Biotransformation

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 25. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Als Biotransformation wird ein Prozess im Stoffwechsel bezeichnet, bei dem Stoffe, die nicht ausgeschieden werden können, mit Hilfe chemischer Vorgänge in ausscheidbare Produkte umgewandelt werden.

Was ist die Biotransformation?

Im Rahmen der Biotransformation werden lipophile Substanzen in hydrophilere Stoffe umgewandelt. Die Reaktionen, die für die Biotransformation notwendig sind, laufen vorwiegend in der Leber ab.

Im Rahmen der Biotransformation werden lipophile Substanzen in hydrophilere Stoffe umgewandelt. Durch die Transformation wird in weiterer Folge eine Ausscheidung ermöglicht.

Die Reaktionen, die für die Biotransformation notwendig sind, laufen vorwiegend in der Leber ab. Insgesamt besteht eine Biotransformation aus zwei verschiedenen Phasen.

Funktion & Aufgabe

Im menschlichen Organismus fallen im Rahmen des physiologischen Stoffwechsels immer wieder Stoffe an, die über den Stuhl oder den Harn nicht ausgeschwieden werden können. Diese Substanzen sind sehr häufig lipophil (zum Beispiel Steroidhormone und Gallenfarbstoffe), das heißt, sie sind nicht oder nur sehr schwer wasserlöslich. Des Weiteren nimmt der Körper auch mit der Nahrung Fremdstoffe bzw. synthetisierte Substanzen wie Medikamente oder Drogen auf. Würden sich diese Stoffe im Körper ansammeln, so wäre es tödlich. Daher ist es notwendig, sie in eine ausscheidbare Form umzuwandeln. Dieser Vorgang wird als Biotransformation bezeichnet.

Die Biotransformation besteht aus zwei verschiedenen Phasen: Phase-I-Reaktionen fügen in Fremdstoffe oder Metabolite funktionelle Gruppen ein, mit Hilfe des Häm-Proteins Cytochrom-P450-Enzym. Auf Grund der großen Anzahl von Giftstoffen gibt es auch eine Vielzahl von CYP 450. Ein Enzym ist dabei in der Lage, viele Substanzen umzuwandeln. In der ersten Phase werden Giftstoffe neutralisiert und in weiterer Folge in kleine Moleküle zerteilt.

In der nächsten Phase werden diese dann wasserlöslich und über Atemluft, Harn oder Schweißsekretion ausscheidbar gemacht. In der zweiten Phase findet dabei eine Verbindung der Zwischenprodukte oder Fremdstoffe aus Phase I mit wasserlöslichen Stoffen statt. Dadurch kann deren Wasserlöslichkeit erhöht werden. Außerdem werden die Reaktionsprodukte entgiftet und ausgeschieden.

Nach Phase II finden Transportvorgänge über das Lymphsystem, den Blutkreislauf sowie Transportproteine statt, wobei es hier jedoch teilweise nicht zur Verstoffwechselung kommt. Des Weiteren treten noch verschiedene Reaktionen wie der Abbau von GSS6/GSH zu Glukomat, Cystein bzw. N-Acetylcystein auf.

Der Membrantransport wird mit Hilfe von speziellen Carriern, wie zum Beispiel durch die Multidrug Resistance-Related Proteine, durchgeführt. Die Produkte, die in Phase II entstehen, werden als Konjugate bezeichnet. Diese biologisch aktiven bzw. giftigen Stoffe werden vom Körper dabei nicht gezielt als solche erkannt. Vielmehr ist der Prozess auf die Enzyme zurückzuführen, die über eine recht geringe Substratspezifität verfügen. Dadurch werden Reaktionen bei einer ganzen Substanzgruppe hervorgerufen.

Krankheiten & Beschwerden

Der Prozess der Biotransformation bringt allerdings auch Risiken mit sich. So kann auch eine harmlose Substanz auch zu einem Toxin umgewandelt werden. Ein Beispiel dafür wäre Aflatoxin B1, das aus dem so genannten Aspergillus flavus stammt, der in schlecht gelagerten Pistazien, Erdnüssen oder Mais zu finden ist. Das Molekül, das vom Pilz produziert wird, ist zunächst nicht aktiv und gelangt mit der Nahrung in die Leber. Dort wird es durch das Cytochrom-P450-Enzym zu einem Metaboliten verändert, der eine krebserregende Wirkung hat.

Wenn aus einer Substanz durch Biotransformation ein giftiger Metabolit entsteht, so wird dieser Vorgang als Giftung bezeichnet. Ein weiteres Beispiel dafür ist Methanol, das normalerweise nicht giftig ist. Durch den Abbau wird es jedoch in Formaldehyd bzw. Ameisensäure transformiert.

Aus Morphin entsteht in der Leber das so genannte Morphin-6-Glucuronid, das eine noch deutlich stärkere Wirkung als Morphin hat. Eise Umwandlungseffekte werden auch First-Pass-Effekte genannt.

Der Vorgang hat außerdem Einfluss auf Medikamente. Durch den Stoffwechsel verlieren diese an Aktivität und werden von der Leber aus dem Blut der Pfortader extrahiert. Es kann sich aber auch hier Toxizität ergeben, wobei ein Beispiel dafür die Metabolisierung von Paracetamol und Alkohol wäre. Da der Abbau von Alkohol und einigen Medikamenten über das gleiche microsomale Ethanol-oxidierende System erfolgt, kann die Wirkung von Arzneimitteln in Kombination mit Alkohol potenziert werden.

Störungen der Biotransformation vollziehen sich auf drei verschiedenen Ebenen:

durch eine gesteigerte bzw. verminderte Aktivität von so genannten mikrosomalen Enzymen (vorwiegend in Phase I)
auf Grund von Störungen der biliären Ausscheidung
auf Grund einer verminderten Aufnahme von Xenobiotika in die Zellen der Leber.

Der Vorgang, lipophile Stoffe in hydrophile Substanzen umzuwandeln, wird auch bei körpereigenen Molekülen wie Bilirubin oder Steroidhormonen angewendet. Dadurch werden diese inaktiviert und in weiterer Folge ausgeschieden. Bei einer chronischen Leberinsuffizienz können die Östrogene jedoch nicht inaktiviert bzw. ausgeschieden werden, wodurch es zu einer Anreicherung im Körper kommt.

Bilirubin entsteht beim Abbau von Porphyrinen. In höherer Konzentration hat es eine toxische Wirkung und sollte daher vom Organismus eliminiert werden. Allerdings kann es hier zu Transportstörungen kommen, darunter beispielsweise das Gilbert-Meulengracht-Syndrom, das Rotor-Syndrom oder das Dubin-Johnson-Syndrom.

Störungen der Biotransformation können aber auch bei Früh- oder Neugeborenen auftreten. Die Glukuronidierungskapazität der Leber ist bei ihnen noch nicht genügend ausgebildet, sodass Medikamente bzw. Bilirubin nur unzureichend umgewandelt und ausgeschieden werden können. Bei bestimmten Lebererkrankungen wie Leberzirrhose oder Hepatitis kann es ebenfalls zu einer Beeinträchtigung der Aktivität der Biotransformationsenzyme kommen. Meistens sind die Phase-I-Reaktionen dann stärker davon betroffen, als die der Phase II. Medikamente werden auch hier verlangsamt umgewandelt und ausgeschieden, wodurch deren Halbwertszeit verlängert wird, was auch therapeutisch berücksichtigt werden sollte.

Quellen

Hahn, J.-M.: Checkliste Innere Medizin. Thieme, Stuttgart 2013
Herold, G.: Innere Medizin. Selbstverlag, Köln 2016
Piper, W.: Innere Medizin. Springer, Berlin 2013

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