Глава 1. Метаболизм чужеродных соединений
Биотрансформации ксенобиотиков представляет собой принципиальный механизм
поддержания гомеостаза во время воздействия на организм чужеродных соединений. В
системе биотрансформации принято выделять две фазы метаболизма . К 1-й фазе относятся
реакции гидролиза, восстановления и окисления субстрата. Обычно они приводят к
внедрению или образованию функциональной группы типа –OH, -NH2, -SH, -COOH, что
несколько увеличивает гидрофильность исходного соединения.
1.1 Ферменты 1-й фазы метаболизма ксенобиотиков
1.1.1. Цитохромы р450. Структура и функция
Среди ферментов 1-й фазы ведущее место занимает система цитохрома Р450 (P450 или
CYP) с точки зрения каталитической активности в отношении огромного числа
ксенобиотиков. Наибольшая концентрация цитохрома Р450 обнаруживается в
эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов (микросомах). Печеночные микросомальные
цитохромы Р450 играют важнейшую роль в определении интенсивности и времени
действия чужеродных соединений и ключевую - в детоксикации ксенобиотиков, а также в
активации их до токсичных и/или канцерогенных метаболитов.
Цитохрома Р450-зависимые монооксигеназы – мультиферментная электрон-транспортная
система. Все цитохромы Р450 - гемсодержащие белки. Обычно гемовое железо находится в
окисленном состоянии (Fe3+). Восстанавливаясь до состояния Fe2+, цитохром Р450 способен
связывать лиганды, такие как кислород или монооксид углерода. Комплекс восстановленного
цитохрома Р450 с СО имеет максимум поглощения 450 nм, что и явилось основанием для
названия этих ферментов.
Основная реакция, которую катализируют цитохромы Р450 – монооксигеназная, в которой
один атом кислорода взаимодействует с субстратом (RH), а другой восстанавливается до
Н2О. В качестве восстановителя в реакции участвует НАДФН:
RH (субстрат)+О2 + НАДФH + H+ --> ROH (продукт) + Н2О + НАДФ+
Механизм, благодаря которому цитохром получает электрон от НАДФH, зависит от
внутриклеточной локализации цитохрома Р450. В ЭПР, где расположено большинство
гемопротеидов, участвующих в биотрансформации ксенобиотиков, электрон передается через
флавопротеин, называемый НАДФH-Р450 редуктаза. Одна молекула редуктазы может доставлять
электроны на несколько различных молекул Р450. В митохондриях, где расположены итохромы
Р450, участвующие в биосинтезе стероидных гормонов и метаболизме витамина D, электрон
переносится с помощью 2-х белков: ферродоксина или ферродоксин-редуктазы.
На рис. 1 показан каталитический цикл цитохрома Р450. 1-я часть цикла заключается
в активации кислорода, 2-я – в окислении субстрата. Схема действия микросомальной
монооксигеназной системы впервые была описана Эстабруком с соавт., в настоящее время
она подтверждена многими исследователями. Эта схема такова: первая стадия состоит во
взаимодействии субстрата с окисленной формой Р450. При связывании Р450 с субстратами
происходит переход гемового железа из низкоспинового в высокоспиновое состояние. Вторая
стадия состоит в восстановлении образовавшегося фермент-субстратного комплекса первым
электроном, который поступает с НАДФН-специфичной цепи переноса от НАДФН через
флавопротеид I (НАДФН-цитохром Р450 редуктазу). Третья стадия состоит в образовании
тройного комплекса: восстановленный цитохрома Р450-субстрат-кислород. Четвертая стадия
представляет собой восстановление тройного комплекса вторым электроном, который, как
полагают, поступает из НАДН-специфичной цепи переноса электронов, состоящей из НАДН-
цитохром b5 редуктазы или флавопротеида II и цитохрома b5 . Пятая стадия состоит из
нескольких процессов, включающих внутримолекулярные превращения восстановленного
тройного комплекса и его распад с образованием гидроксилированного продукта и воды. На
этой стадии цитохром Р450 переходит в исходную окисленную форму.
Цитохромы Р450 катализируют следующие типы реакций: гидроксилирование
алифатического или ароматического атома углерода; эпоксидирование двойной связи;
окисление атома (S, N, I) или N-гидроксилирование; перенос окисленной группы;
разрушение эфирной связи; дегидрогенирование. Некоторые реакции, катализируемые
цитохромом Р450, представлены на рис. 2 и 3. Несколько классов реагентов хорошо
иллюстрируют реакции фазы 1. Например, алканы гидроксилируются цитохромом Р450. Обычно
гидроксилируется последний углерод в цепи, так называемое омега- гидроксилирование. Так
же бывает внутреннее гидроксилирование в нескольких позициях (позиции -1,- 2).
Это приводит к множеству различных вариантов продуктов даже с таким простым алканом,
как гексан. Заметим, что циклические углеводороды тоже подвергаются гидроксилированию.
В реакции гидроксилирования сначала образуется полуацеталь, который потом превращается
в спирт и альдегид. При окислении алкенов цитохромом Р450 образуются двуатомные окиси.
Они отличаются по своей стабильности и могут являться высоко реакционноспособными.
Например, винилхлорид метаболически переходит в окись, которая затем превращается в
хлорацетальдегид – мутаген, действующий непосредственно на ДНК. Эти исследования
привели к запрету на использование винилхлорида в распылителях. Винильная группа
стерина (винилбензол) известна своими канцерогенными свойствами, но организм человека
способен нейтрализовать его, переводя окись с помощью фермента эпоксигидролазы в диол.
Но эпоксигидролаза помогает не всегда. Например, цитохром Р450 синтезирует эпоксид
Афлотоксина В1 in vivо. Это соединение – высоко реакционноспособный электрофил, не
стабилен и быстро формирует аддукт с ДНК. К тому же диол, образующийся из эпоксида, так
же нестабилен и высоко реакционноспособен. Окисление ароматических соединений
цитохромом Р450 так же дает эпоксиды, но они быстро переходят в фенол. В результате
гидроксилирования бензола, полученный фенол может опять гидроксилироваться, переходя в
катехол или гидрохинон. Заметим, что катехол и гидрохинон могут реагировать с
кислородом, подавляя аналогичные реакции с хинонами и супероксидами, которые являются
токсинами. Такое известное соединение как 2,3,7,8-тетрахлордибензолдиоксин (ТХДД) не
подвержен гидроксилированию и устойчив (период полураспада в организме человека – год и
более).