltransferase Chức năng của nhóm là tiến hành

methyl hóa gồm amin bậc 1, 2, 3; pyridines, phenols,

catechols, thiophenols

. Pyridine được chuyển hóa thành N-

methylpyridinium ion và chất này độc hơn pyridine

(Hình 33.18)

Hình 33.18: Hoạt tính sinh học của pyridine

E Eliminations

thành alkene

trình biến dưỡng khác nhau của các isomer của thuốc diệt côn trùng hexachlorocyclohexane (lindane)

.Sự sắp xếp lại và đóng vòng là một trong những ví dụ liên quan đến quá

trình tạo ra các chất độc

.Trong trường hợp của hexane, sự chuyển hóa chất độc

2,5-hexanedione được hình thành từ 4 phản ứng oxy hóa kế tiếp Sự ngưng

tụ của γ–dicetone với nhóm lysyl amino của protein thần kinh dạng sợi

là do phản ứng tạo vòng Paal-Knorr

 Đây là quá trình ban đầu giải thích hexane chất cảm ứng gây độc thần

kinh Sự oxy hóa tự động của dẫn xuất dẫn đến sự liên kết của protein trung

gian dạng sợi và chất độc thần kinh ngọai biên.

Hình 33.19: hoạt tính sinh học của hexane

 Dẫn xuất tương tự pyrrolyl được

tìm thấy ở chuyển hóa furan, furan

được oxy hóa bời CYP thành

furan-epoxide

 Nhờ sự sắp xếp lại quá trình

chuyển hóa ene-dial hay

ene-keto-aldehyde Sau phản ứng với thiols

và amine như lysine sẽ tạo thành

dẫn xuất bền của pyrrolic

Hình 33.20: Hoạt tính sinh học của furans

Acetamino-phen

axit tienilic

valproic acid

zoneHalothane

Troglita-Ví dụ của chuyển hóa chuyển đổi dẫn đến chất độc gây ra

Oxy hóa CYP trung gian

 Thuốc giảm đau acetaminophen (Paracetamol) biểu hiện gây độc gan khi dùng

liều rất cao Chất chuyển hóa được biết đến là N-acetyl-p benzoquinone imine

(NAPQI)

A Acetaminophen

Con đường chuyển hóa sinh học của acetaminopen

38

 NAPQI

acetaminophen để được N- hydroxyacetaminophen và sự khử nước để thành

NAPQI

 Hình thành NAPQI có thể tiến hành bởi hai quá trình oxy hóa một electron liên

Chu trình oxy hóa khử của NAPQI

B Tienilic acid

 Trước đây là thị trường để điều trị tăng huyết áp . Nó đã được chấp

thuận bởi FDA vào ngày 2 Tháng 5 năm 1979, và thu hồi trong năm

1982, sau khi báo cáo trường hợp ở Mỹ chỉ ra mối liên hệ giữa việc

sử dụng Tienilic axid và viêm gan .

=> loại bỏ khỏi thị trường

42

Hình 33,25: Axid Tienilic biến đổi sinh học phản ứng trung gian và ổn định các chất chuyển hóa

 Cơ Chế Bất Hoạt.

bị đồng hóa trị liên kết với enzyme, do đó ức chế các enzym không thể đảo

ngược.

năng alkyl hóa rất đặc biệt của CYP dẫn đến ngừng hoạt động của

xenobiotics như anken với chưa bão hòa đầu cuối, alkyne, cycloalkylamines

mạch thẳng, 4 alkyldihydropyridines, benzodioxoles, và một số các amin bậc

ba.

=> ức chế CYP2C9

44

 Viêm gan tự miễn

thể tấn công gan.

thể antireticulum lưu thông gọi là kháng thể chống LKM2, Các kháng thể kháng

LKM2 trực tiếp chống lại lại cytochrome CYP2C9 ở gan.

Halothane là một loại thuốc gây mê được sử dụng khá phổ biến nhưng

đôi khi dẫn đến viêm gan nặng.

Khoảng 60-80% liều được đào thải ở dạng không được chuyển hóa

trong 24h sau khi tiêm cho bệnh nhân

46

C Halothane Cơ chế

Biến đổi sinh học của halothane đến trifluoroacetyl clorua và sự gắn kết vào protein

phản ứng miễn dịch đối với biến đổi

protein của gan

hoạt động như một epitope ngoại lai

 Liên hợp thuốc protein, gọi là

neoantigen, kích thích tạo ra một đáp

ứng miễn dịch đối với gan.

48

 Chất chống co giật được sử dụng cho các điều trị bệnh động kinh, đôi khi dẫn

đến nhiễm độc gan ở trẻ nhỏ Độc tính được đặc trưng bởi thiệt hại của ti thể,

suy giảm acid béo β –oxi hóa và tích tụ lipid.

chất chuyển hóa acid 2-propyl-4-pentenoic (cũng được gọi là VPA)

Hoạt hóa sinh học của valproic acid thành Δ4 VPA.

Δ4VPA-chất chuyển hóa chính

của valproic acid được tạo ra

dưới dạng liên hợp glucuronic

50

 Δ4VPA là một chất độc cho gan và hợp chất mạnh gây quái thai

trên động vật

microsome gan và các axit béo beta –oxi hóa

Hoạt hóa sinh học của Δ4VPA

 Các chất chuyển hóa không bão hòa

chuyển thành một dẫn xuất γ

-butyrolactone thông qua một phản ứng

hóa học dựa trên chất ức chế của CYP Sự

ankyl hóa của heme bằng gốc tự do xảy ra

trước sự hình thành của epoxide epoxide

không liên quan đến sự ức chế CYP.

 Chu trình β-oxy hóa hoạt Δ4 VPA

Coenzyme của nó

52

 Dạng uống thuộc lớp thiazolidinedione của các hợp chất được sử dụng để điều trị bệnh

tiểu đường tuýp II.

Quá trình oxy hóa của vòng thiazolidinedione của troglitazone.

 Được chuyển hóa chủ yếu để liên hợp Sulfate và

glucuronide

 Troglitazone là một chất cảm ứng của CYP3A

 Cơ chế độc tính vẫn còn chưa rõ ràng, nhưng dường như

tiến hành theo hai con đường khác nhau

 Sự phân tách oxy hóa của các vòng thiazolidinedione có

thể tạo ra α- ketoisocyanate electrophin cao và trung gian

axit sulfenic trung gian Quá trình oxy hóa qua trung gian

CYP 3A sẽ đủ khả năng tạo một sulfoxide phản ứng trung

gian,trải qua một mở vòng tự phát

54

Quá trình oxy hóa của vòng chromane của troglitazone

 Bao gồm một quá trình oxy hóa một electron

CYP3A qua trung gian của nhóm hydroxyl

phenol dẫn đến một hemiacetal không ổn

định, mở vòng để tạo thành các chất chuyển

hóa quinone.

 Một CYP trung gian lấy ra hydro có thể xảy ra

trên gốc phenoxy, dẫn đến một dẫn xuất

o-quinone-methide.

V Kết luận

56

 Hầu hết các phản ứng chuyển hóa có khả năng sản xuất

bioactivation, các hợp chất độc hại có thể tác động trực tiếp

hoặc gián tiếp

 Sự xuất hiện của độc tính là kết quả phản ứng các chất

chuyển hóa trung gian với các mục tiêu sinh học như các đại

phân tử của tế bào

 Một số hợp chất thể hiện độc tính của chúng bằng cách tạo

ra những loại oxy phản ứng, làm thay đổi trong trạng thái oxi

hóa khử của tế bào

V Kết luận

 Proteome profiling (proteomics) có thể giúp xác định các protein liên quan đến stress

alkyl hóa do thuốc

 Sự ức chế enzyme bởi cơ chất của chúng là vai trò đặc biệt của stress alkyl hóa Xác

định và giám sát adduct protein thuốc có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển thuốc

 Các phân tử có thể được sửa đổi để giảm phản ứng không mong muốn mà không mất

quá nhiều hoạt tính dược lý Một loạt các cơ chế làm cho nó nhạy cảm với các hiệu

V Kết luận

58

 Một số nhóm toxophoric chính (trong  bảng) liên quan

đến nhiễm độc cấp tính hoặc mãn tính

 Sự hình thành các chất chuyển hóa độc hại không phải

là con đường duy nhất của biến đổi sinh học, sự trao đổi chất tổng thể có thể bao gồm quá trình giải độc và bioactivation

 Các chất chuyển hóa thành chất độc thường gặp hơn

Aromatc/heterocyclic amin; Hợp chất Nitro

Ion nitrenium, ion carbonium tautomeric

Hợp chất nitroso

Hydrazine

Sự hình thành ion diazonium/heme adduct/ radical

Hợp chất polyhalogenated Hình thành Radical và carbene/ episulfonium với GSH