Основы ксенобиологии

Лекция 5. Механизмы действия ксенобиотиков

По месту возникновения ответной реакции действие ксенобиотиков бывает местным (возникает в месте приложения ксенобиотика) и резорбтивным (ответная реакция возникает после поступления вещества в кровоток и распределения по тканям). Кроме того, действие может быть прямым (реализуется в ходе непосредственного контакта вещества с тканью) или рефлекторным (реализуется при участии нервной системы).

Одним из этапов в механизме ксенобиотиков является связывание с рецепторами (мишенями). Биологическое действие ксенобиотика выражено тем сильнее, 1) чем большее количество молекул чужеродного вещества связалось с рецептором, 2) чем большее значение имеет этот рецептор и включаемая им биологическая система для поддержания гомеостаза целостного организма. Мишенями для токсического действия служат структурные элементы межклеточного пространства, клеток организма и систем регуляции клеточной активности. Причем избирательное связывание ксенобиотика с мишенями одного типа характерно только для некоторых соединений (ботулотоксин, тетродотоксин, аманитин). Значительно чаще вещество имеет сродство сразу к нескольким мишеням. В результате в малых дозах вещество преимущественно связывается с одним типом рецепторов и возникает определенная ответная реакция организма. В больших дозах это же вещество связывается с другими рецепторами и формируется иной биологический ответ.

Действие ксенобиотика на элементы межклеточного пространства

Каждая клетка организма окружена водной средой – межклеточной жидкостью. Важными свойствами межклеточной жидкости являются ее электролитный состав (определяется содержанием ионов Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-) и осмотическое давление (обусловлено присутствием белков и ионов). Некоторые ксенобиотики способны изменять физико-химические свойства жидкости, что приводит к возникновению реакции со стороны клеток.

1. Электролитные эффекты обусловлены веществами, способными связывать ионы. Ионы кальция необходимы для работы мышц, передачи нервного импульса, контролируют свертывание крови. Поэтому фториды, связывающие ионы кальция в крови и межклеточной жидкости приводят к нарушениям нервной деятельности, мышечного тонуса и свертывающей системы крови.

31

2.Изменения кислотно-основных свойств среды. Например,

отравление метанолом приводит к накоплению в организме муравьиной кислоты, вызывающей тяжелый ацидоз.

3.Нарушение осмотического давления приводят к диффузии воды в клетки или из клеток, что влияет практически на все клеточные функции.

4.Связывание с веществами межклеточной жидкости или крови.

Действие ксенобиотиков на структурные элементы клеток

Структурными элементами клеток, с которыми взаимодействуют ксенобиотики являются белки, нуклеиновые кислоты, липидные компоненты биомембран, селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов.

1. Взаимодействие ксенобиотиков с белками обычно приводит к изменению эффективности функционирования белков. Крайний случай подавления функции белков наблюдается при их денатурации – разрушение пространственной структуры белка. Денатурацию вызывают соли тяжелых металлов – ртути, свинца, меди, мышьяка. Они образуют прочные связи с карбоксильными и SH-группами белков. Поэтому в качестве противоядия при отравлении солями тяжелых металлов рекомендуют принять внутрь большое количество животного белка – молочного или яичного.

Другие механизмы влияния ксенобиотиков на функционирование белков лучше изучены у ферментов.

–Усиление или угнетение синтеза ферментов. Например, усиливают синтез белков барбитураты, некоторые диоксины. Обратный результат вызывают вещества, нарушающие превращения витаминов в организме, т.к. для нормального функционирования многих ферментов необходимы определенные производные витаминов. Хроническое отравление свинцом сопровождается нарушением синтеза гемма, вследствие этого развивается дефицит гемоглобина.

–Блокада или ускорение разрушение ферментов. Все белковые молекулы в организме имеют определенное время жизни, т.к. постоянно протекает распад дефектных молекул и синтез новых. В разрушении белков принимают участие ферменты – протеазы. Вещества, изменяющие активность протеаз влияют на время жизни белковых молекул, а значит на их концентрацию и эффективность функционирования.

–Активация или ингибирование ферментов. Ксенобиотики могут связываться с некоторыми участками на поверхности белка. Это приводит

кнебольшим изменениям пространственной укладки активного центра фермента, а значит к повышению или снижению его активности. Другие ксенобиотики связываются с металлами, необходимыми для нормальной

32

работы ферментов. Например, цианиды и сульфиды могут прочно связываться с железом и медью в составе ферментов, и тем самым блокировать их.

2. Взаимодействие с нуклеиновыми кислотами.

В клетках нуклеиновые кислоты отвечают за хранение, передачу и реализацию генетической информации. Цепи нуклеиновых кислот построены из нуклеотидов. В состав нуклеотидов входят остаток сахара – рибозы, азотистые основания (А, Г, Т, У, Ц) и остаток фосфорной кислоты. Пространственная структура всех нуклеиновых кислот поддерживается с помощью водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. В молекуле ДНК связи возникают между двумя цепями, в молекуле РНК – внутри одной цепи. Воздействие ксенобиотиков на нуклеиновые кислоты может приводить к их химической модификации или изменению пространственной структуры.

–Химическая модификация. Некоторые ксенобиотики (нитриты, соединения мышьяка) ковалентно связываются с азотистыми основаниями нуклеиновых кислот. Системы клеточной защиты находят подобные дефекты и пытаются их исправить. Если это не удается, вся молекула нуклеиновой кислоты может быть разрушена. Молекулы, имеющие 2 активные группировки, могут образовать сшивку комплементарных цепей ДНК. В результате становится невозможным расхождение нитей ДНК, а значит, блокируется синтез белков, репликация ДНК, что ведет к различным нарушениям клеточных процессов, в том числе и деления.

–Изменение пространственной структуры нуклеиновых кислот

вызывают некоторые антибиотики, например, за счет встраивания между соседними парами азотистых оснований в молекуле ДНК.

3. Взаимодействие ксенобиотиков с липидами. Важнейшая функция липидов – формирование биологических мембран. Ксенобиотики могут изменять структуру самих молекул липидов или нарушать взаимодействия между молекулами липидов в мембранах. К числу таких молекул относятся органические растворители (спирты, углеводороды, в том числе хлороформ), ПАВ (мыла), яды, обладающие фосфолипазной активностью (яды змей). Некоторые ксенобиотики действуют на липиды опосредованно, влияя на внутриклеточные процессы, отвечающие за работу мембран (перекисное окисление липидов, эндогенные фосфолипазы).

Ксенобиотики и клеточный гомеостаз

Связывание ксенобиотиков с теми или иными компонентами клетки обычно приводит к нарушению клеточного гомеостаза. Важнейшими механизмами цитотоксичности являются следующие:

33

–нарушение энергетического обмена клеток;

–нарушение гомеостаза внутриклеточного кальция;

–активация свободно-радикальных процессов в клетке;

–нарушение процессов синтеза белка и клеточного деления;

–повреждение мембран.

Нарушение гомеостаза кальция. В норме низкая концентрация кальция в цитоплазме поддерживается благодаря его активному транспорту через биомембраны (за счет энергии АТФ), депонированию в клеточных органеллах и связыванию с внутриклеточными белками. Следовательно, ксенобиотики могут нарушать гомеостаз кальция путем повреждения мембран и усиления их проницаемости для ионов; нарушения биоэнергетики клетки, приводящему к истощению запасов АТФ; изменения функционирования кальциевых каналов. В результате накопления кальция в цитоплазме происходит повреждение целостности цитоскелета и неконтролируемая активация различных гидролитических ферментов (фосфолипаз, нуклеаз, протеаз). Это может приводить к клеточной гибели.

На гомеостаз кальция в клетках влияют цианиды, свинец, ССl4.

Действие ксенобиотиков на механизмы регуляции клеточной активности

Этот тип действия ксенобиотиков связан с селективными рецепторами. Селективные рецепторы – это белковые молекулы, обладающие высоким сродством к отдельным химическим веществам, выполняющим функции биорегуляторов (гормоны, нейромедиаторы). Большинство рецепторов располагаются на поверхности клеточной мембраны. Исходя из механизма действия селективные рецепторы подразделяют на несколько типов.

Рецепторы, формирующие ионные каналы принимают участие в передаче нервных импульсов. Обычно такие рецепторы построены из нескольких белковых молекул, образующих в мембране канал для тех или иных ионов. Канал открывается или закрывается в ответ на связывание различных веществ. Например, ацетилхолиновый рецептор регулирует поступление ионов натрия в клетки и открывается в ответ на связывание ацетилхолина. На эти рецепторы действует курарин (яд кураре), никотин.

Рецепторы с тирозинкиназной активностью. После взаимодействия с гормоном рецепторная молекула перемещается в мембране так, что с внутриклеточной стороны появляется часть молекулы, обладающая каталитической активностью. В результате происходит фосфорилирование нужных белков.

34

Рецепторы, связанные с G-белками. Многие гормоны используют для передачи сигнала внутрь клетки особый белок-регулятор – G-белок. В этом случае система состоит из 3-х элементов: рецептора, G-белка и фермента. Гормон связывается со своим рецептором. Это вызывает изменение структуры рецептора, которая передается G-белку. Он в свою очередь изменяет активность фермента, отвечающего за синтез внутриклеточного посредника – цАМФ. Ксенобиотики могут модифицировать процесс передачи сигнала на любом из этапов. Например, коклюшный и холерный токсин так связываются с G-белком, что возникает стойкая активация фермента и перевозбуждение клеток слизистых оболочек.

В результате взаимодействия ксенобиотиков с рецепторами нарушаются нервная деятельность (восприятие, память, мышление и т.д.) и процессы метаболизма. При этом существуют следующие особенности.

1.Чем больше вещество похоже на естественный биорегулятор, тем специфичнее его действие на организм. Таким образом, влияют на синаптические механизмы нервной регуляции многие алкалоиды (атропин, никотин, курарин).

2.Несмотря на сходство ксенобиотик влияет лишь на часть эффектов, контролируемых в организме этим биорегулятором. Например, ацетилхолин принимает участие в синаптической передаче нервного импульса в разных отделах нервной системы. Эти отделы различаются типом рецепторов к ацетилхолину, а значит и чувствительностью к токсикантам. На одни нервные клетки действует атропин, на другие – никотин.

3.Действие ксенобиотиков на селективные рецепторы часто сопровождается изменением числа рецепторных молекул и их десенситизацией. Ксенобиотики меняют число селективных рецепторов действуя на процессы синтеза и распада этих молекул, а также путем длительного блокирования рецепторов. Десенсинтизация рецепторов – явление снижения восприимчивости клеток к новым порциям ксенобиотика или биорегулятора. Явления изменения числа рецепторов и их десенситизации лежат в основе привыкания организма к лекарствам, к ядам.

35

Лекция 6. Количественная оценка эффективности действия ксенобиотиков

Действие ксенобиотиков в значительной степени определяется их дозой. В зависимости от дозы меняются скорость развития эффекта, его выраженность, продолжительность, иногда характер. Обычно с повышением дозы уменьшается латентный период и увеличивается выраженность и длительность эффекта.

Выделяют несколько характеристических значений дозы:

-пороговая – минимальная доза ксенобиотика, при которой возникает биологический эффект;

вобласти терапевтических доз:

-средняя терапевтическая доза (доза, в которой вещество вызывает у большинства больных необходимое фармакотерапевтическое действие);

-высшая терапевтическая доза;

-предельно допустимая концентрация – на границе областей 1-2;

вобласти токсических доз:

-порог вредного воздействия (минимальная доза, вызывающая токсический эффект),

-летальная доза.

Дозы

Пороговая

Высшая терапевтическая ПДК

Порог вредного воздействия

Токсические

дозы

Летальная

36

Зависимость «доза –эффект»

В простейшем случае для описания зависимости эффекта ксенобиотика от его дозы можно воспользоваться теми же приемами, что и при описании работы фермента. Предположим, что каждый акт связывания ксенобиотика с рецептором приводит к возникновению биологического ответа, иначе говоря, развивающийся эффект прямо пропорционален концентрации комплекса ксенобиотик-рецептор.

A + R ↔ AR

Мерой сродства ксенобиотика к рецептору является константа диссоциации комплекса КА:

K A = [[AAR][R]]

Общее количество рецепторов в системе есть сумма свободных и связанных рецепторов:

[R]O =[R]+[AR]

Комбинируя эти два выражения, получаем:

Изначально мы вводили допущение, что эффект Е пропорционален количеству связанного рецептора, т.е.

где Емах – максимально возможный эффект со стороны исследуемой системы. Графически эта зависимость выглядит как кривая насыщения:

доля связанных рецепторов, эффект от максимального

[A]

37

Отклонения от математической модели

1.Избыточность рецепторов. Об избыточности говорят в том случае, когда максимальный ответ возникает при связывании с ксенобиотиком лишь части имеющихся рецепторов. Избыточные рецепторы качественно не отличаются от обычных. Их просто слишком много. Например, максимальный ответ сердечной мышцы на катехоламины регистрируют, даже в том случае, когда 90% всех рецепторов заблокированы.

Избыточность рецепторов имеет два важных следствия:

– у организма появляется возможность менять чувствительность к ксенобиотику путем изменения плотности рецепторов;

– ксенобиотики с низким сродством к рецептору (высокая КА) быстро диссоциируют, что ведет к прекращению биологического ответа. Избыточные молекулы рецепторы позволяют проявлять низким дозам таких веществ максимальный эффект за счет увеличения частоты связывания.

2.Некоторые ксенобиотики действуют как антагонисты других соединений. Антагонисты связываются с рецептором, сами его не активируют и мешают присоединению других лекарств или гормонов. Все антагонисты подразделяются на конкурентные и неконкурентные.

38

Изменения эффективности действия ксенобиотика при длительном поступлении

Реакция живых систем на некоторые ксенобиотики может существенно изменяться при их повторном воздействии. Выделяют 3 формы этого феномена: толерантность, химическая зависимость и хроническое отравление. Первые две формы возникают при контакте с веществом в действующей дозе (выше пороговой). На практике интересны в отношении веществ, которые человек принимает умышленно (лекарства, наркотические вещества, вредные привычки). Последняя форма развивается в результате длительного контакта с пороговыми дозами вещества. Проблема интересна в отношении профессиональной патологии

иэкотоксикологии.

1.Толерантность. Проявляется в снижении чувствительности организма к повторным дозам вещества. Классическим примером является постепенное снижение чувствительности к наркотическим анальгетикам при их длительном приеме. Например, анальгетическая активность морфина у крыс определяют по порогу чувствительности к действию

электрошока. При ежедневном подкожном введении морфина в дозе 10 мг/кг за 25 суток снижается в 5 раз. При развившейся толерантности к морфину организм в состоянии переносить очень высокие дозы вещества. Анальгетическая доза морфина для человека составляет 0,01-0,02 г, смертельная – 0,3-0,5 г. Морфинист переносит дозу вещества с несколько грамм. Верхний предел переносимости до настоящего времени не установлен.

В случае возникновения толерантности врачи стараются заменить одно лекарство другим, при этом принимают во внимание, что толерантность, развившаяся в отношении одного вещества, может распространяться другие вещества, имеющие сходный механизм действия. Это явление получило название перекрестной толерантности. Наиболее известна в отношении наркотических веществ, действующих на опиатные рецепторы.

Толерантность на одни вещества возникает после однократного воздействия – острая форма, на другие – в результате длительного или частого контакта с веществом – хроническая. По механизму формирования толерантность бывает кажущаяся и истинная. Кажущаяся толерантность возникает из-за изменения параметров пребывания вещества в организме (ослабления резорбции, усиления экскреции и биотрансформации, изменение распределения). Например, толерантность к хроническому перроральному приему мышьяка объясняют нарушением его всасывания слизистой кишечника. Первые порции мышьяка вызывают воспаление слизистой кишечника и нарушение секреторной функции. В результате рН в кишечнике оказывается кислая, а в кислой среде соединения мышьяка не

39

растворимы, поэтому не всасываются. Истинная толерантность затрагивает механизмы функционирования ксенобиотика (изменение количества и чувствительности рецепторов, индукция веществ-антагонистов, истощение запасов нейромедиаторов). Например, если вводить капельницей эфедрин, то первоначально артериальное давление повышается, а спустя 1-1,5 часа возвращается к норме. Дело в том, что повышение давления возникает изза усиления эфедрином выброса адреналина из пресинаптических структур. Когда запас адреналина иссякает, организм не реагирует на новые порции эфедрина.

2.Химическая зависимость. Наиболее часто встречается лекарственная зависимость в отношении психотропных препаратов. Зависимость может быть выражаться только в психической зависимости, (эмоциональный дискомфорт – страха, депрессии, стремлении к поиску веществ), а может сопровождаться физической зависимостью. В этом случае вещество вызывает структурно-функциональные изменения ЦНС, Отмена препарата вызывает тяжелое состояние вплоть до смертельного исхода. Это так называемый абстинентный синдрома (ломка). Психическая зависимость возникает в отношении кокаина, галлюциногенов. Оба типа зависимости сопровождают прием морфина, героин, барбитуратов, алкоголя. Любопытной формой зависимости является привыкание. Под привыканием понимают «стремление к приему вещества без отчетливой тенденции к развитию толерантности и физической зависимости». Наиболее часто люди привыкают к использованию лекарств. Так, есть люди, способные заснуть только после приема таблеток, даже если это плацебо. Привычка может быть прервана простым волевым усилием, без развития серьезных осложнений. Однако возможна трансформация привычки в психическую зависимость от вещества.

3.Хроническое отравление. Хроническим называется отравление, развивающееся в результате длительного воздействия токсиканта, как правило в дозах, не вызывающих проявлений токсического процесса при однократном поступлении в организм. В основе хронического отравления лежат 2 механизма:

– накопление вещества в органах-мишенях выше некоторого критического уровня, достаточного для инициации патологии. Характерно для препаратов, которые медленно выделяются или стойко связываются в организме (например сердечные гликозиды из группы наперстянки)

– накапливается эффект а не вешество. Так, при алкоголизме нарастающие изменения ЦНС приводят к развитию белой горячки. В дано случае спирт быстро окисляется и выводится из организма, а суммируются только его нейротропные эффекты.

40