Характеристика ферментов, катализирующих метаболизм ксенобиотиков

О термине

Метаболизм ксенобиотиков в организме иногда называют детоксикацией.

Однако, превращения некоторых ксенобиотиков сопровождаются образованием еще более токсичных веществ. Поэтому более правилен термин «биотрансформация».

Реакции биотрансформации ксенобиотиков напоминают процессы, происходящие с эндогенными соединениями, и катализируются соответствующими ферментами.

Общее представление о ферментах

• Все ферменты имеют белковую макромолекулярную природу.

• На поверхности молекул белков-ферментов располагаются активные и регуляторные центры.

• Благодоря особенностям структурной и пространственной организации молекул ферменты обладают высокой специфичностью к превращаемым веществам−субстратам.

• Реакция начинается после того, как образуется фермент-субстратный комплекс.

Для образования такого комплекса необходимо строгое геометрическое соответствие форм молекул субстрата и фермента (пространственных и зарядовых геометрий).

При взаимодействии веществ главный ограничитель скорости химического процесса − энергетический барьер. Действие фермента сводится к снижению энергетического барьера за счет образования фермент-субстратного комплекса

При образовании фермент-субстратного комплекса на активных центрах фермента

• может растянуться и ослабиться химическая связь между атомами субстрата;

• может возникнуть такая пространственная конфигурация субстрата, которая облегчит переход к новому веществу;

• может произойти сближения реагирующих молекул субстрата и принятие ими нужной ориентации.

В регуляторных центрах ферментов не происходят каталитические превращения.

Эти центры замедляют или ускоряют ход процесса.

В самом простом случае продукт при избытке присоединяется к активным центрам и предотвращает синтез новых продуктов.

Когда продукта мало, регуляторные центры высвобождаются и перестают тормозить работу активных центров

Особую группу ксенобиотиков представляют самораспадающиеся соединения (важно для лекарственных препаратов), т.е. спонтанно разрушающиеся в организме с образованием продуктов, не обладающих биологической активностью в данных концентрациях.

Распад таких соединений не зависит от наличия ферментов, что важно в тех случаях, когда наблюдаются нарушения функций отдельных органов (печени, почек).

Наиболее широко в живых организмах представлены ферменты и ферментативные системы, катализирующие процессы окисления, восстановления, гидролиза ксенобиотиков и синтеза метаболитов, содержащих эндогенные соединения.

В клетках высших организмов наиболее активной системой в метаболических превращениях чужеродных соединений являются микросомные фракции.

Микросомы − пузырьки−артефакты, образующиеся при разрушении клеток и представляющие собой продукты разрушения мембранной системы ЭПР.

Реакции окисления

В катализе окисления ксенобиотиков особое место принадлежит микросомным оксигеназам (монооксигеназам), катализирующим внедрение в молекулу ксенобиотиков активированного кислорода.

Основной компонент монооксигеназных систем − терминальная оксидаз — цитохром Р-450, относящийся к гемопротеидам.

Различают микросомальную, митохондриальную и бактериальную монооксигеназные системы цитохрома Р-450.

К наиболее важным реакциям окисления относятся:

1. Окисление спиртов и альдегидов. Осуществляется алкогольдегидрогеназой, альдегидоксидазами и др. ферментами.

2. Окисление аминов.

Например,

а) реакция диэтиламина с нитритом в кислой среде желудка, в результате которой образуется канцероген — диэтилнитрозамин:

б) реакция окисления симазина с образованием канцерогенного продукта:

Нитрит натрия ранее широко использовался в качестве консервирующей добавки к пищевым продуктам.

3. Окисление ароматических аминов.

Эти вещества подвергаются N-гидроксилированию с участием оксигеназ, что может приводить к появлению канцерогенных продуктов:

4. Окисление ароматических алкилзамещенных соединений.

Они обычно расщепляются между атомами C₁ и С₂ боковой цепи с образованием соответствующей ароматической кислоты.

Эти реакции происходят с участием микроорганизмов, а также в растениях.

У различных видов микроорганизмов удалось установить многочисленные реакции разрыва бензольного кольца. Такие процессы весьма избирательны.

Универсальность почвенной экосистемы в превращениях различных классов соединений определяется разнообразием популяций микроорганизмов в почве.

5. Гидроксилирование кольцевых систем.

Алициклические кольцевые структуры гидроксилируются легче, чем ароматические (одна из причин высокой токсичности бензола, поскольку он тяжело окисляется до фенола).

При гидроксилировании в орто-положении могут образовываться канцерогенные метаболиты.

В реакциях гидроксилирования могут участвовать ферменты микросом. Катализируют реакции оксигеназы.

· Алифатическое гидроксилирование:

RCH₃ → RCH₂OH.

· Ароматическое гидроксилирование:

6. Ароматизация алициклических соединений

Происходит в случае окисления циклогексанкарбоновых кислот с четным числом СН₂-групп в боковой цепи с участием митохондрий. Конечный продукт — бензойная кислота.

7. При реакциях окисления с участием фермента эпоксидазы образуется эпоксидное кольцо (реакция эпоксидации):

Например, в результате окисления (эпоксидации) пестицида альдрина получается токсический эпоксид дильдрин.

Эпоксиды высокотоксичны и обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. Эпоксидации подвергаются многие ароматические соединения.

8. Окисление или окислительное замещение органической серы

Гетероциклическая сера окисляется в сульфоксиды или дисульфоны.

Сера в алифатических комбинациях или ароматических боковых цепях иногда замещается кислородом.

Например, инсектицид паратион (тиофос) метаболизируется микросомальными ферментами (а также в почве) в параоксон, который также обладает инсектицидными свойствами и почти вдвое более токсичен для млекопитающих, чем паратион:

Превращение связи Р = S в связь Р = О приводит к повышению токсичности продуктов.

9. Окислительное дезалкилирование О- и N-атомов.

Наиболее часто дезалкилированию подвергаются ксенобиотики следующих классов:

ü динитроанилины (гербициды трифлурамин, динитрамин и др.),

ü фенилмочевины (гербициды хлороксурон, диурон, монурон, флуометурон, линурон и др.),

ü симметричные триазины,

ü фосфорорганические соединения,

ü алкиламины и др.

Эти реакции осуществляются оксигеназами микроорганизмов, а также клетками печени.

Необходимо подчеркнуть, что при окислительной биотрансформации ксенобиотиков нередко образуются более токсичные или канцерогенные соединения.

Так, гербицид симазин окисляется в опасный канцероген.

Таким образом Широкий круг реакций биологического окисления может быть сведен к одному общему механизму − к гидроксилированию.

Для всех этих реакций требуется восстановленный кофермент НАДФ^.Н или НАД^.Н и кислород.

Реакции восстановления.

1. Восстановление альдегидов и кетонов в спирты под действием алкогольдегидрогеназ. Однако, ацетон может прямо входить в цикл аэробного метаболизма через ацетоацетат и ацетил-КоА.

2. Восстановление нитро- и азогрупп.

Целый ряд ароматических нитросоединений, например нитробензол, паранитробензойная кислота и хлорамфеникол, восстанавливаются в амины нитроредуктазами, находящимися в микросомальной и растворимой фракциях печени и почек:

Возможно образование продуктов, содержащих гидроксиамино- или нитрозогруппы.

Образование нитрозосоединений представляет большую опасность для биосферы, так как при этом может образовываться вещество, обладающее сильным мутагенным и/или канцерогенным действием.

Например, при биотрансформации гербицида трифлуралина происходит образование нитрозосоединения, обладающего канцерогенным действием:

Нитроредуктазы малоспецифичны к субстратам и восстанавливают нитрогруппы практически всех ароматических нитросоединений.

Ароматические нитросоединения восстанавливаются также ферментами слизистой оболочки кишечника и его микрофлорой.

Азосоединения в организме животного подвергаются восстановлению в гидроазосоединения, а затем подвергаются восстановительному расщеплению, образуя две молекулы ароматических аминов.

3. Восстановление N-оксидов.

Процесс катализируется N-oксидоредуктазами, которые обнаружены в микросомальной и растворимой фракциях клеток, а также в митохондриях.

4. Восстановление дисульфидов (R - S - S - R1).

Они расщепляются с образованием тиолов.

5. Восстановление двойных связей.

Двойные связи некоторых алифатических или алициклических соединений могут становиться насыщенными (например, у циклогексана).

Простейшие алкены и алкины часто экскретируются без изменений их структуры.

6. Дегидроксилирование.

7. Восстановление ароматических циклов анаэробными микроорганизмами.

Гидролиз

Сложные чужеродные вещества могут гидролизоваться рядом гидролитических ферментов (гидролаз), находящихся в печени и плазме крови.

В зависимости от субстратной специфичности ферменты, катализирующие данные процессы, относятся к различным группам.

1. Гидролиз эфиров карбоновых кислот катализируются эстеразами и существляется в организме как животных, так и человека. Гидролиз эфирной связи — начальный этап микробиологической деградации многих пестицидов:

2. Гидролиз амидов, гидразидов и нитрилов

происходит в дополнение к другим реакциям биотрансформации.

Гидролиз амидной связи описан при изучении микробиологической деградации фениламидных пестицидов и происходит с участием амидаз:

3. Гидролиз фосфорорганических веществ.

Участвуют ферменты, атакующие эфирные связи или действующие на ангидриды кислот.

Реакция гидролиза эфира фосфорной кислоты проходит по следующей схеме:

Среди гидролитических ферментов особое место занимают Р-глюкуронидаза и сульфатаза.

Р-глюкуронидаза катализирует расщепление эфирных и сложноэфирных связей глюкуронидов и эфирных связей серной кислоты.

Фермент обнаружен в микросомах и лизосомах печени, почках, селезенке, пищеварительном тракте и половых железах животных.

Сульфатаза, гидролизирующая эфирсульфат, находится в микросомах печени человека и животных.

Реакции конъюгации

К конъюгационным относятся процессы биосинтеза, в результате которых из ксенобиотиков или их метаболитов и эндогенных продуктов (глюкуроновой кислоты, ацетилсульфата, глицина и др.) образуются сложные вещества.

фермент

RX + эндогенное соединение −−−−−−−> коньюгат

Образование конъюгатов − это энергозависимые процессы, подразделяющиеся на две группы в зависимости от природы активных промежуточных продуктов реакций:

1) процессы, в результате которых образуются активированные конъюгирующие агенты (реакции метилирования, ацетилирования, образования глюкуронидов, гликозидов и сульфатов);

2) процессы, для которых характерно образование активированного субстрата, например, аминокислотная конъюгация.

Реакции конъюгации катализируются ферментами трансферазами, переносящими заместитель в другое соединение.

В определенных ситуациях реакции конъюгации считаются высокоэффективными путями снижения токсичности некоторых ксенобиотиков.

Наиболее изучены следующие реакции конъюгации:

1. конъюгация ацетата при участии ацетил-КоА с некоторыми ароматическими аминами и сульфонамидами;

2. конъюгация глицина с бензойной кислотой, описанная Келлером в 1842 г., — одна из первых изученных реакций биотрансформации:

3. конъюгация трипептида глутатиона.

Глутатион — эффективный конъюгирующий агент для конденсирования кольцевых систем — нафталина, антрацена, фенантрена.

Многие ксенобиотики выделяются в мочу в виде меркаптуровых кислот. Такие конъюгаты образуются в результате взаимодействия ксенобиотиков с глутатионом.

4. Метионин и этионин участвуют в реакциях алкилирования.

Таким образом метилируется пиридин, пирогаллол; сульфиты, селениты, теллуриты подвергаются биологическому метилированию и превращаются в летучие диметильные производные.

5. Орнитин используется при детоксикации бензойной кислоты в организме рептилий и птиц, а аргинин — в организме членистоногих.

6. Глутамин у приматов используется для конъюгации фенилуксусной кислоты и некоторых ее гетероциклических аналогов.

7. Рибоза и глюкоза конъюгаты глюкозы особенно широко представлены в растениях, у моллюсков и насекомых.

Способность растений гликолизировать ксенобиотики была открыта в 1938 г. Д. Миллером.

Гликозирование является основным путем детоксикации растениями чужеродных фенолов.

Среди млекопитающих глюкозидная конъюгация встречается в организмах кролика, мышей, крыс и человека.

8. Конъюгация ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой (образование глюкуронидов) — наиболее важный механизм детоксикации ксенобиотиков.

В реакции участвует активная форма глюкуроновой кислоты — уридиндифосфоглюкуроновая кислота (УДФГ).

Катализирует процесс уридиндифосфатглюкуронозилтрансфераза (УДФГТ), локализованная в мембранах ЭР гепатоцитов, легких, кожи, кишечника, почек.

Глюкуроновая кислота (6-карбоксильное производное глюкозы) используется для конъюгации с ксенобиотиками у большинства позвоночных и всех млекопитающих.

Она имеет преимущество перед глюкозой как детоксицирующий агент, поскольку содержит ионизируемую группу.

Конъюгации подвергаются спирты, фенолы, карбокислоты, амины, гидроксиламины, карбамиды, сульфонамиды и тиолы.

9. Лигнин.

В растениях удалось обнаружить новый тип конъюгатов — нерастворимое конъюгаты с лигнином. С ним могут ковалентно связываться молекулы пестицидов 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусная кислота), пентахлорфенола, 3,4-дихлоранилина.

10. Сульфатная конъюгация (сульфатирование) — один из древних видов биотрансформации.

В нее вступаю фенолы, спирты, ароматические амины, гидроксиламины, некоторые стероиды.

Происходит с участием сульфатаденилтрансферазы, аденилсульфаткиназы, и др. ферментов.

В некоторых случаях сульфатная конъюгация приводит к появлению канцерогенного вещества, взаимодействующего с нуклеиновыми кислотами.

Описаны фосфатная конъюгация, реакция ксенобиотиков с глицинтаурином и формилом и др. конъюгации.

Необходимо подчеркнуть, что конъюгирование является обезвреживанием вещества лишь для данного организма.

Дегалогенирование

К хлорсодержащим ксенобиотикам относятся многие персистентные поллютанты, в том числе пестициды, а также ряд природных метаболитов низших растений.

Выделяют следующие реакции дегалогенирования:

1. Гидролитическое дегалогенирование хлорированных алифатических кислот, при деградации ароматических пестицидов.

Например, гербицид 2,4-Д деградируется почвенными бактериями.

2. Восстановительное дегалогенирование − это реакция замещения атома галоида на водород. Например, многие бактерии, грибы, водоросли таким образом трансформируют ДДТ в ДДД. Могут образоваться интермедиаты, токсичные для клеток.

3. Окислительное дегалогенирование. Реакции этого типа подразделяются на:

ü дегидрогалогенирование (при метаболизме ДДТ);

ü окислительное дегалогенирование с образованием двойной связи;

ü дегалогенирование — гидроксилирование с участием молекулярного кислорода.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: