分子理学.ppt

药物代谢酶调控与生物学效应,内、外源物体内生物转化途径,Conjugate Phase II (GST, UDPGT) Phase II (GSH, UDPGA, SO42-) Xenobiotics Metabolite Excreted Endobiotics Phase I (CYP450) Oxidation Cytotoxicity Reduction Mutagenicity Hydrolysis Carcinogeneci,药物代谢酶的种类及命名,细胞色素P450 (cytochrome P450) 药物代谢转移酶 N-乙酰化转移酶 (N-acetyltransferase) 甲基转移酶 (methyltransferase) 尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶 (UDP-glucuronosyltransferase) 磺基转移酶 (sulfotransferase) 谷胱甘肽巯基转移酶 (glutathione S-transferase) 酯酶 乙酰胆碱酯酶 (cholinesterase) 对氧磷酸/芳香酯酶 (A-esterases) 脱氢酶 乙醇脱氢酶 (alcohol dehydrogenase) 乙醛脱氢酶 (aldehyde dehydrogenase) 氧化还原酶 单胺还原酶 (monoamine oxidase) 超氧化物歧化酶 (superoxidase) 过氧化氢酶 (catalase),内容提纲,一Phase I enzymes Cytochrome P450(CYP 450) CYP450的发现 CYP450的特性和功能（组成、反应机制、分布、特性） CYP450在内、外源物代谢中的作用 CYP450的调控 CYP450与疾病 CYP450的应用 二Phase II enzymes Glutathione S- transferase 分布及类型 特性及催化反应 生理意义及调控,一.药物代谢 I 相酶CYP450,（一）CYP450的发现,药物代谢 I 相酶CYP450,（二）Cytochrome P450的特性和功能 1. 组成 Cytochrome P450 细胞色素 Cytochrome b5 NADPH-cytochrome P450 reductase 黄素蛋白 Cytochrome b5 reductase Phospholipid,药物代谢 I 相酶CYP450,Cytochrome P450: 底物和分子氧的结合部位，决定底物和产物的特异性。 Cytochrome b5 NADPH-cytochrome P450 reductase 参与CYP450催化反应的电子传递 Cytochrome b5 reductase Phospholipid：肝细胞内质网干重的30-40%，可加速电子传递，提高CYP450 的氧化作用,药物代谢 I 相酶CYP450,2分布 哺乳动物: 肝脏为主（微粒体、线粒体、核）、肺、皮肤、 小肠黏膜、结肠、肾上腺、肾脏、睾丸、卵巢、脑、 淋巴细胞、前列腺等。 非哺乳动物: 植物、细菌、昆虫、真菌等。 分布的选择性与外源物进入机体的途径和代谢转化、排泄密切相关，利于CYP450生理功能的发挥。,药物代谢 I 相酶CYP450,*肝外组织 脑P450: 表达低（为肝脏1-10%），参与神经递质和类固醇 的合成降解（性发育和功能） 小肠 P450: 含量高（3A)，对诱导剂敏感，参与药物的生物转化,药物代谢 I 相酶CYP450,3催化反应及机制 RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP + H2O 反应类型： 氧化（羟化、环氧化、脱烃、脱氨、脱硫、脱卤） 还原（硝基、偶氮、卤代） 内源性底物：类固醇激素、脂肪酸、胆酸、花生四烯酸、维生素类 前列腺素等 外源性底物：药物、致癌物、致突变物、抗氧化剂、农药、 有机溶剂、生物毒素等,还原型,氧化型,NADPH,NADPH,黄素蛋白还原酶 B5还原酶,CYP450作用的分子机制,药物代谢 I 相酶CYP450,4. 特性 （1）光谱特性：还原状态下可与CO 结合，在波长450nm出现吸收峰，用于含量测定。 450nm 420nm(失活）,药物代谢 I 相酶CYP450,（2）膜结合特性 可溶性: 便于分离纯化 膜结合: 微粒体型： 具有广泛底物特异性 （药物、致癌物、激素、脂肪酸） 线粒体型：具有明显底物特异性，可代谢内源性甾 醇，参与类固 醇激素的合成，较少参与 外源物代谢,药物代谢 I 相酶CYP450,(3) 可诱导性 诱导剂: 药物、化学毒物等 诱导机制: 核受体 Ah受体 (aromatic hydrocarbon receptors)-P1 孤儿受体 (orphan receptors-内源性、生理配体不清) CAR： 组成型雄烷受体，PB和亲脂类化合物等（2B） PXR： 孕烷核受体，天然和合成的甾醇类等（3A ） PPAR： 过氧化物酶体增殖因子活化受体，非基因毒性 致癌物等(4A)mRNA稳定作用(2E),药物代谢 I 相酶CYP450,TCDD的诱导机制 TCDD置换Hsp90, 受体活化即Ah与Arnt 结合，结合调控区位点,DNA增强子序列 外源性响应元件,L螺旋蛋白转录因子PAS,Ah受体核转录因子,药物代谢 I 相酶CYP450,Developmental Signal Signal mRNA degradation Acetone Protein degradation Ethanol AAA,Signal,Acetone ethanol,药物代谢 I 相酶CYP450,诱导剂对P450和NADPH-cytochrome P450还原酶的协同作用 （Shen and Kasper, 1993） 诱导剂 诱导倍数 诱导剂 诱导倍数 还原酶 P450 还原酶 P450 苯巴比妥 1.8 57(2B1) 丙酮 1.4 1.6 R-氧化物 1.6 38(2B1) 乙醇 1.2 1.4 DDT 8.9 1.2 PCN 1.2 1.4(3A1) TCDD 1.3 2 DEX 1.5 4(3A1) 3MC 1.3 49(1A1) DEHP 1.5 3 -NF 1.0 23(1A1) DHEA 1.8 17(4A1) 2-AAF 1.2 1.0,药物代谢 I 相酶CYP450,外源化合物诱导剂 激素，细胞因子，生长因子 受体和转录因子 诱导 CYP基因表达 P450酶 外源化合物代谢 内源甾醇，脂肪酸， 前列腺素代谢 CYP基因诱导：外源化合物与内源化合物调控途径的相互作用（Waxman, 2019),药物代谢 I 相酶CYP450,(4)多样性和底物特异性 CYP450的分类和命名 Family Subfamily Species trivial name(ref) P4501 2 1A1, 1A2, 1B1(Human, Mouse, Rabbit, Fish) P4502 11 2A1-3, 2B1-10, 2C1-15, 2D1-9, 2E1-2, 2F1, 2G1,2H1, 2J2, 2R1, 2S1(Rat, Human, Mouse, Chicken) P4503 1 3A1-6(Human, Rat, Rabbit) P4504 2 4A1-7,4B1(Rat, Rabbit, Human),药物代谢 I 相酶CYP450,CYP 3A4 特非那定(terfenadine) C- 脱烷基化 N- 羟基化 4-羟基化 美芬妥英(mephenytoin) R- 美芬妥英 CYP2C11 S- 美芬妥英 CYP3A1/2 CYP1A2 米帕明(mipramine) 甲基化反应 CYP3A4 在代谢过程中, 一种酶催化多种反应, 多种酶催化同一种反应,药物代谢 I 相酶CYP450,（三）Cytochrome P450在内、外源物代谢中的作用 内源物 类固醇类、激素和生理活性物质（前列腺素、白三烯等）的生物合成， 维生素（A,D）和脂肪酸的羟基化、 内源性生物碱（可待因、吗啡）的合成和转化 外源物 各种药物、化学毒物、致癌物等在体内的生物转化 解毒（失活）：活性减弱或丧失。 增毒（活化） 代谢活化或活性中间体产生毒性。,药物代谢 I 相酶CYP450,1. Estradiol 的体内代谢,药物代谢 I 相酶CYP450,2AFB1的体内代谢,药物代谢 I 相酶CYP450,3.APAP的体内代谢,药物代谢 I 相酶CYP450,(四）Cytochrome P450 的调控 1. 诱导 内源物代谢 干扰机体内环境，导致疾病。如苯妥英或利福平引起的甲低、 骨软化。 外源物代谢 （1）肝毒性：PB加重APAP的肝坏死，乙醇诱导NDMA的致癌性。 （2）药物： 代谢增加而失效，药物相互作用，毒性和不良反应。如诱导剂增加环孢素的用量，华法令的半衰期缩短，利福平使避孕药失效。,药物代谢 I 相酶CYP450,2. 抑制（酶蛋白水平） 可逆性抑制： 快速、可逆的结合，竞争活性中心，抑制程度取决于 抑制剂的浓度和亲和力，强度-Ki1 mol。 准不可逆抑制: 可逆但作用时间长，形成中间代谢复合体（M1复合 体），中间代谢产物形成时间长，解离速度慢。 不可逆抑制： 活性丧失，不可逆的共价结合，抑制程度取决于抑制剂 总量、酶的数量和抑制剂在酶与其他生物大分子之间 的分配比。,药物代谢 I 相酶CYP450,常用人P450 化学抑制剂的特异性评价 化学抑制剂 1A1 1A2 2A6 2C9 2C19 2D6 2E1 3A4 萘黄酮 ND 呋拉茶硷 甲氧扫若仑 ND ND 毛果芸香硷 ND 磺胺苯吡唑 奎宁丁 二乙二硫代氨甲酸盐 ND 醋竹桃霉素 ND 孕二烯酮 ND ND ND 酮康唑 ND : 0-49%, : 50-100%, :有不同结果， ND ：未测,药物代谢 I 相酶CYP450,（五）CYP450与疾病 1. CYP450与肝病 CYP450总量和同工酶水平下降（基因调控紊乱），药物清除能力下降,药物代谢 I 相酶CYP450,肝脏疾病对CYP450蛋白的影响（与对照的比） *P0.05,与对照组相比,药物代谢 I 相酶CYP450,药物代谢 I 相酶CYP450,2. CYP450与甲状腺疾病 甲状腺功能低下CYP450和CYP450还原酶水平降低 甲状腺素对CYP4503A是负调控, 对1A2是正调控 影响药物代谢 3. CYP450与垂体疾病和激素治疗 生长激素（GH）和T3下调大鼠3A2的表达 GH上调人3A4的表达,药物代谢 I 相酶CYP450,药物代谢 I 相酶CYP450,致癌物（苯并芘，亚硝胺，AFB1，内源物） P450s 细胞生长分化 肿瘤 抗肿瘤药（代谢） 信息传递，AA, PG GST P450与分化正相关 （ 标志物抗药性） 肿瘤细胞P450低表达 基因多态性和易感性,4.CYP450与肿瘤,药物代谢I相酶CYP450,（六）Cytochrome P450的应用 1.医药： (1)新药研究：,药物代谢,生物转化,毒性,新药开发,PK,多态性,致突变性不良反应,结构/活性关系,HTS,CYP450s高表达,(Friedberg et al, 2019),药物代谢I相酶CYP450,(2)肿瘤的基因治疗 原理：利用肿瘤细胞中无或低内源性生物转化能力的特点，通过反转录病毒-CYP450的侵染，直接导入编码前药活化酶的“化学致敏”或自杀基因，使肿瘤靶细胞对无活性前药敏感，减低宿主细胞的毒性，增强药物作用。,药物代谢 I 相酶CYP450,CPA CPA (Waxman et al, 2019),宿主细胞,肿瘤,肿瘤,宿主细胞,药物毒性,抗肿瘤,降低药物毒性,增强抗肿瘤,传统化疗,P450基因治疗,肝P450,肝P450,前药活化基因,药物代谢 I 相酶CYP450,P450酶系代谢的抗癌药物 需要P450代谢活化 非必需P450代谢活化 P450代谢不加强，但 可但活性可能加强， 使药物失活 环磷酰胺 硫- TEPA 替尼泊苷 异环磷酰胺 阿枚素 红豆杉醇 甲苄肼 伊托泊苷 长春新碱 氮烯咪胺 三苯氧胺 氯己基亚硝基脲,药物代谢I相酶CYP450,正在进行临床试验的抗肿瘤ASON药物,药物代谢I相酶CYP450,(3)农业与环境 A. 害虫治理 P450抑制剂杀虫剂的增强剂（花椒毒素，氧吡磷，补骨酯素，PBO, 增效300923倍） P450（6D1) 杀虫剂 抗药性 (除虫菊酯） 代谢解毒 P450基因转入天敌昆虫，提高对天敌昆虫对农药的抗性。 B. 转基因植物 改良品种，提高植物抗性。,药物代谢 I 相酶CYP450,CYP71E1导入非生氰糖苷植物（防御害虫和草食者），加强植物抗性。 大鼠CYP1A1 转基因烟草 人CYP1A1转基因马铃薯 加快除草剂代谢 大豆CYP1A10转基因烟草 改变花卉颜色（P450具有类黄酮羟基化作用，花色兰化）， 叶片的形态设计（宽窄长短） C.生物除污 1.预测污染程度：测定鱼肝（加单氧酶）和摇蚊（EROD)代谢毒物和致癌物 2.天然P450cam（假单孢菌） 的生物净化（除草剂，化学毒物）,二. 药物代谢 II 相酶 谷胱甘肽巯基转移酶 （glutathione S-transferase GST）,1. 分布 肝脏、肺、胎盘、肾脏、肠道、红细胞、淋巴细胞、卵巢、睾丸等 2. 类型 6种同工酶，GST1-6, ，每个家族中70%氨基酸同源。 3. 组成 纯二聚体或杂二聚体，亚单位分子量23000-28000。,药物代谢 II 相酶GST,4. 特性