Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическая токсикология. Учебник для студентов высших учебных заведений
.pdf
ГЛАВА 4. ПОСТУПЛЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
71
(молочную, глютаминовую, лимонную и др.), липиды, липопротеины,
гликопротеины, ферменты, соли и многие другие вещества Клетки
крови включают эритроциты, лейкоциты, ретикулоциты, моноциты
и тромбоциты.
Кровь является основным транспортным средством при распределении токсичных веществ и их метаболитов в организме. Кровь транспортирует кислород и жизненно важные вещества к клеткам и удаляет
отходы их жизнедеятельности. Лимфатическая система представляет
собой дренажную систему в виде тонкой сетки мелких тонкостенных
лимфатических капилляров, проходящих через мягкие ткани и органы.
Многие токсиканты находятся в крови в виде ионов, что позволяет
им легко проникать через стенки капилляров в ткани и органы. Некоторые токсичные вещества в крови при определенных
значениях рН
образуют коллоидные частицы.
Молекулы, ионы и коллоиды токсикантов имеют различные возможности для перемещения с током крови, в том числе:
– благодаря физическим или химическим связям с клетками крови,
в основном с эритроцитами;
– при нахождении в плазме крови в свободном состоянии;
– в результате образования комплексов с
белками плазмы или с ор-
ганическими кислотами.
Токсичные вещества транспортируются в основном эритроцитами
и очень редко лейкоцитами. Токсикант может адсорбироваться на поверхности эритроцитов или связываться с лигандами их цитоплазмати-
ческой мембраны. В случае проникновения внутрь эритроцита токси-
кант может связываться с гемом (например, окись углерода и селена)
или глобином (например
, сурьма или полоний). С помощью эритроцитов транспортируются мышьяк, цезий, торий, радон, свинец, бериллий,
медь, теллур, уран и натрий. Шестивалентный хром связывается исключительно с эритроцитами, а трехвалентный хром — с белками плазмы. Для цинка характерна конкуренция между эритроцитами и белками
плазмы. Органическая ртуть в основном связывается с эритроцитами,
неорганическая ртуть взаимодействует главным образом с плазмен-
а
ным альбумином.
Альбумин представляет собой самую большую фракцию белков
плазмы крови человека — 55–65 %. В состав белковой молекулы альбумина входят все 20 аминокислот. Основная функция альбумина в организме человека — поддержание коллоидно-осмотической системы
крови. Альбумин связывает и транспортирует билирубин, различные
гормоны, жирные кислоты, ионы кальция
, хлора, лекарственные и ток-
сичные вещества. Общая площадь поверхности множества мелких мо-
лекул сывороточного альбумина очень велика (от 600 до 800 км
2
),
72
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
поэтому они особенно хорошо подходят для выполнения функции переносчиков многих транспортируемых кровью и плохо растворимых
в воде веществ. С помощью молекул альбуминов осуществляется транспорт тяжелых металлов (например, меди, цинка и кадмия), а также таких соединений, как динитро- и орто-крезолы, нитро- и галогенированные производные ароматических углеводородов и
фенолов.
Липопротеины плазмы служат средством транспортировки липо-
фильных токсикантов, таких как полихлорированные дифенилы. Транс-
портным средством могут служить и другие фракции плазмы. Сродство
токсикантов к белкам плазмы крови предполагает их сродство к белкам
в органах и тканях в процессе распределения.
Органические кислоты (молочная, глютаминовая, лимонная) обра-
зуют комплексы с некоторыми
токсикантами. Щелочноземельные и ред-
коземельные металлы, а также некоторые тяжелые металлы в виде ка-
тионов, образуют комплексы с органическими, а также окси- и амино-
кислотами. Все эти комплексы обладают хорошей диффузией и легко
выводятся из крови в ткани и органы. Концентрация токсических веществ в крови влияет на скорость их распространения
в тканях и орга-
нах или мобилизацию из них в кровь.
Глава 5. Особенности действия экотоксикантов
5.1. Уровни организации биологических объектов
Внешние, регистрируемые признаки токсического процесса назы-
ваются его проявлениями. Проявления токсического процесса
определяются уровнем организации биологического объекта, на котором
токсичность вещества изучается. Уровни организации биологических
систем подразделяют на молекулярный, субклеточный, клеточный, ор-
ганный, целостного организма, популяционный, биогеоценотический.
С усложнением организации биосистем формируются новые струк-
туры, появляются новые функции, в результате увеличивается
разнообразие способов их повреждения химическими веществами. Так, путем
образования и совершенствования биологических мембран в процессе
эволюции происходит отграничение формирующихся организмов
от окружающей среды. На определенном этапе мембраны представляют
собой новое качество, обеспечивающее структурную целостность за-
рождающейся жизни.
Высшие организмы, характеризующиеся большой массой и высокой
степенью организации, имеют специальные анатомо-
физиологические
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ
73
образования, обеспечивающие обмен веществом и энергией со средой (на-
пример, сердечно-сосудистая система, выделительная система и т. д.). Есте-
ственно, что вещество, избирательно взаимодействующее со структур-
но-морфологическими элементами этих систем, не будет оказывать токси-
ческого действия на организмы, у которых эти системы отсутствуют.
С увеличением сложности организации живого эволюционно фор
мируются регуляторные системы и системы, обеспечивающие межклеточное взаимодействие в организме (нервная система, эндокринная
система). Эти элементы живого организма также становятся мишенями
избирательного воздействия ксенобиотиков.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. По мере совершенствования организации живой материи возрастает многообразие её форм, появляются всё новые структурные элементы, вспомогательные системы
, обеспечивающие жизнедеятельность;
2. По мере совершенствования организации живой материи увели-
чивается количество способов, с помощью которых возможно поврежде-
ние биологических систем токсикантами;
3. Спектр веществ, способных оказывать неблагоприятное действие
на организм высших животных и человека, значительно шире, чем ток-
сикантов, действующих на растения и примитивные одноклеточные
и многоклеточные организмы.
-
5.2. Действие токсичных веществ на фундаментальные
свойства живых систем
Для всех уровней организации живых систем характерны свойства,
отличающие живую материю от неживой. К числу основных, фунда-
ментальных свойств живого относятся:
1. Потребление из окружающей среды и превращение питательных
веществ (метаболизм). Это необходимо для поддержания структурной
целостности биосистемы, её роста и размножения.
2. Обмен веществом и энергией с окружающей средой
. Таким путем
обеспечивается приток необходимых для жизнедеятельности структур-
ных элементов живого, их превращение, утилизация, выделение продуктов с высокой энтропией и тепловой энергии.
3. Регуляция. Поддержание структурно-функциональной органи-
зации биологической системы требует упорядоченности течения
обменных процессов. Для этого у высокоорганизованных организмов
формируются специальные механизмы регуляции. Механизмы регу-
ляции обеспечивают
адаптацию системы к изменяющимся условиям
среды.
74
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
4. Раздражимость и реактивность. Различные химические и фи-
зические факторы окружающей среды являются своеобразными сиг-
налами или источниками информации, на которые живой организм
реагирует в той или иной форме. Структуры, предназначенные для
восприятия и переработки соответствующей информации, используют
поступающее раздражение, что позволяет организму адекватно на него
реагировать.
5. Репродукция. Это
свойство обеспечивает поддержание или уве-
личение численности биологических объектов всех видов и типов. В ос-
нове репродукции лежит процесс клеточного деления. В ходе клеточ-
ного деления осуществляется перенос ДНК материнских клеток к дочерним клеткам, и за счет этого обеспечивается в последующем репродукция и всех остальных компонентов живого. В основе
наследствен-
ности лежат процессы сохранения информации о свойствах предшествующих поколений, зашифрованных в молекулах ДНК ( генах), и про-
цессы передачи этой информации из поколения в поколение.
6. Изменчивость. В основе изменчивости лежит трансформация,
преобразование генетического материала (генотипа), что проявляется
изменением структурно-функциональных особенностей организма (фенотипа). В основе изменчивости лежат
два явления: половое размножение и мутации. Половое размножение — это объединение генетического материала половых клеток родителей и образование оплодотво-
ренной яйцеклетки, содержащей двойной набор хромосом. Соотношение генетического материала обоих родителей в дочерней клетке формируется случайным образом. Фенотипические особенности нового
организма в этой связи не будут полностью повторять
свойства отцовского или материнского организмов, то есть возникает новая, не существовавшая ранее биологическая конструкция.
Под мутацией понимают некое спонтанное или вызванное
внешним воздействием изменение генетического материала, которое
передается в ходе репродукции дочерним клеткам. Эти изменения фенотипически могут проявляться в различной степени: от практически
незаметных до очевидных — и иметь
различные последствия для
адаптивных свойств организма.
Фундаментальные свойства живых организмов тесно связаны между собой и неотделимы друг от друга. Тем не менее первичные эффекты высокотоксичных соединений порой связаны с избирательным на-
рушением отдельных фундаментальных свойств живого — метаболизма, пластического обмена, энергетического обмена, регуляции, раздра-
жимости, репродукции. Чем более
токсично соединение, тем более
выражена эта избирательность.
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ
75
5.3. Взаимодействие токсичных веществ
с биологическими системами
Токсичные вещества могут взаимодействовать с биологическими
системами на всех уровнях их организации.
Молекулярная организация биологических систем чрезвычайно
сложна. Она представлена:
• молекулами простых веществ: кислород, азот, диоксид углерода, оксид азота; ионами натрия, калия, кальция, железа, магния, меди и т. д.;
• молекулами сложного состава: аминокислоты, сахара, жирные
кислоты, биологически активные гетероциклические
соединения;
• молекулами чрезвычайно сложного состава: белки, нуклеиновые
кислоты, липиды, полисахариды.
Теоретически любая молекула организма может стать мишенью для
воздействия тех или иных токсикантов. Однако, поскольку значение
разных классов и видов молекул для поддержания гомеостаза организма неодинаково, последствия этого воздействия различны.
Молекулярные системы обладают активным биологическим дей-
ствием при интеграции
нескольких молекул. Только в такой интегрированной форме они могут выполнять определенные функции в организме. Например, гемоглобин состоит из белка глобина и молекулярной
группы гема, включающей двухвалентное железо. В отдельности ни гем,
ни глобин не в состоянии осуществлять транспорт кислорода от легких
к тканям. Только молекулярная интеграция в виде
гемоглобина облада-
ет этим свойством. Поэтому при токсическом повреждении одного
из элементов молекулярной интеграции страдает функция молекулярной системы в целом.
В процессе ассоциации отдельных молекул и молекулярных систем
образуются функциональные комплексы, цепи, сети. Характерными
примерами такого рода организации являются цепи ферментов гликолиза, системы синтеза жирных кислот, биологического окисления и
т. д.
В свою очередь, эти системы участвуют в формировании более сложных
субклеточных комплексов: митохондрий, эндоплазматического ретику-
лума, ядра клетки и др. Действие токсикантов на молекулярные системы может сопровождаться избирательным повреждением отдельных
субклеточных комплексов. В этой связи иногда выделяют группы ми-
тохондриальных, лизосомальных, цитоплазматических ядов, мембранотоксикантов, генотоксикантов и
т. д.
Особо сложной формой организации материи является клетка. Она
представляет собой в известной степени самостоятельную единицу
жизни, т. е. обладает всеми свойствами живого организма. Первичные
процессы, приводящие к гибели организма, развиваются на клеточном
76
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
уровне. Вначале происходят изменения и повреждения отдельных клеток, занимающих определенное место в иерархии организма. Они,
в свою очередь, приводят к изменению и повреждению органов и тканей и к последующей гибели организма.
Необходимо подчеркнуть, что на клеточном уровне реализуются
те системы обмена веществ и энергии, которые определяют жизнеспособность и
функционирование, их взаимодействие между собой в со-
ставе органов и организма и, в конечном счете, — устойчивость вида
и биоценоза в определенных внешних условиях.
Любая работа, совершаемая клеткой, требует поступления извне
соответствующей порции энергии. В том числе и такая работа, как просто поддержание клетки в живом состоянии, когда на смену
распадающимся макромолекулам синтетический аппарат клетки создает новые
макромолекулы или когда клетка обеспечивает постоянство концентрации ионов внутри и снаружи. Поэтому если загрязнение окружающей
среды приведет к повреждению энергетического аппарата клеток, то их
гибель неизбежна. Например, цианистый калий или угарный газ блокируют дыхательный фермент цитохромоксидазу, в результате чего ми-
тохондрии
клеток теряют способность к производству энергии. Если
у клеток нет другого механизма энергообеспечения, то они погибают.
В конечном счете от состояния, мощности и типов систем энергообеспечения клеток, от наличия у них альтернативных энергетических
систем зависит устойчивость состоящих из них организмов, а следовательно, и биоценозов, к воздействию физико-химических
условий окру-
жающей среды, изменяющихся при ее загрязнении.
Клетки, объединенные в органы и ткани, приобретают способность
к определенной корпоративной активности, основанной на специали-
зации, протекающих в них процессов. Эта специализация является
причиной избирательной чувствительности различных органов к отдельным токсикантам. Эволюция организмов сопровождается, с одной
стороны, дифференциацией и специализацией отдельных тканевых
элементов, с другой — их функциональной интеграцией. Происходит
формирование систем органов (сердечно-сосудистая система, дыхатель-
ная система, нервная система, система крови, выделительная система,
эндокринная система, иммунная система). Токсическое повреждение
органа сказывается на функциональном состоянии всей системы. Поэтому функционирование целостного организма невозможно при по-
вреждении образующих его органов и систем (легких,
печени, почек,
сердца и т. д.).
Отдельные организмы, в свою очередь, составляют более сложные
образования: популяции, консорциумы, биоценозы, в которых они вза-
имодействуют между собой и с окружающей средой, и только за счет
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ
77
этого единения получают возможность выживать, сохранять и преумножать свою численность.
Этим образованиям, как и любому уровню организации живой материи, свойственны особый вид структуры, кооперации, координации.
Для них характерны определённые закономерности и тенденции развития, которые имеют большое значение для понимания явления ток-
сичности:
1. Каждая более высокая форма материи
включает элементы более
низкого уровня. Поэтому повреждающее действие химических веществ
на молекулярном уровне при определенных условиях отражается на со-
стоянии биосистемы в целом.
2. С повышением уровня организации расширяется многообразие
и сложность биологических систем. При этом существенно возрастают
возможности их токсического повреждения ксенобиотиками, увеличивается разнообразие проявлений токсического процесса.
3. Каждая новая
ступень организации живой материи приобретает
качественно новые свойства. Токсическое действие веществ следует оценивать с учетом этих новых свойств, не ограничиваясь характеристикой
эффектов, наблюдаемых на более низких ступенях организации живого.
4. Эволюция живой материи идет путем расширяющейся дифференциации и специализации, составляющих биологическую систему
элементов, с одновременным усилением их кооперации. Существует
известная избирательность в действии токсикантов. Любая избирательность токсического действия носит условный характер. Повреждение
элемента так или иначе сказывается на функциональном состоянии си-
стемы в целом.
5. Более высокие уровни организации материи предполагают усиление адаптивных возможностей, но требуют более совершенной си-
стемы координации составляющих её частей. В этой связи прослежи
вается закономерность: по мере усложнения организмов увеличивается
число специфически действующих на них высокотоксичных соединений.
-
5.3.1. Взаимодействие токсиканта с молекулами-мишенями
В основе токсического действия лежат химические реакции токсиканта с определенным структурным элементом биологической системы.
Структурный компонент биологической системы, с которым вступает
в химическое взаимодействие токсикант, называется его «рецептором»,
или «мишенью».
Взаимодействие токсиканта с молекулами-мишенями организма
подчиняется тем же закономерностям, что и любая другая химическая
реакция и, следовательно, во многом
зависит от его химических свойств.
78
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Большинство высокотоксичных соединений — инертные в хими-
ческом отношении молекулы. Сила межмолекулярного взаимодействия
между токсикантом и биологической молекулой-мишенью действует,
как правило, локально. Образующаяся связь способна к диссоциации.
Высвободившаяся из связи с токсикантом биомишень восстанавливает
исходные свойства. В подобных случаях достаточно вывести несвя-
завшуюся часть токсиканта из организма для того, чтобы сдвинуть
химическое равновесие в сторону разрушения комплекса токсикант-мишень и тем самым устранить действие яда.
Иногда между токсикантом и молекулой-мишенью образуются
прочные связи. В этих случаях разрушить комплекс токсикант-биомишень возможно только с помощью других средств, образующих с ядом
еще более прочные комплексы.
Биологические факторы определяют взаимодействие
токсиканта
или продуктов его превращения в организме со структурными элемен-
тами биосистем. Это взаимодействие называется механизмом
токсического действия.
Токсический процесс, инициируемый физико-химическими реакциями, как правило, обусловлен растворением токсиканта в определенных средах (водной или липидной) клеток и тканей организма. При этом
существенно изменяются физико-химические свойства среды-раство-
рителя
(рН, вязкость, электропроводность, сила межмолекулярных
взаимо действий и т. д.).
Механизмы токсического действия подавляющего большинства химических веществ в настоящее время неизвестны. В этой связи очень
многие молекулы и молекулярные комплексы, образующие организм,
рассматриваются по большей части лишь как вероятные рецепторы, или
мишени, действия ядов.
Рецепторы — это участки относительно специфического свя
зывания ксенобиотиков на биосубстрате. В качестве рецепторов могут
выступать целые молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов,
липидов или их фрагменты.
Термином «рецептор» обозначают любой структурный элемент биологической системы, с которым вступает в химическое взаимодействие
токсикант. Это понятие ввел в химеобиологию в 1913 году немецкий
врач Пауль Эрлих.
Рецепторы могут быть «немыми»
и активными. «Немой» рецеп-
тор — структурный элемент биологической системы, взаимодействие
которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции.
Например, волосы и ногти содержат белок кератин с сульфгидрильными группами, которые способны связывать хелатные катионы таких
металлов, как мышьяк, ртуть, свинец. Поэтому волосы являются хо-
-
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЭКОТОКСИКАНТОВ
79
рошим объектом биомониторинга для исследования воздействия различных токсикантов и прежде всего тяжелых металлов на организм
человека.
Содержание ксенобиотиков в биологических субстратах может быть
связующим элементом между уровнем загрязнения окружающей среды
и реальной опасностью состояния здоровья населения.
В последние годы в качестве таких биологических субстратов всё
чаще стали использоваться волосы. Установлено
, что металлы в волосах
хорошо фиксированы и отражают устойчивые показатели, сформировавшиеся за длительное время, обладают высокой способностью к кумуляции, лучше отражают наличие ртути, сурьмы, селена, кадмия и др.,
чем содержание их в крови и моче.
Исследования, проведенные в Институте естествознания Калуж-
ского государственного университета им. К. Э. Циолковского,
показали,
что в волосах мальчиков никеля, цинка, марганца, ртути и мышьяка со-
держится больше, чем в волосах девочек. Волосы девочек отличаются
повышенным содержанием железа (табл. 5).
Содержание металлов в волосах подростков г. Калуги, мг/кг
Наименование
металлов
Никель 2,1 ± 0,3 1,9 ± 0,2 2,19 ± 0,32
Кобальт 0,42 ± 0,03 0,5 ± 0,01 0,1
Свинец 2,2 ± 0,4 2,38 ± 0,25 2,35 ± 0,36
Кадмий 0,26 ± 0,03 0,25 ± 0,02 0,19 ± 0,07
Цинк 196,8 ± 5,6 187,0 ± 9,0 109,7 ± 6,5
Медь 11,7 ± 4,8 11,6 ± 0,53 6,1 ± 0,5
Марганец 5,1 ± 0,6 3,2 ± 0,36 1,9 ± 0,32
Железо 2,4 ± 0,6 5,6 ± 0,6 10,9 ± 0,82
Ртуть 66,1 ± 6,0 42,1 ± 2,6 –
Мышьяк 0,09 ± 0,02 0,06 ± 0,007 0,05
Мальчики Девочки Литературные данные
Таблица 5
Сравнение полученных результатов с аналогичными результатами
других авторов показало, что содержание тяжелых металлов в волосах
калужских подростков выше, например, меди — примерно в 2 раза,
марганца — в 4–6 раз. Особенно значителен недостаток железа, содержание которого в волосах калужских школьников в 2–4 раза ниже, чем
у подростков из других регионов.
80
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Анализ содержания тяжелых металлов в волосах калужских под-
ростков 13–15 лет показал, что с возрастом происходит изменение их
содержания. Причем с возрастом увеличивается и разница в концентра-
ции тяжёлых металлов в волосах подростков различного пола в сторону увеличения содержания их у мальчиков.
Активный рецептор — структурный компонент биологи-
ческой системы, взаимодействие которого
с токсикантом инициирует ток-
сический процесс. Активными рецепторами для токсического воздействия
могут быть:
– структурные элементы межклеточного пространства;
– структурные элементы клеток организма;
– структурные элементы систем регуляции клеточной активности.
5.3.2. Действие токсиканта на элементы межклеточного
пространства
Каждая клетка организма окружена водной средой — интерстициальной, или межклеточной, жидкостью. Основные свойства межклеточной жидкости определяют её электролитный состав и осмотическое
+
давление. Электролитный состав формируется за счет ионов Na
Са
2+
, Cl-, HCO
-
и др. Осмотическое давление связано с присутствием
3
, K+,
белков, 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 её
физико-химические свойства, вступать в химическое взаимодействие
с её структурными элементами. Изменение свойств межклеточной жид-
кости немедленно приводит к реакции со стороны клеток.
Для клеток крови межклеточной жидкостью является плазма крови.
Как указывалось выше, плазма содержит белки (альбумины, глобулины,
фибриноген), органические кислоты (молочную, глютаминовую, ли-
монную), липиды, гликопротеины, ферменты, соли и др.
5.3.3. Действие токсиканта на клеточном уровне
Если токсический эффект изучают на уровне клетки, то судят о ци-
тотоксичности вещества. Цитотоксичность выявляется при непосред-
ственном действии соединения на структурные элементы клетки.
В основе цитотоксического действия веществ лежит повреждение
клеток, сопровождающееся их функциональными либо структурно-функциональными изменениями. Разнообразие формирующихся
при этом эффектов со стороны целостного организма обусловлено
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]