O'Donnell, Stella Rayner

University of Queensland eSpace

9/29/2015 Leukotrienes ­ biosynthesis and mechanisms of action ­ Australian Prescriber
http://www.australianprescriber.com/magazine/22/3/55/7 1/4
Experimental and clinical pharmacology
Leukotrienes ­ biosynthesis and mechanisms of
action
Stella R. O'Donnell, Professor of Pharmacology, Department of Physiology and
Pharmacology, University of Queensland, Brisbane
Summary
The leukotrienes are potent inflammatory mediators which may have a role in inflammatory diseases
such as allergic rhinitis, inflammatory bowel disease and asthma. The clinically important leukotrienes
are LTB4 and the cysteinyl leukotrienes (CysLTs). To make leukotrienes, cells need 5­lipoxygenase and
a protein co­factor, 5­lipoxygenase activating protein (FLAP). Drugs that act on either 5­lipoxygenase or
FLAP will inhibit the synthesis, and hence the actions, of both the CysLTs and LTB4. There are two
distinct receptor types for the CysLTs (CysLT1 and CysLT2 receptors) and one for LTB4 (BLT receptor).
LTB4 is a potent chemotactic agent and attracts pro­inflammatory cells, e.g. neutrophils and eosinophils,
into tissues. The CysLTs contract airway and some vascular smooth muscle, stimulate mucus secretion
and increase microvascular permeability.
Key words: asthma, pharmacodynamics, inflammatory process, montelukast, zafirlukast.
Aust Prescr 1999;22:55­7
Introduction
Leukotrienes, together with the prostaglandins and other related compounds, are derived from 20
carbon (eicosa) fatty acids that contain double bonds (enoic). Hence this group of substances is called
the eicosanoids. The name leukotriene derives from the original discovery of these substances in white
blood cells (polymorphonuclear leucocytes) and the fact that they all have in common 4 double bonds
(hence the 4 subscript), 3 of which are in a conjugated triene structure.
Leukotrienes do not exist preformed in cells. They are formed from the breakdown of arachidonic acid,
a polyunsaturated 20 carbon fatty acid. In its esterified form, arachidonic acid is bound to the
phospholipids of the cell membranes. Both immunological and non­immunological stimuli can release
arachidonic acid from membrane phospholipids by activating phospholipase A2. The glucocorticosteroid
drugs can inhibit phospholipase A2 and thereby decrease the production of all the leukotrienes and
hence leukotriene­mediated responses.
The released arachidonic acid can be metabolised to oxygenated products by several distinct enzyme
pathways (Fig. 1). The main ones are:
– the cyclooxygenase pathway that results in the formation of the prostaglandins and thromboxanes
(together known as the prostanoids)
– the lipoxygenase pathway that produces several, chemically different leukotrienes (and other
intermediate compounds).
Biosynthesis of leukotrienes from arachidonic acid
The first steps in the generation of leukotrienes are catalysed by the calcium and ATP­dependent
enzyme 5­lipoxygenase. This is one of a family of lipoxygenase enzymes that metabolise arachidonic
acid to hydroperoxyeicosatetraenoic acids (HPETEs). Each enzyme catalyses the insertion of an oxygen
moiety at a specific position in the arachidonic acid backbone. 5­lipoxygenase forms 5­HPETE, the
precursor of the leukotrienes.
When cells are activated, cytosolic 5­lipoxygenase is translocated to the nuclear membrane. A nuclear
membrane protein, 5­lipoxygenase activating protein (FLAP), is required before 5­lipoxygenase can
synthesise 5­HPETE from arachidonic acid. Compounds are now available that block the biosynthesis of
the leukotrienes through specific inhibition of 5­lipoxygenase e.g. zileuton (approved for asthma
treatment in the U.S.A.). Experimental drugs are also available that inhibit leukotriene synthesis by
inhibition of FLAP.
The rearrangement of 5­HPETE to form the unstable LTA4 is the rate­limiting step in the synthesis of the
leukotrienes. This step is catalysed by LTA synthase. LTA4 is then converted to either LTB4 or LTC4.
LTC4 is actively transported out of cells and rapidly metabolised to LTD4 and then to LTE4 (see Fig. 1 for
enzymes involved in these steps). LTC4, LTD4 and LTE4 are referred to as the cysteinyl (Cys)
leukotrienes because of their chemical structure. LTE4 is either excreted in the urine or metabolised to a
variety of biologically less active, or inactive, metabolites, including LTF4.
In summary, the ability of cells to synthesise leukotrienes depends on
– their enzymic capacity to cleave arachidonic acid from its phosphorylated store
– the 5­lipoxygenase system to synthesise LTA4
The lungs contain cells that have the full capacity to synthesise all the leukotrienes de novo. Hence,
there has been significant interest in their effects on the lung.
Fig. 1
The main pathways to the formation of the leukotrienes and the sites of
action of the current drug groups (in boxes) that can attenuate
9/29/2015 Leukotrienes ­ biosynthesis and mechanisms of action ­ Australian Prescriber
http://www.australianprescriber.com/magazine/22/3/55/7 2/4
leukotriene responses.
Normal font ­ main pathways
Bold ­ enzymes
Boxed italics ­ drug groups (in red)
Leukotriene receptors
Early studies of the leukotrienes focused on their functional responses and their rank order of potency
as agonists for various responses. These studies revealed that responses to LTB4, and hence possibly
its receptor, were distinguishable from those of the CysLTs. There was also an indication that there may
be subtypes of receptors for the CysLTs. Since then, attempts have been made to classify and
satisfactorily name the leukotriene receptors. An IUPHAR (International Union of Pharmacology)
committee on drug classification and nomenclature developed recommendations for the leukotriene
receptors. The current (1998) nomenclature is summarised in Table 1, together with the order of
potency of the leukotrienes and the names of some selective antagonist drugs.
The classification, based mainly on functional data, recognises a distinct receptor for LTB4 (now called
the BLT receptor) and subtypes of receptors for the CysLTs (now called the CysLT1 and CysLT2
receptors). At present, there are no useful selective agonist compounds for any of the leukotriene
receptor types. Numerous compounds have been shown to be selective antagonists of BLT or CysLT1
receptors in animal studies. Some of the CysLT1 receptor antagonists are now being used in the
treatment of asthma. There is no selective antagonist for the CysLT2 receptors. The compound, BAY
u9773, appears to be a non­selective blocker of both CysLT1 and CysLT2 receptors. Hence, at present,
those responses that are not blocked by one of the selective CysLT1 receptor antagonists are assumed
to be mediated by CysLT2 receptors.
The classification of the type(s) of receptor mediating the different responses to the leukotrienes is still
evolving because of the lack of a complete range of selective agonists and antagonists and a lack of
success in cloning and sequencing the CysLT receptors.
BLT receptors
LTB4 is a potent chemotactic agent for neutrophils, eosinophils and monocytes. It promotes the
adhesion of neutrophils to the vascular endothelium and enhances their migration across the endothelial
wall into the surrounding tissue. LTB4 also increases the release of toxic oxygen products, lysosomal
enzymes and cytokines from pro­inflammatory cells.
CysLT receptors
It was shown in the 1930s that, if the lungs from sensitised guinea­pigs were perfused with sensitising
antigen, a substance was released that could cause a slow contraction of isolated smooth muscle
preparations. This substance was called slow reacting substance. It was later renamed slow reacting
substance of anaphylaxis and, in the early 1980s, it was identified as a mixture of the CysLTs.
In addition to the contractile responses in the lung, CysLTs have been shown to contract human
coronary artery and distal and mesenteric pulmonary artery. They have no effect on most systemic
large arteries or on the renal vasculature.
In the early studies, the contractile effects of the leukotrienes in airway, lung, vascular and other tissue
preparations were explored. Data from these studies, together with that from ligand binding studies and
from experiments with FPL 55712, the first drug shown to block responses to the leukotrienes, indicated
9/29/2015 Leukotrienes ­ biosynthesis and mechanisms of action ­ Australian Prescriber
http://www.australianprescriber.com/magazine/22/3/55/7 3/4
that there might be distinct receptors for LTD4 and LTC4. Subsequently, the effects of the newer, more
selective, CysLT1 receptor antagonists and BAY u9773 on responses to LTD4, LTE4 and/or LTC4 have
allowed us to predict the receptor type(s) likely to be involved in some tissues.
Human bronchi may have a homogeneous population of CysLT1 receptors, whereas guinea­pig trachea
and ileum probably have both CysLT1 and CysLT2 receptors. Some tissues, e.g. guinea­pig and human
lung, may have an additional receptor, but this is controversial. The current classification may be an
oversimplification and it is likely to be modified as more data accumulate, appropriate tools are found
and the molecular features of the receptors are unravelled.
Table 1
Current nomenclature for the leukotriene receptors, based on
that published by the IUPHAR nomenclature subcommittee.1
Also shows relative potency of agonists and some key selective
antagonists.
Leukotriene receptor type
BLT receptor CysLT1 receptor CysLT2 receptor
Previously
known as
LTB4 receptor LTD4 receptor LTC4 receptor
Order of
potency of
agonists
LTB4>12(R)­
HETE (LTC4 and
LTD4 are mainly
inactive)
LTD4=LTC4>LTE4
(LTE4 is a partial
agonist in some
tissues)
LTC4>LTD4>LTE 4
(LTE4 is a partial
agonist in some
tissues)
Selective
antagonists LY 293111 montelukast BAY u9773 is a
SC 53228 iralukast non­selective
SB209247 pobilukast antagonist at
CP 105696 zafirlukast CysLT1 and
CGS 25019C pranlukast CysLT2 receptors
Action in asthma
The leukotrienes are primarily endogenous mediators of inflammation. They contribute to the signs and
symptoms seen in acute inflammatory responses. This includes responses resulting from the interaction
of allergens with IgE antibodies on mast cells. In vivo, the CysLTs are bronchoconstrictors. After
inhalation of these leukotrienes, bronchospasm occurs in about 30 minutes and lasts up to 2 hours.
They also stimulate airway mucus secretion and are very potent at increasing the permeability of post
capillary venules, including those in the bronchial circulation ­ hence they cause plasma protein
exudation and oedema. Recent evidence suggests that the CysLTs also promote eosinophil migration
into the airways of animals and asthmatic patients. They may also increase bronchial hyper
responsiveness through an action on sensory nerves. Some of these responses can be blocked by the
new CysLT1 receptor antagonists, but other responses are yet to be characterised.
Drug development
The CysLTs have been implicated as important mediators in the pathogenesis of a number of
inflammatory disorders in addition to asthma, including allergic rhinitis, chronic bronchitis and
inflammatory bowel disease. To date, most attention has been directed towards their effects in the lungs
and to their possible role in asthma. This has led to the development of drugs which prevent the actions
of the CysLTs in the airways. Two groups of drugs are currently available for clinical use in the U.S.A.
One group prevents the synthesis (and hence effects) of all the leukotrienes by inhibiting the enzyme 5­
lipoxygenase (no drug in this group is currently registered in Australia). The other group contains the
selective antagonists of CysLT1 receptors (montelukast and zafirlukast) which block the effects of the
CysLTs in human airways.
Reference
1 . Leukotriene receptors. In: Alexander SP, Peters JA, editors. TIPS 1998 receptor and ion channel
nomenclature supplement. 9th ed. Amsterdam: Elsevier; 1998. p. 50­1.
FURTHER READING
Gorenne I, Norel X, Brink C. Cysteinyl leukotriene receptors in the human lung: what's new? Trends
Pharmacol Sci 1996;17:342­5.
Hay DW, Torphy TJ, Undem BJ. Cysteinyl leukotrienes in asthma: old mediators up to new tricks. Trends
Pharmacol Sci 1995;16:304­9.
Self­test questions
9/29/2015 Leukotrienes ­ biosynthesis and mechanisms of action ­ Australian Prescriber
http://www.australianprescriber.com/magazine/22/3/55/7 4/4
The following statements are either true or false (click here for the answers)
1. Leukotrienes cause bronchoconstriction.
2. Montelukast and zafirlukast act by blocking the synthesis of leukotrienes.
First published online 1 June 1999


Leukotrienes: Biosynthesis and mechanisms of action

http://espace.library.uq.edu.au/view/UQ:144642/UQ144642_OA.pdf

Leukotrienes: Biosynthesis and mechanisms of action

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

University of Queensland eSpace