Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА 4.
ДЕТОКСИКАЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ (КБ)
4.1. Общие представления
Живые организмы защищаются от ксенобиотиков окружающей среды благодаря их биотрансформации в относительно нетоксичные метаболиты с их последующим выведением. Подавляющая часть загрязнителей – нерастворимые в воде, гидрофобные соединения. Попадая в организм человека, и концентрируясь в жировой ткани или мембранах, дальнейший метаболизм ксенобиотиков затруднителен, так как значительная часть реакций в клетке протекает в водной фазе. Трудность состоит и в транспортировке их между органами и системами организма в силу того обстоятельства, что кровь также является водной средой. Тем не менее, в процессе эволюции выработан и отработан механизм, который позволяет обезвреживать токсичные продукты внешней и внутренней среды. Всю последовательность реакций по детоксикации ксенобиотиков можно разделить на две фазы:
Совсем недавно был постулирован другой механизм экскреции ксенобиотика путем его непосредственного выведения из клетки с помощью Р-гликопротеинов или с помощью резистентных белков с низкой специфичностью. Дальнейшая судьба экскретируемых ксенобиотиков состоит в связывании их с альбумином плазмы крови или лигандином, которые уменьшают их токсичность. Все эти процессы требуют расхода энергии в виде НАДФН или АТФ.
4.2.Химическая модификация ксенобиотиков
Главная роль в этом процессе принадлежит микросомам. В мембранах эндоплазматического ретикулума локализована система монооксигеназного окисления, обладающая смешанными функциями и низкой специфичностью. Эта система была впервые обнаружена в 1950 г. в клетках печени, где она наиболее интенсивно развита, а ее основной компонент цитохром Р--450 (сокращенно цит. Р--450), названный так за характерный спектр поглощения восстановленного комплекса с оксидом углерода в области 450 нм, был выделен и изучен в середине 70-х гг.
В микросомной системе окисления проходит метаболизм различных гидрофобных ядов, лекарств, канцерогенных веществ, стероидных гормонов, липидов. Полиспецифичность микросомного окисления объясняется свойствами основного компонента монооксигеназной системы цит. Р--450, функционирующего в виде различных изоформ. Изоформы цит. Р--450 гемопротеины. Они имеют общее строение активного центра, содержащего гемовое железо (рис. 4.1).
Окисление гидрофобных субстратов в микросомах идет по трем основным путям:
Таким образом, за счет этих реакций осуществляются гидроксилирование алифатических и ароматических соединений, О-- и М--деалкилирование, окисление первичных и вторичных аминов, образование сульфоксидов и N--оксидов.
Наиболее типичная ферментативная активность микросомной системы — окисление липофильных субстратов, осуществляемое с помощью активации молекулярного кислорода (монооксигеназные реакции):
R-H + НАДФН + О2 + 2Н+ R-OH + НАДФ+ + Н2О
Необходимые кофакторы микросомного окисления восстановленные нуклеотиды (НАДФН и НАДН), которые взаимодействуют с цит. Р--450 через флавопротеин-НАДФН-цитохром Р--450-редуктазу. В ряде реакций необходим микросомный гемопротеид цитохром b5 и флавопротеин-цитохром b5-редук-таза. Кроме этого, для некоторых монооксигеназных реакций требуется электрон-транспортная цепь, состоящая из флавопротеина и мембранного сульфопротеина (путидаредоксин, адренодоксин).
Некоторые разновидности цит. Р--450 локализуются в митохондриальной мембране. В этом случае промежуточный переносчик электронов белок ферродоксин, а донор НАДФН.
К настоящему времени из тканей животных различных видов, простейших и растений выделено более 80 различных изоформ этого фермента.
Показано, что цит. Р--450 кодируется семейством «супергенов», которое составляет, по крайней мере, 50 генов, организованных в несколько (не менее 9) мультигенных семейств. Эти семейства содержат от одного до нескольких генных сегментов, кодирующих родственные белки (или, по крайней мере, их мРНК). Номенклатура генов осуществляется следующим образом:
Гены CYPI несут информацию о ферментах, участвующих в обезвреживании ароматических углеводородов. Для этих ферментов отсутствуют эндогенные субстраты. Высокая активность CYP1A2 в организме появляется в ответ на курение и связана с увеличенным риском заболевания раком толстого кишечника. CYPII участвуют в метаболизме некоторых лекарственных соединений, CYPIII в метаболизме стероидов.
Вся группа ферментов в эволюционном плане является очень старой. Ей насчитывается около 3 миллиардов лет.
В настоящее время изоформы цит. Р--450 обнаружены кроме печени в таких тканях, как почки, легкие, селезенка, кожа, форменные элементы крови (кроме безъядерных эритроцитов).
Вызывает удивление полиспецифичность группы изоформ цит. Р--450, которые способны метаболизировать не только существующие в природе гидрофобные ксенобиотики (такие, как, например, бенз[а]пирен и его производные), но и практически все липофильные искусственно интезированные соединения: лекарства, пестициды и гербициды, полихлорированные би-фенилы и т. п. Эта полиспецифичность позволила высказать предположение, что изоформы цит. Р--450 могут синтезироваться после проникновения в организм новых низкомолекулярных соединений подобно тому, как синтезируются специфические антитела в ответ на попадание в организм антигенов. Наибольшей способностью к индукции обладают химические соединения, содержащие в молекуле плоские ароматические группировки, а также несколько бензольных колец: бенз[а]пирен, диоксины и фураны, ПХБ и др.
Согласно имеющимся данным домен ДНК, участвующий в индукционном ответе на попадание в организм ароматических углеводородов Ah--домен (от англ. Aromatic hydrocarbons) состоит из 1200 пар азотистых оснований и представлен семейством генов: CYP1A1, CYP1A2 (гены цитохрома Р--450), Nmo--1 (НАДФ--зависимая менадионоксидоредуктаза), Aldh--1 (альдегиддегидрогеназа), Ugt--1 (глюкуронилтранс-фераза), Gt--1 (глютатион--S--трансфераза) (рис. 4.2). В упрощенном виде последовательность реакций в ответ на попадание токсичного соединения можно представить себе следующим образом (рис. 4.3). В цитоплазме ксенобиотик присоединяется к белковому комплексу, обладающего полиспецифичностью и обозначаемый как Ah--рецептор. Он состоит из собственно рецептора (Aromatic Hydrocarbon Receptor AHR), белков теплового шока – HSP (Heat Shock ProteinP) и белка AIP. Группа сопутствующих протеинов предназначена для правильного ориентирования и стабилизации рецептора. Связывание сопровождается отщеплением HSP и AIP рецептора. Облегченный комплекс, транспортируется в ядро, где формирует гетеродимер с белком – ядерным проводником (AHR Nuclear Translocator – ARNT). Сформированный димер присоединяется к CYP--гену ДНК и активирует транскрипцию иРНК, кодирующую аминокислотную последовательность цит-- Р450, который и запускает процесс гидроксилирования ксенобиотика.
Регуляция активности монооксигеназной системы очень сложный и комплексный процесс. Увеличение активности изоформ цит. Р--450, участвующих в метаболизме гормонов, происходит в ответ на изменение гормонального статуса организма и существенно зависит от пола, возраста, периода репродуктивной активности животного. Ингибиторы метаболизма ксенобиотиков в системе монооксигеназ ряд соединений, имеющих в своей структуре молекулу имидазольного кольца (напр. противогрибковый препарат кетоксоназол, лекарство циметидин и др. вещества). Некоторые химические агенты (амфетамины, антибиотик олеандомицин) в результате метаболической активации способны жестко связывать цит. Р--450, полностью ингибируя его активность.
Помимо этого ингибиторами являются: угарный газ, соли тяжёлых металлов (Со, Cd, Pb), хлороформ.
Индукторы монооксигеназной реакции: фенобарбитал, кордиамин и полихлорированные бифенилы.
Цит. P--450 ключевой фермент в элиминации, детоксикации и метаболической активации экзогенных субстратов. Эти процессы важнейшие для поддержания химического гомеостаза внутренней среды животных и человека играют основную роль в метаболизме лекарств и попадающих в организм химических загрязнителей окружающей среды. Остановимся на этих процессах подробнее.
Элиминация. Липофильные молекулы с трудом выводятся из биологических мембран, так как образуют гидрофобные связи с молекулами мембранных структур. Окисление определенных групп молекулярным кислородом в результате монооксигеназных реакций приводит к увеличению гидрофильности чужеродных соединений. Это способствует их выведению или ускоряет реакции последующей детоксикации, как правило, с участием ферментов, осуществляющих их конъюгацию с белками, что значительно облегчает выведение этих соединений из организма.
Детоксикация. Часто химическая модификация в монооксигеназной системе приводит к потере молекулой ее биологической активности, токсичности.
Метаболическая активация. В этом случае продукт монооксигеназной реакции становится более активным соединением, чем молекула, из которой он образовался. Типичный пример такой реакции образование в монооксигеназной системе из бенз[а]пирена окисленных производных (диалкогольэпоксид), способных связываться с ДНК, вызывая мутагенез и канцерогенез (рис. 4.4).
Необходимо отметить, что многие природные соединения способны модифицировать активность системы детоксикации. Выше указывалось на то, что эстрогены могут быть метаболизированы цитохромом P--450, путем образования 2--гидрокси--эстрогена, или 16 альфа-гидроксиэстрогена (гл. 3). Относительная активность этих двух путей определяет риск возникновения раковых гормон-зависимых новообразований. Гидроксилирование в 16 положении ведет к образованию метаболитов, которые усиливают действие эстрогена и увеличивают риск рака молочной железы, в то время как гидроксилирование во 2 положении дает соединения, которые снижают действие эстрогена и тем самым уменьшают риск возникновения онкологического заболевания. Факторы образа жизни влияют на активность двух путей. Избыточный вес подавляет C2гидроксилирование, в то время как активная физическая деятельность стимулирует эту реакцию. С16 гидроксилирование ускоряется жирной диетой. Фитокомпоненты в пище могут изменять относительный вклад этих путей. Например, индол--3--карбинол в некоторых овощах мощный индуктор фермента эстроген--2--гидроксилазы.
Еще одним примером метаболической активации может являться катаболизм лекарственного препарата местранола орального контрацептива, ЭЭС, о котором шла речь в предыдущей главе. Само лекарство имеет слабое сродство к эстрогеновым рецепторам. В процессе обезвреживания, т.е. деметилирования он превращается в этинилэстрадиол. При этом превращении резко увеличивается сродство соединения к рецепторам, что позволяет ему активно вмешиваться в функционирование эндокринной системы.
Флавоноиды цитрусовых тангерицин и нобилетин мощные ингибиторы роста клеток опухоли путем активации цитохрома P--450.
Гидрофильная модификация ксенобиотиков может происходить путем метилирования, т.е. добавления группы CH3. Этот процесс обычно связан с образованием менее гидрофильных соединений. Донором метильной группировки служит S-адено-зил-метионин. Катализируют реакцию метилтрансферазы. Этот способ обезвреживания может быть сопряжен с образованием токсичных продуктов, например метилртути при помощи бактериальных метилтрансфераз (см. гл. 8).
4.3.Конъюгация
Второй стадией процесса детоксикации является комплексообразование с некоторыми соединениями, которые облегчают последующее выведение ксенобиотиков из организма. Сюда относится конъюгация с глютатионом, уридиндифосфоглюкуроновой, серной кислотами, глицином и др.
Глутатион--S--трансфераза (ГТаза) детоксифицирующий фермент, который катализирует реакцию взаимодействия глутатиона с токсичными электрофильными соединениями, приводя к образованию менее ядовитых и более растворимых в воде компонентов, которые могут быть легко экскретированы из организма (рис. 4.5). Компоненты, которые стимулируют активность ГТ--азы, рассматриваются как ингибиторы злокачественного процесса. Вещества, способные стимулировать деятельность ГТ--азы, включают фталиды в семенах сельдерея, аллилсульфиды в чесноке и луке, дитиотионы и изотиоцианаты в брокколи и других овощах, лимоноиды в цитрусовых.
Один из шести индивидуумов в популяции (примерно 17% населения) наследуют от родителей дефектный, по глютатион--S--трансферазе ген. По активности этого энзима всех можно разделить на три группы: клетки которых не способные к конъюгации, слабо конъюгирующие и высоко конъюгирующие.
В цитрусовых имеется приблизительно 40 лимоноидов. Эти компоненты частично придают вкус этим плодам. Лимоноиды обладают способностью тормозить формирование опухоли, стимулируя ГТ--азу.
Кроме того, терпеноиды типа лимонена, гераниола, ментола и кариона действует как антиканцерогенные вещества, стимулируя детоксифицирующий фермент
ГТ--азу.
Помимо этого детоксикация ксенобиотика может происходить путем его конъюгации с глюкуроновой кислотой, сульфатом, глицином (рис. 4.6).
Знание биохимических механизмов детоксикации ксенобиотиков позволяет предложить способы их стимуляции, которые будут способствовать снижению риска развития экологически зависимых заболеваний. Известно, что глюкуроновый путь один из путей распада глюкозы образует в виде промежуточного продукта активную форму глюкуроновой кислоты (УДФ--D--глюкуроновую кислоту), которая и используется для образования с ксенобиотиками глюкуронидов, обладающих гидрофильными свойствами (рис. 4.7).
Было установлено, что введение в организм D-глюкаровой кислоты (сахарная кислота) способствует образованию D-глюкаро----лактона (сахаро--лактона), который ингибирует превращение УДФ--D--глюкуроновой кислоты в глюкуроновую кислоту. Данный процесс катализируется --глюкоронидазой, для которой упомянутый лактон является ингибитором. В свою очередь накопление активной формы глюкуроновой кислоты будет способствовать реакции образования глюкуронидов, т.е. процессу обезвреживания чужеродных для организма соединений. Глюкаровая кислота входит в состав фруктов, а также выпускается за рубежом в виде биологически активной добавки к пище.
Транспортной формой серы, которая способна использоваться для детоксикации ксенобиотиков может являться метилсульфонилметан (МСМ), который содержится в продуктах растительного (красный перец) и животного происхождения (молоко, яйца). Это соединение быстро разрушается при термической обработке. Между тем, выпускаются биологически активные добавки к пище, которые содержат в обогащенном виде МСМ.
Множественные формы ферментов (изоферменты) ГТ--аза, УДФ--глюкуронил--трансфераза и сульфотрансфераза также выражены в организме млекопитающих. Образующиеся при этом соединения выводятся из организма через почки, лёгкие, кишечник, слюнные, потовые и сальные железы.
90