Основные определения Ксенобиотик

• Название: Основные определения Ксенобиотик
• Дата: 25.05.2019
• Размер: 0.94 Mb.
• Имя файла: lektsii.doc
• Тип: Документы; #78721
• страница: 3 из 6

Теория рецепторов токсичности
Рецептор токсичности– это химически активная группировка, в норме участвующая в метаболиз­ме клетки, к которой способна присоединиться молекула ксенобиотика.
Таблица – Историческая логика развития

Ученые, внесшие вклад в развитие теории	Суть основных теоретических положений	Примечание
Пауль Эрлих (1900 г.)	Ввел в работах по иммунохимии термин «рецептор».
А. Кларк (1937 г.)	Между природными веществами и их рецепторами возникает связь, аналогичная взаимодействию субстрата со специфическим ферментом.	Оказалось, что во многих случаях рецепторы токсичности действительно представляют собой ферменты. Например, оксигруппа серина, входящая как составная часть в молекулу фермента ацетилхолинэстеразы, служит рецептором для фосфорорганических инсектицидов (карбофос, хлорофос и т.д.). Кроме ферментов, рецепторами токсичности являются аминокислоты, нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, витамины, наиболее реакционноспособные функциональные группы органических соединений (сульфгидрильные, гидроксильные, карбоксильные, амино- и фосфорсодержащие), которые имеют жизненно важную роль в метаболизме клетки. Пример: химическими рецепторами для соединений ртути (II) служат тиоловые (сульфгидрильные) группы (-SH): Hg2+ + 2RSH = (RS)2Hg + 2H+. Без высокой химической специфичности в системе токсикант-ре­цептор трудно представить себе подобные реакции. Действительно, размер иона Hg2+ порядка 100 пкм, а размер (длина) клетки в 106 раз больше (100 мкм). Без специфичности взаимодействия ион Hg2+ был бы не способен отыскать нужный рецептор. В роли рецепторов могут выступать различные медиаторы, гормоны.
Э. Альберт (1951 г.)	Любое химическое вещество, чтобы производить биологическое действие, должно обладать по крайней мере двумя признаками: сродством к рецептору и собственной физико-химической активностью.	Под сродством подразумевается степень связи вещества с рецептором, которая измеряется величиной, обратной скорости диссоциации комплекса вещество+рецептор.

Сродство токсиканта к рецептору определяется прочностью возникающей химической связи и количественно может быть оценено энергией химической связи. Для клинической токсикологии большое значение имеет вопрос обратимости связи яда с рецептором: необходимо знать, можно ли конкретные токсические вещества удалить с рецепторов.
Таблица – Характеристика связи яда с рецептором

Виды связей	Свойства связей	Примеры
Ковалентные	Прочные и труднообратимые связи, энергия связи 200 до 450 кДж/моль.	Соединения мышьяка, ртути и сурьмы, азотистые иприты.
Ионные, водородные, Ван-дер-ваальсовые	Более лабильные, легко разрушающиеся связи, энергия связи 2-40 кДж/моль.	Лекарственные средства.

Рецепторы – мишени токсич­ности – могут быть локализованы:

- в области клеточной мембраны (ак­тивные центры белков, ионные каналы, мембранные переносчики, ферменты, белки, липиды);

- во внутриклеточном пространстве (цитоплазматические, митохондриальные, ядерные рецепторы);

- вне клет­ки (любые химические структуры, вступающие во взаимодействие с то­ксикантом).

Структурными элементами клеток, с которыми взаимодействуют токсиканты, как правило, являются белки, нуклеиновые кислоты, липидные элементы биомембран; селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов (гормонов, нейромедиаторов и т.д.).

Основные функции белков: транспортная, структурная, энзиматическая (белки – биологические катализаторы). Токсический эффект может развиваться при нарушении каждой из этих функций.

Возможны денатурация белка, блокада его активных центров, связывание активаторов и молекул, стабилизирующих протеин, и т.д. К числу веществ, денатурирующих белки, относятся крепкие щелочи, кислоты, окислители, ионы тяжелых металлов. В основе денатурации лежит повреждение внутрибелковых связей, поддерживающих вторичную, третичную структуру протеина. При этом наиболее часто токсиканты взаимодействуют с СООН-, NH-, OH-, SH-группами аминокислот, образующих белки. Особое значение в токсикологии придают действию ксенобиотиков на энзимы.

Многие ксенобиотики вступают во взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, изменяя их свойства. К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, относятся нитриты, сернистый, азотистый, кислородный иприты, нитрозамины, 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. Измененные таким образом молекулы ДНК могут подвергаться дальнейшей ферментативной и неферментативной трансформации вплоть до разрушения под воздействием эндонуклеаз.

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.

Многие ксенобиотики образуют нековалентные связи с ДНК. При этом меняется конформация макромолекул.
Рецепторы могут быть «активными» и «неактивными» – «немыми». «Немой» рецептор – структурный компонент биосистемы, взаимодействие которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции. Например, связывание мышьяка с белками, входящими в состав волос, ногтей; растворение ДДТ в липидах вакуолей жировых клеток.
♣ Для объяснения действия лекарственных веществ А. Кларком была выдвинута «оккупационная» теория взаимодействия вещества с рецептором:сродство токсиканта к рецептору можно оценить долей занятых рецепторов (отношение числа занятых рецепторов к общему числу рецептров: N_зан/N_общ).

Согласно «оккупационной» теории, максимальный токсический эффект наблюдается при полном заполнении рецепторов то­ксикантом.

♣ Токсический эффект не всегда пропорционален числу рецепторов, за­нятых токсикантом. Согласно кинетической теории (Пэтон 1961 г.), максимальный ответ на токсическое воздействиеможет быть получен тогда, когда вещество занимает лишь незначительную часть доступных рецепторов, и определяется не числом занятых рецепторов, а скоростью и механизмом связывания то­ксиканта с рецептором.

Величина ответа на токсическое воздействие нелинейно зависит от доли занятых рецепторов. Эффективность токсического воздействия характеризуется внутренней активностью(R/N_зан) токсиканта, т.е. способностью давать токсический эффект (ответ организма R) при минимальном заполнении рецепторов (N_зан).

Существуют 3 класса токсикантов, взаимодействующих с рецептора­ми:

- антагонисты: ингибируют действие эндогенных со­единений, блокируя их связывание с рецепторами;

При конкурентном антагонизме происходит смещение кривой доза-ответ в область больших концентраций, иногда со снижением величины ответа (рис.). Как видно из рис., в присутствии токсиканта-антагониста для по­лучения аналогичного по силе ответа потребуется более высокая кон­центрация эндогенного соединения.

Рис. Влияние токсиканта-антагониста на зависимость доза

(концентрация)-ответ: 1 – эндогенное соединение в отсутствие токсиканта;

2 – оно же в присутствии токсиканта-антагониста
- агонисты и частичные агонисты;

Действие токсиканта-агониста (полного или частичного) сходно с дей­ствием эндогенного соединения, поэтому такой токсикант называют «токсикомиметик». Взаимодействуя с теми же рецепторами, полный агонист активирует их и дает токсический эффект, равный или превышающий эф­фект нативного субстрата (рис.). Токсичность частичного агониста так­же проявляется вследствие конкуренции с эндогенным субстратом за ак­тивацию рецептора, но достигаемый при этом ответ значительно ниже.

Рис. Влияние токсиканта-агониста на зависимость доза (концентрация)-ответ:

1 – эндогенное соединение в отсутствие токсиканта (контроль);

2 – полный агонист; 3 – частичный агонист
Пример:

Рецепторы		Агонист-активатор		Антагонист-ингибитор
тип	локализация	токсикант	эффект	токсикант	эффект
Ацетилхолиновый никотиновый	Нейроны, скелетные мышцы	Никотин	Мышечная фибрилляция	Тубокурарин, кобротоксин Pb2+	Мышечный паралич, ингибирование нейронов ЦНС

Математически зависимость между ответом и дозой (концентраци­ей) токсиканта можно представить уравнением, аналогичным изотерме адсорбции Лэнгмюра:

,

где R – ответ при дозе токсиканта D;

R_max – максимально возможный ответ на воздействие;

D₅₀ – доза токсиканта, вызывающая ответ, равный половине максимального.

Однотипность уравнений, отражающих зави­симость адсорбции и токсического ответа от дозы (концентрации), не слу­чайна, поскольку взаимодействие с рецептором можно рассматривать как адсорбцию токсиканта на рецепторе.

Простым преобразованием преды­дущего уравнения можно получить уравнение прямой:



Тогда в координатах – тангенс угла наклона прямой равен отношению , а отрезок ординаты от начала осей координат до ее пересечения с прямой численно равен (рис.). Такая обработ­ка экспериментальных результатов позволяет определить числовые зна­чения констант – максимального токсического ответа и дозы D₅₀.

Рис. Нахождение токсикометрических параметров графическим методом
Формирование токсического эффекта вклю­чает 4 стадии:

• 
  доставка токсиканта к органу-мишени;
  
• 
  взаимодействие с эндогенными молекулами-мишенями и другими рецепторами токсичности;
  
• 
  инициирование нарушений в структуре и/или функционировании клеток;
  
• 
  восстановительные процессы на молекулярном, клеточном и тка­невом уровнях.
  

Если нарушения, вызванные токсикантом, преобладают над восстановительными процессами, проявляется токсичность.

• Транспорт токсичных веществ через клеточные мембраны
Поступление чужеродных веществ в организм, их распределение между органами и тканями, биотрансформация и выделение предполагают их проникновение через ряд биологических мембран.

Мембранные системы организма имеют одинаковое строение, но отличаются по функциональным свойствам. Они представляют собой подвижные структуры, образованные белково-липидными комплексами, и обладают ограниченной проницаемостью для различных соединений.

Элементарная мембранная система – это клетка.

Оболочка клетки (цитолемма) построена из белковых и липидных молекул и представляет собой трехслойную структуру, наружная поверхность которой покрыта гликокаликсом, в состав которого входят углеводы, связанные с белками. Молекулы липида ориентированы таким образом, что их гидрофильные группы направлены в сторону белка, а гидрофобные поверхности соприкасаются. В клеточных мембранах существуют поры и ионные каналы. Как правило, мембраны и поры имеют определенные электрические заряды.
Молекулы токсикантов проникают через мембраны путем:

- пассив­ного транспорта;

- специальными энергозависимыми способами.
Пассивный транспорт

Пассивный транспорт осуществляется:

- простой диффузией;

Большинство токсикантов проходят через мемб­рану, используя механизм простой (пассивной) диффузии (рис.). Пас­сивная диффузия не требует затрат энергии и возможна в обоих напра­влениях: как в клетку, так и из нее.

Направление и скорость пассивной диффузии определяются разностью концентраций токсиканта по обе стороны клеточной мембраны в соответствии с законом Фика:

,

где – скорость диффузии, моль/с;

D – коэффициент диффузии ксенобиотика, м²/с;

S – площадь поверхности мембраны, м², через которую диффундирует ксенобиотик;

– градиент концентраций токсиканта по обе стороны мембраны, моль/м³·м.

Для химических веществ характерно снижение коэффициента диффузии с ростом молекулярной массы. Например, при 37⁰С в воде коэф­фициент диффузии мочевины (60 г/моль) равен 1,23·10^-9 м²/с, а саха­розы (342 г/моль) – на полтора порядка меньше (4,78·10^-10 м²/с).

- фильтрацией.

Фильтрация – это прохождение воды через поры мембраны внутрь клетки. Молекулы растворимых веществ небольшого размера способны проникнуть через поры вместе с водой. Например, диаметр пор в мемб­ранах эпителиальных клеток кишечника составляет около 4·10^-10 м (для сравнения длина связи С-Н составляет 1,54·10^-10 м).

Лишь молекулы с относительной молекулярной массой не более нескольких сотен (М_г ≤ n·100) могут преодолевать поры в клеточных мембранах. Через них диффундируют вода, некоторые ионы, небольшие гидро­фильные молекулы, например мочевина.
Специальный транспорт

Существуют системы специального транспорта:

- активный транс­порт;

Активный транспорт токсиканта происходит против градиента кон­центраций (из области с меньшей концентрацией в область с большей концентрацией) или градиента электрохимического потенциала и тре­бует энергетических затрат, т.е. сопряжения с реакцией гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ).

- облегченная диффузия.

Облегченная диффузия представляет собой транспортировку токсичного вещества с помощью переносчиков. Этот тип трансмембранного переноса токсиканта имеет все характеристики активного транспорта за исключением того, что перенос субстрата про­текает в соответствии с градиентом концентрации и электрохимического потенциала и поэтому не требует затрат энергии.
Транспорт веществ путем цитозов

1 Эндоцитозы: захват вещества клеткой

1.1 фагоцитоз: захват корпускулярных частиц;

1.2 пиноцитоз: захват капель жидкости и растворенных в ней молекул;

1.3 рецептор-обусловленный эндоцитоз: связывание макромолекул на специфических рецепторах клеточной мембраны с последующим образованием шероховатых везикул.

2 Экзоцитзы: выделение веществ из клетки

2.1 гранулокринная секреция: выделение везикул, содержащих клеточное вещество;

2.2 отпочковывание: выделение части цитоплазмы содержащихся в ней веществ путем краевого отделения части клетки.

3 Трансцитоз: транспорт веществ через объем клетки.

4 Синцитозы

4.1 слияние клеток;

4.2 слияние клеток липидными везикулами, содержащими вещества.

5 Интрацитоз: образование везикул и их слияние внутри клетки.