UKŁADY DETOKSYKACYJNEW ORGANIZMIE

• detoksykacja (łac. detoxicatio) – usuwanie z organizmu substancji trujących; przemiana ksenobiotyków w toku reakcji metabolicznych

• ksenobiotyk (gr. xenos – obcy) – substancja obca niebędąca natural-nym składnikiem organizmu (nie-syntetyzowana przezeń i niepobie-rana z pożywieniem), stwarzająca potencjalne zagrożenie toksyczne; do ksenobiotyków zalicza się przede wszystkim:

• trucizny, tj. środki bardzo silnie działa-jące, np. dioksyna

• leki, np. antybiotyki

• karcynogeny chemiczne

KLUCZOWE POJĘCIA

Człowiek, jak pozostałe ssaki, jest narażony na sporą liczbę toksycznych, zewnątrzpochodnych chemikaliów – ksenobiotyków –z których spora część jest lipofilna (hydrofobowa) i ma tendencję do odkładania się w tkankach tłuszczowych.

W odpowiedzi na to wyzwanie środowiska ssaki (jak i inne organizmy) wykształciły sporą liczbę genów kodujących cytochromyP-450 i inne enzymy, które utleniają czynniki lipofilne pochodzenia zewnętrznego. Ekspresja genów kodujących te enzymy jest kontrolowana zależnie od zmieniających się warunków fizjologicznych, zmian hormonalnych i bodźców środowiskowych.

WPROWADZENIE

Większość ksenobiotyków podlega przemia-nie chemicznej w ustroju człowieka, co wa-runkuje ok. 30 enzymów. Procesy te możemy podzielić na dwie fazy:

1. faza – główna reakcja to hydroksylacja katalizowana przez monooksygenazy i cyto-chrom P-450; reakcje dodatkowe to np. deaminacja, dehalogenacja, desulfuracja, epoksydacja, peroksydacja, redukcja czy hydroliza (esterazy) lub reakcje niekatali-zowane przez enzymy P-450,

2. faza – sprzęganie z kwasem glukurono-wym, siarkowym lub octowym, glutatio-nem lub aminokwasami, ewentualnie me-tylacja.

Rzadko zdarza się, że ksenobiotyk wydalany jest z organizmu w postaci niezmienionej.

CO DALEJ Z TYMI KSENOBIOTYKAMI?

Enzymy związane z detoksykacją ksenobiotyków dominują w siateczce śródplazmatycznej gładkiej. Proces de-toksykacji wymaga kolejno działania enzymów utleniająco-redukujących, których głównym przedstawicielem jest wspomniany już cytochrom P-450,a następnie sprzęgania tak wytworzo-nych pochodnych z resztami glukuro-nianowymi, siarczanowymi, tauryną.

Obie te modyfikacje powodują zamia-nę substancji o charakterze hydrofo-bowym na rozpuszczalne w wodzie,a tym samym ułatwiają ich eliminacjęz ustroju (głównie przez nerki).

Detoksykacyjna rola siateczki jest szczególnie wyeksponowana w komór-kach wątrobowych.

KOMÓRKOWE PODŁOŻE DETOKSYKACJI

PRZEMIANAY KSENOBIOTYKU – MOŻLIWE

SCENARIUSZE

ksenobiotyk biologicznie nieak-tywny (np. prolek,

prokarcynogen)

ksenobiotyk biologicznie aktywny (np. lek,

karcynogen)

ksenobiotyk o mniejszej aktywności lub nieaktywny

reakcjedodatkowe

faza

I d

eto

ksy

kacji

ksenobiotyk o mniejszej aktywności lub nieaktywny

ksenobiotyk biologicznie aktywny

faza II detoksykacji

rzadko

wydalanie z moczem lub żółcią

FAZA I PRZEMIANY KSENOBIOTYKÓW

Hydroksylacja i reakcje dodatkowe

Główną reakcją I fazy przemiany ksenobiotyków jest hydroksylacja. Katali-zatorami tej przemiany są monooksygenazy,w szczególności zaś enzymy grupy cytochromu P-450 najliczniej występujące w siateczce śródplazmatycznej. Genom ludzki zawiera sekwencje kodujące co najmniej 14 rodzin tego enzymu.

Cytochrom P-450 uważa się za najbardziej wszechstronny ze znanych biokataliza-torów. Mechanizm reakcji przezeń katalizo-wanych jest złożony.

Wykazano, że enzymy tej grupy biorą udział w przekształcaniu około 50% leków przyj-mowanych przez chorych. Ponadto prze-kształcają one także karcynogeny i zanie-czyszczenia i substancje endogenne.

ROLA CYTOCHROMU P-450 W I FAZIE PRZEMIANY KSENOBIOTYKÓW

RH + O2 + NADPH + H+ → R-OH + H2O + NADP

RH + O2 R-OH + H2O

RÓWNANIE OGÓLNE REAKCJI KATALIZOWANYCH PRZEZ

MONOOKSYGENAZY

postać zredukowanacytochromu P-450

postać utlenionacytochromu P-450

WŁAŚCIWOŚCI ENZYMÓW GRUPYCYTOCHROMU P-450

• Występuje wiele izoform (ok. 150) P-450, co wiąże się z wprowadzeniem określonej systematyki i nomenklatury (np. enzym CYP1A1 kodowany przez gen CYP1A1).

• Są hemoproteinami (jak hemoglobina).• Występują u bardzo wielu gatunków,

nawet u bakterii.• Największe ich stężenie stwierdza się

w wątrobie (gł. błony siateczki śród-plazmatycznej gładkiej – SER), jelicie cienkim, nadnerczach (SER i mito-chondria). Obecne też w mózgu i płucach.

• W ER ludzkich hepatocytów stwierdza się obecność co najmniej 6 izoformP-450 – każda wykazuje szeroką, nakła-dającą się na siebie swoistość substratową, co umożliwia katalizowanie reakcji prowa-dzących do powstania tego samego pro-duktu przez różne P-450.

• Działają tak na ksenobiotyki, jak i na zawiązki endogenne organizmu.

• Katalizują nawet 60 różnych reakcji.• W reakcjach katalizowanych przez P-

450 uczestniczy NADPH, nie zaś NADH – enzym redukujący P-450 to reduktaza NADPH-cytochrom P-450, reakcja przezeń katalizowana prowadzi do aktywowania cząsteczkowego tlenu. Jako donor elektronów może występować inne cyto-chromowe białko również występującew ER – cytochrom b5.

• Niektóre izoformy P-450 uczestnicząw przemianach wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH), nazywamy je hydroksylazą węglowodorów aromatycznych (AHH).

WŁAŚCIWOŚCI ENZYMÓW GRUPYCYTOCHROMU P-450

• Ważnym składnikiem układu cytochromuP-450 są lipidy, zwłaszcza fostatydylo-cholina.

• Ulegają indukcji pod wpływem wielu substancji, co przyczynia się do interakcji lekowych:

• interakcja występuje wówczas, gdy efekt stosowania danego leku ulega zmianie pod wpływem jednoczesnego lub uprzedniego stosowania innego leku

• Aktywność P-450 może ulec zmianiew tkankach zmienionych chorobowo (np. marskość wątroby), co również ma wpływ na przemianę leków.

• Pewne cytochromy P-450 mają formy poli-morficzne o małej aktywności katalitycznej. Właściwość ta tłumaczy różną reakcję orga-nizmów różnych osób na ten sam lek. To ważna właściwość stwarzająca perspektywy indywidualizacji terapii lekowej.

WŁAŚCIWOŚCI ENZYMÓW GRUPY

CYTOCHROMU P-450

FAZA II PRZEMIANY KSENOBIOTYKÓW

Sprzęganie

Reakcje zachodzące w II fazie przemiany ksenobiotyków

glukuronidacja

sulfatacja (sprzęganie

z siarczanem)

sprzęganie z

glutationeminne

acetylacja

metylacja

Donorem reszty glukuronylowej jest kwas UDP-glukuronowy, enzymami katalizują-cymi reakcje glukuronidacji – transferazy glukuronylowe tak siateczki śródplazmatycz-nej jak i cytoplazmy.

Wiele związków wydalanych jest w postaci glukuronidów, np.:• 2-acetyloaminofluoren (karcynogen)• anilina• kwas benzoesowy• fenol• wiele steroidów.

Grupa glukuronidowa może ulec związaniu przez tlen, azot lub grupę siarkową danego substratu.

Glukuronidacja jest prawdopodobnie naj-częściej spotykaną reakcją sprzęgania.

GLUKURONIDACJA

UDP-glukozakwas UDP-glukuronido

wy

dehydrogenazaUDP-glukozowa

2 NAD+ 2 NADH + 2 H+

kwas UDP-glukuronowy

+ksenobiotyk

monoglukuronid

ksenobiotyku+

UDP

UDP-glukurono-zylotransferaza

kwas UDP-glukuronowy

+monoglukuro

nidksenobiotyk

u

diglukuronid ksenobiotyk

u+

UDP

UDP-glukurono-zylotransferaza

Niektóre alkohole, aminy aromatyczne i fenole ulegają sprzęganiu z siarcza-nem. Donorem reszty siarczanowej w reakcjach sulfatacji (np. sulfatacja ste-roidów, glikozaminoglikanów, glikolipidów i glikoprotein) jest PAPS – 3’-fosfoadenozyno-5’-fosfosiarczan, zwany też aktywnym siarczanem.

SPRZĘGANIE Z SIARCZANEM (SULFATACJA)

Glutation (γ-glutamylocysteinyloglicyna) posiada pochodzącą z reszty cysteinylowej resztę sulfhy-drylową -SH będącą aktywną grupą tego peptydu.

Reakcje sprzęgania glutationu z ksenobiotykami katalizują S-transferazy glutationowe występujące zwła-szcza w cytozolu hepatocytów, w mniejszej ilościw innych tkankach.

Połączenie potencjalnie toksycznego ksenobiotykuz glutationem zapobiega jego kowalencyjnemu łączeniu się z DNA, RNA lub białkami, chroniąc przed poważnym uszkodzeniem komórki.

Zmniejszenie stężenia GSH (szczególnie w wątro-bie) prowadzi do zwiększenia wrażliwości narządu na toksyczne działanie związków normalnie inakty-wowanych przez GSH.

Koniugaty glutationowe poddane dalszym przemia-nom zostają wydalone z moczem np. jako kwas merkapturowy.

Glutation oprócz wymienionych spełnia jeszcze inne ważne funkcje w ustroju ludzkim.

Ksenobiotyki ulegają sprzężeniu

z glutationem zgodnie z równaniem:

R + GSH → R-S-G

gdzie:R – elektrofilowy

ksenobiotykGSH – glutation

SPRZĘGANIE Z GLUTATIONEM

1. Rozkład potencjalnie szkodliwego nadtlenku wodoru przy udziale enzymu peroksydazy glutationowej.

2. Glutation jako śródkomórkowa substancja redukująca pozwala utrzymać grupy –SH enzymów w postaci zre-dukowanej. Ponadto bierze udział w powstawaniu niedokrwistości hemolitycznej spowodowanej niedobo-rem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej.

3. Jako substancja przenośnikowa uczestniczy w przez-błonowym transporcie aminokwasów w nerkachw tzw. cyklu γ-glutamylowym.

aminokwas + GSH → γ-glutamylowa pochodna aminokwasu + cysteinyloglicyna

Dalej aminokwas ulega odszczepieniu od kompleksuz GSH, po czym zachodzi resynteza GSH z cysteiny-loglicyny. Reakcja ta jest katalizowana przez γ-glutamylo-transferazę (GGT) występującą w błonach plazmatycznych komórek kanalików nefronów oraz ER hepatocytów. Oznaczenie tego enzymu ma znaczenie diagnostyczne – uwalniany jest on z hepatocytów do krwi w chorobach wątroby i dróg żółciowych.

INNE FUNKCJE PEŁNIONEW USTROJU PRZEZ

GLUTATION

Acetylacja:ksenobiotyk (X) + acetylo-CoA → acetylo-X + CoA

Jak w innych reakcjach acetylacji donorem aktywnego octanu jest acetylo-CoA. Reakcje te katalizują acetylotransferazy występującew cytoplazmie komórek różnych tkanek, szczególnie wątroby.

Acetylacji ulega np. inoniazyd – lek używany w leczeniu gruźlicy.

Występują polimorficzne postacie acetylo-transferaz, a to wiąże się ze zróżnicowaniem populacji pod względem intensywności prowa-dzonej w ich komórkach acetylacji. Osoby,w których ustroju proces ten przebiega z małą wydajnością, są bardziej narażone na toksy-czne działanie leków takich jak inoniazdy.

Metylacja:

Ulega jej kilka ksenobiotyków. Reakcje te kata-lizowane są przez metylotransferazy. Donorem grupy metylowej jest S-adenozylometionina (przedstawiona na rycinie powyżej).

INNE REAKCJE SPRZĘGANIA

INTERAKCJA KSENOBIOTYKÓW

Z USTROJEMCzynniki wpływające na aktywność układów

detoksykacyjnych i reakcje organizmu na ksenobiotyki

Poza metabolizowaniem ksenobiotyków enzymy grupy cytochromówP-450 zajmują się także przekształcaniem cząsteczek fizjologicznie występujących w organizmie, jak na przykład hormony steroidowe, kwas arachidonowy czy cholesterol. Substraty te współzawodnicząz ksenobiotykami o dostęp do enzymu (kompetycja) i mająw związku z tym zdolność do regulacji metabolizmu cytochromu P-450 dzięki modulacji ekspresji genów kodujących ten enzym.

REGULACJA METABOLIZMU KSENOBIOTYKÓW

• gatunek zwierzęcia – co toksyczne dla jednego gatunku, może być nie-szkodliwe dla drugiego

• uwarunkowania genetyczne – wys-tępują znaczne różnice w zakresie ak-tywności wymienionych enzymów między osobnikami tego samego gatunku

• wiek i płeć

• stany chorobowe, np. marskość wątroby

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW PRZEMIANY

KSENOBIOTYKÓW

1. Uszkodzenie komórek przez ksenobiotyki. Może kończyć się nawet śmiercią komórek. Mechanizm:• kowalencyjne wiązanie się reaktywnych postaci ksenobiotyków powstałych w toku

metabolizmu z makrocząsteczkami komórkowymi (DNA, białka)

2. Wiązanie się z białkiem i zmiana jego antygenowości . Ksenobiotyk działa zatem jako hapten i w efekcie wytworzone zostają przeciwciała, a w wyniku mechanizmów immunologicznych dochodzi do zaburzeń normalnych biochemicznych funkcji komórki.

3. Łączenie się aktywowanych karcynogenów z DNA – karcynogeneza chemiczna :• związki, które stają się rakotwórcze dopiero po aktywowaniu przez monooksygenazy

ER, jak np. benzo[α]piren, są karcynogenami działającymi pośrednio• związki mogące reagować z DNA bezpośrednio, bez uprzedniej aktywacji w obrębie

komórki są karcynogenami działającymi bezpośrednio

Działanie ochronne w stosunku do niektórych karcynogenów może mieć enzym hydrolaza epoksydowa. Przekształca ona wysoce reaktywne i silnie mutagenne epoksydy, będące produktami monooksygenaz działających na niektóre prokancerogeny, do znacznie mniej aktywnych dihydrodioli. Enzym ten, podobnie jak cytochromy P-450 występuje w ER.

REAKCJA USTROJU NA KSENOBIOTYKI

METABOLIZM ETANOLUjako przykład układu detoksykacyjnego

w organizmie człowieka

Alkohol etylowy ma charakter lipo-filny, co sprawia że szybko się wchłania z przewodu pokarmowego i bez trudu przenika przez błony komórkowe prze-dostając się w ten sposób do krwio-obiegu. W niewielkich ilościach alkohol jest wchłaniany już w jamie ustnej, 20-30% przypada na żołądek a aż 70-80% wchłania się w jelicie cienkim.

Detoksykacja alkoholu odbywa się głownie w wątrobie. Niewielkie ilości spożytego alkoholu np. lampka wina do obiadu są metabolizowane już w żo-łądku przez dwa enzymy:• dehydrogenazę alkoholową (ADH)• dehydrogenazę aldehydową

(ALDH).

METABOLIZM ETANOLU

etanol

kwas octowy

etanal

NAD+

NADH + H+

NAD+

NADH + H+

ADH

ALDH

Alkohol wysokoprocentowy nie jest rozkłada-ny w żołądku tak jak to ma miejsce z nisko-procentowymi trunkami lecz jest transpor-towany żyłą wrotną do wątroby. Wątroba jest głównym narządem odpowiedzialnym za unie-szkodliwianie toksyn zagrażających naszemu organizmowi. W przypadku alkoholu etylo-wego może to zachodzić na trzy sposoby:

1. przy udziale dehydrogenazy alkoholowej (ADH)

CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+

2. przy udziale enzymów MEOS (Microsomal Ethanol Oxidizing System) zlokalizowanychw siateczce śródplazmatycznej

3. przy udziale katalazy – enzymu ulokowa-nego w peroksysomach, w wyniku reakcji:

etanol → etanal + H2O2

METABOLIZM ETANOLU

Powstający aldehyd octowy, jest 10 razy bardziej toksyczny niż sam etanol. Ulega on szybkiemu metabolizmowiw mitochondriach komórek wątroby, przy udziale mitochondrialnej dehydro-genazy aldehydowej (ALDH).

Z utlenionego aldehydu octowego po-wstaje kwas octowy, który jest uwol-niony do krwiobiegu a następnie meta-bolizowany np. w cyklu kwasów trój-karboksylowych.

Naukowcy nie są w stu procentach pewni co powoduje kaca, jednak jako głównego sprawcę typują aldehyd octowy.

METABOLIZM ETANALU

Według naukowców dużą rolę w powodo-waniu kaca odgrywa również toksyczny metanol, który w niewielkich ilościach może znajdować się w różnego rodzaju napojach alkoholowych. Jego uniesz-kodliwianie w organizmie zachodzi w podo-bny sposób jak ma to miejsce z etanolem lecz dzieje się to znacznie wolniej.

Suchość w gardle to główny objaw kaca. Według naukowców za jego pojawienie się odpowiada wazopresyna - hormon antydiu-retyczny, który reguluje gospodarkę wodną organizmu.

Naukowcy dopatrują się także związku pomiędzy odwodnieniem organizmu a za-wartością wody w mózgu, który jest jednym z lepiej uwodnionych narządów.

SKĄD SIĘ BIERZE KAC?

• Konturek S. (red.), Fizjologia człowieka. Podręcznik dla studentów medycyny, wyd. ELSEVIER Urban & Partner, Wrocław 2007.

• Internetowy słownik języka polskiego, wyd. PWN, dostęp on-line 17.11.2013 r.

• Murray R., Granner D., Mayes P., Rodwell V., Biochemia Harpera, Wydawnictwo Lekarskie PWZL, Warszawa 2006.

• Bańkowski E., Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych, Wydawnictwo Medyczne Urban & Partner, Wrocław 2004.

• Waxman D., Molecular endocrinology and cell signaling; Cancer gene therapy and pharmacology; Liver genes and transcriptional control; Orphan receptors and responses to foreign chemicals, http://people.bu.edu/djw/, dostęp on-line 17.11.2013 r.

• Stowarzyszenie Studentów Nauk Przyrodniczych, O alkoholu słów kilka…, http://www.ssnp.ovh.org/alkohol.html, dostęp on-line 17.11.2013 r.

BIBLIOGRAFIA

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ.