Метаболизм у микроорганизмов

Различия между организмами в их реакциях на воздействие ксенобиотиков обусловлены разной способностью метаболизировать эти вещества и могут быть очень существенными.

Далее следует отметить, что в природе очень распространены процессы ферментативной модификации микроорганизмами различных по химическому строению и физико-химическим свойствам ксенобиотиков. Микроорганизмы обычно содержат большое число ферментов, участвующих в процессах трансфор­мации ксенобиотиков.

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. Продукты расщепления служат для микроорганизмов единственным источником углерода. Источником серы для них также могут быть продукты трансформации некоторых ксенобиотиков.

Типичные реакции метаболизма ксенобиотиков в микроорганизмах напоминают таковые у животных организмов. Однако есть и специфические механизмы трансформации чужеродных соединений микроорганизмами. В микробиологической трансформации ксенобиотиков различаются процессы метаболизма и кометаболизма.

Под метаболизмом 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. Многие ксенобиотики могут разлагаться рядом микроорганизмов только в условиях кометаболизма, т. е. при обеспеченности соответствующими косубстратами, кофакторами и т. д. 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.

 

21. Характеристика ферментов, катализирующих метаболизм ксенобиотиков.

Общие свойства ферментов:

1. Имеют белковую макромолекулярную природу.

2. На поверхности молекул белков - ферментов располагаются активные и регуляторные центры.

3. Ферменты обладают высокой специфичностью к превращаемым веществам субстратам.

4. Реакция начинается после того, как образуется фермент – субстратный комплекс. Высокая специфичность ферментов – одно из главных условий строгой упорядоченности химических превращений. Наиболее широко в живых организмах представлены ферменты и ферментативные системы, катализирующие процессы окисления, восстановления, гидролиза ксенобиотиков и синтеза метаболитов, содержащих эндогенные соединения. Среди ферментов, катализирующих окисление ксенобиотиков, особое место принадлежит микросомным моноксигеназам. Оксигеназы катализируют наибольшее число биохимических превращений ксенобиотиков, связанных с внедрением в их молекулу активированного кислорода. Процесс восстановления ароматических нитросоединений до соответствующих аминов, катализируется нитроредуктазами, локализованными в микросомальной и растворимой фракциях клетки. Нитроредуктазы малоспецифичны к субстратам и восстанавливают нитрогруппы практически всех ароматических нитросоединений. Ароматические нитросоединения восстанавливаются также ферментами слизистой оболочки кишечника и его микрофлорой.Сложные чужеродные вещества могут гидролизоваться рядом гидролаз, находящихся в печени и плазме крови. В зависимости от субстратной специфичности ферменты. Катализирующие данные процессы, относятся к различным группам. Р – глюкуронидаза катализирует расщепление эфирных и сложноэфирных связей глюкуронидов и в незначительной степени – эфирных связей серной кислоты. Сульфатаза гидролизирует эфирсульфат.Реакции коньюгации катализируются ферментами трансферазами, переносящими заместитель в другое место.

 

22. Реакции восстановления и окисления в метаболизме ксенобиотиков.

Реакции окисления

1окисление спиртов и альдегидов;

2окисление аминов.

3окисление ароматических аминов.

4окисление ароматических алкилзамещенных соединений.

5гидроксилирование кольцевых систем. Алициклические кольцевые структуры гидроксилируются легче, чем ароматические. Это одна из причин высокой токсичности бензола, поскольку он тяжело окисляется до фенола. Большое значение имеет положение в ароматическом кольце неуглеродного заместителя.

6ароматизация алициклических соединений происходит в случае окисления циклогексанкарбоновых кислот с четным числом СН₂-групп в боковой цепи с участием митохондрий. Конечный продукт - бензойная кислота.

7реакция эпоксидации. При реакциях окисления с участием фермента эпоксидазы образуется эпоксидное кольцо.

8окисление или окислительное замещение органической серы. Гетероциклическая сера обычно окисляется в сульфоксиды или дисульфоны.

9) окислительное дезалкилирование О- и N-атомов. Наиболее часто дезалкилированию подвергаются ксенобиотики следующих классов: динитроанилины, фенилмочевины, симметричные триазины, фосфорорганические соединения, алкиламины и др. Эти реакции осуществляются оксигеназами микроорганизмов, а также клетками печени.

Реакции восстановления:

1восстановление некоторых альдегидов и кетонов в спирты под действием алкогольдегидрогеназ.

2восстановление нитро- и азогрупп.

3)восстановление N-оксидов.;

3восстановление дисульфидов Они расщепляются с образованием тиолов.

4восстановление двойных связей. Двойные связи некоторых алифатических или алициклических соединений могут становиться насыщенными.

5дегидроксилирование;

6восстановление ароматических циклов анаэробными микроорганизмами.

 

23. Реакции гидролиза в метаболизма ксенобиотиков, коньюгации и дегалогенирования в метаболизма ксенобиотиков. Реакции гидролиза:

1гидролиз эфиров карбоновых кислот катализируют эстеразы. Эфиры карбоновых кислот гидролизуются в организме как животных, так и человека. Гидролиз эфирной связи - начальный этап микробиологической деградации многих пестицидов;

2гидролиз амидов, гидразидов и нитрилов. Эти реакции происходят в дополнение к другим реакциям биотрансформации. Гидролиз амидной связи описан при изучении микробиологической деградации фениламид-ных пестицидов и происходит с участием амидаз:

3гидролиз фосфорорганических веществ. В этом процессе участвуют ферменты, атакующие эфирные связи или действующие на ангидриды кислот.

Реакции конъюгации. К конъюгационным относятся процессы биосинтеза, в результате которых из ксенобиотиков или их метаболитов и эндогенных продуктов (глюкуроновой кислоты, ацетилсульфата, глицина и др.) образуются сложные вещества.

4конъюгация ацетата при участии ацетил-КоА с некоторыми ароматическими аминами и сульфонамидами;

5конъюгация глицина с бензойной кислотой

6глутамин у приматов используется для конъюгации фенилуксусной кислоты и некоторых ее гетероциклических аналогов;

7рибоза и глюкоза часто используются для конъюгации; конъюгаты глюкозы особенно широко представлены в растениях, у моллюсков и насекомых.;

8конъюгация ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой - наиболее важный механизм детоксикации ксенобиотиков.

9конъюгация с лигнином.

10сульфатная конъюгация— эволюционно один из древних видов биотрансформации. В нее вступаю фенолы, спирты, ароматические амины, гидроксиламины, некоторые стероиды.

Можно выделить следующие виды реакций дегалогенирования:

1гидролитическоедегалогенирование

2восстановительное дегалогенированиеэто реакция замещения атома галоида на водород.

3Окислительное дегалогенирование. Реакции этого типа подразделяются на: дегидрогалогенирование; окислительное дегалогенирование с образованием двойной связи; дегалогенирование - гидроксилирование с участием молекулярного кислорода.

 

24. Факторы, влияющие на метаболизм ксенобиотиков.

Эти факторы могут быть:

-генетическими— относятся видовые различия и различия внутри одного вида.

-физиологическими, которые влияют на метаболизм — относятся возраст, пол, состояние питания, заболевания и т. д.

-факторы окружающей среды: стресс из-за неблагоприятных условий, облучение ионизирующей радиацией, окислительно-восстановительный потенциал, наличие других ксенобиотиков.

-природа ксенобиотиков.

Так, неблагоприятные внешние условия приводят к увеличению микросомального окисления, а ионизирующая радиация вызывает угнетение гидроксилирования стероидов. Хорошо известно активирование метаболизма чужеродных соединений введением других ксенобиотиков - медикаментов, пестицидов и полициклических углеводородов. Известен ряд лекарственных препаратов, которые подавляют микросомальный метаболизм ксенобиотиков, продлевая тем самым действие многих лекарств.

Имеется много данных по зависимости скорости метаболических превращений от природы вещества. Многие из ароматических углеводородов содержатся в сырой нефти и каменном дегте, некоторые известны как канцерогены. Основная реакция в их метаболических превращениях - это реакция гидроксилирования. Даже для ряда близких по структуре многоядерных углеводородов скорость метаболизма изменяется более чем в двадцать раз.

У некоторых соединений дехлорирование протекает очень легко, тогда как другие вещества очень устойчивы к этому превращению. Скорость реакции дехлорирования повышается, если хлорированный атом связан с одним атомом водорода. Экспериментальные данные показывают, что родственные вещества метаболизируются оксидазой микросом печени крыс, обладающей смешанной функцией, с разной скоростью. Такие изменения активности обусловлены ограниченной доступностью активных мест на поверхности фермента и стериохимическими свойствами субстрата.

На скорость реакции могут влиять изменения плотности электронов в молекуле субстрата, вызываемые различными заместителями.

 

25. Механизмы детоксикации ксенобиотиков (общие положения). Вещества, связывающие металлы.

В наиболее типичном варианте система защиты от самых разных ксенобиотиков представлена трехэтапным процессом, включающим фазы:

1) активации ксенобиотиков,

2) нейтрализации ксенобиотиков,

3) выведение ксенобиотиков из организма.

Биотрансфармация ксенобиотиков играет ключевую роль в механизмах адаптации организма к факторам внешней среды. Она включает три последовательные и функционально сопряженные фазы, которые осуществляются за счет активности более 200 различных ферментов. Каждому индивидууму свойственна уникальная конфигурация генов, ответственных за синтез ферментов системы биотрансформации, и, соответственно, уникальную реакцию каждого человека на повреждающие действие, как факторов внешней среды, так и эндогенных факторов. Причиной фенотипических различий является полиморфизм соответствующих генов.

Сначала поступающие в организм чужеродные соединения активируются с помощью ферментов семейства цитохромов Р450 или микросомальных эпоксид-гидролаз, образуя короткоживущие промежуточные электрофильные метаболиты, которые обладают генотоксическими свойствами. В процессе первой фазы нередко происходит активация гидрофобных ксенобиотиков с образованием активных промежуточных электрофильных метаболитов, являющихся основным субстратом детоксикации системы ферментов второй фазы.

Главным назначением второй фазы является нейтрализация дезактивация, детоксикация гидрофильных и зачастую токсичных продуктов первой фазы при помощи различных гидролаз и трансфераз. Промежуточные метаболиты с помощью ферментов семейств глутатионтрансферазы, превращаются в водорастворимые нетоксические продукты и выводятся из организма. Ферменты второй фазы присутствуют во всех клетках, т. е. функционируют при любых путях поступления ксенобиотиков, осуществляют или завершают детоксикапию, а иногда исправляют ошибки первой фазы. Наиболее эффективно система детоксикации функционирует при сопряженном, гармоничном действии ферментов первой и второй фазы. Десинхронизация этих процессов ведет к быстрому отравлению организма в результате накопления продуктов перекисного окисления, различных канцерогенов, мутагенов и тератогенов.

В третьей фазе биотрасформации происходит выведение из организма продуктов детоксикации через легкие, почки, кишечник. Важная роль в этих процессах принадлежит белку плазмы крови - альбумину, который связывает и транспортирует метаболиты экзогенных и эндогенных суб­стратов, в том числе продукты первой и второй фаз детоксикации.

 

26. Металлы в живой клетке и их биоцидные эффекты.

Живые организмы нуждаются в катионах металлов, обеспечивающих протекание многих жизненно важных процессов. Более того, многие из этих металлов необходимы для всех форм жизни. К ним относятся:

а) тяжелые металлы (кобальт, медь, железо)

б) легкие металлы, обычно встречающиеся в большом количестве (кальций, магний, калий и натрий).

Медь, железо принимают участие в окислительно-восстановительных процессах; действие цинка, магния и марганца связано с процессами гидролиза и переноса групп; кальций играет наиболее важную роль при создании гибких или жестких структур, а также может инициировать реакцию, вызывая по- видимому, структурные изменения, является вторичным мессенджером. Натрий и калий, благодаря их распространенности, служат переносчиками заряда; они очень слабо связываются и поэтому могут быстро обмениваться. Когда речь идет о тяжелых металлах, то многие из них необходимы в следовых количествах. Повышенные же их концентрации в организме вызывают токсические эффекты. Токсическое действие чужеродных металлов часто обусловлено антагонизмом катионов. Так, например, свинец - известный нейротоксин, вытесняет кальций из некоторых отделов нервной системы и тем самым препятствует выделению нейромедиаторов.

 

27. Двухфазная ответная реакция организма на действие тяжелых металлов. Антагонизм катионов. Относительно концентрационных эффектов металлов следует подчеркнуть, что реакция организма на тяжелые металлы является двухфазной. Если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжелый ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в присутствии тяжелых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если организм получает слишком много металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества. Примером такой двухфазной реакции может служить действие меди на овес: как избыточное, так и недостаточное количество этого металла наносит вред процессам его роста и развития. При содержании двух электронодонорных групп заряд катиона металла при образовании хелатного соединения не меняется. Лиганды могут содержать также одну электронодонорную и одну анионную группы, как в глицине. В этом случае заряд металла уменьшается на единицу.