Přednáška je zaměřena na osvojení si základních pojmů o cizorodých látkách (xenobiotikách) a jejich osudu v organismech. Tento kurz je určen pro studenty chemických oborů, především biochemikům. Nejdříve budou podány informace o typech xenobiotik (hydrofobní a hydrofilní xenobiotika), potom budou studenti seznámeni s jejich osudem v organismech (vstup a transport v organismech, transport přes membrány, biotrasformace, eliminace, exkrece). Studenti budou rovněž informováni o farmakokinetice xenobiotik a jejich vlivu na procesy intermediárního metabolismu. Z xenobiotik budou v tomto ohledu detailně probrány těžké kovy, polutanty vnějšího prostředí, složky průmyslových polutantů, výfukových plynů, léčiva, potenciální toxikanty, mutageny, teratogeny, karcinogeny. Detailní informace budou rovněž podány o metabolických přeměnách xenobiotik (aktivace a detoxikace), jmenovitě derivatisační a konjugační fáze biotransformace, a reakcích participujících na těchto přeměnách (oxidace, redukce, konjugace, hydrolysa). Zvláštní zřetel bude brán na informace o enzymech, které xenobiotika metabolizují (oxidasy se smíšenou funkcí obsahující cytochromy P450 jako terminální oxidasy, flavinové monooxygenasy, dioxygenasy, peroxidasy, reduktasy, transferasy) a jejich regulaci.
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (17.02.2020)
The aim of the course is to make students familiar with the fate of xenobiotics in organisms. The course is a lecture useful for chemists and especially for biochemists. At first, essential informations on hydrophilic and hydrophobic xenobiotics is given. In addition, the fate of xenobiotics in organisms (entry to organisms, transport in organisms and into the cells, biotransformation, elimination, excretion) is shown in details. The students are also informed on pharmacokinetics of xenobiotics and the effects of hydrophilic and hydrophobic xenobiotics on the metabolic processes (target metabolic pathways for individual xenobiotics - e.g. heavy metals, air pollutants, car exhausts, industrial pollutants, drugs, potential toxicants, mutagens, teratogens, and carcinogens). Metabolic conversion of xenobiotics in organisms (biotransformation - activation and detoxication) is shown in details. Namely, two phases of biotransformation: (i) derivatization and (ii) conjugation of xenobiotics, types of reactions involved in both phases of xenobiotic biotrasformation (oxidative, reductive, conjugative reactions, hydrolysis). Moreover, enzymes participating in xenobiotic biotransformation (the system of microsomal mixed function oxidases/oxygenases containing cytochromes P450 as terminal oxidases, microsomal monooxygenases containing flavine, peroxidases, reductases, amidases, esterases, epoxid hydrolase, UDP-glucuronoside transferase, sulphotransferases, glutathione-S-transferases, aminoacyltransferases) are trained in details, too. Finally, regulation of processes involved in xenobiotic biotransformation is shown.
Lectures - in Czech - and English
Lectures are delivered in Czech to Czech students. For Erasmus students the lectures are in English. Depending on the number of students enroled the course is arranged as lectures or in another way (colloquium, consultations).
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (17.02.2020)
Literatura
Voet D., Voet J.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc. 1990.
Gibson, G. Gordon Skett, Paul. Introduction to drug metabolism . Cheltenham, UK: Nelson Thornes Publishers, 2001, 256 s.
Testa B., Kramer S.D.: The biochemistry of Drug metabolism, John Wiley & Sons, Inc. 2010.
Švihovec J., Bultas J., Anzenbacher P., Chládek J., Příborský J., Slíva J., Votava M.: Farmakologie, Grada publishing, a. s., 2018, zejména kapitola farmakokinetika
Skálová L., Boušová I., a kolektiv.: Metabolismus léčiv a jiných xenobiotik, Karolinum, 2011
Ioannides C.: Cytochromes P450: Role in the Metabolism and Toxicity of Drugs and Other Xenobiotics, RSC publishing 2008
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (15.09.2021)
Požadavky ke zkoušce -
Výuka začíná v zimním semestru 2025 již 29. 9. 2025
Zkouška je písemná v rozsahu přednášené látky. Po úspěšném absolvování testu je v případě nespokojenosti s klasifikací možnost ústního přezkoušení.
V případě písemného testu je pro jeho úspěšné absolvování potřeba získat alespoň 60 % bodů.
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (25.09.2025)
The exam is written in the scope of the lectured material
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (30.09.2022)
Sylabus -
1. Osud xenobiotik v organismech, ADME (vstup a transport v organismech, transport přes membrány, biotransformace, eliminace, exkrece)
2. Hydrofilní a hydrofobní cizorodé látky (xenobiotika)
3. Vliv hydrofilních a hydrofobních xenobiotik na metabolické procesy v organismech (cílové zásahy xenobiotik - těžkých kovů, vzdušných a průmyslových polutantů, výfukových plynů, léčiv, potenciálních toxikantů, mutagenů, teratogenů, karcinogenů) do intermediárního metabolismu
4. Metabolická přeměna xenobiotik (aktivace, detoxikace), derivatizační fáze biotransformace, Typy reakcí participujících na biotranformaci xenobiotik (oxidace, redukce, hydrolysa)
5. Konjugační fáze biotransformace xenobiotik
6. Membránové transportery a jejich úloha v přenosu látek
7. Dioxygenasy, Monooxygenasy - Systém oxidas, oxygenas se smíšenou funkcí obsahující cytochromy P450 jako terminální oxidas (MFO systém) - struktura, funkce, NADPH:CYP reduktasa, cytochrom b5
8. Regulace biotransformace xenobiotik
9. Flavinové monooxygenasy, peroxidasy
10. Další biotrnsformační enzymy - alkohol a aldehyd dehydrogenasa, Molybdenové hydroxylasy obsahující flavin, Monoamin oxidasy, DT diaforasa
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (11.03.2025)
Fate of Xenobiotics in Organisms: ADME (absorption and transport within organisms, membrane transport, biotransformation, elimination, and excretion).
Hydrophilic and Hydrophobic Xenobiotics: Characterization of foreign substances based on their solubility properties.
Impact on Metabolic Processes: The influence of hydrophilic and hydrophobic xenobiotics on metabolic processes in organisms, including targeted interventions by heavy metals, airborne and industrial pollutants, exhaust gases, pharmaceuticals, potential toxicants, mutagens, teratogens, and carcinogens within intermediary metabolism.
Metabolic Transformation of Xenobiotics: Processes of activation and detoxification; the derivatization phase of biotransformation; and the types of reactions involved—oxidation, reduction, and hydrolysis.
Conjugation Phase of Biotransformation: Mechanisms and significance of the conjugation reactions in xenobiotic metabolism.
Membrane Transporters: Classification and role of membrane transporters in the transfer of substances.
Dioxygenases and Monooxygenases: The oxidase/oxygenase system with mixed function, featuring cytochrome P450 as the terminal oxidase (MFO system)—its structure, function, NADPH:cytochrome P450 reductase, and cytochrome b5.
Regulation of Xenobiotic Biotransformation: Mechanisms controlling the biotransformation processes of xenobiotics.
Flavin-Containing Monooxygenases and Peroxidases: Structure, function, and regulatory aspects of these enzyme classes.
Other Biotransformation Enzymes: Alcohol and aldehyde dehydrogenases; molybdenum-containing hydroxylases with flavin; monoamine oxidases; and DT diaphorase.
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (11.03.2025)
Výsledky učení -
Student:
I
Analyzuje proces ADME xenobiotik v organismu a popisuje, jak fyzikálně-chemické vlastnosti látek a fyziologické faktory ovlivňují jednotlivé fáze.
Vysvětluje různé mechanismy membránového transportu a vzájemně je porovnává.
Identifikuje faktory, které ovlivňují průchod xenobiotik přes biologické membrány a vysvětluje, jak jej ovlivňují. Aplikuje Henderson-Hasselbalchovu rovnici pro výpočet poměru ionizované a neionizované formy xenobiotika v závislosti na pH prostředí.
Hodnotí význam biologické dostupnosti léčiv, včetně faktorů, které ji ovlivňují.
II
Definuje těžké kovy a uvádí vlastnosti, které je činí toxickými, popisuje jejich zdroje v životním prostředí, použití a zdravotní účinky.
Vysvětluje obecné i specifické mechanismy působení těžkých kovů včetně jejich působení na enzymy důležitých metabolických drah, oxidační stres či ovlivnění aktivity membrán.
Hodnotí obranné mechanismy rostlin proti toxicitě těžkých kovů a aplikuje tyto znalosti na možnosti fytoremediace.
III
Definuje základní pojmy problematiky znečištění ovzduší a charakterizuje hlavní polutanty s ohledem na jejich vznik a dopad na životní prostředí a lidské zdraví.
Posuzuje toxikologický význam oxidů dusíku a dusičnanů, identifikuje rizikové skupiny populace a uvádí další látky, které mohou tyto stavy způsobit.
Porovnává londýnský , ústecký a losangelský smog, vysvětluje rozdíly v jejich vzniku, chemickém složení a hodnotí jejich dopady na lidské zdraví a životní prostředí.
Student analyzuje rizika spojená s expozicí azbestu, popisuje typy azbestových vláken a mechanismy vzniku onemocnění.
Diskutuje možnosti znečištění vnitřního prostředí.
IV
Popisuje proces biotransformace xenobiotik, rozlišuje detoxikaci a aktivaci xenobiotik.
Vysvětluje a porovnává mechanismy reakcí I. fáze biotransformace xenobiotik, Aplikuje tyto znalosti a predikuje, jak budou xenobiotika metabolizována, uvádí příklady enzymů, které se na těchto reakcích podílejí.
V
Student porovnává a analyzuje jednotlivé typy konjugačních reakcí a specifikuje konjugační činidla a enzymy, které se na nich podílejí.
Vysvětluje a analyzuje vliv střevní mikroflóry a enterohepatální cirkulace na konjugační procesy a eliminaci xenobiotik.
VI
Klasifikuje transportéry do rodin ABC a SLC, popisuje jejich strukturu, mechanismus účinku a energetické požadavky, a uvádí příklady významných transportérů z obou rodin a jejich roli v transportu léčiv.
Analyzuje úlohu transportérů ve farmakokinetice léčiv a vysvětluje, jak exprese a aktivita transportérů v různých tkáních ovlivňuje biologickou dostupnost a účinnost léčiv.
Popisuje mechanismy mnohočetné lékové rezistence (MDR).
Vysvětluje princip a porovnává různé metody stanovení profilu membránových transportérů v laboratoři.
VII
Analyzuje rozdíly mezi dioxygenasami a monooxygenasami a klasifikuje je do skupin na základě jejich mechanismu a substrátové specificity.
Popisuje složení MFO systému a vysvětluje funkci jednotlivých komponent, které strukturně charakterizuje včetně vzájemných interakcí.
Interpretuje reakční mechanismy MFO systému s využitím různých typů substrátů a vzájemně je porovnává.
Popisuje strukturu a funkci NADPH: cytochrom P450 oxidoreduktasy (CPR), včetně koenzymů FAD a FMN, a vysvětluje mechanismus přenosu elektronů z NADPH na cytochrom P450.
VIII
Klasifikuje Cytochromy P450 do rodin a podrodin a uvádí příklady významných CYP izoenzymů, jejich lokalizaci, zastoupení a substrátovou specifitu s ohledem na metabolismus xenobiotik a léčiv.
Analyzuje faktory ovlivňující expresi a aktivitu CYP izoenzymů a vysvětluje, jak tyto faktory přispívají k inter a intraindividuální variabilitě v metabolismu xenobiotik.
Popisuje mechanismy indukce CYP prostřednictvím různých nukleárních receptorů a uvádí příklady induktorů a možných lékových interakcí.
Hodnotí význam inhibice CYP, popisuje různé typy inhibice a uvádí příklady inhibitorů a riziko lékových interakcí.
Demonstruje vliv genetického polymorfismu CYP na farmakokinetiku a farmakodynamiku léčiv, a vysvětluje, jak genotypizace CYP isoenzymů může být využita pro individualizaci farmakoterapie.
IX
Porovnává flavinové monoxygenasy (FMO) a cytochromy P450 (CYP) s ohledem na jejich strukturu, mechanismus katalýzy, substrátovou specifitu a regulaci, a vysvětluje, jak tyto rozdíly ovlivňují jejich roli v biotransformaci xenobiotik.
Analyzuje mechanismus katalytického cyklu FMO.
Klasifikuje peroxidasy a popisuje strukturu modelových zástupců.
Vysvětluje mechanismus peroxidázové reakce i s ohledem na strukturní odlišnosti jednotlivých typů.
Uvádí další důležité zástupce peroxidas a popisuje jejich funkci a specifika.
Porovnává strukturu aktivního centra peroxidáz a cytochromů P450.
X
Popisuje metabolismus ethanolu (oxidační a neoxidační cesty), vysvětluje odlišnosti s metabolismem methanolu a jiných alkoholů a hodnotí rizika jejich konzumace a vysvětluje mechanismus účinku látek používaných v terapii otrav methanolem či v léčbě alkoholismu.
Hodnotí vliv genetických polymorfismů hlavních biotransformačních enzymů na metabolismus alkoholu.
Popisuje strukturu a funkci xanthin oxidoreduktasy, vysvětluje mechanismus přeměny XD na XO a katalytický cyklus.
Uvádí příklady i dalších biotransformačních enzymů (AO, MAO, NQO1, esterasy, hydrolasy,…), popisuje jejich strukturu a funkci
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (11.03.2025)
I. ADME
The student analyzes the absorption, distribution, metabolism, and excretion (ADME) of xenobiotics in the organism and describes how the physicochemical properties of substances and physiological factors influence each phase.
The student explains various mechanisms of membrane transport and compares them critically.
The student identifies factors that affect the passage of xenobiotics through biological membranes and explains their influence. In addition, the student applies the Henderson–Hasselbalch equation to calculate the ratio of ionized to non-ionized forms of a xenobiotic, depending on the pH of the environment.
The student evaluates the significance of drug bioavailability, including the various factors that modulate it.
II. Heavy Metals and Their Toxicological Effects
The student defines heavy metals and outlines the properties that render them toxic, describing their environmental sources, applications, and associated health effects.
The student explains both general and specific mechanisms by which heavy metals exert their toxic effects, including their impact on enzymes involved in key metabolic pathways, the induction of oxidative stress, and the modulation of membrane activity.
The student assesses the defense mechanisms of plants against heavy metal toxicity and applies this knowledge to the prospects of phytoremediation.
III. Air Pollution and Related Toxicological Issues
The student defines the fundamental concepts of air pollution and characterizes the main pollutants with respect to their origin and impact on the environment and human health.
The student evaluates the toxicological significance of nitrogen oxides and nitrates, identifies at-risk population groups, and enumerates additional substances that may provoke these conditions.
The student compares the London and Los Angeles smogs, elucidating the differences in their formation and chemical composition, and evaluates their impacts on human health and the environment.
The student analyzes the risks associated with asbestos exposure, describes the types of asbestos fibers, and explains the mechanisms underlying disease development.
The student discusses the potential for indoor environmental pollution.
IV. Biotransformation of Xenobiotics – Phase I Reactions
The student describes the process of xenobiotic biotransformation, distinguishing between detoxification and activation pathways.
The student explains and compares the mechanisms of phase I biotransformation reactions, applies this knowledge to predict the metabolic fate of xenobiotics, and provides examples of the enzymes involved.
V. Conjugation of Xenobiotics
The student compares and analyzes the various types of conjugation reactions, specifying the conjugation agents and enzymes involved.
The student discusses the activation of xenobiotics through conjugation reactions.
The student explains and analyzes the impact of the intestinal microbiota and enterohepatic circulation on conjugation processes and the elimination of xenobiotics.
VI. Membrane Transporters and Their Role in Pharmacokinetics
The student classifies transporters into the ABC and SLC families, describes their structure, mechanisms of action, and energy requirements, and provides examples of significant transporters from both families along with their roles in drug transport.
The student analyzes the role of transporters in drug pharmacokinetics and explains how the expression and activity of transporters in various tissues affect drug bioavailability and efficacy.
The student describes the mechanisms underlying multidrug resistance (MDR).
The student explains the principles and compares various laboratory methods used to profile membrane transporters.
VII. Enzymatic Systems in Biotransformation – The MFO System
The student analyzes the differences between dioxygenases and monooxygenases, classifying them into groups based on their mechanisms and substrate specificities.
The student describes the composition of the mixed-function oxidase (MFO) system and explains the function of its individual components, providing structural characterizations and detailing their mutual interactions.
The student interprets the reaction mechanisms of the MFO system using various substrate types and compares these mechanisms.
The student describes the structure and function of NADPH:cytochrome P450 oxidoreductase (CPR), including the roles of the coenzymes FAD and FMN, and explains the mechanism of electron transfer from NADPH to cytochrome P450.
VIII. Cytochrome P450 – Regulation and Variability
The student classifies cytochrome P450 enzymes into families and subfamilies, providing examples of significant CYP isoenzymes, and describes their localization, prevalence, and substrate specificity in relation to the metabolism of xenobiotics and drugs.
The student analyzes the factors that influence the expression and activity of CYP isoenzymes and explains how these factors contribute to inter- and intra-individual variability in xenobiotic metabolism.
The student describes the mechanisms of CYP induction via various nuclear receptors and provides examples of inducers and potential drug interactions.
The student evaluates the significance of CYP inhibition, describes the different types of inhibition, and provides examples of inhibitors along with the associated risks of drug interactions.
The student demonstrates the impact of genetic polymorphism in CYP enzymes on the pharmacokinetics and pharmacodynamics of drugs and explains how CYP isoenzyme genotyping can be used to individualize pharmacotherapy.
IX. Other Enzymes and Peroxidases
The student compares flavin-containing monooxygenases (FMO) and cytochrome P450 enzymes (CYP) in terms of their structure, catalytic mechanisms, substrate specificity, and regulatory properties, elucidating how these differences affect their roles in xenobiotic biotransformation.
The student analyzes the mechanism of the catalytic cycle of FMOs.
The student classifies peroxidases and describes the structure of representative model enzymes.
The student explains the mechanisms of peroxidase reactions while considering the structural differences among various types.
The student identifies other significant peroxidase representatives and describes their functions and specific characteristics.
The student compares the structure of the active sites of peroxidases with those of cytochrome P450 enzymes.
X. Metabolism of Ethanol and Other Biotransformation Enzymes
The student describes the metabolism of ethanol via both oxidative and non-oxidative pathways, explains the differences compared to the metabolism of methanol and other alcohols, evaluates the risks associated with their consumption, and elucidates the mechanisms of action of agents used in the treatment of methanol poisoning or alcoholism.
The student assesses the impact of genetic polymorphisms in key biotransformation enzymes on the metabolism of alcohol.
The student describes the structure and function of xanthine oxidoreductase, explains the mechanism of conversion from xanthine dehydrogenase (XD) to xanthine oxidase (XO), and outlines its catalytic cycle.
The student provides examples of additional biotransformation enzymes (e.g., aldehyde oxidase [AO], monoamine oxidase [MAO], NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 [NQO1], esterases, hydrolases, etc.), describes their structure and function, compares their mechanisms of action, and identifies key differences and similarities.
Poslední úprava: Černá Věra, RNDr., Ph.D. (28.03.2025)
