2.4. Специфическое и неспецифическое действие ядов

Типы токсического действия ксенобиотиков весьма разнообразны. В этом отношении каждая группа соединений и даже каждое индивидуальное вещество имеют свою собственную характеристику. Однако в самых общих чертах все чужеродные для организма соединения по характеру их биологического действия разделяют на две категории в зависимости от поведения веществ в биофазах [22].

С одной стороны, инертные соединения, выделяющиеся из организма в неизменном виде или претерпевающие в нем достаточно медленные превращения, как правило, оказывают неспецифическое или, по определению Н.В. Лазарева, неэлектролитное действие, основной чертой которого является общее угнетение функций, присущих живому организму. Это действие известно под разными терминами (наркотическое, физическое, структурно-неспецифическое и т.п.). Однотипные физиологические эффекты могут вызывать разные по химической природе вещества. Такие вещества в большинстве своем являются неэлектролитами. Их вмешательство в процессы жизнедеятельности клетки основано на слабых межмолекулярных взаимодействиях с молекулами биосубстрата.

С другой стороны, многие вещества обладают способностью оказывать специфическое действие, являющееся результатом определенных, но индивидуальных для разных соединений химических реакций с компонентами биологических фаз. Специфически действующие вещества всегда претерпевают в организме превращения. Проявление специфического действия обусловлено определенной химической структурой вещества. Наиболее избирательное действие яда проявляется при включении его в процессы обмена веществ вследствие структурного сходства с тем или иным метаболитом. В таких случаях взаимодействие яда с биологической структурой протекает по типу «ключ к замку». Проявлением высокой специфичности действия химических веществ является их выраженная избирательность при первичном взаимодействии яда с биохимическими компонентами клетки.

В большинстве случаев воздействия на организм ксенобиотиков имеет место комбинация неэлектролитного и специфического действия.

Неэлектролитное действие свойственно огромному количеству веществ по отношению к самым разнообразным объектам как животного, так и растительного происхождения. Оно является одним из наиболее универсальных явлений Природы. Однако неэлектролитные эффекты при малых концентрациях вещества, их вызывающего, могут быть скрыты специфическим действием веществ. При этом они в явном виде не выявляются или не успевают выявиться в силу быстрого наступающего характерного отравления. И, в обратном случае, при малых концентрациях ксенобиотиков, обладающих специфическим действием, неспецифическое действие неэлектролитов может быть определяющим.

2.5. Зависимость токсических эффектов от химического

состава и строения вещества

Взаимосвязь между составом химических соединений, их строением, химическими и физико-химическими свойствами веществ, с одной стороны, и токсическим действием как частного случая биологической активности  с другой, является одной из основ токсикологии как науки, определяющей возможность прогнозирования механизма и степени воздействия разнообразных ксенобиотиков на организм. Схема, отражающая в самом общем виде связь химического состава и строения веществ с биологической активностью, представлена на рис. 6 [22]:

Схема отражает связи, существующие между физическими и химическими характеристиками веществ и их биологическим действием, а также направленность этих связей, показывающих, что:

• химическая активность вещества зависит от его состава и строения и в той или иной степени определяется его физико-химическими свойствами;

• химическая активность может прямо влиять на его биологическую активность в случае химического реагирования вещества с достаточным количеством биологически важных биомолекул за счет ковалентных или иных взаимодействий;

• биологическая активность в значительной степени определяется физико-химическими свойствами вещества и прежде всего их растворимостью в биосредах (липоидах, жировой ткани, крови, воде);

• в проявлении биологической активности могут оказаться определяющими химический состав и строение (в случае стерического соответствия структуры и т.д.).

Зависимость токсического действия органических соединений от их состава и строения носит функциональный характер и определяется их растворимостью в биосредах. Между строением органических соединений и их токсичностью проявляются следующие закономерности [15], [22].

• Первые члены многих гомологических рядов, которые считаются производными метана, обладают более сильным общим токсическим или специфическим действием, чем последующие. Например, муравьиная кислота, формальдегид, метанол значительно токсичнее, чем, соответственно, уксусная кислота, ацетальдегид и этанол.

• Введение в молекулу нитро (NO₂–), нитрозо (NO–) или амино (NH₂–) групп резко усиливает токсические свойства соединения. Особенно высока токсичность нитро- и аминопроизводных ароматических углеводородов. Прямой зависимости между силой действия и количеством нитро- или аминогрупп нет. Например, для нитрозосоединений жирного и ароматического ряда, где нитро- или нитрозогруппа связана с углеродом, а также для ароматических аминов характерно действие на центральную нервную систему и метгемоглобинообразование.

• Наличие карбоксильной группы или ацетилирование резко уменьшает токсичность, так как введение полярной группы увеличивает гидрофильность молекулы и потому меньше накапливается вещества в клетке. Например, ацетанилид (C₆H₅NHCOCH₃), фенил-глицин (C₆H₅NHCH₂COOH), сульфаниловая кислота (C₆H₄NH₂SO₂OH) практически не токсичны.

• На силу действия органических соединений заметно влияет изомерия положения в молекуле заменяющих радикалов. Чаще всего токсичность ослабевает при переходе от пара-изомеров к мета-изомерам и затем к орто-изомерам. Например, изомеры нитроанилина, нитротолуола, нитрофенола, хлорфенола и толуидина по проявлению токсического действия соответствуют данному расположению.

Ряд веществ проявляют обратный характер (орто-изомер трикрезилфосфата относится к сильным нервным, паралитическим ядам, а мета- и пара-трикрезилфосфаты малотоксичны; орто-нитробензальдегид и орто-оксибензальдегид токсичнее своих пара-изомеров).

В некоторых случаях отмечаются и качественные различия (орто- и пара-крезол преимущественно действуют на сердце, а мета-крезол – в основном на вазомоторы).

• Оптические изомеры в некоторых случаях тоже различаются по силе действия. Определенное значение имеет и молекулярная симметрия. Обычно симметрично построенные соединения более токсичны, чем несимметричные. Например, симметричный дихлор-этан приблизительно вдвое токсичнее несимметричного, симметричный дихлорметиловый эфир токсичнее своего несимметричного изомера.

Функциональный характер токсического действия ряда органических соединений определяется средой, в которой учитываются концентрации вещества. В зависимости от среды, в которой учитываются концентрации вещества, установлены следующие закономерности [15], [22].

• При оценке проявления токсичности в зависимости от концентрации в воздухе при замыкании кольца углеродных атомов, переходе от полиметиленового кольца к ароматическому, с введением в молекулу углеводорода одного гидроксила, введением кратных связей, введением галогена сила неэлектролитного действия возрастает.

• В зависимости от концентрации в водных растворах крови с введением в молекулу углеводорода галогена сила неэлектролитного действия почти не изменяется, в остальных перечисленных выше случаях – уменьшается.

• Возрастание наркотического действия с увеличением числа атомов углерода в гомологическом ряду (правило Ричардсона) и ослабление силы неэлектролитного действия с разветвлением цепи углеродных атомов остаются одинаковыми независимо от среды, в которой учитываются концентрации вещества.

Функциональный характер зависимости токсического действия органических соединений от их состава и строения имеет прогнозирующее значение при качественном определении их воздействия на организм. Количественно выражаемые зависимости, являющиеся конкретной основой расчетных методов определения токсичности, включают дополнительно целый ряд других различных факторов. Основные понятия определения количественных зависимостей токсического действия органических соединений рассматриваются в главе 4.

Неорганические соединения в биосредах проявляют более сложный характер, чем органические яды [7]. Они взаимодействуют с чувствительными к ним системами в биологических тканях неспецифично. На токсичность неорганических соединений оказывают влияние ряд факторов: доза, общие свойства соединения, способность биологической системы абсорбировать и транспортировать соединение к биологическим структурам, способность соединения к биотрансформации в более или менее токсичные формы, способность соединения взаимодействовать с макромолекулами, эффективность гомеостатических механизмов регулирования их концентрации в биосредах.

Общие свойства неорганических соединений, связанные с токсичностью, определяются:

• физическими и химическими свойствами входящих в их состав элементов, свойства которых зависят от их положения в Периодической системе химических элементов;

• электрохимическими характеристиками среды и атомов элементов в соединении (электроотрицательностью, стандартным потенциалом, степенью окисления атомов, рН);

• размером частиц соединения (особенно при ингаляционной токсикации);

• растворимостью, устойчивостью соединения в жидких биосредах и степенью гидратации образующихся ионов;

• способностью подвергаться гидролизу в биосредах, растворимостью и реакционной способностью продуктов гидролиза;

• агрегативной устойчивостью в тканях (способностью соединения существовать в коллоидном или твердом состоянии, образовывать хелатные комплексные соединения).

Из электрохимических характеристик неорганических веществ, связанных с токсичностью, определяющими являются степень окисления атомов элементов соединения и скорость, с которой неорганический ион подвергается в биосредах окислению и восстановлению. Зависимость токсичности неорганического соединения от этих факторов количественно описывается диаграммой рН-потенциал [7]. Диаграммы рН-потенциал суммируют химические свойства водных растворов неорганических соединений и показывают, какие частицы термодинамически устойчивы при данных значениях рН и окислительно-восстановительного потенциала среды . Графики зависимости от рН, описываемые уравнением Нернста при 37 ^оС (310К) и равных активностях окисленной (Ох) и восстановленной (Red) форм атомов элемента

,

где  равновесный потенциал, В;  стандартный потенциал, В; m – число ионов Н⁺; n – число электронов, представляют собой прямые линии с наклоном . Эти прямые соответствуют равновесному состоянию рассматриваемой редокс-системы при различных значениях рН. Если в этих же координатах ( , рН) провести вертикальные прямые при рН, равных рК кислотной ионизации соответствующих протонированных форм, то набор линий разделит диаграмму на области, где активная концентрация данной формы является преобладающей. При этом каждая химическая форма атомов элемента занимает область с определенными значениями и рН. Эта область называется областью существования (преобладания), или областью устойчивости соединения (рис. 7).

Предельные значения потенциалов для водных растворов при 37 ^оС (310К), определяемые двумя полуреакциями:

2H₂O – 4e  O₂ + 4H⁺ = 1,22 – 0,06 pH ,

2H₂O + 2e  H₂ + 2OH ^– = 0,00 – 0,06 pH ,

ограничивают область существования воды, а следовательно, и область существования жидких биосред. Жидкие биосреды характеризуются значениями рН от 0 до 8 (для крови рН = 7,4; в жидкостях желудочно-кишечного тракта рН изменяется от 1,0 до 6,0 в желудке, а в кишечнике составляет в среднем 6,8 и при некоторых условиях может возрастать выше 7,0). Вследствие многообразия и сложности окислительно-восстановительных процессов в тканевых средах отдельные их участки обнаруживают значительную разницу значений потенциалов, но все они соответствуют области существования воды.

Неорганическое соединение при потенциалах и рН, не соответствующих области его устойчивости, переходит в другую, более устойчивую при этих условиях форму.

Например, область существования галогенид-ионов (Hal^— : F^–, Cl^–, Br ^–, I^–) совпадает с областью существования крови (рН = 7,4). Поэтому галогенид-ионы устойчивы в крови и в концентрациях, характерных для организма, проявляют биологическую активность, не связанную с токсичностью. В то же время молекулярные формы галогенов (Hal₂: F₂, Cl₂, Br₂, I₂) устойчивы при более высоких значениях и не устойчивы при потенциалах крови, соответствующих рН = 7,4 (рис. 7) [7]. Поэтому, попадая в кровь, они вступают в химические реакции с биогенными соединениями, характеризующимися менее положительными потенциалами. При этом галогены переходят в форму, устойчивую соответствующим и рН крови, и равновесие

H al₂ + 2е 2Hal ^–

сильно смещается вправо. Эти процессы приводят к нарушению метаболических путей и к накоплению побочных продуктов. Вследствие этого молекулярные формы галогенов проявляют значительную токсичность.

Растворимость неорганических соединений в воде и липидах оказывает значительное влияние на их биологическую активность и токсичность. По механизму проявления токсического действия неорганические соединения подразделяют на три группы [17]:

• металлсодержащие частицы;

• водорастворимые соединения;

• жирорастворимые соединения.

Для растворимых токсичных неорганических соединений аномальные эффекты проявляются в большей степени, чем для малорастворимых или практически нерастворимых соединений.

Фагоцитоз (захват клетками) металлсодержащих частиц совершенно отличается от пути вхождения растворимого металлоиона, оказывающего цитотоксичное и канцерогенное действие.

Для водорастворимых неорганических соединений катионная проницаемость клеточных мембран обусловлена природой катиона и структурой клеточных мембран. Структура клеточных мембран зависит от концентрации ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Токсичные ионы могут взаимодействовать с мембраной электростатически, особенно с фосфолипидной частью. Ионы Cu²⁺, Ag⁺ и Hg²⁺ прочно связываются с тиолигандами в белковой составляющей. Происходящие при этом конформационные изменения оказывают большое влияние на функционирование этих мембран. В общем случае двухвалентные катионы уплотняют мембраны и снижают их проницаемость, тогда как одновалентные катионы вызывают изменения в структуре, способствующие увеличению ее проницаемости.

В зависимости от природы аниона токсичность водорастворимых неорганических соединений коррелирует с их растворимостью – с понижением растворимости токсичность соединений уменьшается. По растворимости в воде различные неорганические соединения располагаются в следующий ряд:

нитраты  хлориды  бромиды  ацетаты  йодиды 

 перхлораты  сульфаты фосфаты  карбонаты  фториды 

 гидроксиды  оксиды.

Жирорастворимые соединения металлов (карбонил никеля Ni(CO)₄, карбонил железа Fe(CO)₅ и др.) легко входят в клетки, проявляя высокую токсичность.

Токсичность растворимых металлсодержащих соединений обычно маскирует их потенциальную канцерогенную опасность. Хроническое действие субтоксических доз таких соединений может вызывать канцерогенез даже в отсутствие явной токсичности.

Гидролиз растворимых солей в биосредах оказывает существенное значение на проявление токсических эффектов.

При значениях рН, характерных для биологических сред, соли металлов IA и IIA групп Периодической таблицы элементов ионизируются и в биологических средах содержатся в форме гидратированных ионов (при этом катионы, как правило, не гидролизованы). Растворимые соли элементов IIIA-VA групп подвергаются гидролизу до малорастворимых или практически нерастворимых гидроксидов или основных солей в зависимости от рН среды. Образующийся при гидролизе избыток ионов оксония Н₃О⁺ может вызвать ацидоз. Гидролиза по катиону металла не происходит, если имет место комплексообразование с биогенными лигандами, например белками плазмы. При этом токсичность неорганического соединения снижается. Если образуются малорастворимые основные соли или гидроксиды, то они находятся в кроветоке в течение длительного времени, пока не произойдет их выведение путем фагоцитоза. При этом вследствие возможной ионизации продуктов гидролиза происходит пролонгирование токсического действия.

Токсичность неорганических веществ в значительной степени обусловлена устойчивостью образуемых ими с биохимическими структурами комплексных соединений.

Основное положение теории жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО) гласит, что наиболее устойчивые соединения (комплексы) образуются между жесткой кислотой (ЖК) и жестким основанием (ЖО) или мягкой кислотой (МК) и мягким основанием (МО) [23]:

Ж К + ЖО  комплексы наибольшей

МК + МО  прочности

В жидких биосредах катионы токсичных металлов действуют как кислоты Льюиса [7]. К жестким кислотам относятся катионы IA-IVA групп, а также катионы некоторых d-элементов, имеющие высокосимметричное плотное электронное облако, которое слабо поляризуется под действием внешнего электрического поля анионов.

К мягким кислотам относятся катионы d-элементов с невысоким положительным зарядом. Электронная оболочка мягких кислот имеет большие размеры и легко поляризуется.

Отдельные d– и p–элементы занимают промежуточное положение.

Лиганды, содержащие атомы элементов с высокой электроотрицательностью, например F ^– , являются жесткими основаниями. Легко поляризуемые лиганды, например I ^–, R–S ^–, R–Se^ , относятся к мягким основаниям.

В соответствии с теорией ЖМКО мягкие кислоты Pb²⁺, Hg²⁺, Hg₂²⁺, Cd²⁺, Tl⁺ образуют в биосредах наиболее прочные связи с мягкими основаниями –SH и –SR. В связи с этим инактивация тиол-содержащих ферментов ионами этих тяжелых металлов протекает необратимо. Более жесткая кислота Mn²⁺ не инактивирует серо- и селензависимые ферменты.

На основании теории ЖМКО устанавливают прочность связей металл-лиганд в случаях, когда в роли лиганда выступает макромолекула, связанная с металлом по нескольким донорным группам, образуя хелатные комплексы. Согласно теории ЖМКО, уменьшение радиуса и увеличение заряда иона способствует хелатированию. В соответствии с этим неорганические ионы могут быть расположены в следующий ряд по увеличению способности к комплексообразованию:

K⁺<Na⁺<Li⁺<Ca²⁺<Mg²⁺<Mn²⁺<Fe²⁺<Co²⁺<Ni²⁺<Cu²⁺<Fe³⁺<Cd²⁺< < Z n²⁺<Pb²⁺<Al³⁺<Hg²⁺.

Хелаты металлов значительно устойчивее, чем обычные комплексы тех же металлов с лигандами, содержащими только одну донорную группу (монодентантные лиганды). Устойчивость, связанная с хелатным эффектом, зависит от электроотрицательности атомов, жесткости и мягкости доноров и акцепторов.

Токсичные неорганические ионы конкурируют с ионами необходимых элементов за связывание с хелатирующим агентом. Образуя прочные и необратимые связи, они мешают нормальному функционированию этих хелатов. Например, замещение в порфиновом кольце железа на Mn²⁺ или Co²⁺, в карбоангидразе цинка на Hg²⁺ резко изменяет функции нативных макромолекул.

К наиболее важным биологическим структурам, подвергаемым воздействию токсичных ионов неорганических соединений, относятся белки и нуклеиновые кислоты.

Действие токсичных неорганических ядов на металлопротеины и белки, активируемые металлами, различно. В первом случае связь металла с белками очень прочная, и замена исходного металла на токсичный ион приводит к потере активности. Например, замена цинка в карбоангидразе (КА) на ртуть приводит к полной потере активности металлопротеина:

ZnKA + Hg²⁺  HgKA + Zn²⁺

У ферментов, активируемых металлами, специфичность к иону металлов значительно ниже. Некоторые ионы (Cd²⁺, Ni²⁺, Co²⁺) могут быть ингибиторами, тогда как другие (Mg²⁺, Mn²⁺) проявляют каталитический эффект (например, в АТФ-гидролазе).

Комплексообразование токсичных неорганических ионов с нуклеиновыми кислотами может протекать по типу обычной координации или путем образования хелатов. При хелатировании в образовании координационной связи участвуют два атома азота или атом азота и фосфат. Фосфат является наиболее сильной донорной группой для ионов ряда переходных и большинства щелочно-земельных элементов. У меди наибольшее сродство к азоту нуклеиновых оснований. Ионы уранила в основном взаимодействуют с рибозой. Устойчивость комплексов ДНК с Cu²⁺, Cd²⁺ и Fe²⁺ такая же, как и у комплексов этих же металлов с АМФ, но меньше, чем с АТФ. Устойчивость комплексов возрастает с увеличением числа фосфатных групп. Сродство Hg²⁺ к основаниям уменьшается в ряду [7]:

тимидин > цитидин > аденозин > гуанозин.