эпоксилаз микросомальной системы цитохрома Р-450. Метаболические процессы превращения ксенобиотиков получили название биотрансформации. Биотрансформация не всегда связана с детоксикацией, иногда образующиеся в ходе ферментативных и неферментативных реакций соединения еще более токсичны, чем сам ксенобиотик. Процессы диссимиляции, которым подвергаются ксенобиотики, включают окислительновосстановительные или гидролитические реакции, а ассимиляции – реакции конъюгации. Общим является превращение экзогенного чужеродного соединения в более полярную форму и последующее связывание его с высокополярным опсонизатором, облегчая выведение из организма. У растений отсутствуют специальные органы выделения, их защитный механизм может включать связывание ксенобиотиков углеводами и накопление конъюгатов в вакуолях. Бактерии способны разрушать многие чужеродные органические соединения до неорганических. Скорость реакций трансформации зависит не только от организма, в который попал ксенобиотик, но и от природы данного соединения.
В клетках высших организмов наиболее активной системой трансформации чужеродных соединений является система микросомальных ферментов. Все реакции биотрансформации принято делить на 4 класса: окисления; восстановления; гидролиза и конъюгации.
Реакции окисления. Реакции окисления чужеродных соединений осуществляются микросомальными монооксигеназами. Монооксигеназные системы эндоплазматического ретикулума содержат терминальную оксигеназу – цитохром Р-450, который широко распространен в живой природе и обнаруживается не только у эукариот, но и в прокариотических клетках. Различают микросомальную, митохондриальную и бактериальную монооксигеназные системы цитохрома Р-450. Наиболее изученной является микросомальная монооксигеназная система, с состав которой входят два флавопротеида, цитохром b и ряд других цитохромов. Митохондриальная система монооксигеназ обычно принимает участие только в трансформации стероидов, бактериальная – в наибольшей степени изучена у Pseudomonas putida. Особенностями монооксигеназ системы цитохрома Р-450 являются различие в субстратной специфичности в зависимости от типа клеток и частичная индуцибельность.
Биологическое окисление, катализируемое системами монооксгеназ, включает широкий спектр реакций, которые, в общем могут быть сведены к гидроксилированию. Для всех реакций требуется восстановленный НАДФ•Н или НАД•Н и кислород.
Реакции восстановления. Восстановлению ксенобиотики подвергаются в том случае, если восстановленная форма легче экскретируется из организма. В ЭПР наряду с окислительными ферментами обнаруживаются также и восстанавливающие ферменты. Так, некоторые альдегиды и кетоны восстанавливаются до спиртов, нитро- и азогруппы – до аминогрупп. Процесс вос-
201
становления ароматических нитросоединений до соответствующих аминов катализируют нитроредуктазы, активность их зависит от наличия НАДФ•Н и НАД•Н, но ингибируется кислородом. Восстановление азосоединений катализируется азоредуктазами, в процессе принимают участие флавины, цито- хром-с-редуктаза и цитохром Р-450. Микросомальная азоредуктаза менее чувствительна к действию кислорода и сохраняет большую часть своей активности в его присутствии. Восстановление N-оксидов осуществляют N-оксидоредуктазы, реакция нгибируется монооксидом углерода и кислородом. Ксантиноксидаза способна к восстановлению оксидов, реакция ингибируется цианидами и частично кислородом. Возможны также следующие реакции восстановления: восстановление дисульфидов, двойных связей и ароматических циклов; дегидроксилирование.
Гидролиз. Ряд сложных чужеродных соединений может быть подвергнут гидролизу с помощью плазменных гидролаз или лизосомальных гидролаз гепатоцитов. Наиболее частыми реакциями являются гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот; гидролиз амидов, гидразидов и нитрилов; гидролиз фосфороорганических соединений; гидролиз сульфоэфиров.
Реакции конъюгации. Как большинство биосинтетических реакций, реакции конъюгации энергозависимы. Их подразделяют на две группы. К первой группе относят процессы активации конъюгирующего агента, идущие с затратой энергии, затем происходит образование комплекса ксенобиотика с активированным конъюгирующим агентом. Ко второй группе процессы образования активированного ксенобиотика и затем реакция конъюгации его с конъюгирующим агентом. По первому типу осуществляются реакции метилирования, ацетилирования, образования глюкуронидов, гликозидов и сульфатов, по второму – аминокислотная конъюгация. Реакции конъюгации катализируются трансферазами, переносящими заместитель на другое соединение. Примерами могут служить реакции конъюгации ацетата при участии ацетил-КоА с ароматическими аминами и сульфаниламидами, конъюгация глицина с бензойной кислотой с образованием гиппуровой кислоты. Глицин служит конъюгирующим агентом также при метаболизме никотиновой кислоты, при этом образуется N-никотиноилглицин. Глутатион является активным конъюгирующим агентом для биотрансформации нафталина, антрацена, фенантрена. Многие ксенобиотики выделяются в мочу в виде меркаптуровых кислот, которые представляют собой продукты взаимодействия глутатиона с ними. Реакцию катализирует глутатионтрансфераза. Метионин и этионин участвуют в реакциях алкилирования. Так осуществляется метилирование пиридина, пирогаллола, сульфитов, селенитов, теллуритов, которые в результате превращаются в летучие диметильные производные. Глутамин используется для конъюгации фенилуксусной кислоты и некоторых ее гетероциклических производных. Моносахариды, в частности глюкоза и рибоза, служат для конъюгации многих чужеродных фенольных соединений, при этом они превращаются в соответствующие гликозиды. Особенно этот
202
процесс распространен у растений. У человека реакции гликозилирования протекают в две стадии и катализируются УДФ-глюкозопирофосфорилазой и УДФ-глюкозилтрансферазой. Наиболее важным механизмом детоксикации ксенобиотиков у многих организмов является конъюгация их с глюкуроновой кислотой. В реакции участвует активная форма глюкуроновой кислоты – уридинфосфоглюкуроновая кислота (УДФГ). Катализирует процесс уридиндифосфатглюкуранозилтрансфераза, локализованная в мембранах ЭР гепатоцитов, клеток легких, кожи, кишечника, почек. Конъюгации подвергаются спирты, фенолы, карбоновые кислоты, амины, гидроксиамины, карбамиды, сульфонамиды и тиолы, при этом образуются соответствующие глюкурониды.
Врастениях обнаруживаются нерастворимые конъюгаты с лигнином.
Слигнином ковалентно связывается ряд молекул пестицидов: 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота, пентахлорфенол, 3,4-дихлоранилин.
Эволюционно наиболее древним видом биотрансформации служит сульфатирование. Этой реакции подвергаются фенолы, спирты, ароматические амины, гидроксиамины, некоторые стероиды. Катализируют процессы сульфатаденилтрансферазы и аденилсульфаткиназы. В последнем
случае донорской молекулой является 3′-фосфоадено-5′-фосфосульфат. В некоторых реакциях сульфатная конъюгация приводит к образованию канцерогенов, взаимодействующих с нуклеиновыми кислотами.
К преконъюгационным реакциям относят процессы дегалогенирования. Они очень важны, так как многие ксенобиотики представляют собой хлорсодержащие соединения. Различают гидролитическое, восстановительное и окислительное дегалогенирование. Гидролитическому отщеплению галогена подвергаются обычно ароматические пестициды, восстановительное осуществляется за счет замещения галоида на водород, окислительное же подразделяется на ряд классов: дегидрогалогенирование; окислительное дегалогенирование с образованием двойной связи и гидроксилирование с участием молекулярного кислорода.
Основной сущностью процессов биотрансформации органических соединений в клетках высших организмов является снижение сложности молекул, введение в нее полярных заместителей для повышения растворимости и облегчения вывода из организма.
Биотрансформация неорганических соединений изучена не так хорошо, как органических. В клетках живых организмов могут присутствовать
вследовых количествах многие металлы, которые образуют с органическими веществами хелатные комплексы, которые в некоторых случаях оказываются чужеродными для данного организма. Легкие металлы: калий, натрий, кальций и магний обычно содержатся в большом количестве, так как они необходимы для осуществления биохимических процессов; тяжелые: медь, железо, молибден, кобальт, цинк и другие – содержатся
вследовых количествах. Действие последних на организм двухфазно: в
203
небольшом количестве они необходимы для осуществления биохимических процессов, при увеличении концентрации обладают токсическим действием за счет антагонизма катионов. Большинство тяжелых металлов переменной валентности могут служить антагонистами кальция и магния, блокируя таким образом нормальное течение кальцийзависимых (все процессы движения, активность фосфолипаз, протеинкиназ и других ферментов) и магнийзависимых (энергетический обмен) реакций.
Биотрансформация неорганических соединений включает реакции восстановления атомов с переменной валентностью, реакции метилирования и реакции конъюгации. В клетках могут происходить реакции превращения арсенатов в арсениты; селенатов в селениты; хлоратов в хлориты. Часто при такой трансформации токсичность соединений только возрастает. Микроорганизмы могут использовать реакции метилирования для превращения металлов в металлоорганические соединения. Например, реакция метилирования ртути в метил- и деметилртуть. Опасность отравления живых организмов ртутью при этом возрастает, так как метилртуть полностью поглощается и накапливается во всех клетках высших организмов. Неорганические соединения мышьяка трансформируются с образованием триметилированного производного, тогда как свинец, кадмий и цинк не способны метилироваться. Цианид обезвреживается за счет конъюгации с серой, в результате образуется тиоцианид. Фермент, осуществляющий катализ, содержится в митохондриях гепатоцитов животных, а также в митохондриях растительных клеток. Белки с низкомолекулярной массой и высоким содержанием цистеина путем конъюгации связывают ионы тяжелых металлов, наиболее это изучено в отношении ионов кадмия.
3.4.«Изнанки метаболизма» – химические процессы в клетках и организме
Самыми типичными химическими реакциями в клетках и организме являются свободно-радикальные (СР) процессы. Часть этих процессов представляет собой неферментативное ПОЛ. Сущность неферментативного ПОЛ и основные реакции описаны ранее. Химические свойства полиненасыщенных жирных кислот, субстратов ПОЛ включают возможности сдвига электронной плотности от метиленовых мостиков между двойными связями, что создает условия для гомолитического отщепления водорода от метиленовой группы и образования пентадиенилового радикала с делокализованным неспаренным электроном. Роль акцептора водорода может играть любой из свободнорадикальных продуктов. Так как в клетках основная часть жирных кислот упакована в мембранах, пероксильные радикалы используют в качестве доноров водорода соседние жирнокислотные остатки, что приводит к развитию цепной реакции. Взаимодействие гидроперекисей с двухвалентным железом приводит к образованию алкосиль-
204
ных радикалов, гидроксильных радикалов и трехвалентного железа, которые могут инициировать образование пентадиенильных радикалов. Алкосильные радикалы претерпевают расщепления, при этом возникают пентан, гексанал и соответствующие алкеналы. Этан и пентан, не вступающие
вреакции, выдыхаются и действительно содержатся в выдыхаемом воздухе вместе с другими летучими продуктами ПОЛ. Кроме алканалов в процессе ПОЛ образуются алкеналы и гидроксиалкеналы, главным из которых является 4-гидроксиноненал. Эти продукты ПОЛ моментально реагируют с любыми нуклеофилами (аминогруппы, сульфгидрилы, имидазольные группировки). Модифицированные таким образом белки обнаруживаются
внормальных тканях. При наличии в жирной кислоте трех или более гомоконъюгированных двойных связей образование 11-алкосильного радикала может сопровождаться эндоциклизацией с формированием эндоперекисей, структурно аналогичным простагландинам. Эти продукты – изопростаны – претерпевают катализируемое металлами переменной валентно-
сти разложение с образованием малонового диальдегида, склонного к формированию Шиффовых оснований с гуанином, лизином, этаноламином, серином. Мишенью действия гидроперекисей являются и двойные связи холестерина. Эпоксиды холестерина известны как сильные мутагены, а гидроперекиси отличаются своей цитотоксичностью.
Кроме СР окисления в клетках и внутренней среде организма могут протекать и другие реакции. Без участия фермента происходит декарбоксилирование ацетоацетата в ацетон, а также оксалоацетата в пируват:
СН3-СО-СН2-СОО– → СН3-СО-СН3 + СО2 Ацетоацетат Ацетон
–ООС-СО-СН2-СОО– → –ООС-СО-СН3 + СО2 Оксалоацетат Пируват
Первая реакция становится актуальной при гиперпроизводстве ацетоацетата, то есть при активации расщепления жирных кислот. Особенно опасным данный процесс будет в отсутствии углеводов, действительно уровень ацетона в плазме крови резко возрастает при голодании и тяжелой форме сахарного диабета[5].
Вторая реакция особой опасности не представляет, однако производство оксалоацетата из пирувата уже требует затраты энергии АТФ, поэтому химическое декарбоксилирование в пируват сопровождается непродуктивной затратой энергии.
Очень важное значение имеют химические реакции, в которые вступают химически агрессивные моносахариды, в частности глюкоза. Главной мишенью действия глюкозы являются ε-аминогруппы лизиновых остатков белков. Процесс получил название гликирования. Модифицированные ос-
205