Глюкуроновая кислота: структура, свойства и метаболизм

Введение

Сахарная кислота

Глюкуроновая кислота (от греческого γλεῦκος "сладкое вино, сусло" и οὖρον "моча") – это уроновая кислота, впервые выделенная из мочи (отсюда и название "уроновая кислота"). Она содержится во многих камедях, таких как гуммиарабик (примерно 18%), ксантан и чай комбуча, и играет важную роль в метаболизме микроорганизмов, растений и животных.

Свойства

Глюкуроновая кислота — это сахарная кислота, производная глюкозы, с шестым атомом углерода, окисленным до карбоксильной кислоты. У живых организмов это первичное окисление происходит с UDP α D-глюкозой (UDPG), а не со свободным сахаром. Глюкуроновая кислота, как и ее предшественник глюкоза, может существовать в виде линейного (карбокси-)альдогексоза (<1%) или в виде циклического гемиацеталя (фуранозы или пиранозы). Альдогексозы, такие как D-глюкоза, способны образовывать две фуранозные формы (α и β) и две пиранозные формы (α и β). В соответствии с конвенцией Фишера, глюкуроновая кислота имеет два стереоизомера (энантиомера) — D- и L-глюкуроновую кислоту, в зависимости от ее конфигурации в положении C5. Большинство физиологических сахаров имеют D-конфигурацию. Вследствие замыкания кольца, циклические сахара имеют еще один асимметричный атом углерода (C1), что приводит к образованию еще двух стереоизомеров, называемых аномерами. В зависимости от конфигурации в положении C1, существуют два аномера глюкуроновой кислоты — α- и β-форма. В β-D-глюкуроновой кислоте гидроксигруппа в положении C1 находится на той же стороне пиранозного кольца, что и карбоксильная группа. В свободной сахаровой кислоте преобладает β-форма (~64%), в то время как в организме преобладает α-форма UDP α D-глюкуроновой кислоты (UDPGA). Углеводные стереоизомеры, различающиеся конфигурацией только в одном (другом) асимметричном атоме углерода, называются эпимерами. Например, D-маннуроновая (C2), D-аллуроновая (C3), D-галактуроновая (C4) и L-идуроновая кислота (C5) являются эпимерами глюкуроновой кислоты. Неплоские пиранозные кольца могут принимать конформацию кресла (в двух вариантах) или лодки. Предпочтительная конформация зависит от пространственных затруднений или других взаимодействий заместителей. Пиранозная форма D-глюкозы и ее производное D-глюкуроновая кислота предпочитают конформацию кресла 4C1. Дальнейшее окисление в положении C1 до карбоксильного уровня приводит к образованию дикарбоксильной глюкариновой кислоты. Глюкуронолактон является внутримолекулярным эфиром (лактоном) глюкуроновой кислоты. Прямое окисление альдозы в первую очередь воздействует на альдегидную группу. Для лабораторного синтеза уроновой кислоты из альдозы требуется защита альдегидной и гидроксильных групп от окисления, например, путем превращения их в циклические ацетали (например, ацетониды). Глюкуронат натрия можно получить путем прямого окисления крахмала концентрированной азотной кислотой. В этом процессе низкая доступность воды предотвращает гидролиз полимеров крахмала и окисляются только свободные гидроксильные группы, примерно так же, как диоксид азота окисляет крахмал. После завершения реакции, когда смесь крахмала и азотной кислоты становится прозрачной (после выделения диоксида азота), раствор можно разбавить и гидролизовать другой минеральной кислотой. Затем окисление медленно гасится гидроксидом натрия (или бикарбонатом натрия), образуя глюкуронат натрия, который можно кристаллизовать из раствора. С переходными металлами он образует комплексы, такие как глюкуронат железа(III), глюкуронат железа(II) и глюкуронат меди(II).

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.

Глюкуронидация

UDP α D глюкуроновая кислота (UDPGA) часто участвует в метаболизме фазы II (конъюгации) липофильных ксено- и эндобиотиков. Эти связи включают гликозидные связи с тиольными, амино- и гидроксильными группами или этерификацию с карбоксильными и гидроксильными группами. Этот процесс связывания известен как глюкуронидация (или конъюгация глюкуронидов). Глюкуронидация происходит главным образом в печени, хотя ферменты, ответственные за ее катализ, UDP-глюкуронилтрансферазы (UDP GT), обнаружены во всех основных органах организма, например, в кишечнике, почках, мозге, надпочечниках, селезенке и тимусе. Аналогичные реакции происходят с другими UDP-уроновыми кислотами (например, D-галактуроновой кислотой). Гликозиды, образующиеся в результате глюкуронидации, называются β-D-глюкуронидами, их соли и эфиры – глюкуронатами. Организм человека использует глюкуронидацию для повышения водорастворимости спиртов, фенолов, карбоновых кислот, меркаптанов, первичных и вторичных алифатических аминов и карбаматов, что обеспечивает их последующее выведение из организма с мочой или фекалиями (через желчь из печени) со значительно увеличенной скоростью. Карбоксильная группа ионизируется при физиологическом pH, что делает конъюгированное соединение водорастворимым. Соединения с молекулярной массой > 60 000 слишком велики для выведения почками и выводятся с желчью в кишечник. Новорожденные имеют дефицит этой конъюгирующей системы, что делает их особенно уязвимыми к таким препаратам, как хлорамфеникол, который инактивируется при добавлении глюкуроновой кислоты, что приводит к синдрому серого ребенка. Билирубин выводится с желчью в виде билирубиндиглюкуронида (80%), билирубинглюкуронида (20%) и неконъюгированного билирубина (< 1%). При синдромах Криглера-Наджара и Гилберта активность UDPGT снижена или почти отсутствует из-за мутаций, что приводит к желтухе. Возможно истощение запасов глюкуроновой кислоты в организме при одновременном применении нескольких лекарственных средств/веществ, метаболизм и выведение которых в основном или полностью зависят от глюкуронидации. Хотя большинство таких веществ имеют вторичные метаболические пути, которые становятся более выраженными при истощении ГУК, скорость метаболизма снижается настолько, что происходит заметное накопление всех субстратов ГУК в системе; это часто приводит к увеличению концентрации лекарственного средства в крови на клинически значимые величины. В наиболее тяжелых случаях могут возникнуть стойкие и изнурительные повреждения органов (особенно печени, почек, сердца и мозга) и даже смерть. Этанол, морфин, парацетамол (ацетаминофен), ингибиторы циклооксигеназы (НПВП), эндогенные стероиды и некоторые бензодиазепины могут способствовать истощению ГУК, причем этанол и ацетаминофен наиболее часто вовлечены в случаи случайных передозировок, которые были установлены как связанные с истощением глюкуроновой кислоты. Избыточные количества ГУК также могут быть опасны для здоровья; табачный дым, большинство барбитуратов и некоторые карбаматы, как известно, фактически стимулируют выработку ГУК. Повышенная активность ГУК приводит к снижению концентрации и периода полувыведения субстратов глюкуроновой кислоты, в результате чего уровни глюкуронированных препаратов в плазме снижаются ниже их терапевтического порога. Чрезмерная глюкуронидация субстратов может привести к неадекватной реакции на традиционные дозы лекарственных средств, и, если препарат не имеет широкого терапевтического индекса, обычно приводит к острой неэффективности фармакотерапии и требует перехода одного или нескольких лекарственных средств на эквивалентный режим неглюкуронированных альтернатив. Некоторые антидепрессанты и широкий спектр антипсихотических препаратов являются лигандами глюкуронидации, но из-за их замедленного механизма действия и фармакокинетических свойств снижение их концентрации в плазме может быть не сразу заметным и проявляется в виде внезапного и интенсивного рецидива симптомов, а не постепенного возвращения к поведению и мышлению, характерным для пациента до начала фармакологического лечения. Глюкурониды могут гидролизоваться β-глюкуронидазой, присутствующей в кишечной микрофлоре, до соответствующего агликона, который может быть реабсорбирован из кишечника и возвращен в печень с кровью. Этот цикл называется энтерогепатической циркуляцией. Соединения, подвергающиеся энтерогепатической циркуляции, медленно выводятся и обычно имеют более длительный период полувыведения в организме. Некоторые глюкурониды являются электрофильными и могут участвовать в процессах токсикации. Известно, что ковалентное связывание агликоновых частей нескольких глюкуронидов карбоновых кислот (эфиров) происходит с нуклеофильными участками сывороточного альбумина посредством реакций переэтерификации. Фенолы, количественно важные метаболиты, полученные из ароматических углеводородов под действием P450, являются субстратами как для UDP GT, так и для сульфотрансфераз. Глюкурониды преобладают при наличии фенола или предшественника фенола (бензола) у млекопитающих, поскольку образование сульфата является системой с высокой аффинностью и низкой емкостью (из-за истощения сульфата), в то время как глюкуронидация является системой с низкой аффинностью и высокой емкостью (хотя также исчерпаемой).

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.

Использование

Определение стероидов в моче и стероидных конъюгатов в крови. Этилглюкуронид и этилсульфат выводятся с мочой как метаболиты этанола и используются для мониторинга употребления алкоголя или зависимости от него. Глюкуроновая кислота и глюконовая кислота являются продуктами брожения в чае комбуча. Глюкуроновая кислота является предшественником аскорбиновой кислоты (витамина С, ранее известной как L-гексуроновая кислота). Аскорбат может быть биосинтезирован высшими растениями, водорослями, дрожжами и большинством животных. Взрослая коза производит около 13 г витамина С в день. Эта способность отсутствует у некоторых млекопитающих (включая человека и морскую свинку), а также у насекомых, беспозвоночных и большинства рыб. Эти виды нуждаются во внешнем поступлении аскорбата, поскольку им не хватает биосинтетического фермента L-гулонолактон оксидазы. Глюкуронид 4-метилумбеллиферил β-D-глюкуронид (MUG) используется для выявления Escherichia coli. E. coli производит фермент β-глюкуронидазу, который гидролизует молекулу MUG с образованием флуоресцентного продукта, обнаруживаемого в ультрафиолетовом свете.