3.3. Основные механизмы действия ксенобиотиков

Способы токсического воздействия. Различают несколько основных способов реализации ксенобиотиками своего ток­сического воздействия на организм человека.

• Изменение метаболизма клеток или тканей, связанное с нарушениями в организме и появлением определенной симптоматики.

• Воздействие на клеточную ДНК, изменение генетиче­ской информации и ее реализация в виде злокачественной трансформации клетки. Установлено, что онкологическое заболевание развивается не сразу, а после того, как клетка накопит несколько (от 4 до 10) повреждений ДНК. Повреж­дения в структуре хромосом, вызванные действием ксеноби­отиков, могут передаваться от поколения к поколению. На­пример, малые дозы нитрозаминов, вводимые беременным мышам, индуцировали типичные опухоли не только у мате­рей, но и в последующих поколениях, хотя потомство мы­шей не имело никакого контакта с нитрозаминами.

• Подражание действию естественных химических соеди­нений (например, гормонов), функционирующих в организ­ме. При таком механизме действия ксенобиотики нарушают нормальный рост и развитие органов, тканей, включая нерв­ную и иммунную системы.

• Изменение активности иммунной системы у человека. Это воздействие включает иммунную модуляцию, выражаю­щуюся в изменении активности иммунных компонентов (например, числа Т- или В-лимфоцитов в крови), развитии гиперчувствительности и стимуляции аутоиммунных про­цессов в организме. Подобным действием отличаются аро­матические углеводороды; карбаматы (класс пестицидов); тяжелые металлы (ртуть); галогенпроизводные ароматиче­ских углеводородов (полихлорированные соединения); фос-форорганические соединения (пестициды); металлооргани-ческие соединения олова; атмосферные окислители (озон и диоксид азота); полициклические ароматические углеводо­роды (продукты сжигания угля, нефти, мусора).

В основе всех этих механизмов лежат определенные про­цессы на различных иерархических уровнях, которые необ­ходимо рассмотреть подробно.

Молекулярный уровень. Основа первичного воздействия ксенобиотика на клетки организма чаще всего — молекулы-мишени. Наиболее уязвимыми объектами являются боль­шие по размеру молекулы, имеющие множество реакцион­но-активных группировок или обладающие сложной надмо­лекулярной организацией. К ним относятся нуклеиновые кислоты (особенно ДНК), белки, ферменты, а также липи-ды. Взаимодействие между ними может осуществляться не­сколькими способами.

• Нековалентное связывание. Оно происходит посред­ством формирования водородной, ионной связей или сил гидрофобного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) меж­ду молекулой-мишенью и ксенобиотиком. Формируется не­стабильный комплекс, чему способствует довольно низкая величина энергии самой связи. В силу этого обстоятельства образование подобных комплексов обычно обратимо.

• Ковалентное необратимое связывание. Такое взаимодей­ствие происходит путем образования прочной, ковалентной связи. Обычно сопряжено с изменением структуры и/или функции молекулы-мишени и по своему характеру является необратимым. При этом токсические соединения с электро-фильными свойствами присоединяются в основном к бел­кам или нуклеиновым кислотам, нуклеофильные ксенобио­тики (например, СО) — к гемсодержащим белкам или фер­ментам, нейтральные молекулы могут взаимодействовать с липидами или ДНК.

• Стимуляция реакций дегидрирования. Нейтральные, но имеющие неспаренные электроны, т.е. свободнорадикаль-ные по своей природе молекулы ксенобиотиков, могут при­водить к дегидрированию молекул-мишеней:

НО* + К-8Н -> НОН + К-3*; К-5Н + НЗ-К. -> К-8-5-К.

Данный процесс сопровождается формированием попе­речных межмолекулярных связей типа белок—белок, ДНК-ДНК, ДНК-белок, а также внутримолекулярными разрыва­ми полипептидной или полинуклеотидных цепочек (рис. 3.3). В липидной среде подобные воздействия связаны с инициа­цией реакций перекисного окисления.

• Стимуляция окислительно-восстановительных реакций. В этом случае ксенобиотики могут выступать как доноры или акцепторы электронов, запуская редокс-реакции, что также ведет к изменению структуры молекул.

Так как структура биологических макромолекул опреде­ляет их функцию, то описанные конформационные измене­ния макромолекул влекут за собой определенные функцио­нальные изменения.

• Нарушение функции. Подобное проявление может иметь место при катализе какой-то ферментативной реак­ции, при эффекте мимикрирования (подражания) ксеноби­отиком действию некоторых гормонов (например, поло­вых).

• Изменение смысловой генетической информации. Речь идет об информации, заложенной в триплетной нуклеотид-ной последовательности ДНК. Последнее может быть при­чиной мутаций, в том числе злокачественной трансформа­ции клетки.

• Образование антигенов. Определенные изменения тре­тичной структуры белков могут вести к появлению иных в конформационном отношении макромолекул, которые мо-. гут обладать антигенными свойствами, формировать ответ­ную иммунную реакцию и являться причиной аутоиммун­ных заболеваний у человека.

Механизмы репарации на молекулярном уровне. Восстанов­ление описанных повреждений в макромолекулах осуществ­ляется различными способами. К наиболее простым следует отнести запуск обратных реакций, т.е. реакций, противопо­ложных тем, которые привели к молекулярным дефектам. Следовательно, в ответ на окисление какой-либо группиров­ки в нуклеиновых кислотах или белках будет происходить ее восстановление, при алкилировании — деалкилирование и т.д. К более сложным следует отнести набор специфических реакций. Сюда относятся механизмы репарации поврежде­ний в белках. Так, например, для восстановления сульфгад-рильных связей, железа в составе гемовых группировок тре­буется наличие специфических ферментов и восстановлен­ных эквивалентов (например, глютатиона).

К разряду специфических репарирующих реакций мож­но отнести гидролитическое расщепление поврежденных протеинов, обычно агрегирующих в большие надмолекуляр­ные комплексы.

Восстановление исходной структуры липидов требует также набора специфических ферментов (глютатионредук-таза, глютатионпероксидаза) и компонентов антиоксидант-ной системы (витамины С, Е, А, микроэлементы).

Механизмы репарации дефектов ДНК описаны нами ра­нее [10].

Клеточный уровень. Повреждения на клеточном уровне могут быть выражены также в виде нескольких способов.

• Нарушение процесса экспрессии генов. Чаще всего это выражается в нарушении транскрипции. Как известно, этот процесс контролируется факторами транскрипции. Некото­рые ксенобиотики, например полихлорированные бифени-лы, атразин, способны действовать как лиганды и изменять активность факторов транскрипции, которые имеют белко­вую природу. Это, в частности, может быть причиной внут­риутробных нарушений развития плода и сопровождается появлением уродств.

• Искажение внутриклеточной информации. Этот меха­низм обычно реализуется путем модуляции активности ки-наз (фосфорилаз), осуществляющих присоединение остат­ка фосфорной кислоты к белкам, и играет важную роль в передаче сигнала в клетку. Другим примером нарушений на клеточном уровне может являться эффект мимикрирования действия гормонов с помощью ксеноэстрогенов, а также ин-гибирование активности ферментов, расщепляющих есте­ственные гормоны.

• Изменение клеточной активности. Это происходит пу­тем изменения потенциалов действия в клетках нервной, мышечной тканей, изменения концентрации нейромедиато-ров, рецепторных функций, внутриклеточной передачи сиг­нала и др.

• Изменение внутриклеточного метаболизма. Здесь два процесса играют доминирующую роль: окислительное фос-форилирование, сопряженное с синтезом АТФ, и поддержа­ние на низком уровне концентрации внутриклеточного кальция.

Нарушение процессов производства энергии может про­исходить на различных стадиях. Важную роль играет про­цесс освобождения энергии за счет транспорта электронов по дыхательной цепи. Такие пестициды, как ротенон, за­грязнители атмосферного воздуха (оксид углерода), — мощ­ные ингибиторы электрон-транспортных процессов. В каче­стве ингибиторов процессов синтеза АТФ, т.е. окислитель­ного фосфорилирования, может выступать ДДТ. Разобщи­тель этого процесса — такой пестицид, как пентахлорфенол.

Низкая внутриклеточная концентрация кальция - важ­ный фактор сбалансированного метаболизма. Ее превыше­ние сопряжено с процессами активного гидролиза АТФ и благодаря этому со снижением энергетической функции клетки, нарушением цитоархитектоники за счет дезинтегра­ции контрактильных немышечных белков. Это неизбежно будет связано с изменением рецепторной активности, нару­шением проницаемости органелл, активацией лизосомаль-ных ферментов, катализирующих реакции распада белков, липидов, нуклеиновых кислот, с активацией топоизомераз, ведущими к раскручиванию и дезинтеграции ДНК.

Механизмы репарации на клеточном уровне. В большин­стве тканей поврежденные клетки уничтожаются и затем за­меняются новыми за счет пула малодифференцированных клеток.

Напротив, в дифференцированных клетках, например нервной ткани, это невозможно. Тем не менее в них проис­ходит «косметический ремонт». В нервной ткани макрофаги удаляют клеточный детрит, шванновские клетки пролифе-рируют, продуцируя нейротрофные факторы. Фактор роста нервов стимулирует рост аксонов.

При грубых изменениях, вызванных действием повреж­дающих химических факторов внешней среды, в целом, воз­можны три исхода: апоптоз, некроз и канцерогенез — про­цесс злокачественной трансформации клетки.

Апоптоз — запрограммированная гибель клетки. Его час­то сравнивают с запрограммированным «суицидом». Про­цесс состоит в устранении поврежденных клеток, без ини­циации реакций воспаления которые могут усиливать по­вреждение. Помимо этого, во время апоптоза элиминируют­ся клетки с массивными повреждениями ДНК, которые спо­собны претерпевать злокачественную трансформацию. Ме­ханизм включает целый каскад регулируемых процессов, ве­дущих к гибели поврежденной клетки (рис. 3.4). При этом поврежденные клетки освобождают химические медиато­ры, которые стимулируют митотическую активность других клеток, что способствует тканевой репарации.

Некроз представляет собой беспорядочную гибель клеток вследствие нарушения барьерных функций мембран, диско-ординации ионного баланса цитоплазмы, нарушения цито-архитектоники, а также лизиса клетки. Этот механизм обыч­но сопряжен с воспалительными иммунными реакциями, которые усиливают повреждение ткани.

Канцерогенез — сложный многостадийный механизм, в котором можно выделить три главные стадии: инициацию, пролонгацию и терминацию. Основными вовлеченными ме­ханизмами являются генотоксические эффекты, реализуе-

мые через изменение структуры, механизмы синтеза или ре­парации ДНК. Всю многочисленную группу канцерогенов можно разделить на две части. Компоненты первой из них влияют на стадию инициации, второй — стимулируют ста­дию пролонгации.

К канцерогенам, влияющим на стадию инициации, отно­сятся:

• проканцерогены — органические соединения, которые в результате своего метаболизма, в том числе и при обезвре­живании, способны превращаться в канцерогены. Сюда от­носятся бенз[а]пирен, ароматические углеводороды, диме-тилнитрозамин, винилхлорид и афлатоксины;

• первичные канцерогены, которые обладают непосред­ственным генотоксическим эффектом. Сюда относятся сильные электрофилы (эпоксиды, ароматические имины, алкилирующие агенты);

• канцерогенные неорганические соединения (косвен­ные генотоксины). Их действие связано с изменением мета­болизма ДНК но путем модуляции активности ферментов синтеза и репарации (никель, хром, кадмий);

• нехимические канцерогены (вирусы, ионизирующая радиация, УФИ).

К канцерогенам, влияющим на стадию пролонгации, от­носятся:

• минеральные соединения, которые стимулируют кан­церогенез путем хронического раздражения ткани (напри­мер, асбест);

• гормоны;

• иммуносупрессоры;

• коканцерогены — вещества, усиливающие действие канцерогенных соединений (сульфиты, этанол, катехол и др.). Их действие может проявляться в стимуляции поглоще­ния канцерогенов.

Вся последовательность реакций, ведущих к формирова­нию опухоли и ее распространению, изображена на рис. 3.5. Механизм, заложенный в этих процессах, относится по сво­ей природе к стохастическим эффектам, носит вероятност­ный характер из-за неопределенности хода событий и воз­можности варьирования стадий. Одна из исходно заложен­ных возможностей — процесс детоксикации как проканце-рогена, так и канцерогенного соединения. При нарушении

Детоксикация Детоксикация;

связывание с нуклеофилами Репарация ДНК

Проканцероген

_I

Канцероген

| Связывание с ДНК «Инициация»

Измененная ДНК

«Репликация»

Латентные опухолевые клетки

«Поддержка» роста

Формирование опухоли

«Развитие»

Малигнизация опухоли «Развитие» Метастазы

Рис. 3.5. Последовательность процесса канцерогенеза

или невозможности этого запускается стадия инициации, которая состоит в связывании и химическом повреждении ДНК. На этой стадии вероятность неблагоприятного исхода снижается за счет своевременной репарации этой макромо­лекулы. При нарушении или невозможности реализации этого механизма появляется дочерняя клетка, имеющая де­фекты генома. Дальнейшее прогрессирование будет сопро­вождаться переходом в стадию пролонгации. Этот про­цесс неизбежно связан с малигнизацией опухоли и форми­рованием из нее метастазов, т.е. переходом в стадию тер-минации.

Важная характерная черта ксенобиотиков - синергизм в их действии. Примеры канцерогенного синергизма: действие нитрозаминов с полихлорированными бифенила-ми (ПХБ), бенз[а]пирена с ртутью и др. Согласно имею­щимся данным не существует даже очень малых доз ксено­биотиков, которые были бы не способны индуцировать рак из-за эффекта синергизма с другими соединениями.