Тема 12.1. Механизмы обезвреживания токсических веществ

Соединения, поступающие в организм с пищей, через кожу или легкие и не используемые организмом для энергетических и пластических целей, называются чужеродными веществами или ксенобиотиками. Они,

как правило, гидрофобны, токсичны и должны удаляться из организма. Для снижения их токсичности и повышения растворимости они подвергаются детоксикации, которая заключается в их химической модификации, и удаляются из организма (рис. 12.1). Обезвреживанию подвергаются также токсические вещества, образующиеся в организме: NH₃, пептидные и стероидные гормоны, катехоламины, продукты катаболизма гема, продукты гниения аминокислот в кишечнике. Лекарственные вещества в редких случаях используются организмом в качестве субстратов, большая их часть, выполнив свою функцию, которая заключается во взаимодействии с белками или ферментами, должны быть удалены из организма. Они могут, в зависимости от их структуры, выводиться из организма как в неизмененном виде, так и в модифицированном.

Обезвреживание токсических веществ происходит путем химической модификации в две фазы:

•  в реакциях первой фазы гидрофобное вещество модифицируется, причем чаще всего происходит его гидроксилирование;

•  во вторую фазу происходит реакция конъюгации.

Рис. 12.1. Метаболизм и выведение ксенобиотиков из организма:

Ксб - ксенобиотик; К - радикал, используемый при конъюгации (глутатион, глюкуронил и др.); Гфб - гидрофобные и Гфл - гидрофильные метаболиты ксенобиотиков; М - молекулярная масса

Первая фаза обезвреживания

Эта фаза обязательна для гидрофобных веществ, так как они плохо выводятся из организма и могут накапливаться в тканях, богатых липидами (жировая клетчатка, мембраны клеток, нервная система). В этой фазе вещества подвергаются таким изменениям, как гидроксилирование, восстановление, сульфоокисление, дезаминирование, гидролиз и др.

В мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР) практически всех тканей локализована система микросомального (монооксигеназного) окисления (СМО), отвечающая за течение первой фазы обезвреживания. В эксперименте при выделении ЭР из клеток мембрана распадается на части, каждая из которых образует замкнутый пузырек - микросому. Микросомы сохраняют большинство морфологических и функциональных характеристик интактных мембран ЭР, в частности, они содержат активные ферменты, участвующие в реакциях обезвреживания. Эта система наиболее активна в печени. В клетках некоторых тканей (например, кора надпочечников) окислительная система локализована в мембранах митохондрий.

Основные ферменты, участвующие в работе окислительной системы: гемопротеин - цитохром Р450, цитохром Р450-редуктаза - флавопротеин (коферменты FAD и FMN) (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Структурная организация монооксигеназной системы:

RH - субстрат цитохрома Р450; стрелками показаны реакции переноса электронов. Донором электронов является NADPH, который окисляется цитохром Р450-редуктазой

Цитохром Р450 может связывать в активном центре липофильное вещество RH и молекулу кислорода. Один атом кислорода принимает два электрона 2ё и переходит в форму О^2-. Донором электронов и протонов является NADFН+Н⁺, который окисляет цитохром Р450-редуктазой; О^2-взаимодействует с протонами и образуется вода: О^2-+ 2Н+→ Н₂О. Второй атом кислорода включается в гидроксильную группу вещества R-OH.

Суммарное уравнение реакции гидроксилирования вещества RH ферментами микросомального окисления

В результате гидроксилирования повышается растворимость гидрофобного соединения, что снижает его токсичность и облегчает дальнейшую инактивацию и выведение из организма.

Цитохром Р450 обладает относительной субстратной специфичностью. Известно много изоформ Р450, каждая из них может взаимодействовать с разными, но сходными по строению ксенобиотиками. Субстратами Р450 могут быть как экзо-, так и эндогенные липофильные вещества, а продукты их превращений могут входить в пути нормального метаболизма. Цитохромы Р450 участвуют в биотрансформации многих лекарств, которые, будучи гидрофобными, не могут быть выведены из организма в неизменном виде.

Вторая фаза обезвреживания - коньюгация

Конъюгация - это присоединение к функциональным группам, образовавшимся в первой фазе или уже имеющимся у ксенобиотиков, других молекул или групп, увеличивающих гидрофильность и уменьшающих их токсичность.

Конъюгация может происходить с:

•  глицином,

•  глюкуронатом,

•  сульфатом,

•  ацетататом,

•  метильной группой,

•  глутатионом.

В этой фазе участвуют ферменты трансферазы, которые присоединяют различные конъюгаты к гидрофильным группам обезвреживаемых веществ. Полученный продукт, как правило, хорошо растворим и легко удаляется из организма с желчью и мочой.

Например, УДФ-глюкуронилтрансферазы, локализованные в основном в ЭР, присоединяют к молекуле обезвреживаемого вещества остаток глюкуроновой кислоты (активная форма - УДФ-глюкуронат).

Особое место среди ферментов, участвующих в обезвреживании ксенобиотиков, нормальных метаболитов, лекарств, занимают глутатионтрансферазы (ГТазы). Известно множество изоферментов ГТазы с различной субстратной специфичностью. Для работы ферментов требуется глутатион (ГSH). Глутатион - это трипептид глу-цис-гли, остаток глутаминовой кислоты присоединен к цистеину карбоксильной группой радикала.

ГТазы - универсальные ферменты, функционирующие у всех животных и человека, и имеющиеся во всех тканях. ГТазы играют важную роль в обезвреживании собственных метаболитов: некоторых стероидных гормонов, простагландинов, билирубина, желчных кислот, продуктов перекисного окисления липидов.

Обезвреживание ксенобиотиков с участием ГТазы происходит тремя путями:

3) восстановление органических пероксидов до спиртов под действием глутатионпероксидазы:

Обезвреживание ксенобиотиков с участием цитохрома Р450 иногда приводит к образованию метаболитов не менее, а более токсичных, чем исходные. Эти токсические вещества обезвреживаются глутатионтрансферазой (ГТазой).

ГТаза - индуцируемый фермент, его синтез индуцируется при приеме этанола, снотворных препаратов - производных барбитуровой кислоты и т.д.