Общий механизм обезвреживания ксенобиотиков. Окисление гидрофобных субстратов в микросомах. Цитохром P450 как универсальная гемсодержащая монооксигеназа. Суммарное уравнение реакции гидроксилирования вещества RH ферментами микросомального окисления.
Ксенобиотики включают такие соединения как пестициды, промышленные яды, отходы производств. Кроме поллютантов к ксенобиотикам относятся многие синтетические и природные лекарственные средства, лекарственные препараты, пищевые добавки, косметические составы и прочие. Различные авторы, используя термин «ксенобиотики», вкладывают в него двоякий смысл, исходя из того, по отношению к чему данное вещество является чужеродным: по отношению к конкретному виду организмов (широкая трактовка термина) или по отношению ко всей биосфере (узкая трактовка термина). Обезвреживание большинства ксенобиотиков происходит путем химической модификации и протекает в 2 фазы (Рис.1). В ЭР существуют две такие цепи, первая состоит из двух ферментов - NADPH-P450 редуктазы и цитохрома Р450, вторая включает фермент NADH-цитохром-b5 редуктазу, цитохром b5 и еще один фермент - стеароил-КОА-десатуразу.Таким образом, в результате первой фазы обезвреживания с участием цитохрома Р450 , который играет ключевую роль в процессах обезвреживания ксенобиотиков, происходит модификация веществ с образованием функциональных групп, повышающих растворимость гидрофобного соединения, что в дальнейшем помогает их более легкому выведению из организма. В подавляющем большинстве случаев, детоксикаия с участием цитохрома P450 обеспечивает обезвреживание десятков тысяч ксенобиотиков всех химических классов и самых разных групп (токсических веществ, мутагенов, канцерогенов, пестицидов (средств для борьбы с вредными растениями и животными), красителей, растворителей, лекарств и др.).
Введение
Ксенобиотики (от греч. ????? - чуждый и ???? - жизнь) - условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот.
Ксенобиотики могут быть низко- и высокомолекулярными. Ксенобиотики включают такие соединения как пестициды, промышленные яды, отходы производств. Кроме поллютантов к ксенобиотикам относятся многие синтетические и природные лекарственные средства, лекарственные препараты, пищевые добавки, косметические составы и прочие. Различные авторы, используя термин «ксенобиотики», вкладывают в него двоякий смысл, исходя из того, по отношению к чему данное вещество является чужеродным: по отношению к конкретному виду организмов (широкая трактовка термина) или по отношению ко всей биосфере (узкая трактовка термина). Однако и сам термин ксенобиотик довольно условный, поскольку для одних организмов то или иное вещество может быть естественным (алкалоиды для растений), а для других - чужеродным (те же алкалоиды для животных). Кроме того, некоторые соединения, например этиловый спирт, могут быть одновременно чужеродными и природными для одного и того же организма [1].
В XX веке происходят всевозрастающее загрязнение ксенобиотиками внешней среды и увеличивающееся их поступление в организм человека. Это серьезно угрожает здоровью и даже жизни всех живых существ, включая человека, так как повреждает клетки и вызывает мутации, ведущие к злокачественным процессам или наследственным заболеваниям [2].
Общий механизм обезвреживания ксенобиотиков цитохром обезвреживание ксенобиотик
Обезвреживание большинства ксенобиотиков происходит путем химической модификации и протекает в 2 фазы (Рис.1). В результате этой серии реакций ксенобиотики становятся более гидрофильными и выделяются с мочой. Вещества, более гидрофобные или обладающие большой молекулярной массой (>300 КД), чаще выводятся с желчью в кишечник и затем также удаляются.
Система обезвреживания включает множество разнообразных ферментов, под действием которых практически любой ксенобиотик может быть модифицирован.
В обезвреживании ксенобиотиков могут принимать участие ферменты почек, легких, кожи и ЖКТ, но наиболее активны они в печени. К группе микросомальных ферментов относят специфические оксидазы, различные гидролазы и ферменты конъюгации [3].
IMG_473694a3-21ea-4fac-ab11-8130c75834b9
Рисунок 1 - Двухфазный механизм обезвреживания ксенобиотиков
В первой фазе наиболее важной является локализованная в основном в мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР) система цитохрома Р450, называемая также микросомальной системой метаболизма или монооксигеназной системой. Ее основные функции - образование в молекуле гидрофильных функциональных групп.
Окисление гидрофобных субстратов в микросомах идет по трем основным путям: включение атома кислорода в связь между атомом водорода и каким-либо другим атомом молекулы-субстрата (гидрокеширование);
добавление дополнительного атома кислорода в л-связь (эпоксидирование);
присоединение атома кислорода к молекуле (окисление) [4].
Окисление ксенобиотиков, как правило, приводит к их дезактивации. Однако в некоторых (и не таких редких) случаях метаболиты ксенобиотиков становятся, наоборот, более активными (активация) и даже более токсичными (токсификация) [5]. Активируются в организме и некоторые лекарства, и тогда они именуются пролекарствами, ведь истинные лекарства - это их активные метаболиты.
Во второй фазе, называемой конъюгацией, в ходе которой происходит присоединение к функциональным группам, образующимся на первом этапе, других молекул или групп эндогенного происхождения, увеличивающих гидрофильность и уменьшающих токсичность ксенобиотиков.
Роль цитохрома P450 в обезвреживании ксенобиотиков
Цитохром P450 - универсальная гемсодержащая монооксигеназа. Данный цитохром играет важную роль в окислении ксенобиотиков. Он содержит простетическую группу гем и имеет участки связывания для кислорода и субстрата (ксенобиотика). Название цитохром Р450 указывает на то, что максимум поглощения комплекса цитохрома Р450 лежит в области 450 нм.
Цитохром P450 вовлечен в метаболизм самых разнообразных ксенобиотиков. Основной ролью этого фермента является очистка организма от лекарственных препаратов, которой он способствует намного больше, чем любые ферменты других групп.
IMG_8e00c109-1342-43d9-911d-1bae0c3bb0fc
Рисунок 2 - Общая схема каталитического механизма P450
Механизм катализа
Микросомальная система не содержит растворимых в цитозоле белковых компонентов, все ферменты - мембранные белки, активные центры которых локализованы на цитоплазматической поверхности ЭР. Система включает несколько белков, составляющих электронтранспортные цепи (ЦПЭ). В ЭР существуют две такие цепи, первая состоит из двух ферментов - NADPH-P450 редуктазы и цитохрома Р450, вторая включает фермент NADH-цитохром-b5 редуктазу, цитохром b5 и еще один фермент - стеароил-КОА-десатуразу.
IMG_58a6571d-c31d-405d-b8f8-14244da9fe29
Электронтранспортная цепь - NADPH-P450 редуктаза - цитохром Р450. В большинстве случаев донором электронов (e-) для этой цепи служит NADPH, окисляемый NADPH-Р450 редуктазой. Фермент в качестве простетической группы содержит 2 кофермента - флавинаденинди-нуклеотид (FAD) и флавинмононуклеотид (FMN). Протоны и электроны с NADPH переходят последовательно на коферменты NADPH-P450 редуктазы. Восстановленный FMN (FMNH2) окисляется цитохромом Р450 (см. схему ниже).
IMG_7f23c0ea-45e1-4d5e-8d91-564b0857073c
Окисляемый субстрат (донор электронов) для NADH-цитохром b5 -редуктазы - NADH (см. схему ниже). Протоны и электроны с NADH переходят на кофермент редуктазы FAD, следующим акцептором электронов служит Fe3 цитохрома b5. Цитохром b5 в некоторых случаях может быть донором электронов (e-) для цитохрома Р450 или для стеароил-КОА-десатуразы, которая катализирует образование двойных связей в жирных кислотах, перенося электроны на кислород с образованием воды.
NADH-цитохром b5 редуктаза - двухдоменный белок. Глобулярный цитозольный домен связывает простетическую группу - кофермент FAD, а единственный гидрофобный "хвост" закрепляет белок в мембране.
Цитохром b5- гемсодержащий белок, который имеет домен, локализованный на поверхности мембраны ЭР, и короткий "заякоренный" в липидном бислое спирализованный домен.
NADH-цитохром b5 -редуктаза и цитохром b5, являясь "заякоренными" белками, не фиксированы строго на определенных участках мембраны ЭР и поэтому могут менять свою локализацию [3].
Известно, что молекулярный кислород в триплетном состоянии инертен и не способен взаимодействовать с органическими соединениями. Чтобы сделать кислород реакционно-способным, необходимо его превратить в синглетный, используя ферментные системы его восстановления. К числу таковых принадлежит моноксигеназная сисгема, содержащая цитохром Р450. Связывание в активном центре цитохрома Р450 липофильного вещества RH и молекулы кислорода повышает окислительную активность фермента.
IMG_a6ec485f-7c0a-4450-b082-7fba64c16a76
Рисунок 3 - Электронтранспортные цепи ЭР
RH - субстрат цитохрома Р450; стрелками показаны реакции переноса электронов. В одной системе NADPH окисляется NADPH цитохром Р450-редуктазой, которая затем передает электроны на целое семейство цитохромов Р450. Вторая система включает в себя окисление NADH цитохром b5-редуктазой, электроны переходят на цитохром b5; восстановленную форму цитохрома b5 окисляет стеароил-КОА-десатураза, которая переносит электроны на О2.
Один атом кислорода принимает 2 е- и переходит в форму О2-. Донором электронов служит NADPH, который окисляется NADPH-цитохром Р450 редуктазой. О2- взаимодействует с протонами: О2- 2Н > Н2О, и образуется вода. Второй атом молекулы кислорода включается в субстрат RH, образуя гидроксильную группу вещества R-OH (Рис.2).
Суммарное уравнение реакции гидроксилирования вещества RH ферментами микросомального окисления: RH О2 NADPH Н > ROH Н2О NADP
Субстратами Р450 могут быть многие гидрофобные вещества как экзогенного (лекарственные препараты, ксенобиотики), так и эндогенного (стероиды, жирные кислоты и др.) происхождения.
Вывод
Таким образом, в результате первой фазы обезвреживания с участием цитохрома Р450 , который играет ключевую роль в процессах обезвреживания ксенобиотиков, происходит модификация веществ с образованием функциональных групп, повышающих растворимость гидрофобного соединения, что в дальнейшем помогает их более легкому выведению из организма. В результате модификации возможна потеря молекулой ее биологической активности или даже формирование более активного соединения, чем вещество, из которого оно образовалось.
В подавляющем большинстве случаев, детоксикаия с участием цитохрома P450 обеспечивает обезвреживание десятков тысяч ксенобиотиков всех химических классов и самых разных групп (токсических веществ, мутагенов, канцерогенов, пестицидов (средств для борьбы с вредными растениями и животными), красителей, растворителей, лекарств и др.). Метаболизм ксенобиотиков происходит в разных частях клетки, но наиболее активные системы находятся в ЭПС и гиалоплазме. Это обеспечивает метаболизм или связывание ксенобиотиков на дальних подступах к наиболее жизненно важным частям клетки - ядру и митохондриям. В результате увеличивается устойчивость клеток и организма, возникает возможность сохранить здоровье и жизнь в условиях загрязнения среды.
Список литературы
1. Ксенобиотики. Основные закономерности взаимодействия c ион-транспортными системами плазматической мембраны растительной клетки. Оценка их биобезопасности / В.М Юрин [ и др.]; Белорусский Государственный Университет. - Минск, 2007. - 14 с.
2. Кулинский В.И. Обезвреживание ксенобиотиков / В.И Кулинский // Соросовский образовательный журнал - 1999. - №1. C. 8-12.
3. Андрианова Л.Е., Силуянова С.Н. Механизмы обезвреживания ксенобиотиков / Л.Е. Андрианова [и др.] // Биохимия: Учеб. для вузов / под ред. Е.С. Северин. - Москва, 2003. - Гл. 12. - С. 616-650.
4. Стожаров, А. Н. Медицинская экология: учеб. пособие / А. Н. Стожаров. - Минск, 2008. - 368 с.
5. Ioannides С. Enzyme Systems that Metabolise Drugs and Other Xenobiotics / C. Ioannides - John Wiley & Sons Ltd, 2001. - 556 p.
6. База знаний по биологии человека [Электронный ресурс] / База знаний по биологии человека - Москва, 2001. - Режим доступа: . - Дата доступа: 09.11.2014
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
