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BIOQUÍMICA – 14/05/2021 Citocromo P450 e biotransformação de xenobióticos XENOBIÓTICOS Xenobióticos são compostos estranhos ao organismo Não são produzidas pelo organismo Entram em contato com o organismo através da alimentação (alimentos com agrotóxicos), da pele, ar... Exemplos: agrotóxicos, corantes, medicamentos, chás (extratos contidos nesse chá), álcool... tudo que é estranho ao organismo Importância biomédica: Importante para a compreensão de: farmacologia e terapêuticas, toxicologia, investigação sobre câncer e toxicodependência Classes de xenobióticos de relevância médica: 1. Fármacos 2. Carcinógenos químicos 3. Outros compostos: inseticidas, produtos de limpeza e cosméticos Produto formado a partir da biotransformação do xenobiótico, o metabólito, pode ser uma substância mais tóxica ou mais ativa O objetivo final da biotransformação é transformar os xenobióticos em substâncias mais fáceis de serem eliminadas pelo organismo Inativar e aumentar a volaridade Aumenta-se a volaridade para aumentar a excreção do organismo Outros mecanismos de biotransformação podem ocorrer no corpo, como, por exemplo, a biotransformação da bilirrubina É uma situação fisiológica do corpo CONSIDERAÇÕES GERAIS: O metabolismo dos xenobióticos no nosso organismo faz-se principalmente no fígado O metabolismo dos auto e xenobióticos pode dividir-se em duas fases: fase 1 e fase 2 1. FASE 1: catalisada principalmente por monoxigenases ou enzimas da família citocromo P450 2. FASE 2: reação de metilação dos compostos da fase 1 ou conjugação com outros compostos Ocasionalmente, uma substância pode ser excretada inalterada: tudo depende da característica, estrutura química da substância o Se a substância for apolar o suficiente para conseguir ser excretada sem precisar ser biotransformada, ela será excretada o O que acontece em muitos casos é que a substância é parcialmente biotransformada para ser excretada FASE 1: Citocromo P450 é uma hemiproteína, ou seja, contém ferro na sua composição É importante no papel de fazer a biotransformação de substância endógenas ou xenobióticos Também são chamadas de monoxigenases por promoverem a inserção de um átomo de oxigênio na molécula em questão forma produtos hidroxilados Reação mais importante: hidroxilação Se tiver a inserção de uma hidroxila na molécula, sabe-se que está aumentando a polaridade dela Promove-se a possibilidade de formação de ligação de hidrogênio Maior interação com a água e, consequentemente, uma excreção mais fácil pelo rim O objetivo do organismo é suprimir/inativar a ação dessa substância estranha e aumentar sua polaridade para, então, facilitar a sua posterior excreção Depois da hidroxilação, pode ocorrer: Desaminação Desalogenização Dessulfatação Epoxidação Peroxigenação Redução Nem sempre se consegue suprimir a ação das substâncias É o casos dos pró-fármacos ou pró- carcinógenos O metabólito formado é mais ativo que a substância que lhe deu origem Pró-fármaco é uma substância que não tem atividade, precisa ser metabolizado para poder se tornar ativo Pró-carcinógenos não são carcinógenos, eles se tornam quando são biotransformados Nem sempre se pode chamar o processo de biotransformação de detoxificação Algumas vezes tem-se que o produto formado é mais ativo ou mais tóxico do que o seu substrato Essa fase pode: 1. Aumentar a atividade de algumas substâncias 2. Metabólitos que apresentem a mesma atividade do fármaco administrado 3. Diminuir a atividade de algumas substâncias Principais reações observadas são: oxidação, redução e hidrólise FASE 2: Os produtos da fase 1 podem ser encaminhados para essa fase Compostos da fase 1 podem ser hidroxilados ou não Pode haver conjugação com: a. Glicuronatos b. Sulfato c. Acetato d. Glutationa e. Aminoácidos Os compostos acima podem ser juntados aos compostos gerados na primeira fase ou, então, mesmo que não passe pela fase 1 (dependendo dos grupos funcionais já presentes nas moléculas), as substâncias podem passar diretamente para fase 2 Muitas substâncias conseguem ser eliminadas sem precisar passar pela biotransformação Outras são parcialmente biotransformada A reação de fase 2 é importante mas não precisa, necessariamente, passar pela fase 1 Diferentes metabólitos podem ser formados a partir de um mesmo substrato Passando da fase 1 e seguindo pela fase 2, faz com que se inative quase todas as substâncias favorece a eliminação pelo organismo sem causar danos ou cause poucos danos Reação de fase 2 podem ser conhecidas como reação de síntese: gera produtos sintéticos ou de conjugação OBJETIVOS DA BIOTRANSFORMAÇÃO: 1. Aumentar a solubilidade de compostos endógenos ou xenobióticos na água Maior polaridade 2. Facilitar a excreção Se isso não acontecesse, os compostos hidrofóbicos permaneceriam no tecido adiposo quase indefinidamente Imagem abaixo: Representação do metabolismo da fenitoína (fármaco) Fenitoína é altamente lipofílica e, o produto formado, é altamente hidrossolúvel Metabolismo da fenitoína pelas enzimas do citocromo P450 (CYP) da fase 1 e pela uridina-difosfato-glicuronitransferase (UGT) da fase 2 CYP facilita a 4-hidroxilação da fenitoína O grupo hidroxila funciona como substrato para a UGT, que conjuga uma molécula de ácido glicurônico (em verde) usando o UDP- ácido glicurônico (UDP-GA) como cofator Essa reação converte uma molécula muito hidrofóbica em um derivado hidrofílico maior, eliminado na bile Para alguns tipos de conjugação, precisa-se da hidroxila A velocidade de excreção do agente tóxico está relacionado com sua estrutura química Exemplo: fenol é excretado após conjugação direta, enquanto a biotransformação do benzeno requer ambas as reações Fenol é eliminado do organismo mais rapidamente que o benzeno, o qual precisa passar por uma hidroxilação e conjugação A escolha de um fármaco a ser administrado a um paciente depende do conhecimento do estado funcional dos órgãos envolvidos na sua biotransformação, seja para ativação ou eliminação Riscos: Deficiência de eliminação: intoxicação (overdose) Deficiência na ativação: ineficácia terapêutica Se o pró-fármaco não for biotransformado corretamente ele não terá como ficar ativo REAÇÕES DE FASE 1 Está envolvida com toxinas ambientais (pesticidas e poluentes), aditivos alimentares, drogas e álcool Os produtos do próprio metabolismo também são processados por esta via, para excreção ou ativação Produz quantidades significativas de radicais livres durante o processo de desintoxicação e, se o status antioxidante do paciente não estiver íntegro, pode ocorrer lesão tecidual Radicais livres, por possuírem elétrons emparelhados, são extremamente reativo e podem reagir com estruturas celulares, gerando danos MONOXIGENASES: Catalisam reações em que apenas um dos dois átomos de oxigênio do O2 é incorporado no produto orgânico o outro é reduzido a H2O Necessitam de dois substratos para funcionarem como redutores dos dois átomos de oxigênio do O2 O substrato principal aceita um dos dois átomos e um cosubstrato fornece átomos de hidrogênio para reduzir o outro átomo de oxigênio a H2O Como a maioria das monoxigenases catalisa reações em que o substrato principal torna-se hidroxilado, também são chamadas de hidroxilases CITOCROMO P450 Importante família de enzimas oxigenases P450 Existem diferentes enzimas P450, porém todas possuem um heme que interage com O2 e um sítio de ligação de substratos (especificidade) Objetivo: hidroxilação de compostos hidrofóbicos Exemplos: Encontradas em mitocôndrias de células esteroidogênicas: fazem a biossíntese dos hormônios esteroides Encontradas no RE de hepatócitos: incluem uma ampla variedade de compostos hidrofóbicos como substratos, muitos dos quais são xenobióticos Não possuem uma alta especificidade Se essas enzimas fossem específicas apenas para substâncias endógenas, não seria possível fazer uso de um fármaco ou de outra substância exógena Elas iriam se acumular no organismo e não se teria meios para eliminá-las Poderiam trazer danos Características: 1. Enzima hemeproteíca Existem vários subtipos que são codificados por diferentes genes 2. Localização predominante na membrana do RE, microssomas dos hepatócitos e nas células do córtex suprarrenal No córtex da suprarrenal são encontrados na mitocôndria e RE Envolvido na biossíntese de colesterol e esteroides 3. Pode ser induzida Podem ser inibidas também Existem algumas substâncias que são capazes de aumentar a produção dessas enzimas Indutores enzimáticos promovem a produção de mais enzimas Citocromos P450 (CYPs) são assim chamados pois, se expostos ao CO, absorvem luz com pico em 450nm Pico de Soret Presente em todos os reinos O genoma humano codifica, pelo menos, 18famílias (≥40% de homologia nos aminoácidos) de diferentes CYP 450 com um número estimado de 43 subfamílias (≥55% de homologia nos aminoácidos) e 57 genes Nomenclatura: Cada número após o CYP representa uma família Cada letra após o número significa uma subfamília E cada membro (gene) um outro número após a letra 18 famílias de CYP450 no homem: Embora no homem tenham sido identificadas 18 famílias de enzimas CYP450, cerca de 95% de todas as oxidações de drogas ocorrem através da ação de 8 enzimas CYP de 6 famílias a. CYP 1A2 (11%) b. CYP 2C8/9 (16%) c. CYP 2C19 (8%) d. CYP 2D6 (19%) e. CYP 2E1 (4%) f. CYP 3A4/5 (36%) No REL do fígado humano estas 8 isoformas apresentam superposição de especificidades para substratos xenobióticos ou endógenos IMPORTÂNCIA DAS CYP EM CARCINOGÊNESE: Exemplo 1: CYP 2E1 é induzido pelo consumo de etanol e atua em alguns solventes orgânicos, bem como em componentes da fumaça de cigarro que após biotransformação passam a ser potencialmente carcinogênicos Exemplo 2: Certos tipos de CYP, como a CYP 1A1, estão envolvidas na metabolização de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (hidroxilases de hidrocarbonetos aromáticos) No pulmão, elas podem converter hidrocarbonetos inativos (pró- cancerígenos), inalados na fumaça de cigarro, em ativos (cancerígenos) por reações de hidroxilação Fumantes tem maiores níveis desses CYPs do que não fumantes Ainda, os níveis desses CYPs aumentam na placenta de mulheres que fumam perigo para o feto e a mãe Imagem abaixo: Ciclo P450 da monoxigenase O P450, que contém ferro na forma férrica (Fe3+), combina-se com uma molécula do fármaco (DH) e recebe um elétron do NADPH- P450 redutase reduz o ferro a Fe2+ Combina-se com o oxigênio molecular, um próton e um segundo elétron (da NADPH P450 redutase ou do citocromo b5) para formar um complexo Fe2+ OOH x DH Esse complexo combina-se com outro próton, produzindo água e um complexo oxeno férrico (𝐹𝑒𝑂)3x DH (𝐹𝑒𝑂)3 extrai um átomo de hidrogênio do DH, com formação de radicais livres de vida curta, liberação de substância oxidada (DOH) do complexo e regeneração da enzima P450 INDUTORES DE CYPs 450 Essa indução significa que vai haver mais enzimas sendo produzidas Exemplos de indutores enzimáticos: 1. Rifampina 2. Carbamazepina 3. Feitoína 4. Erva de São João 5. Rifabutina 6. Fenobarbital 7. Nevirapina e efavirenz 8. Troglitazona e pioglitazona A administração de fenobarbital causa hipertrofia do REL liso e um aumento em 3 a 4 vezes dos CYPs (subfamílias 2C e 3ª) Além das UDP: glicuronosil transferases em 4-5 dias Por sua vez, o fenobarbital sofre ação dos CYPs 2C9, 2C19 e 2E1 Exemplo de situação clínica: A warfarina (cumarínico anticoagulante) é metabolizada pelo CYP2C9. Se você administra simultaneamente fenobarbital (usado em alguns casos de epilepsia) ocorrerá um aumento de CYPs (incluindo CYP2C9) Logo, a dose de varfarina terá que ser ajustada (aumentada) pelo TAP e o oposto (reduzida) quando o fenobarbital for retirado para evitar hemorragia Assim, xenobióticos podem causar indução de CYPs e que outras enzimas envolvidas no metabolismo de outro xenobiótico (ou substância endógenas), alternando a concentração circulante e distribuição (farmacocinética) dos últimos Importante no ajuste de dose do medicamento Se tem mais enzimas atuando, indução, elas vão reduzir, mais rapidamente, a concentração plasmática do substrato que é biotransformado por ela Indução enzimática pode fazer com que se tenha uma redução da concentração plasmática do substrato Mais enzima atuando substratos são convertidos mais rapidamente em seus metabólitos CASO CLÍNICO: R.S, 19 anos, começou a usar fenobarbital cronicamente para epilepsia tônico-clônica generalizada. Na quarta semana deste esquema terapêutico, o paciente apresentou várias crises convulsivas que o levaram a internamento de emergência. A dosagem plasmática de fenobarbital foi de 5mg/mL (sendo a concentração terapêutica acima de 10mg/mL). Qual o mecanismo que determinou níveis subterapêuticos? Fenobarbital é um forte indutor enzimático Indução das enzimas que fazem sua própria biotransformação: induz subfamílias CYP 2C e 3ª tem mais enzimas dessas famílias sendo produzidas pelo indivíduo É afetado pela CYP 2C9, 2C19 e 2E1 INIBIDORES DE CYPs 450 Exemplos de inibidores: 1. Cimetidine (vários) 2. Cetoconazol e itraconazol: inibem a família 3A4 3. Fluoxetina e paroxetina: inibem a família 2D6 4. Erithromicina e claritromicina: inibem a família 3A4 5. Inibidores de proteases de HIV (especialm e ritonavir) 6. Nefazodona: inibe a família 3A4 Inibidor faz com que a enzima não cumpra seu papel de biotransformar Se a enzima não cumpre seu papel de biotransformar, haverá elevação das substâncias que são substratos da enzima Substratos permanecem por mais tempo na circulação aumenta a concentração sérica dos fármacos, podendo aumentar os níveis de toxicidade CASO CLÍNICO: Uma mulher de 72 anos com diabetes tipo II e fibrilação atrial sendo tratada com varfarina (5mg/dia) e amitriptilina (50mg/noite) para dor neuropática. Ao desenvolver quadro depressivo, inicia tratamento com fluoxetina (20mg/dia). Em 10 dias, a paciente começou a apresentar tontura, boca seca e dificuldade de urina. Foi admitida na UTI, onde 2L de urina foram retirados após cateterização e seu INR foi medido em 17,3. Qual seria a explicação? INR: razão normalizada internacional (relacionada ao tempo de coagulação) Baixa ineficácia com INR < 2,0 e elevação de risco hemorrágico com INR > 4-5 Um inibidor do sistema de biotransformação é adicionado para uma paciente em uso de dois medicamentos que são processados por esse mesmo sistema A varfarina é metabolizada principalmente pela CYP 2C9, um sistema inibido pela fluoxetina Assim, com a adição desta, a mesma dose de varfarina produziu efeitos anticoagulantes multiplicados tem mais varfarina disponível, aumentando a ação terapêutica e o riscode toxicidade Já a amitriptilina é processada pelos sistemas CYP 2D6, 3A4 e 2C19, enzimas que também são inibidas pela fluoxetina Desse modo, a ação anticolinérgica da amitriptilina foi aumentada após a adição de fluoxetina, levando ao quadro de retenção urinária REAÇÕES DE BIOTRANSFORMAÇÃO REAÇÕES DE FASE 1: São reações oxidativas Certos grupos de reações só ocorrem quando alguns tipos de substâncias possuem os grupos funcionais específicos N-desalquilação só pode acontecer se tiver um grupo alquil (alquila) ligado ao nitrogênio O-desalquilação só pode acontecer se tiver um grupo alquil ligado ao oxigênio Hidroxilação alifática só pode acontecer em substâncias alifáticas Hidroxilação aromática só acontece em substâncias que possuem o anel aromático O produto que foi formado em uma reação pode servir como substrato de uma outra A mesma coisa acontece com o metabólito formado: ele pode servir como substrato e reagir em outra reação Não é um metabólito único, são vários Além de reações oxidativas, existem também reações de hidrólise Vão acontecer em substâncias do tipo éster e amida São reações catalisadas por esterases Outras reações catalisadas sem CYP 450 também são características desta fase Exemplo: enalapril (inibidor da enzima conversora de angiotensina) é relativamente inativo até ser convertido por esterases em enalapritato diacídico Importância da epóxi-hidrolase no REL: os produtos de ação de CYPs podem ser epóxidos, altamente mutagênicos e/ou carcinogênicos A epóxi-hidrolase os transforma em dihidrodiols, que são muito menos reativos Mono-oxigenases contendo flavina participam de algumas oxidações de N, S e P REAÇÕES DE FASE 2: Também chamada de via de conjugação Os produtos gerados na fase 1 são convertidos por conjugação em metabólitos ainda mais polares Relembrando: uma substância pode sofrer reações de apenas uma das fases, ou mesmo nenhuma, antes de ser eliminada Assim como a fase 1, também é importante para o metabolismo de compostos endógenos (não xenobióticos) Na maioria dos casos, a conjugação converte produtos ativos (ou ainda ativos), em formas menos ativas ou inativas para a excreção na urina ou na bile Em raros casos, a conjugação pode aumentar a atividade e a distribuição do xenobiótico no organismo Exemplo: a morfina dobra a sua atividade ao ser combina a 1-glicuronídeo Utiliza-se de substâncias ricas em grupos sulfidrila Exemplos: cisteína, taurina e glutationa Após a conjugação, essas substâncias conseguem ser excretadas PARACETAMOL É metabolizado em metabólitos não tóxicos através de sulfação e glicuronidação, que representam cerca de 95% de todo o metabolismo 5% vai ser biotransformado pela via do citocromo P450 Considerado um medicamento seguro No entanto, é considerado hepatotóxico Uma enzima, de vasta distribuição, a glutationa redutase, em reação com NADPH, catalisa a reação de glutationa dissulfeto (GSSG) a 2GSH Esse processo normalmente mantém a razão GSH/GSSG nas células em 100/1 O uso de acetilcisteína (por via oral ou injetável) fornece cisteína necessária para a geração de glutationa Glutationa impede seu esgotamento na intoxicação por paracetamol, evitando as lesões por radicais superóxidos que ocorrem neste caso CONSIDERAÇÕES 1. Diferentes espécies de animais respondem distintamente aos xenobióticos: é perigoso extrapolar resultados de toxicidade obtidos com cobaias para o homem 2. Metabolismo de xenobióticos varia com genótipo, idade, sexo, estado funcional e comprometimento dos órgãos 3. Condições de inflamação e resposta imune alteram a capacidade do fígado de biotransformar xenobióticos Condições como: envolvimento no aumento da síntese de proteínas de fase aguda, componentes de complemento e fatores de coagulação ETANOL Ingestão aguda e maciça de etanol inibe o sistema citocromo P450 e, consequentemente, a biotransformação de muitas substâncias Ingestão durante um longo período induz a citocromo C redutase, acelerando o metabolismo de certos fármacos O etanol é metabolizado por duas vias nos hepatócitos É oxidado no citosol pela álcool desidrogenase (ADH), gerando acetaldeído O acetaldeído é convertido em acetil-CoA pela acetaldeído desidrogenase, no RE, vai ser convertido pelo CYP 2E1 (citocromo P450), gerando radicais livres (radical hidroxietil, superóxido e água oxigenada) Radicais livres reagem com ácidos graxos e formam ésteres (ácil etanol ésteres) A ADH é o principal sistema responsável pelo metabolismo do álcool em baixas concentrações, enquanto que o CYP 2E1 é responsável pela metabolização em altas concentrações O sistema microssomal de oxidação do etanol, que envolve o CYP 2E1, é passível de indução e bastante amplificado com o uso crônico do álcool, aumentando assim o estresse oxidativo Os mecanismos de agressão induzidos diretamente pelo etanol estão relacionados ao estresse oxidativo e às modificações da atividade de proteínas, causadas por adição de acetaldeído e aldeídos derivados da oxidação de lipídeos Em asiáticos, o rosto, entre outras partes do corpo, fica bem vermelho após o consumo de álcool. Por quê? Cerca de 80% da população asiática em geral possuem uma variante de gene chamada ADH1B e quase todos os japoneses, chineses e coreanos possuem uma variante chamada de ADH1C Ambas as variantes produzem uma enzima desidrogenase alcóolica muito mais eficiente do que aquelas normalmente encontradas no resto da população mundial maior produção de acetaldeído no fígado 50% dos asiáticos com a alta produção de acetaldeído possuem uma outra variante de gene, chamada de ALDH2, a qual resulta em uma enzima acetaldeído desidrogenase menos eficiente degradação do acetaldeído diminui Resultado global: aumento na quantidade do tóxico acetaldeído circulando na corrente sanguínea desses indivíduos, especialmente naqueles do Leste Asiático CASO CLÍNICO: Paciente do sexo masculino, 25 anos, que há três meses iniciou o quadro de icterícia (++++/4+) após a utilização de anabolizantes, antibióticos e antiinflamatórios não hormonais. Refere acolia fecal, colúria, náuseas e prurido generalizado associado. Ao exame físico (após 40 dias internado) encontrava-se em bom estado geral, lúcido, orientado, coerente, hidratado e ainda ictérico (++++/4+). Ausculta cardiopulmonar sem anormalidades e exame abdominal com ruídos hidroaéreos presentes, normotenso e indolor à palpação superficial e profunda, ausência de massas palpáveis e visceromegalias (notáveis ao exame físico). Qual a hipótese diagnóstica? O uso de anabolizantes sem acompanhamento médico deve ser entendido como uma causa importante de hepatite medicamentosa, pois os mesmos têm grande hepatotoxicidade tornando doses menores de outros fármacos mais tóxicas O tratamento medicamentoso, bem como a retirada do agente agressor devem ser feitos o mais rápido possível para bloquear mecanismos imunológicos subjacentes, evitando assim danos hepáticos irreversíveis, os quais pelo curso da doença acarretariam em necessidade de transplante GERIATRIA Diminui o suprimento sanguíneo hepático e determinadas enzimas hepáticas se tornam menos ativas e, consequentemente, o fígado perde parte de sua capacidade de biotransformação Fármacos dependentes acentuadamente de metabolismo hepáticos Níveis tóxicos devido à elevação da sua concentração plasmática Exemplos: maioria dos beta- bloqueadores, lidocaína e analgésicosopióides CONSIDERAÇÕES FINAIS “A princípio, a genética de um indivíduo e sua história pessoal poderiam embasar as determinações de doses terapêuticas de fármacos; na prática, esse ajuste perfeito da dosagem ainda não é economicamente viável, mas pode vir a ser” Hidroxilação e glicuronidação: inativação da maioria dos fármacos A velocidade determina por quanto tempo um fármaco permanece no sangue em doses terapêuticas Genética e a exposição prévia a substratos pode induzir a síntese de quantidades maiores das enzimas P450 conhecimento dos fármacos e suplementos, além de histórico de alcoolismo, tabagismo ou exposição a toxinas ambientais
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