Цитохром p450 характеристика и биологическая роль. P450 цитохромы

Полунина Т.Е.

Оксана Михайловна Драпкина

– Мы продолжаем нашу программу. У нас лекции и дискуссии по гинекологии заканчиваются, мы полностью вошли в регламент, поэтому постараемся из него не выходить. Профессор Полунина Татьяна Евгеньевна открывает секцию гастроэнтерологии. Лекции «Роль семейства цитохромов P450 в патогенезе и лечении неалкогольной жировой болезни печени».

Татьяна Евгеньевна Полунина , профессор, доктор медицинских наук:

– Цитохромы P450 (CYP 450) – так называется большое семейство универсальных ферментов организма человека. Цитохромы P450 играют важную роль в окислении многочисленных соединений, таких как эндогенные соединения (стероиды, желчные кислоты, жирные кислоты, простагландины, лейкотриены, биогенные амины), а также экзогенные соединения (лекарственные препараты, продукты промышленного загрязнения, пестициды, канцерогены и мутагены), последние называются ксенобиотиками.

В данном слайде вы видите, где располагаются цитохромы P450. Они располагаются в гепатоците, в цитозоле. Эндоплазматический ретикулум является основой для расположения. И, в частности, липидная мембрана, которая содержит двухслойный слой фосфолипидов, имеет на себе несколько соединенных структур. Это цитохром, который включает в себя железопротеин, никотинамидадениндинуклеотид и оксидоредуктаза, которая включатся в комплекс метаболизма лекарственных препаратов и выше представленных ксенобиотиков.

Наиболее распространенными представителями этой группы, к которым обращаются клиницисты, являются цитохромы P452 АС, P450 2D, P450 2E1, P450 3A4. Эти ферменты катализируют широкий спектр метаболических реакций и один цитохром, может метаболизировать несколько лекарственных препаратов, которые имеют различную химическую структуру. Один и тот же лекарственный препарат подвергается различному воздействию в цитохроме P450 и в различных органах. И вот, в частности, важнейший цитохром, на который мы обращаем внимание, это цитохром P450 2E – важнейший изофермент цитохрома P450, он расщепляет липопротеины низкой плотности.

В настоящее время разработаны методы не только фенотипирования, которые основаны на субстратной специфичности определенных изоферментов цитохрома P450, но и активность того или иного фермента и метаболизма определяется по фармакокинетике маркерного субстрата и изменением концентраций неизмененного вещества и его метаболита. А вот определение изоферментов цитохрома P450 путем идентификации генов соответствующих изоферментов осуществляется с помощью полимеразной цепной реакции. Это называется генотипированием изофермента цитохрома P450.

На данном слайде мы видим, что в гепатоците то место, где расположены эндоплазматический ретикулум, цитохромы P450, которых насчитывается более 50, и лекарства, которые расщепляются в определенном цитохроме, оно в ряде случаев соединяется с цитохромом и образует везикулу, которая повреждает гепатоцит, вызывая при этом стресс и цитокины; приводит к активизации туморнекротического фактора и, в частности, является триггерным фактором для запуска каспаз, что проявляется с каталитическими процессами.

Неалкогольная жировая болезнь печени, которую впоследствии выделили в нозологическую единицу, стали называть как неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП) с 1980 года, обнаружив в печени не злоупотребляющих алкоголем пациентов изменения, которые сходны с такими же, как при алкогольном поражении.

Естественное течение неалкогольной жировой болезни печени включает в себя стеатоз как начальную стадию, которая, не прогрессируя, может протекать бессимптомно, и стеатогепатит, который сопровождается ужасными вегетативными проявлениями, синдромом цитолиза и диспепсическими проявлениями. При развитии фиброза возникает достаточно серьезная проблема – цирроз печени, и развивается в дальнейшем портальная гипертензия и карцинома.

Хотелось бы обратить ваше внимание, что еще в 1894 году Кирнан предложил определенную архитектонику печени, которая состоит из балочного строения. На периферии балок, которые состоят из гепатоцитов полигональной формы, расположена триада: желчный ход, портальная вена и артерия. Данный слайд представляет нормальную здоровую печень и жировую инфильтрацию гепатоцитов. Стеатоз печени, который является одной из первых фаз развития неалкогольной жировой болезни печени, представлен в морфологическом виде на данной схеме.

Следующим вариантом развития воспалительного процесса, который приводит к фиброзной ткани, распространению ее по печени, мы видим стеатогепатит и в дальнейшем цирроз печени с развитием портальной гипертензии. Чаще всего это микронодулярный цирроз печени, который уже совершенно четко утвержден в стадиях развития неалкогольной жировой болезни печени, он сопровождается портальной гипертензией, варикозным расширением вен пищевода, желудка, осложнениями, которые типичны для цирроза печени, и летальным исходом.

При неалкогольном стеатогепатите наиболее часто развиваются моменты, которые связаны чаще всего как сопутствующие заболевания: сахарный диабет, ожирение. У пациентов неалкогольный стеатогепатит развивается до 75%, а если сочетается сахарный диабет и ожирение, то это уже 90% пациентов имеет неалкогольную жировую болезнь печени.

Печень, несомненно, главный орган-мишень, поражаемый при метаболическом синдроме. Инсулинорезистентность – ключевой признак, который является основой для накопления липидов внутри гепатоцитов, жировой дистрофии печени, неалкогольного стеатогепатита и цирроза печени.

Хотелось бы обратить внимание, что метаболический синдром включает в себя не только нарушения толерантности к глюкозе, но и дислипидемию, абдоминально-висцеральное ожирение, инсулинорезистентность и гиперинсулинемию, артериальную гипертензию, ранний атеросклероз, нарушение гемостаза, гиперурикемию, гиперандрогению. Хотелось бы сказать, что неалкогольная жировая болезнь печени, стеатоз, входит в состав метаболического синдрома и является в настоящее время квинтетом, который раньше назывался «смертельным квартетом».

Факторы риска, представленные на данном слайде, иногда меняются в разных странах, в частности американские позиции и европейские позиции незначительно разнятся. Но, тем не менее, окружность талии, уровень триглицеридов, липопротеидов, артериальное давление, в частности 130/85, уровень глюкозы – это те показатели, которые необходимо обязательно отслеживать у пациента с метаболическим синдромом.

Заболевания, ассоциированные с липидным обменом, это: неалкогольная жировая болезнь печени, сахарный диабет второго типа, ишемическая болезнь печени, гипертоническая болезнь.

В схеме патогенеза особое значение имеет инсулинорезистентность жировой ткани. Повышение липогенеза, то есть увеличения уровня жирных кислот, увеличение синтеза триглицеридов и липотоксичность приводят к тому, что развивается инсулинорезистентность, а это приводит к метаболическим дисфункциям, стрессу эндоплазматического ретикулума, в котором также происходит метаболизм жирных кислот и в частности липопротеидов, и к активации воспаления. Это клетки Купфера и звездчатые клетки, которые в дальнейшем приводят не только к тому, что повышается уровень липидов очень низкой плотности, несомненно, это приводит к тому, что развивается стеатогепатит с фиброзом, и мы получаем активность процесса, который движется в сторону цирроза печени.

На уровне гепатоцита жирные кислоты, которые подвергаются эстерификации в триглицериды и экспортируются в виде липопротеидов низкой плотности, это в нормальном гепатоците ситуация, которая связана с окислением в митохондриях, пероксисомах и микросомах.

Несомненно, в механизме инсулинорезистентности, который здесь представлен, ключевая роль принадлежит туморнекротическому фактору, свободным радикалам, лептину, жирным кислотам и увеличению липолиза, который приводит к поглощению жирных кислот, к нарушению β-окисления жирных кислот в митохондриях и также к накоплению жирных кислот в гепатоците.

Индукция цитохромов P450 4A11 и P450 2E1 приводит к перекисному окислению липидов, которое приводит, несомненно, к активизации моментов, связанных с накопление триглицеридов. Гиперинсулинемия – ключевой момент, который ведет к инсулинорезистентности. Он приводит также к увеличению гликолиза, синтезу жирных кислот и накоплению триглицеридов в гепатоцитах.

В следующем слайде виден механизм взаимодействия между микросомальным окислением и митохондриальным β-окислением. Обратите внимание, что митохондриальная Ω-оксидация и митохондриальная β-оксидация приводят к запуску так называемых рецепторов пероксисомального β-окисления и в частности рецепторов, активируемых в пролиферации пероксисом. Это приводит к экспрессии накопления определенного белка и, соответственно, ацетил-коэнзим А, который накапливается и запускает механизм, приводит к перегрузке дикарбоновыми жирными кислотами.

В следующем слайде вы видите, что стеатогепатит и фиброз формируются на фоне митохондриальных активных форм кислорода. Ключевым моментом для запуска фиброза является, несомненно, накопление малондиальдегида, который приводит к формированию воспалительных инфильтратов, фиброзу и активации звездчатых клеток. Звездчатые клетки запускают индукцию цитокинов, таких как туморнекротический фактор, трансформирующие факторы роста. Истощение антиоксидантной системы приводит к запуску Fas-леганд, митохондриальной активной формы кислорода, возникает некроз гепатоцита, и в дальнейшем развивается фиброзная ткань, которая является основой для развития цирроза.

На данном слайде представлена схема, вы видите избыток липидов, которые накапливаются в гепатоците. Митохондриальная дисфункция и дисфункция цитохрома P450 приводит к активизации перекисного окисления липида, запуску клетки Купфера, воспалительных цитокинов, активации звездчатых клеток и апоптозу, который в дальнейшем приводит к развитию некроза гепатоцита.

Метаболический синдром очень важен, потому что неалкогольная жировая болезнь печени, это часть метаболического синдрома. И не только на гепатоцит, в котором происходит повышение уровня липопротеидов низкой плотности и очень низкой плотности, триглицеридов (это очень важно), но также оказывается влияние на эндотелиальную клетку. Происходит эндотелиальная дисфункция и запускается также момент, который связан с перекисным окислением липидов, накоплением веществ, которые влияют на атеросклероз, внезапную смерть, сердечные приступы.

Несомненно, повышение уровня свободных жирных кислот связано с адипоцитами. И снижение в частности эстерифицированного холестерина также приводит к различным стрессам ядерного рецептора. А особенно важен в настоящее время так называемый активированный рецептор пролиферации пероксисом, именно к нему направлены все взоры ученых, которые работают с ожирением, с диабетом, с неалкогольной жировой болезнью печени.

Моноцит (макрофаг) в ряде случаев повышением уровня воспалительных ответчиков (туморнекротического фактора, интерлейкинов-6, мембранные толл-подобные рецепторы, свободные жирные кислоты) также запускает моменты, которые связаны именно с патологическими эффектами жирных кислот.

Критерии оценки инсулинорезистентности всем известны еще с 1985 года. Ее определяют индекс HOMA – Homeostasis Model Assessment, и уже более современный индекс QUICKI – Quantitave Insulin Sensitivity. Здесь представлены концентрация инсулина, глюкоза сыворотки крови, а также нормы.

Хотелось бы обратить внимание, что не всем пациентам с неалкогольной жировой болезнью печени необходимо проводить биопсию печени. У нас в настоящее время есть моменты, которые дают возможность нам определить уровень жировой инфильтрации печени. И в частности это фибротест.

В алгоритме диагностики неалкогольной жировой болезни печени мы уделяем внимание не только специфическим признакам, но также активности ферментов аланиновой и аспарагиновой трансаминазы, гамма-глутамилтранспептидазы, щелочной фосфатазы, обращаем внимание на прием алкоголя, который обсуждался у предыдущих коллег. И я хотела бы обратить внимание, конечно, на факторы риска: метаболический синдром, инсулинорезистентность, сахарный диабет. Назначается терапия по коррекции данной ситуации, при необходимости биопсия печени. Несомненно, требуются абсолютные показания для проведения биопсии. И если индекс массы тела превышает 35 и 40, тогда уже проводятся мероприятия, которые связаны с хирургическим лечением.

Хотела бы обратить ваше внимание на ряд лекарственных препаратов (нестероидные – противовоспалительный глюкокортикоз, и стероидные препараты, антибиотики тетрациклинового ряда), ряд нутрициологических факторов (голодание, быстрое снижение веса, хирургические вмешательства, метаболические генетические факторы, в частности, наследственный гемохроматоз, различные яды) и другие сопутствующие заболевания. Это очень важно для дифференциальной диагностики.

В стадии стеатоза важно лечение ожирения, инсулинорезистентности, дислипидемии. В стадии стеатогепатита важнейшим моментом является устранение окислительного стресса, воспаления и фиброза.

Избыточная индукция цитохрома P450 2E оказывает вредное воздействие на гепатоциты вследствие высвобождения свободных радикалов. Эссенциальные фосфолипиды действуют не только как антиоксиданты, но также служат очень важным моментом для снижения активности цитохрома 2E1, что показано в работах М.Алейник. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что введение эссенциальных фосфолипидов может уменьшить индукцию цитохрома P450 2E (работы Владимира Трофимовича Ивашкина, которые были представлены с Мариной Викторовной Маевской в российских источниках в 2004 году).

В формировании конечной стадии неалкогольной жировой болезни печени принимают участие стеллатные клетки. И в лабораторных экспериментах было продемонстрировано, что полное предотвращение активации стеллатных клеток с применением ингибиторов CYP2E1 предотвращают развитие цирроза.

Хотела бы обратить ваше внимание, что не только российский автор М.Алейник, а также японский автор Акияма в журнале «Гепатология» в 2009 году на основании модели алкогольного поражения печени также уделяет внимание цитохрому P450 2E, ацетил-КоА оксидазе и никотинамидадениндинуклеотид-оксидаз, что эссенциальные фосфолипиды проявляют противовоспалительную антиапоптотическую и противофиброзную активность при данной патологии.

Это теоретический вариант предположения применения ингибиторов цитохромов P450, а в частности препарата «Эссенциале», который является эталонным, и является важнейшим моментом для ингибирования цитохромов P450 2E и, соответственно, P450 4A11. Это предотвращает окисление липидов, гликолиз и снижает синтез жирных кислот.

В лечении неалкогольной жировой болезни печени представлены препараты: инсулиновые сенситайзеры, антиоксиданты, гепатопротекторы, антимикробные препараты.

Но я хотела бы обратить внимание на фосфолипиды мембран. Они являются главными липидными компонентами клеточных мембран. Повреждение фосфолипидных мембран ведет к синдрому цитолиза, а избыток реактивных составляющих кислорода приводит к повреждению фосфолипидных мембран на основании микросомального γ-окисления и пероксимального β-окисления. Соответственно, повреждения фосфолипидных мембран – это гибель клетки, что приводит к запуску фиброза и активации звездчатых клеток.

Повреждения структуры печени – это повреждение мембран. В варианте эссенциальных фосфолипидов представляет собой материал, который восстанавливает клеточные мембраны взамен липидов. Восстановление структуры печени дает возможность восстановлению функции печени.

Наши пациенты страдают не только алкогольной жировой болезнью печени, алкогольными гепатитами, а имеются и другие заболевания печени, это факт неоспоримый. Хотела бы обратить ваше внимание, что по данным Е. Кунца (монография 2008 года) эссенциальные фосфолипиды обладают антифибротическим эффектом, действием, стабилизирующим желчь и мембрану гепатоцита.

Это издание, которое было выпущено в 2008 году на основании фармакологических и клинических данных. Терапия эссенциальными фосфолипидами представляется предпочтительным выбором для значимого уменьшения проявления и устранений жировой болезни печени различной этиологии, развившейся вследствие употребления алкоголя, ожирения и если даже причину не удается усмотреть.

Я хотела бы обратить внимание, что существует несколько исследований по «Эссенциале». Эти исследования достаточно всем известны. Но хотела бы сказать, что и с сахарным диабетом «Эссенциале» дает возможность у пациентов с неалкогольной болезнью печени нормализовать уровень глюкозы, гликированного гемоглобина, сывороточного холестерина.

И в заключение я хотела бы сказать, что поражение печени, характеризующееся накоплением жира при отсутствии злоупотребления алкоголем известно как неалкогольная жировая болезнь печени. Факторами риска является ожирение, сахарный диабет второго типа. В патогенезе неалкогольной жировой болезни печени особое значение отводится избыточной активности цитохромов P450 2E1. Клинические варианты течения болезни: боль в правом подреберье, астеновегетативные и диспепсические расстройства, гепатомегалия. И наш алгоритм диагностики основан на последовательном исключении алкогольных и ятрогенных, а также вирусных поражений печени.

Микросомальное окисление – это последовательность реакций с участием оксигеназ и НАДФН , приводящих к внедрению атома кислорода в состав неполярной молекулы и появлению у нее гидрофильности и повышает ее реакционную способность..

Реакции микросомального окисления осуществляются несколькими ферментами, расположенными на мембранах эндоплазматического ретикулума (в случае in vitro они называются микросомальные мембраны). Ферменты организуют короткие цепи, которые заканчиваются цитохромом P 450 .

Реакции микросомального окисления относятся к реакциям фазы 1 и предназначены для придания гидрофобной молекуле полярных свойств и/или для повышения ее гидрофильности, усиления реакционной способности молекул для участия в реакциях 2 фазы. В реакциях окисления происходит образование или высвобождение гидроксильных, карбоксильных, тиоловых и аминогрупп, которые и являются гидрофильными.

Ферменты микросомального окисления располагаются в гладком эндоплазматическом ретикулуме и являются оксидазами со смешанной функцией (монооксигеназами).

Цитохром P450

Основным белком микросомального окисления является гемопротеин – цитохром Р 450 . В природе существует до 150 изоформ этого белка, окисляющих около 3000 различных субстратов. Соотношение разных изоформ цитохрома Р450 различается в силу генетических особенностей. Считается, что одни изоформы участвуют в биотрансформации ксенобиотиков, другие – метаболизируют эндогенные соединения (стероидные гормоны, простагландины, жирные кислоты и др.).

Цитохром Р450 взаимодействует с молекулярным кислородом и включает один атом кислорода в молекулу субстрата, способствуя появлению (усилению) у нее гидрофильности, а другой – в молекулу воды. Основными его реакциями являются:

• окислительное деалкилирование, сопровождающееся окислением алкильной группы (при атомах N, O или S) до альдегидной и ее отщеплением,
• окисление (гидроксилирование) неполярных соединений с алифатическими или ароматическими кольцами,
• окисление спиртов до соответствующих альдегидов.

Работа цитохрома Р 450 обеспечивается двумя ферментами:

• НАДН‑цитохром b 5 ‑оксидоредуктаза , содержит ФАД ,
• НАДФН‑цитохром Р 450 ‑оксидоредуктаза , содержит ФМН и ФАД .

Схема взаиморасположения ферментов микросомального окисления и их функции

Обе оксидоредуктазы получают электроны от соответствующих восстановленных эквивалентов и передают их на цитохром Р 450 . Этот белок, предварительно присоединив молекулу восстановленного субстрата, связывается с молекулой кислорода. Получив еще один электрон, цитохром P 450 осуществляет включение в состав гидрофобного субстрата первого атома кислорода (окисление субстрата). Одновременно происходит восстановление второго атома кислорода до воды.

Последовательность реакций гидроксилирования субстратов с участием цитохрома Р450

Существенной особенностью микросомального окисления является способность к индукции или ингибированию, т.е. к изменению мощности процесса.

Индукторами являются вещества, активирующие синтез цитохрома Р 450 и транскрипцию соответствующих мРНК. Они бывают

1. Широкого спектра действия, которые обладают способностью стимулировать синтез цитохрома Р 450 , НАДФН-цитохром Р 450 -оксидоредуктазы и глюкуронилтрансферазы. Классическим представителем являются производные барбитуровой кислоты – барбитураты, также в эту группу входят диазепам , карбамазепин , рифампицин и др.

2. Узкого спектр а действия, т.е. стимулируют одну из форм цитохрома Р 450 – ароматические полициклические углеводороды (метилхолантрен , спиронолактон ), этанол.

Например, этанол стимулирует синтез изоформы Р 450 2Е1 (алкогольоксидаза) которая участвует в метаболизме, этанола, нитрозаминов, парацетамола и др.
Глюкокортикоиды индуцируют изоформу Р 450 3А.

Ингибиторы микросомального окисления связываются с белковой частью цитохрома или с железом гема. Они делятся на:

1. Обратимые

• прямого действия – угарный газ (СО ), антиоксиданты ,
• непрямого действия , т.е. влияют через промежуточные продукты своего метаболизма, которые образуют комплексы с цитохромом Р 450 – эритромицин .

2. Необратимые ингибиторы – аллопуринол , аминазин , прогестерон , оральные контрацептивы , тетурам , фторурацил ,

Оценка реакций 1-й фазы

Оценку микросомального окисления можно проводить следующими способами:

• определение активности микросомальных ферментов после биопсии,
• по фармакокинетике препаратов,
• с помощью метаболических маркеров (антипириновая проба ).

Антипириновая проба

Обследуемый принимает утром натощак амидопирин из расчета 6 мг/кг веса. Собирается 4 порции мочи в интервале соответственно от 1 до 6 часов, 6-12, 12-24 и 45-48 часов. Объем мочи измеряется. Не позже, чем через 24 часа моча центрифугируется или фильтруется. Далее исследуется концентрация 4-аминоантипирина и его метаболита N-ацетил-4-аминоантипирина в моче.

Цитохромы Р450

Суперсемейство цитохромов Р-450 (CYP-450) отвечает за микро- сомальное окисление и представляет собой группу ферментов, имеющих множество изоформ (более 1000), которые не только осуществляют метаболизм лекарств, но и участвуют в синтезе стероидных гормонов, холестерина и других веществ.

Наибольшее количество цитохромов обнаружено в гепатоцитах, а также в таких органах, как кишечник, почки, легкие, головной мозг, сердце . Изоферменты цитохромов на основании гомологии нуклеотидной и аминокислотной последовательностей подразделяют на семейства, которые, в свою очередь, делят на подсемейства. Представители различных семейств отличаются субстратной специфичностью и регуляторами активности (индукторы и ингибиторы). Хотя отдельные члены семейств могут иметь «перекрестную» специфичность и «перекрестные» индукторы и ингибиторы . Так, показано, что противовирусный препарат ритонавир метаболизируется семью ферментами (CYP1A1, CYP2A6, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4), а циметидин ингибирует четыре фермента (CYP1A2, CYP2C9, CYP2D6, CYP3A4) . Наиболее важными для биотрансформации лекарств являются цитохромы CYP1A1, CYP2A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4, CYP3A5. Относительный вклад различных цитохромов и других ферментов I фазы детоксикации в метаболизме лекарств представлен на рисунке 7.2.2.

Каждый изофермент цитохрома Р-450 кодируется своим геном, которые локализуются на разных хромосомах. Часть таких генов имеет близко расположенные к ним псевдогены (неэкспрессирующиеся копии), которые существенно осложняют проведение генетического тестирования.

Вследствие полиморфизма генов метаболизма активность соответствующих ферментов у разных лиц может существенно варьировать. В зависимости от этих межиндивидуальных особенностей выделяют три группы лиц, различающихся по активности того или иного фермента метаболизма . Это так называемые «экстенсивные» ме- таболизаторы - лица с нормальной скоростью метаболизма лекарств (основная часть популяции), «медленные» метаболизаторы (лица со сниженной скоростью метаболизма определенных лекарств) и «быстрые» («сверхактивные») метаболизаторы - индивиды с повышенной скоростью биотрансформации некоторых лекарств. Доля «медленных» и «быстрых» метаболизаторов по отдельным ферментам метаболизма обнаруживает существенные межпопуляционные различия. Вместе с тем далеко не всегда отмечается полная корреляция генотипа и фенотипа в скорости метаболизма лекарства, что свидетельствует о необходимости использования биохимического контроля при генотипировании ферментов метаболизма .

Рассмотрим функциональные особенности полиморфизма основных генов суперсемейств цитохромов CYP-450, принимающих участие в метаболизме лекарств. Подробную информацию о свойствах ферментов метаболизма, их субстратных характеристиках и генетическом полиморфизме можно найти в серии отечественных монографий и учебников по клинической фармакогенетике .

Семейство Р-450 CYP1 метаболизирует сравнительно небольшую часть ксенобиотиков, самые важные из которых представлены полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) - основными компонентами табачного дыма.

Особенно важная роль в этом принадлежит генам CYP1A1 и CYP1A2, локализованным на хромосоме 15. Экспрессию обоих генов регулирует комплекс, образуемый Ah-рецептором с индуцирующей молекулой ПАУ, который проникает в ядро и специфически стимулирует экспрессию этих генов.

CYP1A1 кодирует белок с арилгидрокарбонат-гидроксилазной активностью, контролирующий начальный метаболизм ПАУ, приводящий к образованию канцерогенов (например, бензопирена, который образуется при табакокурении). Генный полиморфизм CYP1A1 обусловлен тремя точковыми мутациями: С4887А и A4889G в экзо- не 7 и T6235C в 3’-фланкирующей области. Замена G4889(Val)+C6235 характеризуется появлением «быстрого» аллеля *2B. Он обладает в 3 раза более высокой активностью по сравнению с аллелем дикого типа. *2B встречается почти у 7 % представителей европеоидной расы и рассматривается как фактор риска рака легких. Показано, что при наличии *2B-аллеля у курильщиков риск развития рака легкого по сравнению с некурящими возрастает более чем в семь раз. Риск становится еще больше, если, кроме аллеля *2B гена CYP1A1, курящий индивид имеет также «неполноценный» аллель гена GSTM1. Аллели *2A (C6235) и *4 (A4887(Asp) встречаются в популяции с частотой всего 1-3 %. При этом *2A-аллель ассоциирован с наследственной предрасположенностью к лейкозу и резистентностью к лекарственной терапии этого заболевания .

Продукт гена CYP1A2 метаболизирует на только ПАУ, но и такие соединения, как кофеин, теофиллин и др. Показано, что наличие *1А-аллеля гена CYP1A2 тормозит метаболизм таких препаратов, как кофеин, деазепам, верапамил, метадон, теофиллин, эстрадиол.

Семейство Р-450 CYP2 - представлено группой функционально наиболее значимых ферментов, метаболизирующих огромное количество различных препаратов. Их активность обнаруживает выраженную зависимость от генетического полиморфизма.

Подсемейство CYP2A является наиболее важным изоферментом данного подсемейства. Он участвует в превращении никотина в коти- нин, в гидроксилировании кумарина и циклофосамида, вносит вклад в метаболизм ритонавира, парацетамола и вальпроевой кислоты. CYP2A6 принимает участие в биоактивации компонентов табачного дыма - нитрозаминов, вызывающих рак легких . Ген CYP1A6 локализован на 19 хромосоме в локусе 19q13.2. В основном ген экспрессируется в печени. Показано, что аллель *4 гена CYP1A6 является про- тективным, т. е. ассоциируется с меньшим риском возникновения рака легкого . Наличие аллелей *2 и *3 ассоциировано со сниженным метаболизмом кумарина, что имеет значение при дозировании этого препарата из-за возможного гепатотоксического действия .

Подсемейство CYP2B. Все ферменты этого подсемейства индуцируются фенобарбиталом. Наиболее значимым ферментом является CYP2B6, который метаболизирует многие цитостатики (циклофос- амид), противовирусные препараты (эфавиренц и невирапин), антидепрессанты (бупропион), анестетики (пропофол) и снитетические опиоиды (метадон), а также участвует в метаболизме эндогенных стероидов. Ген CYP2B6 локализован в том же локусе, что и ген CYP2A6, экпрессируется преимущественно в печени. Наличие медленных аллелей гена CYP2B6 (*2, *4, *5, *6) снижает скорость метаболизма противовирусных препаратов, что приводит к снижению клиренса и повышает риск осложнений со стороны ЦНС .

Подсемейство CYP2C играет ключевую роль в метаболизме многих лекарств. Общим свойством этих изоферментов является наличие 4-гидролазной активности в отношении противосудорожного препарата мефенитоина .

Особенно важным для клинической фармакогенетики является тестирование полиморфизма гена CYP2C9, локализованного в локусе 10q24. Ген экпрессируется преимущественно в печени, является главным метаболизатором ингибиторов ангиотензиновых рецепторов (лозартана и ирберсартана). Его субстратами также являются антикоагулянты (варфарин), сахаро снижающие препараты (глипизид), противосудорожные препараты (фенитоин, диазепам), антидепрессанты (амитриптилин, кломипрамин, имипрамин), ингибиторы протоновых помп (омепразол), нестероидные противовоспалительные препараты (диклофенак, ибупрофен, пироксикам), толбутамин . Как уже упоминалось, анализ полиморфизма гена CYP2C9 стал первым официально одобренным генетическим тестом (см. выше). Количество индивидов, имеющих сниженную активность данного фермента, в отечественной популяции составляет до 20 % . При этом во избежание нежелательных побочных эффектов лечебную дозу вышеперечисленных препаратов у носителей аллелей *2 и *3 гена CYP2C9 необходимо уменьшать в 2-4 раза.

Ген CYP2C19 локализован в локусе 10q24.1-q24.3, экспрессируется в печени. Его белковый продукт является основным ферментом метаболизма ингибиторов протонного насоса (омепразол) и противосудорожных препаратов (прогуанил, вальпроевая кислота, диазепам, барбитураты). Частота его «медленного» аллеля (*2) в европейской популяции колеблется от 5 до 20 0% .

Подсемейство CYP2D. Цитохром CYP2D6 метаболизирует около 20 % всех известных лекарственных средств. Ген CYP2D6 локализован на 22 хромосоме в локусе 22q13.1. Основным местом его экспрессии является печень. В настоящее время в гене CYP2D6 идентифицировано более 36 аллелей, некоторые из них характеризуются отсутствием белкового продукта, а другие приводят к появлению фермента с измененными свойствами. Субстратами фермента CYP2D6 являются такие широко используемые в клинической практике лекарственные средства, как бета-адреноблокаторы, антидепрессанты, антипсихотропные вещества, антиаритмические, нейролептики, противогипертонические препараты, ингибиторы монооксидредуктазы, производные морфина, нейротрансмиттеры (допамины), анальгетики, опиаты. Принимая во внимание, что около 6-10 % европеоидов относятся к медленным метаболизаторам по этому ферменту, очевидна необходимость в генетическом тестировании CYP2D6 с целью коррекции доз упомянутых препаратов. Кроме того, «функционально ослабленные» аллели этого гена ассоциированы с наследственной предрасположенностью к таким тяжелым болезням, как рак легкого, рак кишечника и др.

Подсемейство CYP2E. Цитохром CYP2E1 относится к этанолин- дуцибельным ферментам. Его субстратами являются карбонтетрахлорид, диметилнитрозамин. Есть данные о том, что CYP2E1, наряду с CYP1A2, участвует в превращении парацетамола в N-ацетилбензохи- нонимин, обладающий мощным гепатотоксическим действием . Кроме того, он является наиболее важным изоферментом группы ци- тохромов, окисляющих холестерин липопротеинов низкой плотности, что, в свою очередь, ведет к образованию атеросклеротических бляшек. Ген CYP2E1 локализован в локусе 10q24.3-qter, экспрессируется в печени взрослых людей. Taq1-полиморфизм в гене CYP2E1 приводит к снижению активности данного фермента. Гомозиготы M/M по ослабленному аллелю гена CYP2E1 обнаруживают повышенную чувствительность к вышеуказанным препаратам вследствие их замедленной детоксикации.

Семейство цитохрома Р-450 CYP3

Подсемейство CYP3A наиболее многочисленное. На его долю приходится около 30 % всех изоферментов цитохрома Р-450 в печени и 70 % всех изоферментов стенки желудочно-кишечного тракта . Наиболее значимыми являются ферменты CYP3A4 и CYP3A5, гены которых локализованы в локусе 7q22.1. В печени экпрессиру- ется преимущественно ген CYP3A4, а в желудочно-кишечном тракте - CYP3A5.

Фермент CYP3A4 метаболизирует свыше 60 % всех лекарств и играет большую роль в метаболизме тестостерона и эстрогенов. Аллельные варианты гена CYP3A4 весьма многочисленны, но данные об их влиянии на фармакокинетику соответствующих лекарственных средств противоречивы.

Фермент CYP3A5 метаболизирует часть лекарств, с которыми взаимодействует CYP3A4. Показано, что наличие аллеля *3 гена CYP3A5 приводит к снижению клиренса таких лекарств, как альпраза- лам, мидазолам, саквинавир .

Параоксоназа - фермент, отвечающий за синтез параоксо- назы - белка плазмы крови. Помимо этого фермент инактивирует фосфорорганические соединения, органофосфаты, карбаматы, эфиры уксусной ксилоты. Часть из этих веществ является боевыми отравляющими веществами - зарин, зоман, табун. Из известных трех изоформ наибольшее значение имеет фермент PON1. Ген его локализован в локусе 7q21.3. Наиболее значимым и изученным полиморфизмом является замена глютамина на аргинин в 192 положении (L/M-полиморфизм). Показано, что аллель М ассоциирован со сниженным метаболизмом фосфорорганических соединений.

Аллель М и М/М-генотип увеличивают риск развития болезни Паркинсона, особенно в сочетании с 5-аллелем гена GSTP1, и ассоциированы с образованием атеросклеротических бляшек.

Алкоголь- и альдегиддегидрогеназы

Алкогольдегидрогеназа является ключевым ферментом в катаболизме этанола и других спиртов, окисляя спирты до альдегидов. У взрослого человека ген ADH1B экспрессируется в печени. Существует определенная динамика уровня его экспрессии в зависимости от возраста. Ген ADH1B (ADH2) локализован в локусе 4q22. Наиболее изученный полиморфизм - G141A. Показано, что аллель А связан с повышенной активностью фермента, что приводит к избыточному накоплению промежуточных продуктов метаболизма - альдегидов, обладающих выраженным токсическим эффектом. Индивидуумы с аллелем А гена ADH1B имеют повышенную чувствительность к этанолу и менее подвержены алкоголизму.

В клетках печени присутствуют также две альдегиддегидрогеназы: ALDH1 (цитозольная) и ALDH2 (митохондриальная). Ген ALDH2 локализован в локусе 12q24.2, его продукт играет ключевую роль в превращении токсичных альдегидов в соответствующие карбоновые кислоты, легко удаляемые из организма. ALDH2 играет важную роль в катаболизме алкоголя. Известно, что у представителей желтой расы алкогольная интоксикация обусловлена отсутствием ALDH2 почти у 50 % населения. Полиморфизм в гене ALDH2 приводит к замене Glu в 487 положении белка (ALDH2*1-аллель) на Lys (ALDH2*2-аллель). ALDH2*2-aллель кодирует фермент со сниженной активностью. У гетерозигот активность фермента снижена в 10 раз. Фермент ALDH2 вовлечен в патогенез различных раков, связанных с чрезмерным потреблением алкоголя, - гепатоцеллюлярная карцинома, рак пищевода, глотки и ротовой полости.

Интенсивный прием алкоголя у лиц с неблагоприятными аллельными вариантами генов ADH1B и ALDH2 может привести к быстрому развитию печеночных осложнений: алкогольной болезни и циррозу печени.

Цитохром P450, семейство 2, субсемейство C, полипептид 9 (CYP2C9). Выявление мутации A1075C (Ile359Leu)

Название гена - CYP2C9

Локализация гена на хромосоме – 10q23.33

• *1/*1
• *1/*3
• *3/*3

Встречаемость в популяции

Аллель CYP2C9*3 встречается у европейцев с частотой 6 %.

Ассоциация маркера с метаболизмом лекарственных препаратов

Исследуется для выявления физиологической эффективности применения препаратов: пероральных антикоагулянтов из класса кумаринов (варфарин), производных сульфонилмочевины, ненаркотических анальгетиков (теноксикам, флурбипрофен, лорноксикам, пироксикам), лозартана и ирбесартана (блокаторы рецепторов ангиотензина II).

Общая информация об исследовании

Для предупреждения и лечения тромбоэмболических осложнений наиболее часто применяется препарат варфарин ("Кумадин"). Он назначается для продолжительного приема в серии случаев, связанных с повышенной свертываемостью крови, а также в послеоперационный период в целях предотвращения образования тромбов вследствие хирургического вмешательства. Часто практикуется назначение препарата людям, перенесшим инсульты , инфаркт миокарда .

Для достижения эффекта лекарственных препаратов необходима их биоактивация в организме (трансформация в активную форму) в клетках печени (гепатоцитах) системой ферментов цитохрома Р450 (CYP). Гены, кодирующие эти ферменты, полиморфны, причем часто встречаются аллели, кодирующие образование ферментов со сниженной или отсутствующей функцией.

На активность цитохромов, помимо особенностей строения кодирующих их генов, оказывают влияние такие факторы, как возраст, масса тела, образ жизни, вредные привычки, особенности диеты, сопутствующие заболевания, прием лекарственных препаратов. Эти факторы отвечают за формирование индивидуальных особенностей работы ферментов Р450 и определяют характер метаболизма большинства лекарств. Главным ферментом биотрансформации непрямых антикоагулянтов является изофермент цитохрома Р450 CYP2C9 .

Ген CYP2C9 локализован на 10-й хромосоме в участке 10q23.33. Существуют варианты гена (аллели) CYP2C9 , кодирующие образование фермента со сниженной или отсутствующей функцией. Вариант гена, несущий точечную замену аденина на цитозин в позиции 1075 (A1075C), ведет к снижению метаболической активности фермента и обозначается как CYP2C9*3. Замена одного нуклеотида влечет за собой замену аминокислоты изолейцина на лейцин (Ile359Leu) в ферменте CYP2C9. Таким образом, синтезируется фермент с измененной функцией, активность которого составляет менее 5 % от активности фермента *1. Основной (неизмененный) вариант гена обозначается как CYP2C9*1 .

Наиболее распространен генотип, обуславливающий нормальный метаболизм варфарина и обозначающийся как CYP2C9 *1/*1.

Генетический маркер CYP2C9*3 (генотипы *3/*3 и *3/*1) связан с изменением функциональной активности фермента цитохрома P450, что снижает скорость выведения варфарина из организма. Наличие у пациента аллеля *3 приводит к существенному снижению активности изофермента цитохрома, что увеличивает антикоагуляционный эффект препаратов до 7 раз и может служить причиной развития таких осложнений, как обширные внутренние кровотечения и эпизоды чрезмерной гипокоагуляции.

Цитохромы Р450. Структура и функция

Среди ферментов 1-й фазы ведущее место занимает система цитохрома Р450 (P450 или CYP) с точки зрения каталитической активности в отношении огромного числа ксенобиотиков. Наибольшая концентрация цитохрома Р450 обнаруживается в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов (микросомах). Печеночные микросомальные цитохромы Р450 играют важнейшую роль в определении интенсивности и времени действия чужеродных соединений и ключевую - в детоксикации ксенобиотиков, а также в активации их до токсичных и/или канцерогенных метаболитов. Цитохрома Р450-зависимые монооксигеназы – мультиферментная электрон-транспортная система. Все цитохромы Р450 - гемсодержащие белки. Обычно гемовое железо находится в окисленном состоянии (Fe3+). Восстанавливаясь до состояния Fe2+, цитохром Р450 способен связывать лиганды, такие как кислород или монооксид углерода. Комплекс восстановленного цитохрома Р450 с СО имеет максимум поглощения 450 nм, что и явилось основанием для

названия этих ферментов. Основная реакция, которую катализируют цитохромы Р450 – монооксигеназная, в которой один атом кислорода взаимодействует с субстратом (RH), а другой восстанавливается до Н2О. В качестве восстановителя в реакции участвует НАДФН:

RH (субстрат)+О2 + НАДФH + H+ --> ROH (продукт) + Н2О + НАДФ+

Механизм, благодаря которому цитохром получает электрон от НАДФH, зависит от внутриклеточной локализации цитохрома Р450. В ЭПР, где расположено большинство гемопротеидов, участвующих в биотрансформации ксенобиотиков, электрон передается через флавопротеин, называемый НАДФH-Р450 редуктаза. Одна молекула редуктазы может доставлять электроны на несколько различных молекул Р450. В митохондриях, где расположены итохромы Р450, участвующие в биосинтезе стероидных гормонов и метаболизме витамина D, электрон переносится с помощью 2-х белков: ферродоксина или ферродоксин-редуктазы.

На рис. 1 показан каталитический цикл цитохрома Р450. 1-я часть цикла заключается в активации кислорода, 2-я – в окислении субстрата. Схема действия микросомальной монооксигеназной системы впервые была описана Эстабруком с соавт., в настоящее время она подтверждена многими исследователями. Эта схема такова: первая стадия состоит во взаимодействии субстрата с окисленной формой Р450. При связывании Р450 с субстратами

происходит переход гемового железа из низкоспинового в высокоспиновое состояние. Вторая стадия состоит в восстановлении образовавшегося фермент-субстратного комплекса первым электроном, который поступает с НАДФН-специфичной цепи переноса от НАДФН через

флавопротеид I (НАДФН-цитохром Р450 редуктазу). Третья стадия состоит в образовании тройного комплекса: восстановленный цитохрома Р450-субстрат-кислород. Четвертая стадия

представляет собой восстановление тройного комплекса вторым электроном, который, как

полагают, поступает из НАДН-специфичной цепи переноса электронов, состоящей из НАДН-

цитохром b5 редуктазы или флавопротеида II и цитохрома b5 . Пятая стадия состоит из нескольких процессов, включающих внутримолекулярные превращения восстановленного тройного комплекса и его распад с образованием гидроксилированного продукта и воды. На этой стадии цитохром Р450 переходит в исходную окисленную форму.

Цитохромы Р450 катализируют следующие типы реакций: гидроксилирование алифатического или ароматического атома углерода; эпоксидирование двойной связи;

окисление атома (S, N, I) или N-гидроксилирование; перенос окисленной группы;

разрушение эфирной связи; дегидрогенирование. Некоторые реакции, катализируемые

цитохромом Р450, представлены на рис. 2 и 3. Несколько классов реагентов хорошо

гидроксилируется последний углерод в цепи, так называемое омега- гидроксилирование. Так

же бывает внутреннее гидроксилирование в нескольких позициях (позиции -1,- 2).

Это приводит к множеству различных вариантов продуктов даже с таким простым алканом, как гексан. Заметим, что циклические углеводороды тоже подвергаются гидроксилированию. В реакции гидроксилирования сначала образуется полуацеталь, который потом превращается в спирт и альдегид. При окислении алкенов цитохромом Р450 образуются двуатомные окиси. Они отличаются по своей стабильности и могут являться высоко реакционноспособными. Например, винилхлорид метаболически переходит в окись, которая затем превращается в хлорацетальдегид – мутаген, действующий непосредственно на ДНК. Эти исследования привели к запрету на использование винилхлорида в распылителях. Винильная группа стерина (винилбензол) известна своими канцерогенными свойствами, но организм человека способен нейтрализовать его, переводя окись с помощью фермента эпоксигидролазы в диол. Но эпоксигидролаза помогает не всегда. Например, цитохром Р450 синтезирует эпоксид Афлотоксина В1 in vivо. Это соединение – высоко реакционноспособный электрофил, не стабилен и быстро формирует аддукт с ДНК. К тому же диол, образующийся из эпоксида, так же нестабилен и высоко реакционноспособен. Окисление ароматических соединений цитохромом Р450 так же дает эпоксиды, но они быстро переходят в фенол. В результате гидроксилирования бензола, полученный фенол может опять гидроксилироваться, переходя в катехол или гидрохинон. Заметим, что катехол и гидрохинон могут реагировать с кислородом, подавляя аналогичные реакции с хинонами и супероксидами, которые являются токсинами. Такое известное соединение как 2,3,7,8-тетрахлордибензолдиоксин (ТХДД) не подвержен гидроксилированию и устойчив (период полураспада в организме человека – год и более).