Transcript Фермент

Лекція № 4
Основні закономірності біотрансформації ксенобіотиків в організмі. І і ІІ фази біотрансформації
Доц. Михалків М.М.
ПЛАН
1. Основні
шляхи
біотрансформації
отрут
в
організмі.
Пероксидне окиснення ліпідів та білків.
2. Класифікації метаболізму лікарських речовин.
3. І фаза біостансформації отруйних речовин в організмі.
4. ІІ фаза біостансформації отруйних речовин в організмі.
5. Вплив різноманітних факторів на метаболізм лікарських
речовин.
6. Розкладання трупів і можливість виявлення в них отрут.
1. Основні шляхи біотрансформації отрут в організмі.
Пероксидне окиснення ліпідів та білків.
Речовини, які потрапляють в організм з зовнішнього середовища і
не використовуються ним для побудови тканин організму або як
джерело енергії, називають чужорідними речовинами або
ксенобіотиками.
Під час метаболізму речовини стають більш полярними, тобто
мають більшу спорідненість до води (гідрофільність)
виводяться з організму з сечею. Чим речовина більш
ліпофільна, тим більший термін її дії і тим складніше вона
метаболізує і виводиться з організму.
Метаболіти, головним чином, є менш токсичним, ніж нативні
речовини.
Причини вивчення метаболізму хіміками –
токсикологами:

Деякі лікарські речовини та отрути можуть бути
виявлені тільки у вигляді метаболітів.

Необхідно розробляти для метаболітів індивідуальні
методи виділення з біологічного матеріалу, інакше
метаболіти можуть бути втрачені.

Необхідна ідентифікація і визначення дії як нативної
отрути, так і її метаболітів.
Складності в досліджені метаболізму:
1. Метаболіти знаходяться в біологічному матеріалі в дуже
малих кількостях.
2. Кількості метаболітів недостатньо для аналізу їх складу,
дослідження фізичних і хімічних властивостей.
3. Для аналізу необхідні стандарти, ідентичні метаболітам, які
можуть бути отримані в результаті дуже складного синтезу.
4. Висока вартість апаратури для досліджень метаболітів.
Більшість ксенобіотиків метаболізують у печінці, де
знаходиться цілий набір ферментних систем, що
характеризуються великою потужністю і невисокою
специфічністю. Ці системи локалізовані у мітохондріях,
лізосомах та мікросомах клітин печінки.
Головна ферментна реакція детоксикації в печінці –
окиснення ксенобіотиків на цитохромі Р–450 (І фаза
біотрансформації), який є складним білком з
апоферменту – білкової частини і простетичної групи –
гему.
В мембранах ендоплазматичного ретикулуму гепатоциту
на цитохромі Р – 450 відбувається окиснення ксенобіотику,
який виводиться через екскреторні органи.
В мікросомальній фракції гепатоцитів містіться також
ферменти, які відновлюють ксенобіотики (цитохром–с–редуктази
або цитохром–в–редуктази відновлюють ароматичні нітро- і
азосполуки, аліфатичні галогенпохідні).
Метаболізм токсичних речовин в організмі призводить до
утворення вільних радикалів. При дії мікросомальних
монооксигеназ
відбувається
утворення
супероксиданіонрадикалу
O 2 
він є високотоксичним і відносно стабільним радикалом.
2. Класифікації метаболізму лікарських речовин.
І. За фармакологічними властивостями метаболітів.
1. Утворення менш токсичних метаболітів в порівнянні з
нативними
речовинами
(новокаїн
дає
ПАБК
і
діетиламіноетанол):
H2N
C
HO
O
+HOH
O
O
(CH2)2
(CH2)2
Фермент: гідролаза
N(C2H5)
N(C2H5)
H2N
C
OH +
2. Утворення більш токсичних метаболітів, ніж нативні
речовини:
метанол
формальдегід
O
CH3OH
[O]
форміатна кислота
O
[O]
HC
HC
OH
H
Фермент: алкогольдегідрогеназа (АДГ), каталаза.
етанол
C2H5OH
ацетальдегід
+
+NAD
[O]
-NADH 2+
O
CH3C
Фермент: алкогольдегідрогеназа
H
CH2-OH
CH2-OH
C
CH2-OH
етиленгліколь
CH2-OH
O
C
OH
O
H
альдегід
гліколева кислота
гліколевої кислоти
C
C
O
H
O
OH
гліоксилова
кислота
C
C
O
OH
O
OH
оксалатна
кислота
Фермент: алкогольдегідрогеназа
3. Летальний синтез.
3 CH2
OH
COOH
HOOC
C
F
COOH
F
фторацетатна
кислота (не токсична)
CH2
CH
COOH
фторцитратна кислота (отрута)
4. Метаболіти активніші у фармакологічному відношенні,
ніж нативні речовини.
O-C2H5
OH
+
NH-C-CH3
NH-C-CH3
O
O
фенацетин
CH3- C
парацетамол
O
H
ІІ. За спрямованістю і результатами метаболічних
процесів:
Анаболізм – виникнення в результаті метаболізму більш складних
молекул, на що витрачається енергія організму.
Катаболізм – розпад молекул вихідної речовини на окремі
частини, тобто детоксикація організму.
В результаті утворення глюкуронідів приводить до детоксикації
речовин, а розпад нативної речовини приводить до утворення
активних і токсичних метаболітів.
3. І фаза біотрансформації отруйних речовин в організмі.
І фаза метаболізму полягає в специфічній зміні молекул
лікарських речовин з утворенням нових функціональних груп, які
й підвищують їх гідрофільність.
1.
Окиснення
перебігає
по
головних
напрямках,
враховуючи хімічні властивості нативних речовин:
а) Спиртів і альдегідів:
[O]
R-CH2-OH
первинний спирт
R- C
O
H
альдегід
R1-CH-R2 [O]
R1-C-R2
OH
O
вторинний спирт
R- C
O
H
альдегід
[O]
кетон
R- C
O
OH
карбонова кислота
Ці процеси відбуваються в печінці, нирках, легенях.
СН3ОН окиснюється за допомогою каталази.
б) гідроксилування ароматичних і циклічних речовин по
кільцю. Фермент – оксидаза.
бензол
фенол
OH
OH
OH
COOH
саліцилова
кислота
HO
COOH
2,5-діоксибензойна
кислота
в) гідроксилування по радикалам ароматичних речовин:
CH3
толуол
CH2OH
бензиловий
спирт
COOH
бензойна кислота
г) гідроксилування по аміногрупі ароматичних речовин:
NH2
NH-OH
анілін
NO
фенілгідроксиламін
нітрозобензол
д) окиснення по N-; S-
похідне фенотіазину
R2
сульфон
O
S
S
N
сульфоксид
R1
N
R2
O
O
S
R1
N
R2
R1
2. Відновлення відбувається під впливом редуктаз. Основні
напрямки цього процесу:
-N=O  NH2;
-NO2  NH2;
-S-  S
нітрозо- амінонітро- аміно
O
сульфоксид сірка
NH2
NO2
[H]
нітробензол
анілін
3. Гідроліз характерний для складних ефірів. Відбувається під
впливом естераз (гідролаз)
атропін
N CH3
тропін
OOC-CHCH2OH
+ H2O
N CH3
OH +
CH-CH2OH
COOH
тропова кислота
4. Дезалкілування – відщеплення алкільних груп, які
знаходяться в молекулах ксенобіотиків. Найлегше відбувається
відщеплення груп, які зв’язані з атомами N, S, O.
- О – дезалкілування
N – дезалкілування
кодеїн
морфін
CH3O
норморфін
HO
HO
O
O
O
N CH3
HO
N H
N CH3
HO
HO
- S – дезалкілування
R-S-CH3
тіоефіри
R-CH2-SH + H-C
тіоспирти
O
H
формальдегід
5. Дезамінування зазнають ксенобіотики, які містять – NH2
CH2-C-CH3
CH2-CH-CH3
NH2
O
фенамін
фенілацетон
6. Десульфування відбувається відщепленням атома S із
заміною на О
O
O
NH
C2H5
S
C2H5
NH
O
тіобарбітал
NH
C2H5
NH
C2H5
O
O
барбітал
4. ІІ фаза біотрансформації отруйних речовин
в організмі.
ІІ
фаза
біострансформації
ґрунтується
на
утворенні
(біосинтезі) ендогенних сполук – кон’югатів, більш полярних і
добре розчинних у воді. Вони виводяться із сечею і є менш
токсичними, ніж інші метаболіти. Тому саме ІІ фаза метаболізму
є фазою детоксикації.
1. Кон’югація з глюкуроновою кислотою (глюкуроніди
утворюються в печінці, нирках, шкірі, кишечнику). Процес
кон’югації в клітині відбувається в ендоплазматичній сітці.
4 групи хімічних сполук:
І група – речовини, які утворюють О–глюкуроніди (до них
належать феноли, первинні, вторинні і третинні спирти,
ароматичні
і
аліфатичні
карбонові
кислоти,
кетони,
гідроксиламіни):
COOH
OH
H
+
O H
H H
OH
OH
OH
H
фенол
COOH
OH
глюкуронова
кислота
O H
H
H H
OH
O
OH
H
OH
фенілглюкуронід
ІІ група – речовини, які утворюють N–глюкуроніди (до них
належать карбамати, ариламіни, сульфонаміни).
ІІІ група – речовини, які утворюють S–глюкуроніди
(арилмеркаптани, дитіокарбонові кислоти).
IV група – речовини, які утворюють С–глюкуроніди
(речовини, які містять піразолідинову групу).
Фермент – УДФ–глюкурозилтрансферази.
Донор групи – УДФ-глюкуронова кислота
2. Сульфатна кон’югація. Вона характерна для фенолів,
спиртів, ароматичних амінів, гідроксиламінів, деяких стероїдів.
Вона відбувається в цитоплазмі (клітини печінки, можливо
нирки, мозок, кишечник, підшлункова залоза). Виводиться
кон’югат переважно із сечею.
фенол
етанол
фенілсульфат
етилсульфат
Фермент – сульфотрансфераза.
Донор групи – 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат
3. Кон’югація з глутатіоном. Глутатіон за рахунок вільної
SH – групи здатний взаємодіяти з багатьма речовинами
(епоксиди, альдегіди, бензол, нафталін, гідропероксид).
Цитозоль і ендоплазматична сітка (в печінці, нирках,
кишечнику).
Фермент: глутатіон–S–трансфераза.
— кон’югація субстрата R з GSH
R + GSH  GSRH,
— нуклеофільне заміщення
RX + GSH  GSR + НХ,
— відновлення органічних пероксидів до спиртів
R-H2C-O-OH + 2GSH  R-H2C-OH + GSSG + Н2О.
-глутамініл-цистеїніл-гліцин
4. Кон’югація з гліцином. Взаємодія гліцину з ароматичними
кислотами (утворюється пептидний зв’язок між – СООН
ксенобіотика і NH2 – амінокислоти). Відбувається в
мітохондріях, ендоплазматичній сітці клітини. Кон’югант
(гіпурова кислота) виводиться з сечею (тест для оцінки
антитоксичної функції печінки – визначають швидкість
детоксикації).
бензойна кислота
гіпурова кислота
саліцилова кислота саліцилурова кислота
5. Метилування зазнають аміни, феноли і тіоли (в
цитоплазмі та ендоплазматичній сітці клітин).
Фермент: метилтрансфераза.
Донор метильних груп є метіонін (активна форма – S аденозилметіонін)
N-метилування
піридин
N-метилпіридин
CH3
N
N
+
S-метилування
SH
тіофенол
O-метилування
OH
OH
HO
пірогалол
S-CH3
S-метилтіофенол
OCH3
HO
OH
2-метоксирезорцин
6. Ацетилування – головний шлях метаболізму ароматичних
амінів, амінокислот, сульфаніламідів. Відбувається в цитозолі
клітини.
Донор – ацетил – КоА
Фермент: ацетил – КоА – трансфераза.
NH2
NH-C-CH3
O
анілін
NH2
ацетанілід
NH2
O
SO2-NH2
стрептоцид
SO2-NH-C-CH3
ацетилсульфаніламід
Нативні речовини можуть відразу, минаючи І фазу метаболізувати
за другою. Якщо в молекулі нативної речовини є декілька
функціональних груп,
метаболізму І і ІІ фази.
то
одночасно
Cl
H
O
H
N
процеси
-оксигліцин
CH3
N
відбуваються
H
[O]
-CH3
O
N
OH +H O
2
H
N
Cl
C6H5
C6H5
C6H5
діазепам
оксазепам
Cl
OC6H9O6
C6H5
COOH
NHC6H9O6
O
N
CH-OH
2-аміно-5хлоробензофенон
H
N
+
O
Cl
NH2
NH2
Cl
H
глюкуроніди
O
C6H5
5. Вплив різноманітних факторів на
метаболізм лікарських речовин.
Хімічна взаємодія між лікарськими речовинами
Гепарин і його антагоніст протамін неактивні, нетоксичні,
дають малодисоційовані сполуки.
Алкоголь
Якщо алкоголь довго у великих кількостях (дозах) вводиться
в організм, то зазнає ураження печінки і знижується метаболізм
речовин. Алкоголь посилює дію барбітуратів,
1,4
– бензодіазепінів, саліцилової кислоти.
Інгібітори та індуктори ферментів.
Індуктори ферментів – це лікарські речовини, що посилюються
активність ферментів і метаболізм. Так, барбітурати активують
метаболізм левоміцетину; аміназин – метаболізм стероїдних
гормонів; бутадіон – метаболізм амідопірину. Для індукторів
загальною властивістю є здатність розчинятися у ліпідах.
Інгібітори ферментів – багато лікарських речовин знижують
активність ферментів, тобто вони збільшують тривалість дії
лікарських речовин. До них належать морфін, фенамін, які
інгібують оксидази печінки.
Харчування і вік.
Харчування. Склад і стабільність їжі, голодування або його
відсутність впливають на діяльність бактерій кишечнику, які здійснюють
розпад утворених глюкуронідів. Так, завдяки бактеріям, фталазол
розпадається до більш активного норсульфазолу в товстому кишечнику.
Дієта знижує метаболізм ксенобіотиків. Це обумовлено зменшенням
утримання в їжі білків, що в свою чергу знижує активність ферментів
(оксидаз), сповільнюється виведення ліків з організму, збільшується
тривалість їх дії, а також їх токсичність.
Вік. У людей похилого віку зменшується відносна маси печінки,
змінюється форма клітин печінки і біохімічний склад – все це знижує
метаболізм. Із збільшенням віку змінюється і характер метаболізму. Так, у
молодих людей метаболізм ізоніазиду відбувається шляхом ацетилування,
а у похилому віці – шляхом окиснення.
Вплив нікотину
У людей, які палять знижується сила анальгетичної дії
різних речовин; седативної – для аміназину, заспокійливої дії
1,4 – бензодіазепінів на нервову систему, тому що посилюється
виведення їх з організму і здійснюється індукція ферментів.
Пестициди.
Хлорорганічні пестициди індукують активність ферментів,
що знижують дію барбітуратів. В свою чергу в осіб, що
лікуються
барбітуратами
(фенобарбіталом),
швидкість
метаболізму пестицидів підвищується і зменшується їх вміст в
організмі.
Патологічні стани (гепатит, нефрит, опромінення, замерзання)
знижують активність кишкових бактерій, оксидаз у печінці, в
результаті чого зменшується метаболізм і збільшується
тривалість дії лікарської речовини, підвищується токсичність
речовин. Головні шляхи виведення речовин і їх метаболітів –
нирки, легені, слина, кишечник. Так етанол виводиться з
сечею, слиною, з повітрям легенями.
6. Розкладання трупів і можливість виявлення в них
отрут
Дослідження органів трупів ускладнюється процесами гниття,
особливо при проведенні аналізу ексгумованих трупів.
В трупі під впливом катепсинів, які активуються після смерті
людини за рахунок зміни рН в кислу сторону, відбувається автоліз
клітин, особливо в клітинах підшлункової залози, печінки, нирок,
селезінки. Наявність фторидів, ціанідів, сполук Арсену,
карбоксигемоглобіну, серцевих глікозидів призводить до зменшення
активності цих ферментів.
Через 3-4 години після смерті автоліз переходить в процес
гниття (путрифікації). Інтенсивність гниття залежить від
складу мікрофлори, температури, вологи, доступу повітря
і т.д.
При гнитті білків спочатку утворюються пептиди, потім
амінокислоти, потім меркаптани (тіофеноли, тіоспирти),
органічні кислоти, аміни (птомаїни: з орнітину –
путресцин, з лізину - кадаверин).
При гнитті вуглеводів утворюються органічні кислоти,
альдегіди, кетони, лактони, СО2.
Гниття. Лице здуте,
почорніло, шия не
розрізнити.
Молочні
залози і живіт здуті.
Видно гнилісні пухірці,
наповнені рідиною
Трупна емфізема
Пізні трупні прояви. Гниття
Пізні трупні прояви. Гнильна венозна сітка
На даний час доведено, що токсичність птомаїнів пояснюється
дією деяких домішок, які містяться в гнилісному біологічному
матеріалі (бактеріальні токсини).
Всі гнильні процеси відбуваються в трупі без доступу повітря.
Процес гниття трупа при доступі кисню, незначній вологості та
наявності аеробних бактерій називається тлінням. Відбувається
швидше, ніж гниття. Сполуки, які утворюються менш токсичні.
Швидко відбувається зневоднення трупа і створюються умови для
появи плісеневих грибів і черв’яків, які „об’їдають” труп.
Личинки мух на тілі, яке розкладається
Жировіск – це своєрідний стан тканин, який
виникає в результаті взаємодії жирних
кислот з солями лужних та лужноземельних
металів в умовах підвищеної вологості
(відбувається процес мацерації). Труп
зберігає зовнішню форму, отрути можуть
зберігатися довший час.
Муміфікація – повне висихання трупів. Відбувається
при високій температурі, хорошій вентиляції, сухому
повітрі. У муміфікованому трупі отрути можуть
зберігатися тривалий час.
Муміфікація
Торф'яне дублення
Дякую за увагу !!!