Глюкурон қышқылы: құрылымы, изомерлер және метаболизмі

Кіріспе

Қант қышқылы

Глюкурон қышқылы (грекше γλεῦκος "тәтті шарап, қою шырын" және οὖρον "зәр") – алғаш рет зәрден бөліп алынған урон қышқылы (содан "урон қышқылы" атауы пайда болған). Ол көптеген шайырларда, мысалы, арабика шайырында (шамамен 18%), ксантан және комбуча шайында кездеседі және микроорганизмдердің, өсімдіктердің және жануарлардың метаболизмі үшін маңызды.

Қасиеттері

Глюкуроникалық қышқыл – глюкозадан туындаған қант қышқылы, онда алтыншы көміртек атомы карбоксил қышқылына тотыққан. Тірі организмдерде бұл бастапқы тотығу UDP α D глюкозасымен (UDPG) жүреді, еркін қантпен емес. Глюкуроникалық қышқыл, оның прекурсоры глюкоза сияқты, сызықтық (карбоксиальдогексоза) (<1%) немесе циклдік гемиацеталь (фураноза немесе пираноза) түрінде болуы мүмкін. Альдогексоздар, мысалы D глюкоза, екі фураноза түрін (α және β) және екі пираноза түрін (α және β) құрауға қабілетті. Фишер конвенциясына сәйкес, глюкуроникалық қышқылда екі стереоизомер (энантиомерлер) бар: D және L глюкуроникалық қышқыл, олардың C5 конфигурациясына байланысты. Көптеген физиологиялық қанттар D конфигурациялы болады. Сақинаның жабылуына байланысты, циклдік қанттарда тағы бір асимметриялық көміртек атомы (C1) пайда болады, нәтижесінде аномерлер деп аталатын тағы екі стереоизомер түзіледі. C1 конфигурациясына байланысты, глюкуроникалық қышқылдың α және β формалары бар. β D глюкуроникалық қышқылында C1 гидрокси тобы пираноза сақинасының карбоксил тобымен бір жағында орналасқан. Еріккен қант қышқылында β формасы басым (~64%), ал организмде α формасы – UDP α D глюкуроникалық қышқылы (UDPGA) басым. Конфигурациясы бойынша бір ғана (басқа) асимметриялық C атомымен ерекшеленетін көмірсутек стереоизомерлері эпимерлер деп аталады. Мысалы, D маннуроникалық (C2), D аллуроникалық (C3), D галактуроникалық (C4) және L идуроникалық қышқыл (C5) глюкуроникалық қышқылдың эпимерлері болып табылады. Жазық емес пираноза сақиналары кресло (2 нұсқада) немесе қайық конформациясын қабылдауы мүмкін. Артықшылықты конформация кеңістіктік кедергіге немесе алмастырушылардың басқа да өзара әрекеттесуіне байланысты. D глюкозаның пиранозалық түрі және оның туындысы D глюкуроникалық қышқылы 4C1 кресло конформациясын қалайды. C1 атомындағы карбоксил деңгейіне қосымша тотығу дикарбоксилді глюкарин қышқылын береді. Глюкуронолактон – глюкуроникалық қышқылдың ішкі эстері (лактоны). Альдозаның тікелей тотығуы алдымен альдегид тобына әсер етеді. Альдозадан уроникалық қышқылды зертханалық синтездеу үшін альдегид және гидроксил топтарын тотығудан қорғау қажет, мысалы, циклдік ацетальдарға (мысалы, ацетонидтерге) түрлендіру арқылы. Натрий глюкуронатты крахмалды концентрацияланған азот қышқылымен тікелей тотығу арқылы алуға болады. Бұл процесте судың жеткіліксіздігі крахмал полимерлерін гидролизден сақтайды және тек еркін гидроксилдерді тотықтырады, азот диоксиді крахмалды тотықтырғандай. Реакция аяқталғаннан кейін, крахмал мен азот қышқылы қоспасы мөлдір болады (азот диоксиді газын бөліп шығарғаннан кейін), одан кейін ерітіндісін сұйытуға және басқа минералды қышқылмен гидролиздеуге болады. Содан кейін тотығуды натрий гидроксидімен (немесе натрий бикарбонатымен) баяу тоқтату арқылы натрий глюкуронат түзіледі, оны ерітіндіден кристалдауға болады. Көшу металдарымен ол темір(III) глюкуронат, темір(II) глюкуронат және мыс(II) глюкуронат сияқты кешендерді құрайды.

Glucuronic acid is a sugar acid derived from glucose, with its sixth carbon atom oxidized to a carboxylic acid. In living beings, this primary oxidation occurs with UDP α D glucose (UDPG), not with the free sugar. Glucuronic acid, like its precursor glucose, can exist as a linear (carboxo )aldohexose (<1%), or as a cyclic hemiacetal (furanose or pyranose). Aldohexoses such as D glucose are capable of forming two furanose forms (α and β) and two pyranose forms (α and β). By the Fischer convention, glucuronic acid has two stereoisomers (enantiomers), D and L glucuronic acid, depending on its configuration at C 5. Most physiological sugars are of the D configuration. Due to ring closure, cyclic sugars have another asymmetric carbon atom (C 1), resulting in two more stereoisomers, named anomers. Depending on the configuration at C 1, there are two anomers of glucuronic acid, α and β form. In β D glucuronic acid the C 1 hydroxy group is on the same side of the pyranose ring as the carboxyl group. In the free sugar acid, the β form is prevalent (~64%), whereas in the organism, the α form UDP α D glucuronic acid (UDPGA) predominates. Carbohydrate stereoisomers, which differ in configuration at only one (other) asymmetric C atom, are named epimers. For example, D mannuronic (C 2), D alluronic (C 3), D galacturonic (C 4), and L iduronic acid (C 5) are epimers of glucuronic acid. The nonplanar pyranose rings can assume either chair (in 2 variants) or boat conformation. The preferred conformation depends on spatial interference or other interactions of the substituents. The pyranose form of D glucose and its derivative D glucuronic acid prefer the chair 4C1. Additional oxidation at C 1 to the carboxyl level yields the dicarboxylic glucaric acid. Glucuronolactone is the self ester (lactone) of glucuronic acid. Direct oxidation of an aldose affects the aldehyde group first. A laboratory synthesis of a uronic acid from an aldose requires protecting the aldehyde and hydroxy groups from oxidation, for example by conversion to cyclic acetals (e. g., acetonides). Sodium glucuronate can be produced by the direct oxidation of starch with concentrated nitric acid. In this preparation the low availability of water keeps the starch polymers from hydrolyzing and only oxidizes the free hydroxyls, in much the same way that nitrogen dioxide would oxidize the starch. Once this reaction is complete, and the starch/nitric acid mix turns clear (after giving off nitrogen dioxide gas), the solution can be diluted, and hydrolyzed with another mineral acid. Then the oxidation is slowly quenched with sodium hydroxide (or sodium bicarbonate), forming sodium glucuronate, which can be crystallized out of solution. With transition metals, it forms complexes such as iron(III) glucuronate, iron(II) glucuronate, and copper(II) glucuronate.

Глюкуронидтеу

UDP α D глюкуроникалық қышқылы (UDPGA) липофильді ксено- және эндобиотиктердің II фазалық метаболизміне (конъюгация) жиі қатысады. Бұл байланыстар тиол, амин және гидрокси топтарымен гликозидтік байланыстарды, немесе карбоксил және гидроксил топтарымен этерификацияны қамтиды. Бұл байланысу процесі глюкуронидация (немесе глюкуронид конъюгациясы) деп аталады. Глюкуронидация негізінен бауырда жүзеге асады, бірақ оның катализіне жауапты ферменттер – UDP глюкуронилтрансферазалары (UDP GT) барлық негізгі органдарда, мысалы, ішек, бүйрек, ми, бүйрекүсті без, көкбауыр және тимуста табылады. Басқа UDP урон қышқылдарымен (мысалы, D галактиурон қышқылы) ұқсас реакциялар жүреді. Глюкуронидация нәтижесінде пайда болған гликозидтер β D глюкуронидтер деп аталады, олардың тұздары мен эфирлері глюкуронаттар деп аталады. Адам организмі глюкуронидацияны спирттерді, фенолдарды, карбоксил қышқылдарын, меркаптандарды, бірінші және екінші дәрежелі алифаттық аминдерді және карбаматтарды суда ерігіш ету үшін пайдаланады, соның арқасында оларды организмнен несеп немесе нәжіс арқылы (бауырдан өт арқылы) айтарлықтай жоғары жылдамдықпен шығаруға мүмкіндік туады. Карбоксил тобы физиологиялық pH-та иондалады, бұл конъюгацияланған қосылысты суда ерігіш етеді. Молекулалық массасы > 60 000 болатын қосылыстар бүйрек арқылы шығарылмайды және өтпен ішекке шығарылады. Жаңа туған нәрестелерде конъюгациялық жүйе жетілмегендіктен, олар хлорамфеникол сияқты дәрілерге өте сезімтал, ол глюкуроникалық қышқыл қосылғанда белсенділігін жояды, нәтижесінде «сұр нәресте синдромы» пайда болады. Билирубин өтпен билирубин диглюкурониді (80%), билирубин глюкурониді (20%) және конъюгацияланбаған билирубин (< 1%) түрінде шығарылады. Криглер-Наджар синдромы және Гилберт синдромында UDPGT белсенділігі мутациялар салдарынан төмендейді немесе толығымен жоқ болады, нәтижесінде сарғаю пайда болады. Глюкуронидацияға негізінен немесе толығымен тәуелді бірнеше дәрілік заттарды/заттарды біріктіру арқылы организмдегі глюкуроникалық қышқыл қорын тозуға болады. Мұндай заттардың көпшілігі GCA азайғаннан кейін көрінетін екіншілік метаболикалық жолдарға ие болғанымен, метаболизм жылдамдығы жүйедегі барлық GCA субстраттарының айқын жиналуына себеп болатындай деңгейде төмендейді; бұл көбінесе дәрілік заттардың қандағы концентрациясын медициналық маңызы бар деңгейде арттырады. Ең ауыр жағдайларда органдарға (әсіресе бауыр, бүйрек, жүрек және миға) тұрақты және қайтымсыз зақым келтіруі, тіпті өлімге әкелуі мүмкін. Этанол, морфин, парацетамол (ацетаминофен), циклооксигеназа ингибиторлары (НСАЖ), эндогенді стероидтар және кейбір бензодиазепиндер GCA азайтуына ықпал етуі мүмкін, ал этанол мен ацетаминофен глюкуроникалық қышқыл азайғаннан туындаған кездейсоқ дозадан асып кету жағдайларында ең көп қатысатын заттар болып табылады. GCA-ның шамадан тыс мөлшері де денсаулыққа зиян келтіруі мүмкін, темекі түтіні, барбитураттардың көпшілігі және кейбір карбаматтар GCA өндірісін ынталандырады. GCA белсенділігінің жоғарылауы глюкуроникалық қышқыл субстраттарының концентрациясы мен метаболикалық жартылай өмір уақытының төмендеуіне әкеледі, бұл глюкуронидтелген препараттардың плазмадағы деңгейінің терапиялық шегінен төмендеуіне себеп болады. Субстраттардың шамадан тыс глюкуронидталуы әсер ететін дәрілердің дәстүрлі дозаларына жеткіліксіз жауап беруге әкелуі мүмкін және егер препараттың терапиялық индексі өте кең болмаса, әдетте фармакотерапияның жедел сәтсіздікке ұшырауына және бір немесе бірнеше әсер ететін дәрілерді глюкуронидталмаған баламалардың басқа режіміне ауыстыру қажеттігіне әкеледі. Белгілі бір антидепрессанттар мен психозға қарсы препараттардың кең ауқымы глюкуронидация лигандтары болып табылады, бірақ олардың әсер ету механизмі мен фармакокинетикалық қасиеттері кешіктірілгендіктен, олардың плазмадағы концентрациясының төмендеуі бірден байқалмайды және симптомдардың кенеттен және күшті қайталануы ретінде көрінеді, ал емес фармакологиялық емді бастағанға дейінгі мінез-құлық пен ойлау үлгілеріне бірте-бірте регрессия ретінде көрінеді. Глюкуронидтер ішек микрофлорасындағы β-глюкуронидазамен тиісті агликонға гидролизделуі мүмкін, ол ішекке сіңіріліп, қан арқылы бауырға қайта оралады. Нәтижесінде энтерогепатикалық айналым пайда болады. Энтерогепатикалық айналымға жататын қосылыстар тек баяу шығарылады және әдетте организмде ұзақ жартылай өмірге ие. Кейбір глюкуронидтер электрофильді және уыттану процестерінде қатысуы мүмкін. Мысалы, трансацилация реакциясы арқылы бірнеше карбоксил қышқылы (эфир) глюкуронидтерінің агликон бөліктерінің нуклеофильдік орталардағы сезімтал орындарымен байланысуы белгілі. Фенолдар, ароматикалық көмірсутектердің P450 туындылары, UDP GT және сульфотрансферазалардың екі субстраты болып табылады. Сүтқоректілерде фенол немесе фенол алдынан (бензол) глюкуронидтер басым, себебі сульфат түзлуі жоғары сәйкестікке және төмен сыйымдылыққа ие жүйе (сульфаттың азайтылуына байланысты), ал глюкуронидация төмен сәйкестікке және жоғары сыйымдылыққа (бірақ әлі де тозуға болатын) жүйе болып табылады.

UDP α D glucuronic acid (UDPGA) is often involved in the phase II metabolism (conjugation) of lipophilic xeno and endobiotics. These linkages involve glycosidic bonds with thiol, amine and hydroxy groups, or esterification with the carboxyl and hydroxyl groups. This linkage process is known as glucuronidation (or glucuronide conjugation). Glucuronidation occurs mainly in the liver, although the enzymes responsible for its catalysis, UDP glucuronyltransferases (UDP GT), have been found in all major body organs, e. g., intestine, kidneys, brain, adrenal gland, spleen, and thymus. Analogous reactions occur with other UDP uronic acids (e. g., D galacturonic acid). Glycosides resulting from glucuronidation are named β D glucuronides, its salts and esters are named glucuronates. The human body uses glucuronidation to make alcohols, phenols, carboxylic acids, mercaptans, primary and secondary aliphatic amines, and carbamates more water soluble, and, in this way, allows for their subsequent elimination from the body through urine or faeces (via bile from the liver) at a significantly increased rate. The carboxyl group is ionized at physiological pH, making the conjugated compound water soluble. Compounds with molecular masses > 60,000 are too large for renal excretion and will be excreted with bile into the intestine. Neonates are deficient in this conjugating system, making them particularly vulnerable to drugs such as chloramphenicol, which is inactivated by the addition of glucuronic acid, resulting in gray baby syndrome. Bilirubin is excreted in the bile as bilirubin diglucuronide (80%), bilirubin glucuronide (20%), and unconjugated bilirubin (< 1%). In the Crigler–Najjar syndrome and the Gilbert syndrome, UDPGT activity is reduced or nearly absent due to mutations, resulting in jaundice. It is possible to exhaust the body's supply of glucuronic acid by combining multiple drugs/substances whose metabolism and excretion are primarily or entirely dependent on glucuronidation. Although most such substances have secondary metabolic routes which become prominent following GCA depletion, the rate of metabolism is reduced enough to produce a marked accumulation of all GCA substrates in the system; this often increases drug concentrations in the blood by medically relevant amounts. In the most severe cases permanent and debilitating organ damage (particularly the liver, kidneys, heart, and brain), and even death, have been known to occur. Ethanol, morphine, paracetamol (acetaminophen), cyclooxygenase inhibitors (NSAIDs), endogenous steroids, and certain benzodiazepines are all capable of contributing to GCA depletion, with ethanol and acetaminophen being the most commonly implicated substances involved in cases of accidental overdoses which have been positively attributed to glucuronic acid depletion. Excessive quantities of GCA can also be hazardous to health, tobacco smoke, most barbiturates, and some carbamates are known to actually stimulate GCA production. Increased GCA activity results in a decrease of the concentration and metabolic half life of glucuronic acid substrates, causing the plasma levels of glucuronidated drugs to fall below their therapeutic threshold. Excessive glucuronidation of the substrates may result in an inadequate response to traditional doses of affected medications and, unless the drug has a very wide therapeutic index, will generally result in the acute failure of the pharmacotherapy and necessitate the transition of one or more implicated drugs to an equivalent regimen of non glucuronidated alternatives. A select number of antidepressants and a wide range of anti psychotic agents are glucuronidation ligands but due to their delayed mechanism of action and pharmacokinetic properties the decrease of their plasma concentrations may not be immediately apparent and tends to present as a sudden and intense relapse of symptoms instead of a gradual regression to the behaviors and thought patterns exhibited by the patient prior to the initiation of their pharmacological treatment. Glucuronides may be hydrolyzed by β glucuronidase present in intestinal microflora to the respective aglycone, which may be reabsorbed from the intestine and translocated back to the liver with the blood. The resulting cycle is called enterohepatic circulation. Compounds that undergo enterohepatic circulation are only slowly excreted and usually have a longer half life in the body. Certain glucuronides are electrophilic and may function in toxication processes. Covalent binding of the aglycone portions of several carboxylic acid (ester) glucuronides is known to occur to nucleophilic sites on serum albumin via transacylation reactions, for example. Phenols, quantitatively important P450 derived metabolites of aromatic hydrocarbons, are substrates for both UDP GT and sulfotransferases. Glucuronides predominate with phenol or a phenol precursor (benzene) in mammals because sulfate formation is a high affinity, low capacity system (due to sulfate depletion), whereas glucuronidation is a low affinity, high capacity (although still exhaustible) system.

Қолдану

Зәрдегі стероидтар мен қандағы стероид конъюгаттарын анықтау. Этилглюкуронид және этилсульфат этанолдың метаболиттері ретінде зәрмен шығарылады және алкоголь қолдануын немесе оған тәуелділікті бақылау үшін пайдаланылады. Глюкурон қышқылы мен глюконий қышқылы комбуча шайының ферментация өнімдері болып табылады. Глюкурон қышқылы – аскорбин қышқылының (С витамині, бұрын L гексурон қышқылы деп аталған) алдындағы зат. Аскорбатты жоғары сатыдағы өсімдіктер, балдырлар, ашытқылар және көптеген жануарлар биосинтездей алады. Ересек ешкі күніне шамамен 13 грамм С витаминін өндіреді. Бұл қабілет кейбір сүтқоректілерде (адамдар мен теңіз шошқалары сияқты), сондай-ақ жәндіктерде, омыртқасыздарда және көптеген балық түрлерінде жоқ. Оларға сыртқы аскорбатпен қамтамасыз ету қажет, себебі оларда биосинтездік фермент – L гулонолактоноксидаза жетіспейді. Глюкуронид 4-метилумбеллиферил β-D-глюкуронид (MUG) Escherichia coli-дің болуын анықтау үшін қолданылады. E. coli β-глюкуронидаза ферментін өндіреді, ол MUG молекуласын ультракүлгін сәулеленумен анықталатын флуоресцентті өнімге гидролиздейді.