534

Как указано выше, простейшим случаем освобождения организма от яда является его экспоненциальное выделение. Такое освобождение может встречаться только тогда, когда яд не изменяется в организме и выделяется только каким-либо одним путем, например с мочой. В противном случае, а именно так обстоит дело с большинством промышленных ядов, общая картина исчезания яда из организма усложняется. Рассмотрим самые простейшие примеры. Первым из них пусть будет случай, когда освобождение организма от яда происходит несколькими независимыми путями: с мочой, с выдыхаемым воздухом, путем метаболизма и др.

Эта модель отличается от простой экспоненциальной только тем, что роль постоянной выделения χ в ней играет сумма постоянных выделения по двум независимым путям: (χ1 + χ2).Очевидно, что в случае трех или более независимых путей элиминирования вещества модель усложнится за счет увеличения суммы постоянныхэлиминации, нопринципиальнонеизменится.

Рассмотренная модель справедлива только при условии, что организм или иной биологический объект, из которого рассматриваются элиминация яда, может быть представлен одночастевой системой. При этом, как мы уже знаем, на графике в полулогарифмических координатах процесс выделения будет выражаться прямой линией. В ряде случаев опытные результаты достаточно хорошо укладываются на такую прямую, что свидетельствует об адекватности простой экспоненциальной модели изучаемым случаем выделения. Однако такие счастливые совпадения редки. Они иногда встречаются, когда изучается очищение какой-то индивидуальной ткани. В случаях же целого организма простая экспонента оказывается, как правило, неадекватной, особенно, если экспериментальная информация достаточно обширна и точна. В таких случаях экспериментальные точки в полулогарифмическом масштабе не укладываются на прямую даже приближенно. Однако в расположении точек часто удается выделить несколько прямых. В этих весьма

211

обычных случаях результирующая кривая выделения вещества является суммарной кривой, составленной из ряда кривых выделительных процессов, каждый из которых в отдельности следует кинетике первого порядка.

В частности, полное уравнение выделения сероуглерода из подкожного жира крыс имеет следующий вид:

C = C01e−χ 1t − C02e−χ 2t = 8,66e−0,46t + 0,052e−0,035t .

Уравнение говорит о том, что сероуглерод в подкожном жире по степени связанности находится в двух разных состояниях: более лабильном и менее лабильном. Последний выделяется в течение более длительного времени.

При изучении выделения свинца из крови экспериментальных животных полученный в полулогарифмических координатах график удалось разложить на 4 прямые.

Это соответствует четырехэкспоненциальному процессу выделения, конкретное описание которого в математических терминах таково:

С = 18е–0,8t + 4е–0,04t + 1,1е–0,0006t + 0,16е–0,0006t.

Приведенные и аналогичные им уравнения говорят о многофазности объекта, из которого имеет место исчезание изучаемого вещества. При этом многофазность следует понимать не только буквально, например в виде разных тканей, резко между собой различающихся по физико-химическим свойствам, но и в виде различной связи вещества с тканевыми структурами одной ткани. Примером последнего является рассмотренное нами выше двухэкспоненциальное выделение сероуглерода из подкожного жира крысы. Четырехэкспоненциальное же выражение для свинца связывается с его выделением из следующих тканей (даны в порядке уменьшения скорости выделения): кровь и некоторые мягкие ткани, мышцы, кожа, кости.

Рассмотрим, наконец, случай выделения метаболита. Ограничимся при этом самыми простыми условиями: вещество А

212

с постоянной k превращается в один метаболит М, который с постоянной χ выводится одним путем, например с мочой:

В : А → М → В.

В настоящем случае имеют место два последовательных процесса. Первый из них определяется экспоненциальной закономерностью. Скорость второго является суммарной величиной, складывающейся из убыли метаболита и его образования из предшественника А. Выделение метаболита при этом следует уравнению.

М = kA0 / (χ – k)(e–kt – e– χt),

здесь А0 – начальное содержание вещества в биологической структуре.

Очевидно, что выделенное с мочой количество метаболита в каждый момент времени В = А0 – (А + М), понятно, с соблюдением стехиометрии метаболизма.

Приведенные уравнения токсикокинетики описывают простые случаи перемещения и превращения ядов в организме.

7.4. Кинетика токсического эффекта

Эта проблема пока разработана недостаточно. Созданы некоторые теоретические модели протекания во времени токсического эффекта, основанные на тех или иных предположениях, но, как правило, эти модели не сопоставлены с опытными результатами. Связано такое положение с небольшим пока количеством опытного материала. Однако внимание исследователей все более привлекается к разработке проблемы кинетики токсического эффекта, и в недалеком будущем здесь можно ожидать прогресса. Отметим лишь некоторые из возникающих перед исследователями вопросов и приведем пример теоретического решения вопроса.

213

Основной вопрос – это вопрос связи реакции организма на воздействие токсического вещества с концентрацией вещества

вбиологических средах организма. Обычно принимается, что токсическое действие зависит от наличия яда в рецепторе и это действие носит пороговый характер. Иначе говоря, если количество яда в рецепторе меньше некоторой пороговой величины, токсический эффект отсутствует. На примере этанола было показано, что логарифм времени наступления токсического эффекта линейно связан с логарифмом концентрации яда в окружающей среде.

Важен также вопрос о кинетике действия яда, подвергающегося детоксикации. На примере действия инсектицидов этот вопрос удачно рассмотрен Л.И. Францевичем и В.М. Лоскотом.

Требует разработки задача о кинетике эффекта при повторных поступлениях яда в организм. Другой тип задачи – обоснование соотношения между количеством яда в организме, скоростью его выделения и длительностью токсического эффекта.

Примером уже используемой теории является соотношение между кинетикой выделения вещества и уменьшением его биологического действия. Рассмотрим наиболее обычный случай, когда биологический эффект определяется самим веществом, а не его метаболитами. Сила биологического действия вещества I чаще всего изменяется линейно с логарифмом его содержания

ворганизме С, что может быть выражено уравнением прямой линии, широко распространенным в фармакологии: I = mlgC + i. Здесь т и i – постоянные, причем т является наклоном прямой в координатах I и lgC, a i обычно отрицательно.

Пусть уменьшение содержания вещества в организме следует кинетике первого порядка, что является обычным. Логарифмический вид этой зависимости нам уже знаком:

lgC = lgC0 – χt / 2,3.

Рассмотрим совместно эти два уравнения. Подстановка lgC из первого уравнения во второе дает: I = I0 χmt / 2,3.

214

Вновь полученное уравнение является уравнением нулевого порядка; оно показывает, что уменьшение биологической активности с течением времени, по мере экспоненциального удаления его из организма, является линейным. Следовательно, снижение содержания вещества в организме экспоненциально, а снижение его биологического действия линейно, т.е. идет с постоянной скоростью. Настоящий вывод находится в противоречии с частым утверждением, что изменение биологического действия со временем параллельно концентрации вещества или его содержанию в организме.

Уравнение демонстрирует функциональную связь интенсивности токсического действия с постоянной выделения. Из уравнений также вытекает, что время, необходимое для уменьшения максимальной интенсивности действия, наполовину увеличивается по мере увеличения концентрации. На этом примере видно, что совместное рассмотрение фармакокинетического процесса (выделения вещества из организма) и токсикологического явления (интенсивности биологического действия) приводит к новому результату. В противоположность фармакокинетическим нормам, по которым время биологической полужизни не зависит от концентрации (дозы) вещества, время токсикологической полужизни (под углом зрения силы эффекта) находится в прямой от нее зависимости.

7.5. Задачи и перспективы токсикокинетики

Основное направление токсикокинетических исследований связано с количественным подходом к решению ряда токсикологических задач. Дело в том, что изучение кинетических зависимостей прохождения токсических соединений через организм ставит проблему действия этих соединений применительно к организму в целом и его отдельным органам и системам на строго количественную основу. Действительно, знание судьбы

215

вещества в организме, его содержания, равно как и содержания его метаболитов в разных тканях и в крови в различные моменты времени, и сопоставление с обнаруживаемыми при этом эффектами позволяет приходить к количественно выраженной характеристике действия вещества.

На этой общей задаче токсикокинетики базируются и ее частные, в том числе и практические приложения. Отметим некоторые из них.

1. Изучение механизмов действия ядов. В конечном счете эта задача решается на молекулярно-биохимическом уровне. Но первый этап, как правило, начинается с изучения некоторых кинетических характеристик прохождения яда через организм и его отдельные системы, и именно кинетика зачастую позволяет приблизиться к пониманию биологических эффектов ядов.

2.Профилактика и лечение отравлений. Одним из путей предотвращения или снижения токсических эффектов является своевременное удаление проникающего в организм вещества или его токсичных метаболитов из организма. В этом случае основой для управления элиминацией токсичного начала является знание кинетики метаболизма вещества и кинетики его выделения.

3.Перенос данных с животных на человека и объяснение индивидуальных различий действия. Известны видовые, а иногда и индивидуальные различия в действии промышленных ядов. Эти различия могут носить качественный, но чаще имеют количественный характер. Разгадка существования различий зачастую лежит в кинетике поступления, метаболизма или выделения ядов, различающихся у разных видов или индивидуумов. Понятно, квалифицированный перенос экспериментальных данных с животных на человека возможен только при условии учета различий в токсикокинетике изучаемого вещества. Е.И. Люблина проанализировала процесс накопления чужеродных веществ в организме различных животных и человека

взависимости от физико-химических свойств этих веществ.

216

Токсикокинетический анализ позволяет решить ряд вопросов, связанных с переносом данных токсикологического эксперимента с одного вида на другой при условии существенного различия в средней величине особей этих видов.

4.Исследование механизмов кумулятивного действия. Когда последнее обусловлено материальной кумуляцией, речь идет

онакоплении в организме чужеродных соединений, и проблема является чисто кинетической. В случае функциональной кумуляции кинетический подход также может быть плодотворным. Например, уже указывалось, что мерилом кумулятивного эффекта может быть период полусуществования этого эффекта.

5.Контроль загрязнителей. В связи с необходимостью иссследования биоматериалов на содержание токсических соединений или их метаболитов, например, в экспертных целях, возникают вопросы об оптимальных видах образцов для исследования, времени их отбора и необходимом количестве. Создать рациональную схему отбора, учитывающую все указанные вопросы, можно только на основе сведений о токсикокинетике загрязнителя, в частности учитывая период его полусуществования в организме. Сведения такого рода полезны также для планирования отбора образцов воздуха рабочей среды.

Развитие токсикокинетики неразрывно связано с разработкой математического моделирования прохождения чужеродных соединений через организм. Математическая модель кинетической зависимости может выступать в разных ролях. В одном случае она может быть итогом исследований, в четкой форме формулируя обнаруженную закономерность. В другом случае модель может явиться гипотезой, требующей своего подтверждения, или гипотезой, намечающей новые пути исследования. Вместе с тем математически безукоризненная модель (а более наглядно – вещественный аналог) поможет отвергнуть несостоятельную концепцию, сколь бы привлекательной она ни представлялась. Касаясь последнего вопроса, можно утверждать, что убежденность автора в правоте его тео-

217

ретических воззрений нередко приводит к принятию желаемого за действительное. Критерием истинности в подобной ситуации вполне может служить математическая или иная модель, работающая совершенно объективно, лишенная эмоций и предвзятости. Наконец, твердо установленные математические зависимости, помимо всего прочего, должны избавить исследователей от трудоемкой работы по детальной экспериментальной разработке кинетики конкретных соединений. При наличии адекватного уравнения эта работа может быть сведена к небольшому числу экспериментов, в результате которых будут установлены основные константы. Подставив их в уравнение, можно видеть процесс в целом.

Кратко перечисленные здесь задачи токсикокинетики, ее возможности и происходящее на наших глазах бурное развитие теоретических основ этой дисциплины приведут в недалеком будущем к широкому внедрению токсикокинетических методов в практику экспериментальных, клинических и гигиенических исследований, связанных с вопросами поступления промышленных загрязнителей в организм. Токсикокинетические методы позволят более объективно устанавливать величины предельно допустимых уровней вредных веществ в воздухе, воде и иных средах.

218

8. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Развитие биохимического раздела токсикологии позволило расшифровать молекулярные механизмы, лежащие в основе токсического действия многочисленных промышленных ядов. Это, в свою очередь, открывает путь для целенаправленного синтеза новых лекарственных средств, профилактики и терапии интоксикаций, позволяет добиться совершенствования методов диагностики и прогнозирования и, наконец, дает возможность обоснованно использовать биохимические критерии для нормирования токсических веществ в окружающих человека средах.

8.1. Взаимодействие токсических веществ с ферментами

Повреждение биохимических структур промышленными ядами, в первую очередь, связано с воздействием их на ферментные системы организма. В то же время хорошо известно, что большинство обменных процессов в клетке осуществляется с помощью энзимов, согласованное и в ряде случаев синхронизованное функционирование которых в значительной степени обеспечивает гомеостаз. Поэтому именно взаимодействие с ферментными системами составляет биохимическую основу токсического действия ядов. Этот процесс может осуществляться двояким образом: 1) токсические вещества модифицируют активность энзимов путем прямого взаимодействия с ними; 2) токсические вещества воздействуют на активность ферментов, косвенно вмешиваясь в процессы их синтеза или распада, взаимодействуя с природными ингибиторами, активаторами или субстратами ферментов, нарушая процессы гормональной регуляции ферментативной активности, изменяя проницаемость биологических мембран, повреждая внутриклеточ-

219

ные структуры. Типичным примером подавления активности ферментов путем прямого взаимодействия с ними яда является

действие антихолинэстеразных соединений. Из числа про-

мышленных ядов к этой группе относятся многочисленные фосфорорганические ингибиторы холинэстеразы, легко вступающие во взаимодействие с нуклеофильной группировкой активного центра фермента. При воздействии на холинэстеразу фосфорорганических соединений (ФОС) образуется стойкий фермент-ингибиторный комплекс, так как реакция фосфорилирования этого фермента ФОС трудно обратима. Выключение фосфорорганическими соединениями холинэстеразы из цепи биохимических реакций влечет за собой накопление физиологического ацетилхолина и перевозбуждение холинергических структур, что и лежит в основе разнообразных проявлений токсического действия этих ядов.

Вскрытие механизмов токсического действия ФОС позволило осуществить разработку противоядий, в том числе на основе реактиваторов холинэстеразы.

Число промышленных и сельскохозяйственных ядов, относящихся к группе ингибиторов холинэстеразы, достигает сотен соединений. Это алкилпирофосфаты, алкилтиофосфаты, хлоралкиловые эфиры фосфорной кислоты, эфиры тиофосфорной кислоты и целый ряд других соединений. Торможение ФОС активности холинэстеразы – это типичный пример торможения структурными аналогами субстрата. В этих случаях токсическое вещество выступает в роли квазисубстрата или псевдосубстрата. Химическая близость яда с субстратом оказывается достаточной, чтобы яд занял контактную площадку на поверхности фермента и образовал с ним прочную связь. Образовавшийся комплекс в отличие от фермент-субстратного комплекса является стойким, связь фермента с ядом разрушается медленно и фермент перестает функционировать.

Другим примером прямого воздействия токсических веществ на ферментные системы является блокирование входя-

220