Samenvatting bij de 2e druk van Algemene farmacologie van Van Ree en Breimer

Algemene farmacologie: Welke toedieningswegen zijn er? - Chapter 2

Toedieningsvormen via de mond

De keuze van de toedieningsvorm hangt af van de volgende factoren:

• De gewenste plaats van werking;

• De hoogte van de dosis;

• Het gewenste starttijdstip en duur van de werking;

• Comedicatie;

• Farmaceutische aspecten;

• Economische factoren.

Dragees: tabletten met een deklaag

De drageekern of het tablet wordt voorzien van een deklaag van bijvoorbeeld was.

Dit gebeurt om verschillende redenen, die hieronder genoemd worden:

• Het goed houden van de tabletten;

• Het verhullen van een onaangename smaak of geur;

• Het vergemakkelijken van het inslikken;

• Het aanbrengen van een kleurkenmerk;

• Het beschermen van de werkzame stof tegen de zuurgraad van de maag.

Capsules

Dragees bestaan meestal uit een lange huls, gewoonlijk van gelatine, waarin de werkzame stof in de vorm van een poeder, een granulaat of een oplossing aanwezig is.

Matrixtabletten

Bij matrixtabletten is de werkzame stof in een matrix ingebed. Deze werkzame stof komt door diffusie vrij bij het natmaken van het tablet. Bij gebruik van vaste toedieningsvormen moet eerst het tablet uiteenvallen of de capsule opengaan (desintegratie) en het geneesmiddel oplossen (dissolutie). Hierdoor kan de werkzame stof worden opgenomen door het maagdarmstelsel (resorptie). Omdat desintegratie en dissolutie een tijdje duurt, zal de resorptie voornamelijk in de darm plaatsvinden. Bij toedienen van een oplossing, begint de resorptie al in de maag. Ter bescherming van zuurgevoelige werkzame stoffen kan de desintegratie in de maag worden verhinderd met een deklaag. De desintegratie en de dissolutie vinden dan plaats in de dunne darm. De resorptie zal bij tabletten en capsules in de darm plaatsvinden. De resorptie van het geneesmiddel uit matrixtabletten of in de vorm van een oplossing begint al in de maag.

De vrijmaking van de werkzame stoffen kan worden vertraagd door:

• Een deklaag, zoals bij matrixtabletten en tabletten. Door de dikte van de deklaag aan te passen kun je ervoor zorgen dat de stof in een bepaald deel van het maagdarmkanaal wordt opgenomen.

• Speciale productiemiddelen, zoals bij capsules het geval is.

Retardtabletten hebben tegenover retardcapsules het voordeel dat ze willekeurig deelbaar zijn: ook kleinere aparte doses dan het complete tablet zijn mogelijk. De vertraagde afgifte van de werkzame stof wordt toegepast als een snelle opname van de werkzame stof in het bloed niet gewenst is, of als bij werkzame stoffen met een heel korte verblijftijd in het lichaam de werking moet worden vertraagd door een gelijkmatige nalevering vanuit de darm.

Verdeling van geneesmiddelen in het lichaam

Geneesmiddelen bereiken hun doelorganen gewoonlijk via het bloed. Farmaca moeten dus eerst in het bloed terechtkomen en dat gebeurt in de aderen van de bloedsomloop. Verschillende toedieningswijzen betreffen de volgende:

• oraal

• rectaal

• Sublinguaal: onder de tong

• Buccaal: via het wangslijmvlies

• Door middel van inhalatie

• transdermaal

• intraveneus: rechtstreeks in de bloedbaan geïnjecteerd of geïnfundeerd

• subcutaan: injectie onderhuids waarbij de werkzame stof eerst door diffusie vanuit de plaats van toediening in het bloed moet terechtkomen

• intramusculair: injectie in de spier, waarbij de werkzame stof door diffusie vanuit de spier in het bloed moet terechtkomen.

De intramusculaire, subcutane en intraveneuze toedieningswijzen brengen verwondingen met zich mee en dus risico op infectie. Daarom wordt vaker gekozen voor orale toediening. Het nadeel van orale toediening is dat de geneesmiddelen de lever moeten passeren om in het bloed te kunnen komen.

De lever kan het geneesmiddel metaboliseren, waardoor het (deels) onwerkzaam wordt (het zogenaamde first pass effect). Geneesmiddelen moeten vaak ook de longen passeren. Hier kunnen vooral hydrofobe stoffen worden tegengehouden. Zij belemmeren zo een snelle concentratiestijging in het perifere bloed na intraveneuze injectie.

De passage door de lever wordt volledig vermeden als de resorptie buccaal of sublinguaal plaatsvindt, omdat het veneuze vloed vanuit het mondslijmvlies in de bovenste holle ader afvloeit. Ook via inhalatie wordt passage van de lever vermeden. Inhalatie heeft echter vaak een lokaal effect, en bijna nooit een systematisch effect. Transdermale toedieningswijzen (via de opperhuid) hebben als voordeel dat de werkzame stof met constante snelheid uit het reservoir wordt vrijgegeven. Er zijn maar weinig stoffen die transdermaal gegeven kunnen worden. De snelheid waarmee het geneesmiddel in het lichaam terechtkomt, hangt ook af van de plaats en wijze van toediening. Het gebeurt het snelst via een intraveneuze injectie, minder snel bij intramusculaire toediening en langzaam bij subcutane toediening. Na het aanbrengen van de werkzame stof op het mondslijmvlies (buccaal, sublinguaal) komt de werkzame stof sneller in het bloed dan bij de gebruikelijke orale toediening van een tablet, omdat het geneesmiddel rechtstreeks op de resorptieplaats wordt gebracht. Daarnaast ontstaat er bij sublinguale/buccale toediening een zeer hoge concentratie van het geneesmiddel in het speeksel, wat de opname via het epitheel van de mondholte versnelt. Bovendien wordt na de resorptie door het mondslijmvlies de lever omzeild, zodat een presystemische eliminatie niet zal plaatsvinden. De toediening via het mondslijmvlies is niet geschikt voor slecht in water oplosbare en moeilijk resorbeerbare geneesmiddelen. Voor deze werkzame stoffen is orale toediening de aangewezen vorm, omdat het vloeistofvolume dat in de dunne darm voor de oplossing voorhanden is en de oppervlakte die voor de resorptie ter beschikking staat, veel groter zijn dan in de mondholte.

Doordringbaarheid van het membraan

Voor de resorptie van geneesmiddelen moeten zij het vermogen hebben om tot dubbele lipidelagen (het membraan) te doordringen. Dit is niet alleen van belang bij de opname door cellen, maar ook bij de opname door organellen en het doorkruisen van de bloed-hersenbarrière.

Een stof kan op verschillende manieren door het membraan heen dringen:

• Via paracellulair transport: dit vindt plaats tussen de cellen van het epitheel door. Tussen de enterocyten in het maagdarmkanaal lopen smalle kanaaltjes bij de tight junctions, die met water gevuld zijn. Water oplosbare, kleine, geladen verbinding kunnen hierdoorheen stromen. Om de opname via paracellulair transport te bevorderen kunnen er opnamebevorderaars worden toegevoegd.

• Via transcellulair transport: dit vindt plaats door de cellen heen.

Transcellulair transport kan op allerlei manieren plaatsvinden:

• Door middel van diffusie: lipofiele stoffen kunnen vanuit de extracellulaire ruimte het membraan binnendringen, mits de concentratiegradiënt de cel in is gericht. In de cel kunnen de stoffen worden geconcentreerd en van daaruit het membraan weer verlaten. De grootte van de concentratiegradiënt bepaalt de mate waarin een stof de neiging heeft de cel in of uit te gaan. Voor hydrofiele stoffen vormt het lipofiele membraan een onneembare hindernis.

• Door middel van carriertransport: enkele geneesmiddelen kunnen membranen doorkruisen met behulp van transportsystemen, zoals poriën, kanalen of transporters. Voorwaarde hiervoor is dat de te transporteren stof een hechtvermogen (affiniteit) met een transportsysteem vertoont en daaraan gebonden door het membraan kan worden gesluisd. Bij passief transport wordt geen energie verbruikt, omdat het transport in de richting van de elektrochemische gradiënt verloopt. Actief transport daarentegen vindt plaats tegen de elektrochemische gradiënt in; hiervoor is energie nodig. Transporters betrokken bij actief transport maken direct of indirect gebruik van energie in de vorm van ATP. Bij primair actief transport wordt de overdracht gekoppeld aan de directe hydrolyse van ATP. Secundair actief transport betreft gekoppeld transport, waarbij de energie die vrijkomt als een stof met zijn elektrochemische gradiënt mee over het membraan wordt getransporteerd, wordt gekoppeld aan het transport van een stof tegen zijn elektrochemische gradiënt in.

• Door middel van vesicles: je spreekt van transcytose als de inhoud van de vesicle door de cel naar de extracellulaire ruimte wordt vervoerd. Bij verwerking in de cel wordt gesproken van endocytose. Endocytose kan met of zonder de hulp van receptoren plaatsvinden. Bij endocytose met behulp van receptoren bindt het ligand aan een receptor in het membraan, waarna adaptine en clathrine intracellulair aan de receptoren binden. Hierdoor wordt een blaasje (vesicle) gevormd dat zich afsnoert van het membraan. De clathrinecoat wordt afgestoten. Hierdoor is een vroeg endosoom ontstaan, waarin de protonenconcentratie steeds meer stijgt. Door het zure milieu laten receptor en ligand elkaar los. De receptoren kunnen terug naar het membraan worden gerecycled.

Veel geneesmiddelen zijn ioniseerbare verbindingen, doordat zij een zwak zuur of een zwakke base betreffen. Bij de heersende zuurgraad in de maag en darm komen zij niet alleen in ongeladen, maar ook in geladen vorm voor. Alleen de ongeladen vorm kan echter door het membraan diffunderen. Door de lage pH in de maag kunnen zwakzure medicijnen hier gemakkelijk worden opgenomen, aangezien zij dan voornamelijk ongeladen zijn. De maag heeft echter een veel kleiner absorptieoppervlak dan de darm; hierdoor verloopt de opname in de darm toch sneller, ondanks dat de ionisatiegraad daar hoger is.

Bij carriertransport kan bij een hoog aanbod van substraten verzadiging optreden. Het transport wordt in zijn snelheid hierdoor begrensd. Bij passieve diffusie verloopt het transport daarentegen steeds lineair met de aangeboden concentratie. Voordat een farmacon wordt geabsorbeerd, moet deze echter eerst worden opgelost in de vloeistof van het maagdarmkanaal. Het valt te begrijpen dat de samenstelling van deze vloeistof dus een belangrijke rol speelt bij de absorptie.

Uitscheiding door de lever

Door de verbreding van de stroomdoorsnede wordt de bloedstroom in de lever vertraagd. Het speciale endotheel van de leversinus (dat openingen bevat) maakt het mogelijk dat proteïnen de bloedbaan snel kunnen verlaten en zorgt dus voor intensieve uitwisseling van stoffen tussen bloed en leverparenchymcellen. Dit wordt ook bevorderd door microvilli aan het oppervlak van de levercel die naar de ruimte van Disse zijn gekeerd.

In de levercellen is een groot aantal enzymen aanwezig dat zich in verschillende organellen bevindt. De organellen betreffen:

• De mitochondriën;

• De membranen van het ruwe ER;

• De membranen van het gladde ER;

In de membranen van het gladde ER vinden oxidatiereacties plaats. Het belangrijkste bestanddeel van dit enzymsysteem betreft cytochroom P450.

Er zijn veel iso-enzymen bekend. Ze bezitten verschillende patronen en substraatspecificiteiten. Onderling komen genetische verschillen voor in de enzymuitrusting, wat tot gevolg heeft dat de biotransformatie van geneesmiddel per persoon kan verschillen. Veel therapeutische gebruikte werkzame stoffen worden in het lichaam chemisch gewijzigd in het lichaam. Dit heet biotransformatie. Lipofiele geneesmiddelen worden sneller uit het bloed in de levercellen opgenomen en bereiken de gemengde functionele oxidasen sneller dan hydrofiele stoffen. Bij een langer aanhoudende blootstelling aan geneesmiddelen of vreemde stoffen kan een uitbreiding van het glad ER ontstaan. Dit verdwijnt weer zodra dit blootstelling wordt beëindigd. Dit leidt tot versnelling van biotransformatie.

Binding aan plasmaeiwitten

In het bloed kunnen de geneesmiddelen binden aan plasmaeiwitten en zo geneesmiddel-proteïnecomplexen vormen. Of de binding plaatsvindt, wordt bepaald door de concentraties en affiniteit van beide stoffen. Albumine is een voorbeeld van een belangrijk plasmaeiwit en is in een zeer hoge concentratie aanwezig in het bloedplasma. Hierdoor heeft albumine een zeer hoge bindingscapaciteit.. Voor de meeste geneesmiddelen geldt dat bij de therapeutische concentraties lang niet alle bindingsplaatsen verzadigd raken.

De binding aan plasmaeiwitten vindt snel plaats en is omkeerbaar. De binding is belangrijk omdat alleen het vrije deel van het farmacon de werking ervan en de snelheid van eliminatie bepaalt. Door de vermindering van de vrije concentratie wordt ook de biotransformatie beïnvloed. Alleen het vrije aandeel kan worden omgezet. Wanneer de vrije concentratie daalt, wordt er meer vrijgegeven vanuit de plasmacomplexen. De complexen verminderen dus de intensiteit van de werking, maar verlengen wel de werkingsduur.

Chemische wijzigingen in het lichaam in het geneesmiddel

Veel therapeutisch gebruikte stoffen worden in het lichaam chemisch gewijzigd. Dit proces heet biotransformatie. Meestal gaat dit gepaard met toename van de hydrofilie, wat op zijn beurt weer de uitscheiding door de nier bevordert. Door de biotransformatie naar een hydrofielere metaboliet, wordt het farmacon soms minder werkzaam. In andere gevallen kan biotransformatie ervoor zorgen dat een stof pas actief wordt; zulke geneesmiddelen worden prodrugs genoemd.

De metabolisering van geneesmiddelen is op te delen in twee fases:

• Fase 1: fase-1-reacties betreffen alle stofwisselingsprocessen die met een verandering van het molecuul van de werkzame stof gepaard gaan. De volgende reactiesoorten vallen onder de fase-1-reacties: hydrolyse, oxidatie, reductie, alkylering en desalkylering.

• Fase 2: bij fase-2-reacties ontstaan koppelingsproducten uit de farmaca of hun metabolieten die zijn ontstaan naar aanleiding van de fase-1-reacties.

Een groot deel van de fase-1-reacties wordt gekatalyseerd door cytochroom P450-enzymen. Deze bevinden zich voornamelijk in de lever en in de darmwand. CYP450 enzymen kunnen vele stoffen binden (deze bindingen zijn alleen niet erg specifiek). Wanneer er meer soorten geneesmiddelen moeten worden afgebroken door hetzelfde CYP-enzym, kunnen er interacties ontstaan. Remmers binden aan CYP-enzymen en worden zelf langzaam gemetaboliseerd, waardoor andere geneesmiddelen niet kunnen binden. Hierdoor wordt de plasmaspiegel van het substraat verhoogd, wat kan leiden tot een toxisch effect. Andere exogene stoffen kunnen de expressie van CYP-enzymen verhogen, de zogenaamde CYP-inductoren. Hierdoor worden meer stoffen omgezet, waardoor er ook meer worden uitgescheiden. De werkzaamheid vermindert.

Het menselijk lichaam wordt dagelijks aan een grote hoeveelheid lichaamsvreemde stoffen blootgesteld. Daarom heeft het lichaam beschermingsmechanismen ontwikkeld en deze werken ook tegen de meeste farmaca. De lichaamsvreemde stoffen kunnen op vele manieren uit het lichaam verwijderd worden, maar het belangrijkste is de renale excretie (via de nieren). Alleen stoffen die goed oplosbaar zijn kunnen zo worden uitgescheiden. De meeste farmaca zijn echter lipofiel, omdat dit de absorptie bevordert. Daarom moeten de geneesmiddelen eerst door het lichaam worden omgezet, voordat zij uitgescheiden kunnen worden. Zonder deze werking zouden geneesmiddelen zich in het lichaam ophopen (accumulatie) en werkzaam blijven. Stoffen die ontstaan uit de fase-2-reacties worden vaak uitgescheiden via de gal.

Fase-1-reacties: cytochroom P450-enzymen

Cytochroom P450-enzymen katalyseren reacties uit fase 1.Het gros van de enzymen bevindt zich in de lever en in de wand van de darmen. In deze organen vindt dus ook het grootste deel van de stofwisseling van geneesmiddelen plaats.Cytochromen hebben een brede specificiteit van substraten. Als er meer geneesmiddelen door een CYP-iso-enzym worden afgebroken, kunnen klinisch relevante interacties ontstaan. De afbraakcapaciteit met betrekking tot een bepaald farmacon hangt af van de hoeveelheid hepatische CYP-enzymen (onderdeel van de cytochroom P450-enzymen). De zogenaamde CYP-inductoren verhogen de expressie van de CYP-enzymen. Deze inductoren activeren in de celkern van de hepatocyten specifieke transcriptiefactoren die de mRNA-synthese van CYP-iso-enzymen op gang brengen. Sommige CYP-inductoren verhogen ook de expressie van de P-glycoproteïnedrager, zodat een verhoogde metabolisering door CYP-enzymen en transport door het membraan heen door P-glycoproteïne-inductie elkaar aanvullen en een geneesmiddel onwerkzaam laten worden. Roken vertraagt de afbraak van geneesmiddelen. Er hoeven dan minder medicijnen geslikt te worden.

Bilaire uitscheiding

De hydrofiele koppelingsproducten die ontstaan zijn uit de reacties kunnen met behulp van transportmechanismen vanuit de levercel in de galvloeistof overgaan en daarmee uiteindelijk weer in de darm terecht komen. De hydrofiele koppelingsproducten kunnen echter het darmepitheel niet doordringen. De stoffen kunnen weer worden gesplitst door bacteriën in de dikke darm. De vrijgekomen stof kan teruggeabsorbeerd worden. Dit betreft het principe van de enterohepatische kringloop, waarbij de werkzame stof in het lichaam lijkt te blijven. Toch is dit niet helemaal het geval: de koppelingsproducten met een laag gewicht kunnen ook in het bloed terechtkomen, waarna uitscheiding door de nieren plaatsvindt. Op deze manier worden geneesmiddelen die te maken hebben met de enterohepatische kringloop toch langzaam uitgescheiden.

Algemene farmacologie: Wat is de rol van het metabolisme? - Chapter 4

De lever speelt een centrale rol in de stofwisselingsprocessen van vet, koolhydraat en eiwitten. Het ontvangt veneus bloed uit de darm, met alle opgenomen stoffen, voordat deze in de systemische circulatie terecht komen. Daarnaast heeft de lever een ontgiftende functie en scheidt het gal uit. De structuur van de lever bevordert de uitwisseling van stoffen tussen hepatocyten en het bloedplasma. De lever is opgebouwd uit een groot aantal lobjes, waarin bloedsinusoïden lopen (met bloed van de poortader en leverslagader). Alle sinusoïden komen uiteindelijk samen in de centrale vene. Door de verbreding van de sinusoïden wordt de bloedstroom door de lever vertraagd. Hierdoor kan een betere uitwisseling tussen de hepatocyten en het bloed plaatsvinden. De sinusoïden zijn bekleed met een endotheel dat allerlei openingen bevat. Tevens zijn er de zogenaamde Kupffercellen aanwezig, welke een soort fagocyten zijn die zich tussen de endotheelcellen bevinden.

Het koolhydraatmetabolisme

De lever zorgt met name voor het handhaven van de bloedglucosespiegel. Om deze functie te vervullen moet de lever zowel glucose kunnen opslaan als afgeven. De lever bezit glucose-6-fosfatase, dat de afgifte van vrij glucose in het bloed mogelijk maakt. Vanuit de glycogeenvoorraad kan zo glucose worden vrijgegeven (glycogenolyse). Daarnaast kan in de lever de gluconeogenese plaatsvinden, waarbij uit lactaat, aminozuren en glycerol nieuwe glucose wordt gevormd. Energie voor de gluconeogenese wordt verkregen door de β-oxidatie van vetzuren. Na een maaltijd wordt de glucoseafgifte door de lever onderdrukt door insuline, dat wordt afgegeven door de β-cellen als reactie op de hoge glucosespiegel. De GLUT2-transporters in de lever hebben een lage affiniteit; pas bij hoge glucoseconcentraties wordt glucose de lever ingetransporteerd. In de lever wordt glucose vervolgens omgezet tot glycogeen. Een ander deel wordt opgeslagen in spier- en vetweefsel.

Eiwitmetabolisme

De meeste plasmaeiwitten worden in de lever gesynthetiseerd. Albumine is het meest prominente plasmaeiwit in bloed en kan alleen door de lever worden gesynthetiseerd. Acute beschadiging van de lever wordt in verband gebracht met een enorme verandering in de eiwitsynthese door de lever. De acutefaserespons is een term, die alle veranderingen in reactie op beschadiging omvat. De lever synthetiseert een aantal acutefaseeiwitten, die verschillende functies hebben. Ten eerste binden zij aan macromoleculen die worden vrijgegeven door de ziekteverwekker of het beschadigd weefsel. Vervolgens bevorderen zij de fagocytose van deze macromoleculen. Daarnaast stimuleren zij talloze andere factoren die nodig zijn voor het herstel.

Medicijnmetabolisme

Zoals al eerder genoemd bestaan er zowel inductoren als inhibitoren voor enzymen betrokken bij het metabolisme van medicijnen. Deze inductoren en inhibitoren werken vaak via het zogenaamde nucleaire receptormechanisme. Complexvorming met deze receptoren leidt tot de aanmaak van bepaalde transcriptiefactoren.

Sommige geneesmiddelen hebben een toxisch effect op de lever, doordat na omzetting een schadelijk metaboliet ontstaat. Meestal kan een individu een bepaalde hoeveelheid toxische stof verdragen; deze toelaatbare concentratie verschilt echter per individu. Dit verschijnsel staat bekend als idiosyncratische geneesmiddeltoxiciteit.

De reactie op bepaalde geneesmiddelen zal worden beïnvloed door de kinetische eigenschappen van het geneesmiddel (farmacokinetiek) en de gevolgen ervan (farmacodynamiek). Individuele verschillen in reactie op een middel kunnen worden veroorzaakt door genetische diversiteit. De effectiviteit en veiligheid van medicamenteuze behandelingen is hierdoor soms een probleem. Onderzoek hiernaar is daarom zeker noodzakelijk. Patiënten worden onderverdeeld in ultrasnelle, snelle, gemiddelde of trage metaboliseerders.. Door de verschillende CYP-varianten te identificeren, kan de klinische reactie van de patiënt worden voorspeld. De overmatige consumptie van alcohol is vaak de oorzaak van een leveraandoening. Door deze overmatige consumptie vindt aanvankelijk vervetting van de lever plaats, tot uiteindelijk afzetting van bindweefsel plaats kan vinden in de lever. Dit fenomeen heet cirrose en kan leiden tot leverfalen.

Ethanol wordt geoxideerd in de lever door alcohol dehydrogenase, waardoor acetaat en NADH ontstaan. Ook het CYP2E1 enzym draagt bij aan deze omzetting. Wanneer de NADH sterk verhoogd is, verandert de redoxpotentiaal van de hepatocyt. Hierdoor kan lactaat niet langer worden omgezet in pyruvaat, omdat deze reactie NAD als cofactor nodig heeft. Lactaat stapelt zich op en er ontstaat een risico op hypoglycemie (doordat de gluconeogenese zich niet meer kan voltrekken). Daarnaast worden door de verhoogde NADH/NAD-ratio meer vetzuren gesynthetiseerd en opgeslagen in de lever.

Algemene farmacologie: Wat houdt kwantitatieve farmacokinetiek in? - Chapter 6

Farmacokinetiek: wetmatigheden van concentratieverloop in de tijd van een lichaamsvreemde stof in het lichaam. Absorptie (opname) en verdeling (distributie) van een geneesmiddel is belangrijk, net als klaring door uitscheiding, afbraak en uitademing (eliminatie). Kennis over de kinetiek is belangrijk voor doseringsschema’s. De concentratie-tijdcurve in het bloed is het belangrijkste, waarvoor je concentraties in het plasma gebruikt.

Een eerste-orde proces verloopt in onafhankelijkheid van de concentratie van een stof (meestal), een nulde-orde proces in onafhankelijkheid hiervan.

Er is evenwicht bereikt als het netto transport van het farmacon van bloed naar weefsel en terug nuls is. De snelheid waarmee dit wordt bereikt hangt af van doorbloeding en weefselvolume en diffusie. In evenwicht is er een vaste relatie ussen hoeveelheid farmacon Ab in het lichaam en de concentratie in het plasma C. Vd = Ab/C. Vaak wordt gesproken van een schijnbaar/fictief Verdelingsvolume. Polaire macromoleculen treden nauwelijks buiten de bloedbaan, (Vd 5% lichaamsgewicht), polaire goed wateroplosbare stoffen diffunderen moeilijk (Vd 20% lichaamsgewicht), lipofiele stoffen verdelen zich over vetachtige weefsels (Vd groot). De Vd zegt niet waar het farmacon zich bevindt.

Klaring is het volume bloed/plasma dat per tijdseenheid van een farmacon wordt ontdaan. Renale of metabole (lever) klaring bepalen de totale klaring. Bij renale klariing spelen glomerulaire filtratie, tubulaire secretie en tubulaire reabsorptie een rol. De creatinine en insulineklaring zijn klinische parameters voor de glomerulusfunctie, die afhankelijk is van binding aan plasma-eiwitten. De lever klaart door biotransformatie en/of uitscheiding in gal. Soms is dit gelijk aan de leverdoorstroming (0,6-0,8 l plasma per minuut), dit zijn high-clearance-stoffen.

De plasmaconcentratie neemt evenredig af met de heersende concentratie C (eerste orde). De ratio is de eliminatiesnelheidsconstante (k). De helling van de curve wordt bepaald door k.

De halfwaardetijd is de tijd die nodig is om de plasmaconcentratie te halveren. Dit wordt bepaald door Vd en Cl. Na 4x T1/2 is het lichaam vrij van een farmacon. De T1/2 wordt geschat door experimentele gegevens of bepaald door de uitscheidsingssnelheid.De lineaire eliminatiefase wordt voorafgegaan door de eerste fase met een snellere concentratiedaling, bepaald door verdelingsprocessen. De tweede fase weerspiegelt de eliminatiefase onder steady state-condities. Dit wordt weergegeven met het tweecompartimentmodel (cnetraal compartiment et bloedbaan en goed doorbloede organen en perifeer weefselcompartiment).

Soms bestaat er een discrepatntie tussen de tijdsduur van et effect en de biologische halfwaardetijd van de eliminatiefase (anesthesie, hypnotica), dit komt door herverdeling in weefsels.

Bij orale toediening wordt het opgenomen via het maagdarmkanaal, vooral via passieve diffusie waarbij de snelheid afhangt van de te absorberen farmacon. Dit kan meestal worden beschreven met een eencompartimentmodel. De biologische beschikbaarheid F ligt tussen 0 en 1 en representeert de fractie van de dosis D die in de systemische bloedcirculatie verschijnt. T1/2 absorptie = 0.7/ka (absorptiesnelheidsconstante).

De oppervlakte onder de curve (AUC) is een maat van de hoeveelheid farmacon die in het lichaam is geweest. AUC = F * D/Cl.

De biologische beschikbaarheid Fis de hoeveelheid die de algemene ciiculatie bereikt. Dit is 100% bij intraveneuze toediening. Bij orale toediening is het afhankelijk van de absorptie en de lotgevallen tijdens de passage door darmwand en lever. First-pass effect is de eliminatie tijdens passage (hoog bij propranolol). De AUC na orale toediening wordt vergeleken met die na iv toedeiening.

MEC < C < ROX. Het geneesmiddel moet idealiter steeds in werkzame concentratie aanwezig zijn. Bij een infuus stijft de concentratie en buigt af naar een plateau. De hoogte van het plateau Css wordt bepaald door de infusiesnelheid (Rinf) en is omgekeerd evenredig met Cl, wordt bereikt na 4-5 halfwaardetijden. De grootte van de oplaaddosis DL = Vd * Css, de intervallen r tussen doseringen kunnen zo groot zijn dat het lichaam tussendoor vrij is van geneesmiddel of zo kort dat de concentratie geleidelijk stijgt tot een plateauniveau. De mate van cumulatie wordt weergegeven met Rac; de ratio tussen de gemiddelde hoeveelheid Ab in het lichaam en de dosis D (ratio T1/2 en doseringsinterval). Bij een farmacon met een lange t1/2 gebruikt men een oplaaddosis, de hoogte; Dl = Vd * Cmax/F.

Nierfunctiestoornis kan gemeten worden door creatinineklaring. Bij meer dan 40% renale klaring evenredige afname klaring met mate nierfunctiestoornis. Leverziekten hebben een minder voorspelbaare invloed. Fysiologische functies veranderen met leeftijd. 75 jaar: 60% nierfunctie. Ook het verdelingsvolume verandert; relatief minder lichaamswater en minder plasma-albumine. Het effect is niet algemeen voorspelbaar.

Het belangrijkste farmaca-bindende wiwit is albumine. Ook alfa1-zure glycoproteine is van belang. Meestal lineaire binding, een vaste fractie van de totale plasmaconcentratie is gebonden. Niet-gebonden moleculen zijn beschikbaar voor distributie, interactie en eliminatie. De glomulaire filtratie is evenredig met de vrije fractie en de GFR. De klaring van low-clearance stoffen in de lever is afhankelijk van de vrije fractie. De intrinsieke leverklaring Cli = Vmax/Km van de enzymen. Plasma-eiwitbinding verandert met leeftij en onder pathologische omstandigheden.

Waar processen via wisselwerking met een biologisch macromolecuul verlopen zal het proces met constante snelheid verlopen, onafhankelijk van de concentratie. De constante K is in concentratie*1/tijd. Farmaca die verzadigingskinetiek volgen vragen grote aandacht in dosering.

De opname en verdeling gaan via (passieve) diffucie (concentratie als drijvende kracht) en carrier-gemedieerde translocatie (actief transport en gefaciliteerde diffsie). Eliminatie vindt plaats via nier, chemische verandering door enzymen, uitschediing via gal en longe.

Integratie van snelheidsprocessen

Bij het toedienen van een geneesmiddel oogt men op een therapeutisch effect. De werking van het geneesmiddel hangt vaak af van de toegediende dosis, er moet een bepaalde drempelwaarde overschrijden worden. Door bij verschillende concentraties het effect te meten, kan de dosis-werkingsrelatie worden vastgesteld. Deze relatie kan per persoon verschillen, door variatie in farmacokinetiek (gelijke dosis leidt tot een verschillende bloedconcentratie) of door variatie in de farmacodynamiek (gelijke dosis leidt tot een verschillend effect). De farmacogenetica houdt zich bezig met de individuele verschillen door te kijken naar enzymactiviteit.

Dosis-effect curve

Bij verhoging van de concentratie wordt de toename van het effect steeds minder. De concentratie waarbij er een maximaal effect optreedt is daarom moeilijk te meten. Het is wel mogelijk om de concentratie te bepalen waarbij de helft van het maximale effect wordt bereikt (EC50). De EC50 ligt op het keerpunt van de sigmoïd in de logaritmische concentratie-effect curve.

Concentratie bindingscurve

Moleculen van een farmaca moeten aan cellen van het doelorgaan binden om effect te kunnen hebben. Deze binding is vaak specifiek voor een bepaalde receptor. In onderzoeken naar binding kan de affiniteit voor bepaalde bindingsplaatsen bepaald worden. Aan een membraansuspensie wordt de gelabelde werkzame stof toegevoegd. Vervolgens kan de concentratie werkzame stof die is gebonden worden gemeten. In eerste instantie stijgt de binding in verhouding tot de toenemende concentratie, zolang er genoeg vrije bindingsplaatsen aanwezig zijn. Wanneer de verzadiging van de bindingsplaatsen toeneemt, zal uiteindelijk de verhoging van concentratie niet meer leiden tot eenzelfde verhoging in binding.

Farmacokinetiek (Wat doet het lichaam met het geneesmiddel?)

Er zijn 4 processen betrokken bij farmacokinetiek:

1. Absorptieprocessen: Het medicijn komt na orale inname in het maagdarmkanaal terecht en zal daar, al dan niet ongewijzigd, in het bloed opgenomen worden en in de vena portae terechtkomen. Ook daar kan het nog gemetaboliseerd worden;

2. Metabolismeprocessen: Omzetting in bepaalde producten die gemakkelijk het lichaam kunnen verlaten;

3. Verdelingsprocessen (wordt behandeld in een ander blok);

4. Eliminatieprocessen.

Na opname in het bloed (al dan niet nadat het gemetaboliseerd is) zal het geneesmiddel een concentratiestijging in het bloed veroorzaken. Deze stijging wordt steeds minder en gaat uiteindelijk over in een daling van de concentratie door opname en verwerking in de weefsels.

Absorbtie

Indien snel een effect gewenst is, kan ervoor worden gekozen het geneesmiddel via een intraveneuze toediening direct in de circulatie te brengen. Bij alle andere wegen van toedienen moet de werkzame stof eerst uit de toedieningsvorm vrijkomen, waarna het kan worden opgenomen in de circulatie. De opname in de circulatie wordt de absorptie genoemd. De absorptiesnelheid is afhankelijk van de toedieningsweg, toedieningsvorm en de eigenschappen van de werkzame stof zelf. Wanneer het geneesmiddel oraal of rectaal wordt toegediend, moet de werkzame stof eerst de darmwand passeren om in de circulatie te kunnen komen. Het is daarvoor belangrijk dat het geneesmiddel in kleine mate in vet oplosbaar is, zodat de stof door de darmwand kan diffunderen. De absorptiesnelheid is mede bepalend voor de snelheid waarmee een geneesmiddel werkzaam wordt.

Bij absorptie is er sprake van transport over membranen en dit gebeurt in de maag, de lever en de darm. Geneesmiddelen bereiken doorgaans het doelorgaan via het bloed (oraal via de poortader). Voor geneesmiddelen die chronisch worden toegediend, is een langzame absorptie vaak gunstig, omdat de plasmaconcentraties dan min of meer constant blijven. Wanneer een geneesmiddel snel wordt geabsorbeerd, stijgt de plasmaconcentratie snel en plotseling. Dit kan leiden tot bijwerkingen.

In welke mate de werkzame stof wordt geabsorbeerd, bepaalt de biologische beschikbaarheid van de stof. De biologische beschikbaarheid geeft aan hoeveel toegediende stof uiteindelijk in de circulatie terechtkomt. De waarde ligt tussen 0 (helemaal geen werkzame stof in de circulatie) en 1 (alle toegediende stof in de circulatie). Verminderde absorptie in het maagdarmkanaal kan worden veroorzaakt doordat de stof niet geheel vrijkomt, deels wordt afgebroken of niet goed wordt opgenomen. Door middel van de biologische beschikbaarheid kan worden bepaald met welke factor de dosering moet worden aangepast wanneer men gebruikt maakt van een andere toedieningsvorm.

Verschillende geneesmiddelen worden op verschillende plaatsen in het maagdarmstelsel geabsorbeerd. Door veranderingen in de motiliteit (zoals door plotselinge beweeglijkheid) van het maagdarmkanaal, kunnen er veranderingen in absorptie plaatsvinden. Over het algemeen zijn deze veranderingen niet erg van belang, behalve bij een intoxicatie: hierbij kan de opname aanzienlijk worden vertraagd, waardoor het maximale effect pas na dagen merkbaar zal zijn.

Bij de biotransformatie en eliminatie (verwijdering) van geneesmiddelen uit het lichaam is het CYP450-enzymsysteem erg belangrijk. Het vermogen van de enzymen is grotendeels genetisch bepaald. Mutaties in het DNA kunnen daarom leiden tot afwijkende CYP-enzymen, die niet functioneel zijn. Ook kan het zijn dat er helemaal geen, of juist heel veel enzymen worden gesynthetiseerd.

Aangezien de mens dubbelstrengs DNA heeft, zijn er twee genen aanwezig die voor één enzym coderen. Afhankelijk van de hetero- of homozygote toestand van de patiënt metaboliseert hij langzamer of juist minder langzaam. Bij mensen die aanzienlijk kleinere hoeveelheden CYP-enzymen maken, moet minder van een geneesmiddel innemen dat door dit systeem wordt gemetaboliseerd; mensen met een verhoogde CYP-activiteit, moeten juist een hogere dosis krijgen.

Interacties tijdens de absorptie van een werkzame stof treden bijvoorbeeld op in het maagdarmkanaal, waarbij werkzame stoffen door een chemische reactie ongeschikt kunnen worden gemaakt voor absorptie. Van dit mechanisme wordt gebruik gemaakt bij intoxicaties, waarbij bijvoorbeeld grote hoeveelheden kool kunnen worden toegediend om dit effect te bereiken.

Presystematische metabolisering in het maagdarmkanaal is ook van invloed op de absorptie. Hierbij is vooral het darm-CYP3A- enzym belangrijk. Remming van dit enzym kan de absorptie van een geneesmiddel verhogen.

Op verschillende manieren kan de absorptie worden beïnvloed,namelijk door:

• Diffusie: diffusie is weer afhankelijk van de oplossnelheid (in onopgeloste vorm is er geen transport mogelijk), van de dosering (concentratiegradiënt) en het absorptie-oppervlak (een groter oppervlak betekent meer absorptie).

• De eigenschappen van het farmacon: dit is onder andere afhankelijk van de lipofilie en de pKa;

• De samenstelling van de maagdarmvloeistof: denk bijvoorbeeld aan de pH;

• Het maagdarmkanaal zelf: wanneer de doorbloeding goed is, is er meer absorptie; wanneer de maag slecht ledigt, blijft het farmacon in de maag hangen; verder is de motiliteit van het maagdarmkanaal van invloed, oftewel de snelheid waarmee het farmacon zich door het kanaal kan voortbewegen.

Geladen moleculen kunnen niet over het hydrofobe lipidenmembraan heen, omdat geladen moleculen altijd sterk hydrofiel zijn. Over het algemeen kun je geneesmiddelen het best op een nuchtere maag innemen, dus vlak voor de maaltijd, omdat er dan geen interferentie met het voedsel is. Veel medicijnen irriteren echter het maagdarmstelsel doordat het lichaamsvreemde stoffen zijn, bijvoorbeeld acetylsalicylzuur (aspirine). Het is dan ook beter om dit soort medicijnen gelijktijdig met het voedsel in te nemen, of om ze in de vorm van bruistabletten in te nemen, omdat het door het grotere oppervlak makkelijker oplost.

Leverfunctiestoornissen

Het lichaam kan een stof elimineren via de lever of via de nieren. In de lever gebeurt dit voornamelijk door een chemische verandering aan te brengen (biotransformatie). Afname van eliminatie bij leverfunctiestoornissen is moeilijk te voorspellen. Doordat een deel van het lever niet meer goed functioneert, kan ook de activiteit van CYP-enzymen verminderen. Vaak heeft de lever echter een groot reservevermogen. Er moet echter wel rekening gehouden worden met de eliminatie via de nieren. Bepaalde metabolieten worden in de lever getransformeerd, zodat zij door de nieren kunnen worden uitgescheiden. Hierdoor kan er soms verminderde nierfunctie bij leverfunctiestoornissen optreden.

Alcohol

Wanneer minder dan 25% van de totale energie-inname uit alcohol bestaat, kan alcohol compleet gebruikt worden als energiebron. Bij hogere inname komt er geen ATP meer vrij bij de afbraak van alcohol, maar alleen maar hitte. De meest alcohol wordt gemetaboliseerd in de lever.

Alcohol wordt gemetaboliseerd met behulp van de volgende katalytische enzymen: alcohol dehydrogenase (in cytosol) en aldehyde dehydrogenase (in mitochondria). Bij enorme alcoholinname speelt ook het ethanoloxidatiesysteem van het ER een belangrijke rol bij de metabolisering van alcohol. Alcohol dehydrogenase katalyseert de omzetting van ethanol (alcohol) in aceetaldehyde. Hierbij wordt NAD omgezet in NADH. De energie van deze NADH wordt vrijgemaakt in het mitochondrium. Het meeste aceetaldehyde wordt vervolgens geoxideerd met behulp van aldehyde dehydrogenase. Hierbij wordt ook NAD omgezet in NADH. 50% van de Aziaten missen aldehyde dehydrogenase in hun mitochondria. De opbouw van aceetaldehyde in het bloedplasma leidt overigens tot de welbekende katersymptomen.

De tweede route van alcoholoxidatie wordt dus belangrijk bij het nuttigen van overmatige hoeveelheden alcohol: het ethanoloxidatiesysteem van het ER. Dit systeem bevat een CYP450-enzym en een ander eiwit. Wanneer de lever gehomogeniseerd is met alcohol, wordt het ER afgebroken in kleine blaasjes (

). Bij de hoge concentratie van alcohol raakt ethanol dehydrogenase namelijk verzadigd en wordt het ethanoloxidatiesysteem belangrijker. Daarnaast past het zenuwstelsel zich aan de grote hoeveelheden alcohol aan. Hierdoor blijven chronische alcoholdrinkers sober wanneer zij relatief grote hoeveelheden alcohol in hun bloed hebben.

In tegenstelling tot bij metabolisering via alcohol dehydrogenase, wordt door het ethanol-oxidatiesysteem geen NADH gevormd, en dus geen ATP gesynthetiseerd. Hierdoor kunnen zware alcoholisten veel energie aan alcohol binnenkrijgen, zonder in gewicht toe te nemen.

Er zijn veel problemen geassocieerd met het drinken van alcohol. Een alcoholconcentratie in het bloed hoger dan 5.4 mM veroorzaakt al vergiftiging, 22 mM alcohol in het bloed veroorzaakt neurale disfunctie en meer dan 109 mM aan alcohol kan fataal zijn vanwege het falen van de ademhaling.

De volgende ziektes kunnen veroorzaakt worden door alcoholisme:

• Alcoholische hepatitis;

• Levercirrose;

• Het foetus alcohol syndroom (FAS);

• Pancreatitis.

Alcoholische leverziekten hebben drie stadia:

1. Eerste stadium: vet hoopt zich op in de lever. Er ontstaat een balloneffect waarbij de hepatocyten in grootte toenemen.

2. Tweede stadium: hepatitis, waardoor de lever gaat ontsteken en vele levercellen dood gaan.

3. Derde stadium: levercirrose door vorming van bindweefselstructuren en littekenweefsel in de lever.

De vervetting van de lever wordt als volgt veroorzaakt: door het nuttigen van grote hoeveelheden alcohol worden de belangrijkste energiebronnen van de lever, namelijk vetzuren, vervangen door alcohol. Dit resulteert in de accumulatie van vetzuren in de lever, welke worden omgezet tot triglyceriden en zorgen voor de ophoping van vet.

Het foetus alcohol syndroom (FAS) komt voor bij foetussen van moeders die chronisch alcohol drinken gedurende de zwangerschap. FAS wordt gekarakteriseerd door groeiachterstand, karakteristieke gezichtsabnormaliteiten en mentale achterstanden van het kindje. Deze tekortkomingen worden niet hersteld als het kind ouder wordt.

Slechts een klein deel van de alcoholisten ontwikkelt voedingsstofdeficiënties. Deze niet vaak voorkomende deficiënties betreffen dan vooral deficiënties voor folaat, thiamine, riboflavine, vitamine B6, vitamine A en magnesium. Meestal wordt dit veroorzaakt doordat men niet voldoende van deze voedingstof inneemt, maar soms ook doordat de absorptie niet goed verloopt. Chronische alcoholinname leidt tot een toename in het aantal CYP-enzymen, waardoor bepaalde nutriënten sneller en meer inactief worden gemaakt. Dit kan leiden tot de bovengenoemde deficiënties.

Medicijnen en alcohol

De biotransformatie van medicijnen in de lever wordt door alcohol geremd, omdat de afbraak van alcohol zoveel CYP-enzymactiviteit vraagt dat de transformatie van geneesmiddelen vrijwel tot stilstand komt, zodat er ophoping van geneesmiddel dreigt. Het moge dus duidelijk zijn dat de enzymen betrokken bij cytochroom P450 zowel lichaamseigen als lichaamsvreemde stoffen metaboliseren.Grapefruitsap werkt in op een van de enzymen betrokken bij cytochroom P450, namelijk CYP3A4. Stofjes in grapefruitsap remmen dit enzym in de darmwand, wat de concentratie van de werkzame stof doet stijgen. Het zogenaamde first-pass effect betreft de metabole omzetting van een geneesmiddel na eerste passage door de darm en lever na orale toediening.

Kortdurend vasten

De eerste periode van vasten wordt ook wel de postabsorptieve fase genoemd. Dit is de periode die plaatsvindt tussen 6 en 12 uur na het vasten. Na deze periode komt het prolonged fasting, dat ook wel uithongering wordt genoemd. Tijdens het vasten zal de bloedglucosespiegel dalen, waardoor de insulinesecretie daalt en de glucagonsecretie juist stijgt. Glucagon wordt uitgescheiden door de α-cellen in de eilandjes van Langerhans. De primaire functie van dit hormoon is het activeren van de glycogenolyse en gluconeogenese in de lever, zodat de bloedglucosespiegel op peil blijft. Glucagon bindt aan receptoren in het plasmamembraan van hepatocyten. Door deze binding wordt een G-eiwit geactiveerd.

Het α-unit activeert op zijn beurt adenyl cyclase, dat ATP omzet in cAMP (second messenger). cAMP bindt aan protein kinase A (PKA) en verwijdert de inhibitors, waardoor PKA actief wordt. PKA fosforyleert verschillende doeleiwitten, namelijk:

• Glycogeen fosforylase: dit wordt geactiveerd door fosforylering. Hierdoor wordt de glycogenolyse gestart: glycogeen wordt omgezet in G1P-eenheden en vervolgens via G6P in glucose;

• Inhibitor 1: dit wordt tevens geactiveerd door de fosforylering.. Deze inhibitor remt fosfatase, dat fosforylase normaal gesprokenweer inactief maakt.

• Glycogeen synthase: dit wordt juist geïnactiveerd door de fosforylering. Hierdoor wordt geen nieuw glycogeen meer aangemaakt.

Om het versterkte effect van glucagon in de levercel in de hand te houden, heeft de levercel verschillende mechanismen om de hormonale respons snel te stoppen. Het G-eiwit wordt door verwisseling van GTP met GDP geïnactiveerd, en cAMP wordt omgezet in AMP door fosfodiesterase. Hierdoor wordt protein kinase A inactief en zal de respons stoppen.

Spiercellen bevatten geen glucagonreceptoren en kunnen G6P niet omzetten tot glucose. Hierdoor kunnen de spieren niet bijdragen aan het constant houden van de bloedglucosespiegel.

Glycogenolyse kan ook worden geactiveerd als reactie op stress door het hormoon adrenaline. Adrenaline werkt via vele verschillende receptoren op cellen, de α- en β-adrenergic receptoren. Wanneer de bloedglucosespiegel te laag wordt, werken glucagon en adrenaline samen om deze te verhogen. Ook wanneer de bloedglucosespiegel normaal is, kan adrenaline echter worden afgegeven als reactie op stress, zodat een ‘fight or flight’-respons veroorzaakt wordt. signaleringsroute via de β-receptor is vergelijkbaar met die van glucagon. Wanneer adrenaline bindt aan een α-receptor, wordt via het G-eiwit fosfolipase C geactiveerd. Hierdoor wordt het membraaneiwit PIP2 gesplitst in DAG en IP3. DAG activeert protein kinase C (PKC), dat fosforylase activeert. IP3 bevordert Ca2+-transport, waardoor er CA2+-calmodulinecomplexen ontstaan. Dit leidt uiteindelijk tot de activatie van fosforylase A.

De glycogenolyse begint met de verwijdering van α1,4-takken van glycogeen door glycogeen fosforylase. Glucose wordt afgekoppeld in de vorm van G1P, dat wordt omgezet in G6P door fosfoglucomutase. G6Pase zet G6P om in glucose, waardoor het vrijgegeven kan worden in het bloed via GLUT2-transporters. Glycogeen fosforylase kan alleen α1,6-verbindingen klieven. ‘Het ‘branchingenzym’ zorgt ervoor dat 1,6-verbindingen worden verplaatst tot 1:,4-verbindingen.

Tijdens de postabsorptieve fase wordt ruim 80% van de glucose opgenomen door erytrocyten en hersencellen, die alleen glucose als brandstof kunnen gebruiken (insulineonafhankelijk weefsel).

In principe vindt notabele gluconeogenese pas plaats bij langdurig vasten. De spieren leveren een bijdrage aan de gluconeogenese. Lactaat geleverd door de spieren gaat als pyruvaat de gluconeogenese in. Dit is ook bekend als de Cori-cyclus; het zo gevormde glucose kan immers weer teruggegeven worden aan de spiercellen, waarna het weer kan worden omgezet tot lactaat respectievelijk pyruvaat. Grof gezegd is de Cori-cyclus dus een cyclus waarbij lactaat, afgegeven door de spieren, in de lever wordt omgezet tot glucose.

Door de lage insulineconcentratie wordt tevens de proteolyse gestimuleerd, waarbij eiwitten als glutamaat en alanine uit de spieren vrij komen. Deze eiwitten gaan vervolgens naar de lever, waar deze omgezet worden tot pyruvaat en de gluconeogenese ingaan om glucose te produceren. Deze eiwitten nemen tevens deel aan een cyclus, de glucose-alaninecyclus welteverstaan. Door de stijging van glucagon wordt de lipolyse geactiveerd in vetcellen. Hierdoor komt er glycerol vrij die vrije vetzuren levert. De lipolyse stimuleert naast de gluconeogenese de ketogenese vanuit acetyl CoA in de lever. De ketonlichamen die zo gevormd kunnen worden, betreffen oxaalacetaat, hydroxybutyraat en aceton.

Postprandiale toestand (na de maaltijd)

De postprandiale toestand wordt ook wel de gevoede toestand of absorptieve toestand genoemd. Tijdens deze toestand wordt insulinesecretie gestimuleerd en daalt de glucagonsecretie. In de insulineafhankelijke weefsels zoals skeletspieren, is er een stijging van glucoseopname. Oxidatie van lipiden wordt geïnhibeerd, terwijl oxidatie van glucose en de glycogeensynthese gestimuleerd wordt.

Glycogenese gebeurt direct na opname van een maaltijd. De energieopslag staat onder controle van het hormoon insuline, dat door de β-cellen in de eilandjes van Langerhans worden gemaakt. Het heeft twee belangrijke functies: ten eerste stopt insuline de acties van glucagon waardoor de glycogenolyse stopt en glycogenese begint. Daarnaast stimuleert het de opname van glucose door perifere weefsels. Insuline werkt via een tyrosine kinasereceptor. Deze kan verschillende intracellulaire eiwitten fosforyleren.

De lever is rijk aan GLUT2-transporters met een groot vermogen, maar een lage affiniteit. Daardoor zijn de levercellen bij een hoge concentratie na de maaltijd goed doorlaatbaar voor glucose. De glucose opgenomen in de lever wordt meteen gefosforyleerd door glucokinase in glucose-6-fosfaat, zodat de glucose de levercel niet meer kan verlaten. Glucokinase heeft een lage affiniteit voor glucose en wordt dus pas werkzaam bij hoge concentraties, hexokinase (dat zich in de spieren bevindt) is echter al bij lage concentraties actief. Een belangrijk verschil tussen de twee enzymen is echter dat hexokinase geremd wordt door G6P, maar glucokinase niet, waardoor de G6P-concentratie na een maaltijd in de lever kan blijven stijgen. Glucose wordt vervolgens opgeslagen als glycogeen, zodat er een voorraad ontstaat voor tijdens de postabsortieve fase.

De glycogenese verloopt als volgt:

1. G6P wordt omgezet in G1P door fosfoglucomutase;

2. G1P wordt omgezet in UDP-glucose door UDP-glucose pyrofosforylase;

3. Glucose wordt vanuit UDP-glucose aan glycogeen gekoppeld door middel van α1, 4-bindingen met behulp van glycogeensynthase;

4. Wanneer een α1,4-zijketting bestaat uit 8 glucoseresiduen, verandert transglycosylase de α1,4-verbinding in een α1,6-verbinding.

De overmaat aan glucose wordt gebruikt voor de glycolyse en de pentose-fosfaatpathway om NADPH + H+ te maken, dat nodig is voor verschillende reductieve biosynthetische processen (synthese van vetzuren en cholesterol). Vetten (tryglycerolen) worden, nadat zij zijn opgenomen, getransporteerd in chylomicronen. De chylomicronen gaan naar de perifere weefsels en worden gehydrolyseerd tot glycerol en vrije vetzuren door het lipoprotein lipase (LPL). Vetzuren worden opgenomen door de cellen. Van deze vrije vetzuren wordt triacylglycerol gemaakt en opgeslagen. In de spieren worden vrije vetzuren als brandstof gebruikt. De synthese van triacylglycerolen uit vetzuren vereist glycerol, dat wordt geleverd uit de glycolyse. In de lever- en vetcellen onderdrukt insuline de lipolyse en neemt de intracellulaire vetzuursynthese toe. Insuline stimuleert tevens de synthese van vetzuren in de lever en vetweefsels. Glucose dat niet wordt opgenomen door de lever, maar doorstroomt naar het perifere bloed, veroorzaakt een stijging in de perifere bloedglucosespiegel. Dit glucose wordt in de lever gebruikt voor de opslag van glycogeen en in de vetweefsels als bron van glycerol voor de triglyceridesynthese.

Langdurig vasten

Tijdens langdurig vasten wordt energie verkregen uit de verbranding van vetten. Daarnaast is het lichaam afhankelijk van de gluconeogenese voor het constant houden van de glucoseconcentratie.

TAG

Vet is normaal gesproken de belangrijkste energiebron van lever, spieren en de meeste andere weefsels (behalve hersenen en rode bloedcellen). Vet wordt opgeslagen en getransporteerd als triglyceriden. De vetzuren leveren de uiteindelijke energie. Deze worden vanuit vetweefsel gebonden aan albumine en zo getransporteerd naar cellen voor metabolisme. De afbraak van vetzuren is geheel oxidatief en gebeurt zowel in het mitochondrium als in peroxisomen, voornamelijk door middel van β-oxidatie. Er worden steeds twee koolstofatomen van het vetzuur afgesplitst. De belangrijkste eindproducten zijn acetyl-CoA, FADH2 en NADH. In spieren wordt acetyl-CoA verder afgebroken in de TCA-cyclus om ATP te produceren. In de lever wordt acetyl-CoA voornamelijk omgevormd tot ketonlichamen.

In de eerste stap van het vetzuurmetabolisme worden vetzuren gevormd naar een CoA-product, waarbij ATP als energiebron nodig is. Korte- en mediumketen vetzuren kunnen door het mitochondriaal membraan getransporteerd worden en ondergaan dit proces in het mitochondrium. Lange vetzuren worden omgezet in het cytoplasma. Nadat zij zijn geactiveerd als CoA -product, worden zij naar het mitochondrium getransporteerd via de carnitineshuttle. Deze shuttle is nodig omdat CoA een groot, polair product is, dat niet door het mitochondriaal membraan heen kan. Het vetmetabolisme wordt voornamelijk gereguleerd door de mate van triglyceridehydrolyse (lipolyse) in vetweefsel. Acyl-CoA wordt vervolgens geoxideerd in een keten van reacties. Er wordt steeds gekliefd tussen een α- en β-koolstof. Gedurende elke reactie wordt één mol acetyl-CoA, FADH2 en NADH gevormd. De reacties vinden plaats in het mitochondrium en de gevormde FADH2 en NADH worden direct gebruikt om ATP te synthetiseren. Het ontstane acetyl-CoA kan verder worden gebruikt in de TCA-cyclus. Vanwege de gluconeogenese van aminozuren is er weinig oxaalacetaat. Hierdoor wordt de TCA-cyclus geremd en hoopt acetyl-CoA zich op. Hierdoor ontstaat er een tekort aan CoA om aan vetzuren te binden voor de verbranding. Β-oxidatie zou daardoor worden geremd. Om acetyl-CoA te recyclen gebruikt de lever de ketogenese. Er worden ketonlichamen gevormd, die door andere weefsels kunnen worden opgenomen. Hier worden zij omgezet, waarbij CoA en energie vrijkomen. Het mechanisme van de vetzuurverbranding wordt voornamelijk gereguleerd door hormonale mechanismen, zoals door insuline, glucagon, adrenaline en cortisol.

De lever gebruikt vetzuren als energiebron voor gluconeogenese tijdens langdurig vasten en verhongering. Triacylglyceriden worden hierbij in vetweefsel afgebroken tot 3 vetzuurketens en glycerol. Glycerol gaat vervolgens naar de lever, zodat het gebruikt kan worden voor de gluconeogenese. De vetzuurketens gaan onder andere naar de lever voor de β-oxidatie, zodat ketonlichamen geproduceerd kunnen worden. De oxidatie levert ook NADH op, dat tevens nodig is voor de gluconeogenese.

De lever ontvangt ook ander substraten voor de gluconeogenese uit andere weefsels. De spier geeft alanine af en de erytrocyten en niermedulla geven lactaat af. De gevormde glucose gaat dan naar de weefsels die slechts glucose kunnen oxideren, zoals de niermedulla, erytrocyten, hersenen en de ooglens. De ketonlichamen gaan naar de hersenen, niercortex en de spieren.

Glucose ondergaat in deze weefsels glycolyse en zo mogelijk de Krebscyclus. Het lactaat dat in de hersenen, niermedulla en erytrocyten gevormd wordt, gaat terug naar de lever als substraat voor de gluconeogenese. Dit wordt de Cori-cyclus genoemd en het doel is om zo efficiënt mogelijk glucose te ‘recyclen’, zodat zo min mogelijk glucose verloren gaat.

Er zijn bepaalde hormonen nodig om de regulatie plaats te laten vinden.

Bij langdurig vasten is er sprake van een chronisch laag insulinepeil en een hoog glucagongehalte in het bloed. Ook neemt de thyroïdehormoonconcentratie af, waardoor de snelheid van het metabolisme vermindert.

Glucagon beïnvloedt de werking van de lever. Het zorgt ervoor dat het metabolisme verschuift naar catabolisme, en anabolisme geremd wordt. Het stimuleert de glycogenolyse, gluconeogenese, oxidatie van vetzuren en ketogenese. Verder remt het de glycolyse, glycogeensynthese en de synthese van triacylglycerolen (lipogenese).

Glucagon beïnvloedt de werking van de lever door te binden aan zijn membraanreceptor. Het glucagon-receptorcomplex zorgt voor de binding van GTP aan een G-eiwitcomplex. Hierdoor dissociëren de G-eiwit subunits en een van deze subunits activeert adenylyl cyclase, dat ATP omzet in cAMP. Dit cAMP activeert de cAMP-dependent protein kinase, die verschillende regelenzymen fosforyleert, waardoor de activiteit van sleutelenzymen in het koolhydraat- en vetmetabolisme beïnvloed wordt. Een laag insulinegehalte stimuleert de afbraak van spiereiwitten tot aminozuren (proteolyse) en zorgt voor de vrijlating van aminozuren (vooral alanine en glutamine) vanuit de spieren.

Bij langdurig vasten is de gluconeogenese essentieel voor het op peil houden van de bloedsuikerspiegel. Dit is in tegenstelling tot de glycogenolyse een langzaam toenemend proces, afhankelijk van veranderingen in genexpressie, en komt binnen een aantal uur tot maximale activiteit. Voor de gluconeogenese is energie en een bron aan koolstof nodig. De energie wordt uitgeleverd door de verbranding van vetzuren, en de koolstofskeletten komen van lactaat (geproduceerd door weefsels als rode bloedcellen en spieren), aminozuren (uit weefselproteïnes) en glycerol (verkregen uit triglycerides tijdens de lipolyse in het vetweefsel).

Tijdens langdurig vasten verliezen we vet- en spiermassa. Vet wordt vooral voorals algemene energiebron voor het lichaam verbrand (ook ter ondersteuning van de gluconeogenese), waardoor de weefselmassa afneemt. Spiermassa neemt af doordat aminozuren uit het weefsel worden gebruikt voor de gluconeogenese.

Gluconeogenese uit lactaat

Voor de gluconeogenese worden mitochondriale en cytosolische enzymen gebruikt. Glycoloyse kan niet omgedraaid worden, de enzymen glucokinase (GK), phosphofructokinase-1 (PFK-1) en pyruvaat kinase (PK) zorgen ervoor dat er sprake is van onomkeerbare reacties. De phosphoglyceraatkinase-reactie is wel omkeerbaar en wordt dus ook bij de gluconeogenese gebruikt.

De lever gebruikt voor de gluconeogense vier unieke enzymen:

• Pyruvaat carboxylase (PC) in het mitochondrium, in plaats van PK;

• Phosphoenolpyruvaat carboxykinase (PEPCK) in het cytosol, in plaats van PK;

• Fructose-1,6-biphosphatase (Fru-1,6-BPase) in het cytosol, in plaats van PFK-1;

• G6Pase in het cytosol, in plaats van GK.

Het eerste onderdeel van de gluconeogenese vanuit lactaat, is het omzetten van lactaat in phoshoenolpyryvaat door het enzym LDH (lacaat dehydrogenase). Vervolgens gaat pyruvaat het mitochondrium binnen, waar het wordt omgezet tot oxaalacetaat door PC. Dit kost CO2 en 2 ATP. Vervolgens kan oxaalacetaat worden omgezet in malaat door MDH. Malaat kan het mitochondrium verlaten en komt in het cytoplasma. Uiteindelijk wordt PEP gevormd, waarvoor twee ATP-moleculen geïnvesteerd moeten worden (in de hoge energiebinding van enolfosfaat in PEP). PEP ondergaat vervolgens de omgekeerd glycolyse, totdat het volgende onomkeerbare enzym PFK-1 wordt bereikt. Deze reactie wordt omzeild door Fru-1,6-BPase. Deze stap kost geen energie. Vervolgens wordt de reactie van GK omzeild door G6Pase. Het vrije glucose wordt vervolgens in het bloed gelaten. De lever kan per dag een kilo glucose maken vanuit de gluconeogenese.

De normale productie bij afwezigheid van koolhydraten uit voeding is zo’n 200 g per dag. De productie van glucose uit pyruvaat is vrij duur, er moet in totaal 4 mol ATP worden geïnvesteerd per mol glucose. Het ATP wordt aangeleverd door de oxidatie van vetzuren.

Gluconeogenese van aminozuren en glycerol

De koolstofskeletten van glucogenische aminozuren kunnen na transaminering worden omgezet in glucose. Alanine en glutamine zijn de belangrijkste aminozuren die vanuit spieren worden geëxporteerd voor de gluconeogenese. Alanine wordt meteen omgezet in pyruvaat door het enzym alanine aminotransferase (ALT), waarna de gluconeogenese op dezelfde manier verloopt als die van lactaat. Andere aminozuren worden omgezet in TCA-cyclusintermediairen, en daarna in malaat voor de gluconeogenese. Vaak worden aminozuren eerst omgezet in alanine, om vervolgens via de gluconeogenese omgezet te worden in pyruvaat en uiteindelijk glucose.

Glycerol wordt gefosforyleerd tot glycerol-3-fosfaat, dat vervolgens wordt omgezet in dihydroxyacetonephosphate (DHAP). DAHP kan vervolgens verder worden omgevormd tot glucose. Alleen de glyceroldelen van vetten kunnen worden omgezet in glucose. In totaal kost dit 2 mol ATP per mol glucose.

De ketonlichamen gaan de Krebscyclus in, in de weefsels. Sommige organen oxideren ketonlichamen om energie te verkrijgen als de ketonlichaamconcentratie in het bloed stijgt, zodat er meer glucose overblijft voor de organen die alleen glucose kunnen oxideren. Deze organen missen namelijk enzymen om bijv. ketonlichamen te oxideren.

Regeling

De gluconeogenese wordt voornamelijk geregeld door hormonale mechanismen onder invloed van glucagon en insuline. De primaire control punten zijn de regulerende enzymen PFK-1 en FRU-1,6-BPase. Deze zijn namelijk uiterst gevoelig voor FRU-2,6-BP, dat PFK-1 activeert en FRU-1,6-BPase inactiveert. FRU-2,6-BP wordt geproduceerd door een bifunctioneel enzym, FRU-2,6-BPase/PKF-2, dat zowel kinase- als fosforylaseactiviteit kan hebben. Door glucagon wordt de fosforylasexactiviteit (Fru-2,6-BPaseactiviteit) gestimuleerd en wordt de Fru-2,6-BP hoeveelheid verminderd. Hierdoor wordt PFK-1 voor glycolyse niet meer gestimuleerd en de rem op FRU-2,6-BP voor gluconeogenese opgeheven. Insuline werkt na een maaltijd juist andersom. Het bifunctionele enzym wordt dan geactiveerd als PFK-2, waardoor er meer FRU-2,6-BP wordt gevormd. Hierdoor wordt de gluconeogenese tegengegaan en de glycogenese gestimuleerd. Gluconeogenese wordt in de mitochondriën ook gereguleerd door acetyl-CoA, dat een inhibitor voor pyruvaat dehydrogenase is en een activator van pyruvaat carboxylase. Vetmetabolisme remt hiermee de oxidatie van pyruvaat en stimuleert het gebruik voor gluconeogenese.

Kortdurende inspanning

Hormonale regulatie

Voorbeelden van kortdurende inspanning zijn gewichtheffen en de 100 meter sprint. De tijdsduur van deze inspanning is zo kort, dat er alleen anaërobe verbranding van glucose plaatsvindt. Gedurende de eerste 10 seconden werkt het fosfaatsysteem (anaëroob). In tegenstelling tot andere anaërobe processen, komt er hierbij geen melkzuur vrij. Het lichaam haalt energie uit het aanwezige ATP en de stof creatinefosfaat, dat gedurende een korte periode erg veel energie geeft. In de fase na deze 10 seconden schakelt de spierstofwisseling voor korte duur (2 tot 3 minuten) over op het melkzuursysteem. Tijdens deze fase wordt de kleine voorraad glycogeen die aanwezig is in de lever en spieren, omgezet in glucose. Vervolgens wordt vooral het spierglycogeen verbrand om te voorzien in de energiebehoefte. Een afvalproduct van het anaëroob verbranden van glucose is lactaat (melkzuur).

Het proces bij kortdurende inspanning wordt door de korte tijdsduur niet gereguleerd door hormonen. Door de spanning (‘stress’) die een wedstrijd met zich mee kan brengen, kan het adrenalinegehalte wel verhoogd zijn. Door het adrenaline treedt vasoconstrictie op (vernauwing van de bloedvaten) en wordt de glycogenolyse (afbraak van glycogeen) gestimuleerd. Ook zorgt adrenaline voor een secretie van glucagon. Door glucagon wordt glycogeen omgezet in glucose, waardoor het glucosegehalte van het bloed stijgt.

Spieren missen glucagonreceptoren en G6Pase. Daarom kan de spier-glycogeenvoorraad niet worden gebruikt om de bloedglucoseconcentratie op peil te houden. Glycogenolyse in spieren wordt geactiveerd door adrenaline via de β-adrenerge receptor. Dit gebeurt in reactie op stress en tijdens langdurige inspanning. Daarnaast zijn er twee belangrijke hormoononafhankelijke mechanismen voor de activatie van de glycogenolyse in de spieren:

• Door elektrische zenuwprikkeling stroomt Ca2+ het cytoplasma van de spiercel in. Hierdoor worden Ca2+-calmodulinecomplexen gevormd, die fosforylase kinase activeren. Deze manier van glycogenolyseactivatie is geschikt voor kortdurende inspanning.

• Een krachtige kortdurende inspanning leidt tot veel ATP-verbruik. Hierdoor stapelt ADP zich op en wordt dit omgezet in AMP. AMP is een directe activator van fosforylase, waardoor de glycogenolyse van start gaat.

De glucose wordt vrijgemaakt uit glycogeen en gebruikt voor de glycolyse, waardoor energie vrijkomt voor de inspanning.

Bloedsuikerspiegel

Bij de vertering van de koolhydraten uit het eten ontstaat er glucose. De glucose wordt opgenomen in de darm en komt in het bloed terecht. Hierdoor stijgt de glucosespiegel van het bloed. De β-cellen in de pancreas meten de verhoogde glucoseconcentratie in het bloed via GLUT2. De β-cellen scheiden als reactie hierop insuline uit. Insuline bevordert de opname van glucose in de cellen. In de lever- en spiercellen stimuleert insuline de glycogenese.. Daarnaast gaat insuline de werking van glucagon tegen. Hierbij wordt fosforylase geïnactiveerd, en glycogeensynthase juist geactiveerd. Insuline oefent tenslotte ook invloed uit op spier- en vetweefsel. Deze weefsels hebben normaal gesproken maar weinig glucosereceptoren. Na binding aan insuline worden GLUT4-transporters naar het membraan bewogen. In spiercellen wordt glucose als spierglycogeen opgeslagen. In vetweefsel wordt glucose gebruikt voor de productie van glyceraldehyde-3-fosfaat, voor de synthese van triglycerides. Insuline bindt aan transmembraanreceptoren, waardoor de tyrosine kinaseactiviteit wordt gestimuleerd. De receptor fosforyleert intracellulaire effectoreiwitten: protein kinase A , protein kinase C, GTPase en fosfatase.

De lever is direct verantwoordelijk voor de regeling van de bloedglucosespiegel. Ook zonder hormonale regulering stijgt de glycogenese en daalt de glycogenolyse na het nuttigen van een maaltijd. Dit komt doordat glucose direct fosforylase remt en fosfatase stimuleert en de lever tevens GLUT2-transporters bevat.

Glucagon is een peptidehormoon dat door de α-cellen van de pancreas wordt uitgescheiden. Glucagon activeert de glycogenolyse in de lever.

Energieleveranciers

Om energieleveranciers bij kortdurende inspanning te kunnen bekijken, nemen we als voorbeeld een sprint van 100 meter, waarbij de sprinter 22,5 seconden over de sprint doet en dus voor 22,5 seconden aan energie nodig heeft.

De energieleveranciers betreffen dan de volgende stoffen en processen tijdens deze loop:

• ATP (1 sec): dit is het ATP dat al aanwezig is in het lichaam en dat direct als brandstof kan worden gebruikt.

• Creatinefosfaat (4-5 sec): creatinefosfaat, is een energierijke stof in de spiercel. Bij inspanning kan deze stof door de vorming van ATP zeer snel energie vrijmaken via een chemische reactie waarbij fosfaat wordt afgesplitst. Deze energie wordt vervolgens gebruikt voor de spiercontracties. Het creatine komt voor een deel in de bloedbaan terecht, waaruit het gedeeltelijk door de nieren met de urine uitgescheiden wordt. Het overige creatine wordt via de lever weer door de spieren opgenomen. Om opnieuw energie te kunnen leveren, zal creatine eerst weer gekoppeld moeten worden aan fosfaat. Voor deze koppeling is eerst energie nodig, energie die bijvoorbeeld vrijgemaakt kan worden door de verbranding van koolhydraten. De hoeveelheid creatinefosfaat in de spieren is voldoende voor zo'n 8 tot 12 seconden maximale (sprint)arbeid.

• Anaërobe verbranding (glycolyse): doordat er verbranding plaats vindt zonder zuurstof ontstaat er lactaat. Dit lactaat zorgt voor de energie. Van aërobe verbranding is bij een inspanning van korte duur eigenlijk geen sprake.

De enige echte energieleverancier is eigenlijk ATP. De energieleveranciers los van ATP zorgen ervoor dat er uiteindelijk ATP vrijkomt. Hoe snel de aërobe verbranding op gang komt, en óf deze wel op gang komt tijdens de sprint, hangt af van de mate van getraindheid van de sprinter. Bij een goed getrainde sporter komt de aërobe verbranding sneller op gang dan bij een ongetrainde sporter.

Langdurige inspanning

Met langdurige inspanning gaat het om het hardlopen van afstanden van 400 meter tot de afstand van een marathon. Er is echter een verschil in het metabolisme bij het lopen van 400 meter en bij dat van een marathon. Het probleem bij een langdurige inspanning is het opraken van opgeslagen glycogeen. Daarom moeten er andere energiebronnen worden gezocht. Het lichaam begint op den duur gebruik te maken van de vetzuurvoorraden die in het lichaam zijn aangelegd. Bovendien wordt op verschillende manieren de glucosevoorraad gespaard. De afstand van 400 meter is nog kort en daarom zal de energie nu nog voornamelijk worden geleverd door anaërobe verbranding, waarbij glucose wordt omgezet in lactaat. Het lactaat wordt via de Cori-cyclus weer omgezet in glucose. Bovendien zullen lever en nieren gluconeogenese bewerkstelligen.

Bij een inspanning zoals de 400 meter begint op een gegeven moment wel de aërobe verbranding van glucose op gang te komen. De glucose wordt dan vrijgemaakt uit het glycogeen. Glycogeen wordt dan afgebroken vanuit de voorraden in spieren en lever. De voorraden van de lever worden aan het bloed afgegeven en de voorraden van de spieren worden gebruikt voor hun eigen werk.

Bij echt langdurige inspanning, zoals een marathon, is pas aanzienlijk de aërobe verbranding op gang gekomen. Aan het einde van een langdurige inspanning wordt wel 85% van de verbruikte energie geleverd door de verbranding van vetzuren. Om deze vrije vetzuren te verkrijgen, wordt eerst het vet in vetweefsel afgebroken tot vetzuren en glycerol (lipolyse). Deze lipolyse wordt uitgevoerd door lipase. Dan worden de vetzuren getransporteerd naar het bloed en in de doel-organen geoxideerd. Dit levert de benodigde energie. Op deze manier wordt pyruvaat gespaard, Wat handig is aangezien pyruvaat omgezet kan worden in glucose.

Hormonale regeling

Bij de 400 meterloop stijgt de concentratie van adrenaline in het bloed sterk. Dit hormoon zorgt samen met glucagon voor het inhiberen van insuline. Doordat er niet wordt gegeten, wordt de concentratie van glucose in het bloed verlaagd. Daardoor stoppen de β-cellen van Langerhans met het produceren van insuline. Doordat er minder insuline in het bloed komt, zullen de GLUT4-receptoren voor glucose op vet- en spiercellen afnemen, zodat meer glucose in het bloed wordt gespaard en overblijft voor de rode bloedcellen. Bovendien neemt relatief de hoeveelheid glucagon in het bloed toe, waardoor dit hormoon tot expressie zal komen in het metabolisme.

Adrenaline heeft een werking die ongeveer gelijk is aan die van glucagon. Ook de transductieroute is gelijk. Een van de belangrijke verschillen is echter de transmembrane receptor, die voor beide hormonen verschillend is. Epinephrine (adrenaline) wordt geproduceerd door de bijnier en glucagon door de α-cellen in de eilandjes van Langerhans. De hormonen grijpen aan op de cel via een G-eiwitgekoppelde recetor en activeren zo het α-deel van een G-eiwit. Dit deel van het G-eiwit activeert weer adenylyl cyclase, waardoor cAMP wordt gevormd. Hierdoor wordt PKA actief. PKA heeft twee verschillende werkingen:

• Fosforyleren van een fosforylase kinase: deze wordt actief en fosforyleert glycogeenfosforylase, waardoor deze ook actief wordt;

• Fosforyleren van PKA glycogeensynthase: deze wordt inactief.

Door deze beide enzymen te fosforyleren zorgt adrenaline er dus voor dat er glycogenolyse plaats zal vinden en geen glycogenese.

Glucagon wordt pas na verloop van tijd verhoogd aangemaakt. Eerst zal de werking van dit hormoon vooral tot expressie komen, doordat de concentratie in relatie tot insuline relatief toeneemt.

Glucagon stimuleert een aantal verschillende processen, enzymen en stoffen:

• Om te beginnen heeft het de werking zoals die te zien is bij adrenaline (zoals hierboven genoemd).

• Verder stimuleert het Glucose-6-P-fosfatase in de lever. Daardoor wordt G6P omgezet in glucose en de cel uitgetransporteerd door de GLUT2-transporters, omdat de concentratie van glucose in de hepatocyten uiteindelijk is gestegen.

• Ook stimuleert glucagon Fru-2,6-BPase (een enzym). Dit enzym zorgt voor de omzetting van fructose-2,6-BiP (stof) in fructose-6-fosfaat. Fructose-2,6-BiP inhibeert FRU-1,6-BPase en het stimuleert PFK-I (een enzym dat fructose-6-fosfaat omzet in fructose-1,6-BiP). Doordat fructose-2,6-BiP nu wegvalt wordt dus de glycolyse gestimuleerd.

• Tot slot stimuleert glucagon lipase. Daardoor wordt de lipolyse in gang gezet. Dit is een zeer belangrijke ontwikkeling waardoor langdurige inspanning mogelijk wordt gemaakt.

Bloedsuikerspiegelhomeostase

Het is belangrijk dat de bloedsuikerspiegel op peil wordt gehouden. Glucose is namelijk de enige energiebron voor erythrocyten en het blijft een grote energiebron voor de hersenen. Er is echter niet veel van deze stof in het lichaam opgeslagen. Het zal dus eerst moeten worden vrijgemaakt en uiteindelijk worden aangemaakt. Bovendien is het belangrijk dat het glucose spaarzaam wordt gebruikt: zo min mogelijk dus door andere weefsel dan de hersenen en erytrocyten. Het lichaam verzorgt deze homeostase op verschillende manieren, onder andere door glucose en pyruvaat te sparen door vetzuren te gebruiken als energiebron. Uiteindelijk zal bij langdurige inspanning het lichaam te weinig glucose aan kunnen maken. Dit wordt opgelost door de aanmaak van ketonlichamen in de lever (ketogenese). Ze kunnen worden gemaakt uit vetzuren en ook uit een aantal eiwitten (ketogene eiwitten). De ketogenese wordt gestimuleerd door een accumulatie van acetyl-CoA. De hersenen passen zich op den duur aan en zullen dan in plaats van glucose ook deze stoffen als energiebron kunnen gebruiken. Alle weefsels, op erytrocyten na, kunnen ketonlichamen afbreken en gebruiken als energiebron.

Verder neemt de hoeveelheid GLUT4-receptoren op vet- en spiercellen af, waardoor er minder glucose door deze cellen wordt opgenomen. Het lichaam zorgt er zelf voor dat de gluconeogenese zo veel mogelijk kan blijven bestaan. Als er namelijk veel acetyl-CoA, ATP en NADH+ zijn ontstaan bij vetzuurverbranding, remmen deze stoffen de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA. Dit is een onomkeerbare stap en deze moet uiteraard vermeden worden als er al weinig glucose aanwezig is in het lichaam. In deze fase van inspanning is namelijk nog wel glucose nodig. Dit is nodig voor bijvoorbeeld de hersenen en rode bloedcellen, maar ook voor een efficiënte verbranding van vetzuren. Het pyruvaat moet dan dus niet worden gebruikt als energiebron maar (onder andere) worden gebruikt voor de gluconeogenese.

Een gevaar voor iemand die een marathon loopt is echter dat de intermediairen van de TCA-cyclus opraken door een overschot aan gluconeogenese. Deze intermediairen moeten nog wel worden gevormd en in de cellen aanwezig zijn, anders kan er ook geen verbranding van vetzuren meer plaatsvinden. De spieren van een marathonloper hebben veel ATP nodig. Op verschillende manieren kan een marathonloper aan deze grote hoeveelheid ATP komen:

• Via fosfagene energie (2 manieren):

  • Het aanwezige ATP geeft circa 1 seconde energie

  • Het aanwezige creatinefosfaat dat kan worden omgezet naar ATP geeft circa 5 seconden energie

• Via glycogeen (dat opgeslagen ligt in de spieren) (2 manieren):

  • De anaërobe verbranding van glucose onder de vorming van lactaat geeft een aantal minuten energie

  • De aërobe verbranding komt hierna goed op gang. Dit komt doordat er eerst voldoende zuurstof aanwezig moest zijn

• Via glucose en vet (dat via het bloed wordt aangevoerd)

  • De vetverbranding komt op gang en de bijdrage aan de energievoorziening neemt toe met uiteindelijk een situatie aan het einde van de marathon waarbij de energievoorziening voor 15% door glucose en voor 85% door vetverbranding wordt geleverd.

Glucose blijft tijdens langdurige inspanning nodig voor onder andere de hersenen en de erythrocyten, maar ook voor de efficiënte verbranding van vet.

Algemene farmacologie: Wat is de variatie in gevoeligheid voor farmaca? - Chapter 8

De farmacologische respons van een bepaald geneesmiddel kan enorm verschillen omdat mensen onderling verschillen. Ook kan er variatie zijn binnen één patiënt. Deze variabiliteit leidt tot verschillen in therapeutische effecten en in bijwerkingen. Bovendien zou de relatie tussen de concentratie actieve stof en het farmacologisch effect kunnen verschillen. Dit is vooral van klinisch belangnwanneer de therapeutische breedte erg smal is.

De belangrijkste invloeden op variabiliteit zijn:

• Therapietrouw

• Genetische constitutie

• Farmacon- en voedselinteracties

• Demografische kenmerken

• Farmaceutische vorm

• Manier en tijdstip van toediening

• Tolerantie

• Onttrekkingsverschijnselen

Genetische verschillen

Genetische verschillen tussen personen kunnen vooral variatie veroorzaken in het metabolisme en de verdeling van farmaca. Cytochroom-P450 is het belangrijkste metaboliserend enzymsysteem dat lipofiele farmaca omzet in meer hydrofiele verbindingen door het katalyseren van oxidatiereacties. Verschillen in cytochroom-P450 tussen mensen zorgen voor verschillen in metabole klaring, plasmaconcentraties en halfwaardetijd. CYP2D6-deficiëntie is een voorbeeld van een cytochroom-P450-deficiëntie, die leidt tot een sterk vertraagde eliminatie van bepaalde farmaca. Dit kan leiden tot ernstige intoxicaties. Er zijn veel polymorfismen van veel verschillende enzymen die ervoor zorgen dat een bepaalde stof niet of te langzaam omgezet wordt, waardoor (ernstige) bijwerkingen door overdosering kunnen ontstaan.

Voedselinteractie en idiosyncratische reacties

Voedselinteracties, waarbij het meestal gaat om directe interacties waarbij slecht oplosbare complexen worden gevormd, spelen een rol bij oraal toegediende farmaca. Vaak hangt de ernst van de bijwerking samen met de hoogte van de blootstelling van de veroorzakende stof. Idiosyncrasie is wanneer in een grote populatie enkelen een sterk afwijkende reactie op een farmacon hebben. Het optreden van een idiosyncratische reactie kan samenhangen met een genetische deficiëntie.

Demografische verschillen

Verschillen in demografische factoren, zoals leeftijd, geslacht, gewicht, lengte, ziekten, roken en voeding kunnen ook variabiliteit in de dosis-responsrelatie van farmaca geven.

De metabole eliminatie door cytochroom-P450 is bij vrouwen actiever dan bij mannen, maar orale contraceptiva verlagen deze activiteit. Vrouwen hebben gemiddeld een kleiner lichaamsoppervlak en een hogere lichaamsvet-lichaamsgewichtverhouding dan mannen, maar meestal is aanpassing van dosering voor al deze verschillen niet nodig. Ziekte kan leiden tot verandering van de farmacokinetiek, farmacodynamiek of beide. Ziekte geeft meestal een afname van de klinische conditie, waardoor de kans op bijwerkingen toeneemt en soms het gewenste therapeutische effect niet bereikt wordt.

Bij neonaten is de biotransformatie en renale klaring sterk vertraagd. Ook is het verdelingsvolume is vaak anders dan bij volwassenen. Bij kinderen en mensen tot ongeveer 20 jaar oud neemt de klaring van farmaca toe per kg lichaamsgewicht. De onderhoudsdosering voor kinderen is in te schatten volgens: onderhoudsdosis kind = (gewicht kind/70 kg)0,7 · onderhoudsdosis volwassene.

Vanaf ongeveer het derde decennium van iemands leven neemt de capaciteit van veel fysiologische processen af. Bij ouderen neemt de eliminatiehalfwaardetijd toe omdat het verdelingsvolume toeneemt (meer vet, minder spieren). Ook is er vaak sprake van afname van veel orgaanfuncties, waardoor de kans op overdosering en interacties (want meer verschillende medicijnen nodig) toeneemt met een groter risico op bijwerkingen. De dosis van een farmacon dat renaal wordt geklaard moet meestal verminderd worden. Bij bejaarden geldt als richtlijn: onderhoudsdosis = ([140 – leeftijd (jaar)] · gewicht (kg)]0,7)/1660 · onderhoudsdosis volwassene.

Invloed van leverziekten

Acute hepatitis geeft meestal verlies van levercellen, levercirrose geeft verlies van functionele levercelmassa met portale hypertensie en shunting van bloedvaten door collateralen van de vena porta met de systemische circulatie. Bij cholestatische leverziekten is de galuitscheiding belemmerd.

Leverziekten kunnen de hoeveelheid circulerende plasma-eiwitten verminderen, waardoor het verdelingsvolume van sterk aan plasma-eiwit gebonden farmaca toeneemt. Een verhoogde hoeveelheid bilirubine kan met enkele farmaca competeren voor de eiwitbinding. Bij mensen met portale hypertensie kan de absorptie van farmaca na orale toediening vertraagd of minder en variabel zijn, mogelijk door een vertraagde maaglediging en een gestoorde darmmucosafunctie. Aandoeningen die niet primair de lever betreffen kunnen leverfunctiestoornissen en vermindering van de metabole leveractiviteit veroorzaken.

High- en low-clearance farmaca

Farmaca die door cytochroom-P450 in de lever gemetaboliseerd worden, zijn op te delen in twee groepen: high- en low-clearance farmaca. De mate van leverdoorbloeding is de beperkende factor bij high-clearance farmaca, de enzymcapaciteit en intrinsieke klaring zijn hoog en de farmaca worden snel omgezet. Na orale toediening is er een groot first-pass-effect. Low-clearance farmaca hebben een lage intrinsieke leverklaring en de capaciteit van het enzymsysteem is de beperkende factor voor de systemische klaring.

Invloed van nierziekten

Bij nierinsufficiëntie met uremie kan het verdelingsvolume sterk veranderen door bijvoorbeeld verdringing van een farmacon uit de weefselbinding. De eiwitbinding bij nierinsufficiëntie kan afnemen, waardoor de vrije fractie farmacon kan toenemen. Door afname van de renale klaring vertraagt bij nierinsufficiëntie ook de eliminatie. Van een normale klaring tot een klaring van 40 ml/min bestaat een goede correlatie tussen de creatinineklaring en de klaring van glomerulair gefiltreerde farmaca. Farmaca kunnen naast glomerulair gefiltreerd teruggeresorbeerd of gesecerneerd worden. Nierinsufficiëntie kan ook leiden tot veel verschillende metabole afwijkingen, die invloed kunnen hebben op de gevoeligheid van het effectororgaan voor farmaca.

Farmaconinteracties, enzyminductie en enzyminhibitie

Een aantal farmaca kan de activiteit van enzymsystemen, die betrokken zijn bij de biotransformatie van farmaca vergroten, wat kan leiden tot onderdosering. Inductie van cytochroom-P450 is het meest belangrijk. Enzyminductie heeft enige tijd nodig om merkbaar te worden. De interactie bij enzyminhibitie is bijna altijd competitief, treedt onmiddellijk na toediening op, is selectief en kan vaak voorspeld worden. Het effect verdwijnt snel na het stoppen met het farmacon en is afhankelijk van de eliminatiehalfwaardetijd van de enzymremmer.

Tolerantie

Tolerantie: een vermindering van het farmacologisch effect van een stof bij volgende toedieningen van dezelfde dosis van de stof. Dit kan ontstaan bij chronische blootstelling aan de stof. Als het heel snel na de start van de blootstelling ontstaat, heet dittachyfylaxie, wanneer het geleidelijk ontstaat, heet het gewenning. Verlaging van de concentratie actieve stof op de werkingsplaats of vermindering van de farmacon-effectorrespons zijn oorzaken van tolerantie. Er kan sprake zijn van selectieve tolerantie, waarbij de ontwikkeling van tolerantie op verschillende plaatsen anders verloopt. Ook kan voor het ene effect van een farmacon wel en voor het andere effect geen tolerantie ontstaan. Tolerantie kan ontstaan door farmacodynamische oorzaken, zoals verandering van de receptorpopulatie, of door farmacokinetische, metabole of cellulaire veranderingen.

Onttrekkingsverschijnselen

Bij onttrekkingsverschijnselen (“rebound”) zijn receptorveranderingen belangrijk. Geleidelijk afbouwen is heel belangrijk bij farmaca die onttrekkingsverschijnselen kunnen veroorzaken, dit om ongewenste verschijnselen te voorkomen.

Algemene farmacologie - Van Ree, Breimer - Oefenen

Voorbeeldvragen Algemene Farmacologie

1. Welke van de volgende drie combinaties van eigenschappen van een geneesmiddel zijn van belang voor een goede resorptie van dit geneesmiddel na orale toediening:

a. lipofiliteit, molecuulgrootte en verdelingsvolume.

b. lipofiliteit, molecuulgrootte en pKa.

c. lipofiliteit, first pass metabolisme en pKa.

d. first pass metabolisme, molecuulgrootte en verdelingsvolume.

2. De biologische beschikbaarheid van een geneesmiddel is de fractie van de toegediende dosis die:

a. wordt geresorbeerd vanuit de darm in de systemische circulatie (exclusief de poortader).

b. ongebonden in de systemische circulatie (exclusief de poortader) komt.

c. onveranderd in de systemische circulatie (exclusief de poortader) komt.

d. gebonden in de systemische circulatie (exlusief de poortader) komt.

3. In het Farmacotherapeutisch Kompas wordt gegeven dat een geneesmiddel een zeer groot verdelingsvolume bezit (500L). Op basis hiervan kunt u verwachten dat de plasmaspiegels van dit geneesmiddel in het algemeen:

a. hoog zullen zijn.

b. laag zullen zijn.

c. uiterst hoog zullen zijn.

d. niet voorspelbaar hoog of laag zullen zijn.

4. Veel geneesmiddelen worden in het bloed voor transport gebonden aan plasma-eiwitten. De plasma-eiwitbinding heeft betekenis voor:

a. de glomerulaire filtratie van het geneesmiddel in de nier.

b. de terugresorptie van het geneesmiddel in de nier.

c. beide processen in de nier.

d. géén van beide processen in de nier.

5. De biotransformatie van een geneesmiddel in de lever leidt tot:

a. uitsluitend detoxificatie van het geneesmiddel.

b. omzetting van het geneesmiddel naar lipofiele metabolieten.

c. omzetting van het geneesmiddel naar hydrofiele metabolieten.

d. uitsluitend tot om zetting van een “prodrug” naar een werkzaam bestanddeel.

6. Geneesmiddelen met een zeer hoge hepatische extractieratio (“high clearance drugs”) zijn gevoelig voor vooral:

a. verandering in bloedflow door de lever.

b. verandering van de intrinsieke leverklaring.

c. van de eiwitbinding van het geneesmiddel.

d. interactie door enzyminductie of enzyminhibitie.

7. Voor een geneesmiddel wordt bij een patiënt vastgesteld dat de renale plasmaklaring (Clren) 600 ml/min bedraagt. De creatinine klaring bedraagt voor deze persoon 130 ml/min. Op basis hiervan kunt u zeggen dat het geneesmiddel in de nier in ieder geval [3]:

a. gefiltreerd en teruggeresorbeerd wordt.

b. gefiltreerd en gesecretreerd wordt.

c. teruggeresorbeerd en gefiltreerd wordt.

d. niet teruggeresorbeerd wordt.

8. Bij een creatinine klaring kleiner dan 30 ml/min wordt het gebruik van de zeer hydrofiele beta-blokker atenolol (A) zeer sterk afgeraden of zelfs gecontraïndiceerd. Dit advies wordt gegeven omdat:

a. A voornamelijk renaal wordt geklaard en de plasma t1/2 kan afnemen bij een lage creatinine klaring.

b. A voornamelijk renaal wordt geklaard en de plasma t1/2 kan toenemen bij een lage creatinine klaring.

c. A voornamelijk door de lever wordt geklaard en de plasma t1/2 kan afnemen bij een lage creatinine klaring.

d. A voornamelijk door de lever wordt geklaard en de plasma t1/2 kan toenemen bij een lage creatinine klaring.

9. Bij meervoudige toediening van geneesmiddelen fluctueert de plasmaspiegel tussen de maximale (Cmax) en minimale (Cmin) concentratie. De fluctuatie is afhankelijk van:

a. uitsluitend de hoogte van de toegediende doses.

b. de eliminatie T1/2 en het doseringinterval.

c. uitsluitend het doseringsinterval.

d. de eliminatie T1/2 , het doseringinterval en de hoogte van de toegediende doses.

10. Geneesmiddelen A en B verlagen de bloeddruk. Uit farmacologisch onderzoek blijkt de pD2 waarde (= -logED50) voor geneesmiddel A en B 6.00 respectievelijk 7.00 te bedragen. De intrinsieke activiteit voor beide geneesmiddelen is gelijk. Bij de behandeling van hypertensie heeft:

a. A voorkeur boven B aangezien A lager gedoseerd kan worden en de kans op bijwerkingen minder wordt

b. B voorkeur boven A aangezien B lager gedoseerd kan worden en de kans op bijwerkingen minder wordt

c. A noch B een voorkeur aangezien de intrinsieke activiteit voor beide geneesmiddelen gelijk is

d. A noch B een voorkeur aangezien beide in een zelfde dosering een nagenoeg gelijkwaardig effect zullen hebben

11. Ipratropium is een anticholinerge stof welke wordt gebruikt bij astma bronchiale om de bronchiolen te verwijden. Propranolol is een zogenaamde β-blokker, een anti-adrenerge stof. Deze stof kan de bronchiolen vernauwen. Ipratropium kunnen we beschouwen als een:

a. competitieve antagonist

b. niet-competitieve antagonist

c. een functionele antagonist

d. partiële antagonist

12. Metoprolol is een ß-adrenoceptor antagonist en wordt ondermeer gebruikt bij de symptomatische therapie van verhoogde bloeddruk. Door blokkade van de subtype β1-adrenoceptor in het hart kan metoprolol ondermeer de hartslag verlagen. Na dagelijkse toediening van effectieve doseringen van metoprolol gedurende enkele maanden stopt een patiënt plotseling met het gebruik van metoprolol. De volgende dag vertoont de patiënt duidelijke rebound verschijnselen. De rebound verschijnselen uiten zich als:

a. sterke verlaging van de hartslag door “downregulation” van ß-adrenoceptoren

b. sterke verlaging van de hartslag door “upregulation” van ß-adrenoceptoren

c. sterke verhoging van de hartslag door “upregulation” van ß-adrenoceptoren

d. sterke verhoging van de hartslag door “downregulation” van ß-adrenoceptoren

13. Atenolol is een selectieve β1-adrenoceptor antagonist. De selectiviteit van atenolol voor de subtype β1-adrenoceptor wordt bepaald door:

a. ondermeer de mate van affiniteit van atenolol voor de subtype receptoren

b. ondermeer de α-waarde van atenolol voor de subtype receptoren

c. ondermeer de pD2-waarde van atenolol voor de subtype receptoren en de dosering van atenolol

d. ondermeer de ED50-waarde van atenolol

14. Van propranolol (P) is bekend dat het de verhoging van de hartslagfrequentie, ontstaan na inspanning, kan remmen. Alprenolol (A) heeft een soortgelijk effect, maar kan bij rust juist een verhoging van de hartslagfrequentie veroorzaken. Deze effecten onstaan omdat

a. P een aselectieve en A een selectieve β-adrenoceptor antagonist is

b. P een partiële en A een competitieve β-adrenoceptor antagonist is

c. P een competitieve en A een partiële β-adrenoceptor antagonist is

d. P een “spare”receptor agonist is en A niet

15. Een parallelle rechtsverschuiving van een sigmoïde concentratie-werkingscurve van de agonist A ten opzichte van agonist B duidt op:

a. een verminderde affiniteit van A dan B voor de receptor

b. niet-competitief antagonisme voor A

c. competitief antagonisme voor A

d. een verhoogde affiniteit van A dan B voor de receptor

Antwoorden Algemene Farmacologie

1 b

2 c

3 b

4 a

5 c

6 a

7 b

8 b

9 b

10 b

11 c

12 c

13 a

14 c

15 a