Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Введение в биохимическую экологию: Учебное пособие

Голосов: 10

В учебном пособии рассматриваются вопросы, посвященные экологической роли химических веществ, являющихся посредниками в экологических взаимоотношениях между организмами. Рассмотрены биохимические механизмы биотрансформации ксенобиотиков в экосистемах. Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов биологических и экологических специальностей.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        6.1.3. Следствия химической модификации молеку
лы ксенобиотика
     А. Ослабление токсичности
     Метаболизм многих ксенобиотиков сопровождается обра
зованием продуктов, уступающих по токсичности исходным
веществам. Так, роданиды, образующиеся в ходе биопревраще
ния цианидов, в несколько сот раз менее токсичны, чем исход
ные ксенобиотики (п. 3.2.1 А). Гидролитическое отщепление от
молекул зарина и зомана иона фтора приводит к утрате этими
веществами способности угнетать активность ацетилхолинэсте
разы и существенному понижению их токсичности. Процесс
утраты ксенобиотиком токсичности в результате биотрансфор
мации называется «метаболическая детоксикация».
     Б. Усиление токсичности
     В процессе метаболизма ряда веществ образуются более
токсичные соединения. Примером таких превращений является
образование в организме фторуксусной кислоты при интокси
кации фторэтанолом.
     Процесс образования токсичных продуктов метаболизма
называется токсификация, а продукты биотрансформации, об
ладающие высокой токсичностью – токсичными метаболитами.
Во многих случаях токсичный метаболит является нестабиль
ным продуктом, подвергающимся дальнейшим превращениям.
В этом случае он также называется промежуточным или реак
тивным метаболитом. Общим свойством практически всех реак
тивных метаболитов является их высокая электрофильность.
Эти вещества вступают во взаимодействие с нуклеофильными
молекулами, повреждая их. К числу последних относятся мак
ромолекулы клеток, в структуру которых входят в большом
количестве атомы кислорода, азота, серы – белки и нуклеино
вые кислоты. Реактивные метаболиты либо присоединяются к
нуклеофильным молекулам, образуя с ними ковалентные связи,
либо вызывают их окисление. В обоих случаях структура и
функции макромолекул нарушаются.
     В. Изменение характера токсического действия
     В ряде случаев в ходе биотрансформации ксенобиотиков
образуются вещества, способные совершенно иначе действовать
на организм, чем исходные агенты. Так, некоторые спирты
(этиленгликоль) вызывают седативно гипнотический эффект
                            121


(опьянение, наркоз). В ходе их биопревращения образуются
соответствующие альдегиды и органические кислоты (щавеле
вая кислота), способные повреждать паренхиматозные органы
и, в частности почки. Многие низкомолекулярные вещества,
являющиеся факультативными аллергенами, подвергаются в
организме метаболическим превращениям с образованием реак
ционноспособных промежуточных продуктов. Так, соединения,
содержащие в молекуле амино или нитрогруппу, в ходе мета
болизма превращаются в гидроксиламины, активно взаимодей
ствующие с протеинами крови и тканей, формируя полные ан
тигены. При повторном поступлении таких веществ в организм
помимо специфического действия развиваются аллергические
реакции.
     Г. Инициация токсического процесса
     Иногда сам процесс метаболизма ксенобиотика является
пусковым звеном в развитии интоксикации. Например, в ходе
биологического окисления ароматических углеводородов обра
зуются ареноксиды, формирующие ковалентные связи с нук
леофильными структурами клеток (белками, сульфгидрильны
ми группами, нуклеиновыми кислотами и т. д.) и активирую
щие перекисное окисление липидов биологических мембран
(рис. 38). В итоге инициируется мутагенное, канцерогенное,
цитотоксическое действие токсикантов.




    Рис. 38. Образование ареноксидов (бензпирендиолэпоксида) в
           процессе метаболизма бенз(а)пирена при участии оксидаз
           смешанных функций

     Аналогично ареноксидам на клетки действуют нитрозами
ны, гидроксиламины, нафтанол и многие другие ксенобиотики,
также являющиеся канцерогенами и мутагенами.



                              122


     6.2. Реакции первой фазы метаболизма ксенобиотиков

     Разнообразие чужеродных химических веществ, способ
ных подвергаться в организме метаболическим превращениям,
является следствием многообразия и низкой субстратной спе
цифичности ферментов, участвующих в l й фазе биотрансфор
мации. Многие из этих ферментов существуют в нескольких
изоформах, различающихся по своим физико химическим свой
ствам, отношению к индукторам и ингибиторам и активностью
в отношении субстратов различного строения.
     Как уже указывалось, особое значение для биотрансфор
мации ксенобиотиков имеют микросомальные ферменты, кото
рые не принимают участие в окислении большинства эндоген
ных соединений (аминокислоты, нуклеотиды, сахара и т. д.).
Исключение составляют эндогенные стероиды, простогландины,
некоторые жирные кислоты, которые наряду со специфически
ми ферментными комплексами метаболизируются микросомаль
ными оксидазами.
     Ферменты l й фазы, участвующие в процессе биотранс
формации ксенобиотиков, относятся к двум классам: оксидоре
дуктазы и гидролазы.
     6.2.1. Реакции окисления ксенобиотиков
     Известно несколько видов ферментов, катализирующих
окислительно восстановительные реакции с участием токсикантов:
       цитохром Р 450 зависимая монооксигеназная система;
       флавинсодержащие монооксигеназы;
       пероксидазы;
       дегидрогеназы;
       флавопротеинредуктазы.
     А. Цитохром Р 450 зависимая монооксигеназная система
     Цитохром Р 450 зависимые оксидазы (Р 450) обладают
низкой субстратной специфичностью, вызывая превращения
веществ самого разного строения, и потому часто называются,
как и флавинсодержащие монооксигеназы, оксидазами смешан
ной функции. Р 450 относятся к группе гемопротеинов типа
цитохромов b – пигментов, активно связывающих монооксид
углерода. Название «цитохром Р 450» характеризует максимум
поглощения света пигментом, связанным с СО, при длине вол
ны 450 нм.

                             123


     Разные ткани содержат несколько различных изоформ Р
450, причем, изоферменты часто проявляют перекрестную суб
стратную специфичность. Поэтому в метаболизме ксенобиотика
принимает участие более чем один изофермент. Наличие спе
цифических форм ферментов обусловлено генетическими меха
низмами, а повышение содержания в тканях различных изо
ферментов индуцируется различными ксенобиотиками: лекарст
вами, ядами, экотоксикантами.
     Реакции микросомального окисления, протекающие при
участии Р 450, как правило, зависят от содержания O2 и
NADPH,H+ в среде. Молекулярный кислород активируется ци
тохромом Р 450 с помощью NADPH при участии флавинсодер
жащего фермента NADPH цитохром Р 450 редуктазы (рис. 39).
                   е-
        NADPH               флавопротеин
                            ы
                                    е-

        субстрат               Р-450           продукт


    Рис. 39. Кофакторы цитохром Р 450 зависимой оксидазы

    Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом:

      RH + O2 + NADPH + H+               ROH + NADP+ + H2O

     Последовательность реакций, протекающих с участием
микросомального монооксигеназного комплекса представлена
на рис. 40.
     На начальном этапе ксенобиотик (S) вступает во взаимо
действие с окисленной формой цитохрома Р 450 (его белковой
частью). Затем к этому комплексу с помощью NADPH
зависимой цитохром Р 450 редуктазы присоединяется электрон,
донором которого является восстановленный НАДФН. После
этого комплекс взаимодействует с кислородом. После взаимо
действия со вторым электроном происходит активация связан
ного с цитохромом кислорода, который приобретает способ

                             124


ность связывать протоны с образованием воды. Образовавшая
ся при этом форма цитохрома Р 450 гидроксилирует субстрат.




    Рис. 40. Схема превращения субстрата при участии Р 450


     Процесс превращения ксенобиотиков чувствителен к СО,
поскольку это вещество вытесняет кислород из геминовой груп
пы цитохрома Р 450. Поскольку Р 450 – гемопротеины, их ак
тивность отчасти регулируется процессами синтеза гема, т. е.
связана с метаболизмом железа. Нарушение метаболизма, голо
дание, понижение соотношения НАДФН/НАДФ+ могут приво
дить к снижению активности Р 450.
     Р 450 может катализировать не только окисление, но и
восстановление некоторых субстратов (например, четыреххло
ристого углерода) с образованием свободных радикалов. Такое
необычное превращение реализуется в условиях пониженного
парциального давления кислорода в тканях.
    Реакции, катализируемые цитохромом Р 450
     I. Эпоксидирование
     Метаболизм многих ароматических углеводородов и али
циклических соединений сопровождается образованием реакци
онно способных промежуточных продуктов метаболизма, спо

                              125


собных вызывать некроз клеток и являющихся канцерогенами.
Таким образом осуществляется, в частности, превращение наф
талена и образование канцерогенных продуктов метаболизма
афлатоксинов (рис. 41).




    Рис. 41. Эпоксидирование нафталена и афлатоксина В, катали
            зируемое цитохромом Р 450

     II. N окисление
     Превращению могут подвергаться такие вещества, как
анилин и его производные, ацетаминофлюорен, имины и др. В
результате окисления атома азота могут образовываться гидро
ксиламины, оксимы и N оксиды (рис. 42).




                             126


    Рис. 42. Реакции окисления атома азота в ксенобиотиках


     III. Десульфурирование
     Фосфорорганические соединения, являющиеся представи
телями большой группы инсектицидов, становятся биологиче
ски активными после ферментативного замещения атома серы
кислородом. Образующееся соединение является активным ин
гибитором ацетилхолинэстеразы (рис. 43).




    Рис. 43. Десульфурирование фосфоротиоатов, относящихся к
           группе фосфорорганических пестицидов


     IV. Окислительное деалкилирование
     Классическим примером превращения данного типа явля
ется О деалкилирование р нитроанизола. Поскольку продукт
превращения легко определяется, реакцию часто используют
для оценки активности цитохрома Р 450. Другие примеры ре
акций деалкилирования, катализируемых монооксигеназной
системой, представлены на рис. 44.

                              127


                                     А




                                     Б




                                     В

    Рис. 44. Некоторые реакции окислительного деалкилирования:
           А – О превращение р нитроанизола; Б – О деалкилирование
           инсектицида этоксихлора; В – N деалкилирование ксенобитиков

     V. Окисление тиоэфиров
     При участии цитохрома Р 450 и других монооксигеназ
происходит окисление тиоэфирных связей в молекулах многих
ксенобиотиков. Например, этот вид превращения характерен
для метаболизма сернистого иприта, при этом токсичность про
дуктов реакции возрастает (рис. 45).




    Рис. 45. Окисление тиоэфира иприта




                               128


     Б. Флавинсодержащие монооксигеназы
     Флавинсодержащие монооксигеназы (ФМО) также лока
лизуются в эндоплазматическом ретикулуме. В отличие от Р
450, ФМО встречаются в тканях в форме одной видоспеци
фичной неиндуцибельной изоформы. ФМО, акцептируя элек
трон от NADPH, окисляет ксенобиотики лишь определенного
строения – азотсодержащие вещества основного характера
(гидразины, ариламины) и тиокарбамильные соединения. Мно
гие из субстратов ФМО одновременно являются субстратами и
Р 450. Примеры некоторых реакций представлены на рис. 46.




             тиобанзамид           тиобанзамид-S-оксид

    Рис. 46. Превращение ксенобиотиков при участии флавинмоно
            оксигеназ


     В. Пероксидазы
     Обширная группа пероксидаз участвует в разрушении пе
рекиси водорода и других перекисей, превращая их в воду и
спирты. В ходе этих реакций возникают побочные продукты,
обладающие окислительными свойствами, способные взаимо
действовать с различными химическими веществами, такими
как ароматические амины, фенолы, гидрохиноны, алкены, по
лициклические ароматические углеводороды (рис. 47).


                             129


     Например, простогландинсинтетаза активирует образова
ние простогландинов из арахидоновой кислоты. В ходе после
дующего восстановления гидроперекисей окисляются другие
субстраты и среди них ксенобиотики, содержащиеся в тканях.
Такой механизм окисления веществ называется кооксидация.
Широкое распространение простогландинсинтетаз в тканях
млекопитающих позволяет предположить, что этот механизм
лежит в основе целого ряда реакций биопревращения чужерод
ных соединений, особенно в тканях с низкой активностью Р
450 (мозговой слой почек, эндотелий мочевого пузыря и т. д.).
     Mn зависимая пероксида, входящая в состав лигниназного
комплекса некоторых микроорганизмов, также способна окис
лять некоторые пестициды.

        Перекиси                           Спирты,

                       ПЕРОКСИДАЗА
        Субстрат                           Метаболиты



    Рис. 47. Принцип действия пероксидаз


     Г. Дегидрогеназы
     Помимо микросом, ферменты, участвующие в окислении
ксенобиотиков, присутствуют в митохондриях и цитозоле и от
носятся к подклассу дегидрогеназ. Основными субстратами
этих ферментов являются спирты и альдегиды.
     NAD+ зависимая алкогольдегидрогеназа обладает низкой
субстратной специфичностью, благодаря чему способна метабо
лизировать не только первичные и вторичные алифатические
спирты, но и ароматические спирты, р нитробензиловый спирт
и т. д. В результате окисления образуются соответствующие
альдегиды.
     Превращение альдегидов в кислоты катализируется NAD+
зависимыми альдегиддегидрогеназами. Специфическая фор
мальдегиддегидрогеназа в качестве кофактора использует еще и
восстановленный глутатион.
     Часто в ходе дегидрирования образуются высокотоксич
ные промежуточные (формальдегид, гликолиевый альдегид) и
конечные (муравьиная кислота, оксалат) продукты.
                             130



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика