Úlohu mikrozomálnej oxidácie v živote organizmu je ťažké preceňovať alebo prehliadať. Inaktivácia xenobiotík (toxických látok), rozklad a tvorba hormónov nadobličiek, účasť na metabolizme bielkovín a zachovanie genetickej informácie sú len malou časťou známych problémov, ktoré sa riešia vďaka mikrozomálnej oxidácii. Ide o autonómny proces v tele, ktorý začína po vstupe spúšťacej látky a končí jej elimináciou.
Definícia
Mikrozomálna oxidácia je kaskáda reakcií zahrnutých v prvej fáze xenobiotickej transformácie. Podstatou procesu je hydroxylácia látok pomocou atómov kyslíka a vznik vody. Vďaka tomu sa mení štruktúra pôvodnej látky a jej vlastnosti môžu byť potlačené aj posilnené.
Mikrozomálna oxidácia vám umožňuje pristúpiť ku konjugačnej reakcii. Ide o druhú fázu premeny xenobiotík, na konci ktorej sa molekuly produkované vo vnútri tela spoja s už existujúcou funkčnou skupinou. Niekedy vznikajú medziprodukty, ktoré spôsobujú poškodenie pečeňových buniek, nekrózu a onkologickú degeneráciu tkanív.
Oxidácia typu oxidázy
Mikrozomálne oxidačné reakcie prebiehajú mimo mitochondrií, takže spotrebujú asi desať percent všetkého kyslíka, ktorý sa dostane do tela. Hlavnými enzýmami v tomto procese sú oxidázy. Ich štruktúra obsahuje atómy kovov s premenlivou mocnosťou, ako je železo, molybdén, meď a iné, čo znamená, že sú schopné prijímať elektróny. V bunke sú oxidázy umiestnené v špeciálnych vezikulách (peroxizómoch), ktoré sa nachádzajú na vonkajších membránach mitochondrií a v ER (granulárne endoplazmatické retikulum). Substrát padajúci na peroxizómy stráca molekuly vodíka, ktoré sa pripájajú k molekule vody a vytvárajú peroxid.
Existuje iba päť oxidáz:
- monoaminooxygenáza (MAO) - pomáha okysličovať adrenalín a iné biogénne amíny produkované v nadobličkách;
- diaminooxygenáza (DAO) – podieľa sa na oxidácii histamínu (mediátor zápalu a alergií), polyamínov a diamínov;
- oxidáza L-aminokyselín (to znamená ľavotočivé molekuly);
- oxidáza D-aminokyselín (pravotočivé molekuly);
- xantínoxidáza - oxiduje adenín a guanín (dusíkaté bázy obsiahnuté v molekule DNA).
Význam mikrozomálnej oxidácie oxidázovým typom je v eliminácii xenobiotík a inaktivácii biologicky aktívnych látok. Tvorba peroxidu, ktorý má baktericídny účinok a mechanické čistenie v mieste poranenia, je vedľajším účinkom, ktorý zaujíma dôležité miesto medzi ostatnými účinkami.
Oxidácia typu oxygenázy
Reakcie typu oxygenázy v bunke prebiehajú aj na granulárnom endoplazmatickom retikule a na vonkajších obaloch mitochondrií. To si vyžaduje špecifické enzýmy - oxygenázy, ktoré mobilizujú molekulu kyslíka zo substrátu a zavádzajú ju do oxidovanej látky. Ak sa zavedie jeden atóm kyslíka, potom sa enzým nazýva monooxygenáza alebo hydroxyláza. V prípade zavedenia dvoch atómov (teda celej molekuly kyslíka) sa enzým nazýva dioxygenáza.
Oxidačné reakcie typu oxygenázy sú súčasťou trojzložkového multienzýmového komplexu, ktorý sa podieľa na prenose elektrónov a protónov zo substrátu, po ktorom nasleduje aktivácia kyslíkom. Celý tento proces prebieha za účasti cytochrómu P450, o ktorom bude podrobnejšie popísané neskôr.
Príklady reakcií typu oxygenázy
Ako je uvedené vyššie, monooxygenázy využívajú na oxidáciu iba jeden z dvoch dostupných atómov kyslíka. Druhá sa pripojí k dvom molekulám vodíka a vytvorí vodu. Jedným príkladom takejto reakcie je tvorba kolagénu. V tomto prípade pôsobí ako donor kyslíka vitamín C. Prolínhydroxyláza z neho odoberá molekulu kyslíka a dáva ju prolínu, ktorý je zase súčasťou molekuly prokolagénu. Tento proces dodáva spojivovému tkanivu pevnosť a pružnosť. Keď má telo nedostatok vitamínu C, vzniká dna. Prejavuje sa slabosťou väziva, krvácaním, podliatinami, vypadávaním zubov, čiže kvalita kolagénu v tele sa stávanižšie.
Ďalším príkladom sú hydroxylázy, ktoré premieňajú molekuly cholesterolu. Toto je jedna z fáz tvorby steroidných hormónov, vrátane pohlavných hormónov.
Nízke špecifické hydroxylázy
Ide o hydrolázy potrebné na oxidáciu cudzorodých látok, ako sú xenobiotiká. Zmyslom reakcií je, aby sa takéto látky stali prijateľnejšími na vylučovanie, aby boli rozpustnejšie. Tento proces sa nazýva detoxikácia a prebieha väčšinou v pečeni.
Vzhľadom na zahrnutie celej molekuly kyslíka do xenobiotík sa preruší reakčný cyklus a jedna komplexná látka sa rozpadne na niekoľko jednoduchších a dostupnejších metabolických procesov.
Reaktívne formy kyslíka
Kyslík je potenciálne nebezpečná látka, pretože oxidácia je v skutočnosti proces spaľovania. Ako molekula O2 alebo voda je stabilná a chemicky inertná, pretože jej elektrické hladiny sú plné a žiadne nové elektróny sa nemôžu pripojiť. Ale zlúčeniny, v ktorých kyslík nemá pár všetkých elektrónov, sú vysoko reaktívne. Preto sa nazývajú aktívne.
Takéto kyslíkové zlúčeniny:
- Pri monoxidových reakciách vzniká superoxid, ktorý sa oddeľuje od cytochrómu P450.
- Pri oxidázových reakciách dochádza k tvorbe peroxidového aniónu (peroxid vodíka).
- Počas reoxygenácie tkanív, ktoré prešli ischémiou.
Najsilnejším oxidačným činidlom je hydroxylový radikál, itexistuje vo voľnej forme len milióntinu sekundy, ale počas tejto doby má čas prejsť veľa oxidačných reakcií. Jeho zvláštnosťou je, že hydroxylový radikál pôsobí na látky iba v mieste, kde vznikol, keďže nemôže prenikať do tkanív.
Superoxidanion a peroxid vodíka
Tieto látky sú aktívne nielen v mieste tvorby, ale aj v určitej vzdialenosti od nich, pretože môžu prenikať cez bunkové membrány.
Hydroxyskupina spôsobuje oxidáciu zvyškov aminokyselín: histidínu, cysteínu a tryptofánu. To vedie k inaktivácii enzýmových systémov, ako aj k narušeniu transportných proteínov. Okrem toho mikrozomálna oxidácia aminokyselín vedie k deštrukcii štruktúry nukleových dusíkatých báz a v dôsledku toho trpí genetický aparát bunky. Oxidované sú aj mastné kyseliny, ktoré tvoria bilipidovú vrstvu bunkových membrán. To ovplyvňuje ich priepustnosť, činnosť membránových čerpadiel elektrolytov a umiestnenie receptorov.
Inhibítory mikrozomálnej oxidácie sú antioxidanty. Nachádzajú sa v potravinách a vytvárajú sa v tele. Najznámejším antioxidantom je vitamín E. Tieto látky dokážu inhibovať mikrozomálnu oxidáciu. Biochémia popisuje interakciu medzi nimi podľa princípu spätnej väzby. To znamená, že čím viac oxidáz, tým silnejšie sú potlačené a naopak. Pomáha to udržiavať rovnováhu medzi systémami a stálosť vnútorného prostredia.
Elektrický dopravný reťazec
Mikrozomálny oxidačný systém nemá žiadne zložky rozpustné v cytoplazme, takže všetky jeho enzýmy sa zhromažďujú na povrchu endoplazmatického retikula. Tento systém obsahuje niekoľko proteínov, ktoré tvoria elektrotransportný reťazec:
- NADP-P450 reduktáza a cytochróm P450;
- OVER-cytochróm B5 reduktáza a cytochróm B5;
- steatoryl-CoA desaturáza.
Donorom elektrónov je vo veľkej väčšine prípadov NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát). Oxiduje sa reduktázou NADP-P450, ktorá obsahuje dva koenzýmy (FAD a FMN), aby prijal elektróny. Na konci reťazca je FMN oxidovaná P450.
Cytochróm P450
Toto je mikrozomálny oxidačný enzým, proteín obsahujúci hem. Viaže kyslík a substrát (spravidla ide o xenobiotikum). Jeho názov je spojený s absorpciou svetla z vlnovej dĺžky 450 nm. Biológovia ho našli vo všetkých živých organizmoch. V súčasnosti je popísaných viac ako jedenásťtisíc proteínov, ktoré sú súčasťou systému cytochrómu P450. V baktériách je táto látka rozpustená v cytoplazme a predpokladá sa, že táto forma je evolučne najstaršia ako u ľudí. U nás je cytochróm P450 parietálny proteín fixovaný na endoplazmatickú membránu.
Enzýmy tejto skupiny sa podieľajú na metabolizme steroidov, žlče a mastných kyselín, fenolov, neutralizácii liečivých látok, jedov či liekov.
Vlastnosti mikrozomálnej oxidácie
Mikrozomálne procesyoxidácie majú širokú substrátovú špecifickosť, čo zase umožňuje neutralizovať rôzne látky. Jedenásťtisíc proteínov cytochrómu P450 môže byť zložených do viac ako stopäťdesiatich izoforiem tohto enzýmu. Každý z nich má veľké množstvo substrátov. To umožňuje telu zbaviť sa takmer všetkých škodlivých látok, ktoré sa v ňom tvoria alebo prichádzajú zvonku. Enzýmy mikrozomálnej oxidácie, produkované v pečeni, môžu pôsobiť lokálne aj v značnej vzdialenosti od tohto orgánu.
Regulácia mikrozomálnej oxidačnej aktivity
Mikrozomálna oxidácia v pečeni je regulovaná na úrovni messenger RNA, respektíve jej funkcie – transkripcie. Na molekule DNA sú zaznamenané napríklad všetky varianty cytochrómu P450 a na to, aby sa objavila na EPR, je potrebné „prepísať“časť informácie z DNA na messenger RNA. mRNA je potom poslaná do ribozómov, kde sa tvoria proteínové molekuly. Počet týchto molekúl je regulovaný externe a závisí od množstva látok, ktoré je potrebné deaktivovať, ako aj od prítomnosti potrebných aminokyselín.
Dodnes bolo popísaných viac ako dvestopäťdesiat chemických zlúčenín, ktoré aktivujú mikrozomálnu oxidáciu v tele. Patria sem barbituráty, aromatické sacharidy, alkoholy, ketóny a hormóny. Napriek takejto zjavnej rozmanitosti sú všetky tieto látky lipofilné (rozpustné v tukoch), a preto sú citlivé na cytochróm P450.
