Mikrosomaalse oksüdatsiooni rolli organismi elus on raske üle hinnata või tähelepanuta jätta. Ksenobiootikumide (toksiliste ainete) inaktiveerimine, neerupealiste hormoonide lagunemine ja moodustumine, valkude ainevahetuses osalemine ja geneetilise informatsiooni säilimine on vaid väike osa teadaolevatest probleemidest, mis mikrosomaalse oksüdatsiooni tõttu lahendatakse. See on organismis autonoomne protsess, mis algab pärast käivitava aine sisenemist ja lõpeb selle eliminatsiooniga.
Definitsioon
Mikrosomaalne oksüdatsioon on reaktsioonide kaskaad, mis sisaldub ksenobiootilise muundamise esimes faasis. Protsessi olemus on ainete hüdroksüülimine hapnikuaatomite abil ja vee moodustumine. Tänu sellele muutub algse aine struktuur ja selle omadusi saab nii alla suruda kui ka tugevdada.
Mikrosomaalne oksüdatsioon võimaldab teil jätkata konjugatsioonireaktsiooni. Tegemist on ksenobiootikumide transformatsiooni teise faasiga, mille lõpus liituvad organismi sees toodetud molekulid juba olemasoleva funktsionaalrühmaga. Mõnikord tekivad vaheained, mis põhjustavad maksarakkude kahjustusi, nekroosi ja kudede onkoloogilist degeneratsiooni.
Oksidaasi tüüpi oksüdatsioon
Mikrosomaalsed oksüdatsioonireaktsioonid toimuvad väljaspool mitokondreid, mistõttu nad tarbivad umbes kümme protsenti kogu kehasse sisenevast hapnikust. Selle protsessi peamised ensüümid on oksüdaasid. Nende struktuur sisaldab muutuva valentsiga metallide aatomeid, nagu raud, molübdeen, vask jt, mis tähendab, et nad on võimelised vastu võtma elektrone. Rakus paiknevad oksüdaasid spetsiaalsetes vesiikulites (peroksisoomides), mis paiknevad mitokondrite välismembraanidel ja ER-s (granulaarne endoplasmaatiline retikulum). Peroksisoomidele langev substraat kaotab vesiniku molekulid, mis kinnituvad veemolekuli külge ja moodustavad peroksiidi.
Oksüdaasi on ainult viis:
- monoaminooksügenaas (MAO) – aitab oksüdeerida adrenaliini ja teisi neerupealistes tekkivaid biogeenseid amiine;
- diaminooksügenaas (DAO) – osaleb histamiini (põletiku ja allergiate vahendaja), polüamiinide ja diamiinide oksüdatsioonis;
- L-aminohapete (st vasakukäeliste molekulide) oksüdaas;
- D-aminohapete oksüdaas (paremale pöörlevad molekulid);
- ksantiinoksüdaas – oksüdeerib adeniini ja guaniini (DNA molekulis sisalduvad lämmastikualused).
Oksidaasi tüüpi mikrosomaalse oksüdatsiooni tähtsus seisneb ksenobiootikumide kõrvaldamises ja bioloogiliselt aktiivsete ainete inaktiveerimises. Peroksiidi moodustumine, millel on bakteritsiidne toime ja mehaaniline puhastus vigastuskohas, on kõrvalmõju, millel on muude mõjude hulgas oluline koht.
Oksügenaasi tüüpi oksüdatsioon
Oksügenaasi tüüpi reaktsioonid rakus toimuvad ka granulaarsel endoplasmaatilisel retikulumil ja mitokondrite väliskestadel. Selleks on vaja spetsiifilisi ensüüme – oksügenaase, mis mobiliseerivad substraadist hapnikumolekuli ja viivad selle oksüdeerunud ainesse. Kui sisestatakse üks hapnikuaatom, nimetatakse ensüümi monooksügenaasiks või hüdroksülaasiks. Kahe aatomi (st terve hapnikumolekuli) sisestamise korral nimetatakse ensüümi dioksügenaasiks.
Oksügenaasi tüüpi oksüdatsioonireaktsioonid on osa kolmekomponendilisest mitme ensüümi kompleksist, mis osaleb elektronide ja prootonite ülekandes substraadist, millele järgneb hapniku aktiveerimine. Kogu see protsess toimub tsütokroom P450 osalusel, millest tuleb pikem alt juttu hiljem.
Oksügenaasi tüüpi reaktsioonide näited
Nagu eespool mainitud, kasutavad monooksügenaasid oksüdeerimiseks ainult ühte kahest saadaolevast hapnikuaatomist. Teises kinnituvad nad kahe vesiniku molekuliga ja moodustavad vee. Sellise reaktsiooni üheks näiteks on kollageeni moodustumine. Sel juhul toimib hapniku doonorina vitamiin C. Proliinhüdroksülaas võtab se alt hapnikumolekuli ja annab selle proliinile, mis omakorda sisaldub prokollageeni molekulis. See protsess annab sidekoele tugevuse ja elastsuse. Kui organismis on C-vitamiini puudus, tekib podagra. See väljendub sidekoe nõrkuses, verejooksus, verevalumites, hammaste väljalangemises ehk kollageeni kvaliteedi halvenemises organismis.allpool.
Teine näide on hüdroksülaasid, mis muundavad kolesterooli molekule. See on üks steroidhormoonide, sealhulgas suguhormoonide moodustumise etappidest.
Madala spetsiifilisusega hüdroksülaasid
Need on hüdrolaasid, mis on vajalikud võõrainete, näiteks ksenobiootikumide, oksüdeerimiseks. Reaktsioonide eesmärk on muuta sellised ained eritumiseks paremini juhitavaks, paremini lahustuvaks. Seda protsessi nimetatakse detoksikatsiooniks ja see toimub enamasti maksas.
Terve hapnikumolekuli kaasamise tõttu ksenobiootikumidesse katkeb reaktsioonitsükkel ja üks kompleksne aine laguneb mitmeks lihtsamaks ja ligipääsetavamaks ainevahetusprotsessiks.
Reaktiivsed hapniku liigid
Hapnik on potentsiaalselt ohtlik aine, kuna tegelikult on oksüdatsioon põlemisprotsess. Molekulina O2 või veena on see stabiilne ja keemiliselt inertne, kuna selle elektritasemed on täis ja uusi elektrone ei saa kinnituda. Kuid ühendid, milles hapnikus ei ole kõigi elektronide paari, on väga reaktsioonivõimelised. Seetõttu nimetatakse neid aktiivseteks.
Sellised hapnikuühendid:
- Monoksiidreaktsioonides moodustub superoksiid, mis eraldub tsütokroom P450-st.
- Oksüdaasireaktsioonides tekib peroksiidianioon (vesinikperoksiid).
- Isheemia läbinud kudede reoksügeenimise ajal.
Kõige tugevam oksüdeerija on hüdroksüülradikaal, seeeksisteerib vabal kujul vaid miljondik sekundit, kuid selle aja jooksul jõuavad paljud oksüdatiivsed reaktsioonid läbida. Selle eripära on see, et hüdroksüülradikaal mõjutab aineid ainult kohas, kus see tekkis, kuna see ei suuda kudedesse tungida.
Superoksüdaanioon ja vesinikperoksiid
Need ained on aktiivsed mitte ainult tekkekohas, vaid ka nendest teatud kaugusel, kuna võivad tungida läbi rakumembraanide.
Hüdroksürühm põhjustab aminohappejääkide: histidiini, tsüsteiini ja trüptofaani oksüdatsiooni. See põhjustab ensüümsüsteemide inaktiveerumist ja transpordivalkude häireid. Lisaks põhjustab aminohapete mikrosomaalne oksüdatsioon nukleiinsete lämmastikualuste struktuuri hävimise ja selle tagajärjel kannatab raku geneetiline aparaat. Samuti oksüdeeritakse rasvhapped, mis moodustavad rakumembraanide bilipiidkihi. See mõjutab nende läbilaskvust, membraani elektrolüüdipumpade tööd ja retseptorite asukohta.
Mikrosomaalse oksüdatsiooni inhibiitorid on antioksüdandid. Neid leidub toidus ja neid toodetakse kehas. Tuntuim antioksüdant on vitamiin E. Need ained võivad pärssida mikrosomaalset oksüdatsiooni. Biokeemia kirjeldab nende omavahelist vastasmõju vastav alt tagasiside põhimõttele. See tähendab, et mida rohkem oksüdaase, seda tugevamini need alla surutakse ja vastupidi. See aitab säilitada tasakaalu süsteemide vahel ja sisekeskkonna püsivust.
Elektritranspordi kett
Mikrosomaalses oksüdatsioonisüsteemis ei ole tsütoplasmas lahustuvaid komponente, seega kogutakse kõik selle ensüümid endoplasmaatilise retikulumi pinnale. See süsteem sisaldab mitmeid valke, mis moodustavad elektrotranspordi ahela:
- NADP-P450 reduktaas ja tsütokroom P450;
- tsütokroom B5 reduktaas ja tsütokroom B5 liig;
- steatorüül-CoA desaturaas.
Enamikul juhtudest on elektronide doonoriks NADP (nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaat). Seda oksüdeerib NADP-P450 reduktaas, mis sisaldab kahte koensüümi (FAD ja FMN), et vastu võtta elektrone. Ahela lõpus oksüdeeritakse FMN P450-ga.
Cytochrome P450
See on mikrosomaalne oksüdatsiooniensüüm, heemi sisaldav valk. Seob hapnikku ja substraati (reeglina on see ksenobiootikum). Selle nime seostatakse valguse neeldumisega lainepikkusel 450 nm. Bioloogid on seda leidnud kõigist elusorganismidest. Praegu on kirjeldatud enam kui üksteist tuhat valku, mis on osa tsütokroom P450 süsteemist. Bakterites on see aine lahustunud tsütoplasmas ja arvatakse, et see vorm on evolutsiooniliselt vanim kui inimestel. Meie riigis on tsütokroom P450 endoplasmaatilisele membraanile fikseeritud parietaalne valk.
Selle rühma ensüümid osalevad steroidide, sapi- ja rasvhapete, fenoolide metabolismis, raviainete, mürkide või ravimite neutraliseerimises.
Mikrosomaalse oksüdatsiooni omadused
Mikrosomaalsed protsessidoksüdatsioonidel on lai substraadi spetsiifilisus ja see omakorda võimaldab neutraliseerida mitmesuguseid aineid. Üksteist tuhat tsütokroom P450 valku saab voltida enam kui sajaks viiekümneks selle ensüümi isovormiks. Igal neist on suur hulk substraate. See võimaldab kehal vabaneda peaaegu kõigist kahjulikest ainetest, mis selle sees tekivad või väljastpoolt tulevad. Maksas toodetud mikrosomaalsed oksüdatsiooniensüümid võivad toimida nii lokaalselt kui ka sellest elundist märkimisväärsel kaugusel.
Mikrosomaalse oksüdatsiooni aktiivsuse reguleerimine
Mikrosomaalne oksüdatsioon maksas on reguleeritud messenger-RNA tasemel, õigemini selle funktsioon – transkriptsioon. Kõik tsütokroom P450 variandid on näiteks salvestatud DNA molekulile ja selleks, et see EPR-ile ilmuks, on vaja osa informatsioonist DNA-st messenger RNA-sse “ümber kirjutada”. Seejärel saadetakse mRNA ribosoomidesse, kus moodustuvad valgumolekulid. Nende molekulide arv on väliselt reguleeritud ja sõltub deaktiveerimist vajavate ainete hulgast, samuti vajalike aminohapete olemasolust.
Praeguseks on kirjeldatud üle kahesaja viiekümne keemilise ühendi, mis aktiveerivad organismis mikrosomaalset oksüdatsiooni. Nende hulka kuuluvad barbituraadid, aromaatsed süsivesikud, alkoholid, ketoonid ja hormoonid. Vaatamata sellisele näilisele mitmekesisusele on kõik need ained lipofiilsed (rasvlahustuvad) ja seetõttu vastuvõtlikud tsütokroom P450 suhtes.
