1.12. Цитогенетическое, тератогенное и бластомогенное действие ядов

Развитие молекулярной биологии и патологии, рассматривающей заболевания на молекулярном уровне нарушений генных и субклеточных структур, расширяет также задачи и возможности токсикологии. Важное значение приобретают вопросы радиационной и химической генетики (токсикогенетики), тератогенного и бластомогенного действия токсических веществ. Приведем некоторые данные структуры и функций субклеточных образований, необходимые для понимания принципов токсикогенетики.

Наиболее важной составной частью клеточного ядра является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которая соединена с белком гистоном и образует комплекс ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). ДНП входит в состав ядерного белка хроматина, из которого образуются хромосомы как аппарат клеточного деления.

ДНК состоит из 4 нуклеотидов (мономеров). Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из фосфорной кислоты, углевода — дезоксирибозы и одного из четырех азотистых оснований: пуриновых оснований — А (аденина) и Г (гуанина) и пиримидиновых оснований — Т (тимина) и Ц (цитозина). Нуклеотиды соединены друг с другом в длинную спиральную нить, а ДНК в целом состоит из двух спиральных нитей, соединенных друг с другом водородными свя­зями оснований (рис. 10). Молекулярная масса ДНК достигает 10 млн. дальтон и более.

28

Рис. 10. Схема участка двухспиральной цепи ДНК.

В настоящее время можно считать установленным, что ДНК является основным но­сителем наследственных признаков (ген), которые как буквами алфавита закодированы в ДНК путем определенного сочетания азотистых оснований (А, Г, Т, Ц).

Одним из замечательных свойств ДНК является способность к репликации, то есть воспроизведению второй спирали ДНК, абсолютно идентичной исходной, несущей те же генетические признаки организма. Синтез ДНК происходит в период интерфазы жизненного цикла клетки, точнее в фазе S (синтетической фазе), с помощью фермента ДНК-полимеразы из нуклеотид-трифосфатидов. Во время митоза при расщеплении хромосом в каждую из вновь образующихся клеток попадает ДНК со всеми закодированными признаками.

Вторым замечательным свойством ДНК является способность «строить» (синтезировать) РНК (рибонуклеиновую кислоту), которая обеспечивает синтез специфических белков и ферментов а значит, обеспечивает специфические функции клеток и тканей и их морфообразование (формирование клеток, тканей и органов). «Выдача» соответствующих РНК и синтез необходимых ферментов и белков регулируются генами «регуляторами» и «операторами».

РНК также представляет собой спиралеобразную цепочку, состоящую из нуклеотидов, но отличается от ДНК:

1) в состав РНК в качестве углевода входит рибоза, а не дезоксирибоза (отсюда и название рибонуклеиновая кислота);

2) в качестве азотистых оснований в РНК входят А (аденин) Г (гуанин), Ц (цитозин) и У (урацил вместо тимина);

3) молекулярная масса РНК значительно меньше, чем у ДНК (до 1—2 млн.). Синтез РНК происходит в ядре на матрице ДНК, а потом она выходит и находится в цитоплазме клетки

Цитоплазма клетки представляет собой сложный коллоидный раствор различных веществ, в котором находятся структурные органеллы клетки: рибосомы, митохондрии, лизосомы, тельца Гольджи и др.

Рибосомы являются своеобразными химическими лабораториями синтеза белков и ферментов. По современным представлениям, синтез белков осуществляется в рибосомах (полирибосомах) из аминокислот при участии различных видов РНК. В рибосомах имеется р-РНК (рибосомная РНК), которая создает условия для синтеза. В цитоплазме находится m-РНК (матричная, или информационная, РНК), которая содержит полученную от ДНК и закодированную азотистыми основаниями информацию о последовательности аминокислот. В цитоплазме же содержится т-РНК (транспортная РНК), являющаяся «подносчиком» соответствующих аминокислот к рибосомам.

Митохондрии играют роль «энергоустановок», где осуществляются окислительные процессы и окислительное фосфорилирование, то есть образование высокоэнергетичных соединений (АТФ и др.), обеспечивающих организм необходимой энергией.

Лизосомы — это образования, богатые гидролитическими и протеолитическими ферментами, расщепляющими белки, жиры, углеводы.

С точки зрения молекулярной патологии и конечного биологического эффекта в действии химических токсических веществ необходимо различать:

— непосредственное общетоксическое действие яда на биоструктуры и физиологические функции макроорганизма, ведущее к нарушению определенных жизненных функций и отравлению организма;

— токсикогенетическое действие (цитогенетическое), ведущее к нарушениям генетического аппарата соматических и половых клеток, размножения клеток, формирования тканей и органов. Цитогенетическое действие проявляется не только на данные клетки и организм, но и на последующие поколения клеток и ор­ганизмов.

Цитогенетическое действие может проявляться генетическими нарушениями соматических клеток: нарушения митозов, синтеза белков и ферментов, нарушения иммунитета, злокачественное перерождение клеток (бластомогенное действие), нарушение развития эмбриона и плода (тератогенное действие). Цитогенетиче-ские изменения половых клеток могут стать причиной наследственных изменений в последующих поколениях организма.

В настоящее время можно считать установленным, что цитогенетические нарушения вызываются, главным образом, действием химических веществ на элементы ядра — ДНК и хромосомы, а не действием на элементы цитоплазмы.

Мутагенное действие. Действие на ядро и ДНК является причиной различных хромосомных мутаций. Мутации могут быть генные (точковые), обычно связанные с действием яда на азотистые основания, и хромосомные аберрации, связанные с разрывами хромосом и неправильными склейками их (делении, инверсии, транслокации и др.). Причем в организме мутагенные вещества в наибольшей степени проявляют свое действие в отношении тех тканей, в которых происходит усиленное размножение клеток (кроветворная ткань, желудочно-кишечный тракт и т. д.). Имеется некоторое сходство с действием ионизирующей радиации, также оказывающей мутагенное действие на недифференцированные размножающиеся клетки и ткани организма.

Известно большое количество химических мутагенных веществ. Приведем примеры.

1. Аналоги азотистых оснований ДНК (5-бромурацил, 5-бромдезоксиуридин, 2-аминопурин, 6-меркаптопурин и др.). Эти вещества (антиметаболиты) включаются в ДНК вместо соответствующих оснований, что приводит к «ошибке спаривания» нитей ДНК при последующей репликации (соединяются с гуанином вместо тимина и т. д.).

2. Азотистая кислота вызывает окислительное дезаминирование оснований, при этом аденин превращается в гипоксантин, который спаривается с цитозином вместо тимина; цитозин превращается в урацил, который спаривается с аденином вместо гуанина. Кроме этого, азотистая кислота может вызывать разрывы хромосом, выпадения и вставки отдельных участков.

3. Гидроксиламин (NН₂ОН) реагирует с цитозином, который после этого спаривается с аденином вместо тимина.

4. Обширна группа алкилирующих веществ, которые легко присоединяются к нуклеофильным группам биосубстратов, несущим отрицательный заряд (сульфгидрильные, тиоэфирные, фосфатные и др.). К алкилирующим соединениям относятся иприт, азотистый иприт и его аналоги, азасерин, эпоксиды, этиленимины, эфиры кислот, ТиоТЭФ, ß-пропиолактон и др. Алкилирующие элементы могут реагировать с фосфорной кислотой и азотистыми основаниями ДНК, вызывать разрывы ее цепи, депуринизацию (отщепление пуриновых оснований), ошибку спаривания азотистых оснований. Они резко тормозят размножение клеток, оказывают цитостатическое действие, поэтому находят применение в терапии злокачественных новообразований и заболеваний крови.

Некоторые химические вещества и антибиотики включаются в процессы размножения клеток, синтеза ДНК, РНК и ферментов. Актиномицин-Д образует комплекс с ДНК, препятствует синтезу m-РНК и блокирует синтез белков. Мономицин-С блокирует синтез ДНК, оказывает деполимеризующее действие на нее. Стрептомицин соединяется с рибосомами и затрудняет присоединение к ним m-РНК. Колхицин задерживает митозы клеток в стадии профазы.

Многие химические токсические вещества оказывают тератогенное действие на эмбрион и плод у беременных женщин. Широкую известность получила трагедия с талидомидом. Талидомид (контерган) был выпущен в 1958 г. в ФРГ, без достаточной проверки широко рекламировался и быстро распространился в ряде стран как седативное и снотворное средство. Результатом его применения явилась «эпидемия» рождения младенцев с характерными уродствами: фокомелия (недоразвитые конечности), амелия (отсутствие конечностей) и другие тяжелые аномалии. В общей сложности пострадало более 10 тысяч детей. Известны десятки лекарственных веществ, оказывающих тератогенное действие на беременных женщин (все алкилирующие агенты, аминазин, аминоптерин, 6-меркаптопурин, толбутамид, актиномицин колхицин и др.).

К бластомогенным (канцерогенным) веществам относятся полициклические углеводороды (3—4-бензпирен и др.), ароматические амины и анилиновые красители, иприты, некоторые неорганические соединения (хрома, никеля, селена) и др. Причем тератогенное и бластомогенное действие проявляется при таких малых, но длительно применяющихся (или даже при однократном применении) дозах, которые не вызывают клинических признаков отравления организма. Механизмы их действия еще недостаточно изучены, но, очевидно, они, как и все мутагенные вещества, вызывают генетические нарушения клеточного ядра, синтеза РНК и морфогенных ферментных систем.

Рис. 11. Схема цитогенетического действия ядовитых веществ и ионизирующей радиации.

Краткое ознакомление с проблемами токсикогенетики приводит к выводу о необходимости специальных исследований токсических и лекарственных веществ с целью изучения их мутагенного, тератогенного и бластомогенного действия (рис. 11).

С другой стороны, генетически обусловленные особенности обмена веществ во многом определяют индивидуальную чувствительность животных и человека к химическим соединениям и ве­ществам. Например, известно, что собаки и кролики мало чувствительны к атропину. Это объясняется тем, что у этих животных отмечается высокая активность фермента атропиназы, которая быстро разрушает данное вещество.

В этом отношении представляет интерес развитие фармакогенетики. В отличие от токсикогенетики, изучающей влияние химических веществ на генетику соматических и половых клеток, фармакогенетика изучает влияние генетически обусловленных особенностей активности ферментов и обмена веществ на индивидуальную чувствительность человека к лекарственным средствам и ядам (Е. Г. Ильин, 1984; Scholz, 1967).

Например, встречаются случаи повышенной чувствительности к миорелаксанту дитиллину, ведущие к осложнениям в виде длительного трудно восстанавливаемого нарушения дыхания. Анализы показали, что причиной этого является генетически обусловленное снижение активности фермента холинэстеразы. Этот признак является рецессивным, около 25% людей гетерозиготны по данному признаку, а около 0,05% людей являются дитиллиночувствительными (Scholz, 1967). Аналогичными нарушениями синтеза ферментов объясняется наличие лиц, «медленно выделяющих» изониазид (противотуберкулезное средство), имеющих повышенную чувствительность к наркотикам, антикоагулянтам, метгемоглобинообразующим веществам и т. д.