Куценко С.А. Основы токсикологии

Подождите немного. Документ загружается.

Структурные аналоги данного субстрата,

взаимодействующие с ним по типу

"конкурентного торможения"

Фосфорорганические соединения и другие

антихолинэстеразные соединения,

Циклосерины, Галоидопроизводные

пиримидина и др.

Предшественники структурных аналогов

субстрата, из которых образуются ингибиторы

ферментов в процессе "летального синтеза"

Фторацетат, хлорацетат

Галоидсодержащие производные

пиримидина и пурина,

Метиловый спирт,

Этиленгликоль и др.

Структурные аналоги коферментов,

антивитамины. Конкурентное торможение

Антивитамины РР, В

и др.

Соединения, тормозящие биосинтез

ферментов. Крнкурентное торможение; в

отдельных случаях неконкурентное

Структурные аналоги природных

аминокислот (фторфенилаланин,

азатриптофан и др.),

Некоторые антибиотики: пенициллин,

левомицетин, ауреомицин и др.

Соединения, блокирующие функциональные

группы белка или кофермента.

Неконкурентное торможение

Цианиды,

Сероводород,

Окись углерода,

Метгемоглобинообразователи,

Соединения, связывающие

SH-группы и др.

Соединения, нарушающие связи атомов

металлов в молекуле фермента

Хелатирующие соединения: ЭДТА, ДТПА,

8-оксихинолидин и т.п.

Соединения, разобщающие сочетанную

деятельность ферментов

Разобщители клеточного дыхания и

окислительного фосфорилирования

(динитрофенол),

Фториды,

Некоторые наркотики и др.

Соединения, денатурирующие белок (грубое

нарушение структуры белковой молекулы)

Крепкие кислоты, щелочи, тяжелые

металлы, органические растворители и др.

Биологические яды, содержащие ферменты,

разрушающие структурные элементы клеток и

тканей, образующие в организме токсичные

вещества

Яды змей и насекомых,

Бактериальные токсины

Аналоги медиаторов Ингибиторы моноаминоксидазы и др.

3.1.1.3. Биологические последствия действия токсикантов на энзимы

Поскольку все процессы в живых организмах протекают при участии энзимов, и все

фундаментальные свойства живых систем неразрывно связаны с нормальным течением этих

процессов, теоретически любые проявления жизни могут быть нарушены теми или иными

токсикантами, изменяющими активность энзимов.

3.2. Взаимодействие токсикантов с нуклеиновыми кислотами.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты - основной компонент хромосомного аппарата клеток.

Рибонуклеиновые кислоты представлены информационной, транспортной, рибосомальной РНК.

Их функция - участие в синтезе белка. Многие ксенобиотики вступают во взаимодействие с

нуклеиновыми кислотами, изменяя их свойства.

1. Химическая модификация нуклеиновых кислот.

К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, относятся

нитриты, сернистый, азотистый, кислородный иприты, этиленоксид, этиленимин, гидразин и его

производные, гидроксиламин, нитрозамины, аренокисды, полициклические углеводороды,

метаболиты афлатоксинов, соединения мышьяка и многие другие вещества. Эти токсиканты,

образуют ковалентные связи с аминогруппами пуриновых и пиримидиновых оснований, входящих

в структуру нуклеиновых кислот (рисунок 4). Измененные таким образом молекулы ДНК могут

подвергаться дальнейшей ферментативной и неферментативной трансформации вплоть до

разрушения под воздействием эндонуклеаз.

Рисунок 4. Взаимодействие аденозина с ипритом

Вещества с бифункциональными активными группами (иприты) могут образовывать с двунитевой

молекулой ДНК перекрестные связи, при этом становиться невозможным расхождение нитей

"двойной спирали", необходимое для обеспечения синтеза белков, клеточного деления.

Токсиканты способны вступать во взаимодействие не только с пуриновыми и пиримидиновыми

основаниями, но и с углеводно-фосфатной основой молекулы нуклеиновой кислоты. При этом

происходит её денатурация. Полагают, что таким образом может взаимодействовать с

нуклеиновыми кислотами в частности формальдегид.

2. Нарушение конформации нуклеиновых кислот.

Многие ксенобиотики образуют нековалентные связи с ДНК. При этом меняется конформация

макромолекул. Так, известно высокое сродство к нуклеиновым кислотам производных акридина,

которые, встраиваясь в молекулу ДНК между соседними парами оснований (интеркалация),

изменяют её структуру. Таков же, вероятно, механизм действия этидиумбромида, профлавина и

др.

Антрациклин, хлорахин, актиномицин и некоторые другие антибиотики также изменяют

конформацию нуклеиновых кислот, не образуя с ними ковалентных связей.

3.3. Взаимодействие токсикантов с липидами

Важнейшая функция липидов - формирование биологических мембран. Вещества, разрушающие,

изменяющие структуру липидов, нарушающие взаимодействие между молекулами липидов

(гидрофобные связи) повреждают биологические мембраны и поэтому называются

мембранотоксикантами. К числу таких относятся многие спирты, предельные и галогенированные

углеводороды ("неэлектролиты"), детергенты (поверхностно-активные вещества), а также яды,

обладающие фосфолипазной активностью (яды змей и т.д). Ряд токсикантов оказывает

опосредованное мембранотоксическое действие, повышая уровень внутриклеточного Са

активируя эндогенные фосфолипазы, свободнорадикальные процессы в клетках (см. ниже) и т.д.

3.4. Взаимодействие токсикантов с селективными рецепторами

3.4.1. Селективные рецепторы клеточных мембран

Селективные рецепторы клеточных мембран - это протеины, встроенные в липидные бислои.

Гидрофобный участок -спирали белков обеспечивает их прочную связь с мембраной.

Гидрофильный участок располагается за пределами липидного бислоя. Именно этот фрагмент

белка обеспечивает связь рецептора с лигандом, то есть формирует собственно рецепторную

область. Выделяют следующие типы селективных рецепторов мембран:

- формирующие ионные каналы;

- связанные с G-протеинами;

- обладающие тирозинкиназной активностью;

- образующие межрецепторные сети.

1. Рецепторы формирующие ионные каналы. Эти рецепторы участвуют в передаче нервных

импульсов в центральной нервной системе и на периферии. Обычно рецепторы данного типа

состоят из нескольких субъединиц пронизывающих всю толщу биологической мембраны. Одна -

две из этих субъединиц представляют собой собственно рецепторную область, связывающуюся с

лигандом. Другие субъединицы после взаимодействия рецепторной области с лигандом изменяют

свою конформацию и участвуют тем самым в формировании ионного канала. К числу известных

каналобразующих рецепторов относятся никотинчувствительный рецептор ацетилхолина (Н-

холинорецептор), ГАМК-ергический, глицинергический рецепторы. Первый из упомянутых

является каналом для ионов Na

, два других - для ионов Cl

. Известно большое количество

веществ, действующих на эти рецепторы. Например, курарин, никотин, анабазин (действуют на

холинорецепторы), бициклофосфаты, норборнан, пикротоксинин (действуют на ГАМК-рецепторы),

стрихнин (действует на рецепторы к глицину).

К этой же группе рецепторов можно отнести Na

-, К

, Ca

- каналы возбудимых мембран, для

которых пока не найдены эндогенные химические агонисты. Тем не менее, ионные каналы имеют

рецепторную область связывания высокотоксичных ядов животного происхождения, таких как

тетродотоксин, сакситоксин, батрахотоксин и др.

Первым из достаточно изученных каналобразующих рецепторов был никотинчувствительный

рецептор ацетилхолина. Этот рецептор состоит из четырех типов субъединиц, из которых

ацетилхолинсвязывающая -субъединица представлена в рецепторе дважды. Как полагают, все

субъединицы в процессе эволюции возникли из одного предшественника, о чем свидетельствует

близкая последовательность аминокислот в их молекулах. Последние представляют собой

трансмембранную -спираль, состоящую из 20 - 25 аминокислотных остатков. Идентичным для

всех субъединиц является и способ фиксации в липидном бислое.

Клонирование и секвенирование генов, ответственных за синтез субъединиц никотинового

рецептора, выделенного из различных органов животных одного вида и органов разных видов,

позволили высказать предположение об эволюционной близости их происхождения. Об этом же

свидетельствует и то обстоятельство, что не смотря на имеющиеся различия строения

рецепторной области Н-холинорецепторов, выделенных из разных органов и тканей животных

различных видов, их чувствительность к ацетилхолину, его агонистами и антагонистам

различается несущественно.

2. Рецепторы, связанные с G-протеинами. Особый вариант передачи регуляторных сигналов

представлен механизмом взаимодействия эндогенных лигандов с рецепторами,

ассоциированными с G-протеинами (регуляторными протеинами). В этом случае сигналы,

вызванные действием лиганда, приводят к конформационным изменениям рецепторного белка,

затем переносятся на белки сопряжения, которые в свою очередь, уже или стимулирует или

угнетает эффекторную систему в целом. Белки сопряжения в ходе передачи сигнала связывают

молекулу гуанозинтрифосфата (ГТФ) и расщепляют её не гуанозиндифосфат и фосфат (отсюда

название - G-протеины). Стимулирующие G-протеины (G

), активируют в ходе передачи сигнала

аденилатциклазу клеток-эффекторов, а ингибиторные (G

) - угнетают этот энзим. Поскольку G-

протеины расщепляют ГТФ, они называются также ГТФ-азами.

К числу рецепторов такого типа относятся в частности мускаринчувствительные холинэргические

рецепторы (М-холинорецепторы), и -адренорецепторы и т.д. Гены, контролирующие синтез

белковых субъединиц этих рецепторов клонированы и секвенированы. Мускаринергический и

адренергический рецепторы образованы белковой молекулой, закрепленной в клеточной

мембране с помощью 7 трансмембранных участков пептидной -спирали. Оба рецептора по

последовательности аминокислот весьма близки, что указывает на близость их эволюционного

развития. Полагают, что различные типы - и -адренорецепторов, М-холинорецепторов,

дофаминергических, серотонинергических, гистаминергических рецепторов, а также ряд других

рецепторных структур, представляют собой подтипы некоего исходного образования,

различающиеся незначительными особенностями третичной структуры, конформации, связывания

с липидной мембраной.

Комплекс G-протеинов состоит из трех субъединиц. Наибольшая, с молекулярной массой 40000,

называется -субъединицей. Она содержит в каталитическом центре участок селективного

связывания ГТФ и при активации действует как ГТФ-аза. -субъединица, с одной стороны

сопряжена с мембранным рецепторным белком, с другой - с молекулой аденилатциклазы. -

субъединица имеет молекулярную массу около 35000 и вероятно запускает процесс расщепления

ГТФ, отсоединяясь от комплекса G-протеинов. О функции наименьшей - -субъединицы (ММ

около 10000) практически ничего не известно.

Функционирование системы передачи сигнала с помощью G-протеинов наилучшим образом

изучено на примере -адренорецепторов (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема проведения сигнала, через систему рецептора связанного с G-протеинами

В невозбужденном состоянии

-субъединица рецепторного комплекса связана с молекулой ГДФ.

Взаимодействие агониста с рецепторным белком приводит к изменению его конформации, что

сопровождается изменением свойств и

-субъединици G-протеина - последний теряет сродство к

ГДФ и связывается с молекулой ГТФ. Активированная -субъединица отщепляется от

рецепторного протеина и присоединяется к аденилатциклазе, активируя её. Под влиянием

фермента в клетке из АТФ синтезируется цАМФ - вторичный месенджер, запускающий процессы,

лежащие в основе активации клетки. Присоединение к -субъединице - и -субединиц

активирует её ГТФ-азную активность. Образующийся в процессе передачи сигнала ГДФ

присоединяется к -субъединице, вызывает её отщепление от аденилатциклазы и присоединение

к рецепторному протеину. Система приходит в исходное состояние.

Токсиканты могут модифицировать описанный процесс на любом из этапов проведения сигнала.

Например, холерный и коклюшный токсины вызывают АДФ-рибозилирование G

-протеина после

его связывания с молекулой ГТФ. В итоге развивается стойкая активация аденилатциклазы и

перевозбуждение соответствующих клеток слизистых оболочек.

В настоящее время известно огромное количество веществ синтетических и естественного

происхождения, избирательно взаимодействующих с рецепторами данного типа. Среди них

многочисленные лекарственные средства (действующие на холинэргические,

катехоламинергические, серотонинергические синапсы), интоксикация которыми развивается как

при перевозбуждении, так и блокаде рецепторов (см. курс фармакологии). Сюда же относится

большая группа веществ, обладающих психодислептической активностью (диэтиламид

лизергиновой кислоты, псилоцин, псилоцибин, буфотенин, мескалин, хинуклидинилбензилат - BZ и

т.д.).

3. Рецепторы с тирозинкиназной активностью. К рецепторам данного типа относятся, в частности,

рецепторы к инсулину и гормону роста. Эти рецепторы состоят из одной или двух белковых

субъединиц, закрепленных в липидном бислое с помощью пептидной -спирали.

После взаимодействия с лигандом рецепторная молекула частично погружается в клетку. При

этом активируется тирозинкиназная активность специальной субъединицы рецептора, либо

энзима, тесно связанного с ним. Пусковым сигналом процессов, приводящих к активации клетки,

является фосфорилирование внутриклеточных белков (по молекуле тирозина).

Токсиканты, избирательно действующие на данный тип рецепторов, пока не известны.

4. Рецепторы, образующие межрецепторные сети. В отличии от других мембраносвязанных

рецепторов, связывание с лигандом в данном случае не приводит непосредственно к передаче

сигнала на эффекторную систему. Процесс восприятия сигнала связан с образованием

межрецепторных цепей на поверхности клеток. Наилучшим образом в группе рецепторов данного

типа изучены рецепторы к Fc-фрагменту (fragment crystalline) антител (иммуноглобулинов). Эти

рецепторы представляют собой агрегаты двух или более белковых субъединиц, молекулярная

масса которых составляет около 30000 - 50000. Особое патофизиологическое значение имеет

образование межрецепторных сетей IgE-Fc-рецепторов, поскольку это явление, наступающее

вследствие связывания антигена с молекулами фиксированных на мембранах тучных клеток

антител, приводит к взрывоподобному экзоцитозу гистамин-содержащих гранул. Экзоцитоз

биологически активных веществ, и в частности, гистамина из тучных клеток - основа

анафилактических реакций (см. ниже).

4. Изучение локализации рецепторов в биообъекте

Выяснение характера распределения рецепторов различных токсикантов в тканях, клетках,

субклеточных структурах возможно с помощью различных методических приемов. Непрямым

методом является обнаружение в исследуемом материале эндогенных биорегуляторных веществ,

аналогами которых является токсикант, или ферментов их обмена. Как правило, для этой цели

используют гистологические методы (гистохимия, иммуногистохимия). Такими способами,

например, выявляют области синтеза, депонирования или разрушения нейромедиаторов (ГАМК,

серотонина, дофамина, норадреналина, гистамина и т.д.). Однако на основании полученных

результатов неправомочно делать заключение о том, что здесь же залегают и основные

рецепторные образования к соответствующим токсикантам. Количество выявляемого медиатора в

ткани (клетке) ни в коем случае не является характеристикой плотности рецепторов к

исследуемому веществу.

Часто для выявления рецепторов в органах и тканях используют метод авторадиографии. При

этом о характере их распределения часто судят по особенностям связывания токсикантов,

меченых радиоактивными изотопами (радиолигандов). С помощью этого метода возможно

изучение и внутриклеточной локализации рецепторов.

Метод компьютерной томографии, в частности позитронно-эмиссионная компьютерная

томография, позволяет прижизненно изучать локализацию рецепторов токсикантов в тканях. Для

этого в организм обследуемого вводят рецепторспецифичные радиолиганды (сам токсикант или

его аналоги), меченные радионуклидами, испускающими позитроны (

С,

F), локализацю которых

в различных органах, по прошествии некоторого инкубационного периода, и выявляют с помощью

соответствующей аппаратуры. С помощью такого подхода можно изучить распределение

рецепторов в любом интересующем органе. Недостатками метода являются его недостаточно

высокая разрешающая способность и дороговизна.

5. Понятие полирецепторного профиля связывания токсиканта

Селективное связывание токсиканта с рецепторами одного типа характерно лишь для очень

небольшого числа высоко токсичных соединений (например, некоторые ФОС, ботулотоксин,

сакситоксин, тетродотоксин, аманитин). Часто вещество имеет примерно одинаковое сродство к

нескольким рецепторам, взаимодействие с которыми и приводит к формированию вполне

определенного биологического эффекта (профиля токсических реакций). В этой связи,

особенности проявлений интоксикации одним и тем же веществом, но различных степеней

тяжести, обусловлено не только увеличением количества рецепторов одного типа, связавшихся с

токсикантом, но и расширением спектра вступивших во взаимодействие рецепторов. По этой

причине, часто, зная проявления интоксикации, мы не можем точно определить, каков механизм их

формирования.

Сказанное выше относится к токсикантам с различными механизмами токсического действия, в

том числе и влияющим на нейромедиаторный аппарат. В малых дозах эти ксенобиотики обычно

избирательно взаимодействуют с рецепторами какого-то одного типа (например, нейролептики,

трициклические антидепрессанты - ТАД - вмешиваются в передачу нервных импульсов в

дофаминергических синапсах мозга), однако в высоких дозах действие распространяется и на

другие синаптические структуры (упомянутые вещества обладают выраженной холинолитической

активностью). В ряде случаев токсический эффект в большей степени связан с взаимодействием

ксенобиотика с менее чувствительными, но более значимыми для поддержания гомеостаза

рецепторами. Так, интоксикация упомянутыми нейролептиками и ТАД в основном проявляется

эффектами, обусловленными блокадой холинэргических структур (психодислептические эффекты,

вегетативные нарушения, устраняемые в значительной степени ингибиторами холинэстеразы).

В связи с изложенным, важным, при изучении механизмов токсического действия веществ,

является определение рецепторного профиля их действия в широком диапазоне доз. В ходе этих

исследований изучают виды рецепторов, с которыми может вступить во взаимодействие токсикант

и количественные характеристики этого взаимодействия. Обычно задача решается с помощью

радиолигандных методов исследования. Сравнение биологических эффектов, вызываемых

действием на организм близких по строению, но различающихся по рецепторному профилю

токсикантов, позволяет, с определенными оговорками, оценить значение каждого из механизмов

формирования токсического процесса.

6. Радиолигандные методы изучения процесса взаимодействия токсиканта с

рецепторами

Поскольку токсичность веществ во многом определяется их способностью взаимодействовать с

рецепторами определенных типов, количественная оценка сродства конкретного вещества к

конкретному рецептору порой имеет решающее значение для выявления механизма его

токсического действия.

Количественно оценить сродство токсиканта к рецептору можно с помощью радиолигандных

методов исследования. При этом, однако, эффекты, развивающиеся вследствие взаимодействия,

остаются вне поля зрения исследователя. Более того, в ходе работы не представляется

возможным решить вопрос, является ли исследуемое вещество агонистом или антагонистом

(активатором или ингибитором) данного рецептора. Тем не менее, сочетание метода с

биохимическими и физиологическими методиками позволяет получить развернутую картину

механизма действия токсиканта и формирования ответной реакции биосистемы. К числу основных

методов относятся: а) с полным насыщением рецептора и б) методы замещения радиолиганда.

а). Принцип метода с полным насыщением рецептора состоит в добавлении в инкубационную

среду, содержащую рецептор, меченного изотопом токсиканта (радиолиганда) в возрастающей

концентрации. Метод пригоден для исследования свойств веществ, прочно фиксирующихся на

рецепторе (например, холинолитиков: скополамин, атропина, дитрана и т.д.). В ходе

экспериментов с насыщением изучают зависимость количества образовавшегося радиолиганд-

рецепторного комплекса (RL) от концентрации радиолиганда (L) при постоянном содержании в

среде соответствующих рецепторов (R). После получения необходимых данных (как правило,

представляемых в графической форме), можно рассчитать количественные характеристики

процесса (константу диссоциации комплекса K

), используя общие положения закона действующих

масс.

= [ R] [ L] /[ RL] (1)

Поскольку общая концентрация рецепторов, принимавших участие во взаимодействии,

представляет собой сумму свободных и связавшихся рецепторов, т.е.

= [ R] + [ RL] (2)

преобразование уравнения (1) приводит к виду

[ RL] = [ R

] [ L] /(K

+ [ L] ) (3)

Полученное уравнение, по сути, идентично уравнению Михаэлиса - Ментен, используемому при

описании кинетики ферментативных процессов.

При концентрации свободного лиганда равной величине константы диссоциации комплекса

лиганд-рецептор, имеем

[ RL] = [ R

] [ L] /[ L] + [ L] = 0,5[ R

] (4)

Таким образом, в упрощенной форме K

равна концентрации линганда, при которой половина

рецепторов приняла участие в образовании лиганд-рецепторного комплекса.

Незначительные преобразования уравнения (3) приводят к линейной зависимости между

исследуемыми показателями, что значительно упрощает анализ:

[ RL] /[ L] = -[ RL] /K

+ [ R

] /K

(5)

Часто для обозначения количества лиганда, связавшегося с рецептором (RL), используют символ

(В); свободного лиганда (L) - (F); общего количества рецепторов (R

) - (B

MAX

). Представленное в

этих символах выражение (5) выглядит следующим образом:

B/F = -B/K

+ B

MAX

(6)

Исходя из этого выражения, можно рассчитать величину K

= (B

MAX

- B)F/B

Зависимость, построенная в координатах (B

MAX

- B) - по оси "Х", B/F - по оси "У", как правило, носит

линейный характер. Угол наклона прямой позволяет определить величину K

B/F = 1/K

MAX

- B)

На рисунке 6 представлены данные радиолигандного исследования связывания мощного

холинолитика хинуклидинилбензилата (меченного тритием) с холинорецепторами сердечной

мышцы свиньи. Анализ кривых позволяет определить сродство токсиканта к рецепторам

соответствующего типа.

Рисунок 6. Кривая связывания радиолиганда [

Н] -хинуклидинилбензилата (

Н-ХНБ) на

солюбилизированных мускаринчувствительных холинорецепторах сердца свиньи (G.S. Herron et

al., 1982)

Уже в ходе таких простых исследований возникает проблема определения специфичности

связывания лиганда. Неспецифическое связывание определяют путем внесения в среду 100 -

1000-кратного избытка не меченного изотопом вещества. Некоторые лиганды, особенно белковой

природы, имеют свойство образовывать большое количество неспецифических связей с

биосубстратом, иногда до 50% от общего количества образовавшихся комплексов.

б). Исследования методом радиолигандного замещения открывают путь к изучению процесса

взаимодействия рецепторов с лигандами, характеризующимся формированием нестабильного

комплекса. Это, прежде всего, характерно для веществ-агонистов соответствующих

нейромедиаторов (например, холиномиметиков: никотина, ареколин, карбахола и т.д.). Принцип

метода состоит в добавлении в инкубационную среду, содержащую рецептор и радиолиганд-

агонист, немеченого изотопом вещества-антагониста в возрастающих концентрациях, до тех пор,

пока лиганд полностью не будет вытеснен из связи с рецептором. Концентрация лиганда в опыте

должна быть близка величине константы диссоциации комплекса лиганд-рецептор. В ходе

эксперимента обычно определяют концентрацию антагониста, необходимую для вытеснения из

связи 50% агониста рецептора. Эта характеристика обозначается как IC

. Константа диссоциации

комплекса антагонист-рецептор (К

) и величина IC

определяются величиной константы

диссоциации агонист-рецепторного комплекса. Если предположить, что количество связанного

радиолиганда состовляет лишь незначительную часть вещества в инкубационной среде, а также,

что константа диссоциации комплекс значительно превышает величину В

MAX

, то имеем:

= IC

/(1 + F/K

)

Сравнивая величины констант диссоциации веществ, оценивают их сродство к изучаемому

рецептору.

ГЛАВА 2.2. МЕХАНИЗМЫ ЦИТОТОКСИЧНОСТИ

В основе токсического действия веществ лежит повреждение клеток, сопровождающееся их

функциональными, либо структурно-функциональными изменения. Разнообразие формирующихся

при этом эффектов со стороны целостного организма обусловлено сложностью организации

клеток, многообразием клеточных форм, составляющих организм. Сформировавшиеся в процессе

эволюции особенности структуры и функции отдельных клеточных типов, формирующих

различные органы и ткани, настолько существенны, что чувствительность различных клеток к

токсикантам может отличаться в тысячи раз. Тем не менее, живое объединено общностью

фундаментальных свойств (см. выше), а это позволяет выделить и некоторые общие механизмы,

лежащие в основе цитотоксического действия ксенобиотиков. К числу важнейших можно отнести

следующие:

- нарушение энергетического обмена;

- нарушение гомеостаза внутриклеточного кальция;

- активация свободно-радикальных процессов в клетке;

- нарушение процессов синтеза белка и клеточного деления;

- повреждение клеточных мембран;

Необходимо отметить, что все эти механизмы тесно связаны друг с другом. Порой один из них

является пусковым, но в дальнейшем особую значимость для судьбы поврежденной клетки

приобретают другие. Очень часто два или несколько из упомянутых механизмов связаны между

собой по типу "порочного круга". В этой связи их выделение носит искусственный характер и

оправдывается только целями данного издания.

1. Нарушение процессов биоэнергетики

1.1. Системы энергообеспечения клетки

Если между двумя веществами осуществляется взаимодействие, например:

А + В АВ,

то существует и некая константа равновесия, характеризующая силу этого взаимодействия:

К = [ АВ] /([ А] + [ В] ).

Если К = 1, то в равновесном состоянии компоненты реакции А (или В) и АВ находятся в смеси в

одинаковых концентрациях. Если К > 1, то в смеси больше продукта реакции АВ, если К < 1, то,

напротив, больше исходных ингредиентов А и В. Спонтанное взаимодействие А и В с

образованием АВ происходит только тогда, когда К - велика.

Энергетика процесса взаимодействия веществ может быть охарактеризована следующим

уравнением:

-RTlnK

= G = H - T S, где

- константа равновесия;

R - газовая константа (1,987 кал/град/моль);

Т - абсолютная температура;

G - свободная энергия;

Н - энтальпия (энергосодержание веществ);

S - энтропия (степень неупорядоченности системы).

Спонтанно протекают реакции, при которых свободная энергия системы в процессе

преобразования уменьшается. Это может быть следствием двух явлений: уменьшение энтальпии

или увеличения энтропии системы. В первом случае говорят об экзотермической реакции ( Н >

0), так как она проходит с выделением энергии; во втором - об эндотермической. Если G -

положительно (свободная энергия системы возрастает), реакция не может идти спонтанно. Для

того, чтобы такой химический процесс шел необходимо поступление энергии из окружающей

среды, либо сопряжение его с другим, экзэргическим, процессом, например:

Х + АТФ Х-АДФ + Ф G (-)

Х-АДФ + У ХУ + АДФ G (-)

В этом случае эндэргический процесс:

Х + У ХУ G (+)

становится возможным за счет сопряженного экзэргического процесса:

АТФ АДФ + Ф G (-),

в ходе которого образуется промежуточный активный продукт Х-АДФ.

Жизнь клеток и макроорганизмов есть постоянный процесс синтеза сложных молекул

(нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т.д.), то есть структур с достаточно

высокой энтальпией и низкой энтропией. Образование таких молекул означает увеличения

свободной энергии системы. Следовательно синтетические процессы невозможны без

одновременного протекания экзэргических реакций, обеспечивающих высвобождение энергии,

поступающей из окружающей среды и запасенной в форме химических соединений. Основным

видом таких реакций в организме является гидролитическое расщепление богатых энергией

веществ, содержащих пирофосфатные связи (макроэрги). К их числу относятся:

аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ),

гуанозинтрифосфорная кислота (ГТФ_, цитозинтрифосфорная кислота (ЦТФ),

уридинтрифосфорная кислота (УТФ), ацилфосфаты и др. В конечном итоге энергетические

возможности клетки определяются запасами макроэргов и, в первую очередь, АТФ.

АТФ постоянно синтезируется в ходе двух клеточных процессов: гликолиза и биологического

окисления субстратов (клеточное дыхание). Оба находятся в тесном взаимодействии. Гликолиз

проходит в цитоплазме клеток. Дыхание, основной путь образования макроэргов, осуществляется

в митохондриях. В процессе дыхания, благодаря совместному действию большого числа

ферментов, соответствующие субстраты, образующиеся при метаболизме белков, жиров,

углеводов, поступающих с пищей, окисляются кислородом, также поступающим из окружающей

среды, с образованием СО

, Н

О и энергии, выделяющейся в форме тепла и запасаемой в

молекулах АТФ. Процессы, обеспечивающие поддержания определенного уровня АТФ в клетках

организма, составляют основу и сущность их энергетического обмена.

Наиболее уязвимыми для действия токсикантов элементами биологической системы,

обеспечивающей образование макроэргов в организме, являются: механизмы биологического

окисления (ферменты цикла трикарбоновых кислот, ферменты дыхательной цепи), механизмы

сопряжение биологического окисления и фосфорилирования (образования АТФ из АДФ и

фосфата), механизмы доставки кислорода к клеткам кровью (рисунок 1).