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PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT

diese Kopplungsreaktion bewirken GSTs einen Schutz gegenübereiner potentiellen DNA-schädigenden Wirkung solcher Verbindungen.GSTs können jedoch nicht nur als Enzyme wirken, sie können auch anverschiedene Substrate binden, ohne eine Konjugationsreaktion zukatalysieren (z.B. Bilirubin, Penicillin, Tetracycline). Glutathion-S-Transferasen fungieren des Weiteren indirekt als Schutzmechanismusgegen reaktive Sauerstoffspezies, die z.B. durch das Redoxcycling von

Wim Wätjen, Ellen Fritsche

Rolle des Fremdstoffmetabolismus in Pharmakologie und Toxikologie: Teil 2: Phase-II-Reaktionen

Der Fremdstoffmetabolismus determiniert die Wirksamkeit von Arzneistoffen. Es kann dabei sowohl zu einer Inaktivierung als auch zu einer Aktivierung von Substanzen kommen.Der gleiche Grundsatz ist auch für die Toxikologie gültig, wo es teilweise erst durch denMetabolismus zur Bildung von reaktiven Intermediaten kommt, welche den Organismus schädigen.In einem ersten Fortbildungsartikel (Apothekenmagazin 05/2009) wurden die Enzyme und Reaktionen der Phase I beschrieben, in diesem Teil sollen die Auswirkungen von Phase II-Enzymenauf Pharmaka und Giftstoffe exemplarisch analysiert werden.

In der Phase II des Fremdstoffmetabolismus werden unter Energie-verbrauch bestimmte Kosubstrate an funktionelle Gruppen vonFremdstoffen gekoppelt. In der Regel wird bei diesen Konjugations-reaktionen die Polarität der Verbindung stark erhöht, d.h. die Was-serlöslichkeit steigt und das modifizierte Pharmakon kann über dieGalle oder die Nieren ausgeschieden werden. Bestimmte Kopplungs-reaktionen (z.B. Methylierungen, N-Acetylierungen) führen zumeistjedoch nicht zu einer Erhöhung der Polarität, sondern fungieren z.B.als Maskierung für funktionelle Gruppen (Abbildung 1).

Eine schematische Übersicht der Reaktionen, Enzyme und Kofakto-ren/Kosubstrate im Phase II Metabolismus ist in Tabelle 1 und Abbil-dung 2 gezeigt. Die meisten Reaktionen des Phase II Metabolismus(Glucuronidierung, Sulfatierung, Acetylierung und Methylierung) benö-tigen aktivierte Kosubstrate, wohingegen eine Kopplung von Fremd-stoffen mit Aminosäuren und Glutathion eine Aktivierung der Xeno-biotika voraussetzt.

Glutathion- S-Transferasen (GST)Glutathion-S-Transferasen (GSTs) konjugieren Pharmaka und Fremd-stoffe mit dem endogenen Tripeptid Glutathion (GSH, γ-Glutamylcys-teinylglycin, Abbildung 3). Diese Reaktion ist der wichtigste Entgif-tungsmechanismus des Körpers für elektrophile Substanzen. Durch

Abbildung 1: Schematische Übersicht des Fremdstoffmetabo-lismus. Reaktionen der Phase I und Phase II.

Abbildung 2: Phase-II Metabolismus: Strukturen der Kofakto-ren/Kosubstrate Kofaktoren/Kosubstrate im Phase II Metabo-lismus: Die jeweils übertragenen Gruppen sind blau unterlegt.

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Zertifizierte Fortbildung

Chinonen entstehen. GSTs werden aber auch in einen Zusammenhangmit Resistenzentwicklungen bei der Zytostatikatherapie gebracht: Beider Therapie mit alkylierenden Zytostatika (Cyclophosphamid, Chlo-rambucil, Busulfan) sind Resistenzen bestimmter Tumorzellen gegen-über diesen Zytostatika mit einer Zunahme bestimmter GST-Enzymeassoziiert.

Viele elektrophile Fremdstoffe reagieren mit dem nukleophilen Schwe-felatom des Tripeptids Glutathion, welches in hoher Konzentration inLeberzellen vorhanden ist. Hierbei kommt es zur Bildung einer Thio-etherbindung. Es reagieren jedoch nur bestimmte („weiche“) elektro-phile Substanzen spontan mit dem „weichen“ Nucleophil GSH(„hart“/“weich“-Zuordnung nach dem Konzept von Pearson). DieGeschwindigkeit dieser Reaktion wird durch die GST stark erhöht.

Aus diesem Grund stellen Glutathion-S-Transferasen eine sehr wichti-ge Klasse der fremdstoffmetabolisierenden Enzyme dar, sie können inder Leber speziesabhängig bis zu 10% der löslichen Proteine ausma-chen. Auch in anderen Geweben (Darm, Magen) wurden GSTs in hoherKonzentration nachgewiesen.

Die Konjugation mit GSH führt zu einer starken Erhöhung der Hydro-philie und einer raschen Ausscheidung des Pharmakons bzw. Fremd-stoffes. Glutathionkonjugate werden mittels MDR-Proteinen (multi-drug resistance) aus der Zelle transportiert. Vor der Ausscheidungfindet in der Regel jedoch eine Modifikation der angelagerten GSH-Gruppe statt, die Substanz wird als sogenanntes Mercaptursäurekon-jugat über den Harn ausgeschieden (Abbildung 4).

GSTs werden in verschiedene Familien zusammengefasst. Zurzeit sindsieben zytosolisch lokalisierte, eine mitochondrial lokalisierte unddrei membranständige mikrosomale GST-Familien bekannt (Tabelle 2).Sie besitzen eine breite und zum Teil überlappende Substratspezifitätfür Substanzen mit elektrophilen Gruppen. Zum Beispiel metabolisiertdie GSTT1 kleine Substratmoleküle und ist aufgrund eines Polymor-phismus für die Arbeitsmedizin relevant: Personen mit der Deletions-variante GSTT1*2 sind defizient für die Kopplung von Molekülen wiez.B. Brommethan mit GSH. Da durch solch eine Konjugation das hochreaktive Methanthiol entsteht, welches für die neurotoxischen Symp-tome der CH3Br Vergiftung verantwortlich ist, sind Personen mit demGSTT1*2 Genotyp vor diesen Symptomen geschützt.

Zytosolische und mitochondriale GSTs sind dimere Enzyme, die sichin der Zusammensetzung ihrer Untereinheiten unterscheiden können.Durch diese Variabilität bilden sich Enzyme mit jeweils geänderterSubstratspezifität. Die mikrosomalen GSTs sind als Trimere aktiv.

Eine Vielzahl von Chemikalien ist in der Lage, die GST-Expression zuinduzieren. Dies geschieht über transkriptionelle Aktivierungbestimmter Promotorbereiche der DNA (z.B. „antioxidant responsiveelement“, „xenobiotic response element“ oder „barbie box element“),z.B. durch prooxidative Substanzen.

Substrate für die GST besitzen ein elektrophiles Zentrum und habenim Allgemeinen eher hydrophobe Eigenschaften. Die durch GST ver-mittelten Konjugationsreaktionen können in folgende Reaktionstypen(Abbildung 5, 6) eingeteilt werden:

GlucuronidierungSulfatierungAcetylierungMethylierungAminosäurekonjugationGlutathionkonjugation

UDP-Glucuronosyltransferasen, UUGGTTSulfotransferasen, SSUULLTT

N-Acetyltransferasen, NNAATTMethyltransferasen, MMTT

Acyl-CoA-Aminosäure-Acyltransferasen)Glutathion-S-Transferasen, GGSSTT

Enzym (Abkürzung)Phase-II-Reaktion Kofaktor/Kosubstrat

aktivierte Glucuronsäure (UDP-α-Glucuronsäure, UUDDPPGGAA)aktiviertes Sulfat (3’-Phopho-adenosin-5’-phosphosulfat, PPAAPPSS)

aktiviertes Acetat (AAcceettyyll--CCooAA)aktiviertes Methionin (S-Adenosylmethionin, SSAAMM)

Glutamat, Glycin, TaurinGlutathion (γ-Glutamylcysteinyl-glycin, GGSSHH)

Tab. 1: Schematische Übersicht des Phase II Metabolismus Reaktionen, Enzyme und entspr. Kofaktoren und Substrate im Phase II Metabolismus.

Abbildung 3: Strukturformel von Glutathion: γ-Glutamylcysteinylglycin

Abbildung 4: Phase-II Bildung von Mercaptursäurederivaten Bildung des Glutathion-Konjugats durch die Glutathion-S-Transferase(1), folgend der Umbau zum Mercaptursäurederivat über die γ-Gluta-myltranspeptidase (2), Dipeptidase (3) und N-Acetyltransferase (4).

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PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT

a) nukleophile Substitution elektronenziehender Substituenten am Kohlenstoffatom

b) nukleophile Addition von Glutathionc) Reduktion von organischen Hydroperoxiden d) Isomerisierung von C-C-Doppelbindungen

(cis-trans-Umlagerungen)

Die GST spielt eine wichtige Rolle bei der Detoxifizie-rung der toxischen Metabolite des Analgetikums Para-cetamol. Wie im Abschnitt über den Phase-I-Metabo-lismus bereits ausgeführt, wird ein gewisser Anteil desParacetamols nicht über Phase II-Enzyme (Sulfotransfe-rasen und UDP-Glucuronosyltransferasen) detoxifiziert,sondern über einen Phase I-Mechanismus (CYP P4502E1) zu einem reaktiven Chinonimin (N-Acetyl-para-Ben-zochinonimin, NAPQI) umgewandelt. Bei hohen Parace-tamoldosen erlangt diese Phase-I-Umwandlung einestarke Bedeutung. Zur Entgiftung dieser reaktiven Ver-bindung wird durch die GST Glutathion an die aktivier-te Doppelbindung konjugiert (Abbildung 7). Ist derGSH-Vorrat erschöpft, führt das Chinonimin zur Leber-schädigung (Tabelle 3).

Da die Aktivität der GST abhängig von der zur Verfü-gung stehenden Menge am Kofaktor Glutathion ist, istdie Bereitstellung von GSH der limitierende Faktor fürdie Toxizität von Paracetamol. Die entscheidendenEnzyme für die GSH-Synthese sind die Glutamat-Cystein-Ligase und die Glutathion-Synthase. Bei einerParacetamol-Intoxikation kann Glutathion selbst zurEntgiftung nicht verabreicht werden, da dieses Tripep-tid nicht über zelluläre Membranen transportiert wer-den kann. Daher wird als Antidot die GSH-Vorstufe N-Acetylcystein (NAC) eingesetzt. Eine höhere Toxizität beiParacetamolvergiftungen ist z.B. bei Unterernährunggegeben (verringerte intrazelluläre GSH-Spiegel).

Die Konjugation von Xenobiotika mit Glutathion in derPhase II des Fremdstoffmetabolismus ist jedoch, wieschon oben beschrieben, nicht in allen Fällen gleichbe-deutend mit einer Inaktivierung der Substanz. So stelltz.B. die Konjugation mit GSH den ersten Schritt dermetabolischen Aktivierung von nierentoxischen haloge-nierten Alkanen dar: Dichlorethan bildet mit GSH ein

Konjugat, welches das typische Strukturelement des stark alkylieren-den Schwefel-Losts (Senfgas, β,β’-Dichlordiethylsulfid) besitzt. Dasdurch die GSH-Konjugation entstehende Episulfonium-Ion kann z.B.mit DNA-Basen unter Bildung des Guanin-Adduktes reagieren (Abbil-dung 8).

UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT)Die Glucuronidierung ist der quantitativ wichtigste Entgiftungsschrittfür die verschiedensten, meist nucleophilen, Pharmaka und Fremd-stoffe. UDP-Glucuronosyltransferasen (UGTs) koppeln Substanzen mitaktivierter Glucuronsäure (UDP-α-Glucuronsäure (UDPGA)). Durchdiese Kopplung wird a) für eine starke Erhöhung der Hydrophilie (dieCarboxylgruppe der Glucuronsäure liegt bei physiologischem pH-Wertin der ionisierten Form vor) gesorgt und b) durch „Maskierung“ vonfunktionellen Gruppen die biologische Wirkung des Fremdstoffs been-det (Abbildung 9).

Glucuronidierungsreaktionen sind mit verschiedenen funktionellenGruppen möglich. Glucuronidiert werden vorzugsweise elektronenrei-che O, N oder S-Heteroatome. Daher sind z.B. Alkohole und Phenole,Carbonsäuren, aliphatische und aromatische Amine und Thiole Sub-strate für UGTs (Tabelle 4). Bei der Übertragung des Glucuronosylres-tes auf alkoholische und phenolische Hydroxylgruppen entstehenEther-Glucuronide, aus Carbonsäuren die entsprechenden Ester-Glu-

α (Alpha-)

μ (my-)

π (pi-)σ (sigma-)θ (theta-)

ζ (zeta-)ω (omega-)

κ (kappa-)

GSTA1GSTA2GSTA3GSTA4GSTA5GSTM1GSTM2GSTM3GSTM4GSTM5GSTP1PGDSGSTT1GSTT2GSTZ1GSTO1GSTO2GSTK1

ChlorambucilCumolhydroperoxidΔ5-Pregnan-3,20-dion4-Hydroxynonenal(nicht bekannt)BenzpyrendiolepoxidAminochromBCNUCDNBCDNBAcroleinPGH2

CH2Cl2, EthylenoxidCumolhydroperoxidDichloroacetatDehydroascorbinsäureDehydroascorbinsäureCDNB

Tab. 2: Humane Glutathion-S-Transferasen mit Relevanz für denFremdstoffmetabolismus (modifiziert n. Parkinson und Ogilvie 2008)

Abbildung 5: Reaktionen der GST (Beispiele)Nukleophile Substitution am Aromaten (3,4 Dichloronitrobenzol)Addition an Doppelbindung (Diethylmaleinsäure) Addition (Ringöffnung) anEpoxid (Naphtalinepoxid)

Abbildung 6: GST-vermittelte Abspaltung von NO aus Glyceroltrinitrat

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Zertifizierte Fortbildung

curonide. In bestimmten Xenobiotika wie Phenylbutazon können Koh-lenstoffatome vorhanden sein, die hinreichend nukleophil sind, um C-Glucuronide zu bilden. Zu den Pharmaka, die glucuronidiert werden(Abbildung 10), zählen auch Paracetamol, Morphin, Amitryptilin (phe-nolische Hydroxylgruppen) sowie Probenecid und Ibuprofen (carbo-xylische Hydroxylgruppen).

Der Kofaktor UDPGA wird in zwei Schritten durch die Enzyme UDPG-Pyrophosphorylase und UDPG-Dehydrogenase aus Glucose-1-phos-phat gebildet. UGTs besitzen eine sehr große enzymatische Kapazität,das Cosubstrat ist unter normalen Bedingungen in hohen Konzentra-tionen (500 μM) in der Zelle vorhanden. Die Spiegel von UDPGA kön-nen aber z.B. unter Hungerbedingungen verringert sein, was die Toxi-zität des Analgetikums Paracetamol verstärken kann.

Für den Menschen sind zwei Unterfamilien der UDP-Glucuronosyl-transferasen wichtig: UGT1 und UGT2. UGTs der Klasse 1 bevorzugenplanare Substrate, während Klasse 2 UGTs auch nicht-planare Sub-stanzen wie z.B. Morphin konjugieren. In den UGT Familien existierenverschiedene Isoenzyme mit z.T. überlappender Substratspezifität(Tabelle 5). Die Enzyme vermitteln nicht nur die Ausscheidung vonFremdstoffmetaboliten, sondern auch die Ausscheidung von endoge-nen Stoffwechselprodukten, z.B. hydroxylierten Steroidhormonen,Bilirubin aus dem Häm-Abbau und fettlöslichen Vitaminen. Mutatio-nen in der UGT1A1 verursachen z.B. Störungen im Bilirubin-Stoff-wechsel, wie das mildere Gilbert-Meulengracht-Syndrom oder dasfatale Crigler-Najjar-Syndrom, welche zu unterschiedlich ausgeprägterHyperbilirubinämie führen.

Die höchsten Konzentrationen an UGTs finden sich in der Leber, aberauch Nieren und Darm weisen relativ hohe Enzymaktivitäten auf.Andere Gewebe wie Haut und ZNS besitzen auch eine Kapazität fürGlucuronidierungen.

Durch Substanzen wie Phenobarbital können bestimmte UGTs indu-ziert werden. Es sind auch Inhibitoren für bestimmte UGTs beschrie-ben (z.B. Fluconazol für UGT2B7 und Hecogenin für UGT1A4). EinigeInhalationsnarkotika, wie z.B. Diethylether, interferieren mit der PhaseII Elimination über UGTs, indem sie den UDPGA-Spiegel der Leberabsenken. Im Vergleich zu den CYP-Enzymen sind bei den UGTs jedochrelativ wenige relevante Arzneimittelwechselwirkungen beschrieben.Das UGT1A1*28 Allel hat Bedeutung für die Toxizität von Irinotecan,einen in der Krebstherapie eingesetzten Topoisomerase I-Inhibitor,indem der aktive zytostatische Metabolit konjugiert wird. Polymor-phismen der UGT2B15 haben Bedeutung für die Wirkdauer des Ben-zodiazepins Oxazepam. In bestimmten Fällen kann es durch Glucuro-nidierung auch zu einer Zunahme der Wirkstärke von Arzneimittelnkommen. Die pharmakologische Wirkung von Morphin kann durchGlucuronidierung der aliphatischen Hydroxylgruppe (6-OH) starkerhöht werden, eine Glucuronidierung an der phenolischen Hydroxyl-gruppe (3-OH) zeigt diesen Effekt nicht. Verschiedene UGTs wieUGT1A1, UGT1A3, UGT1A6 und auch UGT2B7 können die Glucuroni-dierung an Position 3 von Morphin katalysieren, die wirkungsverstär-kende Konjugation an Position 6 wird jedoch nur durch UGT2B7 kata-lysiert.

Die Reaktionsprodukte der UGT sind allerdings nicht immer chemischstabil. Zum Beispiel werden viele in der Leber glucuronidierte Xeno-biotika, die über die Galle in den Dünndarm ausgeschieden werden,durch β-Glucuronidasen im Darm wieder gespalten. Das nicht mehrkonjugierte und dadurch wieder lipophilere Xenobiotikum kanndanach erneut über die Pfortader in die Leber aufgenommen werden,was zu einem Kreisprozess führt. Dieser sogenannte „enterohepati-sche Kreislauf“ verlängert möglicherweise beträchtlich die Elimina-tionshalbwertszeit von Substanzen. Ein Beispiel hierfür stellt die Glu-curonidierung von Substanzen wie Digitoxin oder Steroidhormonendar, welche durch diesen Mechanismus verhältnismäßig lange biolo-gische Halbwertzeiten aufweisen. Durch eine Modulierung des enter-

I

II

IIIIV

0,5 – 24 h

24 – 48 h

72 – 96 h4 d – 2 w

Übelkeit, ErbrechenBesserung der SymptomeOberbauchschmerzen Bilirubin Transaminasen Prothrombinzeit Maximum der Leberschädigungevtl. Besserung der Leberfunk-tion (bei Überlebenden), Nierenversagen möglich

Tabelle 3: Klinische Stadien einer Paracetamolvergiftung

Abbildung 7: Rolle von GST beim Metabolismus von Paracetamol

Abbildung 8: Giftung durch GST (1,2-Dihalogenalkan)

Stadium Zeit nach Einnahme Symptome, Klinik

➛

➛➛

O-GlucuronidEthertypEstertyp

N-Glucuronid

S-Glucuronid

C-Glucuronid

Trichlorethanolo-Aminobenzoesäure

Meprobamat2-NaphthylaminSulfadimethoxin

ThiophenolDiethyldithiocarbamat

Phenylbutazon

AlkoholCarbonsäureCarbamat

aromatisches AminSulfonamid

aromatisches ThiolDithiocarbaminsäure

1,3-Dicabonylverbindungen

Tabelle 4: Beispiele verschiedener Klassen von Glucuroniden

Stoffklasse des Fremdstoffes Substanzbeispiele

PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT

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ohepatischen Kreislaufes (Verhinderung der Glucuronidspaltung undnachfolgender enteraler Reabsorption) kann die Gabe von Antibiotikadie Wirkung oraler Kontrazeptiva verringern. Bei einigen Substanzenstellen Glucuronide auch eine Transportform für die (toxische) Sub-stanz dar. Dies ist z.B. für 2-Naphthylamin, eine Blasenkrebs auslö-sende Substanz, beschrieben.

Sulfotransferasen (SULT)Sulfotransferasen sind zytosolische Enzyme, die Xenobiotika mit akti-viertem Sulfat (3’-Phopho-adenosin-5’-phosphosulfat, PAPS) kop-peln. Es wird hierbei eine Sulfonylgruppe (-SO3-) übertragen. Die vonden Sulfotransferasen gebildeten Sulfonsäureester liegen bei physio-logischem pH-Wert in ionisierter Form vor und sorgen so für eine star-ke Erhöhung der Hydrophilie (Abbildung 11). Der Kofaktor wird in derZelle aus Sulfat und ATP gebildet. Da das benötigte Sulfat zum über-wiegenden Teil aus dem Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren stammt,steht es in der Zelle nur beschränkt zur Verfügung und limitiert so dieMenge an PAPS. Bei hohen Konzentrationen an Pharmaka oderFremdstoffen kann sich daher die Kapazität der Sulfotransferasen ausMangel an dem Kosubstrat erschöpfen. Die Stoffe werden dann glu-curonidiert, da die UGTs ein ähnliches Substratspektrum besitzen undeiner viel geringeren Kofaktor-abhängigen Limitierung unterliegen.

Die Sulfatierung konkurriert demnach mit der Glucuronidierung umdie Substrate: Die Art der Konjugation wird dabei durch die unter-schiedlichen Enzymkinetiken bestimmt. Fremdstoffe in geringer Kon-zentration werden sulfatiert, während bei höheren Konzentrationen

Abbildung 9: Reaktionsmechanismus der UGT Glucuronidierung von Paracetamol: Ausbildung einer ß-glykosidischen Bindung

Abbildung 10: molekulare Angriffspunkte für UGT in Pharmaka

UGT1A1UGT1A3UGT1A4UGT1A5UGT1A6UGT1A7UGT1A8UGT1A9UGT1A10

UGT2A1UGT2A2UGT2A3UGT2B4UGT2B7

UGT2B10UGT2B11UGT2B15UGT2B17UGT2B28

Bilirubin, 17β-EstradiolIbuprofenTrifluorperazin, Amitryptilinnicht bekannt1-Naphtol, Serotonin, IbuprofenOctylgallatAntharchinone, FurosemidPropofol1-Naphtol, Furosemid

Valproinsäure, Ibuprofennicht bekannt nicht bekannt CodeinZidovudin, Morphin, Codein,Valproinsäure, Ibuprofen, Diclo-fenacnicht bekannt4-NitrophenolS-OxazepamAndrogene, Eugenol17β-Estradiol, Testosteron

Leber, Dünndarm, KolonLeber, Dünndarm, KolonLeber, Dünndarm, KolonLeberLeber, Dünndarm, Kolon, MagenÖsophagus, Magen, LungeKolon, Dünndarm, NierenLeber, Nieren, KolonMagen, Dünndarm, Kolon

olfaktorisches Systemnicht bekannt nicht bekannt Leber, DünndarmNieren, Dünndarm, Kolon

Leber, Dünndarm, ProstataProstata, BrustdrüsenLeber, Dünndarm, ProstataLeber, ProstataLeber, Brustdrüse

Tabelle 5: Übersicht: Humane UDP-Glucuronosyltransferasen(adaptiert nach Kiang et al. 2005, Miners et al. 2006, Parkinson und Ogilvie 2008)

GewebeUGT Substanzbeispiel

die Glucuronidierung überwiegt. Interindividuelle Unterschiede in derKinetik der Sulfatierung von Fremdstoffen können auch durch geneti-sche Defekte in den Syntheseenzymen von PAPS bedingt sein.

CholesterolSulfokonjugate werden häufig über den Urin ausgeschieden, da dieGrenzmolmasse für die glomeruläre Filtration durch diese Kopplungs-reaktion seltener erreicht wird. Die molare Masse des Fremdstoffeswird durch Sulfatierung nur um 80 im Vergleich zu 307 bei der Glu-

curonidierung erhöht. Auch die Sulfonie-rung kann zu einer Erhöhung der Toxizitäteines Xenobiotikums führen. Am häufigstengeschieht das bei der Sulfonierung an OH-Gruppen, da das so stabilisierte Sulfat einegute Abganggruppe darstellt und daher zurBildung von reaktiven Carbeniumionenführt.

Von den Sulfotransferasen existieren zyto-plasmatisch lokalisierte, lösliche Enzyme,welche Konjugationen von Fremdstoffenund niedermolekularen körpereigenenMolekülen katalysieren (Tabelle 6). Nebendiesen zytosolisch lokalisierten SULT, exis-tieren auch noch membrangebundene Sul-fotransferasen im Golgi-Apparat, die in ver-schiedene endogene biologische Effekteinvolviert sind und für den Fremdstoffmeta-bolismus keine wesentliche Rolle spielen.

Acyl-CoA-Aminosäure-AcyltransferasenEine weitere Möglichkeit, die Hydrophilie

von Fremdstoffen zu erhöhen, besteht in der Konjugation mitbestimmten Aminosäuren, z.B. Glycin oder Glutamin. Die Konjugationvon Benzoesäure mit Glycin (Bildung von Hippursäure) wurde als ersteBiotransformationsreaktion im Jahre 1842 beschrieben (Abbildung 12).Gallensäuren sind endogene Substrate für eine Konjugation mit Gly-cin oder Taurin. Bei der Konjugation von Carbonsäuren mit Amino-säuren wird im Gegensatz zu den anderen Kopplungsreaktionen nichtdas Kopplungsagens, sondern der Fremdstoff aktiviert. Im Allgemei-nen ist die Aminosäurekonjugation eine Reaktion mit hoher Affinitätund geringer Kapazität, d.h. eher bei niedrigen Substratkonzentratio-nen wichtig.

N-Acetyltransferasen (NAT)Die N-Acetylierung ist ein wichtiger Weg im Stoffwechsel von Aminen,Hydroxylaminen, Hydrazinen und Sulfonamiden. Acetyl-Coenzym A(Acetyl-CoA) fungiert dabei als das „aktivierte“ Cosubstrat, welchesvon zytosolischen N-Acetyltransferasen (NAT) auf den Fremdstoffübertragen wird. Im Gegensatz zu den vorher besprochenen Konju-gationsreaktionen kommt es bei der Acetylierung jedoch nicht zueiner Erhöhung der Polarität. Die Bedeutung dieser Konjugation liegtvielmehr in der Inaktivierung der biologischen Wirkung durch Mas-kierung von funktionellen Gruppen.

Es existieren zwei Isoenzyme der N-Acetyltransferasen mit ähnlichenkatalytischen Eigenschaften, die jedoch unabhängig voneinanderreguliert werden: NAT1 und NAT2. Die NAT1 wird in vielen Gewebenexprimiert (Leber, Darm, Nieren, Lunge, Niere und Leukozyten), wohin-gegen die NAT2 hauptsächlich in Leber und Darm (jedoch nicht in Leu-kozyten) gefunden wird.

Zertifizierte Fortbildung

Abbildung 11: Metabolisierung von Anilin zum entsprechenden Sulfamat, Bildung von Carbeniumionennach Abspaltung von Sulfat als Abgangsgruppe

SULT1A1SULT1A2SULT1A3SULT1A4SULT1B1SULT1C2SULT1C4SULT1E1SULT2A1SULT2B1_v1SULT2B1_v2

4-Nitrophenol, Acetaminophen4-NitrophenolDopamin, albutamolDopamin4-Nitrophenol4-Nitrophenol4-Nitrophenol, Bisphenol A17β-Estradiol17β-Estradiol, DHEAPregnenolonCholesterol

Leber, PlacentaLeber, BlasentumorenDünndarm, KolonLeber, Pankreas, Kolon, GehirnKolon, Leber, LeukozytenNieren, Magen, SchilddrüseNieren, EierstöckeLeber, Endometrium, DünndarmLeber, Nebennieren, DünndarmPlazenta, Prostata, Haut

Tabelle 6: Übersicht: Humane zytosolische Sulfotransferasen.(modifiziert nach Parkinson und Ogilvie, 2008)

GewebeSULT Substanzbeispiel

Abbildung 12: Acyl-CoA-Aminosäure-Acyltransferasen: Reaktionstyp 11

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PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT

Substrate für die NAT1 sind z.B. p-Amino-benzoesäure, Sulfamethoxazol und Sulfani-lamid. Substrate für die NAT2 sind Pharma-ka wie das Hydrazin Isoniazid und dieArylamine Procainamid, Aminoglutethimidund Dapson (Abbildung 13).

Für die NAT2 existiert ein genetischer Poly-morphismus, der sich in der Acetylierungs-geschwindigkeit des Tuberkulosemedika-mentes Isoniazid zeigt. LangsameAcetylierung erhöht die Gefahr neurotoxi-scher Nebenwirkungen. Es ist ein langsa-mer, ein intermediärer und ein schnellerAcetylierertyp bekannt (slow, intermediate,rapid metabolizers). Der langsame Acetylie-rertyp tritt gehäuft im Mittleren Osten auf,in Europa sind intermediäre Acetylierer ver-breitet, in Ostasien trifft man überwiegendauf den schnellen Acetylierertyp. Die Wild-typ-NAT2 bringt den schnellen Acetylierer-typ hervor, der langsame und der interme-diäre Acetylierertyp wird durch Mutationenin verschiedenen Allelen des NAT2 Gensverursacht. Die NAT2 war das erste Beispielfür ein arzneistoffabbauendes Enzym, fürdas genetisch bedingte Unterschiedebeschrieben wurden.

MethyltransferasenEine weitere für den Fremdstoffmetabo-lismus ungewöhnliche Kopplungsreaktionist die Methylierung von Xenobiotika. Hierwerden funktionelle Gruppen maskiert unddie Lipophilie der Substanz im Allgemeinen

Abbildung 13: Substrate der NAT1 und NAT2

Abbildung 14: Methylierungsreaktionen

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auch Esterasen und Epoxidhydrolasen. Die Fremdstoffe könnendanach in der Phase II des Fremdstoffmetabolismus mit hydrophilenSubstanzen konjugiert und ausgeschieden werden. Aktivitäten derEnzyme des Fremdstoffmetabolismus unterliegen interindividuellenVariationen, welche durch genetische Varianzen bedingt sind (Poly-morphismen). Neben einer Entgiftung kann der Fremdstoffmetabo-lismus auch zu einer ‚Giftung’ von Fremdstoffen führen.

Weiterführende LiteraturBelle DJ, Singh H (2008) Genetic Factors in Drug Metabolism. Am FamPhysician.77:1553-60.Garnier R, Rambourg-Schepens MO, Müller A, Hallier E. Glutathionetransferase activity and formation of macromolecular adducts in twocases of acute methyl bromide poisoning. Occup Environ Med 1996Mar;53(3):211-15Kiang et al. (2005) UDP-Glucuronosyltransferases and clinical drug-drug interactions. Pharmacol Ther 106, 97-Marquardt H, Schäfer S Eds. (2004) Lehrbuch der Toxikologie. Wis-senschaftliche Verlagsgesellschaft mbHNourjah P, Ahmad RS, Karwoski C, Willy M. Estimates of Acetamino-phen-Associated overdoses in the United States. PD Safe. 2006; 15:398-405Miners et al. (2006) In vitro-in vivo correlation for drugs and othercompounds eliminated by glucuronidationin humans. Biochem Phar-macol 71, 1531-Parkinson und Ogilvie (2008) Biotransformation of Xenobiotics. in:Casarett & Doull´s Toxicology (Editor: CD Klaassen), 7. Auflage, Mac-Graw Hill MedicalPelkonen O and Raunio H Metabolic activation of toxins: tissue-spe-cific expression and metabolism in target organs. Environ Health Per-spect. 1997 June; 105(Suppl 4): 767-774. Wätjen W, Fritsche E. (2009) Die Rolle des Fremdstoffmetabolismus inPharmakologie und Toxikologie: Teil 1: Phase-I-Reaktionen. Apothe-kenmagazin 8-14Wätjen W, Fritsche E. (2010) Fremdstoffmetabolismus. In H.W. Vohr:„Grundlagen der Toxikologie“, Wiley VCH

Zertifizierte Fortbildung

erhöht. Substrate sind alkoholische oder phenolische Hydroxylgrup-pen, primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen sowie Thiolgrup-pen. Metalle (Hg, As, Se) können ebenfalls methyliert werden.

Es existieren verschiedene Enzyme, die Methylierungen katalysieren,z.B. die Catechol-O-Methyltransferase (COMT), die Histamin-N-Methyl-transferase, die Nicotinamid-N-Methyltransferase und die Thiopurin-S-methyltransferase. Als „aktiviertes“ Cosubstrat für die Methylie-rungsreaktionen fungiert S-Adenosylmethionin (SAM).

Für den Fremdstoffmetabolismus ist die Methylierungsreaktion inquantitativer Hinsicht zumeist nur von untergeordneter Bedeutung.Durch Maskierung von funktionellen Gruppen wird eine Konjugationdurch andere Phase-II Enzyme und damit eine Exkretion eher verhin-dert. Die O-Methylierung von Phenolen und Catecholgruppen kataly-siert die COMT, Substrate sind hauptsächlich Neurotransmitter wiez.B. Dopamin und Noradrenalin (Abbildung 14). Es existieren sowohlzytosolische als auch membrangebundene Formen der COMT. DiesesEnzym besitzt durch die Verringerung der Dopamin-Konzentration imZNS eine wichtige Bedeutung bei Morbus Parkinson. Pharmakologi-sche Inhibitoren dieses Enzyms sind z.B. Entacapon und Tolcapon, diebei dieser Erkrankung eingesetzt werden. Bei der Therapie mit Thio-purinen ist von klinischer Bedeutung, dass bei ca. 0,5% der Bevöl-kerung die Thiopurinmethyltransferaseaktivität nicht vorhanden ist,bei 10% der Bevölkerung ist diese herabgesetzt. Diese genetischeVarianten können bei Standarddosierung zu schweren Pancytopenienführen.

ZusammenfassungDie Biotransformation von Substanzen durch Enzyme des Fremdstoff-metabolismus hat eine große Bedeutung für die Elimination von lipo-philen Fremdstoffen, die ansonsten im Organismus akkumulieren wür-den. Diese Fremdstoffe werden zunächst durch Enzyme der Phase Ifunktionalisiert. Wichtige Enzyme der Phase I sind: Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen, Flavin-abhängige Monooxygenasen,Monoaminoxidasen, Cyclooxygenasen, Alkoholdehydrogenasen, aber

Die Autoren

PD Dr. rer. nat. Wim Wätjenwurde in Bremen geboren undstudierte Chemie an der Univer-sität Bremen, seine Promotionerfolgte im Jahr 2000. Seit 2001ist er Arbeitsgruppenleiter im

Institut für Toxikologie der Heinrich-Heine-Univer-sität Düsseldorf, wo er sich im Jahre 2006 habili-tierte. Forschungsgebiet von Herrn Wätjen sindUntersuchungen zu toxischen Effekten und zellulä-rem Metabolismus von verschiedenen Naturstoffen.Er ist Fachtoxikologe der Deutschen Gesellschaft fürPharmakologie und Toxikologie, Gutachter für ver-schiedene internationale Fachzeitschriften und innationalen Gremien (BfR-Kommission für Lebens-mittelzusatzstoffe) tätig.

PD Dr. med. Ellen Fritsche wurde in Düsseldorf geborenund studierte an den Universitäten Regensburg und Düs-seldorf Humanmedizin. Nach ihrer Promotion 1998 amdamals Medizinischen Institut für Umwelthygiene in Düs-seldorf verbrachte sie 3 Jahre am National Institute ofEnvironmental Health Sciences in den USA. Seit 2002

arbeitet sie in der molekularen Toxikologie am Institut für Umweltmedizini-sche Forschung in Düsseldorf, wo sie sich im Jahre 2008 habilitierte. Im Jahre2009 bekam sie einen Ruf als W2-Professorin für Dermatotoxikologie an dieRWTH Aachen. Ihre Forschungsschwerpunkte liegen beim Fremdstoffmeta-bolismus der Haut, in der Signaltransduktion des Arylhydrokarbon Rezep-tors, der Untersuchung von Toxizitäten auf das sich entwickelnde Nerven-system sowie der Etablierung von in vitro Verfahren als Alternativen zuTierversuchen. Sie ist Gutachterin für verschiedene internationale Fachzeit-schriften und in internationalen Gremien zur Entwicklung von Tierversuchs-ersatzmethoden zur Erfassung von Entwicklungsneurotoxizität vertreten

1. Welche der folgenden Aussagen zur UDP-Glucuronosyltransferasenist nicht zutreffend? A)� Die UGT kann O- und N-Heteroatome, jedoch nicht S-Hetero-

atome mit Glucuronsäure koppelnB)� Die UGT benötigt als Kosubstrat aktivierte GlucuronsäureC)� Die UGT konkurriert mit der SULT um die SubstrateD)� Morphin ist ein Substrat für die UGTE) � Bei O-Glucuroniden unterscheidet man Ester- und Ethertyp

2. Welches der folgenden fremdstoffmetabolisierenden Enzyme istkein Phase-II-Enzym?A)� Glutathion-S-Transferase B) � Epoxid-HydrolaseC)� N-Acetyltransferase D) � SulfotransferaseE) � UDP-Glucuronyltransferasen

3. Welche der folgenden Aussagen zur Konjugation von Fremdstoffenmit Glutathion ist nicht zutreffend? A)� Das Endprodukt des Konjugationsvorgangs sind Mercaptur-

säurekonjugate, die renal ausgeschieden werden könnenB)� Einige Glutathion-S-Transferasen weisen beim Menschen einen

genetischen Polymorphismus aufC)� Die Konjugation mit Glutathion stellt einen Entgiftungsmecha-

nismus für reaktive Metaboliten des Paracetamols dar (NAPQI)D)� Eine Konjugation mit Glutathion stellt immer eine Entgiftung darE) � Glutathion besteht aus drei Aminosäuren

4. Welche der Aussagen zur Sulfotransferasen ist nicht zutreffend? A)� Die SULT benötigt als Kosubstrat PAPS (aktiviertes Sulfat)B)� Die SULT konkurriert mit der GST um die SubstrateC)� Der Kofaktor für die SULT wird aus Sulfat und ATP gebildetD)� Bei hohen Konzentrationen kann sich die Kapazität der

Sulfotransferasen erschöpfenE) � Die molare Masse der metabolisierten Substanz wird durch

Sulfatierung um 80 erhöht

5. Welche der Aussagen zur N-Acetyltransferasen ist nicht zutreffend?A)� Von der NAT existieren 2 Isoenzyme (NAT 1 und NAT2)B)� Isoniazid ist ein präferentielles Substrat für die NAT2C)� Die NAT benötigt als Kosubstrat AcetylCoAD)� Sulfamethoxazol ist ein präferentielles Substrat für die NAT1E) � N-Acetylierung ist ein wichtiger Weg im Stoffwechsel von Epoxiden

6. Welche der Aussagen zur Methyltransferasen ist nicht zutreffend?A)� Methyltransferasen benötigen als aktiviertes Cosubstrat

S-Adenosylmethionin (SAM)

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B)� L-DOPA wird durch die Catechol-O-Methyltransferase (COMT)methyliert

C)� Durch Methylierung können funktionelle Gruppen maskiert werdenD)� Neben organischen Substanzen können auch Metalle methyliert

werdenE) � C-Methylierung ist die bevorzugte Form der Methylierung

7. Welche Aussage über den Fremdstoffmetabolismus ist falsch?A)� GST, UGT und SULT sind Phase II-EnzymeB)� Neben der Leber können auch andere Organe wie Haut

und Darm Fremdstoffe metabolisierenC)� Unterschiede im Fremdstoffmetabolismus können einen bedeuten-

den Parameter für die Toxizität bestimmter Xenobiotika darstellenD)� Durch fremdstoffmetabolisierende Enzyme der Phase II (= Konju-

gation) wird die Polarität der Xenobiotika immer erhöhtE) � CYP, COX und FMO sind Phase I-Enzyme

8. Welche Aussage über eine Vergiftung mit dem Analgetikum Paracetamol ist nicht richtig? A)� Ein Leberschaden kann schon bei der zwanzigfachen Über-

schreitung der analgetischen Einzeldosis zustande kommen.B)� Der Leberschaden kommt durch einen reaktiven Metaboliten

zustande (N-Acetyl-p-Benzochinonimin)C)� Personen mit einem niedrigen Glutathiongehalt in der Leber

(z.B. durch Unterernährung) sind besonders empfindlich gegen-über der hepatotoxischen Wirkung von Paracetamol

D)� Chronische Alkoholiker sind gegenüber der toxischen Wirkungvon Paracetamol geschützt

E) � Antidot bei einer Paracetamolvergiftung ist N-Acetylcystein

9. Welche Zuordnung Phase II-Enzym-Kosubstrat ist nicht richtig?A)� UDP-Glucuronosyltransferase : UDPGAB)� Glutathion-S-Transferase : MethioninC)� Methyltransferase : SAM D)� Sulfotransferasen : PAPSE) � NAT : AcetylCoA

10. Welche der Aussagen zur Glutathion-S-Transferasen ist nicht zutreffend?A)� Zytosolische GSTs sind dimere EnzymeB)� Konjugation mit GSH stellt den ersten Schritt der metaboli-

schen Aktivierung bestimmter halogenierter Alkane darC)� Durch die GST kann ein reaktives Episulfoniumion gebildet

werdenD)� GST vermittelt die NO-Freisetzung aus TrinitroglycerolE) � Substrate für die GST besitzen ein nukleophiles Zentrum

Fortbildungs-Fragebogen 9/2010 Faxnummer: 02 08 / 6 20 57 41Mit dem Apotheken Magazin Fortbildungspunkte sammelnDas Apotheken Magazin veröffentlicht in jeder Ausgabe einen speziellen Fortbildungsartikel und einen dazu gehörigenFortbildungsfragebogen, für dessen richtige Ausfüllung und Einsendung jeder Einsender einen von der Bundesapothekerkammer Berlinakkreditierten Fortbildungspunkt erhalten kann. Zusätzlich sind im gesamten Heft Beiträge enthalten, die als Fortbildungsbeiträgegekennzeichnet sind. Zur Gesamtheit dieser Beiträge gibt es einen weiteren Fragebogen, den Sie als Abonnent des Apotheken Magazinsebenfalls an den Verlag faxen und für den Sie einen weiteren Fortbildungspunkt erhalten können. Pro Frage auf beiden Fragebögen ist stets nur eine Antwort richtig. Die Lösungen werden Ihnen zusammen mit dem Fortbildungspunktmitgeteilt. Wenn Sie in jeder Ausgabe des Heftes beide Fortbildungsfragebögen bearbeiten, können Sie sich übers Jahr insgesamt 20Fortbildungspunkte aus der Kategorie „Bearbeiten von Lektionen“ (rezertifiziert durch die Bundesapothekerkammer, Veranstaltungs-Nr.:BAK 2010/042) sichern. Bitte tragen Sie unbedingt Ihre Postanschrift und Ihre Telefon-Nummer (für evtl. Rückfragen) lesbar in dieFragebögen ein! Die Faxnummer lautet: 02 08 / 6 20 57 41.

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