Понятие ксенобиотиков и цели биотрансформации
Ксенобиотики — чужеродные вещества, поступающие в организм с пищей, через кожу или лёгкие и не используемые в энергетических или пластических целях. Как правило, они гидрофобны и токсичны, поэтому подлежат обязательному удалению. Поскольку гидрофобные соединения плохо выводятся почками и желчью, организм переводит их в водорастворимую форму через систему биотрансформации, локализованную преимущественно в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов (микросомальное, или монооксигеназное окисление). Процесс включает две последовательные фазы.
Фаза I: микросомальное окисление и цитохром P450
Первая фаза обязательна для большинства гидрофобных ксенобиотиков и чаще всего представляет собой гидроксилирование. Ключевые ферменты — цитохром P450 и NADPH-цитохром P450 редуктаза.
Механизм реакции:
- Редуктаза окисляет NADPH до NADP⁺ и передаёт два электрона на молекулу кислорода.
- Один атом кислорода восстанавливается до воды (присоединяет два электрона и два протона).
- Второй атом кислорода встраивается в субстрат с образованием гидроксильной группы (R–OH).
Суммарное уравнение: R–H + O₂ + NADPH + H⁺ → R–OH + H₂O + NADP⁺. Гидроксилированный продукт становится более гидрофильным и пригодным для второй фазы.
Цитохромы P450 обладают широкой субстратной специфичностью: одна изоформа (например, CYP2E1) может метаболизировать как лекарственные препараты, так и яды, и этанол. Важная особенность — индуцибельность: при систематическом поступлении токсических веществ количество цитохромов растёт, и скорость окисления увеличивается.
Фаза II: реакции конъюгации
Во второй фазе происходит конъюгация гидроксильной группы продукта первой фазы с полярными молекулами, что резко повышает гидрофильность. Реакции катализируют ферменты класса трансфераз. Используемые конъюгаты:
- глюкуроновая кислота (УДФ-глюкуронат);
- сульфат;
- глицин;
- ацетат;
- метильные группы;
- глутатион.
УДФ-глюкуронилтрансфераза присоединяет остаток глюкуроновой кислоты к R–OH. Сульфотрансферазы переносят сульфатную группу с активного донора ФАФС (3′-фосфоаденозин-5′-фосфосульфат) на гидроксилированный субстрат. Полученные конъюгаты выводятся с мочой и желчью.
Глутатионтрансферазы и роль глутатиона
Глутатион-S-трансферазы (GST) — обширное семейство ферментов с разной субстратной специфичностью, использующих в качестве кофактора трипептид глутатион (γ-Glu–Cys–Gly). Они работают во всех тканях животных и человека, в том числе активны в эритроцитах.
GST участвуют в обезвреживании:
- метаболитов стероидных гормонов и простагландинов;
- билирубина и желчных кислот;
- продуктов перекисного окисления липидов;
- лекарств и ксенобиотиков.
Три основных типа реакций: конъюгация субстратов с глутатионом, нуклеофильное замещение и восстановление органических гидропероксидов до спиртов. GST индуцируются алкоголем, лекарствами и ядами параллельно с ферментами микросомального окисления.
Метаболизм этанола
В норме этанол окисляется в цитозоле гепатоцитов NAD⁺-зависимыми дегидрогеназами:
- Алкогольдегидрогеназа (АДГ): этанол → ацетальдегид.
- Ацетальдегиддегидрогеназа (АлДГ): ацетальдегид → уксусная кислота (ацетат).
При систематическом употреблении алкоголя активируется микросомальная этанолокисляющая система (МЭОС), главную роль в которой играет изоформа цитохрома CYP2E1. CYP2E1 окисляет этанол до ацетальдегида, расходуя NADPH и кислород.
Поскольку CYP2E1 метаболизирует также снотворные и другие лекарственные препараты, его индукция у систематически пьющих лиц приводит к ускоренному разрушению лекарств и необходимости повышать дозы для достижения терапевтического эффекта. Аналогичная индукция МЭОС развивается и при длительном приёме лекарственных средств.
Химический канцерогенез
Канцерогенез — повреждение структуры ДНК и РНК с последующей опухолевой трансформацией клетки. Основные группы химических канцерогенов:
- Нитраты и нитриты — содержатся в воде, колбасных изделиях, консервантах. При метаболизме нитратов образуются промежуточные продукты вплоть до гидроксиламина, способные окислять гемоглобин (с образованием метгемоглобина), цитохромы дыхательной цепи и ферменты МСО.
- Вторичные амины в реакции с нитритами образуют N-нитрозамины, вызывающие алкилирование азотистых оснований ДНК. Дезаминирование цитозина приводит к его превращению в урацил, что при репликации даёт ошибочную комплементарную пару и точечные мутации.
- Нитраты дополнительно снижают активность антиоксидантной системы, способствуя накоплению активных форм кислорода и усилению перекисного окисления липидов.
- Афлатоксин B1 плесневых грибов рода Aspergillus в ходе биотрансформации цитохромом P450 превращается в эпоксид — реакционноспособный электрофил, ковалентно связывающийся с ДНК и вызывающий гепатоцеллюлярный рак.
Ключевые моменты
- Биотрансформация ксенобиотиков идёт в две фазы и переводит гидрофобные токсиканты в водорастворимые конъюгаты.
- Фаза I — гидроксилирование с участием цитохрома P450, NADPH-редуктазы, O₂ и NADPH.
- Цитохромы P450 имеют широкую субстратную специфичность и индуцируются алкоголем, лекарствами и ядами.
- Фаза II — конъюгация с глюкуронатом, сульфатом, глицином, ацетатом, метильной группой или глутатионом под действием трансфераз.
- Глутатион-S-трансферазы обезвреживают электрофилы и восстанавливают гидропероксиды липидов.
- Этанол окисляется АДГ и АлДГ до ацетата; при хроническом употреблении подключается МЭОС с CYP2E1.
- Индукция CYP2E1 ускоряет метаболизм снотворных и других лекарств, требуя повышения доз.
- Канцерогенный эффект нитрозаминов связан с алкилированием ДНК; афлатоксин B1 активируется P450 в эпоксид и вызывает рак печени.