In Organismen gibt es immer einige nicht-nutritive Substanzen aus der äußeren Umgebung oder vom Körper selbst produziert. Sie können weder in zelluläre Bestandteile umgewandelt noch als Energiequelle genutzt werden. Einige von ihnen sind physiologisch oder pathologisch aktive Substanzen, und einige sind sogar schädliche Bestandteile mit toxikologischer Aktivität. Viele dieser Substanzen sind lipidlöslich und müssen oft einer biochemischen Umwandlung im Körper unterzogen werden, um ihre Polarität zu erhöhen und ihre Wasserlöslichkeit zu steigern. Dadurch können sie ausgeschieden oder in physiologische, pathologische oder toxikologische Komponenten umgewandelt werden, um im Körper wirksam zu werden. Die Umwandlungsreaktionen umfassen Oxidation, Reduktion, Hydrolyse und so weiter, die als Reaktionen der ersten Phase bezeichnet werden. Die Polarität mancher Substanzen kann durch die Reaktion der ersten Phase stark verändert werden, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, während andere erst in die zweite Phase überführt werden müssen, damit sie mit einer extrem polaren Verbindung kombiniert werden können, um ihre Löslichkeit zu erhöhen. An den Zwei-Phasen-Reaktionen beteiligte Enzyme, insbesondere die Enzyme der ersten Phase, sind meist im endoplasmatischen Retikulum vorhanden.

Eigenschaften

Die Umwandlung und Entgiftung von exogenen Substanzen in vivo durch Enzyme weist zwei charakteristische Merkmale auf. Eines ist die Unabhängigkeit der Reaktion. Zum Beispiel kann das Sedativum Chlorpromazin unter Einwirkung des entsprechenden Enzyms unabhängig N-Oxidation, N-Dealkylierung, Hydroxylierung und Konjugation durchführen. Ein weiteres Merkmal ist die Kontinuität der Reaktion, die durch die Kombination mehrerer Enzyme erreicht wird.

Teilnahmeart der Enzyme

Das an der Eliminierung und Abwehr beteiligte Enzym kann ein einzelnes Enzym sein, wie zum Beispiel Superoxiddismutase, das hochreaktive Superoxidionen direkt entfernt und die Bildung von Lipidperoxiden verhindert. Restriktionsendonuklease hydrolysiert ebenfalls selektiv heterologe DNA eindringender Phagen.

Es ist auch möglich, dass mehrere Enzyme in Form eines Komplexes an diesem Prozess beteiligt sind. Beispielsweise werden von Ribosomen produzierte lysosomale Hydrolasen vom Golgi-Apparat konzentriert und verpackt, um primäre Lysosomen zu bilden, die sich dann mit dem Phagosom oder Autophagosom verbinden, um ein sekundäres Lysosom zu erzeugen. Der Begriff "Phagosom" bezeichnet ein Partikel, das durch Pinozytose oder Phagozytose einer exogenen Substanz gebildet wird, und ein autophagisches Vesikel ist ein Partikel, das von eigenen Abfallstoffen umhüllt ist.

Ein Enzymsystem kann ebenfalls an dieser Aufgabe beteiligt sein, wie das Thrombinsystem, das hämolytische Zellproteasesystem und das Komplementsystem im Immunsystem, die alle ihre Funktion durch eine Enzymkaskade ausüben. Es gibt auch arzneimittelumwandelnde Enzymsysteme, die auf dem endoplasmatischen Retikulum basieren.

Klassische Beispiele

Das oxidative Enzymsystem ist repräsentativ. Die meisten exogenen lipophilen Substanzen werden im Allgemeinen durch die Elektronentransportkette unter Beteiligung von NADPH im endoplasmatischen Retikulum der Hepatozyten oxidiert. Diese Elektronentransfer-Oxidasen machen fast ein Fünfzehntel der Zusammensetzung der Membran des endoplasmatischen Retikulums aus, und die Zusammensetzung ist ziemlich komplex. Monooxygenase, auch als gemischtfunktionelle Oxidase bekannt, ist ein Hydroxylasesystem, das aus Cytochrom P-450 und Cytochrom b₅ besteht. Es spielt eine sehr wichtige Rolle im Arzneistoffmetabolismus. Die Trennung dieser Proteine erfordert eine Behandlung mit Detergenzien wie Renex 690 oder Proteasen.

Ein weiteres typisches Beispiel ist die Glucuronyltransferase. Es gibt ungefähr sechs Typen von Reaktionen der zweiten Phase in vivo: Glucuronsäurebindung, Thioetherbildung, Sulfatbildung, Hippursäurebildung, Acetylierung und Methylierung. Es ist die Glucuronyltransferase im endoplasmatischen Retikulum, die die Glucuronidkonjugation katalysiert, indem sie die Glucuronylgruppe der Uridindiphosphatglucose (UDPG) auf verschiedene Rezeptoren überträgt. Diese Reaktion ist irreversibel. Glucuronyltransferase ist in vielen Geweben von Säugetieren vorhanden, wie z. B. Nierenrinde und Verdauungstrakt. Das endoplasmatische Retikulum der Leber ist jedoch der wichtigste Ort für die Umwandlung und Eliminierung exogener Substanzen. Das Enzym hat bestimmte spezifische Anforderungen an die Substituenten des Substrats, die Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe, Thiogruppe, Aminogruppe, Iminogruppe, aromatische Gruppe, Kohlenwasserstoffgruppen und heterocyclische Verbindungen sein können. Daher sind die Glucuronyltransferasen im endoplasmatischen Retikulum eine Familie mit unterschiedlichen Substratspezifitäten. Allerdings ist dieses Enzym sehr instabil und wird oft durch die Zerstörung der Membranstruktur inaktiv. Vor der Isolierung und Reinigung wird es üblicherweise mit einem neutralen Tensid behandelt.