background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

I

I

n

n

a

a

c

c

t

t

i

i

v

v

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

a

a

n

n

d

d

 

 

D

D

e

e

t

t

o

o

x

x

i

i

f

f

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

o

o

f

f

 

 

X

X

e

e

n

n

o

o

b

b

i

i

o

o

t

t

i

i

c

c

s

s

 

 

a

a

n

n

d

d

 

 

M

M

e

e

t

t

a

a

b

b

o

o

l

l

i

i

t

t

e

e

s

s

 

 

i

i

n

n

 

 

t

t

h

h

e

e

 

 

L

L

i

i

v

v

e

e

r

r

 

 

The liver is one of the most important organs in the body when it 
comes to detoxifying or getting rid of foreign substances or toxins, 
especially from the gut.  

The liver detoxifies harmful substances by a complex series of 
chemical reactions. The role of these various enzyme activities in the 
liver is to convert fat soluble toxins into water soluble substances that 
can be excreted in the urine or the bile depending on the particular 
characteristics of the end product. Many of the toxic chemicals that 
enter the body are fat-soluble, which means they dissolve only in 
fatty or oily solutions and not in water. This makes them difficult for 
the body to excrete. Fat soluble chemicals have a high affinity for fat 
tissues and cell membranes, which are composed of fatty acids and 
proteins. In these fatty tissues of the body, toxins may be stored for 
years, being released during times of exercise, stress or fasting.

 

 

The liver plays several roles in detoxification: it filters the blood to 
remove large toxins, synthesizes and secretes bile full of cholesterol 
and other fat-soluble toxins, and enzymatically disassembles 
unwanted chemicals.  


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

The enzymatic process usually occurs in two steps 

referred to as:  phase I and phase II

Xenobiotics are compounds that have no nutrient value (cannot 

be used by the body for energy requirements) and are potentially toxic. 
They are present as natural components of foods or they may be 
introduced into foods as additives or through processing. 
Pharmacologic and recreational drugs are also xenobiotic compounds. 
The liver is the principal site in the body for the degradation of these 
compounds. Because many of these substances are lipophilic, they are 
oxidized, hydroxylated, or hydrolyzed by enzymes in phase I reactions. 
Phase I reactions introduce or expose hydroxyl groups or other reactive 
sites that can be used for conjugation reactions (the phase II reactions). 
The conjugation reactions add a negatively charged group such as 
glycine or sulfate to the molecule. Many xenobiotic compounds will be 
transformed

 through several different pathways.

 

 

Phase I either directly neutralizes a toxin, or modifies the toxic chemical to form activated intermediates 

which are then neutralized by one of more of the several phase II enzyme systems

.

 

The conjugation and inactivation pathways are similar to those used by 
the liver to inactivate many of its own metabolic waste products. These 
pathways are intimately related to the biosynthetic cascades that exist 
in the liver. The liver can synthesize the precursors that are required for 
conjugation and inactivation reactions from other compounds. For 
example, sulfation is used by the liver to clear steroid hormones from 
the circulation. The sulfate used for this purpose can be obtained from 
the degradation of cysteine or methionine. The liver, kidney, and 
intestine are the major sites in the body for biotransformation of 
xenobiotic compounds. Many xenobiotic compounds contain aromatic 
rings (such as benzopyrene in tobacco smoke) or heterocyclic ring 
structures (such as the nitrogen-containing rings of nicotine or 
pyridoxine) that we are unable to degrade or recycle into useful 
components. These structures are hydrophobic, causing the molecules 
to be retained in adipose tissue unless they are sequestered by the 
liver, kidney, or intestine for biotransformation reactions. Sometimes, 
however, the phase I and II reactions backfire, and harmless 
hydrophobic molecules are converted to toxins or potent chemical 
carcinogens. 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

The level of exposure to environmental carcinogens varies widely, as does 
the efficiency of the detoxification enzymes, particularly phase II. High levels 
of exposure to carcinogens coupled with slow detoxification enzymes 
significantly increases susceptibility to cancer

.

 

Phase I Detoxification 

CYTOCHROME P450 AND XENOBIOTIC METABOLISM 

 
The cytochrome P450 enzyme family contains at least 100 to 150 
different isozymes. The human enzymes are generally divided into six 
major subfamilies, and each of these is further subdivided. For example, 
in the naming of the principal enzyme involved in the oxidation of 
ethanol to acetaldehyde, CYP2E1, the CYP denotes the cytochrome 
P450 family, the 2 denotes the subfamily, the E denotes ethanol, and 
the 1 denotes the specific isozyme.  
The cytochrome P450–dependent monooxygenase enzymes are 
determinants in oxidative,  peroxidative, and reductive degradation of 
exogenous (chemicals, carcinogens, and pollutants, etc.) and 
endogenous (steroids, prostaglandins retinoids, etc.) substances. The 
key enzymatic constituents of this system are the flavo-protein NADPH-
cytochrome P450 oxidoreductase and cytochrome P450. 

 

General structure of the P450 enzymes. O

2

 binds to the P450 Fe-heme in the active site 

and is activated to a reactive form by accepting electrons. The electrons are donated 

by the cytochrome P450 reductase, which contains an FAD plus an FMN or Fe-S center 

to facilitate the transfer of single electrons from NADPH to O2. The P450 enzymes 

involved in steroidogenesis have a somewhat different structure. For CYP2E1, RH is 

ethanol (CH3CH2OH), and ROH is acetaldehyde (CH3COH).

 

 

Monooxygenase incorporate one atom from molecular oxygen into a substrate 
(creating a hydroxyl group), with the other atom being reduced to water. In the 
cytochrome P450 monooxygenase system  NADPH provides the reducing 
equivalents required by the series of reactions. This system performs different 
functions in two separate locations in cells.The overall reaction catalyzed by a 
cytochrome P450 enzyme is: 

 

R-H + O

2

 + NADPH + H

+

  

 

R-OH + H

2

O + NADP

+

 

where R may be a steroid, drug or other chemical. 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

 

The cytochrome P450 isozymes all have certain features in common: 
 

1.  They all contain cytochrome P450, oxidize the substrate, and 

reduce oxygen. 

2.  They all have a flavin-containing reductase subunit that uses 

NADPH, and not NADH, as a substrate. 

3.  They are all found in the smooth endoplasmic reticulum and are 

referred to as microsomal enzymes (for example, CYP2E1 is also 
referred to as the microsomal ethanol oxidizing system, MEOS). 

4.  They are all bound to the lipid portion of the membrane, probably 

to phosphatidylcholine. 

5.  They are all inducible by the presence of their own best substrate 

and somewhat less inducible by the substrates for other P450 
isozymes. 

6.  They all generate a reactive free radical compound as an 

intermediate in the reaction. 

 
Excessive amounts of toxic chemicals such as pesticides can disrupt 
the P-450 enzyme system by causing hyper activity or what is called 
'induction' of this pathway. This will result in high levels of damaging 
free radicals being produced. Substances that may cause hyperactivity 
of the P- 450 enzymes: Caffeine, Alcohol, Dioxin, Saturated fats, 
Organophosphorus pesticides, Paint fumes, Sulfonamides, Exhaust 
fumes, Barbiturates. 
Transforming a toxin to a more chemically reactive form makes it more 
easily metabolized by the phase II enzymes. 
If the phase II detoxification systems are not working adequately, these 
intermediates can cause substantial damage, including the initiation of 
carcinogenic processes. Each enzyme works best in detoxifying certain 
types of chemicals, but with considerable overlap in activity among the 
enzymes. 

The activity of the various cytochrome P450 enzymes varies 
significantly from one individual to another, based on genetics, the 
individual's level of exposure to chemical toxins, and his or her 
nutritional status. Since the activity of cytochrome P450 varies so much, 
so does an individual's risk for various diseases. This variability of 
cytochrome P450 enzymes is seen in the variability of people's ability to 
detoxify the carcinogens found in cigarette smoke and helps to explain 
why some people can smoke with only modest damage to their lungs, 
while others develop lung cancer after only a few decades of smoking. 

A significant side-effect of phase I detoxification is the production of free 
radicals
 as the toxins are transformed--for each molecule of toxin 
metabolized by phase I, one molecule of free radical is generated. 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

Without adequate free radical defenses, every time the liver neutralizes 
a toxin exposure, it is damaged by the free radicals produced. 

The most important antioxidant for neutralizing the free radicals 
produced in phase I is glutathione. In the process of neutralizing free 
radicals, however, glutathione (GSH) is oxidized to glutathione disulfide 
(GSSG). Glutathione is required for one of the key phase II 
detoxification processes. When high levels of toxin exposure produce 
so many free radicals from phase I detoxification that the glutathione is 
depleted, the phase II processes dependent upon glutathione stop, 
producing oxidative stress or liver damage. The toxins transformed into 
activated intermediates by phase I are substantially more reactive than 
the phase I toxins were. Unless quickly removed from the body by 
phase II detoxification mechanisms, they can cause widespread 
problems, especially carcinogenesis. Therefore, the rate at which phase 
I produces activated intermediates must be balanced by the rate at 
which phase II finishes their processing. People with a very active 
phase I detoxification system coupled with slow or inactive phase II 
enzymes are termed pathological detoxifiers. These people suffer 
unusually severe toxic reactions to environmental poisons.  

An efficient liver detoxification system is vital to health and in order to 
support this process it is essential that many key nutrients are included 
in the diet. Vitamins and minerals – particularly the B vitamins – play a 
major role, acting as cofactors for many enzyme systems including 
those of liver detoxification. Depletion of vitamin C may also impair the 
detoxification process; vitamin C also prevents free radical formation. 
Vitamin E and selenium are cofactors for glutathione peroxidase activity 
as well as being powerful antioxidants. Other nutrients which play vital 
roles in the Phase II pathway include amino acids glycine, cysteine, 
glutamine, methionine, taurine, glutamic acid and aspartic acid. 
Grapefruit juice, which contains naringenin, slows down Phase I 
enzyme activity. 

As with all enzymes, the cytochrome P450s require several nutrients to 
function, such as copper, magnesium, zinc and vitamin C.  

 

 

 

 

 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

Phase II Detoxification 

This is called the conjugation pathway, whereby the liver cells add 
another substance (eg. cysteine, glycine or a sulphur molecule) to a 
toxic chemical or drug. This makes the toxin or drug water-soluble, so it 
can then be excreted from the body via watery fluids such as bile or 
urine. Individual xenobiotics and metabolites usually follow one or two 
distinct pathways.  

There are essentially six phase II detoxification pathways: 

1.  Glutathione conjugation 
2.  Amino acid conjugation 
3.  Methylation 
4.  Sulfation 
5.  Acetylation 
6.  Glucuronidation 

1.  Glutathione conjugation 

A primary phase II detoxification route is 
conjugation with glutathione

(γ-

glutamylcysteinylglycine),  (a tripeptide 
composed of three amino acids--cysteine, 
glutamic acid
, and glycine).  
Glutathione conjugation produces water-soluble 
mercaptates which are excreted via the kidneys.  
The elimination of fat-soluble compounds, 
especially heavy metals like mercury and lead, 
is dependent upon adequate levels of 
glutathione, which in turn is dependent upon adequate levels of 
methionine and cysteine. When increased levels of toxic compounds 
are present, more methionine is utilized for cysteine and glutathione 
synthesis. Methionine and cysteine have a protective effect on 
glutathione and prevent depletion during toxic overload. This, in turn, 
protects the liver from the damaging effects of toxic compounds and 
promotes their elimination. 
If the availability of methionine is reduced, not only will the capability of 
the liver to detoxify be impaired, but there will also be less glutathione 
available to complex with foreign substances.  
Studies have demonstrated that a deficiency of methionine can, in itself, 
cause liver cancer without the presence of a carcinogen, and also that 
the deficiency of methionine can permit a heavy metal to cause toxic 
effects. 
Glutathione is also an important antioxidant. This combination of 
detoxification and free radical protection, results in glutathione being 
one of the most important anticarcinogens and antioxidants in our cells, 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

which means that a deficiency is cause of serious liver dysfunction and 
damage. Exposure to high levels of toxins depletes glutathione faster 
than it can be produced or absorbed from the diet. This results in 
increased susceptibility to toxin-induced diseases, such as cancer, 
especially if phase I detoxification system is highly active. 
A deficiency can be induced either by diseases that increase the need 
for glutathione, deficiencies of the nutrients needed for synthesis, or 
diseases that inhibit its formation. Glutathione is available through two 
routes: diet and synthesis. Dietary glutathione (found in fresh fruits and 
vegetables, cooked fish, and meat) is absorbed well by the intestines 
and does not appear to be affected by the digestive processes. Dietary 
glutathione in foods appears to be efficiently absorbed into the blood. 

 
2.  Amino acid conjugation 

Several amino acids (glyucine, taurine, glutamine, arginine, and 
ornithine) are used to combine with and neutralize toxins. Of these, 
glycine is the most commonly utilized in phase II amino acid 
detoxification.  
Patients suffering from hepatitis, alcoholic liver disorders, carcinomas, 
chronic arthritis, hypothyroidism, toxemia of pregnancy, and excessive 
chemical exposure are commonly found to have a poorly functioning 
amino acid conjugation system.  
Even in normal adults, a wide variation exists in the activity of the 
glycine conjugation pathway. This is due not only to genetic variation, 
but also to the availability of glycine in the liver. Glycine, and the other 
amino acids used for conjugation, become deficient on a low-protein 
diet and when chronic exposure to toxins results in depletion. 
 

3.  Methylation 

Methylation involves conjugating methyl groups to toxins.  
Most of the methyl groups used for detoxification comes from S-
adenosylmethionine
 (SAM). SAM is synthesized from the amino acid 
methionine, a process which requires the nutrients choline, the active 
form of B

12 

--methyl cobalamin, and the active form of folic acid --5-

methyltetrahydrofolate. Methionine is a major source of numerous 
sulfur-containing compounds, including the amino acids cysteine and 
taurine. 
 

4.  Sulfation 

Sulfation is the conjugation of toxins with sulfur-containing compounds. 
The sulfation system is important for detoxifying several drugs, food 
additives, and, especially, toxins from intestinal bacteria and the 
environment. In addition to environmental toxins, sulfation is also used 
to detoxify some normal body chemicals and is the main pathway for 
the elimination of steroid and thyroid hormones. Since sulfation is also 
the primary route for the elimination of neurotransmitters, dysfunction in 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 30/9/2012 

Prof. Dr.H.D.El-Yasin

 

 

this system may contribute to the development of some nervous system 
disorders. 
Many factors influence the activity of sulfate conjugation. For example, 
a diet low in methionine and cysteine has been shown to reduce 
sulfation. 
  

5.  Acetylation 

Conjugation of toxins with acetyl-CoA is the primary method by which 
the body eliminates sulfa drugs. This system appears to be especially 
sensitive to genetic variation, with those having a poor acetylation 
system being far more susceptible to sulfa drugs and other antibiotics. 
While not much is known about how to directly improve the activity of 
this system, it is known that acetylation is dependent on thiamine, 
pantothenic acid, and vitamin C. 
 

6.  Glucuronidation 

Glucuronidation, the combining of glucuronic acid with toxins, in Phase 
II can be reversed by Beta glucuronidase enzymes produced by 
pathological bacteria and cause toxins to be reabsorbed increasing 
toxicity. Many of the commonly prescribed drugs are detoxified through 
this pathway. It also helps to detoxify aspirin, menthol, vanillin (synthetic 
vanilla), food additives such as benzoates, and some hormones.  
 
Sulfoxidation 
Sulfoxidation is the process by which the sulfur-containing molecules in 
drugs and foods are metabolized. It is also the process by which the 
body eliminates the sulfite food additives used to preserve many foods 
and drugs. Normally, the enzyme sulfite oxidase (molybdenum 
dependentenzyme)
 metabolizes sulfites to safer sulfates, which are 
then excreted in the urine. Those with a poorly functioning sulfoxidation 
system, however, have an increased ratio of sulfite to sulfate in their 
urine. Those with a poorly functioning sulfoxidation detoxification 
pathway are more sensitive to sulfur-containing drugs and foods 
containing sulfur or sulfite additives.  




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 110 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل