МЕТАБОЛИЗМ ЧУЖЕРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Биохимическая токсикология рассматривает вопросы токсикодинамики и метаболизма чужеродных веществ.

Вопросы кинетики чужеродных соединений, основные закономерности и параметры их распределения, процессы всасывания и экскреции, кинетика выведения из организмаподробно рассмотрены в курсе фармакологии.

Вопросы биотрансформации ЧС в организме, этапы и пути реакций биотрансформации, факторы, влияющие на метаболизм, рассмотрены в курсе биологической химии.

Рис. 3 Основытоксикокинетики:

26

В судьбе ЧВ, поступивших тем или иным путем в организм (через желу- дочно-кишечный тракт, дыхательные пути, через кожу и др.), следует различать несколько этапов:

-всасывание (резорбция), транспорт через биологические мембраны;

-перенос скровью и распределение в тканях;

-связывание с белками;

-метаболизм (собственнобиотрансформация);

-взаимодействие с рецепторами (определенными зонами биохимических субстратов);

-выведение из организма.

Всасывание ЧВ:

Для оказания воздействия на организм биологически активные веществаксенобиотики должны пройти через ряд биологических мембран

А) в несколько слоев клеток– кожа, плацента;

Б) в один слой клеток– кишечный эпителий, печеночная паренхима; В) молекулярные слои – клеточные и субклеточные мембраны.

Взависимости от числа и характера клеточные и молекулярных слоев биологические мембраны имеют разную проницаемость для веществ. Перенос в одном направлении обозначают как всасывание, а в противоположном – выделение.

Восновном веществам приходится преодолевать клеточные мембраны, основу которых составляет бимолекулярный липидный слой с ориентированными

вобе стороны полярными группами, на поверхности которых находятся белковые молекулы. Мембрану в целом можно рассматривать как липопротеидную структуру, поддерживаемую за счет гидрофобных и полярных связей. Общая толщина клеточных мембран составляет 6,0 – 10,0 нм и состоит примерно на 60% из белка и 40% липидов. Мембрана пронизана порами диаметром 0,35 – 0,4 нм. В состав мембран входит также вода, молекулы которой заполняют мембранные поры и могут занимать пространствомеждуслоями белкаи липидов.

27

Как поверхность мембраны, так и поры несут заряд. Поэтому мембраны проницаемы лишь для сравнительно мелких ионизированных (растворимых) молекул, а более крупные неионизированные (нерастворимые) проникают через мембраны путем растворения в их липидной составляющей. Поэтому проницаемость мембран для биологически активных сильно варьирует и зависит от химического строения молекул и рН среды.

Рис. 4 Механизмы транспортавеществ через биологические мембраны:

Пиноцитоз – поглощение капель внеклеточной жидкости в виде вакуолей путем инвагинации клеточной стенки;

Активный транспорт – переносит соединения через мембраны с помощью специфических носителей (переносчиков), локализующихся в клеточных оболочках и требующих затраты энергии, черпаемой из процессов окислительного фосфорилирования. Носители адекватны к нормальным метаболитам и ионам, присущим данному организму. Перенос может осуществляться против градиента концентрации (т.е. из среды с низкой концентрацией в среду с более высокой концентрацией).

Пассивный транспорт – перемещение веществ за счет простой диффузии через липоидную основу мембраны или путем фильтрации через поры оболочек. Пассивный транспорт перемещает вещества без расхода энергии по градиентуконцентрации.

28

Через поры транспортируются небольшие гидрофильные молекулы радиусом менее 0,4 нм (вода, мочевина).

Для подавляющего большинства молекул лекарственных веществ и многих токсичных ксенобиотиков основным механизмом переноса через мембрану служит простая диффузия. Скорость простой диффузии прямо пропорциональна разности концентраций вещества между клеткой и окружающей средой (С1– С2), площади поверхности (S), коэффициенту диффузии (К) транспортируемого вещества и обратно пропорциональна толщине мембраны (d). Это соотношение (закон Щукарева и Фика) можно выразить формулой:

Скорость диффузии = К S (С1 – С2) /d

Коэффициент диффузии переносимого вещества зависит от его молекулярной массы, пространственной конфигурации, степени ионизации и растворимости в липидах.

Таким образом, неэлектролиты транспортируются через мембраны в соответствии с их растворимостью в липидах, а электролиты – в соответствии со степенью их ионизации и растворимости в липидах неионизированных молекул. Неионизированные формы – хорошо растворимы в липидахи плохо в воде, поэтому они легкопроникают через мембраны.

Степень ионизации веществ и следовательно перенос через мембраны во многом зависят от рН среды по обеим сторонам мембран. Так, например, всасывание алкалоидов, слабых оснований, (алкали – щелочь) – эфедрин, стрихнин, кофеин и пр. – в кислой среде же лудочного сока происходит слабо (т.к. при рН=2 они находятся б.ч. в ионизированной форме) и даже наблюдается некотрое диффундирование их из крови в желудок. А в кишечнике при рН=7,8 эти вещества становятся слабоионизированными и легко всасываются. Согласно этим же закономерностям происходит всасывание слабых кислот, таким образом салициловая и барбитуровая кислоты всасываются в основном в желудке (рН=2).

29

Сравнительно небольшое число ксенобиотиков относится к сильным основаниям и кислотам– курареподобные вещества, некоторые антибиотики и пр.

Липотропные неэлектролиты легко проникают через липопротеиновые мембраны – алкоголи, диэтиловый эфир, хлороформ (С2Н5ОН, С2Н5ОС2Н5,

СНCl3).

Нерастворимые в липидах молекулы проникают в мембраны путем медленной фильтрации сводой через мембранные поры – глюкоза, фруктоза.

Распределение и выведение токсических веществ:

По мере всасывания в кровь и переноса с кровью по органам чужеродные вещества проходят через стенку капилляров в межклеточную жидкость и через клеточные оболочки внутрь клеток. Постепенно устанавливается равновесие междуконцентрацией веществав тканяхи жидкостях организма.

В крови многие биологически активные соединения вступают в обратимую связь с белками (в основном альбуминами, реже глобулинами), образуя комплексы, которые не проникают через мембраны и не оказывают биологического действия. Связывание БАВ белками приводит к замедлению их метаболизма:

Рис. 5 Связывание биологически активныхвеществ альбуминами

Накопление чужеродных соединений в тканях и органах зависит от их фи- зико-химических свойств и свойств тканей органов.

30

Большое значение имеет коэффициент распределения между липидами и водой:

Кр = Слип/Свода = Sлип/ Sвода =

const

где Кр – коэффициент распределения Слип и Свода – концентрации вещества в липоидной и водной фазах при установлении равновесия;

Sлип и Sвода – растворимость вещества в липоидах и воде;

const означает, что этот коэффициент является постоянным для данного вещества.

Чем больше коэффициент распределения, тем выше содержание вещества в тканях богатых липоидами и наоборот.

Проникая в ткани и проходя через последнюю биологическую мембрану, окружающую рецептор, БАВ вступает во взаимодействие с этим рецептором, оказывая биологически активное действие. Длительность этого воздействия зависит от концентрации чужеродного вещества.

В организме устанавливается динамическое равновесие между количеством БАВ, фиксированного в тканях рецепторами, фракцией вещества в неактивном комплексе и свободной фракцией вещества:

Так как в орга низме происходит постоянная трансформация вещества, приводящая к его инактивации и выведению из организма, количество токсиканта постепенно снижается во всехтрех равновесных фракциях.

В зависимости от концентрации в плазме происходит перемещение вещества в кровь и выведение из организма с мочой и желчью, с молоком, потом, слюной, путем секреции в различные отделы желудочно-кишечного тракта и дистального отделапочечных канальцев.

31

Легче подвергаются процессу ультрафильтрации, вещества находящиеся в неионизированном виде. При этом характер и степень прохождения их через мембраны зависят от величины рН по обеим сторонам мембраны. Кислая реакция мочи способствует фильтрации веществ основного характера (например, алкалоидов), так как неионизированная форма легко проникает в мочу, а в моче они ионизируются, что затрудняет процесс реадсорбции.

Кроме того, эпителиальные клетки канальцев почек имеют два механизма активного транспорта: один для кислот, другой для оснований, что позволяет экскретировать из организма водорастворимые вещества (например, пенициллин). Большой экскреторной способность обладают клетки печени, располагающие механизмами пассивного и активного транспорта и выводящие чужеродные вещества с желчью в кишечник.

Общая характеристика метаболизма чужеродных веществ

Некоторые токсичные вещества покидают организм в неизмененном виде – окись углерода, закись азота, в некоторой степени хлороформ и др. Однако метаболическая инертность – понятие относительное. Большинство веществ подвергается в организме хотя бы незначительному метаболизму. Например, веронал, примерно на 5% метаболизируется, а 95% выделяется с мочой в неизменном виде.

Образующиеся в результате метаболизма соединения могут иметь большую или меньшую по сравнению с первоначальной биологическую активность. По большей части трансформация токсичных веществ в организме приводит к их инактивации. Но в ряде случаев может происходить не обезвреживание, а наоборот – увеличение токсичности. Примером последнего может служить малотоксичный сам по себе метиловый спирт, окисляющийся в организме под действием алкогольдегидрогеназы в токсичный формальдегид и муравьиную кислоту:

СН3ОН → НСНО → НСООН

32

Превращения чужеродных веществ, поступивших в организм могут идти как по пути разрушения (упрощения структуры), так и в направлении ее усложнения. Зачастую превращение вещества включает обе эти фазы: 1) на первой стадии молекула чужеродного вещества приобретает новые функциональные группы, повышающие ее полярность и одновременно могущие изменять (повышать или понижать) активность (токсичность) вещества; 2) в последующих реакциях при коньюгации вещество или его метаболиты соединяются с эндогенными молекулами или группировками (глюкуроновой кислотой, серной кислотой и др.).

В качестве примера дезинтоксикации можно привести превращение молекулы люминала(фенобарбитала):

Примером усиления токсичности при метаболизме чужеродных соединений может служить превращение лекарственного вещества фенацетина в парафенитидин, вызывающий гипоксию за счет образования метгемоглобина:

33

В качестве примера изменения активности вещества можно рассмотреть метаболизм ипрониазида – антидепрессанта, который в результате дезалкилирования превращается в изониазид, обладающий противотуберкулезным действием:

В качестве примера инактивации биологически активного вещества путем коньюгации с уксусной кислотой (в виде ацетил-КоА) можно привести превращение сульфаниламидов:

Таким образом, в результате биотрансформации чужеродных веществ возрастает полярность их молекул, падает или исчезает липорастворимость и биологическая (фармакологическая) активность, повышается растворимость в воде и ускоряется выведение из почек с мочой (благодаря системе активного транспорта через почечные канальцы).

Роль печени в метаболизме чужеродных веществ

Инактивация чужеродных веществ осуществляется в основном в печени. В гепатоцитах наиболее полно представлен набор ферментных систем, осуществляющих окисление разнообразныхксенобиотиков.

Важную роль в обезвреживании токсичных соединений играют пероксисомы. Пероксисомы (микротельца) – внутриклеточные органеллы диаметром око-

34

ло 1 нм, содержат оксидазы (оксидазы-D-аминокислот, уратоксидаза и каталаза) и обеспечивают аэробные реакции окисления чужеродных веществ и их промежуточныхметаболитов последующему механизму:

SH2 + O2 → S + H2O2

Образующаяся Н2О2 расщепляется каталазой по следующему уравнению:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

Наиболее крупные и многочисленные пероксисомы отмечены в клетках печени. У растений пероксисомы катализируют окисление побочных продуктов реакции в которой СО2 превращается в углеводы (процесс фотодыхания с использованием О2 и выделением СО2).

Но основные реакции окисления катализируются микросомальными ферментами печени, локализованными в эндоплазматическом ретикулуме (микросомах). ЭПР – липопротеиновая канальцевая сеть, распространяющаяся от стенки клетки через всю цитоплазму. При гомогенизации тканей ЭПР распадается на отдельные частички – микросомы. Выделение ферментов, связанных с липопротеиновой ЭПР, представляет большие технические сложности.

В метаболизме ксенобиотиков принимают участие также некоторые ферменты межуточного обмена (алкогольдегидрогеназы, альдегиддегидрогеназы, ксантиноксидазы, эстеразы и пр.).

Все превращения ксенобиотиков принято подразделять на микросомальные (катализируемые ферментами ЭПР печени) и немикросомальные (катализируемые ферментами, локализованными в другихчастях клетки).

Микросомальные монооксигеназы (мультиферментная система цитохрома Р450) обеспечивают реакции гидроксилирования.

Реакцию гидроксилирования субстрата можно представить в виде схемы:

35

1. Вначале субстрат (S) вступает в связь с окисленной формой цитохрома

Р450 (Fe3+)

S+ Fe3+ → S−Fe3+

2.Далее происходит восстановление комплекса субстрат-цитохром

S−Fe3+ + ē → S−Fe2+

3. Восстановленный комплекс вступает в связь с кислородом

S−Fe2+ + O2 → S−Fe2+−O2

4. Распад комплекса на гидроксилированный субстрат,цитохром Р450 и молекулу воды.

S−Fe2+−O2 → S−OH + Fe3+ + H2O

СУБСТРАТ (б.ч. жирораств-е в-ва)

ИЗОФОРМЫ

Р450

Микросомальному преобразованию для инактивации подвергаются, прежде всего, жирорастворимые вещества, которые легко проникают через мембраны в ЭПР и связываются с одной из изоформ Р450.

Скорость биотрансформации токсичных соединений системой оксидаз смешанного типа определяется концентрацией цитохрома Р450, количеством

36

различных изоформ цитохрома Р450 и их сродством к субстрату, концентрацией цитохром-с-редуктазы и скоростью восстановления комплекса препаратцитохром Р450. Скорость биотрансформации может зависеть и от конкурирования эндогенных и экзогенных субстратов.

Окисление ксенобиотиков происходит под влиянием оксидазы и редуктазы при обязательном участии НАДФН.Н+ и молекулярного кислорода. Неспецифические оксидазы катализируют процессы дезаминирования первичных и вторичных аминов, гидроксилирования боковых цепей и ароматических колец гетероциклических соединений, образованиясульфоксидов и деалкилирования.

Конъюгация ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой также осуществляет-

ся под влиянием микросомальных ферментов. Это один из основных путей биотрансформации карбоновых кислот, спиртов, фенолов. Путем конъюгации из организма выводятся эстрогены, глюкокортикоиды, прогестерон, алкалоиды опия и другие наркотические анальгетики, амидопирин, салицилаты, барбитураты, антибиотики и многие другие вещества.

Индукторы микросомального окисления

Лекарственные средства могут, как повышать, так и снижать активность микросомальных ферментов. Существует большая группа веществ, включающихся в печеночный метаболизм, активирующих, подавляющих и даже разрушающих цитохром Р450. К числу последних относятся ксикаин, совкаин, бенкаин, индерал, вискен, эралдин и т.д.

Более значительной является группа веществ, индуцирующих синтез различных изоформ цитохрома Р420, N- и О-деметилаз микросом. Это гексобарбитал, фенобарбитал, пентобарбитал, ноксирон, фенилбутазон, кофеин, фенамин, этанол, никотин, бутадион, нейролептики, амидопирин, хлорциклизин, димедрол, мепробамат, сибазон, мебедрол, бутадион, трициклические антидепрессанты, бензонал, хинин, кордиамин, многие хлорсодержащие пестициды. Индукторы усиливают не только метаболизм лекарственных веществ в печени, но и ихвыведение сжелчью. Причем ускоряется метаболизм и самихиндукторов.

37

Выделение чужеродных веществ

К органам выделительной системы относятся почки, желудочно-кишечный тракт, потовые и сальные железы кожи, альвеолярный аппарат легких. Эти органы выполняют функцию выведения из организма конечных продуктов обмена веществ, ксенобиотиков и их производных, являются ключевыми в обеспечении гомеостаза.

Восновном чужеродные соединения и их метаболиты выделяются с мочой

ижелчью.

Процесс образования мочи включает в себя следующие этапы: 1) ультрафильтрация крови почечными клубочками, 2) избирательная реадсорбция пороговых веществ, 3) секреция веществ в просвет почечных канальцев.

Ультрафильтрация плазмы крови через клубочковую мембрану нефрон-

ов. В результате пассивной фильтрации жидкой части крови почечными клубочками образуется ультрафильтрат или первичная моча (около 200 мл/сут), который содержит все несвязанные с белками гидрофильные компоненты плазмы крови приблизительновтойже концентрации, какв крови.

Избирательная реадсобция химических веществ почечными канальца-

ми. В проксимальных отделах почечных канальцев происходит реадсорбция веществ. Все вещества первичной мочи делятся на пороговые и беспороговые. Пороговые вещества реадсорбируются, беспороговые – нет, поэтому выделяются с мочой пропорционально их концентрации в плазме крови. Реадсорбция происходит по механизму простой диффузии или активного транспорта (поэтому в почечныхканальцах велика активностьNa+K+АТФ-аз).

Секреция молекул эпителиальными клетками почечных канальцев. Со-

единения, выделяемые путём секреции (активного транспорта) высокоионизированы и могут выводиться в канальцевую мочу против высоких концентрационных градиентов (органические кислоты и основания – большая часть ЛВ). При этом величина связывания вещества с белками не играет существенной роли, так как канальцы секретируют не только свободные, нои связанные с белками соединения.

38

Пассивный канальцевый транспорт. Канальцевый эпителий, в частно-

сти, в дистальных канальцах, пропускает неионизированные низкомолекулярные вещества. При этом, соединения, которые в моче ионизированы в большей степени, чем в плазме крови, имеют тенденцию к диффундированию через канальцевый эпителий из крови в клубочковый фильтрат. Липорастворимые соединения подвергаются обратному всасыванию (реабсорбции) в кровь посредством простой диффузии в дистальных канальцах нефрона. Соединения, плохо растворимые в жирах, реабсорбируются лишь частично (например, веронал).

Величина рН мочи колеблется в норме между 4,8 и 7,5 (в среднем значение рН 5,8). В случае, если канальцевая моча более щелочная, чем плазма, в мочу легко проникают слабые кислоты с рКа = 3-7,5 (барбитураты, салицилаты, сульфаниламиды) и, наоборот, если канальцевая моча более кислая, в неё переходят слабые основания с рКа = 7-11. При рН мочи равной рН плазмы (7,4) экскреция не будет зависеть от величины рКа.

Выделение с выдыхаемым воздухом. Многие летучие соединения, ин-

декс липорастворимости которых мал, выделяются неизменёнными с выдыхаемым воздухом. Бензол, фторбензол, хлорбензол выделяются по этому пути интенсивно, а бромбензол, нитробензол, анилин – менее интенсивно.

Выделение через желудочно-кишечный тракт играет значительно меньшую роль. Практическое значение этот путь имеет только для солей тяжёлых металлов и некоторых лекарственных и наркотических веществ (каннабиноиды на 65% выделяются с желчью, производное фенотиазина– тиоридазин – на9%, морфин до 10%).

Выделение чужеродных соединений в незначительной степени происходит также путём пассивного транспорта неионизированных молекул в секреты различных желёз– слюна, пот.

Нередко чужеродные вещества и их метаболиты выделяются сразу несколькими путями, например, этиловый спирт на 90% метаболизирует, и лишь 10% его выделяется в неизмененном виде, причём с выдыхаемым воздухом – 7%, 3% выделяется с мочой и в небольших количествах со слюной, потом и др.

39

Понимание закономерностей биотрансформации и токсикокинетики (моделирование процессов поведения ЧВ в организме) позволяет правильно выбрать объект исследования, понять целесообразность исследования, правильно решить вопросы идентификации и оценки полученных результатов. Метаболизм некоторыхТВ в достаточной мере не изучен или не изучался.

Токсикодинамика – раздел токсикологии, изучающий стадии отравления, симптомы отравления накаждой стадии, виды терапии:

40