Mikrosomaalisen hapettumisen roolia organismin elämässä on vaikea yliarvioida tai jättää huomiotta. Ksenobioottien (myrkyllisten aineiden) inaktivoituminen, lisämunuaishormonien hajoaminen ja muodostuminen, osallistuminen proteiinien aineenvaihduntaan ja geneettisen tiedon säilyminen ovat vain pieni osa tunnetuista ongelmista, jotka ratkeavat mikrosomaalisen hapettumisen myötä. Tämä on itsenäinen prosessi kehossa, joka alkaa laukaisevan aineen saapumisen jälkeen ja päättyy sen eliminoitumiseen.
Määritelmä
Mikrosomaalinen hapettuminen on reaktioiden sarja, joka sisältyy ksenobioottisen transformaation ensimmäiseen vaiheeseen. Prosessin ydin on aineiden hydroksylaatio happiatomeilla ja veden muodostus. Tästä johtuen alkuperäisen aineen rakenne muuttuu ja sen ominaisuuksia voidaan sekä tukahduttaa että parantaa.
Mikrosomaalisen hapettumisen avulla voit edetä konjugaatioreaktioon. Tämä on ksenobioottien transformaation toinen vaihe, jonka lopussa kehon sisällä tuotetut molekyylit liittyvät jo olemassa olevaan toiminnalliseen ryhmään. Joskus muodostuu väliaineita, jotka aiheuttavat maksasolujen vaurioita, nekroosia ja kudosten onkologista rappeutumista.
Oksidaasityyppinen hapetus
Mikrosomaalisia hapettumisreaktioita tapahtuu mitokondrioiden ulkopuolella, joten ne kuluttavat noin kymmenen prosenttia kaikesta kehoon tulevasta hapesta. Tämän prosessin tärkeimmät entsyymit ovat oksidaasit. Niiden rakenne sisältää metalliatomeja, joilla on vaihteleva valenssi, kuten rauta, molybdeeni, kupari ja muut, mikä tarkoittaa, että ne pystyvät vastaanottamaan elektroneja. Solussa oksidaasit sijaitsevat erityisissä vesikkeleissä (peroksisomeissa), jotka sijaitsevat mitokondrioiden ulkokalvoilla ja ER:ssä (granular endoplasmic reticulum). Peroksisomien päälle putoava substraatti menettää vetymolekyylejä, jotka kiinnittyvät vesimolekyyliin ja muodostavat peroksidia.
Oksidaasia on vain viisi:
- monoamino-oksigenaasi (MAO) - auttaa hapettamaan adrenaliinia ja muita lisämunuaisissa muodostuvia biogeenisiä amiineja;
- diamino-oksigenaasi (DAO) - osallistuu histamiinin (tulehduksen ja allergioiden välittäjäaine), polyamiinien ja diamiinien hapettumiseen;
- L-aminohappojen (eli vasenkätisten molekyylien) oksidaasi;
- D-aminohappojen oksidaasi (oikealle pyörivät molekyylit);
- ksantiinioksidaasi - hapettaa adeniinin ja guaniinin (typpipitoiset emäkset sisältyvät DNA-molekyyliin).
Oksidaasityypin aiheuttaman mikrosomaalisen hapettumisen merkitys on eliminoida ksenobiootteja ja inaktivoida biologisesti aktiivisia aineita. Peroksidin muodostuminen, jolla on bakteereja tappava vaikutus ja mekaaninen puhdistus vauriokohdassa, on sivuvaikutus, jolla on tärkeä paikka muiden vaikutusten joukossa.
Oksygenaasityyppinen hapetus
Oksygenaasityyppisiä reaktioita solussa tapahtuu myös rakeisessa endoplasmisessa retikulumissa ja mitokondrioiden ulkokuorissa. Tämä vaatii erityisiä entsyymejä - oksigenaaseja, jotka mobilisoivat happimolekyylin substraatista ja vievät sen hapettuneeseen aineeseen. Jos yksi happiatomi lisätään, entsyymiä kutsutaan mono-oksygenaasiksi tai hydroksylaasiksi. Kahden atomin (eli kokonaisen happimolekyylin) tapauksessa entsyymiä kutsutaan dioksigenaasiksi.
Oksygenaasityyppiset hapetusreaktiot ovat osa kolmikomponenttista monientsyymikompleksia, joka osallistuu elektronien ja protonien siirtoon substraatista, mitä seuraa happiaktivaatio. Koko prosessi tapahtuu sytokromi P450:n kanssa, josta keskustellaan tarkemmin myöhemmin.
Esimerkkejä oksigenaasityyppisistä reaktioista
Kuten edellä mainittiin, mono-oksigenaasit käyttävät vain toista kahdesta käytettävissä olevasta happiatomista hapetukseen. Toisessa ne kiinnittyvät kahteen vetymolekyyliin ja muodostavat vettä. Yksi esimerkki tällaisesta reaktiosta on kollageenin muodostuminen. Tällöin hapen luovuttajana toimii C-vitamiini, josta proliinihydroksylaasi ottaa happimolekyylin ja antaa sen proliinille, joka puolestaan sisältyy prokollageenimolekyyliin. Tämä prosessi antaa sidekudokselle vahvuutta ja joustavuutta. Kun elimistössä on C-vitamiinin puute, kehittyy kihti. Se ilmenee sidekudoksen heikkoudesta, verenvuodosta, mustelmista, hampaiden menetyksestä, eli kollageenin laadusta kehossaalla.
Toinen esimerkki ovat hydroksylaasit, jotka muuttavat kolesterolimolekyylejä. Tämä on yksi steroidihormonien, myös sukupuolihormonien, muodostumisen vaiheista.
Matalat spesifiset hydroksylaasit
Nämä ovat hydrolaaseja, joita tarvitaan vieraiden aineiden, kuten ksenobioottien, hapettamiseen. Reaktioiden tarkoitus on tehdä tällaisista aineista helpommin erittyvä, liukenevampi. Tätä prosessia kutsutaan detoksifikaatioksi ja se tapahtuu pääasiassa maksassa.
Koska happimolekyylin sisällyttäminen ksenobiootteihin, reaktiosykli katkeaa ja yksi monimutkainen aine hajoaa useiksi yksinkertaisemmiksi ja helpommin saavutettaviksi aineenvaihduntaprosesseiksi.
Reaktiiviset happilajit
Happi on mahdollisesti vaarallinen aine, koska itse asiassa hapettuminen on palamisprosessi. Molekyylinä O2 tai vesinä se on stabiili ja kemiallisesti inertti, koska sen sähkötasot ovat täynnä eikä uusia elektroneja voi kiinnittyä. Mutta yhdisteet, joissa hapessa ei ole kaikkien elektronien paria, ovat erittäin reaktiivisia. Siksi niitä kutsutaan aktiivisiksi.
Tällaisia happiyhdisteitä:
- Monoksidireaktioissa muodostuu superoksidia, joka erottuu sytokromi P450:stä.
- Oksidaasireaktioissa tapahtuu peroksidianionin (vetyperoksidin) muodostumista.
- Iskemian läpikäyneiden kudosten uudelleenhapetuksen aikana.
Vahvin hapetin on hydroksyyliradikaali, seon olemassa vapaassa muodossa vain sekunnin miljoonasosan, mutta tänä aikana monet oksidatiiviset reaktiot ehtivät käydä läpi. Sen erikoisuus on, että hydroksyyliradikaali vaikuttaa aineisiin vain siinä paikassa, jossa se on muodostunut, koska se ei voi tunkeutua kudoksiin.
Superoksidianioni ja vetyperoksidi
Nämä aineet eivät ole aktiivisia vain muodostumispaikalla, vaan myös jonkin matkan päässä niistä, koska ne voivat tunkeutua solukalvojen läpi.
Hydroksiryhmä aiheuttaa aminohappotähteiden hapettumista: histidiinin, kysteiinin ja tryptofaanin. Tämä johtaa entsyymijärjestelmien inaktivoitumiseen sekä kuljetusproteiinien hajoamiseen. Lisäksi aminohappojen mikrosomaalinen hapettuminen johtaa nukleiinityppipitoisten emästen rakenteen tuhoutumiseen ja sen seurauksena solun geneettinen laite kärsii. Myös solukalvojen bilipidikerroksen muodostavat rasvahapot hapettuvat. Tämä vaikuttaa niiden läpäisevyyteen, kalvoelektrolyyttipumppujen toimintaan ja reseptorien sijaintiin.
Mikrosomaalisen hapettumisen estäjät ovat antioksidantteja. Niitä löytyy ruoasta ja niitä tuotetaan kehossa. Tunnetuin antioksidantti on E-vitamiini. Nämä aineet voivat estää mikrosomaalista hapettumista. Biokemia kuvaa niiden välistä vuorovaikutusta palauteperiaatteen mukaisesti. Eli mitä enemmän oksidaaseja, sitä voimakkaammin ne estyvät, ja päinvastoin. Tämä auttaa säilyttämään järjestelmien välisen tasapainon ja sisäisen ympäristön vakauden.
Sähkökuljetusketju
Mikrosomaalisessa hapetusjärjestelmässä ei ole sytoplasmaan liukenevia komponentteja, joten kaikki sen entsyymit kerääntyvät endoplasmisen retikulumin pinnalle. Tämä järjestelmä sisältää useita proteiineja, jotka muodostavat sähkökuljetusketjun:
- NADP-P450-reduktaasi ja sytokromi P450;
- YLI-Sytokromi B5-reduktaasi ja sytokromi B5;
- steatoryl-CoA-desaturaasi.
Suurimmassa osassa tapauksista elektronin luovuttaja on NADP (nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti). Sitä hapettaa NADP-P450-reduktaasi, joka sisältää kaksi koentsyymiä (FAD ja FMN), vastaanottamaan elektroneja. Ketjun lopussa FMN hapetetaan P450:llä.
Sytochrome P450
Tämä on mikrosomaalinen hapetusentsyymi, hemiä sisältävä proteiini. Sitoo happea ja substraattia (yleensä se on ksenobiootti). Sen nimi liittyy 450 nm:n aallonpituuden valon absorptioon. Biologit ovat löytäneet sen kaikista elävistä organismeista. Tällä hetkellä on kuvattu yli yksitoista tuhatta proteiinia, jotka ovat osa sytokromi P450 -järjestelmää. Bakteereissa tämä aine liukenee sytoplasmaan, ja tämän muodon uskotaan olevan evoluutionaalisesti vanhin kuin ihmisillä. Maassamme sytokromi P450 on endoplasmiseen kalvoon kiinnittynyt parietaalinen proteiini.
Tämän ryhmän entsyymit osallistuvat steroidien, sappi- ja rasvahappojen, fenolien aineenvaihduntaan, lääkeaineiden, myrkkyjen tai lääkkeiden neutralointiin.
Mikrosomaalisen hapettumisen ominaisuudet
Mikrosomaaliset prosessitHapettumisilla on laaja substraattispesifisyys, ja tämä puolestaan mahdollistaa useiden aineiden neutraloinnin. Yksitoistatuhatta sytokromi P450 -proteiinia voidaan laskostaa tämän entsyymin yli sadaksiviisikymmeneksi isoformiksi. Jokaisella niistä on suuri määrä substraatteja. Näin keho pääsee eroon lähes kaikista haitallisista aineista, jotka muodostuvat sen sisällä tai tulevat ulkopuolelta. Maksassa tuotetut mikrosomaaliset hapetusentsyymit voivat toimia sekä paikallisesti että huomattavan etäisyyden päässä tästä elimestä.
Mikrosomaalisen hapettumisaktiivisuuden säätely
Maksan mikrosomaalista hapettumista säädellään lähetti-RNA:n, tai pikemminkin sen toiminnan - transkription - tasolla. Esimerkiksi kaikki sytokromi P450:n variantit tallennetaan DNA-molekyyliin, ja jotta se näkyisi EPR:ssä, osa tiedoista on "kirjoitettava uudelleen" DNA:sta lähetti-RNA:han. Sen jälkeen mRNA lähetetään ribosomeihin, joissa muodostuu proteiinimolekyylejä. Näiden molekyylien määrää säädellään ulkoisesti ja se riippuu deaktivoitavien aineiden määrästä sekä tarvittavien aminohappojen läsnäolosta.
Tähän mennessä on kuvattu yli kaksisataaviisikymmentä kemiallista yhdistettä, jotka aktivoivat mikrosomaalista hapettumista kehossa. Näitä ovat barbituraatit, aromaattiset hiilihydraatit, alkoholit, ketonit ja hormonit. Näistä ilmeisestä monimuotoisuudesta huolimatta kaikki nämä aineet ovat lipofiilisiä (rasvaliukoisia) ja siksi herkkiä sytokromi P450:lle.
