20. Реакции метаболического окисления органическихксенобиотиков, основныетипы и ферменты.

Реакции окисления. Среди ферментов, катализирующих окисление ксенобиотиков, особое место принадлежит микросомным монооксигеназам. Функция- направленной на детоксикацию от чужеродных веществ в организмах. оксигеназы катализируют наибольшее чис­ло биохимических превращений ксенобиотиков, связанных с внедре­нием в их молекулу активированного кислорода,

Оксигеназа (монооксигеназа) - это фермент, катализирующий ре­акцию элементарного кислорода с некоторым субстратом, в процессе которой один из атомов кислорода входит в состав субстрата, тогда как второй атом кислорода реагирует с другим акцептором, чаще всего водородом, образуя воду:

RH + НАДФН + Н⁺ + 0₂ ->ROH + НАДФ⁺ + Н₂0

НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат, восстановленная форма) действует как донор водорода.

В качестве основного компонента монооксигеназные системы содер­жат терминальную оксидазу - цитохром Р-450, относящиеся к гемопротеидам. цитохром Р-450 находится в эукариотных и в прокариотных организмах. Кроме млеко­питающих и человека, эти цитохромы выделены из тканей беспозвоноч­ных (насекомых, членистоногих и др.), птиц, микроорганизмов, растений.

Основная функция цитохрома Р-450 в организме - обезвреживание эн­догенных субстратов в результате монооксигеназной реакции. В каталити­ческих реакциях монооксигеназцитохром Р-450 выполняет роль активного центра. Он взаимодействует с субстратом и молекулярным кислородом, а также принимает электроны от соответствующих доноров. Основной путь активирования кислорода заключается в переносе электрона от восстанов­ленного пиридиннуклеотида к гемопротеиду. Цитохром Р-450 включен в цепь реакций, предохраняющих клетку от экзогенных веществ посредст­вом окисления. Механизм регуляции цитохром Р-450-зависимой оксигеназы осуществляется на различных уровнях по-разному.

Различают микросомальную, митохондриальную и бактериальную монооксигеназные системы цитохрома Р-450.

Микросомальная-у животных, растений, эукариотических микроорганизмов, включая дрожжи и плесени. изуче­на для микросом печени млекопитающих, в которых монооксигеназная система состоит из двух флавопротеинов, цитохрома b и множества дру­гих форм цитохрома Р-450. Реакция протекает на поверхности ЭР.

Вторая – митохондриальная монооксигеназа - менее изучена. Она принадлежит к мембрансвязанных и была обнаружена в организ­мах различных животных, в растениях и у эукариотических микроорга­низмов. Митохондриальная система Р-450 в основном предназначена для регуляции эндогенных субстратов (стероидов), а не ксенобиотиков.

Впервые наличие цитохрома Р-450 бактериальной монооксигеназ­ной системы установлено в бактериях Rhizobium bacteroides. изучена на бактериях Pseudomonas putida.

Одной из особенностей окислительных ферментов является их раз­личная избирательность (специфичность) к субстрату в зависимости от вида тканей, в которых они находятся.

Другая важная особенность этого комплекса ферментов, прежде всего в высших организмах, заключается в их активность мо­жет вызываться самими веществами, на которые они воздействуют. Например, если

В катализе окисления ксенобиотиков - принадлежит микросомным оксигеназам (монооксигеназам), катализирующим внедрение в молекулу ксенобиотиков активированного кислорода.

К наиболее важным реакциям окисления относятся:

1. Окисление спиртов и альдегидов. Осуществляется алкогольдегидрогеназой, альдегидоксидазами и др. ферментами.

Окисление спиртов в альдегиды или кетоны

RCH₂OH - > RCHO + Н₂0,

R,CHOHR₂ - > R,COOR₂ +Н₂0.

Окисление альдегидов в карбоновые кислоты:

[О]

RCHO - > RCOOH.

2. Окисление аминов.

Например,

а) реакция диэтиламина с нитритом в кислой среде желудка, образуется канцероген — диэтилнитрозамин:

б) реакция окисления симазина с образованием канцерогенного продукта:

Нитрит натрия ранее использовался в качестве консервирующей добавки к пищевым продуктам.

Реакция с оксидазы отличается от реакции с участием оксигеназы, поскольку в оксигеназных реакциях оксиление связано с молекулярным кислородом, который выступает в качестве акцептора-электрона; примером реакции может служить окисление моноамина:

н₂о

RCH₂NH₂ -> RCH=NH -> RCHO + NH₃.

3. Окисление ароматических аминов.

Эти вещества подвергаются N-гидроксилированию с участием оксигеназ, появляются канцерогенные продукты:

4. Окисление ароматических алкилзамещенных соединений.

Они расщепляются между атомами C₁ и С₂ боковой цепи с образованием соответствующей ароматической кислоты.

Эти реакции происходят с участием микроорганизмов, в растениях. У различных видов микроорганизмов удалось установить многочисленные реакции разрыва бензольного кольца. Такие процессы весьма избирательны.

Универсальность почвенной экосистемы в превращениях различных классов соединений определяется разнообразием популяций микроорганизмов в почве.

5. Гидроксилирование кольцевых систем.

Алициклические кольцевые структуры гидроксилируются легче, чем ароматические (одна из причин высокой токсичности бензола, поскольку он тяжело окисляется до фенола). При гидроксилировании в орто-положении могут образовываться канцерогенные метаболиты. В реакциях гидроксилирования могут участвовать ферменты микросом. Катализируют реакции оксигеназы.

• Алифатическое гидроксилирование:

RCH₃ → RCH₂OH.

• Ароматическое гидроксилирование:

6. Ароматизация алициклических соединений

окисления циклогексанкарбоновых кислот с четным числом СН₂-групп в боковой цепи с участием митохондрий. Конечный продукт — бензойная кислота.

7. При реакциях окисления с участием фермента эпоксидазы образуется эпоксидное кольцо (реакция эпоксидации):

Например,окисления (эпоксидации) пестицида альдрина получается токсический эпоксид дильдрин. Эпоксиды высокотоксичны и обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. Эпоксидации подвергаются многие ароматические соединения.

8. Окисление или окислительное замещение органической серы

Гетероциклическая сера окисляется в сульфоксиды или дисульфоны.

Сера в алифатических комбинациях или ароматических боковых цепях иногда замещается кислородом.

Например, инсектицид паратион (тиофос) метаболизируется микросомальными ферментами (а также в почве) в параоксон, который также обладает инсектицидными свойствами и почти вдвое более токсичен для млекопитающих, чем паратион:

Превращение связи Р = S в связь Р = О приводит к повышению токсичности продуктов.

9. Окислительное дезалкилирование О- и N-атомов.

часто дезалкилированию подвергаются ксенобиотики следующих классов:

• динитроанилины (гербициды трифлурамин, динитрамин и др.),

• фенилмочевины (гербициды хлороксурон, диурон, монурон, флуометурон, линурон и др.),

• симметричные триазины,

• фосфорорганические соединения,

• алкиламины и др.

Эти реакции осуществляются оксигеназами микроорганизмов, клетками печени.

при окислительной биотрансформации ксенобиотиков нередко образуются более токсичные или канцерогенные соединения.

гербицид симазин окисляется в опасный канцероген.

Таким образом Широкий круг реакций биологического окисления может быть сведен к одному общему механизму − к гидроксилированию.

О-дезалкилирование ароматических эфиров

N-дезалкилирование вторичных аминов

Для всех этих реакций требуется восстановленный кофермент НАДФ^.Н или НАД^.Н и кислород. Кислород гидроксильной группы, введенный в чужеродное соединение, извлекается из молекулярного кислорода, а не из воды. Поэтому микросомальное окисление чуже­родного соединения пропорционально окислению НАДФН₂ и его мо­гут конкурентно ингибировать другие чужеродные соединения.