Activation and Detoxification Enzymes: Functions and Implications

انسان با بلع یا تنفس در معرض ترکیبات خارجی مانند داروها، محصولات خانگی و مواد شیمیایی محیطی قرار می گیرد. همچنین غذا یک ترکیب خارجی محسوب می شود. چنین ترکیبات خارجی می توانند برای زندگی غیر ضروری و غیرعملکردی باشند و معمولاً به آنها بیگانه بیوتیک ها می گویند. برخی از بیگانه‌بیوتیک‌ها سمی نیستند. با این حال، بسیاری از آنها به طور بالقوه سمی هستند یا پس از تبدیل به واسطه های متابولیک سمی می شوند. تعداد قابل توجهی از ترکیبات خارجی متعلق به مواد غیر قطبی و چربی دوست هستند. ترکیبات لیپوفیل در آب محلول نیستند. تبدیل متابولیک ترکیبات خارجی چربی دوست برای تسهیل حذف آنها از بدن اساساً توسط واکنش‌های بیوشیمیایی انجام می‌شود که توسط دو دسته از آنزیم‌های متابولیزه کننده، یعنی آنزیم‌های فعال‌کننده و آنزیم‌های سم‌زدایی کاتالیز می‌شوند.

واکنش عامل‌سازی کاتالیز شده با آنزیم فعال‌سازی را معرفی می‌کند. یک گروه عاملی به یک ترکیب چربی دوست عامل دار کردن بسیاری از ترکیبات خارجی را تغییر می دهد تا واسطه های واکنشی را تشکیل دهند که قادر به تعامل با اجزای سلولی (پروتئین ها، DNA و لیپیدها) هستند و منجر به شرایط مختلفی برای بیماری ها می شود. ترکیبات عامل دار بیشتر از طریق واکنش های کاتالیز شده توسط آنزیم سم زدایی متابولیزه می شوند که منجر به افزایش حلالیت ترکیبات اصلی و غیرفعال شدن واسطه های متابولیک می شود و در نتیجه دفع آنها از بدن را تسهیل می کند. برای به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض واسطه های متابولیک سمی بالقوه، حفظ آنها در حداقل سطح ضروری است.

تحقیقات گسترده نشان داده است که آنزیم های متابولیزه کننده ترکیبات خارجی پلی مورفیسم های ژنتیکی را نشان می دهند. تغییرات در فعالیت های آنها می تواند نتایج متفاوتی را در مورد حساسیت به اثرات سمی بالقوه ایجاد کند. علاوه بر این، بیان آنزیم‌های فعال‌سازی و آنزیم‌های سم‌زدایی قابل القا هستند. تعدادی از ترکیبات شیمیایی می توانند به عنوان تعدیل کننده برای این دو دسته از آنزیم ها عمل کنند. این یافته‌ها به پیشنهاد تعدیل آنزیم‌های متابولیزه‌کننده به‌عنوان یک رویکرد مفید برای مزایای سلامتی انسان منجر شده است. نکته مهم این است که بسیاری از این ترکیبات شیمیایی در رژیم غذایی روزانه انسان وجود دارد.

پیشرفت‌های زیادی در دهه‌های گذشته در جهت درک عملکرد و پیامدهای آنزیم‌های فعال‌کننده و آنزیم‌های سم‌زدایی صورت گرفته است. برای خوانندگانی که در ابتدا با این موضوع مهم آشنا می شوند، به یک بررسی اجمالی سازمان یافته و مختصر نیاز است، به ویژه برای دانشجویان و محققان در زمینه های علوم زیست پزشکی، بیوشیمی، تغذیه، فارماکولوژی و شیمی. این کتاب به عنوان مقدمه ای برای این موضوع در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، موضوعات اصلی کتاب، به استثنای واکنش‌های کاتالیزوری و ویژگی‌های ساختاری، ممکن است برای سایر خوانندگانی که دانش علوم پایه و درک اطلاعات مربوط به آنزیم دارند، مورد توجه قرار گیرد.

این کتاب موضوعات مرتبط با آنزیم های متابولیزه کننده ترکیبات خارجی را با تاکید بر جنبه های بیوشیمیایی، از جمله ترکیبات خارجی چربی دوست، خواص کاتالیزوری، واسطه های واکنشی، اثرات زیست پزشکی و بیوشیمیایی، پلی مورفیسم های ژنتیکی، القای آنزیم، مدولاسیون آنزیم برای مزایای سلامتی مورد بحث قرار می دهد. تعدیل کننده های آنزیمی مرتبط با رژیم غذایی و ویژگی های ساختاری القا کننده های آنزیم.

Humans are exposed to foreign compounds such as drugs, household products and environmental chemicals by swallowing or breathing. Also, food is considered a foreign compound. Such foreign compounds can be non-essential and non-functional to life, and commonly are referred to as xenobiotics. Some xenobiotics are not toxic; however, many of them are potentially toxic or become toxic after conversion to metabolic intermediates. A considerable number of foreign compounds belong to non-polar, lipophilic substances. Lipophilic compounds are not soluble in water. Metabolic conversion of lipophilic foreign compounds to facilitate their removal from the body is essentially carried out by biochemical reactions catalyzed by two classes of metabolizing enzymes, namely, activation enzymes and detoxification enzymes.

Activation enzyme-catalyzed functionalization reaction introduces a functional group to a lipophilic compound. Functionalization modifies many foreign compounds to form reactive intermediates capable of interacting with cellular components (proteins, DNA and lipids), leading to a variety of conditions for diseases. Functionalized compounds are further metabolized through detoxification enzyme-catalyzed reactions, which result in an increase in the solubility of parent compounds and an inactivation of metabolic intermediates, thus facilitating their excretion from the body. To minimize the exposure of potentially toxic metabolic intermediates, it is essential to keep them at a minimum level.

Extensive investigations have revealed that foreign compound-metabolizing enzymes exhibit genetic polymorphisms. Variations in their activities can produce different results as to the susceptibility to potential toxic effects. Moreover, the expressions of activation enzymes and detoxification enzymes are inducible. A number of chemical compounds are capable of acting as modulators for these two classes of enzymes. These findings have lead to the proposal of modulating metabolizing enzymes as a useful approach for human health benefits. Importantly, many of these chemical compounds are present in human daily diets.

There are many advances that have been made in the past decades towards the understanding of functions and implications of activation enzymes and detoxification enzymes. An organized, concise overview is needed for the readers who are initially exposed to this important subject, particularly for students and researchers in the areas of biomedical sciences, biochemistry, nutrition, pharmacology and chemistry. This book is intended to serve this purpose as an introduction to the subject. Furthermore, major topics in the book, excluding catalytic reactions and structural properties, may have interest to other readers who have knowledge of basic sciences and understanding enzyme related information.

The book discusses subjects associated with foreign compound metabolizing enzymes with emphasis on biochemical aspects, including lipophilic foreign compounds, catalytic properties, reactive intermediates, biomedical and biochemical effects, genetic polymorphisms, enzyme inducibility, enzyme modulation for health benefits, dietary related enzyme modulators, and structural characteristics of enzyme inducers.