Юрин - Основы ксенобиологии - 2001 (947302), страница 26
Текст из файла (страница 26)
При разрушении клеток эта особая мембранная система распадается на более мелкие пузырьки, называемые микросомами; следовательно, это не истинно клеточный компонент, а артефакт препаративной процедуры. Реакции, участвующие в путях биотрансформации чужеродных веществ, как правило, разделяют на 4 класса: 1) реакции окисления; 2) реакции восстановления; 3) реакции деградации (гидролиза); 4) реакции конъюгации.
Рассмотрим основные типы каждой из перечисленных выше реакций, обусловливающих процессы биотрансформации органических ксенобиотиков. Реакции окисления. Среди ферментов, катализирующих окисление ксенобиотиков, особое место принадлежит микросомным монооксигеназам. На долю указанных ферментных систем приходится большая часть работы, направленной на детоксикацию от чужеродных веществ в организмах. Кроме того, оксигеназы катализируют наибольшее число биохимических превращений ксенобиотиков, связанных с внедрением в их молекулу активированного кислорода.
Оксигеназа (монооксигеназа) — это фермент, катализирующий реакцию элементарного кислорода с некоторым субстратом, в процессе которой один из атомов кислорода входит в состав субстрата, тогда как второй атом кислорода реагирует с другим акцептором, чаще всего водородом, образуя волу: КН + НАДФН + Н+ + Ог — ~ КОН + НАДФ + Н~О. НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат, восстановленная форма) действует как донор водорода. В качестве основного компонента монооксигеназные системы содержат терминальную оксидазу — цитохром Р-450, относящийся к гемопро- 125 теидам. Цитохром Р-450 впервые найден в мнкросомах печени крыс, затем в различных органах (легкие, почки и др.) животных. Позже было установлено, что цитохром Р-450 широко распространен в живой природе не только в эукариотных, но и в прокариотных организмах.
Кроме млекопитающих и человека, эти цитохромы выделены из тканей беспозвоночных (насекомых, членистоногих и др.), птии, микроорганизмов, растений. Основная функция цитохрома Р-450 в организме — обезвреживание эндогенных субстратов в результате монооксигеназной реакции. В каталитических реакциях монооксигеназ цитохром Р-450 выполняет роль активного центра.
Он взаимодействует с субстратом и молекулярным кислородом„а также принимает электроны от соответствующих доноров. Основной путь активирования кислорода заключается в переносе электрона от восстановленного пиридиннуклеотида к гемопротеиду. Цитохром Р-450 включен в цепь реакций, предохраняющих клетку от экзогенных веществ посредством окисления. Механизм регуляции цитохром Р-450-зависимой оксигеназы осуществляется на различных уровнях по-разному. Различают микросомальную, митохондриальную и бактериальную монооксигеназные системы цитохрома Р-450.
Первая широко встречается у животных, растений, эукариотических микроорганизмов, включая дрожжи и плесени. Больше всего она изучена для микросом печени млекопитающих, в которых монооксигеназная система состоит из двух флавопротеинов, цитохрома Ь и множества других форм цитохрома Р-450. Реакция протекает на поверхности ЭР. Вторая — митохондриальная монооксигеназа — менее изучена.
Она принадлежит к числу мембрансвязанных и была обнаружена в организмах различных животных, в растениях и у эукариотических микроорганизмов. Митохондриальная система Р-450 в основном предназначена для регуляции эндогенных субстратов (стероидов)„а не ксенобиотиков. Впервые наличие цнтохрома Р-450 бактериальной монооксигеназной системы установлено в бактериях ИикоЬ1шп Ьас~егокЬ.
В наибольшей степени она изучена на бактериях Рзеидотопаз ри6да. Одной из особенностей окислительных ферментов является их различная избирательность (специфичность) к субстрату в зависимости от вида тканей, в которых они находятся. Другая важная особенность этого комплекса ферментов, прежде всего в высших организмах, заключается в том, что их активность может вызываться самими веществами, на которые они воздействуют. Например, если ввести в корм крысе ПХБ или ДДТ, то можно наблюдать два первичных отклика: во-первых, пролиферацию (рост) мембранной поверхности, содержащей эти ферменты; во-вторых, повыше- 12б ние общей специфической активности фермента в препарате ткани.
Это явление, названное индукционным процессом, приводит к повышению способности организма превращать ксенобнотик, что, вероятно, обусловлено увеличением как активности, так и количеством фермента. Многие из реакций окисления были выявлены и изучены токснкологами и фармакологами, а также прн исследовании микробиологической деградации поллютантов. 1. Окисление спиртов и альдегидов осуществляется сравнительно малоспецифической алкогольдегидрогеназой, более специфичными альдегндоксндазами и др. ферментами.
Реакции окисления спиртов н альдегидов идут по следующим схемам: Окисление спиртов в альдегиды илн кетоны: КСН,ОН -+ КСНО+ Н,О, К,СНОНК~ -+ К>соокр +Н2О. Окисление альдегидов в карбоновые кислоты: 1о1 КСНО -+ КСООН. Ферменты дегидрогеназы удаляют водород; например, окисление спиртов до альдегидов, которые в свою очередь окисляются до карбоновых кислот. В такой последовательности реакций образуются все более полярные вещества, последнее из которых способно диссоцнировать с образованием отрицательно заряженных ионов. 2. Окисление аминов (включая арин-замещенные алифатические амины).
Один из примеров — реакция днзтнламина с нитритом в кислой среде желудка, в результате которой получается канцероген — дизтнлнитрозамин. С2Н~~, Стн~ ~ ХН+ ХО2 — ,'~ Х вЂ” ХО+ ОН Срн~/ С~нз г днэтиламин диэтилнитрозамин Другим примером может служить реакиня окисления симазина с образованием канцерогенного продукта: Вспомним, что нитрит натрия использовался ранее широко в качестве консервирующей добавки к пищевым продуктам.
127 Реакция с участием оксндазы отличается от реакции с участием оксигеназы, поскольку в оксигеназных реакциях оксиление связано с молекулярным кислородом, который выступает в качестве акцептораэлектрона; примером реакции может служить окисление моноамина; н,о КСН2ИН2 -+ КСН=ХН -+ ЯСНО + ХНз. 3. Окисление ароматических аминов. Эти вещества подвергаются И-гидроксилированию с участием оксигеназ, что может вызывать потвление канцерогенных продуктов, МП Н вЂ” К ! ОН 10! 4. Окисление ароматических алкил-замешенных соединений. Они обычно расщепляются между атомами С1 и Са боковой цепи с образованием соответствующей ароматической кислоты. сно мета ОСГ ОН ОН ОО Р1 ОО кис. кис-муконовая кислота пнрокатехии полуальдегид 2-ксимуконовой кислоты Эти реакции происходят с участием микроорганизмов, а также в растениях.
Способность же микроорганизмов атаковать ароматическое кольцо совершенно уникальна. Для разрыва бензольных колец микроорганизмами необходимо, чтобы кольцо содержало по крайней мере два гидроксильных заместителя в орто- и параположениях. Эти заместители могут вводиться посредством реакций окснгеиазы или двойного окисления, в результате которых в ароматические кольца входят оба атома элементарного кислорода. Разрыв кольца происходит также при участии фермента диоксигеназы, обеспечивающего в зависимости от вида конкретного фермента арто- или парарасщеплеиие. В различных видах микроорганизмов удалось установить многочисленные реакции разрыва кольца. Обычно обнаруживалось, что такие процессы весьма избирательны, поэтому универсальность почвенной экосистемы в превращениях различных классов соединений определяется разнообразием популяций в почве, а не универсальностью какого-либо одного вида микроорганизмов. 128 5.
Гидроксилирование кольцевых систем. Алициклические кольцевые структуры гидрокснлнруются легче, чем ароматические. Это одна из причин высокой токсичности бензола, поскольку он т1окело окисляется до фенола. Если в ароматическом кольие есть неуглеродный заместитель, то гидро ксилиро ванне обычно происходит в параположенин.
Однако если последнее занято, то гидроксилирование может идти и в ортоположенни с образованием в некоторых случаях канцерогенных метаболитов (напрнмер, при окислении некоторых ароматических аминов). В реакциях гидроксилирования могут участвовать ферменты микросом. Катализнруют реакции оксигеназы. Ароматическое гидрокснлнрование: ОН ОН Алифатическое гидроксилирование: КСН~ -+ КСН~ОН б. Ароматизация алнциклических соединений. Происходит в случае окисления некоторых циклогексанкарбоновых кислот (с четным числом СНг-групп в боковой цепи) с участием митохондрий.
Конечный продукт — бензойная кислота. 7. При реакциях окисления с участием фермента эпоксидазы образуется эпоксидное кольцо (реакция эпоксидации): К,СН = СНК вЂ” К Сн СНК О Например, в результате микросомальиого или микробиологического окисления (эпоксидации) пестицида альдрина получится токсический эпоксид — диэльдрин. О 129 Г~/ О + ЯСНО ОН Ы-дезалкнлирование вторичных аминов )~нсн2~ — Ф' ОН вЂ” Ф' + ЯСНО 130 (Реакция происходит в организме позвоночных, а также осуществляется многими почвенными организмами.) Зпокснды высокотоксичны и обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. Эпоксндации подвергаются многие ароматические соединения.
8. Окисление или окислительное замещение органической серы. Гетероциклическая сера обычно окисляется в сульфокснды или дисульфоны. Сера в алифатических комбинациях или ароматических боковых цепях иногда замещается кнаюродом. Например, инсектицид паратион (тиофос) метаболнзнруется микросомальными ферментами (а также в почве) в параоксон, которым также обладает инсектицид- ными свойствами и является почти вдвое более токсичным для млекопитающих, чем паратион. (КО)зР = Б -+ ~ЙО)дР = О.
паратион параоксон (тиофос) Превращение связи Р=Б в связь Р=О приводит к повышению токсичности продуктов. 9. Окислительное дезалкилирование О- и М-атомов. Эти реакции требуют молекулярного кислорода и осуществляются монооксигеназами. Наиболее часто дезалкилированию подвергаются ксенобиотики следующих классов: днннтроанилнны (гербициды трифлурамин, динитрамин и др.), феннлмочевины (гербицнды хлороксурон„днурон, монурон, флуометурон, лннурон и др.), симметричные трназины, фосфорорганические соединения, алкиламины и др. ксенобиотики.
Эти реакции осуществляются оксигеназами микроорганизмов, а также клетками печени. О-дезалкилирование ароматических эфиров ОСН К о ОНК ОН Необходимо подчеркнуть, что при окислительной биотрансформации ксенобиотиков нередко получаются более токсичные или канцерогенные соединения. Кроме отмеченных выше случаев, это может иметь место при окислении 1, 2, 5, б-дибензантрацена в организме грызунов (образуются канцерогены) или при деградации некоторых азотсодержащих пестицидов, которые легко превращаются в высокомутагенные и канцерогенные соединения: так, гербицид симазин окнсляется в опасный канцероген.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
