生化学 · 13/1
生体内変換反応の特徴と分類;第I相・第II相反応;誘導の臨床的意義;薬物代謝と解毒における役割
Characterization and classification of biotransformation reactions; Phase I and Phase II reactions; clinical significance of induction; role in drug metabolism and detoxification — L I
- 応用トピック
- 薬物代謝(生体内変換)の相
🧠 生体内変換biotransformation 生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) は「中間代謝intermediary metabolism 中間代謝(intermediary metabolism)intermediary metabolism(中間代謝) の対極」として読む。 中間代謝intermediary metabolism 中間代謝(intermediary metabolism)intermediary metabolism(中間代謝) では比較的高い基質特異性 substrate specificity 基質特異性(substrate specificity) substrate specificity(基質特異性) をもつ酵素が中心となる一方、生体内変換biotransformation 生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) では重複する基質特異性 substrate specificity 基質特異性(substrate specificity) substrate specificity(基質特異性) をもつ酵素群が多様な内因性・外因性化合物を扱う。多くの場合は脂溶性分子を極性化 polarization 極性化(polarization) polarization(極性化) して排泄を促すが、薬物の活性化や毒性代謝物 toxic metabolite 毒性代謝物(toxic metabolite) toxic metabolite(毒性代謝物) の生成も起こりうる。流れは「第I相で官能基 Group 官能基(Group) Group(官能基) を付ける → 第II相で水溶性の大きな基を結合する → 第III相で輸送体が細胞外へ出す」の3段で覚える。
生体内変換はどこに位置するか
| 対比項目 | 中間代謝intermediary metabolism中間代謝(intermediary metabolism)intermediary metabolism(中間代謝) | 生体内変換biotransformation生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) |
|---|---|---|
| 基質数 | 比較的限られる | 非常に多様 |
| 酵素の特異性 | 高い(例:ヘキソキナーゼ hexokinaseヘキソキナーゼ(hexokinase) hexokinase(ヘキソキナーゼ)) | 低い(非特異的) |
| 基質濃度substrate levels基質濃度(substrate levels)substrate levels(基質濃度) | 狭い範囲、常時存在 | 広い範囲、出現が可変 |
| 酵素の発現様式 | 構成的constitutive 構成的(constitutive)constitutive(構成的) (または誘導性 inducibility誘導性(inducibility) inducibility(誘導性)) | 構成的constitutive 構成的(constitutive)constitutive(構成的) または酵素種に応じて誘導性 inducibility誘導性(inducibility) inducibility(誘導性) |
| 主な帰結 | エネルギー産生energy productionエネルギー産生(energy production)energy production(エネルギー産生)・生合成biosynthesis生合成(biosynthesis)biosynthesis(生合成) | 極性化polarization極性化(polarization)polarization(極性化)・排泄促進、活性化または毒性化 |
💡 生体内変換biotransformation 生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) 酵素は「異種heterologous 異種(heterologous)heterologous(異種) 生物との化学的軍拡競争 chemical arms race化学的軍拡競争(chemical arms race) chemical arms race(化学的軍拡競争)」から進化した。 ある種(ハエA)はサボテンXの毒を代謝するP450酵素をもつが、サボテンYの毒には無防備。別の種(ハエB)は逆にYを代謝できるがXには無防備——このような種間の相互作用(内因性の生理活性分子 endogenous bioactive molecule生理活性分子(endogenous bioactive molecule) endogenous bioactive molecule(生理活性分子)・前駆体を代謝する酵素が、たまたま類似構造の外来の毒性物質 toxic substance 毒性物質(toxic substance) toxic substance(毒性物質) も代謝できる)が、生体内変換biotransformation 生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) 酵素進化の基盤になっている。
内因性化合物と外因性化合物
生体内変換biotransformation 生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) は内因性化合物(ビリルビン、ポルフィリンporphyrin ポルフィリン(porphyrin)porphyrin(ポルフィリン) 代謝物、プリン代謝purine metabolism プリン代謝(purine metabolism)purine metabolism(プリン代謝) 物、ステロイド骨格など)と外因性化合物(異物・薬物・環境化学物質 chemical substance化学物質(chemical substance) chemical substance(化学物質))の両方を扱う。主要な帰結は脂溶性の原物質 parent compound 原物質(parent compound) parent compound(原物質) をより極性の高い代謝物へ変換して尿・便などへの排泄を促すことだが、活性代謝物active metabolite 活性代謝物(active metabolite)active metabolite(活性代謝物) や毒性代謝物 toxic metabolite 毒性代謝物(toxic metabolite) toxic metabolite(毒性代謝物) を生じる場合もある。
生体内変換の特徴
- 非特異的酵素: 1つの酵素が複数の基質を、1つの基質が複数の酵素で代謝されうる。
- 収束: 多様な基質が、重複する第I相・第II相酵素phase 2 enzymes 第II相酵素(phase 2 enzymes)phase 2 enzymes(第II相酵素) と第III相輸送体によって処理される。
- 誘導性inducibility誘導性(inducibility)inducibility(誘導性): 一部の薬物代謝酵素 drug-metabolizing enzyme 薬物代謝酵素(drug-metabolizing enzyme) drug-metabolizing enzyme(薬物代謝酵素) は薬物・喫煙・食事・ホルモンなどで誘導されるが、程度は酵素種と曝露条件で大きく異なる。
局在
| 局在 | 内容 |
|---|---|
| 肝ミクロソーム酵素hepatic microsomal enzymes肝ミクロソーム酵素(hepatic microsomal enzymes)hepatic microsomal enzymes(肝ミクロソーム酵素) | 主に酸化、一部の抱合(例:グルクロン酸抱合 glucuronidationグルクロン酸抱合(glucuronidation) glucuronidation(グルクロン酸抱合)) |
| 肝非ミクロソーム酵素hepatic non-microsomal enzymes肝非ミクロソーム酵素(hepatic non-microsomal enzymes)hepatic non-microsomal enzymes(肝非ミクロソーム酵素) | 硫酸抱合sulfation硫酸抱合(sulfation)sulfation(硫酸抱合)、メチル化、アセチル化、グルタチオン抱合glutathione conjugationグルタチオン抱合(glutathione conjugation)glutathione conjugation(グルタチオン抱合)、アミノ酸抱合amino acid conjugationアミノ酸抱合(amino acid conjugation)amino acid conjugation(アミノ酸抱合) |
| 肝外ミクロソーム酵素extrahepatic microsomal enzymes肝外ミクロソーム酵素(extrahepatic microsomal enzymes)extrahepatic microsomal enzymes(肝外ミクロソーム酵素) | 酸化、抱合(肺・腸・皮膚・腎などにも存在) |
「ミクロソームmicrosomeミクロソーム(microsome)microsome(ミクロソーム)」は細胞を破砕 fragmentation 破砕(fragmentation) fragmentation(破砕) したときに小胞体膜 endoplasmic reticulum membrane 小胞体膜(endoplasmic reticulum membrane) endoplasmic reticulum membrane(小胞体膜) が作る小胞の分画名で、実体は滑面小胞体smooth endoplasmic reticulum (sER)滑面小胞体(smooth endoplasmic reticulum (sER))smooth endoplasmic reticulum (sER)(滑面小胞体)の膜である。CYPCYP(cytochrome P450)とUDP-グルクロン酸転移酵素 UDP-glucuronosyltransferase, UGT UDP-グルクロン酸転移酵素(UDP-glucuronosyltransferase, UGT) UDP-glucuronosyltransferase, UGT(UDP-グルクロン酸転移酵素) はここに埋まっており、硫酸転移酵素sulfotransferase, ST硫酸転移酵素(sulfotransferase, ST)sulfotransferase, ST(硫酸転移酵素)・N-アセチル転移酵素 acetyltransferaseアセチル転移酵素(acetyltransferase) acetyltransferase(アセチル転移酵素)・グルタチオンS-転移酵素glutathione S-transferase (GST) グルタチオンS-転移酵素(glutathione S-transferase (GST))glutathione S-transferase (GST)(グルタチオンS-転移酵素) の多くは細胞質(可溶性分画)にある。
生体内変換の帰結
| パターン | 代表例 | 要点 |
|---|---|---|
| 活性→不活性 | パラセタモールparacetamolパラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール)の硫酸抱合 sulfation硫酸抱合(sulfation) sulfation(硫酸抱合)・グルクロン酸抱合glucuronidationグルクロン酸抱合(glucuronidation)glucuronidation(グルクロン酸抱合) | 大部分の薬物がたどる「解毒」の経路 |
| 不活性(プロドラッグprodrugsプロドラッグ(prodrugs)prodrugs(プロドラッグ))→活性 | コデインcodeineコデイン(codeine)codeine(コデイン)(モルヒネを生成)1 | CYP2D6CYP2D6(cytochrome P450 2D6)の活性が効果と毒性の両方を左右する |
| 活性→活性代謝物 active metabolite活性代謝物(active metabolite) active metabolite(活性代謝物) | フェナセチンphenacetin フェナセチン(phenacetin)phenacetin(フェナセチン) (パラセタモールparacetamol パラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール) を生成) | 親化合物parent compound 親化合物(parent compound)parent compound(親化合物) と代謝物の両方が薬効をもつ |
| 不活性→活性・毒性 | 四塩化炭素carbon tetrachloride四塩化炭素(carbon tetrachloride)carbon tetrachloride(四塩化炭素) | CYP2E1でラジカルが生じ、小葉中心性centrilobular 小葉中心性(centrilobular)centrilobular(小葉中心性) の肝細胞壊死 hepatocellular necrosis 肝細胞壊死(hepatocellular necrosis) hepatocellular necrosis(肝細胞壊死) を起こす |
| 活性→毒性(同一薬物内での分岐) | パラセタモールparacetamol パラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール) (NAPQINAPQI(N-acetyl-p-benzoquinone imine)を生成) | 通常は少量でグルタチオン glutathione グルタチオン(glutathione) glutathione(グルタチオン) が解毒するが、過量で肝壊死 hepatic necrosis肝壊死(hepatic necrosis) hepatic necrosis(肝壊死) |
上の表の各反応を、物質の変化として並べると次のようになる。
flowchart TD
PHE["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phenacetin'>フェナセチン</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450 1A2'>CYP1A2</span><br>O-脱エチル化"| APAPM["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='paracetamol'>パラセタモール</span><br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='active metabolite'>活性代謝物</span>)"]
COD["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='codeine'>コデイン</span><br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prodrugs'>プロドラッグ</span>)"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450 2D6'>CYP2D6</span><br>O-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='demethylation'>脱メチル化</span>"| MOR["モルヒネ<br>(活性体)"]
COD -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450 3A4'>CYP3A4</span><br>N-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='demethylation'>脱メチル化</span>"| NOR["ノル<span class='jp-term jp-term-diagram' title='codeine'>コデイン</span>"]
CCL4["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carbon tetrachloride'>四塩化炭素</span> CCl₄"] -->|"CYP2E1<br>還元的脱ハロゲン化"| CCL3["トリクロロメチルラジカル CCl₃•"]
CCL3 -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br>O₂付加"| PER["トリクロロメチルペルオキシラジカル<br>→ <span class='jp-term jp-term-diagram' title='membrane lipid'>膜脂質</span>の過酸化"]
パラセタモール:解毒と毒性化の分岐
flowchart TD
APAP["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='paracetamol'>パラセタモール</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='UDP-glucuronosyltransferase, UGT'>UDP-グルクロン酸転移酵素</span><br>UDP-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronic acid'>グルクロン酸</span> → UDP"| APG["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronide conjugate'>グルクロン酸抱合体</span><br>(尿中へ)"]
APAP -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfotransferase, ST'>硫酸転移酵素</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate'>PAPS</span> → PAP"| APS["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfation'>硫酸抱合</span>体<br>(尿中へ)"]
APAP -->|"CYP2E1など(少量)<br>O₂・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)'>NADPH</span>"| NAPQI["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='N-acetyl-p-benzoquinone imine'>N-アセチル-p-ベンゾキノンイミン</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='N-acetyl-p-benzoquinone imine'>NAPQI</span>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='toxic metabolite'>毒性代謝物</span>)"]
NAPQI -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione S-transferase (GST)'>グルタチオンS-転移酵素</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>"| GSHC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione conjugation'>グルタチオン抱合</span>体<br>→ システイン抱合体・メルカプツール酸(尿中へ、無毒)"]
NAPQI -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>枯渇時"| ADD["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hepatocyte protein'>肝細胞タンパク</span>との共有結合<br>→ <span class='jp-term jp-term-diagram' title='centrilobular'>小葉中心性</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hepatocellular necrosis'>肝細胞壊死</span>"]
⚠️ 同じ薬物が「解毒」にも「毒性活性化toxic bioactivation毒性活性化(toxic bioactivation)toxic bioactivation(毒性活性化)」にもなりうる好例=パラセタモール paracetamolパラセタモール(paracetamol) paracetamol(パラセタモール)。 通常量では大部分がグルクロン酸抱合 glucuronidationグルクロン酸抱合(glucuronidation) glucuronidation(グルクロン酸抱合)・硫酸抱合sulfation 硫酸抱合(sulfation)sulfation(硫酸抱合) で不活化されるが、一部はCYPにより毒性代謝物 toxic metabolite 毒性代謝物(toxic metabolite) toxic metabolite(毒性代謝物) NAPQIに変換され、通常はグルタチオン glutathione グルタチオン(glutathione) glutathione(グルタチオン) で速やかに解毒される。過量摂取overdose 過量摂取(overdose)overdose(過量摂取) で抱合経路が飽和しグルタチオン glutathione グルタチオン(glutathione) glutathione(グルタチオン) が枯渇すると、NAPQIが肝細胞タンパク hepatocyte protein 肝細胞タンパク(hepatocyte protein) hepatocyte protein(肝細胞タンパク) と結合し肝壊死 hepatic necrosis 肝壊死(hepatic necrosis) hepatic necrosis(肝壊死) を起こす(アセチルシステインacetylcysteineアセチルシステイン(acetylcysteine)acetylcysteine(アセチルシステイン)がグルタチオン glutathione グルタチオン(glutathione) glutathione(グルタチオン) の前駆体システインを補って解毒薬 Antidote 解毒薬(Antidote) Antidote(解毒薬) になる。診療の流れはアセトアミノフェン中毒Acetaminophen toxicityアセトアミノフェン中毒(Acetaminophen toxicity)Acetaminophen toxicity(アセトアミノフェン中毒))。
⚠️ コデインcodeine コデイン(codeine)codeine(コデイン) の鎮痛効果はCYP2D6でモルヒネに変わって初めて生じる。 CYP2D6の超高速代謝者 ultrarapid metabolizer 超高速代謝者(ultrarapid metabolizer) ultrarapid metabolizer(超高速代謝者) では標準用量でもモルヒネが過剰に生成され、健常者の試験では通常代謝者 normal metabolizers 通常代謝者(normal metabolizers) normal metabolizers(通常代謝者) に比べモルヒネのAUCAUC(area under the curve)中央値が45%高かった。標準用量で重篤または生命を脅かす有害事象が起きた症例報告もあり、CPICガイドライン(2021年)は超高速代謝者 ultrarapid metabolizer 超高速代謝者(ultrarapid metabolizer) ultrarapid metabolizer(超高速代謝者) ではコデイン codeine コデイン(codeine) codeine(コデイン) を避けること(推奨の強さ:強)、中間代謝intermediary metabolism 中間代謝(intermediary metabolism)intermediary metabolism(中間代謝) 者ではモルヒネ生成が減ること、低代謝者poor metabolizer 低代謝者(poor metabolizer)poor metabolizer(低代謝者) (活性スコア0)では鎮痛効果が期待できないためコデイン codeine コデイン(codeine) codeine(コデイン) を避けて別の鎮痛薬 analgesic 鎮痛薬(analgesic) analgesic(鎮痛薬) を使うことを示している。2 同じ理由でトラマドールtramadolトラマドール(tramadol)tramadol(トラマドール)もCYP2D6の遺伝型 genotype 遺伝型(genotype) genotype(遺伝型) の影響を受ける。
生体内変換の3相
flowchart TD
A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='apolar'>無極性</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lipophilic compound'>脂溶性化合物</span>"]
A --> B["第I相(準備相・酸化相)<br>酸化・還元・加水分解"]
B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Group'>官能基</span>(-OH, -COOH, -SH, -NH₂など)を導入・露出"]
C --> D["第II相(抱合相)<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronidation'>グルクロン酸抱合</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfation'>硫酸抱合</span>・メチル化・アセチル化・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione conjugation'>グルタチオン抱合</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino acid conjugation'>アミノ酸抱合</span>"]
D --> E["水溶性・輸送可能な化合物"]
E --> F["第III相(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='evacuation phase'>排出相</span>)<br>取り込み・排出輸送体"]
F --> G["胆汁 → 便"]
F --> H["血液 → 腎 → 尿"]
第I相を経ずに直接抱合される化合物(すでに-OHをもつモルヒネ・パラセタモールparacetamol パラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール) など)もあり、3相は必ずこの順に全部通るわけではない。
第III相では、代謝物や未変化体が取り込み・排出輸送体(P-糖タンパク質 glycoprotein糖タンパク質(glycoprotein) glycoprotein(糖タンパク質)・MRP2など)で細胞膜を越え、胆汁(→便)または血液から腎(→尿)へ排泄される。胆汁排泄と腎排泄 renal excretion (renal elimination) 腎排泄(renal excretion (renal elimination)) renal excretion (renal elimination)(腎排泄) は並列の出口であり、「血液→胆管→腎→尿」という単一の直列 serial (organ architecture, vs. parallel) 直列(serial (organ architecture, vs. parallel)) serial (organ architecture, vs. parallel)(直列) 経路ではない。
第I相反応の種類
| 反応型reactive反応型(reactive)reactive(反応型) | 例 |
|---|---|
| 水酸化 | 芳香族aromatic芳香族(aromatic)aromatic(芳香族)・脂肪族aliphatic脂肪族(aliphatic)aliphatic(脂肪族)・窒素上 |
| 脱アルキル化dealkylation脱アルキル化(dealkylation)dealkylation(脱アルキル化) | N-, S-, P-脱アルキル化 dealkylation 脱アルキル化(dealkylation) dealkylation(脱アルキル化) (O-脱アルキル化 dealkylation 脱アルキル化(dealkylation) dealkylation(脱アルキル化) も含む:コデイン codeineコデイン(codeine) codeine(コデイン)、フェナセチンphenacetinフェナセチン(phenacetin)phenacetin(フェナセチン)) |
| 脱アミノ化deamination脱アミノ化(deamination)deamination(脱アミノ化) | — |
| N-, S-, P-酸化 | — |
| エポキシ化epoxidationエポキシ化(epoxidation)epoxidation(エポキシ化) | — |
| 還元 | アゾ還元、ニトロ還元、ジスルフィド還元 |
| 加水分解 | エステル・アミドの加水分解 |
関与する酵素: モノオキシゲナーゼmonooxygenaseモノオキシゲナーゼ(monooxygenase)monooxygenase(モノオキシゲナーゼ)、ジオキシゲナーゼdioxygenaseジオキシゲナーゼ(dioxygenase)dioxygenase(ジオキシゲナーゼ)、脱水素酵素、加水分解酵素Hydrolase加水分解酵素(Hydrolase)Hydrolase(加水分解酵素)。
シトクロムP450系
混合機能オキシダーゼmixed function oxygenase混合機能オキシダーゼ(mixed function oxygenase)mixed function oxygenase(混合機能オキシダーゼ)として、多くの臨床薬物の酸化代謝に関与する主要な第I相酵素系である。3
モノオキシゲナーゼ反応
flowchart TD
RH["脂溶性の基質<br>R-H"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450, CYP'>シトクロムP450</span>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='monooxygenase'>モノオキシゲナーゼ</span>)<br>O₂ + <span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)'>NADPH</span> + H⁺ → H₂O + NADP⁺<br>電子は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)'>NADPH</span>-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450, CYP'>シトクロムP450</span>還元酵素(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='flavin adenine dinucleotide'>FAD</span> → FMN)から"| ROH["水酸化された代謝物<br>R-OH"]
💡 「混合機能」=酸素分子の2原子の行き先が「混ざる」。 O₂の1原子は基質に入って-OHになり、もう1原子はNADPHNADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced))由来の電子で還元されて水になる。1つの酵素が「酸化」と「還元」を同時に行うのでこの名がある。NADPHの電子は還元酵素のFADFAD(flavin adenine dinucleotide)からFMNへ渡り、1個ずつヘム鉄 heme iron ヘム鉄(heme iron) heme iron(ヘム鉄) (Fe³⁺ → Fe²⁺)に届く。
系の構成成分
| 成分 | 役割 |
|---|---|
| フラボタンパク(1 FMN + 1 FAD=NADPH-シトクロムP450 cytochrome P450, CYP シトクロムP450(cytochrome P450, CYP) cytochrome P450, CYP(シトクロムP450) 還元酵素) | 恒常的成分constitutive component恒常的成分(constitutive component)constitutive component(恒常的成分)、NADPHから電子を受けてCYPへ渡す |
| シトクロムcytochrome シトクロム(cytochrome)cytochrome(シトクロム) b5(ヘムタンパク) | 恒常的成分constitutive component恒常的成分(constitutive component)constitutive component(恒常的成分)、2個目の電子の供給を補助しうる |
| リン脂質 | 恒常的成分constitutive component恒常的成分(constitutive component)constitutive component(恒常的成分)、膜上で成分どうしを近づける |
| シトクロムP450cytochrome P450, CYP シトクロムP450(cytochrome P450, CYP)cytochrome P450, CYP(シトクロムP450) アイソ酵素(ヘムタンパク) | 可変成分variable component 可変成分(variable component)variable component(可変成分) (基質特異性substrate specificity 基質特異性(substrate specificity)substrate specificity(基質特異性) を決める) |
💡 「P450」という奇妙な名前の由来。 小胞体膜endoplasmic reticulum membrane 小胞体膜(endoplasmic reticulum membrane)endoplasmic reticulum membrane(小胞体膜) に局在するヘムタンパク性モノオキシゲナーゼ monooxygenase モノオキシゲナーゼ(monooxygenase) monooxygenase(モノオキシゲナーゼ) で、NADPHを還元当量 Reducing equivalents 還元当量(Reducing equivalents) Reducing equivalents(還元当量) =電子源 electron source 電子源(electron source) electron source(電子源) として使う。一酸化炭素結合型carbon monoxide-bound form 一酸化炭素結合型(carbon monoxide-bound form)carbon monoxide-bound form(一酸化炭素結合型) が450 nmに吸収極大 absorption maximum吸収極大(absorption maximum) absorption maximum(吸収極大)をもつことに由来する。誘導性inducibility 誘導性(inducibility)inducibility(誘導性) が高く、超遺伝子族supergene family 超遺伝子族(supergene family)supergene family(超遺伝子族) を形成し、著しい遺伝子多型 genetic polymorphism 遺伝子多型(genetic polymorphism) genetic polymorphism(遺伝子多型) を示す。Fe²⁺/Fe³⁺の酸化還元状態 redox state 酸化還元状態(redox state) redox state(酸化還元状態) を変え酸素分子と結合できる。
CYPファミリーと薬物代謝(哺乳類で薬物代謝に関わる4ファミリー)
| ファミリー | 誘導因子 | 基質の例 | 特記事項 |
|---|---|---|---|
| CYP1 | メチルコラントレンmethylcholanthreneメチルコラントレン(methylcholanthrene)methylcholanthrene(メチルコラントレン)、ダイオキシン類、タバコtobacco タバコ(tobacco)tobacco(タバコ) 煙 | 多環芳香族炭化水素polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) 多環芳香族炭化水素(polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH))polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)(多環芳香族炭化水素) (ベンゾピレンbenzopyrene ベンゾピレン(benzopyrene)benzopyrene(ベンゾピレン) など)、テオフィリンtheophyllineテオフィリン(theophylline)theophylline(テオフィリン)、カフェインcaffeineカフェイン(caffeine)caffeine(カフェイン)、フェナセチンphenacetinフェナセチン(phenacetin)phenacetin(フェナセチン) | 誘導には芳香族炭化水素受容体aryl hydrocarbon receptor (AhR) 芳香族炭化水素受容体(aryl hydrocarbon receptor (AhR))aryl hydrocarbon receptor (AhR)(芳香族炭化水素受容体) (AhRAhR, aryl hydrocarbon receptor)が関与 |
| CYP2 | フェノバルビタールphenobarbitalフェノバルビタール(phenobarbital)phenobarbital(フェノバルビタール)、エタノール、アセトンacetoneアセトン(acetone)acetone(アセトン)、ジアゼパムdiazepamジアゼパム(diazepam)diazepam(ジアゼパム)誘導体、ステロイド | 多種多様な異物、アルコール類alcoholsアルコール類(alcohols)alcohols(アルコール類) | フェノバルビタールphenobarbital フェノバルビタール(phenobarbital)phenobarbital(フェノバルビタール) は主にCYP2Bを、エタノール・アセトンacetone アセトン(acetone)acetone(アセトン) はCYP2E1を誘導する |
| CYP3A | ステロイド、リファンピシンなど | 多くの内因性化合物、抗生物質antibiotics抗生物質(antibiotics)antibiotics(抗生物質)、ニフェジピンnifedipineニフェジピン(nifedipine)nifedipine(ニフェジピン)、シクロスポリンcyclosporinシクロスポリン(cyclosporin)cyclosporin(シクロスポリン) | 肝・小腸の主要な薬物代謝酵素 drug-metabolizing enzyme 薬物代謝酵素(drug-metabolizing enzyme) drug-metabolizing enzyme(薬物代謝酵素) 群で、既知の薬物の約30〜50%を代謝4 |
| CYP4 | PPARαPPARα(peroxisome proliferator-activated receptor alpha)を介して:フェノフィブラートfenofibrateフェノフィブラート(fenofibrate)fenofibrate(フェノフィブラート)など。絶食や糖尿病などの代謝状態 metabolic state 代謝状態(metabolic state) metabolic state(代謝状態) でも発現が変化しうる | 脂肪酸、エイコサノイドeicosanoid エイコサノイド(eicosanoid)eicosanoid(エイコサノイド) (ω水酸化) | 主に内因性脂質代謝 lipid metabolism 脂質代謝(lipid metabolism) lipid metabolism(脂質代謝) で重要で、一般的な薬物代謝 drug metabolism 薬物代謝(drug metabolism) drug metabolism(薬物代謝) の主軸とは区別する |
⚠️ ヒトでは57の機能的CYP遺伝子が知られ、外来物・薬物代謝drug metabolism 薬物代謝(drug metabolism)drug metabolism(薬物代謝) の多くは主にCYP1・2・3ファミリーに属する約12酵素が担う。 主に肝に発現するが、肺・腸・皮膚・腎にも存在する。薬物相互作用や個体差 individual variation 個体差(individual variation) individual variation(個体差) はCYP1A2CYP1A2(cytochrome P450 1A2)、CYP2D6、CYP2C9、CYP2C19、CYP3A4CYP3A4(cytochrome P450 3A4)/5など個別アイソフォーム isoform アイソフォーム(isoform) isoform(アイソフォーム) 単位で考える。3
第II相反応(抱合)
第I相で露出した-OH・-NH₂・-COOH・-SHなどに、高エネルギーの「活性化された供与体 donor供与体(donor) donor(供与体)」から大きな極性基を転移する。反応の向きを決めているのは転移酵素ではなく、供与体donor 供与体(donor)donor(供与体) 側の高エネルギー結合である。
flowchart TD
ROH["-OH・-COOH・-NH₂をもつ基質<br>(第I相の代謝物、ビリルビン、ステロイドなど)"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='UDP-glucuronosyltransferase, UGT'>UDP-グルクロン酸転移酵素</span><br>UDP-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronic acid'>グルクロン酸</span> → UDP"| GLU["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronide conjugate'>グルクロン酸抱合体</span>"]
ROH -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfotransferase, ST'>硫酸転移酵素</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate'>PAPS</span> → PAP"| SUL["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfation'>硫酸抱合</span>体"]
CAT["カテコール類・チオプリン"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='methyltransferase'>メチル基転移酵素</span>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='catechol-O-methyltransferase'>COMT</span>・TPMTなど)<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='S-adenosylmethionine'>S-アデノシルメチオニン</span> → S-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='S-adenosylhomocysteine'>アデノシルホモシステイン</span>"| MET["メチル化体"]
AMI["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aromatic amines'>芳香族アミン</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrazine'>ヒドラジン</span><br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isoniazid, H'>イソニアジド</span>など)"] -->|"N-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='acetyltransferase'>アセチル転移酵素</span>(NAT2など)<br>アセチルCoA → CoA"| ACE["アセチル化体"]
ELE["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='electrophilic'>求電子性</span>の代謝物<br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='N-acetyl-p-benzoquinone imine'>NAPQI</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='epoxide'>エポキシド</span>など)"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione S-transferase (GST)'>グルタチオンS-転移酵素</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>"| GSC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione conjugation'>グルタチオン抱合</span>体"]
GSC -->|"γ-グルタミルトランスフェラーゼ・ジ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peptidase'>ペプチダーゼ</span>で切断<br>N-アセチル化(アセチルCoA)"| MER["メルカプツール酸<br>(尿中へ)"]
BEN["安息香酸"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='acyl-CoA'>アシルCoA</span>合成酵素<br>ATP・CoA"| BCOA["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='benzoyl-CoA'>ベンゾイルCoA</span>"]
BCOA -->|"グリシンN-アシル転移酵素<br>グリシン → CoA"| HIP["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hippuric acid'>馬尿酸</span>(尿中へ)"]
| 抱合 | 転移酵素 | 代表的な基質 | 臨床で問題になる個体差 individual variation個体差(individual variation) individual variation(個体差) |
|---|---|---|---|
| グルクロン酸抱合glucuronidationグルクロン酸抱合(glucuronidation)glucuronidation(グルクロン酸抱合) | UDP-グルクロン酸転移酵素UDP-glucuronosyltransferase, UGT UDP-グルクロン酸転移酵素(UDP-glucuronosyltransferase, UGT)UDP-glucuronosyltransferase, UGT(UDP-グルクロン酸転移酵素) (小胞体) | ビリルビン、パラセタモールparacetamolパラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール)、モルヒネ、ステロイド | UGT1A1の活性低下:Gilbert症候群Gilbert syndromeGilbert症候群(Gilbert syndrome)Gilbert syndrome(Gilbert症候群)の間接ビリルビン indirect bilirubin 間接ビリルビン(indirect bilirubin) indirect bilirubin(間接ビリルビン) 上昇、イリノテカンirinotecanイリノテカン(irinotecan)irinotecan(イリノテカン)の活性代謝物 active metabolite 活性代謝物(active metabolite) active metabolite(活性代謝物) SN-38による骨髄抑制・下痢 |
| 硫酸抱合sulfation硫酸抱合(sulfation)sulfation(硫酸抱合) | 硫酸転移酵素sulfotransferase, ST 硫酸転移酵素(sulfotransferase, ST)sulfotransferase, ST(硫酸転移酵素) (細胞質) | パラセタモールparacetamolパラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール)、ステロイド、カテコールアミン | 容量が小さく高用量で飽和しやすい |
| メチル化 | COMTCOMT(catechol-O-methyltransferase)、TPMTなど | カテコールアミン、チオプリン(アザチオプリンazathioprineアザチオプリン(azathioprine)azathioprine(アザチオプリン)・メルカプトプリンmercaptopurineメルカプトプリン(mercaptopurine)mercaptopurine(メルカプトプリン)) | TPMT活性低下でチオプリンによる重い骨髄抑制 |
| アセチル化 | N-アセチル転移酵素 acetyltransferase アセチル転移酵素(acetyltransferase) acetyltransferase(アセチル転移酵素) (細胞質) | イソニアジドisoniazid, Hイソニアジド(isoniazid, H)isoniazid, H(イソニアジド)、ヒドララジンhydralazineヒドララジン(hydralazine)hydralazine(ヒドララジン)、プロカインアミドprocainamideプロカインアミド(procainamide)procainamide(プロカインアミド)、サルファ剤sulfonamidesサルファ剤(sulfonamides)sulfonamides(サルファ剤) | NAT2の遅いアセチル化体質 acetylator phenotype アセチル化体質(acetylator phenotype) acetylator phenotype(アセチル化体質) :イソニアジド isoniazid, H イソニアジド(isoniazid, H) isoniazid, H(イソニアジド) の末梢神経障害、薬剤性ループスdrug-induced lupus薬剤性ループス(drug-induced lupus)drug-induced lupus(薬剤性ループス) |
| グルタチオン抱合glutathione conjugationグルタチオン抱合(glutathione conjugation)glutathione conjugation(グルタチオン抱合) | グルタチオンS-転移酵素glutathione S-transferase (GST) グルタチオンS-転移酵素(glutathione S-transferase (GST))glutathione S-transferase (GST)(グルタチオンS-転移酵素) (主に細胞質) | 求電子性electrophilic 求電子性(electrophilic)electrophilic(求電子性) の反応性代謝物 reactive metabolite反応性代謝物(reactive metabolite) reactive metabolite(反応性代謝物) | グルタチオンglutathione グルタチオン(glutathione)glutathione(グルタチオン) 枯渇で毒性化(パラセタモールparacetamol パラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール) 過量) |
| アミノ酸抱合amino acid conjugationアミノ酸抱合(amino acid conjugation)amino acid conjugation(アミノ酸抱合) | グリシン・タウリンtaurine タウリン(taurine)taurine(タウリン) を結合する転移酵素 | 安息香酸、胆汁酸 | — |
💡 メチル化とアセチル化は水溶性をあまり上げない(むしろ下げることもある)。 大きな電荷をもつグルクロン酸 glucuronic acidグルクロン酸(glucuronic acid) glucuronic acid(グルクロン酸)・硫酸・グルタチオンglutathione グルタチオン(glutathione)glutathione(グルタチオン) と違い、付くのが小さなメチル基 methyl groupメチル基(methyl group) methyl group(メチル基)・アセチル基acetyl group アセチル基(acetyl group)acetyl group(アセチル基) だからである。この2つは「排泄の準備」というより、反応性の高いアミン・カテコールの官能基 Group 官能基(Group) Group(官能基) をふさいで不活化する意味が大きい。
誘導の臨床的意義
酵素誘導enzyme induction 酵素誘導(enzyme induction)enzyme induction(酵素誘導) は薬物相互作用の主要な機序であり、慢性的chronic 慢性的(chronic)chronic(慢性的) な薬物・アルコール・喫煙曝露cigarette smoke 喫煙曝露(cigarette smoke)cigarette smoke(喫煙曝露) が他の薬物の代謝速度を変化させ、治療域を外れさせたり薬効を減弱させたりする。誘導の多くは核内受容体nuclear receptor 核内受容体(nuclear receptor)nuclear receptor(核内受容体) (または転写因子)が異物を感知して酵素遺伝子の転写を増やすことで起こる。
flowchart TD
X["誘導物質<br>(リファンピシン、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phenobarbital'>フェノバルビタール</span>、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tobacco'>タバコ</span>煙、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fibrate'>フィブラート</span>など)"]
X --> R["細胞内の受容体に結合<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='aryl hydrocarbon receptor'>AhR</span>・CAR・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pregnane X receptor'>PXR</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peroxisome proliferator-activated receptor alpha'>PPARα</span>"]
R --> T["核内で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='target gene'>標的遺伝子</span>の転写を増やす"]
T --> P["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450'>CYP</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='UDP-glucuronosyltransferase, UGT'>UDP-グルクロン酸転移酵素</span>・輸送体のタンパク量が増える<br>(新しい酵素の合成が要るので数日〜2週間かけて効いてくる)"]
P --> C1["併用薬の代謝が速まる → 血中濃度低下・効果減弱"]
P --> C2["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prodrugs'>プロドラッグ</span>や<span class='jp-term jp-term-diagram' title='toxic metabolite'>毒性代謝物</span>の生成が増える"]
| 受容体 | 主な誘導物質 | 主に増える酵素 | 臨床での例 |
|---|---|---|---|
| AhR | タバコtobacco タバコ(tobacco)tobacco(タバコ) 煙の多環芳香族炭化水素 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)多環芳香族炭化水素(polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)) polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)(多環芳香族炭化水素)、ダイオキシン類 | CYP1A1・CYP1A2 | 喫煙者ではテオフィリンtheophyllineテオフィリン(theophylline)theophylline(テオフィリン)やクロザピンclozapineクロザピン(clozapine)clozapine(クロザピン)・オランザピンolanzapineオランザピン(olanzapine)olanzapine(オランザピン)の血中濃度が下がり、禁煙すると逆に上がる |
| CAR | フェノバルビタールphenobarbitalフェノバルビタール(phenobarbital)phenobarbital(フェノバルビタール) | CYP2B6など | 抗てんかん薬Antiepileptics 抗てんかん薬(Antiepileptics)Antiepileptics(抗てんかん薬) どうしの相互作用 |
| PXR | リファンピシン、カルバマゼピン、フェニトイン、セイヨウオトギリソウSt John's wortセイヨウオトギリソウ(St John's wort)St John's wort(セイヨウオトギリソウ) | CYP3A4(CYP2C群・UGTUGT(UDP-glucuronosyltransferase)・P-糖タンパク質 glycoprotein 糖タンパク質(glycoprotein) glycoprotein(糖タンパク質) も) | ワルファリン・経口避妊薬・シクロスポリンcyclosporinシクロスポリン(cyclosporin)cyclosporin(シクロスポリン)などの効果減弱 |
| PPARα | フィブラートfibrateフィブラート(fibrate)fibrate(フィブラート) | CYP4A | 脂肪酸のω酸化の亢進 |
⚠️ 誘導は「止めたとき」にも危険になる。 誘導物質を中止すると酵素量は数日〜数週で元に戻るため、誘導下で増量していた併用薬が過量になる。慢性飲酒でCYP2E1が誘導されている人では、パラセタモールparacetamol パラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール) からのNAPQI生成が増えやすい。これに対し酵素阻害enzyme inhibition酵素阻害(enzyme inhibition)enzyme inhibition(酵素阻害)(グレープフルーツジュースgrapefruit juice グレープフルーツジュース(grapefruit juice)grapefruit juice(グレープフルーツジュース) による腸管CYP3A4阻害など)は新しいタンパク合成 protein synthesis タンパク合成(protein synthesis) protein synthesis(タンパク合成) を要さず、数時間のうちに効く。
臨床ではファミリー単位の暗記だけでなく、CYP1A2、CYP2D6、CYP2C9、CYP2C19、CYP3A4/5など個別アイソフォーム isoform アイソフォーム(isoform) isoform(アイソフォーム) ごとの基質・誘導・阻害・遺伝的多型genetic polymorphism 遺伝的多型(genetic polymorphism)genetic polymorphism(遺伝的多型) を確認する。
まとめ
- 生体内変換biotransformation 生体内変換(biotransformation)biotransformation(生体内変換) は多様な基質を重複する基質特異性 substrate specificity 基質特異性(substrate specificity) substrate specificity(基質特異性) の酵素群で処理し、主に極性化 polarization極性化(polarization) polarization(極性化)・排泄を促すが、活性化や毒性化も起こりうる。
- 内因性・外因性化合物の両方を扱い、種間の化学的軍拡競争 chemical arms race 化学的軍拡競争(chemical arms race) chemical arms race(化学的軍拡競争) がその進化的起源。
- 第I相(酸化・還元・加水分解、CYPが主役)で官能基 Group 官能基(Group) Group(官能基) を導入・露出、第II相(抱合)で活性化された供与体 donor 供与体(donor) donor(供与体) (UDP-グルクロン酸 glucuronic acidグルクロン酸(glucuronic acid) glucuronic acid(グルクロン酸)・PAPSPAPS(3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate)・S-アデノシルメチオニンS-adenosylmethionineS-アデノシルメチオニン(S-adenosylmethionine)S-adenosylmethionine(S-アデノシルメチオニン)・アセチルCoA・グルタチオンglutathioneグルタチオン(glutathione)glutathione(グルタチオン)・アミノ酸)から極性基を付け、第III相(輸送体)で排出する。
- CYPはO₂の1原子を基質へ、1原子を水へ入れるモノオキシゲナーゼ monooxygenase モノオキシゲナーゼ(monooxygenase) monooxygenase(モノオキシゲナーゼ) で、電子はNADPH-シトクロムP450 cytochrome P450, CYP シトクロムP450(cytochrome P450, CYP) cytochrome P450, CYP(シトクロムP450) 還元酵素(FAD・FMN)から受け取る。450 nm吸収に名の由来をもつヘムタンパクで、ヒトの薬物代謝 drug metabolism 薬物代謝(drug metabolism) drug metabolism(薬物代謝) は主にCYP1・2・3ファミリーの限られたアイソフォーム isoform アイソフォーム(isoform) isoform(アイソフォーム) が担う。
- 同じ薬物が解毒(パラセタモールparacetamol パラセタモール(paracetamol)paracetamol(パラセタモール) の硫酸・グルクロン酸抱合glucuronidationグルクロン酸抱合(glucuronidation)glucuronidation(グルクロン酸抱合))にも毒性活性化 toxic bioactivation 毒性活性化(toxic bioactivation) toxic bioactivation(毒性活性化) (NAPQI)にもなりうる。コデインcodeine コデイン(codeine)codeine(コデイン) →モルヒネはCYP2D6によるプロドラッグ活性化 Prodrug activation プロドラッグ活性化(Prodrug activation) Prodrug activation(プロドラッグ活性化) の代表例で、超高速代謝者ultrarapid metabolizer 超高速代謝者(ultrarapid metabolizer)ultrarapid metabolizer(超高速代謝者) ではコデイン codeine コデイン(codeine) codeine(コデイン) を避ける。
- 第II相酵素phase 2 enzymes 第II相酵素(phase 2 enzymes)phase 2 enzymes(第II相酵素) の多型(UGT1A1、TPMT、NAT2)は、Gilbert症候群Gilbert syndromeGilbert症候群(Gilbert syndrome)Gilbert syndrome(Gilbert症候群)・イリノテカンirinotecan イリノテカン(irinotecan)irinotecan(イリノテカン) 毒性・チオプリン毒性・イソニアジドisoniazid, H イソニアジド(isoniazid, H)isoniazid, H(イソニアジド) 神経障害として臨床に現れる。
- 誘導はAhR・CAR・PXRPXR(pregnane X receptor)・PPARαなどが転写を増やす現象で、効くのにも消えるのにも日数を要する。阻害は速やかに効く。
出典
- 1.Population Pharmacokinetic Quantification of CYP2D6 Activity in Codeine Metabolism in Ambulatory Surgical Patients for Model-Informed Precision Dosing(Clinical Pharmacokinetics・2024)CYP2D6がコデインをO脱メチル化してモルヒネを生成し、遺伝型がモルヒネ曝露を左右すること閲覧 2026-08-20
- 2.Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium Guideline for CYP2D6, OPRM1, and COMT Genotypes and Select Opioid Therapy(Clinical Pharmacology & Therapeutics(CPIC)・2021)Consensus の全文抜粋(Table 2 と本文)で確認。CYP2D6超高速代謝者(活性スコア>2.25)はモルヒネ生成が増えて毒性リスクが高いためコデインを避ける(推奨の強さ strong)、中間代謝者はモルヒネ生成が減ること、低代謝者(活性スコア0)は効果不十分のためコデインとトラマドールを避けること、健常ボランティアで超高速代謝者のモルヒネAUC中央値が通常代謝者より45%高かったこと、標準用量でも重篤な有害事象の症例報告があること閲覧 2026-09-27
- 3.Cytochrome P450 enzymes in drug metabolism: regulation of gene expression, enzyme activities, and impact of genetic variation(Pharmacology & Therapeutics・2013)ヒトの57機能的CYP遺伝子のうち主にCYP1・2・3の約12酵素が臨床薬の70〜80%の代謝に関与すること閲覧 2026-08-20
- 4.CYP3A4 and CYP3A5: the crucial roles in clinical drug metabolism and the significant implications of genetic polymorphisms(PeerJ・2024)CYP3A4・CYP3A5が既知の薬物の約30〜50%を代謝し、遺伝的多型が薬物応答へ影響すること閲覧 2026-08-20