3.2. Взаимодействие токсических веществ с ферментами

Большинство токсических веществ взаимодействуют с рецеп­тором за счет легко разрушающихся ионных, водородных, ван-дер-ваальсовых связей, что способствует их успешному отделению и удалению из организма. Силы Ван-дер-Ваальса слабее ковалентных сил, но проявляются на больших расстояниях. Количество токсических веществ, способных образовывать прочные ковалент-ные связи, невелико. К ним, в частности, относятся соединения мышьяка, ртути, сурьмы, фосфорорганические инсектициды.

Типичным примером подавления активности ферментов путем прямого взаимодействия с ними яда является действие антихолин-эстеразных соединений. К этой группе ядов относятся многочис­ленные фосфорорганические ингибиторы холинэстеразы, легко вступающие во взаимодействие с серином, входящим в состав ак­тивного центра фермента. Связь фермента с ядом медленно разру­шается, и фермент перестает функционировать. Это ведет к на­коплению физиологического ацетилхолина. Ацетилхолинэстераза способствует быстрому разрушению ацетилхолина — одного из основных медиаторов у позвоночных животных, способствующих проведению нервного импульса через синаптическое простран­ство между синаптическим пузырьком на кончике аксона одного нейрона и началом дендрита или телом другого нейрона. Накоп­ление ацетилхолина приводит к сильнейшему отравлению.

Другим примером прямого воздействия токсических веществ на ферментные системы является блокирование входящих в них атомов металлов. Широко известно ингибирование цианидами, сероводородом, оксидом углерода цитохромных систем путем вза­имодействия с железом их простетической группы. Цитохромы —группа железосодержащих белков, присутствующих во всех аэроб­ных клетках и играющих важную роль в клеточном дыхании. В состав цитохромов входят железопорфириновые простетические группы, подобные гему в гемоглобине. В цитохромах различают четыре типа гемов, обозначаемых буквами а, Ь, с и d. Кроме того, цитохромы отличаются друг от друга по своим белкам, способу присоединения тема к белкам. С кислородом реагирует лишь пос­ледний цитохром дыхательной цепи — цитохромоксидаза. Это единственный цитохром, обладающий каталитическими свой­ствами. Другие цитохромы не являются ферментами. Цитохром­оксидаза локализована во внутренней мембране митохондрий и осуществляет быстрое окисление цитохрома молекулярным О2. Под действием токсикантов происходит подавление активности цитохромоксидазы. Эта группа ядов вызывает также нарушение окислительных реакций, протекающих в мембранах эндоплазма-тической сети с участием цитохрома Р 450. Его комплекс с СО имеет максимум поглощения при длине волны 450 нм. Актив­ность цитохрома /М50 подавляется цианидами и оксидом углеро­да. Блокирование его активности ядами нарушает функциониро­вание микросомальных ферментов. Микросомы — это морфоло­гически замкнутые пузырьки эндоплазматической сети клетки. В микросомах содержатся активные оксигеназы — ферменты, непосредственно присоединяющие кислород к различным суб­стратам.

Распространенным путем подавления активности ферментных систем ядами является взаимодействие их с функциональными груп­пами, блокада или разрушение которых приводит к утрате либо снижению активности фермента. К числу таких группировок от­носятся: а) функциональные группы активного центра, участвую­щие в образовании связи между ферментом и субстратом или ко-ферментом; б) группы, катализирующие превращение и распад фермент-субстратного комплекса; в) группы вне активного центра, блокада которых вызывает падение активности фермента за счет конформационных изменений его белковой молекулы; г) группы регуляторного центра ферментной системы, взаимодействую­щие с продуктами ферментной реакции. К таким ядам относят­ся соединения мышьяка, вступающие во взаимодействие с тиоловыми и дитиоловыми группами в составе ферментов. Число таких тиоловых ферментов достигает более 100 наименований. В реакции с функциональными группами ферментов вступают также многие тяжелые металлы, их соли, оксиды, металлоорганические соединения (соединения ртути, кадмия, ванадия), йод, пе-роксид водорода, озон, диоксид азота, йодацетат, хлорэтиламины, акриламид, фосген, хлорпикрин и др.

Многие фторорганические соединения, в частности фторацетат, сами по себе практически нетоксичные, попадая в организм, вступают во взаимодействие с коэнзимом А, образуя фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется с щавелево-уксусной кис­лотой, образуя сильный яд — фторлимонную кислоту. Под ее дей­ствием в тканях накапливается лимонная кислота и нарушается цикл Кребса.

Нарушение ферментативной активности может явиться след­ствием косвенного действия ядов на ферменты. Токсичный агент, не воздействуя непосредственно на фермент, изменяет его актив­ность, связывая природные активаторы и ингибиторы, взаимодей­ствуя с субстратом, тормозя или активируя процессы синтеза и распада фермента. По такому пути действуют комплексообразова-тели, связывая в организме металлы, играющие роль активаторов ряда ферментных систем. Фториды связывают кальций и магний, необходимые для нормального функционирования ферментов уг­леводно-фосфатного обмена.

Торможение синтеза ферментов может быть вызвано вещества­ми, блокирующими синтез белка (актиномицин Д пуромицин).

Активация ферментных систем часто бывает обусловлена тор­можением химическими веществами скорости их распада. Барбит­ураты тормозят скорость распада микросомальных ферментов и тем самым повышают их активность.

Динитрофенолы, динитроортокрезол, пентахлорфенол, ДДТ, севин повреждают внутриклеточные структуры, вызывая набуха­ние митохондрий, изменяя проницаемость митохондриальной мембраны, разобщая дыхание и фосфорилирование.

Примером косвенного влияния химических веществ на фер­ментативную активность является избирательное повреждение ядами желез внутренней секреции, вырабатывающих гормоны, что приводит к нарушению гормональной регуляции фермента­тивной активности. Тормозящее действие на выработку тирокси­на щитовидной железой оказывают пестициды ТМТД, тиомоче-вина, а также перхлорат аммония и др.

В ряде случаев в основе механизма действия яда лежат реакции с неферментными структурами. К ним относятся взаимодействия с функциональными группами структурных белков биологических мембран, нуклеиновыми компонентами внутриклеточных струк­тур, биологически активными веществами неферментной приро­ды. Так действует оксид углерода, вызывая гипоксию.

Усилению токсичности вещества способствуют замыкание цепи углеродных атомов, введение галогенов в молекулу органи­ческого соединения, введение в молекулу нитро- (NO2), нитро-зо- (NO) и аминогрупп (NH2) двойных связей. Соединения с нормальной углеродной связью более токсичны по сравнению со своими разветвленными изомерами. Силу действия соединения ослабляет введение в молекулу гидроксильной группы, резко ос­лабляет токсичность ацетилирование и карбоксилирование. Пер­вые члены гомологического ряда предельных углеводородов (ме­тан) более токсичны, чем последующие. Большей токсичностью обладают параизомеры, меньшей - мета- и еще меньшей - oртоизомеры.

Наркотическое действие спиртов жирного ряда возрастает в го­мологическом ряду с увеличением числа атомов углерода с возра­станием молекулярной массы (правило Ричардсона).