3.1.1.2. Угнетение каталитической активности

Снижение активности энзимов при действии токсикантов может быть следствием трех эффектов: подавления процессов синтеза апофермента и кофакторов, активации разрушения, угнетения специфической активности.

К числу наиболее распространенных кофакторов, помимо металлов, относятся железопорфирины, флавины, никотинамид-адениндинуклеотид (НАД), пиридоксальфосфат, тиаминпирофосфат и др. Отчасти эти вещества синтезируются в организме животных и человека, отчасти попадают с пищей в форме витаминов. Некоторые вещества являются конкурентами кофакторов энзимов. Так, дикумарол конкурентно препятствует утилизации печенью витамина К, необходимого для синтеза протромбина, поэтому через 24 - 96 ч после поступления вещества в организм в токсических дозах возможно развитие кровотечений угрожающих жизни.

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 (рисунок 2), которые, в свою очередь, угнетают активность пиридоксалькиназы и блокируют тем самым синтез в организме пиридоксальфосфата. В итоге понижается активность большого числа энзимов, кофактором которых является пиридоксальфосфат (декарбоксилазы, трансаминазы и т.д.).

Рисунок 2. Взаимодействие гидразина с пиридоксалем с образованием пиродоксальгидразона

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, гем-содержащих энзимов).

Активация процесса разрушения энзимов токсикантами, как механизм их токсического действия, встречается редко. Катаболизм некоторых энзимов усиливается на фоне хронической интоксикации стероидными препаратами и их аналогами.

Наиболее часто в основе интоксикации лежит угнетение токсикантом специфической активности энзимов. Выделяют следующие механизмы ингибиторного действия ксенобиотиков:

1. Конкурентное ингибирование. В основе взаимодействия лежит конкуренция токсиканта с субстратом за активный центр энзима. При этом реализуются две возможности:

а) токсикант вступает в превращение вместо субстрата (конкурентные субстраты). Так, некоторые эфиры холина (пропионилхолин, бутирилхолин и др.) гидролизуются ацетилхолинэстеразой вместо ацетилхолина. Конкурентным ингибитором аконитазы, одного из энзимов цикла трикарбоновых кислот, участвующих в превращении лимонной кислоты в аконитовую, является фторлимонная кислота, образующаяся в процессе метаболических превращений опасного токсиканта фторуксусной кислоты (рисунок 3);

Рисунок 3. Превращение фторуксусной кислоты во фторлимонную в процессе метаболизма в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК)

б) взаимодействие токсиканта с активным центром не приводит к его метаболизму (стабильные ингибиторы). Примерами таких токсикантов являются карбаматы - ингибиторы холинэстеразы.

Конкурентный тип ингибирования развивается также при образовании прочных ковалентных связей между токсикантами и активными центрами некоторых энзимов. Этот вид ингибирования приводит к полному прекращению ферментативной активности. Таким способом фосфорорганические соединения взаимодействуют с ацетилхолинэстеразой.

Часто, конкурентные ингибиторы энзимов структурно напоминают их субстраты.

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

3. Прочие. Для осуществления ферментативной активности энзимы 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, ДТПА, дитизона и др.), салициловой кислоты и др. Особое токсикологическое значение имеют вещества, взаимодействующие с железом, кобальтом, медью, входящими в структуру более сложных простетических групп энзимов (гем-содержащие энзимы, цитохромы, каталаза, пероксидаза, гемоглобин, миоглобин). К числу таких токсикантов относятся цианиды, сульфиды, азиды, монооксид углерода и др.

Некоторые энзимы находятся под постоянным контролем специальных кооперационных систем. Так, система GSH/GSSG (восстановленный/окисленный глутатион) регулирует активность SH-энзимов (пирофосфатаза, фосфоглицеральдегид-дегидрогеназа, гемоглобин-редуктаза и др.). Токсиканты, понижающие содержание восстановленного глютатиона в тканях, такие как гидроксиламин, фенилгидразин, дихлорэтан и др., подавляют активность этих ферментов.

Одна из патохимических классификаций преимущественно ферментных ядов разработана А.А. Покровским (1962) (таблица 2).

Таблица 2. Патохимическая классификация ядов

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ЯДОВ НА ФЕРМЕНТЫ	ХАРАКТЕРНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
Структурные аналоги данного субстрата, взаимодействующие с ним по типу «конкурентного торможения»	Фосфорорганические соединения и другие антихолинэстеразные соединения, Циклосерины, Галоидопроизводные пиримидина и др.
Предшественники структурных аналогов субстрата, из которых образуются ингибиторы ферментов в процессе «летального синтеза»	Фторацетат, хлорацетат Галоидсодержащие производные пиримидина и пурина, Метиловый спирт, Этиленгликоль и др.
Структурные аналоги коферментов, антивитамины. Конкурентное торможение	Антивитамины РР, В6 и др.
Соединения тормозящие биосинтез ферментов. Крнкурентное торможение; в отдельных случаях неконкурентное	Структурные аналоги природных аминокислот (фторфенилаланин, азатриптофан и др.), Некоторые антибиотики: пенициллин, левомицетин, ауреомицин и др.
Соединения, блокирующие функциональные группы белка или кофермента. Неконкурентное торможение	Цианиды, Сероводород, Окись углерода, Метгемоглобинообразователи, Соединения, связывающие SH-группы и др.
Соединения, нарушающие связи атомов металлов в молекуле фермента	Хелатирующие соединения: ЭДТА, ДТПА, 8-оксихинолидин и т.п.
Соединения, разобщающие сочетанную деятельность ферментов	Разобщители клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования (динитрофенол), Фториды, Некоторые наркотики и др.
Соединения денатурирующие белок (грубое нарушение структуры белковой молекулы)	Крепкие кислоты, щелочи, тяжелые металлы, органические растворители и др.
Биологические яды, содержащие ферменты, разрушающие структурные элементы клеток и тканей, образующие в организме токсичные вещества	Яды змей и насекомых, Бактериальные токсины
Аналоги медиаторов	Ингибиторы моноаминоксидазы и др.

3.1.1.3. Биологические последствия действия токсикантов на энзимы

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

3.2. Взаимодействие токсикантов с нуклеиновыми кислотами.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты - основной компонент хромосомного аппарата клеток. Рибонуклеиновые кислоты образуют три пула - информационной, транспортной, рибосомальной РНК. Их функция - участие в синтезе белка. Многие ксенобиотики вступают во взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, изменяя их свойства.

1. Химическая модификация нуклеиновых кислот.

К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами относятся нитриты, сернистый, азотистый, кислородный иприты, 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 (рисунок 4). Измененные таким образом молекулы ДНК могут подвергаться дальнейшей ферментативной и неферментативной трансформации вплоть до разрушения под воздействием эндонуклеаз.

Рисунок 4. Взаимодействие аденозина с ипритом

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 пиримидиовыми основаниями, но и с углеводно-фосфатной основой молекулы нуклеиновой кислоты. При этом происходит её денатурация. Полагают, что таким образом может взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами в частности формальдегид.

2. Нарушение конформации нуклеиновых кислот.

Многие ксенобиотики образуют нековалентные связи с ДНК. При этом меняется конформация макромолекул. Так, известно высокое сродство к нуклеиновым кислотам производных акридина, которые, встраиваясь в молекулу ДНК между соседними парами оснований (интеркалация), изменяют её структуру. Таков же, вероятно, механизм действия этидиумбромида, профлавина и др.

Антрациклин, хлорахин, актиномицин и некоторые другие антибиотики также изменяют конформацию нуклеиновых кислот, не образуя с ними ковалентных связей.

3.3. Взаимодействие токсикантов с липидами

Важнейшая функция липидов - формирование биологических мембран. Вещества, разрушающие, изменяющие структуру липидов, нарушающие взаимодействие между молекулами липидов (гидрофобные связи) повреждают биологические мембраны и поэтому называются мембранотоксикантами. К числу таких относятся многие спирты, предельные и галогенированные углеводороды («неэлектролиты»), детергенты (поверхностно-активные вещества), а также яды обладающие фосфолипазной активностью (яды змей и т.д). Ряд токсикантов оказывает опосредованное мембранотоксическое действие, повышая уровень внутриклеточного Са²⁺, активируя эндогенные фосфолипазы, свободнорадикальные процессы в клетках (см. ниже) и т.д.

3.4. Взаимодействие токсикантов с селективными рецепторами

3.4.1. Селективные рецепторы клеточных мембран

Селективные рецепторы клеточных мембран - это протеины, встроенные в липидные бислои. Гидрофобный участок a-спирали белков обеспечивает их прочную связь с мембраной. Гидрофильный участок располагается за пределами липидного бислоя. Именно этот фрагмент белка обеспечивает связь рецептора с лигандом, то есть формирует собственно рецепторную область. Выделяют следующие типы селективных рецепторов мембран:

- формирующие ионные каналы;

- связанные с G-протеинами;

- обладающие тирозинкиназной активностью;

- образующие межрецепторные сети.

1. Рецепторы формирующие ионные каналы. Эти рецепторы участвуют в передаче нервных импульсов в центральной нервной системе и на периферии. Обычно рецепторы данного типа состоят из нескольких субъединиц пронизывающих всю толщу биологической мембраны. Одна - две из этих субъединиц представляют собой собственно рецепторную область, связывающуюся с лигандом. Другие субъединицы после взаимодействия рецепторной области с лигандом изменяют свою конформацию и участвуют тем самым в формировании ионного канала. К числу известных каналобразующих рецепторов относятся никотинчувствительный рецептор ацетилхолина (Н-холинорецептор), ГАМК-эргический, глицинэргический рецепторы. Первый из упомянутых является каналом для ионов Na⁺, два других - для ионов Cl^-. Известно большое количество веществ, действующих на эти рецепторы. Например, курарин, никотин, анабазин (действуют на холинорецепторы), бициклофосфаты, норборнан, пикротоксинин (действуют на ГАМК-рецепторы), стрихнин (действует на рецепторы к глицину).

К этой же группе рецепторов возможно отнести Na⁺-, К⁺, Ca²⁺- каналы возбудимых мембран, для которых пока не найдены эндогенные химические агонисты. Тем не менее ионные каналы имеют рецепторную область связывания высокотоксичных ядов животного происхождения, таких как тетродотоксин, сакситоксин, батрахотоксин и др.

Первым из достаточно изученных каналобразующих рецепторов был никотинчувствительный рецептор ацетилхолина. Этот рецептор состоит из четырех типов субъединиц, из которых ацетилхолинсвязывающая a-субъединица представлена в рецепторе дважды. Как полагают, все субъединицы в процессе эволюции возникли из одного предшественника, о чем свидетельствует близкая последовательность аминокислот в их молекулах. Последние представляют собой трансмембранную a-спираль, состоящую из 20 - 25 аминокислотных остатков. Идентичным для всех субъединиц является и способ фиксации в липидном бислое.

Клонирование и секвенирование генов, ответственных за синтез субъединиц никотинового рецептора, выделенного из различных органов животных одного вида и органов разных видов, позволили высказать предположение об эволюционной близости их происхождения. Об этом же свидетельствует и то обстоятельство, что не смотря на имеющиеся различия строения рецепторной области Н-холинорецепторов, выделенных из разных органов и тканей животных различных видов, их чувствительность к ацетилхолину, его агонистами и антагонистам различается несущественно.

2. Рецепторы связанные с G-протеинами. Особый вариант передачи регуляторных сигналов в организме на молекулярном уровне представлен механизмом взаимодействия эндогенных лигандов с рецепторами, ассоциированными с G-протеинами (регуляторными протеинами). В этом случае сигналы, вызванные действием лиганда, приводят к конформационным изменениям рецепторного белка, затем переносятся на белки сопряжения, которые в свою очередь, уже или стимулирует или угнетает эффекторную систему в целом. Белки сопряжения в ходе передачи сигнала связывают молекулу гуанозинтрифосфата (ГТФ) и расщепляют её не гуанозиндифосфат и фосфат (отсюда название - G-протеины). Стимулирующие G-протеины (G_S), активируют в ходе передачи сигнала аденилатциклазу клеток-эффекторов, а ингибиторные (G_I) - угнетают этот энзим. Поскольку G-протеины расщепляют ГТФ они называются также ГТФ-азами.

К числу рецепторов такого типа относятся в частности мускаринчувствительные холинэргические рецепторы (М-холинорецепторы), a и b-адренорецепторы и т.д. Гены, контролирующие синтез белковых субъединиц этих рецепторов клонированы и секвенированы. Мускаринэргический и адренэргический рецепторы образованы белковой молекулой, закрепленной в клеточной мембране с помощью 7 трансмембранных участков пептидной a-спирали. Оба рецептора по последовательности аминокислот весьма близки, что указывает на близость их эволюционного развития. Полагают, что различные типы a- и b-адренорецепторов, М-холинорецепторов, дофаминергических, серотонинергических, гистаминергических рецепторов, а также ряд других рецепторных структур, представляют собой подтипы некоего исходного образования, различающиеся незначительными особенностями третичной структуры, конформации, связывания с липидной мембраной.

Комплекс G-протеинов состоит из трех субъединиц. Наибольшая, с молекулярной массой 40000, называется a-субъединицей. Она содержит в каталитическом центре участок селективного связывания ГТФ и при активации действует как ГТФ-аза. a-субъединица, с одной стороны сопряжена с мембранным рецепторным белком, с другой - с молекулой аденилатциклазы. b-субъединица имеет молекулярную массу около 35000 и вероятно запускает процесс расщепления ГТФ, отсоединяясь от комплекса G-протеинов. О функции наименьшей - g-субъединицы (ММ около 10000) практически ничего не известно.

Функционирование системы передачи сигнала с помощью G-протеинов наилучшим образом изучено на примере b-адренорецепторов (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема проведения сигнала, через систему рецептора связанного с G-протеинами

В невозбужденном состоянии a_S-субъединица рецепторного комплекса связана с молекулой ГДФ. Взаимодействие агониста с рецепторным белком приводит к изменению его конформации, что сопровождается изменением свойств и a_S-субъединици G-протеина - последний теряет сродство к ГДФ и связывается с молекулой ГТФ. Активированная a-субъединица отщепляется от рецепторного протеина и присоединяется к аденилатциклазе, активируя её. Под влиянием фермента в клетке из АТФ синтезируется цАМФ - вторичный месенджер, запускающий процессы, лежащие в основе активации клетки. Присоединение к a-субъединице b- и g-субединиц активирует её ГТФ-азную активность. Образующийся в процессе передачи сигнала ГДФ присоединяется к a-субъединице, вызывает её отщепление от аденилатциклазы и присоединение к рецепторному протеину. Система приходит в исходное состояние.

Токсиканты могут модифицировать описанный процесс на любом из этапов проведения сигнала. Например, холерный и коклюшный токсины вызывают АДФ-рибозилирование G_S-протеина после его связывания с молекулой ГТФ. В итоге развивается стойкая активация аденилатциклазы и перевозбуждение соответствующих клеток слизистых оболочек.

В настоящее время известно огромное количество веществ синтетических и естественного происхождения, избирательно взаимодействующих с рецепторами данного типа. Среди них многочисленные лекарственные средства (действующие на холинэргические, катехоламинэргические, серотонинэргические синапсы), интоксикация которыми развивается как при перевозбуждении, так и блокаде рецепторов (см. курс фармакологии). Сюда же относится большая группа веществ, обладающих психодислептической активностью (диэтиламид лизергиновой кислоты, псилоцин, псилоцибин, буфотенин, мескалин, хинуклидинилбензилат - BZ и т.д.).

3. Рецепторы с тирозинкиназной активностью. К рецепторам данного типа относятся, в частности, рецепторы к инсулину и гормону роста. Эти рецепторы состоят из одной или двух белковых субъединиц, закрепленных в липидном бислое с помощью пептидной a-спирали.

После взаимодействия с лигандом рецепторная молекула частично погружается в клетку. При этом активируется тирозинкиназная активность либо специальной субъединицы рецептора, либо энзима, тесно связанного с ним. Пусковым сигналом процессов, приводящих к активации клетки, является развивающееся фосфорилирование внутриклеточных белков (по молекуле тирозина).

Токсиканты, избирательно действующие на данный тип рецепторов, пока не известны.

4. Рецепторы, образующие межрецепторные сети. В отличии от других мембраносвязанных рецепторов, связывание с лигандом в данном случае не приводит непосредственно к передаче сигнала на эффекторную систему. Процесс восприятия сигнала связан с образованием межрецепторных цепей на поверхности клеток. Наилучшим образом в группе рецепторов данного типа изучены рецепторы к Fc-фрагменту (fragment crystalline) антител (иммуноглобулинов). Эти рецепторы представляют собой агрегаты двух или более белковых субъединиц, молекулярная масса которых составляет около 30000 - 50000. Особое патофизиологическое значение имеет образование межрецепторных сетей IgE-Fc-рецепторов, поскольку это явление, наступающее вследствие связывания антигена с молекулами фиксированных на мембранах тучных клеток антител, приводит к взрывоподобному экзоцитозу гистамин-содержащих гранул. Экзоцитоз биологически активных веществ, и в частности, гистамина из тучных клеток - основа анафилактических реакций (см. ниже).

4. Изучение локализации рецепторов в биообъекте

Выяснение характера распределения рецепторов различных токсикантов в тканях, клетках, субклеточных структурах возможно с помощью различных методических приемов. Непрямым методом является обнаружение в исследуемом материале эндогенных биорегуляторных веществ, аналогами которых является токсикант, или ферментов их обмена. Как правило для этой цели используют гистологические методы (гистохимия, иммуногистохимия). Такими способами, например, выявляют области синтеза, депонирования или разрушения нейромедиаторов (ГАМК, серотонина, дофамина, норадреналина, гистамина и т.д.). Однако на основании полученных результатов неправомочно делать заключение о том, что здесь же залегают и основные рецепторные образования к соответствующим токсикантам. Количество выявляемого медиатора в ткани (клетке) ни в коем случае не является характеристикой плотности рецепторов к исследуемому веществу.

Часто для выявления рецепторов в органах и тканях используют метод авторадиографии. При этом о характере их распределения часто судят по особенностям связывания токсикантов, меченых радиоактивными изотопами (радиолигандов).

Методом авторадиографии можно локализовать рецептор и путем обработки ткани антителами к специфическим лигандам рецептора, либо к молекулам самого рецептора, помеченными специальными маркерами (например коллоидальным золотом, изотопами, флюоресцентными красителями или пероксидазой хрена). Количественная авторадиография имеет особое значение для изучения тканевого распределения подтипов рецепторов, взаимодействующих с одним и тем же эндогенным лигандом, но различными ксенобиотиками. К числу выявляемых таким методом относятся подтипы адренергических, серотонинергических, мускаринергических, опиатных рецепторов. С помощью этого метода возможно изучение и внутриклеточной локализации рецепторов.

Метод компьютерной томографии, в частности позитронноэмиссионная компьютерная томография, позволяет прижизненно изучать локализацию рецепторов токсикантов в тканях. Для этого в организм обследуемого вводят рецепторспецифичные радиолиганды (сам токсикант или его аналоги), меченные радионуклидами, испускающими позитроны (¹¹С, ¹⁸F), локализацю которых в различных органах, по прошествии некоторого инкубационного периода, и выявляют с помощью соответствующей аппаратуры. С помощью такого подхода можно изучить распределение рецепторов в любом интересующем органе. Недостатками метода являются его недостаточно высокая разрешающая способность и дороговизна.