Семейство цитохромов Р450 и их участие в ксенобиотическом метаболизме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Кафедра аналитической химии

Реферат на тему:

Семейство цитохромов Р450 и их участие в ксенобиотическом метаболизме

Выполнил магистрант 2 курса

Корбан Антон

Минск, 2019

Ксенобиотический метаболизм в организме человека

Ввиду того, что наш организм легко накапливает химические вещества, являющиеся достаточно липофильными, постоянное их воздействие на организм вызывает следующую проблему: поскольку многие ткани организма богаты липидами, постоянное воздействие вышеупомянутых соединений может привести к их накоплению до токсичных уровней. Очевидно, что организму нужны способы удаления этих веществ или, по крайней мере, способы преодоления их липофильности и склонности к накоплению в тканях организма. Учитывая повсеместное присутствие ксенобиотиков в природе, нет ничего удивительного в том, что человеческий геном содержит сотни генов, которые кодируют ферменты, выполняющие сложные химические модификации посторонних веществ. После таких структурных изменений химические вещества часто становятся более легко выводимыми из организма.

Клетки человека, особенно клетки печени, выделяют множество ферментов, которые проводят огромный спектр химических превращений при приеме ксенобиотиков внутрь. Эти ферменты имеют много общих черт с ферментами, давно занимавшими биохимиков с их строгими требованиями к кофакторам, своими кинетическими свойствами, температурными предпочтениями и т.д. Однако существует огромная разница в основе структуры и функции ферментов, метаболизирующих ксенобиотики: в то время как большинство ферментов очень щепетильны в своих предпочтениях, ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, готовы реагировать с сотнями или даже тысячами субстратов. Такое отсутствие строгой селективности этих ферментов давно озадачило ученых, однако развитие методов анализа позволило выяснить характерные и особенные черты их строения. В отличие от многих ферментов, которые имеют ограниченную трехмерную структуру в присутствии субстрата, активный сайт ферментов, метаболизирующих ксенобиотики, демонстрирует необычайную пластичность, позволяющую ферменту растягиваться и деформироваться для совмещения с большим числом разнообразных субстратов. Более того, некоторые из таких ферментов достаточно эластичны для размещения нескольких субстратов одновременно. Эта особенность объясняет ключевую функцию этих ферментов: такие пути ксенобиотических биотрансформаций взаимодействуют с иммунной системой, обеспечивая комплексную защиту от вторжения «чужаков» в организм. В то время как иммунная система справляется с крупными патогенами, вирусами и токсинами на основе белков, ксенобиотический метаболизм перехватывает и инактивирует низкомолекулярные молекулы, находящиеся «вне радара» иммунной системы.

Классификация ксенобиотических превращений

Система классификации, предложенная Дэвидом Джозефи, Фредом Гангерихом и Джоном Майнерсом квалифицирует химические изменения, происходящие с посторонними веществами внутри тела на четыре группы вместо двух, указанных в более старой модели Уильямса:

Восстановительные реакции

Окислительные реакции

Реакции конъюгации

Реакции нуклеофильного захвата

Первый класс является восстановительным метаболизмом, т.е. это тип трансформаций, который включает в себя добавление дополнительных атомов водорода в молекулу, либо удаление атомов кислорода. Известным примером является расщепление пронтозила, который подвергается восстановительному метаболизму с образованием сульфаниламида
(Рисунок 1). Последний, из-за смешивания с этиленгликолем, вызвал эпидемию нефротоксичности в США в 30-е годы.

Рисунок 1. Схема ферментативного восстановительного расщепления пронтозила.

Восстановительный метаболизм не особенно распространен, однако известны случаи преобразования некоторых химических веществ в токсичные, повреждающие ДНК.

Второй и критически важный класс метаболических превращений - это окислительные реакции. Данные молекулярные превращения знакомы всем химикам-органикам и аналогичны изменениям, которые производятся в пробирке при обработке органических соединений окислителями, например, такими как перманганат калия или тетраоксид осмия. В организме такие реакции катализируются ферментами и обычно добавляют кислород к чужеродному соединению, например, когда гидроксильная группа присоединяется к бензолу с образованием фенола. В качестве альтернативы, окисление может осуществляться путем удаления атомов водорода из молекулы, например, когда употребленный этанол превращается в ацетальдегид ферментом алкогольдегидрогеназа.

Наиболее важными катализаторами окисления ксенобиотиков в организме являются ферменты цитохрома P450 (обычно сокращенно CYP или просто P450), вероятно, наиболее тщательно изученное семейство белков, известных биологии. Цитохром P450, связанный с монооксидом углерода, имеет максимум поглощения света при длине волны 450 нм, что и определило его название. Данные ферменты обнаружены во всех без исключения царствах живых существ -- у животных, растений, грибов, бактерий, архей.

Наряду с окислительными реакциями, с точки зрения количества ксенобиотиков, которые метаболизируются данным путем, реакции конъюгации также имеют большое значение для токсикологов. Отличительной чертой здесь является образование химических связей между ксенобиотиками и гидрофильными веществами, присутствующими в печени. Таким образом, формируется отдельный класс метаболитов, известных как конъюгаты. Первая реакция этого вида была обнаружен в 1824 году немецким исследователем Фридрихом Волером, который вводил бензойную кислоту собакам и извлекал гиппуровую кислоту (конъюгат с глицином) из их мочи (Рисунок 2).

Рисунок 2. Реакция конъюгации как путь метаболизма ксенобиотиков на примере реакции бензойной кислоты с глицином.

Последний класс биотрансформаций согласно приведенной классификации Джозефи - реакции нуклеофильного захвата. Эти реакции имеют большое значение в токсикологии, так как они защищают печень от высокореакционноспособных и токсичных метаболитов, образующихся при окислительном метаболизме некоторых химических веществ. Метаболиты этого типа часто являются нестабильными, электронно-дефицитными, достигающими химического равновесия путем взаимодействия с электронно-насыщенными центрами в других молекулах.

К сожалению для клеток, некоторые аминокислоты в белках, в том числе и азотистые основания в ДНК содержат богатые электронами сайты, которые реагируют с электрофилами. Взаимодействия такого рода генерируют новые ковалентные связи между метаболитом и макромолекулой с образование аддукта белка или ДНК.

Семейство цитохромов Р450

Печень, без сомнений, может считаться главным центром метаболизма в человеческом организме. Как было указано выше, большая часть окислительных реакций ксенобиотиков катализируется цитохромом P450. Прозванные «природными паяльниками» (ориг. англ.”Nature's Blowtorch”), эти ферменты превращают огромный спектр органических молекул в окисленные метаболиты. Цитохромы очень важны для фармакологии, так как их система катализирует около трех четвертей всех биотрансформаций. Геном человека содержит 57 генов цитохрома, хотя это количество включает в себя несколько неактивных псевдогенов, которые участвует исключительно в метаболизме эндобиотиков.

Человеческая печень производит около 12 изоформ цитохрома, которые участвуют в метаболизме ксенобиотиков, причем нагрузка между ними распределена неравномерно. Всего пять изоформ цитохрома принимают участие в 90% процессов метаболизма, а именно CYP1A2, _2C9, _2C19, -2D6 и -3A4. Даже в этой подгруппе рабочая нагрузка распределена неравномерно: CYP3A4 метаболизирует около половины лекарственных средств, используемых в настоящее время. В данный список также можно включить шестую форму, а именно CYP2E1. Несмотря на то, что 2E1 играет незначительную роль в метаболизме лекарств, его вклад в биотрансформацию нетерапевтических ксенобиотиков очень высок.

Строение и механизм реакций цитохромов

метаболизм цитохром пронтозил ксенобиотический

Цитохромы представляют собой белки среднего размера, содержащие приблизительно 500 аминокислот и обладающие массой 48-56 кДа. Данные ферменты чаще всего встречаются в печени; меньшие количества цитохрома встречаются также в стенке кишечника, почках, легких, коже, яичках, мозгу.

«Сердцем» структуры цитохрома является каталитическая камера, содержащая гемовую группу (heme group), которая прикреплена к белку вблизи его карбокси-конца (Рисунок 3).

Рисунок 3. Пространственная структура цитохрома CYP51.

Более подробное схематическое изображение локализации цитохрома Р450 приведено на Рисунке 4. Гидрофобный амино-конец связывает фермент внутри липидных мембран эндоплазматического ретикулума. Атом железа в геме является местом, где непосредственно происходит окислительно-восстановительный процесс. После связывания субстрата и молекулярного кислорода, гем подвергается быстрой серии последовательных окислительно-восстановительных реакций, которые катализируются НАДФ/цитохром-P450 оксидоредуктазой.

Рисунок 4. Локализация цитохрома Р450 в эндоплазматическом ретикулуме.

Редуктаза является важным вспомогательным белком, который расположен в непосредственной близости от цитохрома, причем каждая редуктаза, поставляет восстановительные эквиваленты до 30 отдельных белков цитохрома.

Рисунок 5. Схематический цикл окисления ксенобиотиков цитохромом Р450.

На Рисунке 5 представлен схематический цикл окисления ксенобиотиков. Для того, чтобы ксенобиотик подвергся окислению цитохромом Р450, cначала он должен попасть в гидрофобную каталитическую камеру (catalytic chamber) через канал (access channel). Субстрат должен проникнуть в камеру таким образом, чтобы обеспечить взаимодействие между молекулой и аминокислотными остатками, которые окружают активный сайт. Химические силы, способствующие этим взаимодействиям, включают в себя водородную связь и Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия, которые имеют особенное значение для ксенобиотиков, содержащих ароматические кольца.

В идеале молекула должна связываться так, чтобы ее наиболее склонная к окислению группа была ориентирована к группе гема. Далее высоковалентный перферрильный комплекс железа (FeV=O), который образуется во время каталитического цикла, вносит атом кислорода, образуя тем самым метаболит, который затем диффундирует из цитохромного комплекса.

Биология прояснила важность размера активного сайта в определении окислительных возможностей отдельных изоформ цитохрома: как правило, чем больше каталитическая камера, тем больше ксенобиотиков может метаболизировать отдельный цитохром. Например, CYP3A4 - изоформа с наибольшим «аппетитом» ко ксенобиотикам имеет самый большой активный сайт площадью 1440 кубических ангстремов по сравнению с 585 кубическими ангстремами в CYP2E1. Эти различия объясняют, почему 2E1 предпочитает метаболизировать небольшие органические субстраты. Большинство остальных форм цитохрома занимают промежуточное положение между вышеупомянутыми примерами. Огромный активный сайт 3А4 определяет ее дальнейшие характерные черты в процессе биотрансформации ксенобиотиков - данная изоформа не только может содержать в себе несколько молекул ксенобиотиков одновременно, но и по-разному ориентировать субстрат в пространстве, подставляя различные части молекулы к гемовой группе. Эта способность объясняет, почему из одного и того же ксенобиотика могут образовываться несколько окисленных метаболитов, например, когда атомы кислорода присоединяются по нескольким положениям в ароматическом кольце.

Цитохромы и производство лекарств

Изучение пяти изоформ цитохрома, метаболизирующих лекарственные вещества, очень важно для фармацевтической промышленности, которая ежегодно тратит на это большие суммы. Задолго до того, как человеку будет назначен новый препарат, он пройдет скрининг на подверженность окислению основными человеческими цитохромами Р450. Многие многообещающие кандидаты в лекарства выбрасываются, ввиду того что они слишком быстро усваиваются цитохромами. Если печеночный метаболизм слишком обширен, эффективность препарата снижается, поскольку большая часть перорально введенной дозы разрушается в печени до того как лекарственное вещество получит доступ к удаленной ткани. Во-первых, в таком случае становится большой проблемой выявление терапевтического эффекта данного вещества. Во-вторых, для обеспечения нормального и последовательного терапевтического эффекта может понадобиться высокая частота приема быстро метаболизируемого препарата, например, 3-4 раза в день. Необходимость частых дозировок может привести к недобросовестности пациента, а также к проблемам препарата на рынке, где он конкурирует с лекарствами, которые метаболизируются медленнее и должны приниматься один или два раза в день.

Хотя ферменты CYP3A могут эффективно метаболизировать многие фармацевтические препараты, CYP2E1 странным образом предназначен для метаболизма промышленных веществ, таких как бензол, ацетон, стирол или винилхлорид, которые интересуют современных токсикологов. В дополнение, учитывая распространенность употребления алкоголя среди человеческих культур, наиболее важным субстратом CYP2E1 является этанол, который легко превращается в ацетальдегид.

Ингибирование цитохромов

Знание того, какая изоформа цитохрома метаболизирует интересующее лекарственное вещество может помочь предсказать взаимодействие лекарств в организме: если два совместно принимаемых препарата метаболизируются одной и той же изоформой печеночного цитохрома, они могут нарушить выведение друг друга из организма, что приводит к опасным для жизни последствиям. Многие клинически значимые лекарственные взаимодействия непосредственно связаны с взаимодействиями на уровне печеночных изоформ цитохрома. На Рисунке 6 схематично представлен нормальный и замедленный (ингибированный) метаболизм ксенобиотика. В нормальной ситуации (Рис. 6, а), когда человек подвергается действию одного субстрата, его молекулы имеют беспрепятственный доступ к активному сайту цитохрома.

Рисунок 6. Механизмы осуществления ингибирования цитохромов. а) нормальный метаболизм ксенобиотиков; b) конкурентное ингибирование; с) бесконкурентное ингибирование.

Сценарии ингибирования функционирования цитохрома Р450 обычно включают в себя два основных механизма. Наиболее распространенный из них включает два ксенобиотика, конкурирующих за один и тот же активный сайт изоформы цитохрома (Рисунок 6, b). Молекула с более сильным сродством к сайту действует как конкурентный ингибитор, блокируя доступ другой молекулы (субстрата) и предотвращая ее химическое окисление. Ингибиторы и субстраты часто имеют структурное сходство, что способствует конкуренции за одну и ту же изоформу цитохрома.

Неконкурентные ингибиторы, напротив, могут иметь меньшее структурное сходство и включать связывание ингибитора с аллостерическим или модуляторным сайтом молекулы цитохрома, который структурно и пространственно отличается от активного сайта. В то время как физической конкуренции не происходит, эти взаимодействия меняют структуру цитохрома и нарушают геометрию активного сайта, тем самым уменьшая его сродство к субстрату (Рисунок 6, c).

Индуцирование цитохрома P450

Способность печени и других органов метаболизировать ксенобиотики варьируется в зависимости от диеты, возраста, наличия вредных привычек и т.д. На молекулярном уровне длительное воздействие ксенобиотиков повышает уровень отдельных цитохромов. Такое явление называется индукцией. Данная повышенная способность к окислительной биотрансформации обычно благоприятная, так как она предназначен для ускорения выведения ксенобиотиков из организма. Однако иногда могут возникнуть и негативные последствия, в частности, если вещество становится более токсичным благодаря индуцированному цитохромному метаболизму.

Индукция цитохрома Р450 также имеет значительные последствия для лекарственной терапии и является основной причиной лекарственных взаимодействий у пациентов, которые принимают несколько препаратов одновременно. Поскольку концентрация лекарственных веществ в крови может упасть из-за повышенного их выведения печенью, индукция цитохрома таким образом лишает пациентов клинической пользы от этих лекарств. Поскольку для синтеза новых белков цитохрома требуется время, клинические проблемы, вызванные индукторами цитохрома, часто требуют неделю или более, прежде чем стать очевидным, в отличие от взаимного ингибирующего действия лекарств, которое обычно проявляется быстрее.

Индукция цитохрома была обнаружена в 1950-х годах, когда седативные препараты барбитурата широко использовались как средства для сна. Несмотря на высокую изначальную действенность, многие пациенты сообщали о потере эффективности при повторном использовании. Исследования на лабораторных животных выявили причины такой устойчивости к барбитурату, а именно четырех или пятикратное повышение общего печеночного цитохрома после длительного воздействия этих препаратов. Поскольку барбитураты метаболизируются быстрее, необходимы более высокие дозы для достижения седативных реакций, ведущих к зависимости у пациентов. Благодаря этим открытиям популярность барбитуратов вскоре значительно снизилась.

Первоначально методы обнаружения индукции CYP в тканях включали в себя классические процедуры оценки общего цитохрома Р450, т.е. анализ пузырчатых экстрактов микросом печени с оксидом углерода (II). Последующее добавление восстановителя приводило к образованию соединений, поглощающих свет при 450 нм. При использовании этого метода для измерения общего цитохрома в печени животных, которым давали барбитураты, ученые заметили, что максимум поглощения восстановленного пигмента CO-гема наблюдался при длине волны 448 нм по сравнению с 450 нм в контрольном образце. Эти результаты свидетельствуют о том, что разные субпопуляции цитохромов могут по-разному реагировать с отдельными индукторами.

В конечном итоге исследователи получили мощные инструменты для измерения индивидуальных белков цитохрома Р450 в клетках и тканях, включающие использование специфичных антител, которые связываются с каждым основным типом изоформ цитохрома.

Список использованной литературы

1. Burcham, P.C. An Introduction to Toxicology. School of medicine and Pharmacology. - London, 2014. - P. 64-80.

2. Rittle J, Green MT (November 2010). "Cytochrome P450 compound I: capture, characterization, and C-H bond activation kinetics". Science. 330 (6006): 933-7.

3. Guengerich FP (January 2008). "Cytochrome P450 and chemical toxicology". Chemical Research in Toxicology. 21 (1): 70-83.

4. Bailey DG, Dresser GK (2004). "Interactions between grapefruit juice and cardiovascular drugs". American Journal of Cardiovascular Drugs. 4 (5): 281-97.

Размещено на Allbest.ru