Biotransformatsioon 
 
Elusorganismid on olnud toksiliste ainete mõjusfääris juba sadu miljoneid aastaid. Olgu selleks siis vulkaanipursete kaudu õhku paisatud gaasid või lõkketulel küpsetatud lihas sisalduvad tahmaosakesed. Ka looduslikult taimedes olevad fütokemikaalid tuleb organismist ainevahetuse kaudu väljutada. Taimed peavad end ärasöömise eest kaitsma ja nii sisaldavad nad mitmesuguseid toksilisi aineid eri kontsentratsioonidel, mis on ka üheks põhjuseks, miks näiteks rohusööjad savannis pidevalt edasi jalutavad, selle asemel et ühe koha peal kõik puhtaks süüa. Sellise ainete kehast väljutamise ja kahjutuks tegemise eest vastutab biotransformatsioon – kehas toimuv keemiliste reaktsioonide jada (biokeemiline metabolism), otsetõlkes ”bioloogiline ümbermuutmine”.

Rakku sisenevad (viide Karini peatükile TOKSIKOKINEETIKA) toksilised ained on valdavalt lipofiilsed ehk rasvlahustuvad (see võimaldab neil kergemini rakumembraane läbida). Neerud ja maks ei ole aga võimelised lipofiilseid komponente eritama. Seepärast tegelebki biotransformatsioon valdavalt lipofiilsete ainete muutmisega vees lahustuvateks metaboliitideks (vt joonis 3). Olgugi et biotransformatsiooni põhieesmärk on muuta ained veeslahustuvaks ja seeläbi kergemini kehast väljutatavaks, siis valdavatel juhtudel toimub biotransformatsiooni käigus ka mingisugune toksilise aine bioloogilise aktiivsuse vähenemine. Muudetud ained ei saa enam seonduda rakuretseptoritega ja on seetõttu inaktiivsed, st ei põhjusta toksilisi efekte. Samal ajal võivad biotransformatsiooni vaheühendid olla ka bioloogiliselt aktiivsemad kui algne põhiühend ja põhjustada rakus tõsiseid muutusi – nt PAHide metabolismi vaheühendid on tugevalt kantserogeensed.   

Valdav osa toksilistest ainetest on vähemalt mingil määral biotransformeeritavad, mõned ained (keskkonnas juba pikka aega eksisteerinud, nt PAHid) täielikult metaboliseeritavad. Vähemal määral või praktiliselt üldse mitte toimub biotransformatsioon keskkonnas looduslikult mitteesinevate toksiliste ainete puhul (nt PCBd ja teised püsivad orgaanilised ained ehk POPid; ingl keeles – persistant organic pollutants). Sellest lähtuvalt tekib ka oluline erinevus: biotransformeeritavad ained tavaliselt kehasse ei kogune ja seeläbi toiduahelas ei mitmekordistu, sünteetilised kemikaalid, mida keha transformeerida ei suuda, talletuvad rasvarikastes kudedes ja nende kontsentratsioonid kasvavad toiduahelat pidi – toimub bioloogiline mitmekordistumine.


 

Joonis 19.Tsütokroom P450 (joonisel CYP1A alarühm) aktiivsuse induktsioon rakus

Selleks, et toksilised ained ohutult kehast väljutada (viide Karinile - Toksikandi ja selle metaboliitide eritumine organismist), on evolutsiooniliselt välja kujunenud spetsiifilised ensüümikompleksid, mida nimetatakse biotransformatsiooni ensüümideks. Neist kõige olulisem ja enim levinud on kahtlemata tsütokroom P450 (CYP) ensüümikompleks. Eukarüootides on P450 membraaniseoseline ja lokaliseeritud endoplasmaatilises retiikulumis või mitokondris, peamiselt maksa kudedes. Uurimuste tulemusena on leitud transformatsiooni molekule ka neerudes, põrnas, sooles, kalade lõpustes, gonaadides ja vaskulaarses endoteelis. Tsütokroom P450 ensüümirühmas on mitmeid alarühmasid ja tihtipeale kasutatakse biotransformatsiooni kirjeldavates teadustöödes täpsemaid rühmade nimetusi, nagu CYP1A, CYP1B, CYP2 ja CYP3A4.  

Nagu juba mainitud, sisenevad lipofiilsed toksilised ained rakku passiivse difusiooni abil. Seejärel seonduvad nad raku tsütosoolis Ah- retseptorile, mis indutseerib signaaliülekande P450 transkriptsiooni aktivaatoritele (vt joonis 19). Pea iga kehasse jõudnud toksiline aine metaboliseeritakse vähemalt osaliselt P450 poolt, valdavalt oksüdatsiooni teel. Vaja läheb selleks atomaarset hapnikku ja NADPH energiat:

 SubstraatH + NADPH + H+ + O2 → substraatOH + NADP+ + H2O

 Üks hapniku aatom kantakse substraadile ja teine redutseeritakse veeks. Vajaminevad kaks elektroni tulevad NADPHlt ja need kannab üle tsütokroom P450 reduktaas (kahekomponentne flavoproteiini kompleks). P450 reduktaasi ülesandeks ongi elektronide ülekanne, oksüdatsiooni viib läbi tsütokroom P450.
Biotransformatsiooni protsessid on jagatud kahte ossa: I faasi ja II faasi reaktsioonid (vt joonis 20). Eespool mainitud P450 poolt läbi viidav oksüdatsioon kuulub I faasi reaktsioonide sekka. I faasi oksüdatiivsete, redutseerivate või hüdrolüütiliste reaktsioonide tulemusena luuakse ainele kas -OH, -COOH või -NH2 funktsionaalgrupid - moodustuvad fenoolid ja dioolid, mis on sobivaks substraadiks järgnevatele II faasi konjugatsioonireaktsioonidele. Dioolid ja fenoolid võivad läbida ka teistkordse oksüdatsiooni, mille tulemusena moodustuvad dioolepoksiidid ja fenooloksiidid – ained, mis arvatakse olevat ülimalt kantserogeensed ning mis moodustavad kovalentseid sidemeid DNA, RNA ja paljude valkudega.
.
 

Joonis 20. Biotransformatsiooni põhiskeem
II  faasis toimub I faasi metaboliitide konjugatsioon glükuroonhappe, sulfaatide, glutaatiooni või aminohapete abil. Selle tagajärjel moodustub vees lahustuv konjugaat, mis on organismist kergesti eritatav. Konjugatsiooni teel muudetakse bioloogiliselt aktiivne ja kantserogeenne vaheühend ohutuks ja väga polaarseks, mis võimaldab aine kehast väljutada. Enne eritamist kogunevad konjugandid sapis ja uriinis, kus neid on võimalik ka eri tehnoloogiate abil määrata. II faasi ensüüme kutsutakse konjugatiivseteks ensüümideks. Konjugatsiooni reaktsioonides osalevaid ensüüme on seni vähe uuritud, eriti kui pidada silmas nende kasutamist keskkonnareostuse indikaatoritena. Kaks peamist ensüümi, mida on näiteks kalades uuritud, on S-transferaas (GST) ja uridiin-5-difosfaat-glükuronosüültransferaas (UDP-GP).