Rola utleniania mikrosomalnego w życiu organizmu jest trudna do przecenienia lub przeoczenia. Inaktywacja ksenobiotyków (substancji toksycznych), rozpad i tworzenie hormonów nadnerczy, udział w metabolizmie białek i zachowanie informacji genetycznej to tylko niewielka część znanych problemów, które rozwiązuje mikrosomalne utlenianie. Jest to autonomiczny proces w organizmie, który rozpoczyna się po wejściu substancji wyzwalającej i kończy się jej eliminacją.
Definicja
Utlenianie mikrosomalne to kaskada reakcji wchodzących w skład pierwszej fazy transformacji ksenobiotycznej. Istotą procesu jest hydroksylacja substancji za pomocą atomów tlenu i tworzenie się wody. Z tego powodu zmienia się struktura pierwotnej substancji, a jej właściwości można zarówno stłumić, jak i wzmocnić.
Utlenianie mikrosomalne umożliwia przejście do reakcji koniugacji. To druga faza transformacji ksenobiotyków, pod koniec której produkowane wewnątrz organizmu cząsteczki dołączą do już istniejącej grupy funkcjonalnej. Czasami powstają substancje pośrednie, które powodują uszkodzenie komórek wątroby, martwicę i onkologiczne zwyrodnienie tkanek.
Utlenianie typu oksydazy
Mikrosomalne reakcje utleniania zachodzą poza mitochondriami, więc pochłaniają około dziesięciu procent całego tlenu, który dostaje się do organizmu. Głównymi enzymami w tym procesie są oksydazy. Ich struktura zawiera atomy metali o zmiennej wartościowości, takich jak żelazo, molibden, miedź i inne, co oznacza, że są w stanie przyjąć elektrony. W komórce oksydazy znajdują się w specjalnych pęcherzykach (peroksysomach), które znajdują się na zewnętrznych błonach mitochondriów oraz w ER (retikulum endoplazmatyczne ziarniste). Podłoże opadające na peroksysomy traci cząsteczki wodoru, które przyłączają się do cząsteczki wody i tworzą nadtlenek.
Istnieje tylko pięć oksydaz:
- monoaminooksygenaza (MAO) - pomaga w utlenianiu adrenaliny i innych amin biogennych wytwarzanych w nadnerczach;
- diaminooksygenaza (DAO) - bierze udział w utlenianiu histaminy (mediatora stanów zapalnych i alergii), poliamin i diamin;
- oksydaza L-aminokwasów (czyli molekuły lewoskrętne);
- oksydaza D-aminokwasów (cząsteczki obracające się w prawo);
- oksydaza ksantynowa - utlenia adeninę i guaninę (zasady azotowe zawarte w cząsteczce DNA).
Znaczenie mikrosomalnego utleniania przez typ oksydazy polega na eliminacji ksenobiotyków i dezaktywacji substancji biologicznie czynnych. Powstawanie nadtlenku, który działa bakteriobójczo i oczyszcza mechanicznie w miejscu urazu, jest efektem ubocznym, który zajmuje ważne miejsce wśród innych efektów.
Utlenianie typu oksygenazy
Reakcje typu oksygenazy w komórce zachodzą również na ziarnistej retikulum endoplazmatycznym i na zewnętrznych powłokach mitochondriów. Wymaga to specyficznych enzymów – oksygenaz, które mobilizują cząsteczkę tlenu z podłoża i wprowadzają ją do utlenionej substancji. Jeśli wprowadzi się jeden atom tlenu, enzym nazywa się monooksygenazą lub hydroksylazą. W przypadku wprowadzenia dwóch atomów (czyli całej cząsteczki tlenu) enzym nazywany jest dioksygenazą.
Reakcje utleniania typu oksygenazy są częścią trójskładnikowego kompleksu wieloenzymatycznego, który bierze udział w przenoszeniu elektronów i protonów z substratu, po czym następuje aktywacja tlenowa. Cały ten proces odbywa się przy udziale cytochromu P450, który zostanie omówiony szerzej później.
Przykłady reakcji typu oksygenazy
Jak wspomniano powyżej, monooksygenazy wykorzystują do utleniania tylko jeden z dwóch dostępnych atomów tlenu. Drugie przyłączają się do dwóch cząsteczek wodoru i tworzą wodę. Jednym z przykładów takiej reakcji jest tworzenie kolagenu. W tym przypadku rolę donoru tlenu pełni witamina C. Hydroksylaza prolinowa pobiera z niej cząsteczkę tlenu i oddaje ją prolinie, która z kolei jest zawarta w cząsteczce prokolagenu. Proces ten nadaje tkance łącznej siłę i elastyczność. Kiedy organizm ma niedobór witaminy C, rozwija się dna moczanowa. Objawia się osłabieniem tkanki łącznej, krwawieniem, siniakami, utratą zębów, czyli jakością kolagenu w organizmieponiżej.
Innym przykładem są hydroksylazy, które przekształcają cząsteczki cholesterolu. Jest to jeden z etapów powstawania hormonów steroidowych, w tym hormonów płciowych.
Niskie specyficzne hydroksylazy
Są to hydrolazy potrzebne do utleniania obcych substancji, takich jak ksenobiotyki. Znaczenie tych reakcji polega na uczynieniu takich substancji bardziej podatnymi na wydalanie, bardziej rozpuszczalnymi. Proces ten nazywa się detoksykacją i odbywa się głównie w wątrobie.
Ze względu na włączenie do ksenobiotyków całej cząsteczki tlenu, cykl reakcji zostaje przerwany i jedna złożona substancja rozkłada się na kilka prostszych i bardziej dostępnych procesów metabolicznych.
Reaktywne formy tlenu
Tlen jest potencjalnie niebezpieczną substancją, ponieważ w rzeczywistości utlenianie jest procesem spalania. Jako cząsteczka O2 lub woda jest stabilna i chemicznie obojętna, ponieważ jej poziomy elektryczne są pełne i żadne nowe elektrony nie mogą się przyczepić. Ale związki, w których tlen nie ma pary wszystkich elektronów, są wysoce reaktywne. Dlatego nazywa się je aktywnymi.
Takie związki tlenu:
- W reakcjach tlenku powstaje ponadtlenek, który jest oddzielany od cytochromu P450.
- W reakcjach oksydazowych dochodzi do tworzenia anionu nadtlenkowego (nadtlenku wodoru).
- Podczas reoksygenacji tkanek, które przeszły niedokrwienie.
Najsilniejszym środkiem utleniającym jest rodnik hydroksylowy, toistnieje w wolnej formie tylko przez jedną milionową sekundy, ale w tym czasie wiele reakcji oksydacyjnych ma czas przejść. Jego osobliwością jest to, że rodnik hydroksylowy działa na substancje tylko w miejscu, w którym powstał, ponieważ nie może przenikać do tkanek.
Nadtlenienie i nadtlenek wodoru
Substancje te są aktywne nie tylko w miejscu powstawania, ale także w pewnej odległości od nich, ponieważ mogą przenikać przez błony komórkowe.
Grupa hydroksylowa powoduje utlenianie reszt aminokwasowych: histydyny, cysteiny i tryptofanu. Prowadzi to do inaktywacji układów enzymatycznych, a także zakłócenia białek transportowych. Ponadto mikrosomalne utlenianie aminokwasów prowadzi do zniszczenia struktury nukleinowych zasad azotowych, w wyniku czego cierpi aparat genetyczny komórki. Kwasy tłuszczowe, które tworzą warstwę bilipidową błon komórkowych, również ulegają utlenieniu. Wpływa to na ich przepuszczalność, działanie membranowych pomp elektrolitowych oraz lokalizację receptorów.
Mikrosomalne inhibitory utleniania to przeciwutleniacze. Znajdują się w pożywieniu i są produkowane w organizmie. Najbardziej znanym przeciwutleniaczem jest witamina E. Substancje te mogą hamować utlenianie mikrosomalne. Biochemia opisuje interakcje między nimi zgodnie z zasadą sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, że im więcej oksydaz, tym silniej są one tłumione i na odwrót. Pomaga to zachować równowagę między systemami i stałością środowiska wewnętrznego.
Elektryczny łańcuch transportowy
System utleniania mikrosomalnego nie zawiera składników rozpuszczalnych w cytoplazmie, więc wszystkie jego enzymy są gromadzone na powierzchni retikulum endoplazmatycznego. System ten obejmuje kilka białek, które tworzą łańcuch elektrotransportu:
- reduktaza NADP-P450 i cytochrom P450;
- reduktaza OVER-cytochromu B5 i cytochrom B5;
- desaturaza steatoryjno-CoA.
Donorem elektronów w ogromnej większości przypadków jest NADP (fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego). Jest utleniany przez reduktazę NADP-P450, która zawiera dwa koenzymy (FAD i FMN), aby przyjąć elektrony. Na końcu łańcucha FMN jest utleniany P450.
Cytochrom P450
Jest to mikrosomalny enzym utleniający, białko zawierające hem. Wiąże tlen i substrat (z reguły jest ksenobiotykiem). Jego nazwa związana jest z absorpcją światła o długości fali 450 nm. Biolodzy znaleźli go we wszystkich żywych organizmach. Obecnie opisano ponad jedenaście tysięcy białek wchodzących w skład układu cytochromu P450. U bakterii substancja ta rozpuszcza się w cytoplazmie i uważa się, że ta forma jest najstarsza ewolucyjnie niż u ludzi. W naszym kraju cytochrom P450 jest białkiem okładzinowym utrwalanym na błonie endoplazmatycznej.
Enzymy z tej grupy biorą udział w metabolizmie steroidów, kwasów żółciowych i tłuszczowych, fenoli, neutralizacji substancji leczniczych, trucizn czy leków.
Właściwości utleniania mikrosomalnego
Procesy mikrosomalneutleniacze mają szeroką specyfikę substratową, a to z kolei umożliwia neutralizację różnorodnych substancji. Jedenaście tysięcy białek cytochromu P450 można sfałdować w ponad sto pięćdziesiąt izoform tego enzymu. Każdy z nich posiada dużą ilość podłoży. Dzięki temu organizm może pozbyć się prawie wszystkich szkodliwych substancji, które powstają w jego wnętrzu lub pochodzą z zewnątrz. Wytwarzane w wątrobie mikrosomalne enzymy utleniające mogą działać zarówno lokalnie, jak i w znacznej odległości od tego narządu.
Regulacja aktywności utleniania mikrosomalnego
Mikrosomalne utlenianie w wątrobie jest regulowane na poziomie informacyjnego RNA, a raczej jego funkcji - transkrypcji. Na przykład wszystkie warianty cytochromu P450 są zapisane w cząsteczce DNA i aby pojawiły się w EPR, konieczne jest „przepisanie” części informacji z DNA do informacyjnego RNA. mRNA jest następnie przesyłany do rybosomów, gdzie powstają cząsteczki białka. Liczba tych cząsteczek jest regulowana zewnętrznie i zależy od ilości substancji, które należy dezaktywować, a także od obecności niezbędnych aminokwasów.
Do tej pory opisano ponad dwieście pięćdziesiąt związków chemicznych, które aktywują utlenianie mikrosomalne w organizmie. Należą do nich barbiturany, aromatyczne węglowodany, alkohole, ketony i hormony. Pomimo tak pozornej różnorodności wszystkie te substancje są lipofilowe (rozpuszczalne w tłuszczach), a zatem podatne na cytochrom P450.
