Учебное пособие по Токсикологии и медицинской защите
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
Глава 6 Токсичные химические вещества нейротоксического действия Нейротоксичность – это способность химических веществ, действуя на организм, вызывать нарушение структуры и (или) функции нервной системы. Нейротоксичность присуща большинству известных ксенобиотиков. К числу собственно нейротоксикантов относят вещества, для которых порог чувствительности нервной системы (отдельных ее гистологических и анатомических образований) существенно ниже, чем других органов и тканей. Наибольшее токсикологическое значение имеют средующие группы ТХВ: 1. Ингибиторов холинэстеразы: 1.1. Фосфорорганические соединения. 1.2. Производные карбаминовой кислоты. 2. Конвульсанты, действующие на ГАМК-реактивные системы. 2.1.Ингибиторы синтеза ГАМК (гидразин). 2.2. ГАМК-литики 3.Токсины, имеющие военное значение 4. Токсичные вещества психодислептического действия (галлюциногены и делириогены). 5. Токсичные вещества, вызывающие органические повреждения нервной системы. Общая характеристика ингибиторов холинэстеразы. Вопросы, связанные с изучением холинэстеразы (ХЭ) и антихолинэстеразных веществ, в течение многих лет находятся в центре внимания специалистов различного профиля (энзимологов, нейрохимиков, физиологов, фармакологов и токсикологов). Это обусловлено в первую очередь тем, что холинэстераза относится к числу ферментов, играющих центральную роль в обеспечении специфической функциональной активности нервной системы, в частности синаптической передачи. Известно огромное количество химических соединений, способных по- давлять активность ХЭ. Среди них оказались вещества самого различного химического строения с весьма разнообразными фармакологическими свой- ствами. Большую часть антихолинэстеразных веществ (в зависимости от той функциональной химической группы, которая определяет их антихолинэстеразные свойства) можно разделить на 4 основные группы: • четвертичные аммониевые соединения; • сложные эфиры карбаминовой кислоты (уретан и карбаматы); • фосфорорганические соединения (ФОС); • прочие. Вместе с тем достаточно отчетливым антихолинэстеразным действием могут обладать и другие вещества, например наркотики, стрихнин, вещества 129 курареподобного и местно-раздражающего действия, азотистые иприты и др. Однако это действие они проявляют только в сравнительно высоких концентрациях, в связи с чем способность подавлять активность ХЭ не играет определяющей роли в механизме их биологического действия. К анти- холинэстеразным препаратам следует относить все холинопотенциирующие вещества. Большинство антихолинэстеразных соединений обладает выраженной физиологической активностью, в связи с чем многие из них (эзерин, прозерин, фосфакол, армин, пиридостигмин и др.) нашли применение в терапевтической, хирургической, неврологической, офтальмологической и акушерской практике, в промышленности, а также в качестве высокотоксичных отравляющих нервнопаралитических веществ (табун, зарин, зоман, Vx). В настоящее время фосфорорганические пестициды (ФОП) и производные карбаминовой кислоты составляют значительную часть ассортимента препаратов, широко используемых в сельском и лесном хозяйстве, в животноводстве, в качестве активных инсектицидов и акарицидов. Можно считать общепризнанным, что ведущим звеном в механизме действия этих веществ на организм человека и теплокровных животных является нарушение каталитической функции фермента ХЭ во всех органах и структурах, имеющих холинергическую иннервацию, и, прежде всего, в нервной системе. В связи с этим ФОС и карбаматы справедливо относят к нервным или синаптическим ядам. Антихолинэстеразные вещества на основе особенностей их взаимодей- ствия с ХЭ классифицируются на обратимые и необратимые ингибиторы. Под этим подразумевается, что одни ингибиторы подавляют активность ХЭ обратимо, а другие — необратимо. К обратимым относятся четвертичные аммониевые соединения и эфиры карбаминовой кислоты, к необратимым - ФОС. Вместе с тем значительное количество антихолинэстеразных веществ, в частности карбаматы, хотя и вызывают временное, обратимое торможение ХЭ, но являются необратимыми реагентами. Они разрушаются на поверхности фермента. Предложено именовать ингибиторы, меняющиеся в процессе реакции, ингибиторами, вступающими с ХЭ в ковалентную связь (ФОС, карбаматы), и противопоставлять их ингибиторам, не вступающим в ковалентную связь (четвертичные аммониевые соединения). Ингибиторы, не устанавливающие ковалентной связи, вступают с ХЭ в слабое электростатическое взаимодействие. Образующийся при этом комплекс непрочен, а потому вещества такого типа являются обратимыми ингибиторами. Особенностью реакций ингибиторов, образующих ковалентную связь (ФОС, карбаматы) с ХЭ, является наличие двух стадий реакции. В первую стадию реакция осуществляется по типу обратимой конкурентной, а во вторую, в результате установления ковалентной связи ингибитора с серином ХЭ в эстеразном центре, становится необратимой. 130 Скорость восстановления исходной активности ХЭ, ингибированной ФОС, определяется соответственно скоростью гидролиза фосфорилированного фермента, которая зависит от строения ФОС. В результате деалкилирования прочность связи с ХЭ резко возрастает, т.е. происходит старение комплекса ингибитор — фермент. Изложенное ранее позволяет относить ФОС к необратимым, а четвертичные соединения и карбаматы — к обратимым ингибиторам ХЭ. Фосфорорганические соединения. В настоящее время известны десятки тысяч отдельных ФОС, их число возрастает с каждым днем, и дать их полный перечень не представляется возможным. Химическое строение, физико-химические и токсические свойства многих ФОС отражены в доступных работах. Механизм взаимодействия антихолинэстеразных соединений детально изучен. ФОС проявляют свое токсическое действие в результате того, что имеют определенное сходство в строении с естественным субстратом ХЭ — АХ (как стериохимически, так и по реакционной способности). При достижении активного участка ХЭ их взаимодействие с ферментом сводится к фосфорилированию (или карбамилированию) гидроксила серина. Различие во взаимодействии ХЭ с АХ и ФОС заключается в том, что в первом случае образуется ацетилированный фермент — весьма непрочное соединение, быстро подвергающееся гидролизу, в результате чего активные центры ХЭ освобождаются для новых реакций с АХ. При взаимодействии ФОС с ХЭ эстеразный центр прочно связывается с остатком фосфорной кислоты, что приводит к образованию чрезвычайно устойчивого к гидролизу фосфорилированного фермента, неспособного реагировать с молекулами АХ и потому утратившему свою основную каталитическую функцию. Блокирование ХЭ ФОС осуществляется в две фазы. В первой фазе подавление фермента обратимо. И только через определенный промежуток времени наступает вторая фаза. Первая фаза начинается сразу после контакта ингибитора с ферментом. Переход от обратимого ингибирования к необратимому происходит постепенно и зависит от температуры, строения и концентрации ингибитора. Фосфорилирующая способность ФОС зависит от прочности эфирной связи фосфора с кислотным остатком и от дефицита электронов вокруг атома фосфора. Гидролиз фосфорилированной ХЭ происходит очень медленно. В связи с тем что ХЭ и ХР имеют в своем строении много общего, в механизме действия антихолинэстеразных соединений определенное значение может иметь их взаимодействие не только с ферментом, но и с ХР. При этом некоторые ФОС (фосфакол, паратион, армин и др.) могут проявлять как возбуждающее, так и блокирующее действие на ХР. Для взаимодействия ФОС с ХР необязательно наличие в них катионной группы, определяющей возможность реакции с анионным пунктом рецептора. 131 Блокирующее действие на ХР таких веществ, как армин и фосфакол, связано, по-видимому, с их взаимодействием с эстерофильным участком ХР. Влияние на Н-холинореактивные системы проявляется главным образом в случае введения больших доз этих препаратов. Патогенез отравлений ФОС Поскольку ФОС избирательно блокируют ХЭ во всех холинергических структурах (М- и Н-холинорецептивные системы), в патологический процесс могут вовлекаться практически все физиологические системы и органы. При этом изменения деятельности центральной и периферической нервной системы, а также как следствие нарушения дыхания и сердечной деятельности оказывают решающее влияние на исход отравления. В связи с этим для понимания патогенеза антихолинэстеразных веществ необходимо кратко рассмотреть их влияние на основные жизненно важные органы и системы организма. Основные физико-химические и токсические свойства ФОВ К ОВ этой группы относятся зарин, зоман и Vх. Зарин и зоман получены еще во время второй мировой войны (зарин - 1938 г., зоман - 1944 г.) и получили обозначение джи-газы. Другая подгруппа веществ - фосфорилхолины и фосфорилтиохолины получены уже после второй мировой войны и объединены обозначением Vх. Зарин и Vх - табельные ОВ, зоман - нетабельное. Таблица 6.1 Физико-химические свойства ОВ НПД ОВ Органолептические свойства T ки- пения Летучесть мг/л Растворимость в Стойкость Дегазаторы воде органич. р-лях зима лето зарин Бесцветная жидкость без запаха 151 12 + + неск. часов около суток щелочи зоман Бесцветная жидкость с запахом камфоры 190 3 + + неск. часов около суток щелочи V- газы Бесцветная жидкость без запаха 300 менее 0,02 - + неск. суток неск. недель окислители Все ОВ имеют температуру плавления ниже 0 С. Пары всех ОВ тяжелее воздуха. ОВ нервно-паралитического действия способны воздействовать на организм человека в любом боевом состоянии: парообразном, аэрозольном, капельно-жидком, поступая ингаляционным путем, через кожу, желудочно- 132 кишечный тракт, через раны и т.д. Основные пути поступления в организм в боевой обстановке - ингаляционный и через кожу (перкутанный). Таблица 6.2 Токсикологическая характеристика ОВ НПД Токсичность ОВ Ингаляционно LC50 мг*мин/л Через кожу LD50 мг/кг Зарин 0,1 25 Зоман 0,03 1,0 Vх 0,01 0,1 Механизм токсического действия и патогенез интоксикации Механизм действия включает два основных элемента: 1. Нарушение функционирования холинергических нервных синапсов. 2. Эффекты, не связанные с нарушением синаптической передачи. В связи с этим, в механизме действия этих веществ выделяют: А. Синаптические действия, связанные с воздействием ФОС на ацетилхолинэстеразу (антихолинэстеразное действие) и на холинорецепторы (неантихолинэстеразное действие). В. Внесинаптическое действие, связанное с эффектами, развивающимися вне синапсов. Антихолинэстеразное действие По современным представлениям о строении и функции холинэргических синапсов, химическая передача нервного импульса в холинергическом синапсе распадается на четыре этапа: первые два - синтез медиатора и его освобождение из нервного окончания - пресинаптические, вторые два этапа - взаимодействие с постсинаптическими рецепторами и освобождение синапса от медиатора - постсинаптические. Процесс медиации начинается с поступления холина в нервные окончания и в другие части нейрона. Вторым компонентом синтеза ацетилхолина является уксусная кислота, образующаяся в митохондриях в виде ацетил-КоА. Перенос ацетила с коэнзима на холин катализируется холинацетилэстеразой. Синтезированный ацетилхолин накапливается в синаптических везикулах. Каждый нервный импульс, приходящий из нервного волокна, подталкивает везикулы по направлению к синаптической мембране. Одновременно этот же импульс вызывает в мембране изменения, 133 которые ведут к увеличению вероятности высвобождения ацетилхолина из везикул. Выделившийся из нервного окончания ацетилхолин попадает в синаптическую щель и взаимодействует с рецепторными структурами постсинаптической мембраны. Ее проницаемость при этом для ионов Nа+ и К+, определяющих в основном величину потенциала покоя, увеличивается. Увеличение проницаемости приводит к перераспределению ионов, что сопровождается изменением разности потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны (деполяризация). Как следствие этого возникает возбуждение (или торможение) иннервируемой клетки. Восстановление нарушенного соотношения концентраций ионов по обе стороны мембраны достигается при помощи ―натрий - калиевого насоса‖. При этом наблюдается активный транспорт ионов против электрохимических градиентов. Прекращение действия ацетилхолина, выделившегося в синаптическую щель, происходит главным образом при помощи энзима ацетилхолинэстеразы, гидролизующего ацетилхолин на физиологически малоактивные холин и уксусную кислоту. Механизм взаимодействия ацетилхолина с холинэстеразой изучен достаточно подробно. Известно, что в состав молекулы ацетилхолина входят реакционно-способные атомы, которые образуют две группы: катионную (четвертичный атом азота с тремя метильными радикалами) и сложноэфирную (эфирный кислород и карбонильные углерод и кислород). Катионная группа несет положительный заряд. Сложно-эфирная группа - поляризована. Вследствие смещения электронных пар кислород становится более электроотрицательным, а углерод - электроотрицательным (электрофильным). Соответственно реакционным группам ацетилхолина в активных центрах холинэстеразы выделяют два участка: анионный и эстеразный. Предполагается, что анионный участок образован карбоксилат-анионом двухосновной аминокислоты. На расстоянии 4-5 А (0,4-0,5 нм) от анионного центра расположен эстеразный участок, в котором важную роль играет гидроксил серина. Взаимодействие ацетилхолина с холинэстеразой начинается с сорбции катионной ―головки‖ ацетилхолина на определенном расстоянии от 134 эстеразного пункта. Ферментный гидролиз ацетилхолина протекает на эстеразном пункте. Реакция гидролиза сложных эфиров относится к реакциям нуклеофильного замещения. Для ее осуществления гидроксильная группа серина должна провести нуклеофильную атаку на соответствующий электрофильный атом субстрата, что возможно только в случае существования на кислороде гидроксильного радикала избыточного отрицательного заряда. При этом рвутся связи О = С - О в ацетилхолине и О- Н в гидроксиле серина и возникает новая ковалентная связь: О = С - О - серин. В результате реакции образуются ацетилированный по серину фермент и холин, сорбированный на анионном участке. В последующем холин десорбируется с анионного участка фермента, происходит также деацетилирование холинэстеразы и восстановление ее первоначальной структуры. Последовательность этих реакций представлена на рис.6. 1 (А, Б, В, Г): А Б В 135 Г Взаимодействие ацетилхолина с холинэстеразой Структура ФОС позволяет им при взаимодействии с холинэстеразой имитировать реакционную способность ацетилхолина. Некоторые из ФОС (зарин, ДДВФ и др.) имитируют только эфирную часть молекулы медиатора. В молекулах этих веществ имеется группировка Р - О, которая тоже поляризована, как и карбонильная группа С - О ацетилхолина. Таким образом, можно представить, что взаимодействие таких ФОС с эстеразным участком фермента приводит к фосфорилированию серинового гидроксила холинэстеразы, по-видимому, по тому же механизму, по которому происходит его ацетилирование ацетилхолином. Взаимодействие зарина с активным центром холинэстеразы показано на рис. 6.1 А Б Рис.6.2.Взаимодействие зарина с холинэстеразой 136 Другие ФОС (фосфорилхолины) могут имитировать как эфирную, так и катионную часть ацетилхолина. Это может быть проиллюстрировано схемой (рис. 6.3), на которой показано взаимодействие метилфторфосфорилхолина (1) и тиохолинового производного метилфосфоновой кислоты (2) с холинэстеразой. При этом с эстеразным центром реагирует фосфорсодержащая часть яда, а катионная головка взаимодействует с анионным центром фермента. При образовании сорбционного фермент-ингибитор комплекса большую роль играет ион-ионное взаимодействие заряженной группы ингибитора с анионным центром холинэстеразы, подобно тому, как это взаимодействие имеет значение в реакции холинэстеразы с ацетилхолином или другим заряженным субстратом. Принципиальное различие в действии ФОС и ацетилхолина состоит в том, что обратная реакция - дефосфорилирование - протекает исключительно медленно. В результате происходит ―необратимое‖ ингибирование фермента. Степень обратимости зависит от того, происходят или не происходят какие-либо изменения с ингибитором на ферменте. Если ингибитор взаимодействует с холинэстеразой целой молекулой и при реакции его молекула не распадается, то после выхода из реакции, ингибитор полностью восстанавливает свою активность. Реакция обратима и может протекать в обе стороны. Взаимодействие таких ингибиторов (И) с ферментом (Ф) происходит в одну стадию: И + Ф = ИФ. Рис. 6.3. Взаимодействие фосфорилхолинов холинэстеразой 137 Первичный комплекс ИФ образуется за счет слабого ионного и электростатического взаимодействия, а потому все обратимые ингибиторы являются к тому же короткодействующими. Если вещество реагирует с холинэстеразой в две стадии: И + Ф = ИФ - И Ф, то во вторую стадию за счет превращения ингибитора на ферменте образуется новый комплекс И- Ф, с установлением ковалентной связи между ферментом и фосфорным остатком ингибитора. Такие вещества являются необратимыми, поскольку после выхода из реакции они неактивны. Разница между обратимыми и необратимыми ингибиторами выявляется при способности ацетилхолина не только предупреждать, но и устранять ингибирование холинэстеразы конкурентными обратимыми препаратами в любой срок существования их комплекса с ферментами, в то время как торможение холинэстеразы обратимыми конкурентными ингибиторами предупреждается ацетилхолином, но устраняется лишь в первую стадию их взаимодействия. Длительность действия антихолинэстеразных веществ определяется скоростью восстановления активности холинэстеразы, скоростью распада комплекса |