Биохимическая система защиты от чужеродных веществ ксенобиотиков. Цитохром Р 450 в обезвреживании токсических веществ и эндогенных токсических факторов

Существует и специальная биохимическая система защиты от чужеродных веществ (ксенобиотиков), обладающих токсическими, мутагенными или канцерогенными свойствами. Эта барьерно‑химическая защита особенно сильна в печени: с помощью ее обезвреживается большая часть поступающих в организм ксенобиотиков.

Важным элементом этой защиты являются гемсодержащие белки цитохром Р‑450. Эта группа белков названа так вследствие того, что в восстановленной форме она в комплексе с окисью углерода имеет спектр поглощения с максимумом при 450 нм или вблизи этой полосы. Цитохром Р‑450 – это общее название серии гемпротеидов, относимых к классу гидроксилаз, т. е. белков, участвующих в гидроксилировании поступающих в клетку веществ (или образуемых в ней или в других клетках стероидов и некоторых других метаболитов).

При функционировании этих гидроксилаз (их называют еще монооксигеназами, так как они осуществляют включение только одного атома кислорода) происходит транспорт электронов по сложной цепи переносчиков, в результате чего восстанавливаются ионы железа, входящие в комплекс субстрата с цитохромом Р‑450. В результате Fe3+ восстанавливается в Fe2+, а затем к последнему присоединяется О2. Тогда из внутриклеточной цепи переноса электронов «прибывает» еще один электрон, после чего координационно связанный кислород   или О22‑ атакует субстрат, а цитохром Р‑450 освобождается в состоянии, содержащем Fe3+.

Все исследованные до сих пор формы цитохрома Р‑450 печени млекопитающих прочно связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума (микросомами). Под влиянием различных ксенобиотиков концентрация этих белков резко возрастает. Такой процесс индукции происходит и под влиянием синтетических лекарств, также являющихся, как правило (к сожалению), чужеродными для организма. Например, после введения фенобарбитала гидроксилазная активность в печени возрастает примерно в 20 раз. Из важнейших свойств рассматриваемой биохимической системы отметим еще одно, касающееся механизмов ее действия, а именно превращение ксенобиотика из трудно в легко экскретируемую форму.

Как мы уже видели, такая работа сопровождается образованием  являющегося, как мы теперь знаем, индуктором переокисления липидов и генотоксическим агентом.

Рассматривая биологическую роль активных форм кислорода, мы подчеркнули и его участие в разрушении макрофагами бактерий. Таким образом, прослеживается практически одинаковая зависимость функционирования систем защиты от, казалось бы, столь разных факторов: химических чужеродных веществ или чужеродных бактерий.

Мы обсудили защитную функцию Р‑450. Но драматический парадокс состоит в том, что Р‑450 может не только обезвреживать потенциально канцерогенные вещества, но и катализировать их превращение в активные канцерогены. Например, 3‑метилхолантрен, который содержится в выхлопных газах транспортных средств, индуцирует такую форму цитохрома Р‑450, которая путем гидроксилирования этого полициклического углеводорода превращает его в сильный канцероген. Таким образом, мы опять приходим к парадоксальному заключению: защитная система оказывается и потенциально опасной, причем опасность эта скрытая.

Но все же регуляция ее возможна. Так, известно, что цитохром Р‑450, индуцируемый барбитуратами, отличается от соответствующего белка, индуцируемого 3‑метилхолентреном.

Теперь, имея представление о важнейших свойствах биохимической системы защиты, рассмотрим вкратце, как она изменяется при старении организма. Общее количество микросом (1 мг белка в расчете на 1 г массы ткани) в процессе старения крыс уменьшается. Изменение функциональной способности оксидазной системы микросом печени может быть обусловлено также уменьшением текучести липидного бислоя мембран микросом. О том, что физико‑химическое изменение мембран происходит, свидетельствует изменение спектров электронного парамагнитного резонанса спиновой метки, растворимой в липидной фазе.

Дуглас Шмуклер и Роза Уонг из отдела биологии старения клетки медицинского центра и центра анатомии печени Калифорнийского университета исследовали активность системы НАДРН‑цитохрома с – Р‑450 – редуктазы микросом печени крыс 3, 9 и 27 месяцев. Оказалось, что удельная активность последнего фермента, как связанного, так и не связанного с мембранами микросом, наибольшая у 3– и 9‑месячных крыс.

Поскольку содержание цитохрома Р‑450 может возрастать при воздействии на организм токсических веществ большое значение имеет не только исходный уровень его активности, но и способность клеток к индуцированному синтезу такого белка. Добавки в пищу определенных сорбентов приводили к увеличению продолжительности жизни крыс на 30–40 %. Хотя содержание цитохрома Р‑450 в их печени уменьшалось, потенциальная активность ферментных систем, обезвреживающих токсические вещества, существенно возрастала.

На основе этих данных можно полагать, что цитохром Р‑450 участвует в обезвреживании не только токсических веществ, которые поступают извне, но и эндогенных токсических факторов. Иными словами, исходя из анализа биологических основ старения, мы можем предположительно находить новые грани работы биохимических систем. Что же касается самой идеи значения эндогенных токсических факторов в старении, то ее можно рассматривать как естественное продолжение представления И. И. Мечникова о роли токсинов. Правда, он имел в виду "токсины", синтезируемые не клетками организма, а живущими в его кишечнике микроорганизмами. Но ведь микроорганизмы, рассматривавшиеся И. И. Мечниковым, были не патогенными, а постоянно находящимися в организме. Во всяком случае, становится ясным, что в пожилом и старческом возрасте из‑за снижения защитных возможностей даже эндогенная интоксикация организма может нарушать те или иные его функции путем усиления молекулярных механизмов деструкции: генома, полирибосом, мембран или "энергетических станций" клетки.

Тот же факт, что при старении уменьшается способность к индуцируемому синтезу микросомальных защитных ферментов, подтверждает общие закономерности, которые мы выявили ранее (см. главу II) при анализе других биологических основ старения: во‑первых, то, что один из характерных признаков старения – снижение не только (и даже не столько) уровня функциональной активности клетки, органа или организма, сколько функциональной способности их, и, во‑вторых, что в процессе, старения уменьшается способность клеток к индуцируемому синтезу по крайней мере некоторых белков. – Однако данные, полученные при экспериментальном исследовании печени грызунов, следует с осторожностью переносить на людей.

Ведь такие данные позволяют делать лишь предположительные заключения об изменении защитной функции печени при старении всех млекопитающих. Так, один из основных результатов исследований рассматриваемой защитной системы состоит в том, что активность большинства ферментов микросом печени, участвующих в метаболизме чужеродных веществ, в частности лекарств, уменьшается с возрастом. Но значительны такие изменения лишь в печени самцов крыс, а не самок. В изолированных гепатоцитах печени самцов крыс обнаружено значительное снижение активности монооксигеназной системы, участвующей в метаболизме ксенобиотиков. Даже у мышей закономерности возрастных и половых различий ферментов, участвующих в таком метаболизме, отличаются от закономерностей, наблюдаемых у крыс. Правда, как правило, при старении всех исследованных грызунов наблюдается снижение с возрастом способности организма экскретировать с желчью неметаболизируемые печенью ксенобиотики и содержания в микросомах печени цитохрома Р‑450.

Следовательно, можно предположить, что окислительный метаболизм ксенобиотиков, в частности лекарств, при старении млекопитающих, как правило, уменьшается. Если такая закономерность верна и для человека, то нужно предвидеть, что печень и организм в целом пожилого и тем более старого человека более чувствительны к токсическому действию факторов, загрязняющих окружающую среду, а также к побочному (токсическому) действию лекарств.

Неожиданными являются данные о половых различиях изменений у крыс активности ферментов микросом при старении. То, что такие изменения наблюдаются преимущественно у самцов, "соблазнительно" связать с известной закономерностью: ведь у млекопитающих вообще (включая человека) продолжительность жизни самцов обычно меньше, чем самок. Однако вопрос о том, какой "вклад" в это различие вносят половые особенности старения ферментов монооксигеназной системы клеток печени и всей печени в целом, пока может быть только поставлен.

Мы видим, что система защитных механизмов сложна и разнообразна, однако в организации и работе этой системы прослеживается систематичность. Прежде всего это касается взаимосвязи механизмов защиты на различных уровнях организации. Так, рассматривая физиологические механизмы защиты, мы пришли к заключению, что они взаимосвязаны с молекулярными (внутриклеточными) механизмами самозащиты, а последние представляют лишь часть глубинных ее эшелонов. Можно даже отметить однонаправленность физиологических и молекулярных механизмов защиты. Например, мы теперь понимаем, что в крови содержатся эндогенные, генотоксические вещества, от которых так же, как и от содержащихся в окружающей среде генотоксических факторов, нервные клетки головного мозга должны быть надежно защищены.

Сегодня мы можем расшифровать уже цитированное нами предвидение Стефана Цвейга: "Наш мозг… так хрупок, так сложен, что достаточно задетого сосудика… малейшего изменения какой‑нибудь молекулы, чтобы нарушить высшую всеобъемлющую гармонию человеческого ума". Такая молекула теперь известна. Это ДНК, "малейшее изменение" которой может нарушить структуру жизненно важного белка и, следовательно, функцию нервной клетки.

Но если функции гематоэнцефалического барьера будут нарушены, то снизить уязвимость ДНК могут еще молекулярные системы обороны, включая механизмы репарации ДНК. Защиту же ДНК половых клеток осуществляют наряду с последними и гистогематические барьеры, а мужских половых клеток – гематотестикулярный.

К содержанию книги: Биология человека. Причины старения организма и долголетие