Современное представление о токсикодинамике и токсикокинетике

Знания токсикодинамики и токсикокинетики имеют определяющее значение при разработке методов индикации токсинов, антидотов, оказании экстренной помощи при интоксикациях.

Токсикодинамика - это совокупность эффектов токсикантов и механизмы их действия.

Токсические вещества, впрочем, как и лекарственные действуют по 3 путям, других просто не существует и это определяет механизм действия: Действие              на специфические рецепторы, которое приводит к возникновению биохимических и физиологических изменений в организме, которые выражаются в том или ином клиническом эффекте. Физико-химическое              действие на мембраны клеток, изменение потоков ионов клеток нервной и мышечной систем, определяющих трансмембранный электрический потенциал. Прямое              химическое взаимодействие - токсические вещества могут непосредственно взаимодействовать с небольшими молекулами или ионами внутри клеток, что лежит в основе применения многих антидотов при интоксикациях химическими веществами, например свинца.

Токсикокинетика - процессы всасывания, распределения, биотрансформации и выведения токсинов. Для характеристики токсикокинетики необходимы некоторые параметры:

Константа скорости абсорбции (Ка) - скорость поступления в кровь.

Константа скорости элиминации (Kel) - скорость исчезновения из организма путем биотрансформации и выведения.

Константа скорости экскреции (Kex) - скорость выведения с мочой, калом, молоком, слюной и т. д.

Период полувыведения (Т1/2) - уменьшение вдвое концентрации.

Общий клиренс (Cl) - скорость очищения организма. Выделяют почечный и внепочечный (прежде всего с желчью). Общий клиренс является суммой почечного и внепочечного клиренса.

3.5. Общие механизмы токсического действия

Взаимодействие токсиканта или продуктов его превращения в организме со структурными элементами биосистем, лежащее в основе развивающегося токсического процесса, называется механизмом

токсического действия.

Как правило, в основе токсического действия лежат химические реакции токсиканта с определенным структурным элементом биологической системы.

В настоящее время классы биологических молекул и молекулярных комплексов, рассматриваются лишь как вероятные рецепторы (мишени) действия токсикантов. Однако рассмотрение их в этом плане вполне правомочно, поскольку в основе действия некоторых хорошо изученных токсикантов лежит взаимодействие с представителями именно этих классов биомолекул.

Определение понятия «рецептор» в токсикологии. Любой структурный элемент биологической системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант называется рецептором или мишенью. Термин «рецептор» был предложен в 1913 году Паулем Эрлихом.

В биологии термин «рецептор» в основном используется для обозначения структур, принимающих непосредственное участие в восприятии и передаче биологических сигналов, и способных избирательно связывать помимо нейромедиаторов, гормонов, субстратов и чужеродные соединения.

В токсикологии в настоящее время под рецептором понимают участки относительно специфического связывания на биосубстрате ксенобиотиков (или эндогенных молекул), при условии, что процесс связывания подчиняется закону действующих масс. В качестве рецепторов могут выступать целые молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов или их фрагменты. В отношении фрагмента биомолекулы, которая непосредственно участвует в образовании комплекса с химическим веществом, часто используют термин - «рецепторная область». Например, рецептором оксида углерода и оксида азота в организме является молекула

гемоглобина или другого гемопротеида, а рецепторной областью - ион двухвалентного железа в молекуле белка.

По мере усложнения организмов в процессе эволюционного развития формировались специальные молекулярные комплексы - элементы биологических систем, обладающие высоким сродством к отдельным химическим веществам, выполняющим функции биорегуляторов (гормоны, нейромедиаторы и т.д.).

Рецепторы, строение и свойства которых кодируется с помощью специальных генов или постоянных генных комплексов называются постоянные рецепторы. К числу постоянных рецепторов относятся: Рецепторы нейромедиаторов и гормонов. Как и другие селективные рецепторы, эти рецепторы способны избирательно взаимодействовать и с некоторыми ксенобиотиками (например, фармакологическими препаратами). Ксенобиотики могут при этом выступать как в качестве агонистов, так и антагонистов эндогенных лигандов. В итоге активируется или подавляется определенная биологическая функция, находящаяся под контролем данного рецепторного аппарата; Ферменты - белковые структуры, селективно взаимодействующие с субстратами, превращение которых они катализируют. Ферменты также могут взаимодействовать с чужеродными веществами, которые в этом случае

становятся либо ингибиторами, либо аллостерическими регуляторами их активности; Транспортные белки, которые избирательно связывают эндогенные лиганды определенного строения, осуществляя их депонирование или перенос через различные биологические барьеры. Токсиканты, взаимодействующие с транспортными белками, также выступают либо в качестве их ингибиторов, либо аллостерических регуляторов.

Выделяют еще рецепторы с изменяющейся структурой. К ним относятся основном антитела и антигенсвязывающие рецепторы Т-лимфоцитов. Рецепторы данного типа формируются в клетках предшественниках зрелых клеточных форм вследствие индуцированной внешними воздействиями рекомбинации нескольких генов, контролирующих их синтез.

Спектр энергетических характеристик рецептор-лигандного взаимодействия необыкновенно широк: от формирования слабых, легко разрушающихся связей, до образования необратимых комплексов. Характер взаимодействия и структура сформировавшегося комплекса зависят не только от строения ксенобиотика, конформации рецептора, но и от pH, ионной силы и других свойств среды. В соответствии с законом действующих масс, количество образовавшихся комплексов вещество-рецептор определяется энергией взаимодействия (сродством) и содержанием обоих компонентов реакции (вещества и рецептора к нему) в биологической системе.

Рецепторы могут быть «немыми» и активными. «Немой» рецептор - это структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции (например,

связывание мышьяка белками, входящими, например, в состав таких производных кожи, как волосы, ногти, когти, копытный рог).

Активный рецептор - это структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с токсикантом инициирует токсический процесс. Для обозначения структурных элементов, взаимодействуя с которыми токсикант инициирует токсический процесс, вместо термина «рецептор», часто используют термин «структура-мишень». Токсическое действие вещества выражено тем сильнее, чем большее количество активных рецепторов (структур-мишеней) вступило во взаимодействие с токсикантом.

Чем меньшее количество токсиканта связывается с «немыми» рецепторами, чем эффективнее оно действует на активный рецептор (структуру-мишень) и чем большее значение имеет рецептор и повреждаемая биологическая система для поддержания гомеостаза целостного организма тем выше токсичность вещества.

Одним из фундаментальных положений токсикологии, доказанным многочисленными исследованиями является тот факт, что любая клетка, ткань, орган содержат огромное количество потенциальных рецепторов различных типов, с которыми могут вступить во взаимодействие лиганды. Связывание лиганда (как эндогенного вещества, так и ксенобиотика) на рецепторе данного типа является избирательным лишь в определенном диапазоне концентраций. Увеличение концентрации лиганда в биосистеме приводит к расширению спектра типов рецепторов, с которыми он вступает во взаимодействие, а следовательно, изменению его биологической активности.

Основными мишенями (рецепторами) токсического действия могут быть: структурные элементы межклеточного пространства, структурные элементы клеток организма, а также структурные элементы систем регуляции клеточной активности.

Действие токсикантов на элементы межклеточного пространства. Каждая клетка организма окружена водной средой - интерстициальной или

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.

pH-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 pH интерстициальной жидкости может быть также следствием вторичных токсических эффек

тов и развиваться вследствие нарушения биоэнергетических процессов, гемодинамики (метаболический ацидоз или алкалоз), внешнего дыхания (газовый ацидоз или алкалоз). В тяжелых случаях нормализовать pH 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 триокрезилфос- фатом (ТОКФ) карбоксилэстераз плазмы крови, разрушающих фосфорорганические соединеня (ФОС), приводит к существенному повышению токсичности последних.

Нарушение осмотического давления. Существенные нарушения осмотического 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. Структурными 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

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, -NH2, -OH, SH-группами аминокислот, образующих белки. Многочисленные токсиканты, связывающиеся с SH-группами, называются тиоло- выми 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 реакций, типа: АВоА+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

же организма связывание Н202 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 химическими веществами представлены в таблице 6.

Усиление каталитической активности. Усиление синтеза ферментов может быть вызвано поступлением в организм токсикантов-индукторов.

Таблица 6

Механизмы изменения каталитической активности ферментов в условиях

действия токсикантов

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 микросо- мах 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 аль- долазы мышечной ткани крыс он составляет около 20 дней, для каталазы - 1

день, для триптофанпирролазы печени всего 2 часа. В процессе разрушения ферментов принимают участие протеазы и эндопептидазы. Разрушение ко- роткоживущих белков осуществляется также ферментами комплекса Гольджи. Ингибиторами разрушения ферментов (и других белков) являются ингибиторы протеаз и пептидаз. К их числу, относятся некоторые карбамоил- фосфаты 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 лизосо- мальных ферментов, вызывающих, при выходе в цитоплазму, аутолиз клеток. Посредством такого механизма действуют на организм многочисленные вещества, например, CCl4.