UDP-glukuronylotransferazy (II faza metabolizmu)

II.4.1. Ogólna charakterystyka UDP-glukuronylotransferaz

UDP-glukuronylotransferazy (ang. UDP-glucuronosyltransferase, UGT) to podstawowe katalizatory reakcji II fazy biotransformacji. Odgrywają u ssaków główną rolę w przemianach substancji endo- i egzogennych, do form lepiej rozpuszczalnych w wodzie, czyli łatwiej usuwanych z organizmu. Obecne są w komórkach roślin, zwierząt i bakterii [Bock 2003].

Większość danych literaturowych przedstawia podział ludzkich białek UGT na 2 rodziny: UGT1 i UGT2 [Guillemette 2010]. Natomiast zgodnie z uaktualnioną klasyfikacją, wymienia się 4 rodziny: UGT1, UGT2, UGT3 i UGT8 oraz 5 podrodzin: UGT1A, UGT2A, UGT2B, UGT3A i UGT8A, w obrębie których wyróżnia się 22 funkcjonalne izoformy UGT (Rys.II.13.) [Yang i in.

2017, Miners i in. 2020].

Rys.II.13. Drzewo filogenetyczne ludzkich izoenzymów z rodziny UGT, Podrodziny UGT1A, UGT2A, UGT2B to izoenzymy istotne dla metabolizmu leków i ksenobiotyków [Mazerska i in. 2016, Miners i in. 2020].

Wątroba jest najważniejszym, lecz nie jedynym organem, w którym obecne są UGT.

Izoenzymami występującymi poza wątrobą są UGT1A7, obecny w przełyku, żołądku i płucach, UGT1A8 i UGT1A10, których ekspresja ma miejsce w przewodzie pokarmowym oraz UGT2A1 znajdujący się głównie w komórkach nabłonkowych nosa. mRNA kodujący szereg UGT obecny jest także w komórkach nabłonka jelit. W nerkach obecne są izoformy UGT z obydwu rodzin, a poziom UGT2B7 w tym organie dorównuje ekspresji w wątrobie. Enzymy z rodziny UGT2B obecne są też w gruczołach piersi i prostaty [Ohno i in. 2009, Court i in. 2012].

II.4.1.1. Struktura enzymów UGT

UDP-glukuronylotransferazy umieszczone są w siateczce śródplazmatycznej (ER).

Białka te zbudowane są z dwóch domen N- i C-końcowej, o łącznej masie 50-60 kDa (Rys.II.14).

Cała domena N-końcowa oraz przeważająca część domeny C-końcowej skierowane są do

Pobrano z mostwiedzy.pl

światła ER. Domena C-końcowa odpowiada za wiązanie kofaktora UDPGA, co jest cechą wspólną omawianych enzymów (jest ona identyczna u wszystkich izoform UGT1 i bardzo podobna u izoform UGT2). Białka różnią się natomiast domeną N-końcową, która determinuje specyficzność substratową poszczególnych izoenzymów [Patana i in. 2008, Fedejko i in. 2011a, Fujiwara i in. 2016].

Rys.II.14. Proponowany model umiejscowienia białka UGT w błonie ER. Cała domena N-końcowa (wiążąca aglikon) oraz przeważająca część domeny C-końcowej (wiążącej UDPGA) znajdują się w świetle ER [Fedejko i in. 2011a, Fujiwara i in. 2016].

Funkcjonalne jednostki UGT mogą występować w formie pojedynczej podjednostki lub oligomerów do czterech podjednostek. Wykazano, że białka UGT1A1, 1A3, 1A4, 1A6, 1A7, 1A8, 1A9, 1A10 i 2B7 ulegają homodimeryzacji. Niektóre z nich mogą łączyć się także w heterodimery jak np. UGT1A1 z innymi izoformami podrodziny UGT1A. Możliwe jest również utworzenie heterodimerów przez białka różnych podrodzin np. UGT2B7 z izoformami UGT1A [Fedejko i in. 2011a]. Jak do tej pory wszelkie próby poznania pełnej struktury krystalicznej UGT kończyły się niepowodzeniem. Poważnym ograniczeniem badań nad strukturą UGT jest trudność w otrzymaniu kryształów białka. Problemy związane z uzyskaniem nadekspresji, oczyszczaniem oraz krystalizacją są typowe dla glikozylotransferaz [Miley i in. 2007].

II.4.1.2. Funkcje i mechanizm działania izoenzymów UGT

UDP-glukuronylotransferazy katalizują reakcję glukuronidacji, czyli sprzęgania substratu z kwasem glukuronowym, co prowadzi do powstania glukuronidu (Rys.II.15.). Glukuronidacja jest jedną z głównych ścieżek metabolizmu II fazy. Szacuje się, że enzymy UGT biorą udział w ok. 35% wszystkich reakcji tej fazy [Fedejko i in. 2011a, Mazerska i in. 2016].

Reakcja glukuronidacji polega na przeniesieniu kwasu β-D-glukuronowego z kwasu urydyno-5’-difosfo-α-D-glukuronowego (UDPGA) na odpowiednią grupę funkcyjną aglikonu (hydroksylową, karboksylową, aminową, tiolową lub sulfonamidową). Najbardziej podatnymi na glukuronidację miejscami w cząsteczkach substratów są nukleofilowe atomy tlenu i azotu.

Reakcja ta zachodzi zgodnie z mechanizmem substytucji nukleofilowej typu drugiego (SN2), następuje atak heteroatomu aglikonu na anomeryczny atom węgla (C1) kwasu α-D-glukuronowego. O mechanizmie tym świadczy zmiana konfiguracji przy C1, w wyniku której powstaje β-D-glukuronid [Fedejko i in. 2011a].

Pobrano z mostwiedzy.pl

Rys.II.15. Reakcja glukuronidacji [King i in. 2000, Mazerska i in. 2016].

W wyniku glukuronidacji, obok glukuronidu, powstaje urydynodifosforan (UDP), który ulega defosforylacji do urydynomonofosforanu (UMP). Natomiast produkt sprzęgania przedostaje się ze światła siateczki śródplazmatycznej (ER) do cytozolu na drodze ułatwionej dyfuzji z udziałem transporterów anionowych lub może zostać przeprowadzony w wyjściowy aglikon w wyniku hydrolizy katalizowanej przez obecną w ER β-glukuronidazę [Fedejko i in. 2011a, Dai i in. 2015].

II.4.2. Rola UDP-glukuronylotransferaz w metabolizmie leków

Lipofilowy charakter przyjmowanych leków pozwala na ich efektywne przenikanie przez błony biologiczne i selektywne dotarcie do celu molekularnego. Jednakże właściwości te utrudniają eliminację tych związków z organizmu. Dlatego też niezwykle konieczna jest ich przemiana do postaci bardziej hydrofilowej, która znacznie łatwiej będzie wydalana z organizmu.

Jak wspomniano wcześniej (II.1.1. Ogólna charakterystyka procesu biotransformacji) mechanizmy reakcji obu faz nie są powiązane i mogą zachodzić niezależnie od siebie. Jednak bardzo często reakcje I fazy skutkują wprowadzeniem lub „odsłonięciem” grupy funkcyjnej, której obecność zwiększa podatność na dalsze przemiany katalityczne wobec enzymów II fazy, w tym wobec UDP-glukuronylotransferaz. Poza ułatwieniem eliminacji leków z organizmu przemiany metaboliczne pełnią również rolę detoksykacyjną, która ma na celu zmniejszenie reaktywności oraz toksyczności stosowanych leków [Rowland i in. 2013].

Szacuje się, iż UDP-glukuronylotransferazy odpowiedzialne są za biotransformację ok.

35% leków, które podlegają reakcjom II fazy. W porównaniu z liczbą leków metabolizowanych przez enzymy cytochromu P450, pula leków usuwanych na drodze sprzęgania z kwasem glukuronowym jest niewielka (ok. 1/7), jednak wystarczająca aby uwzględniać efekty związane z modulacją aktywności enzymów UGT. Substratami UGT są związki hydrofobowe, zazwyczaj o strukturze pierścieniowej, posiadające nukleofilowe atomy tlenu, azotu lub siarki. Glukuronidacji ulegają przede wszystkim ugrupowania hydroksylowe, karboksylowe, aminowe (I-, II- i III-rzędowe), tiolowe, a także kwaśne atomy węgla. Do substratów UGT zalicza się z jednej strony związki endogenne tj. bilirubinę, kwasy żółciowe, kwasy tłuszczowe, hormony steroidowe i tyroidowe oraz witaminy rozpuszczalne w tłuszczach, ale także ksenobiotyki [Mazerska i in.

2016, Yang i in. 2017, Miners i in. 2020]. Chociaż glukuronidacja przeważnie wiąże się z dezaktywacją, w przypadku niektórych związków można zaobserwować zachowaną lub

Pobrano z mostwiedzy.pl

podwyższoną aktywność biologiczną glukuronidu. Spektakularnym przykładem jest morfina, której 6-O-glukuronid wykazuje dużo silniejsze działanie analgetyczne niż wyjściowy aglikon [Paul i in. 1989]. Ponadto nie zawsze transformacja oksydacyjna przez enzymy I fazy jest konieczna przed glukuronidacją (lek przeciwwirusowy - zydowudyna). Szerokie spektrum substratowe izoenzymów UGT umożliwia glukuronidację i eliminację wielu związków o zróżnicowanej strukturze. UGT biorą udział w metabolizmie leków należących do wielu grup terapeutycznych m.

in. przeciwbólowych, przeciwwirusowych, przeciwnowotworowych, przeciwpadaczkowych, niesteroidowych leków przeciwzapalnych i uspokajających typu benzodiazepin [Rowland i in.

2013, Yang i in. 2017, Xiao i in. 2018, de Man i in. 2018].Procentowy udział poszczególnych izoform UGT w metabolizmie leków zaprezentowano na Rys.II.16.

Rys.II.16. Procentowy udział poszczególnych izoform UGT w metabolizmie leków [Wiliams i in. 2004].