токсикология

межклеточной жидкостью. Для клеток крови межклеточной жидкостью является плазма крови.

Основные свойства межклеточной жидкости: её электролитный состав и определенное осмотическое давление. Электролитный состав определяется главным образом содержанием ионов Na+, K+, Са2+, Cl– , HCO3– и др., а осмотическое давление определяется присутствием белков, других анионов и катионов.

Межклеточная жидкость содержит многочисленные субстраты для клеточного обмена, продукты метаболизма клеток, молекулы-регуляторы клеточной активности. Попав в межклеточную жидкость, токсикант может изменять её физико-химические свойства, вступать в химическое взаимодействие с её структурными элементами. Изменение свойств межклеточной жидкости немедленно приводит к реакции со стороны клеток.

Возможны следующие механизмы токсического действия, обусловленные взаимодействием токсиканта с компонентами межклеточной жидкости:

Электролитные эффекты. Нарушение электролитного состава наблюдается при отравлении веществами, способными связывать ионы. Так, при интоксикациях фторидами (F– ), некоторыми комплексообразователями (ЭДТА-Na2), другими токсикантами (этиленгликолем, метаболизируящим с образованием щавелевой кислоты), происходит связывание ионов кальция в крови и межклеточной жидкости, развивается острая гипокальциемия, сопровождающаяся нарушениями нервной деятельности, мышечного тонуса, свертывающей системы крови и т.д. Нарушение ионного баланса, в ряде случаев, может быть устранено введением в организм растворов электролитов.

рН-эффекты. Интоксикация рядом веществ, несмотря на высокую буферную емкость межклеточной жидкости, может сопровождаться существенным нарушением кислотно-основных свойств внутренней среды организма. Так, отравление метанолом приводит к накоплению в организме муравьиной кислоты, вызывающей тяжелый ацидоз. Изменение рН интерстициальной жидкости может быть также следствием вторичных токсических эффек-

71

тов и развиваться вследствие нарушения биоэнергетических процессов, гемодинамики (метаболический ацидоз или алкалоз), внешнего дыхания (газовый ацидоз или алкалоз). В тяжелых случаях нормализовать рН можно, вводя определенные буферные растворы.

Связывание и инактивация структурных элементов межклеточной

жидкости и плазмы крови. В плазме крови содержатся структурные элементы, обладающие высокой биологической активностью, способные стать мишенью действия токсикантов. К их числу относятся, например, факторы свертывающей системы крови, гидролитические ферменты, разрушающие ксенобиотики и т.д. Следствием такого действия может стать не только интоксикация, но и аллобиоз. Например, угнетение активности триокрезилфосфатом (ТОКФ) карбоксилэстераз плазмы крови, разрушающих фосфорорганические соединеня (ФОС), приводит к существенному повышению токсичности последних.

Нарушение осмотического давления. Существенные нарушения осмо-

тического давления крови и интерстициальной жидкости при интоксикациях, как правило, носят вторичный характер (нарушение функций печени, почек, токсический отек легких). Развивающийся эффект пагубным образом сказывается на функциональном состоянии клеток, органов и тканей всего организма.

Действие токсикантов на структурные элементы клеток. Струк-

турными элементами клеток, с которыми взаимодействуют токсиканты являются: белки, нуклеиновые кислоты, липидные элементы биомембран и селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов (гормонов, нейромедиаторов и т.д.).

Взаимодействие токсикантов с белками. Токсический эффект может развиваться при нарушении основных функций белков: транспортной, структурной, ферментативной.

Нарушение свойств белков химическим веществом возможно различными способами, зависящими как от химического строения структуры ток-

72

сиканта, так и от структуры и функций белка. При этом возможны следующие эффекты: денатурация белка, блокада его активных центров, связывание активаторов и молекул, стабилизирующих белок и т.д.

К числу веществ, денатурирующих белки, относятся сильные щелочи, кислоты, окислители, ионы тяжелых металлов. В основе денатурации лежит повреждение внутрибелковых связей, поддерживающих вторичную, третичную структуру белка. При этом наиболее часто токсиканты взаимодействуют с – СООН, –NH 2, –OH, SHгруппами аминокислот, образующих белки. Многочисленные токсиканты, связывающиеся с SH-группами, называются тиоловыми ядами. К числу тиоловых ядов относятся большинство тяжелых металлов, таких как ртуть, мышьяк, сурьма, таллий и органические соединения этих металлов. Другие металлы (свинец, кадмий, никель, медь, марганец, кобальт) более активно взаимодействуют с карбоксильными группами белков

Особое значение в токсикологии придают действию ксенобиотиков на ферменты, т.к. они играют важнейшую роль в обеспечении процессов жизнедеятельности. Поэтому вещества, модулирующие активность ферментов, обладают высокой биологической активностью и порой являются высокотоксичными.

Ферменты - это белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Они ускоряют достижение состояния равновесия обратимых реак-

ций, типа: АВ↔А+В, путем снижения энергии активации субстратов. Высокая энергия активации многих ферментативных реакций препятствует их протеканию в условиях нормальной температуры организма. Например, in vitro предварительное нагревание увеличивает кинетическую энергию молекул перекиси водорода, что и инициирует процесс, который, будучи экзотермическим, в дальнейшем сам поддерживает свое течение. В условиях

73

же организма связывание Н2О2 ферментом пероксидазой приводит к снижению энергии активации, что обеспечивает протекание реакции при температуре тела.

Скорость каталитических превращений веществ в организме определяется специфической активностью ферментов, их содержанием в клетках и тканях, наличием субстратов и регуляторов активности в среде. При нормальных условиях интенсивность процессов поддерживается на одном уровне. Регуляция осуществляется различными механизмами, среди которых основные - модуляция количества ферментов, их специфической активности, изменение биодоступности субстратов и т.д. (рис.5).

Рис.5. Механизмы регуляция ферментативных процессов Возможные механизмы модуляции активности ферментов химически-

ми веществами представлены в таблице 6.

Усиление каталитической активности. Усиление синтеза ферментов

может быть вызвано поступлением в организм токсикантов-индукторов.

угнетение специфической активности

74

Физиологическими индукторами синтеза ферментов являются многие субстраты и вещества, повышающие содержание коферментов в биосредах. Некоторые гормоны выступают в качестве индукторов синтеза белка. Так, трийодтиронин у тиреоэктомированных крыс существенно увеличивает содержание глюкозо-6-фосфатазы и НАДН-цитохром-с-редуктазы в микросомах печени. Стероидные гормоны - активные индукторы синтеза ферментов, например, триптофанпирролазы и др.

Особое значение для токсикологии имеет явление индукции ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков.

К числу индукторов таких ферментов относятся барбитураты, циклические углеводороды, полигалогенированные полициклические углеводороды и многие другие. Токсичность такого известного токсиканта, как диоксин в настоящее время связывают именно со способностью вызывать индукцию синтеза ферментов. Индукторами ферментов являются и такие известные канцерогены, как бенз[а]пирен иметилхолантрен.

Активность фермента зависит от наличия в биологической среде кофакторов или простетических групп. Функции кофакторов могут выполнять различные витамины и ионы металлов. Их избыточное поступление в организм может сопровождаться развитием интоксикации. Особенно опасно перенасыщение организма жирорастворимыми витаминами А и Д. Стойкое повышение содержания ионов кальция в цитоплазме клеток, отмечаемое при интоксикациях некоторыми веществами, сопровождается чрезмерной активацией ряда ферментов.

Существенное влияние на активность ферментов оказывают вещества, блокирующие процессы их разрушения. Все белковые молекулы в организме имеют определенное время жизни. Процессы непрерывного синтеза уравновешиваются столь же постоянным разрушением белков-ферментов. Период полужизни ферментов колеблется в широких пределах. Например, для альдолазы мышечной ткани крыс он составляет около 20 дней, для каталазы - 1

75

день, для триптофанпирролазы печени всего 2 часа. В процессе разрушения ферментов принимают участие протеазы и эндопептидазы. Разрушение короткоживущих белков осуществляется также ферментами комплекса Гольджи. Ингибиторами разрушения ферментов (и других белков) являются ингибиторы протеаз и пептидаз. К их числу, относятся некоторые карбамоилфосфаты и др.

Разрушение ферментов содержащих SH-группы, как правило, начинается с окисления этих групп. Ксенобиотики с высоким восстановительным потенциалом, защищая сульфгидрильные группы, могут предотвращать разрушение ферментов. Эти эффекты также могут лежать в основе токсического процесса.

Особую роль в токсикологии играют механизмы активации лизосомальных ферментов, вызывающих, при выходе в цитоплазму, аутолиз клеток. Посредством такого механизма действуют на организм многочисленные вещества, например, СCl4.

Угнетение каталитической активности. Снижение активности фер-

ментов при действии токсикантов может быть следствием подавления процессов синтеза апофермента и кофакторов, активации разрушения и угнетения специфической активности.

К числу наиболее распространенных кофакторов, помимо металлов, относятся железопорфирины, флавины, никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), пиридоксаль-фосфат, тиаминпирофосфат и др. Некоторые из этих веществ синтезируются в организме животных, а некоторые поступают в организм только с пищей в форме витаминов. Ряд веществ является конкурентами кофакторов ферментов. Так, дикумарол конкурентно препятствует утилизации печенью витамина К, необходимого для синтеза протромбина, поэтому через 1-4 суток после поступления его в организм в токсических дозах возможно развитие кровотечений угрожающих жизни.

76

Некоторые токсиканты нарушают образование коферментов, предшественники которых поступают в организм с пищей. Так, гидразин и его производные, взаимодействуя с пиридоксалем, содержащимся в клетках, образуют пиридоксальгидразоны, которые, в свою очередь, угнетают активность пиридоксалькиназы и блокируют тем самым синтез в организме пиридоксальфосфата. В итоге понижается активность большого числа ферментов, кофактором которых является пиридоксальфосфат (декарбоксилазы, трансаминазы и т.д.).

К числу полностью синтезируемых в организме кофакторов относятся железопорфирины. Блокада их синтеза приводит к тяжелым последствиям. Так, хроническое отравление свинцом сопровождается нарушением синтеза гема, вследствие чего развивается дефицит гемопротеинов (гемоглобина, миоглобина, гемсодержащих ферментов).

Активация процесса разрушения ферментов токсикантами, как механизм их токсического действия, встречается редко. Катаболизм некоторых ферментов усиливается на фоне хронической интоксикации препаратами стероидных гормонов и их аналогами. Но наиболее часто в основе интоксикации лежит угнетение токсикантом специфической активности ферментов.

Выделяют следующие механизмы ингибиторного действия ксенобиотиков. Конкурентное ингибирование. В основе взаимодействия лежит кон-

куренция токсиканта с субстратом за активный центр фермента.

В этом случае токсикант может вступать в превращение вместо основ-

ного субстрата как конкурентный субстрат.

Механизм этого явления был раскрыт при изучении токсических свойств фторацетата. Это соединение, само по себе практически не токсичное, попадая в организм, претерпевает превращения, приводящие к образованию высокотоксичного соединения – фторлимонной кислоты. Фторацетат вступает во взаимодействие с коэнзимом А, образуя

77

фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется со щавелевоуксусной кислотой, образуя фторлимонную кислоту:

Фторлимонная кислота, являясь структурным аналогом лимонной, взаимодействует с ферментом аконитатгидратазой с образованием прочного фермент-ингибиторного комплекса. Таким образом, аконитатгидратаза в обычных условиях катализирующая превращение лимонной кислоты в цикле Кребса, оказывается выключенной из цепи биохимических реакций. Это приводит к накоплению в тканях лимонной кислоты и нарушению функционирования цитратного цикла Кребса. Такие биохимические изменения влекут за собой тяжелые нарушения энергетического обмена. Так как реакции цикла Кребса сопровождаются освобождением основной массы энергии окисли- тельно-восстано-вительных процессов около половины которой аккумулируется в макроэргических связях АТФ, то становится понятным, почему блокирование цикла Кребса фторлимонной кислотой, образовавшейся из фторацетата, приводит к развитию тяжелой интоксикации. Это явление получило название «летальный синтез». Сходным образом действуют и другие фторорганические соединения. К их числу относятся, помимо фторацетата, метилфторацетат, диоксифторглицеролы, фторэтанол, фторальдегиды, фторпроизводные некоторых органических кислот. Общим для всех этих соединений является способность метаболизироваться до высокотоксичной фторлимонной кислоты, то есть действовать по принципу летального синтеза.

Существуют и другие примеры летального синтеза, например образование из этиленгликоля щавелевой кислоты, окисление метилового спирта альдегиддегидрогеназой до формальдегида и муравьиной кислоты.

Конкурентный тип ингибирования развивается также при образовании прочных ковалентных связей между токсикантами и активными центрами

78

некоторых ферментов. Этот вид ингибирования приводит к полному прекращению ферментативной активности. Таким способом фосфорорганические соединения взаимодействуют с ацетилхолинэстеразой.

Часто, конкурентные ингибиторы ферментов структурно напоминают их субстраты.

Неконкурентное ингибирование. В данном случае токсикант взаимодействует с добавочным, аллостерическим, центром фермента, изменяя при этом конформацию активного центра и снижая, тем самым, его сродство к субстрату. Таким способом упомянутая выше фторлимонная кислота угнетает активность транслоказы, фермента, обеспечивающего активный транспорт цитрата через мембраны митохондрий, а мышьяк, ртуть и их соединения – ферменты, содержащие SH-группы.

Для осуществления ферментативной активности ферменты нуждаются в присутствии в среде ионов металлов: Mg2+, Ca2+, K+, Mn2+, Zn2+, Co2+ и др. Связывание этих металлов токсикантами приводит к угнетению активности. Таков механизм токсического действия комплексообразователей (ЭДТА, дитизона), салициловой кислоты и др. Особое токсикологическое значение имеют вещества, взаимодействующие с железом, кобальтом, медью, входящими в структуру более сложных простетических групп ферментов (гемсодержащие ферменты, цитохромы, каталаза, пероксидаза, гемоглобин, миоглобин). К числу подобных токсикантов относятся цианиды, сульфиды, азиды, монооксиды углерода и азота и др.

Некоторые ферменты находятся под контролем таких специальных систем, как система восстановленный-окисленный глутатион регулирущей активность SH-содержащих ферментов (пирофосфатаза, фосфоглицеральдегиддегидрогеназа, гемоглобин-редуктаза и др.). Токсиканты, снижающие содержание восстановленного глютатиона в тканях, такие как гидроксиламин, фенилгидразин, дихлорэтан и др., подавляют активность указанных ферментов.

79

Поскольку все процессы в живых организмах протекают при участии ферментов, и все фундаментальные свойства живых систем неразрывно связаны с нормальным течением этих процессов и любые проявления жизни могут быть нарушены теми или иными токсическими веществами, изменяющими активность ферментов.

Взаимодействие токсикантов с нуклеиновыми кислотами. Дезок-

сирибонуклеиновые кислоты - основной компонент хромосомного аппарата клеток. Рибонуклеиновые кислоты представлены информационной, транспортной, рибосомальной РНК. Многие ксенобиотики могут вступать во взаимодействие с нуклеиновыми кислотами и изменять их функции и свойства.

К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, относятся этиленоксид, этиленимин, гидразин и его производные, гидроксиламин, нитрозамины, аренокисды, полициклические углеводороды, метаболиты афлатоксинов, соединения мышьяка и многие другие вещества. Эти токсиканты, образуют ковалентные связи с аминогруппами пуриновых и пиримидиновых оснований, входящих в структуру нуклеиновых кислот. Измененные таким образом молекулы ДНК могут подвергаться дальнейшей ферментативной и неферментативной трансформации вплоть до разрушения под воздействием эндонуклеаз.

Вещества с бифункциональными активными группами (иприты) могут образовывать с двунитевой молекулой ДНК перекрестные связи, при этом становиться невозможным расхождение нитей двойной спирали, необходимое для обеспечения синтеза белков, клеточного деления.

Токсиканты способны вступать во взаимодействие не только с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, но и с углеводно-фосфатной основой молекулы нуклеиновой кислоты. При этом происходит её денатурация. Таким образом может взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами в частности формальдегид.

80