药物代谢 结合反应ppt课件.ppt

1 结合代谢途径 Glucuronidation 葡萄糖醛酸结合 Sulfation 硫酸结合 Acetylation 乙酰化 Methylation 甲基化 Aminoacidconjugation 氨基酸结合 Chiralinversionof2 arylpropionicacids 2 芳基丙酸的手性转化 Glutathioneconjugation 谷胱甘肽结合 2 引言 结合代谢酶是保护机体避免外源性物质潜在毒性的第二大类酶系通常 结合途径涉及将一个亲水性基团导入到药物分子中 例如葡萄糖醛酸其机理涉及一种酶和一个辅助因子 辅助因子是亲水基团的来源辅助因子通常含有一个高能键 例如二磷酸酯键 促进反应进行结合反应通常使药物分子加上电荷 从而极性更大 促进肾排泄但某些结合途径不增加底物的极性 如甲基化和乙酰化 但这两种途径通常降低药理活性 3 葡萄糖醛酸结合 葡萄糖醛酸与药物结合是最常见的结合代谢途径 一方面由于其底物广泛 另一方面由于该途径常常占较大比例所涉及的酶称为葡萄糖醛酸转移酶 辅助因子是UDPGA其机理是底物对辅助因子的亲核取代SN2反应 导致 葡萄糖醛酸构型转化为 葡萄糖苷酸该反应一般是底物中的氧原子为亲核基团 R OH但其他亲核原子也可以使药物成为葡萄糖醛酸结合的底物 例如氮 硫 甚至碳原子 碳负离子 可以分别生成N S C 葡萄糖苷酸 4 葡萄糖醛酸转移酶的辅助因子 5 药物的葡萄糖醛酸结合物类型 葡萄糖醛酸结合最常见的底物是含羟基化合物 即醇 酚和羧酸 结果生成O 葡萄糖苷酸醇和酚的葡萄糖苷酸称为醚型葡萄糖苷酸 在药物和葡萄糖醛酸之间由醚键联接羧酸的葡萄糖苷酸称为酯型葡萄糖苷酸 在药物和葡萄糖醛酸之间由酯键联接芳香伯胺 脂肪叔胺 氨基甲酸酯 磺酰胺能够生成N 葡萄糖苷酸硫醇能够生成S 葡萄糖苷酸某些含有弱酸性碳原子的药物能够生成C 葡萄糖苷酸 6 几种药物的葡萄糖醛酸结合物 7 几种药物的葡萄糖醛酸结合物 8 葡萄糖醛酸结合物的性质 葡萄糖醛酸结合通常是一个低亲和性 高容量体系如果一个官能团有两个相互竞争的代谢途径 则在药物浓度低时 其他途径更可能占优势 而在药物浓度高时 葡萄糖醛酸结合更可能占优势新生儿体内葡萄糖醛酸结合活性低 特别是早产儿 由于胆红素的主要清除途径是葡萄糖醛酸结合 所以许多新生儿可能出现黄疸这也是一些药物在新生儿毒性增加的原因 例如氯霉素引起的 灰婴综合征 9 胆红素的葡萄糖醛酸结合物 10 葡萄糖醛酸结合物的性质 由于葡萄糖醛酸结合在药物上导入一个带负电荷的大基团 所以通常导致该药物失去药理活性但也有例外 吗啡 6 葡萄糖苷酸与阿片受体的亲和性约为吗啡本身的100倍 但吗啡 3 葡萄糖苷酸是阿片受体拮抗剂葡萄糖苷酸极性很大 通常不容易穿过血脑屏障但吗啡 6 葡萄糖苷酸通过自身分子折叠使极性变小 容易穿过血脑屏障酯型葡萄糖苷酸有一定的化学反应性 能够与蛋白发生共价结合 是导致一些药物特异质反应的原因 11 吗啡的葡萄糖醛酸结合物 12 葡萄糖醛酸转移酶 葡萄糖醛酸转移酶UDPGTs有两个基因家族 即UGT1和UGT2催化化合物的亲核基团进攻UDPG 发生SN2反应 取代尿苷二磷酸基团已经鉴定了至少16种酶 9种属于UGT1家族 7种属于UGT2家族这些酶的底物选择范围宽且互相有重叠 差别在于对不同底物的催化效率和Vmax Km但有一些例外 UGT1A1是研究最深入的人体内代谢酶 是胆红素结合和清除的唯一的酶 UGT1A9催化保泰松C 葡萄糖醛酸结合 UGT2B7催化吗啡类化合物的葡萄糖醛酸结合活性最强 3 O 葡萄糖苷酸是主要产物 也生成6 O 葡萄糖苷酸 13 硫酸结合 硫酸转移酶是一个超家族酶系 催化将SO3 转移到底物的醇羟基或酚羟基上 N 取代芳香或脂肪环化合物的氮原子上 或吡啶N 氧化物上硫酸酯化的辅助因子是PAPS与葡萄糖醛酸结合不同 羧酸不是它的底物生理上 它们涉及甾体激素和神经递质的代谢和清除硫酸结合的特点是低容量和高亲和性 底物 如酚类化合物 在低浓度时以硫酸结合为主 高浓度时以葡萄糖醛酸结合为主虽然其不如UGTs底物广泛 但硫酸酯酶是水溶性的 广泛分布于体内 能够导致在皮肤等组织中生成反应性代谢物 14 硫酸转移酶的辅助因子 15 硫酸转移酶 人体内至少有7种硫酸转移酶 参与药物代谢最多的是3种SULT1A蛋白这些酶的代表性底物是4 硝基苯酚 1A1和1A2 或多巴胺 1A3 硫酸转移酶催化的最著名的代谢反应是解热镇痛药对乙酰氨基酚 以及前致癌物N 羟基 2 乙酰胺基芴的硫酸酯化硫酸酯是良好的离去基团 因此 形成硫酸酯结合物可能导致产生反应性代谢物降压药米诺地尔在头皮中能够刺激头发生长 涉及毛囊中N 氧化物的硫酸酯化和葡萄糖醛酸结合一样 硫酸酯化通常使底物失活 但有时也可能导致活化 16 硫酸转移酶的底物 酚羟基化合物 17 硫酸转移酶的底物 羟胺和N 氧化物 18 乙酰化 乙酰化的主要底物是芳香伯胺 羟胺 氧和氮都可被乙酰化 和肼辅助因子是乙酰辅酶A 它是一种硫酯 19 乙酰化 该酶也能催化乙酰基从N 乙酰化的羟胺 异羟肟酸 形成乙酰氧基产物 即乙酰基从氮到氧的转移 该途径不需要乙酰辅酶A 例如N 羟基 4 乙酰胺基联苯该途径导致异羟肟酸活化 芳香胺的乙酰氧基衍生物具有化学反应性 许多是致癌物 例如肉类高温加热产生的杂环胺 20 N 乙酰转移酶 有两种主要的N 乙酰转移酶 NAT1和NAT2 其活性部位有一个半胱氨酸 被乙酰辅酶A乙酰化NAT将乙酰基转移到底物上两种酶底物有重叠 但NAT1优先酸性底物 例如对氨基苯甲酸和对氨基水杨酸 而NAT2选择性催化磺胺二甲嘧啶 肼屈嗪 异烟肼芳香胺氨基如果存在邻位取代基 则立体位阻通常使其不能成为NAT1的良好底物NAT1的活性分布广泛 而NAT2的活性在肝中非常高 在肠壁活性也比较高 但其他部位活性较低 21 不同类型的NAT底物 22 不同类型的NAT底物 23 乙酰化代谢的多态性 NAT2介导的乙酰化是最早被发现具有多态性的代谢途径之一在白人中 快 慢乙酰化表型大约相等 但在东方人中 快乙酰化表型约占90 在中东人中 慢乙酰化表型约占90 NAT1基因也具有多态性 但相应的表型尚不清楚乙酰化通常降低药物的极性 但其底物常常有毒性 例如芳香胺 羟胺 肼 因此乙酰化常使毒性降低对于慢乙酰化者 异烟肼的神经毒性风险和引起狼疮的风险明显高同样 异烟肼引起的肝毒性和普鲁卡因胺引起的狼疮风险也高 但在两种NAT2表型中的风险差异较小 24 甲基化 甲基转移酶系以SAM为辅助因子 甲基键合在带正电荷的硫原子上 可向底物的氧 硫或氮原子上转移甲基甲基化的底物包括儿茶酚 硫醇以及一些含氮化合物 25 O 甲基化 许多内源性化合物 例如组胺和去甲肾上腺素等 是甲基转移酶的底物一些药物 尤其是与内源性底物结构相似的药物 容易被甲基化酶转化儿茶酚 O 甲基转移酶 COMT 是酚羟基甲基化酶 分子量约25kDa 既有溶解形式 又有和细胞膜键合形式其溶解形式存在于肾和肝的胞浆中 膜键合形式存在于脑中COMT的催化活性要求底物必须有儿茶酚结构 可代谢的药物有限 包括去甲肾上腺素 左旋多巴 异丙肾上腺素等 26 O 甲基化举例 27 S 甲基化 发生S 甲基化的药物数目也有限 但比COMT转化的药物多巯嘌呤甲基转移酶 TPMT 是白血病药物6 巯基嘌呤和它的前药硫唑嘌呤的重要代谢酶 该酶具有多态性 酶缺陷纯合子患者使用正常剂量时 即出现严重毒性类似的芳环和杂环巯基也可能是TPMT的底物类似的巯基甲基转移酶可以转化脂肪族降压药卡托普利和抗炎药D 青霉胺 28 S 甲基化举例 29 N 甲基化 N 甲基转移酶作用于组胺和儿茶酚神经递质 如去甲肾上腺素 药物数目很有限N 甲基转移酶的一类底物是含氮杂环的N 甲基化 特别是含有吡啶结构的化合物 例如烟酰胺 30 N 甲基化举例 31 氨基酸结合 氨基酸结合的主要底物是苯甲酸和相关的芳香羧酸 例如苯乙酸 苯氧乙酸 苯乙烯酸等在人体 用于结合的主要氨基酸是甘氨酸 但谷氨酸和牛磺酸也可能是辅助因子在鸟类 用于结合的主要氨基酸是鸟氨酸在多数结合反应中 辅助因子被活化 但氨基酸结合是底物被活化 首先与ATP反应生成AMP结合物 然后转化为辅酶A硫酯 32 氨基酸结合的临床意义 氨基酸结合活性在新生儿中非常低 曾经发生早产儿代谢酸中毒 源于静脉给药使用的灭菌水中含有少量苯甲醇作为防腐剂苯甲醇在人体内容易代谢为苯甲酸 对于成年人非常安全 因为剂量相对于体重很小 并且成年人容易将苯甲酸转化为甘氨酸结合物在早产儿体内 剂量相对于体重则大得多 并且苯甲酸不能与甘氨酸结合苯甲酸干扰脂肪酸 氧化 并引起代谢酸中毒认识到这些 排除苯甲醇防腐剂 从而克服了问题 33 氨基酸结合 34 2 芳基丙酸的手性转化 许多非甾体抗炎药是2 芳基丙酸的取代物 具有一个手性碳与羧基相连 临床上以外消旋体给药一般而言 这些药物的 S 对映体贡献了大部分抗炎活性 R 对映体可以转化为 S 对映体 但不发生相反的转化它们的结合是通过与ATP反应 生成AMP酯 后者进一步转化为辅酶A酯 与氨基酸结合类似 但实际上不是结合反应 因为其结果是单纯的构型转化该辅酶A酯经历手性转化 底物包括布洛芬等 35 谷胱甘肽结合 在结合代谢中 谷胱甘肽 S 转移酶具有独特的作用GSTs催化谷胱甘肽 三肽 和底物分子的活性亲电部位反应该部位可由代谢生成 或易受亲核攻击分子中的 不饱和酮 或卤代烷基谷胱甘肽分子中含半胱氨酸巯基 是良好的软亲核试剂 与亲电性药物或代谢物生成结合物 36 谷胱甘肽结合 该反应涉及巯基阴离子 为pKa 9 1的弱酸与其他结合反应不同 任何在谷胱甘肽转移酶作用下生成谷胱甘肽结合物的药物 也可以不需该酶存在即生成结合物该转移酶的作用之一是增加谷胱甘肽巯基的离子化比例 从而提高反应速度 37 谷胱甘肽转移酶 哺乳动物胞浆的GSTs分为5类 分别为A M U P Z 每一类酶的序列一致性大于40 分离到至少3种膜键合的微粒体GSTs不同类别的GST底物有重叠 但以不同的速度催化同一底物另一主要区别是 不同的GSTs在不同的组织中表达 例如人GST1 1在肝中表达 但人GSTM3 3不在肝中表达难于描述成为谷胱甘肽结合底物的药物范围 因为这是基于底物的亲电性 而不是基于特定的官能团 38 谷胱甘肽结合的生物学意义 多数情况下 与谷胱甘肽结合降低化合物的毒性 但也有相反的例子 如二溴乙烷 它与谷胱甘肽结合导致反应性更强的乙撑锍离子 39 谷胱甘肽结合的生物学意义 GSTs的主要作用是 通过催化谷胱甘肽与化学反应性外源物质的结合 保护机体的关键性生物大分子免受共价修饰引起的毒性辅助因子谷胱甘肽另一主要保护作用是保护机体免受脂过氧化的破坏作用谷胱甘肽除了具有强亲核剂的性质外 其巯基也具有显著的还原性其还原能力使之成为单电子反应物的高效清除剂 例如脂质过氧化产生的反应性含氧化合物和自由基 40 谷胱甘肽结合物转化为硫醇尿酸 谷胱甘肽结合物常常在转化为硫醇尿酸后 排泄到尿中硫醇尿酸是N 乙酰半胱氨酸结合物转化过程涉及谷胱甘肽结合物水解 失去谷氨酸和甘氨酸 保留半胱氨酸 然后半胱氨酸结合物在肾中N 乙酰化 最后排泄虽然这是谷胱甘肽结合物经典的代谢途径 但尿中通常含有原形谷胱甘肽结合物 甘氨酸结合物和硫醇尿酸此外 许多谷胱甘肽结合物 特别是分子量大的结合物 从胆汁排泄 41 谷胱甘肽结合物转化为硫醇尿酸 严格说来 这不是一个结合代谢途径 而是结合物的继续代谢 42 半胱氨酸结合物 裂解酶 半胱氨酸结合物也能被 裂解酶分解 维生素B6作为辅助因子 43 半胱氨酸结合物 裂解 许多情况下 产物具有毒性 例如三氯乙烯代谢物 是小牛食用三氯乙烯提取的豆油导致再生障碍性贫血的原因 44 与谷胱甘肽结合的亲电化合物 三种反应性底物包括 多环芳烃代谢产生的环氧化物 利尿药依地尼酸 镇静剂溴米索伐 45 45 绿原酸的结合型代谢物 实验举例 46 例子 绿原酸在大鼠和人肝微粒体中的代谢物 47 鉴定生成绿原酸谷胱甘肽结合物的代谢酶 人肝胞浆 胞浆谷胱甘肽转移酶可以催化GSH和 不饱和酮的加成反应 15X 48 48 奥硝唑代谢产物鉴定 实验举例 49 思考题 可能的代谢途径 50 人静脉给药后0 24h尿中奥硝唑代谢物色谱图 HPLC UV HPLC MS 奥硝唑在人体内的主要代谢途径 53 53 吗啉硝唑代谢产物鉴定 实验举例 54 思考题 可能的代谢途径 55 研究背景 吗啉硝唑是第三代5 硝基咪唑类抗菌药 用于治疗厌氧菌和原生动物引起的感染 已进行临床III期试验 羟基化及进一步II相代谢 硫酸和葡萄糖醛酸结合结合物 甲硝唑替硝唑奥硝唑 56 人尿中 0 24h 吗啉硝唑的代谢物谱 UPLC Q TOFMS UPLC UV 57 人血浆中 8h 吗啉硝唑的代谢物谱 原形药物血浆暴露量的18 9 UPLC Q TOFMS UPLC UV 58 鉴定结合物 葡萄糖苷酸酶水解 59 吗啉硝唑在人体内代谢途径 UGT1A9 60 结论 吗啉硝唑代谢物鉴定 静脉滴注吗啉硝唑受试者尿中共检测到10种代谢产物 血浆中检测到7种代谢产物吗啉硝唑在人体内的主要代谢途径是原形与葡萄糖醛酸和硫酸结合 其中 葡萄糖醛酸化是人体主要消除途径 尿中回收占给药剂量的33 6 吗啉硝唑的葡萄糖醛酸结合过程表现出位置选择性和立体选择性 结合形成N 葡萄糖醛酸结合物 血浆中R 对映体的葡萄糖醛酸结合物AUC为S 对