Farmacologia generale - metabolismo epatico dei farmaci

Capitolo 8

METABOLISMO DEI FARMACI

I metabolismo dei farmaci è essenzialmente un meccanismo di difesa di un organismo

vivente contro composti esogeni estranei e non essenziali ai processi vitali: xenobiotici, estranei alla

La finalità è di inattivare dette sostanze (detossificazione) e, contemporaneamente, di

vita. 1

renderle più facilmente eliminabili. Qualche volta la biotrasformazione può aumentare l'attività

biologica della sostanza in circolo: si parla, allora, di qualora venga potenziata

profarmaci,

l'attività terapeutica desiderata; o veleni potenziali qualora la nuova attività o l'incremento di

attività così acquisiti non siano desiderati. In qualche caso i metaboliti sono dotati di un quadro

di attività farmacologica parzialmente sovrapponibile al quello del composto di origine; questa

evenienza darà luogo ad una durata d'azione maggiore, che deve suggerire un adeguato

protocollo terapeutico.

Le trasformazioni metaboliche normalmente portano ad un aumento di idrofilia degli

xenobiotici, facilitando così la loro eliminazione per le vie più comuni, come renale, biliare,

fecale, essudativa ; al contrario la vie meno utilizzate come la polmonare e la traspirativa

2

richiedono diminuzione della polarità e del peso molecolare in modo da diminuire la tensione di

vapore.

Fra gli xenobiotici che suscitano una risposta di difesa metabolica, si

non immunitaria,

possono ricordare: Farmaci e Sostanze di Sintesi

Polveri e Solventi

Fumo e Bevande

Veleni e Tossine

Precancerogeni e Cancerogeni ...

Data la natura enzimatica delle trasformazioni metaboliche, gli enzimi essere caratterizzati da

una grande adattabilità alla struttura di un substrato così variabile come imprevedibile . Questa

versatilità è ottenuta con uno o più dei seguenti fattori: a) polimorfismo genetico, cioè dotazione

genetica di numerose isoforme; b) polimorfismo inducibile, rapida proliferazione di nuove

isoforme stimolata dalla presenza dello xenobiotico stesso; c) induzione metabolica, aumento

dell'attività enzimatica (dovuta ad aumento della sintesi di enzimi metabolici) in seguito ad

esposizione a xenobiotici ; d) ridotta selettività nei confronti del substrato.

Fattori che influenzano la capacità metabolica:

1) differenze di specie e individuali

Genetici:

2) età, sesso, gravidanza, malattie: insufficienza epatica (riduzione del corredo di enzimi

Fisiologici:

epatici e digestivi).

3) protocollo terapeutico, distribuzione tissutale, combinazione con proteine,

Farmacodinamici:

effetto di primo passaggio (vedi)

4) competizione con altre sostanze, avvelenamento di sistemi enzimatici

Ambientali:

5) ad. esempio fornisce glucoronidasi che rilibera il farmaco

Attività della Flora Batterica Intestinale:

dall'escreto biliare che così viene riassorbito dall'intestino; bioattivazione di precursori inattivi

(cancerogeni da precancerogeni).

tempo di permanenza nell' intestino...

6) Forma farmaceutica:

Fasi Metaboliche

Si consulti un testo di Fisiologia per una sommaria descrizione di queste funzioni escretorie.

2 75

Il metabolismo dei farmaci si attua attraverso due fasi:

o Fase di attuata attraverso i seguenti tipi di reazioni:

Funzionalizzazione

R F I

EAZIONI DI ASE che introducono nella molecola del farmaco nuovi gruppi

1. Reazioni di ossidazione:

idrofili e/o protici (come, OH NH COOH SH ...)

2

che liberano detti gruppi idrofili da eteri,esteri, ammidi, acetali,

2. Reazioni di idrolisi:

emiacetali. epossidi ...

3. meno diffuse, che possono generare alcuni di detti gruppi idrofili

Reazioni di riduzione:

o protici

Scopo funzionale: rendere più idrofilo il composto estraneo per facilitarne l'eliminazione

inattivare il composto

preparare il substrato per la Fase II

o Fase di attuata attraverso i seguenti tipi di reazioni:

Coniugazione,

F II

R EAZIONI DI ASE

1. accoppiamento con piccole biomolecole ionizzabili o

Reazioni di coniugazione:

altamente idrofili, come: Ac. Glucuronico, Ac. Solforico, Aminoacidi, Glutatione ...

2. con bioreagenti apolari: Metilazioni Acilazioni

Reazioni di coniugazione

Scopo funzionale:

Inattivare e rendere nettamente idrofilo per una completa eliminazione

1. Inattivare e/o aumentare il peso molecolare per facilitare l'eliminazione biliare

2. Reazioni Enzimatiche di Ossidazione

Il sistema enzimatico più diffuso per l'ossidazione di xenobiotici è il ,

3

Citocromo P450

chiamato anche CYP450 , monoossigenasi, ossidasi o idrossilasi. É localizzato nella frazione

microsomiale di fegato, rene, polmone, intestino ...

Costituito da: Eme-Proteina: responsabile del trasporto di e e attivazione di O

- 2

NADPH associato a NADPH-citocromo reduttasi

e altri cofattori

Differenziatosi geneticamente per metabolismo di steroidi e acidi biliari, è in tutte le specie

viventi caratterizzato da spiccato polimorfismo genetico e polimorfismo inducibile e costituisce

così uno dei più versatili sistema di difesa da sostanze estranee alla biologia cellulare.

Famiglie di CYP450

Sono state identificate più di 110 famiglie di CYP450 per le quali viene adottata la seguente

nomenclatura:

CYP seguito da:

• 1° Numero, che indica la famiglia con membri presentanti circa il 35% di omologia

• Lettera maiuscola, indica la sottofamiglia caratterizzati dal presentare il 40-60% di omologia

• 2° Numero, sottotipo con omologia ancora più elevata

Alcuni Tipi di CYP450, e relativo substrato (da non memorizzare):

Il nome deriva dal fatto che la forma ridotta con Fe lega monossido di carbonio per dare un complesso con un

3 2+

massimo di assorbimento a 450 nm (nel blu) 76

CYP1A1 Idrocarburi Policiclici Aromatici, Arilamine, Estrogeni

Indotta da fumo di tabacco e da detti idrocarburi aromatici

CYP1A2 Arilamine, Nitrosamine, Idrocarburi Aromatici

Indotta da fumo di tabacco

CYP2A6 Cumarine, Aflatossina B1

Testosterone (nel Ratto) →

CYP2D6 Numerosi farmaci: amine lipofile binding a coppia ionica

Stereoselettiva, non inducibile

Inibita dalla chinina

CYP2E1 Alogenoderivati e piccole molecole (etanolo, benzene, acetonitrile, DMF ...

CYP3A... Molto numerosa …

N.B. La sequenza aminoacidica dell'eme-proteina determina l'affinità dell'enzima per una

deteminata classe chimica di substrato: la presenza di AA apolari come leucina isoleucina e valina

in prossimità del centro catalitico può formare una sacca lipofilica in grado di legare sostanze

apolari; la presenza di fenilalanina determina affinità per idrocarburi aromatici, residui di AA

bicarbossilici (glutamato e aspartato) tendeno a legare composti con centri cationici, al contrario

residui di AA tipo lisina e arginina determineranno affinità per i composti carichi negativamente

...

Inibizione del CYP450 :

monossido di carbonio, fluorochinoloni, cimetidina, …

Inibitori reversibili: complessano gli intermedi del ciclo catalitico del CYP450 e sono

Inibitori complessanti:

nitrosoalcani, antibiotici macrolidici, …

Inibizione “suicida” o inibiz. basata sul metabolismo, cioè l'enzima

Inibitori irreversibili:

produce dei metaboliti che lo inattivano. Questi metaboliti sono radicali formati formati da

alcheni, alchini, da aloalcani ..., da ormoni androgeni e progestinici, epossidi e acilalogenuri da

polialogenoderivati (vedi avanti).

Centro Catalitico Ferro(III) eme tiolato:

La carica del ferro trivalente (N° di coordinazione 6) è

neutralizzata da due carica negative su due atomi di azoto pirrolici

N

N

R S 3 del nucleo porfirinico (dove per brevità le catene laterali sono

Fe omesse) e la terza carica negativa è sullo zolfo di un residuo di

OH

2 cisteina della porzione proteica del citocromo. Il sesto legando è

N

N una molecola di acqua, debolmente legata, che appunto nel ciclo

catalitico viene sostituita dall'ossigeno.

Ciclo Ossidativo

a) Il substrato R-H viene adsorbito su una regione proteica dal CYP450-[Fe(III)]

b) Il Fe(III) del gruppo eme, dopo riduzione a Fe(II) da parte del NADPH, lega una

4

molecola di ossigeno che prende il posto della molecola di acqua. Dopo una serie di

reazioni in sequenza nelle quali interviene altro NADPH si genera la forma del CYP450

Il Ferro-eme, analogamente a quello della emoglobina, per poter legare l'ossigeno molecolare deve essere ridotto a

4

Fe (II), cioè ferro a numero di ossidazione 2+. 77

cataliticamente attiva per l'ossigenazione: Fe(V)=O, ossene perferrile con Fe a numero di

ossidazione 5+ e ossigeno con caratteristiche di biradicale ovvero di ossigeno

—O—

atomico.

c) L'ossene perferrile strappa un atomo di idrogeno dal substrato in modo da formare il

radicale R— ; la probabilità e le percentuali relative dei vari possibili radicali dipende dalla

rispettiva stabilità e dalla libertà sterica. Si ricorda che i radicali, come i carbocationi, sono

stabilizzati da effetti a rilascio elettronico. Il Fe si riduce a 4+ fornendo il perferril-

idrossido, Fe(IV)-OH, dove ha carattere di radicale

—OH

d) Accoppiamento radicalico fra R— e . Il Fe ritorna a numero di ossidazione 3+.

—OH

e) Rilascio del prodotto ossidrilato R-OH e rigenerazione del CYP450.

RH

SCHEMA 1 Ciclo ossidativo del CYP450

[Fe(I

I)

H

O

]

P P

[Fe(I

I)

RH]

450 2 450 e

O H -

2 2

+

RO

H 2

H

O

2

P

[Fe(V)=O

RH]

P

[Fe(I

I) RO

H] 450

450 [Fe(IV)O

H

R

]

P

450

I passaggi sopra descritti possono essere riassunti dalle seguenti equazioni, dove —O—

sostituisce il perferril-ossene e il perferril-idrossido:

—OH

→

O + 2H + 2 e + H O

+ - —O—

2 2

→ →

+ R-H [ R— + R-OH

—O— —OH]

→

+ -

O + 2H + 2e R-OH + H O

2 2

Ossidazione di Catene Alchiliche:

Le catene alchiliche sono più reattive dei residui arilici nelle reazioni radicaliche: il centro

π),

radicalico viene stabilizzato da effetti di risonanza (coniugazione con legami iperconiugativi

(coniugazione con legami C-H) ed induttivi, come dal seguente prospetto:

≅

Stabilità del radicale carbocatione

• allilico > benzilico > C > C > C > arile

III II I

potenziato da vicinanza di metili:

Effetto iperconiugativo

• Me3C > Me2CH > MeCH2 > RCH2CH2 > R2CHCH2 > R3CCH2

· · · · · ·

Reattività per Impedimento Sterico

• C > arile > C > C (più deboli ma opposti agli effetti precedenti)

I II III 78

Meccanismo dell'ossidazione enzimatica di radicali alchilici

Lo schema sotto riportato illustra una tipica ossidrilazione di una catena alchilica che

procede con un meccanismo radicalico come già descritto in precedenza. Un eventuale prodotto

secondario può derivare dalla deidrogenazione ossidativa con introduzione di un doppio legame;

questa via metabolica è facilitata da carbocationi intermedi stabili e impediti stericamente ad

avvicinarsi al sito catalitico.

SCHEMA 2 Fe(III) OH

CH (Principale)

Fe(IV) OH CH

2

CH CH

2

CH CH

2 2

Fe(V)=O CH

Fe(IV) OH CH

Fe(IV) OH CH

CH

2

Fe(III) OH Fe(III) OH Fe(III)

Ad es. nei barbiturici la resistenza dei residui idrocarburici in C5 è determinante per la durata

del sonno da questi indotto: raggiunge una durata di 12 h con il fenobarbitale e di 4-6 h con gli

altri in accordo con la rispettiva emivita come sotto riportato.

SCHEMA 3

'

' 4

3 H O

H O

3 H O CH H O

3 CH

'

CH CH ' 3

3

2 3 '

1 ' 3

1

N

N N CH CH N

CH CH 2 2 CH CH

2 2

CH

5 O CH CH

' '

O O 2 3

1 2 O

CH CH

CH CH CH CH 3

N CH CH

2 3

N 2 3

N 3

N

1 H CH

H H 3

O H

O O O

Fenobarbitale Amobarbitale

Pentobarbitale Aprobarbitale

t = 80-100 h t = 10-30 h

t = 15-50 h t = 14-34 h

1/2 1/2

1/2 1/2

Nel fenobarbitale il gruppo CH legato al sistema eterociclico dà radicali poco stabili per

2

l'effetto elettronattrattore di detto anello; più disponibili per l'ossidrilazione da parte del CYP 450

rimangono il CH e il fenile, relativamente poco reattivi.

3

Nel Pentobarbitale è presente un radicale ramificato, 1'-metilbutile; tuttavia il carbonio

terziario 1', oltre che risentire del risucchio di elettroni da parte dell'eterociclo, è stericamente più

impedito dei C secondari 2' e 3', dei quali è preferito 3' per il minor ingombro e per

l'iperconiugazione con il metile 4'.

Nell'aprobarbile il carbonio più reattivo verso l'ossidrilazione radicalica è l'1' in posizione

allilica: l'efficace stabilizzazione per risonanza compensa e supera l'inattivazione da parte

dell'eterociclo.

Nell'amobarbitale il centro più attivo per l'ossidrilazione è il C3' del radicale isoamilico: è

terziario, è inoltre lontano dall'eterociclo ed adiacente a due metili.

Si può concludere che nei barbiturici, come in altri composti, l'introduzione di ramificazioni

o di insaturazioni nei sostituenti in C5 riduce sensibilmente la loro durata d'azione per essere

metabolizzati più velocemente ed estensivamente. 79

Ossidazione Anelli Aromatici:

Come si è accennato in precedenza i residui aromatici sono più resistenti all'ossidazione

radicalica rispetto a residui alifatici. In ogni caso la loro reattività e alquanto variabile, risentendo

sensibilmente della presenza di sostituenti e degli ingombri sterici quasi in maniera parallela alle

stesse reazioni condotte in ambiente chimico. I sostituenti a rilascio elettronico stabilizzano i

radicali e, particolarmente, i carbocationi intermedi della reazione enzima