Особенности метаболизма ксенобиотиков

У многих организмов, как уже отмечалось, описана окислительная активность цитохрома Р-450, который способен метаболизировать широкий круг ксенобиотиков, включая пестициды, ПХБ, полициклические ароматические углеводороды, терпены древесины, фенолы природного и антропогенного происхождения и многие другие вещества. Высшие организмы сохраняют также способность к реакции конъюгации, которые, как полагают, эволюционно возникли еще у таких беспозвоночных животных, как плоские черви и иглокожие (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Филогенетическое дерево и наличие в организмах разных таксонов ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков. У организмов приведенных на рисунке таксонов встречаются ферменты, осуществляющие те реакции трансформации ксенобиотиков, которые указаны с помощью следующих обозначений: О – окисление, В – восстановление, Г – гидролиз, АК – конъюгация с аминокислотами, ГТ – конъюгация с глутатионом, А – ацетилирование, С – конъюгация с сульфатом, Гл – конъюгация с глюкозой, ГУК – конъюгация с глюкуроновой кислотой, Ф – фосфорилирование

Различия между организмами в их реакции на действие ксенобиотиков могут быть очень существенными и обусловлены разной способностью метаболизировать эти вещества. Например, в процессе деметилирования антипирена препарат печени хомяка почти в 200 раз активнее препарата печени краба. Более низкая активность, по-видимому, характерна для всех водных организмов, что хорошо согласуется с их способностью аккумулировать вещества из среды обитания.

В пределах одного вида уровень микросомной активности зависит от пола организма и стадии его развития. В разных органах – печени, кишечнике, легких и т. д. – активность также различна.

Далее следует отметить, что в природе очень распространены процессы ферментативной модификации молекул различных по химическому строению и физико-химическим свойствам ксенобиотиков микроорганизмами. Микроорганизмы обычно содержат большое число ферментов, участвующих в процессах трансформации ксенобиотиков. Общее представление о некоторых особенностях метаболизма дает рассмотрение филогенетического древа (см. рис.8.2).

Отметим, что между микроорганизмами, обитающими во внешней среде и живущими внутри организма, существуют значительные различия в метаболизме ксенобиотиков. Так, многие микроорганизмы внешней среды, в отличие от кишечной микрофлоры, способны к более глубокой деградации ксенобиотиков (разрыву ароматических ядер и гетероциклических колец). Продукты расщепления служат для микроорганизмов единственным источником углерода. Источником серы для них могут быть также продукты трансформации некоторых ксенобиотиков.

Типичные реакции метаболизма ксенобиотиков микроорганизмами указывают на их идентичность с процессами, характерными для животных организмов.

Тем не менее, существует и особенность в трансформации чужеродных соединений микроорганизмами. В микробиологической трансформации ксенобиотиков различаются процессы метаболизма и кометаболизма.

Под первым понимают превращение соединения до конечного продукта реакции, который не участвует в трансформации. Кометаболизм – это изменение структуры молекулы ксенобиотика, катализируемое ферментами микроорганизмов, которые выросли на субстратах или их метаболитах. Субстраты оказывают индуцирующее действие на такие ферменты.

Существует и другое определение кометаболизма как трансформационного процесса, в котором обязательно должны участвовать ростовые субстраты определенного химического состава.

Многие ксенобиотики (например, ДДТ и некоторые другие пестициды) могут разлагаться рядом микроорганизмов только в условиях кометаболизма, т. е. при обеспеченности соответствующими косубстратами, кофакторами и т. д. Так, в экспериментальных условиях метаболизм некоторых пестицидов значительно стимулировался добавками этанола, глюкозы и т. д.

Во многих случаях в метаболизм сложных органических веществ вовлекается не одна, а несколько ферментативных систем микроорганизмов. По аналогии с животными данный процесс называется поли- трансформацией.

Среди микроорганизмов чаще всего встречаются штаммы, осуществляющие неполную деградацию ксенобиотиков. Поэтому полное разрушение, например, пестицидов требует, как правило, совместного действия нескольких организмов и абиотических факторов.

Очень важен тот факт, что генетическая способность некоторых штаммов бактерий разрушать тот или иной ксенобиотик зависит от наличия в клетках плазмид.

Было обнаружено, что один из штаммов почвенной бактерии Alcaliqeues paradoxus содержит плазмиду, придающую способность разрушать широко распространенный гербицид 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусная кислота). Показано, что эта плазмида находится и у другого вида бактерий (A. eutrophus); она относится к группе плазмид с широким спектром хозяев.

Вероятно, с помощью генной инженерии и конструирования плазмид, объединяющих гены, ответственные за отдельные последовательные стадии разрушения устойчивых пестицидов, можно будет придать бактериям способность разрушать ряд ксенобиотиков. Возможно, что полезным окажется клонирование (операция, приводящая к накоплению большого числа копий определенного участка ДНК) генов резистентных насекомых, ответственных за детоксикацию пестицидов.

Обнаружено около полутора десятков плазмид, придающих бактериям способность разрушать органические вещества.

В метаболизме некоторых ксенобиотиков бактериями действуют окислительные ферменты – диоксигеназы. В отличие от монооксигеназ диоксигеназы внедряют два атома кислорода в субстрат.

В высших наземных и водных растениях функции активаторов кислорода и его восстановления осуществляют пероксидазы, каталаза и полифенолоксидазы.

Растения способны к метаболическому превращению ксенобиотиков, хотя, в отличие от животных, не имеют органа или специальной ткани, ответственных за их метаболизм. Различные части растений содержат ферменты, катализирующие превращение ксенобиотиков. Так как один и тот же организм имеет участки различного возраста, то их активность неодинакова. Микросомальная система, участвующая в процессах биотрансформации, распространена в разных растительных органах и тканях: корнях, корнеплодах, корневищах, листьях и зрелых плодах.

Наличие системы биотрансформации соединений у растений удалось выявить в результате опытов с мечеными веществами. Растения могут запасать токсины в своих клетках в нетоксичной связанной форме (например, HCN связывается в виде цианистого гликозида).

Наиболее изучена у растений, как и у других организмов, трансформация органических ксенобиотиков.

Трансформация ксенобиотиков у растений происходит, как и у животных, за счет реакций окисления, восстановления, гидролиза и последующей конъюгации. Цель у растений, как и у животных, одна – инактивировать ксенобиотик и довести его до растворимого состояния с тем, чтобы в дальнейшем либо изолировать в клеточных вакуолях, либо вывести через корневую систему и листья (редко).

Для растений характерна конъюгация с глюкозой; иногда происходит конъюгация ксенобиотика с аминокислотой или белками. В последние годы установлена конъюгация с лигнином. Чужеродные вещества, содержащие фенольные или азотистые группировки, биотрансформируются прямым путем с образованием глюкозида. Однако в случае отсутствия у токсических веществ таких функциональных группировок в преконъюгационном процессе должно происходить их введение в структуру.

Таким образом, ключевым процессом в трансформации органических веществ у растений является образование глюкозида, которое протекает с участием фермента гликозилтрансферазы в присутствии в качестве кофактора уридиндифосфатглюкозы. Этот путь отличается от основного пути у животных, для которых более характерно образование глюкоуронида или этерифицированного сульфата.