534
.pdfщих в них атомов металлов. Широко известно ингибирование цианидами, нитрилами, сероводородом, азидом, окисью углерода цитохромных систем путем взаимодействия с железом их простетической группы. Наибольшее значение для механизма действия этих ядов имеет подавление таким путем активности цитохромоксидазы. Этот фермент является активатором молекулярного кислорода, он служит терминальной оксидазой в дыхательной цепи митохондрий. Цитохромоксидаза локализуется на внутренней митохондриальной мембране и обеспечивает нормальное протекание окислительных реакций, являющихся основным источником образования и аккумулирования энергии в клетке. Подавление активности цитохромсодержащих дыхательных ферментов лежит в основе токсического действия ядов, вызывающих тканевую гипоксию. Эта группа ядов, помимо блокирования митохондриального пути дыхания, вызывает нарушения окислительных реакций, протекающих в мембране эндоплазматического ретикулума. Это так называемые реакции «свободного» окисления, несопряженные с фосфорилированием и не сопровождающиеся аккумулированием энергии в макроэргах.
В процессе этих реакций происходит окисление с помощью молекулярного кислорода разнообразных химических соединений, как эндогенной природы (стероиды, гормоны, холестерин), так и экзогенного происхождения. Терминальным аутооксидабельным звеном этого внемитохондриального окислительного пути является цитохром Р-450. Активность цитохрома Р-450 подавляется разнообразными цианидами и окисью углерода.
Алкилизонианиды взаимодействуют как с окисленной, так и с восстановленной формой фермента, а окись углерода вступает в реакцию лишь с восстановленной формой, образуя комплекс, дающий максимум поглощения при длине волны 450 нм. Эта особенность и получила отражение в наименовании фермента. Следует отметить, что цитохром Р-450 обладает выра-
221
женным сродством к окиси углерода. Так, для того, чтобы ингибировать активность цитохромоксидазы на 50 %, необходимо соотношение СО : О2 = 10. Для ингибирования активности цитохрома Р-450 на 50 % это соотношение будет иным СО : О2 = 1. Цитохром Р-450 является терминальной оксидазой для цепей переноса электронов в мембранах эндоплазматического ретикулума. Поэтому блокирование его активности промышленными ядами нарушает функционирование микросомальных энзимов – многоцелевых оксидаз, обеспечивающих метаболирование большой группы экзогенных и эндогенных соединений.
Весьма распространенным путем подавления активности ферментных систем ядами является взаимодействие их с существенными функциональными группировками, блокада или разрушение которых приводит к утрате или снижению активности фермента. К числу таких группировок относятся:
а) функциональные группы активного центра, составляющие контактную площадку и участвующие в образовании связи между ферментом и субстратом или коферментом;
б) каталитические группы, катализирующие превращение и распад фермент-субстратного комплекса;
в) группы, находящиеся вне активного центра, но блокада которых вызывает падение активности фермента за счет конформационных изменений его белковой молекулы;
г) группы аллостерического или регуляторного центра ферментной системы, взаимодействующие с продуктами ферментной реакции.
Наибольший интерес для токсикологии из числа этих групп представляют тиоловые и дитиоловые группировки, обеспечивающие функционирование многочисленных «сульфгидрильных» ферментов. Число таких тиоловых ферментов достигает более 100 наименований. Наиболее важные из них– это сукцинатдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, аденозинтрифосфатаза, глицерофосфатдегидрогеназа, ферменты трансфосфорилирования, трансаминазыицелыйряддругих.
222
Токсические вещества могут вступать во взаимодействие с тиоловыми группировками путем осуществления реакций меркаптидообразования, окисления, алкилирования, арилирования, присоединения к двойной связи, сульфенилирования, тиолдисульфидного обмена.
Образование меркаптидов характерно для действия на тиоловые и дитиоловые группы арсеноксидов, арсенитов. Эти соединения мышьяка взаимодействуют в организме только с сульфгидрильными группами. Было установлено, что подавление мышьяковистыми соединениями активности пируватоксидазной системы обусловлено блокированием дитиоловой группировки липоевой кислоты, входящей в качестве кофактора в эту сложную ферментную систему.
Липоевая кислота в восстановленной форме:
HSСН2СН2СН(СН2 )4 СОН
|
SH
Мышьяковистыесоединенияблокируюттечениециклареакций окислительного декарбоксилирования пирувата, вступая в соединение с дитиоловыми группами липоевой кислоты собразованием прочного циклического соединения. Кроме того, выяснилось, что всостав активного центра липоатдегидрогеназы– фермента, принимающего участие в течение указанного цикла, входит дитиоловая группировка, образующаяся за счет пространственного сближения SH-групп аминокислоты цистеина. Сэтой группировкой также взаимодействуют арсеноксиды, подавляя активность липоатдегидрогеназы. Аналогичным образом блокируется α -кетоглутаратде- гидрогеназный комплекс, в состав которого входит липоевая кислота. Таким образом, мышьяковистые соединения блокируют важнейшие звенья углеводного иэнергетического обмена, нарушая функционирование лимоннокислого цикла Кребса и нарушая связи между углеводным, белковым и жировым обменом, через превращенияпировинограднойкислоты.
223
Эти биохимические нарушения приводят к развитию выраженной картины поражения мышьяковистыми соединениями, купировать которую возможно лишь путем восстановления нарушенного течения биохимических реакций. Восстановление возможно осуществить с помощью синтетических дитиолов, высокое сродство которых к арсеноксидам и арсенитам позволяет использовать их в качестве антидотов.
Поиски таких антидотов интенсивно проводились как в нашей стране, так и за рубежом. Наиболее эффективными антидотами оказались 2,3-димеркаптопропанол и унитиол-2,3- димеркаптосульфонат натрия. Мышьяксодержащие соединения образуют с этими антидотами прочные циклические малотоксичные соединения. Применение в качестве антидотов в этих случаях монотиолов (цистеин, цистеамин и др.) оказывается неэффективным, так как не приводит к образованию прочных циклических структур.
Помимо мышьяка, в реакции меркаптидообразования с сульфгидрильными группами вступают различные тяжелые металлы, их соли, окиси, металлорганические соединения. Широко известно, например, действие на тиоловые группировки соединений ртути, кадмия, ванадия и других соединений, которые в зависимости от особенностей своего поступления и распределения в организме и от своей химической природы и химических свойств фермента блокируют те или иные SHсодержащие биохимические структуры. Так, поражение почек при отравлении ртутьсодержащими соединениями обусловлено блокадой сульфгидрильных ферментов почечной ткани и SHгрупп мембраны почечных канальцев. Уровень тиоловых групп может служить одним из критериев вредности при работе с ртутьорганическими соединениями.
Помимо реакций меркаптидообразования, сульфгидрильные группы легко вступают в реакции окисления. В качестве агентов, окисляющих тиоловые группы, могут выступать такие токсические вещества, как йодбензойная кислота и ее соли,
224
йод, перекись водорода, некоторые органические перекиси, озон, двуокись азота.
Галоидалкильные соединения, йодацетат, йодацетамид, хлорэтиламины, хлорацетофенон и бромацетофенон блокируют сульфгидрильные группы, вступая с ними в реакции алкилирования.
К числу «тиоловых» ядов относятся также акриламид, акрилонитрил, N-этилмалеимид и его производные, с которыми сульфгидрильные группы вступают в реакции присоединения к двойной связи.
Заканчивая рассмотрение вопроса о действии тиоловых ядов, следует специально остановиться на роли SH-групп в развитии токсического отека легких. Внимание исследователей привлек тот факт, что большинство веществ, вызывающих развитие отека легких, способны вступать в реакции с тиоловыми группировками. К числу таких веществ относятся люизит, фосген, дифосген, окислы азота, четыреххлористый титан, хлорпикрин, йодацетамид. В опытах В.В. Соколовского и Т.М. Соколовской показана прямая корреляционная зависимость между степенью развития отека легких при действии двуокиси азота, падением активности сульфгидрильных энзимов и содержанием SH-групп в легочной ткани. Это позволяет считать правомочным представление о том, что в молекулярном механизме развития отека легких определенную роль играет воздействие токсических агентов на сульфгидрильные группы. В результате изменяется соотношение и локализация сульфгидрильных и дисульфидных групп белковых макромолекул, входящих в состав легочных мембран, что дает начало реакциям тиолдисульфидного обмена. Это, в свою очередь, может привести к изменению третичной структуры мембранных белков, конформационные изменения которых вызывают нарушения проницаемости легочной мембраны.
Другим весьма интересным путем прямого воздействия ядов на ферментные системы является воздействие по типу
225
«летального синтеза». Механизм этого явления был раскрыт при изучении токсических свойств фторацетата. Это соединение, само по себе практически не токсичное, попадая в организм, претерпевает превращения (летальный синтез), приводящие к образованию сильного яда – фторлимонной кислоты. Фторацетат вступает во взаимодействие с коэнзимом А, образуя фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется со щавелево-уксусной кислотой, образуя фторлимонную кислоту.
Фторлимонная кислота, являясь структурным аналогом лимонной, взаимодействует с ферментом аконитатгидратазой с образованием прочного фермент-ингибиторного комплекса. Таким образом, аконитатгидратаза, в обычных условиях катализирующая превращение лимонной кислоты в цикле Кребса, оказывается выключенной из цепи биохимических реакций. Это приводит к накоплению в тканях лимонной кислоты и нарушению функционирования цитратного цикла Кребса. Такие биохимические изменения влекут за собой тяжелые нарушения энергетического обмена. Исследованиями установлено, что реакции цикла Кребса сопровождаются освобождением основной массы энергии окислительно-восстановительных процессов, около половины которой аккумулируется в макроэргических связях аденозинтрифосфата. Становится понятным, почему блокирование цикла Кребса фторлимонной кислотой, образовавшейся из фторацетата, приводит к развитию тяжелой интоксикации. Сходным образом действуют и другие фторорганические соединения. К их числу относятся, помимо фторацетата, метилфторацетат, диоксифторглицеролы, фторэтанол, фторальдегиды, фторпроизводные некоторых органических кислот. Общим для всех этих соединений является способность метаболировать до высокотоксичной фторлимонной кислоты, т.е. действовать по принципу летального синтеза,
Существуют и другие примеры летального синтеза: образование из этиленгликоля щавелевой кислоты, окисление ме-
226
тилового спирта альдегиддегидрогеназой до формальдегида и муравьиной кислоты.
Рассмотренные выше случаи касались различных вариантов прямого действия химических веществ на ферментные системы. Однако подчас нарушение ферментативной активности может явиться следствием косвенного действия ядов на ферменты. Токсический агент, не воздействуя непосредственно на энзим, изменяет его активность, связывая природные активаторы и ингибиторы, взаимодействуя с субстратом, тормозя или активируя процессы синтеза и распада фермента. По такому пути действуют комплексообразователи, связывая в организме металлы, играющие роль активаторов ряда ферментных систем. Фториды связывают кальций и магний, необходимые, в частности, для нормального функционирования ферментов углеводно-фосфорного обмена. В.В. Соколовским составлен перечень ферментов, активируемых кальцием или магнием, для которых фториды являются ингибиторами. Повышение активности дезоксирибонуклеаз при действии перекиси метилэтилкетона и других перекисей может быть объяснено связыванием природного ингибитора этих ферментов.
Торможение синтеза ферментов может быть вызвано веществами, блокирующими синтез белка. К их числу относятся: актиномицин Д, блокирующий ДНК-зависимый синтез РНК, взаимодействуя с гуаниновым основанием дезоксирибонуклеиновой кислоты; пуромицин, блокирующий наращивание полипептидных цепей в процессе синтеза белковых молекул.
Активация ферментных систем часто бывает обусловлена торможением химическими веществами скорости их распада. Так, широко известный факт повышения активности микросомальных энзимов под влиянием повторных введений барбитуратов является следствием торможения этими веществами скорости распада указанных ферментов. Большая группа промышленных ядов, относящихся к ароматическим нитропроизводным (динитрофенолы, динитроортокрезол, пентахлорфенол, динитробутил-
227
фенол), осуществляет воздействие на ферментные системы путем повреждения внутриклеточных структур, вызывая набухание митохондрий, изменяя проницаемость митохондриальной мембраны и разобщая дыхание и фосфорилирование. Для осуществления окислительного фосфорилирования необходима четкая пространственная организация ферментных систем митохондрий. Набухание митохондрий, изменение проницаемости их мембран могут нарушить процесс накопления энергии в виде АТФ. Это будет тормозить синтез белка и другие реакции анаболизма, приведет квозрастанию доли АДМ и АМФ в общем пуле адениловых нуклеотидов.
Повреждение митохондриальных мембран, изменение ме- ханико-химических свойств митохондрий и, как следствие этого, нарушение регуляции гликолиза митохондриальными факторами, угнетение активности аденозинтрифосфатазы – все это лежит в основе токсического действия таких распространенных пестицидов, как ДДТ и севина. Также опосредованно через нарушение окислительного фосфорилирования в митохондриях действуют и такие высокореактивные фунгициды, как соли триалкилолова.
Весьма интересным примером косвенного влияния химических веществ на ферментативную активность является избирательное повреждение ядами желез внутренней секреции. Были описаны химические соединения, избирательно повреждающие кору надпочечников и тормозящие выработку гормонов. Одни из них, типа 1,2-бис-(-аминофенил)-2-метилпропанона (амфенон В), вызывали подавление выработки как глюко-, так и минералокортикоидов. Другие, типа 2-метил-1,2-бис-(3-пиридил)- пропанола (метопирон), тормозили образование только глюкокортикоидов. Такое воздействие вызывает нарушение гормональной регуляции ферментативной активности. Известно, что целый ряд ферментов контролируются гормонами коры надпочечников. Кортизон и гидрокортизон тормозят активность гистидиндекарбоксилазы, повышают активность трансаминаз, глю-
228
козо-6-фосфатазы. Воздействие химических веществ на щитовидную железу вызывает усиление или ослабление продукции тиреоидных гормонов, являющихся природными агентами, разобщающими окислительное фосфорилирование и регулирующими соотношение свободного и сопряженного с фосфорилированием окисления в организме. Действием на окислительное фосфорилирование и на щитовидную железу обладает пестицид бисдитиокарбамат – ТМТД. Широко известно тормозящее действие на выработку гормонов щитовидной железы тиомочевины, пропилтиоурацила, перхлората аммония. Приведенные примеры иллюстрируют многообразие путей воздействия химических веществ на активность ферментных систем, нарушение функций которых является подчас биохимической основой токсического действия ядов. Эти сведения в промышленной токсикологии широко используются для оценки степени опасности и токсичности ядов, изучения механизма их действия, а также
впроцессе гигиенического нормирования химических факторов внешней среды.
Считая, что реализация токсического эффекта через ингибирование ферментных систем является наиболее распространенным и почти универсальным путем действия ядов, следует отметить, что в ряде случаев в основе механизма действия лежат реакции с другими биохимическими структурами. Имеет-
ся в виду взаимодействие с функциональными группами структурных белков биологических мембран, с нуклеиновыми компонентами внутриклеточных структур (галоид- и нитрозоалкиламины) с другими биологически активными веществами не ферментативной природы, имеющими существенно важное значение в жизнедеятельности. Так действует окись углерода, некоторые метгемоглобинообразователи и гемолитические агенты. Но и в этих случаях ферментативные нарушения лежат
воснове интоксикации, так как гипоксия, характерная для действия этих ядов, приводит к нарушению ферментативных процессов. Дело в том, что для удержания ферментов на внутри-
229
клеточных структурах необходима энергия, аккумулированная в АТФ. При гипоксии любого происхождения выход АТФ резко уменьшается. Это приводит к утрате организмом способности удерживать ферментные системы на внутриклеточных структурах. Так, при отравлении окисью углерода в клетках падает содержание цитохрома С, в крови значительно увеличивается активность трансаминаз, поступающих в кровоток из тканей и органов.
Это положение может быть также иллюстрировано анализом биохимических основ токсического действия метгемоглобинообразователей и гемолитиков, в действии которых влияние на гемоглобин и структуры оболочки эритроцитов переплетается с ферментативными нарушениями в обмене красных кровяных клеток.
8.2. Механизмы гемолиза
Все гемолитические яды условно делятся на вещества: 1) обладающие преимущественно прямым действием на оболочку эритроцитов; 2) вызывающие гемолиз главным образом путем нарушения ферментативных процессов, ответственных за поддержание целостности красных кровяных клеток. К первой группе относятся такие гемолитические яды, как мышьяковистый водород, солонины, нафталины, тринитротолуол, некоторые тиоловые яды. Механизм их действия может быть представлен следующим образом. Известно, что белки мембраны эритроцитов содержат сульфгидрильные группы. Блокирование этих групп вызывает изменение конформации белков мембраны эритроцитов. Это приводит к разрыву их связей с липидами и повреждению оболочки эритроцитов. Детальное изучение повреждающего действия гемолитика на оболочку эритроцитов, проведенное с таким гемолитическим ядом, как дапсон (4,4-диаминодифенилсульфатом), показало,
230