Лекция 5. Основные закономерности воздействия токсикантов на живые системы на клеточном и организменном уровнях организации живой материи
ВОПРОСЫ 1. Общие закономерности 2. Свойства молекул токсиканта, определяющие степень токсичности вещества 3. Возможные механизмы взаимодействия токсикантов с рецепторами на клеточном уровне 3.1. Действие молекул токсиканта на элементы межклеточного пространства 3.2. Действие молекул токсикантов на структурные элементы клеток. 4. Основные закономерности воздействия токсикантов на живые системы на уровне организма
1. Общие закономерности "рецептор"В токсикологии термином "рецептор" обозначают любой структурный элемент биологической системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант. Определение токсического процесса. Иногда, вместо термина "рецептор", используют термин "структура-мишень". Фрагмент биомолекулы, которая непосредственно участвует в образовании комплекса с химическим веществом, называется "рецепторная область".
Участки биологических систем, обладающие наивысшим сродством к отдельным биорегуляторам, называются селективными рецепторами. Вещества, взаимодействующие с селективными рецепторами в соответствии с законом действующих масс, называются лигандами селективных рецепторов.
Рецепторы могут быть "немыми" и активными "Немой" рецептор - структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции (например, связывание мышьяка белками, входящими в состав волос, ногтей). Активный рецептор - структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с токсикантом инициирует токсический процесс.
При рассмотрении токсического процесса принимаются постулаты: 1. Токсическое действие вещества выражено тем сильнее, чем большее количество активных рецепторов (структур-мишеней) вступило во взаимодействие с токсикантом; 2. Токсичность вещества тем выше, чем меньшее его количество связывается с "немыми" рецепторами, чем эффективнее оно действует на активный рецептор (структуру-мишень), чем большее значение имеет рецептор и повреждаемая биологическая система для поддержания гомеостаза целостного организма. 3. Увеличение концентрации лиганда в биосистеме приводит к расширению спектра типов рецепторов, с которыми он вступает во взаимодействие, а, следовательно, изменению его биологической активности.
2. Свойства молекул токсиканта, определяющие степень токсичности вещества Молекулярный уровень токсичности вещества определяется: 1. Способностью вещества достичь структуры- мишени, взаимодействие с которой инициирует токсический процесс. 2. Характером и прочностью связи, образующейся между токсикантом и структурой-мишенью. 3. Значением структуры-мишени для поддержания основных функций жизнедеятельности организма.
Размеры молекулы Масса молекулы Раствори- мость Строение вещества Летучесть Изомерия Агрегатное состояние (н.у.) Химическая активность
Размеры молекулы токсиканта Размеры молекулы токсиканта оказывают влияние на его биологическую активность поскольку: а) с увеличением молекулярной массы затрудняется процесс поступления токсиканта в организм и распределения его в органах и тканях. б) с увеличением молекулярной массы увеличивается число возможных изомерных форм молекулы токсиканта и, одновременно, возрастает специфичность их действия. в) с увеличением размеров молекулы возрастает вероятность взаимодействия токсикантов с био субстратом за счет сил Ван- дер-Ваальса.
Геометрия молекулы токсиканта 1. Чем специфичнее взаимодействие вещества и рецептора, тем отчетливее различия в действии изомеров. 2. Если асимметричный атом в молекуле токсиканта занимает ключевую позицию, определяющую во многом его эффект, то различия в действии изомеров, как правило, существенны. 3. Чем жестче конформация рецептора, тем более выражены различия активности, действующих на него изомеров токсиканта. Основные закономерности, определяющие влияние изомерии на токсичность веществ состоят в следующем: Конформация - от латинского conformatio форма, построение, расположение
Физико-химические свойства вещества 1. Растворимость в воде. Схема протонирования анилина и показатели растворимости его форм 2. Растворимость в липидах. Жирорастворимость и водорастворимость - связанные между собой свойства. Чем полярнее молекула вещества, тем лучше она растворяется в воде и хуже - в липидах.
ПРОТОНИРОВАНИЕ, процесс переноса протона с кислоты на профильную частицу (основание): АН-кислота, В-основание Протонирование может происходить как межмолекулярной, так и внутримолекулярной и сопровождаться перемещением кратной связи, образованием цикличной структуры, изменением валентности атома, к которому мигрирует протон, и др. превращениями.
3. Кислотно-основная природа токсиканта. С увеличением рН увеличивается число незаряженных молекул оснований и заряженных анионов кислот. Часто ионизация токсиканта сопровождается усилением его сродства к рецептору, однако одновременно затрудняется прохождение молекулы через биологические барьеры. 4. Стабильность в среде. Биологическое действие токсикант может оказывать лишь при условии его достаточной стабильности в окружающей среде и средах организма. Если вещество нестабильно, то развивающийся эффект связан с воздействием продуктов его превращения. Активные в химическом отношении вещества редко становятся непосредственными причинами общетоксического действия. Эти вещества, либо уже в окружающей среде вступают в химические реакции, превращаясь в более инертные, но относительно стабильные соединения, либо реагируют с покровными тканями организма (кожей, слизистыми), растрачивая свой химический потенциал на их альтерацию (местное действие). 5. Характер химических связей. Большинство высоко токсичных соединений - инертные в химическом отношении молекулы. Сила межмолекулярнойго взаимодействия между токсикантом и биологической молекулой-мишенью действует, как правило, локально.
3. Возможные механизмы взаимодействия токсикантов с рецепторами на клеточном уровне - структурные элементы межклеточного пространства; - структурные элементы клеток организма; - структурные элементы систем регуляции клеточной активности Мишенями (рецепторами) для токсического воздействия могут быть:
3.1. Действие молекул токсиканта на элементы межклеточного пространства Водная среда Свойства межклеточной жидкости Электролитный состав Осмотическое давление Na +, K +, Са 2+, Cl -, HCO 3 - Присутствие белков, анионов и катионов Межклеточная жидкость Многочисленные субстраты для клеточного обмена Продукты метаболизма клеток Молекулы-регуляторы клеточной активности.
Возможны следующие механизмы токсического действия, обусловленные взаимодействием токсиканта с компонентами межклеточной жидкости: Токсикант Межклеточная жидкость Химическое взаимодействие с её структурными элементами. Изменение её физико-химических свойств Реакции со стороны клеток
1. Электролитные эффекты. Нарушение электролитного состава наблюдается при отравлении веществами, способными связывать ионы. 2. рН-эффекты. Интоксикация рядом веществ, несмотря на высокую буферную емкость межклеточной жидкости, может сопровождаться существенным нарушением кислотно-основных свойств внутренней среды организма. 3. 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).
3.2. Действие молекул токсикантов на структурные элементы клеток - белки; - нуклеиновые кислоты; - липидные элементы биомембран; - селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов (гормонов и т.д.). Структурными элементами клеток, с которыми взаимодействуют токсиканты, как правило, являются:
Взаимодействие токсикантов с белками Основные функции белков: Транспортная Структурная Энзиматическая Вещества, денатурирующих белки крепкие щелочи кислоты, окислители ионы тяжелых металлов Подвергаются воздействию СООН -, NH -, OH -, SH - группы аминокислот тиоловые яды ртуть, мышьяк, сурьма, таллий,
Энзимы - это белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Регуляция осуществляется различными механизмами, среди которых основные – поддержание определенного количества энзимов, их специфической активности, изменение биодоступности субстратов и т.д. Пути регуляции ферментативных процессов Механизмы изменения каталитической активности энзимов токсикантами выражаются в усилении или в угнетении каталитической активности энзимов, а так же в изменении их конформации.
Усиление каталитической активности энзимов. Влияние на активность ферментов оказывают вещества, блокирующие процессы их разрушения. Ингибиторами разрушения энзимов (и других белков) являются ингибиторы протеаз или пептидаз. К их числу, относятся некоторые карбамилфосфаты и др. Угнетение каталитической активности энзимов. Снижение активности энзимов при действии токсикантов может быть следствием трех эффектов: подавления процессов синтеза про энзимов и кофакторов, активации разрушения, угнетения специфической активности (рис. на предыдущем слайде).
Выделяют следующие механизмы ингибиторного действия ксенобиотиков на энзимы: 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). б) взаимодействие токсиканта с активным центром не приводит к его метаболизму (стабильные ингибиторы). 2. Неконкурентное ингибирование. В данном случае токсикант взаимодействует с добавочным, центром энзима, изменяя при этом конформацию активного центра и снижая, тем самым, его сродство к субстрату. 3. Связывание метаболически значимых металлов. 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. Особое токсикологическое значение имеют вещества, взаимодействующие с железом, кобальтом, медью, входящими в структуру более сложных простетических групп энзимов
Взаимодействие токсикантов с нуклеиновыми кислотами Механизмы следующие: Химическая модификация нуклеиновых кислот. К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, относятся нитриты, сернистый, азотистый, кислородный иприты, соединения мышьяка и многие другие вещества. Нарушение конформации нуклеиновых кислот. Многие ксенобиотики образуют нековалентные связи с ДНК. При этом меняется конформация макромолекул. ДНК - основной компонент хромосомного аппарата клеток. РНК представлены информационной, транспортной, рибосомальной. Их функция - участие в синтезе белка. Многие ксенобиотики вступают во взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, изменяя их свойства. Рис. Взаимодействие аденозина с ипритом
Важнейшая функция липидов - формирование биологических мембран. Вещества, разрушающие, изменяющие структуру липидов, повреждают биологические мембраны и поэтому называются мембранотоксикантами (спирты, предельные и галогенированные углеводороды, детергенты (ПАВ), а также яды, обладающие фосфолипазной активностью (например, яды змей)). Взаимодействие токсикантов с липидами
4. Основные закономерности воздействия токсикантов на живые системы на уровне организма Местное действие выражается, влиянием раздражающих и прижигающих веществ на кожу, слизистые оболочки дыхательных путей, полости рта, желудка, кишечника. Рефлекторное действие веществ проявляется в результате влияния на окончания центростремительных нервов слизистых оболочек дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта, а также кожи. Действия токсических веществ местное резорбтивное рефлекторное
Но основные патологические изменения возникают в организме в результате резорбтивного действия веществ, их влияния на органы и ткани после всасывания в кровь. Различают яды с политропным действием, влияющие в примерно равной степени на различные органы и ткани, и яды с избирательным влиянием на отдельные системы и органы. Наркотические, снотворные, успокаивающие вещества, влияют преимущественно на нервную систему, хлорированные углеводороды на нервную систему и паренхиматозные органы. К паренхиматозным органам относятся такие органы как печень, селезенка, эндокринные и экзокринные железы, головной мозг и другие.
Развитие токсического процесса Количество яда Свойства яда Индивидуальные особенности организма Состояния среды (температура, влажность, атмосферное давление). Зависимость воздействия токсиканта от его дозы определяется характером кривой «доза – эффект».
На первый взгляд кажется очевидным, что чем большая введена доза, тем больший вред токсикант наносит системе. В общем, это так. Но показатели «доза» и «эффект» не всегда скоррелированы линейно.
Особенности повторного воздействия вредных веществ В случае повторных воздействий вредных веществ на биологический объект, картина возникающих эффектов значительно усложняется. При этом одновременно протекают два процесса: адаптация и кумуляция. Вредное вещество может постепенно накапливаться в организме при повторных воздействиях. Это происходит тогда, когда поступление вещества в организм превышает выведение его из организма. Это явление называется материальной кумуляцией. При этом может происходить нарастание изменений биологического объекта, вызванное повторным воздействием веществ. Такое явление называется функциональной кумуляцией (получается, что материальная кумуляция приводит к функциональной). В этом случае после воздействия вредного вещества не происходит полного восстановления нарушенных функций биологического объекта и в результате накопления незначительных изменений возникает патологический процесс.
Кумуляция определяется коэффициентом кумуляции, представляющим собой отношение величины суммарной дозы вещества, вызывающей определенный эффект (чаще смертельный) у 50% подопытных животных при многократном дробном введении, к величине дозы, вызывающей тот же эффект при однократном воздействии Коэффициент кумуляции, приближающийся к единице, указывает на резко выраженное кумулятивное действие. Если его значение больше 5, то кумулятивное действие слабое. Адаптация к действию химических веществ – это истинное приспособление организма к изменяющимся условиям окружающей среды (особенно химическим), которое происходит без необратимых нарушений данной биологической системы и без превышения нормальных (гомеостатических) способностей ее реагирования.
Комбинированное, комплексное и сочетанное действие Комбинированное действие вредных веществ – это одновременное или последовательное действие на организм нескольких веществ при одном и том же пути поступления. Комбинированное действие веществ может приводить к нескольким случаям (рис.) Варианты эффекта комбинированного действия веществ: 1 – суммация (аддитивность) – явление аддитивных эффектов, индуцированных комбинированным воздействием; 2 – потенцирование (синергизм) – усиление эффекта действия, эффект больше, чем суммация; 3 – антагонизм – эффект комбинированного воздействия, менее ожидаемого при простой суммации.
Формы воздействия токсических веществ в двухкомпонентной системе Форма взаимодействия Эффект Выражение в символах Аддитивное действие Эффект суммы равен сумме эффектов Э(А+В) =ЭА+ЭВ Антагонизм Эффект суммы меньше суммы отдельных эффектов ЭА Э(А + В)< ЭВ Синергизм Эффект суммы больше отдельных эффектов, но меньше суммы эффектов ЭА < Э(А + В)< ЭВ < Э(Э А +Э В ) Сенсибилизация (повышение чувствительности) Эффект суммы больше суммы эффектов Э(А+В)>Э А +Э В