2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

ства бытовой химии (моющие средства, вещества для борьбы с паразитами, парфюмерия), 3) большинство лекарств.

В XXІ веке происходят всевозрастающее загрязнение ксенобиотиками внешней среды и увеличивающееся их поступление в организм человека. Это серьезно угрожает здоровью и даже жизни всех живых существ, включая человека, так как повреждает клетки и вызывает мутации, ведущие к злокачественным процессам или наследственным заболеваниям.

Конечно, в первую очередь надо заботиться об экологии. Но если загрязнение все же происходит, то мы не беззащитны: в каждой клетке происходят метаболизм, связывание и выведение ксенобиотиков, что в большинстве случаев приводит к снижению их токсичности. Это позволяет выживать даже на сильно загрязненных территориях, хотя, к сожалению, не исключает риска заболеваний.

1.Общая характеристика метаболизма ксенобиотиков

Метаболизм ксенобиотиков, как правило, приводит к снижению их активности – дезактивации, которую в случае токсичных веществ называют детоксикацией. Однако в некоторых (и не таких редких) случаях метаболиты ксенобиотиков становятся, наоборот, более активными (активация) и даже более токсичными (летальный синтез).

Активируются в организме и некоторые лекарства, и тогда они именуются пролекарствами, ведь истинные лекарства – это их активные метаболиты.

В метаболизме ксенобиотиков участвуют около 30 ферментов. В нем различают две фазы: 1) модификация, создающая или освобождающая функциональные группы, 2) конъюгация – присоединение к последним других групп или молекул. Наиболее часто метаболизм происходит именно в такой последовательности, но при наличии в молекуле ксенобиотика функциональных групп он может сразу же подвергнуться конъюгации. Обычно обе фазы, особенно при совместном действии, приводят к увеличению гидрофильности и снижению активности и токсичности молекулы. Третьей фазой – уже не метаболизма, а судьбы ксенобиотиков – можно считать связывание и выведение самих ксенобиотиков и их метаболитов из клетки, а затем из организма.

Первая фаза метаболизма

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

492

молекуле гидрофильных функциональных групп с детоксикацией десятков тысяч веществ. Важными достоинствами системы являются локализация и высокая мощность на главных путях поступления ксенобиотиков в организм – пищевом (печень и желудочно-кишечный тракт)

и дыхательном (легкие). Транспорт атомов водорода и электронов в ЭПС печени при гидроксилировании субстрата (это самый частый и важный случай) происходит следующим образом:

Н2О R

Однако этой системе присущи и серьезные ограничения и даже недостатки: 1) слабость или отсутствие во многих жизненно важных органах (сердце, головной мозг), 2) меньшая защита организма при других путях проникновения (слизистые, раны, инъекции), 3) токсификация некоторых веществ. Так, система цитохрома Р-450 превращает хлоро-

форм, хорошее средство для общего наркоза, в боевое отравляющее вещество фосген (СНСl3 Сl2С=О), что объясняет высокую токсичность

хлороформа. Популярное обезболивающее и жаропонижающее лекарство парацетамол превращается в метаболит, в больших дозах повреждающий печень и почки, – нужна осторожность в применении при заболеваниях этих органов. Полициклический ароматический углеводород (ПАУ) бенз(а)пирен превращается в канцерогенный (вызывающий рак)

метаболит дигидроксиэпоксид, следовательно, бенз(а)пирен только проканцероген, а истинным канцерогеном он становится после токсификации системой цитохрома Р-450.

Вторая фаза метаболизма

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).

493

Основные виды конъюгации

Локализованные в основном в ЭПС уридиндифосфат(УДФ)-

глюкуронилтрансферазы присоединяют остаток глюкуроновой кислоты, а гиалоплазматические сульфотрансферазы – сульфат к фенолам, спиртам и аминам. Эти ферменты метаболизируют, например, анилин, фенол, морфин, левомицетин, салицилат, парацетамол, зидовудин (лекарство против СПИДа), пероральные контрацептивы (средства для предупреждения беременности).

Ацетилтрансферазы метаболизируют путем присоединения ацетила к N- (сульфаниламиды, противотуберкулезные средства изониазид и n-аминосалициловая кислота (ПАСК)) или к О- (некоторые кан-

церогены). Мембранные и гиалоплазматические метилтрансферазы метилируют ОН-, NH2- и SH-группы и метаболизируют, например, пири-

дин, тиоурацил, унитиол, кокаин.

Функционирование всех ферментов второй фазы ограничивается тем, что они метаболизируют только те вещества, которые имеют функциональные группы. Именно поэтому эти ферменты чаще включаются после образования или освобождения функциональных групп ферментами первой фазы, то есть во второй фазе метаболизма ксенобиотиков. Однако трансферазы имеют важные достоинства: 1) они есть во всех клетках, поэтому: 2) функционируют при любых путях поступления ксенобиотиков в организм, 3) осуществляют или завершают детоксикацию, а иногда исправляют ошибки первой фазы. Так, они обезвреживают токсичные метаболиты ПАУ (канцерогены), хлороформа (фосген), парацетамола.

2. Связывание, транспорт и выведение ксенобиотиков

Эти процессы чаще носят физический характер. В плазме крови огромное количество как эндогенных (жирные кислоты, свободный билирубин), так и экзогенных веществ (сульфаниламиды, антибиотики, салицилаты, сердечные гликозиды, противосвертывающие) связывается и транспортируется альбумином. Некоторые вещества (жирораство-

494

римые витамины, анаболические стероиды) переносят липопротеины. В клетках, особенно печени, многие ксенобиотики (ПАУ, канцерогены, нитропроизводные, антибиотики) связываются (некоторые ковалентно) глутатионтрансферазами. Металлы связываются SH-группами GSH и

небольшого белка металлотионеина, очень богатого остатками цистеина. Связанные ксенобиотики неактивны, постепенно они освобождаются, метаболизируются и выводятся.

Очень важный механизм выведения из клетки ксенобиотиков – функционирование Р-гликопротеина, являющегося транспортной АТ-

Фазой. 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. «Кооператив» печень – почки играет важнейшую роль в обезвреживании и выведении из организма большинства ксенобиотиков. Вещества более гидрофобные или с большой молекулярной массой (>300) чаще выводятся с желчью в кишечник и затем удаляются с калом.

3. Индукция защитных систем

Есть данные, что еще в древности Митридат систематически принимал небольшие дозы ядов, чтобы избежать острого отравления. «Эффект Митридата» основан на индукции определенных защитных систем: фенобарбитал индуцирует систему цитохрома Р-450, глутатион- и УДФ-глю-куронилтрансферазы и эпоксидгидролазы; дибунол

(бутилокситолуол) и бутилоксианизол – эти же трансферазы и ферменты синтеза глутатиона; противораковые лекарства – Р-гликопротеин и

синтез глутатиона; металлы вызывают накопление обоих видов связывающих их SH-веществ. В результате возрастает устойчивость клеток

иорганизма к ядам и лекарствам. Так, снотворное действие фенобарбитала постепенно все больше снижается. Курсовое введение фенобарбитала у новорожденных увеличивает связывание и, следовательно, обезвреживание свободного билирубина при наследственном дефекте этой системы или гемолитической желтухе. При химиотерапии злокачественных процессов начальная эффективность лекарства часто постепенно падает, более того, развивается множественная лекарственная устойчивость, то есть устойчивость не только к этому средству, но

ицелому ряду других. Вещества, ингибирующие Р-гликопротеин или

его индукцию и ферменты синтеза глутатиона, перспективны для повышения эффективности химиотерапии.

495

4. Действие ксенобиотиков на организм

Токсическое действие ксенобиотиков включает 3 главных типа эффектов:

1.Клеточное повреждение, которое может привести к гибели клеток. Есть много механизмов, ведущих к повреждению клеток. Один из них связан с ковалентным связыванием активных метаболитов ксенобиотиков с ДНК, РНК, белками. Если это приводит к нарушению быстро протекающих процессов в клетке, важных для ее выживания (окислительное фосфорилирование, проницаемость мембран), то эффекты повреждения клеток развиваются быстро.

2.Активные метаболиты ксенобиотиков могут связываться с белками, модифицировать их и изменять антигенные свойства. В результате клетка повреждается различными иммунологическими механизмами.

3.Стимуляция химического канцерогенеза.

Некоторые ксенобиотики способны оказывать канцерогенное действие только после их биотрансформации (непрямой канцерогенез). Например – бензпирен (проканцероген) после І этапа превращается в гидроксибензпирен, являющийся канцерогеном. В ходе монооксигеназных реакций из ряда ксенобиотиков образуются эпоксиды. Эпоксиды высоко реактивны, мутагенны и канцерогенны. Их инактивация происходит с помощью эпоксидгидролаз, присутствующих в мембранах эндоплазматического ретикулума.

5. Метаболизм лекарств в здоровой печени

Большинство лекарств является жирорастворимыми веществами. Это свойство, с одной стороны, определяет хорошее всасывание препаратов в ЖКТ, т.к. слизистая кишечника в принципе представляет собой двойной липидный слой, а с другой стороны препятствует экскреции препаратов почками. В связи с этим одной из функций печени является защита организма от накопления в крови экзогенных и эндогенных жирорастворимых компонентов путем уменьшения их проницаемости сквозь липидные мембраны. Эта функция осуществляется путем превращения жирорастворимых компонентов в водорастворимые, экскретируемые с мочой. Другим фактором, определяющим ключевую роль печени в метаболизме медикаментов, является ее положение «больших ворот» для проникновения в организм всего того, что поступает в ЖКТ.

496

Схема нормального метаболизма медикаментов при приеме внутрь

–Генетические особенности (скорость ацетилирования).

–Характер питания (уровень альбуминов, наличие кофакторов).

–Употребление алкоголя и барбитуратов (хроническое употребление – индукция цитохрома Р-450, однократный прием большой дозы – супрессия).

–Возраст (возрастное снижение клиренса медикаментов).

–Пол.

–Наличие заболевания печени.

–Состояние проницаемости мембран гепатоцита для данного медикамента.

–Химическое строение препарата.

Лекция 49

БИОХИМИЯ КРОВИ

1. Функции крови

Кровь – это высокоспециализированная ткань, выполняющая важные функции.

1.Дыхательная – кровь транспортирует О2 от легких к тканям и СО2 от тканей к легким.

2.Гомеостатическая – поддерживает постоянство внутренней среды клеток и тканей, т.е. физико-химические условия: рН, осмотиче-

ское давление, ионный состав.

497

3.Питательная – доставляет питательные вещества к тканям.

4.Поддерживает водный баланс.

5.Регуляторная – 1) Транспортирует биологически активные вещества – гормоны, медиаторы к тканям. 2) Образование в клетках крови регуляторов обмена веществ: гистамина – в базофилах, эозинофилах, серотонина – в базофилах, тромбоцитах, гепарина – в базофилах. 3) Из белков плазмы образуются активные полипептиды – кинины: брадикинин, каллидин. Они регулируют скорость кровотока, повышают проницаемость капилляров, стимулируют сокращение сердца, понижают АД, расширяя периферические и коронарные сосуды, сокращают гладкие мышцы бронхов, кишечника, матки.

6.Экскреторная – доставляет конечные продукты обмена к органам выделения.

7.Терморегуляторная – через теплообмен.

8.Защитная: 1) иммунная – наличие иммунных белков – Ig – и

2)гемостатическая – наличие белков системы свертывания крови, предохраняющих организм от кровопотери.

9.Обезвреживающая – осуществляется путем разведения поступающих токсических веществ, связывания их с альбуминами, а также превращения некоторых из них ферментами.

2. Состав крови

Кровь состоит из плазмы и взвешенных в ней форменных элементов: эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов. Клетки составляют 45% объема.

Плазма крови – жидкая часть после осаждения форменных элементов.

Сыворотка крови – плазма без фибриногена. Содержит воду, электролиты, метаболиты, питательные вещества, белки, гормоны. Большую часть сухого остатка крови – 85% плазмы составляют белки. Норма содержания общих белков в плазме 65-85 г/л. В настоящее вре-

мя описаны около 100 белковых компонентов плазмы. Для их разделения применяют метод электрофореза. При грубом делении все белки плазмы делят на альбумины, глобулины, фибриноген.

Альбумины – в норме содержание в крови 40-50 г/л. Самые легкие белки крови, М.м. в пределах 65-70 тыс. Составляют 55-60% всех

белков плазмы. Быстро обновляющиеся белки – период полураспада –

7суток. Альбумины выполняют ряд важных функций.

1.Обеспечивают в основном коллоидно-осмотическое давление

плазмы (онкотическое), т.к. обладают высокой гидрофильностью и низкой М.м. (онкотическое давление зависит от количества молекул).

498

Онкотическое давление, создаваемое белками, препятствует выходу воды из сосудов. Снижение концентрации альбумина в крови приводит

котекам.

2.Транспортная – обусловлена наличием большого числа реак-

ционно-способных групп – NH2, COOH, SH, OH и др. Альбумины

транспортируют Са, Zn, Cu, I, жирные кислоты, витамин Д, стероидные гормоны, желчные пигменты, токсины, лекарства – пенициллины, сульфаниламиды, аспирин. Следовательно, альбумины – неспецифические переносчики.

3.Обеспечение постоянства рН крови – мощная буферная сис-

тема.

4.Резервная – при белковом голодании источником аминокислот для синтеза белков становятся продукты гидролиза альбуминов.

Глобулины – это гетерогенная смесь белков, содержание в крови – 20-30 г/л, нерастворимы в воде, растворимы в солевых растворах.

При электрофорезе на бумаге разделяются на фракции 1, 2, , . М.м.

> 75 тыс.

Функции:

1.Участие в создании коллоидно-осмотического давления

плазмы.

2.Транспортная (специфические переносчики), например:

-липиды – липопротеины;

-стероидные гормоны – транскортины;

-половые гормоны – тестостерон, эстрадиол-связывающие

белки;

-В12 – транскобаламин;

-Fe – трансферрин;

-Cu – церулоплазмин.

3.Поддержание постоянства рН.

4.Защитная – иммуноглобулины.

5.Фибриноген участвует в процессе свертывания крови, относится к глобулинам, норма содержания в крови – 2-4 г/л.

Почти все глобулины синтезируются в печени, -глобулин – в

РЭС.

3.Белки острой фазы воспаления

Вкрови существует группа белков, связанных с острым воспалительным процессом, так называемая «белки острой фазы». Большинство из них синтезируется в печени. Сигналом для их синтеза служат медиаторы пептидной природы (например, интерлейкин I), освобож-

дающиеся клетками воспалительного очага.

499

Кбелкам острой фазы относят:

1.Лектины. Это специфические белки, избирательно и обратимо связывающие углеводные компоненты гликоконъюгатов различной природы. Эндогенные лектины являются новым типом биологических

ииммунологических маркеров, позволяющих диагностировать воспалительные и онкологические заболевания.

Лектины принимают участие:

1) в процессах иммунорегуляции;

2) активации комплемента;

3) адгезии лейкоцитов к эндотелию

4) лектинофагоцитоза;

5) метастазирования.

Примеры лектинов:

Маннозосвязывающий белок – МВР, связывает маннозо-

содержащие углеводные структуры микроорганизмов, активирует систему комплемента, фагоцитоз патогенных микробов. Его содержание увеличивается в 1,5-3 раза у больных малярией, после хирургиче-

ских операций. При наследственном заболевании у детей, сопровождающимся снижением уровня МВР, развивается синдром иммунодефицита, сопровождающийся повторяющимися бактериаль-ными и

грибковыми инфекциями.

Лектины сурфактантной системы оказывают активирующее действие на альвеолярные макрофаги, включая стимуляцию процесса фагоцитоза микробов и избирательную стимуляцию окислительного метаболизма.

Сурфактант – белково-липидная смесь, покрывающая поверх-

ность альвеол и обеспечивающая снижение величины их поверхностного натяжения, необходимого для поддержания эластичности и предотвращения коллапса легких. При легочных заболеваниях изменяется уровень сурфактановых белков в крови.

С-реактивный белок (СРП, СРБ) и амилоидный белок сыворотки крови человека SAP (пентраксины). СРП взаимодействует с С-

полисахаридами пневмококков. Эти лектины могут непосредственно инактивировать воспалительные агенты, снижать степень повреждения тканей и способствовать их регенерации и восстановлению, способны активировать систему комплемента. Норма содержания СРП в крови – 0 г/л, при воспалении – до 0,1г/л.

2.Ингибиторы трипсина, антитрипсин и др. Ингибиторы про-

теолитических ферментов, освобождаемых из лизосом при разрушениях бактериальных клеток и обеспечивающие минимальное повреждение тканей хозяина. Содержание в крови в норме – 2,5-4,0 г/л, при воспалении 5-7г/л.

500

3. Гаптоглобин синтезируется в печени. Факторы, регулирую-

щие его образование, неизвестны. Биологическая роль также недостаточно ясна. Комплекс гемоглобин-гаптоглобин быстро разрушается в

организме, поэтому он может ускорять катаболизм гемоглобина, попавшего в плазму крови при разрушении эритроцитов в очаге воспаления. Возможно, гаптоглобин сохраняет Fe в организме. Содержание в крови в норме – 0,6-1,8г/л, при воспалении – 3-6г/л.

4.Ферменты плазмы крови

1)Секреторные – синтезируются в органах, но свое действие оказывают только в сосудистом русле. Например, ЛХАТ, ЛПЛ. ЛХАТ синтезируется в печени, катализирует эстерификацию холестерина в сосудистом русле. ЛПЛ синтезируется в клетках жировой и мышечной ткани, секретируется в кровь и участвует в гидролизе триацилглицеринов, входящих в состав липопротеинов.

2)Индикаторные – синтезируются и оказывают свое действие только в тканях. Появление их в крови говорит о повреждении клеток. Например, АсАТ, АлАТ.

3)Экскреторные – нормальные компоненты желчи, при желчнокаменной болезни попадают в кровь. Например, щелочная фосфатаза, лейцинаминопептидаза.

В плазме крови содержатся промежуточные и конечные продукты обмена белков. Это небелковые азотистые вещества: полипептиды, аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, креатин, креатинин, пурины, пиримидины.

Среди безазотистых веществ в крови присутствуют продукты обмена углеводов и липидов: глюкоза, молочная и пировиноградная кислоты, жирные кислоты, глицерин, кетоновые тела.

Постоянными компонентами плазмы являются минеральные ве-

щества: NaCl, КCl, CaCl2, MgCl2, NaHCO3, CaCO3, K2HPO4, Ca(PO4)2, Na2SO4, незначительные количества соединений Fe, Cu, Zn, I, Mn, Co.

5. Белки эритроцитов

Представлены гемоглобином и небольшим количеством белков стромы.

Различают два основных типа белков плазматической мембраны: поверхностные и интегральные. Поверхностные белки локализованы на внутренней цитоплазматической поверхности мембраны. К ним относятся глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, актин, спектрин.

Цепи спектрина образуют разветвленную волокнистую сеть. Спектрин стабилизирует и регулирует вместе с актином форму мембраны эритроцитов, которая изменяется при прохождении клеток через капилляры.

501