23. Метаболізм ксенобіотиків. Детоксикаційна функція печінки. Біотрансформація ксенобіотиків. Мікросомальне окислення. Цитохром р-450.

Метаболизм ксенобиотиков в организме идет в основном по пути окисления. Большое распространение имеет также связывание токсических веществ с белками, аминокислотами, глюкуроно-вой, серной кислотами. В большинстве случаев ядовитое соединение подвергается последовательным превращениям, завершающимся реакцией коньюгации. Метаболизм ксенобиотиков чаще приводит к снижению их активности—дезактивации, которую в случае токсичных веществ называют детоксыкацыей. Однако в ряде случаев метаболиты ксенобиотиков, наоборот, становятся более активными и более токсичными. В метаболизме ксенобиотиков участвуют около 30 ферментов. В нем различают две фазы: • модификации, создающей или освобождающей функциональные группы; • конъюгации — присоединения к последним других групп или молекул, окисления ксенобиотиков (превращение фенолов в хи-ноны у растений). Обе фазы приводят к увеличению гидрофильное, снижению активности и токсичности молекулы ксенобиотика. Третьей фазой можно считать связывание и выведение самих ксенобиотиков и их метаболитов из клетки, а затем из организма.

Многие ксенобиотики, попав в организм, подвергаются биотрансформации и выделяются в виде метаболитов. В основе биотрансформации по большей части лежат энзиматические преобразования молекул. Биологический смысл явления - превращение химического вещества в форму, удобную для выведения из организма, и тем самым, сокращение времени его действия.

Метаболизм ксенобиотиков проходит в две фазы:

В ходе первой фазы окислительно-восстановительного или гидролитического превращения молекула вещества обогащается полярными функциональными группами, что делает ее реакционно-способной и более растворимой в воде. Во второй фазе проходят синтетические процессы конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными молекулами, в результате чего образуются полярные соединения, которые выводятся из организма с помощью специальных механизмов экскреции. Разнообразие каталитических свойств энзимов биотрансформации и их низкая субстратная специфичность позволяет организму метаболизировать вещества самого разного строения. Вместе с тем, у животных разных видов и человека метаболизм ксенобиотиков проходит далеко не одинаково, поскольку энзимы, участвующие в превращениях чужеродных веществ, часто видоспецифичны.

Следствием химической модификации молекулы ксенобиотика могут стать:

1. Ослабление токсичности;

2. Усиление токсичности;

3. Изменение характера токсического действия;

4. Инициация токсического процесса.

Метаболизм многих ксенобиотиков сопровождается образованием продуктов существенно уступающих по токсичности исходным веществам. Так, роданиды, образующиеся в процессе биопревращения цианидов, в несколько сот раз менее токсичны, чем исходные ксенобиотики. Гидролитическое отщепление от молекул зарина, зомана, диизопропилфторфосфата иона фтора, приводит к утрате этими веществами способности угнетать активность ацетилхолинэстеразы и существенному понижению их токсичности. Процесс утраты токсикантом токсичности в результате биотрансформации обозначается как "метаболическая детоксикация". В процессе метаболизма других веществ образуются более токсичные соединения. Примером такого рода превращений является, в частности, образование в организме фторуксусной кислоты при интоксикации фторэтанолом. В ряде случаев в ходе биотрансформации ксенобиотиков образуются вещества, способные совершенно иначе действовать на организм, чем исходные агенты. Так, некоторые спирты (этиленгликоль), действуя целой молекулой, вызывают седативно-гипнотический эффект (опьянение, наркоз). В ходе их биопревращения образуются соответствующие альдегиды и органические кислоты (щавелевая кислота), способные повреждать паренхиматозные органы и, в частности, почки. Многие низкомолекулярные вещества, являющиеся факультативными аллергенами, подвергаются в организме метаболическим превращениям с образованием реакционноспособных промежуточных продуктов. Так, соединения, содержащие в молекуле амино- или нитрогруппу в ходе метаболизма превращаются в гидроксиламины, активно взаимодействующие с протеинами крови и тканей, формируя полные антигены. При повторном поступлении таких веществ в организм помимо специфического действия развиваются аллергические реакции. Порой сам процесс метаболизма ксенобиотика является пусковым звеном в развитии интоксикации. Например, в ходе биологического окисления ароматических углеводородов инициируются свободно-радикальные процессы в клетках, образуются ареноксиды, формирующие ковалентные связи с нуклеофильными структурами клеток (белками, сульфгидрильными группами, нуклеиновыми кислотами и т.д), активирующие перекисное окисление липидов биологических мембран. В итоге инициируется мутагенное, канцерогенное, цитотоксическое действие токсикантов. Процесс образования токсичных продуктов метаболизма называется "токсификация", а продукты биотрансформации, обладающие высокой токсичностью - токсичными метаболитами. Во многих случаях токсичный метаболит является не стабильным продуктом, подвергающимся дальнейшим превращениям. В этом случае он также называется промежуточным или реактивным метаболитом. Реактивные метаболиты это как раз те вещества, которые часто и вызывают повреждение биосистем на молекулярном уровне. Общим свойством практически всех реактивных метаболитов является их электродефицитное состояние, т.е. высокая электрофильность. Эти вещества вступают во взаимодействие с богатыми электронами (нуклеофильными) молекулами, повреждая их. К числу последних относятся макромолекулы клеток, в структуру которых входят в большом количестве атомы кислорода, азота, серы. Это, прежде всего, белки и нуклеиновые кислоты. Реактивные метаболиты либо присоединяются к нуклеофильным молекулам, образуя с ними ковалентные связи, либо вызывают их окисление. В обоих случаях структура макромолекул нарушается, следовательно, нарушаются и их функции. Концепция l и ll фазы метаболизма ксенобиотиков

l фаза метаболизма в широком смысле может быть определена, как этап биотрансформации, в ходе которого к молекуле соединения либо присоединяются полярные функциональные группы, либо осуществляется экспрессия таких групп, находящихся в субстрате в скрытой форме. Это достигается либо путем окисления или (значительно реже) восстановления молекул с помощью оксидо-редуктаз, либо путем их гидролиза эстеразами и амидазами.

Фаза ll - этап биологической конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными молекулами, такими как глутатион, глюкуроновая кислота, сульфат и т.д. Специфические системы транспорта конъюгированных дериватов обеспечивают их выведение из организма.

Детоксикационная функция печени и состоит в том, что ядовитые для человеческого организма вещества в результате процессов биосинтеза, происходящих в печени, переводятся в безвредные органические соединения(чаще всего в белковые). Печень, как основная «лаборатория» организма, постоянно сталкивается с множеством потенциально токсических веществ, которые поступают в организм самыми разными путями, преимущественно через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), а детоксикационная функция является одним из важнейших назначений этого органа. Алкоголь, лекарства, промышленные и бытовые токсины — все это факторы, которые могут повреждать печень, несмотря на ее высокую регенераторную способность и значительные адаптивные возможности. Что же касается выделительной функции печени - самой большой железы организма человека, то она реализуется за счет секреции желчи. Образование желчи происходит в печени непрерывно в течение двадцати четырех часов в сутки. Желчь, образовавшаяся в клетках печени, сначала по желчным капиллярам, а затем по желчным ходам поступает в печеночные протоки. В зависимости от того, происходит пищеварение или нет, желчь из печеночных протоков направляется либо в желчный пузырь, либо через общий желчный проток изливается в двенадцатиперстную кишку, минуя желчный пузырь. Вместе с желчью из организма выделяются обезвреженные печенью вредные и ядовитые вещества, мочевина, неусвоенные лекарственные препараты, конечные продукты холесте-ринового обмена в виде желчных кислот и конечные продукты обмена гемоглобина в виде желчных пигментов - билирубина и биливердина. Пигменты печени образуются из гемоглобина, который освобождается после разрушения в печени эритроцитов, отживших свой короткий век. Несмотря на обратное всасывание в кишечнике, большая часть выделенных печенью веществ покидает наш организм с фекальными массами. Учитывая то обстоятельство, что каждую минуту через печень прокачивается в среднем 1,5 л крови, даже при самом поверхностном рассмотрении деятельности печени становится очевидным, что наш организм может функционировать нормально только в том случае, если из печени вместе с током желчи будут своевременно и регулярно выводиться шлаки. А для этого, как минимум, требуется чистота и проходимость желчевыво-дящих путей.

Микросомальное окисление - совокупность реакций первой фазы биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений, катализирующихся ферментными системами мембран эндоплазматического ретикулума гепатоцитов при участии цитохрома Р-450. При дифференциальном центрифугировании эндоплазматический ретикулум оказывается в микросомальной фракции, поэтому эти реакции получили название микросомальных, а соответствующие ферменты - микросомальных оксигеназ. Суть реакций заключается в гидроксилировании вещества типа R-H с использованием одного атома молекулы кислорода О₂, второй атом соединяется с протонами водорода H⁺ с образованием воды. Донором протонов водорода является восстановленный NADPH + H⁺. Таким образом, меняется структура исходного вещества, а значит и его свойства, причём они могут как угнетаться, так и наоборот, усиливаться. Гидроксилирование позволяет перейти процессу обезвреживания ко второй фазе — реакциям конъюгации, в ходе которых к созданной функциональной группе будут присоединяться другие молекулы эндогенного происхождения.

Уравнение реакции: RH + O₂ + NADPH + H⁺ → ROH + H₂O + NADP⁺

На его долю приходится 5-10 % кислорода, поступающего в организм. АТФ во внемитохондриальном окислении никогда не образуется. Существуют 2 типа внемитохондриального окисления.

Окисление оксидазного типа. Ферменты - оксидазы. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной валентностью - железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся оксидазы в пероксисомах - особых образованиях эндоплазматического ретикулюма, а также в наружной мембране митохондрий. Отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н₂О₂ - перекиси водорода.

Окисление оксигеназного типа. Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий. Ферменты - оксигеназы. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества. Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются монооксигеназами (гидроксилазами). Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются диаксигеназами. Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану.

Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов.

1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН2.

2. Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.

3. Цитохром Р450. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления.

Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р450, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.

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 (цитР450). 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.