Роль цитохрома P450 в обезвреживании ксенобиотиков

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра биохимии

Реферат

Роль цитохрома P450 в обезвреживании ксенобиотиков

Подготовила:

Сироткина Дана Петровна, студентка 2 курса, специальность микробиология Проверила:

Кандидат биологических наук, доцент Т. А. Кукулянская Минск, 2014

Введение

Ксенобиотики (от греч. оЭнпт — чуждый и вЯпт — жизнь) — условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот.

Ксенобиотики могут быть низкои высокомолекулярными. Ксенобиотики включают такие соединения как пестициды, промышленные яды, отходы производств. Кроме поллютантов к ксенобиотикам относятся многие синтетические и природные лекарственные средства, лекарственные препараты, пищевые добавки, косметические составы и прочие. Различные авторы, используя термин «ксенобиотики», вкладывают в него двоякий смысл, исходя из того, по отношению к чему данное вещество является чужеродным: по отношению к конкретному виду организмов (широкая трактовка термина) или по отношению ко всей биосфере (узкая трактовка термина). Однако и сам термин ксенобиотик довольно условный, поскольку для одних организмов то или иное вещество может быть естественным (алкалоиды для растений), а для других — чужеродным (те же алкалоиды для животных). Кроме того, некоторые соединения, например этиловый спирт, могут быть одновременно чужеродными и природными для одного и того же организма.

В XX веке происходят всевозрастающее загрязнение ксенобиотиками внешней среды и увеличивающееся их поступление в организм человека. Это серьезно угрожает здоровью и даже жизни всех живых существ, включая человека, так как повреждает клетки и вызывает мутации, ведущие к злокачественным процессам или наследственным заболеваниям.

Общий механизм обезвреживания ксенобиотиков цитохром обезвреживание ксенобиотик Обезвреживание большинства ксенобиотиков происходит путём химической модификации и протекает в 2 фазы (Рис.1). В результате этой серии реакций ксенобиотики становятся более гидрофильными и выделяются с мочой. Вещества, более гидрофобные или обладающие большой молекулярной массой (>300 кД), чаще выводятся с жёлчью в кишечник и затем также удаляются.

Система обезвреживания включает множество разнообразных ферментов, под действием которых практически любой ксенобиотик может быть модифицирован.

В обезвреживании ксенобиотиков могут принимать участие ферменты почек, лёгких, кожи и ЖКТ, но наиболее активны они в печени. К группе микросомальных ферментов относят специфические оксидазы, различные гидролазы и ферменты конъюгации.

Рисунок 1 — Двухфазный механизм обезвреживания ксенобиотиков В первой фазе наиболее важной является локализованная в основном в мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР) система цитохрома Р450, называемая также микросомальной системой метаболизма или монооксигеназной системой. Ее основные функции — образование в молекуле гидрофильных функциональных групп.

Окисление гидрофобных субстратов в микросомах идет по трем основным путям:

включение атома кислорода в связь между атомом водорода и каким-либо другим атомом молекулы-субстрата (гидрокеширование);

добавление дополнительного атома кислорода в л-связь (эпоксидирование);

присоединение атома кислорода к молекуле (окисление).

Окисление ксенобиотиков, как правило, приводит к их дезактивации. Однако в некоторых (и не таких редких) случаях метаболиты ксенобиотиков становятся, наоборот, более активными (активация) и даже более токсичными (токсификация). Активируются в организме и некоторые лекарства, и тогда они именуются пролекарствами, ведь истинные лекарства — это их активные метаболиты.

Во второй фазе, называемой конъюгацией, в ходе которой происходит присоединение к функциональным группам, образующимся на первом этапе, других молекул или групп эндогенного происхождения, увеличивающих гидрофильность и уменьшающих токсичность ксенобиотиков.

Роль цитохрома P450 в обезвреживании ксенобиотиков Цитохром P450 — универсальная гемсодержащая монооксигеназа. Данный цитохром играет важную роль в окислении ксенобиотиков. Он содержит простетическую группу гем и имеет участки связывания для кислорода и субстрата (ксенобиотика). Название цитохром Р450 указывает на то, что максимум поглощения комплекса цитохрома Р450 лежит в области 450 нм.

Цитохром P450 вовлечен в метаболизм самых разнообразных ксенобиотиков. Основной ролью этого фермента является очистка организма от лекарственных препаратов, которой он способствует намного больше, чем любые ферменты других групп.

Рисунок 2 — Общая схема каталитического механизма P450

Механизм катализа Микросомальная система не содержит растворимых в цитозоле белковых компонентов, все ферменты — мембранные белки, активные центры которых локализованы на цитоплазматической поверхности ЭР. Система включает несколько белков, составляющих электронтранспортные цепи (ЦПЭ). В ЭР существуют две такие цепи, первая состоит из двух ферментов — NADPH-P450 редуктазы и цитохрома Р450, вторая включает фермент NADH-цитохром-b5 редуктазу, цитохром b5 и ещё один фермент — стеароил-КоА-десатуразу.

Электронтранспортная цепь — NADPH-P450 редуктаза — цитохром Р450. В большинстве случаев донором электронов (e-) для этой цепи служит NADPH, окисляемый NАDРН-Р450 редуктазой. Фермент в качестве простетической группы содержит 2 кофермента — флавинаденинди-нуклеотид (FAD) и флавинмононуклеотид (FMN). Протоны и электроны с NADPH переходят последовательно на коферменты NADPH-P450 редуктазы. Восстановленный FMN (FMNH2) окисляется цитохромом Р450 (см. схему ниже).

Окисляемый субстрат (донор электронов) для NADH-цитохром b5 -редуктазы — NADH (см. схему ниже). Протоны и электроны с NADH переходят на кофермент редуктазы FAD, следующим акцептором электронов служит Fe3+ цитохрома b5. Цитохром b5 в некоторых случаях может быть донором электронов (e-) для цитохрома Р450 или для стеароил-КоА-десатуразы, которая катализирует образование двойных связей в жирных кислотах, перенося электроны на кислород с образованием воды.

NADH-цитохром b5 редуктаза — двухдоменный белок. Глобулярный цитозольный домен связывает простетическую группу — кофермент FAD, а единственный гидрофобный «хвост» закрепляет белок в мембране.

Цитохром b5- гемсодержащий белок, который имеет домен, локализованный на поверхности мембраны ЭР, и короткий «заякоренный» в липидном бислое спирализованный домен.

NADH-цитохром b5 -редуктаза и цитохром b5, являясь «заякоренными» белками, не фиксированы строго на определённых участках мембраны ЭР и поэтому могут менять свою локализацию.

Известно, что молекулярный кислород в триплетном состоянии инертен и не способен взаимодействовать с органическими соединениями. Чтобы сделать кислород реакционно-способным, необходимо его превратить в синглетный, используя ферментные системы его восстановления. К числу таковых принадлежит моноксигеназная сисгема, содержащая цитохром Р450. Связывание в активном центре цитохрома Р450 липофильного вещества RH и молекулы кислорода повышает окислительную активность фермента.

Рисунок 3 — Электронтранспортные цепи ЭР

RH — субстрат цитохрома Р450; стрелками показаны реакции переноса электронов. В одной системе NADPH окисляется NADPH цитохром Р450-редуктазой, которая затем передаёт электроны на целое семейство цитохромов Р450. Вторая система включает в себя окисление NADH цитохром b5-редуктазой, электроны переходят на цитохром b5; восстановленную форму цитохрома b5 окисляет стеароил-КоА-десатураза, которая переносит электроны на О2.

Один атом кислорода принимает 2 е- и переходит в форму О2-. Донором электронов служит NADPH, который окисляется NADPH-цитохром Р450 редуктазой. О2- взаимодействует с протонами: О2- + 2Н+> Н2О, и образуется вода. Второй атом молекулы кислорода включается в субстрат RH, образуя гидроксильную группу вещества R-OH (Рис.2).

Суммарное уравнение реакции гидроксилирования вещества RH ферментами микросомального окисления:

RH + О2 + NADPH + Н+ > ROH + Н2О + NADP+

Субстратами Р450 могут быть многие гидрофобные вещества как экзогенного (лекарственные препараты, ксенобиотики), так и эндогенного (стероиды, жирные кислоты и др.) происхождения.

Заключение

Таким образом, в результате первой фазы обезвреживания с участием цитохрома Р450, который играет ключевую роль в процессах обезвреживания ксенобиотиков, происходит модификация веществ с образованием функциональных групп, повышающих растворимость гидрофобного соединения, что в дальнейшем помогает их более легкому выведению из организма. В результате модификации возможна потеря молекулой её биологической активности или даже формирование более активного соединения, чем вещество, из которого оно образовалось.

В подавляющем большинстве случаев, детоксикаия с участием цитохрома P450 обеспечивает обезвреживание десятков тысяч ксенобиотиков 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 ксенобиотиков происходит в разных частях клетки, но наиболее активные системы находятся в ЭПС и гиалоплазме. Это обеспечивает метаболизм или связывание ксенобиотиков 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.

Список использованных источников

1. Ксенобиотики. Основные закономерности взаимодействия c ион-транспортными системами плазматической мембраны растительной клетки. Оценка их биобезопасности / В. М Юрин [ и др.]; Белорусский Государственный Университет. — Минск, 2007. — 14 с.

2. Кулинский В. И. Обезвреживание ксенобиотиков / В. И Кулинский // Соросовский образовательный журнал — 1999. — № 1. C. 8−12.

3. Андрианова Л. Е., Силуянова С. Н. Механизмы обезвреживания ксенобиотиков / Л. Е. Андрианова [и др.] // Биохимия: Учеб. для вузов / под ред. Е. С. Северин. — Москва, 2003. — Гл. 12. — С. 616−650.

4. Стожаров, А. Н. Медицинская экология: учеб. пособие / А. Н. Стожаров. — Минск, 2008. — 368 с.

5. Ioannides С. Enzyme Systems that Metabolise Drugs and Other Xenobiotics / C. Ioannides — John Wiley & Sons Ltd, 2001. — 556 p.

6. База знаний по биологии человека [Электронный ресурс] / База знаний по биологии человека — Москва, 2001. — Режим доступа: http://humbio.ru. — Дата доступа: 09.11.2014