Понятие ксенобиотика и общая стратегия обезвреживания
Ксенобиотик (буквально — «чужеродное вещество») — это любое соединение, поступающее в организм с пищей, через кожу или лёгкие и не используемое в энергетических или пластических целях. Большинство ксенобиотиков гидрофобны и потенциально токсичны, поэтому организм должен переводить их в водорастворимую форму для последующего выведения с мочой или жёлчью.
Биотрансформация осуществляется ферментами микросомального окисления, локализованными в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов, и протекает в две последовательные фазы: фаза модификации (введение полярной группы) и фаза конъюгации (присоединение гидрофильного партнёра).
Первая фаза: микросомальное окисление
Первая фаза обязательна для гидрофобных субстратов и чаще всего представляет собой гидроксилирование. Ключевую роль играет монооксигеназная система, включающая цитохром P450 и цитохром P450-редуктазу.
Механизм реакции: цитохром P450-редуктаза окисляет НАДФН до НАДФ⁺, передавая два электрона на молекулу кислорода. Один атом кислорода восстанавливается до воды, второй встраивается в субстрат с образованием гидроксильной группы. Суммарное уравнение:
- RH + O₂ + НАДФН + H⁺ → R–OH + H₂O + НАДФ⁺
Цитохромы P450 обладают относительно широкой субстратной специфичностью: одна изоформа способна окислять и лекарственное средство, и яд. При систематическом поступлении токсических веществ происходит индукция цитохромов, что ускоряет окисление и лежит в основе развития толерантности.
Вторая фаза: реакции конъюгации
Во второй фазе гидроксилированные метаболиты соединяются с полярными партнёрами с участием трансфераз. Конъюгантами могут служить:
- глюкуроновая кислота (УДФ-глюкуронилтрансфераза)
- сульфат — в активной форме ФАФС (фосфоаденозинфосфосульфат), переносится сульфотрансферазами
- глицин, ацетат, метильные группы
- глутатион (γ-Глу-Цис-Гли) — переносится глутатион-S-трансферазами
Продукты конъюгации становятся резко гидрофильными и легко выводятся. Глутатион-S-трансферазы представлены множеством изоформ, участвуют в обезвреживании метаболитов стероидных гормонов, простагландинов, билирубина, жёлчных кислот и продуктов перекисного окисления липидов. В эритроцитах глутатион дополнительно используется для восстановления органических пероксидов до спиртов. Ферменты второй фазы также индуцибельны при хроническом поступлении алкоголя, лекарств и ядов.
Обезвреживание этанола
В норме этанол окисляется в цитозоле гепатоцитов по НАД⁺-зависимому пути:
- Алкогольдегидрогеназа: этанол + НАД⁺ → ацетальдегид + НАДН
- Ацетальдегиддегидрогеназа: ацетальдегид + НАД⁺ → уксусная кислота + НАДН
Уксусная кислота далее активируется до ацетил-КоА и вовлекается в цикл Кребса либо в липогенез.
При систематическом употреблении этанола активируется микросомальная этанолокисляющая система (МЭОС), ключевую роль в которой играет изоформа цитохром P450 2E1 (CYP2E1). Этот фермент окисляет этанол сразу до ацетальдегида с потреблением НАДФН и кислорода. CYP2E1 одновременно метаболизирует ряд лекарственных средств, в том числе снотворные. Индукция МЭОС объясняет, почему у лиц, систематически употребляющих алкоголь, требуются повышенные дозы лекарств для достижения терапевтического эффекта — формируется перекрёстная толерантность.
Химический канцерогенез: нитраты и нитрозамины
Канцерогенез — повреждение структуры ДНК (а также РНК и белков), приводящее к злокачественной трансформации клетки. Среди химических канцерогенов выделяют несколько групп.
Нитраты поступают с водой, овощами, мясными изделиями с консервантами. В организме они последовательно восстанавливаются (присоединяя по 2 электрона) через нитриты, NO, гидроксиламин. Эти метаболиты:
- окисляют железо гем-содержащих белков (гемоглобин с образованием метгемоглобина, цитохромы ЦПЭ, цитохромы P450)
- снижают активность антиоксидантной системы, способствуя накоплению активных форм кислорода и перекисному окислению липидов
- участвуют в патогенезе атеросклероза
Нитрозамины, образующиеся из нитритов и вторичных аминов, вызывают алкилирование азотистых оснований ДНК. Дезаминирование цитозина превращает его в урацил, который при репликации образует пару с аденином, что в следующем цикле приводит к замене на тимин — фиксируется точечная мутация.
Афлатоксин B1 и ароматические канцерогены
Афлатоксин B1 вырабатывается плесневым грибом Aspergillus flavus при неправильном хранении зерновых, орехов и арахиса. В печени афлатоксин подвергается микросомальному окислению цитохромом P450 с образованием реакционноспособного эпоксида. Эпоксид ковалентно связывается с гуанином ДНК, вызывая мутации, и является одним из самых сильных природных канцерогенов, приводящих к гепатоцеллюлярной карциноме.
Парадокс системы детоксикации заключается в том, что ферменты первой фазы могут не только обезвреживать, но и активировать проканцерогены, превращая их в реактивные электрофильные метаболиты. Защитная роль второй фазы (особенно глутатион-S-трансферазы) состоит в инактивации этих промежуточных продуктов до их связывания с ДНК.
Ключевые моменты
- Обезвреживание ксенобиотиков идёт в две фазы: модификация (гидроксилирование) и конъюгация.
- В первой фазе работает монооксигеназная система: цитохром P450 + P450-редуктаза + НАДФН + O₂.
- Во второй фазе трансферазы присоединяют глюкуронат, сульфат (ФАФС), глутатион, глицин или ацетат.
- Ферменты обеих фаз индуцируемы — это молекулярная основа толерантности к алкоголю и лекарствам.
- Этанол окисляется алкоголь- и ацетальдегиддегидрогеназами; при хроническом приёме включается МЭОС с CYP2E1.
- Нитраты повреждают гем-содержащие белки и активируют ПОЛ; нитрозамины алкилируют ДНК.
- Афлатоксин B1 после активации цитохромом P450 превращается в эпоксид — мощный канцероген печени.
- Глутатион-S-трансферазы — универсальная защита от электрофильных метаболитов и продуктов ПОЛ.