Реакции, катализируемые системой цитР450

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) (рис.18).

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.

ЦитР450-зависимые монооксигеназы катализируют расщепление веществ разного типа с участием НАДФН и молекулярного кислорода (О₂). При этом один атом кислорода присоединяется к субстрату, а второй освобождается в составе молекулы воды. В реакции принимает участие флавопротеин, выполняющий функцию переносчика восстановительного эквивалента с кофермента НАДФН + Н⁺ на собственно монооксигеназу, которая переносит электроны на молекулярный кислород.

В печени, а также в железах, продуцирующих стероидные гормоны, и в других органах встречаются разные формы фермента цитР450. Субстратная специфичность фермента печени невелика. Наиболее эффективно он катализирует окисление неполярных соединений с алифатическими или ароматическими кольцами. К ним относятся эндогенные субстраты организма, например стероидные гормоны, а также лекарственные вещества, инактивированные путем модификации.

Превращение этилового спирта в печени также катализирует фермент цитР450 («микросомальная система окисления этанола»). Так как спирт и лекарственные вещества являются субстратами одной и той же ферментативной системы, их совместное воздействие на организм может быть опасным для жизни. Поэтому фермент цитР450 представляет особый интерес для фармакологии.

Из множества цитР450-зависимых реакций здесь приводится только несколько примеров. Гидроксилирование ароматического кольца (а) играет центральную роль в метаболических превращениях медицинских препаратов и стероидов. При этом ангулярные метильные группы могут окисляться до гидроксиметильных (б). Эпоксидирование (в) приводит к высокореакционноспособным и часто токсичным продуктам. Примером является биотрансформация бензпирена в эпоксид, обладающий мутагенным действием. ЦитР450-зависимая реакция дезаминирования (г) приводит к отщеплению алкильных заместителей при гетероатомах (О, N или S) в виде альдегидов.

Каталитический цикл

Ход каталитической реакции с участием цитР450 в принципе известен. Решающая роль группы гема состоит в том, что она переводит атомарный кислород в реакционно-способную форму, которая собственно и ответственна за все описанные выше реакции. В исходной стадии атом железа трехвалентен. Цитохром связывает субстрат рядом с группой гема (1). Это делает возможным восстановление трехвалентного железа до двухвалентной формы и последующее присоединение молекулы О₂ (2). Далее следует перенос электронов (3) и окисление атома железа, который восстанавливает связанный кислород в пероксид. От промежуточного продукта отщепляется ион гидроксила (4) с образованием молекулы воды и реакционноспособной формы кислорода. В этом радикале железо формально четырехвалентно. Активированный атом кислорода атакует связь С-Н субстрата с образованием гидроксигруппы (5). После освобождения продукта реакции (6) фермент возвращается в исходное состояние

Продукты метаболизма чужеродных веществ, образовавшихся на первой стадии биотрансформации, подвергаются дальнейшей детоксикации с помощью ряда реакций второй стадии.

Реакция II (конъюгация). Реакции типа II заключаются в связывании субстрата с высокополярным соединением, несущим отрицательный заряд. Эти реакции катализируются исключительно трансферазами, а продукты реакции носят названия конъюгатов. Образующиеся при этом соединения менее полярны и в связи с этим легко удаляются из клеток.

Преобладающим является процесс конъюгации, катализируемый глутатион-S-трансферазой, сульфотрансферазой и UDP-глюкуронилтрансферазой. Конъюгацию с глутатионом, приводящую к образованию меркаптуровых кислот, принято рассматривать в качестве основного механизма детоксикации.

Глутатион (GSH). GSH — это трипептид Глу—Цис—Гли (остаток глутаминовой истоты присоединен к цистеину карбоксильной группой радикала).

Большая его часть находится в восстановленной форме (GSH) и играет центральную роль в инактивации токсических и реактивных продуктов. Восстановление окисленного глутатиона осуществляет фермент - глутатионредуктаза, используя как кофермент НАДФН. Коньюгаты с глутатионом, серной и глюкуроновой кислотами выводятся из организма преимущественно с мочой.

Глутатионтрансферазы - универсальные ферменты, функциониющие у всех животных и человека и имеющиеся во всех тканях. Глутатионтрансферазы играют важную роль в обезвреживании собственных метаболитов: некоторых стероидных гормонов, простагландинов, билирубина, желчных кислот, продуктов перекисного окисления липидов.

Обезвреживание ксенобиотиков с участием глутатионтрансфераз происходит тремя путями:

1. конъюгация субстрата R с глутатионом (GSH):

R+GSH——>GSRH

2. нуклеофильные замещения:

3. восстановление органических пероксидов до спиртов:

R-HC-0-OH+2 GSH——>R-HC-OH+ GSSG + Н₂О;

-ООН — гидроперекисная группа, GSSG - окисленный глутатион.

Обезвреживание ксенобиотиков с участием цитохрома Р450 иногда приводит к образованию не менее, а более токсичных метаболитов, чем исход­ные. Эти токсичные вещества обезвреживаются глутатион-S-трансферазой.

В качестве полярного соединения также выступает глюкуроновая кислота (GlcUA), а продуктами реакции (конъюгатами) являются О- и N-глюкурониды. Коферментом в этих реакциях является уридиндифосфатглюкуроновая кислота (UDP-GlcUA), активная форма глюкуроновой кислоты. Связывание с полярной молекулой глюкуроновой кислогы придает неполярным (гидрофобным) соединениям высокую растворимость, что облегчает их выведение из организма.

Образование конъюгатов может осуществляться путем биосинтеза сернокислых эфиров с участием фосфоаденозинфосфосульфата(3'-фосфо-5'-аденилилсульфата), поставляющего «активный сульфат», или путем образования амидов с глицином и глутамином.

По сравнению с исходными соединениями конъюгаты гораздо лучше растворимы в воде и легко экскретируются. Из печени конъюгаты выводятся рецепторзависимой экскрецией в желчные капиллярыили попадают в кровь, откуда выводятся почками за счет фильтрации.

Обезвреживание тяжелых металлов. В связывании и обезвреживании металлов принимает участие белок печени металлотионеин. Этот белок с высоким содержанием остатков цистеина обладает высоким сродством к ионам двухвалентных металлов, таким, как Cd²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺ и Zn²⁺. Ионы таких металлов являются индукторами биосинтеза металлотионеина.

Обезвреживание нормальных метаболитов (см. катаболизм гема).