Большая часть ядов, попадая в организм, претерпевает в нем те или иные изменения. В зависимости от вида вещества его превращения могут быть более или менее глубокими и затрагивать все поступившие в организм молекулы вещества или их часть. В последнем случае часть молекул выделяется в неизмененном виде.
Веществ, полностью выделяющихся в своем первоначальном виде, немного. К ним относятся, например, инертные газы.
Основная масса веществ подвергается в организме полному метаболизму, доходящему в отдельных случаях до конечных продуктов обмена - СО2 и Н2О. Примером являются сложные эфиры жирных кислот и алифатических спиртов. Более обычен случай лишь частичного распада соединений и выделения некоторой доли его в неизменном виде. При этом соотношение между количествами выделяющегося вещества и подвергающегося биотрансформациям зависит от концентрации вдыхаемого яда или от концентрации яда, попавшего в организм иным путем.
Типы биотрансформаций или превращений яда, происходящих в организме, определяются физико-химической структурой веществ. Их превращения могут происходить в самых разнообразных органах и тканях, в том числе и в крови. Метаболическая трансформация осуществляется, главным образом, в печени и катализируется ферментами, содержащимися в растворимых митохондриальной и микросомальной фракциях клетки.
Механизмы метаболической трансформации
токсических веществ
Процесс превращения поступивших в организм чужеродных веществ называется метаболизмом, или биотрансформацией. Вещества, образующиеся при этих превращениях, называются метаболитами.
Метаболизм ядов или токсических веществ происходит под влиянием ферментных систем. Большинство из ядов метаболизируется в печени, в которой продуцируется значительное число ферментов. Эти ферменты локализуются в митохондриях, микросомах, лизосомах печени.
Большинство ферментов, под действием которых происходит метаболизм чужеродных соединений, присущи человеческому организму. Однако ряд ферментов, необходимых для превращения ядов, отсутствуют в готовом виде, но образуются в процессе метаболизма. Иными словами, чужеродные вещества, поступившие в организм, индуцируют образование ферментов, которые катализируют их биотрансформацию. Такие ферменты получили название индуцибельных, в отличие от постоянно присутствующих, или конститутивных ферментов.
В процессе метаболизма под влиянием ферментов яды подвергаются ряду превращений, в результате которых образуются промежуточные метаболиты. В молекулах метаболитов содержатся определенные функциональные группы, от наличия которых зависит полярность и растворимость этих соединений. Как правило, метаболиты являются более полярными и водорастворимыми, чем исходные вещества, из которых они образовались. С увеличением полярности и водорастворимости метаболиты с большей легкостью выводятся из организма через почки.
За небольшим исключением метаболиты являются менее токсичными, чем соединения, из которых они образовались. Таким образом, метаболизм является одним из путей дезинтоксикации чужеродных соединений в организме.
Метаболизм ядов происходит в две фазы. В первой фазе под влиянием ферментных систем чужеродные вещества превращаются в их метаболиты. Во второй фазе метаболиты и некоторые исходные токсические вещества вступают с веществами, находящимися в организме, в реакцию конъюгации с образованием конъюгатов.
В первой фазе метаболизма катализируемые ферментами биохимические превращения могут быть разделены по видам реакций на следующие группы: реакции микросомального окисления, реакции микросомального восстановления, реакции гидролиза, реакции синтеза и конъюгации.
Микросомальное окисление
Окислению микросомальными ферментами подвергаются разнообразные по строению органические жирорастворимые соединения. В основе этих реакций обычно лежит гидроксилирование. Реакции гидроксилирования осуществляются рядом сопряженных окислительно-восстановительных этапов, которые в упрощенном виде сводятся к следующему: восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ•Н) превращает кислород в активную молекулярную форму; активированный кислород в присутствии различных гидроксилаз гидроксилирует чужеродное соединение, что является обычно первой фазой реакции.
Реакции микросомального окисления протекают по следующим схемам:
1) гидроксилирование ароматического кольца:
С6Н5R ® HOC6H4R;
2) гидроксилирование боковой цепи (ациклическое):
RCH3 ® RCH2OH;
3) N-дезалкилирование:
O
R - NH - CH3 ® [R•NHCH2OH] ® RNH2 + HC ;
H
4) О-дезалкилирование:
O
R - O•CH3 ® [R•O•CH2•OH] ® R - OH + HC ;
H
5) дезаминирование:
R - CH(NH2)CH3 ® [RCOH(NH2)CH3] ® R•CO•CH3 + NH3;
6) образование сульфоксида:
R - S - CH3 ® [R - S - CH2OH] ® R - SO•CH3.
Микросомальное восстановление
В микросомальной фракции печени содержатся ферменты не только окисляющие, но и восстанавливающие чужеродные органические соединения. Восстановлению подвергаются ароматические нитро- и азосоединения и алифатические галогенсодержащие соединения. Существуют следующие этапы восстановления: микросомальный ферментативный комплекс НАДФ•Н - цитохром-с-редуктаза или НАД•Н - цитохром-в-редуктаза восстанавливает ФАД (флавинадениннуклеотид) в ФАД•Н2. Последний неферментативно восстанавливает ядовитое соединение по схеме
3 ФАД•Н2 + RNO2 ® 3 ФАД + RNH2 + 2H2O.
Немикросомальные реакции окисления,
восстановления и гидролиза
В организме существует много ферментных систем, катализирующие превращения как эндогенных, так и экзогенных субстратов. Например, в растворимой фракции гомогенатов печени, почек и легких содержится алкогольдегидрогеназа (АДГ), которая быстро окисляет многие первичные спирты в соответствующие альдегиды. Необходимым коферментом этих реакций являются окисленные формы НАД или НАДФ и участие цитохрома Р-450:
О
СН3 - СН2ОН + НАД+ ® СН3 - С + НАД•Н.
(АДГ) Н
Окисление многих алифатических и ароматических альдегидов в соответствующие карбоновые кислоты выполняют такие ферменты, как альдегидоксидазы и ксантиноксидазы, например
О
С6Н5С + Н2О + НАД+ ® С6Н5СООН + НАД•Н.
Н (Альдегидоксидаза)
Известно несколько типов немикросомального восстановления двойных связей, дисульфидов, сульфоксидов и др.
Гидролитическому расщеплению подвергаются сложные эфиры и амиды кислот. В этом процессе участвуют ферменты (эстеразы, амидазы), находящиеся в печени и в плазме крови:
(Эстераза)
RCOOR’ + H2O ® RCOOH + R’OH
Сложный эфир Кислота Спирт
(Амидаза)
RCONH2 ® RCOOH + NH3
Амид кислоты Кислота
Биотрансформация галогенсодержащих соединений может происходить также путем гидролитического дегалогенизирования в печени и почках с образованием свободных хлор- или бром-ионов и соответствующих продуктов гидролиза:
Н2О О
СН2ClBr ® HC + Cl- + Br-
Н
Реакции синтеза и конъюгации
В результате первичных реакций биотрансформации или в первой фазе метаболизма ядовитые соединения могут приобретать химически активные группы (-ОН, -СООН, -NH2, -SH). Обладая данными химически активными группами, яды вступают в реакции конъюгации с легко доступными эндогенными субстратами: глюкуроновой кислотой, сульфатом, уксусной кислотой, некоторыми аминокислотами. При этом образуются более полярные молекулы, выделяющиеся из организма с мочой. Таким образом, реакция конъюгации - это соединение метаболитов ядов с некоторыми веществами, находящимися в организме, т.е. это реакции биосинтеза.
Известны чужеродные соединения, которые, минуя первую фазу биотрансформации (не превращаясь в метаболиты), вступают в реакции конъюгации. Способность чужеродных веществ и метаболитов вступать в реакции конъюгации зависит от наличия в их молекулах определенных функциональных групп.
В режиме реакций конъюгации в организме образуются конъюгаты, которые являются более растворимыми в воде в силу полярности и менее токсичными, чем исходные чужеродные соединения. В результате реакций конъюгации происходит как понижение токсичности чужеродных соединений, так и увеличение скорости выделения их из организма. Иными словами, реакции конъюгации являются реакциями детоксикации.
В организме метаболиты и некоторые чужеродные соединения образовывают конъюгаты с глюкуроновой кислотой, аминокислотами, ацетатами, сульфатами под влиянием соответствующих ферментов. Активность некоторых ферментов, участвующих в реакциях конъюгации, зависит от их структуры. Однако имеется ряд ферментов, активность которых зависит от наличия определенных групп или молекул небелковой природы (кофакторов). В роли кофакторов могут выступать сложные органические вещества, которые называются коферментами, или ионы металлов. Коферменты - это низкомолекулярные органические соединения (в большинстве случаев - производные витаминов), обусловливающие активность ферментов. Коферменты, вступая в реакцию с белковой частью ферментов, образуют легко диссоциирующие комплексы.
Коферменты выполняют роль переносчиков групп атомов, протонов и электронов (водорода). В процессе метаболизма коферменты или удаляют из чужеродных соединений и их метаболитов определенные группы атомов, или же присоединяют их.
В некоторых случаях для проявления ферментативной активности требуются не только коферменты, но и присутствие ионов металла.
Таким образом, образование конъюгатов - сложный биохимический процесс, в основе которого лежит активирование эндогенного субстрата при участии специфических в каждом случае ферментов.
Глюкуроновая конъюгация. Глюкуроновая конъюгация - универсальная реакция связывания ядов у всех видов млекопитающих. Основным источником глюкуроновой кислоты - продукта окисления сахаров - является глюкоза или ее предшественники. Специфическим коферментом при образовании глюкуроновой кислоты служит урединдифосфат (УДФ). Фенолы, спирты, карбоновые кислоты, ароматические амины реагируют с гидроксильной группой с образованием простых эфиров или глюкуронидов. При взаимодействии с кислотной группой и с помощью глюкуронилтрансферазы образуют сложные эфиры.
Сульфатная конъюгация. С сульфатами реагируют такие токсические вещества, как фенолы, аминосоединения, спирты и др. В результате реакции образуются конъюгаты в виде сложных эфиров. Первой фазой этой реакции является активация сульфата, протекающая с затратой энергии при участии АТФ и ряда ферментов с образованием 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфата, который непосредственно реагирует с чужеродным веществом. Реакция образования конъюгатов спиртов и фенолов катализируется ферментом сульфотрансферазой.
Двойная конъюгация. Некоторые токсические или чужеродные вещества и их метаболиты имеют две и больше функциональных групп, с помощью которых они могут вступать в реакции конъюгации. Реакции конъюгации происходят за счет присоединения к молекулам ядов двух различных групп атомов или соединений. Такая реакция называется реакцией двойной конъюгации. Есть соединения, которые образуют двойные конъюгаты одновременно, например, реагируя с глюкуроновой кислотой и глютатионом, или с глюкуроновой кислотой и сульфатами.
В ряде случаев метаболизм чужеродных соединений идет несколькими путями или поэтапно. Например, сложные эфиры гидролизуются с образованием кислот и спиртов. Спирты окисляются до кислот, которые вступают в реакции конъюгации с глицином.
Скорость процессов метаболизма различных чужеродных соединений, а также глубина их превращений неодинаковы. Поэтому одни яды частично выделяются из организма в неизмененном виде, а другие - в виде смеси, состоящей из ядов, их метаболитов и конъюгатов.