Детоксикация ксенобиотиков

4.1. Общие представления

Живые организмы защищаются от ксенобиотиков окру­жающей среды благодаря их биотрансформации в относи­тельно нетоксичные метаболиты с последующим выведени­ем. Подавляющая часть загрязнителей — не растворимые в воде гидрофобные соединения, которые, попадая в орга­низм человека, концентрируются в жировой ткани или мембранах. Дальнейший метаболизм ксенобиотиков затруд­нителен, так как значительная часть реакций в клетке про­текает в водной фазе. Трудность состоит и в транспортиров­ке их между органами и системами организма в силу того обстоятельства, что кровь также является водной средой. Тем не менее в процессе эволюции выработан и отработан механизм, который позволяет обезвреживать токсичные продукты внешней и внутренней среды. Всю последователь­ность реакций по детоксикации ксенобиотиков можно раз­делить на две фазы:

• химическую модификацию, связанную с приданием ток­сическим соединениям гидрофильных свойств, которые об­легчают их солюбилизацию, т.е. растворение. Это происхо­дит путем образования или введения в состав молекул групп ОН, >Ш₂ и др.;

• ковалентную конъюгацию, ведущую к образованию транспортных, форм ксенобиотиков и способствующую их выведению из организма.

Совсем недавно был постулирован другой механизм экскреции ксенобиотиков путем их непосредственного вы­ведения из клетки с помощью Р-гликопротеинов или с по­мощью резистентных белков с низкой специфичностью. Дальнейшая судьба экскретируемых ксенобиотиков состоит в связывании их с альбумином плазмы крови или лиганди-ном, которые уменьшают их токсичность. Все эти процессы требуют расхода энергии в виде НАДФН или АТФ.

4.2. Химическая модификация ксенобиотиков

Главная роль в этом процессе принадлежит микросо­мам. В мембранах эндоплазматического ретикулума локали­зована система монооксигеназного окисления, обладающая смешанными функциями и низкой специфичностью. Эта система была впервые обнаружена в 1950 г. в клетках пече­ни, где она наиболее интенсивно развита, а ее основной компонент — цитохром Р-450 (сокращенно цит. Р-450), на­званный так за характерный спектр поглощения восстанов­ленного комплекса с оксидом углерода в области 450 нм, был выделен и изучен в середине 70-х гг. XX в.

В микросомной системе окисления проходит метабо­лизм различных гидрофобных ядов, лекарств, канцероген­

ных веществ, стероидных гормонов, липидов. Полиспеци­фичность микросомного окисления объясняется свойства­ми основного компонента монооксигеназной системы цит. Р-450, функционирующего в виде различных изоформ. Изо-формы цит. Р-450 — гемопротеины. Они имеют общее стро­ение активного центра, содержащего гемовое железо (рис. 4.1).

Окисление гидрофобных субстратов в микросомах идет по трем основным путям:

• включение атома кислорода в связь между атомом во­дорода и каким-либо другим атомом молекулы-субстрата (гидроксилирование);

• добавление дополнительного атома кислорода в л-связь (эпоксидирование);

• присоединение атома кислорода к молекуле (окисление).

Таким образом, за счет этих реакций осуществляются гидроксилирование алифатических и ароматических соеди­нений, О- и М-деалкилирование, окисление первичных и вторичных аминов, образование сульфоксидов и 14-оксидов.

Наиболее типичная ферментативная активность микро-сомной системы — окисление липофильных субстратов, осу­ществляемое с помощью активации молекулярного кисло­рода (монооксигеназные реакции):

К-Н + НАДФН + 0₂ + 2Н⁺ -> К-ОН + НАДФ⁺ + Н₂0.

Необходимые кофакторы микросомного окисления — восстановленные нуклеотиды (НАДФН и НАДН), которые взаимодействуют с цит. Р-450 через флавопротеин-НАДФН-цитохром Р-450-редуктазу. В ряде реакций необходим мик-росомный гемопротеид цитохром Ь₅ и флавопротеин-цито-хром-Ь₅-редуктаза. Кроме этого, для некоторых монооксиге-назных реакций требуется электрон-транспортная цепь, сос­тоящая из флавопротеина и мембранного сульфопротеина (путидаредоксин, адренодоксин).

Некоторые разновидности цит. Р-450 локализуются в ми-тохондриальной мембране. В этом случае промежуточный переносчик электронов — белок ферродоксин, а донор — НАДФН.

К настоящему времени из тканей животных различных видов, простейших и растений выделено более 80 различ­ных изоформ этого фермента.

Показано, что цит. Р-450 кодируется семейством «супер­генов», которое составляет по крайней мере 50 генов, орга­низованных в несколько (не менее 9) мультигенных се­мейств. Эти семейства содержат от одного до нескольких генных сегментов, кодирующих родственные белки (или по крайней мере их мРНК). Номенклатура генов осуществляет­ся следующим образом:

• общее название гена — СУР;

• имя - арабские или римские цифры от 1 до 28;

• подимя — латинские буквы (А — 2);

• индивидуальный номер — арабские цифры.

Гены СУР1 несут информацию о ферментах, участвую­щих в обезвреживании ароматических углеводородов. Для этих ферментов отсутствуют эндогенные субстраты. Высо­кая активность СУР1А2 в организме появляется в ответ на курение и связана с увеличенным риском заболевания ра­ком толстого кишечника. СУРН участвуют в метаболизме некоторых лекарственных соединений, СУРШ — в метабо­лизме стероидов.

Вся группа ферментов в эволюционном плане является очень старой: ей около 3 млрд лет.

В настоящее время изоформы цит. Р-450 обнаружены кроме печени в таких тканях, как почки, легкие, селезенка, кожа, форменные элементы крови (кроме безъядерных эритроцитов).

Вызывает удивление полиспецифичность группы изо-форм цит. Р-450, которые способны метаболизировать не только существующие в природе гидрофобные ксенобиоти­ки (такие, как, например, бенз[а]пирен и его производные), но и практически все липофильные искусственно синтези­рованные соединения: лекарства, пестициды и гербициды, полихлорированные бифенилы и т.п. Эта полиспецифич­ность позволила высказать предположение, что изоформы цит. Р-450 могут синтезироваться после проникновения в организм новых низкомолекулярных соединений подобно тому, как синтезируются специфические антитела в ответ на попадание в организм антигенов. Наибольшей способ­ностью к индукции обладают химические соединения, со­держащие в молекуле плоские ароматические группировки, а также несколько бензольных колец: бенз[а]пирен, диокси­ны и фураны, ПХБ и др.

Согласно имеющимся данным домен ДНК, участвую­щий в индукционном ответе на попадание в организм аро­матических углеводородов, - АЬ-домен (англ. Аготаис ЬуагосагЪоп$) - состоит из 1200 пар азотистых оснований и представлен семейством генов: СУР1А1, СУР1А2 (гены ци-тохрома Р-450), Мто-1 (НАДФ-зависимая менадионоксидо-редуктаза), А1аЬ-1 (альдегиддегидрогеназа), (глюкуро-нилтрансфераза), 01-1 (глютатион-8-трансфераза) (рис. 4.2). В упрощенном виде последовательность реакций в ответ на попадание токсичного соединения можно представить сле-Ап-домен

I I I I I I

СУР1А1 СУР1А2 N010-1 АИгИ 11дМ 01-1

Рис. 4.2. Фрагмент СУР-локуса 6-й хромосомы человека

дующим образом (рис. 4.3). В цитоплазме ксенобиотик при­соединяется к белковому комплексу, обладающему по­лиспецифичностью и обозначаемому как АЬ-рецептор. Он состоит из собственно рецептора АНК, белков теплово­го шока Н8Р и белка А1Р. Группа сопутствующих протеи­нов предназначена для правильного ориентирования и ста­билизации рецептора. Связывание сопровождается отщеп­лением Н8Р- и А1Р-рецептора. Облегченный комплекс транспортируется в ядро, где формирует гетеродимер с белком — ядерным проводником АКЛТ (АНК Шс1еаг Тгапз1оса1ог). Сформированный димер присоединяется к СУР-гену ДНК и активирует транскрипцию мРНК, коди­рующую аминокислотную последовательность цит. Р-450, который и запускает процесс гидроксилирования ксено­биотика.

Регуляция активности монооксигеназной системы — очень сложный и комплексный процесс. Увеличение актив­ности изоформ цит. Р-450, участвующих в метаболизме гор­монов, происходит в ответ на изменение гормонального ста­туса организма и существенно зависит от пола, возраста, пе­риода репродуктивной активности животного.

Ингибиторы метаболизма ксенобиотиков в системе мо-нооксигеназ — это ряд соединений, имеющих в своей струк­туре молекулу имидазольного кольца (например, противо­грибковый препарат кетоксоназол, лекарство циметидин и другие вещества). Некоторые химические агенты (амфета­мины, антибиотик олеандомицин) в результате метаболи­ческой активации способны жестко связывать цит. Р-450, полностью ингибируя его активность. Помимо этого, инги­биторами являются угарный газ, соли тяжелых металлов (Со, Са, РЬ), хлороформ.

Индукторы монооксигеназной реакции — это фенобар­битал, кордиамин и полихлорированные бифенилы.

Цит. Р-450 - ключевой фермент в элиминации, детокси­кации и метаболической активации экзогенных субстратов. Данные процессы — важнейшие для поддержания химиче­ского гомеостаза внутренней среды животных и человека — играют основную роль в метаболизме лекарств и попадаю­щих в организм химических загрязнителей окружающей среды. Остановимся на них подробнее.

• Элиминация. Липофильные молекулы с трудом выво­дятся из биологических мембран, так как образуют гидро­фобные связи с молекулами мембранных структур. Окис­ление определенных групп молекулярным кислородом в результате монооксигеназных реакций приводит к уве­личению гидрофильное™ чужеродных соединений. Это способствует их выведению или ускоряет реакции после­дующей детоксикации, как правило, с участием фермен­тов, осуществляющих их конъюгацию с белками, что зна­чительно облегчает выведение этих соединений из орга­низма.

• Детоксикация. Часто химическая модификация в мо­нооксигеназной системе приводит к потере молекулой ее биологической активности, токсичности.

• Метаболическая активация. В этом случае продукт мо­нооксигеназной реакции становится более активным соеди­нением, чем молекула, из которой он образовался. Типич­ный пример такой реакции — образование в монооксигеназ­ной системе из бенз[а]пирена окисленных производных (диалкогольэпоксид), способных связываться с ДНК, вызы­вая мутагенез и канцерогенез (рис. 4.4).