БИОХИМИЯ КСЕНОБИОТИКОВ

Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
Кафедра химии и биохимии
О. А. Булавинцева
БИОХИМИЯ КСЕНОБИОТИКОВ
Учебное пособие для иностранных студентов
Иркутск 2013 г.
Учебное пособие «Биохимия ксенобиотиков» предназначено для самостоятельной
работы иностранных студентов всех факультетов, как основной материал,
помогающий облегчить подготовку к занятиям и закрепить знания по указанной
теме.
Рецензенты:
Зав. кафедрой патологии
с курсом клинической иммунологии
и аллергологии
д.м.н. профессор
И.Ж. Семинский
Доцент кафедры иностранных языков
с курсом латинского языка и русского,
как иностранного
М.И.Винокурова
Издание печатается по решению ФМС Иркутского государственного медицинского
университета
2
Оглавление
Стр.
1. Список сокращений.
2. Обезвреживание токсических веществ в организме.
2.1. Метаболическая инактивация и активация, детоксикация и токсификация.
2.2. Метаболизм и инактивация ксенобиотиков: три фазы, основные ферменты,
тканевая специфика. Система цитохрома Р-450, системы конъюгации.
2.3. Значение и происхождение систем метаболизма ксенобиотиков.
2.4. Связывание, транспорт, выведение органических ксенобиотиков и тяжёлых
металлов. Р-гликопротеин. Металлотионеины. Индукция защитных систем и её
медицинское значение.
3. Самоконтроль знаний, ситуационные задачи, тесты.
4. Рекомендуемая литература.
4
5
10
13
Список сокращений
АТФ – аденозинтрифосфат
БР – билирубин
ГГТ – -глутамилтрансфераза
ГУК – глюкуроновая кислота
КсБ – ксенобиотики
МЛУ – множественная лекарственная устойчивость
ПАУ – полициклические ароматические углеводороды
ПОЛ – перекисное окисление липидов
Р-ГП – Р-гликопротеин
УДФ-ГУК - УДФ-глюкуронат
ФАФС – З -фосфоаденозил-5- фосфосульфат
ЩФ – щелочная фосфатаза
ЭПС – эндоплазматическая сеть
4
ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ
Чужеродные для организма вещества, поступающие в организм из окружающей среды и
не используемые им для построения тканей организма или как источники энергии, называют
ксенобиотики ( КсБ ). Они могут попасть в организм с пищей, через кожу или с вдыхаемым
воздухом. КсБ можно разделить на три группы:
1. Большинство лекарств (исключение составляют аминокислоты, глюкоза,
инсулин, СаСl2 и некоторые другие).
2. Вещества бытовой химии (моющие средства, парфюмерия, вещества для
борьбы с паразитами).
3. Продукты хозяйственной деятельности человека (промышленность, сельское
хозяйство, транспорт).
Большинство КсБ, в том числе и лекарства, - это малотоксичные вещества, поэтому
неправильно думать, что подавляющее число КсБ является ядами.
В ХХI веке происходят всевозрастающее загрязнение ксенобиотиками внешней среды и увеличивающееся
их поступление в организм человека. Это серьёзно угрожает здоровью и даже жизни всех живых существ, включая
человека, так как повреждает клетки и вызывает мутации, ведущие к злокачественным процессам и
наследственным заболеваниям. В истории есть очень опасный прецедент: гибель Римской империи связана,
очевидно, не только с социальными факторами, но и со свинцовой интоксикацией элиты общества. Она широко
использовала свинцовые водопроводы, сосуды, а в состав парфюмерии входили высокотоксичные свинцовые
белила. В скелетах знати найдены очень высокие концентрации свинца.
Конечно, в первую очередь надо заботиться об экологии. Но если загрязнение всё же происходит, то мы не
беззащитны: в каждой клетке происходят метаболизм, связывание и выведение ксенобиотиков, что в большинстве
случаев приводит к снижению их токсичности. Это позволяет выживать даже на сильно загрязнённых
территориях, хотя, к сожалению, не исключает риска заболеваний.
Когда лекарство вводят в организм, то лекарство и организм взаимодействуют друг с
другом следующим образом:
Биохимическая фармакология
↑
Фармакодинамика
ЛЕКАРСТВО
ОРГАНИЗМ
Фармакокинетика
↓
Фармацевтическая биохимия
Все стороны действия лекарства на организм (или то, что лекарство делает с организмом,
например, повреждает гепатоциты, вызывает сдвиги в обмене веществ) изучает
фармакодинамика, которая строится на методах и идеях различных наук. Биохимические
аспекты фармакодинамики изучает биохимическая фармакология.При этом исследуются
взаимоотношения между лекарствами и биомолекулами для понимания биологических
эффектов, локализации и механизма действия лекарств.
Действие организма на лекарство (или судьбу лекарства в организме, или то, что организм
делает с лекарством) изучает фармакокинетика, а биохимические аспекты её фармацевтическая биохимия. Разделы фармакокинетики: а) поступление лекарств в организм;
б) распределение их в организме; в) метаболизм лекарств; г) выведение.
В ходе метаболизма КсБ происходят изменения их биологической активности, которые
проявляются в виде: а) дезактивации, то есть потери активности вещества, например, вещество
(в том числе лекарство)  неактивный метаболит; б) активации, то есть приобретения
активности неактивным препаратом, например, вещество  активный метаболит, про
лекарство  лекарство.
Изменения токсичности проявляются в виде: а) детоксикации, то есть потери
5
токсичности вещества, например, токсификант  неактивный метаболит; б) токсификации, то
есть усиления токсичности вещества, например, токсификант  более токсичный метаболит.
Необходимо помнить, что термин «дезактивация» шире, чем «детоксикация», а
«токсификация» - это частный случай «активации».
Различают 3 фазы обезвреживания КсБ (метаболизма и выведения их), в которых важная
роль отводится печени:
I фаза - модификация.
II фаза - конъюгация. (Обе эти фазы - химическое обезвреживание).
III фаза - выведение из клетки и организма (физическое обезвреживание).
Модификация КсБ с участием системы цитохрома Р-450 (или микросомальной системы,
монооксигеназной системы) протекает в ЭПС печени, кишечника, лёгких. Функция системы
цитохрома Р-450 - образование в молекуле гидрофильных функциональных групп,
детоксификация большинства веществ.
Достоинства этой системы:
1. Многообразие процессов метаболизма, позволяющих обезвреживать более 7000 веществ:
гидроксилирование (бензол, фенол, полициклические ароматические углеводороды – ПАУ, барбитураты),
эпоксидирование (ПАУ), окисление по сере (аминазин) и азоту (аминазин, никотин), восстановление нитро (нитробензол, левомицетин) и азогрупп (сульфасалазин), деалкилирование по азоту (морфин, амидопирин),
кислороду (кофеин, колхицин) и сере (6 – метилтиопурин) и десульфурация (паратион, тиобарбитал). Транспорт
атомов водорода и электронов в ЭПС печени при гидроксилировании субстрата (это самый частый и важный
случай) происходит следующим образом:
НАДН
НАДФН
+
2H
→
2H
→
ФАД
–
2e
→
Цитохром b5
2e–
ФАД
–
2e
→
+
2H
Цитохром Р – 450
2e-
О=О
RH
Н2 О
ROH
НАДФН – зависимая цепь является ведущей, особенно для гидроксилирования: в ней выше скорость реакций
и строго доказано биологическое значение. Указанные реакции превращают, например, фенол в менее опасный
пирокатехин: С6Н5ОН + НАДФН + Н++О2 → С6Н4(ОН)2
+ НАДФ+ + Н2О
2. Высокая мощность на основных входных воротах организма: пищевой путь – ЖКТ и
печень; вдыхание — лёгкие.
Недостатки:
1. Меньшая защита при других путях проникновения (слизистые, раны,
инъекции).
2. Слабость или отсутствие во многих жизненно важных органах (головной мозг, сердце и
др).
3. Токсификация некоторых веществ. Так, система цитохрома Р– 450 превращает
хлороформ, хорошее средство для общего наркоза, в боевое отравляющее вещество фосген, что
объясняет
высокую
токсичность
хлороформа.
Популярное
обезболивающее
и
жаропонижающее лекарство парацетамол превращается в метаболит, в больших дозах
повреждающий печень и почки, – нужна осторожность в применении при заболеваниях этих
6
органов. ПАУ бенз(а)пирен (проканцероген) превращается в канцерогенный (вызывающий
рак) метаболит дигидроксиэпоксид.
Существуют и внемикросомальные реакции первой фазы: метаболизм этанола гиалоплазматическими алкоголь - и
затем альдегиддегидрогеназами; окисление оксидазами пуринов (ксантиноксидаза) и аминов (моно- и диаминоксидазы;
восстановление дисульфидов (антабус); гидролиз пептидазами белков и пептидов, эстеразами сложных эфиров (липиды, аспирин,
лидокаин, дитилин), гликозидазами углеводов и сердечных гликозидов. При гидролизе освобождаются ранее ковалентно
связанные группы -СООН , -NН2 и - ОН. Эти ферменты чаще локализованы в гиалоплазме и лизосомах, а моноаминоксидазы –
в митохондриях.
Конъюгация (связывание) - присоединение к молекуле вещества целой молекулы или
какой-то группы. Функция систем конъюгации - увеличение гидрофильности и
детоксификация. Наиболее важные ферменты второй фазы относятся к классу трансфераз.
Достоинства этих систем:
1. Есть во всех клетках.
2. Функционируют при любых путях поступления веществ.
3. Осуществляют или завершают детоксикацию, а иногда «исправляют ошибки» I фазы
(обезвреживание канцерогенов и токсичных метаболитов хлороформа, парацетамола и др.).
Недостатки:
1. Метаболизируют только те вещества, которые имеют функциональные группы ( -NH2, -SH,
-СООН,-ОН и др.).
2. Поэтому часто включаются во ΙΙ фазе метаболизма, то есть после системы цитохрома Р-450.
Различают следующие виды конъюгации, катализируемые соответствующими
трансферазами, - с глутатионом, с глюкуронатом (из УДФ-ГУК), с сульфатом (из ФАФС),
ацетилирование, метилирование, с глицином (табл. 1).
Таблица 1. Основные виды конъюгации.
Фермент
Глутатионтрансферазы
УДФ-глюкуронилтрансферазы
Сульфотрансферазы
Ацетилтрансферазы
Метилтрансферазы
Метаболит,
используемый
для конъюгации
GSH
Глюкуронат
Сульфат
Ацетат
Метил
Активная форма
Он же
УДФ-глюкуронат
Аденозин-3|-фосфат-5|-фосфосульфат
АцетилКоА
S- аденозилметионин
Наиболее широка и многообразна активность семейства глутатионтрансфераз, метаболизирующих тысячи
КсБ. Большинство этих ферментов находится в гиалоплазме, но один из них локализован в мембранах ЭПС и
митохондрий, другой – в хроматине. Основная реакция – конъюгация с восстановленным глутатионом (GSH) –
протекает в двух вариантах: 1) присоединение к субстрату (алкены и эпоксиды) полной молекулы GSH:
R +GSH →HRSG;
2) нуклеофильное замещение по электрофильным атомам С (галоген – и нитроалканы), N
(тринитроглицерин), S (тиоцианаты и дисульфиды) или Р (метилпаратион): RX + GSH → RSG + HX
При дальнейшем метаболизме глутатионовые конъюгаты переходят в меркаптуровые кислоты или меркаптаны.
Кроме того, глутатионтрансферазы восстанавливают органические гидроперекиси в спирты и изомеризуют
некоторые стероиды и простагландины.
Локализованные в основном в ЭПС уридиндифосфат(УДФ)-глюкуронилтрасферазы присоединяют
остаток глюкуроновой кислоты, а гиалоплазматические сульфотрансферазы - сульфат к фенолам, спиртам и
аминам. Эти ферменты метаболизируют, например, анилин, фенол, морфин, левомицетин, салицилат,
парацетамол, зидовудин (лекарство против СПИДа), пероральные контрацептивы (средства для предупреждения
беременности).
Ацетилтрансферазы метаболизируют путём присоединения ацетила к N – (сульфаниламиды,
противотуберкулёзные средства изониазид и n-аминосалициловая кислота (ПАСК)) или к О – (некоторые
канцерогены).
Мембранные и гиалоплазматические метилтрансферазы метилируют ОН-, NH2- и SH-группы и
7
метаболизируют, например, пиридин, тиоурацил, унитиол, кокаин.
Эпоксидгидролаза (эпоксидгидратаза) присоединяет воду к эпоксидам (бензола, бенз(а)пирена и др.), что
превращает их в диолы:
|
|
|
|
— C――C— + H2O → ― C ―– C―
О
⁄
|
НО
|
ОН
Иногда для обезвреживания некоторых КсБ бывает достаточно работы какой-то одной из
фаз метаболизма. Здесь будет иметь значение путь поступления КсБ в организм: система
модификации включается при поступлении веществ путём вдыхания, перорально, а
конъюгация – и при парэнтеральном введении.
Совместное функционирование обеих фаз метаболизма особенно эффективно .В подавляющем большинстве
случаев оно обеспечивает обезвреживание десятков тысяч КсБ всех химических классов и самых разных групп:
токсических веществ, мутагенов, канцерогенов, пестицидов (средств для борьбы с вредными растениями и
животными), красителей, растворителей, лекарств и др. Метаболизм КсБ происходит в разных частях клетки, но
наиболее активные системы находятся в ЭПС и гиалоплазме. Это обеспечивает метаболизм или связывание КсБ на
дальних подступах к наиболее жизненно важным частям клетки – ядру и митохондриям. В результате
увеличивается устойчивость клеток и организма, возникает возможность сохранить здоровье и жизнь в условиях
загрязнения среды.
Некоторые полагают, что эти системы возникли или эволюционировали в результате адаптации к
техногенному загрязнению среды. С этим нельзя согласиться. Во-первых, загрязнение среды стало серьёзным
только во второй половине ХХ века – этот срок слишком мал для эволюции. Во-вторых, все эти ферменты играют
важную роль в эндогенном метаболизме. Например, система цитохрома Р-450 участвует в метаболизме
холестерина с образованием жёлчных кислот и стероидных гормонов, в активации витамина Д и в перекисном
окислении липидов (ПОЛ); глутатионтрансферазы – в обезвреживании продуктов ПОЛ и пероксидов ДНК и в
метаболизме эйкозаноидов (простаноидов и лейкотриенов); УДФ-глюкуронилтрансферазы – в обезвреживании
свободного билирубина (переводе в связанный билирубин), метаболизме жёлчных кислот, токоферолов,
стероидов; сульфотрансферазы – в метаболизме жёлчных кислот, некоторых гликозаминогликанов и
гликолипидов; ацетилтрансферазы
–
в метаболизме гексозаминов, нейраминовой кислоты, в синтезе
ацетилхолина и мелатонина; метилтрансферазы - в синтезе креатина, холина, мелатонина ,обмене катехоламинов,
метилировании ДНК; эпоксидгидролазы – в переводе лейкотриена А4 в В4. Очевидно, все эти ферменты первично
функционировали в эндогенном метаболизме и лишь затем ввиду широкой субстратной специфичности и
загрязнения среды стали участвовать в метаболизме экзогенных субстратов – ксенобиотиков.
Процессы обезвреживания токсичных веществ (в том числе лекарств) иногда носят не
химический, а физический характер. Например:
а) в плазме крови многие эндогенные (жирные кислоты, свободный билирубин) и экзогенные
вещества
(сульфаниламиды,
антибиотики,
салицилаты,
сердечные
гликозиды,
противосвёртывающие) связываются и транспортируются альбумином; некоторые вещества
(жирорастворимые витамины, анаболические стероиды) переносят липопротеины.
б) в клетках, особенно печени, многие КсБ (ПАУ, канцерогены, нитропроизводные,
антибиотики) связываются (некоторые ковалентно) глутатионтрансферазами (лигандинами).
в) в клетках существует Р-гликопротеин - это транспортная АТФаза, удаляющая из
клетки гидрофобные молекулы. Медицинское значение: Высокий уровень Р-ГП характерен для
множественной лекарственной устойчивости (МЛУ) - исходной или в результате
химиотерапии даже одним лекарством; ограничивает эффективность противораковых средств
(антибиотиков, алкиляторов). Ингибиторы Р-ГП (бирикодар и др.) увеличивают эффект
химиотерапии. Основные механизмы МЛУ: амплификация или увеличение экспрессии генов
Р-ГП (часто и индукция глутатионтрансферазы).
г) при отравлении тяжёлыми металлами защиту осуществляют глутатион и металлотионеины
(белки, содержащие много цистеина), HS- группы которых связывают металлы.
д) в организме существуют два «кооператива» (III фаза):
«печень - почки» - для обезвреживания и выведения гидрофильных веществ;
«печень - кишечник » - для выведения гидрофобных веществ или веществ с большой
молекулярной массой (более 300). При курсовом введении некоторые КсБ (например,
8
фенобарбитал, дибунол) вызывают индукцию ферментов I и II фаз метаболизма, причём
фенобарбитал индуцирует обе системы, а дибунол - глутатионовую и глюкуронатную системы.
При этом чувствительность организма к КсБ будет снижаться. Медицинское значение
индукции систем, защищающих от токсификантов и лекарств:
1. Фенобарбитал эффективен при накоплении свободного билирубина, особенно при
желтухе новорожденных.
2. Длительный приём фенобарбитала снижает его снотворное действие.
3. Длительное поступление малых доз токсических органических веществ и металлов
снижает их острую токсичность («эффект Митридата»).
9
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
1. Что такое модификация КсБ и где она происходит?
2. Виды конъюгации.
3. Что такое Р-гликопротеин и какова его роль?
4. Виды и примеры индукции систем, защищающих от токсификантов и лекарств.
5. Что такое фармакокинетика и какие разделы она включает?
6. Назовите пути выведения лекарственных веществ (гидрофильных и гидрофобных).
7. В чём проявляются изменения биологической активности КсБ в процессе их метаболизма?
8. Понятие о I и II фазах метаболизма КсБ; всегда ли лекарства проходят обе фазы?
9. Достоинства и недостатки I фазы метаболизма КсБ.
10. Функции, достоинства и недостатки II фазы метаболизма КсБ.
11. Какие вещества и ферменты участвуют в конъюгации?
12. Приведите примеры обезвреживания лекарств не химического, а физического характера.
13. Медицинское значение индукции систем, защищающих от токсификантов и лекарств.
14. Что такое «эффект Митридата» и на чём он основан?
СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ
1. Ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, отличаются широкой субстратной
специфичностью. Можно ли на этом основании считать, что они недостаточно
совершенные ферменты?
2. При химиотерапии рака нередко развивается устойчивость не только к используемому
лекарству, но и к ряду других лекарств ( множественная лекарственная устойчивость). С чем
это может быть связано?
3. Царь Митридат, а затем Борджиа систематически травили политических врагов.
Чтобы самим избежать отравления, они принимали яды в небольших дозах и после
отравления выжили. Почему? Какие препараты можно было принимать вместо яда, если бы
такие лекарства были в то время?
4. Продолжительность сна при введении гексобарбитала (снотворного) в дозе 10 мг/кг веса
тела новорожденным мышам составляет 6 часов, а у взрослых мышей при дозе 100 мг/кг
веса - только 1 час. Объясните, почему?
5. Какие белки плазмы крови играют основную роль в связывании и транспорте многих
лекарственных веществ, жирных кислот, билирубина?
6. Гексобарбитал (снотворное) инактивируется гидроксилированием. Доза гексобарбитала (на
единицу веса тела) усыпила мышей на 12 минут, кроликов - на 49, крыс - на 90, а собак -на
315 минут. У какого вида животных активность микросомальной ферментной системы
окисления наивысшая?
7. Почему дозы лекарств, рассчитанные на единицу массы тела, для детей раннего возраста
обычно меньше, чем для взрослых?
10
ОТВЕТЫ НА СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ
1. Нельзя, так как широкая субстратная специфичность позволяет ферментам
метаболизировать любые ксенобиотики.
2. Основными механизмами множественной лекарственной устойчивости является
амплификация или увеличение экспрессии генов Р-гликопротеина, а также и индукция
глутатионтрансферазы. Р-гликопротеин - неспецифическая транспортная АТФаза,
удаляющая за счёт энергии гидролиза АТФ из раковой клетки гидрофобные молекулы, в
том числе многие противораковые лекарства.
3. Царь Митридат и Борджиа выжили, благодаря индукции ферментов метаболизма яда. В
наше время в роли индукторов могут выступать фенобарбитал, дибунол, приём которых мог
заменить употребление яда с целью выживания.
4. Известно, что у млекопитающих в период внутриутробного развития и в момент рождения
способность метаболизировать лекарства мала и возрастает в процессе онтогенеза. Поэтому
у новорожденных мышей из-за слабого обезвреживания гексобарбитала наблюдается
длительный снотворный эффект по сравнению со взрослыми особями.
5. Альбумины.
6. У мышей активность микросомальной ферментной системы наивысшая.
7. Потому что у детей раннего возраста, по сравнению со взрослыми людьми, низкая
активность процессов детоксикации.
11
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
1. Какие из белков плазмы крови играют основную роль в связывании и транспорте
многих лекарственных веществ, жирных кислот, БР:
а) глобулины б) альбумины в) ферритин г) фибриноген?
2. Возможна ли конъюгация КсБ с:
а) глутатионом б) глюкуронатом в) нитратом
г) сульфатом д) ацетилом е) глицином?
3. При отравлении тяжёлыми металлами защиту осуществляют:
а) альбумины б) глутатион в) Р-гликопротеин
г) металлотионеины?
4. В обезвреживании и выведении из организма
а) гидрофильных веществ
б) гидрофобных веществ и веществ с массой
больше 300 защиту осуществляют «кооперативы»:
1. «печень - кишечник »
2. « печень - почки»?
5. Основные входные ворота организма для КсБ, подвергающихся I фазе метаболизма:
а) почки б) печень в) кишка г) сердце д) лёгкие?
6. Эффект химиотерапии увеличивают:
а) активаторы Р-гликопротеина б) ингибиторы Р-гликопротеина
в) фенобарбитал?
7. Как длительный приём фенобарбитала влияет на его снотворное действие:
а) снижает
б) повышает?
ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
1. - б
2. - а, б, г, д, е
3. - б, г
4.- 1 б, 2а
5. - б, в, д
6. - б
7. - а.
12
ЛИТЕРАТУРА ОБЯЗАТЕЛЬНАЯ:
1. Т. Т. Берёзов, Б. Ф. Коровкин. «Биологическая химия». М.9 1998 г.
2. Е. С. Северин (ред.) «Биохимия», 2004 г., изд. 4.
2. В. И. Кулинский « Лекционные таблицы по биохимии», 2007 г., вьш.6.
ЛИТЕРАТУРА ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:
1. Е. С. Северин, А.Я.Николаев (ред.) «Биохимия.Краткий курс с упражнениями и
задачами». М.,2001 г.
2. Я. Кольман, К.Г.Рём «Наглядная биохимия».М., 2000 г.
3. В. А. Ткачук (ред.) «Клиническая биохимия». 2002 г.
4. В. И. Кулинский «Обезвреживание ксенобиотиков», Соросовский образовательный
журнал 1999, №1, с. 8- 12.
13
14