534

раполяцию. Существенно, чтобы в числе этих двух гомологов не было метилового, так как первый член ряда нередко отклоняется от общей для всего ряда закономерности. Расчет удобно производить графически: по горизонтальной оси откладывают порядковые номера, суммы атомов углерода, молекулярный вес или какие-либо коррелирующие с токсичностью свойства членов ряда; по вертикальной – логарифмы концентраций или доз, соответствующие рассчитываемому показателю данного токсического эффекта. Значения показателей эффекта токсикологически изученных гомологов наносят на этот график в виде точек и проводят через точки прямую. Логарифм рассчитываемого показателя находят на пересечении этой прямой с перпендикуляром, восстановленным из точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему гомологу.

Однако следует иметь в виду, что в зоне перехода из одного агрегатного состояния в другое происходит инверсия изменения силы биологического действия доз, а потому правильный расчет даже в пределах гомологического ряда нельзя сделать, если известна токсичность двух веществ, одно из которых в обычных условиях может быть в воздухе в виде паров, а другое является твердым соединением.

Закономерное изменение токсичности в гомологических рядах и различия этих закономерностей для разных рядов привело к мысли об ином способе их математического выражения. Цифровую величину как угодно выраженного показателя токсического действия органического соединения можно формально распределить по отдельным структурным связям этого соединения. Для соблюдения принципа аддитивности родственные связи гомологов должны получить при этом равные значения токсичности. Вместе с тем подобные связи в различных гомологических рядах могут иметь разное значение токсичности. Это является следствием влияния на аналогичные связи разных атомов или их групп. Такой подход позволяет вести расчет токсичности по структурной формуле соединения.

281

Понятно, что предварительно требуется на нескольких токсикологически изученных гомологах установить значения токсичности отдельных связей.

11.3. Понятие о расчетах показателей токсичности в различных группах генетически родственных соединений1 на основе корреляционных уравнений органической химии

Впроблеме связи биологических, в частности токсических, свойств веществ с их строением выдающаяся роль принадлежит корреляционному анализу. При этом, будучи успешно использован в органической химии, он затем перекочевал в биохимию, биохимическую токсикологию и другие специальности, где позволил поставить проблему связи строения идействия веществ наколичественнуюоснову, понятно, визвестныхпределах.

Внастоящем разделе дано только самое общее понятие об использовании корреляционных уравнений органической химии для расчетов показателей токсичности.

Одним из ранних в историческом аспекте уравнений органической химии, использованных для расчета силы токсического действия химически родственных органических соединений, явилось уравнение Р. Заградника:

lgТi / Тet = αβ,

здесь Тi – величина токсического действия i-го производного

вгруппе генетически родственных соединений; Тet – то же этил-

1Генетически родственными являются соединения, образованные путем последовательного замещения водорода исходной молекулы различными

функциональными группировками, например, –СООН, –ОН, –NH2, –С1 и т.д. Гомологические ряды органических соединений представляют собой частный случай генетически родственных соединений, где в качестве заместителей вы-

ступают углеводородные радикалы –СН3, –С2Н5, –С3Н7 и т.д., различающиеся между собой метиленовой группой –СН2–.

282

производного члена группы; α – постоянная, характеризующая основную взаимодействующую систему, т.е. биологический объект воздействия плюс этилпроизводное соединение; β – постоянная биологической активности заместительной группы, причем β для этила β = 0. Постоянная β не зависит от вида биологического объекта и основной структуры соединений.

Примером группы соединений, к которым может быть приложено уравнение Заградника, является группа производных бензойной кислоты, отличающихся между собой видом и положением заместителя.

Уравнение включает в себя предположение, что токсическое действие группы родственных соединений определяется какой-то одной реакцией, иначе говоря – механизм их действия однотипен. Другой существенной особенностью уравнения является то, что оно не функциональное, не строгое,

атолько корреляционное. Следовательно, произведенный по уравнению расчет дает возможность получить только ориентировочные, приблизительные значения величины токсического действия.

Пользование уравнением Заградника возможно при предварительном установлении величины токсичности этилового деривата группы как образца сравнения и расчета постоянных

аи р для избранного токсического эффекта в данной группе. Техника расчетов постоянных здесь не приводится. Отметим только, что для расчета необходимо экспериментальное опре-

деление величины токсичности не менее чем двух членов группы, причем они не должны включать в себя дериватов с иным, по отношению к группе и избранному эффекту, механизмом действия.

Уравнение Заградника выполняется в случае многих органических соединений, как алифатических, так и ароматических, и наиболее хорошо – в гомологических рядах. Оно оказывается справедливым для различных биологических объектов и при разных критериях токсического действия. Например, оно

283

с успехом применялось к соединениям, составлявшим определенные генетические группы, при следующих критериях действия; подавление прорастания ячменя, подавление активности каталазы, амилазы и оксидазы, гемолиз эритроцитов, подавление развития яиц морского ежа, подавление движений червя, наркоз золотой рыбки, пескарей и головастиков, торможение пульсации сердца черепахи, смертельные дозы до 50 % белых мышей при внутривенном и внутрибрюшинном введении, смертельные дозы для кроликов и др.

Изменение токсичности членов ряда генетически родственных соединений в соответствии с уравнением Заградника свидетельствует о двух обстоятельствах. Поскольку оно выведено в предположении, что токсический эффект определяется одной реакцией, его справедливость говорит о выполнении этого условия. При этом механизм реакции остается нераскрытым. Речь может идти буквально о некоторой химической реакции (в случае химически высокоактивных соединений, обладающих так называемой химической токсичностью) или о прохождении определенной биомембраны и накоплении в одной чувствительной биофазе (в случае веществ с физическим типом токсического действия). Кроме того, следование силы токсического действия уравнению говорит об общем типе этого действия у всех членов ряда генетически родственных соединений. Отклонения от уравнения всегда бывают связаны с изменением механизма действия у выпадающего члена ряда. Такие отклонения, как уже было указано, часто наблюдаются у метиловых дериватов (пример – метиловый спирт, муравьиная кислота и др.), что и побудило Заградника использовать в качестве масштаба для сравнения силы биологического действия активность этилового деривата – Тet.

Не укладываются в уравнение Заградника и некоторые генетические ряды в целом. Основной причиной этого является несоответствие требованию зависимости биологического эффекта от одной реакции. Легко представить, например, что

284

биологический эффект в равной или соизмеримой степени определяется двумя обстоятельствами: физическим транспортом к месту действия и химическим взаимодействием с рецептором. Предположение о таком двухреакционном характере действия приводит к более сложному уравнению:

lgТi / Тet = εxi + γδi,

здесь δi и xi – константы, связанные с особенностями заместителя i с точки зрения его влияния на физические х и химические δ свойства в биологическом действии веществ.

В случае резкого преобладания вклада в биологическое действие одного из этих эффектов настоящее уравнение сводится к уравнению Заградника.

Уравнение Заградника оказывается неприменимым и в случаях рядов двузамещенных соединений, например бензола.

Указанные уравнения, равно как и ряд других, здесь не упомянутых, входятудовлетворительнымобразомвкачествесоставных частейвпараболическоекорреляционноеуравнениеХанша:

lg (1/C) = K1π2 + K2π + K3σ + K4,

где С – молярная концентрация вещества, приводящая к определенному эффекту за постоянный интервал времени действия; σ – постоянная, характеризующая заместитель; π – некоторая функция распределения вещества между несмешивающимися растворителями; K1, K2, K3 и K4 – постоянные коэффициенты, находимые для каждого генетического ряда статистическими методами, например, методом наименьших квадратов. Постоянная π, которую можно назвать постоянной Ханша, является мерой, вносимой заместителем в коэффициент распределения вещества, π может быть вычислена из уравнения π = lgPx – lgPн, где Рх – коэффициент распределения деривата в системе октанол/вода; Pн – то же генетически исходного соединения.

Уравнение Ханша позволяет добиться наиболее высокой корреляции между показателями биологического, в частности

285

токсического, действия веществ и их физико-химическими свойствами, отраженными в уравнении. За последние полтора десятка лет это уравнение в представленном виде или в виде его модификаций использовалось весьма широко и с его помощью были получены многочисленные результаты. Исследо-

к выводу о преимуществах первого. В задачу настоящего пособия не входит детальное описание корреляционных методов, а только самое общее ознакомление с ними.

Надо отметить, что недостатком метода Ханша является необходимость определения ряда констант опытным путем, а это может быть затруднительно. Основная идея, которую отражает уравнение Ханша, сводится к тому, что очень гидрофильные молекулы с трудом проникают через липоидные барьеры и в связи с этим имеют малую вероятность достигнуть места действия в течение избранного интервала времени. Вместе с тем вещества с очень высоким коэффициентом распределения весьма прочно удерживаются первыми же липоидами и в результате также лишь с трудом могут достигнуть места действия. Наиболее же биологически активными соединениями, способными быстро и в достаточном количестве достигать тех участков в живой ткани, в результате контакта с которыми и развивается тот или иной эффект, являются соединения с промежуточным гидрофильногидрофобным балансом.

В историко-логическом аспекте использование корреляционных уравнений для расчетов величин биологической активности генетически родственных соединений описано Ю.А. Ждановым. Для расчетов показателей токсичности, помимо корреляционного, был использован также способ, основанный на предположении, что каждому заместителю можно приписать определенный положительный или отрицательный вклад в токсическое действие, причем эти вклады аддитивны.

286

Наиболее полно указанный подход был воплощен в методе Фри и Вильсона, а использован для токсикологических целей МакГауаном и его последователями.

11.4. Система неэлектролитов Н.В. Лазарева.

Связи показателей токсичности разнообразных органических соединений с их физико-химическими характеристиками

Неоднократно было показано, что существует определенная взаимосвязь между параметрами токсичности и некоторыми физико-химическими свойствами органических веществ, причем круг веществ, взятых в рассмотрение, может быть весьма широк и практически включать в себя все соединения, относящиеся к органической химии. Понятно, установленные здесь корреляции всегда хуже, чем указанные выше для генетических групп органических соединений.

Много корреляций такого широкого плана описано Н.В. Лазаревым. Это корреляции различных физико-химических свойств с разнообразными проявлениями биологического действия веществ, прилагаемых к биологическим объектам как в воздушной, так и в водной среде. Н.В. Лазарев впервые отметил значение этой связи для классификации органических веществнеэлектролитов с точки зрения их биологического действия. Он попытался построить систему органических соединений, которая позволяет в общих чертах обрисовать их биологическое действие наосновезнанияихединственного свойства– липофильности.

Взаимосвязанность биологического действия с физикохимическими свойствами веществ, в частности с их липофильностью, является теоретической основой системы Н.В. Лазарева. Этой же основой служит и факт взаимосвязанности между собой самих физико-химических свойств. Примеры здесь вполне очевидны. Так, при хорошей растворимости органической жидкости в воде эта жидкость не может обладать коэффициентом рас-

287

пределения между маслом и водой, равным сотням и тысячам. Пары хорошо растворимой в воде органической жидкости не могут иметь коэффициент распределения между водой и воздухом ниже единицы. Соединение с молекулярным весом меньше 50 не может иметь удельный вес больше 2 или температуру кипения больше 200 °С. Малый молекулярный вес несовместим с показателем преломления, равным 1,5; этот показатель должен быть меньше. Сам Н.В. Лазарев так выразил эту мысль: «Возможность некоторых сочетаний физико-химических свойств в одном веществе столь же велика, как и возможность повстречаться с химерой». Все сказанное явилось основанием для наименования системы Н.В. Лазарева системой биолого-физико- химической классификации неэлектролитов.

В системе Лазарева вещества расположены по возрастающим значениям их коэффициента распределения масло/вода. К каждой следующей группе отнесены соединения с коэффициентом распределения в 10 раз более высоким, чем в предыдущей группе. В первую группу системы включены неэлектролиты со значениями коэффициента распределения от 10–3 до 10–2, во вторую – со значениями от 10–2 до 10–1, а в последнюю, девятую группу – от 105 и выше.

Система является не только важным теоретическим обобщением о связи физико-химических свойств и биологического действия органических веществ; она играет также заметную практическую роль. В частности, по принадлежности вещества к той или иной группе системы токсикологи могут в известной степени предсказать силу его вредного действия, даже если никаких данных о влиянии вещества на какой-либо биологический объект и не существовало. Предположим, речь идет одвух новых органических соединениях, имеющих коэффициенты распределения масло/вода соответственно 0,008 и 2000. Всистеме неэлектролитов первое соединение займет место во второй группе, а следующее– вседьмой группе. Группы системы достаточно полно охарактеризованы и, отнеся соединение к одной из них, о нем уже

288

многое можно сказать. В нашем примере соединение из II группы системы будет вызывать наркоз млекопитающих при концентрации в крови, равной 100–200 ммоль/л, аиз VII – всего лишь при нескольких сотых или десятых долях миллимолей на литр. Жжение при вкапывании в конъюнктивальный мешок будет ощущаться при сотнях миллимолях на литр в случае вещества из

II группы и при менее чем 10 ммоль/л– из VII группы системы. Первое органическое соединение будет очень медленно выделяться через легкие, второе (VII группа) – в основном очень быстро, хотя постепенное выведение вещества из жировых депо можетзатягиватьсянадолгийсрок.

Со времени создания Н.В. Лазаревым биолого-физико- химической системы неэлектролитов прошло много лет. За эти годы стала очевидной большая роль подобной системы в области токсикологии, в частности и для количественного предсказания показателей токсичности. Однако коэффициент распределения масло/вода, дающий основу для классификации в системе Лазарева, не является доступной физико-химической константой и в большинстве случаев неизвестен для вновь синтезируемых соединений. Можно назвать и ряд других отрицательных качеств этого коэффициента как основы для классификации, на что указывал сам Н.В. Лазарев. Между тем к настоящему времени накопился обширный новый материал о связи структуры, свойств и действия веществ. Все это указывает на возможность

инасущность создания модифицированной биологической системы веществ, в основе которой лежала бы более доступная

иточная или легко определяемая физико-химическая константа; альтернативой является создание системы, базирующейся на комбинации таких констант.

Вкачестве примера весьма широкой корреляции приведем уравнение Н.И. Кобозева, связывающее действие веществ,

289

принадлежащих к различным группам (витамины, алкалоиды, химиотерапевтические препараты и др.) с их молекулярным весом (М):

lg (доза в г-моль) = 1 ± (0 ÷1,1) + М/115.

Это уравнение отражает тот факт, что, независимо от качественных особенностей биологического действия веществ, интенсивность воздействия с увеличением молекулярного веса в общем возрастает.

Принимая во внимание, что взаимосвязь между некоторыми физико-химическими свойствами органических веществ и параметрами их токсического действия не только существует, но и может иметь предсказательное значение, было проведено специальное исследование. В рассмотрение были взяты органические соединения, играющие роль в качестве промышленных вредностей. Известно, что в первую очередь – это летучие соединения, в связи с чем их круг был ограничен веществами с температурой кипения до 260 °С. Эти соединения

втой или иной степени ранее были подвергнуты токсикологическому обследованию, в результате чего имелась возможность количественно сопоставить показатели токсического действия веществ с их физико-химическими константами. Исследование ставило задачей выявление наиболее тесных корреляций с целью дальнейшего их использования прежде всего в практических целях – для расчетов показателей токсичности. Сопоставляемыми показателями токсичности явились следующие 5 ха-

рактеристик: DL50 – смертельная доза для 50 % белых мышей при введении вещества в желудок в 0,2 мл рафинированного

подсолнечного масла, ммоль/кг; CL50 – смертельная концентрация для 50 % белых мышей при ингаляционной затравке

втечение 2 ч и в периоде наблюдения 7 сут., ммоль/л; CN50 – наркотическая концентрация для 50 % белых мышей при двух-

часовой затравке, ммоль/л; Cmin – пороговая концентрация, ммоль/л, вызывающая изменение характеристик безусловного

290