1、第五章 药物代谢,长沙医学院 药学系 药剂教研室 黄明秋,本章要求,掌握药物代谢的主要途径、部位 熟悉主要药物代谢酶混合功能氧化酶的性质和代谢条件 熟悉影响药物代谢的因素 了解运用药物代谢酶性质进行制剂设计的方法,Chapter 5 Drug Metabolism,Introduction Drug Metabolism Enzyme & Site First Pass Effect & Hepatic Extraction Metabolism Reaction Effects on Drug Metabolism Drug Metabolism & Preparation Design S
2、tudy Technique（了解）,I. Introduction,1. 概念：Drug metabolismBiotransformation,苯甲酸,马尿酸,第一个人体代谢试验: 1841年，Dr. Alexander Ure,盐酸普鲁卡因,百浪多息,氯丙嗪,非那西丁,扑热息痛,异烟肼体内主要代谢途径,2.Drug metabolism and effect：失活(pharmacological deactivation)或降低活化(pharmacological activation)或增强产生毒性代谢物(toxication)或作用改变,Introduction,肝脏的功能： （1）
3、代谢功能 （2）胆汁生成和排泄功能 （3）解毒作用 （4）血液凝固功能 （5）免疫功能 （6）其他功能,Drug Metabolism Enzyme and Site,肝细胞内质网（endoplasmic reticulum)： （1）粗面内质网 ：蛋白质合成 （2）滑面内质网：肝微粒体(microsome) 糖原合成与分解脂肪代谢激素代谢药物代谢胆汁合成,Drug Metabolism Site,其他部位： 胃肠道：CYP450、葡萄糖醛酸转移酶、磺基转移酶、N-乙酰基转移酶、谷胱甘肽S-转移酶、酯酶、环氧化物水解酶及乙醇脱氢酶。CYP450 3A4在人类小肠壁中也有较高水平的表达。 另外少
4、数代谢反应亦可在血浆、肺、肾、鼻粘膜、脑和其他组织中进行。,Drug Metabolism Site,Drug Metabolism enzyme,微粒体酶系统与细胞色素P450 非微粒体酶系,肝微粒体酶系统与细胞色素P450 肝微粒体（microsome）是肝组织匀浆除去细胞核、线粒体后经超速离心沉淀下来的细胞内质网囊泡碎片，属亚细胞成分。几乎所有药物的相反应及相中的葡萄糖醛酸结合、甲基化等药物代谢酶都存在于肝细胞的微粒体中。,Drug Metabolism enzyme,微粒体混合功能氧化酶系统 （Mixed-function oxidases, MFOs ）: CYP450、NADPH-
5、CYP450 reductase、黄素蛋白、NADPH, O2。,Drug Metabolism enzyme,微粒体混合功能氧化酶,NADPH + H+ + O2+ RH,NADP+ + H2O + ROH,CYP450,细胞色素P450（cytochrome P450,CYP450)：分子量 45 000-55 000 Da 1958年Omura T证明微粒体中的一种色素，是催化药物代谢的活性成分。,Drug Metabolism enzyme,CYP450 的命名： 根据其氨基酸序列，以及底物专一性和可诱导性，各种同工酶可被分为不同的家族 40% 以上相同序列为一族，1，2，3; 55%
6、 以上相同序列为一亚族，A, B, C, D, E。,对于外源性物质代谢有重要意义: CYP1、CYP2和CYP3三个族。其中包括一些主要的药物代谢酶如CYP2E1，2C19，2C9，2D6，3A4等，3A4是人体中分布最广的CYP450，2D6和2C19与代谢多态性有关。,Concentration,Relevance to drug metabolism,CYP450,Drug Metabolism enzyme,非微粒体酶: 线粒体：单胺氧化酶、脂肪族芳香化酶及一些内源性物质代谢的混合功能氧化酶、氨基酸结合反应。 细胞浆：醇、醛脱氢酶，黄嘌呤氧化酶及硫氧化物和氮氧化物的还原酶等，谷胱苷肽
7、结合、硫酸结合、乙酰化等。 血浆：酰胺酶、磷酸酶、胆碱酯酶等。, 相反应及 相中的葡萄糖苷酸结合、甲基化等药物代谢酶主要存在于肝细胞的微粒体中。氨基酸结合等线粒体中进行。谷胱苷肽结合、硫酸结合、乙酰化细胞浆中。,Drug Metabolism enzyme,First Pass Effect & Hepatic Extraction,1,2 Stability + Solubility 3 Passive + Active Trans. 4 Pgp efflux + CYP 3A4 5- Hepatic first pass effect,肝首过：肝ER越高，受肝血流量影响越大，首过效应显著
8、肝ER越低，受肝血流量影响越小，首过效应不显著 肝ER中等，受肝血流量和血浆蛋白结合率的影响,First Pass Effect & Hepatic Extraction,代谢反应类型,I相反应（phase I）： 引入官能团反应，一般为药物的氧化、还原、水解、异构化等，生成含有-OH，-NH2，-SH，-COOH等基团的代谢物，为二相反应做准备。 II相反应（phase II）：结合反应，一相反应生成的代谢物的极性基团与内源性物质生成结合物，是药物的去毒化过程，使药物的水溶性增大，以利于排泄。,第一相反应,氧化反应 还原反应 水解反应,氧化反应,1、非微粒体酶系的药物氧化醇醛的氧化嘌呤类的氧
9、化作用胺的氧化作用2、微粒体酶系的药物氧化侧链烷基的氧化O、N、S-烷基的氧化芳环、非芳环的羟化N-氧化、S-氧化脱氨基化脱硫作用,C,H,3,N,H,C,H,3,C,O,C,H,2,N,C,2,H,5,C,2,H,5,C,H,3,N,H,C,H,3,C,O,C,H,2,N,C,2,H,5,C,2,H,5,O,H,芳香环羟基化,利多卡因,脂肪链羟基化,戊巴比妥,环氧化,苯并芘,N-去烷基化,安定,O-去烷基,非那西丁,N-氧化,苯海拉明,非微粒体酶系参与的氧化反应,醇、醛氧化,麦酚生（肌肉松弛药-麦酚生,醇被氧化成羧酸）,醇脱氢酶,嘌呤氧化,茶碱,黄嘌呤氧化酶,R-CH2NH2R-CHO +
10、NH3,醛脱氢酶,单胺氧化（单胺氧化酶和二胺氧化酶作用下氧化脱胺，并进一步氧化成羧酸）,还原反应（ Reduction）,羰基化合物可通过醇脱氢酶和胞浆中的醛酮脱氢酶还原为醇。（由非微粒体酶催化） 偶氮化合物由微粒体催化还原为两个伯胺。 （由微粒体酶催化） 硝基化合物由微粒体催化还原为相应的伯胺。 （由微粒体酶催化）,水解反应（Hydrolysis）,酯类水解：可发生在血浆和肝微粒体中，由胆碱酯酶、拟胆碱酯酶和其它酯酶催化，分解为羧酸和醇。 酰胺类水解：较酯慢，可被血浆中酯酶水解，也受肝微粒体中的酰胺酶催化。如普鲁卡因酰胺经肝微粒体酶水解酰胺键而被代谢。 酰肼的水解,普鲁卡因胺,结合反应（Co
11、njugation）,硝酸甘油的代谢,有机硝酸酯还原酶的作用下，先生成二硝酸甘油酯M1和M2，再继续代谢为单硝酸甘油酯M3和M4，最终生成甘油M5。硝酸甘油的血管舒张作用强度分别约为二硝酸甘油酯和单硝酸甘油酯的10倍和1000倍。,地西泮的代谢,去甲地西泮M1有药理活性，在一些国家是注册药品,影响因素(Effects on Drug Metabolism),生理因素 药物因素,生理因素,种族与个体差异 种属差异(Species differences)：哺乳动物的代谢要比非哺乳动物快。羟基保泰松代谢速度人与狗慢140倍。苯丙胺在大鼠体内羟基化，兔脱氨基反应，人以原形和脱氨基化物从尿中排泄。 种
12、族差异(Ethical defferences): 白人、黄种人、黑人 个体差异(individual differences): 遗传因素,遗传多态性(Pharmcogenetic polymorphism)：人体内缺乏维持生命非必需的代谢酶，或其活性低等，或具有异常蛋白质组分。CYP2D6、CYP2C19、 CYP2C9存在遗传多态性。20%的亚裔人几乎完全缺乏CYP2C19。异喹胍的4-羟基化代谢，存在强代谢型（extensive metabolism，EM）和弱代谢型（poor metabolism，PM）两种人群，PM可能与CYP2D6的肝内缺乏及其基因突变有关。,年龄（Age）：,
13、新生儿：葡萄糖苷酸转移酶出生时才开始生成，约3岁时达正常水平，故新生儿的葡萄糖苷酸化反应能力有限，易发生黄疸。肝中内质网发育不完全，CYP450和NADPH-CYP450还原酶活性约为成年人的50%，药物的氧化代谢速度较慢。 老年人：老年人肝血流量降低，肝功能细胞减少，由此也使生物转化速度下降。多数情况下，老年人代谢较慢，药物半衰期延长，相同剂量下血药浓度较高。,性别（Gender）：,一般雄性动物代谢较雌性动物快。在药物代谢研究中，如没有特殊需要，一般选用雄性动物作为实验对象。 老龄性别差异不明显,疾病（ Disease）： 肝脏发生病变会明显导致生物转化能力降低。肝硬化病从服用氯霉素后，其
14、半衰期可增加4倍。 肾脏功能影响药物及其代谢物的排泄。若药物的代谢物在体内过量蓄积，可干扰母体药物与血浆蛋白的结合，改变药物的分布特性，结合型代谢物不能及时排泄，会导致结合物的分解、形成肠肝循环等。,饮食因素(diet) ： 限制蛋白摄取时，导致药物代谢能力的降低。 微量营养素对药物代谢有一定影响。维生素类是合成蛋白和脂质的必需成分，后两者又是药物代谢酶系统的重要组成，维生素缺乏往往使代谢降低。 微量元素如铁、锌、钙、镁、铜、硒和碘等缺乏会导致药物代谢能力的下降。 葡萄柚汁：CYP3A4酶抑制剂,药物因素,药物的给药途径、剂量：,给药途径主要与口服给药首过效应有关。 剂量与饱和现象有关。如硫酸
15、和甘氨酸结合在较低剂量时就能达到饱和。水杨酰胺在人体内主要是葡萄糖苷酸结合和硫酸结合，剂量增大时硫酸结合就会达到饱和，随剂量的增大，硫酸结合物的比例逐渐减少。人口服不同剂型水杨酸酰胺：尿中硫酸酯量，溶液29.7，混悬剂31.8，颗粒剂73.0%。,药物代谢酶的诱导：,很多化学异物（包括药物），特别是在肝中滞留时间长、脂溶性好的化合物，能够使某些药物代谢酶过量生成，从而促进自身或其它药物的代谢，这种作用称为酶诱导，又称为促进代谢。 苯巴比妥类能使内质网加速增生，使肝重和CYP450含量显著增加 ，特别是CYP4502B及葡萄糖苷酸转移酶和环氧化物水解酶 。 甲基胆蒽在几小时内可加速CYP1A和谷
16、胱甘肽-S-转移酶的活性，内质网和肝重有少量增加。,药物代谢酶的抑制 ：,很多药物能抑制酶的活性，从而能使其它药物代谢减慢，作用时间延长、强度提高或毒副作用增强。引起药物相互作用。 机理：一是酶抑制剂能使内质网酶分解加速、合成减少或使之破坏，另一种是酶抑制剂与其它药物竞争酶的键合部位，导致药物代谢的竞争性抑制。如安非他明、氨苯砜、美沙酮、红霉素、醋竹桃霉素 。,光学异构性对代谢的影响 ：,美芬妥英：S-型半衰期 2.13 hR-型半衰期 76 h 奥美拉唑：,奥美拉唑左旋异构体埃索美拉唑,Omeprazole R/S代谢差异,与R-异构体相比， S-异构体由CYP2C19代谢更少,药物代谢与制
17、剂设计,前体药物（prodrug)：在体内代谢为活性形式，发挥疗效。1958年提出概念。 乌洛托品：1899年引入临床，在体内水解为甲醛，抗尿路感染，第一个前体药物； 百浪多息：为磺胺的前体 酞氨苄青霉素：胃酸稳定性增加，在肠道被酯酶代谢为氨苄青霉素而吸收； 左旋多巴：在多巴脱羧酶的作用下代谢为多巴胺而起效；,柳氮磺胺吡啶：磺胺结合5-氨基水杨酸后，在胃肠道不被吸收，到结肠及大肠段由微生物将偶氮键还原，释放出5-氨基水杨酸和磺胺吡啶，用于治疗结肠炎。,特布他林：支气管扩张药，口服吸收占剂量的25-80%，经肝首过性硫酸结合69%，生物利用度仅为7-26%；首过结合均为分子中间苯二酚的酚羟基，在
18、酚羟基上成酯，提高系统前的水解稳定性，并保证体内较快地转化为活性形式发挥疗效。 班布特罗：特布他林的前体，选择性抑制胆碱酯酶，药物疗效延长。,特布他林,班布特罗,药物代谢的饱和现象：利用代谢的饱和特别是胃肠道酶系统的饱和来提高药物的生物利用度。 左旋多巴：肠溶性泡腾片可使十二指肠脱羧酶饱和，较普通胶囊生物利用度高。,药物代谢与制剂设计,药物代谢酶抑制剂：甲基多巴肼与左旋多巴； 伊米配能与西米他丁（-内酰胺酶抑制剂） 氨苄青霉素与舒巴坦钠（-内酰胺酶抑制剂）,药物代谢与制剂设计,药物代谢与剂型改革： 硝酸甘油舍下片、贴膏剂 改变剂型减少首过效应,药物代谢与制剂设计,常用药物代谢研究方法,在体药物
19、代谢研究方法 一般是受试者给药后，测定药物及其代谢物在血浆、尿、粪便及胆汁中的浓度，计算得出有关代谢速度参数，如清除率、生物半衰期及各途径的排泄比率等；从排泄物中分离鉴定可能的代谢产物。,在体探针药物（in vivo probe）：,有些药物选择性地经某一种同功酶代谢，其清除率则可作为该同功酶的活性指标。如咖啡因、茶碱主要经CYP1A代谢，美芬妥英主要经CYP2C9代谢，红霉素经CYP3A代谢，这些药物均可作为相应同功酶的在体探针药物，用其清除率反映同功酶的活性，用于研究与该同功酶有关的其它药物的代谢。,非侵入方法（Non-invasive method）： 利用某些内源性物质及其代谢物的水平
20、变化，反映某些药物代谢酶或代谢途径的变化。 血浆中胆红素作为肝葡萄糖苷酸结合酶的指标， 可的松由肝微粒体CYP3A催化生成6-羟基可的松，经尿排泄，以6-羟基可的松或以6-羟基可的松/17-羟基可的松的比值作为CYP3A的指标。,体外药物代谢研究方法,整体肝灌流法 ： 动物在麻醉状态下，开腹，将肝组织分离移至体外并保持37。灌流液经门静脉插管进入肝脏，由出肝静脉插管回到循环泵中，连续循环。在不同时间取一定量灌流液，测定药物及其代谢物的浓度。动物实验可同时胆管插管，测定药物及代谢物在胆汁中的排泄情况。,肝切片法 ：,新鲜肝组织先用打孔机制成肝条，再用切片机切成厚度为 5 mm的切片，实验时用肝切
21、片与药物同时孵化。该方法保持了肝功能状态所需的肝细胞间的生理连接，但在制备过程中易造成肝细胞的破坏。,肝细胞培养法 ： 该方法保持了完整细胞的功能，与正常生理状况接近，适合进行药物代谢酶的诱导等研究，与体内有一定相关性 ，但在细胞培养过程中，可能丢失某些药物代谢酶的活性。,肝亚细胞成分（微粒体）研究方法 ：,肝微粒体制备,CYP450含量测定,重组药物代谢酶（Recombinant DME） E. coli yeast mammalian cell lines baculovirus-infected insect cellsPurified recombinant DMEs,药物代谢研究的目的：,药物代谢研究主要包括代谢途径的推断 代谢产物的分离鉴定及活性测定 代谢速度和程度 参与的药物代谢酶确证 侯选化合物的高通量筛选,
