Факторы, влияющие на биотрансформацию ксенобиотиков

Чужеродные соединения, как отмечалось в разделе 8.2, обычно метаболизируются несколькими различными путями, образуя множество метаболитов. Скорость, с которой протекает каждая из этих реакций, и их относительная важность зависят от многих факторов, в результате чего происходят изменения в картине метаболизма и возникают различия в токсичности. Эти факторы по своему происхождению могут быть генетическими, физиологическими или связанными с условиями окружающей среды.

К генетическим факторам относятся видовые различия и различия внутри одного вида.

К физиологическим факторам, которые влияют на метаболизм, относятся возраст, пол, состояние питания, заболевания и т. д.

К факторам окружающей среды можно отнести неблагоприятные условия, вызывающие стресс, облучение ионизирующей радиацией, температура и т. д., наличие других ксенобиотиков, а также большое влияние на процессы (скорость) метаболизации оказывает природа (структура) самих ксенобиотиков.

Видовые различия и различия внутри одного вида. Различия процессов биотрансформации между видами могут быть количественными (идинтичные реакции протекают с неодинаковой скоростью) и качественными (различные метаболические реакции).

Качественные различия особенностей реакции можно продемонстрировать на следующем примере: у собак не происходит ацетилирования ароматических аминов, у кошек нет N-ацетилтрансферазы, у морских свинок не образуются меркаптанконьюгаты.

Пример количественного различия мы приводили ранее. Так, в процессе деметилирования антипирена препарат печени хомяка почти в 200 раз активнее препарата печени краба.

Видовые различия в действии ксенобиотиков (лекарственных веществ) связан, например с особенностями реакций коньюгации у разных животных. Классическим примером служит коньюгация фенилуксусной кислоты. У человека и шимпанзе фенилуксусная кислота коньюгирует с глутамином, у большинства других млекопитающих – с глицином и глюкуроновыми кислотами, а у кур – с орнитином.

Можно привести еще один пример видовых различий в путях метаболизма ксенобиотиков. Кролики поедают листья белладонны безнаказанно, так как в их сыворотке содержится неспецифическая эстераза, способная гидролизовать алкалоиды группы тропина, тогда как у других млекопитающих этот фермент отсутствует.

Кроме видовых различий, обнаружены различия между линиями внутри одного вида как у животных, так и человека.

Для реакции второй стадии (реакциии коньюгации) также существует двоякое распределение активности в популяции. Хорошо известен пример генного полиморфизма при ацетилировании ксенобиотиков. Причина этого явления в различной активности N-ацетилтрансферазы – фермента, катализирующего реакции коньюгации ариламинов с ацетил-КоА.

У некоторых людей ацетилирование протекает медленно, их называют «медленными ацетиляторами», а у других – «быстрых ацетиляторов» – в несколько раз быстрее. Было обнаружено, что полиморфизм ацетилирования наблюдается для ксенобиотиков, молекула которых трансформируется путем присоединения по атому азота ацетильной группы с участием N-ацетилтрансферазы:

 

RH₃ + CH₃-CO КоA RNH-COCH₃ + HS-КоА

 

Данный феномен определяется генетическими факторами. Активность N-ацетилтрансфкразы контролируется двумя аллелями одного локуса.

В пределах одного вида уровень метаболического превращения зависит от организма и стадии его развития.

Возраст. Процесс развитияхарактеризуется резким увеличением активности ферментов, в том числе и отвечающих за метаболизм ксенобиотиков. Это является фактором адаптации новорожденных к новым условиям существования. У новорожденных отсутствуют микросомальные ферменты, в том числе и цитохром Р-450. Их появление происходит в течение первых дней после рождения, и достигает максимума примерно через 30 дней (4 недели) у крыс, через 8 недель у человека. Таким образом, эмбрионы и новорожденные особенно чувствительны к токсикантам. Способность новорожденных синтезировать коньюгаты также заметно снижена, например глюкурониды у них синтезируются достаточно медленно вследствие дефицита фермента глюкурония трансферазы. Микросомальные энзиматические системы плода и новорожденных можно стимулировать введением химических активаторов. Например, введение новорожденным крысам 3,4-бензопирена усиливает биосинтез глюкуронидов в печени.

Пол. У взрослых самцов чужеродные соединения метаболизируется быстрее, чем у взрослых самок. Это обусловлено действием половых гормонов на синтез ферментов микросомного окисления, т. к. эффект проявляется только при достижении половой зрелости и исчезает при кастрации животных. Инсектициды (альдреин, изодрин и гептахлор) быстрее метаболизируются в эпоксиды у самцов крыс по сравнению с самками. Так как эпоксиды более токсичны, чем исходные соединения, то самки менее подвержены токсическому действию этих соединений. Цитохром Р-450 состоит из набора изоэнзимов, а содержание некоторых из них зависит от пола.

Питание и диета. Активность энзимов метаболизма ЧС отчетливо зависит от питания животного. У мышей голодание приводит к уменьшению скорости гидроксилирования одних ксенобиотиков и увеличению других. У крыс, находящихся на диете с дефицитом белка, наблюдается уменьшение активности ферментов моноксигеназных систем.

Гормоны. Введение крысам тироксина вызывает уменьшение активности ферментов монооксигеназной системы. Напротив, стероидные гормоны стимулируют активность микросомных ферментов, в первую очередь благодаря индукции их синтеза.

Беременность. В конце беременности заметно уменьшается глюкуронидная конъюгация ксенобиотиков, вероятно, из-за наличия в тканях протестерона – ингибитора глюкуронилтрансферазной активности в печени и других тканях.

Остановимся на факторах окружающей среды.

Стресс. Неблагоприятные внешние условия приводят к стрессовым состояниям и увеличению микросомального окисления, зависящего от НАДФН, т. е. интенсивность метаболического превращения повышается.

Ионизирующая радиация вызывает типичную стрессовую ответную реакцию. В этой связи следовало бы ожидать, что подобно другим стрессовым факторам, она приведет к активированию метаболизма ксенобиотиков. Однако ионизирующая радиация также подавляет образование НАДН и НАДФН, и поэтому возможно нарушение микросомального окисления в печени. В действительности, ионизирующая радиация приводит к угнетению гидроксилирования стероидов.

Температура. Скорость течения различных биологических процессов изменяется в зависимости от изменения температуры. Температурный коэффициент Q₁₀ показывает насколько меняется скорость (V) того или иного процесса при изменении температуры на 10 ^оС.

Q₁₀ = V_t/V_(t-10)

Q₁₀ для физико-химических процессов находится в интервале 1,1–1,5, химических реакций – 2–3, а для отдельных биохимических процессов и выше.

С изменением температуры изменяется реактивность организма. Изменяется, например, частота и сила сердечных сокращений. Это, в свою очередь, приводит к изменению реакции на действие ксенобиотика.

Интенсивность биотрансформации ксенобиотиков возрастает при предварительном охлаждении экспериментальных животных, при этом в крови у них возрастает уровень гормона щитовидной железы (индуктор метаболизма ксенобиотиков), а в печени - содержание цитохрома Р-450.

Хроническая гипертермия также сопровождается изменением токсикокинетических характеристик многих ксенобиотиков.

Как правило, процессы метаболического превращения в значительной степени зависят от температуры окружающей среды для ксенобиотиков, влияющих на температуру тела.

Так, токсичность ФОС (понижают температуру тела) для крыс снижается при содержании животных в условиях компенсируемой гипертермии (до 30 ^оС).

Чужеродные соединения. Активирование метаболизма чужеродных соединений введением других ксенобиотиков, таких как медикаменты, пестициды и полициклические углеводороды, хорошо известно и широко изучается в связи с отношением этого феномена к лекарственному синергизму и толерантности, а также индукции ферментов и канцерогенезу. Активирование микросомальных ферментов ксенобиотиками у многих видов (человек, крысы, мыши, кролики, собаки) в различных тканях (печень, почки, легкие, кишечник) может рассматриваться как регуляторный механизм метаболизма ксенобиотиков.

Ксенобиотики оказывают стимулирующий эффект путем увеличения количества микросомальных ферментов, в том числе цитохрома Р-450 и НАДФН-цитохром с-редуктазы. Это может происходить, как мы уже отмечали, вследствие увеличения поверхности мембраны, скорости синтеза ферментов и в ряде случаев уменьшения скорости их распада.

Для соединений, стимулирующих микросомальные ферменты, характерна высокая растворимость в липидах и медленная скорость метаболизма. Полярные соединения не стимулируют микросомальные ферменты, а липидорастворимые соединения, которые легко метаболизируются, также не вызывают стимулирования до введения повторных доз.

Однако может наблюдаться и снижение активности цитохрома Р-450 в живых организмах. Его ингибирование ксенобиотиками осуществляется различными путями. Чужеродное вещество либо связывается с гидрофобными сайтами, либо взаимодействует с железом геминовой группы. В первом случае ингибирование фермента происходит конкурентно, так как ингибитор может вытесняться из активного центра фермента субстратом. Во втором, ингибирование фермента происходит за счет блокирования его способности активировать молекулярный кислород, т. е. происходит неконкурентное ингибирование.

Соединения, разрушающие мембрану ЭР, в которую встроены ферменты биотрансформации также их ингибируют.

Известен ряд лекарственных препаратов, которые подавляют микросомальный метаболизм ксенобиотиков, продлевая тем самым действие многих лекарств.

Различные ингибиторы по-разному действуют на микросомальные ферменты, что указывает на возможность существования нескольких механизмов ингибирования.

Ингибирующий и стимулирующий эффекты ксенобиотиков часто приводят к изменению токсичности и фармакологической активности.

В литературе имеется много данных по зависимости скорости метаболических превращений от природы вещества. Рассмотрим скорости метаболизма микросомами печени крысы ряда многоядерных ароматических углеводородов (табл. 8.2), структурное строение некоторых из них приведено на рис 8.3.

 

Рис. 8.3. Строение некоторых ароматических многоядерных углеводородов

 

Многие из этих веществ обнаружены в сырой нефти и каменном дегте, некоторые известны как канцерогены.

Таблица 6.1