3.5. Цитогенетическое, тератогенное и бластомогенное действие ядов

Развитие молекулярной биологии и патологии, рассматриваю­щей заболевания на молекулярном уровне нарушений генных и субклеточных структур, расширяет также задачи и возможности токсикологии. Важное значение приобретают вопросы радиацион­ной и химической генетики (токсикогенетики), тератогенного и бластомогенного действия токсических веществ. Приведем неко­торые данные по структуре и функциям субклеточных образований, необходимые для понимания принципов токсикогенетики.

Наиболее важной составной частью клеточного ядра является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которая соединена с белком гистоном и образует комплекс ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). Этот комплекс входит в состав ядерного белка хроматина, из которого образуются хромосомы как аппарат клеточного деле­ния.

ДНК состоит из четырех нуклеотидов (мономеров). Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из фосфорной кислоты, углевода –дезоксирибозы и одного из четырех азотистых оснований: пуриновых оснований – А (аденина) и Г (гуанина) и пиримидиновых оснований – Т (тимина) и Ц (цитозина). Нуклеотиды соединены друг с другом в длинную спи­ральную нить, а ДНК в це­лом состоит из двух спираль­ных нитей, соединенных друг с другом водородными свя­зями оснований (рис. 2). Молекулярная масса ДНК до­стигает 10 млн дальтон и более.

В настоящее время можно считать установленным, что ДНК является основным но­сителем наследственных приз­наков (геном), которые как бук­вами алфавита закодирова­ны в ДНК путем определен­ного сочетания азотистых оснований (А, Г, Т, Ц).

Одним из замечательных свойств ДНК является спо­собность к репликации, т. е. воспроизведению второй спирали ДНК, абсолютно идентичной исходной, несущей те же генетичес­кие признаки организма. Синтез ДНК происходит в период ин­терфазы жизненного цикла клетки, точнее в фазе S (синтетичес­кой фазе), с помощью фермента ДНК-полимеразы из нуклеотид-трифосфатидов. Во время митоза при расщеплении хромосом в каждую из вновь образующихся клеток попадает ДНК со всеми закодированными признаками.

Вторым замечательным свойством ДНК является способность «строить» (синтезировать) РНК (рибонуклеиновую кислоту), ко­торая

Рис. 2. Схема участка двухспиральной цепи ДНК

отвечает за синтез специфических белков и ферментов, а значит, обеспечивает специфические функции клеток и тканей и их морфообразование (формирование клеток, тканей и органов). «Выдача» соответствующих РНК и синтез необходимых ферментов и белков регулируются генами «регуляторами» и «операторами», РНК также представляет собой спиралеобразную цепочку, состоящую из нуклеотидов, но имеет отличия от ДНК:

1. в состав РНК в качестве углевода входит рибоза, а не дезоксирибоза (отсюда и название – рибонуклеиновая кислота);

1. в качестве азотистых оснований в РНК входят А (аденин), Г (гуанин), Ц (цитозин) и У (урацил вместо тимина);

1. молекулярная масса РНК значительно меньше, чем у ДНК (до 1…2 млн). Синтез РНК происходит в ядре на матрице ДНК, а потом она выходит и находится в цитоплазме клетки.

Цитоплазма клетки представляет собой сложный коллоидный раствор различных веществ, в котором находятся структурные органеллы клетки: рибосомы, митохондрии, лизосомы, тельца 3 и др.

Рибосомы являются своеобразными химическими лабо­раториями синтеза белков и ферментов. По современным пред­ставлениям, синтез белков осуществляется в рибосомах (полирибосомах) из аминокислот при участии различных видов РНК. В рибосомах имеется р-РНК (рибосомная РНК), которая созда­ет условия для синтеза. В цитоплазме находится т-РНК (матричная, или информационная РНК), которая содержит получен­ную от ДНК и закодированную азотистыми основаниями информацию о последовательности аминокислот. В цитоплазме же содержится т-РНК (транспортная РНК), являющаяся «подносчи­ком» соответствующих аминокислот к рибосомам.

Митохондрии играют роль «энергоустановок», где осу­ществляются окислительные процессы и окислительное фосфорилирование, т. е. образуются высокоэнергетичные соединения (АТФ и др.), обеспечивающие организм необходимой энергией.

Лизосомы – это образования, богатые гидролитическими и протеолитическими ферментами, расщепляющими белки, жи­ры, углеводы.

С точки зрения молекулярной патологии и конечного биоло­гического эффекта действие химических токсических веществ необходимо разделять:

• на непосредственное общетоксическое действие яда на биоструктуры и физиологические функции макроорганизма, ведущее к нарушению определенных жизненных функций и отравлению организма;

• токсикогенетическое действие (цитогенетическое), вызывающее нарушения генетического аппарата соматических и половых клеток, размножения клеток, формирования тканей и органов.

Цитогенетическое действие ОВ сказывается не только на клетках данного организма, но и на последующих поколениях клеток и организмов. Оно может проявляться генетическими нарушениями соматических клеток: нарушениями митозов, синтеза белков и ферментов, нарушениями иммунитета, злокачественным перерождением клеток (бластомогенное действие), нарушением развития эмбриона и плода (тератогенное действие). Цитогенетические изменения половых клеток могут стать причиной наследст­венных изменений в последующих поколениях.

В настоящее время можно считать установленным фактом, что цитогенетические нарушения вызываются главным образом действи­ем химических веществ на элементы ядра – ДНК и хромосомы, а не на элементы цитоплазмы.

Мутагенное действие. Действие на ядро и ДНК является причиной различных хромосомных мутаций. Мутации могут быть генные (точковые), обычно связанные с действием яда на азо­тистые основания и хромосомные аберрации, связанные с разры­вами хромосом и неправильными их склейками (делеции, инвер­сии, транслокации, и др.). Причем в организме мутагенные ве­щества в наибольшей степени проявляют свое действие в отношении тех тканей, в которых происходит усиленное размноже­ние клеток (кроветворная ткань, желудочно-кишечный тракт и т.д.). Имеется некоторое сходство с действием ионизирующей радиации, также оказывающей мутагенное действие на недиффе­ренцированные размножающиеся клетки и ткани организма.

Известно большое количество химических мутагенных ве­ществ. Приведем примеры.

1. Аналоги азотистых оснований ДНК (5-бромурацил, 5- бромдезоксиуридин, 2-аминопурин, б-меркаптопурин и др.). Эти вещества (антиметаболиты) включаются в ДНК вместо соответ­ствующих оснований, что приводит к «ошибке спаривания» нитей ДНК при последующей репликации (соединяются с гуанином вместо тимина и т. д.).

1. Азотистая кислота вызывает окислительное дезаминирование оснований, при этом аденин превращается в гипоксантин, который спаривается с цитозином вместо тимина; цитозин пре­вращается в урацил, который спаривается с аденином вместо гуанина. Кроме этого, азотистая кислота может вызывать разры­вы хромосом, выпадения и вставки отдельных участков.

1. Гидроксиламин (NH₂OH) реагирует с цитозином, который после этого спаривается с аденином вместо тимина.

1. Обширна группа алкилирующих веществ, которые легко присоединяются к нуклеофильным группам биосубстратов, несу­щим отрицательный заряд (сульфгидрильные, тиоэфирные, фос­фатные и др.). К алкилирующим соединениям относятся иприт, азотистый иприт и его аналоги, азасерин, эпоксиды, этиленамины, эфиры кислот, ТиоТЭФ, в-пропиолактон и др. Алкилирующие элементы могут реагировать с фосфорной кислотой и азотистыми основаниями ДНК, вызывать разрывы ее цепи, депуринизацию (отщепление пуриновых оснований), ошибку спаривания азотис­тых оснований. Они резко тормозят размножение клеток, оказы­вают цитостатическое действие, поэтому находят применение в терапии злокачественных новообразований и заболеваний крови.

Некоторые химические вещества и антибиотики включаются в процессы размножения клеток, синтеза ДНК, РНК и фермен­тов. Актиномицин-Д образует комплекс с ДНК, препятствует син­тезу m-РНК и блокирует синтез белков. Мономицин-С блокирует синтез ДНК, оказывает деполимеризующее действие на нее. Стрептомицин соединяется с рибосомами и затрудняет присоеди­нение к ним m-PHK. Колхицин задерживает митозы клеток в стадии профазы.

Многие химические токсические вещества оказывают тератогенное действие на эмбрион и плод у беременных женщин. Ши­рокую известность получила трагедия с талидомидом. Талидомид (контерган) был выпущен в 1958 г. в ФРГ. Он без достаточной проверки широко рекламировался и быстро распространился в ряде стран как седативное и снотворное средство. Результатом его применения явилась «эпидемия» рождения младенцев с такими харак­терными уродствами, как фокомелия (недоразвитые конечности), амелия (отсутствие конечностей) и другие тяжелые аномалии. В общей сложности пострадало более десяти тысяч детей. Известны десятки лекарственных веществ, оказывающих тератогенное дей­ствие на беременных женщин (все алкилирующие агенты, амина­зин, аминоптерин, 6-меркалтопурин, толбутамид, актиномицин, колхицин и др.).

К бластомогенным (канцерогенным) веществам относятся полициклические углеводороды (3–4-бензопирен и др.), ароматичес­кие амины, анилиновые красители, иприты, некоторые неорга­нические

Рис. 3. Схема цитогенетического действия ядовитых веществ и ионизирующей радиации

соединения хрома, никеля, селена и др. Причем те­рато- и бластомогенное действие проявляется при таких ма­лых, но длительно применяющихся (или даже при однократном применении) дозах, которые не вызывают клинических признаков.

Схема цитогенетического действия ядовитых веществ и ионизирующей радиации приведена на рис. 3.

Краткое ознакомление с проблемами токсикогенетики приво­дит к выводу о необходимости специальных исследований ток­сических и лекарственных веществ с целью изучения их мута-, терато- и бластомогенного действия.

Г л а в а 4