Основы общей и экологической токсикологии. Учебное пособие
.pdf2. ВЛИЯНИЕ ЯДОВ НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ
2.1. СТАДИИ ОСТРЫХ ОТРАВЛЕНИЙ
Острые отравления представляют собой одну из актуальных проблем токсикологии, их рассматривают как химическую травму, развивающуюся вследствие попадания в организм токсической дозы чужеродного химического вещества. В этом плане важно выделить стадии острых отравлений и факторы, определяющие их развитие. В клинической картине острых отравлений выделяют токсикогенную и соматогенную стадии. Токсикогенная стадия соответствует периоду циркуляции яда в крови. Характеризуется наиболее яркими проявлениями специфических изменений в организме, вызванных ядом. В свою очередь, эта стадия состоит из двух фаз: резорбции (всасывания) и элиминации (выделения) яда. Соматогенная стадия начинается с момента исчезновения яда из крови. Для нее типично отсутствие четких признаков токсикологической специфичности. Это стадия осложнений, вызванных отравлением (острая почечная или печеноч- но-почечная недостаточность, пневмония, сепсис).
В процессе развития химической травмы всегда обнаруживается сочетание патогенных и защитных реакций, которые на разных этапах заболевания могут менять свои роль и значение.
2.2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДЕЙСТВИЕ ЯДОВ
Распределение токсических веществ в организме зависит от трех основных факторов.
Ведущим считается концентрационный фактор, который коррелирует с появлением клинических симптомов при токсической концентрации ядов в крови и с ее дальнейшим развитием вплоть до возможного летального исхода – при смертельной концентрации. Исследование динамики концентрационного фактора помогает обнаружить в токсикогенной фазе отравлений два основных периода: период резорбции, продолжающийся до момента достижения максимальной концен-
11
трации токсического вещества в крови, и период элиминации – от этого момента до полного очищения крови от яда.
Временной фактор определяет время пребывания токсической дозы яда в организме, скорость его поступления и выведения, т. е. отражает связь между временем действия яда и его токсическим эффектом. Определение динамики концентрационного и временного факторов помогает различать токсикогенную и соматогенную фазы интоксикации.
Пространственный фактор определяет пути наружного поступления и распространения яда. Последнее во многом связано с кровообращением органов и тканей, поскольку количество яда, поступающее к данному органу, зависит от его объемного кровотока, отнесенного к единице массы тканей. Наибольшее количество яда в единицу времени поступает обычно в легкие, почки, печень, сердце и мозг. Кроме того, токсический процесс определяется степенью чувствительности к яду рецепторов токсичности.
Характер взаимодействия токсического вещества с организмом связан со многими дополнительными факторами, относящимися как к самому яду, так и к пострадавшему организму, и зависящими от конкретно сложившейся «токсической ситуации»: например, от различных путей поступления яда в организм, совместного действия с другими ядами.
2.3. МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЯДОВ НА ОРГАНИЗМ И ИХ ТИПЫ
Под механизмом токсического действия яда понимают ту биохимическую реакцию, в которую он вступает в организме и результаты которой определяют весь развертывающийся патологический процесс отравления. Выяснение механизмов действия ядов относится к важнейшим задачам токсикологии, так как только на основе знания метаболических основ действия яда могут быть разработаны наиболее эффективные антидотные средства борьбы с отравлениями.
Различают три основных типа преимущественного действия токсических веществ – местное, рефлекторное, резорбтивное. Деление это достаточно условное и основано на преобладании тех или иных реакций.
Некоторые вещества оказывают действие на месте аппликации, главным образом на барьерные ткани: кожу, слизистые оболочки, не проникая в кровоток (процесс резорбции отсутствует). Такое действие
12
называется местным. Примером местного действия может служить влияние раздражающих и прижигающих веществ на слизистую оболочку дыхательных путей, полости рта, желудка, кишок и на кожу.
При местном воздействии возникает множество рефлекторных реакций, может происходить всасывание ядов и токсических веществ, образующихся в результате деструкции тканей.
Рефлекторное действие веществ проявляется в результате влияния на окончания центростремительных нервов слизистых оболочек дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), а также кожи. Это действие бывает настолько сильным, что способно привести к спазму голосовой щели, отеку слизистой оболочки гортани и развитию механической асфиксии. Таким влиянием обладают некоторые газы (хлор, фосген, аммиак и т. п.).
Основные патологические изменения возникают в организме в результате резорбтивного действия веществ, их влияния на органы и ткани после всасывания в кровь. Различают яды с политропным действием, влияющие примерно в равной степени на различные органы и ткани, и яды с избирательным влиянием на отдельные системы и органы.
Развитие токсического процесса зависит от количества и свойств яда, индивидуальных особенностей организма, с которым взаимодействует яд (путей всасывания и особенностей распределения, обезвреживания и выделения яда из организма; возраста, пола, состояния, питания, особенностей индивидуальной реакции организма), и состояния среды, в которой происходит взаимодействие яда и организма (температура, влажность, атмосферное давление и др.).
2.4. ХАРАКТЕРИСТИКА СВЯЗИ ЯДА С РЕЦЕПТОРОМ
Взаимодействие токсиканта или продуктов его превращения в организме со структурными элементами биосистем, лежащее в основе развивающегося токсического процесса, называется механизмом токсического действия. Взаимодействие осуществляется за счет физикохимических и химических реакций.
Чаще в основе токсического действия лежат химические реакции токсиканта с определенным структурным элементом живой системы. Структурный компонент биологической системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант, называется его рецептором или «мишенью».
Любая клетка, ткань, орган содержат огромное количество потенциальных рецепторов различных типов («запускающих» различные
13
биологические реакции), с которыми могут вступать во взаимодействие токсичные вещества.
Мишенями (рецепторами) для токсического воздействия могут быть:
структурные элементы межклеточного пространства;
структурные элементы клеток организма (белки, нуклеиновые кислоты, липидные элементы биомембран, селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов, т. е. гормонов, нейромедиаторов) и т. д.;
структурные элементы систем регуляции клеточной активности. Каждая клетка организма окружена водной средой – интерстициаль-
ной или межклеточной жидкостью. Для клеток крови межклеточной жидкостью является плазма крови. Основные константы межклеточной жидкости: ее электролитный состав и определенное осмотическое давление. Электролитный состав определяется главным образом содержанием ионов Na+, K+, Са2+, Cl–, HCO3– и др.; осмотическое давление – присутствием белков, других анионов и катионов. Межклеточная жидкость содержит многочисленные субстраты для клеточного обмена, продукты метаболизма клеток, молекулы–регуляторы клеточной активности.
Попав в межклеточную жидкость, токсикант может изменять ее физико-химические свойства, вступать в химическое взаимодействие с ее структурными элементами. Изменение свойств межклеточной жидкости немедленно приводит к реакции со стороны клеток.
Основные функции белков: транспортная, структурная, энзиматическая (белки – это биологические катализаторы). Токсический эффект может развиваться при нарушении каждой из этих функций.
Нарушение свойств белков химическим веществом возможно различными способами, зависящими как от структуры токсиканта, так и от строения и функций белка. Возможны денатурация белка, блокада его активных центров, связывание активаторов и молекул, стабилизирующих протеин, и т. д.
К числу веществ, денатурирующих белки, относятся крепкие щелочи, кислоты, окислители, ионы тяжелых металлов. В основе денатурации лежит повреждение внутрибелковых связей, поддерживающих вторичную, третичную структуру протеина. При этом наиболее часто токсиканты взаимодействуют с СООН-, NH-, OH-, SH-, т. е. с группами аминокислот, образующих белки. Многочисленные токсиканты, связывающиеся с SH-группами, называются тиоловыми ядами. К чис-
14
лу тиоловых ядов прежде всего следует отнести тяжелые металлы, такие как ртуть, мышьяк, сурьма, таллий, органические соединения этих металлов (метилртуть, люизит и т. д.). Другие металлы более активно взаимодействуют с карбоксильными группами (свинец, кадмий, никель, медь, марганец, кобальт).
Особое значение в токсикологии придают действию ксенобиотиков на энзимы. Роль энзимов в обеспечении процессов жизнедеятельности огромна. Неудивительно, что вещества, модулирующие их активность, обладают высокой биологической активностью, порой являются высокотоксичными веществами. Энзимы – это белки, выполняющие функции биологических катализаторов. Поскольку все процессы в живых организмах протекают при участии энзимов, а все фундаментальные свойства живых систем неразрывно связаны с нормальным течением этих процессов, теоретически любые проявления жизни могут быть нарушены теми или иными токсикантами, изменяющими активность энзимов.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты – основной компонент хромосомного аппарата клеток. Рибонуклеиновые кислоты представлены информационной, транспортной, рибосомальной РНК. Их функция – участие в синтезе белка. Многие ксенобиотики вступают во взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, изменяя их свойства.
К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, относятся нитриты, сернистый, азотистый, кислородный иприты, этиленоксид, гидроксиламин, нитрозамины, полициклические углеводороды, метаболиты афлатоксинов, соединения мышьяка и многие другие вещества. Эти токсиканты образуют ковалентные связи с аминогруппами пуриновых и пиримидиновых оснований, входящих в структуру нуклеиновых кислот.
Важнейшая функция липидов – формирование биологических мембран. Вещества, разрушающие и изменяющие структуру липидов, нарушающие взаимодействие между молекулами липидов (гидрофобные связи), повреждают биологические мембраны и поэтому называются мембранотоксикантами. К числу таких относятся многие спирты, детергенты (поверхностно-активные вещества), яды, обладающие фосфолипазной активностью (например, яды змей), и др.
Большое значение имеет вопрос обратимости связи яда с рецептором, при этом необходимо знать: можно ли конкретные токсичные вещества удалить с рецепторов. Большинство токсичных веществ, по-
15
видимому, непрочно связываются с рецепторами, и их можно удалить. Считают, что ковалентные связи ядов с рецепторами прочные и труднообратимые. Однако количество токсических веществ, способных образовывать ковалентные связи, невелико. К ним относятся, например, препараты мышьяка, ртути и сурьмы, механизм действия которых состоит во взаимодействии с сульфгидрильными группами белков. Хотя ковалентные связи достаточно прочны, в определенных условиях они могут разрушаться с образованием новых ковалентных связей.
Большинство известных в настоящее время токсических веществ и лекарственных средств взаимодействуют с рецептором за счет более лабильных, легко разрушающихся связей – ионных, водородных, ван- дер-ваальсовых, что позволяет их успешному «отмыванию» и удалению из организма.
16
3. ОСНОВЫ ТОКСИКОКИНЕТИКИ: ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ ПОСТУПЛЕНИЯ, РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ЯДОВ
ИЗ ОРГАНИЗМА
Токсикокинетика – раздел токсикологии, в рамках которого изучаются закономерности, а также качественные и количественные характеристики резорбции, распределения, биотрансформации ксенобиотиков в организме и их элиминации.
С позиций токсикокинетики организм представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из большого числа компартментов (отделов), отделенных друг от друга биологическими барьерами: кровь, ткани, внеклеточная жидкость, внутриклеточное содержимое, имеющую различные свойства. К числу барьеров относятся клеточные и внутриклеточные мембраны, гистогематические барьеры (например, гематоэнцефалический), покровные ткани (кожа, слизистые оболочки). Кинетика веществ в организме – это преодоление ими биологических барьеров и распределение между компартментами.
В ходе поступления, распределения, выведения вещества осуществляются процессы его перемешивания (конвекция), растворения в биосредах, диффузии, осмоса, фильтрации через биологические барьеры.
Конкретные характеристики токсикокинетики определяются как свойствами самого вещества, так и структурно-функциональными особенностями организма. Важнейшие характеристики вещества, влияющие на его токсикокинетические параметры:
коэффициент распределения в системе масло/вода, который определяет способность накапливаться в соответствующей среде: жирорастворимые – в липидах, водорастворимые – в воде;
размер молекулы влияет на способность диффундировать в среде
ипроникать через поры биологических мембран и барьеров;
константа диссоциации определяет относительную часть молекул токсиканта, диссоциировавших в условиях внутренней среды организма, т. е. соотношение молекул, находящихся в ионизированной и неионизированной форме. Диссоциировавшие молекулы (ио-
17
ны) плохо проникают через ионные каналы и не проникают через липидные барьеры;
химические свойства определяют сродство токсиканта к химическим и биохимическим элементам клеток, тканей и органов.
Рассмотрим свойства организма, влияющие на токсикокинетику ксенобиотиков.
Свойства компартментов:
соотношение воды и жира в клетках, тканях и органах. Биологические структуры могут содержать либо мало (мышечная ткань), либо много жира (биологические мембраны, жировая ткань, мозг);
наличие молекул, активно связывающих токсикант. Например, в костях имеются структуры, активно связывающие не только кальций,
но и другие двухвалентные металлы (свинец, стронций и т. д.). Свойства биологических барьеров:
толщина;
наличие и размеры пор;
наличие или отсутствие механизмов активного или облегченного транспорта химических веществ.
3.1. ТРАНСПОРТ ЯДОВ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
Поступление чужеродных веществ в организм, их распределение между органами и тканями, биотрансформация (метаболизм) и выделение предполагают их проникновение (транспорт) через ряд биологических мембран.
Мембранные системы организма представляют собой подвижные структуры, образованные белково-фосфолипидными комплексами, и обладают ограниченной проницаемостью для различных соединений.
Липидный бислой формируется таким образом, что гидрофильные части фосфолипидов обращены к водной фазе, а гидрофобные – друг к другу. В липидный бислой встроены молекулы протеинов, которые и определяют тип мембраны, ее физиологическую и морфологическую идентичность, свойства и в том числе проницаемость для химических веществ. Предполагается, что именно белковые молекулы клеточных мембран участвуют в трансмембранном транспорте различных соединений (от ионов металлов до более крупных частиц), входя в состав клеточных насосов, выполняя роль переносчиков и образуя мембранные каналы и поры. Через биологические мембраны могут проходить жирорастворимые вещества, молекулы воды и лишь некоторые низкомолекулярные гидрофильные соединения.
18
3.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ ПРОНИКНОВЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
В настоящее время известно, что подавляющее большинство веществ может проникать в организм через один или несколько тканевых барьеров: кожные покровы, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), хотя скорость резорбции при этом различна. В зависимости от того, какой из барьеров преодолевает вещество, можно говорить об ингаляционном, чрезкожном или пероральном пути поступления токсиканта в организм.
Путь проникновения вещества в организм во многом определяется его агрегатным состоянием, локализацией в элементах окружающей среды, площадью и свойствами «входных ворот». Так, вещество в форме пара имеет очень высокую вероятность резорбироваться в дыхательных путях, но то же вещество, растворенное в воде, сможет попасть во внутреннюю среду организма преимущественно через желу- дочно-кишечный тракт и с меньшей вероятностью – через кожу.
3.2.1. РЕЗОРБЦИЯ ЧЕРЕЗ КОЖУ
Площадь поверхности кожных покровов взрослого человека составляет в среднем 1,6 м2. Анатомически кожа состоит из нескольких слоев.
Поверхностный слой кожи состоит из ороговевших эпидермоцитов. Его толщина равна 20…40 мкм, поверхность покрыта жировой смазкой. В роговом слое содержится 5…15 % воды. При длительном контакте с водой или водосодержащими средами количество воды в роговом слое увеличивается до 50 %, однако в кровоток вода не проникает. Расстояние, отделяющее роговой слой от капилляров дермального слоя, составляет в среднем 0,2…0,4 мм. Кожа представляет собой электрически заряженную мембрану. Ее наружная поверхность несет отрицательный заряд. В области роста волос, устий сальных и потовых желез целостность рогового слоя нарушается. Здесь же вокруг волосяных фолликулов, сальных и потовых желез локализуется разветвленная сеть капилляров.
Кожа не просто пассивный барьер, отделяющий организм от окружающей среды. Здесь, в эпидермальном слое, осуществляется и метаболизм некоторых ксенобиотиков, хотя общая активность процессов невелика (2…6 % от метаболической активности печени).
Проникновение токсических веществ через кожу имеет большое значение, преимущественно в производственных условиях. Существу-
19
ет, по крайней мере, три пути такого поступления: через эпидермис, волосяные фолликулы и выводные протоки сальных желез.
Для хорошо проникающих через кожу низкомолекулярных и липофильных соединений основным является трансэпидермальный путь, поскольку относительная суммарная площадь поверхности двух других путей мала и составляет менее 1 % от общей площади поверхности кожи. Так как многие токсиканты проникают через кожу чрезвычайно медленно, орган может выполнять функции своеобразного депо. Развивающиеся эффекты в этом случае формируются постепенно и по прошествии достаточно продолжительного скрытого периода.
На скорость резорбции влияют многочисленные факторы, среди которых важнейшие: площадь и локализация резорбирующей поверхности; интенсивность кровоснабжения кожи; свойства токсиканта.
На процесс резорбции в наибольшей степени влияют физикохимические свойства токсикантов и прежде всего способность растворяться в липидах (липофильность). Существует отчетливая корреляция между величиной коэффициента распределения в системе масло/вода и скоростью резорбции. Липофильные агенты (например, фосфорорганические соединения, иприты, хлорированные углеводы и др.) достаточно легко преодолевают кожный барьер. Гидрофильные агенты, особенно заряженные молекулы, практически не проникают через кожу. В этой связи проницаемость барьера для слабых кислот и оснований существенно зависит от степени их диссоциации. Вместе с тем проникновение в организм липофильных веществ, вообще не растворяющихся в воде, также невозможно: они депонируются в жировой смазке и эпидермисе и не захватываются кровью.
Газы, например кислород, азот, диоксид углерода, сероводород, аммиак, гелий, водород, способны к кожной резорбции.
Механические повреждения кожи (ссадины, раны и т. д.), термические и химические ожоги способствуют проникновению токсических веществ в организм.
3.2.2. РЕЗОРБЦИЯ ЧЕРЕЗ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНЫЙ ТРАКТ
Наиболее распространенным способом поступления токсических веществ в организм считается пероральный. Многие токсиканты достаточно быстро всасываются уже в ротовой полости. Эпителий полости рта не представляет собой значительной преграды на пути ксенобиотиков. В резорбции участвуют все отделы ротовой полости. Хотя площадь поверхности невелика, однако слизистая здесь хорошо снабжается кровью.
20