1.4 Реакции фазы 1
В сравнении с реакциями второй фазы биотрансформации, реакции первой фазы – простые. В этих реакциях небольшая полярная группа либо конформационно высвобождается, либо добавляется к токсину. Три главных реакции первой фазы биотрансформации – окисление, восстановление и гидролиз.
Окисление – химическая реакция, при которой субстрат теряет электроны. Одна из таких реакций – присоединение кислорода. Специфических окислительных реакций и окислительных ферментов огромное множество. Наиболее известные и хорошо описанные:
алкогольдегидрогеназа
альдегиддегидрогеназа
ацилгидроксилаза
ароматическая гидролаза
дезаминаза
N-деалкилирование
N-гиброксилирование
N-окисление
O-деалкилирование
Восстановление – это химическая реакция, в ходе которой субстрат приобретает электроны. Восстановление происходит в основном в ксенобиотиках с низким содержанием кислорода.
Часто аминокислотные составляющие восстанавливаются с образованием токсичных метаболитов. В целом, восстановление чаще приводит к активации ксенобиотиков, чем к их детоксикации.
Специфических восстановительных реакций меньше, чем окислительных. Наиболее важные из них:
Удаление азота
дегалогенирование
разрушение дисульфидных связей
Удаление Т-оксидов
Гидролиз – реакция ионного обмена между различными веществами и водой. В этой фазе наиболее важной является локализованная в основном в мембранах эндоплазматической сети (ЭПС) система цитохрома Р-450, называемая также микросомальной системой метаболизма или монооксигеназной системой. Ее основные функции - образование в молекуле гидрофильных функциональных групп с детоксикацией десятков тысяч веществ. Важными достоинствами системы являются локализация и высокая мощность.
Ферменты рассматриваемой группы, цитохром Р-450 зависимые оксидазы (Р-450), как правило, обладают низкой субстратной специфичностью, вызывая превращения веществ самого разного строения, и потому часто называются оксидазами смешенной функции (ОСФ). Название "цитохром Р-450" энзимы получили в силу того, что максимум поглощения света пигментом, связанным с СО, осуществляется при длине волны 450 нм.
Изоферменты Р-450 часто проявляют перекрестную субстратную специфичность, таким образом, как правило, более чем один изофермент принимает участие в метаболизме ксенобиотика. Установлены основные закономерности протекания ферментативных процессов с участием микросомального монооксигеназного комплекса (рисунок 2).
Рисунок № 2: Упрощенная схема превращения субстрата при
участии Р 450
Токсины, прошедшие первую фазу биотрансформации, превращаются в ионизированные или гидрофильные метаболиты, и затем либо выводятся из организма, либо подвергаются второй стадии биотрансформации.
1.5 Реакции фазы 2
Ксенобиотик после прохождения фазы 1 становится промежуточным метаболитом, содержащим активную химическую группу, например гидроксильну, аминную или карбоксильную. Чтобы вывести эти промежуточные метаболиты из организма, их необходимо подвергнуть дополнительной биотрансформации.
Это этап биологической конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными молекулами, такими как глутатион, глюкуроновая кислота, сульфат и т.д. Специфические системы транспорта конъюгированных дериватов обеспечивают их выведение из организма.
Ко второй фазе биотрансформации ксенобиотиков относятся реакции:
глюкуронидации, (фермент - глюкуронозилтрансфераза)
сульфатирования, (фермент – сульфотрансфераза)
ацетилирования, (ацетилтрансфераза)
метилирования,
конъюгации с глютатионом (синтез меркаптуровой кислоты) (фермент – глютатион–S-трансфераза)
конъюгация с аминокислотами, такими как глицин, таурин, глутаминовая кислота.
Глюкуронидация является одним из важнейших и распространенных реакций второй фазы. В ходе первой стадии непосредственно к молекулам токсина присоединяются молекулы глюкуроновой кислоты. Сайтом связывания глюкуроновой кислоты является субстрат, имеющий кислород, азот или серу – это могут быть многие ксенобиотики и эндогенные вещества, такие как билирубин, стероидные и тиреоидные гормоны.
Другая важная реакция второй фазы – сульфатирование. Это происходит со многими ксенобиотиками. Цель сульфатирования – снижение токсичности ксенобиотика. В отличие от глюкуроновой кислоты и ее конъюгатов, сульфатирование – низкоэффективный путь связывания ксенобиотиков, поэтому глюкуронидация и сульфатирование часто трансформируют один и тот же ксенобиотик.
Ферментативные реакции не всегда простые биохимические реакции. Некоторые ферменты требуют присутствия кофакторов и коферментов в субстрате еще до начала ферментативного катализа. Кофакторы являются компонентами большинства клеток и часто вовлечены в реакции, влекущие выделение энергии.
Основные функции этой фазы те же, что и первой: увеличение гидрофильности и снижение токсичности ксенобиотиков. Наиболее важные ферменты второй фазы относятся к классу трансфераз.
Наиболее широка и многообразна активность семейства глутатионтрансфераз, метаболизирующих тысячи ксенобиотиков. Большинство этих ферментов находится в гиалоплазме, но один из них локализован в мембранах ЭПС и митохондрий, другой - в хроматине.
Основная реакция - конъюгация с восстановленным глутатионом (GSH) - протекает в двух вариантах:
1) присоединение к субстрату (алкены и эпоксиды) полной молекулы GSH,
2) нуклеофильное замещение по электрофильным атомам С
Локализованные в основном в ЭПС, уридиндифосфат(УДФ)-глюкуронилтрансферазы присоединяют остаток глюкуроновой кислоты, а гиалоплазматические сульфотрансферазы - сульфат к фенолам, спиртам и аминам. Ко второй фазе относят и некоторые другие ферменты. Эпоксидгидролаза (эпоксидгидратаза) присоединяет воду к эпоксидам (бензола, бенз(а)пирена и др.), что превращает их в диолы:
Функционирование всех ферментов второй фазы ограничивается тем, что они метаболизируют только те вещества, которые имеют функциональные группы.
Правда, теперь обнаружено, что и эти ферменты могут токсифицировать некоторые ксенобиотики, но это встречается реже, чем для системы цитохрома Р-450.
В клетках, особенно печени, многие ксенобиотики (ПАУ, канцерогены, нитропроизводные, антибиотики) связываются (некоторые ковалентно) глутатионтрансферазами. Связанные ксенобиотики неактивны, постепенно они освобождаются, метаболизируются и выводятся.[3]
Очень важный механизм выведения из клетки ксенобиотиков - функционирование Р-гликопротеина (Pgp), являющегося транспортной АТФазой. Когда гидрофобное вещество, в том числе противораковое лекарство, проникает в клетку, то оно удаляется из нее Р-гликопротеином за счет энергии гидролиза АТФ. Это снижает эффективность химиотерапии рака.
Большинство ксенобиотиков в результате метаболизма становятся более гидрофильными, поступают в плазму крови, откуда они удаляются почками с мочой.[4]