Основы ксенобиологии

организма. Таким образом, биологический смысл биотрансформации – превращение химического вещества в форму, удобную для выведения из организма, и тем самым сокращение времени его действия. Для метаболизма некоторых ксенобиотиков достаточно только первой или второй фазы биотрансформации. Однако большинство веществ претерпевает оба типа превращений.

Первая фаза метаболизма

Как правило, реакции первой фазы протекают по особому механизму. Обязательным участником реакции является молекулярный кислород, причем один атом кислорода встраивается в субстрат, а второй – дает молекулу воды:

RH + O2 + 2H → ROH + H2O

Благодаря такому механизму использования молекулярного кислорода ферменты часто называют монооксигеназами. Важным компонентом монооксигеназ является цитохром Р450. Это аналог цитохромов, функционирующих в дыхательной цепи митохондрий. Все цитохромы имеют в своем составе гем – группировку, сходную с небелковой группировкой в составе гемоглобина. В центре такой группировки располагается атом железа, который может менять свою степень окисления +2 ↔ +3. Благодаря атому железа реакции с участием монооксигеназ являются окислительно-восстановительными, т.е. происходит передача электронов.

RH		RОH H2О
	Р450+3
Р450+3		Р450+2
│		│ │
RH	Р450+2	RH O2-
	│
е-	RH	-
		е
		О2

В качестве донора электронов используются восстановленные формы НАДФН2 или НАДН2.

Биотрансформация ксенобиотиков при участии монооксигеназ может приводить к следующим последствиям:

21

– отщеплению алкильных групп

ROCH3 → ROH + CH3OH,

– введению в молекулу гидроксильной группы

RCH3 → RCH2OH,

– замене аминогруппы на кетогруппу (окислительное дезаминирование) RCH2NH2 → RCHO + NH3,

– окисление по атому серы

R–S–R’ → R–SO–R’.

Значительно реже встречаются реакции восстановления и гидролиза ксенобиотиков.

Вторая фаза биотрансформации

В реакциях второй фазы из ксенобиотиков и эндогенных соединений образуются более сложные молекулы. Схематично реакцию конъюгации можно представить в следующем виде:

RX + эндогенное соединение фермент конъюгат

Как большинство реакций синтеза, эта реакция требует затрат энергии. Энергия тратится на перевод одного из участников реакции (ксенобиотика или эндогенного вещества) в активированное (реакционноспособное) состояние. Реакции конъюгации катализируют ферменты трансферазы, переносящие заместитель с одного соединения на другое.

Конъюгация с глюкуроновой кислотой – образование глюкоуронидов - наиболее распространенный тип конъюгации. В реакции участвует активная форма глюкуроновой кислоты – УДФ-глюкуроновая кислота. Остаток кислоты может присоединяться по атому кислорода, азота или серы.

	COOH		COOH
		COOH
	OH
		O	O C6H9O6

+

Салицило вая кисло та

Образование эфиров серной кислоты – эволюционно один из древних видов биотрансформации. В этом случае донором является сульфатированная молекула АДФ (3′-фосфоадено-5′-фосфосульфат).

R–NH2 + SO42- → R–NH–SO3H,

или

R–OH + SO42- → R–O–SO3H.

22

Метилирование – может проходить по атомам кислорода, азота и серы. Донором является S-аденозилметионин.

N

CH2

CH2

NH2

CH2

CH2

NH2

NH

N N CH

3

Гистам ин

М етилгистам ин

Ацетилирование – основной путь превращения ароматических аминов, сульфамидов и некоторых ароматических аминокислот. Донором ацетата является ацетил-КоА.

COOH

COOH

CH3COOH

	NH2		NH		CO		CH3
ï -àì èí î áåí çî éí àÿ
кисло та

Конъюгация с глицином – характерна для превращения ароматических карбоновых кислот (бензойная, гетероциклические). В результате образуется пептидная связь.

COOH	CO		NH-CH2-COOH

H2N-CH2-COOH

áåí çî éí àÿ	ãèï ï óðî âàÿ
кисло та	кисло та

Изменение активности ксенобиотиков в ходе трансформации

Вследствие химических превращений биологическая активность ксенобиотиков, как правило, меняется. Может происходить:

1)ослабление биологической активности – биоинактивация – например, цианиды в организме превращаются в роданиды, которые менее токсичны;

2)усиление активности – биоактивация – например, фторэтанол превращается во фторуксусную кислоту, являющуюся более токсичной.

3)изменения характера действия – этиленгликоль вызывает опьянение, а продукты его превращения – повреждают почки.

23

4) инициация токсического процесса – продукты превращения некоторых углеводородов запускают свободно-радикальные процессы в клетках, в итоге инициируется мутагенное, канцерогенное действие.

Факторы влияющие на биотрансформацию ксенобиотиков

Способность организма превращать ксенобиотики зависит от набора и активности ферментов, участвующих в этом процессе. Набора и активность ферментов в свою очередь определяется внутренними свойствами организма и условиями окружающей среды.

К внутренним свойствам относят вид, пол, возраст, индивидуальные генетические различия.

Индивидуальные различия объясняются генетически запрограммированной высокой или низкой активностью тех или иных монооксигеназ. В результате появляется устойчивость или высокая чувствительность к некоторым соединениям.

Возрастные различия наиболее отчетливо проявляются у новорожденных и у лиц пожилого возраста. У новорожденных мышей, крыс и морских свинок отсутствуют микросомальные ферменты. Они появляются только через несколько дней после рождения и их количество достигает максимума через 4 недели, у человека - через 8 недель. Из-за такой особенности новорожденные особенно чувствительны к различным токсикантам. В пожилом возрасте происходит снижение активности микросомных ферментов, кроме того, снижается интенсивность печеночного кровотока и возникают хронические патологии печени. В результате Биотрансформация ксенобиотиков снижается.

Половые различия в превращениях ксенбиотиков обусловлены влиянием половых гормонов на активность монооксигеназ.

Среди условий среды наибольшее значение имеет поступление в организм различных химических соединений, т.е. ксенобиотики способны изменять метаболизм друг друга. Поэтому при назначении лекарств обязательно обращают внимание на их совместимость. Химические вещества могут повышать активность ферментов биотрансформации – индукторы, или понижать ее – ингибиторы. Механизм повышения активности может быть связан с 1) увеличением площади гладкой ЭПС, где локализуются микросомальные ферменты; 2) усиленным синтезом новых молекул ферментов.

Механизмы действия ингибиторов различаются. Конкурентные ингибиторы структурно похожи на субстрат данного фермента, а значит, конкурируют за связывание с активным центром фермента. Например, этиловый спирт - ингибитор превращений метанола. Неконкурентные ингибиторы изменяют структуру фермента. Например, связываются с

24

атомом железа в составе цитохрома Р450. Некоторые вещества разрушают мембраны ЭПС, в которую встроены ферменты.

Как влияет индукция и ингибирование ферментов на активность ксенобиотиков? В большинстве случаев можно придерживаться следующего правила. Если ксенобиотик подвергается в организме детоксикации, угнетение его метаболизма к повышению токсичности, если происходит биоактивация, токсичность вещества понижается. Например, токсин грибов рода Coprinus угнетает фермент, отвечающий за переработку этанола в организме. Через 3-6 часов после их приема внутрь развивается повышенная чувствительность к алкоголю, продолжающаяся трое суток. После приема этанола в течение 20 минут появляются тошнота, рвота, резная головная боль, тахикардия и другие симптомы отравления алкоголем. Этот факт был давно подмечен и используется в народной медицине при лечении алкоголизма.

25

Лекция 4. Выведение ксенобиотиков из организма

При выведении веществ в окружающую среду, организм использует те же механизмы, что и при резорбции. Однако ведущим процессом при экскреции является не диффузия, а фильтрация чужеродных веществ через биологические барьеры. Основным органом выделения являются почки. Кроме того, выделение может происходить через легкие, печень, кожу.

Молекулярная масса – один из важнейших факторов, определяющих путь элиминации. Существует порог, ниже которого располагаются вещества, выделяющиеся преимущественно через почки, выше – через печень. Значение этого порога достаточно условно, т.к. неодинаково у представителей разных видов.

Вид	Порог молекулярной массы
Крыса	325
Морские свинки	400
Кролики	475
Человек	500-700

Кроме того, через почки выделяются вещества, хорошо растворяющиеся в воде, даже с молекулярной массой выше «пороговой».

Выделение через почки

Процесс почечной экскреции можно разбить на 3 этапа: фильтрация, секреция и реабсорбция.

Фильтрация веществ происходит через барьер, образованный тремя слоями: стенкой капилляра, базальной мембраной и капсулой клубочка. Общая площадь фильтрующей поверхности у человека составляет 2-3 м2. Размер пор в базальной мембране такой, что через нее легко проходят низкомолекулярные соединения и задерживаются крупные частицы. Поэтому фильтрат содержит все основные части плазмы крови кроме белков и клеточных элементов. Не попадают в первичную мочу и низкомолекулярные соединения, связанные с белками крови. Если связь прочная и высвобождение веществ затруднено, процесс выделения вещества затягивается во времени.

Для веществ, выделяющихся исключительно посредством фильтрации можно рассчитать время полувыведения t1/2.

t1/ 2 = ln 2v Vd ,

где v – скорость фильтрации, у человека обычно 130 мл/мин. При различных объемах распределения период выведения будет существенно различен:

26

VD (л)	4	15	55	200
t1/2 (мин)	20	80	290	1060

Сравнивая расчетные и экспериментальные значения t1/2 можно судить механизмах выведения вещества через почки. Если величины близки, то вещество выводится преимущественно путем фильтрации, если же существенно различаются, то можно говорить об использовании дополнительных механизмов выведения вещества через почки.

Реабсорбция (обратная резорбция) – извлечение веществ из первичной мочи в почечных канальцах. Первоначально из мочи удаляется около 99 % воды. Это приводит к повышению концентрации растворенных в воде веществ, среди них ксенобиотиков. Таким образом, формируется высокий градиент концентрации веществ между содержимым канальцев и плазмой крови. Градиент концентрации вызывает диффузию веществ из первичной мочи в кровь. Однако из-за наличия барьера в кровь могут попасть не все соединения, а только жирорастворимые вещества, неионизированные молекулы водорастворимых веществ и вещества с малой молекулярной массой. Это значит, что выведение через почки слабых кислот и оснований зависит от рН мочи. При подкислении мочи (путем назначения хлористого аммония) слабые основания переходят в ионизированную форму, следовательно, хуже реабсорбируются, и лучше выводятся из организма. По той же причине при подщелачивании мочи (путем приема соды) из организма лучше выводятся слабые кислоты (например, барбитураты).

Канальцевая секреция – активный транспорт из крови в мочу органических кислот против градиента концентрации. Секретироваться могут как простые, так и сложные молекулы. Условием переноса является наличие в них групп –СООН или –SO3- и гидрофобного участка.

О механизмах, лежащих в основе выведения ксенобиотиков через почки, можно судить и по соотношению их концентраций в моче и плазме крови:

Смочи /Сплазмы = 1 - в основе процесса лежит фильтрация; Смочи /Сплазмы < 1 - фильтрации сопутствует реабсорбция значительной

части ксенобиотика; Смочи /Сплазмы > 1 - превалируют механизмы секреции ксенобиотика.

Выделение через печень

В отношении ксенобиотиков печень выступает и как орган выведения и как орган биотрансформации. Вещества, захваченные клетками печени, выделяются в желчь, а затем попадают в желудочнокишечный тракт. Клетки печени синтезируют специальные белки, функция

27

которых – активный транспорт ксенобиотиков через мембраны. Один из этих белков связывается с глюкуроновой кислотой и сульфатом. Таким образом, вторая фаза биотрансформации не только превращает вещества в более растворимые в воде, но и подготавливает молекулы к активному транспорту за пределы клетки.

О проникновении вещества в клетки печени можно судить по соотношению Сжелчи/Скр. Сжелчи = Скр . – вещество выделяется печенью

путем простой диффузии. Например, ионы Na+, K+, Cl-. Сжелчи/Скр > 1 – вещество использует механизм активного транспорта. Молекулы,

содержащие полярные и неполярные группы. Сжелчи/Скр <1 – молекулы вещества плохо проникают в клетки печени и желчь (например, белки).

Попавшие в желчь вещества увеличивают ее осмотическое давление, что способствует переходу в желчь воды и ионов. Вследствие этого, ксенобиотики, активно выделяющиеся в желчь, в той или иной степени обладают желчегонным действием.

Печеночный клиренс рассчитывают по уравнению:

Сl = v(Caр −Cвен ) ,

Сар

где Сар – концентрация вещества в крови печеночной артерии, Свен – концентрация вещества в крови печеночной вены,

v – интенсивность печеночного кровотока (мл/мин). В норме у человека – 1 мл/мин г печеночной ткани.

Скорость выведения некоторых веществ в желчь весьма велика. Например, период полувыведения t1/2 для бензаперена печенью крыс после внутривенного введения составляет 1,7 минуты, т.е. в течение 5 минут выделяется около 60 % от введенной дозы. Однако это не означает, что с такой же скоростью вещество выводится из организма. Дело в том, что если с желчью выделяется липофильное соединение, то в просвете кишечника, оно подвергается быстрой обратной резорбции и по системе портальной вены вновь поступает в печень - развивается "внутрипеченочная циркуляция" ксенобиотика. Поэтому жирорастворимые вещества (в том числе и бензпирен) надолго задерживаются в организме. Их элиминация возможна лишь в результате биотрансформации. Таким образом, с желчью из организма могут выделяться только плохо растворимые в жирах соединения.

Выделение через легкие

Через легкие выделяются летучие вещества и летучие метаболиты ксенобиотиков. Основным механизмом является диффузия через альвеолярно-капиллярный барьер. Переход летучего вещества из крови в воздух альвеол определяется градиентом парциального давления между

28

средами. Давление пара пропорционально концентрации вещества в крови

иобратно пропорционально растворимости:

Р= CкрVM Pатм ,

λ

где Р – давление пара, Скр – концентрации вещества в крови (в молях),

VM – молярный объем идеального газа (22,4 л) Ратм – атмосферное давление (в паскалях)

λ – коэффициент распределения в системе кровь/газ.

Вследствие этого у веществ с разной растворимостью при одной и той же концентрации парциальное давление различно. Кроме того, чем меньше растворимость ксенобиотика, тем быстрее выделяется вещество. При растворимости ксенобиотика близкой к 0 в нормальных условиях у человека t1/2 равно примерно 13 минутам.

Выведение веществ через легкие зависит также от эффективности вентиляции легких и интенсивности кровотока:

	t1/ 2	=	ln 2 Vd (Э+λCкр )	,
			Э v

где Э – эффективность легочной вентиляции, л/мин v – скорость легочного кровотока, л/мин.

Оказалось, что эффективность вентиляции существенно влияет на выведение веществ, хорошо растворимых в крови (эфир); а интенсивность кровотока – на удаление плохо растворимых веществ (этилен). Это правило позволяет подбирать препараты для ускорения выведения летучих токсинов – либо лекарств увеличивающие вентиляцию, либо стимуляторы сердечной деятельности.

Другие способы выведения

Выделение вещества через кишечник происходит в следующих случаях: а) в результате неполного всасывания в желудочно-кишечном тракте; б) в результате экскреции с желчью (без последующей реабсорбции в кишечнике); в) в результате выделения слизистой желудочно-кишечного тракта.

Некоторые вещества могут выводится с секретом потовых, сальных и слюнных желез. Эти способы экскреции практически не сказываются на продолжительности нахождения веществ в организме, но могут лежать в основе появления отдельных признаков интоксикации (угреобразная сыпь при отравлении полигалогенированными полициклическими углеводородами; свинцовая кайма на деснах).

29

Важное место занимает выделение веществ с молоком. Установлено, что быстро элиминируемые, хорошо растворимые в воде ксенобиотики таким путем практически не выделяются. Наоборот, жирорастворимые соединения с большим периодом полувыведения определяются в молоке порой в значительных количествах. Так, в эксперименте установлено, что элиминация хлорсодержащих инсектицидов в коровье молоко может составлять до 25% от введенного количества.

Особенности поступления и выведения ксенобиотиков

урастений

Урастений нет специализированных путей поступления и выведения ксенобиотиков. Для этого используются, главным образом, через корни и листья. Через корневую систему поступают разнообразные гидрофильные

илипофильные молекулы, в том числе и очень плохо растворимые в воде. В процессе поступления органических ксенобиотиков в корни из водных растворов выделяют 2 фазы. Первая фаза – быстрая диффузия в межклетники корня, вторая – медленное продолжительное поступление вещества и его распределение по всему растению. В этот период количество накапливаемого ксенобиотика пропорционально времени экспозиции. Через листья поступают вещества, содержащиеся в атмосфере

иатмосферных осадках, а также попадающие на листья при опрыскивании (пестициды). Проникновнеие в ткань листа происходит либо через кутикулу (липофильные молекулы), либо через устьица (гидрофильные молекулы).

В последующем распределении ксенобиотиков в тканях растения принимают участие сосуды флоэмы и ксилемы. Выделение веществ может происходить через корни. Поэтому вещества, поступающие через листья, редко аккумулируются в корнях. И наоборот, выделение через листья – явление редкое. Вследствие этого, концентрация веществ, поступающих через корень, может достигать в наземных органах значительных величин. Так, гербициды, поглощенные корнями создают в наземных органах фототоксические концентрации. Наиболее распространенный способ изоляции ксенобиотика – заключение в клеточные вакуоли.

Растения способны к биотрансформации ксенобиотиков. Ферменты, катализирующие эти реакции, обнаружены в разных частях растения: корнях, корнеплодах, корневищах, листьях, зрелых плодах. Трансформация ксенобиотиков у растений, как и у животных, протекает за счет реакций окисления, восстановления, гидролиза и последующей конъюгации. Среди реакций конъюгации наиболее характерна конъюгация с глюкозой, реже с аминокислотами, белками или лигнином.

30