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 генетиче­ ской информации и ее реализация в виде злокачественной трансформации клетки. Установлено, что онкологическое заболевание развивается не сразу, а после того, как клетка

6В 3. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

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 соеди­ нений (например, гормонов), функционирующих в организ­ ме. При таком механизме действия ксенобиотики нарушают нормальный рост и развитие органов, тканей, включая нерв­ ную и иммунную системы.

• Изменение активности иммунной системы у человека. Это воздействие включает иммунную модуляцию, выражаю­ щуюся в изменении активности иммунных компонентов (например, числа Т- или В-лимфоцитов в крови), развитии гиперчувствительности и стимуляции аутоиммунных про­ цессов в организме. Подобным действием отличаются аро­ матические углеводороды; карбаматы (класс пестицидов); тяжелые металлы (ртуть); галогенпроизводные ароматиче­ ских углеводородов (полихлорировапные соединения); фос- форорганические соединения (пестициды); металлооргани- ческие соединения олова; атмосферные окислители (озон и диоксид азота); полициклические ароматические углеводо­ роды (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 посред­ ством формирования водородной, ионной связей или сил гидрофобного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) меж­ ду молекулой-мишенью и ксенобиотиком. Формируется не­ стабильный комплекс, чему способствует довольно низкая

3.3. Основные механизмы действия ксенобиотиков 69

величина энергии самой связи. В силу этого обстоятельства образование подобных комплексов обычно обратимо.

• Коваяентное необратимое связывание. Такое взаимодей­ ствие происходит путем образования прочной, коваленткой связи. Обычно сопряжено с изменением структуры и/или функции молекулы-мишени и по своему характеру является необратимым. При этом токсические соединения с ачектро- фильными свойствами присоединяются в основном к бел­ кам, или нуклеиновым кислотам, нуклеофильные ксенобио­ тики (например, СО) - к гемсодержапщм белкам или фер­ ментам, 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 при­ водить к дегидрированию молекул-мишеней:

НО* + R-SH -> НОН + R-S*; R-SH + HS-R -> R-S-S-R.

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.

Рис. 3.3. Механизм образования межмолекулярных связей в полипептидных цепочках белков

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

70 3. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

• Нарушение функции. Подобное проявление может иметь место при катализе какой-то ферментативной реак­ ции, при эффекте мимикрирования (подражания) ксеноби­ отиком действию некоторых гормонов (например, поло­ вых).

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

• Образование антигенов. Определенные изменения тре­ тичной структуры белков могут вести к появлению иных в информационном отношении макромолекул, которые мо-. гут обладать антигенными свойствами, формировать ответ­ ную иммунную реакцию и являться причиной аутоиммун­ ных 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 алкалировании - 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 репарирутощих 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

3,3. Основные механизмы действия ксенобиотиков 71

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 меха­ низм обычно реализуется путем модуляции активности ки- наз (фосфорилаз), осуществляющих присоединение остат­ ка фосфорной кислоты к белкам, и играет важную роль в передаче сигнала в клетку. Другим примером нарушений на клеточном уровне можег являться эффект мимикрирования действия гормонов с помощью ксеноэстрогенов, а также ии- гибирование активности ферментов, расщепляющих есте­ ственные гормоны.

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

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

Нарушение процессов производства энергии может про­исходить на различных стадиях. Важную роль играег про­цесс освобождения энергии за счет транспорта электронов по дыхательной цепи. Такие пестициды, как ротенон, за­грязнители агмосферного 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 контрактилъных немышечных белков. Это неизбежно

72 3. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

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 апоптоэа 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 митоткческую 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-

3.3. Основные механизмы действия ксенобиотиков

73

74 3. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

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 обезвре­ живании, способны превращаться в канцерогены. Сюда от­ носятся бенз[а]пирен, ароматические углеводороды, диме- тилнитрозамин, винилхлорид и афлатокеины;

• первичные канцерогены, которые обладают непосред­ ственным геногоксическим эффектом. Сюда относятся сильные электрофилы (эпоксидьи 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 кан­ церогенез путем хронического раздражения ткани (напри­ мер, асбест);

• гормоны;

• иммуносупрессоры;

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

3.3, Основные механизмы действия ксенобиотиков 75

Проганцероген ~- Детоксикация

Каниеооген — Детоксикация;

^{ц ро} ен связывание с нукпеофилами

I Связывание с ДНК «Инициация»

Измененная ДНК »- Репарация ДНК

«Репликация»

Патентные опухолевые клетки

«Поддержка» роста Формирование опухоли «Развитие»

Малишизация опухали I «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 тер­мин ации.

Важная характерная черта ксенобиотиков - синергизм в их действии. Примеры канцерогенного синергизма: действие питрозаминов 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.

78 3. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ