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B978-3-437-43690-1.10027-0

10.1016/B978-3-437-43690-1.10027-0

978-3-437-43690-1

Schematischer Aufbau des Portalfeldes in einem Leberläppchen. Aus dem Portalfeld fließt eine Mischung von venösem und arteriellem Blut längs der aus Hepatozyten gebildeten Leberzellbalken zur Zentralvene des Leberläppchens.

Schematischer Aufbau des Disse-Raums mit Sinusoid und den polaren Hepatozyten in Bezug zu anderen Zellen. Das Endothel und die Hepatozyten haben keine Basalmembran. Die offenen Poren (Fenestrae) der Endothelzellen ermöglichen zusammen mit den Mikrovilli der Hepatozyten einen intensiven Stoffaustausch mit dem Blut. Die Ito-Zellen speichern Vitamin A in Fetttröpfchen. Die Kupffer-Zellen sind Makrophagen.

GER glattes endoplasmatisches Retikulum, RER raues endoplasmatisches Retikulum, Z. adhaerens Zonula adhaerens, Z. occludens Zonula occludens.

Phasen der Biotransformation. Lipophile Fremdstoffe werden in Phase I zunächst funktionalisiert und in Phase II mit körpereigenen Molekülbausteinen verknüpft, die in der Regel ihre Wasserlöslichkeit erheblich verbessern.

Lokalisation von Transportsystemen für die Substanzaufnahme in Hepatozyten. In der die Hepatozyten zum Disse-Raum abgrenzenden basolateralen Membran wird die Na+-K+-ATPase exprimiert. Diese baut einen zelleinwärts gerichteten Natriumgradienten und einen zellauswärts gerichteten Kaliumgradienten auf. Zusammen mit basolateralen Kaliumkanälen ist diese Pumpe für die Aufrechterhaltung des Membranpotenzials zuständig. Die sog. OATPs, OATs und OCTs sind in Hepatozyten basolateral exprimiert und erlauben die Aufnahme von endogenen und exogenen Substanzen.

Terminologie der CYP-Isoenzyme.

Wichtige CYP-katalysierte Reaktionen. 1. Epoxidierung von Olefinen. 2. Hydroxylierung von aliphatischen Verbindungen. 3. Hydroxylierung von aromatischen Verbindungen über Epoxidierung und nachfolgende Umlagerung. 4. Chinon(imin)bildung über Dehydrogenierung. 5. Oxidative Desalkylierung über Hydroxylierung in -Stellung zu einem Heteroatom und nachfolgende spontane Aldehydabspaltung.

Metabolismus von Suxamethonium. Sequenzielle esteratische Spaltung von Suxamethonium zu Cholin und Bernsteinsäure durch die unspezifische Cholinesterase.

Reaktion der Epoxidhydrolase (EH). Inaktivierung von Epoxiden durch hydrolytische Spaltung des Oxiranrings, in der Regel unter Bildung vicinaler Diole.

Glucuronidierungsreaktion am Beispiel des Morphinstoffwechsels. Die Glucuronidierung von Morphin erfolgt an den Positionen 3 (phenolische Hydroxylgruppe) und 6 (enolische Hydroxylgruppe) in einem relativ konstanten Verhältnis von 1 : 3–1 : 6 zugunsten des pharmakologisch inaktiven 3-Glucuronids. Das 6-Glucuronid ist pharmakologisch aktiv.

Substratkonzentrationsabhängigkeit von Sulfonylierungs- und Glucuronidierungsreaktionen.

Paracetamolmetabolismus. 1. Sulfonylierung, dominiert bei niedrigen Paracetamolkonzentrationen. 2. Glucuronidierung, nimmt bei steigenden Konzentrationen zu. 3. Dehydrogenierung zum Chinon-Imin, erreicht relevantes Ausmaß bei hohen Paracetamolkonzentrationen. 4. Glutathionylierung des Chinon-Imins. 5. Weitere Umsetzung des Glutathionkonjugats zum Mercaptursäurederivat.

Sekretion von Metaboliten durch ABC-Transporter. Die Vertreter der ABC-C-Familie MRP2, MRP3 und MRP4 transportieren bevorzugt Verbindungen, die mit Glucuronsäure oder mit Glutathion konjugiert sind. ABCG2 zieht sulfatierte Verbindungen vor, während MDR1 relative große, hydrophobe ungeladene oder kationische Verbindungen transportiert.

Wichtige Transportsysteme bei der kanalikulären Gallebildung. Die Aufnahme von Gallensäuren erfolgt zum großen Teil über das natriumabhängige Transportsystem NTCP und zu einem kleinen Teil natriumunabhängig durch OATP1B1 und OATP1B3. Die kanalikuläre Sekretion der Gallensäuren erfolgt durch den ABC-Transporter BSEP. Die kanalikuläre Sekretion von Phosphatidylcholin erfordert MDR3, die von Cholesterin wird durch ABCG5/ABCG8 unterstützt. BSEP generiert den gallensäurenabhängigen Gallefluss. FIC1 ist eine P-ATPase, deren genaue Funktion noch nicht bekannt ist, die aber entscheidend ist für die Gallensäuresekretion. MRP2 und ABCG2 sezernieren organische Anionen und generieren den gallensäurenunabhängigen Gallefluss.

Transportsysteme für die Substanzaufnahme in Hepatozyten

Tab. 27.1
Transportsystem Genname Beispiele für endogene Substraten Beispiele für Fremdsubstanzen
OATP1B1 SLCO1B1 Gallensäuren, Östrogenmetaboliten Statine, ACE Hemmer, Pilzgifte
OATP1B3 SLCO1B3 Gallensäuren, Östrogenmetaboliten Statine, Herzglykoside, AT2-Antagonisten
OATP2B1 SLCO2B1 Gallensäuren, Steroidmetaboliten Statine
OATP1A2 SLCO1A2 Gallensäuren MRI-Kontrastmittel
OAT2 SLC22A7 Tetracycline
OCT1 SLC22A1 Prostaglandin E2 Nucleosidanaloga

Wichtige Phase-I-Enzyme

Tab. 27.2
Oxidoreduktasen Hydrolasen
  • Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen (CYP)

  • flavinabhängige Monooxygenasen (FMN)

  • Monoaminoxidasen (MAO)

  • Cyclooxygenasen (COX)

  • Alkoholdehydrogenasen (ADH)

  • Aldehydehydrogenase (ALDH)

  • Esterasen

  • Epoxidhydrolasen (EH)

Hepatozelluläre Exportsysteme

Tab. 27.3
Transportsystem Gen Lokalisation endogene Substrate Fremdsubstanzen
MRP3 ABCC3 basolateral Glutathion- und Glucuronsäure-konjugate
MRP4 ABCC4 basolateral Steroidkonjugate
MDR1 (p-Glykoprotein) ABCB1 kanalikulär Chemotherapeutika, Digoxin, Fungizide
MRP2 ABCC2 kanalikulär Bilirubindiglucuronid, Glutathion monoanionische Konjugate
BCRP ABCG2 kanalikulär sulfatierte Steroide dianionische Konjugate

Störungen des Bilirubinstoffwechsels

Tab. 27.4
Syndrom betroffenes Protein Bilirubin im Plasma Häufigkeit Verlauf Therapie
Crigler-Najjar Typ I Bilirubin-UGT fehlend unkonjugiert selten neurologische Symptome, Kernikterus; kann tödlich verlaufen Phototherapie
Crigler-Najjar Typ II Bilirubin-UGT stark reduziert unkonjugiert selten kann mit Phenobarbital behandelt werden
Gilbert-Meulengracht Bilirubin-UGT reduziert unkonjugiert relativ häufig, Inzidenz unbekannt keine bedeutenden Symptome, oft Labordiagnose
Dubin-Johnson MRP2-Aktivität abwesend konjugiert in der Regel asymptomatisch

Hereditäre Cholestasen

Tab. 27.5
Syndrom betroffener Transporter (Gen) Sekretion von Gallensäuren Funktion des betroffenen Proteins Verlauf
PFIC Typ 1 FIC1 (ATP8B1) stark reduziert unbekannt, vermutlich Aminophospholipidflippase progressive Cholestase, Leberzirrhose schon im Kindesalter
BRIC Typ 1 FIC1 (ATP8B1) unbekannt, vermutlich Aminophospholipidflippase Episoden in unregelmäßigen Abständen mit sehr starkem Pruritus
PFIC Typ 2 BSEP (ABCB11) stark reduziert ATP-abhängiger Gallensäurentransport progressive Cholestase, Leberzirrhose schon im Kindesalter
BRIC Typ 2 BSEP (ABCB11) ATP-abhängiger Gallensäurentransport Episoden in unregelmäßigen Abständen mit sehr starkem Pruritus
PFIC Typ 3 MDR3 (ABCB4) nicht reduziert ATP-abhängige Phosphatidylcholinflippase progressive Cholestase, keine Leberzirrhose
-Sitosterinämie ABCG5/ABCG8 (ABCG5 und ABCG8) nicht reduziert ATP-abhängige Aktivierung der Cholesterinsekretion in den Canaliculus keine Leberschäden

Biotransformation und Detoxifizierung in der Leber

B. Stieger

M. Arand

  • 27.1

    Aufbau und Funktion der Leber 846

  • 27.2

    Biotransformation in der Leber847

  • 27.2.1

    Transportsysteme für Substanzaufnahme847

  • 27.2.2

    Funktionalisierung848

  • 27.2.3

    Konjugierung851

  • 27.2.4

    Export von Metaboliten853

  • 27.2.5

    Regulatoren der Detoxifizierung855

  • 27.3

    Bilirubin855

  • 27.4

    Cholesterin und Gallensäuren857

Praxisfall

Ein 46-jähriger Patient mit chronischer Hepatitis C und Epilepsie wurde wegen starker Oberbauchschmerzen ins Krankenhaus aufgenommen. Er nahm folgende Medikamente regelmäßig ein: Carbamazepin, Lamotrigin (beides Antiepileptika) und Calcitriol. Bei der Aufnahme waren die Aktivitäten der Leberenzyme normal, mit Ausnahme einer leicht erhöhten -Glutamyltransferase-(-GT-)Aktivität und einer geringfügig erniedrigten Prothrombinzeit (Quick). Wegen der Bauchschmerzen erhielt der Patient 4 1 g Paracetamol per os. Am nächsten Tag sank der Quick-Wert ab, und die Bilirubinkonzentration stieg an, und weitere 24 h später eskalierte die Situation im Sinne eines massiven Leberversagens mit stark erhöhten Aktivitäten von Transaminasen, erhöhten Konzentrationen von Bilirubin und Ammoniak sowie einem stark erniedrigten Quick-Wert. Nach einer sofortigen Therapie mit 3 300 mg N-Acetylcystein i.v. und 10 mg des Vitamin-K1-Analogons Phytomenadion/d i.v. normalisierten sich die Laborwerte langsam.

Paracetamol wird in der Leber in der Regel zu 90% glucuronidiert oder sulfatiert und anschließend eliminiert. Etwa 10% werden durch das Cytochrom-P450-Enzym CYP2E1 zu N-Acetylimidochinon oxidiert, mit Glutathion gekoppelt und als Mercaptursäure ausgeschieden. Auch CYP3A4 kann diese Oxidation katalysieren. Carbamazepin ist ein bekannter Induktor von CYP3A4, weswegen bei dem Patienten vermutlich so viel N-Acetylimidochinon gebildet wurde, dass der Glutathionspiegel in der Leber stark absank. Daneben hat wahrscheinlich die chronische Hepatitis C zu vermindertem Glutathion in der Leber beigetragen. Niedriges Glutathion und die Reaktion des aggressiven N-Acetylimidochinons mit Proteinen in der Leberzelle schädigen diese und führen zu einer massiven Nekrose im Bereich der Zentralvenen. Das als Soforttherapie gegebene N-Acetylcystein wird in die Leberzellen aufgenommen und kann die Rolle von Glutathion übernehmen.

Zur Orientierung

Die Leber ist neben ihrer Funktion als Schlüsselorgan im Aminosäuren- und Energiestoffwechsel, für die Synthese von Plasmaproteinen und der Bildung von Gallenflüssigkeit eines der wichtigsten Organe für die Biotransformation und die Detoxifizierung. Darunter versteht man die chemische Umwandlung von Metaboliten und Fremdstoffen im Organismus. In der Regel resultiert sie in gut wasserlöslichen und somit gut ausscheidbaren Metaboliten, die keine ausgeprägte biologische Wirkung mehr besitzen, und stellt damit eine Detoxifizierung dar.

Nach der Aufnahme über verschiedene Aufnahmesysteme erfolgt in der Phase I der Biotransformation die Funktionalisierung durch Einführung oder Freisetzung einer funktionalen Gruppe. Dabei soll z.B. durch Einführung einer funktionellen Gruppe, z.B. Hydroxyl-, Carbonyl- oder Carboxylgruppe, bereits die Wasserlöslichkeit erhöht werden, damit eine Ausscheidung über Niere oder Galle möglich ist. Die chemischen Reaktionen dieser Phase sind im Wesentlichen Oxidationen, Reduktionen oder Hydrolysen und werden von Oxidoreduktasen bzw. Hydrolasen durchgeführt. In Phase II übernehmen bestimmt Enzyme die Konjugierung, durch die ebenfalls meist eine höhere Wasserlöslichkeit erreicht wird. Die wichtigsten Phase-II-Enzyme sind:

  • UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT)

  • Sulfotransferasen (SULT)

  • N-Acetyltransferasen (NAT)

  • Glutathion-S-Transferasen (GST).

Schließlich beschreibt dieses Kapitel noch gesondert die wichtigen Abbauwege von Häm zu Bilirubin und von Cholesterin und Gallensäuren.

Aufbau und Funktion der Leber

Die Leber nimmt eine zentrale Stellung bei vielen Körperfunktionen ein. Sie ist ein Schlüsselorgan im Aminosäuren- und Energiestoffwechsel, sie synthetisiert und sezerniert wichtige Plasmaproteine, sie hat eine zentrale Funktion in der Biotransformation und Detoxifizierung, und sie bildet die Gallenflüssigkeit.
Die Blutversorgung der Leber setzt sich aus rund 20% sauerstoffreichem, arteriellem Blut und rund 80% sauerstoffarmem, venösem Blut zusammen, das über die Pfortader vom Magen-Darm-Trakt zur Leber gelangt. Das Organ wird also im Gegensatz zu anderen Organen hauptsächlich durch venöses Pfortaderblut versorgt. Dieses ist postprandial reich an Nährstoffen, aber auch an unerwünschten Verbindungen, welche die Darmepithelbarriere überwinden konnten. Der Leber fällt nun eine wichtige sekundäre Barrierefunktion zu, die sie durch Biotransformation und Detoxifizierung erfüllt.
Die anatomische Einheit der Leber sind die Leberläppchen, die aus einer Zentralvene und sechs regelmäßig darum angeordneten Portalfeldern (Abb. 27.1) bestehen. Im Portalfeld findet man eine Venole und eine Arteriole, die beide in die Sinusoide münden, sowie einen kleinen, intrahepatischen Gallengang. Die Mischung von arteriellem und venösem Blut fließt vom Portalfeld zur Zentralvene an den Hepatozyten vorbei, die in sog. Leberzellbalken angeordnet sind. Längs dieser Achse nimmt der Sauerstoffpartialdruck kontinuierlich zur Zentralvene hin ab. Die Hepatozyten sind vom Blut durch fenestrierte Endothelzellen getrennt (Abb. 27.2). Diese Fenestrae mit einem Durchmesser von etwa 100 nm erlauben den Durchtritt des Blutplasmas und der darin enthaltenen Makromoleküle, wie z.B. Albumin oder Lipoproteine, in den Disse-Raum. Das Blutplasma steht also in direktem Kontakt mit den Hepatozyten, welche die proteingebundenen Substanzen extrahieren und detoxifizieren.
Die Plasmamembran der Hepatozyten ist polar aufgebaut. Die dem Disse-Raum zugewandte sinusoidale Membran hat relativ viele Mikrovilli und wird zusammen mit der relativ glatten, benachbarten Hepatozyten gegenüberliegenden Lateralmembran als basolaterale Membran bezeichnet. Über diese Membran werden Substanzen in die Hepatozyten aufgenommen oder in das Blut abgegeben. Die den Gallenkanälchen, die durch zwei gegenüberliegende Hepatozyten gebildet werden, zugewandte kanalikuläre (oder apikale) Seite ist auch in Mikrovilli gefaltet. Über diese Membran werden Substanzen in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden. Die beiden Membrandomänen sind durch Schlussleisten (Tight junctions) in der Zona occludens voneinander getrennt.

MERKE

Die Leber hat eine wichtige Barrierefunktion und ist der Hauptort der Biotransformation und Detoxifizierung. Die Leberläppchen bilden die anatomische Grundeinheit. Die Hepatozyten sind vom Blut durch ein fenestriertes Endothel getrennt, das den Durchtritt von Blutplasma ermöglicht.

Biotransformation in der Leber

In der Leber laufen zahlreiche metabolische Reaktionen ab, durch die endogene und exogene Substanzen inaktiviert und/oder für die Ausscheidung vorbereitet werden. Diese Vorgänge bezeichnet man als Biotransformation. Dies beinhaltet insbesondere auch die chemische Umwandlung schlecht wasserlöslicher Verbindungen in besser oder gut wasserlösliche Metaboliten. Für diese Biotransformation ist die Leber das wichtigste Organ. Sie findet in den Hepatozyten statt und lässt sich in zwei verschiedene Reaktionstypen untergliedern (Abb. 27.3):
  • Phase-I-Reaktion: Funktionalisierung der Verbindung, häufig oxidativ

  • Phase-II-Reaktion: Konjugation der aktivierten Verbindung mit zumeist stark hydrophilen, geladenen Verbindungen.

Die biotransformierten Substanzen werden anschließend entweder direkt zur biliären Exkretion abgegeben oder für die abschließende renale Exkretion in das Blut zurücktransportiert. Die Funktionalisierung (Phase I) führt zu einer erhöhten chemischen Reaktivität von in der Regel lipophilen Stoffen, die im Einzelfall toxikologisch bedenklich sein kann. Arzneistoffe verlieren durch diese Metabolisierung meist ihre biologische Aktivität. Die Ausscheidungsprozesse sowie die Phase-I- und Phase-II-Reaktionen werden als Detoxifizierung zusammengefasst.

MERKE

Die Biotransformation findet in zwei Phasen statt, wobei Reaktionen der Phase I chemisch aktivieren und Reaktionen der Phase II durch Konjugation mit stark hydrophilen Verbindungen die Substanzen wasserlöslich machen.

Transportsysteme für Substanzaufnahme

Die Grundprinzipien des Membrantransports sind in Kap. 21 beschrieben. Das Transmembranpotenzial der Hepatozyten beträgt etwa –40 mV. Zusammen mit dem zelleinwärts gerichteten Natriumgradienten bildet das intrazellulär negative Membranpotenzial eine wichtige Triebkraft für die Aufnahme von Substanzen aus dem Blutplasma in die Hepatozyten. Die basolaterale Plasmamembran der Hepatozyten enthält eine Vielzahl von Transportsystemen für die aktive Aufnahme von Substanzen in die Hepatozyten sowie Transportsysteme, die eine Aufnahme über erleichterte Diffusion ermöglichen.
Viele Verbindungen, die in die Hepatozyten aufgenommen werden, sind schlecht wasserlöslich und werden deshalb im Plasma an Proteine gebunden transportiert (z.B. an Albumin). Diese proteingebundenen Substanzen haben über den Austausch durch die Fenestrae der Endothelzellen freien Zugang in den Disse-Raum und somit zur basolateralen Membran der Hepatozyten. Im Disse-Raum erfolgen die Dissoziation dieser Substanzen von den Trägerproteinen und anschließend die Aufnahme in Hepatozyten. Wichtige Transportsysteme für die Substanzaufnahme in Hepatozyten sind in Tab. 27.1 dargestellt.
Diese Transporter gehören alle zur Solute carrier-(SLC-)Superfamilie der Transporter (Kap. 21). Alle in Tab. 27.1 erwähnten Transporter sind in der basolateralen Membran der Hepatozyten exprimiert (Abb. 27.4) und arbeiten natriumunabhängig. Die Mitglieder der SLCO-Supergenfamilie sind organische Anionentransporter (OATPs), deren Substratspezifität breit ist und stark überlappt. Ihre Substrate sind in der Regel amphipathisch und haben ein hohes Molekulargewicht. Die Mitglieder der SLC22A-Genfamilie transportieren sowohl Anionen (OAT2) als auch Kationen (OCT1). Meist sind dies gut wasserlösliche Verbindungen mit geringem Molekulargewicht.

MERKE

Körpereigene Substanzen und Fremdstoffe werden über die basolaterale Membran der Hepatozyten durch Mitglieder der SLC-Superfamilie in die Hepatozyten transportiert.

Funktionalisierung

Abbauprodukte körpereigener Substanzen und Fremdstoffe, die unser Organismus weder zur Energiegewinnung noch zum Aufbau körpereigener Substanz verwenden kann, werden nach Aufnahme in den Hepatozyten häufig metabolisiert. Dies trifft auch auf zahlreiche Arzneistoffe zu. Primäres Ziel hierbei ist es, durch chemische Modifikation der Substanzen deren Wasserlöslichkeit so weit zu steigern, dass sie über die Niere oder die Galle gut eliminiert werden können. Ein weiterer Grund für den Metabolismus von Fremdstoffen ist die Inaktivierung potenziell schädlicher biologischer Aktivitäten.
Oft ist als erster Schritt auf dem Weg zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit die Einführung oder Freisetzung einer funktionellen Gruppe in das Zielmolekül erforderlich, z.B. einer Hydroxyl-, Carbonyl- oder Carboxylgruppe. Daran können in der Folge körpereigene Molekülbausteine angehängt werden, welche die Hydrophilie der resultierenden Produkte erheblich steigern (Abb. 27.3). Diese Funktionalisierung wird als Phase I bezeichnet. Die ihr zugrunde liegenden, von Leberenzymen katalysierten chemischen Reaktionen sind im Wesentlichen Oxidationen, Reduktionen oder Hydrolysen und werden von Oxidoreduktasen bzw. Hydrolasen durchgeführt (Tab. 27.2). Im Folgenden werden die wichtigsten dieser Enzyme kurz besprochen.

Schon gewusst

Pflanzen produzieren zahlreiche giftige Sekundärstoffwechselprodukte, die ihnen als Fressschutz vor Tieren dienen sollen. Pflanzenfresser können nun ihrerseits durch Entwicklung fressgiftinaktivierender Enzyme ihr Spektrum an Nahrungsmitteln erweitern. In der Tat findet man zwischen Pflanzen- und Fleischfressern erhebliche Unterschiede in Bezug auf ihre Kapazität zum Metabolismus von Fremdstoffen. So besitzen Katzen als reine Fleischfresser nur eine stark verminderte Fähigkeit zur Glucuronidierung von Fremdstoffen und sind dementsprechend viel empfindlicher gegenüber der Toxizität von Fremdstoffen, die über Glucuronidierung entgiftet werden.

Oxidoreduktasen
Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen (CYP)
Zu den wichtigsten oxidativ arbeitenden Enzymen im Fremdstoffmetabolismus gehören die zahlreichen Isoenzyme der Cytochrom-P450-(CYP-)Familie. Allein im menschlichen Organismus gibt es hiervon mehr als 60 unterschiedliche Formen, von denen ca. 25% vorwiegend für den Metabolismus von Fremdstoffen vorgesehen sind. Die übrigen CYP-Isoenzyme haben Aufgaben im endogenen Stoffwechsel, z.B. in der Steroidbiosynthese.
Ihren ursprünglichen Namen haben die Cytochrom-P450-abhängigen Monooxygenasen aus einer Zeit, in der sie nur als Farbpigmente und nicht als Enzyme bekannt waren. Ihre prosthetische Gruppe, das Hämin, kann nach Reduktion zum Häm nicht nur Sauerstoff, sondern auch Kohlenmonoxid binden. Der Kohlenmonoxidkomplex, der im sichtbaren Wellenlängenbereich ein Absorptionsmaximum bei 450 nm besitzt, war namensgebend für die Enzymfamilie.
Die Bezeichnung der verschiedenen CYP erfolgt auf der Basis ihrer Sequenzverwandtschaft (Abb. 27.5). Alle CYP mit einer Identität von > 40% auf Aminosäuresequenzebene werden in einer Familie zusammengefasst, die Bezeichnung der CYP-Familien erfolgt mit arabischen Zahlen. Übersteigt die Sequenzidentität zwischen CYP-Isoenzymen 55%, gehören sie zuderselben Unterfamilie. Diese wird zusätzlich zur Familienzahl mit einem Großbuchstaben gekennzeichnet. Die einzelnen Mitglieder der Unterfamilie werden wiederum durch arabische Zahlen identifiziert. So ist z.B. CYP3A4 das Isoenzym 4 aus der Unterfamilie A der CYP-Familie 3.
CYP aktivieren molekularen Sauerstoff – in der Regel erst nach Bindung ihrer Substrate – zu hochreaktivem atomarem Sauerstoff. Sie haben deshalb ein extrem hohes Sauerstoffübertragungspotenzial, sodass sie selbst chemisch sehr reaktionsträge Substrate zu oxidieren vermögen, z.B. aliphatische Kohlenwasserstoffe. Wichtige CYP-katalysierte Reaktionen (Abb. 27.6) sind die Hydroxylierung aliphatischer und aromatischer Vorläuferverbindungen, oxidative Desalkylierungen, Dehydrierungen und die Epoxidierung von Aromaten und Olefinen, das sind Moleküle mit einer CC-Doppelbindung, die nicht Teil eines aromatischen Systems ist. Letztlich resultieren all diese Reaktionen in der Entstehung einer für nachfolgende Konjugationsreaktionen nutzbaren funktionellen Gruppe.
Manche der CYP-Reaktionsprodukte besitzen eine chemische Reaktivität, die sie für den Organismus gefährlich macht. So sind viele Epoxide ausreichend elektrophil reaktiv, um mit Biomakromolekülen, allen voran der DNA, chemisch zu reagieren und auf diesem Weg u.a. als Mutagene die Erbinformation zu schädigen und damit kanzerogen zu wirken (Kap. 14). Der Fremdstoffmetabolismus birgt also, trotz seiner zentralen Rolle in der Detoxifizierung, auch die Gefahr der Giftung. Tatsächlich werden die meisten krebserregenden Stoffe erst durch ihren Metabolismus im Organismus zu den eigentlich gefährlichen DNA-reaktiven Spezies umgesetzt.
Für den Metabolismus von Arzneistoffen besonders wichtige humane Isoenzyme sind CYP3A4, CYP2D6 sowie die CYP2C-Familie. CYP3A4 ist hierbei nicht nur quantitativ das wichtigste Isoenzym – es stellt unter Normalbedingungen ca. 30% des hepatischen CYP –, es ist auch für die Verstoffwechslung von über 50% der oxidativ metabolisierten Arzneistoffe (mit) verantwortlich. Die Veränderung der Enzymaktivität dieser CYP im Gewebe durch Induktion oder Hemmung der Aktivität stellt eine wesentliche Basis für Arzneimittelinteraktionen auf pharmakokinetischer Ebene dar.

Klinik

Das CYP3A4-Gen kann durch einige Arzneistoffe transkriptionell aktiviert werden, z.B. durch das Tuberkulostatikum Rifampicin, wodurch erheblich mehr Enzymprotein in der Leber gebildet wird. Das kann zur übermäßig raschen Inaktivierung von anderen Arzneistoffen führen, die über CYP3A4 verstoffwechselt werden. Mögliche Folgen sind ungewollte Schwangerschaften aufgrund mangelnder Wirksamkeit oraler Kontrazeptiva oder vermehrte Abstoßung transplantierter Organe durch herabgesetzte immunsuppressive Wirkung von Ciclosporin.

Umgekehrt kann die Hemmung des Enzyms durch andere Arzneistoffe oder auch durch Nahrungsmittelinhaltsstoffe, z.B. in Grapefruitsaft, die Wirkspiegel mancher Pharmaka so stark erhöhen, dass lebensbedrohliche Effekte resultieren. Ein berühmtes Beispiel ist die Hemmung des Abbaus von Terfenadin, einem H1-Antihistaminikum, dessen Akkumulation schwere Herzrhythmusstörungen hervorrufen kann.

Die enzymatische Aktivität von CYP2D6, das ca. 30% aller oxidativ verstoffwechselten Medikamente metabolisiert, zeigt eine hohe interindividuelle Varianz. Von dem zugehörigen humanen Gen sind derzeit ca. 100 Allele bekannt, die nicht alle für ein enzymatisch aktives Protein kodieren. Entsprechende Allelkombinationen bewirken daher ein nahezu vollständiges Fehlen der zugehörigen metabolischen Kapazität. Etwa 7% der mitteleuropäischen Bevölkerung sind von diesem metabolischen Defekt betroffen. Man bezeichnet diese Menschen als Poor metabolizer, im Gegensatz zu den Rapid metabolizern oder Extensive metabolizern mit normaler metabolischer Kapazität. Arzneistoffe, die in wesentlichem Umfang über CYP2D6 verstoffwechselt werden, sollten dementsprechend in ihrer Dosierung dem jeweiligen Metabolisierer-Phänotyp angepasst werden. Das gilt u.a. für eine Reihe von -Blockern und trizyklischen Antidepressiva.

Weitere Oxidoreduktasen
Neben den CYP sind viele weitere Oxidoreduktasen am Fremdstoffmetabolismus beteiligt. Die meisten dieser Enzyme nehmen jedoch v.a. endogene Funktionen wahr und verstoffwechseln nur versehentlich Fremdstoffe. Zu den weiteren sauerstoffübertragenden Enzymen dieser Gruppe zählen die flavinabhängigen Monooxygenasen (FMO), die Monoaminoxidasen (MAO), die Cyclooxygenasen (COX) sowie die Katalase. Daneben gibt es mehrere große Gruppen von Dehydrogenasen, die ihre Substrate über den Entzug von Wasserstoff oxidieren. Nach strukturellen Gesichtspunkten kann man die großen Gruppen der Kurzketten-, Mittelketten- und Langketten-Dehydrogenasen unterscheiden. Unter dem funktionellen Aspekt werden u.a. Alkoholdehydrogenasen, Aldehyddehydrogenasen und Chinonreduktasen voneinander unterschieden.
Ein besonders wichtiges Dehydrogenasesubstrat ist der Ethanol, der als Genussmittel in äußerst hohen Konzentrationen im Organismus auftreten kann und sequenziell über Alkoholdehydrogenasen zunächst zum Acetaldehyd und nachfolgend über Aldehyddehydrogenasen zur Essigsäure umgesetzt wird. Trotz der Vielzahl der vorhandenen Dehydrogenasen ist für beide Schritte jeweils nur ein bestimmtes Isoenzym geschwindigkeitsbestimmend, für die Acetaldehydbildung die Alkoholdehydrogenase 2 (ADH2) und für die weitere Oxidation die Aldehyddehydrogenase 2 (ALDH2). Da die ALDH2 im Normalfall wesentlich rascher arbeitet als die ADH2, kommt es im Organismus nicht zur Akkumulation toxischer Konzentrationen des schädlichen Zwischenprodukts Acetaldehyd.

Klinik

Ein ALDH2-Polymorphismus, der v.a. in der südostasiatischen Bevölkerung weit verbreitet ist, bewirkt aufgrund einer stark reduzierten ALDH-Aktivität eine extreme Alkoholintoleranz, da Acetaldehyd im Körper der Betroffenen bereits nach Genuss geringer Mengen von Alkohol toxische Konzentrationen erreicht. Das resultierende Acetaldehydsyndrom ist gekennzeichnet durch Hautrötung, Kopfschmerzen, Tachykardie, Übelkeit, Erbrechen, Diarrhö und starke Blutdruckschwankungen, die in einen Kreislaufkollaps übergehen können. Es kann eine tödliche Vergiftung resultieren.

Gleiches gilt, wenn das Enzym gehemmt wird. So kann der Genuss mancher Pilze aus der Familie der Tintlinge, die als entsprechenden Wirkstoffvorläufer die Substanz Coprin enthalten, für mehrere Tage zu einer Alkoholintoleranz mit den oben beschriebenen Folgen führen, auch wenn nur vergleichsweise geringe Mengen Alkohol getrunken werden (> 3 g).

Auf ALDH2-Hemmung beruht auch das Therapieprinzip von Disulfiram (Antabus). Dieses soll unterstützend zur Entwöhnungstherapie Alkoholikern den Konsum von Alkohol verleiden. Dieser führt unter Antabusmedikation zu den o.g. unangenehmen Symptomen. Ein starker Alkoholkonsum unter Disulfiram kann jedoch zu einem letalen Kreislaufzusammenbruch führen, weswegen diese Therapie nur unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt wird.

Hydrolasen
Esterasen
Unter den hydrolytischen Enzymen sind v.a. die Esterasen von Bedeutung für den Arzneimittelstoffwechsel. Die sog. unspezifische Cholinesterase, ein auch als Butyrylcholinesterase bezeichnetes Serumenzym, wird hauptsächlich von der Leber synthetisiert und sezerniert. Sie inaktiviert beispielsweise Lokalanästhetika vom Estertyp sowie das depolarisierende Muskelrelaxans Suxamethonium (Abb. 27.7).

Klinik

Suxamethonium ist aufgrund seiner kurzen Wirkdauer von wenigen Minuten besonders für den Einsatz bei Kurznarkosen geeignet. Kurz nach Applikation ist die Lähmung des Patienten wieder aufgehoben. Ein seltener Polymorphismus führt jedoch dazu, dass einer von ca. 2000 Patienten mit einem entsprechenden Enzymdefekt eine wesentlich längere Wirkdauer für Suxamethonium aufweist. Eine deutlich länger anhaltende Lähmung nach Applikation ist die Folge, die auch die Atemmuskulatur betrifft und eine längere künstliche Beatmung erfordert.

Epoxidhydrolasen
Von besonderer toxikologischer Bedeutung sind fremdstoffmetabolisierende Epoxidhydrolasen. Die oben bereits erwähnten Epoxide, die als Intermediate im Fremdstoffmetabolismus eine wichtige Rolle spielen, können je nach Struktur ein ausgeprägtes kanzerogenes Potenzial besitzen, und ihre effiziente Entgiftung ist daher besonders wichtig. Nach heutigem Kenntnisstand ist ein einziges Enzym, die mikrosomale Epoxidhydrolase (mEH), für die hydrolytische Spaltung der meisten Fremdstoffepoxide hauptverantwortlich (Abb. 27.8), während den übrigen Isoenzymen dieser Familie vorwiegend oder ausschließlich endogene Funktionen zukommen: Sie generieren Entzündungsmediatoren (Leukotrien B4) oder hydrolysieren gefäßrelaxierende Arachidonsäureepoxide.
Damit ist die mEH für ein außerordentlich breites Spektrum strukturell sehr unterschiedlicher Verbindungen zuständig. Die Umsatzgeschwindigkeit mit den meisten Substraten ist deshalb recht niedrig, die Wechselzahl liegt meist unter 1 s–1, also mindestens fünf Größenordnungen unterhalb der Wechselzahl der schnellsten bekannten Enzyme, wie der Acetylcholinesterase oder der Katalase. Aber das relativ hohe Expressionsniveau der mEH in der Leber kompensiert dies unter normalen Umständen. Es gibt jedoch auch eine Reihe von Epoxiden, welche die mEH nicht zu hydrolysieren vermag. Hierzu gehören am Oxiranring trans-di-, -tri- oder -tetrasubstituierte Epoxide. Besonders wichtige Metaboliten, die von Epoxidhydrolasen nicht entgiftet werden können, sind die Dihydrodiolepoxide polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe. Sie sind für die krebserregende Wirkung dieser Substanzklasse entscheidend (Kap. 14).

MERKE

Die Phase I der Biotransformation dient der Funktionalisierung von Fremdstoffmolekülen, also der Einführung oder Freisetzung von funktionellen Gruppen. Dies geschieht durch Oxidation, Reduktion oder hydrolytische Spaltung des Substrats. Die bedeutendste Gruppe von Phase-I-Enzymen ist die Familie der Cytochrom-P450-abhängigen Monooxygenasen (CYP). Epoxidhydrolasen sind v.a. von toxikologischer Bedeutung.

Konjugierung

Nach Einführung funktioneller Gruppen in der Phase I erfolgt in der Phase II die Konjugierung mit Molekülbausteinen, die in den meisten Fällen die Wasserlöslichkeit der resultierenden Metaboliten signifikant verbessern. Häufig, aber nicht immer wird eine anionische Gruppe eingeführt, die den aktiven Transport der Konjugate über Zellmembranen mit Anionentransportern ermöglicht und passive Diffusion unterdrückt. Die hierfür zuständigen Enzyme heißen Transferasen. Die wichtigsten und nachfolgend im Detail beschriebenen Phase-II-Enzyme sind:
  • UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT)

  • Sulfotransferasen (SULT)

  • N-Acetyltransferasen (NAT)

  • Glutathion-S-Transferasen (GST).

UDP-Glucuronosyltransferasen (UGT)
Die UGT bilden eine Superfamilie membranständiger Enzyme, deren Funktion die Übertragung von UDP-aktivierter Glucuronsäure auf ein Akzeptormolekül darstellt. Es gibt zwei UGT-Familien, UGT1 und UGT2. Die bisher ca. zehn bekannten Mitglieder der Familie UGT1 werden alle von einem einzigen Gen kodiert, das über die entsprechende Anzahl alternativer Transkriptionsstartpunkte verfügt. Der Transkriptionsstart bestimmt, welches der zahlreichen ersten Exone genutzt wird, die für die Substratbindungsstelle kodieren und damit die Substratspezifität des gebildeten Isoenzyms bestimmen. Die Exone 2–5 sind dagegen für alle Mitglieder der UGT1-Familie identisch. Im Gegensatz dazu besteht die UGT2-Familie beim Mensch aus sechs Isoenzymen, die alle von unterschiedlichen Genen kodiert werden.
Die Kopplung der Glucuronsäure erfolgt über die halbacetalische Hydroxylgruppe an C1. Geeignete funktionelle Gruppen, die als Akzeptoren dienen können, müssen über ein mobilisierbares Proton verfügen. Hierzu zählen alkoholische und phenolische Hydroxylgruppen, Carboxylgrupppen, Aminogruppen, Thiolgruppen und sogar C–H-Gruppen, sofern der Wasserstoff in dieser Bindung aufgrund von Nachbarsubstituenten einen leicht sauren Charakter aufweist (C–H-azide Verbindung). Verallgemeinernd kann man die funktionellen Gruppen in Bezug auf ihre chemische Reaktivität als nucleophil bezeichnen.
Die Glucuronidierung stellt die quantitativ wichtigste Phase-II-Reaktion des Fremdstoffmetabolismus dar. Dies ist günstig, da der für die Konjugation erforderliche Cofaktor UDP-Glucuronsäure aus den Glykogenreserven der Leber sehr rasch nachgebildet werden kann und somit nahezu unlimitiert zur Verfügung steht. Das aktive Zentrum des Enzyms ist in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums orientiert, wodurch eine Kompartimentalisierung geschaffen wird. Durch ein gekoppeltes Transportsystem, das UDP gegen UDP-N-Acetylglucosamin und dieses wiederum gegen UDP-Glucuronsäure austauscht, wird die Cofaktorversorgung in diesem Kompartiment gewährleistet.
Glucuronide sind ausreichend wasserlöslich, um biliär oder renal eliminiert zu werden. Allerdings kann bei biliärer Elimination eine enterale Rückresorption der Ausgangsverbindung auftreten, sofern die Darmbakterien eine Glucuronidase besitzen, die das Konjugat zu spalten vermag. Wird die freie Ausgangssubstanz dann wieder aufgenommen und gelangt so erneut in das Blut und von hier wieder in die Leber, so spricht man von einem enterohepatischen Kreislauf. Physiologisch ist dieser für den Gallensäurestoffwechsel relevant und hat große Bedeutung für die Kinetik einer Reihe von Arzneistoffen. So wird der verminderte Schutz vor Schwangerschaft bei gleichzeitiger Einnahme von oralen Kontrazeptiva und darmfloraschädigenden Antibiotika mit diesem Phänomen in Zusammenhang gebracht.
In aller Regel bewirkt die Glucuronidierung die Aufhebung der pharmakologischen Wirksamkeit von Arzneistoffen. Ein gutes Beispiel für eine Ausnahme, d.h. einen entsprechend aktiven Metaboliten, ist das 6-Glucuronid des Morphins, dessen Affinität zum Opiatrezeptor durch die Konjugation nicht beeinträchtigt ist (Abb. 27.9).
Sulfotransferasen (SULT)
Auch die Sulfotransferasen (SULT) bilden eine Superfamilie von konjugierenden Enzymen, von der beim Menschen derzeit 13 Mitglieder bekannt sind. Es sind lösliche Enzyme, welche die Sulfonatgruppe von ihrem Cofaktor 3-Phosphoadenosin-5-phosphosulfat (PAPS) auf ein Akzeptormolekül übertragen. PAPS wird in der Zelle aus ATP synthetisiert, wobei der Schwefel aus S-haltigen Aminosäuren stammt, die im Gegensatz zu Sulfat leicht in die Zelle aufgenommen werden können. Als Akzeptorgruppen für die Sulfonylierung kommen Hydroxyl- und Aminogruppen in Betracht, damit ist das Substratspektrum der SULT eine Teilmenge des UGT-Substratspektrums. Als Faustregel gilt, dass SULT im Vergleich zu UGT eine höhere Affinität (kleine Km), aber dafür eine geringere Kapazität (kleine vmax) gegenüber gemeinsamen Substraten besitzen. Dies ist sinnvoll, da der Cofaktor PAPS im Gegensatz zur UDP-Glucuronsäure nur limitiert zur Verfügung steht. Als Folge beobachtet man häufig, dass viele Arzneistoffe bei hoher Plasmakonzentration präferenziell glucuronidiert und bei deutlich niedrigerer Konzentration vorwiegend sulfonyliert werden (Abb. 27.10). Wie die Glucuronide sind auch die Sulfokonjugate in aller Regel sehr gut wasserlöslich und pharmakologisch meist inaktiv.
Eine toxikologische Besonderheit der Sulfonylierungsreaktion ist, dass manche der entstehenden Konjugate unter Sulfatabspaltung zu positiv geladenen, stark elektrophil reaktiven Bruchstücken zerfallen können, die ähnlich wie reaktive Epoxide ein hohes gentoxisches und damit kanzerogenes Potenzial besitzen. Typische Ausgangsverbindungen solcher reaktiven Konjugate sind aromatische Hydroxylamine.
N-Acetyltransferasen (NAT)
Von NAT existieren beim Mensch zwei Isoenzyme, NAT1 und NAT2, die strukturell sehr ähnlich sind, sich aber in ihrer Substratspezifität deutlich voneinander unterscheiden. Es handelt sich um lösliche Proteine, die die Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf die Aminogruppe eines Akzeptormoleküls übertragen. Im Gegensatz zu den bisher besprochenen Konjugationsreaktionen verschlechtert dies typischerweise die Wasserlöslichkeit des Konjugats im Vergleich zum Ausgangssubstrat. Pharmakologisch bedeutsam ist ein Polymorphismus der NAT2, der bewirkt, dass ca. 50% der Mitteleuropäer NAT2-Substrate nur sehr langsam umsetzen können (sog. Poor metabolizer). Dies beeinflusst u.a. die Pharmakokinetik des Tuberkulostatikums Isoniazid, das wesentlich durch NAT2 inaktiviert wird und im Poor metabolizer bei gleicher Dosierung höhere und damit u.U. bereits toxische Wirkspiegel erzielt.
Glutathion-S-Transferasen (GST)
GST sind eine weitere Superfamilie konjugierender Enzyme. Neben den klassischen vier Familien alpha, my, pi und theta kennt man heute von den löslichen GST drei weitere Familien, nämlich sigma, kappa und zeta, die allerdings im Arzneistoffmetabolismus von untergeordneter Bedeutung sein dürften. Im Gegensatz zu den o.g. Transferasen setzen GST nicht nucleophile, sondern elektrophile Substrate um. Solche elektrophilen Substrate sind auf den ersten Blick bedenklich, da sie das bereits angesprochene Potenzial zur chemischen Reaktion mit der DNA besitzen und somit krebserregend sein können. Allerdings ist die elektrophile Reaktivität vieler GST-Substrate doch so niedrig, dass sie keine wirkliche Gefahr darstellt.
Die wichtigste GST-katalysierte Reaktion ist die Konjugation von Substraten mit Glutathion, entweder in Form einer Additionsreaktion, z.B. mit Epoxiden, oder als nucleophile Substitution, wie die Dehalogenierungsreaktion an halogenierten Kohlenwasserstoffen. Außerdem können GST Umlagerungsreaktionen von Doppelbindungen sowie die Reduktion von organischen Hydroperoxiden katalysieren, was allerdings im Arzneistoffwechsel praktisch keine Rolle spielt.
Glutathion ist ein Tripeptid, das -Glutamyl-Cysteinyl-Glycin (Kap. 9.2.5). Die Verknüpfung mit dem Substratmolekül erfolgt über die freie SH-Gruppe des Cysteins. Nach erfolgter Konjugation wird das Reaktionsprodukt typischerweise in drei weiteren Stufen prozessiert: Zunächst spaltet eine -Glutamyl-Transpeptidase das -Glutamat ab. Dann wird durch eine Dipeptidase der Glycinrest abgespalten, und das verbleibende Cysteinylkonjugat wird N-acetyliert, wodurch ein sog. Mercaptursäurederivat entsteht. Zu den Arzneistoffen, die zu Mercaptursäurederivaten verstoffwechselt werden, gehören eine Reihe von Zytostatika aus der Gruppe der Alkylanzien, aber auch weniger gefährliche Wirkstoffe wie die Etacrynsäure oder das Paracetamol (Abb. 27.11). Allerdings ist gerade bei Letzterem die Bildung des Mercaptursäurekonjugats eng mit der Toxizität verknüpft (Praxisfall).

MERKE

In der Phase II werden Fremdstoffe mit körpereigenen chemischen Bausteinen gekoppelt. Dies erhöht in der Regel die Wasserlöslichkeit dramatisch (Ausnahme: Acetylierung). Besonders wichtig sind die Glucuronidierung (hohe Kapazität) und die Glutathionkonjugation (Entgiftung chemisch reaktiver Substanzen).

Export von Metaboliten

Nach der Metabolisierung der Fremdstoffe durch Phase-I- und Phase-II-Reaktionen müssen die gebildeten Metaboliten die Hepatozyten verlassen. Dies geschieht in der Regel durch primär-aktive, ATP-abhängige Effluxpumpen. Diese Transporter gehören zur Superfamilie der ATP-Bindungskassetten-(ABC-)Transporter. Sie verwenden die Energie der ATP-Hydrolyse und sind deswegen in der Lage, hohe Konzentrationsgradienten aufzubauen und zu erhalten oder Stoffe gegen hohe Konzentrationsgradienten zu transportieren (Kap. 21.3.2).
Die Metaboliten können über die basolaterale (sinusoidale) Membran zurück in das Blutplasma zur renalen Exkretion gelangen. Alternativ können sie durch die kanalikuläre Membran in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden werden (biliäre Exkretion). Im Wesentlichen entscheidet meist das Molekularge
wicht der Metaboliten, ob die Ausscheidung biliär erfolgt oder ob sie durch die basolaterale Membran über das Blut schließlich renal ausgeschieden werden. In der Regel werden Substanzen mit einem Molekulargewicht von > 450 Da in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden. Die hepatozellulären Exportsysteme sind in Tab. 27.3 zusammengefasst.
In der basolateralen Membran von Hepatozyten sind für den Export von Metaboliten zwei Mitglieder aus der C-Subfamilie der ABC-Transporter gefunden worden. Diese Familie ist auch in die Entwicklung von Resistenzen bei Chemotherapie involviert und trägt deswegen den Namen Multidrug resistance associated proteins oder MRPs (Abb. 27.12). Die Expression von MRP3 unterliegt einer starken interindividuellen Variabilität, die z.T. auf einen Polymorphismus im Promotor des MRP3-Gens zurückzuführen ist. MRP4 (ABCC4) transportiert Steroidkonjugate. Bislang scheint die Bedeutung von MRP4 im Transport von Fremdmetaboliten eher gering.
Die kanalikuläre Membran von Hepatozyten enthält mehrere ABC-Transporter, welche die Sekretion von Metaboliten in die primäre Gallenflüssigkeit im Canaliculus übernehmen (Abb. 27.12). MDR1 oder p-Glykoprotein (ABCB1) transportiert ein sehr breites Spektrum von neutralen und kationischen Verbindungen. Dieses Protein wurde ursprünglich in Krebszellen identifiziert, die resistent gegen Chemotherapeutika waren. MRP2 (ABCC2) transportiert hauptsächlich glucuronidierte Verbindungen und hat eine Präferenz für monoanionische Verbindungen. Ein zweiter ATP-abhängiger organischer Anionentransporter in der kanalikulären Membran ist ABCG2 ( BCRP, breast cancer resistance protein). Dieser Transporter befördert v.a. sulfatierte (dianionische) Verbindungen.

MERKE

Der Efflux von Metaboliten aus den Hepatozyten erfolgt in der Regel durch ATP-abhängige Transportsysteme. Das Molekulargewicht ist ein bestimmender Faktor, ob Substanzen und Metaboliten zurück in das Blut befördert oder in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden werden.

Regulatoren der Detoxifizierung

Ein Charakteristikum von Enzymen, die vorwiegend oder ausschließlich für den Metabolismus von Fremdstoffen vorgesehen sind, ist ihre Induzierbarkeit durch solche Fremdstoffe bei Bedarf. Dies birgt ein hohes Potenzial für Arzneistoffinteraktionen, wie in Kap. 27.2.2 bereits angesprochen. Die einer Induktion zugrunde liegenden Mechanismen basieren in der Regel auf der Interaktion der Fremdstoffe mit einer bestimmten Klasse von Transkriptionsfaktoren, deren Besonderheiten in Bezug auf den Fremdstoffmetabolismus im Folgenden kurz skizziert werden.
Eine große Gruppe von Transkriptionsfaktoren sind die nucleären Hormonrezeptoren, zu denen die verschiedenen Rezeptoren für Retinoid, Schilddrüsenhormone, Vitamin D und Steroidhormone gehören (Kap. 12). Aus dieser Strukturfamilie von Transkriptionsfaktoren sind einige für die Regulation von fremdstoffmetabolisierenden Enzymen und den Transportproteinen zuständig, mit denen diese zusammenarbeiten. Die wichtigsten nucleären Hormonrezeptoren für den Xenobiotika- und Medikamentenstoffwechsel sind der Pregnan-X-Rezeptor (PXR) und der konstitutiv aktive Androstanrezeptor (CAR). Beide bilden einen Komplex mit dem Retinoid-X-Rezeptor (RXR) und binden dann jeweils als Heterodimer an ihr entsprechendes responsives Element im Promotorbereich der von ihnen regulierten Gene. Dort entfalten sie in Abhängigkeit ihrer Ligandenbindung ihre transkriptionelle Wirkung. Der humane PXR wird u.a. vom Tuberkulostatikum Rifampicin und vom Antikonvulsivum Carbamazepin, aber auch von einigen Inhaltsstoffen des Johanniskrauts zur Transkriptionsaktivierung angeregt. Das induziert mehrere CYPs, GSTs, UGTs und SULTs sowie verschiedene Membrantransporter. Als besonders wichtig gilt die starke PXR-vermittelte Induktion von CYP3A4 und von P-Glykoprotein. Die CAR-vermittelte Enzyminduktion, die z.B. durch Phenobarbital stimuliert werden kann, zeigt ein teilweise überlappendes Spektrum an beeinflussten Genen.

Blick ins Labor

Für die korrekte Interpretation tierexperimenteller Daten ist es wichtig zu wissen, dass Induktoren, die PXR oder CAR im menschlichen Organismus induzieren, in Tierspezies nicht immer die gleiche Wirkung haben. Das Sinngemäße gilt auch umgekehrt. So ist Rifampicin in Mäusen als PXR-Induktor ungeeignet, wohingegen Pregnenolon-16-Carbonitril, ein potenter PXR-Induktor in Nagern, beim Menschen nur eine geringe entsprechende Wirkung zeigt.

Unter toxikologischem Aspekt besitzt der zu den basischen Helix-Loop-Helix-Proteinen gehörende Ah-Rezeptor (aryl hydrocarbon receptor) große Bedeutung. Er reguliert ein distinktes Spektrum an fremdstoffmetabolisierenden Enzymen, das neben anderen Stoffwechselwegen den Metabolismus von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen katalysiert. Hierzu gehören v.a. Mitglieder aus der CYP1-Familie sowie verschiedene GST- und UGT-Isoenzyme. Da einige auch die Aktivierung von Prokarzinogenen zu kanzerogenen Wirkstoffen katalysieren, gilt die Ah-Rezeptor-Aktivierung gemeinhin als Gefährdung des Organismus. Weiter bestärkt wird diese Ansicht durch die Tatsache, dass das hochgiftige 2,3,7,8-Tetrachloro-dibenzo-p-dioxin (TCDD) in Tierversuchen seine wesentlichen Wirkungen über Bindung an den Ah-Rezeptor entfaltet.

MERKE

Die Expression vieler fremdstoffmetabolisierender Enzyme wird von Transkriptionsfaktoren reguliert, die von Substraten dieser Enzyme aktiviert werden können. Somit wird ihre Biosynthese nach Bedarf reguliert.

Bilirubin

Bilirubin ist das Endprodukt des Stoffwechsels der Hämgruppe (Kap. 25). Beim Erwachsenen fallen pro Tag rund 250 bis 400 mg Bilirubin an, wovon etwa 80% aus dem Abbau von alten Erythrozyten stammen. Im Plasma ist Bilirubin praktisch quantitativ an Plasmaproteine gebunden, v.a. an Albumin. Im Disse-Raum der Leber dissoziiert Bilirubin von den Trägerproteinen und wird in die Hepatozyten aufgenommen. Diese Schritte sind im Detail nicht geklärt, aber es gibt experimentelle Hinweise, dass OATP1B1 und OATP1B3 involviert sein könnten. In den Hepatozyten liegt Bilirubin an zytoplasmatische Proteine gebunden vor. Im endoplasmatischen Retikulum wird Bilirubin durch die Uridin-Diphosphat-Glucuronosyltransferase (Bilirubin-UGT) glucuronidiert. Glucuronidiertes Bilirubin wird anschließend durch MRP2 in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden. Auf diese Weise kann Bilirubin in der Gallenflüssigkeit relativ zum Plasma bis zum Faktor 1000 konzentriert werden, wobei die Energie für diesen Prozess aus der Hydrolyse von ATP durch MRP2 stammt. Mutationen im Gen für die UGT oder für MRP2 führen zu einer Hyperbilirubinämie (Tab. 27.4).

Klinik

Neugeborene haben in den ersten beiden Lebenswochen vorübergehend einen deutlich erhöhten Serumbilirubinspiegel mit Neugeborenenikterus. Dafür gibt es folgende Ursachen:

  • Durch den Abbau der kurzlebigen, fetalen Erythrozyten fällt mehr Hämoglobin an.

  • Das Fehlen des intrazellulären Bindungsproteins Ligandin (Glutathion-S-Transferase) limitiert den Transport von Bilirubin zum endoplasmatischen Retikulum.

  • Die Enzymaktivität der Bilirubin-Uridin-Diphosphat-Glucuronosyltransferase ist bei Geburt deutlich reduziert.

  • Wegen der fehlenden Darmflora wird intestinales Bilirubin aus dem Mekonium nicht vollständig metabolisiert und kann deshalb aus dem Darm absorbiert werden.

Die Phototherapie mit intensiver Beleuchtung bei Crigler-Najjar Typ I bewirkt eine Photoisomerisation des unkonjugierten Bilirubins in der Haut in wasserlösliche Isomere. Diese können ohne vorgängige Glucuronidierung in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden werden.

Phenobarbital ist ein Induktor der Bilirubin-Uridin-Diphosphat-Glucuronosyltransferase und erhöht deswegen die geringe Aktivität, die bei Patienten mit stark verminderter Enzymaktivität zur Konjugation von Bilirubin nicht ausreichend vorhanden ist.

Blick ins Labor

Erhöhte Konzentrationen von Bilirubin im Plasma können durch einen vermehrten Anfall infolge von Hämolyse (Kap. 25) oder durch eine ungenügende hepatische Verstoffwechslung bzw. Ausscheidung entstehen. Man unterscheidet deswegen zwischen prähepatischem (Hämolyse), intrahepatischem (z.B. Hepatitis) und posthepatischem Ikterus (z.B. Gallengangsverschluss durch Steine, Entzündungen oder Tumoren). Diagnostisch wegweisend ist die differenzierte Bestimmung von konjugiertem und unkonjugiertem Bilirubin. Im klinischen Routinelabor wird für die Messung der Bilirubinkonzentration dessen Eigenschaft ausgenutzt, in Anwesenheit von HCl mit 2,5-Dichlorbenzoldiazonium-Salzen Azofarbstoffe zu bilden, die bei 540–560 nm photometrisch gemessen werden können. Das an Albumin gebundene, unkonjugierte Bilirubin reagiert aber nur, wenn es zuvor mit Akzeleratoren (z.B. Coffein oder Methanol) aus dieser Proteinbindung gelöst wird. In Anwesenheit eines solchen Akzelerators misst man die Konzentration des Gesamtbilirubins. In dessen Abwesenheit wird das konjugierte Bilirubin direkt gemessen, weswegen es als direktes Bilirubin bezeichnet wird. Die rechnerisch ermittelte Differenz zwischen Gesamtbilirubin und direktem Bilirubin bezeichnet man als indirektes Bilirubin. Normalerweise beträgt die Konzentration des Gesamtbilirubins 0,1–1,2 mg/dl (2–21 mol/L), die des direkten Bilirubins < 0,1 mg/dL (< 2 mol/L). Der durch Darmbakterien hergestellte Bilirubinmetabolit Urobilinogen ist bei gesunden Menschen im Urin nachweisbar, während konjugiertes Bilirubin im Harn normalerweise nicht auftritt.

Ein prähepatischer Ikterus ist durch eine mäßige Erhöhung der Bilirubinkonzentration (< 6 mg/dL oder 105 mol/L) charakterisiert, wobei die Konzentration des direkten Bilirubins weniger als ein Drittel ausmacht. Bilirubin ist im Urin nicht, Urobilinogen fakultativ nachweisbar.

Beim posthepatischen Ikterus (Verschlussikterus) ist v.a. die Plasmakonzentration des direkten Bilirubins deutlich erhöht. Im Urin ist Bilirubin vermehrt nachweisbar, weil das wasserlösliche konjugierte Bilirubin aus der Leberzelle überläuft und mit dem Urin ausgeschieden wird. Hingegen findet sich im Urin kein Urobilinogen, weil der Gallengangsverschluss die Ausscheidung des Bilirubins in den Darm und damit dessen Verstoffwechslung durch die Darmbakterien verhindert.

Beim intrahepatischen Ikterus sind die Konzentrationen sowohl des direkten (Anteil an Gesamtbilirubin > 50%) als auch des indirekten Bilirubins erhöht, und im Urin sind Bilirubin und Urobilinogen nachweisbar.

MERKE

Vererbte Störungen des Bilirubinstoffwechsels betreffen sowohl die Konjugation von Bilirubin mit Glucuronsäure als auch die biliäre Ausscheidung von konjugiertem Bilirubin. Da unkonjugiertes Bilirubin toxisch ist und biologische Membranen durch Diffusion durchqueren kann, zeigen angeborene Defekte in der Konjugation häufiger ein schwereres Krankheitsbild als eine gestörte biliäre Sekretion.

Cholesterin und Gallensäuren

Die Leber ist das einzige Organ, das in der Lage ist, Cholesterin auszuscheiden. Das geschieht entweder durch direkte Ausscheidung in die Gallenflüssigkeit, unterstützt durch ABCG5/ABCG8, oder durch die Verstoffwechslung zu Gallensäuren, die anschließend durch ABCB11 ( BSEP, bile salt export pump) in die Galle sezerniert werden. Cholesterin bildet das Ausgangsmaterial für die Biosynthese von Gallensäuren. Der Hauptsyntheseweg für Gallensäuren beginnt mit der Hydroxylierung von Cholesterin an der Position 7 zu 7-Hydroxycholesterin. Ein zweiter Syntheseweg beginnt mit der Oxidation an der Position 27. Beide Oxidationsreaktionen werden durch Mitglieder der Cytochrom-P450-Superfamilie (CYP7A1 und CYP27) durchgeführt. In mehreren Reaktionsschritten bilden sich dabei die beiden primären Gallensäuren Chenodesoxycholsäure und Cholsäure.
Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Hauptsynthesewegs liegt in der Reaktion der Cholesterin-7-Hydroxylase (CYP7A1). CYP7A1 wird durch den nucleären Transkriptionsfaktor und Gallensäurensensor Farnesoid-X-Rezeptor (FXR) indirekt reprimiert und durch den Cholesterinsensor Liver-X-Rezeptor (LXR) aktiviert. CYP7A1 unterliegt also sowohl einer Feedforward- wie einer Feedback-Regulation, was die Schlüsselrolle dieses Enzyms in der Regulation des Gallensäuren- und Cholesterinstoffwechsels unterstreicht. Gallensäuren werden anschließend hauptsächlich mit Glycin und auch mit Taurin konjugiert. Durch diese Konjugation werden ihre Wasserlöslichkeit erhöht und die Sekretion in die Gallenflüssigkeit wesentlich effizienter.
Die Gallenflüssigkeit und somit die Gallensäuren werden in der Gallenblase gespeichert und bei Bedarf (nach einer Mahlzeit) in das Duodenum ausgeschüttet. Dort spielen sie bei der Fettverdauung sowie der Resorption von Fetten und fettlöslichen Vitaminen eine Schlüsselrolle. Die Gallensäuren werden zu mehr als 98% im Dünndarm resorbiert und zur Leber zurücktransportiert. Pro Tag werden im Darm über den Stuhl etwa 0,5 g Gallensäuren verloren und durch De-novo-Biosynthese in den Leberzellen aus Cholesterin neu synthetisiert. Der Kreislauf der Gallensäuren von der Leber zum Darm und zurück wird als enterohepatischer Kreislauf bezeichnet.
Die Aufnahme von Gallensäuren in die Hepatozyten über die basolaterale Plasmamembran erfolgt zum großen Teil natriumabhängig und in geringen Mengen unabhängig von Natrium (Abb. 27.13). Die natriumabhängige Aufnahme erfolgt durch das Na+-taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP, SLC10A1). Dieses sekundär aktive Transportsystem arbeitet elektrogen und ist in der Lage, Gallensäuren gegen einen Konzentrationsgradienten in die Hepatozyten zu transportieren. Die natriumunabhängige Aufnahme wird durch die OATPs in der basolateralen Membran vermittelt.
Nach ihrer Aufnahme in die Hepatozyten werden die Gallensäuren wegen ihrer hydrophoben Natur an zytoplasmatische Proteine gebunden. Bis jetzt wurden 3-Steroid-Dehydrogenase, Glutathion-S-Transferasen und die Leberform der Fettsäurenbindungsproteine als Gallensäurenbinder identifiziert.
Die Sekretion von Gallensäuren in den Canaliculus ist ein ATP-abhängiger Prozess. Sie wird durch die Gallensäure-Exportpumpe BSEP (bile salt export pump, ABCB11) vermittelt, die zu den ABC-Transportern gehört. Die kanalikuläre Sekretion von Gallensäuren ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in transzellulären Transport von Gallensäuren.
Im Canaliculus wirken die Gallensäuren wegen ihrer amphipathischen Natur als Detergenzien. Sie lösen spezifisch Phosphatidylcholin aus der extraplasmatischen Membranhälfte der kanalikulären Membran. Dafür brauchen sie MDR3 (ABCB4), eine Phosphatidylcholinfloppase. Zusammen mit dem Phosphatidylcholin bilden die Gallensäuren im Canaliculus gemischteMizellen, die als Akzeptoren und Transportvehikel für schlecht wasserlösliche Verbindungen dienen, wie z.B. Cholesterin oder fettlösliche Vitamine. Die Abgabe von Cholesterin in den Canaliculus wird durch ABCG5/ABCG8 unterstützt.

Klinik

Mutationen in kanalikulären Gallensäurentransportern führen zu einem breiten Spektrum von Lebererkrankung, angefangen von benignen rekurrierenden Cholestasen (BRIC) bis zu progressiven familiären Cholestasen (PFIC), die ohne Lebertransplantation tödlich verlaufen können (Tab. 27.5). Unter Cholestase versteht man eine Reduktion des Galleflusses und eine Retention von gallepflichtigen Substanzen in der Leber und im Plasma.

Diese Mutationen von kanalikulären Transportern sind sehr selten und können zu einer hereditären Cholestase führen. Die benigne Form (BRIC Typ 1 und Typ 2) ist charakterisiert durch vorübergehende cholestatische Episoden, wobei nicht klar ist, welche Faktoren die Auslösung und das Abklingen dieser Form bewirken. Dem PFIC Typ 1 und Typ 2 ist gemeinsam, dass diese Erkrankungen zu einer Akkumulation der Gallensäuren in den Hepatozyten führen. Dort wirken die Gallensäuren aufgrund ihrer Detergenseigenschaften zytotoxisch. Bei PFIC3 führt die Abwesenheit der Phospholipide in Anwesenheit der amphipathischen Gallensäuren zu chronischen Schäden in Zellmembranen in den Gallengangsepithelzellen. Diese Mutation zeigt deutlich die wichtige Funktion der gemischten Mizellen (Gallensäuren/Phosphatidylcholin), ohne die es in den Gallengängen durch die Detergenswirkung der Gallensäuren zu chronischen Reizungen und Zellschäden kommt.

Neben den sehr seltenen hereditären Cholestasen sind erworbene Cholestasen viel häufiger. Diese können z.B. durch eine Obstruktion des Ductus hepatocholedochus (extrahepatische Cholestase), durch eine virale Hepatitis, Medikamente, Schwangerschaft oder Sepsis hervorgerufen werden (intrahepatische Cholestase). Diese Cholestasen führen alle zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Hyperbilirubinämie.

MERKE

Cholesterin wird aus der Leber direkt in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden oder dient als Ausgangssubstanz für die Biosynthese von Gallensäuren. Gallensäuren werden von der Leber durch ABCB11 über Gallenkanälchen und Gallengänge in den Darm ausgeschieden, dort zum großen Teil vor oder nach bakteriellem Umbau rückresorbiert und wieder in die Leber transportiert. Dieser Prozess wird als enterohepatischer Kreislauf bezeichnet.

Zusammenfassung

Die Biotransformation ist essenziell für die Vorbereitung von körpereigenen Stoffwechselendprodukten, wie z.B. Bilirubin, sowie von Fremdsubstanzen zur Ausscheidung aus dem Körper. Ihr Zweck besteht darin, die Wasserlöslichkeit von Verbindungen zu erhöhen. Biotransformation verläuft in zwei Phasen, wobei Pha- se I der Funktionalisierung der Verbindungen und Phase II der Konjugation mit hydrophilen Substraten dienen.

Die wichtigste Enzymfamilie der Phase-I-Reaktionen sind die Cytochrom-P450-abhängigen Monoxygenasen (CYPs). CYPs generieren durch die Übertragung von reaktivem Sauerstoff auf ihre Substrate funktionelle Gruppen für die nachfolgende Konjugation. Daneben spielen Hydrolasen eine Rolle bei Phase-I-Reaktionen, wie z.B. Esterasen.

Die Phase-II-Reaktionen werden in der Regel durch Transferasen ausgeführt. Typische übertragene Bausteine für diese Reaktionen sind Glucuronsäure, Sulfat, Glutathion und Acetylgruppen. Neben der Detoxifizierung von Bilirubin, die durch Glucuronidierung erfolgt, spielt die Leber auch eine wichtige Rolle bei der Cholesterinausscheidung. Cholesterin wird in Gallensäuren umgewandelt, die dann in die Gallenflüssigkeit ausgeschieden und im Dünndarm wieder resorbiert werden und über den Portalkreislauf in die Leber zurückgelangen. Die Aufnahme der Gallensäuren aus dem portalen Blut in die Hepatozyten erfolgt durch natriumabhängige und natriumunabhängige Transportsysteme. Letztere transportieren zur Detoxifizierung auch Fremdstoffe in die Hepatozyten. Die Ausscheidung der Gallensäuren in die Canaliculi erfolgt durch ein ATP-abhängiges Transportsystem. Der Export von Endprodukten der Detoxifizierung erfolgt ebenfalls zum großen Teil über ATP-abhängige Transportsysteme und führt entweder zurück in das portale Blut und damit zur renalen Ausscheidung oder in den Canaliculus zur biliären Ausscheidung.

Fragen

  • 1.

    Welche Phase des Fremdstoffmetabolismus steigert die Ausscheidbarkeit der resultierenden Metaboliten am meisten?

  • 2.

    Wie gelangen Phase-II-Metaboliten aus dem Hepatozyten zurück in das Blut?

  • 3.

    Welche Kraft treibt den Export wasserlöslicher Metaboliten aus der Zelle?

  • 4.

    Welcher Stoffwechselweg ist besonders für chemisch reaktive Substanzen wichtig?

  • 5.

    Welche genetischen Defekte führen zu einem erhöhten Bilirubinplasmaspiegel?

  • 6.

    Gibt es pharmakologisch aktive Phase-II-Metaboliten?

031 IMPP-Fragen

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