Monooksygenazy flawinowe (I faza metabolizmu)

II.3.1. Ogólna charakterystyka enzymów FMO

Monooksygenazy flawinowe (ang. flavin-containing monooxygenases, FMO) biorą czynny udział w metabolizmie i detoksykacji leków o właściwościach lipofilowych, a znaczenie ich było pomijane przez wiele lat. Pierwotnie uchodziły za enzymy pomocnicze dla monooksygenaz cytochromu P450. Jednak scharakteryzowanie członków rodziny FMO, poznanie metabolicznych następstw rzadkich mutacji i ich wariantów polimorficznych doprowadziło do wzrostu znaczenia tych enzymów w aspekcie farmakologicznym i toksykologicznym. FMO i P450 mają wiele podobieństw. Ich ekspresja ma miejsce w tych samych tkankach, angażują w cyklu katalitycznym cząsteczkowy tlen, jak i NADPH jako kofaktor. Nierzadko przejawiają również aktywność metaboliczną wobec tych samych leków [Krueger i in. 2005].

Tabela II.4. Wpływ polimorfizmów genu FMO na metabolizm ksenobiotyków [Phillips i in. 2008 i 2019, Tang i in. 2017]

z chorobą Leczenie¹ SNP⁴ Efekt końcowy

FMO3 wątroba

Gen

Główne miejsce ekspresji

Powiązania

z chorobą Leczenie¹ SNP⁴ Efekt końcowy

FMO2 płuca odpowiedź na leki

2 Zidentyfikowano ponad 30 mutacji. ³ Inne zidentyfikowane SNP występują w tle Q472X. TMAuria – trimetyloaminuria, ALS - stwardnienie zanikowe boczne (ang. amylotrophic lateran sclerosis) ⁴SNP - Polimorfizm pojedynczego nukleotydu (ang. Single Nucleotide Polymorphism)

W przeciwieństwie do enzymów cytochromu P450, aktywność monooksygenaz flawinowych na ogół nie jest modulowana przez obce związki chemiczne, co sugeruje, iż środki farmaceutyczne metabolizowane przez FMO są mniej podatne na oddziaływanie z innymi lekami.

Zaobserwowane różnice międzyosobnicze w aktywności tych enzymów są zatem bardziej prawdopodobne ze względu na czynniki genetyczne niż czynniki środowiskowe. Obecnie wiadomo, iż człowiek posiada pięć funkcjonalnych genów FMO [Philips i in. 2008]. Trzy z nich (FMO1, FMO2, FMO3) odgrywają największą rolę w metabolizmie leków (Tabela II.4).

Rys.II.11. A - Model struktury białka FMO B - kanał i miejsce aktywne ze związanym NADPH i FAD w bakteryjnej FMO [Eswaramoorthy i in. 2006, Cho i in. 2011] .

A B

Pobrano z mostwiedzy.pl

Enzymy FMO maja ściśle związaną grupę prostetyczną FAD i wiążący kofaktor NADPH.

Główną strukturę enzymu FMO można porównać do budowy małży z małą „górną skorupą”

i większą dolną (Rys.II.11a). Enzymy FMO zarówno drożdży, jak i bakterii są dimerami. Każdy monomer składa się z dwóch domen strukturalnych, większej w której zakotwiczona jest grupa flawinowa FAD i mniejszej wiążącej NADPH (tzw. domeny insercyjnej). Obie domeny są połączone podwójnym łącznikiem. Kanał między dwiema domenami prowadzi do miejsca aktywnego enzymu, w którym NADPH wiąże obie domeny i zajmuje szczelinę blokującą dostęp do grupy flawinowej FAD (Rys.II.11b). Grupa nikotynamidowa NADPH oddziałuje z FAD, natomiast miejsce wiązania NADPH zachodzi na miejsce wiązania substratu w grupie flawinowej.

II.3.1.2. Funkcje i mechanizm działania izoenzymów FMO

Monooksygenazy flawinowe katalizują reakcję utleniania wielu nukleofilowych związków zawierających heteroatom taki jak azot, siarka czy fosfor. Jednakże niedawno wykazano, że ludzka izoforma FMO5 ma nietypową aktywność, zachowuje się bowiem jak monooksygenaza Baeyera-Villigera (BVMO). FMO są zaangażowane w metabolizm wielu leków, pestycydów i substancji toksycznych, poprzez przekształcanie lipofilowych ksenobiotyków w polarne i łatwo wydalane metabolity.

Do aktywności katalitycznej enzymów FMO wymagany jest dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) jako grupa prostetyczna, NADPH jako kofaktor oraz tlen cząsteczkowy jako kosubstrat. Pierwszym etapem cyklu katalitycznego (Rys.II.12) jest redukcja FAD, która następuje z udziałem dwóch elektronów przeniesionych z NADPH (1). Następnie zredukowana cząsteczka FAD szybko reaguje z tlenem cząsteczkowym tworząc peroksyflawinę, FAD-OOH (2).

Powstały wodoronadtlenek jest stabilizowany przez NADP⁺. Przyjmuje się, iż w takiej formie FMO występuje w komórce do momentu napotkania na odpowiedni nukleofil, czyli substrat, S. FAD-OOH reaguje z napotkanym S (3). W wyniku ataku nukleofilowego następuje wbudowanie atomu tlenu do cząsteczki substratu, FAD natomiast pozostaje jako FAD-OH, czyli hydroksyflawina.

Następnie FAD-OH przekształca się w FAD poprzez uwolnienie cząsteczki wody (4). Końcowym etapem jest powolne uwolnienie NADP⁺ (5). Rozkład FAD-OH jest najwolniejszym krokiem w całym cyklu, dlatego też uważa się, iż determinuje on Vmax całego cyklu katalitycznego FMO. W przeciwieństwie do cyklu cytochromu P450 wiązanie substratu do enzymu w cyklu FMO nie ma wpływu na Vmax [Phillips i in. 2019]. Ponadto w cyklu katalitycznym może dojść do rozszczepienia kompleksu [(FAD-OOH)(NADP⁺)], w wyniku czego uwolniona zostaje cząsteczka NADP⁺ i powstaje H2O2. Szybkość tego procesu jest wyższa w obecności substratu. Szacuje się, iż 30-50% związanego tlenu ulega przemianie do H2O2[Siddens i in. 2014].

Pobrano z mostwiedzy.pl

Rys.II.12. Cykl katalityczny monooksygenaz flawinowych [Phillips i in. 2019].

II.3.2. Rola FMO w metabolizmie leków

Spośród monooksygenaz flawinowych, rodzina FMO1 charakteryzuje się najszerszym zakresem substratowym. Zakres ten obejmuje m.in. lek antydepresyjny - imipraminę, gastroprokinetyczny – itopryd i antyhistaminowy - olopatadinę. Ekspresja FMO1 w wątrobie człowieka zostaje wyciszona w momencie narodzin. Zatem wkład tego enzymu w metabolizm leków u człowieka dorosłego jest ograniczony tylko do tkanek poza wątrobą. Ponadto obniżone stężenie FMO1 obserwuje się u osób chorych na stwardnienie zanikowe boczne (ang.

amylotrophic lateran sclerosis, ALS). Natomiast wzmożoną ekspresję FMO1 zaobserwowano u pacjentów, u których występowało migotanie przedsionków. Chociaż wyniki te są interesujące, potencjalna rola FMO1 w etiologii wymienionych chorób pozostaje nadal do ustalenia. Określenie znaczenia FMO1 w detoksykacji leków wykazano w badaniu na myszach z niedoborem tego genu. Kiedy podano zwierzętom doświadczalnym imipraminę, która ulega przemianom metabolicznycm wobec FMO1 do N-tlenku, u myszy wystąpiły działania niepożądane.

Towarzyszyło temu zwiększenie stężenia leku macierzystego w osoczu i nerkach oraz wzrost stężenia dezypraminy w mózgu, co wskazuje, iż w przypadku braku FMO1 większość leku jest metabolizowana przez szlak metaboliczny enzymów P450 [Phillips i in. 2008].

FMO2 jest przykładem genu, który znajduje się na dobrej drodze żeby stać się ludzkim pseudogenem. Większość osób jest homozygotą, gdzie w wyniku mutacji nastąpiło zastąpienie kodonu glutaminy kodonem stop. W efekcie allel FMO2*2A koduje odcięty, nieaktywny katalitycznie polipeptyd. Taki rodzaj allelu występuje zasadniczo u 100% wszystkich populacji za wyjątkiem afrykańskiej, gdzie następuje kodowanie pełnej długości polipeptydu i potwierdzono tam obecność rodzimego allelu FMO2*1 w mikrokosmkach płuc. Choć niewiele jeszcze wiadomo

Pobrano z mostwiedzy.pl

o lekach będących substratami dla FMO2, stwierdzono, że enzymy te są zdolne do utleniania leków przeciwgruźliczych, tj. etionamidu i tioacetazonu, co ma wpływ na toksyczność i skuteczność tych terapeutyków w populacjach afrykańskich [Phillips i in. 2008, Veeramah 2008].

Niedobór produkcji FMO3 prowadzi do tzw. trimetyloaminurii [Fennema i in. 2016].

Dotknięte nią osoby nie są w stanie metabolizować trimetyloaminy (TMA) do N-tlenku. W efekcie nadmiar trimetyloaminy wydalany jest z potem, moczem i w oddechu, powodując silny odór przypominający zapach zgniłych ryb. [Shephard i in. 2015]. Cierpiący na tą chorobę mają również ograniczoną zdolność do metabolizowania benzydaminy, czy sulindaku, które należą do niesteroidowych leków przeciwzapalnych. Sulindak stosowany jest w leczeniu rodzinnej polipowatości gruczolakowatej. Podawany jest w formie proleku. Przez bakterie jelitowe przekształcany jest z sulfotlenku do siarczku, czyli do aktywnej postaci leku. U pacjentów z rodzinną polipowatością gruczolakowatą, u których występują warianty FMO3: E158K i E308G obserwuje się regresję istniejących polipów, a także ochronę przed tworzeniem się gruczolaka.

[Tang i in. 2017] FMO3 metabolizuje również klozapinę (lek przeciwpsychotyczny) oraz deprenyl podawany chorym na chorobę Parkinsona, a także tamoksyfen stosowany głównie w terapii raka sutka [Phillips i in. 2008].

W przypadku FMO5, pomimo sekwencji aminokwasów podobnej do pozostałych monooksygenaz flawinowych okazało się, że ludzki izoenzym FMO5 jest zasadniczo nieaktywny wobec związków nukleofilowych. Wykazuje natomiast silną aktywność katalityczną ukierunkowaną na elektrofilowe cząsteczki karbonylu, które są typowymi substratami monoksygenazy Baeyer-Villiger’a (ang. Baeyer-Villiger Monooxygenases, BVMO). Odmienne zachowanie tego izoenzymu prawdopodobnie wynika z faktu, iż gen FMO5 jako jedyny spośród wszystkich innych genów FMO znajduje się poza klastrem 220 kb chromosomu 1 [Fiorentini i in.

2017]. Dotychczas gałąź utleniania Baeyera-Villigera w metabolizmie leków była dość zaniedbywana. Ostatnio w kilku pracach badawczych zasugerowano, iż izoenzym FMO5 bierze udział w metabolizmie aktywnych składników farmaceutycznych (ang. Active Pharmaceutical Ingredient, API) m. in. związku przeciwnowotworowego E7016 i przeciwbakteryjnego MRX-1 [Lai 2011 i in., Meng i in. 2015]. Ponadto wykazano, iż FMO5 wykazuje silną aktywność wobec dwóch rozpowszechnionych leków, nabumetonu i pentoksyfiliny, zawierających ugrupowanie karbonylowe w łańcuchu alifatycznym [Fiorentini i in. 2017]. Dzięki tym badaniom odkryto nie tylko nową ścieżkę szlaku metabolicznego stosowanych leków, ale także podkreślono wkład ludzkich FMO, a przede wszystkim FMO5 w przemiany metaboliczne leków. Wkład ten był przez długi czas niedoceniany. Niesłusznie sądzono, iż jest on incydentalny, a oznaczanie zakresu substratu izoenzymów FMO jest zbędne wobec roli cytochromu P450.

Pobrano z mostwiedzy.pl