4.1.1. Фосфорорганические соединения (ФОС)

Однако интенсивному развитию исследований по химии ФОС послужили работы Михаэлиса и А.Е.

В 1903 и 1915 г.г. Михаэлис опубликовал фундаментальные работы по синтезу амидированных производных фосфорной, фосфиновой и тиофосфор- ной кислот. Открытая реакция Михаэлиса-Беккера дала возможность получать эфиры алкилфосфоновых кислот из галоидалкилов и диалкилфосфитов.

А.Е. Арбузов открыл новый путь получения соединений пятивалентного фосфора из эфиров кислот трехвалентного фосфора, который получил название «перегруппировки Арбузова». Способ синтеза эфиров фосфорной кислоты был опубликован А.Е. Арбузовым в 1906 г. Это легло в основу химии органических соединений и послужило широкому синтезу многих высокоактивных ингибиторов ХЭ, которые нашли широкое применение в качестве пластификаторов для пластмасс и резины, экстрагирующих веществ, антиоксидантов для смазочных масел, флотоагентов в горнорудной промышленности, лекарственных средств. Наибольшее применение органические соединения фосфора различной структуры находят в сельском хозяйстве в качестве инсектицидов, акарицидов, фунгицидов и регуляторов роста растений.

Изучение механизма действия ФОС начато в Германии с 1938 г. Параллельно аналогичные исследования проводились в Англии Эдрианом, Фельдбергом, Килби и др., в Советском Союзе - А.Г. Генецинским.

Поскольку первые созданные ФОС оказались чрезвычайно токсичными и опасными для теплокровных животных и человека, это побудило к изысканию новых соединений с избирательной токсичностью и исследованию их механизма токсического и селективного действия, метаболизма, изысканию средств антидотной терапии.

Из многих тысяч синтезированных в последнее время ФОС большая часть синтезирована в Советском Союзе в лабораториях А.Е.

Р-2 и др.), Н.Н. Мельникова (меркаптофос, метилмеркаптофос, тиофос, ме- тафос, карбофос, фосфамид и др.). Существенный вклад в изучение механизма биологической активности ФОС, закономерностей антихолинэстеразной активности внесен М.И. Кабачником и его сотрудниками. Систематическое и плодотворное изучение вопросов токсикологии и механизма токсического действия ФОС проводится в лабораториях М.Я. Михельсона, К.С. Шадурско- го, С.Н. Голикова, В.И. Розенгарта, Ю.С. Кагана, Ю.И. Кундиева и др.

Химическое строение большинства ФОС может быть выражено общей схематической формулой:

R1 O(S)

\ //

P / \

R2 X

где R1 и R2 - одинаковые или различные алкильные, алкоксильные, алкила- минные, арильные или арилокси группы.

По химическому строению ФОП можно разделить на 5 групп: производные фосфорной, тиофосфорной, дитиофосфорной, пирофосфорной и фосфоновых кислот.

В зависимости от различия в фосфорной группе ФОП выделяют 3 основные группы соединений: фосфаты (без атома серы), фосфоротиоаты (с одним атомом серы) и фосфородитиоаты (с двумя атомами серы).

В настоящее время известны десятки тысяч отдельных ФОС, их число возрастает с каждым днем и дать их полный перечень не представляется возможным.

ФОС могут находиться в различном агрегатном состоянии. Большинство из них представляют собой маслянистую жидкость или кристаллический порошок, нерастворимы либо плохо растворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях. Многие из них имеют неприятный специфический запах. Плотность ФОС находится в пределах 1,1-1,7.

Среди ФОС имеются вещества с различной степенью летучести. К веществам, обладающим очень высокой летучестью (насыщающая концентра-

ция больше 10 мг/м ), относятся димефокс, ДДВФ, фосдрин, тионовый изомер метилмеркаптофоса, тимет, зарин, ронелл и др. Летучесть в данном ряду

о

ФОС составляет 925; 145; 27; 23,3; 12,4; 12; 11 мг/м соответственно.

о

мг/м ) обладают паратион, хлортион, дикаптон, тритион, гузатион, фенкап- тон и др., их летучесть - 0,09; 0,07; 0,05; 0,0057; 0,0042; 0,00085 мг/м3 соответственно. Следует отметить, что с возрастанием температуры летучесть ФОС значительно увеличивается.

ФОС достаточно стабильны при нейтральной pH, легко гидролизуются в щелочных растворах (pH 8,0 и выше), в меньшей степени в кислых растворах (при pH 2,0 и ниже). Фосфороамидаты гидролизуются в ходе катализируемой кислотой реакции даже при pH 4,0-5,0 и после образования кислоты разложение ускоряется из-за автокатализа. На скорость гидролиза оказывают влияние такие факторы, как характер заместителей в молекуле ФОС, катализаторы (азотсодержащие соединения, гидроксамовые кислоты, хлор, медь и др.), растворители, изменение температуры и pH.

При хранении, нагревании и перегонке некоторые ФОС способны к изомеризации. В результате изомеризации образуются продукты, которые более токсичны, чем исходное вещество. Токсикодинамика ФОС Механизм взаимодействия антихолинэстеразных соединений детально изучен. ФОС проявляют свое токсическое действие в результате того, что

имеют определенное сходство в строении с естественным субстратом ХЭ - АХ (как стериохимически, так и по реакционной способности). При достижении активного участка ХЭ их взаимодействие с ферментом сводится к фосфорилированию (или карбамилированию) гидроксила серина.

В общем виде реакцию АХ под действием АХЭ можно представить в виде последовательного процесса: активный фермент обратимо реагирует с АХ, в результате чего образует комплекс субстрат - фермент. В этом комплексе связь между ферментом и субстратом осуществляется не только за счет взаимодействия эстеразного центра с углеродом карбамильной группы АХ, но также за счет притяжения катионной головки АХ к анионному центру и взаимодействия неполярных групп субстрата с гидрофобными участками активного центра. Распад комплекса фермент - субстрат с образование продуктов реакции происходит в два этапа. На первом этапе ацетильный остаток субстрата присоединяется к ферменту, замещая содержащийся в нем протон, а остаток холина отщепляется в виде свободного холина. Далее следует де- ацетилирование эстеразного участка фермента с восстановлением его первоначальной структуры и образованием уксусной кислоты. Схематически это выглядит следующим образом:

O              O

HE + RO - C - CH3 ^ E - C - CH3 + ROH

Фермент АХ Ацетилированный

холин - фермент

Различие во взаимодействии ХЭ с АХ и ФОС заключается в том, что в первом случае образуется ацетилированный фермент - весьма непрочное соединение, быстро подвергающееся гидролизу, в результате чего активные центры ХЭ освобождаются для новых реакций с АХ. При взаимодействии ФОС с ХЭ, эстеразный центр прочно связывается с остатком фосфорной кислоты, что приводит к образованию чрезвычайно устойчивого к гидролизу фосфорилиро- ванного фермента, неспособного реагировать с молекулами АХ и потому утратившему свою основную каталитическую функцию. Блокирование

ХЭ ФОС осуществляется в две фазы. В первой фазе подавление фермента обратимо. И только через определенный промежуток времени наступает вторая фаза. Первая фаза начинается сразу после контакта ингибитора с ферментом. Переход от обратимого ингибирования к необратимому происходит постепенно и зависит от температуры, строения и концентрации ингибитора.

Фосфорилирующая способность ФОС зависит от прочности эфирной связи фосфора с кислотным остатком и от дефицита электронов вокруг атома фосфора. Важное значение имеют стерические факторы и гидрофобные взаимодействия. Гидролиз фосфорилированной ХЭ происходит очень медленно. При этом устойчивость фосфорилированной ХЭ к гидролизу зависит от характера алкоксигрупп, связанных с фосфором. Легче всего происходит гидролиз в случае угнетения ХЭ диметиловыми эфирами кислот фосфора, значительно труднее - после воздействия диэтиловых, которые практически необратимо угнетают ХЭ диизопропиловые эфиры.

В связи с тем что ХЭ и ХР имеют в своем строении много общего, в механизме действия антихолинэстеразных соединений определенное значение может иметь их взаимодействие не только с ферментом, но и с ХР. При этом некоторые ФОС (фосфакол, ДФФ, паратион, армии и др.) могут проявлять как возбуждающее, так и блокирующее действие на ХР.

Для взаимодействия ФОС с ХР необязательно наличие в них катионной группы, определяющей возможность реакции с анионным пунктом рецептора. Блокирующее действие на ХР таких веществ, как диизопропилфторфос- фат, армии, фосфакол, связанно, по-видимому, с их взаимодействием с эсте- рофильным участком ХР. Влияние на Н-холинореактивные системы проявляется главным образом в случае введения больших доз этих препаратов.

Взаимодействие ФОС с ХЭ представляет собой реакцию фосфорилиро- вания, которую можно изобразить схематически:

EH + (RO^P(O)X^ (RO)2P(O)E + XH, где

EH - активная холинэстераза (механизм взаимодействия ХЭ и ФОС описан выше).

Сопоставление данных об антихолинэстеразной активности ФОС in vitro с их токсичностью и антихолинэстеразными свойствами in vivo показывает, что между этими свойствами не всегда имеется прямая зависимость. Это касается в первую очередь тиофосфатов (фосфоротиоатов). Например, такие тиофосфаты, как тиофос, карбофос, ЭПН, не вызывают угнетение холинэсте- разы in vitro, однако эти соединения отличаются выраженными антихолинэстеразными свойствами in vivo и высокой токсичностью.

Относительная токсичность всех исследуемых препаратов была выше, чем следовало бы предположить на основании данных об антихолинэстеразной активности in vitro и in vivo. Отсутствие строгой зависимости между ан- тихолинэстеразным действием in vitro и токсичностью свидетельствует о том, что в организме они превращаются в более активные антихолинэстераз- ные вещества.

При дермальном пути поступления ФОС, как и при пероральном, максимальное снижение активности ХЭ проявляется в первые сутки. Однако угнетение фермента нарастает медленнее, а активность энзима начинает восстанавливаться и достигает нормы несколько позже, чем при пероральном поступлении. Наблюдаемое более продолжительное изменение активности ХЭ при дермальном пути поступления связано с депонированием вещества в липоидах кожи и постепенным высвобождением из «депо».

Однако для некоторых соединений, например дифоса (абат), токсическое действие препарата больше выражено при дермальном пути поступления, чем пероральном. Это связано с тем, что дифос легко всасывается через неповрежденную кожу.

В большинстве случаев токсичность при ингаляционном поступлении ФОП в организм выше, чем при введении этой же дозы перорально.

Несмотря на количественные различия эффектов ингаляционного и пе- рорального действия, часто наблюдается их качественная однонаправленность, выражающаяся в сходстве изменений органов и биохимических показателей подопытных животных.

На высоких уровнях воздействия любая зависимость доза - эффект может быть представлена экспоненциальной кривой. В динамике эффективных доз более низкого уровня наблюдаются различные вариации, которые, однако, всегда сводятся к S-образным либо экспоненциальным кривым.

При пероральном поступлении ФОС более обоснованной является S- образная зависимость «доза - эффект», так как форма этой кривой отражает эффективную детоксикацию токсина в печени при воздействии малых доз. При ингаляционном пути поступления более оправданной будет экспоненциальная зависимость, так как препарат попадает непосредственно в кровь, поэтому даже малые дозы вызывают заметное угнетение ХЭ и АХЭ.

При однократном воздействии независимо от пути поступления в организм существует зависимость доза - эффект. Чем выше доза антихолинэсте- разного вещества, тем больше степень ингибирования АХЭ нервной ткани и выраженности интоксикации. Ингибирование АХЭ эритроцитов при воздействии одной и той же дозы вещества может существенно изменяться от ингибирования АХЭ нервной ткани. Влияние на ХЭ плазмы и внутренних органов (печень, почки, селезенка, сердце, мышцы) также зависит от дозы. Однако между степенью ингибирования активности холинэстеразы в различных биосубстратах существует диспропорция, в некоторых случаях значительная. Для отдельных веществ ХЭ плазмы более чувствительна к ингибированию, чем АХЭ эритроцитов, однако чаще наблюдается обратная зависимость.

Степень ингибирования активности ХЭ плазмы не всегда соотносится с тяжестью интоксикации. Типичная холинергическая интоксикация отмечается только при значительном ингибировании АХЭ нервной ткани.

Некоторые фосфорорганические инсектициды оказывают ингибирующее действие на карбоксилэстеразы тканей (например, малатион) в дозах, которые ниже уровней, влияющих на АХЭ и ХЭ. В связи с этим первичное ингибирование карбоксиэстераз может потенцировать токсичность веществ для теплокровных животных, детоксикация которых обычно осуществляется эс- теразами тканей.

Признаки интоксикации ФОС могут развиваться сразу или спустя несколько часов после воздействия. Для более липофильных соединений, которые требуют метаболической активации, симптомы интоксикации развиваются медленно и могут сохраняться несколько суток. Клиника острой интоксикации ФОС включает мускариноподобные и никотиноподобные нарушения, изменения со стороны центральной нервной системы и дыхания.

В зависимости от структуры вещества, скорости и направленности метаболизма может изменяться выраженность тех либо других нарушений центральной нервной системы.

Первые признаки холинергических симптомов в большинстве случаев появляются тогда, когда активность АХЭ в крови снижается до 50%. Общепризнано, что ингибирование активности АХЭ и ХЭ крови на 75% является индикатором опасности и требует принятия срочных мер по устранению воздействия вещества. Ингибирование активности АХЭ на 25-30% является пороговым эффектом, при котором отсутствуют какие-либо вредные последствия для здоровья. Активность ХЭ крови восстанавливается медленно и зависит от величины дозы и пути поступления. Однако такая зависимость между степенью ингибирования АХЭ и клиническими симптомами интоксикации наблюдается не всегда.

Общим в действии многих ФОС как в остром, так и хроническом опытах является зависимость доза - эффект.

С увеличением дозы вводимого вещества усиливается эффект независимого от пути поступления в организм. С нарастанием эффекта в антихоли- нэстеразные механизмы вовлекается все большее количество

физиологических систем. Степень выраженности ингибирования при введении одних и тех же доз зависит от видовой чувствительности животных. Вещества с большим антихолинэстеразным эффектом in vitro проявляют токсическое действие в первые часы после введения вещества. Для веществ с менее выраженными антихолинэстеразными свойствами in vitro, а также веществ, требующих предварительной активации (тионофосфаты), токсическое действие и антихолинэстеразный эффект проявляются в более поздние сроки.

При субхроническом и хроническом действии ФОС зависимость между степенью ингибирования активности ХЭ крови и тяжестью интоксикации может не сохраняться.

В некоторых случаях при повторном воздействии ФОС активность АХЭ эритроцитов угнетена почти на 100% без появления признаков интоксикации или без какой-либо связи с имеющимися симптомами, возникшими после облучения первой дозы вещества. Одной из причин такой реакции АХЭ эритроцитов на повторное воздействие ингибитора ХЭ является чрезвычайно низкая скорость восстановления ее активности.

При хроническом воздействии многих ФОС не отмечается корреляции между уровнем ХЭ крови и тканей. В различных тканях может наблюдаться разнонаправленный эффект (снижение или повышение активности ХЭ). В некоторых случаях наблюдаются фазовые изменения активности ХЭ крови и тканей. В восстановительном периоде иногда активность ХЭ в исследуемых биосубстратах подопытных животных выше, чем в контроле.

В условиях применения ФОС в сельском хозяйстве характерен прерывистый режим воздействия их на организм рабочих. Выяснение особенностей антихолинэстеразного действия ряда ФОС (афоса, циклофоса, рицида-П, ге- терофоса и др.) при мотонном и прерывистом режимах воздействия показало, что при прерывистом влиянии независимо от пути поступления в организм исследованные препараты оказывают менее выраженный антихолинэстеразный эффект, чем при монотонном.

Гистоморфологические и патобиохимические изменения во внутренних органах и головном мозге были выражены в меньшей степени, а восстановление активности холинэстеразы и нарушенных физиологических функций организма происходило быстрее при прерывистом воздействии, чем при монотонном.