Основы ксенобиологии.

другое патологическое состояние, затрудняющее поступление газа в организм.

Резорбция аэрозолей. Ингаляционно в организм могут поступать не только газы и пары, но и аэрозоли. Аэрозоль - это смесь фаз. Выделяют аэрозоли двух типов: туманы (газ + мельчайшие частицы жидкости) и дымы (газ + мельчайшие твердые частицы). При ингаляции аэрозолей глубина их проникновения в дыхательные пути, а значит и величина резорбции, зависит от размера частиц. Обычно размеры частиц в аэрозоли колеблются от 0,5 до 15 мкм. С помощью специальных устройств удается создать микродисперсные аэрозоли, размеры частиц в которых менее 0,5 мкм. Проникновение аэрозолей в легкие сопровождается их оседанием (седиментация). Крупные частицы накапливаются на слизистой верхних отделов дыхательных путей, частицы среднего диаметра - в более глубоких отделах, и, наконец, мельчайшие частицы могут достичь поверхности альвеол. Самые маленькие частицы (менее 1 мкм) плохо адсорбируется на альвеолярном эпителии и потому в большом количестве выводится с выдыхаемым воздухом.

Перенос частиц аэрозоля через альвиолярно-капилярный барьер зависит от размера молекул, их растворимости в воде и жирах. В результате, величина t50 (время, необходимое для резорбции 50% введенного вещества) может колебаться от нескольких минут до нескольких суток: салициловая кислота – 1 мин, мочевина – 4 мин, эритромицин – 13 мин, сахароза – 87 мин.

Резорбция слизистыми глаз.

Проникновение токсикантов через слизистую глаз подчиняется общим закономерностям. Прежде всего, скорость процесса определяется физико-химическими свойствами вещества (растворимостью в липидах и воде, зарядом молекулы, значением рКа, размерами молекулы). Липидный барьер роговицы глаза представляет собой тонкую структуру многослойного плоского эпителия, покрытого снаружи роговым слоем. Через барьер легко проникают жирорастворимые вещества и даже растворимые преимущественно в воде соединения. При попадании токсиканта на роговицу большая его часть смывается слезой и распространяется по поверхности склеры и конъюнктивы глаз. Исследования показывают, что около 50% нанесенного на роговицу вещества удаляется в течение 30 секунд, и более 85% - в течение 3 - 6 мин. При нанесении на роговицу глаза кролика пропранолола содержание вещества в различных структурах глаза снижается в ряду: роговица; радужка; жидкость камер глаза; хрусталик.

11

Резорбция из тканей

Может происходить при действии веществ на раневые поверхности или введении в ткань (например, при подкожных или внутримышечных инъекциях). Движущей силой резорбции в этом случае является градиент концентрации ксенобиотика между местом аппликации, окружающей тканью и кровью. Скорость резорбции определяется свойствами тканей и ксенобиотиков.

1.Стенка капилляра. Стенка капилляра представляет собой пористую мембрану. Размер пор в большинстве тканей человека составляет 2 нм, а в мышцах 3-4 нм. Через такие поры легко проходят низкомолекулярные соединения, и небольшие биополимеры инулин (r=1,5 нм) и миоглобин (r=2 нм). Однако большинство белков имеют большинство белков имеют больший размер и через стенки капилляров не проходят. Например, гемоглобин (r=3,2 нм) и сывороточный альбумин (r=3,5 нм). В этой связи проникновение очень многих ксенобиотиков в кровь вполне возможно при их введении в мышцы.

2.Капиллярная и лимфатическая система. Между степенью вазкуляризации ткани и степенью резорбции вещества существует прямая зависимость. Сеть капилляров и лимфатических сосудов хорошо развита в подкожной клетчатке и в межмышечной соединительной ткани. Это делает эффективным подкожное введение некоторых лекарств.

3.Кровоснабжение. Абсолютное количество капилляров на единицу объема тканей представляет собой лишь условную меру, отражающую степень их кровоснабжения. Большое значение имеет процент раскрытых, функционирующих капилляров, а также величина давления крови в тканях. Интенсивность кровотока зависит от сердечной деятельности, а в тканях регулируется вазоактивными факторами. Поэтому эндогенные регуляторы (адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин и др.) существенно влияют на скорость кровотока в ткани и, следовательно, процесс резорбции ксенобиотиков. Охлаждение конечности вызывает замедление в ней кровотока, нагревание – ускорение.

12

Лекция 2. Транспорт и распределение ксенобиотиков

Транспорт ксенобиотиков с кровью

Попавшие в кровяное русло чужеродные вещества могут находится в свободном состоянии, либо связываться с компонентами крови. Процент связанного ксенобиотика колеблется от 1 до 99 % в зависимости от физико-химических свойств вещества и от наличия переносчиков. В качестве переносчиков могут быть использованы: белки плазмы, липопротеины, клетки крови. Например,

Взаимодействие ксенобиотиков с переносчиками всегда приводит к понижению в плазме концентрации свободной формы вещества, вследствие этого замедляется диффузия ксенобиотика в ткани.

Связывание с белками крови. Плазма крови человека содержит около 75 мг/мл белка. Более половины из них приходится на неспецифический переносчик – альбумин. Этот крупный белок, содержащий большое количество заряженных аминокислот. При рН=7,4 молекула находится в форме аниона. Заряд обуславливает высокую растворимость альбумина в воде. Большинство попавших в кровь веществ фиксируется на альбуминах, не зависимо от того, являются ли они нейтральными, кислыми или основными соединениями. Лишь для некоторых веществ обнаружены специализированные участки связывания на молекуле альбумина. Физиологическая функция альбуминов состоит в связывании билирубина и свободных жирных кислот. Эти вещества могут влиять на процесс взаимодействия белков с ксенобиотиками. Например, СЖК ослабляют связывание гликозидов.

К группе неспецифических транспортных белков относятся кислые α1-гликопротеиды. Они состоят их одной полипептидной цепи и углеводного остатка. На полисахаридный фрагмент молекулы приходится около 38 % ее массы. Гликопротеиды связывают, прежде всего, молекулы, обладающие свойствами слабых оснований. Из-за невысокой концентрации гликопротеидов в плазме (около 1 %) процесс связывания ими ксенобиотиков быстро достигает насыщения.

В плазме крови содержатся специфические транспортные белки, избирательно связывающие некоторые ксенобиотики. Например, трансферрин переносит железо, церулоплазмин транспортирует медь.

13

Транспортные белки могут постоянно находиться в плазме крови, а могут появляться в ответ на поступление ксенобиотика. Синтез металлотионеинов – низкомолекулярных белков, содержащих свободные SH-группы – происходит только при попадании в организм тяжелых металлов (цинка, кадмия).

Ксенобиотики могут влиять на способность друг друга связываться с транспортными белками, причем взаимоотношения могут быть как положительными (барбитурат препятствует связыванию сульфаниламида), так и отрицательными (галотан облегчает присоединение других ксенобиотиков). Известна способность веществ к взаимному вытеснению из комплексов с белками. Такое поведение наиболее характерно для слабых кислот. Вследствие этого концентрация в крови свободного формы соединения возрастает. Таким образом, при попадании в кровь нескольких БАВ, конкурирующих за один и тот же участок связывания на белках, возможна модификациях силы и продолжительности их действия.

Биологические последствия связывания ксенобиотика белками плазмы.

1)Выведение через почки. Капиллярная мембрана почечных канальцев непроницама для белка, поэтому в первичную мочу попадают только свободные молекулы ксенобиотика. Если диссоциация комплекса вещество-белок проходит быстро, то связывание ксенобиотика мало влияет на его выведение. Если образовалась прочная связь, это может ограничивать почечную экскрецию.

2)Биологическое действие. Биологическое действие вещества пропорционально количеству молекул, связавшихся с молекуламимишенями, а, следовательно, пропорционально количеству свободных молекул ксенобиотика. Поэтому связывание белков с БАВ обычно понижает их активность.

3)Аллегризация. Некоторые ксенобиотики, образуя ковалентные связи с белками, изменяют их конформацию. В результате белки приобретают свойства антигенов для собственного организма.

Связывание липопротеинами. За транспорт липидов в крови отвечают липопротеины – сферические частицы диаметром около 100 нм. Типичный липопротеин состоит из липидного ядра, образованного неполярными триглицеридов и эфиров холестерина, и наружного слоя, состоящего из более полярных фосфолипидов, холестерина и белков. Липопротеины связывает преимущественно жирорастворимые ксенобиотики.

Связывание с клетками крови. В крови ксенобиотик может вступать во взаимодействие не только с белками, но и с форменными элементами, прежде всего эритроцитами. При этом ксенобиотик может

14

локализоваться как на поверхности клетки, так и внутри нее. Фиксация веществ на поверхности эритроцитов обусловлена наличием отрицательного заряда на внешней стороне мембраны. Поэтому подобным образом переносятся вещества, содержащие четвертичный аминный азот (алкалоиды).

Распределение ксенобиотиков в организме

После резорбции в кровь вещество в соответствии с градиентом концентрации распределяется по всем органам и тканям. Наиболее быстро ксенобиотики поступают в мозг, печень, почки, сердце, легкие. Большинство ксенобиотиков распределяются неравномерно, причем некоторые накапливаются избирательно в том или ином органе, ткани или клетках определенного вида. Например, ботулотоксин связывается с нервными окончаниями, а свинец и стронция – откладывается в костях.

На процесс перехода ксенобиотиков из крови в ткани влияют следующие особенности органов:

−свойства стенок их капиллярного русла (например, особенности строения капилляров мозга и других тканей –гематоэнцефалический барьер);

−степень васкуляризации и интенсивность кровоснабжения органов;

−свойства клеток, формирующих орган, и особенно клеточных мембран;

−кислотно-основные свойства тканей;

−степень сродства ткани к ксенобиотику;

−вид животного, пол, возраст.

Вфармакологии и токсикологии для условного описания локализации вещества в организме используют величину объема

распределения. Объем распределения (Vd) – мера кажущегося пространства в организме, способного вместить ксенобиотик. Иначе, это кажущейся объем, необходимый для равномерного распределения заданного количества вещества с концентрацией как в крови:

Vdабс = CD , (л)

где D – доза ксенобиотика,

С – концентрация ксенобиотика в крови.

Кроме абсолютного объема распределения используют величину относительного объема распределения (по отношению к массе тела):

15

Например, при внутривенном введении химического вещества в дозе D=0,5 г человеку массой 60 кг в состоянии равновесия его концентрация в крови равна 0,04 г/л. Следовательно,

Проанализируем уравнения для Vd.

Для веществ, которые распределяются преимущественно в сосудистом русле (С большая), величина Vd не велика и сопоставима с объемом крови. В организме человека на долю крови приходится 4-4,5 % массы тела.

Если вещество распределяется главным образом вне сосудистого русла (С малое), величина Vd. – большая. У взрослого человека объем экстрацелюларной жидкости составляет 11-13 %. Следовательно, при Vd в интервале 15-18 % вещество распределяется вне клеток (кровь + внеклеточная жидкость). Суммарный объем воды в теле человека 50-70 %, следовательно, при Vd.<70 вещество распределяется во всех жидкостях организма. Например, Vd для фенобарбитала – 54 %. Многие вещества имеют величину Vd. > 70, и даже > 100 %. Например, снотворное диазепам

– 110 %, алкалоид из белены и дурмана атропин – 170 %. Это указывает на депонирование вещества в тканях (главным образом, в жировой ткани).

Депонирование ксенобиотиков

В природе встречается особый вид распределения ксенобиотиков – депонирование. Под депонированием понимают первоначальное накопление и последующее относительное постоянство содержания вещества в определенном органе или ткани, в течение нескольких суток - многих лет. Депонирование имеет три основные причины.

1.Активный захват клетками ксенобиотика с последующим его удержанием. Встречается не часто. Такой механизм выявлен для йода, белковых токсинов (холерного, дифтерийного, столбнячного, ботулотоксина).

2.Высокое химическое сродство вещества к определенным биомолекулам. Например, алкилирующие агенты типа ипритов взаимодействуют с нуклеиновыми кислотами; многие металлы образуют ковалентные связи с белками, мышьяк вследствие высокого сродства к кератину депонируется в ногтях и волосах.

3.Значительная растворимость ксенобиотика в липидах. Из-за высокой липофильности в организме в течение многих лет сохраняются полигалогенированные ароматические углеводороды (ПАУ), некоторые хлорорганические инсектициды (ДДТ и т.д.).

16

На процесс депонирования веществ можно влиять:

1)путем прекращения поступления вещества в организм;

2)усиления механизмов естественного выведения вещества. Так, кальций и свинец распределяются, депонируются и метаболизируют практически идентично. Поэтому фиксированный в костях свинец может быть мобилизован при понижении содержания кальция в крови. Усиление вентиляции легких при ингаляции карбогена усиливает выделение летучих веществ (эфиры и т.д.) и высвобождение их из жировой ткани;

3)введения веществ, взаимодействующих с ксенобиотиком. Например, некоторые тяжелые металлы (свинец) можно удалить из организма с помощью комплексообразователей (ЭДТА).

17

Лекция 3. Биотрансформация ксенобиотиков

Элиминирование ксенобиотиков

Под элиминацией понимают процесс снижения концентрации вещества в крови, органах и тканях. Элиминация может быть результатом экскреции, т.е. выведения вещества из организма в окружающую среду, или биотрансформации – химического превращения молекул ксенобиотика. Образовавшиеся при этом метаболиты удаляются путем экскреции.

Можно использовать и другую константу, характеризующую элиминацию ксенобиотика – период полувыведения – это время, необходимое для снижения наполовину количества лекарства в организме:

t1/ 2 = ln 2 = 0,693

KЕ КЕ

Еще одной характеристикой скорости элиминации является клиренс

– условный объем плазмы крови, который полностью очищается от находящегося в ней ксенобиотика за единицу времени. Размерность

18

клиренса мл/мин, или с учетом массы тела мл/кг·мин. Все процессы, участвующие в элиминации суммируются:

ClT =Clпочесн +Clпеченочн +Сlдр

В простейшем случае клиренс можно рассчитать по формуле:

где ППК – площадь под кривой С=f(t). Следовательно, чем больше площадь под кривой, тем дольше вещество выводится из организма. Параметры скорости элиминации связаны с характеристикой распределения вещества - Vd:

Из уравнений следует, что чем больше объем распределения при одном и том же значении клиренса, тем дольше выводится вещество из организма. И наоборот, усиление клиренса сокращает период полувыведения.

Часто приходится сталкиваться с многократным поступлением в организм одного и того же ксенобиотика. Такая ситуация возникает при назначении курса лекарства или хроническом воздействии токсиканта. Рассмотрим, что произойдет, если организм ежедневно получает дозу в 1 г вещества, период полувыведения которого в этом организме составляет 24 ч. Для упрощения предположим, что организм поглощает все вещество

ичто доза вводится за короткий промежуток времени.

Вначальный момент времени вещество в организме отсутствует. После введения дозы содержание вещества в организме составляет 1 г. На второй день, спустя 24 часа после приема первой дозы, организм содержит лишь 0,5 г вещества. Введение еще 1 г ксенобиотика повышает общее его содержание до 1,5 г. На третий день перед введением ксенобиотика его содержание снижается наполовину до 0,75 г, а после введения новой порции составит 1,75 г и т.д.

С течением времени содержание вещества в организме достигает некоторого предельного максимального значения, т.к. при повышении концентрации ксенобиотика в тканях ежедневное его выведение повышается и становится равным дозе, вводимой ежедневно.

19

При увеличении первоначально вводимой дозы повышается количество выводимого вещества и его содержание в организме, т.е. устанавливается новое равновесие.

Максимальное содержание ксенобиотика в организме (А) можно рассчитать по формуле:

А= 1,44 t1/ 2 D QR

τ

где D – ежедневная доза ксенобиотика; QR - биодоступность;

τ – интервал времени между введением доз.

При t1/2=24 ч, τ=24 ч, QR= 1 и D =1, максимальная средняя нагрузка на организм составляет 1,44 г. Это средняя величина между максимальным

и минимальным содержанием вещества в данный день.

Биотрансформация

Биотрансформация ксенобиотиков протекает в разных органах – почках, коже, желудочно-кишечном тракте, но основной вклад в превращение чужеродных веществ вносит печень. Биотрансформацию обеспечивают специальные ферменты. Малая часть ферментов находится в жидкостях организма, прежде всего в крови, другая часть локализуется внутриклеточно - в цитоплазме, митохондриях и на поверхности гладкой эндоплазматической сети. При центрифугировании клеток эндоплазматическая сеть разрушается с образованием отдельных пузырьков – микросом. Поэтому основная группа ферментов, участвующих в превращениях ксенобиотиков называется микросомальными. Все ферменты биотрансформации ксенобиотиков обладают низкой специфичностью. Это позволяет организму превращать вещества самого разного строения.

Превращение ксенобиотика протекает в 2 фазы:

В ходе первой фазы молекула вещества обогащается полярными функциональными группами, что делает ее более реакционно-способной и более растворимой в воде. Во второй фазе проходят процессы объединения (конъюгации) промежуточных продуктов с другими молекулами, в результате чего образуются полярные соединения, которые выводятся из

20