Накопление и распределение как один из механизмов избирательного действия ксенобиотиков. Цитологический механизм избирательного действия.
За миллионы лет эволюции органического мира в результате естественного отбора появилось множество высокоизбирательных молекул, обеспечивающих функционирование живой клетки. Токсическое действие ксенобиотиков не всегда вызывает гибель клеток, оно может быть и обратимым, как, например, в случае общих анестетиков. Избирательным действием обладают многие вещества: большинство лекарственных средств, применяемых в медицине или ветеринарии, а также все фунгициды, инсектициды и гербициды, используемые в сельском хозяйстве.
Избирательность вещества – это его способность воздействовать на клетки, ткани, организмы только одного определенного типа и не влиять на другие, даже находящиеся в контакте с первыми. Избирательно действующих веществ известно уже немало.
Существует три основных фактора (механизма), определяющих возможность проявления избирательного действия вещества. Соединение может, во-первых, избирательно накапливаться в различных клетках, органах и т. д.; во-вторых, вмешиваться в биохимические процессы, происходящие в живых организмах, и, в третьих, взаимодействовать с цитологическими структурами, существующими только в определенных видах клеток и организмах.
Избирательность действия, обусловленная преимущественным накоплением и распределением вещества, может быть вызвана морфологическими особенностями. Например, сильная опушенность сорняков по сравнению с культурными злаками или относительно большая (в расчете на единицу веса или объема) уязвимая поверхность тела насекомых по сравнению с млекопитающими приводит к большой площади контакта распыляемого агента с вредным видом.
Этот тип избирательности основывается на различии в распределении и накоплении. Агент, токсический как для полезных, так и для вредных клеток, накапливается только в последних. Иногда полезные и вредные клетки находятся в организмах разных видов.
Много лет тому назад во Франции было обнаружено, что водный раствор серной кислоты можно применять для борьбы с сорняками на полях. При опрыскивании поля пшеницы 10 % раствором серной кислоты из расчета 13 000 л/га на обработанном участке поля сорняков не было, а необработанная часть зарастала цветущей дикой редькой.
Безусловно, серная кислота повреждает цитоплазму и пшеницы, и сорняка. Однако листья пшеницы имеют гладкую и скользкую поверхность, а у двудольных сорняков она грубая и морщинистая; поэтому серная кислота скатывается с побегов пшеницы и задерживается на сорняках. Кроме того, нежные молодые ростки хлебных злаков защищены листочками и находятся ближе к земле, у основания растения, тогда как точка роста двудольных – на верхушках побегов, где они оказываются более уязвимыми. Таким образом, сорные травы гибнут, а полезные растения выживают в результате избирательного действия, которое целиком определяется различиями в распределении токсического вещества.
На примере избирательного действия серной кислоты видно, что даже самый маленький по размеру ион водорода может проявить избирательность.
Избирательность действия тетрациклинов, широко применяемая для лечения бактериальных инфекций у млекопитающих, определяется в первую очередь различиями в распределении, так как эти препараты накапливаются преимущественно в клетках бактерий.
Другим ярким примером избирательного действия, обусловленного специфичностью распределения, может служить йод, избирательно накапливающийся в щитовидной железе. В зависимости от дозы йод может понижать повышенный уровень метаболизма в железе или повреждать ее, вызывая возникновение опухоли.
Такой препарат, как гризеовульфин, накапливается у человека только в ороговевших клетках – эпидермисе, волосах и ногтях. Поэтому он применяется при лечении грибковых поражений этих тканей, поскольку у грибов гризеовульфин блокирует митоз.
Опять же следует помнить, что распределение ксенобиотиков (лекарственные препараты, гербициды и т. д.) связано с коэффициентом распределения.
В ряде случаев стараются получить вещества (лекарственные препараты), обладающие способностью накапливаться вблизи нужных клеток – мишенях (реципиентов). Часто для этих целей используют чисто механическое подведение вещества непосредственно к мишени. Например, кусочек специального пластика, пропитанного лекарственным веществом, прикрепляют к участку тела, где это вещество должно проявить свое действие.
Недавно две израильские фирмы разработали и предложили безинъекционный метод лечения сахарного диабета первого типа. С этой целью больному на запястье прикрепляется губчатый пластырь, из которого инсулин непрерывно поступает через кожу в кровяное русло. В другом случае, наоборот, искусственные сладкие вещества, ковалентно связанные с полимером, придают пище сладкий вкус, но при этом не всасываются в желудочно-кишечном тракте.
Помимо медицины, аналогичные методы, позволяющие создать высокую концентрацию действующего вещества в нужном месте, применяют в других областях. Например, для предотвращения зарастания днища кораблей морскими ракушками его покрывают резиновыми полосками, пропитанными органическими соединениями олова.
Различные процессы распределения как эндогенного, так и экзогенного характера протекают и в растениях. Примером последнего может служить распыление пестицидов и других токсических веществ. В этом случае значительная часть поверхности растений, защищенная другими частями этих же растений, остается необработанной. И все же влага и ветер способствуют перераспределению распыленного вещества. Так как поверхность растений заряжена отрицательно, то эффективное распределение достигается преимущественно для веществ, молекулы которых заряжены положительно (например, бордосская жидкость или стрептомицин).
Цитологические различия как основа избирательного действия. Известно, что строение клеток у животных и растений различно. Клетки состоят из отдельных компонентов (клеточных органелл, компартментов и др.), у которых видовые особенности выражены очень четко. Различаются между собой даже клетки одного организма, но разных тканей.
У растений нет нервной системы и мышечных клеток. Поэтому фосфорорганические соединения, блокируя проведение нервного импульса, поражают насекомых и не приносят заметного вреда растениям. На этом явлении основана весьма эффективная система химической защиты растений от насекомых.
Однако у растений, в отличие от насекомых и животных, имеются клеточная стенка, хлоропласты и механизмы, осуществляющие фотосинтез.
Уникальность такой структуры, как хлоропласта, представляет возможность, например, для уничтожения растений (сорняков), не причиняя вреда пчелам. В последние годы разработаны многочисленные гербициды, избирательно нарушающие процесс на стадии реакции Хилла и, следовательно, совершенно безвредные для млекопитающих. К широко распространенным гербицидам, в основе действия которых лежит ингибирование реакции Хилла, относятся фенилмочевины, триазиты, урацилы и др. В этом случае гербициды обратимо связываются с мембраной хлоропластов поблизости от вторичного акцептора электронов (хинона В) и блокируют перенос электронов. Такие гербициды нетоксичны для млекопитающих.
У многоклеточных организмов животные и растительные клетки организуются в ткани и органы, что обеспечивает очень важную возможность разделения функций. Их дальнейшая дифференцировка происходит на клеточном уровне между различными типами клеток – нервными, мышечными, эпителиальными и др.
Кроме того, клетки различаются, как уже отмечалось, по своему структурному строению. Так, наличие клеточной стенки – это особое свойство растений, отличающее их от других организмов. Клеточная стенка обеспечивает клеткам большую прочность. Но даже при наличии клеточной стенки (растения, грибы, бактерии) она, в зависимости от принадлежности к тем или иным жизненным формам, значительно отличается по химическому составу. Клеточные стенки многоклеточных растений состоят из микрофибрилл целлюлозы различной длины, включенных в амфотерный матрикс из целлюлозы и пектинов.
Клеточная стенка грибов представляет собой мозаику из различных углеводов с отдельными включениями липидов и белков.
У дрожжей клеточные стенки состоят из двух тесно прикрепленных структур. Одна из структур состоит целиком из глюкана (полиангидрид глюкозы), вторая представляет собой маннанпротеиновый комплекс, компоненты которого соединены между собой дисульфидными связями.
Бактериальные клетки также окружены стенками. Стенка грамположительных бактерий примерно наполовину состоит из муреина; остальные компоненты представлены тейхоевой кислотой. Стенка грамотрицательных бактерий устроена значительно сложнее. Муреин с наружной стороны покрыт мембраной, состоящей из липопротеидов и монополисахоридов; в стенках отсутствует тейхоевая кислота, а муреин составляет всего лишь 5–20 % всей массы стенки. Действия некоторых антибиотиков обусловлены нарушением различных стадий биосинтеза клеточной стенки бактерий. Так, механизм противомикробного действия бензилпенициллина заключается в образовании ковалентной связи с ферментом, в норме образующим поперечные сшивки в муреине на последней стадии биосинтеза. В результате этого растущая бактерия теряет способность строить новую стенку и погибает.
Различие функций организма существует не только на уровне определенных типов клеток или органов, но и внутри клеток. Благодаря наличию внутри клетки специализированных отделов (компартментов), отделенных друг от друга избирательно проницаемыми мембранами, в ней могут одновременно протекать различные взаимоконкурирующие реакции.
Метаболические реакции, протекающие в определенном порядке при участии ферментов в отдельных компартментах на поверхности раздела фаз и на мембранах органелл, могут подавляться различными ксенобиотиками.
Таким образом, цитологические различия могут во многом обеспечивать избирательность действия веществ. По сравнению с клетками эукариот размеры бактерий настолько малы, что в них просто нет места ни для ядра, ни для митохондрий, и ДНК находится в единственной хромосоме, прикрепленной к плазматической мембране. Эта мембрана выполняет и функции митохондрий по разложению метаболических веществ и накоплению энергии. В отличие от бактерий у клеток высших организмов органеллы защищены мембранами.
Даже у млекопитающих избирательность веществ по отношению к разным тканям связана со значительными различиями в форме и строении клеток.
52. Биохимический механизм избирательного действия ксенобиотиков
Избирательность, обусловленная биохимическими различиями. На первый взгляд многие биохимические процессы у всех живых существ, будь то животные, растения или микробы, протекают одинаково, поэтому биохимия не представляет возможности для проявления избирательного действия. Действительно, первичной единицей жизни во всех ее проявлениях служит клетка (даже вирусы паразитируют в клетках, обеспечивая себе питание и размножение). Все виды живого содержат нуклеиновую кислоту, в которой закодирована вся информация о функциях данного организма. Известно, что такие вещества, как колхицин, нарушают митоз у всех организмов на одной и той же стадии. Точно так же одинаково протекают во всех клетках катаболические процессы, а также процессы гликолиза. Аденозинтрифосфат служит универсальной «валютой» в энергетическом обмене.
Однако каким бы поразительным не казалось это сходство, тот факт, что все виды живого отличаются друг от друга по внешнему виду и функционируют по-разному, свидетельствует о наличии отдельных биохимических различий между ними; даже в разных тканях одного организма биохимические процессы протекают неодинаково.
Избирательность действия ксенобиотиков определяется различиями в процессах их биотрансформации, а также зависит от его влияния на какой-либо важный биохимический процесс, который у чувствительного организма имеется, а у устойчивого или отсутствует, или не столь чувствителен к данному веществу.
На сегодняшний день из трех рассматриваемых нами факторов (накопление и распределение, биохимический, цитологический) избирательного действия ксенобиотиков наиболее изученным оказался биохимический. Это связано с успехами биохимической науки, в результате чего в настоящее время установлен целый ряд соединений, действие которых определяется протеканием метаболических процессов в клетке и организме в целом.
Так, известны вещества, влияющие на синтез ДНК, ингибирующие начальные стадии синтеза ДНК; вещества, взаимодействующие с ДНК (ингибиторы, останавливающие как ее репликацию, так и транскрипцию); вещества, разрушающие ДНК (повышается температура плавления, вязкость, уменьшается плотность). Также известны вещества-ингибиторы синтеза РНК, ингибиторы синтеза белков, ферментов, различных путей катаболизма (метаболизм азота и фосфора), метаболизма углеводов, липидов, цикла трикарбоновых кислот, транспорта электронов и т. д.
В этой связи рассмотрим некоторые примеры избирательности, основанные на биохимическом действии ксенобиотиков. Известно, что сульфаниламиды обладают антибактериальным действием. Это связано с тем, что они ингибируют стадии синтеза ДНК. Дегидрофолиевая кислота является предшественником кофермента, необходимого для биосинтеза тимина и всех пуриновых оснований. Без этих субстратов бактерии быстро погибают, так как им не из чего синтезировать ДНК. Два фактора, определяющие избирательность противобактериальных сульфаниламидов, взаимно усиливают друг друга: 1) у млекопитающих отсутствует фермент, синтезирующий дегидрофолиевую кислоту, и поэтому они толерантны к сульфаниламидам и 2) у патогенных бактерий отсутствуют мембранные белки, с помощью которых дегидрофолиевая кислота попадает в клетки млекопитающих из пищи.
Механизм инсектицидного действия ДДТ связан с его способностью блокировать ионные каналы у холоднокровных. Избирательность действия ДДТ обусловлена тем, что при более высокой температуре, которую имеют тела теплокровных, не образуется донорно-акцепторной связи между бензольными кольцами препарата и противоположно заряженной поверхностью мембраны около устья канала.Одним из избирательных эффектов ДДТ, проявляющихся у птиц, является наблюдаемое под его действием нарушение кальциевого обмена, вследствие чего яичная скорлупа оказывается более тонкой. Такие яйца при насиживании раздавливаются, и птицы не выводят птенцов.ДДТ нарушает и некоторые важные процессы в растениях; так, например, он подавляет фотосинтез у водорослей.
Наглядным примером биохимической избирательности, связанным с процессом биотрансформации, является случай, когда устойчивый организм способен разрушать ксенобиотик до нетоксичных соединений, а чувствительный – не способен. Хорошо известно, что растения кукурузы обезвреживают гербицид симазин, гидролизуя в его молекуле хлор в положении 2 до гидроксигруппы. Прямо противоположным образом обстоит дело, когда ксенобиотик не обладает токсичностью и превращается в токсическое соединение в самих организмах, после чего убивает их; в таких ситуациях любой организм, не способный осуществлять это превращение, будет устойчив к данному веществу.
Известно, что некоторые растения способны осуществлять b-окисление хлорфеноксиалкилкарбоновых кислот, при котором от боковой цепи отщепляется в каждом цикле окисления двууглеродный фрагмент. Если исходная цепь содержит за вычетом карбоксильной группы нечетное число атомов углерода, то конечным продуктом b-окисления оказывается всегда токсичное производное уксусной кислоты; если же она содержит четное число атомов, то образуется слаботоксичное производное.
Но не все растения способны осуществлять b-окисление хлорфеноксиалкилкарбоновых кислот. Поэтому если обработать бобовую культуру и присутствующие сорняки хлорфеноксимасляной кислотой (2,4-DМ), имеющей в боковой цепи три промежуточных атома углерода, то в сорняках это соединение превратится в хлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-D), которая их убьет; в бобовых она остается неизмененной и соответственно не причинит вреда.
Другой пример биохимической избирательности, связанный с процессами биотрансформации, можно продемонстрировать на характере действия инсектицидов. Механизм избирательного действия большинства самых эффективных фосфорорганических инсектицидов основан на метаболических превращениях. Биотрансформация, которая происходит у насекомых, делает для них эти соединения более токсичными, тогда как в организме млекопитающих эти инсектициды превращаются в менее токсические производные.
У бактерий и растений ароматические аминокислоты – фенилаланин и триптофан – образуются из гликолиевой кислоты. Млекопитающие не способны синтезировать бензольное кольцо и поэтому вынуждены получать эти две аминокислоты с пищей. Так как шикимовая кислота не участвует в метаболизме млекопитающих, ее биосинтез и метаболизм являются прекрасными мишенями для избирательно токсических агентов.
Многие простые молекулы могут разобщать окисление и фосфорилирование, в результате чего энергия окисления питательных веществ не может накапливаться в виде АТФ. Известны три класса разобщающих агентов: жирорастворимые слабые кислоты, алкилирующие агенты и жирорастворимые сильные основания. Механизм действия фенола и других слабых кислот, представителей самого многочисленного на сегодняшний день класса разобщающих агентов, заключается в переносе ионов водорода через внутреннюю мембрану митохондрий, что приводит к падению мембранного потенциала до нуля. Это, в свою очередь, вызывает прекращение синтеза АТФ.
Особый интерес представляют случаи избирательно протекающих метаболических реакций, отличающие человека от большинства других млекопитающих, но именно в этих различиях кроются опасности неудач при переходе от опытов на лабораторных животных к лечению людей.
Противобактериальный препарат сульфадиметоксин выделяется из организма человека и приматов в виде N'-глюкоронида, а из организма обычных лабораторных животных – в виде N-ацетилпроизводного.
Другие ароматические амины, например анилин и стрептоцид, ацетилируются в организме человека и многих млекопитающих, у большинства видов птиц, земноводных, пресмыкающихся и рыб. Однако в организмах собаки, лягушки и черепахи ароматические амины не ацетилируются.
Рассматриваемые до сих пор фрагментарные биохимические различия, характерные для живых организмов, носили в основном качественный характер. Однако даже в тех случаях, когда у двух видов используются одинаковые метаболические пути, между ними могут существовать количественные различия, например, в способности к накоплению или метаболизме. Так, патогенные трипаносомы способны утилизировать глюкозу в 2000 раз быстрее, чем организм-хозяин. За 24 ч они могут утилизировать в 20 раз больше глюкозы, чем весят сами. А человек потребляет за это время только 1/100 от своего веса. Столь интенсивный углеводный обмен у паразитов является особо уязвимым, так как у них происходит накопление энергетических запасов. Такое количественное различие не всегда оказывается энергетически выгодным для крупных особей. Человек, например, в 15 раз более чувствителен к действию атропина, чем кролик.Однако для него безвредна доза стрихнина, способная убить число кроликов, по весу превосходящее вес человека. Синильная кислота в безопасной для человека концентрации мгновенно убивает собаку.
Отчетливые различия можно обнаружить и у одной особи. Например, глутаминсинтетаза почек крысы в 10 раз быстрее перерабатывает свой субстрат, чем фермент-аналог из ее мышцы. В опухолевых (раковых) клетках клеточный цикл протекает быстрее, чем в здоровых: поэтому они более чувствительны к действию лекарственных препаратов, вмешивающихся в синтез нуклеотидов.Таким образом, избирательность действия вещества определяется чувствительностью ферментов-аналогов, т. е. ферментов, выполняющих внешне идентичные функции в разнородных или одних и тех же организмах. Ингибирование в этом случае зависит от концентрации используемого ксенобиотика.
53. Удаление или маскировка как один из механизмов биол. Дейсвия хелатирующих агентов. Характеристика антидотов.
Наличие двухфазной реакции организма на металлы свидетельствует о существовании двух разных механизмов действия хелатирующего агента в биологических системах: I – удаление металлов из клетки или «маскировка» их в клетке (в виде комплексов) и II – накопление в клетке металлов в большем количестве, чем в обычных условиях. Дальнейшее подразделение зависит от того, являются ли исследуемые металлы жизненно важными или токсичными для организма.
Механизм I. Большинство хелатирующих агентов, биологическое действие которых осуществляется по механизму I, получили распространение в качестве антидотов, предназначенных для «маскировки» или удаления из организма токсичных металлов, случайно попавших в организм, т. е. в этом случае происходит уменьшение токсического действия металла в результате хелатообразования.
Первый антидот – димеркапрол был синтезирован в 1940 г. в качестве антидота при отравлениях мышьяксодержащим боевым отравляющим веществом. В настоящее время его часто применяют для лечения отравлений соединениями золота, ртути (в виде неорганических и органических соединений), сурьмы и мышьяка.
Ряд хелатирующих агентов широко используются в клинике в качестве антидотов при профессиональных и бытовых отравлениях, хронических интоксикациях металлами, вызванных передозировками лекарственных препаратов, а также для ускорения выведения из организма радиоактивных элементов. Для этих целей хелатирующие вещества начали применять только с 1945 г. Такие антидоты должны циркулировать в крови, не вызывая уменьшения концентрации жизненно важных тяжелых металлов. При этом необходимо строго контролировать их дозу. Для того чтобы антидот смог проникать в клетку в небольших количествах и быстро выводиться из организма, его молекулы должны содержать полярные (желательно легко ионизирующиеся) группы, например ОН, СООН, SH, NH2. Эти группы должны присутствовать в избытке, чтобы по меньшей мере одна из них оставалась свободной после насыщения антидота металлом. Кроме того, обычно создают такой антидот, чтобы его хелатные комплексы не могли проникать в клетки из кровотока и легко выводились почками.
Лишь в редких случаях сам агент, связывающий металл, оказывается токсичным для организма. Однако «маскировка» может приводить и к негативным результатам.
Наиболее изученное соединение, чье повреждающее действие связано с явлением «маскировки», – синильная кислота. Она связывает свободные валентности железа в цитохромоксидазе, не затрагивая при этом четырех его связей с порфириновым ядром. Таким образом, фермент лишается возможности соединяться со своим субстратом, и дыхание прекращается. У многих видов это приводит к немедленной гибели организма.