Реакция метаболического окисления органических ксенобиотиков, основные типы и ферменты.

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 27Следующая ⇒

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 воду:

RН + НАДФН + Н⁺ + О₂ ® RОН + НАДФ⁺ + Н₂О.

НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат, восстановленная форма) действует как донор водорода.

В качестве основного компонента монооксигеназные системы содержат терминальную оксидазу – цитохром Р-450, относящийся к гемопротеидам. Цитохром Р-450 впервые найден в микросомах 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.), птиц, 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 b 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 цитохрома Р-450 бактериальной монооксигеназной системы установлено в бактериях Rhizobium bacteroids. В наибольшей степени она изучена на бактериях Pseudomonas putida.

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, повышение общей специфической активности фермента в препарате ткани. Это явление, названное индукционным процессом, приводит к повышению способности организма превращать ксенобиотик, что, вероятно, обусловлено увеличением как активности, так и количеством фермента.

Многие из реакций окисления были выявлены и изучены токсикологами и фармакологами, а также при исследовании микробиологической деградации поллютантов.

1. Окисление спиртов и альдегидов осуществляется сравнительно малоспецифической алкогольдегидрогеназой, более специфичными альдегидоксидазами и др. ферментами. Реакции окисления спиртов и альдегидов идут по следующим схемам:

Окисление спиртов в альдегиды или кетоны:

RCH₂OH ® RCHO + Н₂О,

R₁CHOHR₂ ® R₁COOR₂ +Н₂О.

Окисление альдегидов в карбоновые кислоты:

[O]

RCHO ® RCOOH.

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 диссоциировать с образованием отрицательно заряженных ионов.

2. Окисление аминов (включая арил-замещенные алифатические амины). Один из примеров – реакция диэтиламина с нитритом в кислой среде желудка, в результате которой получается канцероген – диэтилнитрозамин.

С₂Н₅ С₂Н₅

NH + NO₂^– ¾ ¾ ® N – NO + OH^–

С₂Н₅ С₂Н₅

диэтиламин диэтилнитрозамин

Другим примером может служить реакция окисления симазина с образованием канцерогенного продукта:

H C₂H₅–N

H N–C₂H₅

Cl │

C₂H₅ N N=O

H C₂H₅–N

Cl │

NO₂

Вспомним, что нитрит натрия использовался ранее широко в качестве консервирующей добавки к пищевым продуктам.

Реакция с участием оксидазы отличается от реакции с участием оксигеназы, поскольку в оксигеназных реакциях оксиление связано с молекулярным кислородом, который выступает в качестве акцептора электрон; примером реакции может служить окисление моноамина:

Н₂О

RCH₂NH₂ ® RCH=NH ® RCHO + NH₃.

N– R | OH

NHR

[O]

3. Окисление ароматических аминов. Эти вещества подвергаются N-гидроксилированию с участием оксигеназ, что может вызывать появление канцерогенных продуктов.

4. Окисление ароматических алкил-замещенных соединений. Они обычно расщепляются между атомами С₁ и С₂ боковой цепи с образованием соответствующей ароматической кислоты.

СОО^– СОО^–

ОН ОН

СОО^–

ОН

орто [O]

мета [O]

цис, цис-муконовая пирокатехин полуальдегид кислота 2-оксимуконовой кислоты

СНО

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 оксигеназы 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 орто- или парарасщепление.

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.

5. Гидроксилирование кольцевых систем. Алициклические кольцевые структуры гидроксилируются легче, чем ароматические. Это одна из причин высокой токсичности бензола, поскольку он тяжело окисляется до фенола. Если в ароматическом кольце есть неуглеродный заместитель, то гидроксилирование обычно происходит в пара-положении. Однако если последнее занято, то гидроксилирование может идти и в ортоположении с образованием в некоторых случаях канцерогенных метаболитов (например, при окислении некоторых ароматических аминов). В реакциях гидроксилирования могут участвовать ферменты микросом. Катализируют реакции оксигеназы.

OH OH | |

Ароматическое гидроксилирование:

Алифатическое гидроксилирование:

RCH₃ ® RCH₂OH.

6. Ароматизация алициклических соединений. Происходит в случае окисления некоторых циклогексанкарбоновых кислот (с четным числом СН₂-групп в боковой цепи) с участием митохондрий. Конечный продукт – бензойная кислота.

7. При реакциях окисления с участием фермента эпоксидазы образуется эпоксидное кольцо (реакция эпоксидации):

R₁CH = CHR₂ ® R₁CH CHR₂

Например, в результате микросомального или микробиологического окисления (эпоксидации) пестицида альдрина получится токсический эпоксид – диэльдрин.

диэльдрин

альдрин

Сl

CH₂

Cl-C-Cl

ал

(Реакция происходит в организме позвоночных, а также осуществляется многими почвенными организмами.)

Эпоксиды высокотоксичны и обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. Эпоксидации подвергаются многие ароматические соединения.

8. Окисление или окислительное замещение органической серы. Гетероциклическая сера обычно окисляется в сульфоксиды или дисульфоны. Сера в алифатических комбинациях или ароматических боковых цепях иногда замещается кислородом. Например, инсектицид паратион (тиофос) метаболизируется микросомальными ферментами (а также в почве) в параоксон, который также обладает инсектицидными свойствами и является почти вдвое более токсичным для млекопитающих, чем паратион.

(RO)₃P = S ® (RO)₃P = O.

паратион параоксон

(тиофос)

Превращение связи P=S в связь P=O приводит к повышению токсичности продуктов.

9. Окислительное дезалкилирование О- и N-атомов. Эти реакции требуют молекулярного кислорода и осуществляются монооксигеназами. Наиболее часто дезалкилированию подвергаются ксенобиотики следующих классов: динитроанилины (гербициды трифлурамин, динитрамин и др.), фенилмочевины (гербициды хлороксурон, диурон, монурон, флуометурон, линурон и др.), симметричные триазины, фосфорорганические соединения, алкиламины и др. ксенобиотики. Эти реакции осуществляются оксигеназами микроорганизмов, а также клетками печени.

О-дезалкилирование ароматических эфиров

О H R | C | OH

+ RCHO

OCH₂R

N-дезалкилирование вторичных аминов

+ RCHO

NHCHR | OH

NHCH₂R

NH₂

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, 6-дибензантрацена в организме грызунов (образуются канцерогены) или при деградации некоторых азотсодержащих пестицидов, которые легко превращаются в высокомутагенные и канцерогенные соединения: так, гербицид симазин окисляется в опасный канцероген.

Биологическое окисление, катализируемое системами микросомальных ферментов, включает широкий круг реакций, но все они могут быть сведены к одному общему механизму, а именно к гидроксилированию:

[O]

Ароматическое гидроксилирование: С₆Н₅Х ® HOC₆H₄X.

[O]

Ациклическое (алифатическое) окисление: RСН₃ ® RCH₂OH.

[O]

О-дезалкилирование: ROСН₃ ® ROCH₂OH ® ROH +HCHO.

[O]

N-дезалкилирование: RNHCH₃ ® RNHCH₂OH ® RNH₂ + HCHO.

R R'

[O]

Дезаминирование: CHNH₃® C(OH)NH₂ ® C СO + NH₃.

[O]

Сульфоокисление: RSR' ® [RS + (OH)R'] ® RSOR' + H⁺.

Для всех этих реакций требуется восстановленный кофермент НАДФН₂ или НАДН и кислород. Кислород гидроксильной группы, введенный в чужеродное соединение, извлекается из молекулярного кислорода, а не из воды. Поэтому микросомальное окисление чужеродного соединения пропорционально окислению НАДФН₂ и его могут конкурентно ингибировать другие чужеродные соединения.

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒