Оксигеназний шлях використання кисню. Мікросомальне окислення речовин

Крім мітохондріального існує мікросомальне окислення, яке здійснюється ферментними системами, локалізованими переважно в ендоплазматичному ретикулумі печінки та інших тканин і в мітохондріях надниркових залоз. Ендоплазматичний ретикулум являє собою ліпопротеїнову канальцеву сітку, яка пронизує всю цитоплазму. При гомогенізації (подрібненні) й ультрацентрифугуванні тканин ендоплазматичний ретикулум розпадається на окремі дрібні замкнені везикули, які одержали назву мікросом. Звідси й пішла назва «мікросомальне окислення».

Якщо в мітохондріальному окисленні провідну роль, як було показано вище, відіграють реакції дегідрування (утворення НАД⋅H+H+ і НАДФ⋅H+H+), а кисень є кінцевим акцептором електронів і використовується лише для утворення води, й енергія реакції окислювального фосфорилювання акумулюється в АТФ, то в процесах мікросомального окислення активний кисень безпосередньо включається в окислювану речовину, тобто кисень використовується як пластична речовина. Молекули АТФ у цьому процесі не утворю-

ються, енергія використовується в окисленні субстратів. Ферментні системи, які локалізовані в мікросомній фракції і здатні використовувати молекулярний кисень для окислення специфічних органічних сполук, поділяються на дві групи: диоксигенази й монооксигенази.

Диоксигенази до субстрату (S) приєднують відразу два атоми кисню:

S + O₂ → SO2

Монооксигенази каталізують реакції, в яких у молекулу органічного субстрату включається тільки один із двох атомів кисню, а другий використовується для утворення води. Постачальником атомів водню для утворення води служить НАДФ⋅H2 і зрідка – НАД⋅H₂:

S–H + O₂ + НАДФH2 → S–OH + H₂O + НАДФ⁺

Серед реакцій, які каталізуються мікросомальними ферментами, найбільше реакцій гідроксилювання, тобто включення гідроксильних груп до складу молекули субстрату. Тому монооксигенази називають ще гідроксилазами, їх вміст у тканинах є відносно великим. Активний кисень використовується для значної кількості процесів. Він необхідний для гідроксилювання стероїдів (холестерину) й перетворення їх у біологічно активні речовини, у тому числі гормони кори надниркових залоз, статеві гормони, жовчні кислоти, активну форму вітаміну Д (1,25-дигідроксикальциферол).

Мікросомальне окислення відіграє важливу роль у реакціях знешкодження шляхом гідроксилювання цілого ряду токсичних речовин, лікарських засобів і продуктів їх перетворення, які при цьому стають більш полярними, легше розчиняються у воді і, приєднуючи метаболіти нормального обміну речовин (глюкуронову кислоту, ацетил-КоА, глутамінову кислоту, цистеїн, гліцин та ін.), утворюють так звані парні сполуки з більшою молекулярною масою, які виводяться з організму із сечею. На жаль, іноді буває й навпаки, наприклад, монооксигеназний ланцюг, окислюючи нетоксичний бензпірен, що міститься в тютюновому димі, копченостях тощо, спричиняє утворення токсичного гідроксибензпірену, який є сильним канцерогеном.

Мікросомальна гідроксилююча система (ланцюг) коротша за мітохондріальну й містить НАДФH₂, флавопротеїн з кофактором ФАД, білок з негемовим залізом (адренотоксин) і гемпротеїн, що позначається як цитохром P₄₅₀. Цитохром P₄₅₀ здатний приєднувати оксид вуглецю (II); такий комплекс має максимум поглинання при 450 нм. Звідси й назва даного цитохрому. Цитохром P₄₅₀ являє собою протогемсульфідпротеїновий комплекс, який у своєму складі має іони міді. Вважають, що цитохром P450 виконує подвійну функцію: він зв'язується із субстратом гідроксилювання, і на ньому відбувається активування молекулярного кисню. В основі активування кисню на цитохромі P₄₅₀ лежать радикальні механізми, причому роль цитохрому P450 зводиться до зв'язування й стабілізації утворюваних радикалів (OH, O₂H•) і участі в реакціях відновлення кисню. Відомо багато форм (ізоферментів) цитохрому P₄₅₀, які відрізняються за субстратною специфічністю. Кожна з цих форм окислює широке коло субстратів різноманітних за будовою, але, як правило, гідрофобних. Тобто в даному випадку специфічність ферменту проявляється у відношенні не до структури, а до фізико-хімічних властивостей субстрату (до гідрофобності). Цитохром P450 каталізує не тільки гідроксилювання, але й реакції інших типів: дезалкілування, дезамінування, дегалогенування, N-окислення, епоксидування, відновлення нітрогруп і т.ін.

Необхідно ще раз підкреслити, що основна роль мікросомального ланцюга полягає в гідроксилюванні, а не в окислювальному фосфорилюванні. У загальній формі ланцюг переносу електронів у мікросомах, за участю якого здійснюється гідроксилювання, наведено в главі «Фармацевтична біохімія». Внаслідок цього багатостадійного процесу один з атомів молекулярного кисню використовується для гідроксилювання субстрату, а другий атом кисню – для утворення води. Багато з моментів описаного механізму функціонування цитохрому P450 ще потребують уточнень і експериментальних доказів, що представляє значні труднощі. Існують різні ферменти, які каталізують мікросомальне окислення, але обов'язковим загальним компонентом ферментних систем є НАДФ⋅H₂ і цитохром P₄₅₀; усі ферментні системи потребують участі молекулярного кисню.