Toxikologie für Chemiker
Teil 1
Jan G. Hengstler
IfADo - Leibniz Research Centre for Working Environment and Human Factors Ardeystraße 67
D-44139 Dortmund
Einleitung: Alert-Strukturen Welche Substanz ist gefährlich, was können Sie „schlucken“?
OO
O
O
O
OMe
H
H
8
9
2
3
6a
9a
OO
O
O
O
OMe
H
H
8
9
2
3
6a
9a
Bay-Region an polycyclischem aromatischem Kohlenwasserstoff
Aromatisches Amin
OO
O
O
O
OMe
H
H
8
9
2
3
6a
9a
Bay-Region an polycyclischem aromatischem Kohlenwasserstoff
Aromatisches Amin Chlor-
kohlenstoff
OO
O
O
O
OMe
H
H
8
9
2
3
6a
9a
Bay-Region an polycyclischem aromatischem Kohlenwasserstoff
Aromatisches Amin Chlor-
kohlenstoff
Nicht konjugierte gut zugängliche Doppelbindung im Ringsystem
OO
O
O
O
OMe
H
H
8
9
2
3
6a
9a
Bay-Region an polycyclischem aromatischem Kohlenwasserstoff
Aromatisches Amin Chlor-
kohlenstoff
Nicht konjugierte gut zugängliche Doppelbindung im Ringsystem
S-Thalidomid
Reduzierte Expression von Adhäsionsrezeptoren im Embryo
Schwere Mißbildungen im Embryo Teratogen
Toxikologie Definition: Lehre von den schädlichen Wirkungen chemischer Stoffe auf lebende Organismen Aufgabe: Untersuchung von möglichen Schadwirkungen durch chemische Stoffe auf Lebewesen Ziel: Das Risiko chemischer Stoffe auf die Gesundheit von Mensch und Tier abzuschätzen, um Gefahren abzuwenden
Procarcinogen
Genotoxic carcinogen
DNA damage
DNA mutations
Multistep process of oncogene activation and tumor suppressor inactivation
Tumor
Multistep Process of Carcinogenesis
Metabolic activation
Proliferation
Proliferation
Proliferation
Threshold mechanisms
Metabolic inactivation
DNA repair
Cell cycle arrest
Apoptosis
Apoptosis
Control by immune system
Procarcinogen
Genotoxic carcinogen
DNA damage
DNA mutations
Multistep process of oncogene activation and tumor suppressor inactivation
Tumor
Multistep Process of Carcinogenesis
Metabolic activation
Proliferation
Proliferation
Proliferation
Threshold mechanisms
Metabolic inactivation
DNA repair
Cell cycle arrest
Apoptosis
Apoptosis
Control by immune system
• Nahrungs-bestandteile Oxygenierte Konjugierte• Umweltgifte Intermediate Produkte• Arzneistoffe
DNA-BindungOxidativer Stress
Mutationen
Krebs
Ausscheidung
Phase IPhase II
Cytochrom P450 • CYP1A2 • CYP2C19 • CYP2B6 • CYP2D6 • CYP2E1 • CYP3A4 • CYP2C9 • CYP3A5
Konjugation • UDP-Glucuronosyltransferasen • Glutathiontransferasen • Sulfotransferasen • N-Acetyltransferasen
Prinzip des Fremdstoffmetabolismus
Phase-1-Enzyme
• Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen (CYP) • Flavin-abhängige Monooxygenasen(FMO) • Monoaminoxidasen (MAO) • Cyclooxygenasen (COX) • Dihydrodioldehydrogenasen • DT-Diaphorase (NQOR) • Alkohol- und Aldehyd-dehydrogenasen (ADH, ALDH) • Epoxidhydrolasen
Phase-2-Enzyme: Transferasen • Glutathiontransferasen (GST) • UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT) • Sulfotransferasen (SULT) • Acetyltransferasen (NAT) • Methyltransferasen (MT)
Phase-3-Enzyme: Membrantransporter • OATC • MDR • MRP
English Deutsch
Absorption Aufnahme
Distribution Verteilung
Metabolism Verstoffwechselung
Excretion Ausscheidung
ADME
Phase-1-Enzyme
• Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen (CYP) • Flavin-abhängige Monooxygenasen(FMO) • Monoaminoxidasen (MAO) • Cyclooxygenasen (COX) • Dihydrodioldehydrogenasen • DT-Diaphorase (NQOR) • Alkohol- und Aldehyd-dehydrogenasen (ADH, ALDH)
Diversity of xenobiotic metabolising enzymes
Diversity of CYP isoenzymes
some 200-400 million years ago
360 million years of amphibians, 300 million years of reptiles,
200 million years of mammals
„Animal plant warfare“ Co-evolution of plants producing phytotoxins and animals responding with new detoxification enzymes
Cytochrom P450: Nomenklatur Beispiel:
CYP3A4
Familie > 40 %
Unterfamilie > 55 %
Isoenzym Übereinstimmung der Aminosäure- sequenz
Rückschlüsse auf die Evolution; Beispiel 1:
CYP1A1 Ratte CYP1A1 Mensch CYP1A1 Ratte CYP1A2 Ratte CYP1A1 Mensch CYP1A2 Mensch
Übereinstimmung der Aminosäuresequenz
79,5 % 68,0 % 71,1 %
Die CYP1A1 Isoform ist entstanden bevor es zur phylogenetischen Trennung der Spezies Mensch und Ratte kam
Rückschlüsse auf die Evolution, Beispiel 2:
CYP2C8 Mensch CYP2C9 Mensch CYP2C18 Mensch CYP2C19 Mensch Vergleich der CYP2C Isoformen Mensch versus Ratte
Übereinstimmung der Aminosäuresequenz
77-91 %
< 77 %
Erst erfolgte die phylogenetischen Trennung der Spezies Mensch und Ratte. Danach kam es in jeder Spezies separat zur Bildung weiterer Isoformen.
RH R O H O 2
NADPH +
+ H 2 O + NADP +
CY P
Glucuronidierung
Acetylierung
Sulfatierung
Reaktionsschema von Cytochrom P450
Etc.
Enzymatischer Mechanismus: - Transfer eines Sauerstoffatoms aus molekularem Sauerstoff auf ein Akzeptormolekül - Das zweite Sauerstoffatom wird unter Verbrauch von NADPH zu Wasser reduziert - Resultat meist: Epoxidierung, Hydroxylierung, Desalkylierung
Beispiel: Oxidation von Chrysen
Substrat: Chrysen
Produkt: Epoxid
Aus: Arand und Oesch, Fremdstoffmetabolismus, In: Marquardt, Schäfer
(i) Das Eisen im Hämin liegt mit einem Fe3+ im aktiven Zentrum vor → geringe Tendenz zur Bindung von Sauerstoff (ii) Chrysen bindet im aktiven Zentrum. → Hämin-Eisen geht von einer low-spin in eine high-spin Form über → Dies erleichtert die Reduktion von Fe3+ zu Fe2+.
Die NADP-abhängige Cytochrom-P450-Reduktase reduziert das Hämin zum Häm [erste ein-Elektronen-Reduktion]
Hämin
Häm
Das Elektron wird von der Cytochrom- P450-Reduktase geliefert
Übertragung eines weiteren Elektrons von der Cytochrom-P450- Reduktase → Aktivierung des Komplexes →hochreaktiver Komplex [zweite ein-Elektronen-Reduktion]
Beispiel: Oxidation von Chrysen
Substrat: Chrysen
Produkt: Epoxid
Aus: Arand und Oesch, Fremdstoffmetabolismus, In: Marquardt, Schäfer
OO
O
O
O
OMe
H
HAFB1
8
9
2
3
6a
9a
OO
O
O
O
OMe
OH
H AFM1
OO
O
OO
OMe
H
H
OH
AFQ1
OO
O
O
O
OMe
H
H
O
AFB1-exo-8,9-oxide
OO
O
O
O
OMe
H
H
O
AFB1-endo-8,9-oxide
Beispiel Nr. 1: Phase I Metabolismus von Aflatoxin B1
Die Folgen: DNA-Addukte
3‘ | T C G A | 5‘
5‘ | A G C T | 3‘
3‘ | T A G A | 5‘
5‘ | A G C T | 3‘
3‘ | T A G A | 5‘
5‘ | A T C T | 3‘
3‘ | T C G A | 5‘
3‘ | T C G A | 5‘
5‘ | A G C T | 3‘
3‘ | T C A A | 5‘
5‘ | A G T T | 3‘
Second replication
First replication Second
replication
G→T Transversion
C→T Transition
DNA with AFB1 adduct
5‘ | A G T | 3‘
C
5‘ | A G T | 3‘
C
3‘ | T C A A | 5‘
From: Hengstler, Bogdanffy, Bolt and Oesch, Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2003;43:485-520
Folgen von DNA-Addukten: Mutationen
Procarcinogen
Genotoxic carcinogen
DNA damage
DNA mutations
Multistep process of oncogene activation and tumor suppressor inactivation
Tumor
Multistep Process of Carcinogenesis
Metabolic activation
Proliferation
Proliferation
Proliferation
Threshold mechanisms
Metabolic inactivation
DNA repair
Cell cycle arrest
Apoptosis
Apoptosis
Control by immune system
Tumors
mEHP45 0
P45 0
DNA-ADDUCTS
GST P1Conjugates (Detoxification)
DMBA
Beispiel Nr. 2: Dimethylbenz[a]anthracene (DMBA)
aus: Buters, Arand, Maser
aus: H. Foth, Metabolismus von PAKs
Folgen der metabolischen Aktivierung von Benzo[a]pyren
Bildung von DNA-Addukten, zum Beispiel an der exocyclischen
Aminogruppe des Guanins
Fehler bei der Synthese neuer DNA
Mutationen
Aktivierung von Onkogenen Inaktivierung von
Tumorsuppressorgenen
Merkmale: Cytochrom P450
- N = 50-60
- Hauptexpressionsorgan: Leber
- Extrahepatisches Vorkommen: Lunge, Darm, Niere, etc.
- langsames Enzym
- Breite Substratspezifizität
Enzym Organ Substratbeispiel
CYP1A1 Lunge, Leber, alle Organen
PAK
CYP1A2 Leber Aromatische und heterozyklische Amine
CYP2A6 Leber Diethylnitrosamin
CYP2B6 Leber Cyclophosphamid
CYP2D6 Leber Bufuralol, Spartein, Debrisoquin
CYP2E1 Leber, Niere, Darm, Leukozyten
Kleine Moleküle: Ethanol, Paracetamol,
CYP3A4 Leber, Darm Aflatoxin, viele Verbindungen
Cytochrom P450: die wichtigsten Isoformen
Phase 2 Enzyme
GST Glutathiontransferasen SULT Sulfotransferasen NAT Acetyltransferasen UGTP Glucuronosyltransferasen
R-CH2-X R-CH2-SG GSH
Glutathion-S-Transferasen
X=OH, Cl, NO2 und Peroxide Zellkonzentration GSH: ca. 5 mM Schützt vor oxidativem Stress GSSH Cytosolisch
GST-A GST-M GST-P GST-T Microsomale GST
Sulfotransferasen
R-XH R-X-S03-
SULT
PAPS1 PAP
XH = OH, SH, NH2
OH
SULT O-SO3
-
Phenol
Sulfonyl- gruppe
PAPS: 3‘-Phosphoadenosin-5‘phosphat
UDP-Glucuronosyltransferases
Characteristics: - Low affinity, high capacity - consequences: usually detoxification
→ O-Glucuronide, N-Glucuronide, C-Glucuronide, S-Glucuronide
UDP glucuronic acid
glucuronide
substrate
Chinonimin
Beispiel: Paracetamol - Entgiftung der Muttersubstanz durch Glucuronidierung oder Sulfatierung - Kleinkinder haben weniger UDP-Gucuronosyltransferase → Höhere Empfindlichkeit gegenüber Paracetamol
OH
Therapie der Vergiftung mit Paracetamol: N-Acetylcystein
N-Acetyl- Cystein
Zur Therapie nimmt man N-Acetylcystein und nicht Cystein – Warum?
Acetyl-Transferasen AcCoA+AT AT-AC + CoA AT-AC + AXH AX-AC + AT-H A= Akzeptor AT= Acetyltransferase X= N oder H Ac= Acetyl
CH3COO-