Enzimi coinvolti nel metabolismo
dei farmaci (Fase I e Fase II)
• CYP: citocromi
• DPD: diidropirimidina
deidrogenasi
• GST: glutatione S-transferasi
• NAT: N-acetiltransferasi
• ST: sulfotransferasi
• TPMT: tiopurina metiltransferasi
• UGT: UDP-glucuronosiltrasferasi
I citocromi P450
Frazione dei farmaci utilizzati in clinica metabolizzati dai piu’ importanti enzimi di fase 1 e fase
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Goodman and Gilman, 2011
I citocromi (CYP) sono una superfamiglia di enzimi che contengono tutti una
molecola di eme legata in maniera non covalente alla catena polipeptidica.
L'eme è il gruppo che lega l'ossigeno e si trova anche nell'emoglobina, dove ha un
ruolo nel legame e nel trasporto dell'ossigeno molecolare dai polmoni agli altri
tessuti.
L'eme contiene un atomo di ferro all'interno di una struttura di atomi di carbonio
(tetraidropirrolica) che funziona nel legame dell'ossigeno all'interno del sito attivo
del citocromo, come una parte del ciclo catalitico di questi enzimi.
I CYP utilizzano l'ossigeno molecolare (02) più idrogenioni (H+) derivati dal cofattore
NADPH per determinare l'ossidazione dei substrati. La reazione catalizzata dal
citocromo può generare però un eccesso di intermedi di ossigeno attivato (02-), che
possono essere potenzialmente dannosi e in genere vengono inattivati dall'enzima
superossido dismutasi e trasformati in acqua.
Perché il citocromo P450 ha questo nome?
Gli enzimi P450 hanno delle proprietà di spettro uniche e le forme ridotte si
combinano con il monossido di carbonio per formare un pigmento di colore
rosa (in inglese “Pigment” o “Pink” da cui “P”); questo composto ha picchi di
assorbimento a 450 nm (da 447 a 452 nm).
Posizione dei citocromi nella cellula
Goodman and Gilman, 2011
Meccanismo molecolare d'azione dei citocromi
I substrati dell'enzima vengono ossidati attraverso un'unica reazione:
Drug-R + O2
CYP
NADPH
Drug-OR + H2O
NADP
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Meccanismo d’azione molecolare
dei citocromi
Elenco substrati delle varie
isoforme dei citocromi
http://medicine.iupui.edu/clinpharm/ddis/table.aspx
Certi farmaci possono indurre
l’espressione epatica dei citocromi
Citocromi ed interazione tra
farmaci
Citocromi e metabolismo
xenobiotici
• Specificita’ bassa = possono metabolizzare
molecole con strutture differenti o reazioni
diverse su una stessa molecola
• Ridotta specificita’ = riconoscono grande
quantita’ di substrati = protezione da
xenobiotici.
• Ampia varieta’ di substrati = sito di legame
elastico = ridotta velocita’ di catalisi
• Ridotta velocita’ di catalisi -> emivita lunga dei
farmaci (ore) rispetto ai composti endogeni
Citocromi
•
I CYP sono fra gli enzimi piu’ studiati fra quelli coinvolti nel metabolismo degli
xenobiotici.
•
Tecniche di clonaggio e sequenziamento hanno evidenziato l'esistenza di almeno
57 geni funzionali e 58 pseudogeni diversi nell'uomo.
•
Questi geni sono raggruppati, sulla base della similarità della sequenza
amminoacidica, in una gran numero di famiglie e sottofamiglie.
•
I CYP sono denominati utilizzando la radice comune CYP e quindi un numero
identificativo della famiglia, che corrisponde ad una sequenza uguale per il 40 %
ed una sottofamiglia, che corrisponde ad una sequenza uguale per il 55 %.
•
Per esempio:
CYP 3 A 4
Identificativo
della
famiglia (40 % di
omologia
Identificativo della
proteina specifica
Identificativo della sottofamiglia (55 % di
omologia strutturale)
Negli esseri umani 12 CYP sono considerati importanti per il metabolismo degli
xenobiotici:
CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6,
CYP2E1, CYP3A4 e CYP3A5.
Per i farmaci, i più importanti sono le sottofamiglie: CYP2C, CYP2D e CYP3A. In
particolare, CYP3A4 è l'enzima più espresso ed è coinvolto nel metabolismo di circa
il 50 % dei farmaci.
Le sottofamiglie CYP1A, CYP1B, CYP2A, CYP2B e CYP2E non sono coinvolte nel
metabolismo dei farmaci, ma catalizzano la reazione di molte sostanze contenute
negli alimenti e di origine ambientale, fra cui molte protossine e molecole
procarcinogene.
Inoltre, esiste un'ampia variabilità interindividuale nell'attività dei CYP, in parte legata
anche alla presenza di polimorfismi genetici.
Le isoforme più importanti con dei polimorfismi genetici sono i CYP2A6, CYP2D6,
CYP2C9 e CYP2C19.
Contenuto di CYP in campioni di
fegato umano
da Linder M.W. et al., Clin Chem 43 (2), 1997
I citocromi presentano importanti differenze
interindividuali di attivita’ geneticamente determinate
Tabella presa da Weinshilboum R. et al., NEJM 348(6), 2006
Profarmaco
Sono farmaci di per se inattivi, ma la cui
molecola diventa attiva dopo reazione
metabolica.
Per questi farmaci quindi le prime reazioni del
metabolismo hanno una funzione di
attivazione.
Codeina
• Indicazione
terapeutica:
antidolorifico,
antitussivo.
• Meccansimo d’azione: profarmaco della
morfina, agisce sui recettori per gli oppioidi.
• Attivazione a morfina catalizzata da CYP2D6:
~10% della popolazione non risponde bene e
~2% e’ a rischio di sovradosaggio.
Farmacocinetica Codeina e Morfina… uno farmaco
può essere biotrasformato da diversi enzimi
Thorn et al., Pharmacogenetics & Genomics 2009
Ancora un esempio sul ruolo di
più citocromi nell’attivazione di
un farmaco…
Farmacocinetica tamossifene
Eliminazione dei farmaci
Eliminazione dei farmaci
Eliminazione dei
farmaci
MAGGIORI
MINORI
RENE
Filtrazione
Secrezione
(Riassorbimento)
FEGATO
Metabolismo
Secrezione
POLMONE
ALTRE
Sudore
Saliva
Latte
Escrezione Renale
• Meccanismo principale con cui i farmaci
vengono allontanati dall’organismo.
• Richiede che i farmaci o i loro metaboliti
abbiamo delle caratteristiche idrofiliche.
Velocita’ di Escrezione Renale
• Dipende dalla velocita’ di:
- filtrazione;
- secrezione;
- riassorbimento.
Eliminazione
renale
Escrezione = Filtrazione + Secrezione - Riassorbimento
Filtrazione glomerulare
Fenomeno influenzato da:
- pressione netta di filtrazione;
- diametro dei pori (20.000 dalton);
- polarita’ di membrana.
La maggior parte dei farmaci (tranne
macromolecole come l’eparina) sono in grado
di passare il filtro renale.
Secrezione tubulare
• Avviene nel tubulo prossimale.
• E’ il meccanismo maggiormente responsabile
dell’eliminazione dei farmaci: almeno l’80%
dei farmaci che arrivano al rene viene
presentato a questi sistemi di trasporto.
• Mediata da trasportatori, esistono due tipi di
trasportatori e quindi di secrezione tubulare:
quella per i farmaci acidi (anioni) e quella per i
farmaci basici (cationi).
Secrezione tubulare: trasportatori coinvolti
Cationi organici
Anioni organici
Secrezione tubulare: competizione di composti fra loro
Inibitori dei trasportatori coinvolti nella
secrezione tubulare possono ridurre
l’eliminazione di certi farmaci.
Per esempio:
- Probenecid
inibisce
la
secrezione
tubulare delle penicilline e può essere
utilizzato per aumentarne i livelli ematici.
Riassorbimento tubulare
Processo che riduce la velocita’ con cui i farmaci
vengono eliminati.
Riassorbimento passivo, influenzato da:
gradiente di concentrazione in funzione del
grado di liposolubilita’ e del pKa del farmaco.
Riassorbimento e’ funzione della
liposolubilita’
• Nota: quasi tutta l’acqua viene riassorbita dal
rene; in questo modo, il volume delle urine e’
solo l’1% di quello del filtrato glomerulare.
• Se il tubulo fosse liberamente permeabile ai
farmaci, il 99% sarebbe riassorbito.
• Farmaci altamente liposolubili, sono eliminati
piu’ lentamente.
• Farmaci (o metaboliti) idrosolubili sono
eliminati velocemente dal rene.
Riassorbimento tubulare e’
influenzato dal pH delle urine (per i
farmaci acidi/basici)
L’eliminazione renale dei farmaci
dipende dall’età
• Nei neonati (soprattutto quelli pre-termine) i
sistemi di secrezione dei farmaci (anche
metabolismo) sono poco attivi, però maturano
nei primi mesi di vita.
• Negli adulti, con l’aumentare dell’età, la
capacità di eliminazione dei farmaci tende a
diminuire, circa dell’1% ogni anno e negli
anziani può essere ridotta di molto.
Espressione farmacocinetica di
metabolismo/eliminazione dei farmaci
Emivita
Tempo necessario per ridurre del 50% la
concentrazione di farmaco. L’espressione
matematica dell’emivita dipende dalla cinetica
di eliminazione, ovvero se è di primo ordine
(maggior parte dei farmaci) oppure di ordine
zero (cinetica satura, farmaci utilizzati a dosi
molto elevate).
Cinetica di eliminazione e dosaggio
farmaci
Cinetica di eliminazione dei farmaci
Primo ordine
Ordine zero
Ct = C0 e-kt
Ct = C0 – kt
t ½= -ln (0,5)/k = 0,693 / k
t ½= 0,5 C0 / k
Curve concentrazione tempo ed emivita
Rappresentazione semilogartimica
concentrazione tempo per verificare la linearità
Cinetiche di saturazione
dell’eliminazione dell’alcool
Clearance
• Volume di plasma contenente la quantità di
sostanza che viene rimossa dall’organismo
nell’unità di tempo.
• E’ determinata da una componente epatica
(ClH) ed una renale (ClR)
Clearance renale
• La clerance di un farmaco può essere da molto
bassa (1 mL/min) al massimo teorico, che
corrisponde al flusso renale plasmatico (700
mL/min,
clearance
dell’acido
pamminoippurico).
Clearance: espressioni matematiche
Esistono varie espressioni matematiche della
clearance.
La costante di eliminazione (Ke) è direttamente
proporzionale alla clearance ed inversamente
proporzionale al volume di distribuzione (Vd).
Per cui la Clearance = Ke * Vd
Concentrazione di equilibrio
Concentrazione alla quale la velocita’ di ingress
e di uscita del farmaco dall’organismo si
equivalgono, si crea cioe’ uno stato stazionario.
Infusione continua
