Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Основы биохимии и токсикологии» для специальности 1-57 01 02 «Экологический менеджмент и аудит в промышленности»

-и наличием участков связывания вещества, находящихся непосредственно в плазме и тканях.

Существует три главных сектора распределения чужеродных веществ:

внеклеточная жидкость (примерно 14 л для человека массой тела 70 кг),

внутриклеточная жидкость (28 л)

и жировая ткань, объем которой значительно варьирует. Объем распределения зависит от трех основных физико-

химических свойств данного вещества: -водорастворимости, -жирорастворимости

-и способности к диссоциации (ионообразованию). Водорастворимые соединения способны распространяться во

всем водном секторе (внеклеточная и внутриклеточная жидкость) организма — около 42 л; жирорастворимые вещества накапливаются (депонируются) преимущественно в липидах.

Основным препятствием для распространения водорастворимых веществ в организме являются плазменные мембраны клеток.

Превращение токсических веществ в организме

1.Веществ, полностью выделяющиеся в своем первоначальном виде, ( немного -инертные газы.)

2.Биотрансформация ядов. а)Полный метаболизм.

Основная масса веществ подвергается в организме полному метаболизму, доходящему в отдельных случаях до конечных продуктов обмена - СО2 и Н2О. Примером являются сложные эфиры жирных кислот и алифатических спиртов.

б)Метаболическая трансформация Осуществляется, главным образом, в печени и катализируется

ферментами, содержащимися в растворимых митохондриальной и микросомальной фракциях клетки.

Следствием биохимической модификации молекулы ксенобиотика могут стать:

1.Ослабление токсичности;

2.Усиление токсичности ( летальный синтез)

3.Изменение характера токсического действия;

4. Инициация токсического процесса.

Ослабление токсичности

Механизмы метаболической трансформации токсических веществ

Процесс превращения поступивших в организм чужеродных веществ называется метаболизмом, или биотрансформацией.

Вещества, образующиеся при этих превращениях, называются метаболитами.

Метаболизм ядов происходит в две фазы.

Впервой фазе под влиянием ферментных систем чужеродные вещества превращаются в их метаболиты в результате реакций гидроксилирования (окисление, восстановление, гидролиз), протекающие с затратой необходимой для этого энергии

Врезультате этой серии реакций ксенобиотики становятся более гидрофильными и выделяются с мочой. Вещества, более гидрофобные или обладающие большой молекулярной массой (>300 кД), чаще выводятся с жѐлчью в кишечник и затем удаляются с фекалиями.

Система обезвреживания включает множество разнообразных ферментов, под действием которых практически любой ксенобиотик может быть модифицирован. Микросомальные ферменты катализируют реакции С-гидроксилирования, N-гидроксилирования, О-

,N-, S-дезалкилирования, окислительного дезаминирования, сульфоокисления и эпоксидирования.

Во второй фазе метаболиты и некоторые исходные токсические вещества вступают с веществами, находящимися в организме, в реакцию конъюгации с образованием конъюгатов.

Реакции конъюгации (соединение с белками, аминокислотами, глюкуроновой и серной кислотами), не требуют использования основных энергетических ресурсов клетки.

Смысл всех этих реакций заключается в образовании нетоксичных, хорошо растворимых в воде соединений, которые гораздо легче, чем исходное вещество, могут вовлекаться в другие метаболические превращения и выводиться из организма экскреторными органами.

Рисунок 2.5.3. Фазы метаболизма ксенобиотиков

Рисунок 2.5.4. Локализация этапов метаболических превращений ксенобиотиков в организме

Простейший детоксицирующий цикл заключается в следующем: попавшие в организм экзогенные чужеродные вещества (RH) соединяются с альбумином (А) и в виде комплекса (RHA) транспортируются в печень. Часть чужеродных веществ может попадать в печень и в свободном виде. Здесь на цитохроме Р-450 в мембранах эндоплазматической сети гепатоцита происходит окисление ксенобиотика, который уже в виде нового комплекса (ROHA) или в свободном виде (ROH) удаляется через экскреторные органы.

Цитохром Р-450 – это сложный белок, состоящий из двух частей: апофермента — собственно белковой части и простетической группы. Апофермент выполняет регуляторную функцию и может связывать сотни самых различных соединений.

Гем обладает способностью переводить молекулярный кислород из неактивной формы в активную и использовать его в реакциях окисления, которых насчитывается несколько десятков. Гем ―работает‖ в составе окислительно-восстановительной цепи, поставляющей ему необходимые для активации кислорода электроны.

Рисунок 2.5.5. Детоксицирующий цикл в печени.

В первой фазе метаболизма катализируемые ферментами биохимические превращения могут быть разделены по видам реакций на следующие группы:

-реакции окисления, -реакции восстановления, -реакции гидролиза, 2 фаза

-реакции синтеза и реакции конъюгации.

Реакция конъюгации – это соединение метаболитов ядов с некоторыми веществами, находящимися в организме, т.е. это реакции биосинтеза.

В результате первичных реакций биотрансформации или в первой фазе метаболизма ядовитые соединения могут приобретать химически активные группы (-ОН, -СООН, -NH2, -SH).

Обладая данными химически активными группами, яды вступают в реакции конъюгации с легкодоступными эндогенными субстратами: глюкуроновой кислотой, сульфатом, уксусной кислотой, некоторыми аминокислотами. При этом образуются более полярные молекулы, выделяющиеся из организма с мочой.

Глюкуроновая конъюгация

Глюкуроновая конъюгация – универсальная реакция связывания ядов у всех видов млекопитающих.

Основным источником глюкуроновой кислоты – продукта окисления сахаров – является глюкоза или ее предшественники.

Специфическим коферментом при образовании глюкуроновой кислоты служит урединдифосфат (УДФ).

Фенолы, спирты,карбоновые кислоты, ароматические амины реагируют с гидроксильной группой с образованием простых эфиров или глюкуронидов.

При взаимодействии с кислотной группой и с помощью глюкуронилтрансферазы образуют сложные эфиры.

Сульфатная конъюгация

С сульфатами реагируют такие токсические вещества, как фенолы, аминосоединения, спирты и др. В результате реакции образуются конъюгаты в виде сложных эфиров. Первой фазой этой реакции является активация сульфата, протекающая с затратой энергии при участии АТФ и ряда ферментов с образованием 3- фосфоаденозин-5-фосфосульфата, который непосредственно реагирует с чужеродным веществом.

Реакция образования конъюгатов спиртов и фенолов катализируется ферментом сульфотрансферазой.

Летальный синтез – врезультате биотрансформации образуются более токсичные продукты – токсичные метаболиты. Типичными примерами образования токсичных метаболитов служит биотрансформация в организме этилового и метилового спирта. В результате образуются более токсичные вещества: уксусный и муравьиный альдегиды и кислоты.

Рисунок 2.5.6. Летальный синтез этилового спирта в организме.

Рисунок 2.5.7. Летальный синтез метилового спирта в организме.

Изменение характера токсического действия.

В результате биотрансформации происходит образование веществ, способных иначе действовать на организм, чем исходные агенты.

Например, некоторые спирты (этиленгликоль) вызывают седативно-гипнотический эффект (опьянение, наркоз). Низкомолекулярные факультативные аллергены превращаются в антигены, при повторном поступлении их в организм развиваются аллергические реакции.

Инициация токсического процесса.

Метаболизм ксенобиотика может быть пусковым звеном в развитии интоксикации. Например, в ходе биологического окисления образуются ареноксиды, нитрозамины, гидроксиламины, нафтанол и др., являющиеся канцерогенами и мутагенами. Например, табачные нитрозосоединения (ННК, ННА, ННН), образующи-

еся из никотина при участии цитохрома Р450 , вызывают опухоли пищевода, легких, трахеи и др. (рис.2.4.7.)

Рисунок 2.5.8. Образование нитрозосоединений из никотина

Выведение токсических веществ из организма

Токсические соединения и их метаболиты выделяются через: -легкие, -почки,

-желудочно-кишечный тракт, -кожу;

- экскретируются одновременно по нескольким каналам.

90% ядов выводятся почками и через ЖКТ, причем почки являются основным путем выделения ядовитых веществ (70%) (рис.2.4.7)

Рисунок 2.5.9. Пути выведения ядов из организма

Выделение из организма как органических ядов, так и металлов происходит обычно двухфазно, а чаще даже в три фазы. Фазность связана с разной формой циркуляции и депонирования яда.

В первую очередь, как правило, удаляются из организма соединения, находящиеся в неизмененном виде или очень слабо связанные с биологическими компонентами (лигандами).

Затем происходит выделение фракции яда, находящейся в клетках в более прочно связанной форме, и в последнюю очередь покидает организм яд из постоянных тканевых депо.

Выделение через легкие

Летучие неэлектролиты и летучие метаболиты, образующиеся при биотрансформации яда, в основном, выделяется из организма в неизмененном виде с выдыхаемым воздухом.

Через легкие выводятся многие неэлектролиты, которые подвергаясь медленным превращениям, образуют конечные продукты распада диоксид углерода и воду.

Выделение начинается сразу после прекращения поступления яда в организм.

Первоначальная скорость выделения газов и паров определяется их физико-химическими свойствами: чем меньше коэффициент растворимости в воде, тем быстрее происходит выделение той части яда, которая находилась в крови и органах.

Выделение через почки.

Выделение через почки выполняется двумя разными механизмами:

-пассивной фильтрацией и -активным транспортом

Почками быстро выделяются металлы, циркулирующие в виде ионов и в молекулярно-дисперсном состоянии. Это относится в первую очередь к выделяющимся почти исключительно с мочой

-щелочным металлам - литию, рубидию, цезию при любом пути поступления в организм.

- ионизирующиеся соли двухвалентных металлов (Be,Cd, Cu), -металлы, введенные в организм в виде хелатов,

-и металлы V-VI групп, входящие в состав анионов (Cr, V,

Mo,Se).

Почки являются важнейшим органом выделения в организме. Через почки выводятся продукты обмена веществ, многие ксенобиотики и продукты их метаболизма. Масса почек чуть менее 0,3% массы тела, однако, через орган протекает более 25% минутного объема крови. Находящиеся в крови вещества, подлежащие выведению, быстро переходят в орган, а затем и выделяются с мочой.

Механизмы, регулирующие процесс экскреции ксенобиотико через почки следующие.

1. Фильтрация (через гломерулярно-капиллярный барьер):

-все низкомолекулярные вещества, находящиеся в растворенном состоянии в плазме крови (Ме n+).

2.Секреция (эпителием почечных канальцев):

-органические кислоты, мочевая кислота и т.д.;

-сильные органические основания, тетраэтиламмоний и т. д. 3. Реабсорбция (клетками эпителия):

-пассивная обратная диффузия всех жирорастворимых ве-

ществ;

-неионизированные молекулы органических кислот; -активная реабсорбция глюкозы, лактата, аминокислот, мо-

чевой кислоты, электролитов.

Выделение через желудочно-кишечный тракт

Выделение промышленных ядов через желудочно-кишечный тракт начинается уже во рту со слюной. В слюне обнаруживаются некоторые неэлектролиты и тяжелые металлы, например ртуть, свинец и др. Заглатывание слюны может возвращать соединения в желудок

Многие органические яды и образующиеся в печени их метаболиты с желчью поступают в кишечник, часть их выделяется из организма с калом, а часть повторно всасывается в кровь и выделяется с мочой. Возможен еще более сложный путь, обнаруженный, например, у морфина, когда из кишечника чужеродное вещество попадает в кровь и снова возвращается в печень (внутрипеченочная циркуляция яда).

Большинство ионов металлов, задерживающихся в печени, может связываться с желчными кислотами и с желчью выделяться через кишечник. При этом большую роль играет форма, в которой