Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 24. Детоксикація продуктів метаболізму

Залежно від середовища існування тварини утворюють різні продукти детоксикації Нітрогену

У результаті процесів обміну речовин утворюються різноманітні сполуки, що не можуть бути використані організмом і потребують виведення. Для усіх сполук, що містять Гідроген, Оксиген і Карбон, кінцевими продуктами метаболізму є вуглекислий газ і вода. Вони не потребують додаткового зменшення токсичності — детоксикації — і виводяться в незмінному вигляді під час дихання, випаровування й сечовиділення.

Більш складне становище із продуктами метаболізму Нітрогену. При розщепленні амінокислот утворюється амоніак, який є надзвичайно отруйною речовиною. Різні організми неоднаково підійшли до проблеми його детоксикації. Автотрофи, як правило, не мають з амоніаком проблем тому, що не утворюють його в значних кількостях. Річ у тім, що всю органіку вони синтезують самотужки, тому чітко регулюють скільки нітрогеновмісних сполук їм потрібно й не утворюють зайвого. Якщо ж надлишок амоінаку все-таки з’являється, то він взаємодіє з карбоксильними групами певних амінокислот, перетворюючи їх на аміди (рис. 24.1). Надалі такі амінокислоти з амідними групами можуть накопичуватися у відмерлих тканинах або скидатися разом із листками восени. Подібне утворення амідів із метою детоксикації амоніаку є характерним і для деяких тканин тварин, наприклад, м’язової.

Для гетеротрофів, особливо тварин, питання детоксикації амоніаку стоїть гостро. Водні організми, наприклад, кісткові риби й личинки амфібій виводять амоніак через зяброві капіляри в навколишнє середовище (це можливо завдяки значній різниці в концентраціях амоніаку в крові тварин і воді навколо).

Рис. 24.1. Детоксикація амоніаку шляхом взаємодії з карбоксильною групою з утворенням амідної

Наземні організми не можуть дозволити собі значних втрат води на виведення амоніаку у вигляді розбавленого розчину. Тому суходільні тварини й гриби перетворюють амоніак на менш токсичні сечовину та сечову кислоту (рис. 24.2). Для організмів, які еволюціонували в умовах достатньої кількості вологи, характерне перетворення амоніаку на сечовину.

У ссавців синтез сечовини відбувається в клітинах печінки — гепатоцитах. Перетворення амоніаку на сечовину можна уявити у вигляді такого рівняння:

2NH3 + СO2 —> CO(NH2)2 + Н2O

Синтез сечовини є дуже енерговитратним: для утворення однієї її молекули потрібно використати енергію розщеплення чотирьох макроергічних зв’язків у молекулах АТФ. Утім сечовина є добре розчинною нетоксичною сполукою, що легко транспортується кров’ю, відфільтровується в нирках і виводиться назовні із сечею (рис. 24.3, А). При цьому витрати води на таке виділення зовсім незначні.

Рис. 24.2. Структурні формули сечовини (А) і сечової кислоти (Б)

Утворення сечової кислоти є ще більш енерговитратним процесом порівняно з утворенням сечовини. Проте сечова кислота має низьку розчинність, що зумовлює її виведення без значних втрат води. Це є актуальним для організмів, які проживають у посушливих умовах або мають обмежений доступ до води. Сечова кислота є результатом детоксикації амоніаку в наземних комах, змій, ящірок і птахів (рис. 24.3, Б). Також її утворюють і інші організми, наприклад, ссавці, як кінцевий продукт розщеплення нітрогеновмісних основ нуклеотидів. Значний внесок у дослідження її метаболізму зробив український учений Іван Горбачевський. Збільшення вмісту сечової кислоти в крові може призводити до утворення камінців у нирках і сечовому міхурі й подагри, що проявляється відкладанням кристалів кислоти та її солей біля суглобів (рис. 24.4).

Насправді, описані способи детоксикації амоніаку не є вичерпними, оскільки в деяких груп організмів можуть утворюватися й інші продукти. Окрім того, часто детоксикація відбувається кількома шляхами одночасно. Так, у сечі людини міститься невелика кількість розчиненого амоніаку, а черепахи виділяють сечовину й сечову кислоту майже в рівних кількостях.

Рис. 24.3. Виділення кінцевих продуктів обміну Нітрогену

А. Одна з найбільш відомих пам’яток Брюсселя — бронзова статуя хлопчика, що здійснює виведення кінцевого продукту обміну амінокислот — сечовини в процесі сечовиділення. Б. Послід птахів містить значні кількості сечової кислоти.

Детоксикація активних форм Оксигену відбувається завдяки антиоксидантам

Аеробні організми використовують кисень для окиснення поживних речовин із метою отримання енергії. Він є кінцевим акцептором електронів у електротранспортному ланцюзі мітохондрій. Приймаючи чотири електрони і зв’язуючись із чотирма протонами, кисень утворює дві молекули води.

O2 + 4е- + 4Н+ —> 2Н2O

Рис. 24.4. Сечова кислота

А. Сечова кислота при високобілковій дієті може утворювати камінці в сечовидільній системі людини. Б. Утворення тофусів — відкладень кристалів сечової кислоти та її солей навколо суглобів — є характерною ознакою подагри.

Але у випадку, коли до кисню приєднається недостатня кількість електронів, замість води можуть утворитися активні форми Оксигену: супероксид аніон-радикал (•О-2), гідроген пероксид (Н2O2), гідроксид-радикал (•ОН) тощо.

Інколи клітини спеціально утворюють такі сполуки з певною метою: тромбоцити — для приваблення інших тромбоцитів і лейкоцитів до місця порушення цілісності судини, макрофаги (клітини-пожирачі імунної системи) — для знищення бактерій, пероксисоми (клітинні одномембранні органели) — для окиснення шкідливих речовин тощо. Окрім цього, спричинити утворення активних форм Оксигену в клітині можуть ліки, наркотичні речовини, тютюновий дим, інші забруднювачі й радіація.

1 Аніоном називається частинка, що містить зайві електрони, які зумовлюють її негативний заряд, а радикалом — така, що має неспарений електрон.

Активні форми Оксигену є дуже небезпечними для життєдіяльності клітини. їхня токсичність зумовлена високою хімічною активністю. Вони можуть пошкоджувати ДНК і РНК, спричиняючи появу мутацій, окиенювати ліпіди мембран, руйнуючи останні, амінокислоти в білках, спричиняючи порушення їхньої структури й функціонування. Усе це може стати причиною порушення клітинного циклу й розвитку злоякісних пухлин (докладніше у § 45), викликати появу захворювань (серцевого нападу, інсульту, хвороби Альцгеймера тощо) чи просто знищити клітину. Тому активні форми Оксигену повинні швидко детоксикуватися, щоб їхня концентрація в клітині була недостатньою для спричинення негативних наслідків.

Процес руйнування активних форм Оксигену може відбуватися кількома шляхами завдяки речовинам, що отримали назву антиоксиданти. Найважливішими антиоксидантами є ферменти, наприклад, каталаза, що розкладає гідроген пероксид до кисню й води2. Ці ферменти перетворюють активні форми Оксигену на кисень, воду й окиснені органічні сполуки, що не мають токсичного впливу на клітину.

Окрім ферментативних антиоксидантів, значна частина речовин, що надходять із їжею чи синтезуються в організмі, може виконувати роль антиоксидантів.

2 Це саме каталаза крові спричинює спінювання під час обробки відкритої рани розчином гідроген пероксиду.

Рис. 24.5. Глутатіон

А. Глутатіон є трипептидом, що має вільну — SH групу. Саме вона й зумовлює його антиоксидантні властивості. Б. Механізм дії глутатіону: два відновлені глутатіони віддають два протони на окисник, відновлюючи його, а самі окиснюються, утворюючи дисульфідний місток (літерою Г позначений глутатіон).

Річ у тім, що продукти їхнього окиснення не є небезпечними для клітини, на відміну від продуктів окиснення нуклеїнових кислот, ліпідів чи білків. Тому, «підставляючись під удар», антиоксиданти захищають клітину від активних форм Оксигену. Найпоширенішими речовинами-антиоксидантами в людському організмі є вітаміни С і Е, каротиноїди (наприклад, β-каротин), сечова кислота, глутатіон (рис. 24.5). Частину з них наш організм може синтезувати (глутатіон, сечова кислота), а інші отримує з їжею (вітаміни С, Е, каротиноїди).

Джерелом останніх є свіжі фрукти, овочі й зелень, які людина повинна вживати щодня під час кожного прийому їжі.

Окрім щоденного захисту від активних форм Оксигену й продуктів окиснення ліпідів, білків і нуклеотидів, уживання антиоксидантів може збільшити тривалість життя. Згідно з вільнорадикальною теорією старіння причиною порушення функціонування клітин і організму з віком є накопичення продуктів окиснення, а також зниження ефективності антиоксидантного захисту. Тому надходження речовин-антиоксидантів до організму в достатній кількості може сприяти збільшенню тривалості життя й зменшенню ризику розвитку старечих хвороб.

Під час детоксикації ксенобіотики хімічно модифікуються

Час від часу до будь-якого організму потрапляють речовини, що не властиві для його обміну речовин — ксенобіотики1. Вони можуть бути природного походження, тобто утворені в інших організмах (наприклад, алкалоїди рослин), чи штучного походження, тобто створені людиною (наприклад, пестициди). Зазвичай, ці чужорідні речовини мають шкідливий вплив на організм.

Усі ксенобіотики можна розділити на кілька груп за походженням: ліки й психоактивні речовини2, речовини побутової хімії, промислові речовини. Вони можуть порушувати біохімічні процеси, викликати алергічні реакції й мутації, знижувати імунітет, спричиняти розвиток ракових захворювань. Для зменшення потенційної шкоди організму ксенобіотики швидко детоксикуються в організмі. У людини ці процеси найчастіше відбуваються в печінці та нирках. І чим активніші ці процеси, тим більше ресурсів витрачають на них клітини, що врешті-решт призводить до їх вичерпання й загибелі клітин. Тому, задля збереження здорових печінки й нирок, треба намагатися зменшити надходження ксенобіотиків до організму: приймати ліки лише в крайніх випадках, не вживати психоактивних речовин, дотримуватися правил гігієни в побуті й на виробництві.

1 Ксенобіотики (від грец. xenos — чужий, іноземець, bios — життя) — чужорідні для організмів хімічні речовини, що природно не синтезуються в організмі.

2 Таку назву мають усі речовини, що впливають на роботу центральної нервової системи, спричиняючи зміну психічного стану організму: етанол, наркотичні речовини, психотропві ліки.

Детоксикація ліків, психоактивних, побутових і промислових речовин в організмі відбувається у два основні етапи (рис. 24.6). На першому етапі молекули ксенобіотиків хімічно модифікуються шляхом утворення полярних груп у їхніх молекулах внаслідок окисно-відновних реакцій чи гідролізу. У результаті роботи відповідних ферментів у молекулах токсинів з’являються полярні гідроксильні групи. На другому етапі відбувається сполучення цих видозмінених ксенобіотиків із полярними речовинами — їх кон’югація. Такими полярними речовинами є, наприклад, амінокислоти. У результаті кон’югації розчинність ксенобіотиків у воді зростає. Це призводить до зниження біологічної активності й полегшення виведення їх із клітин організму.

Рис. 24.6. Етапи детоксикації ксенобіотиків

Одним із найпоширеніших ксенобіотиків для людини є етиловий спирт. Дія його на тканини і органи тіла є різноплановою. Відомо, що етиловий спирт підвищує ризик розвитку раку (тобто є канцерогеном), недокрів’я й аритмії, гіпертензії й інсульту, гастриту й виразки шлунку, спричиняє загибель нейронів головного мозку, цироз печінки, безпліддя. Крім того, діти матерів, які вживали етанол під час вагітності, часто мають сповільнений ріст і затримку розумового розвитку. Близько 6 % усіх смертей чоловіків у світі й 1 % смертей жінок зумовлені впливом алкоголю.

Рис. 24.7. Біохімічний шлях детоксикації етанолу

Детоксикація етилового спирту відбувається у два етапи (рис. 24.7). Спочатку етанол окиснюється до етаналю1. Утворений етаналь є ще більш токсичним ніж етанол: він взаємодіє з білками, спричиняючи порушення їхньої структури та функцій. Він окиснюється, своєю чергою, до оцтової кислоти, що входить у звичайні процеси метаболізму й деградує до вуглекислого газу й води.

1 Інші назви цієї сполуки ацетальдегід чи оптовий альдегід.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Для якого з наведених організмів найімовірніше виведення продуктів метаболізму Нітрогену у вигляді амоніаку?

А амеба

Б орел

В їжак

Г синій кит

Д жук-довгоносик

• 2. Чим більше в організмі продуктів окиснення ліпідів, то

А молодший організм

Б активніше працюють антиоксидантні ферменти

В ймовірніша загибель клітини

Г менша інтенсивність обміну речовин

Д менше в організмі антиоксидантів

• 3. Оберіть причину появи активних форм Оксигену в клітині.

А розщеплення води

Б розщеплення гідроген пероксиду

В утворення ліпідів

Г утворення етаналю

Д аеробне дихання

• 4. У біохімічному шляху детоксикації етанолу токсичність речовин

А спочатку зменшується, а потім збільшується

Б спочатку збільшується, а потім зменшується

В зменшується

Г збільшується

Д не змінюється

• 5. Увідповідніть речовину й спосіб її детоксикації в організмі людини.

1. гідроген пероксид

2. етанол

3. амоніак

4. нікотин

А взаємодія із вуглекислим газом

Б розщеплення каталазою

В окиснення до ацетальдегіду

Г перетворення у сечову кислоту

Д модифікація й кон’югація

У житті все просто

• 6. Близько 2 % населення США мають захворюваність на подагру, тоді як в Україні лише 0,4 % населення. Які причини розвитку подагри? Чому існує така різниця в захворюваності в США й Україні? Як попередити це захворювання?

• 7. Схарактеризуйте докази, що містить вільнорадикальна теорія старіння.

• 8. Чому водні тварини (наприклад, кісткові риби) можуть собі дозволити виводити амоніак у незмінному вигляді через зябра в навколишнє середовище? Підійдіть до відповіді з фізико-хімічної точки зору.

У житті все не так просто

• 9. Вивчіть інструкції кількох медичних препаратів. Які способи детоксикації характерні для діючих речовин цих препаратів в організмі? З’ясуйте, чому деякі речовини виводяться в незмінному вигляді.

Проект для дружної компанії

• 10. Створіть рейтинг із десяти найбільш смертоносних отрут для людини. Поясніть причини високої смертності від них.