Funktsional'naia_biokhimiia

61

6. Обезвреживание чужеродных веществ в печени.

Печень способствует разрушению продуктов обмена и чужеродных веществ (ксенобиотиков), в том числе и этанола. Рассмотрим эти вопросы подробнее.

В животные организмы чужеродные вещества попадают с пищей или из окружающей среды через кожу и легкие. Эти вещества могут быть природного происхождения (ксенобиотики) или продуктами жизнедеятельности человека. Многие из них оказывают на организм токсическое действие, в особенности при высоких концентрациях. Однако организм располагает эффективным механизмом инактивации и выведения чужеродных веществ путем их биохимической трансформации. Механизм превращения чужеродных веществ в сущности аналогичен ферментативной модификации обычных эндогенных субстратов, таких, как желчные пигменты и стероиды. Биотрансформация происходит главным образом в печени. Рассмотрим основные реакции биотрансформации в печени. Схематично, с примерами материал суммирован на рис. 3.7.

Реакция I (модификация). Реакции типа I осуществляются путем введения в неполярную молекулу функциональных групп или модификации уже имеющихся функциональных групп. Как правило, это влечет за собой увеличение полярности молекулы и уменьшение биологической активности или токсичности. Однако в ряде случаев чужеродные вещества (некоторые лекарственные вещества и канцерогены) приобретают биологическую активность именно в результате подобного рода модификаций.

К наиболее важным реакциям типа I относятся следующие:

1)гидролитическое расщепление (гидролиз) эфиров и пептидов, в качестве примера на схеме приводится гидролиз болеутоляющего средства, ацетилсалициловой кислоты (1);

2)реакции окисления: гидроксилирование, введение эпоксидной группы, образование сульфоксидов, дезалкилирование, дезаминирование;

3)реакции восстановления: восстановление карбонильной группы, азоили нитросоединений, дегалогенирование;

4)метилирование: в качестве примера приводится инактивация катехоламина норадреналина (2);

5)десульфирование.

Реакции протекают в гепатоцитах на гладком эндоплазматическом ретикулуме. Реакции окисления катализируются системой цитохрома Р450. Эта система «индуцибельна», т. е. ее активность возрастает в присутствии субстратов, после чего она может осуществлять метаболическую трансформацию различных субстратов. Исключение составляют субстратспецифичные ферменты стероидного обмена.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

62

Рисунок 3.7. – Биотрансформация чужеродных веществ в печени

Реакция II (конъюгация). Реакции типа II заключаются в связывании субстрата (билирубина, стероидного гормона, модифицированного ксенобиотика или лекарственного вещества) с высокополярным соединением, несущим отрицательный заряд. Эти реакции катализируются исключительно трансферазами, а продукты реакции носят названия

конъюгатов.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

63

Чаще всего в качестве полярного соединения выступает глюкуроновая кислота (GlcUA), а продуктами реакции (конъюгатами) являются О- и N- глюкурониды. Коферментом в этих реакциях является

уридиндифосфатглюкуроновая кислота (UDP-GlcUA), активная форма глюкуроновой кислоты. Связывание с полярной молекулой глюкуроновой кислогы придает неполярным (гидрофобным) соединениям высокую растворимость, что облегчает их выведение из организма.

Образование конъюгатов может осуществляться путем биосинтеза сернокислых эфиров с участием фосфоаденозинфосфосульфата (3'-фосфо- 5'-аденилилсульфата), поставляющего «активный сульфат», или путем образования амидов с глицином и глутамином.

По сравнению с исходными соединениями конъюгаты гораздо лучше растворимы в воде и легко экскретируются. Из печени конъюгаты выводятся рецептор-зависимой экскрецией в желчные капилляры или попадают в кровь, откуда выводятся почками за счет фильтрации.

Всвязывании и обезвреживании металлов принимает участие белок печени металлотионеин. Этот белок с высоким содержанием остатков

цистеина обладает высоким сродством к ионам двухвалентных металлов, таким, как Cd2+, Cu2+, Hg2+ и Zn2+. Ионы таких металлов являются индукторами биосинтеза металлотионеина.

Посмотрим на механизмы биотрансформации.

На первой фазе биотрансформации менее реакционноспособные соединения подвергаются ферментативному гидроксилированию. Такая модификация делает возможной последующую конъюгацию с полярным веществом. Вообще гидроксилирующие ферменты являются монооксигеназами, включающими в качестве кофермента железосодержащий гем. Восстановленная форма гема связывает оксид углерода (СО) и приобретает характерное поглощение света при 450 нм. Поэтому такая группа ферментов носит название цитохромы Р450.

Система цитР450 принимает участие во многих процессах обмена веществ, например в биосинтезе стероидных гормонов, желчных кислот и эйкозаноидов, а также в образовании ненасыщенных жирных кислот.

ЦитР450-зависимые монооксигеназы катализируют расщепление

веществ разного типа с участием НАДФН и молекулярного кислорода (О2). При этом один атом кислорода присоединяется к субстрату, а второй освобождается в составе молекулы воды. В реакции принимает участие

флавопротеин, выполняющий функцию переносчика восстановительного эквивалента с кофермента НАДФН+Н+ на собственно монооксигеназу, которая переносит электроны на молекулярный кислород.

Впечени, а также в железах, продуцирующих стероидные гормоны, и в других органах встречаются разные формы фермента цитР450. Субстратная специфичность фермента печени невелика. Наиболее эффективно он катализирует окисление неполярных соединений с алифатическими или ароматическими кольцами. К ним относятся эндогенные субстраты

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

64

организма, например стероидные гормоны, а также лекарственные вещества, инактивированные путем модификации. Превращение этилового спирта в печени также катализирует фермент цитР450. Так как спирт и лекарственные вещества являются субстратами одной и той же ферментативной системы, их совместное воздействие на организм может быть опасным для жизни. Поэтому фермент цитР450 представляет особый интерес для фармакологии. На рисунке 3.8 суммированы реакции, осуществляемые данным ферментом.

Рисунок 3.8. – Реакции биотрансформации, катализируемые системой цитохрома Р450

Из множества цитР450-зависимых реакций здесь приводится только несколько примеров. Гидроксилирование ароматического кольца (а) играет центральную роль в метаболических превращениях медицинских препаратов и стероидов. При этом ангулярные метильные группы могут окисляться до гидроксиметильных (б). Эпоксидирование (в) приводит к высокореакционноспособным и часто токсичным продуктам. Примером является биотрансформация бензпирена в эпоксид, обладающий мутагенным действием. ЦитР450-зависимая реакция дезалкилирования (г) приводит к отщеплению алкильных заместителей при гетероатомах (О, N или S) в виде альдегидов.

Ход каталитической реакции с участием цитР450 в принципе известен. Его принцип можно увидеть на рис. 3.9. Решающая роль группы гема состоит в том, что она переводит атомарный кислород в реакционно-способную форму, которая собственно и ответственна за все описанные выше реакции. В исходной стадии атом железа трехвалентен. Цитохром связывает субстрат рядом с группой гема (1). Это делает возможным восстановление трехвалентного железа до двухвалентной формы и последующее присоединение молекулы О2 (2). Далее следует перенос электронов (3) и окисление атома железа, который восстанавливает связанный кислород в

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

65

пероксид. От промежуточного продукта отщепляется ион гидроксила (4) с образованием молекулы воды и реакционноспособной формы кислорода. В этом радикале железо формально четырехвалентно. Активированный атом кислорода атакует связь С-Н субстрата с образованием гидроксигруппы (5). После освобождения продукта реакции (6) фермент возвращается в исходное состояние.

Рисунок 3.9. – Каталитический цикл цитохрома Р450

Этанол также является опасным ксенобиотиком и его метаболизм происходит в печени.

Следы этанола (EtOH, этиловый спирт) можно обнаружить во фруктах. В алкогольных напитках этанол присутствует в существенно более высоких концентрациях. Содержание этанола принято указывать в объемных процентах. Нормы потребления этанола и концентрацию в крови целесообразно давать в граммах (плотность этанола 0,79 кг/л). Например, в одной бутылке пива (0,5 л, 4% EtOH) содержится 20 мл = 16 г этанола, в одной бутылке вина (0,7 л, 12% EtOH) – 84 мл = 66 г этанола.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

66

После поступления в организм этанол быстро всасывается за счет диффузии; максимальная концентрация в крови достигается спустя 60-90 мин. Кроме того, скорость всасывания зависит от самых разных факторов. Так, пустой желудок, высокая температура напитка (например, грога), наличие сахара и углекислоты (например, в шампанском) стимулируют всасывание этанола. Напротив, всасывание этанола замедлено при обильной трапезе. В организме этанол очень быстро распределяется, поступая преимущественно в мышцы и мозг, существенно меньше в жировую и костную ткани, т. е. в ткани и органы, которые составляют примерно 70% общей массы тела. При быстром и полном всасывании этанола, содержащегося в одной бутылке пива (16 г), и массе тела 70 кг (этанол поступает в ткани организма, масса которых составляет 70 г х 0,7= 49 кг) в крови создается концентрации 16 г/49 кг = 0,33 промилле (7,2 мМ). Летальная концентрация составляет примерно 3,5 промилле (76 мМ).

Основным местом метаболической трансформации этанола является печень, в этом процессе может также принимать участие эпителий желудка. Этанол дегидрируется алкогольдегидрогеназой в этаналь (ацетальдегид), а затем альдегиддегидрогеназой переводится в ацетат. Уксусная кислота в реакции, катализируемой ацетат-КоА-лигазой (тиокиназой) в присутствии АТФ, превращается в ацетил-КоА (ацетил-СоА). Следует отметить, что весь процесс промежуточного метаболизма хорошо согласован. Наряду с цитоплазматической алкогольдегидрогеназой в метаболизме этанола принимают ограниченное участие каталаза и «индуцибельная» микросомальная алкогольоксидаза (рис. 3.10).

Рисунок 3.10. – Метаболизм этанола в печени

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

67

Скорость трансформации этанола в печени лимитируется главным образом активностью алкогольдегидрогеназы. Другим лимитирующим фактором является наличие НАД+. Максимальная скорость реакции наблюдается даже при небольших концентрациях этанола. Поэтому уровень этанола в организме понижается с постоянной скоростью (расщепление этанола – реакция нулевого порядка).

«Энергетическая ценность» этанола составляет 29,4 кДж/г (7 ккал/г). Поэтому алкогольные напитки обеспечивают организм значительной частью энергоресурсов (особенно при алкоголизме).

Хотя исследование механизма действия этанола на организм представляется крайне актуальным, этот вопрос все еще остается недостаточно изученным. Вместе с тем действие больших количеств этанола напоминает действие наркотика, что можно объяснить прямым воздействием этанола на мембраны нейронов.

Предельная норма этанола для здорового человека при ежедневном приеме составляет 60 г для мужчин и 50 г для женщин. Эта величина зависит от массы, состояния здоровья, а также от приема лекарственных препаратов. Повышенное потребление этанола в течение года вызывает заболевание печени. Из-за высокого уровня НАДН и ацетил-КоА, вызванных приемом этанола, в печени тормозится цитратный цикл и кетогенез, нарушается биосинтез нейтральных жиров и холестерина, наблюдается повышенное отложение жира (жировая дистрофия). Отложение жира (от 5 до 50% по сухой массе) чаще всего процесс обратимый. При гибели гепатоцитов из-за хронического алкоголизма наступает фиброз печени (избыточное развитие соединительной ткани). При циррозе печени заболевание переходит в необратимую форму, для которой характерно прогрессирующее отключение функций печени.

7. Механизм обезвреживания аммиака и мочевинообразование.

Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена. На долю мочевины приходится до 8085% всего азота мочи. Долгое время решалась проблема, связанная с локализацией сиитеза мочевины. Однозначно эта проблема была решена в лаборатории И. П. Павлова, в которой были получены убедительные доказательства роли печени в этом процессе. Оказалось, что при наложении фистулы Экка-Павлова, выключающей печень из кровотока, наблюдается резкое повышение количества свободных аминокислот в крови и падение количества мочевины в крови и моче. Эти данные, а также клинические наблюдения над больными с органическими поражениями печени (гепатиты, острые некрозы и др.), у которых также было отмечено увеличение концентрации аминокислот в крови и снижение содержания мочевины в крови и моче, позволили считать, что печень является главным, если не единственным, местом биосинтеза мочевины в организме.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

68

Если аминогруппы не нужны для синтеза новых аминокислот или других азотсодержащих продуктов, они превращаются в конечный экскретируемый продукт. Большинство водных организмов, таких как костные рыбы, аммониотелические, т. е. выводят азот аминогруппы в виде аммиака. Токсичный аммиак просто выводится в окружающую воду. Наземным животным для выведения азота необходимы пути, которые минимизируют токсичность и потерю воды. Наземные животные в основном уреотелические, т. е. выделяют азот аминогруппы в виде мочевины; птицы и рептилии урикотелические, они выделяют азот аминогруппы в виде мочевой кислоты.

У уреотелических организмов аммиак, попавший в митохондрии гепатоцитов, превращается в мочевину в цикле мочевины. Этот путь был открыт в 1932 г. Хансом Кребсом (именно он позже открыл и цикл трикарбоновых кислот) и его коллегой студентом-медиком Куртом Хенселейтом. Образование мочевины происходит главным образом только в печени, и большая часть аммиака в конце концов собирается здесь. Мочевина попадает в кровоток, затем в почки и выводится с мочой.

Цикл мочевины начинается в митохондриях печени, но три последующих шага происходят в цитозоле; цикл, таким образом, охватывает два клеточных компартмента (рисунок 3.11.).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

69

Рисунок 3.11. – Цикл мочевины

Первая аминогруппа, которая попадает в цикл мочевины, образуется в митохондриальном матриксе из аммония. Печень также может получать через воротную вену некоторое количество аммония из кишечника, от окисления аминокислот бактериями. Какой бы ни был у него источник, NH4+, образующийся в митохондриях печени, моментально образует с СO2 (в виде НСО3–), выделяющимся в процессе митохондриального дыхания, карбамоилфосфат в матриксе. Эта ATP-зависимая реакция катализируется регуляторным ферментом карбамоилфосфатсинтазой I . Митохондриальная

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

70

форма этого фермента отличается от цитозольной формы (II), которая выполняет особую функцию в биосинтезе пиримидинов.

Карбамоилфосфат, который функционирует в качестве активированного донора карбамоил-группы, теперь включается в цикл мочевины. Этот цикл состоит из четырех ферментативных стадий. Сначала карбамоилфосфат переносит карбамоил-группу на орнитин с образованием цитруллина и высвобождением Рi (рисунок 3.11., стадия (1)). Роль орнитина похожа на роль оксалоацетата в цикле трикарбоновых кислот и заключается

всвязывании поступающих молекул при каждом обороте цикла. Реакция катализируется орнитинтранскарбамоилазой, образовавшийся цитруллин выходит из митохондрий в цитозоль.

Вторая аминогруппа теперь отщепляется от аспартата (который был образован в митохондриях при трансаминировании и транспортирован в цитозоль); в реакции конденсации между аминогруппой аспартата и уреидогруппой цитруллина образуется аргининосукцинат (стадия (2) на рисунок 3.11.). В этой цитозольной реакции, катализируемой

аргининосукцинатсинтетазой, расходуется АТФ; она проходит с образованием интермедиата цитруллил-АМР. Аргининосукцинат затем расщепляется аргининосукциназой (стадия (3) на рисунке 3.11.) с образованием свободного аргинина и фумарата, последний направляется в митохондрии и пополняет пул интермедиатов цикла трикарбоновых кислот. Это единственный обратимый этап в цикле мочевины. В последней реакции цикла мочевины (стадия (4)) цитозольный фермент аргиназа расщепляет аргинин с образованием мочевины и орнитина. Орнитин транспортируется

вмитохондрии для инициации следующего оборота цикла.

Так как фумарат, образованный в аргининосукциназной реакции, является также интермедиатом в цикле лимонной кислоты, эти циклы связаны между собой в общий процесс, который можно назвать «бициклом Кребса». Однако каждый цикл может работать автономно и взаимодействие между ними зависит от транспорта ключевых интермедиатов между митохондриями и цитозолем.

Цикл мочевины определённым образом регулируется. У животных поток азота через цикл мочевины различается в зависимости от пищи. Когда потребляемая пища богата белками, углеродные скелеты аминокислот используются для получения энергии с образованием большого количества мочевины из остающихся аминогрупп. Образование мочевины также значительно повышается при длительном голодании, когда для поддержания метаболической энергии организма начинается расщепление мышечных белков.

При изменении потребности в ферментативной активности цикла мочевины скорости синтеза четырех ферментов цикла мочевины и карбамоилфосфатсинтетазы I в печени регулируются медленно. У голодающих животных и у животных с высокобелковой диетой все пять ферментов экспрессируются на более высоком уровне, чем у откормленных

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ