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. ξένος
- чуждый
и βίος
- жизнь)
- условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических
веществ, естественно не входящих в биотический круговорот.
Ксенобиотики могут быть низко- и
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 [1].
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 [2].
Общий механизм обезвреживания ксенобиотиков
цитохром
обезвреживание ксенобиотик
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 [3].
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) [4].
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) [5]. 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.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.цитохром b5
-редуктаза и цитохром b5, являясь "заякоренными" белками, не
фиксированы строго на определённых участках мембраны ЭР и поэтому могут менять
свою локализацию [3].
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.
. 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.
. 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