/
Author: Филов В.А. Курляндский Б.А.
Tags: философия психология фармакология фармация токсикология медицина охрана труда
ISBN: 5-225-04609-6
Year: 2002
Text
ОБЩАЯ
ТОКСИКОЛОГИЯ
Под редакцией
профессора Б.А.Курляндского,
профессора В.А.Филова
МОСКВА
“МЕДИЦИНА”
2002
УДК615.9(035.3)
ББК 52.84
028
028 Общая токсикология/Под ред. Б.А.Курляндского, В.А.Фи-
лова. — М.: Медицина, 2002. — 608 с.: ил.
ISBN 5-225-04609-6
В книге с современных позиций рассмотрены и проанализированы
основные механизм!! действия химических веществ различных классов
на организм человека, патогенез и симптоматика интоксикаций в зави-
симости от количества вещества, путей поступления и времени контакта.
Специальные разделы посвящены канцерогенному, генотоксическому,
эмбриотропному, иммунотоксическому и другим видам специфического
действия. Описаны подходы к диагностике и лечению интоксикаций,
оказанию первой помощи при отравлениях. Изложены научные и мето-
дические основы клинической, профилактической, экологической ток-
сикологии, современные подходы к оценке риска.
Для врачей широкого профиля, специалистов-токсикологов, врачей-
гигиенистов, экологов, специалистов по охране труда и технике безопас-
ности.
ББК 52.84
General Toxicology, Ed. by B.A. Kurlyandsky, V.A. Filov. —
Moscow: Meditsina Publishers, 2002. ISBN 5-225-04609-6
Basic mechanisms of the effects of chemicals of different classes on human
body, pathogenesis and symptoms of intoxication depending on the substance
dose, routes of entry into the body, and duration of exposure are discussed
and analyzed in this book from a modem viewpoint. Special sections deal with
carcinogenic, genotoxic, embryotropic, immunotoxic, and other specific ef-
fects. Approaches to the diagnosis and treatment of intoxication, first aid in
poisoning are described. Scientific and methodological basis of clinical, pre-
ventive, and ecological toxicology and modem approaches to evaluation of risk
are presented.
Addressed to physicians of general profile, toxicologists, hygienists, ecolo-
gists, and specialists in labor protection and safety engineering.
ISBN 5-225-04609-6
© Коллектив авторов, 2002
Все права авторов защищены. Ни одна часть этого издания не может
быть занесена в память компьютера либо воспроизведена любым спосо-
бом без предварительного письменного разрешения издателя.
Коллектив авторов
Курляндский Борис Аронович, д-р мед. наук, проф., директор Российского регистра
потенциально опасных химических и биологических веществ Минздрава России (Мос-
ква)
Филов Владимир Александрович, д-р биол. наук, проф., акад. РАЕН, науч, руководи-
тель Института ксенобиотиков РАЕН, руководитель лаборатории НИИ онкологии им. проф.
Н.Н.Петрова Минздрава России (Санкт-Петербург)
Безель Виктор Сергеевич, д-р биол. наук, проф., зав. лабораторией Института эколо-
гии растений и животных Уральского отделения РАН (Екатеринбург)
Василенко Наталья Мироновна, д-р мед. наук, проф., руководитель лаборатории Ин-
ститута медицины труда (Харьков)
Дарьина Людмила Викторовна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. Военного университета
радиационной, химической и биологической защиты МО РФ (Москва)
Жминько Петр Григорьевич, канд. биол. наук, руководитель лаборатории общей ток-
сикологии Института экогигиены и токсикологии им. Л.И.Медведя (Киев)
Жолдакова Зоя Ильинична, д-р мед. наук, проф., зав. лабораторией НИИ экологии
человека и гигиены окружающей среды им. А.Н.Сысина РАМН (Москва)
Забродский Павел Францевич, д-р мед. наук, проф., зав. лабораторией Саратовского
медицинского университета (Саратов)
Иванов Николай Георгиевич, д-р мед. наук, проф., зав. лабораторией Российского
государственного медицинского университета (Москва)
Каган Юрий Соломонович, д-р мед. наук, проф., чл.-кор. АМН и НАН Украины, руково-
дитель отдела Института экогигиены и токсикологии им. Л.И.Медведя (Киев)
Кацнельсон Борис Александрович, д-р мед. наук, проф., руководитель отдела Екате-
ринбургского медицинского научного центра профилактики и охраны здоровья рабочих
промышленных предприятий (Екатеринбург)
Кокшарева Наталия Владимировна, д-р биол. наук, руководитель лаборатории Инсти-
тута экогигиены и токсикологии им. Л.И.Медведя (Киев)
Кузьмин Сергей Владимирович, д-р мед. наук, директор Медицинского научного цент-
ра профилактики и охраны здоровья рабочих предприятий Минздрава России
Лошадкин Николай Андреевич, д-р мед. наук, проф., старший науч. сотр. Военного уни-
верситета радиационной, химической и биологической защиты МО РФ (Москва)
Лужников Евгений Алексеевич, д-р мед. наук, проф., чл.-кор. РАМН, руководитель
науч. отделения лечения острых отравлений НИИ скорой помощи им. Н.В.Склифосов-
ского (Москва)
3
Привалова Лариса Ивановна, д-р мед. наук, зам. дир. по науч, работе Уральского
регионального центра “Экологическая эпидемиология" Уральского филиала Центра про-
филактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий (Екатеринбург)
Ревазова Юлия Анатольевна, д-р мед. наук, проф., ведущий науч. сотр. НИИ экологии
человека и гигиены окружающей среды им. А.Н.Сысина РАМН (Москва)
Ротенберг Юрий Семенович, д-р мед. наук, руководитель лаборатории НИИ по биоло-
гическим испытаниям химических соединений (Москва)
Сивочалова Ольга Витальевна, д-р мед. наук, зав. лабораторией НИИ медицины
труда РАМН (Москва)
Софронов Александр Генрихович, д-р мед. наук, проф. Военно-медицинской акаде-
мии (Санкт-Петербург)
Софронов Генрих Александрович, д-р мед. наук, проф., акад. РАМН, зав. лаборато-
рией Военно-медицинской академии (Санкт-Петербург)
Томилина Людмила Алексеевна, канд. мед. наук, ведущий науч. сотр. Российского
регистра потенциально опасных химических и биологических веществ Минздрава Рос-
сии (Москва)
Трахтенберг Исаак Михайлович, д-р мед. наук, проф., акад. АМН и чл.-кор. НАН
Украины, руководитель лаборатории НИИ медицины труда АМН Украины (Киев)
Фесенко Марина Александровна, д-р. мед. наук, старший науч. сотр. НИИ медицины
труда РАМН (Москва)
Харчевникова Инна Вениаминовна, канд. мед. наук, старший науч. сотр. НИИ экологии
человека и гигиены окружающей среды им. А.Н.Сысина РАМН (Москва)
Худолей Вениамин Викторович, д-р мед. наук, акад. РАЕН, руководитель отдела НИИ
онкологии им. проф. Н.Н.Петрова Минздрава России (Санкт-Петербург)
Шафран Леонид Моисеевич, д-р мед. наук, проф., зав. отделом Украинского НИИ
медицины транспорта (Одесса)
Оглавление
Предисловие............................................................ |и
Глава 1. Введение в токсикологию. — Г.А.Софронов....................... 12
1.1. Определение и основные понятия. Предмет, задачи и методы токсиколо-
гии............................................................... 12
1.2. История становления токсикологии.................................. 17
Глава 2. Взаимодействие организма н ксенобиотика; хемобнокинетика. — В.А.Фи-
лов.................................................................... 32
2.1. Общие представления............................................... 32
2.2. Механизмы метаболизма ксенобиотиков............................... 34
2.3. Биохимические механизмы токсического действия..................... 39
2.4. Хемобиокинетика................................................... 42
2.4.1. Поступление ксенобиотиков в организм....................... 43
2.4.2. Накопление ксенобиотиков в организме....................... 49
2.4.3. Выделение ксенобиотиков из организма....................... 52
2.4.4. Хемобиокинетика системы: материнский организм — плод...... 54
2.4.5. О нелинейных эффектах в хемобиокинетике.................... 55
2.4.6. Факторы, модифицирующие хемобиокинетику.................... 59
2.4.7. Особенности хемобиокинетики аэрозолей. — Б.А.Кацнельсон... 60
2.5. Количественная зависимость между структурой и активностью ксенобио-
тиков при их биотрансформации. — З.И.Жолдакова, И.В.Харчевникова 76
Глава 3. Влияние ксенобиотиков на биоэнергетические процессы. — Б.А.Курлян-
дский, Ю. С. Ротенберг, Л.А. Томилина.................................. 89
3.1. Действие ксенобиотиков на тканевое дыхание........................ 89
3.2. Нарушения энергетического обмена под влиянием ксенобиотиков...... 99
Глава 4. Тиоловые яды. — И.М.Трахтенберг, Л.М.Шафран.................. 111
4.1. Патогенез и механизмы токсического действия тиоловых ядов........ 111
4.1.1. Общие положения........................................... 111
4.1.2. Физико-химические основы токсичности тяжелых металлов как
тиоловых ядов.................................................... 114
4.1.3. Тиоловые группы белков, их роль в клеточном метаболизме и
патогенезе отравлений тяжелыми металлами.................. 116
4.2. Физиологический синергизм и антагонизм в механизме действия тяже-
лых металлов.......................................................... 131
4.3. Токсикокинетика и токсикодинамика тиоловых ядов.................. 133
4.4. Острые отравления................................................ 138
4-5. Хронические отравления........................................... 142
4.5.1. Нейротоксичность в патогенезе отравлений тяжелыми металлами 143
4.5.2. Кардиотоксичность тиоловых ядов........................... 154
4.5.3. Нефротоксичность тиоловых ядов............................ 160
4.5.4. Гепатотоксичность тиоловых ядов........................... 165
4.6. Общие принципы лечения отравлений тиоловыми ядами... 166
5
Глава 5. Блокаторы холинэстеразы. — Ю.С.Каган, Н.В.Кокшарева, П.Г.Жминько 176
5.1. Механизм передачи нервного импульса и роль в нем холинэстеразы.. 176
5.2. Обшие свойства холинэстераз, механизм их взаимодействия с ацетилхо-
лином ............................................................... 1^9
5.3. Классификация антихолинэстеразных веществ....................... 181
5.4. Фосфорорганические соединения................................... 182
5.4.1. Краткая история, строение и физико-химические свойства ФОС 182
5.4.2. Взаимодействие ФОС с холинэстеразой и холинорецепторами 185
5.4.3. Антихолинэстеразная активность ФОС in vitro.............. 187
5.4.4. Антихолинэстеразные свойства ФОС при остром и хроническом
воздействии в зависимости от пути поступления в организм......... 189
5.4.5. Зависимость токсичности и антихолинэстеразной активности
ФОС от их химической структуры.............................. 194
5.5. Токсикокинетика ФОС............................................. 200
5.6. Метаболизм ФОС.................................................. 202
5.7. Избирательное действие ФОС ..................................... 205
5.8. Патогенез отравлений ФОС........................................ 212
5.8.1. Влияние ФОС на центральную нервную систему и нервно-мы-
шечные синапсы................................................... 212
5.8.2. Нейротоксическое действие ФОС замедленного типа.......... 217
5.8.3. Влияние ФОС на дыхание и сердечно-сосудистую систему..... 220
5.8.4. Влияние ФОС на гладкомышечные и внешнесекреторные органы... 222
5.8.5. Влияние ФОС на кровь, печень, почки и другие системы..... 223
5.9. Производные карбаминовой кислоты................................ 225
5.9.1. Строение и взаимодействие с холинэстеразой............... 225
5.9.2. Токсичность, кинетика, метаболизм........................ 227
Глава 6. Токсикология алкилирующих соединений. — Н.А.Лошадкин, Б.А.Кур-
ляндский, Л.В.Дарьина................................................ 236
6.1. Типы алкилирующих соединений. Механизмы реакций с нуклеофильны-
ми реагентами....................................................... 236
6.1.1. Алкилирование. Типы алкилирующих соединений............ 236
6.1.2. Механизмы взаимодействия алкилирующих соединений с нуклео-
фильными реагентами.............................................. 238
6.2. Биохимические мишени алкилирующих соединений. Общая токсиколо-
гическая характеристика.............................................. 239
6.2.1. Биохимические мишени алкилирующих соединений............. 239
6.2.2. Общая токсикологическая характеристика алкилирующих соеди-
нений. Концентрационные эффекты.................................. 240
6.3. Токсикология ипритов............................................ 242
6.3.1. Общая характеристика и токсичность....................... 242
6.3.2. Механизм токсического действия........................... 242
6.3.3. Симптомы поражения....................................... 243
6.3.4. Токсикологические характеристики рецептур иприта (НТ, HQ,
HL), вязкие рецептуры............................................ 245
6.3.5. Противоопухолевые лекарственные средства. Производные бис-
(2-хлорэтил)амина................................................ 249
6.4. Токсикология алкилирующих соединений, используемых в народном хо-
зяйстве ............................................................. 250
6.4.1. Токсикология галоидных алкилов........................... 250
6.4.2. Метиловые эфиры минеральных кислот....................... 253
6.4.3. Биологически активные природные алкилирующие соединения.. 253
6.5. Принципы оказания первой медицинской помощи при поражениях ал-
килирующими соединениями............................................. 255
6
Глава 7. Действие ксенобиотиков на систему крови. — Н.М.Василенко....... 258
7 1 Токсические поражения пигмента крови.............................. 258
7.1.1. Карбоксигемоглобинемия.................................... 260
7.1.2. Метгемоглобинемия......................................... 266
7.1.3. Метгемоглобинобразователи неорганической природы.......... 276
7.1.4. Поражение крови при первичном гемолизе.................... 277
7 2 Угнетение ксенобиотиками системы кроветворения.................... 281
7.2.1. Поражение крови по типу бензольной гемопатии.............. 281
7.2.2. Клиника острого и хронического отравления бензолом........ 285
7.2.3. Вещества с бензолоподобным действием на кровь............. 288
7.2.4. Первичное токсическое угнетение синтеза гемоглобина....... 289
Глава 8. Вещества наркотического действия. — А.Г.Софронов, Г.А.Софронов. 300
8.1. Общие представления о наркотических веществах.................... 300
8.2. Общие проявления клинического течения токсикоманических интокси-
каций................................................................. 303
8.3. Биологические механизмы (патогенез) химической зависимости......... 305
8.4. Частные формы токсикоманий....................................... 307
8.5. Лечение токсикоманий............................................. 319
Глава 9. Вещества раздражающего действия. — Н.Г.Иванов................ 325
9.1. Общие положения.................................................. 325
9.2. Биомаркеры раздражающего действия веществ на дыхательную систему... 326
9.3. Характерные изменения дыхательной системы при кратковременном воз-
действии раздражающих ядов............................................ 337
9.4. Особенности развития хронической интоксикации при ингаляции раз-
дражающих ядов в различных концентрациях.............................. 339
9.5. Классификация промышленных раздражающих ядов при ингаляции......... 341
9.6. Анализ параметров токсикометрии раздражающих веществ............. 343
9.7. Раздражающее действие алкилирующих веществ. — Н.А.Лошадкин,
Л. В.Дарьина.......................................................... 345
Глава 10. Влияние ксенобиотиков на иммунный гомеостаз. — П.Ф.Забродский... 352
10.1. Общая часть..................................................... 352
10.2. Изменения неспецифической реактивности организма................ 355
10.3. Действие токсикантов на гуморальный клеточный иммунитет..... 363
10.4. Влияние атмосферных загрязнений на иммунологическую резистент-
ность организма и возникновение заболеваний........................... 382
Глава 11. Генотоксическое действие ксенобиотиков. — Ю.А.Ревазова...... 385
11.1. Общая часть..................................................... 385
11.2. Генетические эффекты в соматических и зародышевых клетках человека 386
11.3. Оценка потенциальной генотоксичности ксенобиотиков.............. 390
11.4. Оценка суммарной генотоксичности и модификация мутагенных эффек-
тов при комбинированных воздействиях.................................. 396
Глава 12. Химический канцерогенез, — В.В.Худолей...................... 407
12.1. Общие понятия и определения..................................... 407
12.2. Классификация канцерогенов...................................... 408
2.3. Закономерности канцерогенеза и механизмы действия химических кан-
церогенов........................................................ 418
7
1
12.4. Первичная профилактика и выявление канцерогенов................. 428
12.5. Регламентирование химических канцерогенов и количественная оценка
канцерогенной опасности. — Б.А.Курляндский................... 432
Глава 13. Действие ксенобиотиков на процессы репродукции. — О.В.Сивочало-
ва, М.А.Фесенко....................................................... 445
13.1. Общая часть............................ ........................ 445
13.2. Методы изучения влияния ксенобиотиков на репродуктивную функцию 449
13.2.1. Исследование гонадотропного действия химических веществ.. 451
13.3. Патогенетические аспекты и клинические проявления нарушений репро-
дуктивной функции..................................................... 455
13.4. Классификация ксенобиотиков, действующих на репродуктивную систему... 464
Глава 14. Основы профилактической токсикологии. — Б.А.Курляндский..... 474
14.1. Задачи и принципы............................................... 474
14.2. Информация об основных свойствах вещества и условиях его воздейст-
вия на организм....................................................... 475
14.3. Создание экспериментальных моделей, адекватных условиям воздейст-
вия вещества на организм человека..................................... 477
14.4. Установление основных параметров токсичности (токсикометрия).... 479
14.5. Изучение патогенетической значимости изменений в организме и их
оценка с позиций критерия вредности................................... 482
14.6. Экстраполяция экспериментальных данных с животных на человека... 487
14.7. Гигиеническое регламентирование химических веществ.............. 488
14.8. Комбинированное действие химических веществ. — Б.А.Кацнельсон... 497
14.8.1. Многофакторный характер токсической экспозиции........... 497
14.8.2. Различные дефиниции типов комбинированного действия...... 500
14.8.3. Токсикологический антагонизм............................. 503
14.8.4. Неоднозначность комбинированного действия................ 505
14.8.5. Механизмы комбинированного токсического действия......... 507
14.8.6. Сочетанное действие...................................... 512
14.8.7. Комплексное действие химических веществ.................. 516
Глава 15. Методология оценки риска и некоторые проблемы ее применения в
условиях России. — Б.А.Кацнельсон, Л.И.Привалова, С.В.Кузьмин......... 521
15.1. Характеристика проблемы и основные понятия...................... 521
15.2. Общее описание методологии оценки риска......................... 523
15.2.1. Идентификация вредного фактора (факторов)............... 524
15.2.2. Оценка экспозиций....................................... 526
15.2.3. Оценка зависимости доза — ответ......................... 529
15.2.4. Характеристика риска (“risk characterization”).......... 538
15.2.5. Связь между оценкой риска и управлением им.............. 540
Глава 16. Основы экологической токсикологии. — В.С.Безель............. 545
16.1. Предмет, цель, задачи........................................... 545
16.2. Надорганизменный характер зависимости доза —эффект.............. 547
16.2.1. Содержание токсичных веществ в компонентах биоты — важней-
ший экотоксикологический показатель меры токсической нагрузки 550
16.2.2. Реакция экологических систем на загрязнение среды обитания
как показатель экотоксикологического эффекта..................... 558
16.3. Проблема адаптации в экологической токсикологии................. 576
16.4. Проблемы экологического нормирования............................ 579
8
Глава 17. Общие принципы диагностики и лечения острых отравлений. —
Е.А.Лужников......................................................... 587
17.1. Распространенность острых отравлений и их причины............. 587
17 2. Клиническая картина и диагностика острых отравлений............ 588
173. Лечение острых отравлений....................................... 589
173.1. Стимуляция естественной детоксикации..................... 590
173.2. Методы искусственной детоксикации........................ 592
17.3.3. Специфическая (антидотная) фармакотерапия............... 593
17.3.4. Симптоматическая фармакотерапия......................... 594
17.4. Основные виды острых отравлений................................ 596
17.4.1. Лекарственные отравления................................ 596
17.4.2. Отравления алкоголем и его суррогатами.................. 598
17.4.3. Отравления прижигающими жидкостями...................... 599
17.4.4. Отравления фосфорорганическими инсектицидами............ 600
17.4.5. Отравления угарным газом................................ 601
Предметный указатель................................................. 602
Предисловие
Проблема химической безопасности приобрела сегодня всемирное зна-
чение для судеб человечества, опередив в этом отношении такой, безусловно
приоритетный фактор, как радиационный. Многообразие химических ве-
ществ, обращающихся в среде обитания, различие их химической структуры
и физико-химических свойств, трудности управления риском химических
воздействий превратили химические соединения в реальную угрозу выжи-
вания человека и живой природы. Сегодня глобальная проблема химической
опасности изложена в таких авторитетных документах, как “Программа
действий, Повестка дня на XXI в.” (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) и решение
“3-го Всемирного межправительственного форума по химической безопас-
ности” (Сальвадор да Байя, 2000 г.), определившими основную тенденцию
конца ЮС — начала XXI вв. как интеграцию международных усилий в со-
здании единой системы химической безопасности. В этих же документах
обращено внимание на важнейшее значение токсикологического изучения
химических веществ, особенностей их действия, а также профилактики и
лечения отравлений.
Химическим веществам с их структурным разнообразием присущи пре-
дельно разнообразные формы воздействия на живые организмы: от возник-
новения тяжелых соматических заболеваний и неспецифических изменений
реактивности до влияния на наследственные свойства и систему воспроиз-
водства. Присутствие химических веществ практически во всей среде оби-
тания и в самых различных количествах неизбежно ставит во главу угла
изучение общих закономерностей взаимодействия организма человека и
токсического фактора.
Сегодня в мировой литературе опубликовано много материалов по во-
просу действия химических веществ на живые организмы. Выпущены фун-
даментальные издания, посвященные как общим, так и частным вопросам
токсикологии.
В нашей стране в силу ряда объективных причин и научных традиций,
токсикологические исследования, а соответственно и научные издания до
сих пор были только по отдельным разделам токсикологической науки и
практики.
До настоящего времени в стране отсутствовало фундаментальное токси-
кологическое руководство, обобщающее все основные разделы токсиколо-
гии, объединенные на основе обобщающего анализа токсических свойств
веществ, механизмов их токсического действия, отдаленных последствий
интоксикации, а также клиники и лечения отравлений. Поэтому авторы
настоящего руководства исходили из необходимости представления мате-
риала на основе анализа действия вещества в организме, исходя из свойств,
присущих ему как структурной единице, а также в зависимости от его
количества и путей поступления в организм.
Такое построение монографии позволило подробно рассмотреть влияние
основных групп веществ, сходных и различных по механизму токсического
действия, на всех количественных и временных уровнях: от острых инток-
сикаций до изменений реактивности организма, связанных с длительным
воздействием малых количеств токсикантов. В книге подробно представлено
10
действие веществ в организме, их токсикокинетика, описаны токсические
эффекты и механизмы их возникновения, а также особенности воздействия
на отдельные органы и системы. Рассмотрены современные воззрения на
проблемы химического мутагенеза, канцеро- и тератогенеза, влияние на
иммунную систему, систему крови и т.д.
Учитывая важность профилактики химических воздействий, в книге
изложены основные понятия и принципы экологической и профилактичес-
кой токсикологии, методика оценки риска. Определены основные принци-
пы клинической токсикологии. Широко представлена литература по всем
основным разделам токсикологии.
Редакторы и авторский коллектив (а это ведущие специалисты России
и Украины в области токсикологии) надеются, что предлагаемое “Руковод-
ство по общей токсикологии” представит интерес и принесет большую
пользу широкому кругу специалистов, работающих как в области токсико-
логии, так и в области других смежных дисциплин, связанных с проблемами
химической безопасности.
Б. А. Курляндский, В. А. Филов
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ТОКСИКОЛОГИЮ
1.1. Определение и основные понятия.
Предмет, задачи и методы токсикологии
Токсикологию (от греч. слов toxikon — яд, в который погружают нако-
нечники стрел, toxikos — лук и logos — слово, понятие, учение) обычно
определяют как науку о законах (закономерностях) взаимодействия токсичных
химических веществ (ядов) и живых организмов.
Будучи достаточно общим, это определение не отражает в должной мере
предмет токсикологии, совокупность ее современных направлений и задач,
пространство исследований и практического использования полученных
результатов, границы и соотношения с другими науками, а следовательно,
нуждается в уточнении и обсуждении. Свидетельством справедливости ска-
занного может, в частности, служить тот факт, что фармакологи традици-
онно считают фармакологию наукой “о взаимодействии химических соеди-
нений с живыми организмами” [30]. Шмидеберг в конце прошлого столетия
определял фармакологию как учение об изменениях в живом организме под
влиянием химически действующих веществ. Н.П.Кравков называл фарма-
кологию учением “о действии на организм вообще всех веществ, способных
в той или другой степени растворяться в нем и всасываться” [11].
Столь близкие, если не идентичные, толкования предмета токсикологии
и фармакологии проистекают оттого, что существуют серьезные трудности
в строго научном определении понятия яд (токсичное химическое вещест-
во). Прежде всего потому, что яд — категория количественная.
Крупнейший ученый эпохи Ренессанса Парацельс (1493—1541), впервые
поставивший на научную основу проблему “доза — эффект” и определив-
ший химическую природу ядов, так сформулировал свое третье правило:
“Что является и что не является ядом? Все вещества являются ядами и не
бывает веществ без ядовитости. Только доза определяет ядовитость” [32].
Действительно, для огромного числа веществ типично токсическое действие
в высоких дозах, но они относительно безвредны в низких. Например,
винилхлорид обладает сильной гепатотоксичностью в больших дозах, явля-
ется канцерогеном и ангиотоксикантом при длительном воздействии в
малых [12]. Хрестоматийны примеры с кислородом и некоторыми металла-
ми. Без кислорода, как известно, невозможна жизнь. Тем не менее при
высоком парциальном давлении во вдыхаемом воздухе кислород обладает
мощным пульмонотоксическим действием. Микроэлементы — железо, медь,
магний, марганец, кобальт, кадмий и др. — являются жизненно необходи-
мыми. При недостаточном поступлении с пищей развивается их дефицит в
организме, что отражается, в частности, на активности целого ряда фермен-
тов. В больших дозах металлы проявляют сильное токсическое действие:
кадмий, например, избирательно повреждает гонады.
Эффекты большинства лекарственных средств, несмотря на достаточную
терапевтическую широту, также обнаруживают отмеченную тенденцию. Ат-
ропин в количестве 1—2 мг на прием широко употребляется как лекарст-
12
венный препарат. Начиная с 5 мг pro dosi, у человека выявляются заметные
побочные эффекты. После приема 15—20 мг и более доминируют грубые
расстройства психической сферы. В дозе 100—200 мг атропин вызывает
коматозное состояние. При увеличении дозы до 0,5 г препарат становится
опасным для жизни.
Следовательно, химические вещества при воздействии на организм в
определенных дозах проявляют токсичность — внутренне присущую химичес-
кому веществу способность оказывать вредное действие, которое проявляется
только при взаимодействии вещества с живыми организмами. Токсичность —
понятие количественное, при этом измерению подлежат биологический
эффект, формирующийся в результате химической агрессии, и доза (кон-
центрация), в которой тот или иной химический агент вызывает различной
выраженности повреждения. Наиболее объективна оценка токсичности по
смертельному эффекту [23].
Оценка токсичности химических веществ — очень непростая задача.
Токсичность зависит от пути проникновения ядов в организм, возраста,
пола, состояния организма, условий его обитания и большого числа других
факторов. Она может быть острой и хронической. Разработка принципов и
адекватных методов измерения токсичности входит в задачи целого раздела
токсикологии — токсикометрии. Токсикометрия представляет собой совокуп-
ность, систему принципов, методов и приемов оценки токсичности и опаснос-
ти химических веществ [10]. При этом под опасностью понимают вероят-
ность проявления химическим веществом своих токсических свойств в оп-
ределенных условиях.
Наконец, понятие яда имеет и качественный аспект, так как одно и то
же химическое вещество может быть очень токсичным для одних видов и
нетоксичным для других. Например, четыреххлористый углерод обладает
сильнейшим гепатотоксическим действием для многих видов животных, но
к нему относительно малочувствительны куры и почти невосприимчивы
некоторые линии кроликов [33]. Еще более впечатляют различия в чувст-
вительности некоторых видов животных к 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диок-
сину (ТХДД, диоксин). По тесту инволюции тимуса токсичность диоксина
для морских свинок составляет 0,04 мкг/кг, а для хомяков — 500 мкг/кг.
Заметим, что избирательность токсического действия химических аген-
тов лежит в основе изыскания пестицидов, инсектицидов, противоопухоле-
вых, противопаразитарных и других средств [2].
В современном понимании яд — это химическое вещество, которое в
соприкосновении с живыми организмами в определенных условиях среды обита-
ния и в определенном количестве способно оказывать повреждающее влияние
на живые организмы, вплоть до гибели.
В современной научной литературе в качестве синонима слова яд часто
употребляется слово ксенобиотик (от греч. xenos — чужой и bios — жизнь,
т-е. чуждый организму).
В соответствии с этим предметом исследования в токсикологии являются
яды (токсичные химические вещества), механизмы их токсического дейст-
вия на биологические системы различных уровней их организации (от
молекулярного до надорганизменного, популяционного) и те патологичес-
кие состояния, которые формируются в живых организмах в результате
взаимодействия с токсичными химическими веществами.
Задачи токсикологии как науки проистекают из опасности химических
веществ. В конечном счете они сводятся к накоплению знаний и понима-
нию закономерностей, которые определяют токсичность и опасность хими-
13
ческих веществ для индивидуумов и их сообществ с тем, чтобы оценивать
(прогнозировать) опасность и управлять ею. Прогнозирование и понимание
сущности химической опасности обеспечивает создание научных основ раз-
работки способов и средств профилактики токсических воздействий, мето-
дов диагностики и лечения заболеваний, обусловленных токсичными хими-
ческими веществами.
Область исследований в токсикологии обширна. В сфере ее интересов
находятся животные и растения различных видов, человек. Этим объясня-
ется, что токсикология — одновременно и биологическая, и медицинская
наука. В ней выделяют ряд хорошо очерченных, но тесно связанных между
собою направлений.
Прежде всего это теоретическая, фундаментальная токсикология. Главные
ее задачи — выяснение механизмов биологической активности токсичных
химических веществ; установление связи между токсичностью, опасностью
и химическим строением, физико-химическими свойствами ядов; познание
закономерностей взаимодействия токсичных химических веществ и живых
организмов, т.е. хемобиокинетики (токсикокинетики) и токсикодинамики
ядов. Хемобиокинетика — раздел токсикологии о путях поступления, механиз-
мах всасывания, распределения, биотрансформации в организме и выведения
токсичных химических веществ. Основное содержание токсикодинамики со-
ставляют биологические реакции организма в ответ на воздействие яда.
В теоретической токсикологии разрабатывают экспериментальные моде-
ли патологических состояний и процессов, развивающихся в результате
воздействия ядов; обосновываются методы экстраполяции эксперименталь-
ных данных на человека. При этом решающее значение приобретает изуче-
ние механизмов видовой чувствительности животных к ядам.
Методы, которые применяются в экспериментальной токсикологии, раз-
нообразны и определяются объектом изучения и задачами эксперимента.
Так, при исследовании механизмов действия ядов широко используются
биохимические методы (биохимическая токсикология). Они охватывают мо-
лекулярный уровень, взаимодействие ядов с рецепторами, ферментами, в
том числе с ферментами биотрансформации химических веществ, с другими
макромолекулами. Клеточный уровень требует привлечения широкого
спектра морфологических методик. В тех случаях, когда объектом изучения
является нервная система, возникает необходимость в нейрофизиологичес-
ких и нейрохимических методах. Исследование физиологических реакций
или патологических процессов на органном или организменном уровнях
осуществляется с помощью физиологических методов. Среди них особая
роль принадлежит поведенческим тестам (поведенческая токсикология). С
их помощью оценивается влияние токсикантов на поведение животных и
человека. Поведение, как известно, является интегральным показателем
состояния периферической и центральной нервной системы, а также орга-
низма в целом. Изменение различных форм поведения дает ценную инфор-
мацию о тропности химического воздействия, о возможных нарушениях
высших регуляторных функций. Методы поведенческой токсикологии ши-
роко используются в хроническом эксперименте при оценке эффектов ток-
сикантов в малых дозах, а также при изучении отдаленных последствий
перенесенной интоксикации.
В экспериментальной токсикологии существуют и собственные, токси-
кологические методы и приемы. Они незаменимы при создании моделей
патологических состояний, вызванных химическими токсикантами, и осо-
бенно в токсикометрии. Параметры токсикометрии служат количественны-
14
ми рамками патогенеза отравления (интоксикации). В любом токсикологи-
ческом эксперименте объектом исследования служит то или иное патоло-
гическое состояние, созданное целенаправленно путем строго количествен-
ного воздействия. Экспериментальная модель будет тем ближе к замыслу
исследования, чем строже и полнее соблюдается “токсикологическое обрам-
ление” эксперимента: адекватны доза, путь (накожный, ингаляционный,
пероральный и др.) введения, скорость поступления яда и т.д.
Не будет преувеличением утверждение, что токсикометрия имеет клю-
чевое значение для всей токсикологии, для всех ее направлений и разделов.
Количественные критерии токсичности будут предметом анализа в одной
из последующих глав, поэтому здесь уместно лишь упоминание основных
методов и приемов, отличающих токсикометрию. Среди них химико-анали-
тические методы, предназначенные для идентификации и определения ток-
сичных химических веществ в окружающей среде (например, контроль кон-
центраций ядов в камерах для ингаляционных затравок) и в биологическом
материале. Следует также отметить многообразный арсенал токсикологичес-
ких тестов — от исследования острой и хронической токсичности на живот-
ных до оценки генотоксичности с использованием технологии клеточных
культур (так называемые альтернативные методы в токсикологии). Все воз-
растающее значение придается методам изучения патогенеза интоксикации
на субклеточном, клеточном, тканевом и органном уровнях. Наконец, ме-
тоды биометрии и статистики. С их помощью осуществляется анализ полу-
ченной информации, дается количественная характеристика опасности хи-
мических веществ, разрабатываются математические прогностические мо-
дели.
Как уже отмечалось, токсикометрия составляет методологический фун-
дамент всей токсикологии, но особый смысл и значение она приобретает в
профилактической токсикологии. Профилактическая (гигиеническая) токсико-
логия изучает токсичные химические факторы окружающей среды, обосновы-
вает размеры допустимой “химической нагрузки” на человека, разрабатывает
способы медицинской профилактики токсических воздействий в реальных ус-
ловиях жизнедеятельности людей. Присутствие токсичных химических ве-
ществ в той или иной среде обитания человека (жилище, производственная
сфера, пищевые продукты, лекарства и т.д.) позволяет подразделить профи-
лактическую токсикологию на коммунальную, промышленную, сельскохо-
зяйственную, корабельную, пищевую, лекарственную и т.д.
При прогнозе и оценке опасности химических соединений используются
те же методические приемы, которые уже обсуждались при характеристике
теоретической токсикологии и токсикометрии. Для прогнозирования воз-
можности развития отдаленных эффектов хронического действия токсичных
химических веществ в малых дозах применяются иммунологические тесты,
а также методы оценки мута-, канцеро- и тератогенеза, и эмбриотоксичнос-
ти. Заметим, что изучение репродуктивной функции — высокоэффективный
способ выявления “химического неблагополучия” в окружающей человека
сРеде. На субпопуляционном уровне большую пользу приносят эпидемио-
логические исследования заболеваний, имеющих химическую этиологию.
В качестве следующего направления назовем клиническую токсикологию.
Клиническая токсикология изучает острые и хронические заболевания, вызван-
ные токсичными химическими веществами, с целью научного обоснования
методов диагностики, профилактики и терапии отравлений. В связи с этим
задачи в клинической токсикологии подразделяют на диагностические, ле-
чебные и профилактические [18]. Их решение достигается посредством
15
клинических, инструментальных и лабораторных методов обследования
больных. Широко используются методы аналитической химии (методы га-
зовой, жидкостной хроматографии, хромато-, масс-спектрометрии и др.) для
идентификации химических веществ в биосредах (в крови, моче, лимфе и
т.д.).
В последние два десятилетия стремительно формируется новое направ-
ление в токсикологии — экологическая токсикология. Это научное направле-
ние на стыке экологии и токсикологии изучает токсические эффекты хими-
ческих веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организ-
мов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Экологическая токсикология
изучает источник поступления вредных веществ в окружающую среду, их
распространение в окружающей среде, действие на живые организмы. Человек,
несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней [3].
Предметом экологической токсикологии являются надорганизменные
системы в условиях химической нагрузки антропогенного происхождения.
Экологическая токсикология оценивает потенциальную опасность контакта
популяций живых организмов с вредными химическими веществами, чуже-
родными для организма (ксенобиотики) или жизненно необходимыми для
него (эндогенные), но поступающими в избыточном количестве, и обосно-
вывает меры профилактики губительных последствий такого контакта для
животных, растений и человека. Существенно, что экологическая токсико-
логия рассматривает первичные токсические эффекты ксенобиотиков на
молекулярно-генетическом, клеточном, органном уровнях в качестве пуско-
вых механизмов нарушений биологических систем на популяционном уров-
не. Это не только сближает концептуально классическую профилактическую
(гигиеническую) токсикологию с экологической токсикологией, но и дает
последней основание для использования ее методологических принципов и
приемов гигиенического нормирования химической опасности. Вместе с тем
специфика предмета экологической токсикологии предопределяет своеобра-
зие ее методических подходов, позволяющих в конечном счете давать ко-
личественную оценку наносимого экосистемам ущерба в результате хими-
ческой агрессии. Более подробно проблемы токсикологии изложены в
главе 16.
Завершая рассмотрение современных направлений токсикологии, нужно
отметить также некоторые достаточно обособленные ее разделы, такие,
например, как токсикология военная, судебная и ветеринарная. Будучи ее
прикладными разделами, они различаются спецификой предмета и своими
задачами. Так, военная токсикология изучает токсичные химические веще-
ства, характерные для военного труда мирного и военного времени, меха-
низмы их токсического действия на организм человека и формирующиеся
патологические состояния с целью изыскания наиболее эффективных спо-
собов и средств профилактики и терапии отравлений. Она широко исполь-
зует методы и достижения экспериментальной, профилактической и клини-
ческой токсикологии.
Судебная токсикология является неотъемлемой частью судебной меди-
цины, и ее главная задача состоит в экспертизе отравлений. Для этого
применяются методы судебной химии, клинической токсикологии и пато-
логической анатомии.
Ветеринарная токсикология, помимо прикладного значения, имеет и
теоретический аспект, поскольку различные виды сельскохозяйственных
животных используются для моделирования отравлений и последующей
экстраполяции полученных данных на человека. Другое важное обстоятель-
16
ство заключается в том, что с помощью знаний ветеринарной токсикологии
можно получить дополнительную информацию о перемещении химических
токсикантов по пищевым цепям в организм человека.
Говоря о соотношении токсикологии с другими науками, следует указать
на первостепенное значение для нее химии, биохимии, физиологии, фар-
макологии, общей патологии, иммунологии, эпидемиологии, гигиены и
экологии. В свою очередь токсикология концептуально и методически су-
щественно обогащает гигиену, фармакологию, клиническую и судебную
медицину. Без нее немыслимы современное здравоохранение, общая пато-
логия и генетика. Фундаментальная токсикология привносит новые идеи в
экологию и перспективы в природоохранную деятельность человечества.
Рассмотрение теоретических и методологических основ современной
токсикологии свидетельствует об их единстве для всех ее направлений.
Краткий анализ предмета, задач, методов токсикологии дает возмож-
ность определить ее как науку о токсичных химических факторах среды
обитания живых организмов, о законах взаимодействия токсичных химических
веществ и живых организмов, определяющих потенциальную опасность хими-
ческих веществ для индивидуумов и их популяций, а также способы и средства
минимизации химической опасности, профилактики, диагностики и терапии
отравлений.
1.2 История становления токсикологии
Токсикология родилась, по-видимому, одновременно с медициной, по-
скольку человека всегда окружали ядовитые животные и растения. Древние
яды представляли собой вытяжки из растений, яды животных и некоторые
минералы. Они были окружены тайной, использовались для охоты, войн,
судебных наказаний и ритуальных обрядов. История ядов — это одна из
огромных глав человеческой истории, в которой удивительным образом
переплетены человеческие любознательность и гений (не всегда добрый),
научные открытия, многовековой опыт медицины и других естественных
наук и одновременно интриги, преступления, политика, личные трагедии
великих людей и простых смертных, войны, природные катастрофы и чу-
довищные химические аварии современности. Об этом, в частности, гово-
рится в увлекательной книге И.Д.Гадаскиной и Н.А.Толоконцева (1988).
Наиболее ранним документом, свидетельствующим о знаниях древних о
ядах, считают Эберский папирус, написанный примерно за 1500 лет до н.э.
[35]. Сегодня его рассматривают как самую раннюю фармакопею, дошедшую
из древности до наших дней. Она содержит сведения о некоторых ядах —
опии, мышьяке, аконите, циансодержащих гликозидах и др. Упоминается
также яд, получаемый из калабарских бобов (Physostigmine venenesa) и
используемый в то время для судебных наказаний (пыток). Поразительно,
что этот препарат — физостигмин (эзерин) входит и во все современные
фармакопеи в качестве лекарственного средства из класса обратимых инги-
биторов холинэстеразы, производных карбаминовой кислоты. Одновремен-
но он широко известен и как достаточно сильное ядовитое химическое
соединение.
Точно так же из далекой древности пришел к нам строфантин. Имеются
сведения, что доисторические охотники масаи, населявшие Кению несколь-
ко тысяч лет назад, использовали экстракт растения вида Strophantus для
смазывания дротиков и стрел, которыми они убивали животных на охоте и
своих врагов в различных столкновениях. Сведения о ядах содержатся во
17
1
многих древних книгах: в древнеиндийских текстах — Ведах (XII и IX сто-
летия до н.э.), в “Одиссее” Гомера (около 850 г. до н.э.), в сочинениях
Аристотеля (384—322 гг. до н.э.), Овидия (43 г. до н.э. — 18 г. н.э.) и др.
В древнекитайской медицине ядам придавалось огромное значение. Легенды
говорят о том, что император Шен-Нунгу прожил 140 лет и знал не менее
70 ядов и противоядий. Утверждают, что китайские императоры умирали,
выпив настойку из волшебных снадобьев, которые даровали им якобы вечную
жизнь.
Расцвет наук в Древней Греции в VII и VI вв. до н.э. коснулся и
медицины. Наиболее известна Косская школа, основателем которой был
Гиппократ (около 460—370 гг. до н.э.). Гиппократ отвергал яды как орудия
убийства. В творениях Гиппократа нет ни слова о ядах, их действиях, и это
потому, что отец медицины дал клятву не говорить о них, и это запретил
своим ученикам, что соблюдено Плинием и Галеном, которые говорят
только о противоядиях [6]. Клятва Гиппократа жива и сегодня. В части ядов
она звучит так: “Я не дам никому просимого у меня смертельного средства
и не покажу пути для подобных замыслов”.
Ученые древности знали немало о ядах. Знания они получали из наблю-
дений за случайными отравлениями, а также при преднамеренном воздей-
ствии ядами. В отличие от стран Востока в Древнем Риме и Древней Греции
яды часто использовались как орудия убийства осужденных. Так, древнегре-
ческий поэт и врач Никандр в поэме “Териака” описывает клиническую
картину отравлений различными ядами животного происхождения. В другом
своем поэтическом труде “Алексифармика” Никандр дает характеристику
растительным ядам, а также излагает способы терапии отравлений. В част-
ности, он рекомендовал вызывание рвоты, как весьма эффективный способ
оказания помощи при отравлениях. Рвоту он советовал вызывать питьем
подогретого льняного масла, раздражением глотки и пищевода с помощью
простых приспособлений, изготовленных из бумаги или перьев птиц. Мно-
гое из того, о чем сообщал Никандр, основано на его собственных экспе-
риментах на осужденных преступниках.
Значительно раньше Платон описал смерть своего учителя Сократа,
которую тот принял, выпив по решению Афинского суда (399 г. до н.э.)
жидкость, содержащую яд, по-видимому, цикуту. Цикуту получали из рас-
тений Conium maculatum, которое содержит алкалоид кониин — блокатор
передачи нервно-мышечного проведения.
В трактате “Материя медика” Диоскорид (40—80 гг. н.э.) — врач
Нерона — представил классификацию ядов (растительные, животные, ми-
нералы), которая имела практическое хождение среди врачей более 15 веков.
В трактате впервые излагались способы идентификации некоторых ядов.
Среди ядов-минералов в античных трактатах упоминаются ртуть, мы-
шьяк, свинец и др. Никандру, по-видимому, принадлежит заслуга первого
описания отравления свинцом. Как известно, в Древнем Риме свинец получил
широкое распространение в быту: из него изготовлялись водопроводные трубы,
сосуды для вина, посуда и т.д. Для улучшения качества в уже готовое вино
добавляли свинцовые пластинки. Свинец в то время был очень дорог и
доступен только богатым. Неудивительно, что хронические свинцовые отрав-
ления стали бичом древнеримской аристократии. Некоторые историки пола-
гают, что одной из причин падения Древнего Рима были массовые хрони-
ческие отравления свинцом. Древние римляне и греки хорошо знали об
опасности ртути. Именно поэтому, как сообщал Диоскорид, рудокопы
надевали маски, чтобы предохранить себя в шахтах от “ртутных паров” [6].
18
В Древнем Риме получило широкое распространение использование ядов
с криминальной целью. Римский диктатор Сулла в 81 г. до н.э. был вынуж-
ден издать специальный закон, предусматривавший наказание, вплоть до
смертной казни, виновных в преступном использовании ядов.
Широкую известность как отравители получили древнеримский импера-
тор Калигула, большой знаток ядов, экспериментировавший на рабах, и не
раз решавший политические разногласия со своими противниками посред-
ством ядов, и Локуста, использовавшая мышьяк для убийства императора
Клавдия по заказу его жены Агриппины, замыслившей привести к власти
своего сына Нерона, пасынка Клавдия. Позднее, теперь уже по заказу
Нерона, Локустой был убит Британник — родной сын Клавдия и, следова-
тельно, прямой наследник престола. Так, в неполные 17 лет Нерон стал
императором, а Локуста получила от него вознаграждение и право иметь
учеников. Императорский титул не принес, как известно, счастья Нерону.
В последующем он добровольно принял смерть от своего слуги, страшась
предстать перед римским сенатом, вынесшим ему смертный приговор.
Для истории токсикологии как медицинской науки важны не отравители
и содеянные преступления, а вызванная ими “эпидемия отравлений” и
необходимость изыскания противоядий. В то время родилась идея о неком
универсальном антидоте, способном защитить от большинства, если не от
всех, ядов.
До наших дней дошли многочисленные свидетельства фанатичного по-
иска такого средства. Приведем лишь некоторые из них. Весьма поучительна
история царя Митридата VI Понтийского. Панически опасаясь отравлений,
Митридат серьезно занимался токсикологией: изучал эффекты различных
ядов на людях, осужденных преступниках и невольниках, конструировал
противоядия и опять-таки испытывал их действие на обреченных. В итоге
он создал препарат, состоящий из более чем 36 компонентов и названный
в Римской фармакопее “митридатикум”. Препарат имел репутацию лучшего
в те годы антидота, способного предупредить действие таких ядов, как
аконитин, токсины змей, скорпионов, пауков и т.д. [35]. Митридат прини-
мал свой препарат каждый день и, по-видимому, приобрел со временем
весьма значимую толерантность к ядам. Такая устойчивость организма Мит-
ридата к отравлениям сыграла с ним злую шутку. В старости Митридат
пытался покончить жизнь самоубийством, приняв большую дозу яда, но
остался жив. Тогда он приказал солдату убить его мечом, что и было
исполнено. История Митридата, его экспериментов и противоядий была
описана Галеном в 3 книгах: “Антидоты I”, “Антидоты П”, “Териаки от-
равлений”. Заметим, кстати, что древние греки использовали термин “те-
риака” для обозначения вначале ядов животных, а затем — антидотов ядов
животного происхождения. “Алексифармикой” они долгие годы называли
способ терапии отравлений вызыванием рвоты. Гален сообщал и о других
териаках. Например, териак Андромаха, врача Нерона, содержал уже 73
ингредиента. Вследствие этого спектр его защитной активности был значи-
тельно шире, нежели у антидота Митридата. В опытах на животных Гален
получил объективные доказательства эффективности териака Андромаха.
В средние века и в период Ренессанса рецептура териака Андромаха была
Дополнена новыми компонентами, их число превысило 100. Поиск териаков
и их применение с целью профилактики и лечения отравлений использова-
лись в Европе до начала XVIII столетия, а в Турции — даже до начала XX в.
Более поздние, нежели у Галена, сведения о териаках и о различных методах
лечения отравлений были представлены в книге еврейского врача и фило-
19
1
софа Мозеса Моймонида (1135—1204). Его трактат о ядах и противоядиях
вышел на арабском языке в Кордове в 1198 г. и составил заметную веху в
истории токсикологии [5]. В нем изложен тысячелетний опыт лечения
отравлений, а также дано описание клинической картины интоксикации ранее
неизвестными ядами. В первой части трактата Моймонид приводит описание
отравлений ядами животного происхождения (укусы взбесившихся собак, ос,
змей, пауков, скорпионов и других животных). В клинической картине он
впервые различает нейро- и гематотоксические проявления интоксикации. Во
второй части трактата речь идет о минеральных и растительных ядах. Харак-
теризуя, например, отравление белладонной, Моймонид отмечает покрасне-
ние кожных покровов и своеобразное “возбуждение” больных. Среди лечебных
мероприятий автор особо выделял опорожнение желудка посредством рвоты,
вызываемой теплым молоком, растительным маслом и пр. Первостепенное
значение он придавал назначению териаков и митридатиков в качестве
средств неотложной помощи и в процессе последующего лечения [34].
Из античности в средние века и даже в более позднюю эпоху пришел
не только опыт успешного использования различных способов терапии
отравлений, но и опыт отравителей. Папа римский Александр VI и его
потомки, известное семейство Борджиа, печально прославились многочис-
ленными убийствами с использованием ядов. Александр VI был наказан
судьбой, выпив по ошибке отравленное вино, предназначавшееся для оче-
редной жертвы. Французская королева Екатерина Медичи (1519—1589) во-
шла в историю как королева-отравительница. Она освоила итальянскую
технику приготовления ядов и исследовала их действие на больных, нищих
и осужденных.
В конце XVII — начале XVIII вв. в Италии отравительница Тоффана,
проживавшая в Неаполе, отравила более 600 человек, главным образом с
помощью триоксида мышьяка. Тоффана в конце концов была осуждена и
казнена.
В царствование короля Франции Людовика XIV было несколько громких
дел отравительниц — маркизы де Бренвилье, мадам Ла Вуазен и др. В част-
ности, услугами Ла Вуазен пользовалась ближайшая фаворитка Людовика
XIV маркиза де Монтеспан. Деятельность отравительниц достигла такого
масштаба, что Людовик XIV издал специальный закон. В этом законе,
изданном в июле 1682 г., в частности, дается такое определение яда: “Все,
что может причинить скорую смерть или медленно разрушить здоровье
человека, если оно простое или сложное вещество, должно быть почитаемо
действительным ядом” [29]. Чтобы завершить историю о французских от-
равительницах, укажем, что маркиза де Бренвилье, мадам Ла Вуазен и их
сподвижницы были казнены, а маркиза де Монтеспан, мать восьми вне-
брачных детей Людовика XIV, отправлена в ссылку в Нидерланды.
Несмотря на большой объем сведений, ранняя токсикология была чисто
описательным, эмпирическим разделом медицины. Ее предпосылки как
науки были заложены Парацельсом (1493—1541). Уже упоминалось, что он
четко определил яды как химические вещества, а их эффекты как произ-
водное от использованной дозы. Парацельсу принадлежит честь установле-
ния связи заболеваний рудокопов, литейщиков с их профессиональной
деятельностью.
Современник Парацельса Агрикола (1494—1555) был одновременно и
врачом, и металлургом. В своем труде “О металлургии” он представил не
только детальную характеристику горного дела тех времен, но и уделил
немало внимания вопросам безопасности труда горняков.
20
Особое место в истории токсикологии принадлежит Рамаццини (1633—
1714). Его по праву считают основоположником профессиональной патоло-
гии. Всю свою жизнь он посвятил изучению условий труда ремесленников
самых различных специальностей. В 1700 г. он выпустил книгу “О болезни
ремесленников. Рассуждения”, в которой дал описание труда и болезней
работников почти 70 профессий.
В начале XIX в. наиболее крупной фигурой в токсикологии был М.П.Ор-
фила (1787—1853) — французский врач родом из Испании. Он был первым,
кто выделил токсикологию из фармакологии, клинической и судебной ме-
дицины, придав ей статус самостоятельной науки. В 27 лет М.П.Орфила
написал книгу “Трактат об отравлениях” (1814), которая выдержала пять
изданий. В 1824 г. в русском переводе вышла другая его работа “Средства
для спасения отравленных и мнимоумерших, с прибавлением приличных
способов узнавать яды, подделанные вина и различать истинную смерть от
кажущейся”. В своих трудах М.П.Орфила дал классификацию всех извест-
ных ядовитых веществ, представил описание клинической картины отрав-
лений выделенными им классами ядов, а также рекомендовал химические
методы идентификации ядов в биологическом материале. М.П.Орфила был
самым известным в Европе судебно-медицинским экспертом-токсикологом
и судебным химиком. После его трудов стало обязательным проведение
судебно-химического анализа для юридического подтверждения факта от-
равления. В современной литературе до сих пор приводится, как наиболее
удачное, данное М.П.Орфилой определение понятия яд: “Яд —такое веще-
ство, которое в малом количестве, будучи приведено в соприкосновение с
живым организмом, разрушает здоровье и уничтожает жизнь”.
Середину XIX в. можно определить как время начала формирования
современной токсикологии. Решающее влияние при этом принадлежало
успехам аналитической химии (аналитической токсикологии) и все больше
укреплявшемуся в теоретической медицине экспериментальному методу.
Именно в те годы появились фундаментальные исследования французских
ученых Франсуа Мажанди (1783—1855) и его ученика Клода Бернара (1783—
1878) по механизму действия стрихнина, цианидов, кураре, угарного газа и
других ядов. Ряд методов оценки некоторых физиологических функций, в
частности внешнего дыхания, нервно-мышечного проведения, предложен-
ных Клодом Бернаром, сохранялись в экспериментальной практике более
100 лет. Ему же принадлежит блестящая мысль о том, что токсичные
вещества могут служить прекрасным инструментом в физиологических ис-
следованиях. “Эти вещества можно рассматривать как истинные реактивы
на жизнь, которые разносятся потоком кровообращения во все точки орга-
низма, действуют на некоторые ткани, изолируют их и ведут к смерти,
причем механизм гибели указывает на физиологическую роль той ткани, на
которую они действуют... Это изучение представляет большой интерес с
точки зрения общей физиологии” [4]. В своих опытах с кураре К.Бернар
показал, что яд парализует произвольные мышцы, не влияя на проводимость
импульсов по двигательным нервам и не нарушая сократимость мышц. Тем
самым была выявлена особая чувствительность зоны мионеврального соеди-
нения к яду кураре. Эти наблюдения позднее послужили серьезным аргу-
ментом при становлении теории нейрохимической передачи возбуждения в
нервной системе.
Примерно в эти же годы происходило становление токсикологии и в
России. Принято считать, что преподавание токсикологии, как самостоя-
тельной научной дисциплины, начато Г.И.Блосфельдом (1798—1884) в Ка-
21
занском университете (с 1842 г.). Справедливости ради заметим, что в курсе
судебной медицины токсикологию к тому времени уже давно преподавали
в Военно-медицинской академии и на медицинском факультете Московско-
го университета.
Наиболее интенсивно отечественная токсикология развивалась в XIX в.
в Медико-хирургической (Военно-медицинской) академии (Санкт-Петер-
бург). Как и во всем мире, формирование токсикологии в России происхо-
дило в рамках судебной медицины. Так, например, в отечественном “На-
ставлении врачам при судебном осмотре и вскрытии мертвых тел” (1829)
содержались главы “Об исследовании отравлений” и “О противодействую-
щих средствах, употребляемых для открытия ядов”. Они были основаны на
работе профессора Военно-медицинской академии А.П.Нелюбина “Правила
для руководства судебного врача при исследовании отравлений с присово-
куплением судебно-медицинских таблиц о ядах”.
В первом отечественном руководстве по судебной медицине “Краткое
изложение судебной медицины для академического и практического упот-
ребления” (1832) проф. С.А.Громова (возглавлял кафедру судебной медици-
ны академии с 1806 по 1837 г.) вопросам токсикологии отведено значитель-
ное место. В руководстве дается классификация ядов, излагаются основные
проявления интоксикации мышьяком, опием, синильной кислотой, медным
и свинцовым составами и пр.; описываются способы обнаружения ядов.
Начало экспериментальной токсикологии в России связывают с именем
проф. Е.В.Пеликана, руководившего кафедрой судебной медицины в период
1852—1857 гг. Одним из первых он стал активно использовать эксперименты
на животных для изучения механизма действия ядов, в частности кураре и
стрихнина. В 1854 г. Е.В.Пеликан опубликовал работу “Опыт применения
современных физико-химических исследований к учению о ядах”, в которой
он дал определение понятию яд, представил классификацию ядов, охарак-
теризовал пути поступления ядов в организм, механизмы их действия, в том
числе механизмы “метаморфоз” ядов в организме человека. Широкую из-
вестность получили работы Е.В.Пеликана по токсикологии цианидов (1855),
нитроглицерина, кураре и др. В предисловии к “Руководству по токсиколо-
гии” Рабюто (изданного в переводе с французского в Санкт-Петербурге в
1878 г.) он писал: “У нас в России до начала 50-х годов строго научного
направления в токсикологии не существовало. Скромно зачавшись только
с этого времени при кафедре судебной медицины Медико-хирургической
академии, оно вскоре после того получило быстрое распространение и
развитие благодаря современному физиологическому принципу и методу,
которые были внесены в академию свежими силами в лице проф. И.М.Се-
ченова и С.П.Боткина. Под влиянием этой школы, кроме трудов чисто
физиологического и патологического значения, вышло всего более научно-
токсикологических самостоятельных исследований, приобретших извест-
ность во всем ученом мире. С того же времени у нас при всех университетах
возникли лаборатории или кабинеты, в которых под руководством профес-
соров производятся с успехом подобные исследования, внесшие уже также
свою долю научного материала в европейскую науку”. В приложении к
“Руководству...” Рабюто Е.В.Пеликан сделал краткий анализ наиболее зна-
чительных работ отечественных авторов по токсикологии. Е.В.Пеликан в
своей стране и за границей был признан лучшим токсикологом России
своего времени и вошел в историю науки как родоначальник отечественной
токсикологии.
Дальнейшее развитие токсикологического направления научных иссле-
22
лований связано с именем профессора И.М.Сорокина, возглавлявшего ка-
федру в период 1871 — 1891 гг. И.М.Сорокин имел в академии хорошо
оборудованную лабораторию, где проводил токсикологические исследова-
ния Исследования И.М.Сорокина выходили за рамки прикладных судебно-
медицинских интересов. Он изучал действие на организм животных соля-
нокислого морфия, стрихнина, цианистых соединений, фосфора и других
веществ. Ученики И.М.Сорокина исследовали механизм действия сулемы,
мышьяковистой кислоты, стрихнина и его производных, аконитина, кокаи-
на, хинина, бензина, колхицина и др.
’ Судебно-медицинская токсикология составляла главное направление на-
учных исследований и в период руководства кафедрой проф. Д.П.Косоро-
това (1898—1911). Д.П.Косоротовым был написан “Краткий учебник токси-
кологии”, который вобрал в себя достижения науки того времени и был
издан впервые в 1902 г., а повторно в 1911 г. Характеризуя токсикологию
как науку, Д.П.Косоротов писал: “Токсикология по буквальному смыслу
есть учение о ядах; по отношению же к медицинской практике это не вполне
верно. Если представить себе даже такое сочинение по токсикологии, ко-
торое рассматривало бы яды со всей полнотой и всесторонностью, то тогда
главнейшую и наиболее обширную часть составило бы рассмотрение не
самого яда, а тех расстройств в животном организме, функциональных и
анатомических, которые обусловливаются введением в него ядов”. И далее,
“... Токсикология не есть фармакология. Это ясно уже из исторического
развития этих наук. Наконец, одни и те же вещества рассматриваются с
совершенно различных точек зрения: в токсикологии с точки зрения вреда
для организма, а в фармакологии — пользы при болезнях”.
В конце XIX — начале XX вв. проблемы токсикологии были в сфере
внимания и специалистов других профилей. Профессора Н.П.Кравков,
И.С.Тарханов (автор монографии “О ядах в организме животных и человека
и о борьбе с ними”), ААЯрошевский внесли существенный вклад в ее
развитие.
В переиздававшемся 14 раз руководстве “Основы фармакологии”
Н.П.Кравков рассматривает токсикологические проблемы с позиций фар-
макологии: общие вопросы “поведения” ядов в организме (поступление,
фазы действия в организме; их превращение, выведение). Из частных во-
просов специально фиксируется внимание на характеристике ядовитых ци-
анистых соединений, парасимпатических и ганглионарных ядах, местно-
анестезирующих ядах. Н.П.Кравков внес огромный вклад в такие фунда-
ментальные проблемы, как связь между структурой, пространственной кон-
фигурацией химических веществ и их физиологической активностью, зави-
симость физиологических реакций от дозы (концентрации) вещества, ком-
бинированное действие химических соединений. Он занимался изучением
токсического действия кавказских бензинов.
В Москве на медицинском факультете университета во второй половине
XVII] в. большим успехом у преподавателей и студентов пользовался учеб-
ник французского профессора фармакологии и токсикологии С.П.Гальтье
(1858). В этом обстоятельном руководстве даются определения токсикологии
как науки и яда (“...это всякое тело, которое вследствие своего физико-ди-
намического местного действия и особливо всасывания может произвести
сложные или смертельные расстройства в органах и отправлениях”); при-
водятся сведения из истории токсикологии, классификация ядов, характе-
ристика отравлений различными классами химических веществ, способы
лечения, “предсказания” и “распознавания” отравлений; излагаются “судеб-
23
но-химические” и “судебно-медицинские, вопросы”; даются рекомендации
по составлению “токсикологических отношений и рапортов”, а также “ток-
сикологических заключений”.
Еще раньше — в 1815 г. — в Москве вышло руководство по токсикологии
Иосифа Франка, “главного врача при общественной больнице в Вене” [29].
Книга была издана по “определению Московского отделения Император-
ской медико-хирургической академии”. На родине автора, в Вене, книга
вышла еще в 1803 г. Для своего времени она отличалась высоким научным
уровнем. Как Франк, например, определяет яд? “Дать яду положительное
определение очень трудно... Яд есть такое тело, которое, действуя на чело-
века в малейшем количестве, подвергает его жизнь величайшей опасности;
хотя ядовитое вещество организмом не распространяется, ниже им усили-
вается”. Характеризуя отравления свинцом, отмечает, что его действию
“наиболее подвержены художники и мастеровые из-за употребления свин-
цовых составов”. “В металлическом состоянии свинец не оказывает особен-
ных действий, но в виде окислов, солей — ядовит.” “Легче предупредить
отравление свинцом, нежели его лечить”. В руководстве можно прочесть:
“Атмосфера служит растворяющим средством для многих веществ... В руд-
никах, после землетрясений и изрыгания огнедышащих гор, в рабочих
комнатах некоторых мастеровых и т.д. подымаются часто частицы разных
металлов, например мышьяка, свинца, ртути и т.п.; смешиваются с атмо-
сферой и делаются источником многоразличных ужасных болезней, непо-
средственным следствием коих может быть смерть”. А вот как И.Франк
излагал проблему “видовой чувствительности”. “Многие для человека ядо-
витые растения бывают жилищем и пищей насекомых; ни мышьяк, ни
сулема не удерживают различных жуков от наших съестных припасов и
собраний растений. В Понтийской области пчелы едят ядовитые растения
Azalea и приготовляют из нее мед, которым, как повествует Ксенофонт,
отравилась однажды целая греческая армия... Рыбы и пресмыкающиеся едят
многие растения, которые суть яд для человека. Так, например, некоторые
птицы любят семя омела и употребляют его без всякого вреда... Свиней
можно кормить ягодами красавки, лошади едят сухую траву волчьего корня
(aconitum)... Напротив, многие вещества, которые человеку ни мало не
вредны, или по крайней мере не действуют на него смертельно, суть яды
для прочих животных. Ртуть есть яд всех круглых глистов и вшей..., камфара
для всех малых насекомых; обыкновенная соль для водной ящерицы, бу-
зинные ягоды для цыплят, горький миндаль для большей части птиц, а
также для некоторых четвероногих...”
До середины XIX столетия токсикология была наукой описательной, но
“старые” авторы умели, согласитесь, преподносить свой предмет блестяще.
В начале XX в. на развитие токсикологии сильное влияние оказал рост
химической промышленности. Особенно интенсивно химическое производ-
ство развивалось в Германии. Так, стоимость произведенной в 1913 г.
химической продукции в Германии превышала таковую Франции, Англии
и Италии, вместе взятых. Немецкие химики были монополистами целых
химических отраслей, например производства красителей. Крупнейший
концерн “И.Г.Фарбен” одним из первых стал финансировать не только
прикладные, но и теоретические исследования в области химии. В лабора-
ториях концерна под руководством Ф.Габера был разработан способ связы-
вания атмосферного азота для получения аммиака и нитратов, используемых
в производстве красителей, взрывчатых веществ и других продуктов химии.
Ф.Габер был удостоен в 1918 г. Нобелевской премии. В истории наук
24
ф Габер известен и по другой причине: его называют “отцом” химического
оружия. Перед первой мировой войной он возглавил в концерне “И.Г.Фар-
бен” военно-химические исследования. Именно по предложению Ф.Габера
и при его непосредственном техническом руководстве состоялась первая
химическая атака немцев против англо-французских войск 22 апреля 1915 г.
около местечка Ипр в Бельгии. В последующем, союзники — Франция,
Англия, США и Россия — также стали использовать химические вещества
с военной целью. За 4 года войны — с 1915 по 1918 г. — в армиях воюющих
государств от химического оружия пострадало около 1,3 млн человек, из
которых более 100 тыс. погибло.
Для истории науки существенно, что военная токсикология, параллельно
военной химии, стремительно прогрессировала со времен первой мировой
войны в течение более 70 лет и немало способствовала развитию всех
направлений классической токсикологии: теоретической (фундаменталь-
ной), профилактической и клинической.
Реакция отечественных токсикологов на применение немцами “удушли-
вых газов” была вынужденной и быстрой. В Петрограде создается Военно-
химический комитет, в состав которого входил газовый отдел, предназна-
ченный для координации научных исследований по разработке средств
противохимической защиты. Руководителем отдела был профессор Военно-
медицинской академии Г.В.Хлопин. В Москве аналогичные задачи решала
Физико-химическая лаборатория земского и городского союзов. К работе
были привлечены крупнейшие специалисты. Интересно, что в Петрограде
закладывались тогда все основные направления современной военной ток-
сикологии. Вопросы санитарно-химической защиты, содержание которых
по преимуществу было профилактическим, решались под руководством
Г.В.Хлопина, заведовавшего кафедрой гигиены Военно-медицинской акаде-
мии. Механизм действия отравляющих веществ (хлора, фосгена, иприта и
др.) и патогенез интоксикации изучались на кафедрах фармакологии Воен-
но-медицинской академии и Женского медицинского (1-го медицинского)
института. Кафедры возглавлялись соответственно Н.П.Кравковым и
А.А.Лихачевым, к тому времени уже известными в России фармакологами:
Н.П.Кравков руководил кафедрой с 1899 г., а А.А.Лихачев — с 1900 г.
Клиника, лечение поражений боевыми отравляющими веществами стали
уделом клиницистов, в основном терапевтов. Наиболее яркой фигурой здесь
был В.И.Глинчиков — профессор Военно-медицинской академии.
Благодаря столь представительному научно-методическому руководству
научные исследования были изначально организованы в соответствии с
лучшими традициями отечественной экспериментальной и клинической ме-
дицины. В результате в Петрограде (Ленинграде) сложилась наиболее авто-
ритетная отечественная научная школа в области военной токсикологии.
В разные годы проблемами военной токсикологии занимались такие видные
Ученые, как С.В.Аничков, В.М.Карасик, Н.Н.Савицкий, Н.В.Лазарев,
М.Я.Михельсон, С.Н.Голиков, Л.А.Тиунов, Н.В.Саватеев, С.Д.Заугольни-
ков, И.И.Барышников1.
В России (позднее в СССР) сформировались еще две крупные научные
школы военных токсикологов: в Москве и Киеве. К московской школе
относятся Н.А.Сошественский, А.Н.Гинзбург, С.М.Марков, Ю.В.Другов,
1 А.Патрушев, В.А.Яковлев, А.А.Покровский, Г.А.Степанский, Н.А.Лошад-
1 Активно занимается автор данной главы. — Примеч. ред.
25
л
кин, В.Б.Имашев. Киевская школа представлена А.И.Черкесом, Б.С.Бравер-
Чернобульской, Ф.П.Тринусом.
Оценивая в самом общем виде роль военной токсикологии в развитии
токсикологии как науки, нужно отметить прежде всего вклад в становление
и формирование таких ее разделов или направлений, как токсикометрия
чрезвычайно токсичных химических веществ, молекулярная (биохимичес-
кая) токсикология, сравнительная и клиническая токсикология. Опыт воен-
ных токсикологов широко использовался при решении теоретических и
практических токсикологических проблем, крупномасштабных химических
аварий и катастроф нового времени.
Появление химического оружия среди прочего имело следствием осо-
знание человечеством глобальных масштабов опасности, которую таят в себе
токсичные химические вещества.
Техническая революция и особенно развитие химической промышлен-
ности привели к массовым профессиональным заболеваниям. Как уже упо-
миналось, отравления химическими веществами на производстве были из-
вестны давно, однако на рубеже XIX—XX вв. они достигли размеров, по-
требовавших законодательных решений. Так, уже в 1863 г. в Великобрита-
нии был принят закон о так называемых щелочных производствах. Закон
регулировал выбросы химических веществ в атмосферный воздух и призна-
вал заболевания персонала, связанные с производством, профессионально
обусловленными [19]. Тем не менее лишь в 20-х годах XX в. началось
планомерное развитие промышленной токсикологии, ставшей предтечей
современной профилактической токсикологии. Главной ее задачей стало
формирование теоретических предпосылок и экспериментальных подходов
к регламентированию вредного (опасного) действия химических веществ.
За рубежом наиболее крупным промышленным токсикологом в начале
века был К.Леман (Германия). Им заложены начала промышленной коли-
чественной токсикологии. В период становления отечественной промыш-
ленной токсикологии заметную роль сыграли работы Гендерсона и Хаггарда
(США) и Ф.Флюри и Ф.Церник (Германия).
Развертывание работ в области промышленной токсикологии в нашей
стране также приходится на 20-е годы. В 1923 г. в Москве создается науч-
но-исследовательский институт гигиены труда и профессиональных заболе-
ваний. В следующем году подобные институты были открыты в Ленинграде
и Харькове. Стратегическим направлением исследований в новых научных
учреждениях стало создание теоретических основ гигиенической регламен-
тации вредных веществ в воздушной среде производственных помещений.
Благодаря широкому размаху проводившихся работ в СССР впервые были
сформулированы основные принципы гигиенической регламентации про-
мышленных ядов. Основоположниками отечественной промышленной ток-
сикологии стали Н.В.Лазарев (1895—1974) и Н.С.Правдин (1882—1954).
В работе “Общие основы промышленной токсикологии” (1938) Н.В.Ла-
зарев теоретически и экспериментально обосновал систему принципов и
методических приемов регламентирования вредного действия токсичных
химических веществ на производстве. Он внес огромный вклад в общую
токсикологию, создав теорию неэлектролитного действия химических ве-
ществ и “биолого-физико-химическую” классификацию органических со-
единений. Классификация основана на анализе зависимости характера био-
логического действия химических веществ от их физических свойств. Клю-
чевым критерием классификации был определен коэффициент распреде-
ления оливковое масло/вода. Проведя огромную аналитическую работу,
26
Н В Лазарев разделил все органические соединения на 9 групп в соответст-
вии с возрастанием коэффициента распределения масло/вода. В результате
возникла систематизация химических веществ, обладающая предсказательной
возможностью в отношении прогноза их возможного биологического действия.
В практическом плане благодаря этой работе стали возможными ориентиро-
вочные расчеты различных параметров токсичности химических веществ [27].
Н.В.Лазареву принадлежит фундаментальный справочник “Вредные вещества в
промышленности”, переиздававшийся с дополнениями семь раз. Энциклопе-
дичность творчества, способность к глубоким теоретическим обобщениям,
огромное научное наследие делают Н.В.Лазарева наиболее крупной фигурой в
современной токсикологии. Диапазон его научных интересов охватывает вы-
явление молекулярных механизмов биологического действия химических
веществ и глобальные экологические аспекты химических загрязнений (мо-
нография “Введение в геогигиену”). Н.В.Лазарева по праву называют выда-
ющимся химиобиологом современности [27].
Н.С.Правдину принадлежит приоритет в обосновании ряда ключевых
понятий общей и промышленной токсикологии, в частности порога вред-
ного действия, предельно допустимой концентрации (совместно с Н.В.Ла-
заревым), токсикометрии (токсометрии по Н.С.Правдину) химических воз-
действий малой интенсивности, зоны токсического действия и др.
Н.С.Правдину принадлежит первое отечественное руководство по промыш-
ленной токсикологии (1934), в котором он сформулировал основные задачи
промышленной токсикологии. В течение многих лет настольной книгой
токсикологов была другая работа Н.С.Правдина — “Методика малой токси-
кологии промышленных ядов” (1947). В монографии изложены принципы
и методы токсикологической оценки новых химических веществ, впервые
внедряемых в производство.
Наряду с методологическими аспектами активно изучались механизмы
токсичности ядовитых веществ. В исследованиях начала века трудно было
провести грань между фармакологией, физиологией и токсикологией. В част-
ности, это касается становления теории рецепторов биологической актив-
ности химических веществ. Дж.Н.Ленгли был первым, кто эксперименталь-
но доказал, что такие яды, как никотин, кураре и адреналин, действуют на
“рецептивные субстанции” клетки. В своей Круниановской лекции в мае
1906 г. он предельно четко сформулировал эту концепцию. В сборнике работ
“Теория химической передачи нервного импульса”, составленном проф.
М.Я.Михельсоном, содержится полный перевод работы Дж.Н.Ленгли. Даль-
нейшее развитие рецепторная токсофорная теория действия химических
веществ получила в исследованиях П.Эрлиха (ему же принадлежит термин —
рецептор”), позднее А.Кларка, В.Пейтона. Сущность концепции заключа-
лась в представлении, что специфичность физиологического действия хи-
мических веществ определяется их сродством к определенным субстанциям
(рецепторам, биологическим мишеням). Такими рецепторами могут быть
некоторые структуры мембран клеток, активные центры ферментов, нукле-
иновые кислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды и т.д. Особен-
ности структурной организации рецепторов у различных видов животных
лежат, как оказалось, в основе избирательного действия многих токсичных
химических веществ.
Рецепторная теория сыграла конструктивную роль в понимании природы
токсических эффектов цианидов, фосфорорганических соединений, алкили-
РУющих агентов, многих металлов, токсинов природного происхождения и т.д.
месте с тем в 20—30-х годах накапливалось все большее число экспери-
27
ментальных данных о том, что многие вещества действуют на клетку не
строго избирательно, а неспецифически, вызывая токсический эффект “сво-
им присутствием”. Такое действие типично для веществ с самой различной
химической структурой. Для определения такого типа биологических эф-
фектов Н.В.Лазарев, как уже отмечалось, предложил термин “неэлектролит-
ное действие”. Неэлектролитное действие характерно для многих промыш-
ленных ядов — углеводородов, спиртов, простых эфиров и т.д.
После второй мировой войны в 40—50-х годах и особенно в 60-е годы
быстро накапливались новые экспериментальные материалы. Бурно разви-
валась химическая промышленность, и все большее число химикатов втор-
галось в быт человека. В частности, резко возросло количество новых
лекарственных средств — они стали исчисляться тысячами. Новые приметы
времени нашли отражение и в развитии токсикологии.
К концу 60-х годов окончательно сложилась теория гигиенического
регламентирования вредных химических производств (работы И.В.Саноцко-
го, Г.Н.Красовского, Б.А.Курляндского, Н.П.Улановой, С.Д.Заугольникова,
Л.А.Тиунова, Е.И.Люблиной, И.М.Трахтенберга, В.А.Филова, Б.А.Кацнель-
сона, Б.М.Штабского и др.). В 1962 г. в Москве по инициативе А.В.Цессар-
ского и Б.А.Курляндского была создана первая в СССР токсикологическая
лаборатория в системе санитарно-эпидемиологической службы, положив-
шая начало созданию аналогичных лабораторий во всех регионах страны. В
своей деятельности они сочетали решение научных задач в аспекте хими-
ческой безопасности с выполнением некоторых надзорных функций за
объектами химической и нефтехимической промышленности.
Этапными работами, в которых подведены итоги развития токсикологи-
ческих исследований тех лет и намечены пути их дальнейшего развития,
стали монографии под ред. И.В.Саноцкого (1970), Н.АТолоконцева и В.А.Фи-
лова (1976), а также монография А.А.Голубева, Е.И.Люблиной, Н.А.Толо-
концева, В.А.Филова (1973р.
Принципиально новым явлением стало быстрое развитие клинической
и лекарственной токсикологии. Первые токсикологические стационары воз-
никли в Европе — в Копенгагене и Будапеште — в самом конце 40-х годов.
В 1949 г. в Нидерландах стал функционировать первый токсикологический
информационный центр. В США в 1958 г. была создана Американская
ассоциация контрольных центров отравлений, а в 1968 г. — Американская
академия клинической токсикологии. В том же году академия организовала
выпуск журнала “Клиническая токсикология” [35].
В СССР специализированный центр по лечению острых отравлений был
открыт при НИИ скорой помощи им. Н.В.Склифосовского в Москве в
1963 г. Ведущая роль в становлении центра принадлежит проф. Е.А.Лужникову.
Примерно в то же время в Ленинграде создается аналогичный центр в
Военно-медицинской академии на базе клиники военно-полевой терапии
(руководитель — проф. Е.Б.Закржевский) и в городской больнице скорой
помощи.
Е.АЛужникову и его сотрудникам принадлежит приоритет в разработке
большинства методологических вопросов отечественной клинической ток-
сикологии. Наиболее полно они отражены в подготовленных им руковод-
1 В настоящее время авторы подготавливают многотомное издание “Вредные
химические вещества”, включающее сведения и о промышленно значимых вещест-
вах. Из печати вышли 7 томов этого издания — см. список литературы. Для завер-
шения издания намечены еще 5 томов. — Примеч. ред.
28
ствах (1982, 1989, 2001). В 1992 г. в России по инициативе Б.А.Курляндского
и под его редакцией начал издаваться специализированный научный и
практический журнал “Токсикологический вестник”.
Р Быстрый прогресс лекарственной токсикологии был обусловлен необхо-
димостью разработки системы прогноза безопасности для человека все воз-
растающего числа новых лекарственных средств. Две трагедии показали
несовершенство существовавших критериев безопасности. Первая относится
к 1937 г. и связана с жидкой лекарственной формой сульфаниламидного
препарата, предназначенного для детей. В качестве растворителя в этом
“эликсире” использовали 72 % диэтиленгликоль. Было произведено и реа-
лизовано 1100 л микстуры. В результате ее применения в сентябре и октябре
1937 г. умерли 107 человек, преимущественно дети.
Вторая трагедия связана с употреблением седативного препарата тали-
домид. Этот препарат назначали беременным женщинам в Европе, Австра-
лии и Канаде, что привело в 5000 случаев к появлению у плодов различных
аномалий развития.
Потребовалось проведение большого объема экспериментальных иссле-
дований для создания многоэтапной и жесткой системы предклинических
и клинических испытаний новых лекарственных средств с целью исключе-
ния опасности их использования человеком.
Новейший этап в истории токсикологии характеризуется рядом крупных
теоретических обобщений. К их числу следует отнести концепцию общих
механизмов токсического действия химических веществ [8], базирующуюся
на общебиологических представлениях об универсальности реакций орга-
низма на воздействие токсикантов.
Другим важным достижением теоретической токсикологии следует счи-
тать учение об естественной детоксикации, сформировавшееся в рамках
биохимической токсикологии, как основе формирования механизмов адап-
тации и компенсации нарушенных функций при действии химических ве-
ществ [1, 25, 31]. Наконец, нужно отметить становление нового направле-
ния — токсикологии пестицидов.
Общепризнано, что среда обитания современного человека отличается
ростом химической нагрузки, достигающей подчас предельных значений.
Вполне адекватным выглядит быстрое развитие уже обсуждавшегося нового
направления в токсикологии — экологической токсикологии. В качестве
Другой отличительной особенности современности (применительно к про-
блемам токсикологии) следует назвать возрастание опасности крупномас-
штабных химических катастроф.
Нельзя сказать, что это абсолютно новая проблема. Так, еще в 79 г. н.э.
во время извержения Везувия в Помпее от ядовитых выбросов погибло более
2000 человек. Применение химического оружия в первой мировой войне
также привело к массовой гибели пораженных и формированию у выжив-
ших отдаленных последствий перенесенной интоксикации. Тем не менее
статистика химических аварий свидетельствует о значительном росте их
частоты и разрушительной силы. Только на долю техногенных аварий 80-х
г°дов приходится 47 % погибших и 2Д пораженных от общего числа всех
пострадавших в промышленных авариях XX в. Такую ситуацию специалисты
объясняют чрезмерной концентрацией химического производства и его ги-
гантскими объемами.
Приведем лишь два наиболее типичных примера химических катастроф.
Одна из них случилась в 1976 г. в Севезо (вблизи Милана, Италия).
в Результате до конца не выясненных причин на химическом заводе ком-
29
пании “Хоффман ля Рош”, производившем 2,4,5-трихлорфенол, произошел
взрыв реактора и в окружающую среду было выброшено около 1,7 кг
2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диоксина (ТХПЛ). Как известно, диоксин относит-
ся 'к числу наиболее опасных экотоксикантов. Общая площадь загрязнения
диоксином составила более 20 км2 с населением около 38 тыс. человек. Работа
по очистке территории продолжалась в течение нескольких лет, а медицинское
наблюдение за состоянием здоровья пострадавших продолжается до насто-
ящего времени. Как свидетельствуют материалы многолетних наблюдений,
у экспонированной группы населения не выявлено каких-либо отдаленных
последствий интоксикации. Тем не менее нельзя исключить, что последст-
вия воздействия диоксина на людей проявятся в более отдаленные сроки.
Другая авария произошла в 1984 г. в Бхопал (Индия) на заводе корпо-
рации “Юнион Карбайд Индия Лимитед”, который специализировался на
производстве инсектицида севина (1-нафтил-метилкарбамат). Аварийная си-
туация возникла на участке хранения метилизоцианата — промежуточного
продукта для синтеза севина. В результате произошла утечка изоцианата в
количестве около 30 т. Облако метилизоцианата распространилось на пло-
щади более 65 км2, охватив 3 жилых района города с населением 200 тыс.
человек, и удерживалось почти 8 ч. Последствия были ужасающими: погибло
более 2,5 тыс. человек, еще у 11,5 тыс. пострадавших была диагностирована
тяжелая форма отравления метилизоцианатом. Всего же в медицинской
помощи нуждались 170 тыс. человек.
Богатая история токсикологии показывает, что, несмотря на тяжелые, а
порой трагические события, сопутствовавшие развитию химической про-
мышленности, внушительные успехи токсикологической науки и практики
вселяют глубокую уверенность в том, что Человечество может успешно
противодействовать химической опасности во всех формах ее проявления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арчаков А.И. Микросомальное окисление. — М., 1975. — 327 с.
2. Альберт А. Избирательная токсичность/Под ред. В.А.Филова. — М.: Медицина,
1989.-Т. 1.-400 с.; Т. 2.-430 с. j
3. Безель В.С., Большаков В.Н. Экологическая токсикология: проблемы, задачи,
подходы//Токсикол. вестник. — 1995. — № 1. — С. 2—7. j
4. Бернар К. Физиологический анализ свойств мышечной и нервной систем с |
помощью кураре. — В кн.: Теория химической передачи нервного импульса j
(этапы развития): Сборник/Составитель М.Я.Михельсон. — Л., 1981. — С. 2—7.
5. Гадаскина И.Д., Толоконцев НА. Яды — вчера и сегодня. — Л., 1988. — 202 с.
6. Галыпье С.П. Начертание общей токсикологии или науки о ядах и отравлениях
вообще. - М., 1858. - С. VII.
7. Гендерсон, Хаггард. Вредные газы в промышленности. — М.—Л., 1930. — 207 с.
8. Голиков С.Н., Саноцкий И.В., Тиунов Л.А. Общие механизмы токсического дей-
ствия. — М., 1986. - 277 с.
9. Голубев А.А., Люблина Е.И., Толоконцев Н.А., Филов В.А. Количественная токси-
кология. — Л., 1973. — 287 с.
10. Каспаров А.А., Саноцкий И В. (ред.). Токсикометрия химических веществ, загряз-
няющих окружающую среду. — М., 1986. — С. 10.
11. Кравков Н.П. Основы фармакологии. Ч. 1, изд. 13-е. — М.—Л., 1930. — С. 23.
30 g
12 Курляндский Б.А. Регламентирование содержания химических бластомогенных
агентов в окружающей человека среде. Итоги науки и техники//Токсикология. —
1978. - Т. 9. - С. 67.
13 Курляндский Б.А. К вопросу об организации и работе токсикологической лабо-
ратории при СЭС г. Москвы//Гиг. и сан. — 1965. — № 6. — С. 12.
14. Лазарев Н.В. Общие основы промышленной токсикологии. — М,—Л., 1938. — 388 с.
15. Лазарев Н.В. Введение в геогигиену. — М.—Л., 1966. — 323 с.
16. Ленгли Дж.Н. О нервных окончаниях и о специальной возбудимой субстанции
в клетках (Круниановская лекция). — В кн.: Теория химической передачи нерв-
ного импульса (этапы развития): Сборник/Составитель М.Я.Михельсон. — Л.,
1981.-С. 23-32.
17. Лужников Е.А. Клиническая токсикология. — М., 2000. — 368 с.
18. Лужников Е.А., Костомарова Л.Г. Острые отравления. — М., 1989. — С. 11.
19. Маршал В. Основные опасности химических производств. — М., 1989. — 671 с.
20. Орфила М.П. Средства для спасения отравленных и мнимоумерших, с прибав-
лением приличных способов узнавать яды, подделанные вина и различать ис-
тинную смерть от кажущейся. — М., 1824. — 186 с.
21. Правдин Н.С. Руководство по промышленной токсикологии. — М.—Л., 1934.
22. Правдин Н.С. Методика малой токсикологии промышленных ядов. — М., 1947. —
217 с.
23. Саноцкий И.В. Методы определения токсичности и опасности химических ве-
ществ. — М., 1970. — 343 с.
24. Саноцкий Н.В. Основные понятия токсикологии. — В кн.: Методы определения
токсичности и опасности химических веществ. — М., 1970. — С. 14.
25. Тиунов ЛА Биохимические механизмы адаптации и компенсации нарушенных
функций при действии на организм химических веществ. — В кн.: Структурные
основы адаптации и компенсации нарушенных функций. — М., 1987. — С. 366—380.
26. Толоконцев НА, Филов В.А. Основы промышленной токсикологии (руководст-
во). - Л., 1976. - 303 с.
27. Филов ВА, Курляндский Б.А. Н.В.Лазарев — выдающийся ученый-химиобио-
лог//Токсикол. вестник. —1995. — № 5. — С. 2—6.
28, Флюри Ф., Церник Ф. Вредные газы. — М., 1938.
29. Франк И. Руководство к токсикологии, или наука о ядах и средствах против
оных. — М., 1815.—402 с.
20, Харкевич ДА Фармакология, 4-е изд. — М., 1993. — С. 4.
21- Bruin de A. Biochemical toxicology of environmental agents//Elsevier Worth, Holland. —
Biomedical PGS. — 1976. — 1544 p.
22. Gallo M.A., Doull J. History and Scope of Toxicology. — In: M.O.Amdur, J.Doull,
C.E.Klassen (eds). Casarett and Doulls Toxicology: The Basic science of poisons/4th
ed. - New York: 1991. - P. 3-11.
23. Hodgson E. Introduction to Toxicology. — In: A Textbook of modem Toxicology/
E.Hodgson, P.E.Levi (eds). — New York, Amsterdam, London. — 1987. — P. 2.
? Moses Maimonides treatise of poisons//JAMA. — 1968. — 205. — P. 98—
25- Wax P.M. Historical principles and perspectives. — In: Goldfrank’s Toxicological
Emergencies, 5th ed. — Norwalk. — Connecticut. — 1994. — P. 1.
31
Глава 2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И КСЕНОБИОТИКА;
ХЕМОБИОКИНЕТИКА
Рис. 2.1. Транспорт ксенобиотиков веществ (В) и их метаболитов (М) через организм.
2.1. Общие представления
Биологический, а также токсический эффект поступившего в организм
ксенобиотика возникает только тогда, когда он достигнет точки своего
приложения. Обычно говорят, что вещество взаимодействует с рецептором.
При этом разные вещества взаимодействуют с различными рецепторами, а
для некоторых веществ рецепторов может быть несколько. Под “рецепто-
ром” понимается биологическая структура, обычно биомолекула (ее белок-
содержащая, ДНК-содержащая или иная часть), упорядоченный конгломе-
рат молекул, результатом взаимодействия с которыми и является тот или
иной эффект. Рецепторами могут быть, например, ферменты, действие
которых обратимо или необратимо блокируется ксенобиотиком; структуры,
ответственные за проведение нервных импульсов; участки мембран клеток
или их органелл, которые оккупируются ксенобиотиком с последующим
нарушением мембранной проницаемости и др. Если у ксенобиотика не-
сколько точек приложения (он взаимодействует с несколькими рецептора-
ми), то и эффектов может быть несколько, например основной и побочный.
Зачастую взаимодействие с несколькими рецепторами приводит к симпто-
мокомплексу, в котором весьма сложно выделить составляющие эффекты.
Подробнее о рецепторах можно узнать из монографий [13, 14].
Токсическое действие на организм проявится только при условии доста-
точного для этого количества ксенобиотика. Если это количество незначи-
тельно для развития токсического эффекта, то его не будет либо фактически,
либо в силу его практической незаметности.
Разовьется или нет отравление вслед за поступлением ксенобиотика в
организм, какова будет степень его проявления, сколь долго оно будет
продолжаться, зависит от вида ксенобиотика и его рецептора (рецепторов).
Однако в значительной мере это зависит от того, что и с какой скоростью
будет происходить с веществом в организме. С момента поступления и до
взаимодействия с рецептором ксенобиотик подвергается воздействию раз-
нообразных биологических факторов: попав в кровоток, он разносится по
всему организму, на том или ином этапе проходя через печень; через
эпителий капилляров проникает в ткани и органы, иногда задерживаясь и
даже откладываясь в некоторых из них; в той или иной степени подвергается \
превращениям и, наконец, выделяется из организма в неизмененном виде я
или в виде метаболитов. Превращения некоторых ксенобиотиков могут 1
происходить уже в месте соприкосновения с тканями. В крови чужеродные 1
вещества в той или иной мере вступают в связь с плазменными белками, 1
преимущественно с альбуминами. Обычно такая связь снижает возможность
взаимодействия с рецепторами и/или затягивает этот процесс. Указанные
динамические процессы, которым ксенобиотик подвергается в организме,
время и сила его связывания с рецепторами, интенсивность метаболизма в
значительной степени обусловливают не только силу, но и сам характер его
токсического действия. Все эти процессы протекают во времени. Изучением
временных зависимостей их течения в организме занимается кинетика.
Применительно к организму говорят о токсико- и фармакокинетике, что
по существу одно и то же. Различие здесь только прикладное — фармако-
кинетика обычно рассматривает кинетику лекарственных веществ, токсико-
кинетика — токсических. Отсюда могут происходить различия в акцентах:
первая, имея дело чаще всего с парентеральным или пероральным введением
веществ, в значительной степени сосредоточена на кинетике поступления
этими путями; токсикология часто имеет дело с ингаляционным поступле-
нием ксенобиотиков, при этом растянутым во времени, а сами вещества
могут находиться не только в газообразной форме, но и в виде аэрозолей;
хотя возможны и другие пути проникновения через кожу и др. Соответст-
венно токсикокинетика более сосредоточена на этих путях поступления.
Однако в любом случае методы исследования, способы обработки и описа-
ния данных, их конечный результат остаются одними и теми же. Термины —
фармако- и токсикокинетика сложились исторически. Более верным термином
является хемобиокинетика, поскольку он отражает суть процесса (кинетика
химического вещества в биологическом объекте) и объединяет оба названия.
В дальнейшем мы пользуемся только этим термином.
Хемобиокинетика — это область изучения кинетики прохождения ксеноби-
отиков через организм, включая процессы их поступления, распределения, ме-
таболизма и выделения. Само же прохождение ксенобиотиков через организм
хорошо иллюстрирует рис. 2.1.
В заключении краткого введения сопоставим хемобиокинетику с токси-
кодинамикой (можно было бы сказать хемобиодинамикой, но это опреде-
ление не обладало бы всеми достоинствами первого). Обе они — составные
части токсикологии и имеют общий объект исследования — систему яд —
организм. При этом токсикодинамика сосредоточена на тех эффектах, ко-
торые возникают в организме под влиянием воздействия ксенобиотиков.
взаимодействие
Ксенобиотик — - ... Организм
Рис. 2.2. Взаимосвязь между хемобиокинетикой и токсикодинамикой.
32
2 — 7107
33
Однако суть заключается в том, что не бывает однонаправленного действия;
организм в свою очередь воздействует на ксенобиотик (метаболизм, распре-
деление, элиминация) и поэтому еледует говорить об их взаимодействии.
Хемобиокинетика сосредоточена на поведении ксенобиотиков под влиянием
организма. На рис. 2.2 представлены взаимоотношения между хемобиоки-
нетикой и токсикодинамикой.
В настоящей главе остановимся, по необходимости кратко, на вопросах
метаболизма ксенобиотиков, биохимических механизмах их токсического
действия, хемобиокинетики и подробнее на описании хемобиокинетики
аэрозолей. Последнее оправдано практическим отсутствием книг по хемо-
биокинетике аэрозолей. Вместе с тем литература, посвященная метаболизму,
механизмам и кинетике, представлена весьма широко. Вот лишь некоторые,
рекомендуемые нами монографии по этим вопросам [15, 16, 44].
2.2. Механизмы метаболизма ксенобиотиков
Биохимические механизмы биотрансформации чужеродных веществ
принадлежат к наиболее древним механизмам. Возникновение жизни на
Земле требовало защиты первых примитивных организмов от агрессивной
окружающей среды, составным элементом которой были разнообразные
ксенобиотики. Эволюционное развитие такой защиты шло разными путями,
в частности развивался и в процессе совершенствования жизни постепенно
усложнялся биохимический путь детоксикации ксенобиотиков, Их метабо-
лизм, направленный на такое преобразование, которое способствовало бы-
стрейшему их выведению из организма или полному разрушению до неток-
сичных продуктов.
Молекулярные механизмы метаболизма ксенобиотиков в организме ус-
ловно можно разделить на два типа. Первый из них связан с функциони-
рованием монооксигеназных систем гладкого эндоплазматического ретику-
лума и сопряженных с ними реакциями конъюгации. Заметим, что для
монооксигеназных систем существует несколько равноиспользуемых сино-
нимов: оксидазы со смешанными функциями, система цитохрома Р-450,
цитохром Р-450-содержащая монооксигеназная система и др. Этот тип ме-
таболизма функционирует главным образом при действии на организм жи-
рорастворимых соединений. Второй тип метаболизма ксенобиотиков объ-
единяет молекулярные механизмы, локализованные в цитозоле, митохонд-
риях, лизосомах и пероксисомах. Этот тип функционирует преимущест-
венно при действии на организм водорастворимых ксенобиотиков.
Для экспериментальных и иных целей ферменты монооксигеназных
систем гладкого эндоплазматического ретикулума выделяют путем диффе-
ренциального центрифугирования в виде фракции микросом. В этой фрак-
ции много разных ферментов, но из их числа в механизмах метаболизма
ксенобиотиков преимущественно участвуют оксидазы со смешанными
функциями и ферменты, обеспечивающие процессы конъюгации. Оксидазы
катализируют реакции С-гидроксилирования ксенобиотиков в алифатичес-
кой цепи, в ароматическом и алициклических кольцах и в алкильных боко-
вых цепях, N-гидроксилирования, О-, S- и N-дезалкилирования, окисли-
тельного дезамидирования и дезаминирования, десульфирования и эпокси-
дирования. Эти же ферменты катализируют реакции восстановления нитро-
и азотосоединений; реакции восстановительного дегалогенирования. В ре-
зультате указанных реакций ксенобиотики приобретают реактивные группы
ОН, NH2, СООН, SH, которые обеспечивают вступление в реакции конъ-
34 ।
аиии с образованием малотоксичных соединений, легко выводящихся из
ЮГ анизма с мочой, желчью и калом. Таков самый общий путь метаболизма
°₽енобиотиков. На самом же деле все происходит существенно сложнее и
KCnDouecce многоступенчатого метаболизма зачастую образуются весьма
токсичные соединения, но об этом — в конце раздела.
Оксидазы со смешанными функциями представляют собой полифер-
ментный комплекс. Одним из составляющих этого комплекса является
гемсодержащий белок — цитохром Р-450 (название от полосы поглощения
восстановленного при взаимодействии с оксидом углерода цитохрома при
450 нм). Цитохрому Р-450 присущи многообразие форм (известно несколько
десятков изоферментов этого цитохрома) и широта субстратной специфич-
ности. Этот белок является важнейшим компонентом микросомной моно-
оксигеназной системы, ответственным за активацию молекулярного кисло-
рода и связывание субстрата. Помимо цитохрома Р-450, в состав моноок-
сигеназной системы входят НАДФН-цитохром Р-450-редуктаза, цитохром
Ь5 и НАДН-цитохром Ь5-редуктаза. Входят в систему и иные ферменты,
менее значимые. Все они связаны с мембранными белками эндоплазмати-
ческого ретикулума. Ведущую роль в метаболизме ксенобиотиков играют
НАДФН -зависимые реакции; НАДН-зависимые реакции составляют при-
мерно лишь 10—30 % от общей активности монооксигеназных систем. Весь
этот комплекс, а здесь о нем сказано весьма схематично, обеспечивает очень
слаженную работу по метаболизму ксенобиотиков. И происходит это при-
мерно так. Липофильный ксенобиотик на I стадии взаимодействует с окис-
ленной формой цитохрома Р-450 с образованием фермент-субстратного
комплекса. На II стадии фермент-субстратный комплекс восстанавливается
электроном, поступающим из НАДФН-зависимой цепи переноса от
НАДФ Н с помощью ряда ферментов. Следующая III стадия — это взаимо-
действие восстановленного фермент-субстратного комплекса с кислородом.
На IV стадии тройной комплекс фермент — субстрат — кислород восстанав-
ливается вторым электроном. V стадия — это внутримолекулярные пере-
стройки восстановленного тройного комплекса и его распад с освобожде-
нием воды и гидроксилированного субстрата (ксенобиотика). При этом
цитохром Р-450 переходит в исходную форму, готовую к взаимодействию
со следующей молекулой ксенобиотика. Из этой схемы, описанной лишь в
самых общих чертах, следует, что при метаболизме ксенобиотиков один атом
кислорода используется для его окисления, а второй восстанавливается до
воды. Именно это послужило основанием для наименования ферментных
систем, обеспечивающих указанный процесс, оксидазами со смешанными
Функциями. А использование для окисления субстрата лишь одного атома
кислорода оксидазами со смешанными функциями явилось основанием для
отнесения их к монооксигеназным системам. Более подробно об указанной
здесь роли цитохрома Р-450 в процессах окисления ксенобиотиков можно
видеть в монографии [28].
Самым крупным органом, принимающим участие в метаболизме ксено-
и?1^Ков> является печень. Она составляет 2 % от массы тела человека
и 4 % от массы тела животных. В печени метаболизируют примерно 2/з от
оощего количества ксенобиотиков, попадающих в организм. Серные, глута-
ноновые и глюкуронидные конъюгаты ксенобиотиков из печени могут
Оделяться с желчью в кишечник, подвергаться там дальнейшей биотранс-
формации, реабсорбироваться в кровь и вновь поступать в печень. Далее
и с°единения выделяются с мочой или повторно поступают с желчью в
Шечник и выделяются с калом. В такой процесс внутрипеченочной цир-
35
г-
куляции вовлекаются ксенобиотики с определенной молекулярной массой —
для белых крыс, кроликов и человека она составляет соответственно 325
400 и 500.
Помимо печени, микросомные монооксигеназы обнаружены в коже,
легких, тонкой кишке, почках, головном мозге, надпочечниках, гонадах и
плаценте. Именно в этих органах и тканях претерпевает метаболизм остав-
шаяся '/з попавших в организм извне ксенобиотиков. При этом кожа,
легкие и кишечник играют особую роль, поскольку служат первыми барье-
рами для токсических соединений, проникающих в организм кожным, ин-
галяционным и пероральным путями.
Реакции конъюгации составляют вторую фазу метаболизма жирораство-
римых ксенобиотиков, которые в первой фазе гидроксилировались или
получили иные нуклеофильные группы при помощи микросомных моноок-
сигеназ. Химические же соединения, которые уже имеют в своем составе
реакционноспособные группы (ОН, СООН, NH2, SH), сразу вступают в
реакции конъюгации без предварительных превращений с участием оксидаз
со смешанными функциями. У млекопитающих наиболее распространены
следующие реакции конъюгации: глюкуронидная, сульфатная, с глутатио-
ном, с глутамином, с аминокислотами, метилирование, ацетилирование,
гликозилирование. При этом чаще всего и не только у млекопитающих
встречается конъюгация с глюкуроновой кислотой.
Реакции конъюгации — это реакции биосинтеза, которые протекают с
потреблением энергии. Вторым важным обстоятельством этих реакций яв-
ляется особенность их внутриклеточной локализации. Значительная часть
реакций конъюгации протекает на мембранах эндоплазматической сети кле-
ток, непосредственно в месте образования под влиянием оксидаз со сме-
шанными функциями высокореактивных метаболитов. Это позволяет свести
до минимума токсическое действие промежуточных продуктов метаболизма
ксенобиотиков. Надо отметить, что реакции конъюгации протекают и на
других внутриклеточных структурах, а также в цитозоле, что дает возмож-
ность связывать токсические продукты, появляющиеся в клетке вне эндо-
плазматической сети. Много интересного и детального материала о роли
конъюгации в процессах метаболизма ксенобиотиков и их токсичности
содержится в сборнике [39].
Не входя в рассмотрение механизмов различных видов конъюгации,
отметим лишь, каким типам ксенобиотиков свойственны те или иные ее
виды. При этом не будем забывать, что в результате конъюгации из липо-
фильного ксенобиотика образуется менее токсичное или нетоксичное со-
единение, водорастворимое и поэтому сравнительно легко выделяющееся из
организма. Однако этому процессу может препятствовать процесс деконъю-
гации. Кроме того, конъюгация — процесс дозозависимый; в зависимости
от дозы ее вид может меняться. В наиболее распространенную конъюгацию
с глюкуроновой кислотой в основном способны вступать четыре группы
химических соединений. Первую из них составляют вещества, образующие
с глюкуроновой кислотой О-глюкурониды (фенолы, первичные, вторичные
и третичные спирты, ароматические и алифатические карбоновые кислоты,
кетоны, гидроксиламины). Вторую группу составляют соединения, образую-
щие N-глюкурониды (карбаматы, ариламины, сульфонамиды). Третья груп-
па включает соединения, образующие с глюкуроновой кислотой S-глюкуро-
ниды: арилмеркаптаны, дитиокарбоновые кислоты. Четвертую группу со-
ставляют вещества, образующие С-глюкурониды: ксенобиотики, содержа-
щие пиразолидиновую группировку и еще некоторые другие, например
фенилбутазон.
36
В сульфатную конъюгацию вступают фенолы, алкоголи, ароматические
I Гидроксиламины, ариламины, некоторые стероиды. Эволюционно
аМ1ьсЬатная конъюгация является наиболее древним видом конъюгации и
СУиболее примитивным. Об ее несовершенстве говорят некоторые факты,
на образующиеся продукты токсичны. В реакции конъюгации с глутати-
К°ом вступает большое число самых разнообразных соединений. Их объ-
оНИНЯет наличие электрофильного центра, способного реагировать с SH-
гоуппой глутатиона. Это эпоксиды, ареноксиды, альдегиды, нитрилы, про-
тые и сложные ароматические соединения, нитрофураны, триазоны и мно-
с другие — всего более сорока типов соединений. Конъюгация с амино-
кислотами является биохимическим механизмом детоксикации ароматичес-
ких соединений, содержащих карбоксильные группы, в частности это аро-
матические карбоновые кислоты, их производные, акриловые кислоты и их
производные, производные уксусной кислоты, гетероциклические и поли-
циклические карбоновые кислоты. С какой именно аминокислотой про-
изойдет конъюгация, зависит от химической структуры ксенобиотика. Ме-
тилированию подвергаются ксенобиотики или их метаболиты, содержащие
гидроксильные, сульфгидрильные и аминогруппы. К их числу относятся, в
частности, алкилфенолы, метоксифенолы, галогенфенолы, тиолы, первич-
ные и вторичные амины. Следует заметить, что в результате метилирования
не всегда изменяется растворимость и токсичность образующегося соедине-
ния. Ацетилированию подвергаются ксенобиотики, содержащие амино-,
гидрокси- и сульфгидрильные группы (ароматические и алифатические ами-
ны, гидразины, гидразиды, сульфаниламиды).
Активность микросомных монооксигеназ, катализирующих биотранс-
формацию ксенобиотиков в первой фазе детоксикации, а также активность
ферментов, принимающих участие в реакциях конъюгации, составляющих
вторую фазу детоксикации, зависит от многих факторов. Например, от
функционального состояния организма, от возраста и пола, от режима
питания, имеют место сезонные и суточные колебания активности и др.
Однако наиболее выраженное действие на функционирование биохимичес-
ких систем, ответственных за процессы детоксикации, оказывают химичес-
кие вещества, относящиеся к индукторам и ингибиторам микросомных
монооксигеназ. Комбинированное действие ксенобиотиков зачастую опре-
деляется именно индукторными или ингибиторными свойствами участвую-
щих в комбинациях соединений. Индукторы или ингибиторы микросомного
окисления могут служить основой для средств профилактики и лечения
интоксикаций.
В настоящее время известно около 300 химических соединений, вызы-
вающих увеличение активности микросомных ферментов, т.е. индукторов.
Это, например, барбитураты, бифенилы, спирты и кетоны, полицикличес-
кие и галогенуглеводороды, некоторые стероиды и многие другие. Они
относятся к разнообразным классам химических соединений, но имеют
некоторые общие черты. Так, все индукторы являются липоидорастворимы-
ми веществами и характеризуются тропизмом по отношению к мембранам
эндоплазматического ретикулума. Индукторы являются субстратами микро-
сомных ферментов. Имеется прямая корреляция между мощностью индук-
торов и периодом их полусуществования в организме. Индукторы также
могут обладать определенной специфичностью по отношению к чужерод-
ным веществам или иметь широкий спектр действия. Более подробно обо
нссм этом и многом ином можно прочитать в следующих книгах и моно-
Пэафиях [16, 78, 80].
37
Многое из сказанного выше относится и к ингибиторам микросомных
монооксигеназ, точно так же, как и ссылки на главу Л.А.Тиунова И др.
К числу ингибиторов относятся вещества из самых разных классов хими-
ческих соединений. С одной стороны, это могут быть весьма сложные
органические соединения, а с другой — простые неорганические соединения
типа ионов тяжелых металлов. Нами, в частности, описан и применен на
практике с целью увеличения противоопухолевой активности известных
противоопухолевых препаратов ингибитор метаболизма ксенобиотиков гид-
разин сернокислый [20]. Перспективным считается применение ингибито-
ров для увеличения активности пестицидов. В том и другом случаях моди-
фицирующее действие ингибиторов основано на задержке или предотвра-
щении метаболизма исходных соединений, что при подборе соответствую-
щей дозы и схемы применения ингибиторов дает возможность изменять
силу и качество эффекта.
По механизму действия ингибиторы метаболизма подразделяются на 4
группы. К первой из них относят обратимые ингибиторы прямого действия: |
это эфиры, спирты, лактоны, фенолы, антиоксиданты и др. Вторую группу 3
составляют обратимые ингибиторы непрямого действия, оказывающие влия- I
ние на микросомные ферменты через промежуточные продукты своего мета- I
болизма путем образования комплексов с цитохромом Р-450. В этой группе |
производные бензола, алкиламины, ароматические амины, гидразины и др. 1
Третья группа включает необратимые ингибиторы, разрушающие цитохром 1
Р-450 — это полигалогенированные алканы, производные олефинов, производ- |
ные ацетилена, серосодержащие соединения и др. Наконец, к четвертой группе I
относятся ингибиторы, тормозящие синтез и/или ускоряющие распад цитох- 1
рома Р-450. Типичными представителями группы являются ионы металлов, •
ингибиторы синтеза белка и вещества, влияющие на синтез гема.
До сих пор речь шла только о микросомных механизмах метаболизма
ксенобиотиков. Однако' имеются и другие, внемикросомные механизмы. Это
второй тип метаболических превращений, он включает реакции немикро-
сомного окисления спиртов, альдегидов, карбоновых кислот, алкиламинов,
неорганических сульфатов, 1,4-нафтохинонов, сульфоксидов, органических
дисульфидов, некоторых эфиров; с его помощью происходит гидролиз эфир-
ной и амидной связей, а также гидролитическое дегалогенирование. Ниже
перечислены некоторые из ферментов, участвующих во внемикросомном
метаболизме ксенобиотиков: моноаминоксидаза, диаминоксидаза, алкоголь- j
дегидрогеназа, альдегиддегидрогеназа, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза, |
эстеразы, амидазы, пероксидазы, каталаза и др. Таким путем метаболизиру- |
ют преимущественно водорастворимые ксенобиотики. Ниже приведены не- I
которые примеры. |
Алифатические спирты и альдегиды метаболизируют преимущественно I
в печени млекопитающих, Так, 90—98 % этанола, поступившего в организм, I
метаболизирует в клетках печени и лишь 2—10 % в почках и легких. При j,
этом часть этанола вступает в реакции глюкуронидной конъюгации и вы- |
водится из организма; другая часть подвергается окислительным превраще- ;
ниям. Соотношение этих процессов зависит от вида животных, от химичес- |
кого строения спирта и от его концентрации. При действии низких кон-
центраций алифатических спиртов главным путем их биотрансформации в
организме является окислительный путь с помощью алкогольдегидрогеназы.
В основном внемикросомный механизм метаболизма используется для де-
токсикации цианидов. При этом главной реакцией является вытеснение
цианогруппой сульфитной группы из молекулы тиосульфата. Образующийся
тиоцианат практически нетоксичен.
38
<
Деление механизмов детоксикации на микросомные и внемикросомные
несколько условно. Метаболизм ряда групп химических соединений может
носить смешанный характер, как это следует из примера со спиртами.
Как уже кратко описано выше, монооксигеназная система, содержащая
цитохром Р-450 в виде его различных изоформ, защищает внутреннюю среду
организма от накопления в ней токсических соединений. Принимая участие
в первой фазе метаболизма ксенобиотиков — превращая низкомолекуляр-
ные ксенобиотики с низкой растворимостью в воде в более растворимые
соединения — она облегчает их выведение из организма. Однако эта их
функция может представлять и серьезную опасность для организма, что
встречается не так уже и редко. Дело в том, что механизм реакций окисления
предусматривает образование в организме промежуточных реакционноспо-
собных метаболитов, относящихся к двум типам. Прежде всего это продукты
частичного восстановления кислорода: перекись водорода и супероксидные
радикалы, которые являются источниками наиболее реакционноспособных
гидрофильных радикалов. Последние способны окислять самые различные
молекулы в клетке. Другой тип — это реакционноспособные метаболиты
окисляемых веществ. Уже в незначительных количествах эти метаболиты
могут оказывать те или иные побочные эффекты: канцерогенные, мутаген-
ные, аллергенные и иные, в основе которых лежит их способность кова-
лентно связываться с биологическими макромолекулами — белками, нукле-
иновыми кислотами, липидами биомембран [1]. Внимание на указанные
здесь обстоятельства обратили не так уж давно и в основном вследствие
развития представлений о молекулярных механизмах процессов детоксика-
ции. Но именно эти представления позволили объяснить многие, казавшие-
ся ранее непонятными факты высокой токсичности некоторых соединений
в определенных условиях.
На 16-м Европейском рабочем совещании по метаболизму ксенобиоти-
ков (июнь 1998 г.) были представлены многочисленные примеры модифи-
кации токсичности ксенобиотиков. В частности, 2,6-дихлорметилсульфо-
нилбензол (2,6-ДХБ) образует в обонятельной системе мышей токсические
метаболиты, а 2,5-ДХБ не образует. Метаболизм бензола в печени одних
линий мышей приводит к образованию токсических метаболитов, других —
нет, причем зависит это от активности цитохрома Р-450. Метаболическая
активация противоопухолевых соединений у разных видов различна; разли-
чие может относиться и к разным особям. Изозимы цитохрома Р-450 опре-
деляют различие в кинетике метаболизма ксенобиотиков. На основе разви-
тых представлений предложена тест-система in vitro для определения мета-
болизма и токсичности ксенобиотиков по отношению к печени, легким,
кишечнику и почкам разных индивидуумов человека. Указано на обязатель-
ное проведение терапевтического мониторинга при лечении алкоголизма
дисульфирамом: необходимо назначать лечебную дозу препарата в зависи-
мости от особенностей его метаболизма у разных особей, а не в зависимости
от массы тела пациента, как это принято. Примеры можно видеть и в
трехтомной Encyclopedia of Toxicol [43].
2.3. Биохимические механизмы токсического действия
Токсическое действие ксенобиотиков на живые системы определяется их
способностью вмешиваться в течение фундаментальных биохимических про-
цессов и нарушать их. К таким фундаментальным биохимическим процессам,
составляющим основу жизнедеятельности, относятся синтез белка, дыхание,
39
энергетический обмен, метаболизм, в том числе и ксенобиотиков. Эти
фундаментальные процессы связаны с определенными внутриклеточными
структурами. Применительно к токсическому действию ксенобиотиков
Л.А.Тиунов [16] выделяет четыре основных структурно-метаболических ком-
плекса:
а эндоплазматический ретикулум, связанный с метаболизмом ксено-
биотиков;
а комплекс, связанный с процессами биосинтеза белка;
а митохондриальный, связанный с процессами биоэнергетики;
а лизосомный, связанный с процессами катаболизма.
Как всякая классификация, эта тоже условна, поскольку многие ксено-
биотики оказывают повреждающее действие на разные структурно-метабо-
лические комплексы. Примером могут явиться мембранотропные яды, ко-
торые повреждают любые биологические мембраны, составляющие основу
внутриклеточных структур и основу согласованно протекающих на них
биохимических реакций.
Рассмотрим кратко механизмы токсического действия применительно к
указанным выше структурно-метаболическим комплексам. Прежде всего
расскажем о механизмах, связанных с нарушением процессов метаболизма
ксенобиотиков. Многое о них было сказано в предыдущем разделе, но
дальше будут приведены новые примеры; одновременно остановимся и на
других механизмах. Самый благоприятный случай реализуется при согласо-
ванном действии оксидаз со смешанными функциями с ферментами конъ-
югации, а также антирадикальными и антиперекисными защитными меха-
низмами: интоксикация при попадании в организм липофильных ксенобио-
тиков, если их количество не слишком велико, не развивается. Однако в
случае превышения определенных уровней или сроков воздействия ксено-
биотиков возникает выраженное ингибирование или активирование оксидаз
со смешанными функциями; в этом случае система детоксикации оказыва-
ется не в состоянии обеспечить поддержку гомеостаза и развивается инток-
сикация. В частности, попадание в организм достаточного количества ин-
гибиторов микросомных монооксигеназ с последующим подавлением их
активности приводит к резкому возрастанию токсичности тех ксенобиоти-
ков, продукты микросомного превращения которых менее токсичны по
сравнению с исходными веществами. Так, введение белым крысам 1,1-ди-
хлорэтилена на фоне действия ингибиторов оксидаз со смешанными функ-
циями приводит к резкому возрастанию смертности животных. Уже упомя-
нутый нами ингибитор гидразин сернокислый приводит к частичной или
полной гибели белых мышей, которым введена далеко не смертельная доза
этанола, и эта гибель пропорциональна дозе гидразина и обратно пропор-
циональна времени его введения перед введением этанола. Усиление ток-
сических эффектов некоторых ксенобиотиков регистрируется не только при
подавлении активности микросомных монооксигеназ, но и других звеньев
системы детоксикации. Так, например, блокада печеночного глутатиона
диизопропиленацетоном вызывает значительное повышение частоты хрома-
тидных нарушений под влиянием бензпирена.
Активаторы и индукторы микросомных ферментов усиливают токсичес-
кое действие тех ксенобиотиков, токсичность которых ниже сравнительно
с токсичностью продуктов их метаболизма. Как и в случае ингибиторов
монооксигеназ, действие активаторов и индукторов зависит от их дозы и
времени воздействия.
Изменение устойчивости к действию ксенобиотиков является лишь
40
одной из форм проявления токсического действия, связанного с нарушени-
ем процессов их метаболизма. Другим видом патологии в результате воздей-
ствия ингибиторов или индукторов оксидаз со смешанными функциями
могут явиться эндокринные расстройства. Помимо ксенобиотиков, микро-
сомные ферменты обеспечивают катаболизм многих эндогенных соедине-
ний и в первую очередь стероидных гормонов. Нормальное функциониро-
вание микросомных ферментов поддерживает на необходимом уровне со-
держание стероидов в организме. Повышение активности этих ферментов
или их подавление приводит соответственно к снижению или чрезмерному
накоплению содержания стероидных гормонов в организме. Например, мно-
гие серосодержащие пестициды угнетают гидроксилирование тестостерона,
прогестерона, эстрадиола. Напротив, хлоруглеводороды повышают актив-
ность оксидаз со смешанными функциями и как следствие приводят к
уменьшению уровня подобных гормонов в организме. И в том, и в другом
случаях возникают гормональные нарушения.
Имеют место также токсические эффекты, связанные с непосредствен-
ным действием ксенобиотиков на микросомные монооксигеназы. Типич-
ным здесь является механизм токсического действия четыреххлористого
углерода, который растворяется во всех мембранных элементах клеток пе-
чени с преимущественным накоплением в микросомной фракции. Здесь он
связывается с цитохромом Р-450, и быстро протекающая реакция восста-
новления приводит к образованию радикала CCI3, который и является
пусковым звеном в механизме повреждающего действия этого ксенобиотика.
Радикал резко стимулирует перекисное окисление липидов, вызывая по-
вреждение биомембран, и приводит к деструкции цитохрома Р-450. В итоге
эти механизмы, вкупе с другими, менее существенными, вызывают гибель
клеток. Для описанного здесь вкратце механизма токсичности А.И.Арчаков
ввел термин “летальный распад”.
При взаимодействии ксенобиотиков с микросомными монооксигеназа-
ми могут образовываться не радикалы, а стабильные высокотоксичные про-
дукты, приводящие к интоксикации. Этот вариант токсического действия
называется “летальным синтезом”. Например, образование токсичной фтор-
лимонной кислоты из фторацетата, накопление формальдегида и муравьи-
ной кислоты при окислительном превращении метанола и др.
Все химические вещества, повреждающие синтез белка, можно подраз-
делить на 2 группы. Первая из них включает ксенобиотики, оказывающие
опосредованное влияние на синтез белка через изменение процессов био-
энергетики, гормонального статуса, проницаемости биомембран и т.д. На-
рушение синтеза белка в механизме их токсического действия является
вторичным явлением, осложняющим, но не определяющим развитие инток-
сикации. Примером могут быть хлоруглеводороды. Так, тетрахлоралканы
тормозят включение метионина и лизина в сывороточные белки и белки
печени. Имеет место и иной механизм: в процессе метаболизма ксенобио-
тиков образуются активные радикалы и перекиси, воздействующие на фос-
фолипиды мембран эндоплазматического ретикулума и повреждающие их,
что и способствует нарушению синтеза белка. В частности, ингаляция дихлор-
этана ведет к торможению включения лейцина в белки печени мышей и
обусловливает повреждение полирибосомных структур гепатоцитов. При си-
ликозе в легких тормозится синтез макрофагального белка; при хроническом
ериллиозе нарушаются процессы включения аминокислот в белки легких,
од воздействием свинца угнетается использование метионина для синтеза
елка; подавляется этот процесс и ртутьорганическими соединениями.
41
1
Вторая группа ксенобиотиков включает соединения, непосредственно
ингибирующие белковый синтез либо вмешиваясь в процессы транскрип-
ции, либо в процессы трансляции. Значительная часть ксенобиотиков на-
рушает процессы транскрипции, повреждая матрицу, т.е. ДНК. Под их
влиянием нарушаются ковалентные связи между нуклеотидами и модифи-
цируются их функциональные группы за счет образования комплексов,
выпадения или разрушения участков цепи ДНК. Именно так действуют
алкилирующие соединения. Блокирует ДНК большая группа антибиотиков.
Матричные свойства ДНК повреждает большой класс ксенобиотиков акри-
динового ряда, интеркалируя между основаниями нуклеиновых кислот.
В результате снижается синтез мРНК (матричная рибонуклеиновая кислота)
и угнетается биосинтез белка. Аманитины, продукты ядовитых грибов рода
Amanita, нарушают транскрипцию путем угнетения активности РНК-поли-
меразы, что также приводит к подавлению синтеза белка.
Ксенобиотики, нарушающие трансляцию, могут быть подразделены на
группы в зависимости от стадии трансляции, на которую они действуют.
Так, например, на стадии инициации процесса трансляции действует дигид-
роксимасляный альдегид и метилглиоксаль, синтетические анионы — поли-
винилсульфат, полидекстрансульфат и др., трихотеценовые токсины грибов.
При этом механизм их действия может быть различным: алифатические
альдегиды блокируют прикрепление мРНК к рибосомам; поливинилсульфат
связывается с рибосомами в участке, где прикрепляется мРНК; другие
полианионы блокируют взаимодействие рибосомных субъединиц. Ксено-
биотики, нарушающие трансляцию на стадии элонгации, также могут иметь
разный механизм действия. Например, образование пептидной связи на
стадии элонгации блокируется эритромицином и олеандомицином. Дифте-
рийный токсин нарушает транслокацию. Несколько иным способом нару-
шают транслокацию циклогексимид и его производные. На стадии терми-
нации процесса трансляции действует тенуазоновая кислота, подавляющая
отделение новообразованных белков от рибосом.
В заключении рассмотрения нарушения синтеза белка ксенобиотиками
укажем на возможность подавления процессов активирования аминокислот
и угнетения активности аминоацил-тРНК-синтетаз. К веществам, действу-
ющим именно таким образом, в первую очередь относятся синтетические
аналоги природных аминокислот, например 5-метилтриптофан, 2-метилгис-
тидин, метилгомоцистеин, цисфторпролин, фторфенилаланин, этионин, ка-
наванин и др. Эти ксенобиотики тормозят включение в белки природных
аминокислот за счет конкурентного ингибирования соответствующих ами-
ноацилсинтетаз.
Общебиологическим механизмом реализации токсических эффектов яв-
ляется также нарушение биоэнергетических процессов, обычно связанное с
митохондриальным структурно-метаболическим комплексом.
2.4. Хемобиокинетика
Термин хемобиокинетика встречается не столь уж часто, обычно говорят
о фармакокинетике и реже — о токсикокинетике. Однако именно этот тер-
мин отражает суть предмета, в котором идет речь о прохождении химичес-
кого вещества через биологическую систему — организм, рассматриваемое ,
во времени. С точки же зрения использования терминологии это синонимы 1
[19], о чем уже говорилось в начале этой главы и что полезно подчеркнуть
еще раз. |
47 а»
На рис. 2.1, представленном выше, приведены пути проникания ксено-
биотиков в организм, основные направления их возможного перемещения
в нем, равно как и их метаболитов, и пути выделения тех и других из
организма. Очевидно, что в случае каждого конкретного соединения его
поступление, равно как и дальнейшие перемещения, метаболизм и выделе-
ние из организма достаточно индивидуальны, в том числе и в отношении
скорости этих процессов. Иначе говоря, судьба веществ в организме и их
кинетика характерны для каждого ксенобиотика. Однако в поведении ксе-
нобиотиков существуют общие закономерности, которые могут быть опи-
саны простыми математическими выражениями, иначе — математическими
моделями. И только некоторые параметры таких моделей оказываются ха-
рактерными для конкретных веществ. Нашей задачей является ознакомле-
ние с общими закономерностями кинетики и параметрами математических
моделей; более же полное ознакомление с хемобиокинетикой можно полу-
чить из цитированных в начале главы книги большого количества нецити-
рованных, но изданных и обычно имеющих в заголовке слово фармакоки-
нетика.
2.4J. Поступление ксенобиотиков в организм
В реальных условиях через легкие в организм поступают газообразные
(парообразные) ксенобиотики. Если вдыхаемое вещество достаточно устойчи-
во в организме, т.е. не подвергается или почти не подвергается биотранс-
формации, происходит его накопление. Последнее является результатом
динамического распределительного процесса, в котором кровь играет роль
промежуточной фазы: получая вещество из вдыхаемого воздуха, кровь отдает
его тканям, различающимся кровоснабжением и “емкостью” для данного
вещества. В результате отмечается характерная картина накопления доста-
точно устойчивых ксенобиотиков в крови, когда рост их концентрации в
артериях на первых порах заметно обгоняет рост концентрации в венах.
Однако с течением времени, по мере насыщения тканей, различие между
содержанием вещества в артериальной и венозной крови постепенно умень-
шается (рис. 2.3). Непосредственным отражением этого процесса является
постепенное увеличение концентрации ксенобиотика в выдыхаемом воздухе.
В итоге концентрация в выдыхаемом воздухе стремится к концентрации во
вдыхаемом, что соответствует наступлению насыщения. Практический при-
мер указанной зависимости представлен на рис. 2.4: измерялась концентра-
ция фторотана в выдыхаемом человеком воздухе (Св) при ее постоянной
концентрации во вдыхаемом (Со) и результат выражался в виде отношения
Св/С0. Это отношение может меняться от 0 до 1; последняя величина
достигается при полном насыщении организма.
Накопление устойчивых соединений в крови и в тканях может быть
описано экспоненциальной зависимостью, что наглядно представлено на
Рис. 2.5, где даны экспериментальная и теоретическая кривые насыщения
сальника крыс бензолом при вдыхании его паров. Математическое описание
этого процесса, т.е. его математическая модель такова:
С = хсо(1 - е-м),
— постоянная концентрация вещества в окружающей среде; А.—
оэффициент распределения ксенобиотика между сальником крыс и окру-
_ющей средой; к — постоянная величина накопления вещества в сальнике;
текущее время.
Время, мин
Рис. 2.3. Динамика концен-
трации этилового эфира в
артериальной (сплошная кри-
вая) и венозной (пунктирная
кривая) крови собаки при
вдыхании его паров в кон-
центрации 2000 мг/л.
В этом руководстве мы ограничимся общим описанием процессов ки-
нетики и не будем вдаваться в тонкости постоянных расчетов накопления
и выделения, а также иных параметров хемобиокинетики, поскольку в
настоящее время имеются доступные программы для их расчетов; кроме
того, эти вопросы достаточно полно описаны в наших предыдущих книгах
и желающие могут ими воспользоваться [3, 15, 17, 44].
Приведенный пример свидетельствует об экспоненциальном характере
накопления устойчивых соединений в отдельных тканях организма, которые
могут быть смоделированы одночастевой системой. Однако такое описание
изменения концентрации ксенобиотика в крови, что представлено на рис.
2.3, или выдыхаемом воздухе редко бывает адекватным — описать организм
одночастевой системой, как правило, не удается. Для моделирования орга-
Рис. 2.4. Увеличение концентрации
фторотана в выдыхаемом челове-
ком воздухе в зависимости от вре-
мени.
Рис. 2.5. Сопоставление экс-
периментальной кривой на-
сыщения сальника крыс бен-
золом при вдыхании его па-
ров в концентрации 3 мг/л
(пунктирная кривая) с теоре-
тической экспонентой этого
процесса (сплошная кривая).
низма используется многочастевая система, математически описываемая
суперпозицией экспонент. В качестве примера приведем моделирование
прохождения через организм трихлор- и дихлорфторметана [15]. На рис. 2.6
представлена использованная для анализа трехчастевая модель, состоящая
из центральной части (А), периферической части (Б) и альвеолярного про-
странства (В). Расчет на основе этой модели при условии крД = квыд свиде-
тельствует о задержке трихлорфторметана в среднем на 77 %, а дихлорфтор-
метана на 55 %. Модель позволяет рассчитывать концентрации веществ в
крови в любой момент времени в зависимости от уровня и режима их
ингаляции.
Следует понимать, что поступление веществ в организм при вдыхании
’ их паров зависит от ряда физиологических параметров организма: альвео-
лярной вентиляции, остаточного объема легких, проницаемости для данного
вещества альвеолярно-капиллярной мембраны, скорости легочного крово-
тока, минутного объема сердца, общего объема крови, массы легочной ткани
и ряда других параметров. Оно также определяется коэффициентами рас-
пределения вещества между воздухом и тканью легких, между воздухом и
j кровью, между кровью и разными тканями тела. Все эти показатели входят
в неявной форме в величину постоянной накопления к. Разные особи
одного и того же вида имеют более или менее различающиеся между собой
физиологические параметры, что приводит к вариабельности к даже в случае
проведения совершенно одинаковых опытов на разных особях. Кроме того,
физиологические параметры могут изменяться в процессе опыта, что ведет
к изменению к и возникновению вариабельности.
Известны попытки более точного описания процессов накопления ксе-
нобиотиков с учетом основных физиологических параметров организма. Это
так называемое физиологическое моделирование. Оно пока не получило
Рис. 2.6. Трехчастевая модель
прохождения газообразного ве-
щества через организм.
Вдох
к«д| к К,2
В~^~^А^±ХБ
К I Ке Кг1
г'выд I
Выдох
45
44
Рис. 2.7. Опыт с вдыханием паров метилацетата кроликом.
I — концентрация метилацетата во вдыхаемом воздухе; II — то же в выдыхаемом воздухе; III —
содержание сложных эфиров в крови (в единицах оптической плотности Q); IV — концентрация
спирта в крови; V — содержание формальдегида в крови (в единицах оптической плотности Q);
VI — процент задержки паров метилацетата (вычислено из данных I и II).
широкого развития из-за сложностей количественной оценки ряда иногда
трудно поддающихся такой оценке физиологических параметров и необхо-
димости использования специальных программ. Удачный пример физиоло-
гического моделирования приведен в книге [15], мы его не повторяем.
Помимо указанной книги, о физиологическом моделировании можно про-
читать и в других руководствах по фармакокинетике; достаточно просто этот
вопрос описан у В.А.Филова [18].
Иначе развивается процесс поступления в организм быстро метаболизи-
рующих соединений. Отмечаются случаи, когда они претерпевают распад
уже на поверхности слизистой оболочки и всасываются в кровь в виде
метаболитов. В других случаях метаболиты образуются в крови или при
первопрохождении через печень. Насыщения организма быстро распадаю-
щимися соединениями практически не происходит, что отражается на их
задержке при вдыхании паров; в противоположность рассмотренному слу-
чаю с медленно распадающимися газами в настоящем случае задержка
постоянна во времени. Это наглядно иллюстрируется данными рис. 2.7,
отражающими результаты опытов по определению задержки в организме
паров метилацетата. Видно, что разность концентраций метилацетата во
вдыхаемом и выдыхаемом воздухе постоянна, т.е. его задержка со временем
не меняется, что с прекращением вдыхания эфира он не обнаруживается и
в выдыхаемом воздухе — все задерживаемое количество быстро подвергается
превращениям. В результате быстрого метаболизма метилацетата, который
в силу этого в крови не накапливается, возникает достаточно устойчивый
метаболит — метиловый спирт. Этот метаболит накапливается в крови;
вместе с тем известно его дальнейшее превращение в формальдегид. Однако
рис. 2.8. Динамика концентра-
ции бензола в выдыхаемом че-
ловеком воздухе во время экс-
позиции и после ее прекраще-
ния. Со — концентрация бензо-
ла на вдохе.
формальдегид также нестабилен и увеличения его содержания в крови
установить не удается.
Для сравнения на рис. 2.8 представлен ход изменения концентрации
бензола в выдыхаемом воздухе человека. Основная часть задержанного в
организме бензола метаболизирует и выделяется в виде фенолов с мочой.
Но часть (до 12 %) выделяется в неизмененном виде с выдыхаемым возду-
хом.
Поступление веществ через кожу. Через кожу могут проникать газооб-
разные, жидкие и твердые вещества, преимущественно неэлектролиты. Для
электролитов, за исключением тяжелых металлов и их солей, в незначитель-
ной степени преодолевающих кожный барьер, проницаемость кожи остается
спорной, во всяком случае она невелика. Среди органических соединений,
вызывающих интоксикацию при проникновении через кожу, на первом
месте стоят ароматические нитро- и аминосоединения, фосфорорганические
пестициды, хлорированные углеводороды и элементорганические соедине-
ния.
Поступающие трансэпидермальным путем соединения попадают в ве-
нозную кровь, где их концентрация заметно превышает таковую в крови
артериальной. В случае относительно малого количества всасывающегося
таким путем вещества и достаточно хорошего его метаболизма в печени
артериальная кровь может и не содержать его. На рис. 2.9 представлены
результаты опыта по всасыванию стирола через кожу кролика и определе-
нию его в венозной и артериальной крови. Из рисунка видно, что стирол
хорошо проникает через неповрежденную кожу кролика, в значительных
количествах обнаруживается в венозной крови, в гораздо меньших количе-
ствах — в артериальной крови и появляется там позже.
Рис. 2.9. Кинетика стирола в ве-
нозной (а) и артериальной (б)
кРови кролика при всасывании
его через неповрежденную ко-
c. мг%
46
47
Основным условием проникания ксенобиотиков через кожу является их
липоидорастворимость, сочетающаяся с растворимостью в воде. Раствори-
мые в жирах соединения способны пройти через кожные жировые слои;
дальнейшее всасывание веществ с гидрофобными свойствами может ока-
заться затрудненным из-за плохого их растворения в крови. Из других
факторов, способствующих прохождению ксенобиотиками кожного барьера,
следует отметить температуру, поверхность соприкосновения и длительность
контакта. При экспериментальном изучении проникновения ксенобиотиков
через кожу следует иметь в виду, что кожа лабораторных млекопитающих,
как правило, более проницаема по сравнению с кожей человека. Кроме того,
следует помнить о разнице в соотношении поверхности тела и его массы у
мелких и крупных животных.
Поступление через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Некоторые соеди-
нения, особенно липоидорастворимые, могут всасываться в кровь уже из
полости рта.* Всасывание в желудке зависит от характера его содержимого
и степени наполнения. Желудочные секреты могут значительно изменять
ксенобиотики, а также увеличивать их растворимость. Секреты кишечника
способны в некоторых случаях таким же образом воздействовать на неиз-
мененные и не всосавшиеся ранее соединения. Другая возможность превра-
щений ксенобиотиков в кишечнике связана с деятельностью кишечных
бактерий. Иллюстрацией этого может явиться восстановление ароматичес-
ких нитросоединений до соответствующих аминов.
При всасывании из желудка и кишечника вещества прежде всего попа-
дают в печень, где происходят те или иные превращения многих ксеноби-
отиков. В основном эти превращения направлены на обезвреживание со-
единений, но возможен и “летальный синтез”, о чем шла речь в разделе о
механизмах метаболизма ксенобиотиков настоящей главы.
Кинетику всасывания ксенобиотика из желудочно-кишечного тракта
обычно рассматривают в связи с поступлением в организм известной его
дозы. Многочисленные примеры этого обычны для фармакологической ли-
тературы. Токсикологическим примером может быть всасывание из желудка
кролика введенного туда циклогексиламина (рис. 2.10). Из рисунка видно,
что при этом циклогексиламин быстро появляется в крови, достигает в ней
значительных концентраций, одновременно с чем отмечается и его накоп-
ление в моче, далее идут очищение крови от циклогексиламина и неуклон-
ный рост его концентрации в моче. Процесс изменения концентраций
указанного вещества в крови хорошо описывается в рамках одночастевой
системы.
Рис. 2.10. Определение цик-
логексиламина в крови (1) и
моче (2) кролика после его
внутрижелудочкового введе-
ния.
48
2.4.2. Накопление ксенобиотиков в организме
Периодическое поступление ксенобиотиков. Накопление (кумуляция) ксе-
нобиотика в тканях организма может иметь место при его постоянном или
периодическом поступлении в организм тем или иным путем или одновре-
менно несколькими путями. При этом поступление должно превышать
очищение организма от ксенобиотика за счет всех возможностей — выделе-
ния различными путями и метаболизма, иначе накопления не произойдет.
Известна кумуляция свинца и стронция за счет их прочного связывания с
костной тканью и весьма медленного выделения из нее. Другим примером
накопления является депонирование кремния в легочной ткани.
Рассмотрим процесс накопления ксенобиотика в организме на примере
вдыхания газообразного вещества на производстве в условиях пятидневной
рабочей недели, т.е. довольно типичный случай. Принципиально этот слу-
чай, с точки зрения накопления, не отличается, например, от периодичес-
кого поступления ксенобиотика через рот или иным путем, как это имеет
место для фармакологических препаратов. Для возможности математичес-
кого описания процесса примем постоянство основных условий: концентра-
ции вдыхаемого вещества в воздухе рабочего помещения, времени ежеднев-
ного пребывания работника в этом помещении (t), сменяемого постоянным
периодом отдыха и сна (т), при этом в конце недели период отдыха состав-
ляет два дня (Т). Примем также, что очищение организма от вещества
происходит достаточно медленно (альтернатива — время свободного выде-
ления вещества мало по сравнению со временем накопления). Графическая
модель процесса для этого случая представлена на рис. 2.11.
Более подробное математическое описание процесса возможно, если
представить, что накопление вещества в организме и его выделение следуют
кинетике первого порядка, т.е. организм является одночастевой системой.
В этом случае накопление ксенобиотика в организме (его отдельных тканях)
описывается уже известным нам уравнением:
Cl = xC0(1-e-kl),
где Со — концентрация ксенобиотика во вдыхаемом воздухе, С[ — его кон-
центрация в организме в момент времени t (положим, что это время окон-
чания рабочего дня). Выделение же ксенобиотика описывается так же про-
стой экспонентой:
С = с1е"кет'
где ке — постоянная выделения, т — текущее время выделения (положим,
что это время окончания ежедневного отдыха). Содержание ксенобиотика
в организме после любого n-го рабочего дня первой недели описывается
Уравнением:
ХС0(1 - e’k,)(1 - e-n<k,+ke’)
ис- 2.11. Процесс насыще-
ния и освобождения тканей
°т газообразного ксенобио-
ика в условиях пятидневной
Рабочей недели.
1 2 3 4 5 6 7 14 Дни
49
К началу следующего рабочего дня первой недели содержание ксенобио-
тика составит:
г min _r max Л-к_т
ип - сп е 6
(2)
Теперь рассмотрим вариант с рабочей неделей, состоящей из а рабочих
дней, включающих период работы t и период отдыха т, а также период
длительного отдыха Т (выходные дни), как это представлено на рис. 2.11.
Тогда содержание вещества в организме в конце любого рабочего дня р,
принадлежащего (т+1) неделе, можно найти из уравнения:
KCn(1 - e"k,)(1 - e-P<kt+ke’)
ртах _ 04________2______________
ат+р 1 _ e-(kt+k т)
+ C™ne’pkt e-<P-1)ke’.
(3)
причем 0 < р < а. Вывод этих уравнений можно найти в книге [15], там же
содержатся. некоторые подробные численные примеры, иллюстрирующие
использование уравнений. Даем эти примеры в сокращенном виде. Рассмот-
рим малорастворимый в воде хлороформ и смешивающийся с водой этило-
вый спирт. Достаточно реальной является ситуация, когда время работы
t = 8,4 ч, время ежедневного отдыха т = 15,6 ч, рабочих дней в неделе п = 5.
Постоянные для хлороформа: X. = 10,3; к ® ке « 0,08 мин'-1. Подставив
эти цифры в уравнение (1) и произведя расчет накопления хлороформа в
организме к концу рабочей недели, получим:
Сидень * Ю,ЗС0.
В конце любого другого рабочего дня также получим 10,ЗСд. А это
значит, что в результате работы в условиях вдыхания хлороформа в кон-
центрации Со каждый день достигается равновесное насыщение организма
хлороформом. Рассчитав выделение хлороформа по формуле (2), для конца
ежедневного отдыха получим 0, что свидетельствует об отсутствии накопле-
ния хлороформа в организме. Каждый день происходит насыщение орга-
низма парами хлороформа и затем полное его выделение, что находится в
соответствии и с экспериментальными данными.
Постоянные для спирта: А. = 2000, к » ке » 0,0007 мин-1. С§]^день = 94ОСо.
Воспользовавшись уравнением (3), найдем, что содержание спирта в орга-
низме в конце второй недели составит 942Cq, в конце третьей — 944Со и
т.д., т.е. будет происходить постепенное, хотя и очень медленное, нарастание
спирта в организме. При этом полного выделения его из организма не будет
даже в результате двух выходных дней: Cmin = ЗОСд. Это также соответствует
опытным данным.
Накопление ксенобиотиков, претерпевающих биотрансформацию. В этом
случае картина накопления ксенобиотика усложняется по сравнению с
накоплением вещества инертного, не подверженного метаболизму. Рассмот- ;
рим ее. Модель процесса такова: среда содержит ксенобиотик в постоянной j
концентрации Сд; биологическая система, в которую он проникает в coot- j
ветствии с кинетикой первого порядка, может быть интерпретирована одно- s
частевой моделью; метаболизм ксенобиотика в биологической системе, за- j
висящий от особенностей биологической системы и природы ксенобиотика, ,
также соответствует кинетике первого порядка. Математическая модель, j
вывод которой дан в указанной выше монографии, выглядит так: 1
c = ^£o-(1_e-(k + km)t)i
k + km
50
Рис. 2.12. Графическое изображение
процессов накопления в биологичес-
кой системе неметаболизирующих (1)
и метаболизирующих (2) (k = кт) ксе-
нобиотиков при одном и том же Сд.
с
где х _ коэффициент распределения ксенобиотика между средой и биоло-
гической системой, к — постоянная накопления вещества, km — постоянная
его метаболизма, С — концентрация ксенобиотика в биологической системе
в момент времени t.
Рассмотрим три частных случая: первый — накопление происходит зна-
чительно быстрее метаболизма, т.е. k > кт. Тогда кт можно пренебречь по
сравнению с к и уравнение примет вид:
С = ХС0(1 - e-kt).
Это уже известное нам уравнение накопления неметаболизирующих со-
единений.
Второй случай — скорости накопления и метаболизма равны, т.е. k = кт.
В этом случае С = 0,5XCg(l — e-2kt).
Устремив t к оо, получим предел, к которому стремится концентрация
вещества: С -> 0,5ХСд. Предел в этом случае в 2 раза меньше, чем в случае
нереагирующего вещества (при тех же X и Сд), достигается же он в 2 раза
быстрее, что иллюстрирует рис. 2.12. Третий случай — скорость метаболизма
значительно превышает скорость накопления, т.е. k < кт. Тогда
кХСп , . к
С = (1 - e’W)- При t -> оо, С ХС0.
Кт Кт
Следовательно, накопление ксенобиотика в биологической системе и в
этом случае имеется, но оно мало, тем меньше, чем меньше к по сравнению
с ^т- С увеличением разницы между постоянными накопления и метабо-
лизма предел накопления ксенобиотика стремится к 0. Логически это вполне
понятно —очевидно, что для процесса метаболизма вещества необходимо
его предварительное накопление хотя бы в незначительном количестве. При
этом скорость метаболизма вещества, измеряемая количеством метаболизи-
рующих в единицу времени его молекул, будет тем больше, чем больше
общее содержание вещества. При некоторой концентрации скорость мета-
болизма уравновешивается со скоростью поступления, что и определяет
насыщение биологической системы. Практически мы наблюдали этот слу-
чаи при изучении накопления сложных эфиров винилового спирта и жир-
ных кислот, а также некоторых других в организме животных. Благодаря
наличию в крови и тканях организма весьма активных эстераз сложные
фирм, попадая в организм, практически сразу же распадаются и при
Дыхании их паров в крови не обнаруживаются. Однако в случае вдыхания
сложных эфиров в массивных концентрациях имеют место их накопление
51
и возможность определения в крови. Понятно, что сразу после прекращения
вдыхания сложных эфиров они быстро, практически мгновенно, метаболи-
зируют и в организме уже не обнаруживаются.
Примеры практического использования приведенной формулы можно
видеть в книге [15].
2.4.3. Выделение ксенобиотиков из организма
Освобождение организма от ксенобиотиков и их метаболитов происхо-
дит разными путями, главные из которых — почки и кишечник. Элимина-
ция летучих соединений, нередко присутствующих в производственной сре-
де, в атмосферном воздухе или в жилых помещениях, в значительной сте-
пени осуществляется с выдыхаемым воздухом. Как правило, с выдыхаемым
воздухом выделяются неизмененные вещества сами по себе или вместе со
своими ближайшими летучими метаболитами. Лишь весьма редко в процес-
се метаболизма из нелетучих соединений образуются летучие. В этих случаях
они могут выделяться через легкие.
Растворимые в воде соединения выделяются главным образом через
почки. Уже указывалось, что в процессе метаболизма происходит преиму-
щественное увеличение полярности, а следовательно, и водоростворимости
метаболитов по сравнению с исходными соединениями. Это повышает воз-
можности их выделения с мочой. Меньшую роль играет выделение через
желудочно-кишечный тракт; большое практическое значение этот путь вы-
деления имеет для солей тяжелых металлов. Некоторое количество отдель-
ных ксенобиотиков может выделяться с потом, слюной и молоком.
Достаточно часто токсические вещества и их метаболиты выделяются
сразу несколькими путями, причем преимущественное значение имеет ка-
кой-либо один из них. Примером может быть этиловый спирт. Большая
часть спирта подвергается в организме превращениям. Остальная часть,
примерно 10 % от общего количества, выделяется в неизмененном виде
главным образом с выдыхаемым воздухом, затем — с мочой, и в небольшом
количестве с калом, потом, слюной и молоком.
Если биологический объект, из которого выделяется ксенобиотик, мож-
но моделировать одночастевой системой, то процесс выделения описывается
простой экспонентой. Экспонента в полулогарифмических координатах пре-
образуется в прямую линию. На рис. 2.13 в полулогарифмических коорди-
натах показан процесс освобождения эпидидимального жира крыс от бен-
зола. Здесь же показан способ графического нахождения периода полувы-
деления вещества (рассмотрено 2 случая снижения концентрации бензола
наполовину). Это типичный случай выделения вещества в соответствии с
кинетикой первого порядка. Здесь вполне пригодна одночастевая система,
поскольку рассматривается обособленная ткань. В отдельных случаях кине-
тика выделения ксенобиотика из организма в целом или снижение его
концентрации в крови также может быть представлена простой экспоне-
нтой. Однако при более детальном анализе во всех этих случаях можно
установить, что выделение следует более сложному закону. Описание кине-
тики выделения веществ с помощью экспоненты является просто первым
приближением, иногда достаточным, а иногда и нет. Но и в случае отдель-
ных тканей такое моделирование не всегда оправдано. Например, снижение
концентрации сероуглерода в подкожном жире крыс описывается биэкспо-
ненциальной зависимостью (рис. 2.14). Математическое выражение этой
двойной экспоненты имеет вид:
52
Рис. 2.14. Графическое изображение вы-
деления сероуглерода из подкожной жи-
ровой клетчатки крыс.
Рис. 2.13. Графическое изображение сни-
жения концентрации бензола в эпидиди-
мальном жире крыс.
С = 8,66e-0'46t+ 0,052e-O'°35t.
При детальном изучении очищения крови собак от дихлортетрафторэта-
на была установлена трехэкспоненциальная зависимость:
С = 1250e-o,375t+ 75e-0'06t+ 42e-0016t.
Хемобиокинетика дихлортетрафторэтана у собак может быть интерпре-
тирована, таким образом, трехчастевой моделью (она включает одну цент-
ральную часть и две периферических, тканевых, части). Выделение свинца
из крови экспериментальных животных в полулогарифмических координа-
тах соответствует четырехэкспоненциальному процессу, конкретное описа-
ние которого в математических терминах таково:
С = I8e-O’8t+ 4e~°'04t+ 1,1e-0'007t+ O,16e~°'ooo6t.
Приведенные уравнения свидетельствуют о многофазности объекта, из
которого имеет место элиминация изучаемого ксенобиотика. При этом
многофазность следует понимать не только буквально, в виде, например,
разных, резко различающихся между собой по физико-химическим свойст-
вам тканей, но и в виде различной связанности ксенобиотика с тканевыми
структурами одной ткани. Примером последнего является рассмотренное
нами выше двухэкспоненциальное выделение сероуглерода из подкожного
Жира крысы.
В монографии [44] и ее предшественнице [3] рассмотрен математический
аппарат кинетики выделения ксенобиотиков двумя и более независимыми
путями, выделения метаболита или параллельно образующихся нескольких
метаболитов, выделения метаболитов и исходного соединения и др.
53
2.4.4. Хемобиокинетика системы: материнский организм — плод
Известно, что многие ксенобиотики проникают через плаценту и попа-
дают в плод. Считается, что основным механизмом прохождения ксенобио-
тиками плаценты является диффузия. Хемобиокинетика этого процесса в
математических терминах может быть представлена достаточно просто при
некоторых допущениях. Первое из них — моделирование материнского ор-
ганизма и плода одночастевыми системами с хорошим перемешиванием;
далее — ксенобиотик достаточно стабилен, т.е. метаболизирует не слишком
быстро. При этих условиях уравнение для расчета концентрации ксенобио-
тика в плоде (Сп) имеет вид:
Сок
Сл = ГТ(е м е >
к - км
где Со — начальная концентрация введенного в материнский организм ксе-
нобиотика, к — постоянная перехода вещества через плаценту, км — посто-
янная уменьшения концентрации вещества в материнском организме.
Эта зависимость концентрации ксенобиотика в плоде от времени имеет
максимум в момент времени tmax:
lnkM - Ink
‘max= kM-k
Следовательно, при сделанных допущениях концентрация в плоде вве-
денного в материнский организм вещества изменяется от нуля в начальный
момент до максимальной величины в момент tmax и далее снова падает до
нуля t -» оо.
Все эти теоретические представления были подтверждены на примере
9,Ю-диметил-1,2-бенз-(а)-антрацена и 3,4-бенз-(а)-пирена, вводимых внут-
ривенно беременным мышам и крысам. Действительно, концентрация ука-
занных веществ в печени матери уменьшалась экспоненциально у мышей с
периодом полувыведения 40 мин, у крыс — 160 мин. На рис. 2.15 представ-
лены графики зависимости концентрации этих углеводородов от времени в
эмбрионах крыс. Графики соответствуют вышеприведенному уравнению.
Существенно, что снижение концентрации 9,10-диметил-1,2-бенз-(а)-антра-
цена и бенз-(а)-пирена в тканях эмбрионов происходит значительно мед-
леннее, чем в тканях матерей. Например, период полувыведения бенз-(а)-
пирена из эмбрионов мышей составляет примерно 180 мин (для матерей —
40 мин). В то время как в материнском организме вещества практически
уже отсутствуют, в тканях эмбрионов они продолжают определяться в за-
метных количествах. Это же было показано и для ртути при введении
беременным мышам метилртути [65]. Интересно, что с увеличением срока
Рис. 2.15. Динамика концентра-
ции ДМБА (1) и БП (2) в эм-
бриональных тканях крыс в за-
висимости от времени после
введения беременным живот-
ным.
54
беременности, при которой вводили это вещество, содержание ртути в
плодах возрастало, что можно трактовать как увеличение проницаемости
плаценты по мере приближения момента родов.
2.4.5. О нелинейных эффектах в хемобиокинетике
Обсуждая хемобиокинетические зависимости, до сих пор мы основыва-
лись на закономерностях кинетики первого порядка, т.е. на экспоненциаль-
ных зависимостях. При этом имеет место пропорциональность между ско-
ростью протекания процесса переноса и/или метаболизма вещества и раз-
ностью концентраций вещества в частях, между которыми этот перенос
осуществляется. В этом случае все кинетические постоянные, т.е. посто-
янные переноса и периоды полусуществования, являются действительно
постоянными, которые не изменяются со временем и при изменении
условий протекания процесса, например при изменении количества или
концентрации ксенобиотика. Вместе с тем каждый, кто имел дело с хемо-
биокинетическим экспериментом, знает, что на практике дело обстоит
далеко не всегда так. Постоянство кинетических параметров сохраняется
далеко не во всех случаях. Иногда их изменениями можно пренебречь,
особенно при формальном рассмотрении процессов, как это мы и делали
в предыдущем изложении материала. На практике же так бывает далеко
не всегда.
Графически нелинейные эффекты выражаются в том, что график про-
цесса в полулогарифмических координатах не линеен, в противоположность
представленному выше (см. рис. 2.13 и 2.14).
Причины нелинейности разнообразны и коренятся прежде всего в самом
объекте — живом организме с его многообразием приспособительных реак-
ций и богатыми возможностями изменчивости функционирования органов
и систем, а говоря языком кинетики — нестабильности частей. С другой
стороны, нелинейность может быть связана с особенностями поведения
ксенобиотиков. Например, нелинейные эффекты при рассмотрении абсорб-
ции веществ могут быть вызваны плохой их растворимостью и связанной с
этим низкой скоростью растворения и соответственно всасывания. Среди
основных причин отклонений от линейности находится насыщаемость ак-
тивных процессов всасывания при высоких дозах ксенобиотиков; изменение
гемодинамических показателей в области всасывания ксенобиотиков; вариа-
ции pH в желудочно-кишечном тракте, влияющие на судьбу ионизирован-
ных соединений; более или менее прочное связывание части вещества со
слизистой кишечника, с тканями, с белками крови и др.
Рассмотрим возможность количественного выражения нелинейных эф-
фектов в хемобиокинетике. Примером является кинетика ферментативных
процессов при достаточно высоких концентрациях метаболизирущегося ве-
щества. Причина нелинейности в этом случае связана с ограниченностью
ресурсов фермента. Имеет место его блокирование веществом по мере
увеличения концентрации последнего. На рис. 2.16 показано влияние кон-
центрации метаболизируемого вещества (С) на скорость его ферментатив-
ного превращения dC/dt. При низкой концентрации вещества скорость его
превращения возрастает пропорционально его концентрации. Иначе говоря —
это область кинетики первого порядка, при которой сохраняются все опи-
санные выше закономерности. Коэффициент пропорциональности в данном
^лучае является постоянной метаболизма вещества и в зависимости от своей
личины определяет наклон прямолинейной зависимости dC/dt = kC. На
dC
Рис. 2.17. График линейной и нелинейной
хемобиокинетики. Прямая линия 1 соответ-
ствует к=2,2; передняя 2 — к=0,55; линия 3
имеет параметры Vmax = 0,22 и Км = 0,1.
Рис. 2.16. Зависимость между кон-
центрацией вещества и скоростью его
ферментативного превращения.
I — зона реакции первого порядка; II —
зона смешанной реакции; 111 — зона реа-
кции нулевого порядка.
рис. 2.17 прямые 1 и 2 соответствуют значениям величин постоянной
метаболизма 2,2 и 0,55.
Однако фактически же, по мере возрастания концентрации вещества, в
связи с постепенным насыщением ферментативной системы, уже не успе-
вающей перерабатывать его в метаболит, рост скорости метаболизма веще-
ства замедляется (см. рис. 2.16). В зоне II концентрация кинетика первого
порядка сменяется смешанной кинетикой. При дальнейшем увеличении
концентрации вещества скорость метаболизма становится практически по-
стоянной, не зависящей от концентрации, максимально возможной. Обычно
эту скорость обозначают индексом Vmax dC/dt Vmax при С -» оо. По ее
достижении реакция превращения вещества в метаболит приобретает нуле-
вой порядок, при котором в единицу времени превращается определенное
количество вещества независимо от его концентрации. На основе рассмот-
ренных здесь в общей форме закономерностей создана количественная
теория ферментативных реакций, основное уравнение которой называется
уравнением Михаэлиса — Ментен по имени авторов теории:
dC _ Углах С
dt ” Км+С ’
где Vmax и Км — параметры уравнения. Это уравнение описывает кривую,
представленную ранее (см. рис. 2.16).
Понятно, что уравнение Михаэлиса — Ментен может быть приложено к
ферментативным процессам превращения любых ксенобиотиков, играющих
роль промышленных, бытовых, сельскохозяйственных и прочих ядов. Оно
будет справедливо также в случае неферментативных процессов насыщен-
ного характера. Примером может служить насыщение канальцевой секреции
вещества в почках при его большой концентрации в крови. Этим же урав-
нением описывается очищение крови от этилового спирта при его больших
концентрациях ранее. На рис. 2.17 приведено сравнение линейной и нели-
нейной кинетики. Кривая 3 на этом рисунке получена из уравнения Миха-
элиса — Ментен при условии, что Vmax = 0,22 и Км = 0,1. В этом случае
S6
У = 2,2 и прямая 1 — касательная к кривой 3; константа к — 2,2
линейного процесса — максимальная величина, если процесс нелинеен.
Не все причины нелинейных эффектов допускают использование урав-
нения Михаэлиса — Ментен. Например, резкое изменение гемодинамичес-
ких показателей или прочное связывание части вещества с биосубстратом
ведут к модификациям хемобиокинетики, не поддающимся столь простому
описанию.
Гигиеническая (профилактическая) токсикология чаще всего имеет дело с
небольшим количеством ксенобиотиков, проникающих в организм. При этом
часто соблюдаются законы кинетики первого порядка. Нелинейные эффекты
начинают проявляться в области относительно больших концентраций ксено-
биотиков. Другие причины нелинейности обычно встречаются незакономер-
но и ведут к отклонениям от линейности, воспринимаемым как случайные
явления. Именно это обстоятельство привело к тому, что хемобиокинетика
долгое время развивалась на основе линейных зависимостей. При этом у
многих исследователей вызывал неудовлетворенность факт зависимости ос-
новных параметров хемобиокинетики — постоянных переноса и периодов
полузавершения процесса — от дозы или концентрации. На основе рассмот-
ренных в настоящем разделе представлений этот факт, не поддающийся
описанию в рамках классической линейной хемобиокинетики, получил не-
сложное количественное описание, что позволило предположить широкое
использование в будущем параметров Vmax и Км вместо ныне применяемых
постоянных переноса и ti^.
Рассмотрим случай элиминации ксенобиотика из биологической систе-
мы за счет двух параллельных процессов — выведения неизмененного со-
единения и его метаболизма, т.е. весьма типичный случай. Первый из этих
процессов подчиняется кинетике первого порядка, а второй совершается в
соответствии с уравнением Михаэлиса — Ментен. Пока концентрация ксе-
нобиотика невелика, процессы соответствуют кинетике первого порядка,
поскольку метаболизм происходит в зоне I (см. рис. 2.16). В этом случае
постоянная элиминации равна сумме постоянных выделения неизмененного
вещества и постоянной метаболизма: к + Км. При достаточно высокой
концентрации отношение скоростей процессов элиминации окажется непо-
стоянным и зависимым от концентрации. Для математического описания
этого утверждения рассмотрим схему, где процесс В линеен, а процесс С —
нелинеен:
А.
Система уравнений, описывающая скорости элиминации ксенобиотика
по двум путям (VB и Vc), такова: VB = kA
,, VmaxA
с= км+а'
Отношение скоростей элиминации
\7~ = у (Км+А)
*С vmax
зависит от концентрации ксенобиотика (А).
57
Если в организм введена определенная доза вещества (D), то количества,
элиминированные за счет линейного процесса выведения неизмененного
ксенобиотика и нелинейного процесса его метаболизма, могут быть найдены
путем интегрирования уравнений вышеприведенной системы VB и Ус. Не
входя в детали интегрирования, приводим результат:
BT = D+^T£(1-e-k,)-VmaXT-
cT = vmaxT.
Разделив B-j- на Су, получим: тш
ВТ _ Vmax 1 - e~kt
СТ k %ахТ‘-
Последнее уравнение свидетельствует, что соотношение путей элимина-
ции зависит от дозы. При прочих равных условиях выделение неизменен-
ного вещества увеличивается с увеличением дозы.
Практических примеров увеличения выведения вещества в неизменен-
ной форме с увеличением дозы можно привести много. В частности, в моче
кроликов при дозе анилина 0,1 — 1 мг/кг в неизмененной форме его выде-
ляется менее 1 %, а при дозе 20—150 мг/кг — от 1 до 5,9 %. При дозе
циклогексана 0,3 мг/кг в выдыхаемом воздухе кролика он практически не
выделяется, а при дозе 360—390 мг/кг выделяется в неизмененной форме
25—38 %. При дозе сероуглерода 4 мг/кг в выдыхаемом воздухе крысы
выделяется 68 % сероуглерода, а при дозе 80 мг/кг — почти 100 %. При дозе
фторбензола 0,5 мг/кг крыса выдыхает 42 % неизмененного вещества, а при
дозе 1 мг/кг — 65 %.
Может быть случай, когда попавшее в организм вещество элиминируется
за счет метаболизма двумя независимыми путями. Классическим является
пример связывания бензойной кислоты или ее производных с глюкуроновой
кислотой и параллельно — с глицином. При этом реакция с глицином
нелинейна и в случае достаточно больших количеств бензойной кислоты ее
скорость ограничивается запасом свободного глицина. Образование же глю-
куронида обычно следует кинетике первого порядка. Очевидно, что приве-
денное выше рассмотрение полностью подходит и для этого случая.
Обратимся вкратце к нелинейным эффектам накопления ксенобиотиков
в биологической системе. Линейное накопление пропорционально дозе или
концентрации. Оно предусматривает сколь угодно высокое накопление ве-
щества в организме при увеличении его дозы. Понятно, что такой случай
нереален. Ввиду ограниченности объема организма и любой его ткани в них
может накопиться только ограниченное количество вещества. Для каждой
ткани существует свой предел насыщения веществом. Для разных веществ
этот предел различен, но он ограничивает возможность дальнейшего по-
ступления вещества в ткань, что проявляется возникновением нелинейнос-
ти. Уравнения таких процессов сложны и для работы с ними необходимо
обращаться к компьютерам с соответствующими программами. По существу
все простые уравнения мы представили в настоящей главе.
Следует подчеркнуть, что в большинстве практических случаев нелиней-
ные эффекты не имеют значения и могут не приниматься во внимание.
Особенно это относится к области гигиенической токсикологии, где посту-
пающие в организм количества ксенобиотиков, как правило, невелики. В этих
случаях кинетические процессы протекают в зоне линейных участков и
отклонения либо отсутствуют вовсе, либо малы. Нелинейность обычно
58
проявляется зависимостью кинетических параметров от дозы или концент-
рации вещества, а также их изменением во времени. С теоретической точки
зрения правомочно предложение И.В.Саноцкого [12] использовать переход
к нелинейным эффектам в качестве одной из характеристик вредного дей-
ствия ксенобиотиков. Подробнее этот вопрос рассмотрен в [15]. К сожале-
нию, практически этот переход трудно определяем, да и причины возник-
новения нелинейности различны.
2.4.6. Факторы, модифицирующие хемобиокинетику
Кинетические закономерности прохождения ксенобиотиков через организм
могут изменяться, как правило, количественно, в зависимости от многих условий.
Последний из известных нам обзоров о модификации хемобиокинетики был
опубликован в 1984 г. [19]. С тех пор появилось множество исследований,
авторы которых на конкретных примерах изучали действие тех или иных
факторов на кинетику веществ в организме или его отдельных частях. Мы
попытались классифицировать эти факторы и представить их в виде таблицы
(табл. 2.1). При этом в таблице нет указаний на направленность и интенсив-
ность модификаций; нам представляется, что этого сделать просто нельзя.
Таблица 2.1. Классификация факторов, модифицирующих хемобиокинетику
Название группы факторов Факторы, входящие в группу
Факторы, связанные с биологичес- ким объектом Индивидуальные особенности (генотип, фенотип) Время Возраст Пол ‘ Масса тела Видовые особенности Этнический фактор . ,.
Физиологические факторы Пища Физическая нагрузка Сон и положение тела Стресс Гемодинамические факторы Беременность и роды • Лактация. Яйценоскость кур и др. Циркадные ритмы ю
Патологические состояния Патология — печени — почек * — сердечно-сосудистая ’ Инфекция, воспаление, лихорадка 1 Заболевания эндокринной системы Метаболические нарушения Кистозный фиброз Онкологические заболевания Ожог
Факторы, связанные с окружающей средой Алкоголизм, наркомания Сезон года Температура
Факторы, связанные с формой по- ступления ксенобиотиков в орга- низм Давление кислорода г, Величина дозы, концентрация Режим поступления веществ в организм Путь поступления Форма поступления (лекарственная форма)
59
Продолжение
Название группы факторов Факторы, входящие в группу
Взаимодействие ксенобиотиков в Комплексоны
организме Курение Алкоголь
Различные загрязнители Лекарства и др.
Структура веществ и их физико-хи- Г омологи
мические свойства Изомеры Энантиомеры
,Г\ . ' Vil. Радикалы и др. ,,
Понятно, что эта таблица может быть дополнена. Однако она позволяет
в достаточной степени ориентироваться в возможных влияниях на течение
кинетических процессов с ксенобиотиками в организме. В случае действия
нескольких факторов одновременно картина их влияния может быть весьма
сложной.
2.4.7. Особенности хемобиокинетики аэрозолей
Аэрозоли составляют значительную часть токсичных загрязнителей ат-
мосферы и воздуха производственных помещений, а для таких классов веществ,
как металлы, их оксиды, соли и др., загрязнение воздушной среды встречается
почти исключительно в аэрозольной форме. Многие из этих веществ характе-
ризуются низкой растворимостью и даже практически нерастворимы, одна-
ко хроническая аэрозольная экспозиция приводит к развитию не только
местных патологических изменений респираторного тракта (хронические
бронхиты, силикоз и другие пневмокониозы), лишь условно, хотя и тради-
ционно выведенных за пределы интересов собственно токсикологии, но и
типичных интоксикаций (например, свинцовой). Ключом к пониманию
этих процессов и обязательным условием как грамотной оценки токсико-
аэрозольной экспозиции человека, так и ее адекватного моделирования в
эксперименте на животных является анализ токсикокинетики аэрозолей,
которая на первых и важнейших своих стадиях принципиально отличается
от токсикокинетики газов.
Анатомо-функциональные особенности респираторного тракта, вырабо-
танные эволюцией в направлении оптимизации условий газообмена — меж-
ду воздухом и кровью, а также строгого “кондиционирования” физических
характеристик воздуха, достигающего глубоких дыхательных путей, одновре-
менно делают органы дыхания почти идеальным “пылезадерживающим уст-
ройством”. В результате масса пыли, которая за относительно короткий срок
откладывается в них при дыхании даже обычным атмосферным воздухом,
могла бы оказаться несовместимой с жизнью, если бы та же эволюция не
обеспечила развитие физиологических механизмов самоочищения дыхатель-
ных путей от пылевых частиц, оседающих на их поверхности.
Действительно, два основных звена процесса самоочищения: фагоцитоз
частиц на свободной поверхности органов дыхания и мукоцилиарный транс-
порт, обнаруживаются уже в легких земноводных, т.е. на той эволюционной
ступени, на которой респираторный тракт как таковой еще только начинает
формироваться. Понятно, что иначе переход позвоночных к дыханию воз-
духом был бы невозможен. Хотя механизмы самоочищения функционируют
60
непрерывно, однако практически непрерывен (варьируя лишь по интенсив-
ности) и процесс отложения частиц из вдыхаемого воздуха. В силу того что
рассматриваемая ниже регуляция указанных механизмов адаптирует их к
уровню и характеру аэрозольной нагрузки с неизбежным запаздыванием,
динамическое равновесие между отложением и элиминацией не достигает
полной “чистоты” легких, в которых всегда оказывается задержанной та или
иная масса ингалированных частиц. Токсикокинетическое значение этой
массы двояко: с одной стороны, она определяет интенсивность местного
патологического процесса, вызываемого в легочной ткани накапливающим-
ся в них пульмонотоксичным и/или фиброгенным материалом, а с другой —
служит тем “депо”, из которого токсическое вещество может тем или иным
путем оказать действие на другие органы и ткани.
Поэтому для токсиколога необходимо прежде всего достаточно глубокое
знакомство с основными закономерностями отложения, элиминации и за-
держки ингалируемых частиц. Недоучет этих закономерностей или даже
принципиально неверные представления о них нередко служат основой
экспериментальных артефактов и необоснованных выводов. Иногда возни-
кают недоразумения и в связи с терминологическими неточностями; по-
этому имеет смысл дать краткое определение терминам, которые уже упо-
минались нами: “отложение”, “элиминация” и “задержка” частиц.
Под “отложением” подразумевается сепарация частиц из ингалирован-
ного воздуха за время полного дыхательного цикла, обусловленная различ-
ными причинами контакта этих частиц с поверхностью дыхательных путей
на любом уровне последних. Мерой отложения является разность между
концентрациями частиц в выдыхаемом и вдыхаемом воздухе. При его тео-
ретическом описании и моделировании респираторный тракт обычно делит-
ся по глубине на три области: назофарингеальную, трахеобронхиальную и
пульмональную (нередко называемую также альвеолярной, хотя в нее вклю-
чаются не только альвеолы, но и в целом глубокие дыхательные пути ниже
верхней трети терминальной бронхиолы). Соответственно рассматривается
суммарное или же региональное отложение частиц.
Понятие “элиминация частиц” употребляется наряду с понятиями “ле-
гочное самоочищение”, или “клиренс”. Различают назофарингеальный, тра-
хеобронхиальный и альвеолярный клиренс, кинетика и механизмы которых
различны. Однако в целом под клиренсом понимается освобождение дыха-
тельных путей от частиц, отложившихся в них при ингаляции, независимо
от путей, механизмов и скорости этого процесса.
Термин “задержка” обозначает относительно стойкое накопление в лег-
ких и в региональных лимфатических узлах тех частиц, которые не были
элиминированы. Однако элиминация не ограничена во времени, с чем
связана недостаточно четкая количественная определенность понятия “за-
держка” и ее оценок. Как будет ясно из дальнейшего, при хронически
постоянной пылевой экспозиции со временем может установиться более или
Менее стойкое равновесие между отложением и элиминацией частиц, т.е.
задержанная их масса более не нарастает. Однако чаще всего идет речь не
° такой равновесной задержке, а о массе вещества в легких через то или
иное время после кратковременной ингаляционной экспозиции.
Отложение частиц при дыхании. Не всегда учитывается, что концентра-
ция частиц в окружающем воздухе, даже измеренная непосредственно возле
головы, не эквивалентна концентрации в воздухе, входящем в верхние
Дыхательные пути, т.е. в ингалированном. Завышенная оценка последней
может обусловить завышенную же оценку степени отложения частиц в
61
дыхательных путях и в целом — токсической аэрозольной экспозиции. Это
связано с тем, что аэродинамические характеристики воздушного потока,
втягиваемого в ноздри, обусловливают определенную сепарацию витающих
в нем частиц по размерам, форме и плотности или, в общем выражении,
по аэродинамическим диаметрам (АД). Это обусловливает неодинаковую
“ингалябильность” частиц разного АД, которая зависит также от объема
дыхания и подвижности окружающего воздуха. Так, ингалируемая фракция
аэрозоля при объеме дыхания, соответствующем умеренной физической
нагрузке, и ветре не более 8 м/с равна приблизительно 100 % для мельчай-
ших частиц, но снижается до 50—55 % для частиц с АД 20—30 мкм, более
не изменяясь с увеличением АД до 100 мкм [81].
Следовательно, те относительно крупные частицы, которых в наиболее
распространенных полидисперсных аэрозолях дезинтеграции обычно не-
много по числу, но на которые приходится значительная или преобладаю-
щая часть суммарной массы витающей пыли, могут наполовину вообще не
попасть в дыхательные пути. Между тем пока практически не решена
важнейшая задача создания таких пробоотборников, которые адекватно
моделировали бы ингаляцию аэрозолей человеком, т.е. позволяли бы изме-
рять не суммарную концентрацию пыли, а именно “ингалябильную” ее
фракцию. Этот термин не следует путать с понятием “респирабельная”
фракция, о котором речь пойдет ниже. Не разработан теоретически и вопрос
о вероятных межвидовых различиях “ингалябильности”, т.е. нет пока уве-
ренности в том, что ингалябильная фракция суммарной концентрации аэро-
золя для человека и лабораторных животных совпадает.
Дальнейшая судьба ингалированных частиц, т.е. вероятность их отложе-
ния, определяется в основном тремя физическими механизмами: седимен-
тацией, импакцией и диффузией. Седиментация (осаждение), т.е. равномер-
ное прямолинейное движение частиц книзу при уравновешивании силы
тяжести силой сопротивления вязкой среды описывается известным физи-
ческим законом Стокса. Скорость такого движения пропорциональна вто-
рой степени диаметра сферической частицы и лишь первой степени ее
плотности. Импакция, или инерционное отделение аэрозольной частицы,
происходит при резком изменении направления воздушного потока, когда
частица продолжает движение в прежнем направлении и ударяется о по-
верхность слизистой оболочки дыхательных путей. Диффузионный меха-
низм связан с хаотическим (броуновским) движением мельчайших частиц,
размеры которых соизмеримы с длиной свободного пробега газовых молекул
и которые поэтому оказываются под неуравновешенными ударами послед-
них. Чем интенсивнее такое хаотическое движение частицы и чем ближе ее
среднее положение к поверхности слизистой оболочки, тем выше вероят-
ность ее соударения с этой поверхностью и отложения на ней. Наряду с
перечисленными основными механизмами более или менее важная роль
принадлежит электростатическому отложению тех частиц, которые несут
электрический заряд.
Вклад всех этих механизмов в отложение частиц разного диаметра и на
разных уровнях респираторного тракта существенно неодинаков, что и оп-
ределяет основные закономерности как суммарного, так и регионального
отложения аэрозолей при дыхании. Так, вероятность седиментационного
отложения возрастает с увеличением АД, т.е. с повышением скорости седи-
ментации и уменьшением среднего расстояния от взвешенной в воздухе
частицы до подлежащей поверхности слизистой (т.е. с уменьшением диа-
метра дыхательной трубки) и со снижением скорости воздушного потока,
62
“сносящего” эту частицу в направлении своего движения и тем препятст-
вующего ее оседанию (эта скорость тем ниже, чем глубже дыхательные
пути). Поэтому если суммарное отложение нарастает с увеличением АД, то
иля отложения регионального зависимость от размера частицы более слож-
на Относительно крупные частицы, отлагаясь в вышележащей области
респираторного тракта, тем самым не могут проникнуть или только частич-
но проникают в нижележащую, что снижает вероятность их отложения в
последней. Например, исследователи [73] нашли, что альвеолярное отложе-
ние нарастает с увеличением АД только до приблизительно 4 мкм, а при
дальнейшем увеличении АД оно снижается. При этом в альвеолярную (пуль-
мональную) область вообще не проникают частицы с АД 15 мкм, в то время
как частицы до 2—2,5 мкм только здесь и отлагаются, поскольку они
практически не успевают осесть в вышележащих областях.
Инерционный механизм отложения действителен только для частиц с
достаточно большой массой и при этом требует достаточно высокой ско-
рости воздушного потока перед изменением его направления. Поэтому вклад
этого механизма в трахеобронхиальное отложение невелик, а в пульмональ-
ное — ничтожен, но он существен для назофарингеальной области, где бла-
годаря импакции отлагаются наиболее крупные пылевые частицы. Вместе с
тем в этой области существенную роль играет и диффузионный механизм
отложения мельчайших частиц, по-видимому, в связи с тем, что турбулент-
ность потока воздуха в носовых ходах, глотке и гортани повышает вероят-
ность приближения пылевых частиц к слизистой оболочке на такое рассто-
яние, которое делает возможным их удар о слизистую оболочку в результате
броуновского движения. Обычно принимается, что ниже верхней части
трахеи воздушный поток ламинарен, однако в пульмональной области рас-
стояние даже от оси потока до поверхности слизистой оболочки настолько
мало, что вероятность диффузионного отложения вновь возрастает. Естест-
венно, что как в назофарингеальной, так и в пульмональной области этот
механизм обусловливает отложение только тех мельчайших частиц, которые
способны к броуновскому движению. Большинством исследователей при-
нимается, что как общее, так и альвеолярное отложение, достигнув мини-
мума при АД приблизительно 0,2—0,4 мкм (в силу закономерностей седи-
ментации), с дальнейшим уменьшением диаметра частиц резко возрастает
за счет диффузионного механизма. Этот теоретический прогноз закладыва-
ется во все математические модели отложения аэрозолей, однако он недо-
статочно подтвержден экспериментальными данными.
Математические модели отложения аэрозолей при дыхании предлагались
многими авторами, однако до сих пор задача не решена. Некоторые модели
строятся эмпирически, т.е. представляют собой математическую функцию,
аппроксимирующую набор конкретных экспериментальных данных, полу-
ченных в опытах на добровольцах. Примером подобной модели может
служить уравнение для расчета так называемого фактора отложения (Хм):
xM = pg£--1.43Ylg
I ио I
-B/A-V (_1?[24/Q/Qq
Po^oJ ('о]
A d -—.диаметр частицы (от 0,5 до 8 мкм), р — ее плотность (от 0,91 до
’ г'см )< Q — средняя объемная скорость дыхания, t — длительность ды-
ельного полуцикла (при Qo = 1 мл/с, р0 = 1 г/см\ d0 =1 мкм, t0 = 1 с).
5—1о^ значении Хм от -1,0 до 0 суммарное отложение составляет всего
~~ 7о, но с увеличением Хм от 0 до приблизительно 3,0 нарастает до
63
90—95 %, причем уже при Хм > 2,5 появляется тенденция к выходу отло-
жения на “плато”. Заслуживает внимания то, что модель учитывает не
только размер и плотность частицы, но и физиологические параметры ды-
хания.
В той или иной форме характеристики дыхания принимаются во вни-
мание и рассматриваемыми ниже теоретическими моделями, которые обыч-
но прогнозируют снижение степени отложения с повышением частоты
дыхания и повышение степени отложения с увеличением дыхательного
объема. Однако при реальной физической работе легочная вентиляция до
определенного предела возрастает за счет примерно равного вклада обоих
названных факторов, а при особо тяжелых нагрузках дальнейшее ее увели-
чение достигается только благодаря увеличению дыхательного объема. При
заданном режиме дыхания, соответствующем именно такой тяжелой работе,
в эксперименте на добровольцах показано увеличение степени суммарного
отложения частиц по сравнению с произвольным спокойным дыханием.
Отложение в пульмональной области, по-видимому, более всего зависит от
длительности вдоха [73]. Необходимо, однако, не упускать из виду, что речь
идет о той или иной зависимости от характеристики дыхания не абсолют-
ного, а относительного отложения (т.е. доли частиц, отлагающейся в дыха-
тельных путях). Между тем в любом случае физическая работа связана с
повышением минутного объема дыхания, т.е. количества ингалированной,
а следовательно, и отложившейся пыли.
Возвращаясь к проблеме математического моделирования отложения,
перейдем ко второму классу моделей, которые строились на основе матема-
тического описания основных физических механизмов отложения и той или
иной геометрической модели респираторного тракта, причем эксперимен-
тальные данные на добровольцах использовались не столько для подбора
параметров таких моделей, сколько для проверки основанного на них про-
гноза. В 1966 г. несколько ранее предложенных моделей подобного рода
были обобщены специальной Рабочей группой по легочной динамике Меж-
дународного комитета радиационной защиты (МКРЗ) первоначально для
внутренней дозиметрии радиоактивных аэрозолей [31]. Вскоре эта модель
МКРЗ начала широко использоваться и для решения разнообразных задач,
связанных с прогнозированием опасности фиброгенных и токсических аэро-
золей.
На рис. 2.18 показан пример основанного на этой модели прогноза
регионального отложения частиц разного АД при заданных характеристиках
дыхания. Однако более поздние исследования поставили под сомнение
некоторые параметры модели МКРЗ, хотя лишь в редких случаях подвергали
ревизии ее теоретические основы. Так, судя по модели МКРЗ (см. рис. 2.18)
в доверительные границы пульмонального отложения попадает заметная
доля частиц и значительно большего диаметра чем 15 мкм, отложение
которых в этой области не подтверждается упоминавшимися выше экспе-
риментальными данными. Судя по тем же данным, модель МКРЗ несколько
переоценивает и трахеобронхиальное отложение частиц с АД 1—2 мкм [73].
Показано было также [40], что частицы с АД 0,5—1,0 мкм отлагаются всего
на 10—15 %, т.е. гораздо менее эффективно, чем прогнозирует модель
МКРЗ, причем в указанном диапазоне не обнаруживается зависимости
отложения от величины АД. По данным [38], модель МКРЗ резко переоце-
нивает отложение частиц с АД менее 0,5 мкм и более 7 мкм. Имеются
данные, что суммарное отложение частиц с АД 0,08 мкм равно всего 9 %
при дыхании ртом и 18 % при дыхании носом, что косвенно подтверждает
Рис. 2.18. График регионального
отложения частиц в респира-
торном тракте человека при 15
дыханиях в минуту с дыхатель-
ным объемом 1450 мл, прогнози-
руемого на основе модели МКРЗ
[Brain J.D., 1974].
По оси абсцисс — АД (в мкм); по
оси ординат — доля отложившихся
частиц (в %), в назофарингеальной
(N-Ph), трахеобронхиальной (Т-В) и
пульмональной (Р) областях.
роль броуновского движения в назофарингеальном отложении, однако в
целом этот результат намного ниже прогнозируемого той же моделью. Вмес-
те с тем для более крупных частиц некоторыми исследователями получались
достаточно хорошо согласующиеся с нею данные [45].
Возможно, что расхождения между прогнозируемым и наблюдаемым от-
ложением хотя бы отчасти объясняются тем, что ни модель МКРЗ, ни
какие-либо другие модели суммарного и регионального отложения аэрозолей не
принимают в расчет электростатический механизм. Как известно, большая
или меньшая, но почти всегда преобладающая доля витающих пылевых
частиц несет электрический заряд, возникающий либо в результате трения
при дезинтеграции пылеобразующего материала, либо при сорбции на этих
частицах легких аэроионов. Соотношение между частицами с зарядом раз-
ного знака обычно близко к симметричному; величина заряда варьирует от
нескольких до десятков и даже сотен элементарных зарядов и пропорцио-
нальна величине частицы. Еще в 1948 г. И.И.Лифшиц и соавт. отметили,
что электрозаряженные частицы маршалитовой и алюминиевой пылей об-
ладают в несколько раз более высокой способностью отлагаться в легких
человека по сравнению с электронейтральными. Математическое описание
электростатического отложения, предложенное Н.А.Фуксом [21], было позд-
нее подтверждено тщательно проведенными экспериментами с монодис-
персными аэрозолями заданного АД, униполярно заряженными пропуска-
нием через коронирующий разряд [67]. В частности, показано, что имеет
значение не знак, а лишь величина заряда частицы.
Особые сложности возникают при прогнозировании отложения гигро-
скопичных частиц, способных к увеличению диаметра по мере прохождения
респираторного тракта и насыщения воздуха водяными парами, за счет чего
существенно увеличивается их суммарное и изменяется региональное отло-
жение.
Все модели отложения гомогенны, т.е. рассматривают как аэродинами-
чески эквивалентные дыхательные пути одного порядка независимо от их
расположения по вертикальной оси. Вместе с тем анализ, учитывающий
неравномерность вентиляции разных отделов легких, указывает на то, что
65
наибольшая часть отложения ингалируемых частиц приходится на базаль-
ные, наименьшая — на апикальные отделы легких, причем эта неравномер-
ность уменьшается с увеличением дыхательного объема [70].
Как бы ни уточнялись математические модели отложения частиц в
легких, они в состоянии дать лишь усредненную его оценку и сами по себе
недостаточны для индивидуального прогнозирования опасности аэрозоль-
ной экспозиции, поскольку существует широкая межиндивидуальная вари-
абельность отложения. Укажем лишь на два подобных исследования. G.Tar-
roni и соавт. [76] показали, что суммарное отложение негигроскопичных
сферических частиц плотностью 1 г/см' и диаметром 0,3 мкм варьирует у
разных здоровых испытуемых от 8,7 до 21,4 %; у них же широка межинди-
видуальная вариабельность отложения частиц диаметром 0,6 мкм, причем
для этих частиц найдена корреляция отложения с резервным объемом вы-
доха. По данным [72], для разных аэрозолей и разных режимов дыхания
степень межиндивидуальной вариабельности отложения различна, но всегда
достаточно велика; коэффициент вариации от 14,3 до 60 % для альвеоляр-
ного отложения и примерно в тех же пределах для трахеобронхиального и
назофарингеального. Возможно, что эта вариабельность связана с индиви-
дуальными особенностями геометрии дыхательных путей.
Наряду с этим показано, что суммарное отложение в легких частиц
диаметром 1,0 мкм усиливается с нарастанием патологии обструктивного
типа и даже у бессимптомных курильщиков выше, чем у некурящих здоро-
вых испытуемых [57]. Это объясняется повышением эффективности седи-
ментационного отложения в связи с уменьшением диаметра мелких и мель-
чайших бронхов и замедлением тока воздуха. Наконец, важно отметить, что
при математическом моделировании отложения тонкодисперсных аэрозолей
с учетом возрастных морфометрических и функциональных особенностей
респираторного тракта прогнозируется более высокая степень отложения у
детей, особенно при расчете дозы отложившихся частиц на единицу поверх-
ности дыхательных путей, причем во всех областях (за исключением альве-
олярного отложения у новорожденных) [83].
При экстраполяции на человека данных экспериментального моделиро-
вания аэрозольных интоксикаций у животных (в том числе при использо-
вании этих данных для гигиенической регламентации) редко уделяется
должное внимание вопросу о межвидовых различиях отложения ингалиру-
емых частиц. Между тем если межвидовые различия “ингалябильности”, как
было отмечено выше, практически не изучены, то межвидовые различия
отложения несомненны. Согласно теоретическим соображениям и согласу-
ющимися с ними экспериментальными данными, полученными на мышах,
крысах, хомячках, кроликах и собаках, оно в целом пропорционально ве-
личине легочной вентиляции в расчете на единицу массы тела [64]. Экстра-
полируя эту зависимость, можно заключить, что у человека отложение
частиц относительно ниже, чем у мелких лабораторных животных. Иными
словами, при равных концентрациях частиц в ингалированном воздухе до-
зовая нагрузка на легкие подопытной крысы заведомо выше, чем на легкие
человека. Однако задача экстраполяции, как будет показано далее, значи-
тельно усложняется тем, что у этих видов существенно различны также
кинетические параметры элиминации, а следовательно, и задержки частиИ
в легких, которые у мелких животных (особенно у крыс) самоочищаются
значительно быстрее.
Задержка отложившихся частиц. Частицы хорошо растворимых веществ
либо превращаются в капельки соответствующих растворов еще в насыщен*
66
водяными парами воздухе дыхательных путей, либо растворяются вско-
НО,после отложения в них. Для таких частиц резорбция в кровь и отчасти
Ре фу является основным механизмом элиминации из респираторных
В ганов но одновременно и механизмом пульмонотоксического, а также
°бШетоксического действия. Однако, как уже подчеркивалось выше, для
большого класса аэрозолей весьма существенное значение имеет длительная
япержка пыли в легочной ткани частиц, характеризующихся крайне низкой
астворимостью, основные механизмы элиминации которых подчиняются
не физическим, а физиологическим закономерностям, хотя и для таких
частиц вклад растворения в кинетику легочного клиренса не всегда может
быть сброшен со счетов.
Даже для практически нерастворимой минеральной пыли сопоставление
той ее массы, которая обнаруживается посмертно в легких человека после
многолетней профессиональной экспозиции, с расчетным отложением за
тот же период, свидетельствует о том, что 98—99 % отложившейся пыли по
массе были элиминированы [49]. Это хорошо согласуется с прогнозом,
основанным на математических моделях отложения и клиренса, согласно
которому к концу 25-летнего периода работы в пыльной атмосфере в легких
должно остаться лишь 1,5 % всей той массы пыли, которая вошла в них за
весь этот период [45]. Все подобные оценки свидетельствуют о высокой
эффективности физиологических механизмов клиренса. Наряду с этим про-
водились и эксперименты на добровольцах, ингалировавших меченые мо-
нодисперсные тест-аэрозол и, с последующей регистрацией внешнего гамма-
излучения грудной клетки, которые дают непосредственную оценку инди-
видуальной эффективности легочного клиренса за то или иное (обычно не
превышающее несколько дней) время после разовой экспозиции. По дан-
ным этих экспериментов, задержка частиц к концу фиксированного отрезка
времени является весьма стабильной характеристикой каждого испытуемого,
но у разных лиц различается до 2—5 раз [26].
Эксперименты на добровольцах и животных свидетельствуют о том, что
раньше и полнее всего выводятся более крупные частицы. Наиболее просто
это объясняется тем, что чем больше АД частицы, тем на более высоком
уровне дыхательных путей находится максимум ее отложения, а следова-
тельно, тем короче путь ее транспорта из респираторного тракта в глотку.
Не следует забывать, однако, что при последующем прохождении через ЖКТ
частицы могут оказаться более растворимыми в кислом или щелочном
содержимом, и таким образом, не столько накопление подобного материала
в легочной ткани, сколько процесс ее самоочищения оказывается основным
токсикокинетическим механизмом, обусловливающим резорбцию и разви-
тие хронической интоксикации. К тому же на эту фракцию аэрозоля при-
ходится основная часть его массы.
О существенных межвидовых различиях свидетельствуют многие данные:
апример, в одном эксперименте период полувыведения частиц 5^Fe из
альвеолярной области был найден равным 16 дням у кошки, 28 дням у
^Рысы, 280 дням у обезьяны и 300 дням у человека [62]. По данным [75],
амоочищение легких от ингалированных частиц дизельного выхлопа у крыс
нЛЧительно эффективнее, чем у морских свинок, причем только у послед-
заметно снижение накопленной массы этих частиц за время длительного
^экспозиционного периода.
Отличительной особенностью кинетики самоочищения легких, реги-
е Рируемой в вышеописанных экспериментах на людях и животных, явля-
я то, что ее не удается описать одной экспоненциальной функцией, но
67
кривая элиминации частиц обычно легко разлагается как минимум на две
такие функции вида
у = х0 e"w,
где х0 — количество вещества, первично отложившегося при разовой инга-
ляционной экспозиции, a t — прошедшее после нее время.
Значения константы скорости элиминации к для каждой функции су-
щественно различны, и поэтому в течение какого-то времени кинетика
самоочищения практически определяется тем процессом, который характе-
ризуется наибольшим значением к, а потом резко замедляется. Первая, так
называемая быстрая фаза клиренса связывается преимущественно с элими-
нацией частиц, первично отложившихся в трахеобронхиальной области,
“медленная фаза” — с элиминацией частиц из пульмональной области. Пе-
риод полувыведения Ti^ зависит от величины и других особенностей частиц,
но если для первой фазы он может измеряться часами, то для второй —
днями и неделями. Вместе с тем при более длительных постэкспозиционных
наблюдениях обнаруживается и третья, еще более медленная фаза, для
которой Ti^ измеряется многими месяцами, а то и годами. Если кинетика
второй фазы определяется элиминацией частиц преимущественно со сво-
бодной поверхности легочного ацинуса (морфологической единицы, при-
мерно соответствующей понятию “пульмональная область”), то третью, еще
более замедленную фазу связывают с выведением из легких тех частиц,
которые проникли в интерстициальную ткань или иным образом оказались
“фиксированными” в легких [35].
Необходимо подчеркнуть, что самоочищение всех областей респираторного
тракта начинается одновременно и протекает параллельно. Тем не менее за
первой фазой утвердилось условное наименование “трахеобронхиальный”,
а за второй — “пульмональный”, или “альвеолярный”, клиренс.
Трахеобронхиальный клиренс. Клиренс частиц, первично отложившихся в
трахеобронхиальной области либо попавших в нее в результате перемещения
из пульмональной, осуществляется вместе с транспортом слизи, побуждае-
мым мерцательной активностью клеток реснитчатого эпителия. Таков же
основной механизм самоочищения назофарингеальной области. Нередко
поэтому говорят о “мукоцилиарном клиренсе” или “мукоцилиарном эска-
латоре”. Слизь движется дискретными порциями в виде капелек диаметром
0,5—10 мкм или более крупных “бляшек”, образовавшихся в результате их
слияния. Участки однонаправленного и одновременного биения ресничек
охватывают от нескольких до нескольких сотен рядом расположенных кле-
ток. Между отдельными такими участками нет ни синхронизации, ни даже
строгой однонаправленности биения, но тем не менее ими обеспечивается
общее краниальное направление мерцательной активности в бронхах, трахее
и гортани и общее каудальное направление — в носовых ходах. Скорость
перемещения слизи постепенно нарастает и, по некоторым оценкам, в
трахее она в 20—40 раз выше, чем в терминальных бронхиолах. Надежные
результаты непосредственного измерения этой скорости имеются только ДЛЯ
трахеи. Например, у крыс она равна 7,4±2,6 мм/мин, у собак — от 4,1 Д°
15,6 мм/мин, у некурящих испытуемых — 18,5±6,0 мм/мин [71]. Учитывая
значительно более существенные различия линейных размеров респиратор-
ного тракта, легко увидеть, что, несмотря на меньшую скорость мукоцили-
арного транспорта у мелких животных по сравнению с человеком, он обес-
печивает более быстрое самоочищение трахеобронхиальной области.
При неадекватности мукоцилиарного транспорта величине пылевой на-
грузки на назофарингеальную и трахеобронхиальную области дополнитель-
68
удаление слизи и отложившихся на ней частиц обеспечивается соответ-
ноеенНо чиханьем и кашлем (или сморканием и отхаркиванием мокроты).
п Внако количественный вклад этих рефлекторных и поведенческих реакций
освобождение органов дыхания от пыли пока не оценен.
В Пульмональный клиренс. С позиций количественного прогнозирования
зможности образования того токсикокинетического “депо”, каким явля-
ся масса малорастворимых аэрозольных частиц, накопившихся в легких,
механизмы самоочищения так называемой пульмональной области пред-
ставляют наибольший интерес, поскольку именно в ней происходит наибо-
лее длительная задержка неэлиминированных частиц. Кроме того, именно
эта масса обусловливает интенсивность развития наиболее характерных
местных патологических реакций хронического типа.
Хотя эти механизмы выяснены далеко не полностью, что объясняется
практической невозможностью непосредственного наблюдения за процес-
сом однако ряд взаимно согласующихся косвенных аргументов позволяет
составить о нем достаточно обоснованное представление. Несомненно, что
частицы, отложившиеся на свободной поверхности легочного ацинуса, в
норме довольно быстро начинают переноситься в зону действия мукоцили-
арного эскалатора, начинающуюся выше границы между средней и верхней
третями терминальной бронхиолы, причем попадают сюда как свободно
лежащие пылинки, так и содержащие их фагоциты. Именно причины этого
переноса остаются предметом догадок и косвенных умозаключений. Так,
предполагается, что дыхательные экскурсии альвеол обусловливают своего
рода “прибойное движение” жидкой выстилки, содержащей особый поверх-
ностно-активный фосфолипид (легочный сурфактант), который выносит
частицы и клетки к устью ацинуса подобно тому, как морской прибой
выносит на берег плавающий в воде мусор. По мнению ряда авторов, играет
роль также присасывание этой жидкости на границе со слизью благодаря
продвижению последней под действием дистальных реснитчатых клеток.
Частицы, не выведенные из альвеолярной области по ее свободной
поверхности с помощью рассмотренных или иных физических механизмов,
оказываются в состоянии проникнуть (пенетрировать) через альвеолярную
стенку в тканевую жидкость подлежащей интерстициальной ткани, т.е. в
зону лимфатического дренажа легких. По-видимому, короткие лимфатичес-
кие пути, открывающиеся устьями в бронхиолах, либо особые так называе-
мые жидкостные вены в альвеолярной стенке приводят значительную часть
этой пенетрировавшей пыли опять-таки в зону действия мукоцилиарного
транспорта, по мнению одних авторов, преимущественно в свободном, по
мнению других, также в фагоцитированном состоянии. Надо сказать, что
ни силы, заставляющие частицу пенетрировать, ни пути, по которым эта
пенетрация происходит, не выяснены. Неясно, является она результатом
эндоцитоза частиц клетками альвеолярного эпителия либо связана с их
проникновением в межклеточные поры Кона.
Какая-то часть пенетрировавших частиц неизбежно остается в ткани
межальвеолярных перегородок или переносится по длинным лимфатичес-
им путям в периваскулярную и перибронхиальную ткань, под плевру, во
Угрилегочные лимфоидные образования, во внелегочные (региональные
отдаленные) лимфатические узлы, а с дальнейшим лимфотоком — и в
Ровь, причем на всех этапах движения частицы накапливаются в том или
ом количестве и могут быть фагоцитированы. Поэтому именно пенетра-
оог частиц создает основную предпосылку к длительной задержке их в
Р анизме, прежде всего в легких и лимфатических узлах. Способны ли к
69
этой пенетрации и дальнейшей транслокации только свободные (т.е. не
успевшие фагоцитироваться либо вновь освободившиеся после распада ко-
ниофага) пылевые частицы? Мнения исследователей по этому поводу до сих
пор противоречивы, однако косвенные аргументы в совокупности указыва-
ют на преимущественную роль свободных частиц. Хорошо известно, напри-
мер, что чем цитотоксичнее пыль, т.е. чем интенсивнее вызываемый ее
частицами распад макрофага, тем больше ее обнаруживается в региональных
лимфатических узлах, а это накопление, как ясно из сказанного выше,
служит своего рода маркером пенетрации частиц в альвеолах. Напротив',
защита макрофага от цитотоксического повреждения пылью, например по-
ливинилпиридин-М-оксидом или глутаминатом натрия, приводит к сниже-
нию задержки цитотоксичной кварцевой пыли в лимфатических узлах всегда
в еще большей степени, чем снижает задержку ее в легких.
С этих позиций роль фагоцитоза частиц на свободной поверхности
ацинуса в пульмональном клиренсе пыли легче всего может быть объяснена
именно тем, что для поглощенных частиц исчезает или во всяком случае
сводится к минимуму возможность пенетрации, а следовательно — стойкой
задержки, и тем самым повышается вероятность пассивного перемещения
их в как бы “упакованном” клеткой состоянии по свободной поверхности
в сторону трахеобронхиальной области легких. Следует учесть, что при очень
большом выходе фагоцитов создается опасность задержки этого перемеще-
ния в устье ацинуса, которое имеет значительно меньшую площадь, чем вся
дренируемая им поверхность. Таким образом, избыточная мобилизация фа-
гоцитирующих клеток может из механизма клиренса пыли превратиться в
дополнительный механизм ее задержки. Риск подобного неблагоприятного
варианта особенно велик при воздействии высокоцитотоксичных пылей,
которые в силу причин, рассматриваемых далее, вызывают особо активную
мобилизацию кониофагов.
Вместе с тем о важном значении фагоцитоза в самоочищении свидетель-
ствуют данные о снижении задержки пыли в легких при повышении резис-
тентности альвеолярных макрофагов к повреждению и распаду. Однако в
подобных случаях организм обеспечивает эффективное самоочищение легких
не только без увеличения, но даже при снижении числа участвующих в нем
клеток. Это важное обстоятельство является одним из фактов, свидетельству-
ющих о наличии регуляторного процесса, связывающего мобилизацию фа-
гоцитирующих пыль клеток с интенсивностью их повреждения этой пылью.
Реакция альвеолярного фагоцитоза. Поглощение пылевых частиц, отло-
жившихся из воздуха на поверхности альвеол, выстланной жидкостью и
легочным сурфактантом, осуществляется лежащими в этой выстилке много-
численными свободными фагоцитоспособными клетками. При дыхании
фильтрованным воздухом у животных эта клеточная популяция на 98—99 %
состоит из макрофагов с небольшой примесью лимфоцитов и полиморфно-
ядерных лейкоцитов. В обычных условиях содержания и особенно при
наличии обычных для лабораторных крыс воспалительных явлений в легких
доля полинуклеаров — особенно за счет нейтрофильных лейкоцитов (НЛ)
заметно возрастает; присутствуют они в составе популяции свободных аль-
веолярных клеток и у людей, особенно у курильщиков. Так называемые
альвеолярные макрофаги (AM) относятся, подобно макрофагам других ор-
ганов и моноцитам крови, к системе фагоцитирующих мононуклеаров
(СФМ) и подобно всем клеткам СФМ имеют костномозговое происхожде-
ние. Однако наряду с транспортом этих клеток из костного мозга с кровью
(в форме моноцита) в некоторых органах существует местный самоподдер"
70
аюшийся пул макрофагов-резидентов, который позволяет организму наи-
Ж*18 е оперативно и без лишней системной реакции кроветворения воспол-
бО\ местный расход макрофагов и отвечать на умеренные локальные по-
НЯТбности в повышении их числа. В частности, экспериментами D.H.Bow-
Г34] убедительно показано, что подобным источником AM служит пул
нтерстициальных легочных макрофагов (нередко обозначаемых как гисти-
Нциты)- Вместе с тем наряду с таким местным источником мобилизации
макрофагов на свободную поверхность альвеолярной области популяция
свободных AM может пополняться также за счет прямой мобилизации
моноцитов из крови, а отчасти и благодаря сохранившейся способности AM
к делению [35].
Поскольку макрофаги интерстициального легочного пула безусловно
фагоцитируют часть пылинок, пенетрировавших в интерстициум в свобод-
ном состоянии, они так же, как и AM, могут подвергаться более или менее
выраженному повреждающему действию поглощенных частиц вплоть до
потери жизнеспособности и разрушения. Однако те интерстициальные мак-
рофаги, которые при некоторой пылевой нагрузке все еще сохранили ак-
тивную подвижность, могут вынести эту пыль из интерстициума на свобод-
ную поверхность пульмональной области при их мобилизации в качестве
AM. Этот механизм является наиболее вероятной причиной того, что после
прекращения пылевых экспозиций в легких у животных сравнительно бы-
стро снижается задержанная масса пыли, а на фоне продолжающихся экс-
позиций — причиной упоминавшегося выше постепенного достижения
“плато” задержки [53].
Основным методом количественного изучения свободной клеточной по-
пуляции респираторного тракта являются подсчет и цитологическая харак-
теристика клеток в осадке промывной жидкости — так называемого брон-
хоальвеолярного лаважа (БАЛ). Отмечаемая при этом усиленная мобилиза-
ция клеток в ответ на отложение аэрозольных частиц часто именуется
“реакцией альвеолярного фагоцитоза” (РАФ). Резкое увеличение числа AM
в БАЛ после пылевого воздействия с последующим постепенным возвраще-
нием к исходному уровню, происходящим параллельно пульмональному
клиренсу, отмечено уже давно, что послужило важным аргументом в пользу
гипотезы о ключевой роли РАФ в качестве механизма этого клиренса.
Увеличение числа AM в БАЛ зависит не столько от массы, сколько от числа
введенных пылевых частиц, и при равной дозе по массе тем выше, чем
меньше диаметр частиц [34, 36]. Если учесть, что вероятность встречи AM
с отложившейся в альвеолярной области частицей не зависит от массы
последней, то такое приспособление реакции именно к числу частиц био-
логически целесообразно. Следует отметить лишь, что на число AM влияют
Два противонаправленных процесса: не только мобилизация новых клеток,
но и разрушение части AM. В зависимости от дозы пыли, интенсивности
ее повреждающего действия и времени, прошедшего после отложения час-
тиц, соотношение между этими влияниями может быть различным. Поэто-
му, хотя безусловно доказано, что чем цитотоксичнее пыль и чем выше ее
Доза, тем больше мобилизуется AM, однако при определенных дозах высо-
оцитотоксичных пылей нередко улавливается начальная фаза снижения
числа AM в БАЛ.
Вместе с тем при любом пылевом воздействии всегда еще более резко
выщается число НЛ в БАЛ, причем возрастает численное соотношение
меЖДУ НЛ и AM [51, 55]. Такая усиленная мобилизация НЛ тем более
РДЖена, чем цитотоксичнее пыль. Она зависит и от дозы пыли, нарастая
71
с ее увеличением не ступенчато, как мобилизация AM, а непрерывно, что,
по-видимому, соответствует единственному источнику мобилизации НЛ в
легкие (из циркулирующих НЛ крови). При одном и том же пылевом
воздействии мобилизация НЛ тем менее выражена, чем выше групповая или
индивидуальная резистентность AM к цитотоксическому действию.
Связь между количеством и соотношением клеток БАЛ, с одной сторо-
ны, и интенсивностью повреждения макрофагов — с другой, навела на
мысль, что продукты разрушения макрофага (ПРМ) могут играть роль
естественного регулятора РАФ, которая и адаптируется к указанному по-
вреждению в соответствии с количеством образующихся ПРМ. Эта гипотеза
придает особую роль компенсаторного механизма именно мобилизации НЛ,
которая таким образом рассматривается как важный вспомогательный ме-
ханизм альвеолярного клиренса. И, действительно, несмотря на то, что
единичный НЛ поглощает в среднем значительно меньше пылевых частиц,
чем может поглотить единичный AM, за счет резко возросшего числа НЛ
суммарное число фагоцитированных пылинок в обоих клеточных пулах
может оказаться вполне соизмеримым. Это в особенности справедливо для
высокоцитотоксичных пылевых частиц, которые не могут оказаться в боль-
шом числе и внутри единичного AM, поскольку верхний предел этого числа
ограничивается повреждением и гибелью клетки. Ограниченная же фагоци-
тарная активность единичного НЛ как бы предохраняет его от цитотокси-
ческого повреждения. Перенос части пылевой нагрузки на пул НЛ (наряду
с увеличением числа AM) снижает вероятность “перегрузки” единичного
AM и тем самым — вероятность его гибели, т.е. в конечном счете способ-
ствует повышению эффективности клиренса.
Очевидно, ограничению той “жадности”, с которой AM фагоцитируют
высокоцитотоксичные частицы, в определенной мере способствует и то, что
резкое возрастание общего числа AM при отложении в легких таких частиц
происходит не только благодаря миграции зрелых клеток из легочного
интерстициального пула макрофагов, но и за счет тех клеток, которые еще
не полностью адаптировались к условиям функционирования на свободной
поверхности альвеол, а также за счет моноцитов крови. Эффективный
клиренс, с одной стороны, требует такого ограничения (во всяком случае,
когда речь идет о цитотоксичной пыли), а с другой — невозможен без
фагоцитирования частиц, переводящего их из свободного, т.е. создающего
условия для пенетрации, во внутриклеточное положение. Поддержание
близкого к оптимуму соотношения между этими противонаправленными
запросами выступает в качестве одной из задач адаптации фагоцитарного
механизма клиренса к степени цитотоксичности пыли.
Роль ПРМ в адаптации РАФ к количеству и степени агрессивности
отложившихся пылевых частиц, а также соотношение такой ауторегуляции
клеточных механизмов пульмонального клиренса с нейрогуморальной регу-
ляцией детально рассмотрены Б.А.Кацнельсоном и соавт. [8].
Математическое моделирование процессов клиренса и задержки. Модель
кинетики аэрозолей в респираторном тракте, предложенная Рабочей груп-
пой МКРЗ наряду с уже рассматривавшимся нами математическим прогно^
зом отложения частиц в разных областях, дает также прогноз их дальнейшей
судьбы, т.е. элиминации и задержки. Было принято, что из всех трех облас-
тей (т.е. назофарингеальной, трахеобронхиальной и пульмональной) воз-
можны как всасывание растворяющегося вещества в кровь, так и трансло-
кация в ЖКТ, а из пульмональной области также в лимфатическую систему
(откуда они тоже могут попасть в кровь или же резорбироваться в результате
72
тепенного растворения). Для этой же области в отличие от двух других
пОС описывает два потока частиц в ЖКТ: относительно быстрый и
М°Досительно медленный. Все эти потоки характеризуются, во-первых, оп-
°еНеленным значением периода полувыведения (Т1Л), а во-вторых, — фик-
сированной оценкой той доли отложившегося вещества, которая выводится
менно данным потоком. При этом, учитывая в основном растворимость
Иецхества, все возможные аэрозоли были разделены на классы D (от days —
в и) W (ot weeks — недели) и Y (от years — годы), характеризующиеся
Разными скоростями клиренса, а также разными величинами задержки.
Например, для класса Y параметры модели таковы. Назофарингеальный
клиренс таких аэрозолей характеризуется величиной Ti^ = 4 мин, причем
поток в ЖКТ составляет 99 %, а в кровь — 1 %. Для трахеобронхиального
клиренса Ти = Ю мин ПРИ том же соотношении между потоками. Быстрый
поток в ЖкТ из пульмональной области составляет 40 % клиренса и осу-
ществляется с Т.л = 24 ч; остальные потоки из нее имеют Т\а = 360 дней,
причем на медленный поток в ЖКТ приходится также 40 %, на поток в
кровь — 5 % и в лимфу — 15 %.
Не следует, однако, упускать из виду не только крайне ориентировочный
характер этих оценок, но и то, что базировались они скорее на отсутствии
конкретных экспериментальных данных, чем на их обобщении. Весьма
сомнительны и теоретические основания, например, для допущения одной
и той же скорости для резорбции вещества в кровь, контролируемой его
растворимостью, для пенетрации в лимфоток, зависящей прежде всего от
цитотоксичности частиц, и для транспорта в ЖКТ, осуществляемого рядом
сопряженных физиологических механизмов. Нет оснований и для предпо-
ложения о постоянстве соотношения между потоками. Наоборот, как уже
упоминалось, сегодня совершенно несомненно, что поток в лимфатическую
систему может быть больше или меньше в зависимости от цитотоксичности
частиц; что аэрозоли аморфного диоксида кремния, хотя и относятся к тому
же классу, что и кварцевая пыль, задерживаются в пульмональной области
меньше в силу того, что их растворимость (а следовательно, способность
всасываться в кровь) хотя и очень мала в обоих случаях, но все же сущест-
венно различна. Отметим также, что принятая моделью неизокинетичность
вещества, отложившегося в любой описываемой ею области респираторного
тракта, и доступность определенного элиминационного потока из этой об-
ласти только для строго фиксированной части этого вещества означают, что
с позиций частевого моделирования хемобиокинетических процессов каж-
дая область должна была бы быть описана как система, состоящая более
чем из одной части. В частности, наиболее интересующая нас кинетика
задержки пыли в пульмональной области требовала бы для своего описания
ч-частевой модели, если согласиться с четырьмя элиминационными пото-
ками из нее, принятыми авторами модели МКРЗ. Однако в этой модели
связи между такими частями отсутствуют и ее прямой перевод на язык
частевого моделирования неосуществим. Не описывая внутренних связей
процесса, она не дает возможности моделировать основные физиологичес-
Ие закономерности его и тем самым прогнозировать кинетические эффекты
Факторов, которые влияют на различные его механизмы и звенья и могут
УЩественно изменить его эффективность.
<-ама по себе неизокинетичность частиц, выводимых из пульмональной
ласти, соответствует и теоретическим предпосылкам, и эксперименталь-
1м данным. Наиболее явна неодинаковая скорость выведения в сторону
УКоцилиарного эскалатора, т.е. в конечном счете в ЖКТ тех частиц,
73
Рис. 2.19. Схема 7-частевой модели кинетики задержки практически нерастворимых
частиц в легких и региональных лимфатических узлах [Katsnelson В.А., 1992; 1994].
которые с помощью тех или иных механизмов переносятся в этом направ-
лении со свободной поверхности альвеол, и тех, которые уже успели фик-
сироваться в интерстициальной легочной ткани. Так, в экспериментах на
людях M.R.Bailey и соавт. [30] отметили, что кинетика самоочищения пуль-
мональной области от нерастворимых частиц с АД 1 мкм описывается
двухэкспоненциальной функцией с Т1Л порядка десятков дней для “быстро-
го” и порядка сотен дней для “медленного” компонента. J.D.Brain [35]
полагает, что “как только частицы покидают поверхность альвеолы и пе-
нетрируют под эпителиальный барьер, их удаление замедляется” и дает для
человека следующие оценки Ti^ самоочищения пульмональной области: от
дней до месяцев для непенетрировавших и до тысячи дней — для пенетри-
ровавших частиц (см. рис. 2.18).
T.J.Smith [71] предложил многочастевую модель пульмонального клирен-
са и задержки, в которой как свободная поверхность альвеол, так и интер-
стициальная ткань описываются несколькими частями (например, “свобод-
ные частицы”, “частицы в макрофагах” двух гипотетических классов, “вре-
менные” и “инкапсулированные” частицы интерстициальной ткани). К со-
жалению, многие допущения этой модели являются чисто умозрительными
и не учитывают реальных путей и механизмов пульмонального клиренса и
задержки (в том числе роли НЛ), а некоторые основанные на ней прогнозы
не соответствуют имеющимся эпидемиологическим данным. Нами была
предложена семичастевая модель, основанная на развитых в этой главе
представлениях (рис. 2.19).
Xi обозначает количество частиц в каждой части, Kij — константу ско-
рости переноса частиц из части j в часть i (kyoo — в ЖК.Т), w — постоянную
отложения частиц в пульмональной области из воздуха. Модель позволила
имитировать сдвиги, происходящие в результате “поломки” макрофагально-
74
механизма и нейтрофильной компенсации, а также различия кинетики
Г° пи связанные с зашитой макрофагов от повреждения действием глута-
пь1ната натрия [53]. С помощью этой же модели, вводя в ее константы
М*пько те изменения, которые соответствуют различиям пылей по степени
Т°тотоксичности, удалось хорошо имитировать экспериментальные данные
ЦИ кинетике накопления в легких и лимфатических узлах не только той
Пвапцитной пыли, для которой эти константы были первоначально найдены,
но и значительно менее склонной к такому накоплению малоцитотоксичной
пыли диоксида титана, а также значительно более к нему склонного высо-
коцитотоксичного кварца DQ12 [9, 54]. Тем самым находят подтверждение
те основные теоретические положения, на которые эта модель опирается:
способность только свободных частиц к пенетрации в интерстициум и к
переносу в лимфатические узлы, вспомогательная роль нейтрофильного
фагоцитоза, наличие обратного потока пыли макрофагами, мобилизуемыми
на свободную поверхность пульмональной области.
Позднее была предложена в принципе сходная модель, развитая шот-
ландскими исследователями с учетом наших теоретических положений [79].
Из иных представлений исходят W.Stober и соавт. [74], в многочастевой
модели которых описывается предполагаемый перенос пыли с макрофагами
не из интерстициума, а в него. Эта модель, хотя и дает хорошую аппрокси-
мацию экспериментальных данных по задержке многих пылей, оказывается
не в состоянии имитировать даже тенденцию к выходу на “плато”. Кроме
того, в ней нет связей, которые позволили бы прогнозировать кинетические
эффекты различной цитотоксичности частиц или действия цитопротекто-
ров, как это легко удается с помощью нашей модели.
Однако для многих практических целей та же пульмональная задержка
может быть достаточно адекватно описана одночастевой моделью, на что
указывает возможность аппроксимации ее кинетики одноэкспоненциальной
функцией, рассмотренной ранее. Экспериментальные и секционные данные
о накоплении в легких пыли при хронической экспозиции, полученные в
разные сроки длительного ингаляционного периода, фактически оценивают
содержание пыли суммарно в частях Х4 и Xg нашей модели, поскольку чем
дольше длилась экспозиция, тем меньше относительный вклад тех частиц,
которые содержатся в остальных, быстро очищающихся частях. Этот вклад
не выходит за пределы ошибки определения суммарной массы пыли в легких
(отдельно можно в этих случаях рассматривать лишь часть Х5 — пыль в
лимфатических узлах). Развертывание такой одночастевой модели в более
сложные, дающие системное описание процесса, имеет смысл лишь для
теоретических прогнозов и только тогда, когда имеются хотя бы косвенные
данные для идентификации такой многочастевой модели, т.е. для придания
определенных численных значений ее константам, что случается достаточно
редко. Вместе с тем в некоторых особых случаях оправдано некоторое
Усложнение одночастевой модели длительной пульмональной задержки, даю-
щей простое математическое описание опытных данных. Например, для
писания хронической задержки асбестовой пыли в эксперименте R.E.Bol-
°п и соавт. [33] была предложена модель с “перегрузкой” (т.е. с изменением
эффициента скорости элиминации после достижения некоторого уровня
адержки), а позднее [82] — модель с секвестрацией. В последнем случае в
Ульмональной области выделяется часть-"ловушка", неспособная к самоочи-
цы”ИЮ' В сУмме с лимфатическими узлами часть “инкапсулированные части-
является такой же ловушкой и в системной многочастевой модели [71].
Дело в том, что секционные и эпидемиологические данные некоторых
75
авторов согласуются с допущением, по которому после прекращения много-
летней пылевой экспозиции элиминация частиц, задержавшихся в легких
человека, пренебрежимо мала, так что моделью этой задержки вполне может
служить подобная часть-ловушка. Однако с лабораторными грызунами дело
обстоит совершенно иначе: за 8 нед после 40-недельной экспозиции масса
кварцевой пыли в легких заметно уменьшилась [66], так что безэлиминаци-
онная модель была бы совершенно неприемлемой (хотя для хуже элимини-
руемой асбестовой пыли модель с ловушкой и может оказаться адекватной).
При этом речь идет не о каких-либо принципиальных межвидовых разли-
чиях кинетики пыли, а лишь об упоминавшейся значительно меньшей
скорости ее элиминации у человека, что позволяет пренебречь самоочище-
нием легких за тот период жизни, который остается ему после многолетнего
“пылевого” стажа.
2.5. Количественная зависимость между структурой
и активностью ксенобиотиков при их биотрансформации
Исследование количественных зависимостей структура — биотрансформа-
ция — активность подразумевает построение математических моделей, по-
зволяющих количественно оценить сравнительную вероятность возникновения
токсического или иного биологического эффекта в ряду химических соединений.
Для получения таких зависимостей используются различные физико-хими-
ческие параметры, зависящие от структуры соединений. Для построения
наиболее обоснованных и надежных моделей связи структура — активность
необходимо понимание механизма интоксикации, которая, как показано в
предыдущей главе, непосредственно связана с биотрансформацией.
Биотрансформация — это биохимический процесс, в ходе которого вещест-
ва трансформируются под действием ферментных систем организма. Это
явление называют также метаболизмом или детоксикацией. Вместе с тем
определение “метаболизм” подразумевает усвоение организмом вещества в
качестве продукта питания, источника энергии. Очевидно, что далеко не все
чужеродные химические вещества могут играть эту роль, хотя их биотранс-
формация осуществляется в результате тех же химических реакций и с
участием тех же ферментных систем, что и биотрансформация продуктов
питания и эндогенных веществ.
В течение многих лет процесс превращения веществ в организме рас-
сматривался только как позитивное явление, направленное на уменьшение
токсичности, а случаи увеличения токсичности считались исключением и
получили название “летальный синтез”, поэтому термин “детоксикация”
был вполне оправдан. Однако, как будет показано ниже, с течением времени
накопилась информация о том, что повышение токсичности в результате
биохимических превращений веществ — скорее правило, чем исключение.
Поэтому термин “биотрансформация” более универсален и точен, чем ме-
таболизм или детоксикация.
Биотрансформация является важнейшей составляющей механизма хемо-
токсикокинетики и представляет собой сложный многостадийный процесс.
В ходе биотрансформации может образовываться ряд продуктов, часть из них
представляет собой соединения, менее опасные, чем исходные вещества, однако
другие могут быть более реакционноспособными, чем исходные, и вследствие
этого обладать более высокой биологической активностью. В предыдущей
главе подробно описаны биохимические механизмы метаболизма и токси-
ческого действия, а также обсуждены понятия “летальный распад” и “ле-
ьный синтез”. Процесс биотрансформации, в ходе которого образуются
Т сокоактивные продукты или промежуточные соединения, называется так-
ВЫ биоактивацией. Высокая химическая активность этих соединений опре-
же ет их способность легко связываться с биомолекулами. Взаимодействие
Омических веществ или продуктов их трансформации с биомолекулами
Хоедставляет собой ключевую реакцию механизма токсического действия.
Ключевая реакция запускает целый ряд биохимических и феноменологичес-
ких изменений' которые приводят к наблюдаемому токсическому эффекту.
Определение того, какой именно продукт трансформации (или исходное
вещество) участвует в этой ключевой реакции, позволяет теоретически обо-
сновать механизм токсического действия и выявить наиболее биологически
активное вещество.
В последние годы появились многочисленные экспериментальные и
теоретические исследования процессов биотрансформации, результаты ко-
торых приведены, например, в монографии [41]. Такие исследования вклю-
чают биологические эксперименты in vitro и in vivo, в ходе которых с
помощью методов современной аналитической химии (газожидкостная хро-
матография, масс-спектрометрия и др.) идентифицируются продукты био-
химических превращений, а также их аддукты с биомолекулами. Оценива-
ется также сравнительная токсичность исходных веществ и продуктов био-
трансформации.
Поскольку хемобиокинетика представляет собой сложный многостадий-
ный процесс взаимодействия вещества с организмом, нет и не может быть
универсального параметра или модели, с помощью которых можно было бы
описать все случаи интоксикации. Так, на первой стадии происходит аб-
сорбция вещества и транспорт его через липидные биомембраны и гидро-
фильные фрагменты клеток к активному центру, на котором происходит
биотрансформация вещества или его взаимодействие с рецептором. На этом
этапе важны такие показатели, как гидрофобность, растворимость, объем,
площадь поверхности молекулы. Эти параметры используются для построения
зависимостей структура — токсичность, описывающих неспецифическое дей-
ствие веществ, так называемые базовые модели. Базовая токсичность, опреде-
ляемая по этим моделям, соответствует случаю, когда эффект зависит в ос-
новном от дозы вещества, дошедшей до активного центра, а не от различий
в природе и скорости химического взаимодействия на этом центре.
Вторая стадия механизма токсического действия представляет собой
процесс биотрансформации с участием ферментов. На третьей стадии про-
исходит взаимодействие образовавшихся в ходе биотрансформации веществ
или интермедиатов с биомолекулами. На этой же стадии происходит взаи-
модействие стабильных веществ, не подвергающихся биотрансформации, с
биомолекулами-рецепторами, определяющее токсическое действие.
Вторая и третья стадии механизма взаимодействия представляют собой
химические реакции с участием ферментов, белков, ДНК. Если токсический
эффект определяется таким химическим взаимодействием, для описания
токсичности важны параметры, характеризующие реакционную способ-
ность. Физико-химические показатели, характеризующие каждую стадию
заимодействия в терминах патогенетической модели интоксикации, изло-
жены в работе [5].
Параметры реакционной способности веществ, в частности энергетичес-
е параметры, характеризующие вероятность (скорость, легкость) прохож-
нойИЯ химических реакций, могут быть рассчитаны методами вычислитель-
й, в частности квантовой, химии. Однако каждая стадия механизма вза-
77
имодействия вещества с организмом очень сложна для моделирования в
силу сложности структуры биомолекул, расчет электронных параметров для
которых на современном этапе практически невозможен. Поэтому при по-
строении соотношений структура — активность приходится использовать
параметры, характеризующие упрощенные модельные химические реакции
для описания более сложных биохимических взаимодействий. Так, в оксе-
ноидной модели действия монооксигеназ для построения соотношений
структура — активность рассчитывают параметры модельной реакции хими-
ческих веществ с атомарным кислородом [10].
Выбор параметров должен определяться тем, какая стадия взаимодейст-
вия является определяющей для веществ данного структурного ряда, т.е.
такой, на которой небольшие изменения химической структуры веществ
приводят к большой разнице в их токсичности.
В случае, когда определяющей стадией является взаимодействие веще-
ства с рецептором, необходимо рассчитывать параметры, характеризующие
электронное строение и реакционную способность самого вещества (энер-
гии высшей заполненной и нижней свободной молекулярных орбиталей,
заряды на атомах и т.д.). Если в результате экспериментальных исследований
установлено, что токсичность вещества определяется биоактивацией с об-
разованием высокореакционноспособных короткоживущих интермедиатов,
целесообразно рассчитывать параметры реакции, моделирующей реакцию
их образования [энергии образования интермедиатов A(AHf)], разности
энергий граничных орбиталей веществ (AEq,). Когда в результате биоакти-
вации образуются устойчивые высокотоксичные метаболиты, используются
параметры, характеризующие электронное строение и реакционную способ-
ность этих метаболитов (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Выбор электронных параметров для построения количественных
соотношений структура — активность
Ключевая стадия взаимодействия веще- ства с организмом Параметры Примеры
Взамодействие ве- Характеристики исходных ве- Полихлорированные дибензо-р- щества с рецептором ществ: заряды на атомах, энер- диоксины, полихлорированные гии граничных молекулярных ор- бифенилы, взаимодействие с биталей Аь-рецептором Биоактивация с обра- Характеристики модельной реак- 1. Общая токсичность замещен- зованием короткожи- ции биоактивации: энергия акти- ных бензолов вущих интермедиа- вации, разность полных энергий 2. Общая токсичность аромати- тов или теплот образования интер- ческих аминов медиата и исходного вещества 3. Мутагенность и метгемогло- бинобразующая активность аро- матических аминов 4. Общая токсичность алифати- ческих нитрилов 5. Канцерогенность и мутаген- ность ПАУ Биоактивация с обра- Характеристики метаболитов: Мутагенность алифатических га- зованием устойчивых энергии граничных молекуляр- логенсодержащих соединений с метаболитов, более ных орбиталей, заряды на ато- короткой цепью токсичных, чем ис- мах, электронные плотности на ходные вещества атомах на граничных орбиталях молекул метаболитов
Примечание. ПАУ — полициклические ароматические углеводороды.
78
J
Интенсивное развитие в последние годы экспериментальных исследова-
й механизма взаимодействия на молекулярном уровне с изучением хемо-
!?Иокинетики и идентификацией образовавшихся метаболитов позволяет
елать обоснованные предположения о том, какая стадия является опреде-
СдЮщей. Пример результатов такого исследования — схема метаболизма
хлор- и бромзамещенных алифатических соединений — пропанов, пропенов
пропанолов описан в монографии [60, 61]. В ходе исследования были
определены пути биотрансформации, промежуточные соединения и ста-
бильные высокотоксичные метаболиты — галогензамещенные ненасыщен-
ные альдегиды и кетоны, взаимодействием которых с биомолекулами и
определяет в основном токсическое действие этих веществ на млекопитаю-
щих. Различия в токсичности веществ этого ряда могут быть описаны с
использованием параметров, характеризующих реакционную способность
метаболитов.
Для исследования зависимостей структура — биотрансформация — ак-
тивность необходимо подобрать ряд структурно родственных соединений.
Этот этап может быть выполнен с использованием компьютерных инфор-
мационно-поисковых систем, например RTECS (register of toxicologicol ef-
fects of chemicals), системы по токсичности и опасности веществ в воде [6]
или IRIS (integrated risk information system). Далее проводится поиск и анализ
литературы по биохимическим механизмам действия веществ этого ряда на
организм, процессам биотрансформации, данных о предполагаемых метабо-
литах и экспериментальных оценках их активности. Такие сведения не обяза-
тельно необходимы для всех членов ряда, а хотя бы для нескольких типичных
соединений. На основании собранных данных выбираются электронные пара-
метры, которые должны быть рассчитаны методами вычислительной химии и
использованы для построения соотношений структура — активность.
Изложенный подход, основанный на учете биотрансформации и приме-
нении методов вычислительной химии, был применен для получения соот-
ношений структура — активность в различных структурных рядах [7, 23—25].
Обзор зарубежных работ дан в монографии [4] и в [63, 68]. Этот подход был
применен при описании зависимостей смертельных и пороговых эффектов,
мутагенного и канцерогенного эффектов, метгемоглобинобразующей актив-
ности, нейротоксичности и других видов биологической активности от
структуры. В табл. 2.3 приведены данные таких зависимостей, в основном
из работ З.И.Жолдаковой и соавт.
Таблица 2.3. Установление зависимости структура — токсичность с использова-
нием электронных параметров
Структурный ряд Эффект Регрессионное уравнение
Замещенные бензо- лы Ароматические амины Общая токсичность Мутагенная активность в тесте Эймса Метгемоглобинобразующая ак- тивность на млекопитающих Токсичность для млекопитаю- щих lgLD5n= 1,64 + 1,23 AEmin г= 0,78 п = 25 р < 0,001 IgLCgn (мг/м3) = 4,55 + 0,93 ДЕт|П г = 0,93 л = 23 р < 0,001 1дМНД = -2,76 + 1,95 4Emin г = 0,91 п= 13 р< 0,001 1д(1/С) =-1,65 - 0.15 A(AHf) г - 0,82 п = 10 р < 0,01 ур %MtHb = 66,9 + 5,03 Д(ДН|) «I г = 0,91 п = 10 р < 0,001 lgl_D50 = -33,17 - 4,05 Д(ДН,) г = 0,82 п = 22 р < 0,01
79
Продолжение
Структурный ряд Эффект Регрессионное уравнение
Галогензамещен- Некроз почек IgC = -16,69 + 1,71 ДЕГ ные пропаны г = 0,99 п = 6 р < 0,001 Генотоксичность in vivo IgC = -18,07 + 1,73 ДЕГ г = 0,99 п = 6 р < 0,001 Галогензамещен- Мутагенная активность на бак- ^0™^ = -17,62 + 1,55ДЕГ- 0,79lgp ные углеводороды териях (вариант без активации) г = 0,76 п = 25 р < 0,001 и спирты с корот- Мутагенная активность на бак- lgDm„t = -26,24 + 2,54ДЕГ моль кой цепью териях (вариант с активацией) г = 0,76 п = 21 р < 0,001 IgD ш=-2,69-5,74|1дС| г = 0,76 п = 21 р < 0,001
Примечание. D — доза, С — концентрация, MtHb — метгемоглобин, Dmut — доза мутаген-
ности, МИД — минимальная действующая доза, IgP — коэффициент распределения октанол/вода.
Здесь и далее по всей книге летальная доза и летальная концентрация
обозначены в русском или латинском написании соответственно как ЛД50
или LD50 и ЛК50 или LC50.
Одним из примеров являются регрессионные уравнения зависимости
структура — острая и хроническая токсичность в ряду замещенных бензолов
[7, 10]. Токсичность бензола определяется его биоактивацией в процессе
гидроксилирования и эпоксидирования. Согласно оксеноидной модели и
результатам теоретического изучения методами квантовой химии [59], клю-
чевой реакцией, запускающей процесс биоактивации ароматических ве-
ществ, является присоединение кислорода к одному из атомов углерода
бензольного кольца с образованием “тетраэдрического” интермедиата:
Гипотеза состояла в том, что токсичность замещенных бензолов может
быть описана с использованием энергетического параметра (Emjn) — разнос-
ти полных энергий промежуточного ареноксидного интермедиата и исход-
ной молекулы замещенного бензола. В результате исследований получена
достоверная зависимость токсичности от этого параметра и показано, что
чем он меньше, т.е. чем устойчивее интермедиат и, следовательно, чем легче
он образуется, тем токсичнее соединение. Модель на основе этого параметра
применена также для соединений со сложными заместителями: бифенила,
хлорированных бифенилов, бифениловых эфиров, соединений типа дифе-
нилметана [7].
В проявлении канцерогенной и мутагенной активности ПАУ, например
80
нз(а)пирена и их производных (алкил-, галогено-, нитро-, аминозамещен-
&е ПДУ), определяющую роль играет биотрансформация. Наиболее зна-
НиЬмой характеристикой канцерогенной активности ПАУ является стабиль-
ость триолкарбониевых ионов [52]. Эти ионы являются интермедиатами
оеакции замещения S^l, в которую вступают метаболиты ПАУ — диолэпок-
сиды при взаимодействии с нуклеофильными центрами ДНК. Роль био-
тпансформации в канцерогенной активности ПАУ подтверждается соотно-
шениями структура — активность для последовательных метаболитов ПАУ —
эпоксидов и диолэпоксидов.
Канцерогенная и мутагенная активность нитрозамещенных алифатичес-
ких и ароматических углеводородов связана с биоактивацией через восста-
новление нитрогруппы под действием нитроредуктаз. Достоверные зависи-
мости мутагенной активности этих веществ для бактерий, полученные с
использованием в качестве параметров разности теплот образования про-
межуточных соединений реакции восстановления — анион-радикалов и ис-
ходных соединений, или энергии нижней свободной молекулярной орбита-
ли исходных соединений [42] подтверждают это положение.
Токсическое действие ароматических аминов определяется биоактива-
цией, на первой стадии которой происходит N-окисление аминогруппы.
При N-окислении ариламинов образуются N-фенилгидроксиламины, кото-
рые в кислой среде могут подвергаться перегруппировке Бамбергера до
аминофенолов. Было показано [47], что ферменты печени крыс могут ката-
лизировать такую перегруппировку. Первой стадией перегруппировки Бам-
бергера является образование нитрениевых ионов [27]. Нитрениевые ионы
могут образовываться также при неферментативном гетеролизе эфиров N-
фенилгидроксиламинов. Клеточные нуклеофилы, такие как глутатион и
нуклеофильные группы белков и ДНК, связываются с резонансно-стабили-
зированным ионом арилнитрения.
Кроме того, N-фенилгидроксиламины окисляются в эритроцитах окси-
гемоглобином до арилнитрозосоединений с одновременным образованием
перекиси водорода и метгемоглобина. Этим определяется метгемоглобиноб-
разующая активность многих ариламинов [2, 69].
Биотрансформация ариламинов может быть представлена ниже.
NO
81
На основании этой схемы была выдвинута гипотеза, что зависимости !
структура — мутагенная активность и структура — метгемоглобинобразую-
щая активность ароматических аминов могут быть описаны с использова-
нием одного энергетического параметра, характеризующего относительную
устойчивость двух последовательных метаболитов соединений на пути био-
активации через N-окисление: фенилгидроксиламинов и нитрениевых ио-
нов A(AHf) [24]. Вид полученных уравнений (см. табл. 2.3) свидетельствует,
что как мутагенная, так и метгемоглобинобразующая активность зависят от
этого параметра, и эти зависимости разнонаправлены. Чем устойчивее нит-
рениевый ион относительно фенилгидроксиламина, тем больше способность
ариламина вызывать мутагенный эффект и тем менее сильным метгемогло-
бинобразователем он является.
Количественные зависимости структура — острая и хроническая токсич-
ность ароматических аминов [25] являются еще одним подтверждением
возможности использования оксеноидной модели действия монооксигеназ.
Реакция N-окисления ароматических аминов может проходить через обра-
зование N-оксидного интермедиата ArNHO. Поэтому должен быть исполь-
зован параметр, характеризующий легкость реакции образования этого ин-
термедиата — разности теплот образования интермедиата и исходной моле-
кулы A(AHf)jnt. Достоверная зависимость острой токсичности для млекопи-
тающих при внутрижелудочном поступлении от параметра A(AHf)jnt показы-
вает, что чем устойчивее интермедиат относительно исходного соединения,
тем больше токсичность. По значению этого параметра вещества раздели-
лись на кластеры, показатели хронической токсичности в которых различа-
лись не более чем на порядок.
Зависимости структура — общая токсичность и структура — мутагенная
активность галогензамещенных углеводородов и спиртов с короткой цепью,
в частности галогензамещенных пропанов [22] построены с использованием
результатов экспериментальных исследований [60, 61]. Схема метаболизма
приведена выше на рис. 2.1. Для описания мутагенной активности для
бактерий наилучшим параметром является разность энергий граничных
молекулярных орбиталей ДЕгр. Этот параметр представляет собой характе-
ристику реакционной способности соединений в реакциях определенного
типа. Чем меньше ДЕгр, тем более реакционноспособно соединение. В данном
случае предполагалось, что этот параметр характеризует реакционную спо-
собность соединения в реакции замещения 5^2, при которой под дейст-
вием глутатион-5-трансферазы образуются короткоживущие эписульфоние-
вые ионы. Полученные уравнения свидетельствуют, что чем больше реак-
ционная способность соединения, тем выше его мутагенная активность. Для
соединений этого ряда возможен также метаболизм под действием моноок-
сигеназной системы цитохрома Р-450, присутствующей в клетках печени
млекопитающих, но отсутствующей у бактерий. В результате могут образо-
вываться стабильные высокотоксичные метаболиты — ненасыщенные гало-
гензамещенные альдегиды. Предположение состояло в том, что мутагенная
активность для млекопитающих может быть описана с использованием
электронных параметров стабильных метаболитов веществ этого ряда (раз'
ности энергий граничных орбиталей ДЕгр и максимального коэффициент^
при некарбонильном атоме С на нижней свободной молекулярной орбитали)-
Последний параметр характеризует способность метаболитов образовывать
циклические аддукты с ДНК. С применением этих параметров построены
соотношений структура — мутагенная активность в тесте для бактерий в
82
утствии микросомальной фракции клеток печени, содержащей моно-
ПРгигеназную ферментную систему (см. табл. 2.3).
оКСЕще одним примером зависимостей структура — биотрансформация —
ивность является полученное в работе [48] достоверное регрессионное
а1<авнение для прогноза острой токсичности алифатических нитрилов для
Ур при внутрижелудочном введении. Токсичность алифатических нитри-
лов определяется биотрансформацией, протекающей по схеме:
он
[О] |
R1 _ сн — CH -» R1 — с- — CN +он- -» R-1 — С — CN
L R2 R2 R2
Р I !.”
r1 _ С = O+ HCN
R2
Ключевой реакцией является образование радикалов, что подтверждает-
ся полученным регрессионным уравнением, в котором использован один
параметр — разность теплот образования радикала и исходного соединения.
Токсичность полихлорированных дибензо-р-диоксинов, полихлориро-
ванных дибензофуранов и полихлорированных бифенилов определяется их
взаимодействием с цитозольным Аь-рецептором. Способность полихлори-
рованных дибензо-р-диоксинов вызывать индукцию монооксигеназ корре-
лирует с величиной энергии высшей заполненной молекулярной орбитали
соединений [4], канцерогенность коррелируете поляризуемостью, т.е. опас-
ность определяется характеристиками исходных соединений. Подробно ме-
ханизм биологической активности и опасности этого класса соединений
изложен в обзоре [63].
При построении моделей структура — активность могут быть определены
граничные значения энергетических электронных параметров, за пределами
которых эффект не выявляется, что дает возможность отделить активные
соединения от неактивных. Так, в работе [32] с применением метода линей-
ного дискриминантного анализа показано, что по значению одного пара-
метра — энергии высшей заполненной молекулярной орбитали ароматичес-
кие амины могут быть разделены на обладающих мутагенной активностью
в тесте на бактериях и неактивных. Соединения, для которых значение этого
параметра выше определенной величины, обладают активностью, остальные
неактивны. Полученные результаты могут быть использованы для опреде-
ления минимальных энергетических требований для того, чтобы соединение
подвергалось биоактивации через N-окисление, поскольку энергия высшей
молекулярной орбитали характеризует способность соединений к окисле-
нию. Энергия высшей заполненной молекулярной орбитали метаболитов
ароматических аминов, N-фенилгидроксиламинов позволяет отделить со-
единения, обладающие метгемоглобинобразующей активностью, от неактив-
bix. Этот параметр связан с энергетическими требованиями процесса окис-
ения N-фенилгидроксиламинов в нитрозосоединения, в ходе которого об-
разуется метгемоглобин [23].
( Биотрансформация наблюдается как в организме, так и в биосистемах
те_ОЛогических системах) в окружающей среде и поэтому представляет ин-
Жаю ПрИ Оценке не только влияния на организм, но и поведения в окру-
ЦиЮц*ей среде. Оценки способности различных веществ к биотрансформа-
и в окружающей среде под действием различных биосистем (например,
83
специальных штаммов бактерий) может быть дана с использованием элек-
тронных параметров, характеризующих легкость реакций биотрансформа-
ции. Так, особенности биодеградации (скорость и путь трансформации) ди-
и трихлорзамещенных бифенилов под действием бактерий объяснены в
работе [56] с использованием того же параметра, который был использован
для характеристики легкости биотрансформации и токсичности замещенных
бензолов для млекопитающих.
Теоретически и экспериментально обоснованные количественные соот-
ношения структура — биотрансформация — активность позволяют подтвер-
дить наличие определенного механизма токсического действия и выделить
вещества, для которых данный механизм нехарактерен, дать количественную
оценку выраженности эффекта, отделить активные соединения от неактив-
ных, прогнозировать механизм и количественные характеристики биологи-
ческой активности неизученных веществ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арчаков А.И., Карузина И.И. Цитохром Р-450: окисление чужеродных соедине-
ний и проблемы экотоксикологии. — В кн.: 1-й съезд токсикологов России.
Тезисы докладов. — М., 1998. — С. 4.
2. Вредные химические вещества. Азотсодержащие органические соединения:
Справочник/Под ред. Б.А.Курляндского. — Л.: Химия, 1992.
3. Голубев А.А., Люблина Е.И., Толоконцев Н.А., Филов В.А. Количественная токси-
кология. — Л.: Медицина, 1973. — 288 с.
4. Дьячков П.Н. Квантовохимические расчеты в изучении механизма действия и
токсичности чужеродных веществ. — В кн.: Итоги науки и техники ВИНИТИ.
Сер. Токсикология. — 1990. — Т. 16. — 280 с.
5. Жолдакова З.И. Прогноз токсичности веществ в воде на основании зависимостей
структура — акгивность//Гиг. и сан. — 1987. — № 7. —С. 9—13.
6. Жолдакова З.И., Журков В.С., Харчевникова Н.В. и др. Методические основы
развития банка данных по эколого-гигиеническим свойствам веществ, загряз-
няющих окружающую среду//Гиг. и сан. — 1995. — № 2. — С. 27—30.
7. Жолдакова З.И., Харчевникова Н.В., Кустова Е.В., Синицына О.О. Прогноз ток-
сичности и опасности в проблеме единого эколого-гигиенического нормирова-
ния веществ в окружающей среде//Экология человека. — 1996. — № 3. — С. 16—21.
8. Кацнельсон Б.А., Алексеева Л.К., Привалова Л.И., Ползик Е.В. Пневмокониозы:
патогенез и биологическая профилактика. — Екатеринбург: УрО РАН, 1995. —
326 с.
9. Кацнельсон Б.А., Конышева Л.К, Привалова Л.И., Шарапова Н.Е. Математическое
моделирование кинетики задержки в легких и в легочно-ассоциированных лим-
фоузлах пылей разной степени цитотоксичности//Вопр. гиг. труда, проф. пато-
логии и пром, токсикологии. — Екатеринбург: Мед. научный центр, 1996.—
С. 59-66.
10. Кузнецов А.В., Дьячков П.Н. К оксеноидной модели механизма активации моле-
кулярного кислорода цитохромом Р-450: роль структуры субстрата//Молекуляр-
ная биология. — 1990. — Т.24. — Вып. 5. — С. 1373—1380.
11. Новиков С.М., Поройков В.В., Тертичников С.Н. Анализ тенденций в развитии
информационных технологий и обоснование концепции разработки банка ток-
сикологических данных SARETbase//THr. и сан. — 1995. — № 1. — С. 29—33.
12. Саноцкий И.В. Использование уравнений кинетики выведения ядов и их мета*
84
болитов из организма для установления порогов вредного действия. — В кн.:
Применение математических методов для оценки и прогнозирования реальной
опасности накопления пестицидов во внешней среде и организме. — Киев,
1976. — С. 48—50.
Сергеев П.В, Шимановский Н.Л. Рецепторы физиологически активных веществ. —
М.: Медицина, 1987. — 400 с.
14 Сергеев П.В., Галенко-Ярошевский П.В., Шимановский Н.Л. Очерки биохимичес-
кой фармакологии. — М.: РЦ “Фармединфо”, 1996. — 384 с.
15 Соловьев В.Н., Фирсов А.А., Филов В.А. Фармакокинетика. — М.: Медицина,
1980. — 424 с.
16 Тиунов Л.А. Биохимические механизмы токсичности. — В кн.: Общие механиз-
мы токсического действия. С.Н.Голиков, И.В.Саноцкий, Л.А.Тиунов. — Л.: Ме-
дицина, 1986. — С. 114—204.
17. Толоконцев Н.А., Филов В.А. Основы промышленной токсикологии. — Л.: Меди-
цина, 1976. — 304 с.
18. Филов В.А. Вопросы кинетики поступления, распределения, метаболизма и вы-
деления вводимых в организм извне химических агентов. — В кн.: Итоги науки.
Фармакология. Токсикология (проблемы токсикологии). 1965. — М.: ВИНИТИ,
1967. - С. 45-92.
19. Филов В.А. Модификация фармакокинетики и токсикокинетики. — В кн.: Итоги
науки и техники. Серия Фармакология. Химиотерапевтические средства. Т. 14.
Проблемы фармакокинетики. — М.: ВИНИТИ, 1984. — С. 3—113.
20. Филов В.А. Сегидрин — противоопухолевый препарат нового типа//Вопр. онкол. —
1994. - Т. 40, № 1-3. - С. 3-14.
21. Фукс Н.С. Механика аэрозолей. — М.: АН СССР, 1955.
22. Харчевникова Н.В., Жолдакова З.И., Журдов В.С. Теоретическое обоснование
связи структура — генотоксичность для млекопитающих и бактерий в ряду га-
логензамещенных алифатических соединений с короткой цепью//Вест. РАМН. —
1997. - С. 8-13.
23. Харчевникова Н.В., Жолдакова З.И. Соотношения “структура — метгемоглобин-
образующая активность” в ряду ароматических аминов//Гиг. и сан. — 1997. —
№ 3. — С. 41-44.
24. Харчевникова Н.В., Жолдакова З.И., Журков В.С. Теоретические подходы к про-
гнозу метаболизма и токсичности ароматических аминов//Гиг. и сан. — 1998. —
№ 4. - С. 62-65.
25. Харчевникова Н.В., Жолдакова З.И. Прогноз опасности веществ в рамках зави-
симостей структура — активность с учетом биотрансформации//Гиг. и сан.—
2000. — № 1.
26. Albert R., Lippmann М., Peterson N.T. et al. Bronchial deposition and clearance of
aerosols//Arch. Intern. Med. - 1973.-Vol. 131.-P. 115-127.
22. Anders M. W. (ed.). The bioactivation of foreign compounds. — New York: Academic
Press Inc. - 1985.
28. Archakov A.I., Bachmanova G.I. Cytochrome P-450 and active oxygen. London etc.:
laylor and Francis. — 1990. — 339 p.
Bolley M.R., Fry F.A., James A.C. Long-term retention of particles in the human
respiratory tract//J. Aerosol Sci. - 1985. - Vol. 16. - P. 295-305.
Bailey M.R., Hodgson A., Smith H. Respiratory tract retention of relatively insoluble
Particles in rodents//J. Aerosol Sci. — 1985. — Vol. 16. — P. 279—293.
85
31. Bates D.V., Fish D.R., Hatch T.F. et al. Deposition and retention models for internal 1
dosimetry of the human respiratory tract//Health Phys. — 1966. — Vol. 12. — P. 173— '
201.
32. Benign! R., Andreoli C. QSAR models for both mutagenic potency and activity;
applicayion to nitroarenes and aromatic amines//Environ. and Mol. Mutagen. — 1994 —
Vol. 24. - P. 208-219.
33. Bolton R.E., Vincent J.M., Jones A.D. et al. Ait overload hypothesis for pulmonary
clearance of UICC amosite fibers inhaled by rats//Brit. J. Industr. Med. — 1983. —
Vol. 40. - P. 264-272.
34 Bowden D.H. The alveolar macrophage//Environm. Health Perspect. — 1984. —
Vol. 55. - P. 327-342.
35. Brain J.D. Macrophages in the respiratory tract//Handbook of Physiology. Section:
Respiratory System. — Vol. II. Bethesda: Amer. Physiol. Soc. — 1985. — P. 447—471.
36. Brain J.D., Godleski J.J., Sorokin S.P. Quantification, origin and fate of pulmonary
macrophages//Respiratory Defence Mechanisms. — N.Y.: Marcel Dekker. — 1977. —
P. 849-892.
37. Brain J.D., Valberg P.A. Models of lung retention based on the ICRP task group
report//Arch. Environm. Health. — 1974. — Vol. 28. — P. 1 — 11.
38. Chan T.L., Lippman M. Experimental measurements and empirical modeling of the
regional deposition of inhaled particles in humans//Amer. Industr. Hyg. Assoc. J. —
1980. - Vol. 41. - P. 3399-3409.
39. Conjugation-Deconjugation Reactions in Drug Metabolism and Toxicity. Berlin etc.:
Springer. — 1994. — 530 p.
40. Davies C.N. Deposition of inhaled particles in man//Chemistry and Industry.—
1974. _ Vol. 11. - P. 441-444.
41. De Matteis F., Lock E.A. (Eds.) Selectivity and molecular mechanisms of toxicity. —
New York: McMillan. — 1987.
42. Debnath A.K., Debnath G., Shusterman A.J., Hansen C.A. QSAR investigation of the
role of hydrophobicity in regulating mutagenicity in the Ames test: 1. Mutagenicity of
nitroaromatic amines in Salmonella typhimurium TA98 and TA100//Environmental
and Molecular Mutagenesis. — 1992. —Vol. 19. — P. 37—52.
43. Encyclopedia of Toxicology. — London: Academic Press. — 1998. — Vol. 3. — 1500 p.
44. Filov V.A., Golubev A.A., Liublina E.L, Tolokontsev N.A. Quantitative Toxicology. N.Y.:
John Wiley. — 1979. — 462 p.
45. Gerrity T.R., Garrard S.C., Yeates D.B. A mathematical model of particles retention
in the air-spaces of human lungs//Brit. J. Industr. Med. — 1983. — Vol. 40. — P. 121—
130.
46. Goldblum A., Loew G.H. Theoretical study of cyrtochrome P450 mediated amine
oxidation//!. Amer. Chem. Soc. — 1985. — Vol. 107. — P. 4265—4272.
47. Gorrod J. W., Manson D. The metabolism of aromatic amines//Xenobiotica. —1986. —
Vol. 16, N 10. - P. 933-955.
48. Grogan J., De Vito S.C., Korzekwa K.R. et al. Modeling cyanide release from nitriles-
prediction of cytochrome P450 mediated acute nitrile toxicity//Chem. Res. Toxicol.
1992. - Vol. 5. - P. 548-552.
49. Gross P. The processes involved in the biological aspects of pulmonary deposition,
clearance and retention of insoluble aerosols//Health Phys. —1964.—Vol. 10."
P. 995-1002.
50. Hahn H., Eder E., Deininger C. Genotoxicity of l,3-dichloro-2-propanol in the 80S
86 J
rhromotest and in the Ames test. Elucidation of the genotoxic mechanism//Chem.
Biol. Interact. - 1991. - Vol. 80. - P. 73-88.
. Hemenway D.R., Absher M., Landesman M. et al. Differential lung response following
5 silicon dioxide polymarphs aerosol exposure. — In: Silica, silicosis and cancer. — N.Y.:
Praeger. - 1986. - P. 105-116.
52 Jerina D.M., Sayer J.M. et al. Carcinogenicity of polycyclic aromatic hydrocarbons:
the bay-region theory. — In: Carcinogenesis: fundamental mechanisms and environ-
mental effects/Ed. Pullman B., 1980. — P. 1 — 12.
53 Katsnelson B.A., Konysheva L.K., Privalova L.L, Morosova K.V. Development of a
multicompartmental model of the kinetics of quartz dust in the pulmonary region of
the lung during chronic inhalation exposure of rats//Brit. J. Industr. Med. — 1992. —
Vol. 49. - P. 172-181.
54. Katsnelson B.A., Konysheva L.K., Sharapova N.Ye., Privalova L.I. Prediction of the
comparative intensity of pneumoconiotic changes caused by chronic inhalation expo-
sure to dusts of different cytotoxicity by means of a mathematical model//Occup. and
Environm. Med. - 1994. - Vol. 51. - P. 173-180.
55. Katsnelson B.A., Privalova L.I. Recruitment of phagocytizing cells into the respiratory
tract as a response to the cytotoxic action of deposited particles//Environm. Health
Perspect. - 1984. - Vol. 55. - P. 3133-3325.
56. Kharchevnikova N.V., Zholdakova Z.I., D’yachkov P.N., Krasovsky G.N. Theoretical
study of the biodegradation of polychlorinated biphenyls//Fresenius Envir. Bull. —
1994. - Vol. 3. - P. 422-427.
57. Kim C.S, Lewars G.L., Sackner N.M. Measurements of total lunge aerosoldeposition
as index of lung abnormality//! Appl. Physiol. — 1988. — Vol. 64. — P. 1527—1536.
58. King C.M. (ed.) Carcinogenic and mutagenic responses to aromatic amines and
nitroarenes. — New York: Elsevier, 1988.
59. Korsekwa K., Loew G. et al. Cytochrome P-450 mediated aromatic oxidation: a
theoretical study//J. Am. Chem. Soc. — 1985. — Vol. 107. — P. 4273—4279.
60. Lag M., Omichinski J.G., Dybing E. et al. Mutagenic activity of halogenated propanes
and propenes: effect of bromine and chlorine positioning//Chem. — Biol. Interact. —
1994. - Vol. 93. - P. 73-84.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
Lag M.t Soderlung E.J., Omichinski J.G., Brunborg G. et al. Effect of bromine and
chlorine positioning in the inducrion of renal and testicular toxicity by halogenated
propanes//Chem. Res. Toxicol. - 1991. - Vol. 4. - P. 528-534.
Le Bouffant L., Henin J.-P., Martin C., Daniel H. Etude experimentale de 1’epiration
pulmonaire//Lille Medic. - 1972. - Vol. 17. - P. 1091-1101.
McKinney J. D. Reactivity parameters in structure-activity relationship-based risk assessment
of chemicals//Environmental Health Persp. — 1996. — Vol. 104. — P. 810—816.
McMahon T.A., Brain J.D., Lenott S. Species differences in aerosol deposition//lnhaled
Particles IV. N.Y.: Oxford: Pergamon Press. - 1977. -P. 23-333.
Olson F.C., Massaro E.J. Pharmacodynamics of methyl mercury in the murine mater-
nal/embrio: fetal unit//Toxicol. and Appl. Pharmacol. - 1977. - Vol. 39, N 2. -
P. 263-273.
Privalova L.L, Katsnelson B.A., Yelnichnykh L.N. Some peculiarities of the pulmonary
Phagocytotic response: dust kinetics and siilicosis development during long-term expo-
sure of rats to high quartz dust levels//Brit. J. Industr. Med. - 1987. - Vol. 44. -
p 228-235.
Prodi И, Mularoni A. Electrostatic lung deposition: experiments with humans and
animale//Ann. Occup. Hyg. - 1985. - Vol. 29. - P. 229-240.
87
68. Richards A.M. Role of computational chemistry in support of hazard identification:
mechanism-based SARs//Toxicology letters. — 1995. — Vol. 79. — P. 115—122.
69. Sabbioni G. Hemoglobin binding of monocyclic aromatic amines: molecular dosimetry
and quantitative structure activity relationships for the N-oxidation//Chem. Biol.
Interactions. — 1992. — Vol. 81. — P. 91 — 117.
70 Scott Ж R., Taulbee D.W. Aerosol deposition along the vertical axis of the lung//j
Aerosol Sci. - 1985. - Vol. 16. - P. 323-3333.
71. Smith T.J. Development and application of a model for estimating alveolar and
interstitial dust levels//Ann. Occup. Hyg. — 1985. — Vol. 29. — P. 495—516.
72. Stahlhofen W., Gebhart J., Heyder J. Biological variability of regional deposition of
aerosol particles in the respiratory tract//Amer. Industr. Hyg. Assoc. J. — 1981. — Vol
42. - P. 348-352.
73. Stahlhofen W., Gebhart J., Heyder J., Scheuch G. New regional deposition date of the
human respiratory tract//J. Aerosol. Sci. — 1983. — Vol. 14. —P. 181 — 188.
74. Stober W., McClellan R.O., Morrow P.E. Approaches to modeling disposition of inhaled
particles and fibers in the lung//Toxicology of the Lung. — N.Y.: Raven press.—
1993. - P. 527-601.
75. Strom K.A., Johnson J.T., D'Aroy J.B. Pulmonary retention in rats and guinea pigs
chronically exposed to low concentrations of diesel exhaust//Toxicologist. — 1986. —
P.170.
76. Tarroni G., Melandry C„ Prodi V. et al. An indication on the biological variability of
aerosol total deposition in humans//Amer. Industr. Hyg. Assoc. J. — 1980. — Vol. 41. —
P. 826-831.
77. Toomes H., Vogt-Moykopf J., Heller W.D., Osterrat H. Measurement of mucociliary
clearance in smokers and nonsmakers using a bronchoscopic video-technical me-
thod//Lung. - 1981. - Vol. 159. - P. 27-34.
78. Toxicology of Industrial Compounds/Ed. H.Thomas, R.Hess and F.Waechter. — Lon-
don: Taylor and Francis. — 1995. — 381 p.
79. Tran C.L., Jones A.D., Donaldson K. Mathematical model of phagocytosis and inflam-
mation after the inhalation of quartz at different concentrations// Scand. J. Work.
Environm. and Health. — 1995. — Vol. 21., Suppl. 2. —P. 50—54.
80. Tumbrell J.A. Principles of Biochemical Toxicology. — London: Taylor and Francis. —
1991.-415 p.
81. Vincent J. H, Armbruster L. On the quantitative definition of the inhalability of airborne
dust//Ann. Occupat. Hyg. — 1981. — Vol. 24. — P. 245—246.
82. Vincent J.H., Johnson A.M., Jones A.D. et al. Kinetics of deposition and clearance of
mineral dusts during chronic exposure//Brit. J. Industr. Med. — 1985. — Vol. 42. —
P. 707-715.
83. Yu C.P., Xu C.B. Predicted depositions of diesel particles in young humans//!. Aerosol.
Sci. - 1987. - Vol. 18. - P. 419-429.
Глава 3
ВЛИЯНИЕ КСЕНОБИОТИКОВ
НА БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
3.1. Действие ксенобиотиков на тканевое дыхание
Одним из наиболее распространенных видов биологического действия
химических веществ является их способность влиять на процессы тканевого
дыхания и энергетического метаболизма в клетке. Поэтому важным дости-
жением токсикологии явилось установление закономерностей влияния раз-
личных по своей структуре химических веществ на процессы окислитель-
ного и энергетического обмена, осуществляющиеся на субклеточном и мо-
лекулярном уровнях. Энергозависимость всех протекающих в клетке про-
цессов, обеспечивающих в конечном итоге жизнедеятельность целостного ор-
ганизма, позволяет использовать биоэнергетические показатели для определе-
ния влияния химических веществ на процессы биоэнергетики, установления
величин пороговых концентраций (или доз) токсичных веществ, прогнозирова-
ния их степени опасности и гигиенических регламентов.
Углубленное исследование роли нарушений биоэнергетики клетки, про-
исходящих при воздействии на организм токсичных веществ, базировалось
на тесной связи процессов, обеспечивающих клетку энергией с процессами
окислительного метаболизма, интегрируемыми на уровне целостного орга-
низма функцией потребления кислорода, изучение которой по показателям
легочного газообмена было начато в области токсикологии еще Н.П.Крав-
ковым. Удалось показать, что различные токсичные вещества способны в
той или иной степени влиять на газообмен. Эти данные были подтверждены
исследованиями других авторов, получив свое развитие в работах
Н.С.Правдина и его школы. В результате было сформулировано положе-
ние о том, что показатели газообмена, изменяющиеся при воздействии на
организм токсических агентов, обладают высокой чувствительностью и ин-
тегративностью реакций на различные химические раздражители. На осно-
вании этих исследований была показана высокая информативность и
гигиеническая значимость изменений окислительного метаболизма, при-
сущая химическим веществам, обладающим специфическим действием на
процессы тканевого дыхания, интегрируемым сдвигом показателей внеш-
него дыхания.
Последующие исследования динамики кислорода непосредственно в
тканях организма, вначале — по показателю напряжения кислорода (рС>2)
18, 20], а в последнее время — по изменению процессов дыхания и
°пряженных с ними механизмов окислительного фосфорилирования непо-
Редственно в митохондриях, значительно расширили представления о хи-
ических веществах, обладающих способностью оказывать влияние на про-
цессы тканевого дыхания [11, 14, 15, 25, 30].
Изучение напряжения кислорода (pOj) в тканях в условиях воздействия
л ЗЛичных химических веществ показало, что, например, цианид калия в
°зах 0,1—0,05 LD50 повышает уровень рОг в мозге животных и уменьшает
89
скорость его утилизации. Цианид натрия в дозах, превышающих летальные
в 1,5—2 раза, вызывает быстрое падение рО2 в коре головного мозга.
Установлено, что указанный механизм действия солей синильной кислоты
выявляется в опытах in vitro и сохраняется в условиях целостного организма
[18]. Свое влияние на скорость утилизации кислорода мышечной тканью
оказывает в опытах на мышах классический разобщитель тканевого дыхания
и окислительного фосфорилирования — 2,4-динитрофенол (2,4-ДНФ), ак-
тивирующий тканевое дыхание. Эту способность 2,4-ДНФ.проявляет и в
целостном организме [18].
Изменения pOj в тканях мозга и подкорковых образованиях, носящие
фазовый характер, получены при действии ингаляционного наркотика —
эфира. Группа других представителей этого вида наркотиков — фторолефи-
нов — снижала рО2 в тканях мозга без начального повышения этого пока-
зателя [6, 18].
Интересен факт понижения pOj в различных тканях организма (мозге,
языке) у животных, подвергавшихся воздействию нитрита натрия и нитро-
глицерина — соединений, улучшающих оксигенацию тканей путем расши-
рения сосудов мозга и других тканей. В связи с этим снижение рО2 не может
быть объяснено гемодинамическими причинами, а вызывается, видимо,
усилением утилизации кислорода. Аналогичные результаты получены при
введении животным адреналина и норадреналина [18].
Факты изменения потребления кислорода различными тканями организ-
ма установлены в условиях острых и хронических опытов при воздействии
пропионовой кислоты и ряда ее производных. При этом изменения пока-
зателя были различными по направленности при воздействии разных соеди-
нений этого ряда. Так, в острых опытах на уровне сравнительно низких доз
(0,1 LD50) сама пропионовая кислота активировала потребление кислорода
различными тканями. Наоборот, монохлорпропионовая кислота активно
угнетала этот процесс. В хронических опытах при действии низких концент-
раций монохлорпропионовой кислоты данный показатель оказался наиболее
чувствительным и его изменения четко зависели от концентрации и времени
действия вещества [18].
Проведенное в последние три десятилетия фундаментальное изучение
углубленных механизмов окислительного метаболизма по показателям про-
цессов тканевого дыхания и сопряженных с ними механизмов окислитель-
ного фосфорилирования показало, что специфичность действия химических
факторов окружающей среды на процессы биологического окисления и синтеза
макроэргических соединений проявляется на субклеточном и молекулярном
уровнях и определяется характером взаимодействия того или иного вещества
(или группы веществ) с соответствующим компонентом клетки. Происходя-
щие вследствие этого взаимодействия нарушения окислительного и/или
энергетического обмена, в основе которых лежат конкретные молекулярные
механизмы ингибирования, интегрируются нарушением тканевого дыхания
и энергетическим голодом клетки. Дня сотен химических веществ выявлены
характер и локализация их действия на молекулярные мишени митохондрий,
что является одним из важнейших путей реализации их токсического дей-
ствия на целостный организм [3, 11, 22, 26, 29].
Вызываемые химическими веществами нарушения процессов окисления
и фосфорилирования, происходящие на клеточном и субклеточном уровнях,
приводят к дефициту энергии. Указанные процессы имеют интегральный
характер в силу принципиального сходства изменений метаболических со-
стояний изолированных митохондрий и клеток целостного организма, при-
90
водЯших к общему конечному результату — подавлению потребления кис-
лороДринципиальная качественная общность вовлечения основных энерго-
образующих звеньев как изолированных митохондрий, так и тканей целост-
ого организма в осуществление перестроек их биологической активности,
НЫзываемых воздействием химического вещества, является основой для
переноса данных, получаемых на изолированных митохондриях, на целост-
нЬ1Й организм. Правомочность этого положения подтверждена количествен-
ным соответствием и жесткой корреляционной зависимостью между кон-
центрациями химических веществ, вызывающими подавление тканевого ды-
хания изолированных митохондрий на 50 % (Ci50), с величинами статис-
тически определяемых основных параметров токсикометрии этих же инги-
биторов тканевого дыхания " 1 ! " nmzx
следующими уравнениями:
(LDsq, LC50, Limac, ПДК), что выражается
lg 1/LD50 = 1,30 + 0,55 lg1/Ci50 r=0,981 (1)
lg VLC50 = 3,05 + °'60 |91/Ci50 r=0,936 (2)
lg 1/Limac = 4,15 + 0,605 Igl/CigQ r=0,868 (3)
lg 1/ПДК р.з. = 5,20 + 0,95 lg1/Ci50 r=0,920 (4)
lg 1/ПДК а.в. = 7,70 + 0,95 lg1/Ci50 r=0,902 (5)
Установлено, что наиболее жесткая корреляционная зависимость суще-
ствует между Ciso и LD50 (уравнение 1). Этой зависимости подчиняется
действие самых разнообразных по химической природе неорганических и
органических соединений, в том числе и неявляющихся специфическими
ингибиторами тканевого дыхания, что может свидетельствовать о том, что
нарушение процессов дыхания и энергопродукции клетки является обязатель-
ным компонентом действия химических факторов на организм как в случае
специфического, так и неспецифического характера ингибирования ими биоэнер-
гетики клетки.
Влияние токсических агентов на биоэнергетику реализуется в митохонд-
риях, на долю которых приходится большая часть всей вырабатываемой
клеткой энергии (около 90 %). Причем если в цитозоле клетки энергия
вырабатывается за счет гликолитического фосфорилирования, то в мито-
хондриях энергообразование происходит в процессе окислительного фосфо-
рилирования. Повреждение структурной основы митохондрий токсическим
агентом приводит к нарушению их энергообразующей функции.
Размещение митохондрий в клетке не является строго определенным и
зависит от органной специфичности ткани и ее функционального состоя-
ния. Как правило, митохондрии тяготеют к тем участкам клетки, где в
Данный конкретный момент наблюдается наибольшая потребность в энер-
гии. От цитозоля клетки митохондрии отделены двумя мембранами — внеш-
ней и внутренней. Во внешней мембране локализованы ферменты, не при-
имающие непосредственного участия в процессах окислительного фосфо-
рилирования. Во внутренней мембране находятся основные ферментные
мплексы, осуществляющие окисление субстратов, перенос электронов по
1Хательной цепи и сопряженный с ними механизм синтеза и накопления
Р™». В состав дыхательной цепи входит ферментный комплекс — уби-
м °н> ЦИТОХРОМЫ Ь, с, С], а и а3. Помимо этого комплекса, во внутренней
ген °Ране локализованы аденозинтрифосфатаза (АТФаза), сукцинатдегидро-
каг>а3а (СДГ), дегидрогеназы а-кетокислот, p-Оксибутиратдегидрогеназа и
Ртининацилтрансфераза. На поверхности крист (перегородок внутренней
91
мембраны митохондрий) находится так называемый фактор F1 — один из
важнейших компонентов АТФазы митохондрий. Между кристами в матрик-
се локализованы ферменты цикла трикарбоновых кислот, а также глутамат-
дегидрогеназа и ферменты, катализирующие окисление жирных кислот.
Очень важной особенностью внутренней мембраны митохондрий является
ее способность к сопряженному с дыханием синтезу макроэргического со-
единения — аденозинтрифосфата (АТФ), являющегося универсальным ис-
точником большинства эндергических функций клетки. Необходимая для
синтеза АТФ-энергия выделяется при окислении интермедиаторов в цикле
трикарбоновых кислот вдыхательной цепи [12, 13, 18, 27].
Функции митохондрий осуществляются представленными структурами.
Так, процессы дыхания сводятся к многоступенчатому окислению сложных
органических веществ, обладающих высокомолекулярным энергетическим
и восстановительным потенциалом. Этот процесс связан с окислением кар-
боновых кислот и осуществляется в цикле трикарбоновых кислот и в со-
пряженной с ним дыхательной цепи. Освобождаемая в процессе окисления
энергия выделяется в дыхательной цепи последовательно и утилизируется
клеткой. При этом основная часть энергии, заключенной в исходных био-
полимерах, выделяется на участке между циклом трикарбоновых кислот и
молекулярным кислородом. По сравнению с участком субстрат — цикл три-
карбоновых кислот ее количество больше в 13 раз.
Общую схему дыхательной цепи митохондрии и сопряженных с ней
участков окислительного фосфорилирования аденозиндифосфата (АДФ) в
АТФ можно для наглядности представить в следующем виде (рис. 3.1) [9].
Каждая из таких дыхательных цепочек, состоящая из белков ферментов,
участвующих в функционировании системы переноса электронов и окисли-
тельного фосфорилирования, и локализованная во внутренней мембране
митохондрий, многократно в ней повторяется. Это находится в прямой
зависимости от функциональной активности клетки и ткани, в состав ко-
торой она входит, и определяемой интенсивностью дыхания. В тканях,
характеризующихся высокой активностью и связанной с ней высокой ин-
тенсивностью дыхания (например, сердце и почки), поверхность внутренних
мембран митохондрий и соответственно содержащихся в них дыхательных
цепочек намного больше, чем, например, в печени, состоящей из клеток с
низкой интенсивностью дыхания.
Изучение влияния химических веществ на биоэнергетические процессы,
осуществляющиеся митохондриями, проводят, как правило, в двух вариан-
тах их воздействия на данные органеллы клетки. В одном из них в герме-
тически закрытую ячейку, содержащую помещенные в ту или иную среду
инкубации (сукцинат, НАД-зависимые субстраты окисления) митохондрии
различных модельных систем: суспензий изолированных митохондрий, вы-
деленных из различных органов; гомогенатов и кусочков тканей, их срезов,
в ходе эксперимента последовательно вводятся активаторы дыхания — сна-
чала АДФ, затем 2,4-ДНФ, и после каждого из них исследуемый токсичес-
кий агент в нарастающих концентрациях до получения выраженного эф-
фекта ингибирования дыхания, носящего градуальный характер (рис. 3.2/
[12, 23].
Другой вариант предусматривает воздействие химического фактора
различных дозах и/или концентрациях (при разной длительности воздейст-
вия — от однократного до хронического) на целостный организм и после-
дующее выделение из него указанных выше модельных систем, на мито-
хондриях которых, как и в первом варианте, в условиях in vitro проводите
92
Комплекс II
Сукцинат
Малонат
FAD
FeS
Карбоксин
TTFA
Место сопряжения 1 Место сопряжения 2
Место сопряжения 3
Рис. 3.1. Схема дыхательной цепи митохондрией и сопряженных с ней участков
описательного фосфорилирования аденозинфосфата в АТФ. Указаны предполагае-
мые участки ингибирования дыхательной цепи специфическими лекарственными
веществами, химическими реагентами и антибиотиками; а также участки, где пред-
положительно происходит сопряжение с фосфорилированием.
BAL — димеркапрол; TTFA — теноилтрифторацетон; FeS — железосерный белок (негемовое
железо); FAD — флавопротеин (флавинмононуклеотид); FMN — рибофлавинфосфат (флавин-
адениндинуклеотид): комплекс 1 — NADH: убихинон-оксиредуктаза; комплекс II — сукцинат:
убихинон-оксиредуктаза; комплекс 111 — убихинон: ферроцитохром с-оксиредуктаза; комплекс
IV — ферроцитохром с: кислород-оксиредуктаза; АДР — аденозиндифосфат; АТР — аденозин-
трифосфат; Pi — неорганический фосфат; Q — убихинон; NADH — никотинамидадениндинук-
леотид, восстановленная форма.
изучение процессов биологического окисления. Оно оценивается по убыли
кислорода в герметически закрытой ячейке, характеризующей скорость ды-
хания митохондрий. Последняя регистрируется полярографическим мето-
дом. Методические рекомендации “Экспрессное определение параметров
Рис. 3.2. Оригинальная поляро-
грамма регистрации дыхания
изолированных митохондрий.
SA — янтарная кислота: a-KG — a-
кетоглутаровая кислота; МН — ми-
тохондрии; DNP — динитрофенол;
ADP — аденозиндифосфат.
93
токсикометрии новых химических агентов на изолированных митохондриях
печени” определяют порядок выделения митохондрий и работы с ними
установления концентраций токсичных веществ, ингибирующих дыхание
митохондрий, расчета концентрации химического агента, ингибирующего
дыхание на 50 % (С150) [23].
Установление параметров токсикометрии (LD50, LC50, ПДК) изучаемого
соединения проводят либо расчетным путем по приведенным выше форму-
лам (при проведении исследований по первому варианту), либо указанные
параметры определяются в эксперименте при помощи любого из использу-
емых в профилактической токсикологии традиционных методов затравки по
показателям интенсивности процессов дыхания и окислительного фосфори-
лирования (при проведении исследований по второму варианту) [18, 21].
Оценку дыхания митохондрий проводят, изучая состояние различных *
участков дыхательной цепи. Исследование НАД-Н-дегидрогеназного участка
ведется с использованием субстратов, окисляющихся с участием НАД-а-ке-
тоглутаровой кислоты, либо смеси яблочной и глутаминовой кислот. При
использовании в качестве субстрата окисления сукцината может происхо-
дить накопление щавелевоуксусной кислоты (ЩУК), являющейся специфи- 1
ческим ингибитором СДГ. Этот эффект, называемый ЩУКовым торможе-
нием, является важным показателем при изучении механизмов влияния
токсичных веществ на дыхание митохондрий.
Эффективность работы механизмов фосфорилирования устанавливается
обычно путем добавления к дышащим митохондриям АДФ и последующего
учета, скорости дыхания в состоянии 3 (см. рис. 3.2), скорости фосфорили-
рования и величины отношения АДФ/О. Состояние энергетической регу-
ляции оценивается по величинам дыхательного контроля и стимуляции
дыхания. При двукратной добавке АДФ появляется возможность более пол-
ного выявления функциональной возможности энергосинтезирующей сис-
темы митохондрий и энергетической регуляции дыхания.
Регистрация дыхания и окислительного фосфорилирования митохонд-
рий описывается типичной полярографической кривой, по показателям
которой производится расчет скоростей дыхания [18, 24]. Она имеет сле-
дующий вид (см. рис. 3.2) [18].
На этой кривой выделяют несколько метаболических состояний: Vo (или
метаболическое состояние 2), при котором скорость дыхания митохондрий
лимитируется отсутствием акцептора неорганического фосфата-АДФ; V3
(или состояние активности) — дыхание митохондрий резко увеличивается
после добавки в ячейку определенного количества АДФ-акцептора неорга-
нического фосфата. Именно в этом состоянии скорость дыхания лимити-
руется работой механизмов фосфорилирования и скоростью переноса АДФ
и фосфата через мембрану митохондрий. После исчерпания всей добавлен-
ной АДФ (перехода ее в АТФ) дыхание вновь резко замедляется — проис-
ходит переход в метаболическое состояние 4 (или отдыха). Это явление
называется дыхательным контролем. Последующая добавка 2,4-динитрофе-
нола (ДНФ), разобщающего процессы дыхания и фосфорилирования, вы-
зывает резкую и необратимую активацию дыхания, которая длится до пол-
ного исчерпания кислорода в ячейке.
Наибольший интерес в прикладных биоэнергетических исследованиях,
в том числе токсикологических, имеют два основных метаболических со-
стояния — 3 и 4. Именно они характеризуют важнейшие аспекты функци-
ональной активности митохондрий — синтез АТФ и дыхательный контролы
Специфические для клетки повреждения связаны с воздействием токси- ।
94
1
ских вешеств на процессы, обеспечивающие ее энергией, необходимой
че поддержания структуры и функции клетки, и происходящие в основном
^митохондриях. Для сотен химических веществ установлен механизм их
В йствия на внутриклеточную биоэнергетику, связанный с повреждением
Донкретного звена в сложной многоступенчатой цепи окислительных и
неогетических процессов. Это дало возможность классифицировать токси-
еские агенты в зависимости от точки их приложения в общей цепи меха-
низмов выработки энергии, локализующихся в митохондриальных структу-
рах клетки.
Классификация ксенобиотиков по характеру и локализации их действия
на молекулярные мишени митохондрий проведена путем сопоставления
указанных показателей с химическим строением вещества [17].
У Установлено, что разные этапы сложного и многоступенчатого процесса
окислительного фосфорилирования, начиная от отщепления протона и элек-
трона от субстрата окисления и заканчивая включением неорганического
фосфата в молекулу АДФ, далеко в неравной степени чувствительны к дей-
ствию токсичных веществ. Наиболее частые причины нарушения этого
процесса — ингибирование НАД-Н-дегидрогеназы, а также протоноформное
разобщение дыхания и фосфорилирования. Именно в этих точках локали-
зуется действие основной массы токсических агентов.
Ингибиторами НАД-Н-дегидрогеназного участка переноса электронов в
дыхательной цепи являются насыщенные алифатические и циклические
углеводороды, спирты, альдегиды (кроме формальдегида), ароматические
соединения (в том числе ПАУ), дифенилы, циклодиеновые углеводороды,
галоидпроизводные углеводородов, ароматические кислоты, дитиокарбама-
ты, пиридины и другие гетероциклы, стероиды, жирорастворимые витами-
ны, фосфороорганические соединения, свинец и др.
Наиболее высокоспецифичными токсическими агентами среди перечис-
ленной группы химических веществ являются ротенон, пиридин.
Высокоспецифичными химическими веществами, разобщающими в ды-
хательной цепи митохондрий процессы дыхания и фосфорилирования, яв-
ляются 2,4-динитрофенол и тетрахлортрифторметилбензимидазол. Вместе с
тем эффект “разобщения” свойствен достаточно большой группе главным
образом органических соединений, благодаря чему этот механизм воздейст-
вия токсических агентов на окислительные внутриклеточные процессы за-
нимает второе по частоте место. Способность разобщать дыхание и фосфо-
рилирование установлена для представителей таких классов химических
соединений, как галоген производные алифатических углеводородов, фено-
лы, дифенолы; ароматические кислоты; нитро- и аминосоединения; бензо-
тиазолы; дитиокарбаматы; гетероциклы и др. Часто “разобщающее” дейст-
вие токсических соединений сочетается с их способностью оказывать вли-
яние на другие звенья процессов дыхания, протекающих в дыхательной цепи
митохондрий.
Механизмы, благодаря которым осуществляется “разобщающее” дейст-
ото токсического агента, могут быть разными. Показано, например, что при
цииаВЛе*кИИ динитР°Фенолом происходит выраженное снижение концентра-
щей СВО°ОДНЬ1Х радикалов. 2,4-Динитрофенол в концентрации, разобщаю-
Дика°КИСЛИТеЛЬН°е ФосФ°РилиР°вание, снижает содержание свободных ра-
нол) °В В МИТОХОНДРИЯХ печени. Диносеб (2,4-динитро-6-фтор-бутилфе-
РадикТакже обладающий “разобщающим” эффектом, угнетает свободно-
nopTa^hHh16 пРоцессы в митохондриях, и это связано с нарушением транс-
электронов в энергетической цепи. Эксперименты показали, что при
95
острых отравлениях алкилпроизводными 2,4-динитрофенола происходят
значительные изменения электронно-транспортных цепей в клетках печени
с угнетением энергетической и детоксицирующей систем. Механизм всего
процесса заключается в том, что эти ксенобиотики резко снижают эффек-
тивность функционирования железосодержащих белков печени, что влечет
за собой нарушение окислительного фосфорилирования. В результате про-
изошедшего разобщения биологического окисления может уменьшиться со-
держание флавинов и кофермента Q, являющихся источниками свободных
радикалов [18].
Ингибирование переноса электронов по другим участкам дыхательной
цепи встречается гораздо реже. Так, ингибирующим действием на уровне
СДГ обладают малоновая и щавелевоуксусная кислоты, фенолы с pH < 7,5;
батофенантролин; теноилтрифторацетон; норбормид. Среди этих соедине-
ний высокоспецифичными агентами являются малоновая и щавелевоуксус-
ная кислоты.
Ингибирующим действием переноса электронов по цитохромному участ-
ку дыхательной цепи до цитохромоксидазы обладают гладиоловая кислота,
1Ч-М-ди(хлорэтил)парааминофенилуксусная кислота, батофенантролин,
свинец, цинк, антимицины. Выявлена способность витамина D ингибиро-
вать ферменты цитохромной системы. Наиболее высокоспецифичные среди
них — цинк и антимицин А.
На уровне цитохромоксидазы перенос электронов блокируют окись уг-
лерода, сульфиты, сульфиды, азиды, цианиды, фосфин, формиаты, арома-
тические и алифатические нитрилы (кроме непредельных). Наиболее выра-
женным специфическим действием на цитохромоксидазу обладают цианиды
и азиды.
Определены вещества, обладающие ингибирующими свойствами в отно-
шении АТФазы: алкилирующие соединения (азотистые иприты), дицикло-
гексилкарбодиимид, триэтилолово, дибутилоловосульфид, бнс(трибутилоло-
во)оксид, формальдегид. 5,«с(трибутилолово)оксид, а также олигомицин об-
ладают наибольшими специфическими свойствами ингибирования АТФазы.
Ряд других химических соединений объединен по их способности инги-
бировать трансмембранный перенос:
• неорганического фосфата (тиоловые яды — кадмий, ртуть и их неор-
ганические и органические соединения, малеимиды, азотистые ипри-
ты и др.). Наибольшим специфическим действием обладают ртутьор-
ганические соединения;
• адениннуклеотидов (опиаты, бонгрековая и агаровая кислоты);
• катионов (алкиляторы, местные анестетики, формальдегид, комп-
лексные соединения кобальта и лантана). Наиболее высокоспецифич-
ный агент — гексаминкобальтхлорид;
• субстратов (фторцитрат, фусцин, триалкильные соединения олова)-
Наибольшим специфическим действием обладают аналоги субстратов
(например, бутилмалонат).
Как видно из приведенной классификации, количество химических ве-
ществ, обладающих высокой специфичностью ингибирования конкретно
структурно-функциональной единицы митохондрий, незначительно. Специ-
фичность действия основной массы токсичных веществ на конкретны^
участок дыхательной цепи митохондрий является по сути дела относитель-
ной, так как ингибирование этого участка достигается при более низко
действующей концентрации химического вещества или меньшем времен
96 j
”.
воздействия, а при их увеличении может подавляться активность и
еГ° звена дыхательной цепи митохондрий [18].
дРу-ра1<1 например, в модельных опытах на кусочках тканей печени и почек
при воздействии на них 0,1 эффективной дозы (ЕД™) трихлорэтилена
ГГХЭ) в двух вариантах — непосредственное внесение ТлЭ в среду инкуба-
ми или 30-минутная инкубация тканевого препарата с этим токсическим
агентом — было показано, что независимо от времени воздействия ТХЭ на
поепараты изменения тканевого дыхания в них происходят прежде всего за
счет протоноформного разобщения дыхания и фосфорилирования, а также
в результате изменения дыхания НАДН-зависимых субстратов. Однако вы-
пфкенность изучавшегося процесса была большей за счет разобщающего
действия ТХЭ, что особенно наглядно проявилось при увеличении времени
контакта тканевых препаратов с этим химическим веществом [26, 30].
Интоксикация фтором приводит к дефициту субстратов окисления, ин-
гибированию гликолиза и цикла Кребса, в результате чего уменьшается
количество НАД-Н. Реокисление НАД-Н в дыхательной цепи затрудняется
торможением активности НАД Н-дегидрогеназы, СДГ и цитохромоксидазы,
что сопровождается снижением утилизации кислорода тканями и повыше-
нием его содержания в венозной крови. Развитие в результате нарушений
окислительного и энергетического метаболизма гипоксии гистотоксического
типа обусловливает в свою очередь клиническую и патофизиологическую
картину, характерную для воздействия фтора.
В силу указанных причин названные выше химические вещества или им
подобные соединения (или их классы) могут одновременно размещаться
среди разных групп веществ, ингибирующих различные участки дыхательной
цепи (например, свинец, ароматические кислоты, алкилирующие соедине-
ния, галоидпроизводные углеводородов и др.).
В описываемой классификации обращает на себя внимание тот факт, что
НАДН-дегидрогеназный участок дыхательной цепи ингибируется практически
всеми классами органических соединений, а также некоторыми неорганичес-
кими веществами, в то время как терминальный участок дыхательной цепи
высокоустойчив к действию токсических веществ. Он ингибируется узким
кругом относительно простых неорганических соединений [17, 18].
Эффекты ингибирующего действия ксенобиотиков, локализующиеся на
различных участках ферментной системы митохондрий, осуществляющей
процессы дыхания и окислительного фосфорилирования, не являются не-
обратимыми. Однако воздействие высокоспецифичных по отношению к
биологической мишени отдельных веществ (или их классов) в летальных
Дозах/концентрациях может привести к гибели организма. Речь прежде всего
идет о химических веществах, относящихся к области военной токсиколо-
ии. На примере их действия становится понятным, как первичные, высо-
оспецифичные эффекты этих веществ в отношении той или иной биоло-
ческой мишени, входящей, в частности, в систему обеспечения работаю-
еи клетки энергией, интегрируются в общепатологические процессы, при-
Дящие организм к гибели. Одним из таких процессов является развитие
дан°Т°КСИЧеСК°й гипоксии вследствие ингибирования определенного для
мако°Г° ксен°биотика звена в системе биологического окисления и синтеза
кис °ЭРГИЧеСКИХ соеДинений в митохондриях, приводящего к нарушениям
телк|?ТНО'Щелочного гомеостаза за счет метаболического ацидоза и дыха-
°го алкалоза и развитию вторичной гипоксии [18].
ствия°гласно классификации токсичных веществ высокоактивного типа дей-
юТся ’ вещества ~ ингибиторы тканевого дыхания в клетках — подразделя-
4-7127
97
• ингибиторы ферментов тканевого дыхания на стадиях, предшествую,
щих циклу Кребса. Они вызывают угнетение гексокиназы, пируват,
оксидазы и других ферментов. К таким веществам относятся иприты
люизиты и другие физиологически активные вещества;
• ингибиторы ферментов цикла Кребса. Этим эффектом обладают фтор,
карбоновые кислоты, а также их соли и эфиры;
• ингибиторы дыхательной цепи в митохондриях. Классическими пред. |
ставителями этой группы веществ являются цианиды и другие токси- |
ческие вещества — доноры CN-rpynn [7].
Известна большая группа токсичных веществ, действие которых на струк-
турно-функциональный биоэнергетический комплекс митохондрий осущест-
вляется опосредованно. Это прежде всего яды, обладающие активностью в
отношении биологических мембран клетки и митохондрий. Для ряда из них,
например фосфорорганических соединений (ФОС) и в особенности фос-
форорганических инсектицидов (ФОИ), установлен механизм мембрано-
тропности, связанный с их высокой липофильностью, активным окислени-
ем, образованием вследствие этого свободных радикалов и в результате
резким нарастанием перекисного окисления липидов. Все это приводит к
увеличению проницаемости мембран и изменению их физического состоя-
ния [1, 2, 16]. Если для клетки этот процесс сопровождается массивным
вхождением ионов кальция, что может явиться причиной ее гибели, то
активация окисления липидов митохондрий может привести к нарушению
их энергетической функции с последующим развитием тканевой гипоксии
[5]. Последствия сорбции высоколипофильных ФОИ на мембранах и рас-
творения их в липидной фазе столь значимы для функционального состоя-
ния клеток и субклеточных структур и, в частности, для энергообразующей
деятельности митохондрий, что действие таких веществ в отношении мем-
бран характеризуется как мембранотоксическое. В результате этого проис-
ходят не только специфические для ФОС холинергические эффекты, свя-
занные с большим сродством этих соединений к холинэстеразе (ХЭ), но и
взаимодействие ФОС с рядом других ферментов, в том числе непосредст-
венно участвующих в процессах тканевого дыхания и окислительного фос-
форилирования митохондрий (СДГ, АТФаза, цитохромоксидаза) [16]. Наи-
более чувствительным звеном воздействия фосфорорганических ингибито-
ров является окисление НАД-зависимых субстратов в метаболическом
состоянии 3, т.е. при высокой окисленности компонентов дыхательной
цепи. Этот механизм ингибирующей активности установлен для различных
по токсичности (высоко-, умеренно- и низкотоксичных) и химической
структуре ФОС (фосфакола, армина, хлорофоса, дибутил монотио- и дибу-
тилдитиофосфатов калия, роннела и его аналогов, хлорфенвинфоса, пара;
тиона, малатиона и др.), что позволяет говорить о ингибировании ФОС
тканевого дыхания как об общей закономерности [18]. Грубое нарушение
энергетики головного мозга при острых отравлениях ФОИ является следст-
вием развития метаболических нарушений, связанных с описанными выШе
механизмами, и может привести к гибели больных в результате паралича
дыхательного центра, нарушений процессов тканевого дыхания и окисли-
тельного фосфорилирования, развития тканевой гипоксии и несовместим '
го с жизнью ацидоза. Цитотоксический эффект ФОС приводит к гибел
нейронов, гепато- и кардиомиоцитов. я
Между ингибиторной активностью ФОС на процессы тканевого дыхани
и их острой токсичностью существует выраженная зависимость. Она выл
лена для столь различных по своей структуре и биологической активное
98 j
единений, как, например, армии и дибутилмонотиофосфат калия, отли-
с°ющихся по диапазону активности более чем на три порядка.
Характер и степень выраженности изменений процессов энергообразования
митохондриях являются одной из фундаментальных основ индивидуальной
их/вствительности организма к действию токсического агента. Это выража-
ется например, в разной тяжести интоксикации при отравлении животных
одной и той же дозой химического вещества. Так, введение хлорофоса
гоуппе подопытных животных в дозе LD50 вызывает развитие двух степеней
отравлений — средней тяжести и тяжелой. При этом в митохондриях печени
при отравлении средней тяжести происходит увеличение скорости окисле-
ния субстратов, повышение величины дыхательного контроля. Усиление
дыхания митохондрий развивается в условиях прочного сопряжения
окисления и фосфорилирования, о чем свидетельствует повышение показа-
теля Уд„ф/Уо> где Уднф ~ это скорость дыхания при добавлении динитрофе-
нола, Уд—• исходная скорость.
При развитии тяжелой степени отравления хлорофосом в митохондриях
печени отмечается резкое увеличение скорости дыхания в исходном состо-
янии, отсутствует ответ на добавку АДФ, снижаются величины дыхательных
контролей и коэффициент Уднф/У0.
Изучение влияния ксенобиотиков на интенсивность энергетического
обмена различных тканей позволяет установить молекулярные механизмы
индивидуальной чувствительности организма к действующему токсическому
агенту, обусловливающей развитие отравлений различной степени выражен-
ности при действии одной и той же дозы/концентрации химического веще-
ства. Так, например, при внутрижелудочном введении крысам хлорофоса в
дозе, соответствующей LD50, у животных развиваются острые отравления
средней и тяжелой степени. При этом первые сопровождаются увеличением
скорости окисления субстратов, повышением величины дыхательных кон-
тролей. Усиление интенсивности дыхания происходит при условиях проч-
ного сопряжения окисления и фосфорилирования, о чем свидетельствует
повышение Уднф/У0.
При острых отравлениях хлорофосом тяжелой степени в митохондриях
печени отмечается резкое увеличение скорости их дыхания в исходном
состоянии, отсутствие реакции на добавку АДФ, снижение величины дыха-
тельных контролей.
Таким образом, активация процессов энергообразования при острых
отравлениях хлорофосом средней степени тяжести связана с действием
зкстраклеточных регулирующих систем и отражает компенсаторные возмож-
ности организма. При тяжелых отравлениях хлорофосом в митохондриях
печени снижается энергообразующая функция, что выражается в разобще-
нии окисления и фосфорилирования, митохондрии работают только на
поддержание собственного метаболизма, выключаясь из общей цепи мета-
олических процессов всего организма.
3.2. Нарушения энергетического обмена
под влиянием ксенобиотиков
Ни^аРУшения процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирова-
чес’коЫЗА1л^еЛ1Ь1е химическими веществами, приводят к развитию энергети-
BblD/0 <’е<Рии'ита тканей. Поэтому, обусловленная его глубиной и степенью
нос₽т?енности’ клиническая картина интоксикации связана с избиратель-
но поражения той или иной физиологической системы организма, в
4*
99
основе деятельности которой лежит ее особая чувствительность к дефициту
энергии. На первом месте в этом ряду находится ЦНС, отличающаяся
высокой интенсивностью проходящих в ней окислительных процессов. При
их угнетении на 65 % возникает реальная угроза летального исхода’ отрав-
ления. Клиническим проявлением интоксикации никотином, введенным в
дозе 40 мкг/кг, является токсический отек мозга, связанный с резким
снижением уровня АТФ и возрастанием количества АМФ при неизменном
содержании АДФ. Уменьшение одновременно с этим суммарного количе-
ства макроэргов и энергетического заряда характеризует глубокое нарушение
биоэнергетики мозговой ткани, выражающееся энергетическим дефицитом.
На фоне формирования токсического отека мозга развивается недостаток
нуклеотидного фонда, что связано с нарушением ресинтеза макроэргов, о
чем свидетельствует угнетение главных энергообеспечивающих процессов —
гликолиза и окислительного фосфорилирования, а также уменьшение ак-
тивности Na+-, К+-АТФазы, осуществляющих гидролиз АТФ [4].
Торможение, вплоть до блокады, аэробного пути окисления является
причиной доминирования клинических проявлений со стороны ЦНС при
отравлениях цианидами, а также рядом органических соединений (напри-
мер, нитрилами), образующими в процессе метаболизма свободные циан-
ионы (CN-). Присущее мозгу интенсивное кровообращение способствует
поступлению в ткани токсического агента, в данном случае — CN-ионов,
которые, вступая в высокоспецифическое для них взаимодействие с гемом
аз цитохромоксидазы — терминального участка дыхательной цепи мито-
хондрий, ингибируют активность этого фермента, блокируют тканевое ды-
хание и вызывают энергетический дефицит в мозговых тканях. Токсический
эффект зависит от интенсивности подавления активности цитохромоксида-
зы. Так, введение пропионитрила вызывает угнетение активности цитохром-
оксидазы головного мозга на 60 %, приводящее к летальному исходу. То же
происходит и при введении животным эквитоксической дозы цианида
калия.
Вследствие резкого угнетения цианидами тканевого дыхания, ингибиро-
вания окислительного фосфорилирования и энергетических процессов в
нервных клетках острое отравление сопровождается клиническими симпто-
мами, связанными с поражением ЦНС. Отмечаются нарушения координа-
ции движений, выраженные клонико-тонические судороги, нарастающее
расстройство дыхания, одышка, паралич дыхательного центра и смерть от
остановки дыхания.
Клиническая симптоматика подострых и хронических интоксикаций хи-
мическими соединениями — донорами свободных CN-ионов — определяет-
ся степенью совместимости с жизнью блокирования цитохромоксидазы
терминального участка митохондриальной дыхательной цепи и возмож-
ностью участия дополнительных механизмов обеспечения клеток и тканей
энергией, играющих в обычных физиологических условиях незначитель-
ную роль в общей схеме снабжения организма необходимой для его
жизнедеятельности энергией [10]. Например, при хроническом ингаляци-
онном воздействии 3-диметиламинопропанонитрила нарушения энергети-
ческого дыхания и связанных с ним окислительно-восстановительных про-
цессов обусловлены ингибированием отщепляющейся в процессе метабо-
лизма соединения CN-группой конечного акцептора протонов дыхательной
цепи митохондрий — цитохромоксидазы на 27 % (при концентрации соеди-
нения 290 мг/м3).
В процессе хронического взаимодействия CN-иона с гемом аз цитохром-
100
идазы повышается значение гема а, обеспечивающего так называемое
оКСноезистентное дыхание и поддерживающего этим совместимый с жиз-
циа уровень тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Дру-
НЬ“° составляющей этого процесса являются гликолитические механизмы
гоИепирования энергии, которые при острых отравлениях не успевают ак-
ГбНизироваться, а при хронических могут получить необходимое развитие и
беспечить, даже при незначительных запасах гликогена в мозговой ткани,
°есцнтез макроэргических фосфорных соединений в условиях кислородного
голодания, вызванного частичной и медленно развивающейся блокадой
аэробного пути окисления.
НСпецифическое (цианидное) действие в отношении цитохромоксидазы
присуще не всем нитрилам [25]. Так, при 3-дневном введении диметилами-
нопропионитрила (ДМПН) в дозе, близкой к среднесмертельной, ее актив-
ность составляла 73 % от контроля, что приводило к развитию признаков
интоксикации, характерных для действия свободных CN-ионов (судорож-
ные явления, покраснение кожных покровов и видимых слизистых) с по-
следующей гибелью животных в относительно ранние сроки. В то же время
эти симптомы не отмечаются при острых интоксикациях, вызываемых двумя
другими нитрилами, — диметилцианэтилпропандиамином (ДМЦПД) и
N-P-цианэтилдиэтилентриамином (N-P-ЦЭДТА) — при введении их в изо-
эффективных дозах. Клиническая картина отравлений этими соединениями
развивается вяло, гибель животных происходит в более поздние сроки (на
2—з-и сутки). Активность цитохромоксидазы составляет 119% от уровня
контроля, т.е. отсутствует специфическое для цианидов угнетение фермента
[25].
Показано, что отличия в действии нитрилов — производных алифатичес-
ких соединений — на цитохромоксидазу обусловлены особенностью их ме-
таболизма. При остром воздействии на уровне смертельных доз скорость
отщепления CN-группы от молекулы нитрила тем выше, чем меньше его
молекулярная масса и лучше растворимость вещества в воде. Острая ток-
сичность нитрилов с высокой скоростью метаболизма обусловлена комби-
нированным действием целой молекулы вещества и его метаболита — CN-
иона. Нитрилы с низкой скоростью превращения действуют в основном
Целой молекулой. Это прослежено по кинетическим константам накопления
метаболитов (роданидов) в моче животных при внутрижелудочном одно-
кратном введении им ДМПН и N-p-ЦЭДТА в динамике нарастающих доз
(0,025; 0,03; 0,05; 0,1; 0,3). При введении ДМПА в сравнении с другим
нитрилом ускорение процесса образования роданидов в 3 раза выше при
меньшей дозе вещества, при которой скорость накопления роданидов равна
'2 максимальной скорости их накопления, что свидетельствует о высокой
скорости отщепления CN-группы ДМПН и эффективности механизма де-
оксикации цианида в широком диапазоне вводимых доз нитрила. Однако,
н чиная с определенных доз каждого вводимого нитрила, происходит паде-
ctv СКОР°СТИ накопления роданидов. Торможение этого процесса при по-
ингбеНИИ ДМПН в дозах свыше 0,1 LD5Q обусловливается прежде всего
и ибированием свободными CN-ионами, которые не успевают связываться
Тат 1ВодиТься парными соединениями энергетического дыхания. В резуль-
снижРаЗВИВаЮЩег0СЯ снижения активности цитохромоксидазы происходит
Рези бНИе содеРжания гликогена в гепатоцитах, падение активности циан-
Ма pC-Vso1 ”25° микРосомального окисления, снижение содержания цитохро-
Ингибирование образования роданидов при введении N-p-ЦЭДТА на-
101
чинается при относительно небольшой дозе (в 1,3 раза меньшей, чем прц
введении ДМПН) и низкой скорости их накопления (0,18 мкг/мл/ч), т.е. в
условиях, когда возможности организма по связыванию CN-иона еще дале-
ко не исчерпаны. Предполагают, что, так же как при метаболизме пропио-
нитрила и изовалеронитрила, лимитирующим звеном отщепления цианида
является предшествующий метаболизм молекулы N-p-ЦЭДТА по какой-
либо другой связи, который быстро начинает тормозиться избытком суб-
страта — целой молекулой нитрила, в результате чего падает скорость по-
следующей реакции отщепления CN-иона. Именно с этим связано отсутст-
вие признаков специфического (цианидного) угнетения цитохромоксидазц
при действии данного нитрила.
Отсутствие специфического цианидного действия ДМПН и N-p-ЦЭДТД
обнаруживается при хроническом ингаляционном воздействии этих нитри-
лов на уровне пороговых (25 и 2,8 мг/м3 соответственно) и выраженных
токсических (290 и 9 мг/м3 соответственно) концентраций. Важно отметить,
что вещество с более высокой скоростью метаболизма (ДМПН), в процессе
которого освобождаются CN-ионы, оказывается в условиях хронического
воздействия менее опасным, чем N-p-ЦЭДТА, метаболизм которого проис-
ходит с гораздо меньшей скоростью. Это указывает на ведущую роль целой
молекулы вещества в процессе хронической интоксикации, тогда как обра-
зование свободных CN-ионов не оказывает существенного влияния на раз-
витие хронического отравления [25].
Приоритетная роль нарушений энергетического обмена в развитии кли-
нической картины отравлений окисью углерода (СО) наряду с образованием
карбоксигемоглобина установлена только с развитием учения о биоэнерге-
тике клетки и методических приемов ее изучения. Имеющиеся данные
указывают на несоответствие степени тяжести отравлений СО и количества
содержащегося при этом в крови карбоксигемоглобина. Так, наблюдение за
194 больными с острыми отравлениями окисью углерода выявило лишь у
пяти из них содержание карбоксигемоглобина на уровне 60 %. У всех ос-
тальных больных, несмотря на крайне тяжелую форму интоксикации, со-
держание карбоксигемоглобина не превышало 20—30 %. Учитывая, что ве-
дущую роль в развитии клинической картины интоксикации СО играют
резкие нарушения структуры и функции ЦНС, глубина поражения послед-
ней не может быть связана только с последствиями гипоксемии вследствие
образования карбоксигемоглобина. Еще предыдущими исследованиями по-
казано резкое угнетение окисью углерода дыхания тканей мозга, особенно
его подкорковых узлов. В настоящее время установлено, что влияние СО
на энергетический обмен осуществляется через терминальное звено дыха-
тельной цепи митохондрий — цитохромоксидазу, что приводит к гистоток-
сической форме гипоксии [28]. Последствиями ее являются глубокие нарУ'
шения окислительных процессов, ограничивающие образование макроэрги-
ческих фосфорных соединений, несущих необходимую для жизнедеятель-
ности организма энергию. Уменьшением запасов энергетических ресурс06
не ограничиваются нарушения в энергетическом обмене при интоксикации
СО. Они распространяются также на процесс использования аккумулир0'
ванной в макроэргических соединениях энергии тканями организма. Поми-
мо этого, СО подавляет активность АТФазы, что сказывается на процесс
освобождения накопленной энергии.
Поражение токсичными веществами определенного звена митохонДРи
альной дыхательной цепи может иметь неравнозначные последствия ДО
различных тканей организма. Установлено, например, что при отравления
102
оторыми органическими соединениями, вызывающими энергетический
нежИцИт путем ингибирования АТФазы или разобщения процессов дыхания
Д окислительного фосфорилирования, характерным симптомом является
И пажение органа зрения. Так, при повторных поступлениях в организм
ких разобщителей, как 4-нитро-2,6-дихлоранилин и 2,4-динитрофенол,
^мечаются поражения конъюнктивы, роговицы, при которых возможно
быстрое развитие катаракты со вторичной глаукомой. Однако наиболее
тяжелые изменения вызывает интоксикация метиловым спиртом, при кото-
й поражения глаз возможны при всех путях поступления яда в организм.
Они возникают в результате воздействия этого токсического агента на
митохондрии сетчатки и зрительного нерва, в которых тормозится актив-
ность одного из ферментов дыхательной цепи — АТФазы. Помимо этого,
высокотоксичный продукт метаболизма метанола — формальдегид — обла-
дает способностью разобщать процессы дыхания и окислительного фосфо-
рилирования в митохондриях, что в совокупности приводит к дефициту
макроэргов. Углублению этого дефицита способствует торможение формаль-
дегидом анаэробного гликолиза в тканях глаза, в результате чего недостаток
АТФ нарастает. Даже временное нарушение синтеза АТФ в клетках сетчатки
может привести к потере зрения.
Качественные различия реакции энергообразующих процессов мито-
хондрий на действие одного и того же химического фактора одинаковой
интенсивности обусловливают различные механизмы реализации его токси-
ческого эффекта на организменном уровне. Наблюдаемая клиническая кар-
тина отравления средней степени тяжести связана с активизацией процессов
энергообразования под влиянием экстраклеточных регулирующих систем,
что отражает компенсаторные возможности организма. Другой, более тяже-
лый тип реакции на то же токсическое воздействие, выражающийся сниже-
нием энергообразующей функции митохондрий и приводящий к разобще-
нию окисления и фосфорилирования, означает выключение метаболических
возможностей митохондрий из общей цепи приспособительных метаболи-
ческих реакций целостного организма. Связь изменений функции ЦНС,
выражающаяся в ее угнетении, с изменениями внутриклеточных окисли-
тельных процессов установлена при действии низкомолекулярных хлорор-
ганических алифатических соединений, применяющихся для ингаляционно-
го наркоза и местной анестезии. Существенное уменьшение потребления
кислорода, установленное при воздействии таких веществ на уровне целост-
ного организма, сочетается с торможением дыхания изолированных мито-
хондрий. Так, добавление в среду инкубации 1,1,1-трихлорэтана в концент-
рациях до 2 мкммоль/мг митохондриального белка сильно подавляет дыха-
ние изолированных митохондрий в состоянии 3 при окислении НАД-зави-
симых субстратов. В состоянии 4 низкие концентрации (до 0,8 мкммоль/мг
Митохондриального белка) 1,1,1-трихлорэтана стимулируют дыхание, а при
Увеличении концентраций происходит его угнетение. Это соединение вызы-
ет также угнетение дыхания, стимулированного 2,4-динитрофенолом.
I присутствии олигомицина (высокоспецифичного ингибитора АТФазы)
р’ ’ ^ТРихлорэтан не влияет на скорость дыхания изолированных митохонд-
ног ^0НцентРации токсического агента ниже 2 мкмоль/мг митохондриаль-
I о белка не вызывают изменений коэффициента АДФ/О. Концентрация
н’ ’ 'тРихлорэтана, вызывающая 50 % ингибирование дыхания изолирован-
митохондрий в состоянии 3, составляет 0,65 мкмоль/мг митохондри-
ьного белка [18].
ызываемому 1,1,1-трихлорэтаном торможению дыхания в состоянии 3
103
не способствует ни кофактор, ни субстрат, что подтверждается результатами
экспериментов на изолированных митохондриях, подвергнутых циклу ох-
лаждение — нагревание в присутствии НАД+ и цитохрома с.
Активными ингибиторами митохондриальных метаболических процессов
являются оловоорганические соединения, обладающие выраженной нейро-
и гепатотоксичностью [18, 22]. Действие этих химических соединений на
биоэнергетику клетки характеризуется достаточно широким диапазоном эф-
фектов и уровней активности, Ci50 которых может отличаться для крайних
представителей ряда этих соединений в тысячи раз. Так, Ci50 трибутилоло-
вометакрилата составляет 2,1-10-3 М, а быс(трибутилолово)оксида — 110~6 М.
Высокая липофильность оловоорганических соединений обусловливает не-
сколько большую эффективность ингибирования ими НАД-зависимого пути
окисления. Действие трибутилоловохлорида, трибутилоловометакрилата, ди-
бутилоловосульфида и диэтилдикаприлатолова локализуется в области фер-
ментных систем, расположенных по субстратную сторону от убихинона,
тогда как точка приложения дибутилдиизооктилтиогликолятолова находится
в терминальном участке дыхательной цепи митохондрий между убихиноном
и цитохромом Ь.
Указанные механизмы действия оловоорганических соединений на пере-
нос электронов по дыхательной цепи осуществляются на полностью разо-
бщенных митохондриях. На фосфорилирующих митохондриях некоторые
оловоорганические агенты, например дибутилоловосульфид и быс(трибути-
лолово)оксид, проявляют высокое сродство к окислению, сопряженному с
синтезом АТФ. Они тормозят АДФ — активированное дыхание митохонд-
рий в концентрациях, в десятки и тысячи раз более низких, чем дыхание в
присутствии разобщителя — 2,4-д и нитрофено л а [22].
С влиянием оловоорганических соединений на энергетический метабо-
лизм митохондрий тесно связаны их значительная общая токсичность и
избирательность токсического действия. Сопоставление параметров острой
токсичности соединений с их ингибирующей активностью показывает прак-
тически полное совпадение расчетных (по Ciso) и экспериментально най-
денных величин. Единичные исключения могут быть связаны, например, с
образованием более токсичного метаболита, что выявлено для тетраэтило-
лова, у которого расчетные и экспериментальные величины основных пара-
метров острой токсичности различаются в 5,4 раза [18, 22].
Характерное для оловоорганических соединений выраженное нейро- и
кардиотоксическое действие связано с тем, что эти ткани характеризуются
высоким уровнем энергетического метаболизма и, следовательно, высоко-
чувствительны к его ингибированию.
Многие химические вещества обладают опосредованным влиянием на био-
энергетику клетки, что связано прежде всего с механизмами их мембраноток-
сического действия [7, 10]. Так, липофильные соединения, вступая во взаи-
модействие с эндогенными липидами биологических мембран, запускают
реакции перекисного окисления, в результате которых целостность биомем-
бран нарушается, и токсический агент, проникая, в частности, внутрь ми-
тохондрий, оказывает воздействие на их энергетику. Этот процесс может
быть связан не только с действием целой молекулы химического вещества,
но и с продуктами его метаболизма.
Одним из характерных примеров подобного механизма влияния токсич-
ного вещества на протекание процессов дыхания в митохондриях является
четыреххлористый углерод (ССЦ). Установлено, что центральное место в его
метаболизме занимает радикал CCI3, образующийся на первой стадии транс-
104
жопмаиии примерно из 20 % адсорбированной дозы ССЦ в системе цито-
пома Р-450 [2]. ССЦ взаимодействует с липидами биомембран клетки и
убклеточных структур, инициируя реакции перекисного окисления липи-
нов продукты которых ингибируют процессы тканевого дыхания митохонд-
рий Однако образование хлорметильного радикала происходит в основном
Р печени и не происходит в головном мозге, в связи с чем влияние CCI4 на
энергетические процессы в тканях этих органов различно [6, 18].
При однократном сублетальном отравлении животных СС14 первые, наи-
более ранние изменения энергетических процессов происходят именно в
клетках печени [18]. Уже через 15 мин отмечается их активация, выражаю-
щаяся повышением скорости дыхания в активном состоянии 3 после первой
добавки АДФ, а также увеличением коэффициента АДФ/О, свидетельству-
ющим о повышении эффективности сопряжения при окислении митохонд-
риями янтарной и глутаминовой кислот. После повторной добавки АДФ
появляются признаки умеренного низкоэнергетического сдвига (снижение
скорости дыхания в активном состоянии 3 и величины дыхательного конт-
роля при окислении сукцината), сопровождающиеся характерным для ЩУК
торможением активности СДГ.
Описанная реакция активации дыхания митохондрий печени не наблю-
дается при окислении НАД-зависимых субстратов, обеспечивающих реак-
ции второй ветви энергетического обмена. Реакции аналогичных показате-
лей в митохондриях мозга в этот же период времени характеризовались лишь
незначительным повышением интенсивности дыхания, стимулированного
АДФ при окислении сукцината, и не изменяются в присутствии глутами-
новой кислоты.
Если спустя 1 ч после отравления животных сублетальной дозой ССЦ в
их печени отмечается углубление патологического процесса, о чем свиде-
тельствует смена явлений стимуляции энергетического обмена митохондрий
на явления угнетения процессов дыхания и окислительного фосфорилиро-
вания (снижение скоростей дыхания в состоянии 3 после двух добавок АДФ,
скорости фосфорилирования и средней величины дыхательного контроля
при окислении сукцината), то в тканях мозга изменения со стороны их
биоэнергетических систем отсутствуют вовсе. Они начинают появляться
лишь через 1 сут после отравления ССЦ, но существенно отличаются по
степени выраженности от аналогичных изменений в печени. Так, если в
последней в среде инкубации с сукцинатом и глутаматом снижение скорости
Дыхания митохондрий в активном состоянии 3 составляет 34 %,
хондриях мозга — 13 %; снижение скорости фосфорилирования ______ .._г
вой и второй добавок АДФ митохондриями печени составляло 29 и 45 %
^ответственно, митохондриями мозга — 18 и 17 %.
В ткани мозга в последующие сроки наблюдения какие-либо изменения
процессов дыхания и окислительного фосфорилирования отсутствуют, в то
Ремя как в митохондриях печени на 7-й день после отравления ССЦ
оявляются признаки нормализации их биоэнергетики по изучавшимся
казателям, завершившиеся еще через неделю их полной нормализацией.
н Дзличия в реакциях биоэнергетических систем печени и мозга сохра-
1-йпТС)Я[б П18^ ДРУ™Х интенсивностях воздействия на организм ССЦ (Limac,
Ношения биоэнергетики при различных интоксикациях происходят не
д Ко в °Рганах> определяющих ведущие симптомы отравлений, но и в ряде
Физ*1Х’ изменения деятельности которых создают в совокупности полимор-
м клинической картины интоксикации. Одним из ярких примеров этого
то в мито-
после пер-
105
являются клинические проявления токсического действия сероуглерода, ко-
торый при хроническом воздействии приводит к поражениям центральной,
вегетативной, периферической нервной системы, эндокринных и внутрен-
них органов, системы крови, ряда других систем. В клинической картине
интоксикации присутствуют проявления заболеваний ЖКТ и, в частности,
желудка [10]. Изучение причин его поражения сточки зрения биоэнергетики
выявило изменения в протекании в его тканях процессов тканевого дыхания
и окислительного фосфорилирования. На гомогенатах из тканей желудка
животных, полученных после ингаляционной затравки сероуглеродом в те-
чение 3 и 6 мес в разных концентрациях (соответственно 265 и 12 мг/м3),
с использованием в качестве субстратов окисления глюкозы и гликогена,
показано, что интоксикация, развивающаяся от воздействия большей кон-
центрации токсического агента, приводит к значительному снижению тка-
невого дыхания и окислительного фосфорилирования в ткани желудка,
причем нарушения последнего более выражены. Параллельное уменьшение
показателя фосфорилирования (P/О), т.е. отношения использованного фос-
фора к поглощенному кислороду, свидетельствует о разобщении процессов
окисления и фосфорилирования и нарушении синтеза макроэргических
субстратов. Изменение активности ряда ферментов различных участков ды-
хательной цепи не носит определенного и выраженного характера. Напри-
мер, активность СДГ, обеспечивающей введение электронов в систему тер-
минального окисления, либо не изменяется, либо умеренно ингибируется.
Активность АТФазы, напротив, несколько увеличивается.
Таким образом, высокие концентрации сероуглерода угнетают в тканях
желудка аэробные пути генерации энергии, что сопровождается активацией
гликолиза без существенного изменения гликогенолиза.
Низкая концентрация сероуглерода не вызывала изменений дыхательной
и фосфорилирующей активности митохондриального аппарата желудка, а
также активности АТФазы. В то же время активировались обе ветви мета-
болизма углеводов — гликолиз и гликогенолиз, что свидетельствует о том,
что течение реакций, обеспечивающих энергией жизнедеятельность клеток
желудка, сдвигается в сторону анаэробных процессов прежде, чем происхо-
дят нарушения функциональных возможностей системы аэробной генера-
ции энергии.
Изменения процессов обеспечения энергией тканей одного и того же
органа имеют качественные и количественные отличия в зависимости от
дозы/концентрации действующего токсического агента. Основное из них
заключается в том, что высокие концентрации сероуглерода и возникающие
в процессе его метаболизма продукты, повреждая систему митохондриаль-
ного окисления, вызывают прежде всего угнетение аэробных путей генера-
ции энергии с параллельным увеличением скорости гликолиза, что осущест-
вляется ингибицией переноса электронов на уровне СДГ и разобщением
окисления и фосфорилирования в митохондриях. Последнее является одним
из основных молекулярных механизмов токсического действия сероугле-
рода.
В то же время при действии малых доз/концентраций токсического
агента феномена разобщения не отмечается, а основные изменения продук-
ции энергии связаны с увеличением скорости гликолиза и гликогенеза.
Таким образом, токсическое действие сероуглерода в разных концентра-
циях связано с нарушением координации двух основных механизмов синтеза
макроэргических соединений со сдвигом в сторону менее эффективных и
выгодных для организма анаэробных путей энергообеспечения. В таких
106
овиях создается возможность для снижения запасов макроэргических
УсЛлИнений, т.е. формируется энергетический дефицит. Последний оказы-
т отрицательное влияние на структурно-функциональное состояние же-
^ка снижая интенсивность пластических процессов в его тканях, что
Л иво'дит к его структурным повреждениям с последующим формированием
иронического гастрита, являющегося одним из клинических проявлений
хронической интоксикации сероуглеродом [10].
И При интоксикациях изменения процессов тканевого дыхания и окисли-
тельного фосфорилирования в различных органах происходят неравномер-
но Они развиваются чаще в тех органах, которые характеризуются высоким
окислительным метаболизмом. Помимо ЦНС, такой уровень указанного
процесса характерен для почечной ткани. В сравнительных экспериментах
in vitro на кусочках тканей печени и почек при воздействии на них равных
концентраций ТХЭ более выраженные изменения тканевого дыхания, в виде
угнетения на 42 % сукцинатного дыхания, на 47 % — НАД Н-зависимого
дыхания на фоне разобщающего эффекта, были выявлены в почечной ткани
(в печеночной ткани эти показатели составляли примерно 2—3 и 12 %
соответственно), что свидетельствует о большей уязвимости почечной ткани
к повреждающему действию ТХЭ [26].
У некоторых близких по строению химических веществ, часто обладаю-
щих при этом существенными различиями в токсичности, одновременно
выявляются выраженные различия в механизме их влияния на дыхание
митохондрий. Так, классические тиоловые яды (арсениты) подавляют окис-
ление пировиноградной и а-кетоглутаровой кислот за счет связывания SH-
групп дигидролипоилдегидрогеназы, а также нарушают транспорт неоргани-
ческого фосфата через мембрану митохондрий. Совсем иной механизм дей-
ствия у арсенатов. Они активируют дыхание митохондрий в состоянии 4,
снижают отношение P/О, активируют латентную АТФазу. Считают, что
анион мышьяковой кислоты может подменять собой неорганический фос-
фат и, формируя макроэргическую связь с АДФ, образует аденозиндифос-
фатмоноарсенат. Последний легко гидролизуется на АДФ и анион арсената.
В результате создается постоянный высокий уровень нефосфорилированной
АДФ, что приводит к необратимой активации дыхания [18].
Высокоспецифичными неорганическими веществами, обладающими ин-
гибиторным действием на различные участки дыхательной цепи митохонд-
рий, являются цинк, цианиды и азиды. Действие цинка локализуется в
одной точке дыхательной цепи, расположенной между цитохромами в ИС|,
в которой и происходит ингибирование переноса электронов, в то время
как на участки, расположенные по обе стороны от специфически ингиби-
руемого, заметного влияния цинка не выявлено. С высокой специфичнос-
к> и чувствительностью дыхательной цепи митохондрий к цинку связыва-
ло регулирующее влияние на интенсивность ее работы [17, 18].
т ингибирующим влиянием на следующее звено дыхательной цепи ми-
НД°ИДРНЙ ~ цитохромоксидазу — связано высокоспецифическое действие
сое Нерго°бразующие митохондриальные процессы двух классов химических
реагИНений ~ цианидов и азидов. Ионы этих соединений — CN- и N3-,
дыха^^ При весьма низких концентрациях с этим ферментом, подавляют
ИонпНИе митохондРий- Ингибиторная активность других неорганических
(SO 2-\В отношении цитохромоксидазы намного ниже. Так, сульфит-ион
пОр3 ' П0Давляет активность цитохромок- чдазы в концентрациях на 3—4
адка ниже, чем высокоспецифичные цианиды и азиды.
Дь>хание
107
Установлено ингибирующее действие ряда неорганических соединений
на трансмембранный перенос неорганического фосфата. Такие тиоловые
яды, как кадмий, ртуть и их неорганические соединения, подавляют транс-
порт неорганического фосфата, нарушают окислительное фосфорилирова-
ние, почти до нуля снижая величину P/О. Хроническое воздействие ацетата
свинца также снижает эффективность сопряжения (по величине P/О), ЧТо
приводит к значительному подавлению окислительных процессов в мито-
хондриях печени, причем изменения P/О и дыхания митохондрий происхо-
дят раньше, чем характерный для свинца клинический признак интоксика-
ции — появление в крови базофильно-зернистых эритроцитов. В митохонд-
риях не только печени, но и почек свинец вступает в конкурентные взаимо-
отношения с неорганическим фосфатом. При его отсутствии свинец пол-
ностью ингибирует дыхание в концентрации 0,2 ммоль, а 25 ммоль фосфата
полностью снимают этот эффект [18].
Помимо ингибирующего эффекта в отношении трансмембранного пере-
носа неорганического фосфата, кадмий и ртуть увеличивают активность
латентной АТФазы и транспорт калия, усиливают выброс протона из мито-
хондрий. Им присущи не только ингибиторная активность, но и разобща-
ющие свойства, однако последние проявляются в очень узком концентра-
ционном диапазоне. Так, CdCl2 в концентрации 1,610“6 М полностью
разобщает окислительное фосфорилирование (субстрат окисления — сукци-
нат), а при концентрации 3,3-10“6 М (при окислении янтарной кислоты)
окислительное фосфорилирование ингибируется уже на 30 % [18].
Аналогичный механизм действия на дыхание митохондрий установлен и
для органических соединений ртути и кадмия [18].
Нарушения энергообразующей функции митохондрий, связанные с ин-
гибиторным действием на трансмембранный перенос неорганического фос-
фата, установлены для малеимидов. Они являются эффективными ингиби-
торами окислительного фосфорилирования, причем дыхание, связанное с
фосфорилированием АДФ, угнетается более низкими концентрациями от-
дельных веществ, входящих в этот класс химических соединений, чем ды-
хание в разобщенном состоянии, когда скорость переноса электронов по
дыхательной цепи не лимитируется работой механизмов, обеспечивающих
фосфорилирование АДФ [19].
ЛИТЕРАТУРА
1. Владимиров Ю.А., Азизова О.А., Деев А.И. и др. Свободные радикалы в живых
системах. — В кн.: Итоги науки и техники. Серия Биофизика. — М.: ВИНИТИ,
1991. -Т. 29. - С. 250.
2. Голиков С.Н., Саноцкий И.В., Тиунов Л.А. Общие механизмы токсического дей-
ствия. — Л.: Медицина, 1986. — С. 280.
3. Ершов Ю.А., Плетнева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических
соединений. — М.: Медицина, 1989. — С. 272.
4. Жаров А.Н., Новиков В.Е. Состояние окислительного фосфорилирования в ми-
тохондриях головного мозга при его токсическом и травматическом отеке-на-
бухании//Вопр. мед. химии. — 1992. — Т. 38. — Вып. 5. — С. 24—25.
5. Коржеев А.А., Комиссарова И.А. О механизме повреждающего действия гипоксии
на дыхательную цепь и способы ее фармакологической коррекции//Экспер-
клин, фармакол. — 1994. — Т. 57. — № 1. — С. 45—47.
108
Курляндский Б.А. О некоторых закономерностях развития хронических интокси-
каний промышленными органическими веществами (к проблеме токсических
воздействий малой интенсивности): Дис. ... д-ра мед. наук. — М., 1970.
7 Курочкин В.К., Лошадкин Н.А., Попов А.Г. и др. Классификация информации по
химическим веществам и военной токсикологии в контексте проблем химичес-
кого разоружения//Токсикол. вестн. — 1994. — № 3. — С. 19—23.
g Лошадкин Н.А., Абнизов С. С. Классификация токсичных веществ, вызывающих
оазличные типы гипоксий на начальных стадиях интоксикации//Токсикол.
вестн. - 1995. - № 3. - С. 25-27.
о Марри Р., Греннер Д., Мейс П.. Родуэлл В. Биохимия человека: Пер.с англ. —
1993. — М.: Мир. — Т. 1.
10 Метаболические аспекты действия на организм индустриальных химических
соединений. — В кн.: Сб. научн. трудов Красноярского мед. ин-та. — Красно-
ярск, 1988.-С. 14-89, 86-91.
ц. Милаева Е.Р., Тюрин В.Ю., Харитонашвили Е.В. и др. Молекулярные механизмы
действия ртутьорганических соединений на электрон-транспортную цепь мито-
хондрий. — В кн.: Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и приклад-
ной химии. - СПб. - 1998. - Т. 4. - С. 102.
12. Митохондрии. Аккумуляция энергии и регуляция ферментативных процессов. —
М.: Наука, 1977.
13 Митохондрии. Структура и функции в норме и при патологии. — М.: Наука,
1971. - 195 с.
14. Митрохин Н.М., Жигачева И.В., Чаморовская Л.Т. и др. Влияние комбинирован-
ного действия солей металлов и фенола на энергетику изолированных мито-
хондрий печени крыс//Бюл. экспер. биол. и мед. — 1992. — № 1. — С. 47—50.
15. Осипова В.П., Пименов Ю.Т., Берберова Н.Т. и др. Ингибирующее действие
ртутьорганических соединений на процессы клеточного и митохондриального
дыхания//Токсикол. вестн. — 1999. — № 1. — С. 21—26.
16. Прозоровский В.Б., Ливанов ГА. Некоторые теоретические и клинические про-
блемы токсикологии фосфорорганических инсектицидов//Токсикол. вестн. —
1997. — № 3. - С. 2-10.
17. Ротенберг Ю.С. Проблема влияния промышленных токсических веществ на
биоэнергетические процессы организма в гигиене и токсикологии: Дис. ... д-ра
мед. наук. — М., 1980.
18. Ротенберг Ю.С. Классификация ксенобиотиков по локализации их действия на
ферментные системы митохондрий//Бюл. экспер. биол. и мед. — 1982. — № 9. —
С. 42-45.
*9. Ротенберг Ю.С., Кельман Г.Я. Ингибирование процессов дыхания и фосфори-
лирования производными малеимида//Биохимия. — 1975. — Т. 40. — Вып. 3. —
С. 489-496.
20- Ротенберг Ю.С., Курляндский Б.А. О влиянии длительного действия токсических
веществ на напряжение кислорода в тканях центральной нервной системы//Акт.
вопр. гигиенич. токсикол. — М. — 1972. — С. 76—77.
21- Ротенберг Ю.С., Курляндский Б.А. О возможности расчета токсических и мини-
мально действующих концентраций промышленных ядов в тканях по их инги-
биторной активности//Гиг. труда и проф. заб. — 1978. — № 5. — С. 38—41.
Ротенберг Ю.С., Мазаев В.Т., Шлепнина Т.Г. Особенности действия оловоалки-
лов на дыхание и окислительное фосфорилирование митохондрий печени
*рыс//Укр. биохим. журнал. — 1978. — Т. 50, № 6. — С. 695—700.
109
23. Ротенберг Ю.С., Сербиновская Н.А. Экспрессное определение параметров токси-
кометрии новых химических агентов на изолированных митохондриях печени-
Методические рекомендации. — М., 1977. — 37 с.
24. Руководство по изучению биологического окисления полярографическим мето-
дом. — М.: Наука, 1973. — 221 с.
25. Сидорин Г.И., Дьякова Л.И., Луковникова Л.В. и др. Нитрилы: токсикокинетика
токсичность и опасность//Токсикол. вестн. — 1996. — № 1. — С. 19—22.
26. Сидорин Г.И., Суворов И.М., Луковникова Л.В. и др. О патогенезе трихлорэтиле-
новой интоксикации//Гиг. труда и проф. заб. — 1992. — № 2. — С. 32—35.
27. Скулачев В.П. Трансформация энергии в биомембранах. — М.: Наука, 1972.
28. Толкачев Д.А. Влияние хронического воздействия оксида углерода в минимально
эффективных концентрациях на организм экспериментальных животных//Ток-
сикол. вестн. — 1994. — № 4. — С. 31—33.
29. Фролова АД. Гигиеническое регламентирование металлов на основе механизма
повреждающего действия: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. — Л., 1990. —41 с.
30. Фролова А.Д., Луковникова Л.В. Изучение процессов биологического окисления
in vitro для ускоренного прогнозирования метаболической активности промыш-
ленных ядов//Токсикол. вестн. — 1994. — № 4. — С. 20—24.
н V.r- .
«ЯМВЖЖЧ» ..... 3 ..
кдфЛ. н?1 > m-й. : г •
4.1-' ч. .. .- . .
•“-J? «И’-- / - • .
s ,
.«!• . tislyp- ' .-"'I'.:
— .1 ItWh*-- - . У 4 ; :
.< г ... о - -
XStiiV- г. ‘ . ... .г ’ Is. .V-
...........р:’
Л ' " '-У' ‘
Г лава 4
ТИОЛОВЫЕ ЯДЫ
4.1. Патогенез и механизмы токсического действия
тиоловых ядов
4.1.1. Общие положения
Токсикология тиоловых ядов и в первую очередь металлов рассматрива-
ется как один из ведущих разделов промышленной токсикологии прежде
всего в связи с преимущественно профессионально обусловленным контак-
том с этими элементами в чистом виде, а также в сплавах, огромном
количестве неорганических и органических соединений, используемых
практически во всех сферах хозяйственной деятельности человека. Широкое
распространение указанных элементов и их соединений в природе, посто-
янно возрастающее антропогенное загрязнение ими окружающей среды,
которое приняло глобальный характер, явились основой интенсивного изу-
чения металлов в экологической токсикологии. Как в первом, так и во
втором направлениях среди необозримого количества научных работ и пуб-
ликаций преобладают исследования, посвященные тяжелым металлам, или
тиоловым ядам.
К тиоловым ядам относятся химические вещества, способные блокировать
сульфгидрильные (SH-) группы белков и тем самым нарушать обменные про-
цессы в организме.
Хотя в группу ферментных ядов [75] входят многие элементы и соеди-
нения неорганической и органической природы, с понятием “тиоловые
яды” прежде всего ассоциируются мышьяк и тяжелые металлы (кадмий,
ртуть, свинец), а также медь, железо, кобальт, цинк, марганец, молибден,
хром, ванадий, никель. Поэтому в данном разделе будут рассмотрены имен-
но представители названного класса ядовитых веществ общетоксического
Действия. Правильнее было бы назвать эти химические агенты блокаторами
Функционально активных групп белков, так как они связывают также амин-
ные, карбоксильные и другие группы, хотя и в существенно больших дозах.
Но сульфгидрильные группы, как правило, блокируются при более низ-
ких концентрациях соединений трехвалентного мышьяка, тяжелых металлов
и Других тиоловых реагентов, что, вероятно, и послужило основанием для
такого группового названия этих ядов. Важно подчеркнуть, что предпочти-
тельными лигандами1 для тяжелых металлов являются пептиды и аминокис-
отные остатки белков, тогда как взаимодействие с низкомолекулярными
росодержащими лигандами у них не столь однозначно по своим вероят-
ым биологическим эффектам. Поэтому рассмотрение природы тяжелых
зыв' Вигандами называют вещества, связывающие металлы. Если металл при свя-
хедаНИИ с лигандом заключен между двумя элементами (N, О, S), образуется
TenJH°e“кольцо- таком соединении металл более прочно связан с лигандом.
Ин ‘хелат” происходит от греческого слова khele — клешня краба.
111
металлов, их физико-химических свойств, предпочтительных органов-мц-
шеней, объектов взаимодействия в организме — важная задача в раскру.
тии патогенетических механизмов вероятных отравлений и заболеваний
химической этиологии, связанных с токсическим воздействием тиоловых
ядов.
Вопросы клиники, лечения и профилактики острых и хронических от-
равлений тяжелыми металлами изучены достаточно хорошо, тогда как па-
тогенетические механизмы токсического действия описаны лишь фрагмен-
тарно и требуют дальнейшего изучения. Такое положение вполне естествен-
но отражает непреходящий процесс познания новых элементов бесконечной
гаммы, сложной мозаики физиологических реакций, структурных преобра-
зований и обменных нарушений, в совокупности формирующих данный вид
патологии (болезнь), описываемый типичной клиникой конкретного забо-
левания. Интегрируя в себе специфику экзогенного “причинного” фактора
с характерными видовыми и индивидуальными особенностями экспониро-
ванного организма, патогенез остается прерогативой, “свойством реагирую-
щего субстрата” по И.В.Давыдовскому [18]. Поскольку число переменных в
рассматриваемых системах огромно, а их результирующие носят стохасти-
ческий характер, изучение патогенетических механизмов представляется
сложной и трудно выполнимой задачей. Прежде всего это касается биохи-
мических механизмов на молекулярном и клеточном уровнях. Как неодно-
кратно подчеркивали А.А.Покровский [43] и Л.А.Тиунов [57], яды не только
раскрывают клеточные и субклеточные субстраты токсического воздействия,
но и позволяют “препарировать” метаболические пути и комплексы, изби-
рательно изменять скорость и направление биохимических процессов в
живом организме и тем самым познавать их физиологическое значение,
целенаправленно строить системы фармакологической коррекции и профи-
лактики. Таким образом, изучение механизмов действия тяжелых металлов
имеет также общебиологическое значение.
В патогенезе отравлений и функциональных нарушений организма, экспо-
нированного тяжелыми металлами, тесно сочетаются специфические элемен-
ты (избирательная токсичность) и реакция стрессорного, неспецифического
характера.
Это определяется особенностями рассматриваемой группы ядов, с одной
стороны, и различиями в реагировании организмов на их поступление,
обусловленными фило- и онтогенетическими отличиями, — с другой. В пер-
вом случае важно учитывать физико-химические свойства металла в элемен-
тарной, ионизированной (соли) и соединенной с органическим лигандом
формах. А.Альберт [1] указывает на четыре основные группы факторов,
определяющих избирательную токсичность ядов в этом плане: ионизация,
редокс-потенциал, стерические особенности ковалентной связи и раствори-
мость. Однако перечисленные свойства отнюдь не относятся к категории
независимых и конвергируют в широких пределах. Так, стерические факто-
ры влияют на ковалентную гидратацию. Например, метильная группа по-
вышает липофильность соединения, препятствуя присоединению молекулы
к соседней двойной связи. Электронодонорная метильная группа при нали-
чии ее связи с атомом углерода понижает кислотность и ведет к росту
основности соединения с существенным изменением его биологическом
активности. Значение указанных закономерностей наиболее четко просле-
живается при рассмотрении мышьяк-, олово-, свинец- и ртутьорганически
соединений, биологические эффекты которых обусловлены свойствами ме-
талла, органического лиганда и молекулы в целом.
Что касается объекта воздействия, то, во-первых, большая часть метал
112
в относится к категории биоактивных и необходимых для нормальной
Жизнедеятельности организма. Это вызывает негативные реакции, измене-
ние физиологических функций и метаболизма не только при избытке, но и
пои недостатке микроэлементов в организме. Р.Мартин [35] распределяет
химические вещества, в том числе и ионы металлов, в зависимости от их
поведения в живых системах на необходимые, инертные и токсичные. При
этом он сразу же оговаривает условность такого подразделения, так как в
зависимости от концентрации и времени контакта металл может действовать
По каждому из названных типов.
Слабость такой классификации объясняется также тем неоспоримым
фактом, что само понятие “необходимость” постоянно уточняется. При
этом главное внимание справедливо уделяется взаимосвязи между химией
ионов металлов и их жизненно важной ролью, хотя в решении этой про-
блемы, по справедливому мнению Х.Зигеля [20], мы находимся в самом
начале пути.
Именно приложение координационной химии металлов к биологичес-
ким проблемам привело к развитию нового перспективного направления в
биохимии, получившего наименование “неорганическая биохимия” [81].
Во-первых, раскрытие закономерностей образования комплексов металлов
с олигомерами, пептидами, белками и небелковыми макромолекулами мо-
жет иметь большое значение для познания, в частности, механизмов ток-
сического действия ионов металлов, в том числе переходных и тяжелых.
Во-вторых, имеет место функциональное взаимодействие эссенциальных,
бионеобходимых микроэлементов в организме, вне деформации которого
рассмотрение механизмов токсического действия тяжелых металлов не мо-
жет быть признано удовлетворительным. Наконец, в-третьих, в известных
пределах существует обратная функциональная взаимосвязь между величи-
ной действующей или суммарной дозы тяжелого металла и выраженностью
его избирательной токсичности (полнотой проявления специфических био-
логических свойств, особенно на клеточном и молекулярном уровнях). В то
же время воздействие в очень низких дозах, если исключить парадоксальные
эффекты [7, 45], представляет наибольшие трудности в интерпретации на-
блюдаемых изменений, так как в сложных и многоэтапных процессах био-
трансформации вводимого вещества, сочетания повреждающих и компен-
саторных реакций вычленить и охарактеризовать токсическое действие
крайне затруднительно, а сделанные обобщения могут носить лишь спеку-
лятивный характер.
Отличительной особенностью рассматриваемой группы токсикантов яв-
ляется их выраженная способность к материальной кумуляции в биообъектах
признаками токсического действия после более или менее про-
латентного периода (хронотропность данной группы ядов).
Безусловно, существуют определенные особенности клинических прояв-
лений отравлений тяжелыми металлами при разных путях их поступления
организм, зависящие от соотношения местного и общего (общетоксичес-
кого) компонентов повреждения и реагирования, распределения ядов в
канях ^скорости достижения критической концентрации металла в органе,
’ ' такой (по определению ВОЗ, [86]) концентрации, когда в любой из его
*ТОк возникают обратимые или необратимые неблагоприятные функцио-
роМЬНЫе изменения. При этом за критический орган принят такой, в кото-
ппи ВпеРВЬ1е или раньше достигается критическая концентрация металла
определенных условиях для данной популяции данного биологического
<• возможными
должительного
113
вида. При этом для данной группы ядов биохимические изменения в орга-
низме человека и животных являются наиболее показательными.
Ведущим механизмом токсического действия тяжелых металлов призна-
ется угнетение ими многих ферментных систем в результате блокирования
сульфгидрильных и других функциональных групп в активных центрах и иных
биологически важных участках белковых молекул [15, 60].
Традиционно объектами наиболее пристального внимания являются
ферментные системы энергетического обмена. Например, ведущим процес-
сом в механизме токсического действия мышьяка и арсенитов, кадмия
свинца, ртути и других металлов, принадлежащих к числу меркаптидообра-
зующих тиоловых ядов, является блокирование SH-групп пируватоксиля?.
ной системы, которая содержит ковалентно-связанный дитиоловый кофак-
тор — липоевую кислоту. На ее примере был прослежен один из ставших
классическим в токсикологии биохимических механизмов токсичности, дав-
ший начало систематическому изучению тиоловых ядов, позволивший кар-
динально решить проблему их антидотной терапии, а также положивший
начало широкому использованию химических соединений с известным
механизмом действия и природных ядов в препаративной биохимии,
молекулярной биологии, фармакологии и экспериментальной терапии [48'
56, 71].
4.1.2. Физико-химические основы токсичности
тяжелых металлов как тиоловых ядов
Как известно, к тяжелым металлам относятся элементы, обладающие
металлическими свойствами и имеющие высокую плотность. Е.А.Лужников,
Л.Г.Костомарова [17] относят к этой группе более 40 элементов с плотнос-
тью выше 6 г/см3, тогда как А.Т.Пилипенко и соавт. [52] — такие элементы,
плотность которых превышает 5 г/см3. И.М.Трахтенберг и соавт. [61] вклю-
чают в эту группу 43 из 84 металлов, входящих в Периодическую систему
элементов Д.И.Менделеева. Среди них 10 обладают наряду с металлически-
ми свойствами признаками неметаллов и имеют плотность 7,14—21,4 г/см3.
Так, в V группе металлические свойства (например, электропроводность)
отмечают уже у мышьяка, который рассматривают также в группе тяжелых
металлов. Наличие металлических свойств предполагает меньшую электро-
отрицательность рассматриваемого атома по отношению к окружающим его
лигандам и особенно непосредственно присоединенным к металлу донор-
ным атомам. Общее количество последних называется координационным
числом. Легкие переходные металлы имеют более высокие, а тяжелые —
более низкие координационные числа. У многих металлов ионная модель в
силу эффектов кристаллического поля не имеет сферической формы, что
приводит к переходу от ионной к ковалентной связи. Для этих комплексов
важно оценить такие показатели, как нейтрализация зарядов и кислотность
по Льюису. Здесь понятие “кислота” относится к иону металла в состоянии
окисления, а “основание” — к донорным атомам лиганда [6]. Среди биоло-
гически активных типов донорных атомов в лигандах кислород и алифати-
ческий азот относят к жестким (с ними преимущественно взаимодействуют
“жесткие” ионы металлов, например А13+, Ве2+, Сг3+), ароматический азот —
к промежуточным, а серу — к мягким (с ней соединяются преимущественно
мягкие ионы металлов — Cd2+, CH3Hg+, Hg2+, Т1+ и промежуточный РЬ >
но не другие промежуточные ионы металлов). Вообще, РЬ2+ — единствен-
ный металл, проявляющий практически в равной мере признаки всех трех
114
сов соединений, образуя также аномально сильные гидрокомплексы в
^“тоальных и щелочных растворах. В то же время мягкий Cd2+ в отличие
НбИ оугих металлов данного класса не реагирует с эфирной серой (в метио-
°ине) тогда как жесткий Со3+ и промежуточный Си2+ взаимодействуют
с ней.
Наличие в биологических системах отклонении от существующей клас-
Аикации еще раз подтверждает сложность биохимических механизмов
С ксического действия ионов металлов, сохраняющихся в них многочислен-
ных неопределенностей и компромиссов [35].
" При оценке токсичности иона металла не менее важен показатель ус-
тойчивости его связи с лигандом. Он оценивается по константам устойчи-
вости с бидентатными лигандами, ряд которых от магния до двухвалентной
птути характеризуется различиями по стандартным лигандам: глицину — 108
и 1,2-этилендиамину — 1014 раз [2]. Инкремент между ионами металлов
увеличивается в ряду донорных атомов 0<N<S. При этом соединение с
серой для Cd2+ и РЬ2+ имеет более высокий ранг, чем в стандартных сериях.
По величине устойчивости связи с серосодержащим лигандом (сульфгид-
рильные группы как высокомолекулярных, так и низкомолекулярных соеди-
нений) получен такой ряд: Cd2+<Pb2+<CH3Hg+<Hg2+. Следует подчеркнуть,
что такой же характер устойчивости комплексов по Ирвингу — Уильямсу
сохраняется для них с монодентатным (ОН-) и тридентатным (гистидин)
лигандами.
Г.К.Фримэн [69], характеризуя металлы, предпочитающие серосодержа-
щие доноры (по сравнению с кислород- и азотсодержащими), подчеркивает
их способность образовывать не только сильные 0-связи с легко поляризу-
емыми лигандами, но также и тг-связи посредством обратного переноса
электронов с бтг-орбиталей металла на dx- и ртс-орбитали лиганда в связи с
тремя особенностями серосодержащих лигандов:
• в связи с низкой электроотрицательностью серы и высокой поляри-
зуемостью в поле маленького иона металла с высокой плотностью
заряда, даже если ион металла имеет конфигурацию d ,
• расчеты показали, что для ионов с конфигурацией d 0 ни поляризу-
емость, ни теплота образования простой ковалентной связи не могут
объяснить даже порядков устойчивости сравниваемых связей металл-0
и металл-S, что привело к заключению о существовании бл—dn-связи
металл — лиганд;
• серосодержащие лиганды занимают различные положения в спектро-
химической серии (от низких до высоких), что в случае связей с
низкоспиновыми ионами с конфигурацией d8 дает дополнительную
стабилизацию за счет увеличения энергии стабилизации кристалли-
ческим полем (ЭСКП).
ны Доказательства предпочтительного связывания серы с металлом получе-
вид сРаанением ИК-спектров твердых образцов со спектрами в УФ- и
среИМ0/* властях. Большинство этих элементов находятся в природных
с ЧГ 'атмосФеРе и гидросфере) в концентрациях менее 1 ммоль/м3, в связи
Уровн “ИХ часто называют следовыми металлами. Локальное повышение
добы еИ эт*1х элементов в атмосфере и гидросфере связано с развитием
сельсВаЮЩей и пеРеРабатывающей промышленности, а также интенсивных
Хозяйственных технологий и транспорта. Предел, до которого атмо-
115
сфера привносит металл (М) на поверхность земли либо океана сверх
природного циклического уровня, Г.Спозито [51] выражает с помощью
фактора обогащения EFA:
где Jj4 — средний поток (осадки) на землю либо поверхность океана; JIM _
средний поток (осадки) индексного металла (IM).
Обычно в качестве IM выбирают А1. Низкие значения EF* для Атлан-
тического океана и Северного моря, приведенные автором (0,02 для Cd, 0,03
для Hg и только для РЬ этот показатель составлял 4,1—5,9), указывают на
относительно низкие уровни антропогенного загрязнения океана, тогда как
этот же показатель (EFA) для земной поверхности составил для Cd 5917, а
для Hg — 1972. Антропогенный вклад для системы земля — воздух наиболее
существен для Мп, Си, Zn, Cd, РЬ. Они наряду с Ag, Sb, Sn, Hg представляют
наибольшую потенциальную опасность. Автор приходит к справедливому
заключению, что значительное обогащение окружающей среды этими ме-
таллами из антропогенных источников наряду с низким природным уровнем
в биосфере и высокой мягкостью в водных средах требует постоянного
изучения и контроля влияния на состояние здоровья населения.
4.1.3. Тиоловые группы белков, их роль в клеточном
метаболизме и патогенезе отравлений тяжелыми
металлами
Практически любая биологическая система реагирует на следовые коли-
чества катионов тяжелых металлов, поступающих из внешней в ее внутрен-
нюю среду. В качестве лигандов в организме млекопитающих могут высту-
пать аминокислоты, пептиды, нуклеотиды, порфирины, гормоны и белки.
Однако в тканях и биологических жидкостях организма металлы прежде
всего связываются с пептидами и аминокислотными остатками белков. Для
выяснения механизмов связывания металлов с пептидами используют пеп-
тидоподобный комплекс — биурет (Biu). Он ведет себя как монодентатный
лиганд в комплексах с Со, Си, Hg, образуя по одной связи металл —
амидный кислород. Атомы металла, например Cd, при этом соединены в
бесконечные цепи металл-С^-металл мостиками из двух атомов хлора, ко-
торые дополняют октаэдрическую координацию Cd^iuHjhClj- Другим при-
мером может быть образование формамидного комплекса, который имеет
такую же конфигурацию — Cd(HCONH2)2Ch [69].
Характеристика основных групп атомов в аминокислотах и пептидах,
потенциально способных к связыванию металла, оказывает существенную
помощь в изучении взаимосвязи металлов с белками. Однако последняя
может существенно отличаться за счет ограничений, накладываемых третич-
ной структурой белка, где активность функциональных групп подчиняется
геометрическим требованиям, налагаемым цепью белка и контактом с ДРУ'
гими группами, координированными с тем же атомом металла. Белок как
полифункциональный лиганд действует полидентатно, он замещает ряд мо-
лекул воды или другого монодентатного лиганда из окружения иона металл ,
придавая образующемуся хелатному комплексу дополнительную термодин
мическую устойчивость. Кроме того, активные центры ферментов, в то
числе и металлоферментов, находятся в полостях белковой структуры, к
116
nbie выстланы главным образом неполярными боковыми цепями амино-
кислот и моделируют неводные растворы. Следовательно, связывание ме-
Калла таким активным центром или вблизи него осуществляется в неводных
тасТворах, где физико-химические закономерности существенно отличаются
Р таковых в водных растворах электролитов, в которых обычно изучается
°3аимодействие металлов с пептидами. Тем не менее Г.К.Фримэн считает
эти опасения преувеличенными и модельные исследования in vitro весьма,
информативными.
Среди функциональных групп белковых молекул высокой реакционной
способностью и разнообразием химических реакций выделяются серосодер-
жащие, особенно сульфгидрильные группы, необходимые для проявления
биологической активности и поддержания макромолекулярной структуры
многих белков [58].
SH-группы не образуют в белках каких-либо внутримолекулярных кова-
лентных связей, помимо дисульфидных и связей, опосредованных через ион
металла. Нарушение комплекса в результате модификации SH-группы (вы-
теснения из связи с ионом металла) может приводить к изменению струк-
туры белка, а также оказывать непосредственное деформирующее влияние
присоединившейся молекулы ингибитора (ее гидрофильного либо гидро-
фобного радикала или заряженной группы) на соседние участки белковой
глобулы и ее влияние на взаимодействие между субъединицами. Меркури-
нитрофенолы и р-меркурибензоат вызывают диссоциацию гемоглобина на
а- и p-цепи. Хлорная ртуть не только не вызывает, но и обращает диссо-
циацию.
Активность большинства ферментов подавляется множеством соедине-
ний. Процесс часто отличается высокой специфичностью. В этом случае
структура ингибитора позволяет изучать строение активных центров и ком-
плементарность биомолекул. Ингибирование ферментов лежит в основе
действия большинства токсикантов и лекарственных средств, в том числе и
тиоловых ядов. Они могут выступать как конкурентные ингибиторы, струк-
турно аналогичные субстрату, при этом обратимо связываются с субстрат-
связывающим центром. В ряде случаев может иметь место неконкурентное
ингибирование — ингибитор связывается не только со свободным фермен-
том, но и ферментсубстратным комплексом. Ингибитор соединяется одно-
временно с субстратом, отличается от него по своей структуре и связывается
с аллостерическим центром.
Подавление активности фермента может быть связано с искажением его
трехмерной структуры (конформации). При действии тиоловых ядов это
может быть обусловлено как нарушением трехмерной структуры молекулы
оелка, так и происходить вследствие нарушений внутримолекулярных связей
либо из-за деформирующего влияния ингибитора на молекулу белка.
Связанный ингибитор может также экранировать активный центр. Бло-
кирование SH-групп затрудняет возвращение белка в исходную, более энер-
тически выгодную и более стабильную конформационную форму.
Иногда связывание с аллостерическим центром ведет к активации фер-
КфТ-? (например, активация кадмием уреазы). Уреаза (ключевой фермент —
ак $ 1-5) катализирует гидролитическое расщепление мочевины на амми-
никелГЛеКИСЛЬ1й Газ ^8]- Каждая молекула уреазы связана с двумя атомами
Мат^РИ недостатке в пищевом рационе никеля у цыплят развиваются дер-
нУ1ЛТь1, в клетках происходит набухание митохондрий, расширение пери-
клеарного пространства, нарушение функции мембран.
117
Токсичность никеля относительно низкая, а его содержание в тканях
составляет 1—5 мкг/л. В сыворотке никель связан в низкомолекулярные
комплексы с альбумином. Есть и специфический никельсодержащий
белок — никелоплазмин. Не исключено, что никель в уреазе играет ту же
роль, что и цинк в карбоксипептидазе. Тогда при интоксикации кадмием
имеет место его синергизм с никелем. Не исключено, что последний обра- i
зует координационное соединение с аммиаком, тогда ионы никеля и других
переходных металлов могут участвовать и в работе других ферментов, ката-
лизирующих гидролиз глутамина с образованием аммиака, а последний, как
известно, может играть существенную роль в инициации их нейротоксичес-
кого действия.
Для понимания механизмов действия тиоловых ядов необходимо вначале
рассмотреть химические свойства сульфгидрильной (-SH) группы цистеина,
дисульфидной (-S-S-) группы цистина и тиоэфирной (-S-CH3) группы ме-
тионина, а также данные о роли серосодержащих групп в ферментах и других
биологически активных белках.
Участие этих групп в ферментативном катализе и связывании субстратов
и кофакторов (ионов металлов и коферментов) нередко определяет спектр
изменений в организме при поступлении тиоловых реагентов, в том числе
арсенита и тяжелых металлов.
При реакции SH-групп с ионами металлов образуются меркаптиды (Me):
R-SH + Ме+ -» R-SMe + Н+ (2)
В отличие от реакций алкилирования реакции меркаптидирования носят
обратимый характер, но равновесие смещено в сторону образования слабо-
диссоциирующих меркаптидов. Ионы металлов легко реагируют как с RS-
ионами, так и с недиссоциированными SH-группами. Одновалентные ка-
тионы серебра, меди, золота и двухвалентные катионы ртути, свинца, кад-
мия и цинка, а также соединения трехвалентного мышьяка и сурьмы обла-
дают особенно высоким сродством к SH-группам. Старое название тиолов
“меркаптаны” происходит от латинского “mercurio aptum” — соединенный
с ртутью. Сродство ионов двухвалентных металлов к SH-группам уменьша-
ется в такой последовательности: Hg2+>Pb2+>Cd2+>Zn2+ [35]. Однако если
ионы ртути блокируют сульфгидрильные группы белков, цистеина, унитио-
ла, гемоглобина и небелковых гемолизатов эритроцитов, то не отмечалось,
например, блокирования тиоловых групп унитиола ионами кадмия, олова и
свинца. В то же время ионы кадмия и свинца блокировали SH-группы
цистеина на 27 и 50 % соответственно.
Существенные различия выявлены в степени связывания ионов тяжелых
металлов с SH-группами гемоглобина. Подобные результаты получены так-
же на гемолизатах эритроцитов [17]. Так, ионы ртути блокировали их на
100 %, ионы свинца — на 18 %, ионы кадмия — на 11 %, а ионы олова
вообще не вступали в реакцию с сульфгидрильными группами данного
белка. В связи с тем что SH-группы в белках обязаны своему наличию
остаткам цистеина, это обстоятельство служит подтверждением того факта,
что реакционная способность SH-групп во многом зависит от структуры
соединения, в которое они входят, о чем свидетельствуют многочисленные
экспериментальные исследования. Так, на основании сравнения данных
амперометрического титрования и реакции с нитратом серебра было пока-
зано, что между серебром и кадмием в организме существуют конкурентные
взаимоотношения, что связано с различной прочностью соединений типа
118
л _ сера при взаимодействии тяжелых металлов с тиоловыми соеди-
МеТиями. С аминотиолами и дитиолами ионы этих металлов образуют также
!JeHee прочные комплексы, чем с монотиолами. Логарифмы констант ста-
бильности комплексов Zni+ с тиолами и ЭДТА составляют для меркапто-
анола 5,9, меркаптоэтиламина и цистеина — 9,9, дитиотреитола — 10,3,
Эимеркаптопропанола — 13,5, для ЭДТА — 16,4. Данный показатель учиты-
д т при разработке системы лечебно-профилактических мероприятий, в
в числе реагентов, прочно соединяющихся с тяжелыми металлами.
Уже в 1953 г. Е.С.Баррон упоминает 17 реагентов на SH-группы и 42
тиоловых фермента. Представители всех классов ферментов, почти все из-
вестные дегидрогеназы, ферменты обмена аминокислот, углеводов и жиров,
биосинтеза белков ингибируются реагентами на SH-группы. Показана роль
этих групп в мышечном сокращении, окислительном фосфорилировании,
нервной деятельности, делении клеток, действии отравляющих веществ и
радиации.
Влияние тиоловых реагентов на упомянутые физиологические функции обу-
словлено блокированием SH-групп ферментов и других белков, а также низко-
молекулярных, функционально важных тиолов, выполняющих роль кофакторов
или простатических групп в различных ферментных системах.
В ферментативных реакциях участвуют и другие функциональные груп-
пы белков: имидазольная группа гистидина, гидроксильная — серина, е-ами-
ногруппы лизина, со-карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой
кислот, фенольная группа тирозина и др. Однако SH-группы отличаются
исключительно высокой реакционной способностью и многообразием хи-
мических реакций. Они вступают в реакции алкилирования, ацилирования,
окисления, тиолдисульфидного обмена, реакции с сульфенилгалоидами, об-
разования меркаптидов, полумеркапталий, меркаптолов, комплексов с пере-
носом заряда и др. Большинство реагентов на различные функциональные
группы белка наиболее быстро реагируют со свободными SH-группами. Во
многих из этих реакций SH-группы принимают участие в форме меркап-
тидного иона. Он реагирует с а- и p-ненасыщенными соединениями (на-
пример, акрилонитрилом) в 280 раз быстрее, чем непротонированная ами-
ногруппа. Скорость реакции с 2,4-динитрофторбензолом у SH-группы цис-
теина в 90 раз выше, чем у фенольного гидроксила; в 160 раз выше, чем у
аминогрупп, и в 1600 раз выше, чем у имидазола. Меркаптидные группы,
таким образом, — более сильные нуклеофилы, чем другие группы белка.
Сильная нуклеофильность меркаптидных ионов обусловлена главным обра-
зом высокой поляризуемостью относительно большого атома серы. Атом
серы метионина образует координационную связь с ионом ртути. Тиоэфир-
ная группа метионина алкилируется бромбензилом в 50 раз быстрее, чем
деионизированная SH-группа, и в 33 раза быстрее, чем нейтральная
мидазольная группа гистидина или индольное кольцо триптофана. Лишь
н®Ркап™дный ион превосходит ее по нуклеофильной реакционноспособ-
Реа иоэФиРные и Дисульфидные группы вступают не в столь разнообразные
зНаКЦИИ’ как $Н-группа. Устойчивость -S-S-связей при физиологических
бцпЧениях pH хорошо соответствует их основной функции — участию ста-
акп?3аЦИИ макР°молекУляРной структуры белков. Дисульфидные группы в
врацВНЬ1Х центРах окислительных ферментов подвергаются обратимому пре-
кято ению в SH-группы при взаимодействии с субстратами и участвуют в
Фактической реакции.
119
Не менее важным элементом токсического действия тиоловых ядов явля
ется нарушение ими проницаемости клеточных мембран.
Это, в частности, отчетливо показано на примере мембраны эритроцитов
[111]. После преинкубации эритроцитов кролика в течение часа с ионами
тяжелых металлов оказалось, что действие ионов Hg, Pb, Cd в концентрации
1-Ю-3 М вызывает изменение хода кривой осмотической резистентности
эритроцитов в соотношении Hg2+>Pb2+>Cd2+, тогда как олово из опытов
было исключено ввиду снижения под его влиянием pH вследствие частич-
ного гидролиза соли SnC12. При этом ионы ртути вызывали полный гемолиз
а остальные — частичный. Это объясняется наличием тесной взаимосвязи
между структурной детерминированностью эритроцитов, с одной стороны
и их SH-группами — с другой. Последнее подтверждается признаками де-
стабилизации липопротеиновых комплексов, происходящей за счет конфор.
мационной перестройки апопротеиновой части комплексов из-за блокиро-
вания SH-rpynn.
Скрытые повреждения мембраны эритроцитов при действии тяжелых
металлов, помимо снижения осмотической резистентности эритроцитов,
проявляются в изменении кислотной, щелочной и сапониновой резистент-
ности эритроцитов, определяемой методом эритрограмм. Ионы ртути, свин-
ца и кадмия изменяют ход кривой осмотической резистентности эритроци-
тов уже в концентрациях 1 10“3 М. Наиболее интенсивным гемолитическим
действием обладают ионы ртути, а наиболее слабым — ионы кадмия. Инте-
ресно отметить существование коррелятивной связи между степенью вызы-
ваемого разными тяжелыми металлами разрушения липопротеидных ком-
плексов в экстрактах печени и стабильностью мембраны эритроцитов в
условиях проникновения в них ионов ртути, свинца, кадмия и олова. Осо-
бенно четко прослеживалась связь между щелочной резистентностью эрит-
роцита и модификацией белков мембраны ионами металла.
Монотиолы реагируют с соединениями трехвалентного мышьяка, обра-
зуя гидролизующиеся моно- и дитиоарсениты. Дитиолы реагируют с арсе-
ноксидами или арсенитом с образованием циклических дитиоарсенитов,
которые значительно стабильнее, чем моно- и дитиоарсениты, возникающие
при реакции с монотиолами. Особенно стабильны пятичленные кольца,
возникающие при взаимодействии соединений мышьяка с 1,2-дитиолами
(смежными дитиолами).
Именно с учетом сказанного показателен механизм токсического дейст-
вия мышьяка в организме [38]. Арсенат AsO4 подобен фосфату по таким
химическим свойствам, как размер молекулы, структура и способность всту-
пать в биохимические реакции. Но эфиры мышьяковой кислоты обладают
гораздо меньшей устойчивостью; если они образуются на поверхности фер-
мента, то легко гидролизуются при отщеплении от фермента. Этим объяс-
няется высокая токсичность соединений мышьяковой кислоты. Арсенат
может замещать фосфат во всех фосфоролитических реакциях, например в
реакциях расщепления гликогена, катализируемой гликогенфосфорилазоИ-
Появляется промежуточный продукт глюкозо-1-арсенат, который быстро
гидролизуется с образованием глюкозы (арсенолиз). Это же замещение
происходит и при окислении глицеральдегид-3-фосфата. Вместо фосфата
используется арсенат; возникающий ациларсенат гидролизуется с появлени-
ем 1-арсено-З-фосфоглицерата, который дает 3-фосфоглицерат, т.е. процесс
не прекращается, но не образуется АТФ (арсенат разобщает процессы окис~
ления и фосфорилирования). Он же частично замещает фосфор в стимула
ции дыхания митохондрий с разобщением окислительного фосфорилиров
120
Идет медленная реакция превращения соответствующего нефосфори-
пированного субстрата.
л eqt описанного патогенетического механизма существенно отличается
всяческое действие арсенита. Он способен энергично реагировать с тио-
т°„ь1Ми группами, особенно дитиолами, например липоевой кислотой. Бло-
л° я окислительные ферменты, зависящие от липоевой кислоты, арсенит
Кпособствует накоплению пирувата и других а-кетокислот в тканях. Через
5 и 150 мин после внутривенного введения арсенита натрия новозеландским
кроликам в дозе 7 мг/кг (LD10) активность пируватдегидрогеназного ком-
плекса (ПВДГ) возрастала с 0,088 до 0,288 и 0,33 ммоль/л соответственно
Ц11]. В то же время, по мнению авторов, величина активности комплекса
пируватдегидрогеназы не может использоваться при мониторинге отравле-
ний мышьяком, так как повышение ее активности может носить однотип-
ный характер при голодании животных или других стрессовых воздействиях,
а не только при интоксикации арсенитом.
Отмечены различия в действии двух типов соединений трехвалентного
мышьяка: монозамещенного (R—As=O) и дизамещенного (R-AsCl-R'). Пер-
вые эффективно блокируют SH-группы, а вторые — нет. Торможение неко-
торых ферментов (сукцинатдегидрогеназы, альдегиддегидрогеназы, глута-
минсинтетазы, тиолтрансацетилазы, люциферазы, ацетил-КоА-карбоксила-
зы) арсенитом резко усиливается в присутствии моно- и дитиолов. Вероятно,
роль тиола состоит в восстановлении дисульфидной группы белка в сбли-
женных SH-группах, реагирующих с арсенитом. Однако этот механизм не
может быть признан единственным. Например, пируватоксидаза эффективно
ингибируется без дитиолов (на 50 % при концентрации арсенита 1,710“5 М),
причем торможение не снимается цистеином.
Применение арсенита и арсеноксидов способствовало выявлению дити-
оловых группировок (пространственно сближенных пар SH-групп, принад-
лежащих остаткам цистеина) в активных центрах дигидролипоатдегидроге-
назы и некоторых альдегиддегидрогеназ. Это действие было впервые обна-
ружено на пируватоксидазной системе, которая содержит ковалентно-свя-
занный дитиоловый кофактор — липоевую кислоту. Признаком наличия
дитиоловой группировки является высокая чувствительность фермента к
торможению низкими концентрациями арсенита или арсеноксидов (порядка
Ю —10~4). Ферменты, ингибированные препаратами мышьяка, полностью
реактивируются при добавлении избытка 2,3-димеркаптопропанола. При
этом монотиолы малоэффективны.
SH-группы, входящие в состав активных центров ферментов, при взаи-
модействии с субстратами подвергаются обратимому превращению в S-S-
группы. Однако последние существуют в белках самостоятельно и играют
определенную роль в их структуре и функционировании. Связь между двумя
Двухвалентными атомами серы прочнее, чем связь между двумя атомами
ислорода; энергия разрыва связи составляет 70 и 39 ккал/моль соответст-
гилН°' ДисУльФйДНые группы образуются также в процессе окисления (де-
идРнрования) SH-групп низкомолекулярных тиолов и белков в “мягких”
рат°Виях' Скорость и характер окисления SH-групп зависят от pH, темпе-
Уры, пространственного расположения сульфгидрильной группы в белке
и Других условий.
Рова нактивация альдолазы мышц (КФ 4.1.2.13), наступающая при ацили-
«ии ^Н-групп р-меркурибензоатом, является следствием обратимых
ВаниНеНИй В стРУктУРе фермента. Инактивация не наступала при блокиро-
и наиболее реакционно-способных SH-групп, а только возникала при
121
наличии вяло реагирующих SH-групп. Потеря активности становится ре,
зультатом конформационных изменений, наступающих после блокирования
SH-групп. Действие р-меркурибензоата, метилмеркуринитрата и иодацета-
мида вызывает не только подавление активности фермента, но и его распад
на 4 субъединицы. Скорость инактивации сопоставима с образованием
меркаптидных связей. Так же ведет себя при действии тиоловых реагентов
и глутаматдегидрогеназа (ГДГ), гексокиназа, 3-фосфоглицеринальдегидде-
гидрогеназа (3-ФГАДГ, КФ 1.2.1.12), синтетаза жирных кислот и пируват-
карбоксилаза печени, многие другие ферменты.
Изменения в структуре ферментов (трансконформация) под влиянием
меркаптидобразующих агентов могут приводить и к росту активности фер-
ментов. Небольшое количество р-меркурибензоата в присутствии ионов
Са2+ вызывает увеличение аденозинтрифосфатазной активности миозина в
3—4 раза. Однако повышение концентрации агента приводит к ингибиро-
ванию и полному подавлению активности: малатдегидрогеназы (МДГ, КФ
1.1.1.37) — под действием ртути, глутаматдегидрогеназы (ГДГ, КФ 1.4.1.2) —
под действием органортутных соединений.
Одной из причин изменений в макромолекулярной структуре белков при
блокировании SH-групп может быть разрыв внутримолекулярных связей, в
образовании которых принимают участие SH-группы (их возможная роль в
гидрофобных взаимодействиях), нарушается упаковка неполярных боковых
цепей, аминокислотных остатков внутри молекулы белка.
Ионы серебра и ртути ускоряют гидролитическое расщепление S-S-свя-
зей в щелочной среде. Начальная скорость реакции гидролиза пропорцио-
нальна концентрации ионов серебра, т.е. роль ионов металла не сводится
лишь к сдвигу равновесия в гидролитическом расщеплении связи, а ион
металла присоединяется к связи с образованием комплекса, который затем
гидролизуется под влиянием нуклеофильной атаки гидроксильных ионов.
Конечными продуктами реакции является меркаптид и сульфоновая кислота
в соотношении 1 моль дисульфида — 1,5 моля меркаптида. Дисульфидные
группы стабилизируют макромолекулярную структуру белков. S-S-связи
в нативных белках не реагируют с тяжелыми металлами при комнатной
температуре и pH 4,0—8,0. Дисульфидные группы восстанавливаются ти-
олами. В организме действует тиолдисульфидный обмен, например с глу-
татионом.
Глутатион представляет собой трипептид у-глутамилцистеинилглицин,
который существует в восстановленной (Г-SH) и окисленной (rS-ST) фор-
мах. Его функции в клетках весьма разнообразны. Внутриклеточная кон-
центрация 0,4—12 ммоль. Все функции глутатиона выполняются при учас-
тии SH-группы. Он осуществляет перенос аминокислот через клеточные
мембраны. В тканях есть глутамильный цикл, ответственный за синтез
глутатиона:
АТФ + глицин + цистеин + глутамат + оксипролин -> глутатион (Г-SH) (3)
Ключевым ферментом, ответственным за синтез Г-SH в печени, является
у-глутамилцистеинсинтетаза (КФ 6.3.2.3), а за его распад — у-глутамилтранс-
фераза (КФ 2.3.2.1). Если активность первой не изменяется с возрастом, то
второй — увеличивается, что может быть одним из механизмов повышени
чувствительности к тиоловым ядам у лиц пожилого возраста.
Глутатион защищает SH-группы внутриклеточных ферментов от окисле-
ния, блокирования тяжелыми металлами и другими ядами; участвует
защите тканей от радиационных поражений, в устранении свободных раДи'
122
лов и перекисей. В частности, восстановление Н2О2 (в меньшей степени)
перекисей липидов (в основном) катализируется селенсодержащей глута-
И онпероксидазой. Биологическая значимость селена в реализации катали-
тической функции ГП подтверждается, например, тем фактом, что эбселен
другие его соединения обладают ГП-активностью [29]. Авторы показали,
14 о а-фенилселенилацетофенон увеличивал скорость реакции Г-SH с Н2О2
□ет-бутилгидропероксидом, куменгидропероксидом, с гидроперекисями
линолевой кислоты и дилинолеиллецитина в 7,0; 25,1; 34,1; 19,1 и 8,4 раза
соответственно. Скорость реакции между Г-SH и Н2О2 в присутствии эбсе-
лена (50 мкмоль) возрастала в 5—6 раз. Каталитический эффект указанных
соединений обусловлен окислением и образованием селеноксида, с которым
взаимодействует Г-SH, образуя дисульфид. Окисленный глутатион восста-
навливается под действием глутатионредуктазы в результате окисления
NADPH в NADP+, восстановление которого происходит за счет глюкозо-6-
фосфатдегидрогеназы (Г-6-ФДГ, КФ 1.1.1.49) и 6-фосфоглюконатдегидро-
геназы (КФ 1.1.1.43) в реакциях пентозофосфатного цикла.
Обсуждается роль GSH в механизмах защиты нервных клеток, гепато-
цитов, эритроцитов от реактивных интермедиатов кислорода (О^-; НО-;
Н2О2; гидроперекисей), что традиционно связывают с формированием глу-
татионовой антиоксидантной системы (ГАОС), в которую входят глутати-
онпероксидаза, ГР и Г6ФДГ [9, 22]. ГАОС отличается высокой мобильнос-
тью и участвует в защитных реакциях, прежде всего в тканях головного
мозга, при различных метаболических, в том числе токсических нарушениях
гомеостаза.
При длительных воздействиях развивается функциональная недостаточ-
ность защитной системы, в тканях мозга накапливаются продукты, которые
окисляют поверхностно расположенные и структурно замаскированные белко-
вые SH-группы, что лежит в основе структурно-функциональных нарушений,
прежде всего в тканях мозга.
Введение белым мышам подкожно диэтилмалеата (0,43—1,29 г/кг) вы-
зывают быстрое истощение уровня Г-SH в печени и мозге [136]. Уровень
ингибиторного действия зависит от дозы и времени после введения пре-
парата. В печени уровень Г-SH восстанавливается до контрольных значений
через 6 ч после инъекции, а в мозге остается значительно сниженным и
через 12 ч после нее. При инъекции диметилмалеата истощение Г-SH
наблюдается только в мозге, но не в печени. Введение ингибитора синтеза
Г-SH бутионинсульфоксимина (1 ммоль/кг) значительно снижает уровень
Г-SH в различных отделах мозга. Его содержание остается пониженным в
течение 24 ч после введения, затем постепенно возрастает и через 60 ч
достигает контрольных значений. Чувствительность различных отделов моз-
га к истощению Г-SH в этих условиях снижается в ряду: ствол мозга >
мозжечок > стриатум > кора > гиппокамп. Предварительное снижение в
мозге уровня Г-SH под влиянием обоих препаратов значительно усиливает
нейротоксичность акриламида.
Необходимо подчеркнуть, что функциональная активность Г-SH прояв-
яется как самостоятельно, так и в сочетании с белковыми системами. При
том наряду с ГАОС фигурируют такие защитные формирования, как глу-
тион-З-трииефсриэы, металлотионеины и др., хотя их влияния могут реа-
отп°ВЫВаТЬСЯ И независимо- Например, при остром экспериментальном
§_Равлении ацетатом свинца (100 мг/кг) снижалась активность глутатион-
Че ансФеРазы вслеД за уменьшением содержания Г-SH с задержкой более
м на 1 день [115]. Кроме того, предварительное введение L-метионина
123
(250 мг/кг) не препятствовало снижению содержания Г-SH, вызванного Рь
В противоположность метионину диметилмалеат — агент, вызывающий
истощение Г-SH, приводит к увеличению активности глутатион-8-транс-
феразы.
Таким образом, введение РЬ снижает интенсивность второй фазы мета-
болизма ксенобиотиков, хотя истощение Г-SH не является обязательным
фактором, участвующим в изменении функциональной активности глутати-
oH-S-трансферазы per se. Дисульфид глутатиона участвует в регуляции бел-
кового синтеза, а также в окислительном фосфорилировании. Превращения
глутатиона тесно связаны с метаболизмом СоА. Имеются данные об участии
Г-SH и глутатион-8-трансферазы в синтезе простагландинов и лейкотрие-
на С4.
Важная физиологическая функция глутатиона состоит в обезвреживании
чужеродных органических соединений, что имеет прямое отношение к био-
трансформации металлорганических соединений, т.е. и тиоловых ядов.
Глутатион вступает в реакции сочетания с теми соединениями, которые
содержат электрофильные атомы, способные реагировать с SH-группой. Эти
реакции катализируются глутатион-8-трансферазами, представляют началь-
ный этап образования меркаптуровых кислот. Образование конъюгатов с
Г-SH является в то же время одним из путей активации ксенобиотиков,
возникновения цитотоксичных, генотоксичных или мутагенных соединений
[82]. Образование конъюгатов с Г-SH — преобладающий путь биотрансфор-
мации галогенированных алкенов и активации других токсикантов, что
рассматривается как типичный альтернативный путь функционирования
Г-SH. В результате метаболизма глутатионовых конъюгатов ксенобиотиков
образуются реактивные интермедиаты, способные ковалентно связываться
с клеточными макромолекулами и, таким образом, оказывать цитотоксичес-
кое действие. Это наиболее четко прослежено в экспериментальных иссле-
дованиях. Так, при инкубации со срезами легочной ткани хомяков СоС12
(1 ммоль) отмечены резкое окисление внутриклеточного Г-SH , увеличение
уровня rS-ST и последующее развитие дисфункции клеток [107]. Одновре-
менное действие СоС12 и Н2О2 (250 мкмоль) или СоС12 и ингибитора
глутатионредуктазы (1,3-^мс-[2-хлорэтил]-1-нитрозомочевины) усиливало
окислительные эффекты СоС12 и снижало соотношение уровней Г-SH/TS-
SE Однако значительного усиления клеточной дисфункции, стимулируемой
СоС12, в этих условиях не наблюдалось. При инкубации срезов с трет-бу-
тилгидроперекисью (100 мкмоль) увеличение внутриклеточного уровня TS-
ST достигало таких же значений, как при действии СоС12 и Н2О2, но без
значительного ослабления клеточной функции.
Сочетанное действие СоС12 и Н2О2, а также других использованных
маркерных соединений не оказывало существенного влияния на уровни
белковых SH-rpynn.
Полученные данные показали, что токсический эффект СоС12 на клетки
легочной ткани не связан с изменениями тиодисульфидного статуса клетки.
Он может быть опосредован, в частности, интенсивным синтезом металло-
тионеина. Последнее подтверждено, например, в опытах с введением голо-
давшим крысам внутрижелудочно CdCl2 в дозе 75 мг/кг [135]. Содержание
металлотионеина в печени у голодавших и неголодавших крыс через 24 ч
после введения CdCl2 составило 360 и 280 мкг/г печени соответственно.
Голодание не влияло на активность ГП и ГР. Морфологические изменения
в печени были более выражены у голодавших крыс. Сделан вывод, чТ°
печеночный Г-SH играет важную роль в защите от токсического действия,
124
синтезе металлотионеина, высокий уровень которого может усиливать
Е^сические эффекты CdCl2.
10 реакционноспособность SH-групп даже в нативных белках варьирует в
ооких пределах (легко реагирующие, вяло реагирующие и замаскирован-
Ш р или скрытые). Неодинаково реагируют на связывание SH-групп и
Головые ферменты. Сукцинатдегидрогеназа (СДГ, КФ 1.3.99.1) и 3-ФГАДГ
омозятся уже при связывании легко реагирующих SH-групп, уреаза, аль-
Т°лаза МДГ — после блокирования медленно реагирующих и замаскиро-
ванных групп. Резких граней между различными типами SH-групп не су-
ществует. В белках реакционная способность SH-групп ниже, чем в простых
тиолах, и возрастает при денатурации. Но из этого правила есть исключения.
Так папаин (КФ 3.4.4.10) и фицин (КФ 3.4.4.12) реагируют с хлорацетами-
дом в 15—20 раз, а с 2-бромацетамид-4-нитрофенолом — в 3000 раз актив-
нее чем цистеин; 3-ФГАДГ, алкогольдегидрогеназа (АДГ, КФ 1.1.1.1), фос-
форилаза мышц —в 9, фосфофруктокиназа (КФ 2.7.1.11) —в 10—13 раз
выше, хотя в последних SH-группы не в каталитическом центре.
SH-группы, расположенные в активных центрах ферментов, активированы
в результате образования водородных связей с соседними функциональными
группами, например имидазолом или карбоксилом. Участие протона SH-группы
в образовании водородной связи приводит к увеличению электронной плотности
у атома серы и, следовательно, к возрастанию его нуклеофильных свойств.
Поэтому, например, скорость алкилирования SH-групп в активных цент-
рах АДГ и АТФ-креатинфосфотрансферазы не меняется в широком интер-
вале pH (4,0-10,0).
Маскирование SH-групп происходит в результате замедления или отсут-
ствия их реакции со специфическими тиоловыми реагентами. Встречается
чаще, чем активация.
Есть две гипотезы по поводу его механизма:
• стерическая недоступность за счет пространственного экранирования
аминокислотными остатками;
• образование SH-группами внутримолекулярных химических связей
(химическая маскировка).
Гемоглобин лошади, например, содержит две пары SH-групп, из которых
только одна легко реагирует с тиоловыми реагентами. Вторая находится
внутри глобулы (замаскирована). Это приводит к затруднениям при реаги-
ровании, вызванным размерами молекулы реагента. В некоторых случаях
молекула ингибитора, присоединившегося к SH-группе, может создавать
стерическое препятствие для доступа субстрата к активному центру и тем
самым тормозить активность. Ртутьорганические соединения при росте раз-
меров молекулы (этилмеркурихлорид < фенилмеркурихлорид < п-ацетами-
^Феннлмеркуриацетат) ингибируют активность АТФ-фосфотрансферазы
пг>Ф 2-7.1.38) на 25; 55 и 75 % соответственно [62]. Влияние размера и заряда
рисоединившегося реагента прослежено и на примере изоцитратдегидро-
п »азы (ИЦДГ, КФ 1.1.1.41). Показана почти полная инактивация фермента
еркурибензоатом и 5,5'-дитиобис(2-нитробензоатом), тогда как замена
тротиобензоата на цианид-ион снижает степень ингибирования на 50 %.
2 ^°4ные РезУльтаты получены для аспартатаминотрансферазы (ACT, КФ
Дост Мышиь1 сердца свиньи. Но между размерами молекул реагента и
фак/ПН°СТЬЮ ^Н-групп нет прямой связи. Вероятно, есть дополнительные
Кото°РЫ’ влияюЩие на этот процесс: в частности, влияние соседних групп,
рые могут способствовать или препятствовать приближению реагентов
125
к SH-группам, изменять степень ионизации SH-групп, участвовать в стабц.
лизации переходного состояния, образовывать внутримолекулярные связи с
ними.
Из различных типов взаимосвязей в белках, в которые могут быть во-
влечены SH-группы, наиболее вероятны гидрофобные. Доказано наличие
внутримолекулярных ковалентных связей (кроме дисульфидных), опосредо-
ванных через ион металла, т.е. меркаптидных связей, участвующих в обра-
зовании клешневидных комплексов. У ряда металлоферментов — это один
из вариантов маскирования SH-rpynn.
Функция SH-группы заключается в образовании тиоэфирной связи с
ацильной группой молекулы субстрата. Две SH-группы, сближенные в тре-
тичной структуре белка, образуют активный центр, доказательством чему
являются инактивация фермента низкими концентрациями арсенита, кото-
рый обладает высоким сродством к дитиолам, а также конкурентные отно-
шения между субстратами и арсенитом. Дитиолы легко реактивируют фер-
мент. SH-группы белка могут играть роль реакционноспособного акцептора
при реакциях ферментативного переноса ацильных, амидных, фосфатных и
других остатков.
SH-группы окислительных ферментов могут играть роль промежуточных
переносчиков электронов от субстратов к акцепторам, например к НАД+,
Примером может служить липоатдегидрогеназа (НАДНлипоамидоксидоре-
дуктаза, КФ 1.6.4.3). Этот фермент (ЛипДГ) входит в состав а-кетоглутарат-
и пируватдегидрогеназных комплексов и катализирует реакцию:
Лип (SH)2 + НАД* -> Лип (S-S) + НАДН + Н+ (4)
ЛипДГ является флавопротеидом и не содержит связанной с белком
липоевой кислоты. Но после предынкубации фермента с НАДН его актив-
ность резко тормозится арсенитом. Обработка фермента НАДН приводит к
образованию двух SH-групп на молекулу ФАД. Дисульфидная группа белка
является первичным акцептором электронов и протонов от дигидролипоата;
при этом дисульфидная группа восстанавливается в дитиоловую [30]. Она
отдает один протон и электрон молекуле ФАД, которая переходит в семи-
хинонную форму. Потом к одной из SH-групп дитиола присоединяется
молекула НАД+, восстанавливающаяся в НАДН с регенерацией исходной
формы фермента. Реакционноспособная -S-S-группа, участвующая в пере-
носе электронов, обнаружена также в активных центрах глутатионредуктазы
(ГР, КФ 1.6.4.2) и тиоредоксинредуктазы (КФ 1.6.4.5). Они также содержат
две молекулы ФАД на одну молекулу белка и катализируют восстановление
-S-S-связи в субстратах при помощи НАДФН.
Титрование ГР глутатионом или НАДФН в анаэробных условиях при-
водит к росту числа титруемых SH-групп в ферменте. Механизм действия
аналогичен таковому у ЛипДГ.
Помимо прямого участия в каталитическом акте SH-группы, входящие
в состав активных центров ферментов, могут также играть роль в Ус^а~
новлении связей между апоферментом и молекулами субстрата или кофер"
мента.
В этом случае они входят в состав контактного участка активного ненТР
(binding site). Доказательством служит тот факт, что сукцинат, фумарат
малонат защищают SH-группы СДГ от действия не только окислителей^^
и алкилирующих агентов, соединений трехвалентного мышьяка, ионов ртУ^
и n-меркурибензоата. Теперь это установлено для сукцинат-, малат-, ла
тат-, изоцитрат-, 3-фосфоглицерат-, 3-фосфоглицеральдегид-, р-оксибути
126
глутамат-, гомосерин-, альдегид-, алкогольдегидрогеназ, цитохромре-
Руктазы, альдолазы, глутаминсинтетазы и многих других ферментов и по-
пужило толчком к развитию целого направления в использовании карбо-
совых кислот, в частности сукцината, для профилактики и коррекции на-
ущений энергетического обмена, происходящих под действием ксенобио-
Субстраты и коферменты могут уменьшить инактивацию фермента под
влиянием тиолового яда путем стабилизации структуры (конформации) бел-
ковой молекулы фермента, а также в результате изменения белковой моле-
кулы. Например, НАД+ и этанол не только защищают АДГ от инактивации
этилмеркурхлоридом и р-меркурбензоатом, но и уменьшают количество
титруемых SH-групп. Избирательное карбоксиметилирование метилртутью
одной из 14 SH-групп АДГ печени приводит к инактивации фермента: НАД+
и НАДН защищают фермент от инактивации, а SH-группу — от алкилиро-
вания. Позднее оказалось, что SH-группы не принимают участия ни в
связывании кофермента, ни в катализе, но 6 из 14 SH-групп принимают
участие в связывании ионов цинка.
В присутствии Мп2+ фенилмеркурацетат почти не влияет на активность
пролидазы (КФ 3.4.3.7) — фермента, гидролизующего пептидную связь, об-
разованную иминогруппой пролина или оксипролина. Фермент почти пол-
ностью теряет активность в отсутствие ионов марганца. SH-группа является
одним из лигандов, связывающих ион Са2+ в активных центрах амилазы,
цитохромоксидазы, ионов цинка в аспартаттранскарбомилазе, ионов железа
в негемовых белках — переносчиках электронов: ферредоксинах и рубредок-
сине. SH-группы металлопротеидов принимают участие в связывании иона
металла: АДГ-цинк, металлотионеин — кадмий, цинк, цитохром оксидаза —
медь, лейцинаминопептидаза — марганец. Таким образом, ион металла, со-
единенный меркаптидной связью с атомом серы, обладает способностью
образовывать дополнительные координационные связи с различными функ-
циональными группами белка (азотистыми, карбоксильными и др.). В ре-
зультате возникают хелатные (клешневидные) комплексы, которые могут
выполнять непосредственно каталитическую функцию и участвовать в уста-
новлении связей между различными участками белковой молекулы или
отдельными субъединицами, обеспечивая поддержание уникальной трехмер-
ной конформации ферментов.
В свете современного понимания многообразия биологических функций
сульфгидрильных групп белков в известной мере может быть понята реакция
различных функциональных систем организма на действие тиоловых ядов.
Для неорганического свинца характерно влияние на ключевые стадии син-
теза гемов, которые используются не только для построения молекул гемог-
лобина и миоглобина, но и в системе окислительного обмена клетки (ци-
тохром-с-оксидаза, цитохром Р-450, цитохромы b и с, каталаза и перокси-
даза). В частности, РЬ ингибирует не только аланиндегидратазу, феррохе-
латазу, копропорфириногеноксидазу, т.е. ферменты порфиринового обмена,
но и трансаминазы (АЛТ, КФ 2.6.1.2 и ACT, КФ 2.6.1.1), ЛДГ (КФ 1.1.1.17)
И ДмГИе ФеРменты [Ю2].
Механизм действия этого типичного представителя тиоловых ядов за-
дается в угнетении активности ферментных систем в результате блоки-
II вания карбоксильных, аминных и особенно SH-групп белковых молекул.
в^ДО°Нь1е изменения ферментативной активности установлены также при
ртутСНИИ экспеРИментальным животным (крысы, мыши, кролики, собаки)
Ути, меди, вольфрама, молибдена, марганца и цинка. Молибден в кон-
127
центрациях 3,0—19,5 мг/м3 при хронической ингаляции приводит к сниже-
нию активности каталазы, кислой и щелочной фосфатаз, АЛТ и ACT
цитохромоксидазы и повышению активности ацетил- и бутирилхолинэсте-
раз. Cd снижает активность пищеварительных ферментов — трипсина и в
меньшей мере пепсина, активирует уреазу, аргиназу. Под действием С<1
изменяется каталазная активность крови и тканей печени, причем малые
дозы активируют ее, а большие угнетают. Установлена возможность вклю-
чения Cd в комплекс с ферментами: Cd — щелочная фосфатаза, Cd — кар-
боксипептидаза, Cd — цитохромоксидаза [86].
Однако было бы неправомерным относить все проявления токсического
действия тиоловых ядов лишь за счет специфических особенностей поражае-
мых ими белковых систем. Не менее важную роль играют и особенности
химического строения, вероятные биологические функции и количественные
параметры содержания в организме конкретных металлов.
Например, кадмий влияет не только на активность ферментов и белко-
вый обмен, но и на углеводный обмен, вызывая гипергликемию. Он угнетает
синтез гликогена в печени, нарушает фосфорно-кальциевый обмен, вмеши-
вается в метаболизм ряда микроэлементов, таких как Zn, Си, Fe, Мп, Se.
На токсичность Cd влияет содержание в пищевом рационе белка, витаминов
С и D, а также Са, Zn, Си, Fe, Se.
Как известно [142], ионы металлов относятся к ингибиторам микросо-
мальных монооксигеназ 4-го типа, которые тормозят синтез и ускоряют
распад цитохрома Р-450. Их действие направлено преимущественно на ге-
мовую часть цитохрома, как это четко показано для неорганических соеди-
нений свинца [102], а активация либо ингибирование ПОЛ может носить
вторичный дозозависимый характер.
С пероксидацией липидов в органах-мишенях связывают острую токсич-
ность Ni2+ [103, 140]. И хотя этот механизм представляется в известной мере
гипотетическим, процесс может развиваться по следующим четырем основ-
ным направлениям:
• замещение никелем железа и меди в интрацеллюлярных структурах;
• ингибирование никелем клеточных систем антиоксидантной защиты,
прежде всего каталазы, супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы,
альдегиддегидрогеназы и других ферментов, которые защищают клет-
ку от свободнорадикального окисления или которые метаболизируют
продукты ПОЛ; 2+ 3+
• генерирование кислородных свободных радикалов в цепях’Ni2 /Nk J
Ni2+ + Нз = Ni3+ + OH + OH+ (реакция Фентона); Ni3+ + O ~
= Ni2+ + O2; H2O2 + О 2 = OH + OH+ + O2 (реакция Габера -
Вайса);
• никель может усиливать деградацию липопероксидов из липидно-
кислородных радикалов за счет усиления аутокаталитического пере-
окисления полиеновых жирных кислот.
Необходимо подчеркнуть, что эти механизмы не взаимоисключают ДрУ1"
друга и могут проявляться одновременно. Имеются экспериментальные под-
тверждения гидропероксидной гипотезы механизма действия двухвалентного
иона никеля в реализации его острой токсичности и канцерогенности [H'J-
Тем не менее рассматриваемый механизм не может быть распространен на
все тяжелые металлы. В частности, в опытах на затравленных Cd перорально
в дозах 0,05 LDso крыс на первых этапах преобладала реакция снижения
содержания ДК и МДА в тканях мозга, печени и почек [76]. Нарушение
128
стоальных направлений обеспечения энергией клеточных систем в дан-
Ма“И(Ьазе токсического воздействия практически не приводит в действие
Н°Ибоднорадикальные процессы, а в связи с угнетением микросомальных
СВСнооксигеназ имеет место даже существенное снижение уровней ДК и
Ш1А в тканях, в первую очередь головного мозга и почек, где, вероятно,
гцность этих систем ниже, чем в тканях печени. Кроме того, играет
Мпоеделенную роль и нарушение нейрорегуляторных механизмов. Преиму-
щественной для затравленных Cd крыс была реакция снижения содержания
иеновых конъюгатов (ДК): в тканях головного мозга и почек — на 60 %, в
печени — на 44 %. Уровень малонового диальдегида (МДА) в печени, мозге
и почках по отношению к контролю составил 61; 92 и 70 % соответственно.
При этом активность ферментов глутатионовой антиоксидантной системы,
особенно глутатион редуктазы, существенно возрастала.
Сочетание токсического воздействия с невротизацией давало более слож-
ный эффект. На первом этапе опыта уровень ДК и МДА наиболее сущест-
венно возрастал в тканях мозга (на 53 и 72 % соответственно) с последую-
щим падением ниже контрольных величин. В почках их содержание про-
грессивно снижалось (до 42 и 56 % по отношению к исходному уровню
соответственно), а в печени изменения были несущественны. В дальнейшем
картина значительно изменялась: отмечался достоверный рост ДК, особенно
МДА, уровень которого в мозговой ткани составлял 211 % по отношению
к исходному уровню, тогда как в печени и почках его уровень повышался
не более чем на 25—30 %.
Подобные же результаты были получены в опытах на крысах-самцах
Лонг-Эванс, которым вводили раствор CdClj в дозе 25 мкг Cd на 1 кг массы
тела внутрибрюшинно [113]. Через 24 ч содержание веществ, реагирующих
с тиобарбитуровой кислотой (МДА) в легких и мозге, возрастало до 140 и
170 % по сравнению с контролем. В семенниках и сердце содержание МДА
снижалось до 50 и 75 % соответственно, а в печени и почках не изменялось.
При повышении дозы Cd2+ до 500 мг/кг содержание МДА в легких, семен-
никах, печени и почках возрастало до 200, 140, 130 и 120 % соответственно,
а в сердце оставалось неизменным. Введение Cd2+ (в дозе 1250 мг/кг)
приводило к снижению содержания МДА в печени на 50 % и к его увели-
чению в легких до 200 % при отсутствии изменений в остальных исследо-
ванных тканях.
Авторами сделан вывод о различиях в чувствительности тканей крысы к
стимулирующему ПОЛ действию Cd2+. Однако описанный эксперимент
свидетельствует также о дозозависимых различиях в динамике исследуемых
показателей.
Нарушение магистральных направлений обеспечения энергией клеточных
систем малыми дозами тяжелых металлов практически не приводит в дей-
ствие свободнорадикальные процессы, а в связи с угнетением микросомальных
в онооксигеназ имеет место даже существенное снижение уровней ДК и МДА
тканях, в первую очередь головного мозга и почек, где, вероятно, мощность
систем ниже, чем в тканях печени.
Меха °Ме того’ опРеДеленную роль играет и нарушение нейрорегуляторных
кот Низмов- Эти данные хорошо согласуются с материалами А.Д.Фроловой,
УровРаЯ1/П°КазаЛа [70]’ что ПрИ де^ствии солей Со, Cd, РЬ, Мп даже на
ченоНе 5 LD50 после однократного внутрибрюшинного введения не отме-
нил floCTOBePHoro увеличения уровня промежуточных продуктов превраще-
ненасыщенных жирных кислот (ДК) и конечного метаболита (МДА),
5-71
129
что послужило основанием для отказа от дальнейших исследований в этом
направлении. Однако если речь идет, например, о трансформации металл-
органических соединений в организме, столь категоричные суждения пред,
ставляются неправомерными.
При ингаляции 10-хлорфеноксарсина (1,6 мг/м3) в хроническом экспе-
рименте у крыс отмечен рост уровня МДА в тканях печени на 47 %, мозга —
на 62 %, почек — на 78 % при угнетении ферментов ГАОС (ГП — в 1 з
ГР — в 2,2, Г-6-ФДГ — в 2,6 раза по отношению к контролю) [47]. При
исследовании токсичности бис(три-п-бутилолово)оксида (ТБТО) в дозах 0 3'
3,0 и 30 мг/кг в тканях мозга крыс отмечены резкое усиление процессов
ПОЛ при максимальной нагрузке (рост ДК в 1,8 и МДА—в 2,3 раза) и
фазовые изменения (краткосрочное повышение с последующим снижением
ниже контрольных значений) при низких дозах [13]. Для других металлов
эти соотношения могут также существенно изменяться. Например, Ю.С.Ка-
ган и соавт. [126] при изучении токсического действия хлорокиси меди
обнаружили существенный рост хемолюминесценции в крови крыс через
24 ч после перорального введения животным препарата на уровне 0,5 LD50
(65 импульсов за 6 мин х 103 при 40 в контроле). Вероятно, эти механизмы
нуждаются в дальнейшем детальном изучении.
Более четко определены молекулярные механизмы действия ионов ме-
таллов, связанные с биотрансформацией их как водорастворимых соедине-
ний. Они локализованы преимущественно в митохондриях, цитозоле и ли-
зосомах клеток. В основе повреждающего действия металлов через АТР-за-
висимый ионный транспорт лежит предпосылка о Физико-химической ус-
тойчивости комплекса катионов с фосфатными группами АТР [17]. Прак-
тически все металлы могут конкурировать за места связывания в фосфатных
группах с катионами жесткого класса А, к которому относятся такие био-
логически значимые ионы, как Са и Mg. В связи с тем что Со, Cd, РЬ, Мп
обладают большим сродством к фосфатному лиганду АТР, чем Mg, они
вызывают диссоциацию комплекса Mg-ATP и образуют такого же типа
хелатный комплекс Ме-АТР, который, однако, не может обеспечить эффек-
тивную работу ионных насосов. Статистически значимое ингибирование
ионного транспорта проявляли не только РЬ и Со в дозах */5 и '/щ соот-
ветственно, но и металлорганические соединения ртути, мышьяка и олова
[13, 31, 62].
Имеются и другие попытки объяснения преимущественно митохондри-
альных эффектов тяжелых металлов с позиций ионного взаимодействия. В
частности, обсуждается возможная роль Са2* в цитотоксичности тяжелых
металлов [146]. На основе анализа обширных данных литературы авторы
показали, что метаболизм ксенобиотиков, в частности тяжелых металлов,
вызывающих окислительный стресс, сопровождается нарушениями GSH-за-
висимого баланса тиолы/дисульфиды и усилением ПОЛ мембранных липидов.
Это ведет к нарушению гомеостаза Са2+ за счет локализованного в клеточных
мембранах пула этого иона. Инактивация Са, Mg-АТРазы, обусловленная
окислением SH-групп, также вызывает повышение уровня Са2+ в цитозоле.
Ионы таких металлов, как Hg2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, обладающие высоки
сродством к SH-группам и способные действовать на функции SH-содержаШ^
белков, в случаях окислительного стресса могут стимулировать выход Са
через вольтозависимые каналы в различных биосистемах, дезорганизуют е
гомеостаз и через этот механизм ингибируют Са, Mg-АТРазу, нарушая те
самым митохондриальные функции клеток различных организмов.
130
Познание закономерностей взаимодействия токсичных металлов с кальци-
1 дтгими эссенциальными микроэлементами биосистем по конкурентному
Uomv механизму существенно расширяет наши представления о патогенезе
Правлений, возможностях их профилактики и лечения.
4 2. физиологический синергизм и антагонизм
в механизме действия тяжелых металлов
Сложная проблема взаимодействия между микроэлементами в организме
азоаботана крайне недостаточно. В клетках содержится большое количест-
во ионов металлов. Хотя твердый остаток при сжигании составляет всего
3—5 %, в организме человека массой 70 кг содержится 1050 г Са, 245 г К,
105 г Na, 35 г Mg, 3 г Fe, 2,3 г Zn, 1,2 г Rb [38]. Важную биологическую
роль играют не менее 7 элементов, которых содержится менее 1 г: Си —
100 мг, Мп — 20 мг, Со — 5 мг, Mo, Cr, Sn, V — менее 6 мг. Эритроцит
объемом 80 мк3 содержит 3,108 молекул белка, преимущественно гемогло-
бина, 7,105 атомов меди и 1,105 атомов олова. В нем имеется 2,104 атомов
серебра’(концентрация его более 1,10"7 М); присутствуют бор и алюминий —
3,105 атомов, мышьяк — 7,105 атомов, свинец — 7,104 и никель — 2,104 ато-
мов. При этом Rb, Sr, Ni считаются малотоксичными, a Sb, As, Ba, Be, Са,
Pb, Hh, Ag, Tl, Th — высокотоксичными.
Внутриклеточные системы имеют собственные механизмы концентриро-
вания ионов. Митохондрии могут концентрировать ионы К, Са2+, Мп2* и
других двухвалентных металлов за счет обменной диффузии, т.е. путем
вторичного активного транспорта. Дифференцированный характер накопле-
ния тяжелых металлов в компартментах клетки имеет биофизическую при-
роду. Цитоплазма клеток напоминает ионообменные смолы, несущие фик-
сированные заряды. Смолы, содержащие остатки сульфокислот, связывают
калий, а содержащие остаток фосфорной кислоты, — натрий. Включение
тиоловых ядов в этот процесс определяет в известной мере их влияние на
ионный обмен в клетках. Так, при введении Cd в организм нарушается
обмен кальция, фосфора, железа и меди [119]. Особенно четко это просле-
живается по отношению к Са. Содержание последнего в крови и моче у
хронически экспонированных малыми концентрациями сульфата кадмия
крыс (ингаляция по 4 ч ежедневно в течение 4 мес в дозе 0,3 мг/м3)
снижалось на 24,3 и 21,2 % соответственно. На фоне малобелковой диеты
уменьшается содержание кальция и цинка в костях. Кадмий угнетает про-
цесс образования активной формы витамина D в почках (1,25-дигидрокси-
олекальциферол), что замедляет абсорбцию Са в кишечнике [86]. У бере-
жных крыс отмечены гипокальциемия и выраженный остеопороз, а у
отомства — искривление передних конечностей.
и о^Ка3аН аддитивный эффект соединений ртути с кадмием. Кадмий, как
метя Ь> связывается в организме со специфичным транспортным белком
Пос) Л°ТИОНеином ^0]- Если связывание производить вне организма, то
Вове*еСС последУюШего связывания в крови и печени снижается. В проти-
ЛругихСИНеРГИЗМУ кадмия и ртути отмечен выраженный антагонизм этих и
выми ТЯЖелых металлов с цинком и селеном. Вероятно, угнетение тиоло-
т°ЛькоЯбаМИ ахтивности металлоферментов может быть обусловлено не
иновых°Л°КаДОЙ сУльФгидрильных групп, но и нарушением металлопроте-
евойств КЯМПЛексов с утратой либо ослаблением последними каталитических
интокс 1°Ложительный эффект селена особенно четко прослеживался при
и«ациях кадмием, ртутью и никелем людей, а также в эксперимен-
5*
131
тальных исследованиях. Эти наблюдения послужили основанием для
пользования селена при комплексном лечении широкого круга заболеваний
в том числе и химической этиологии [112, 127, 128]. и>
Как справедливо указывают М.Г.Коломийцева и Р.Д.Габович [28], лежа
щие в основе физиологического взаимодействия микроэлементов в организ
ме человека и животных влияния на ферментативные процессы, функций
желез внутренней секреции, синтез гормонов и витаминов, энергетику клет
ки могут носить как содружественный, так и антагонистический характер
Важно учитывать их соотношение между собой [4], а также условия прояв-
ления этого взаимодействия, которое определяется многочисленными эндо-
и экзогенными факторами. Так, при изучении токсичности и характера
совместного действия кобальта, вольфрама и титана установлено, что био-
логически малоактивный титан усиливает токсичность кобальта и вольфра-
ма [23]. Если для чистого кобальта смертельная доза для крыс при интра-
трахеальном введении составляла 10 мг, то в смеси с титаном она снижалась
до 4 мг. Совместное действие кобальта и окиси углерода также приводит к
усилению токсичности каждого компонента смеси.
При внутримышечном введении крысам 200 мкг хлорида кадмия выве-
дение с калом алюминия возрастало в 9,3, молибдена — в 6,4 и серебра —
в 2 раза [10]. Предварительное воздействие малых нетоксичных доз Cd
повышало устойчивость к некрозу яичек при последующем введении боль-
ших доз (за счет индукции синтеза металлотионеина), что свидетельствовало
об адаптивном характере защитного действия данного белка.
Металлотионеин имеется во всех животных тканях, связывает большие
количества ионов многих металлов, особенно цинка. Он содержит 33 %
цистеина и связывает 6 ионов металла на молекулу белка; может быть
окислительно-восстановительным буфером, подобно глутатиону и способ-
ствует удалению экзогенных тяжелых металлов из организма. С металлотио-
неином соединено до 20 % адсорбируемого из ЖКТ и соединенного с
низкомолекулярными белками Cd (сначала он соединяется с альбумином,
а затем с металлотионеном). Этот белок выносит Cd в почечные канальцы
и далее в мочу. В предотвращении токсичности Cd ведущая роль также
принадлежит металлотионеину. Последний одновременно регулирует вынос
из клеток Zn и Си, образующих с Cd в организме динамические биоактив-
ные пары. Угнетение кадмием оксидаз со смешанной функцией также
снимается металлотионеином, чем объясняется обратимый характер подав-
ления им процессов микросомального окисления.
В комплексах с металлотионеином и в металлоферментах ионы цинка
могут быть заменены марганцем и кобальтом, а также другими ионами без
существенного снижения каталитической активности. С цинком в этом
плане конкурируют также медь и кадмий.
В экспериментальных исследованиях на крысах при совместном введе-
нии с цинком выявлено усиление действия свинца на порфириновый обмен
(рост выведения с мочой в 4,5 раза). При затравке крыс и кроликов пылью
хромоцинкового катализатора (37 мг/м3) отмечено отставание в прирост
массы подопытных животных по отношению к контролю на 42 %. В то ж
время имеются данные [59, 60] о выраженном антагонизме никеля и хрома,
никеля и марганца, никеля и кобальта в острых опытах при явления
аддитивности (для никеля и кобальта) в хроническом эксперименте.
Связывание, распределение и выведение ксенобиотиков-металлов в ор
ганизме зависит прежде всего от обеспеченности его эссенциальными ми
роэлементами и состоянием их обмена. Например, накопление цинка
132
и3ме экспериментальных животных приводит к снижению содержания
°РгаНСи тогда как добавление в корм Fe предотвращало потерю меди в
Fe * Отмечен определенный синергизм при действии на половую сферу
пе4еотных марганца и цинка. При изучении кроветворения показано взаи-
жиВействие не менее 6 микроэлементов (кобальта, железа, меди, цинка,
м0Дганца, никеля). Эти ионы оказывали также положительное воздействие
ма16Иологическую сопротивляемость организма к заболеваемости. Имеется
на исследований об антагонизме меди и цинка, меди и молибдена, меди и
Р5111 ганца в организме. Но данные по этим позициям достаточно противо-
Мечивы На модели Oncorhynchus mykiss после 10-дневного воздействия *на
Рих медью в концентрациях 0,1; 0,2 и 0,3 мг/л, составляющих 0,15; 0,31 и
0 46 от 96-часовой LD50, исследовали поведенческие реакции при форми-
ровании социальной иерархии в группе [123]. Концентрации 0,2 и 0,3 мг/л
вызывали достоверные изменения в поведении популяции: уменьшалось
число атак, увеличивалось число угроз, удлинялось время формирования
иерархии. При действии смеси тяжелых металлов (Си, Zn, Ni, Cr, Fe)
изменения были более выраженными и касались не только изменения
индивидуального и группового поведения, но также респираторных и дви-
гательных реакций (0,0015—0,0059 % от LD50), давали эффект порога и
достигали LDso- При этом летальную токсичность связывают преимущест-
венно с присутствием в смеси меди [124]. Последнее чрезвычайно важно с
точки зрения видовых отличий в чувствительности к разным компонентам
смеси, а также в вопросе о доминирующем компоненте смеси тяжелых
металлов во внешней среде, что подлежит дальнейшему специальному изу-
чению.
Недостаточность меди в организме нередко носит вторичный характер
вследствие того, что цинк препятствует ее поглощению у животных либо
она связывается молибдатом в инертный комплекс. При этом возникают
нарушения в костной ткани (остеопороз), обесцвечиваются волосы, теряется
эластичность артерий, нарушается синтез гемоглобина [38].
Нарушение баланса названных выше элементов при взаимодействии с
ионами тяжелых металлов является одним из важных аспектов биологичес-
кой активности последних, а изучение поражений разными химическими
формами тяжелых металлов на малых уровнях воздействия, их связывание,
биотрансформация, транспорт у человека и животных (в том числе и транс-
плацентарный транспорт), нейроповеденческие, иммунологические (вклю-
чая гиперчувствительность) эффекты у экспонированных в разных условиях
контингентов населения признаются приоритетными направлениями даль-
нейших исследований в ряде монографий ВОЗ из серии “Гигиенические
Критерии состояния окружающей среды” (см. список литературы к настоя-
щей главе). Именно эти аспекты проблемы в наибольшей мере определяют
патогенетические механизмы отравлений рассматриваемой группой хими-
ческих веществ в их современном понимании и должны учитываться при
комплексном лечении и профилактике отравлений.
4-3. Токсикокинетика и токсикодинамика
тиоловых ядов
ным еДИНеНИЯ тяжель1Х металлов могут поступать в организм ингаляцион-
бом ’ (^е*экУтанным> пероральным путями, а также парентеральным спосо-
прав иднако если поступление ядов в дыхательные пути и на кожу, как
ило, носит профессионально обусловленный характер, в плане развития
133
бытовых отравлений среди населения наибольшее значение имеет перорад
ный путь их попадания в организм. Поступившие в организм тиоловые яд*'
распределяются в органах и тканях крайне неравномерно, что затрудн^ц’1
сопоставление, особенно в ряду металлов. т
До 50 % введенного ингаляционным путем Cd содержится в легких. Пои
поступлении в ЖК.Т в организме задерживается от 1 до 8 % введенной дозы
Имеются большие индивидуальные колебания этого показателя. Наиболь-
шая зарегистрированная абсорбция не превышает 20 %. Созданная в 70-х
годах одночастная модель токсикокинетики Cd в организме все время раз-
вивается и стала многочастной, учитывающей распределение в почках, пе-
чени и крови, а также такие показатели, как суточное поступление, масса
органа и др. Кадмий проникает в головной мозг и в небольших количествах
(до 2,5 %) сохраняется там в течение всего периода наблюдения.
Пары ртути при ингаляции почти на 100 % абсорбируются в альвеолах
легких, переходя в Hg2+ в эритроцитах и тканях организма. В ЖКТ погло-
щается не более 10 % введенной Hg, но этот показатель существенно воз-
растает у детей, причем 75—90 % введенной дозы выводится через кишеч-
ник. В почки попадает 50—90 % Hg от общего содержания в организме.
Относительно высокие уровни отмечены в гонадах и железах внутренней
секреции. У детей и подростков, молодых животных в эксперименте пока-
затель накопления в почках ниже, а в тканях печени и мозга — относительно
выше, чем у взрослых особей. В тканях плода крыс содержание Hg в 40 раз
превосходило средний уровень в теле взрослых животных. Общее распреде-
ление можно представить таким образом: 50 % — в почках, 20 % — в печени,
25 % — в желчи и до 5 % — в мозге. В выведении Hg из организма отмечают
две фазы: первая — с Т50 продолжительностью 2—5 дней, когда выводится
до 90 % накопленного количества, и вторая — с Т50 — до 30—40 дней.
Однократное введение неорганической ртути в организм приводит к
накоплению ее преимущественно в цитоплазматической (54 %) и ядерной
(30 %) фракциях клеток почек. По мере удлинения срока поступления
(хроническое в течение 6 мес подкожное введение хлорида ртути) наблюда-
ется возрастание ее содержания в ядерной, лизосомальной и митохондри-
альной фракциях клеток без увеличения концентрации в цитозоле. В более
поздние сроки Hg продолжает накапливаться только в лизосомах. Характер
распределения Hg в субклеточных компартментах других органов (печень,
головной мозг) аналогичен; он также существенно не отличается от распре-
деления в клетке органических соединений. В нейронах Hg связывается с
мембранами митохондрий, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи,
ядер и лизосом.
Таким образом, проникая через клеточные и субклеточные мембраны,
Hg задерживается на них, распределяясь по всем субклеточным фракциям.
Различия в содержании Hg в разных фракциях клетки можно объяснить,
вероятно, неодинаковым сродством к ней функциональных групп биомоле-
кул субклеточных частиц. Влияние Hg на уровень и скорость синтеза ДНК
и РНК в клетках культуры и тканях живого организма является, по-види^
мому, следствием избирательной локализации этих соединений в ядерной
фракции клетки. С обнаруженными особенностями ее внутриклеточного
распределения можно связать развитие патологических изменений физио-
логических и биохимических процессов в организме, в частности ее гона-
дотоксическое, эмбриотоксическое и мутагенное действие. ,
Отличное от ртути и свинца распределение в клетке свойственно О •
Значительная его часть накапливается в надосадочной части гомогенат
134
что объясняется способностью Cd вызывать индукцию и связывать-
пеЧеНбелком тионеином, содержащимся в этой фракции печени. Такое же
сЯ Спеделение установлено в клетках монослойной культуры гепатоцитов.
Рас" 2 ч после воздействия во фракциях цитозоля, ядер, митохондрий,
ЧероОСОМ обнаруживали соответственно 56, 23, 14 и 7 % добавленного
М ичества металла. При увеличении времени культивирования до 20 ч
к°лИчество Cd в цитозоле возрастало, а в остальных субклеточных фракциях
pH иж ал ось.
Накопление Cd в клетках культуры почек происходило параллельно
вышению степени его цитотоксичности. Установлена линейная зависи-
ость между увеличением содержания и временем действия в первые 6 ч, а
после 18 ч инкубации наблюдали плато. Вместе с тем характер распределе-
ния Cd в клетке не зависел от выраженности цитотоксического действия:
более 90 % его связано с цитозолем, остальная часть — с микросомной,
митохондриальной, ядерной фракциями и клеточными фрагментами. В ин-
тактных лимфоцитох селезенки мышей общее потребление CdClj109 зависе-
ло от дозы и составляло 0,1 — 10 мкмоль. Распределение в ядрах, цитозоле
и фракциях органелл составило 60, 34 и 6 % соответственно независимо от
концентрации Cd и времени его воздействия. Накапливаясь на внутренних
мембранах митохондрий и гепатоцитов, Cd уменьшает энергоснабжение и
стимулирует ПОЛ в концентрациях 10—100 мкмоль. В случае более низкого
содержания кадмия (1 мкмоль) отмечалось нарушение целостности мембран
митохондрий без стимуляции процессов ПОЛ.
Изучение субклеточного распределения Cd в печени позволило расшиф-
ровать механизм возникновения толерантности к данному токсиканту при
его предварительном введении. Установлено, что снижение чувствительнос-
ти к Cd обусловлено изменением его распределения не в тканях, а в
цитозольной субклеточной фракции печени, где происходит связывание его
с металлотионеином.
На монослойной культуре клеток СР4С показано, что проникновение
Cd в клетку происходит через потенциалзависимые кальциевые канальцы.
Cd вызывает ультраструктурные изменения клеточных мембран, митохонд-
рий, цистерн аппарата Гольджи, сети трубочек, хроматина, ядрышка, мик-
рофиламентов и рибосом. Поражение клеточной оболочки являлось наибо-
лее ранним признаком действия Cd, особенно при длительном поступлении
в клетки.
Неорганические соединения свинца задерживаются в легких на 35—50 %.
При поступлении в ЖКТ этот показатель составляет 15—50 %, что связано
с режимом питания, диетой, возрастными особенностями и другими фак-
торами. Концентрация в крови (РЬВ) достаточно четко коррелирует с вве-
денной дозой свинца. Распределение в мягких тканях и их Т50 существенно
тличаются от таковых для костной ткани. Если в крови и мягких тканях
онцентрация РЬ снижается вдвое примерно за 35—40 дней, то в костях этот
ч?оКа3аТеЛЬ составляет примерно 27 лет. При этом необходимо подчеркнуть,
ван В зависимости от возраста в костях депонируется 75—94 % абсорбиро-
голо°Г° РЬ’ Мобилизация его в различных стрессовых ситуациях (болезнь,
лениДаНИе’ отРавление Другими ядами) может давать патологические прояв-
При б У Ранее практически здоровых людей. Особенно важен этот момент
матеп еРеменности, когда мобилизация РЬ может стать угрозой здоровью
До 90 V* плода’ тем более что в пупочной вене концентрация РЬ составляет
Иму1ц °Т таков°й в крови матери. Из организма свинец выводится пре-
ственно почками, что существенно отличает его соединения от со-
135
единений ванадия, которые только на 30 % выводятся с мочой, а на 70 %
с фекалиями (по ванадату натрия), и от солей хрома Cr (III), которьГ
практически полностью экскретируются через кишечник. Если наивысщае
концентрация ванадия в легких в 20 раз выше, чем в других органах, хрома Л
в селезенке и почках, то кадмий и ртуть аккумулируются в основном "в
почках. Примерно такие соотношения получены для соединений трех- и
пятивалентного мышьяка; неорганические и метилированные его соедине-
ния выводятся из организма через почки за несколько дней на 46 % и более
от полученной дозы. Прием неорганических соединений As приводит к
образованию в организме диметиларсиновой и (в существенно меньшей
степени) монометиларсиновой кислот. При этом As (V) предварительно
восстанавливается в As (III).
Никель распределяется достаточно равномерно в легких, печени, почках
селезенке, гонадах, а его содержание в щитовидной железе и надпочечниках
примерно в 10 раз выше. Через кожу человека всасывается до 88 % нано-
симого препарата. 90 % никеля выводится через кишечник, а 10 % — через
почки. Вводимый в организм кобальт обнаруживается в крови (при интра-
трахеальном поступлении) уже через 5 мин. В отличие от свинца Со отли-
чается более высоким содержанием в плазме, чем в эритроцитах (в 2 раза).-
Адсорбция Со в крови характеризуется экспоненциальной зависимостью и
двумя периодами полувыведения, которое осуществляется в основном по-
чками и заканчивается в течение недели после введения.
Приведенные данные позволяют получить общую картину и основные
особенности поступления, распределения и выведения из организма веду-
щих представителей рассматриваемого класса токсикантов. Этот перечень
информации можно было бы продолжить с учетом физико-химических
особенностей, путей поступления яда в организм и характеристики поража-
емого объекта. Формализация этих данных, как и сопоставление, представ-
ляет большие трудности. Тем не менее только на этом пути можно построить
удовлетворительную модель, отражающую не только качественные, но и
количественные закономерности токсикокинетики тиоловых ядов.
К числу первых в этом направлении следует отнести модели для ртути
и свинца, разработанные Е.Пиотровски, которыми широко пользуются в
расчетах по настоящее время. Их детальное рассмотрение, как и моделей
других авторов, может быть предметом самостоятельного исследования [93,
118]. Применительно к целям данной работы следует обратить внимание не
на уравнения регрессии, обобщающие результаты моделирования, а на те
ограничения, которые связаны с величиной действующей дозы (концентра-
ции), трансформацией вводимого вещества в организме, ролью легочных
макрофагов в солюбилизации исходного продукта, депонирование и моби-
лизации яда и др.
Применительно к ртути, например, хорошо известно, что практически
вся поступившая в организм ртуть достаточно быстро ионизируется, а все
органические соединения переходят в метилртуть. Однако получены много-
численные подтверждения того, что обратимость указанных процессов ле-
жит в основе одномоментного определения различных форм этого металл
в ионизированной, нейтральной и органической формах. -г КТО
Еще большее многообразие характерно для органометаллов. Так, ТЫ
подвергается дебутилизации с образованием дибутильных и монобутильных
производных, небольшие количества которых становятся объектами микр°
сомальных монооксигеназ (большие дозы подавляют активность последних^
Органические соединения ртути более длительно, чем неорганические, н
136
сЯ в организме в неизменном виде. Это определяется липофильностью
хоДЯлпроизводных Hg, которые вследствие выраженной липофильности ку-
MovK)T в богатых липидами тканях, в частности в нервной системе: они
МуЛ обны проникать через гематоэнцефалический барьер [62]. Финилртут-
сП0Ссоединения, напротив, довольно быстро распадаются с освобождением
НЬ'е ганической Hg. При ингаляционном отравлении именно легочные мак-
НС(Ьаги ответственны за солюбилизацию малорастворимых соединений тя-
Р°лых металлов (например, окись ртути, каломель), что приводит к усиле-
нию токсичности вводимого вещества.
" Практически весь поступающий в кровь свинец абсорбируется эритро-
итами а затем откладывается в костях (для сравнения укажем, что Hg в
крови приблизительно одинаково распределяется между эритроцитами и
плазмой крови, но органические соединения превалируют в эритроцитах).
Оба эти обстоятельства оказывают существенное влияние на кинетику вы-
ведения РЬ из организма. Кинетика процесса хорошо прослеживается при
введении в организм меченых изотопов и удовлетворительно описывается
ди- и даже триэкспоненциальной моделью, отражающей первично проте-
кающий процесс миграции обменного иона в крови и печени, выведение
его почками, а затем и включение мобилизационных эффектов с участием
костных депо. Вероятно, эти данные отражают общебиологическую законо-
мерность биокинетики низкомолекулярных химических веществ в организ-
ме и относятся не только к ксенобиотикам, но и эссенциальным ионам.
Так, обмен калия мышц на калий среды (42К) совершается вначале быстро,
а потом замедляется [66]. Кривая замещения включает три экспоненциаль-
ные компоненты и может быть удовлетворительно описана уравнением:
[K]m = Ae-at + Be-bt + Се"01, (5)
где [K]m — незамещенный калий мышц за время t; А, В, С — начальные
концентрации трех фракций мышечного калия; а, Ь, с — постоянные вели-
чины уравнения, характеризующие данный ион.
Количественные данные эксперимента показывают, что фракция А со-
средоточена в межклеточных пространствах и является наиболее быстро
обмениваемой, фракция В — цитоплазматическая, а фракция С (более 50 %
по балансу) принадлежит структурам мышечных волокон. Именно такого
рода кинетические модели рассматриваются В.А.Филовым и Е.Пиотровски
Для свинца и ртути, а предложенные системы дифференциальных уравнений
Позволяют количественно описать и оценить их токсикокинетику, что под-
тверждено многочисленными экспериментальными данными.
На эти процессы влияет достаточно много экзо- и эндогенных факторов,
звестно [72], что желудочно-кишечная абсорбция РЬ зависит от состава
Диеты, энергетического баланса, а его аккумуляция снижается в присут-
вии кальция, железа, фосфата, витаминов D и Е. При молочной диете
ленЧИТеЛЬН° повышается аккумуляция Cd в организме, тогда как полива-
спо™к е катионы Са и Zn подавляют его адсорбцию путем изменения его
Шен°бН°СТИ ирикрепляться к мембране кишечника [66]. Такие соотно-
Металло*4 осо^енности токсикокинетики установлены и для других тяжелых
РУетаСЫваНие' РаспРе^еление и выведение тиоловых ядов из организма регули-
тран в пеРвУю очередь на клеточном уровне за счет механизмов мембранного
чему ПоРта от простой диффузии до активного транспорта через мембраны,
А1^тал Значителън°й мере способствует относительная легкость связывания
°в в катионной форме с мембранными и клеточными белками.
137
Не случайно, например, молярная концентрация катионов в эритроцИтя
человека на 17 % не компенсирована соответствующими анионами [бб?
Если растворимость является фактором, ограничивающим поступление ток
сикантов в клетку, то адсорбционное и химическое связывание действуе"
в обратном направлении. Это действие проявляется тем сильнее, цем
ниже концентрация поглощаемых клетками химических соединений. Об-
ратимая денатурация клеточных белков при связывании с тиоловыми ядами
является важным регулирующим фактором поступления ионов металлов в
клетку.
Токсичность металлов обусловлена разными механизмами, кинетика ак-
кумуляции и выведения из организма характеризуется нелинейными соот-
ношениями с вводимой дозой, а их токсикодинамика (и в первую очередь
металлорганических соединений) может быть описана достаточно сложными
моделями с учетом вклада каждой составляющей в этот процесс. Такого
рода исследования весьма перспективны и представляют не только приклад-
ной, но и большой научно-теоретический интерес.
4.4. Острые отравления
Острые отравления тяжелыми металлами профессионального характера
благодаря комплексу эффективных превентивных мер чрезвычайно редки.
Они могут возникать при аварийных ситуациях, при несчастных случаях на
производстве и в быту (случайные отравления), носить суицидный (попытка
к самоубийству) либо криминальный (с целью убийства) характер.
Статистика ВОЗ и национальных органов здравоохранения разных стран
свидетельствует о наличии острых отравлений ядами рассматриваемой груп-
пы, в том числе и со смертельным исходом, которые при интоксикациях
рассматриваемыми токсикантами могут достигать 20—25 %.
Применительно к данному виду ядов, как и представителям всех осталь-
ных групп, диагноз “отравление неизвестным ядом” действительно не имеет
практической ценности [34], а предполагает выявление специфических при-
знаков, характеризующих групповую и(или) индивидуальную избирательную
токсичность предполагаемого яда. В то же время на пути даже очень активно
и скрупулезно проводимого скрининга симптоматики острого отравления
врача-токсиколога ждет разочарование, так как среди многообразных кли-
нических проявлений такого рода патологии химического генеза избиратель-
ное (специфическое) токсическое действие занимает достаточно скромное
место, существенно уступая обилию неспецифических симптомов. При мол-
ниеносных формах отравления и первые, и вторые иногда просто не успе-
вают развиться.
Интригующее же название известной и чрезвычайно полезной книги
А.Альберта “Избирательная токсичность” [1], во-первых, характеризует ле-
карственные средства; во-вторых (и вследствие этого), такая токсичность
более присуща небольшим дозам вводимых в организм ксенобиотиков при
их повторном поступлении, т.е. чаще прослеживается при хроническо
отравлении. Тем не менее знание клинической картины, подкрепление
данными анамнеза и лабораторного исследования, позволяет удовлетвор
тельно осуществлять диагностику острых отравлений, в том числе и тиоло
выми ядами. х
С учетом перечисленных видов отравлений, а также физико-химическ
свойств широко применяемых на производстве и в быту конкретных вешес
и соединений наиболее частым путем поступления данного вида ядов |
138 J
м следует считать пероральный, что определяет в значительной мере
оРга« симптоматику поражений, этапность развития клинических прояв-
и другие диагностически важные особенности отравления.
ЛеНКак указывают Е.А.Лужников и Л.Г.Костомарова [34], у 97,3 % больных,
ступающих в клинику с острыми отравлениями, наблюдаются ЖКТ-по-
П°жения, обусловленные главным образом прижигающим действием иони-
Ра ованных форм токсикантов. Местнораздражающее действие на слизис-
ЗИге оболочки присуще подавляющему большинству неорганических и орга-
Тических представителей данного класса, в первую очередь в достаточной
н е растворимых, хотя воспалительные эффекты в местах поступления в
Мпганизм аэрозольных частиц тяжелых металлов (дыхательные пути, желу-
дочно-кишечный тракт) также достаточно выражены. Именно с этими па-
тогенетическими механизмами связаны такие общие симптомы, как боль
при глотании, тошнота, рвота, металлический вкус во рту, боль по ходу
пищевода, в животе (преимущественно в эпигастральной области либо раз-
литые). В тяжелых случаях отмечается повторный жидкий стул, у 22 %
пострадавших уже в первые часы возникают пищеводно-желудочные и ки-
шечные кровотечения.
При обследовании больных отмечаются гиперемия зева и задней стенки
глотки, боль при пальпации шейного отдела пищевода, эпигастральной
области, по ходу кишечника, чаще в нисходящем отделе толстого кишечника
либо разлитая болезненность при пальпации живота. Такая боль наиболее
патогномонична для отравлений свинцом, когда она может носить характер
кишечной колики.
Выделительный стоматит и колит обусловлены выделением тяжелых
металлов слизистыми оболочками полости рта и толстого кишечника, при-
чем стоматит наиболее характерен для отравлений соединениями ртути и
свинца. Он проявляется темной сульфидной каймой на деснах, болями в
полости рта, в горле при глотании, гиперемией, набуханием, кровоточивос-
тью, изъязвлением десен, расшатыванием зубов, слюнотечением, увеличе-
нием и болезненностью при пальпации подчелюстных лимфатических узлов.
Выделительный колит варьирует от катарального до некротически-язвенно-
го, иногда сопровождаемого повторными кишечными кровотечениями. Для
соединений мышьяка более характерен острый холероподобный гастроэн-
терит, который появляется вследствие местного (энтерального) токсического
Действия, приводящего к парезу капилляров стенок кишечника, повышению
проницаемости сосудов и транссудации большого количества жидкости в
просвет кишечника (гастроинтестинальная форма отравлений).
Тошнота и рвота, ожог слизистых оболочек ЖК.Т — наиболее частые
признаки острых отравлений соединениями ртути, мышьяка и меди. При
отравлении мышьяком рвотные массы имеют зеленый, а меди — голубой и
голубовато-зеленый цвет.
Обширный ожог пищеварительного тракта приводит в 25,7 % случаев к
Р звитию экзотоксического шока, который чаще отмечается при отравлени-
гаеСОеДр нениями мышьяка, меди и хрома. Экзотоксическим шоком В.Н.Да-
На в и Е.А.Лужников [33] предлагают обозначать особую реакцию организма
ДейЧРеЗВЫча^Ное по своей силе Длительности острое химическое воз-
НИяСтвие с пРизнаками шока. Он развивается в первые часы после отравле-
боде*1 °бУсловливает 60—70 % летальности. Шок при острой химической
Жит НИ ~ Разно«идность гиповолемического шока, в основе которого ле-
Разл1?еЗКаЯ плазмопотеРя как результат расстройств сосудистой регуляции
чного генеза. В данном случае она связана с повреждением слизистой
139
оболочки желудочно-кишечного тракта, является причиной уменьшени
венозного возврата к сердцу, снижения ударного объема сердца и артери1
ального кровяного давления. Именно последнее служит стимулом симпато'
адреналовой системы с выбросом в кровь катехоламинов. Это в свою очередь
приводит к распространенной вазоконстрикции (кроме сосудов сердца
мозга) как проявлению мобилизации адаптивных резервов, что известно в
литературе как централизация кровообращения.
На время компенсируются явления шока, сохраняются на удовлетвори-
тельном уровне минутный объем сердца и артериальный тонус. Но умень-
шение кровоснабжения органов и тканей приводит к их ишемии, развива-
ется клеточная гипоксия за счет нарушения аэробного метаболизма, сопро-
вождающаяся накоплением недоокисленных продуктов обмена и развитием
ацидоза.
Преимущественно кардиогенный шок развивается не только при отрав-
лении тяжелыми металлами, но и при остром отравлении ФОС, дихлорэта-
ном, снотворными препаратами, раздражающими ядами (аммиак, хлор), т.е.
практически не зависит от вида химического агента. Но развитие гипо-
волемии определяется при разных видах интоксикаций неодинаковыми
механизмами, что необходимо учитывать при назначении терапевтических
средств.
При ингаляционных отравлениях, вызванных вдыханием паров и пыли
оксида Cd в концентрации более 1 мг/м3 в течение 8 ч рабочей смены или
более высоких концентраций за меньшее время, развивается токсическая
пневмония, а затем отек легких. Симптомы появляются через 1—8 ч скры-
того периода (при более низких концентрациях явления интоксикации на-
блюдаются спустя 10—36 ч). Первый признак отравления — раздражение
гортани. Затем появляются сильный кашель, тяжелая одышка, повышение
температуры, боль в грудной клетке, тошнота, рвота, цианоз, отек легких.
В этот период наблюдаются раздражение слизистых оболочек верхних и
глубоких дыхательных путей, сладкий вкус во рту, боль в области лба,
головокружение, слабость, тошнота, боль в подложечной области. Возника-
ют трахеит, бронхит, бронхиолит с приступами судорожного кашля с мок-
ротой, сильной одышкой и синюхой, часто развиваются пневмонии, отек
легких, возникает боль за грудиной, в суставах, застойные явления (расши-
рение сердца, увеличение печени). При тяжелых ингаляционных отравле-
ниях возможна смерть на 3—5-е сутки от отека легких или бронхопневмонии
(до 15 % пострадавших с тяжелыми формами отравления). Подобная карти-
на характерна также для соединений ртути. Ингаляция паров соединений
меди и цинка приводит к резкому подъему температуры (до 39—40 °C) и
развитию признаков литейной лихорадки: головная боль, общая слабость,
одышка, сухой кашель.
Для большинства ядов данной группы, особенно меди, мышьяка, свинца,
характерно развитие гемолитической и гипохромной анемии.
При отравлении кадмием в крови повышается число лейкоцитов, ней-
трофилов и эритроцитов. Лейкоцитоз исчезает через 2 дня, но сохраняется
увеличенное число эритроцитов. При отравлениях сулемой в крови вначале
увеличивается содержание гемоглобина и эритроцитов, затем развивается
анемия. Резистентность эритроцитов понижена, выявляются нейтрофиль-
ный лейкоцитоз, ускоренная СОЭ. Наступают также существенные измене-
ния в периферической крови при остром отравлении свинцом (нейтрофилез,
лимфопения, эозинофилия, ускорение СОЭ, умеренная гипохромная ане-
мия).
140
ксИческая нефропатия наблюдается у 67,6 % пострадавших. При этом
исимости от степени тяжести отравления появляются белок в моче,
в 3аВеоативные и воспалительные изменения, в начальной стадии интокси-
Деге» усиливается мочеотделение, которое на последних этапах отравления
каПИ щается и даже полностью прекращается. Для “сулемовых” некронеф-
умень /»сулемовой почки”) характерны отсутствие отеков, повышение об-
Ро3° содержания белка в крови, некрозы эпителия извитых канальцев с
Ше палом и слущиванием, к которым часто присоединяется обызвествление
мертвых элементов.
С нефропатией, как правило, сочетается поражение печени (жировая
„фильтрация и дегенерация клеток, застойные явления, увеличение пече-
ни болезненность при пальпации).
Токсическое действие тяжелых металлов и мышьяка, в особенности их
органических соединений, проявляется в широкой гамме психоневрологических
симптомов вплоть до токсической энцефалопатии.
При отравлении кадмием характерны повышенная возбудимость, раздра-
жительность либо угнетение, бессонница, головная боль и головокружение;
при действии сулемы и нитрата ртути — атаксия, общая возбудимость, в ряде
случаев тремор, парезы, иногда судороги; при отравлении свинцом — изме-
нения вегетативной нервной системы (астения, потливость, яркий разлитой
дермографизм).
Эти признаки поражения ЦНС хорошо моделируются в опытах на жи-
вотных. У белых мышей, крыс и кроликов при однократном воздействии
соединений РЬ в дозах, вызывающих токсический эффект со смертельным
исходом, развивается интоксикация, протекающая в три стадии. Первая
стадия проявляется кратковременным возбуждением, повышенной двига-
тельной активностью, вторая — состоянием угнетения, адинамией, третья —
судорогами, парезами, параличами, расстройством дыхания. Во второй ста-
дии на фоне адинамии отмечаются нарушения координации движений,
расстройства ритма дыхания, фибриллярные подергивания отдельных групп
мышц.
При острых отравлениях соединениями РЬ у человека отмечаются метал-
лический вкус во рту, головная боль, тошнота, слюнотечение, рвота, потеря
сознания, нередко боль в животе, понос со слизью, часто с кровью, сильная
жажда, чувство жжения во рту, набухание и кровоточивость десен. В даль-
нейшем появляются неустойчивость походки, тремор, параличи конечностей,
снижение остроты зрения и слуха, слепота, боль в суставах, затрудненное
глотание, непроизвольные мочеиспускание и дефекация — типичная картина
токсической энцефалопатии.
Наиболее показательны острые отравления тетраэтилсвинцом (ТЭС),
оторый представляет сильный нервный яд, способный кумулировать в
организме. Скрытый период действия составляет от нескольких часов до
ескольких суток. Токсичность связана с образованием в организме три-
н0“Лсаинца — активного ингибитора метаболических процессов. В началь-
тед1 Фазе отРавления выявляется расстройство условнорефлекторной дея-
симНОСТИ’ затем развиваются расстройства функции симпатической и пара-
6ысПатическ°й нервных систем. Отмечаются головная боль, слабость,
деч Р?я Утомляемость, потеря аппетита, расстройства сна, замедление сер-
тела°И деятельнос™> понижение кровяного давления, падение температуры
пило СЛЮнотечение> потливость, стойкий белый дермографизм, длительный
Ний ( ОТО₽НЬ1Й РеФлекс- Характерно нарастание психопатологических явле-
' аллюцинации, психомоторное возбуждение, расстройство сознания).
141
л
Возможны парез лицевого нерва, нарушение конвергенции, птоз, атакси
торможение рефлексов или их усиление, обильный пот. ПатоморфологичеЯ’
кие изменения в ЦНС более резко выражены в таламо-гипоталамическо“
области, мозжечке, фронтальной части коры и гиппокампе. При остры11
отравлениях появляются как нервно-сосудистые изменения, так и дегенепаХ
тивные процессы в ганглиозных клетках. При отравлении мышьяком воз-
можна “молниеносная”, или нервно-паралитическая, форма отравления
Таким образом, даже краткая характеристика клинической картины ост-
рых отравлений тимоловыми ядами дает представление о сложном взаимо-
отношении общих неспецифических и присущих сугубо данной группе
токсикантов специфических признаков поражения, степень и широта про-
явления которых носит дозозависимый характер. Однако при однократном
поступлении яда в организм не могут проявиться его кумулятивные свой-
ства, которые чрезвычайно важны именно для токсичности тяжелых метал-
лов. Они проявляются в полной мере в картине хронического отравления
Для более детального изучения патогенеза отравлений и лежащих в его
основе механизмов следует попытаться вычленить наиболее типичные син-
дромы и рассмотреть во взаимосвязи протекающие в системном плане
патологические процессы под действием тиоловых ядов при длительном
повторном поступлении в организм. Таких синдромов может быть не менее
четырех: нейро-, кардио-, гепато- и нефротоксичность, хотя не меньший
интерес представляют гонадотоксичность, влияние ядов на организм бере-
менных женщин и систему мать — плод, а также комплекс отдаленных
последствий, характеризующих профессиональный и экологически обуслов-
ленный контакт с тиоловыми ядами.
4.5. Хронические отравления
Хронические отравления тиоловыми ядами в последние десятилетия
превалируют в клинике профессиональных заболеваний наряду с мало- и
бессимптомными формами патологии (микромеркуриализм, микросатур-
низм, отдельные виды “носительства”), а также влиянием длительного кон-
такта с тяжелыми металлами на течение общих, этиологически не связанных
с трудовой деятельностью болезней, вызывая их обострения, осложнения и
рецидивы [46]. Эта же тенденция прослеживается среди населения в связи
с экологическими проблемами, обусловленными интенсивным антропоген-
ным загрязнением окружающей среды.
Типичные формы как острых, так и хронических интоксикаций, харак-
терные для воздействия высоких концентраций тиоловых ядов, практически
не встречаются. Это касается тяжелых форм интоксикации ртутью (ртутные
энцефалопатии, сулемовая почка), свинцом (свинцовая колика, свинцовые
параличи), марганцовокислым калием (марганцевый паркинсонизм) и ДРУ;
гими токсикантами. Клинические проявления хронических интоксикации
тяжелыми металлами имеют много общего, поскольку они обладают вира*
женным нейротоксическим действием. Их относят к категории нейротроп-
ных токсичных веществ. Кроме того, они существенно влияют на эндокрин'
ную систему, сердце, сосуды, печень, почки, а также процессы обмена, в
частности белкового, воздействуют на функциональное состояние половой
сферы мужского и женского организма, его репродуктивые функции.
Преобладание среди указанных этиологических факторов вредносте^
малой интенсивности, их сочетание с высоким нервно-эмоциональным на
142
ением требуют более углубленного изучения патогенеза и механизмов
пря*тия функциональных нарушений в организме, а также соответствую-
РЭЗВ им клинических проявлений и симптомов заболеваний. Этому может
шиХйствовать посиндромный подход к изучению данной сложной и много-
аспектной проблемы.
4 5 1. Нейротоксичность в патогенезе отравлений
тяжелыми металлами
В литературе накоплены обширные данные о воздействии тяжелых ме-
аллов на центральную, периферическую и вегетативную нервную системы
V экспонированных рабочих, различных контингентов населения, беремен-
ных женщин и детей, а также у животных разных видов в эксперименталь-
ных токсикологических исследованиях.
При этом учитывают и проявления избирательного действия ядов на
нервную систему, и преобладающие психоневрологические симптомы при
общетоксическом действии химических веществ на организм [40]. Соедине-
ния ртути, свинца (в первую очередь органические), марганца, мышьяка
относятся к типичным представителям ядов нейротропного действия, хотя
классическое понятие “нейротоксикоз” обязано своему появлению клини-
ческому синдрому неврологических нарушений, развивающихся под дейст-
вием высоких доз и концентраций этих веществ.
Нейротоксичность тяжелых металлов и мышьяка связана прежде всего с
их способностью преодолевать гематоэнцефалический барьер и накапливаться
в различных отделах нервной системы, прежде всего богатых липидами тканях
мозга.
При повторном воздействии малых концентраций Hg происходят значи-
тельный выброс гормонов надпочечников и активирование их синтеза. От-
мечены фазовые изменения в содержании катехоламинов в надпочечниках,
возрастание моноаминоксидазной активности митохондриальной фракции
печени.
Биохимические сдвиги заключаются в нарушении окислительного фос-
форилирования в митохондриях глиальных клеток, что приводит к развитию
тканевой гипоксии, к которой особенно чувствительна ЦНС. Происходящее
одновременно в печени нарушение равновесия между активностью катали-
заторов ресинтеза и распада гликогена сказывается на обеспечении мозга
глюкозой — основным энергетическим субстратом нервной ткани. Поэтому
при проявлении парами Hg нейротоксичности, особенно страдают высшие
отделы нервной системы.
При хронических интоксикациях парами ртути в концентрациях 0,085—
Л мг/м3 у крыс происходит угасание сформировавшихся условных рефлек-
сов, торможение безусловных пищевого и ориентировочного рефлексов. Их
ыраженность коррелирует с типом ВНД обследованных животных, степе-
Рроникновения исследованных соединений через гематоэнцефаличес-
барьер. Показан обратимый характер нарушений, развивающихся под
иянием малых концентраций Hg.
28 Нал,И11ие в воздухе даже минимальных концентраций ртути (2,7; 14 и
Ротгп/я М ' В мозге КРЫС вызывает рассогласование в констелляциях мик-
в мо °ЧеК За счет взаимодействия ртути с тубулином. Концентрации ртути
ИнтеГе ВозРастали в 11—47 раз, а содержание ГТФ снижалось на 41—74 %.
обнаРеСН°’ ЧТО под°бНЬ1е изменения в структурах и метаболизме мозга
РУжены при болезни Альцгеймера у людей. В связи с тем что полиме-
143
ризация тубулина зависит от ГТФ, именно этот механизм может лежать
основе хронических поражений мозга малыми концентрациями ртути [90]В
Микротрубочки строятся из полимеризованного тубулина и образую?
скелет ЦНС, нейрональной мембраны и ответственны за аксональный
транспорт, обеспечивая выживание нейронов. Метилртуть взаимодействует
с тубулином, приводя к распаду ассоциаций микротрубочек и другим мор-
фофункциональным изменениям, подобным таковым при болезни Альцгей-
мера [91, 122].
Исследовано влияние свинца на нейрональные и глиальные компоненты
первичной мезэнцефальной культуры клеток [138]. Пролиферирующие гли-
альные клетки могут модулировать нейротоксичность свинца. При этом
токсичность свинца может быть обусловлена как субститутом Са в регуля-
торных процессах [95], так и его взаимодействием с тиоловыми, карбок-
сильными и имидазольными группами, присутствующими в L-цистеине
глутатионе и протеинах [144]. Кинетика транспорта РЬ в клетку недостаточ-
но изучена, но ионизированный, коллоидный и протеинсвязанный свинец
в равной мере могут проникать в клетку. В частности, показано, что L-цис-
теин образует со свинцом тиоловый комплекс, который захватывается гли-
альными клетками и нейронами. Свинец вызывает некроз до 13 % клеток в
культуре в концентрациях 6—12 мкммоль. Эффект обусловлен поражением
глиальных клеток, главным образом астроцитов. Добавление в среду инку-
бации сыворотки крови защищает культуру от действия РЬ [131].
В крови 60 % свинца быстро соединяется с L-цистеином, а остальной —
с альбумином и неорганическими ионами, которые осуществляют транс-
портную функцию и способствуют накоплению РЬ в нервной ткани. Дли-
тельное воздействие РЬ изменяет синаптическую передачу за счет нарушения
(дерегуляции) Са гомеостаза путем Pb-Са-взаимодействий, приводящему к
ухудшению диффузии Са и росту содержания свинца в клетках. Последний
заменяет Са в карбоксильных соединениях с протеинами, такими как каль-
модулин, тропонин С, парвальбумин. Свинец-кальциевые взаимодействия
приводят к снижению уровня нейротрансмиттеров — дофамина и серотони-
на. Наконец, свинец, как уже отмечалось выше, с большой аффинностью
соединяется с тиоловыми группами аминокислот и протеинов в цитозоле и
внутриклеточных компартментах нейронов и глиальных клеток.
Свинец также может оказывать нейротоксическое действие за счет вы-
теснения цинка из богатых тиоловыми группами соединений. В концентра-
циях 10—100 мкмоль он не вызывает некроза клеток, но ведет к их гибели
за счет снижения концентрации К+ с 25 до 5 тМо и полностью блокирует
постсинаптические глутаматные рецепторы. Изучение рецепторов, ответст-
венных за поступление Са, с помощью актиномицина D и циклогексимида,
указало на роль этого механизма в токсичности свинца. Возрастающая
токсичность свинца может быть обусловлена снижением трофической функ-
ции высоких концентраций К+. Этот ион обеспечивает межклеточный го-
меостаз, снабжая нейроны глутамином, глутатионом, в известной мере от
ветственных за детоксикацию и выведение тяжелых металлов.
Астроциты, как известно, поддерживают внутриклеточный ионный г0~
меостаз, снабжают нейроны глутамином и глутатионом, стимулируют ме
таллотионен I/II, 2п2+-связывающие протеины, ответственны за гомеост
Zn2+, выведение тяжелых металлов и свободных радикалов. Присутстви
цинка блокирует Са-зависимые эндонуклеазы и предотвращает апоптиче
кую гибель клеток [85].
144
Отравление тяжелыми металлами, нагрузка ионами металлов организма
вставляют собой стресс, который сопровождается активацией процессов
П^боднорадикального окисления в тканях, интенсификации ПОЛ в биомембра-
св^х и включением систем антиоксидантной защиты, в том числе глутатио-
И°в<Б Ф.Керимов и С.А.Алиев [25] показали, что процессы глутатионовой
шиты нервных клеток при стрессе взаимосвязаны с изменением содержа-
ли поверхностно расположенных и структурно замаскированных белковых
сн-групп- Свободные радикалы окисляют сульфгидрильные группы, спо-
собствуя тем самым структурно-функциональным изменениям в нервных
клетках. Это приводит к активации ГП в гипоталамусе, сенсомоторной,
лимбической и орбитальной коре (в 1,5—2 раза выше, чем в продолговатом и
среднем мозге), что носит, вероятно, адаптационный характер. При хроничес-
ком стрессе происходит тотальное угнетение активности данного фермента.
Это связывают, в частности, с истощением запасов восстановленного глута-
тиона, с одной стороны, и уменьшением клеточной концентрации мета-
болически активной формы селена — с другой. Последнее представляет
большой интерес в плане возможных конкурентных взаимоотношений с
тяжелыми металлами, которые, однако, до сего времени практически не
изучены.
Активность ГР, поддерживающей стационарный редокс-потенциал кле-
ток, изменяется незначительно при достаточных адаптационных резервах и
снижается при выраженных формах дизадаптации. Как известно, данный
фермент через цепь биохимических изменений вместе с сопряженной с ним
Г-6-ФДГ восстанавливает окисленный глутатион, являющийся потенциаль-
но сильным нейротоксином, ингибирующим активность ряда ферментов
энергетического обмена (гексокиназы, аденилатциклазы, креатин кин азы)
мозга, а также биосинтеза белка. Именно благодаря этому механизму в
тканях мозга соотношение F-SH/r-S-S-Г поддерживается на очень высоком
уровне — 100/3, обеспечивая защиту нервной системы от свободнорадикаль-
ного окисления, в том числе и при действии тяжелых металлов.
Если для соединений ртути, свинца, мышьяка, марганца нейротоксич-
ность является общепризнанным ведущим механизмом, активно изучаемым
в клинических и экспериментальных исследованиях, то вопросы нейроток-
сичности кадмия остаются недостаточно экспериментально обоснованными.
Поэтому полученная в последние годы информация нуждается в специаль-
ном рассмотрении, тем более что за последние 25 лет значительно возрос
интерес к кадмию как к одному из продуктов радиоактивного распада,
накапливающемуся в организме человека и животных, токсичному элементу
и анти метаболиту ряда химических элементов. Среди кадмиозов человека
четко выделены кадмиевый ринит, кадмиевая нефропатия с типичной про-
теинурией, кадмиевая остеомаляция (болезнь итаи-итаи). Кроме поражения
зрительного аппарата, почек, печени, костной системы, при интоксикации
а развивается также нейротоксический синдром [39]. Хотя в механизме
©логического действия Cd основное внимание уделяется его нефроток-
ичности, в литературе имеются указания о его влиянии на ЦНС [94] и
в°веденческие реакции у человека и животных [98]. Все эти виды патологии
патогенетическом плане взаимосвязаны с особенностями токсигенной
ивности Cd в организме, среди которых выделяют следующие:
отсутствие эффективного механизма гомеостатического контроля;
материальная кумуляция в организме с необычно долгим периодом
Полувыведения, составляющим у человека в среднем 25 лет;
145
• преимущественное накопление в печени и почках, где создаются
депо токсиканта; интенсивное взаимодействие с другими двухва-
лентными металлами как в процессе всасывания, так и на тканевом
уровне.
В соответствии с накопленными в литературе данными о действии Cd
на клеточном и биохимическом уровнях установлено:
• стимулирующее действие этого микроэлемента на синтез цАМФ, ак-
тивность анаболических ферментов in vivo и обратный эффект в
опытах in vitro;
• разобщение окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания'
• ингибирующее действие на активность каталазы и карбоангидразы и
в меньшей степени щелочной и кислой фосфатаз;
• снижение активности пищеварительных ферментов — трипсина и в
меньшей степени пепсина;
• уменьшение в малых дозах активности 1,25-дигидрохолекальциферола
(витамина D3), угнетение секреции инсулина;
• стимуляция активности алкоголь- и глутаматдегидрогеназы, глутати-
онредуктазы, аденилаткиназы, альдолазы, пируваткарбоксилазы;
• основной, а возможно и единственный путь поступления Cd в клет-
ки — через потенциалзависимые Са-каналы, причем органические
антагонисты Са -каналов (нимодипин) защищают клетки от цито-
токсического действия Cd [99];
• Cd блокирует Са -каналы с IC50 = 4 мкмоль [101, 141];
• ионы Cd способны связываться с Са-активируемыми К-каналами и
открывать их [120];
• Cd блокирует тетродотоксинустойчивые Na-каналы (в концентрации
3 ммоль на 64,6 %) [100];
• ионы Cd вызывают конформационные изменения кальмодулина и
активируют фосфодиэстеразу [41].
Однако нейротоксическое действие Cd в эксперименте изучено недоста-
точно, что и явилось предпосылкой проведения дополнительных исследо-
ваний в данном направлении. В первой серии опытов изучали токсичность
хлорида кадмия в дозе 0,1 LD50 (10 мг/кг), вводимого 5 раз в неделю в
течение 4 нед самостоятельно либо на фоне сформировавшегося невроза.
Контролем служили интактные животные, а также невротизированные без
токсического воздействия.
Исследования показали, что естественный процесс нарастания массы
тела у интактных животных при невротизации имел тенденцию к замедле-
нию; более четко это прослеживалось у животных, получавших внутриже-
лудочно CdClj. У затравленных на фоне невротизации животных масса тела
снижалась по отношению к исходному уровню. На 3—4-й неделе опыта в
двух последних группах отмечался падеж животных. При морфологическом
исследовании отмечены полнокровие сосудов внутренних органов, дистро-
фические изменения в печени, почках, точечные некрозы слизистой обо-
лочки желудка и кишечника. В органах и тканях выявлено накопление
кадмия (табл. 4.1). Как следует из данных табл. 4.1, за время подострой
затравки отмечено существенное накопление Cd в тканях эксперименталь-
ных животных.
146
блица 4.1. Содержание кадмия в тканях внутренних органов белых крыс при
п^ллстром введении хлорида кадмия в дозе 0,1 LDS0__________________
Группа животных Исследуемые органы, содержание Cd, мкг/г сырой ткани (М±т)
мозг печень ПОЧКИ кишечник
Интактные 0,11 ±0,02 0,78±0,03 1,93±0,07 0,43±0,03
Интоксикация Cd 0,46+0,04 5,36±0,12 13,6±0,35 2,64±0,11
Интоксикация + невротизация 0,59+0,08 8,26±0,25 10,7±0,34 1,58+0,14
Наиболее интенсивно возрастало содержание кадмия в почках, печени
и кишечнике, тогда как в тканях мозга оно было на порядок ниже. На фоне
предварительной невротизации уровень накопления Cd в тканях почек и
кишечнике существенно снижался (на 21,3 и 40,2 % соответственно), тогда
как в печени он возрастал на 54,1, а в головном мозге — на 28,3 %.
Поведенческие реакции у лабораторных животных при моделировании
невротических состояний и интоксикации Cd существенно изменялись. Так,
изучение двигательной активности у невротизированных крыс в процессе
выработки условного рефлекса одностороннего избегания показало, что уже
при первом обследовании уровень локомоций у них снижался по отноше-
нию к исходному на 60 %, вертикальный компонент реакции — на 20 %,
грумминг возрастал в 2,6 раза. При этом норковый рефлекс снижался на
67 %. На последующих этапах опыта оба показателя моторной активности
продолжали снижаться, составляя к концу эксперимента 28 и 31 % от
исходного соответственно. Количество болюсов соответствовало исходным
величинам, однако при проведении опыта появились такие эмоциональные
реакции, как повышенная возбудимость и повышение ориентировочной
реакции. При этом норковый рефлекс существенно повышался.
Невротизация вызвала нарушение соотношения горизонтального и вер-
тикального компонентов моторной реактивности животных: если до прове-
дения исследований оно составляло 5,2:1, то в конце опыта — 3,5:1. Затравка
Cd также приводила к изменениям поведенческих реакций у подопытных
животных. Горизонтальный компонент локомоций снижался при первом
обследовании на 36 %, вертикальный — на 26 %, а к концу эксперимента —
на 79 и 76 % соответственно. Число болюсов уменьшалось в 3,5 раза,
понижались также показатели норкового рефлекса.
Особенно активными оказались поведенческие реакции у крыс, затрав-
ленных Cd на фоне развившегося невроза. Горизонтальный компонент
реакции вырос при первом обследовании в 1,8 раза, вертикальный — в 2,6
раза, эмоциональная активность повысилась на 68 %, количество болюсов
Увеличилось в 3 раза, а норковый рефлекс — в 2,4 раза. При дальнейшем
родолжении опыта моторный компонент реакции резко угнетался, тогда
H£K эмоциональный и грумминг — оставались на достаточно высоком уров-
е. И только к концу эксперимента поведенческие реакции животных имели
енденцию к нормализации.
же при первом обследовании затравленных Cd животных экскреция
(таб° М?ч°й существенно возрастала, тогда как выведение ДОФА снижалось
бь л‘ 4-2). В последующие сроки исследования выведение НА, ДА и ДОФА
° относительно высоким, тогда как экскреция А падала.
147
Таблица 4.2. Показатели экскреции КА с мочой и содержания их в надпочечниках
у экспериментальных животных при введении Cd и невротизации
Группа животных Экспозиция, нед Содержание исследуемых КА в суточной моче, нг/л
А НА ДА ДОФА
Интактные До опыта 622,5124,4 465,6118,7 1967+125 15,4+?28~ 4 585,4131,5 399,1122,3 17481109 12,310^54 Невротизированные До опыта 546,45133,1 402,7+20,8 17941136 14,3±0 44 1 533,5122,4 17721125 14 71036 2 694,5126,5 426,9124,6 17321118 1.3,91037 3 766,8125,2 396,4121,8 17181126 13,11024 4 805,6131,5 379,9126,5 17051125 12 71031 712,5124,2 Интоксикация Cd До опыта 592,3143,4 428,8124,1 17891132 14,610,25 , 1 832,4138,1 573,2128,3 22311156 6,71014 " 2 686,5139,2 612,3138,5 23801146 10,41018 3 606,4129,5 698,5135,4 22651136 15,410,22 4 517,5124,7 711,3138,4 22941142 17,710,25 Cd + невротизвция До опыта 601,5136,2 417,4131,2 18051135 15,110,28 1 715,8129,4 556,3128,5 18421124 15,510^36 2 808,5127,4 594,6132,2 19751125 16,310,28 “ 876,4132,5 644,3135,9 21281132 14,210,34 4 761,0129,2 917,9154,2 15821144 12,610,18 Содержание КА в тканях надпочечников, мкг/г Интактные 524,2131,6 475,3+22,7 28641136 31,612,4 Невротизироввнные Cd 734,5138,2 428,3127,1 32161164 26,212,7 566,4141,8 872,5138,6 41631227 21,512,8 CD + невротизация 476,9138,4 992,5153,8 50281345 19,712,5 Данные литературы 407—865 232—575 2357—4800 15—73 (норма)
В группе животных, подвергшихся сочетанному действию химического
фактора на фоне невроза, снижение экскреции А было менее выраженным,
уровень НА и ДА в первый период возрастал при снижении экскреции
ДОФА. К концу эксперимента выведение ДОФА с мочой было на 19%,
А — на 30 % выше, чем в контроле, НА повышалось в 2,3 раза, тогда как
выведение ДА снижалось.
По окончании эксперимента определяли также содержание КА в тканях
надпочечников. Как видно из представленных в табл. 4.2 данных, у невро-
тизированных животных содержание А в тканях повышалось, а под влия-
нием Cd как на фоне невротизации, так и самостоятельно отмечено по-
вышение уровня НА по отношению к интактным животным и в сравнении
с данными литературы [63]. Таким образом, симпатоадреналовая система
чутко реагировала на невротизирующее и нейротоксическое воздействие в
модельных опытах на лабораторных животных, о чем свидетельствовало
изменение не только экскреции КА и их предшественников с мочой, но и
признаков гормонально-медиаторной диссоциации, относительной недоста-
точности резервов, а также их биосинтеза в надпочечных железах. Все это
свидетельствует о глубине происходящих сдвигов и биологической значи-
мости рассматриваемого механизма для данного вида патологии.
В современной токсикологии при оценке действия на нервную ткань
148
личных химических веществ все большее внимание уделяется состоянию
РайооМедиаторных систем и протеканию синаптических процессов как ран-
Н м чувствительным и информативным критериям повреждающего дейст-
НИЯ токсикантов [24]. Особенно информативным может стать изучение
Вейпотоксичности химических веществ при их действии на параметры функ-
ционально-противоположных нейромедиаторных систем, таких как ГА.МК-
огическая и система возбуждающих аминокислот [14].
еР Главная физиологическая функция возбуждающих аминокислот глута-
ята и аспартата состоит в передаче быстрого возбуждающего сигнала от
одного нейрона к другому [44]. Избыточный же выброс глутамата или
аспартата ведет к усиленному притоку Са в нервные клетки, что является
одним из универсальных механизмов повреждения нервной ткани при ин-
токсикациях и других неблагоприятных воздействиях [27].
Наоборот, ГАМКергическая система — это основная тормозная система
мозга. Она играет ведущую роль в ограничении повреждающего действия
процесса перевозбуждения при неблагоприятных воздействиях [36, 129].
ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) выполняет две основные функции
в нервной системе: с одной стороны, она является основным медиатором
торможения, с другой — одним из промежуточных субстратов ГАМК-шунта,
участвующим в компенсации метаболических расстройств в головном мозге.
В ткани мозга ее концентрация довольно высока (2—10 мкмоль/г), причем
60—80 % ГАМК локализовано в цитозоле клеток, а остальная находится в
связанном состоянии в синаптосомах [54]. Кроме того, сами ГАМКергичес-
кие клетки мозга обладают высокой электрической активностью и поэтому
легко повреждаются [26]. Процесс поглощения (14-С)-ГАМК срезами коры
головного мозга крыс при различных экспериментальных условиях был
изучен нами ранее [13]. В развитие этого вопроса в данном разделе иссле-
дования было изучено на переживающих срезах коры головного мозга крыс
в различных экспериментальных условиях поглощения (14-С)-аспартата и
произведено сравнение влияния Cd на системы активного поглощения
(14-С)-ГАМК и (14-С)-аспартата в экспериментах in vitro и in vivo.
Исследования выполнены на белых крысах-самцах линии Вистар массой
120—170 г. Всего использовано 60 животных. В первой серии опытов иссле-
довали зависимость интенсивности поглощения (Й-С)-аспартата от времени
инкубации. Поглощение нарастало на 2—3-й и 8—10-й минутах. На 4—5-й
и 13—15-й минутах отмечалось снижение поглощения, а затем вновь про-
исходит его возрастание к 20-й минуте. Можно предположить, что процесс
поглощения сопровождается метаболизацией аспартата и периодическим
выходом меченых продуктов из клетки. Известно [71], что одной из важных
характеристик синаптического оборота нейромедиаторов является их погло-
щение (обратный захват) пресинаптической терминалью и околосинапти-
ческой глией. В ходе этого процесса выделившийся передатчик удаляется
из синаптической щели.
Во второй серии опытов исследовали зависимость интенсивности погло-
NgNM5Lаспартата от температуры инкубационного раствора и наличия ионов
Поглощение плавно возрастает от 0 до 25 °C, затем выходит на плато
4(р^ке немного снижается при 40 °C. Вероятно, при температурах порядка
Ри система находится в наиболее стабильном состоянии. В этих экспе-
ста1еНТах ВЬ1Явлен Ка+-независимый компонент поглощения, который со-
пл примерно половину от Na+-3aBHCHMoro.
ГАМкПее были проведены опыты по изучению влияния Cd на поглощение
К- Они свидетельствуют о том, что хлорид кадмия усиливает поглоще-
149
ние ГАМК в двух диапазонах концентраций. В области сверхнизких кон-
центраций наблюдалось два пика стимуляции поглощения кадмия — Пр'
10“13 и Ю-10 М. При концентрациях от 10~9 до 10~5 М изменений погло-
щения не наблюдалось. В области высоких концентраций также обнаружено
два пика стимуляции поглощения ГАМК при концентрациях кадмия Ю~3
и Ю-1 М. Кроме этого, при концентрациях 10-11 и 10~4 М отмечена
тенденция к снижению поглощения, однако эти данные статистически
недостоверны.
Хлорид кадмия, как и в случае с ГАМК, также существенно влиял на
поглощение (14-С)-аспартата. В диапазоне сверхнизких концентраций эф-
фект Cd наблюдался при 10-15, 10-14, 10-11, 10~9 М. В диапазоне концент-
раций 10-8—10~4 достоверного влияния не обнаружено. В области высоких
концентраций стимуляция отмечена при 10-2 М.
При подострой затравке белых крыс Cd поглощение (14-С)-ГАМК и
(14-С)-аспартата существенно изменялось. После затравки крыс внутриже-
лудочно водным раствором CdCl2 в дозе ’/20 от LD50 (16,45 мг/кг) снижалось
поглощение ГАМК (на 24 %) и более значительно увеличивалось поглоще-
ние аспартата (на 76 %).
Проведенные эксперименты показали, что поглощение (14-С)-аспартата,
как и ранее изученное поглощение (14-С)-ГАМК, является активным, энер-
го-, температуре- и Na-зависимым процессом. В обоих случаях соотношение
ткань/среда составляло 4,3—4,6, что указывает на хорошую жизнеспособ-
ность срезов. Однако зависимость поглощения аспартата от времени не
подчиняется экспоненциальной зависимости в отличие от поглощения
ГАМК. Вероятно, это свидетельствует о более раннем и активном метабо-
лизме (14-С)-аспартата в срезах. Cd в этих условиях преимущественно
стимулирует поглощение этих нейромедиаторных аминокислот. В обоих
случаях зависимость концентрация — эффект носит нелинейный характер.
Транспорт ГАМК достоверно стимулируется при четырех концентрациях —
при 10~11, 10“9, 10~6, 10~2 М. Транспорт аспартата стимулируется также при
четырех концентрациях — при 10-13, IO-10, 10~5, 10-2 М (при 10-4 М от-
личия от контроля недостоверны).
Интересно отметить, что при концентрации кадмия 10~2 М синхронно
активируются транспортные системы обоих нейромедиаторных аминокис-
лот. Это свидетельствует, вероятно, о едином механизме влияния Cd при
указанной концентрации. Как показывают опубликованные данные, Cd в
миллимолярной концентрации уменьшает проводимость Na-каналов и вы-
зывает открывание Са-зависимых К-каналов за счет их прямой активации
и увеличения сродства к Са [13]. Эти эффекты ионов Cd должны приводить
к нарушению деполяризации нервных клеток, поддержанию их мембранного
потенциала, а следовательно, и Na-градиента, что создает улучшенные по
сравнению с нормальными условия для работы переносчика.
Что касается остальных пиков активации транспорта при нано-, пико-
и фемтомолярных концентрациях, то здесь отмечалась следующая законо-
мерность: транспортная система аспартата реагировала на Cd при концент-
рациях, на 1—2 порядка более низких, чем транспортная система ГАМК-
Кроме этого, в большинстве случаев поглощение аспартата стимулировалось
в 2—3 раза сильнее, чем поглощение ГАМК. Следовательно, в условиях 1П
vitro транспорт аспартата проявил себя процессом, более чувствительным к
Cd, чем транспорт ГАМК.
В отличие от опытов in vitro, где Cd вызывал однонаправленные изме-
нения транспорта обеих нейромедиаторных аминокислот, в условиях поД'
тпого эксперимента in vivo поглощение ГАМК снижалось, а поглощение
°сТР„тата стимулировалось. Такой результат представляется вполне законо-
аСонь1М- В экспериментах in vitro Cd подводили непосредственно к нервным
М еткам, выделенным из организма. При этом эффект токсиканта опреде-
лялся действием на молекулу переносчика либо на клеточные системы,
Лсуществляющие ее метаболический контроль. В этой ситуации однонаправ-
°енность эффекта, вероятнее всего, объясняется сходством молекулярной
структуры и метаболического контроля систем транспорта ГАМК и аспар-
тата [26]. .
В экспериментах in vivo действие Cd на системы транспорта опосредо-
вано реакцией целого организма, и разнонаправленность этого действия
объясняется, вероятно, различной физиологической функцией ГАМК и
аспартата как нейромедиаторов. В связи с тем что гиперфункция системы
возбуждающих аминокислот является одним из универсальных механизмов
повреждения нервной ткани при неблагоприятных воздействиях [129], уси-
ление обратного захвата аспартата можно рассматривать как стремление
защитных систем мозга уменьшить его синаптическую концентрацию и
ограничить повреждающее действие. Наоборот, торможение обратного за-
хвата ГАМК, вероятно, направлено на повышение ее внеклеточной кон-
центрации для усиления эффекта торможения, а значит — и защиты мозга
от повреждения.
Проведенные исследования позволяют прийти к заключению, что по-
глощение (14-С)-аспартата срезами коры головного мозга крыс является
активным энергозависимым процессом. Ионы Cd в условиях in vitro пре-
имущественно стимулируют транспорт как (14-С)-ГАМК, так и (14-С)-ас-
партата. Стимуляция транспорта нейромедиаторных аминокислот проявля-
ется при целом ряде концентраций Cd, включающем фемтомолярные. Сис-
тема поглощения аспартата более чувствительна к действию Cd, чем система
поглощения ГАМК.
In vivo в условиях подострой затравки Cd оказывает разнонаправленное
действие на изученные транспортные системы. Он стимулирует поглощение
(14-С)-аспартата и ингибирует поглощение (14-С)-ГАМК.
В целом приведенные в настоящем разделе результаты эксперименталь-
ных исследований убедительно показывают, что Cd в дозах, равных 0,1 и
0,05 LD50, обладает выраженными нейротоксическими свойствами, что яв-
ляется новым элементом в исследовании механизмов токсического действия
этого важного с экологических позиций ксенобиотика. Данные об участии
симпатоадреналовых механизмов в реализации его нейротоксичности, так
же как и действие на нейромедиаторные аминокислоты, открывает новую
главу в нейрохимии и токсикологии тяжелых металлов и имеет общетеоре-
тическое значение.
В порядке продолжения работ в указанном направлении определенный
интерес представляют также результаты, полученные при исследовании ней-
ротоксичности 5«с(три-н-бутилолово)оксида (ТБТО), которое широко по-
льзуется в промышленности, а также является ведущим биоцидом при-
®няеМых в мировой практике судовых необрастающих красок [133]. Не-
НЯ°?РЯ на имеющуюся информацию о нейротоксичности ТБТО, его влияние
Функциональное состояние ГАМКергической системы мозга, специфич-
°^Ть обнаруживаемых нейротоксических эффектов до сего времени не
Учены. Между тем положительное решение этого принципиального во-
роса позволит по-новому представить патогенез интоксикаций не только
гИиНЫм’ Но и Другими нейротоксикантами со сходным механизмом биоло-
еского действия на ЦНС человека и животных.
151
В процессе проведения исследований было обращено внимание на оп
ределен ное несоответствие между параметрами общей токсичности ТБТО
с одной стороны, и его биологическими эффектами в опытах in vitro в
сверхнизких (пико- и наномолярных) концентрациях — с другой. Известно
[1], что такого рода эффекты нередко отражают наличие у исследуемых
веществ избирательной токсичности, причем реакции наиболее поражаемой
функциональной системы, органов-мишеней либо показателей метаболизма
проявляются часто при действующих дозах и концентрациях, которые на
2—3 порядка ниже необходимых для проявления других признаков инток-
сикации. Именно это обстоятельство позволяет постулировать наличие у
ТБТО избирательной нейротоксичности. Такое положение априорно бази-
руется на известных данных литературы о более выраженном по сравнению
с неорганическими представителями центральном нейротоксическом дейст-
вии у металлорганических соединений. Так, открытие нейротоксичности у
метилртути и ее детальное изучение в связи с массовым поражением насе-
ления (болезнь минамату) содействовали выделению нейротоксикологии в
самостоятельную и интенсивно развивающуюся научную дисциплину [62
125]. Это же можно подтвердить данными о нейротоксичности метил- и
этилпроизводных свинца [137], органических соединений марганца [104] и
ряда оловоорганических соединений [3].
Проведенные исследования позволили выявить в опытах in vivo истоще-
ние синаптического пула ГАМК, усиление ее выброса и нарушение погло-
щения, изменение активности ферментов ее метаболизма — глутаматдекар-
боксилазы (ГДК, КФ 4.1.1.15) и ГАМК-трансаминазы (ГАМК-Т). Повыше-
ние уровня суммарного глутамата и ГАМК в гомогенате мозга при острой
интоксикации ТБТО (доза 3 мг/кг), вероятно, связано с ограничениями,
накладываемыми на процессы их метаболизма угнетением трикарбонового
цикла, одного из типичных для специфического действия ТБТО проявлений
нарушения энергетического обмена в клетке. В то же время наблюдается
дозозависимое истощение синаптического пула глутамата и ГАМК с макси-
мумом эффекта через 4—24 ч после воздействия токсикантом. Активация
ГР и Г-6-ФДГ при слабовыраженной активации ПОЛ может быть связана
с накоплением и усилением метаболизма в тканях восстановленных НАДН*
и НАДФН+, ибо для тяжелых металлов характерно повышение соотношений
НАДН/НАД и НАДФН/НАДФ.
Более четко зависимости типа концентрация — эффект прослежены в
опытах in vitro, в которых однотипные эффекты отмечаются при дозах и
концентрациях на 3—4 порядка ниже, чем в опытах in vivo [97]. Из пред-
ставленных в табл. 4.3 данных видно, что в поглощении (14-С)-ГАМК
определяется два максимума при концентрациях ТБТО 10—° и 10-4 М,
которые, вероятно, осуществляются по разным механизмам. Если при низ-
ких концентрациях ответ обусловлен изменением гидрофобной молекулой
ТБТО состояния клеточной мембраны и нарушением работы переносчика,
то при высоких концентрациях происходят преимущественно угнетение
энергопродукции за счет специфического блокирования тиоловых групп
ферментов энергетического обмена и снижение пула макроэргов. Стимуляция
высвобождения ГАМК наблюдается уже при концентрациях ТБТО Ю-1 М,
что свидетельствует о высокоспецифичном взаимодействии токсиканта с
системами, ответственными за К+-стимулируемое высвобождение ГАМК-
Включаясь в работу ГАМК шунта, ТБТО ингибирует максимальную и по-
вышает эндогенную активность ГДК с одновременной активацией ГАМК->
в концентрации 10-12 М.
152
Таблица 4.3. Влияние ТБТО на показатели ГАМКергической системы мозга крыс vitro
^Исследуемые пока- затвли Концентрации ТБТО (М±т)
конт- роль кг14 КГ12 ю-10 10*8 кг6 КГ4
"р^лощенив ГАМК, рмоль/ (мг мин) 17,8+ 16,4± 16,4± 11,4± 12,2± 17,7± 7,9±
±1,13 ±0,92 ±1,35 ±0,87* ±0,64* ±1,26 ±0,43*
Высвобождение 4,10± 5,00± 8,20± 4,90± 5,7± 4,00± 4,2±
ГАМК при К-стиму- лировании, % Высвобождение ±0,29 ±0,25 ±0,38* ±0,24 ±0,27* ±0,22 ±0,29
1,90± 2,30± 2,10± 1,66± 2,60± 2,70± 4,50+
ГАМК спонтанное, ±0,094 ±0,19 ±0,15 ±0,11 ±0,17 ±0,18 ±0,26
% Избирательное 269± 265± 232± 182± 271± 173± 180±
связывание, ±14,5 ±11,7 ±9,83 ±7,65* ±12,6 ±9,41* ±7,82*
нмоль/мг белка ГДК-эндогенный, 0,079± 0,082± 0,147± 0,072± 0,151± 0,088± 0,119±
мкмоль/(гмин) ±0,0041 ±0,0058 ±0,0083 ±0,0029 ±0,0084* ±0,0037 ±0,0085*
ГДКтах, мкмоль/ 0,57± 0,49± 0,51± 0,47± 0,39± 0,46± 0,41±
(г-мин) ±0,019 ±0,022 ±0,028 ±0,023* ±0,031* ±0,025* ±0,017*
ГАМК-Т, мкмоль/ 0,168± 0,217± 0,245± 0,164 ± 0,230± 0,173± 0,219±
(гмин) ±0,011 ±0,017 ±0,015* ±0,012 ±0,014* ±0,018 ±0,015*
ДК ВЖК, нмоль/г 21,3± 22,5± 24,7± 22,4± 23,6± 21,6± 21,3±
ткани ±1,26 ±1,39 ±1,05* ±1,44 ±1,08* ±1,42 ±1,69
МДА, нмоль/r тка- 250± 228± 246± 223± 245± 246± 248±
ИИ ±13,8 ±12,6 ±15,2 ±10,9* ±9,85 ±13,9 ±15,6
ГП, мкмоль/(г мин) 17,9± 16,4± 18,2± 16,9± 17,0± 17,9± 24,6±
±1,24 ±2,06 ±1,32 ±1,84 ±1,38 ±1,22 ±1,07*
р < 0,05.
Активация процессов ПОЛ в тканях мозга рассматривается нами как
неспецифический вторичный процесс, развитие которого может быть инду-
цировано переходом на резервный, недостаточно эффективный в условиях
кислородоемкого метаболизма тканей мозга путь микросомального окисле-
ния, связанный с гипоксией и накоплением жирных кислот вследствие
активации процессов липолиза. Как уже указывалось выше, подавление
активности цитохрома Р-450, дыхания и фосфорилирования в тканях мозга
не создает условий для нерегулируемых реакций свободнорадикального
окисления, а окисление свободных жирных кислот идет на уровне первой
фазы (образования диеновых конъюгатов). Поэтому, вероятно, процесс об-
разования конечного продукта МДА, как и активность ферментов антиок-
сидантной защиты, не приобрело генерализованных форм.
° целом проведенные исследования позволили систематизировать совре-
ниННЫе пРедставления о нейротоксических эффектах кадмия и оловоорга-
ческих соединений, дополнив представления о патогенезе нейротоксич-
кий™ тяжелых металлов такими важными механизмами, как адренергичес-
Ва при интоксикации кадмием и ГАМКергический при действии ТБТО.
ДоздНЬ!М аспектом проблемы является активность соединений в сверхмалых
ромХ’ Помня ° таком типичном для тяжелых металлов явлении, как мик-
еРКуриализм, микросатурнизм и др. Большинство соединений, активных
153
в. сверхмалых дозах, являются эндогенными регуляторами — гормонами и
регуляторными пептидами.
Полученные данные о функциональных изменениях в тканях мозга при
действии сверхнизких концентраций кадмия и ТБТО свидетельствуют об ис-
ключительно высокой чувствительности метаболических систем мозга к дей-
ствию этого класса токсикантов.
Клиническая значимость полученных данных определяется взаимосвя-
зью степени истощения синаптического пула глутамата и ГАМК, с одной
стороны, и развития кататонического синдрома — с другой. Острая инток-
сикация ТБТО сопровождается вестибулярными нарушениями, двигатель-
ными расстройствами, иногда судорогами [145]. В нашей лаборатории впе-
рвые выявлен кататонический синдром при экспериментальной интоксика-
ции ТБТО [130]. В нейрофизиологическом эксперименте установлены
поведенческие проявления кататонии, обнаружена гиперреактивность хвос-
татого ядра, сочетающаяся с развитием судорожных потенциалов в коре
мозга. Однако нарушение ГАМКергических механизмов мозга может и не
быть первичным в нейротоксических эффектах ТБТО, поскольку проявле-
ния кататонии могут быть связаны также с гиперактивностью адренергичес-
ких структур, что также имеет место при отравлении тяжелыми металлами.
Вероятно, следует постулировать наличие дисбаланса в функции различных
нейромедиаторных систем. Множественный характер механизмов нейроток-
сического действия ТБТО обусловлен мембранотропными эффектами всей
молекулы токсиканта, а также влиянием иона олова после его деалкилиро-
вания [105]. Эти аспекты биоактивности и, в частности, токсичности ТБТО
признаются Международным сообществом (ВОЗ, [145]) приоритетами в
перспективных научных исследованиях на ближайшее десятилетие. Они
представляют интерес применительно ко всем видам металлорганических
соединений, ибо патогенетические механизмы при долгосрочном контакте
человека и животных с этими ядами, особенно в сверхмалых концентрациях
(порядка нанограммов в 1 л), остаются дискутабельными.
4.5.2. Кардиотоксичность тиоловых ядов
Проблема кардиотоксичности тяжелых металлов сложна и недостаточно
разработана, хотя в литературе имеется большое число указаний на наличие
изменений сердечно-сосудистой системы (ССС) у лиц, экспонированных
тяжелыми металлами. Для ее успешного решения необходимо сочетание
эпидемиологических, клинико-физиологических и экспериментальных ис-
следований [59]. Детальный анализ данных литературы и материалов собст-
венных исследований позволил прийти к заключению о наибольшей изу-
ченности токсического воздействия на ССС именно тяжелых металлов, что
подтверждается глубиной рассмотрения сложных патогенетических механиз-
мов кардиотоксикозов, данных клинических наблюдений и их эксперимен-
тального подтверждения, что существенно облегчает изложение материалов
данного раздела.
Поражения химической этиологии сердца и сосудов возникают не изолиро-
ванно, а во взаимосвязи с другими функциональными нарушениями в организме,
что вызывает большие трудности в их диагностике и нозологической диффе'
ренциации.
В реализации кардиотоксических эффектов различают непосредственное
воздействие химических веществ на сердце и сосуды, а также опосредован-
ное (экстракардиальное). Е.А.Лужников [32] относит большинство наблю-
154
1
х при действии разнообразных химических веществ к категории вто-
даемых Так, при действии марганца, неорганической ртути, свинца возни-
РИЧт преимущественно гипертензивные, а этилмеркурхлорида и тетраэтил-
ка!?нца — гипотензивные реакции как проявления вегетососудистой дисто-
СВ и и дистрофии миокарда, развивающихся на фоне нейротоксических
Н<Ъ(Ьектов и нарушений клеточного метаболизма с превалированием призна-
ки тканевой гипоксии. Марганец и сурьма, например, влияют на баланс
К?ектролитов в миокарде, что может играть важную роль в нарушении
ократительной функции миокарда [65]. В зависимости от повреждающего
действия на миокард исследованные металлы расположились в следующем
порядке: кобальт > кадмий > свинец > никель > медь, тогда как по способ-
ности снижать содержание сульфгидрильных групп в миокарде — медь >
> свинец > никель > кадмий > кобальт.
В этом обобщающем исследовании авторы также попытались интеграль-
но оценить экстракардиальные пути реализации вредного воздействия хи-
мических веществ. Они рассматривают в качестве основных путей ЦНС —
при воздействии токсических веществ на поясную извилину, миндалевид-
ный комплекс; гиппокамп — основные нейрональные структуры лимбичес-
кой системы; гипоталамическую область — как высший центр регуляции
висцеральных функций, а также гипоталамо-гипофизарно-адренокортикаль-
ную систему, реализующую ответные реакции организма на действие стрес-
соров.
Свинецсодержащие соединения характеризуются выраженным вазокон-
стрикторным действием, преимущественно проявляющимся в мелких сосу-
дах и капиллярах.
При содержании в питьевой воде 50 мкг/л РЬ в хроническом экспери-
менте у крыс отмечено существенное увеличение АД, особенно скорость
возрастания артериального давления (dP/dtmax).
Одним из наиболее информативных показателей признано исследование
системного АД, т.е. его динамики при нагрузочных пробах с введением
животным вазопрессина на фоне проводимой хронической интоксикации
исследуемым веществом [64]. Данный нагрузочный тест оказался предпо-
чтительным перед пробой с введением питуитрина как более физиологич-
ный, учитывая роль вазопрессина в физиологической регуляции сосудистого
тонуса.
Под действием ацетата свинца в дозах 0,1 LD50 уже на 15-й секунде
опыта системное АД возрастало на 19,7 мм рт.ст. и не возвращалось к
исходному уровню через 3 мин, как это наблюдалось в контроле.
При морфологическом исследовании тканей миокарда отмечены гипер-
трофия левого желудочка как следствие повышенной гемодинамической
нагрузки, утолщение сосудов мышечно-эластичного типа преимущественно
за счет средней оболочки, достоверное повышение уровня холестерина в
рови, а у кроликов — атерогенные изменения в аорте и миокарде.
Сравнение результатов хронических и подострых опытов, выполненных
ЛоЦелью изучения кардиотоксического действия свинца, не только послужи-
основанием для вывода о достаточной информативности этих резуль-
НИ°В И возможности их использования для гигиенического нормирова-
занийН?бИ спосо^ствовало разработке соответствующих методических ука-
П *
с РЯДе исследований М.П.Чекунова и соавт. [73, 74] изучили кардиоток-
То Ские эффекты кадмия, кобальта, меди, никеля, свинца и сурьмы. Ав-
Установили, что в основе наблюдаемых функциональных нарушений
155
лежат биохимические сдвиги, в частности снижение уровня гликогена, уси
ление процессов гликолиза, рост концентрации пировиноградной кислоте
в миокарде, снижение активности ЛДГ, рост активности лизосомальных
гидролаз, фосфорилазы, кислой фосфатазы, нарушение обмена норадрена-
лина (НА) и адреналина (А) уже при однократном воздействии. В подострых
и хронических опытах у подопытных животных отмечено существенное
увеличение активности моноамин оксидазы (МАО), кислой рибонуклеазы и
фосфатазы, фосфорилазы и катепсинов.
Под действием сульфата кобальта (ингаляция 0,005 мг/м3) отмечены рост
ЧСС в спокойном состоянии и замедление его восстановления после дозиро-
ванной физической нагрузки, изменение зубцов Р и Т на ЭКГ. При хрони-
ческой интоксикации сурьмой выявлены изменение желудочкового комплекса
ЭКГ, рост вольтажа зубцов Р и Т, смещение интервала ST вверх от изолинии
обеднение миокарда НА и обогащение А. Авторы подразделяют исследованные
металлы по механизму патогенетического действия на миокард:
• не обладающие избирательной кардиотоксичностью и характеризую-
щиеся преимущественно тиоловым механизмом действия (свинец и
медь);
• отличающиеся выраженным кардиотоксическим действием по кате-
холаминовому механизму (кадмий и кобальт).
Подчеркивая компенсаторно-приспособительную основу наблюдаемых
сдвигов, М.П.Чекунова обращает внимание на их фазовый характер (1 —
развитие повреждения и формирований компенсаторно-приспособительных
реакций; 2 — снижение интенсивности проявляющихся морфофункцио-
нально-метаболических сдвигов; 3 — выраженные нарушения структуры и
функции сердца, обусловленные истощением адаптационных резервов).
Именно на последней стадии развиваются необратимые изменения в мио-
карде, которые лежат в основе сердечной недостаточности при хроническом
кардиотоксическом действии металлов.
Подобные результаты получены в экспериментальных исследованиях с
введением животным ртути, ее неорганических и органических соединений:
изменение ЧСС и АД, нарушение предсердно-желудочковой проводимости,
сердечного ритма, экстрасистолия, характерные изменения ЭКГ, биохими-
ческие и морфофункциональные сдвиги [8, 143].
С результатами эксперимента согласуются материалы некоторых клини-
ческих наблюдений. Так, показано достоверное повышение систолического
АД у контактирующих с кадмием рабочих по отношению к обследованным
контрольной группы [87]. Отмечена корреляция между уровнем загрязнения
окружающей среды кадмием в ряде префектур Японии, с одной стороны, и
заболеваниями гипертонией среди населения [134], содержанием кадмия в
воздухе городов США и обусловленной гипертонией и сердечными заболе-
ваниями, смертностью населения [106]. Установлена взаимосвязь между
высоким уровнем никеля в крови и инфарктами миокарда и ИБС у рабочих,
выплавлявших никель. Эти нарушения развивались на фоне коронарной
вазоконстрикции, хотя другие сердечно-сосудистые заболевания и смерт-
ность от них не отличались от таковых у других контингентов населения в
данном районе [47]. Характерным синдромом при интоксикациях кобальтом
является “кобальтовая миокардиопатия”, протекающая с развитием миокар-
диодистрофии вследствие метаболических и ишемических изменении,
также выраженной гипотонии [78]. Именно артериальная гипотония, бРа'
дикардия, нарушение внутрижелудочковой проводимости и миокардиодис~
трофия являются наиболее типичными сердечно-сосудистыми нарушения
156
егистрируемыми у лиц контактной группы при действии органических
*оединений ртути, что совпадает с результатами экспериментальных иссле-
дований [62].
Д Анализ данных, касающихся кардиотоксичности тяжелых металлов, по-
оляет на основе современных представлений о патофизиологических и
3 етаболических изменениях в функционировании сердечно-сосудистой сис-
темы и ее регуляции построить общую схему включения основных патоге-
нетических механизмов в этот процесс.
Первичная рецепция тяжелого металла в дыхательных путях при инга-
ляции либо в желудочно-кишечном тракте реализуется как адаптивная ре-
акция на стрессорное воздействие, которая является по своему характеру
адренергической [45]. Это предполагает коронароспазм, прогрессирующее
развитие гипоксии и ишемии миокарда как обязательные атрибуты нейро-
гуморальных и метаболических сдвигов, лежащих в основе структурно-
функциональных нарушений сердечной мышцы и системы кровообращения
в целом. Не случайно уже на первых этапах интоксикации организма кад-
мием, свинцом, органическими соединениями олова и мышьяка возрастают
концентрация катехоламинов (КА) в крови и уровень их биосинтеза в
надпочечниках [76, 77, 79]. КА способствуют включению двух взаимосвя-
занных между собой механизмов [37]. Первый проявляется ускоренным
вхождением в кардиомиоцит через медленный канал сарколеммы Са2+.
Транспорт Са2+ в клетку регулируется аденилатциклазой, активность кото-
рой при стрессе возрастает. Повышаются уровень цАМФ и содержание
активного кальмодулина (его комплекса с Са2+) — главного активатора фи-
зиологических функций и процессов энергообразования. Действие кальмо-
дулина через ферменты фосфорилирования (протеинкиназы) приводит к
мобилизации гликолиза, ингибированию синтеза гликогена, активации про-
цессов окислительного фосфорилирования за счет повышенного потребле-
ния О2 и расхода АТФ [5].
Второй механизм реализуется на уровне адренергических рецепторов
миокарда и кровеносных сосудов. Установлено [19], что КА в сердце ока-
зывают влияние на проницаемость клеточных мембран, находящихся в
напряжении под влиянием потенциала действия. В частности, под действи-
ем А и НА повышается мембранный потенциал и понижается частота
потенциала действия. Оба эти явления должны уменьшить выход К+, тогда
как ингибиторное действие КА приводит к его росту. Этот эффект опосре-
дован а-адренорецепторами, тогда как Р-рецепторы активируют аденилат-
циклазный механизм. Последний включается также рядом трансмиттеров, в
том числе дофамином. Можно полагать, что дофаминовые рецепторы также
участвуют в активации цАМФ, ибо вызываемое p-рецепторами повышение
ее внутриклеточного уровня невелико. В результате цАМФ активирует про-
теинкиназу, которая в свою очередь катализирует фосфорилирование мем-
ранного белка, регулирующего прохождение ионов через мембрану. Не
меньшее значение имеет при этом и изменение концентрации Са2+ у внут-
ренней поверхности клеточной мембраны. Таким образом, как можно легко
тметить при прослеживании путей клеточной и системной регуляции, оба
еханизма достаточно тесно связаны между собой.
^люстрацией к рассмотренным механизмам кардиотоксичности тяже-
дел Металлов в известной мере могут быть данные, характеризующие опре-
хикЯеМЫе У контак™рующих с Cd рабочих артериальную гипертензию, та-
Од^РДИю и изменения показателей ЭКГ (у 45 % обследованных) [11, 143].
ко в экспериментальных исследованиях таких изменений прослежено
157
% к контролю
аб аб аб аб аб аб аб аб аб аб аб а
12341 2341 234
% к контролю
cd N Cd+N Недели
Рис. 4.1. Динамика показателей ЭКГ при воздействии кадмия, невротизации и
сочетанного действия этих факторов в течение 4 нед.
Cd — кадмий; N — невротизация; Cd+N — сочетанное действие; а — зубец Т; б — расстояние
между зубцами Р н Т на ЭКГ; в — частота сердечных сокращений; г—расстояние меЖДУ
зубцами Р и Q на ЭКГ; д — расстояние между зубцами Q и Т на ЭКГ; е — зубец R на ЭКГ.
158
было. Именно этот аспект требовал проверки в наших эксперименталь-
“С исследованиях.
Н При введении хлорида кадмия белым крысам в течение 4 нед в дозе 0,05
п снижались вольтаж зубцов R и Т, рост отношения Р/Т на ЭКГ,
линение интервалов PQ и QT, тенденция к снижению ЧСС (на 28 %),
toiee четко прослеживаемая к концу опыта (рис. 4.1). Невротизация сопро-
ь ждалась четкими полярными (по отношению к животным, затравленным
Cd) сдвигами примерно той же степени выраженности. В частности, обра-
щали на себя внимание рост вольтажа зубца А на 50 % в первые недели
опыта, укорочение интервалов PQ и QT, повышение ЧСС, стабильное в
течение всего опыта на уровне 140—160 % по отношению к контролю.
Весьма сложная картина наблюдалась при сочетанном воздействии кад-
мия и невротизации: для нее было характерно в общем плане преобладание
показателей, идентичных по направленности с невротизированными живот-
ными, на первых двух неделях опыта. Это особенно четко прослеживалось,
например, при анализе значения ЧСС, вольтажа зубца R, интервала QT.
Введение Cd на фоне невротизации после краткого периода активации
симпатического звена вызывало существенное угнетение всех учитываемых
показателей при выраженном преобладании парасимпатических влияний
над симпатическими (резкий рост Р/Т). Это хорошо согласовывалось и с
данными оценки поведенческих реакций, и с характером динамики выве-
дения КА с мочой у подопытных животных, которые были проанализиро-
ваны при характеристике нейротоксических эффектов кадмия в предыдущем
разделе.
В обычных условиях для компенсирования вышеназванного комплекса
метаболических сдвигов должен срабатывать регуляторный механизм удале-
ния Са2+ из клетки, ингибирования аденилатциклазы и активации фосфо-
диэстераз, приводящих к инактивации цАМФ. Этого не происходит в усло-
виях продолжающегося процесса интоксикации (за счет кумуляции и по-
вторного поступления ионов металл ов-стрессоров), что ведет к дальнейшим
нарушениям ионного баланса (накопление в клетке Са2+ и Na+ при сни-
жении концентрации К+), окислительного фосфорилирования в митохонд-
риях кардиомиоцитов и функционального состояния биомембран. Послед-
нему способствуют липотропные эффекты КА (активация активности липаз,
фосфолипаз и процессов ПОЛ, рост уровня и проявлений детергентного
действия на липиды мембран лизофосфатидов и жирных кислот), а также
гипоксический по своей природе и направленности характер изменений
основных звеньев энергетического обмена (активация анаэробного глико-
лиза, снижение активности ферментов трикарбонового цикла и дыхательной
Цепи, переключение на использование липидов в качестве субстратов энер-
гообмена с активацией процессов свободнорадикального окисления в мио-
Такого рода неспецифические изменения безусловно доминируют в па-
нгенезе кардиотоксического действия тяжелых металлов. Тем не менее
льзя исключать участия в этих процессах и специфических механизмов,
без)еДеЛЯЮЩиХ их токсическое действие как тиоловых ядов. Среди них
Условно ведущими являются такие, как снижение активности ферментов
блокГетИческого обмена (ПВДГ, Г-6-ФДГ, а-КДГ, ИЦДГ, СДГ) вследствие
Ния ^Н-групп, нарушение активного транспорта ионов за счет сниже-
МеталНеРГеТИЧеск°г° потенНиала клетки и конкуренции ионов токсичных
бран Лов с эссенциальными (прежде всего Са2+), возможное прямое мем-
отоксическое действие на кардиомиоциты.
159
Сопоставление механизмов стрессорного (неспецифического) и избира-
тельного (специфического) действия тиоловых ядов на миокард показывает
что они в большинстве своем носят однонаправленный характер и могут
усиливать-взаимные эффекты. Это, например, может быть прослежено на
примере кардиотоксического действия кобальта [53]. Так, из 413 обследо-
ванных рабочих кобальтовых цехов в возрасте до 40 лет у 19 был установлен
диагноз кобальтовой миокардиопатии: тахикардия, снижение ударного ц
минутного объема крови, повышение удельного периферического сопротив-
ления и среднего гемодинамического давления при нормальном систоли-
ческом и диастолическом давлении. На ЭКГ отмечены депрессия сегмента
S—T, сглаженный, двухфазный и отрицательный зубец Т, коронароподоб-
ные изменения зубца 5, признаки гипертрофии левого желудочка. На поли-
кардиограмме — изменения в фазовой структуре сердечного цикла, сниже-
ние сократительной функции миокарда.
Механизм кардиотоксического действия кобальта связывают с наруше-
нием обмена биогенных аминов, метаболизма миокарда вследствие блоки-
рования SH-групп в системе пируватдегидрогеназы. В то же время отмечены
угнетение активности ЛДГ, СДГ, каталазы и цитохромоксидазы, нарушение
фосфорно-кальциевого обмена [23]. Все это позволяет констатировать, что
кардиотоксический синдром может быть одним из ведущих в клинической
картине отравления тяжелыми металлами.
Компенсаторно-приспособительный характер наблюдаемых изменений
проявляется в согласованной в плане общей концепции адаптационного
процесса взаимосвязанной смене преимущественно катаболической и ана-
болической фаз динамики клеточного метаболизма и его нейрогуморальной
регуляции [49].
Вопросы этиопатогенеза артериальной гипертензии у рабочих, контак-
тирующих со свинцом, а также значимости данного фактора в развитии
сердечно-сосудистой патологии у населения до сего времени остаются в
центре внимания исследователей. Это связано прежде всего с наличием
разноплановой статистики, нашедшей отражение в работах Selevan [132],
Cooper [88], Fanning [92], Neri и др. [116], Moller и Kristensen [114] и других
авторов, которая не позволила подтвердить наличие причинно-следственной
связи между этими показателями. Тем не менее доказанность кардиоток-
сичности тяжелых металлов в токсикологическом эксперименте, сложность
вычленения сопутствующих, зачастую разнонаправленно действующих фак-
торов в клинико-эпидемиологических исследованиях, высокая вариабель-
ность показателей индивидуальной чувствительности к тиоловым ядам тре-
буют продолжения исследований в указанном направлении, которое оста-
ется одним из актуальных в профилактической и клинической токсико-
логии.
4.5.3. Нефротоксичность тиоловых ядов
В симптоматике острых поражений ртутью, свинцом и особенно кадми-
ем важное место занимают поражения почек и мочевыводящих путей.
Н.И.Шиманко [80] считает, что с различными по выраженности и функци-
ональной значимости поражениями почек протекают до 70 % острых экзо-
генных отравлений. Среди 400 наблюдавшихся указанным автором больны_
у 50 человек выявлена острая почечная недостаточность, связанная с воз-
действием соединений ртути, у 5 — мышьяка, у 7 — других тяжелых метал
лов.
1КП
Лица с острой почечной недостаточностью токсической этиологии со-
вляют до 20 % среди больных, находящихся на лечении в почечных
СТа тоах. Из 11 000 больных, лечившихся в Центре по лечению отравлений
стцтута скорой помощи им. Н.В.Склифосовского, за 10 лет нефропатия
зличной степени тяжести была обнаружена у 67,9 %, тогда как острая
Р чечная недостаточность — у 8,5 % пострадавших. В то же время среди
П пиентов с отравлениями соединениями мышьяка и тяжелых металлов
ПеФР°патиЯ выявлена у 55 % и острая почечная недостаточность — у 32,4 %
больных. Эти данные позволяют сделать важный вывод о том, что токси-
ческие нефропатии при рассматриваемом виде отравлений встречаются не
пеже чем при других видах патологии химической этиологии. Кроме того,
они в 3,8 раза чаще осложняются острой почечной недостаточностью.
Острые отравления чаще всего приводят к развитию острой почечной
недостаточности или острой токсической нефропатии (ОТН), под которой
понимают возникновение внезапных нарушений функции почек по обеспечению
водно-электролитного баланса, кислотно-основного состояния, нормотонии,
эритропоэза и выведения продуктов азотистого обмена. Наряду с комплексом
функциональных нарушений имеет место развитие морфологических изменений
в паренхиме почек, чаще всего типа некронефроза.
Тяжелое клиническое течение и высокая летальность при такого рода
осложениях острых отравлений связаны с рядом причин: сочетанным нару-
шением функций почек и печени, сопутствующим поражением ССС,
гемо- и лимфодинамики в паренхиматозных органах, одновременным
вовлечением в процесс других органов и систем, прежде всего ЦНС и
системы крови. Это положение еще раз подчеркивает условность выделе-
ния органных и системных синдромов в патогенезе отравлений тиоловы-
ми ядами, которое несет также специальную нагрузку, позволяя выделять
особенности в действии конкретных ядов в пределах одной группы токсич-
ных веществ.
Для 20 металлов и их солей (барий, бериллий, бор, висмут, вольфрам,
железо, золото, йод, кадмий, молибден, мышьяк, медь, ртуть, свинец, се-
ребро, сурьма, таллий, уран, хром) доказано наличие нефротоксических
эффектов. Их список можно было бы продолжить. При этом в ряде случаев
имеет место специфическое избирательное воздействие (ртуть, мышьяк,
кадмий). Эти вещества оказывают влияние непосредственно на почечную
ткань, что, с одной стороны, объясняется повышенной осмолярностью
почечной ткани и в связи с этим высокой концентрацией токсичного
вещества в почках. При отравлении сулемой, медным купоросом содержание
их в почках во много раз превосходит таковое в других органах. В течение
первых 48 ч после отравления с мочой экскретируется до 80—90 % ртутного
препарата. Именно прямым воздействием на эпителий почечных канальцев
° ъясняют некротическое действие выводимых почками тяжелых металлов.
Другой стороны, эти вещества воздействуют на метаболизм почечной
ни, вступая в соединение с тиоловыми группами ферментов. Этим
чтоСМ °НИ 8ызывают Деструкцию клеточных структур (митохондрий, ядер),
почк^еЖИТ В основе нарушения энергетического и других видов обмена в
ВиемДНаК° В клиническ°й практике ОТН нередко наблюдается под дейст-
случ Химических веществ, не обладающих такого рода тропизмом. В этих
Нал аях Развитие почечной недостаточности может быть связано с прере-
ными поражениями (шок, резкое снижение кровяного давления, умень-
161
шение объема циркулирующей крови, гемолиз и миолиз), а также аллерген
ними механизмами.
Для отравлений большими дозами тяжелых металлов и мышьяка харак
терно развитие токсического либо (менее вероятно) болевого шока. Имени"
этот синдром лежит в основе нарушений почечного кровообращения и
гемодинамики, которые вначале протекают с явлениями относительной (де.
локирование крови), а потом и абсолютной (нарушение проницаемости
сосудов) гиповолемии, что вместе с истощением нервной регуляции приво-
дит к падению артериального давления, кровотока в почках и нарушению
периферической циркуляции крови. Если общий объем циркулирующей
крови уменьшается в 2 раза, то его протекание через почки уменьшается в
30 раз. Это вызывает резкое снижение клубочковой фильтрации и раз-
витие канальцевой анурической нефропатии. Помимо гемодинамических
расстройств, при образовании шоковой почки важную роль играет повыше-
ние внутрипочечного давления в связи с замедлением и стазом крови, а
также повышением проницаемости сосудов медуллярной и юкстамедулляр-
ной зон. Гипоксия почек возникает не только как результат гипотензии
свойственной торпидной фазе шока, но и вследствие рефлекторного спазма
почечных сосудов, ведущего к дистрофическим и некробиотическим изме-
нениям в почечных канальцах.
Е.М.Тареев [55], указывая на резкое снижение почечной микроциркуля-
ции в результате длительного спазма преартериол и артериовенозного шун-
тирования при затяжном шоке (шоковый статус), считал, что “организм
приносит при этом в жертву в первую очередь почки для сохранения
центральной церебрально-коронарной гемодинамики”. Наличие определен-
ного “ранжирования” при критическом состоянии физиологических функ-
ций неоднократно рассматривалось позже и другими авторами. Об этом
свидетельствует и наличие рефлекторного спазма артерий коры почек, рас-
крытие артериовенозных анастомозов, позволяющее осуществлять сброс ос-
новной массы крови по юкстамедуллярному пути (шунт Труэта). Механи-
ческая блокада канальцев сочетается с их закупоркой слущивающимся эпи-
телием и пигментными цилиндрами вследствие отека интерстиция в усло-
виях ацидоза, гиповолемии, дегидратации и гипоксии.
Таким образом, в патогенезе ОТН преобладают полиэтиологические
механизмы, включающие локальные почечные и системные элементы. В со-
вокупности они формируют и клиническую картину, и синдромы острых
интоксикаций тиоловыми ядами, в том числе и токсической нефропатии.
Острая почечная недостаточность как тяжелая степень нефропатии всег-
да развивается на фоне уже выраженной клинической картины отравления.
Независимо от этиологического фактора в ее клинической картине разли-
чают четыре стадии:
I — начальная шоковая, или фаза агрессии, с преобладанием нервно-
рефлекторных явлений;
II — олигоанурическая стадия;
III — стадия полиурии или восстановления диуреза;
IV — выздоровление.
Шоковая стадия проявляется остро ознобом, гиперемией лица, сменяю-
щейся цианозом, повышением температуры тела, болью в пояснице, за
грудиной, кашлем, поверхностным дыханием, тошнотой, рвотой и С°ПР°"
вождается вазоконстрикцией с блокадой почечного кровообращения. Хар
ктерным симптомом являются снижение диуреза, протеинурия, гематури
(лейкоциты и эритроциты в моче). Состояние больного зависит не о
162
ени уремической интоксикации, а от вида токсиканта, дозы, степени
поражения других органов.
П° Стадия II развивается чаще через 1—2 сут после отравления и характе-
ся резким падением функциональной активности почек. Суточное
Р ичество мочи снижается до 50—100 мл. Это постоянный и доминирую-
щий признак острой почечной недостаточности. Стадия может длиться от
Ш скольких часов до нескольких недель. Нарушение азотистого, водно-
неектролитного обмена, кислотно-основного баланса сочетается с синдро-
Эами поражения ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, гемо-
поэза Классическое течение уремии в настоящее время при активной те-
рапии наблюдается исключительно редко.
р Первичные признаки поражения ЦНС сводятся к астении, головной
боли, редко судорогам и сухожильным подергиваниям. Больные сонливы,
заторможены, при гипогидратации возможны беспокойство, нарушения
психики.
Сердечно-сосудистые осложнения наблюдались у 49 % больных [80].
Возрастание минутного объема сердца, венозная гипертония могут расце-
ниваться как признаки правожелудочковой недостаточности. Но наиболее
опасен синдром по типу легочного сердца, сходный также с эмболией
легочной артерии в олигоанурической фазе ОТН, возникшей в результате
отравления.
Особую опасность в этом периоде острой почечной недостаточности
представляют инфекционные осложнения, причем пневмонии и трахео-
бронхиты дают до 40 % летальных исходов. Они осложняются развитием
отека легких, который может возникать самостоятельно уже в первые дни
после отравления. Бедность клинических признаков может компенсировать-
ся рентгенологической картиной. В основе такого контраста лежит быстрое
изменение осмотического градиента в тех отделах легких, которые обеспе-
чивают выделительную функцию слизисто-белковых желез бронхиального
дерева. Выпота в альвеолы не происходит, что не создает предпосылок для
возникновения хрипов.
Период олигурии при ОТН сопровождается гипохромной анемией, ко-
торая обусловливается не только внутрисосудистым гемолизом, но и сис-
темными нарушениями гемопоэза в результате специфического поражения
костного мозга, а также действия продуктов азотистого обмена. Развитию
геморрагий способствуют токсический гепатит и уремический гастроэнте-
рит.
Накопление продуктов метаболизма, в частности белкового катаболизма,
лежит в основе гипертермии. Рост содержания мочевины в среднем на
> ~0,7 г/л в сутки при этом чрезвычайно показателен и информативен,
ем не менее при поражении печени степень накопления мочевины может
Ыть и небольшой.
ее б^адерЖка ВОДЫ в организме обусловлена блокадой почечной функции, а
гид ЭЛанс опРеДеляется соотношением дегидратации (рвота, понос) и гипер-
"Дратации (задержка натрия, клеточный и тканевый катаболизм, введение
идкостей с терапевтической целью).
и КалСЛИ Почки единодушно признаются критическим органом при ртутных
ленн МИеВЫХ отРавлениях, то большая часть также преимущественно накоп-
зован Г° В почках неорганического свинца находится в пузырьковых обра-
Функп ЯХ’ КОТоРые выполняют по отношению к этому токсиканту защитную
Чию. Острое ртутное отравление характеризуется триадой симптомов:
«•
163
олигурия, тубулярный некроз, острая сердечная недостаточность. Проявл
ния нефропатии при продолжающемся воздействии малых доз перевод6'
патологию в вяло текущий интерстициальный нефрит с прогрессивно на
растающим фиброзом и гломерулярным склерозом. Протеинурия (низкомо-
лекулярные белки в моче) служит интегральным проявлением вяло текущего
патологического процесса, который при ртутной интоксикации связан с
явлениями нефроза, а при кадмиевой — нефрита. Из других признаков этого
плана следует указать на глюкозурию, аминоацидурию и гиперкальцийурию
Последнее особенно характерно также для свинцовых отравлений в связи с
мобилизацией Са2+ из тканевых депо.
Материалы клинических наблюдений согласуются с данными экспери-
ментальных исследований. Во-первых, в цитированной литературе имеется
множество указаний на преимущественное накопление Hg2+ в тканях почек
(для органических соединений статистика несколько отлична). Так, при
введении крысам повторно CdCl2 в дозах 2,7 и 200 мг/кг показано, что
кумуляция Cd в печени и почках зависит от времени воздействия [121].
Особенно существенное повышение концентраций иона Cd наблюдалось в
корковом слое почек (по сравнению с мозговым и почечной лоханкой)
независимо от вводимой дозы. Морфологические изменения отмечены так-
же в проксимальных и дистальных мочевых канальцах. Имеются веские
доказательства, что кадмий-металлотионеиновый комплекс в почечной тка-
ни обладает повреждающим действием [86, 121]. Дистрофические явления
в почечной ткани обусловлены в том числе и окислительным стрессом. Уста-
новлено образование Н2О2 инкубированными in vitro митохондриями коры
почек крыс в присутствии HgCl2 (12 нмоль/мг белка) до 0,34 нмоль/(мин-мг)
[ПО]. В присутствии 15 нмоль/мг HgCl2 образование МДА росло при ис-
пользовании в качестве субстрата смеси малата и глутамата (с 7 до 22 нмоль
за 30 мин на 1 мг белка). Полученные данные указывают на важную роль
накопления Н2О2 и стимуляции ПОЛ в нефротоксическом действии Hg2+.
Хроническое воздействие закиси кобальта на крыс (20 мг/кг) вызывало
некроз эпителия извитых канальцев, дегенеративные изменения эпителия
прямых канальцев и его жировую дистрофию [23].
Приведенные в настоящем разделе данные показывают, что нефротичес-
кий синдром занимает важное место в патогенезе острых и хронических
отравлений тяжелыми металлами. Это определяется преимущественной ма-
териальной кумуляцией указанных токсикантов в эпителиальных клетках
мочевыделительной системы, наличием вторичных эффектов со стороны
почек типа мочекаменной болезни в связи с нарушением электролитного
баланса в организме, ухудшением условий для реабсорбции белка в парен-
химе почек и почечных канальцах, где отмечаются дистрофические морфо-
функциональные сдвиги, а также сопутствующие изменения в печени.
Активный клинико-лабораторный скрининг почек и всей мочевыделительнои
системы при подозрении на отравление тяжелыми металлами является обя-
зательным.
Как правило, его симптоматика и клиническое течение взаимосвязаны
и во многом определяются функциональным состоянием и степенью нарУ'
шений, происходящих в сердечно-сосудистой, дыхательной системах, желУ
дочно-кишечном тракте и особенно в печени, что необходимо учитывать
при определении стратегии и тактики в осуществлении комплекса лечебны
мероприятий.
164
4 5 4. Гепатотоксичность тиоловых ядов
Нарушение морфофункциональной целости гепатобилиарно-панкреати-
ого комплекса является одним из интегральных патогенетических ме-
чеСцЗМов в токсическом действии тиоловых ядов. Это определяется их
хаНсобностью связывать сульфгидрильные группы белков, замещать Са+2 и
£,+2 в беЛКах, липидах и других биологически активных соединениях. Не
^Пучайно в большинстве руководств по клинической токсикологии не толь-
СЛ подчеркиваются пестрота синдромов и полиорганный характер пораже-
К°йй тяжелыми металлами и мышьяком, но и отводится должное место
печеночной недостаточности как постоянному симптомокомплексу уже в
ранний период развития интоксикаций [12, 32, 108, 109]. Иногда при остром
отравлении соединениями мышьяка и солями тяжелых металлов клиничес-
кая картина характеризуется преимущественно признаками поражения пе-
чени с типичными проявлениями токсического гепатита. Болезненность в
правом подреберье, набухание печени сочетаются с положительной прямой
реакцией на билирубин и появлением желчных пигментов в моче. В рвотных
массах наблюдаются примеси крови и желчи. При пероральном отравлении
препаратами ртути преобладают атрофические изменения паренхимы пече-
ни, а солями железа (например, сульфат двухвалентного железа) — некроз
печени и печеночная кома. Повышение общего азота и азота мочевины
манифестирует нарушение процессов синтеза белка в печени и нарушение
углеводного обмена: рост сахара, пирувата и лактата в крови. Происходит сдвиг
кислотно-основного состояния (метаболический ацидоз) и развивается водно-
электролитный дисбаланс. Нарушаются также дезинтоксикационная и экскре-
торная функции печени. Особенно тяжело, с крайне неблагоприятным ис-
ходом протекает сочетанная почечно-печеночная недостаточность.
Ионы тяжелых металлов проникают в гепатоциты путем эндоцитоза-эк-
зоцитоза и в меньшей степени в результате диффузии. Будучи преимущест-
венно связанными в кровяном циркуляторном русле с низкомолекулярными
транспортными белками (металлотионеины, трансферрин, ферритин, церу-
лоплазмин), тиоловые яды подвергаются одному из трех видов эндоцитоза:
пиноцитозу, адсорбции либо связыванию рецепторами. Затем эндоцитозные
пузырьки передают свое содержимое лизосомам и аппарату Гольджи, где
они метаболизируются и выделяются в желчь [16].
Углубленные исследования механизмов транспорта тяжелых металлов
через плазматическую мембрану гепатоцитов стали возможны на моделях с
изолированными клетками печени [139]. Стационарная концентрация ксе-
нобиотика в клетке печени определяется соотношением скорости протека-
ния таких процессов, как транспорт ксенобиотика через плазматическую
Мембрану из внеклеточной среды в клетку; метаболические превращения
вещества в клетке; его связывание с мембранными и внутриклеточными
компонентами; экскреция вещества из клетки. Такое многообразие породи-
° определенные трудности в экспериментальных исследованиях. И только
Рименение изолированных гепатоцитов позволило, в частности, обнару-
жь несколько систем переноса тяжелых металлов. Одна из них ингибиру-
теоЯ азидом’ Цианидом и олигомицином, зависит от температуры и харак-
сиРнИЗУеТСЯ насыШением. Другая специализированная система стимулируется
Этическими аналогами стероидных гормонов (дексаметазон), которые в
кагоЧИе °Т коРтизона и гидрокортизона в присутствии инсулина или глю-
от сНа осУЩествляют трансмембранный перенос цинка. Кадмий независимо
тов ОСТояния окислительного фосфорилирования в митохондриях гепатоци-
поглощается двухфазно: вначале (10—15 мин) идет быстрое, а потом
165
медленное поглощение. Именно во второй фазе происходит внутриклеточ
ное связывание кадмия металлотионеинами (предварительная индукци'
этих белков введением животным хлорида цинка приводила к усилению
аккумуляции кадмия в клетках печени), тогда как первая фаза определяется
диффузионными процессами [139].
Картина поражения печени конкретными металлами характеризуется
рядом особенностей. Так, при отравлении людей цинком и его соединения-
ми увеличивается печень, появляются сахар и уробилин в моче, развиваются
гипогликемия, гиперхолестеринемия, нарушаются практически все функции
печени и поджелудочной железы [28].
Кадмий вызывает угнетение ряда ферментных систем печени, нарушение
метаболизма эссенциальных микроэлементов. Для него характерны жировая
инфильтрация гепатоцитов, увеличение, жировая дегенерация печени и под-
желудочной железы. Независимо от формы введения, доз и сроков экспозиции
накопление Cd2+ в почках превосходит его содержание в печени, а проявления
нефротоксичности более значительные, чем гепатотоксичности [10].
Неорганические соединения ртути при острых интоксикациях преиму-
щественно вызывают атрофические изменения печени, тогда как для хро-
нических отравлений характерны дистрофия и очаги некроза в печени,
нарушение всех ее метаболических и антитоксической функций [60]. Орга-
нические соединения вызывают дегенеративные изменения в печени [62].
Поражения печени при свинцовых отравлениях протекают с нарушением
пигментной, углеводной, антитоксической, белковообразовательной и жи-
ровой функций. Отмечаются активности аспартат- и аланинаминотрансфе-
раз. Гипербилирубинемия при действии свинца имеет в своей основе нару-
шение активности трансаминаз микросом гепатоцитов, их дистрофические
изменения [102].
Марганец поражает гепатобилиарную систему, вызывает нарушения об-
мена Са, диспротеинемию, вакуольное перерождение гепатоцитов, наруше-
ния витаминного обмена (в первую очередь В]), нарушение практически
всех функций печени [35].
Указанные особенности в патогенезе отравлений различными тиоловыми
ядами следует учитывать при диагностике и лечении отравлений.
4.6. Общие принципы лечения отравлений
тиоловыми ядами
Клинические формы отравления, интеркуррентные заболевания у людей,
контактирующих на производстве и в быту с тяжелыми металлами, конта-
минация одежды, кожных покровов, рабочих мест и других элементов среды
обитания человека, установление факта носительства по результатам прове-
денных по любому поводу исследований — все это должно служить основа-
нием для экстренной врачебной консультации, клинико-лабораторного об-
следования и проведения курса детоксикации организма.
Под детоксикацией обычно понимают прекращение воздействия токси-
ческих веществ и их удаление из организма [12, 32, 34]. Большинство
методов искусственной детоксикации организма включает разведение, Диа;
лиз и сорбцию, которые наряду с антидотной терапией и мобилизацией
защитных систем организма охватывают практически все пути и способы
борьбы с тиоловыми ядами, вызываемыми ими нарушениями в организме,
а также с осложнениями и последствиями контакта с ядом и его пребыва-
нием в организме.
166
1
Исходя из этиопатогенетических особенностей тиоловых ядов, наличия
ительно доказанной избирательной токсичности, сочетающейся с об-
убеД ддЯ окислительного стресса, гипоксии механизмами повреждающего
Ш1“Мтвия, нет необходимости приводить имеющиеся в учебно-методической
^правочной литературе материалы по конкретным, частным лечебно-про-
1 Фактическим мероприятиям, а следует лишь указать на принципиальные
зииии в комплексной терапии отравлений, вытекающие из обобщенной
п тогеНетической концепции лечения отравлений мышьяком и тяжелыми
П таллами. Они могут быть приняты за основу таких мероприятий не только
выраженных клинических проявлениях острых и хронических отравле-
ний но и при установлении отдельных симптомов и симптомокомплексов
V лиц, имеющих производственный, бытовой или случайный контакт с
такого' рода ядами, а также зафиксированных лабораторно случаях носи-
тельства и его микропризнаках.
Ведущим элементом детоксикации организма служит антидотная тера-
пия, поэтому положительное применение унитиола оказывает лечебный
эффект и одновременно подтверждает клинический диагноз.
Перитонеальный диализ, гемодиализ, ультра- и гемофильтрация, гемо-
и энтеросорбция наиболее активны для удаления из организма низкомоле-
кулярных веществ, в том числе и тяжелых металлов. Они хорошо сочетаются
со способами разведения, снижения концентрации яда в биологических
жидкостях организма за счет использования инфузионных средств, плазмо-
замещающих препаратов и переливания крови.
Усиление естественных процессов очищения организма включает про-
мывание желудка, применение рвотных и слабительных средств, электро-
стимуляции кишечника вместе с водно-электролитной нагрузкой, осмоти-
ческим и салуретическим диурезом.
Применение препаратов, подавляющих нерегулируемые очаги возбужде-
ния в коре головного мозга и преобладающие симпатические либо парасим-
патические влияния; регулирующих ферментативные процессы; стимулиру-
ющих защитные метаболические системы, включая применение микроэле-
ментов-антагонистов, витаминов является обязательной составной частью
комплексной терапии отравлений.
Представленная схема добавляется и изменяется симптоматическими
средствами, соответствующими виду и степени изменения различных функ-
ций, выраженности проявлений конкретных симптомов, общему функцио-
нальному состоянию больного.
ЛИТЕРАТУРА
1- Альберт А. Избирательная токсичность. Физико-химические основы терапии:
Чер. с англ. В 2 томах. — М.: Медицина, 1989. — Т.1. — С. 56—69.
2
Ангеличи Р.Дж. Устойчивость координационных соединений. — В кн.: Неорга-
ническая биохимия. - М.: Мир, 1978. -Т. 1. — С. 89-132.
Архангельский В.И. Вопросы гигиены труда в промышленной токсикологии
роизводства и применения оловоорганических соединений: Автореф. канд.
Дне. - м„ 1976. - 19 с.
5абе«к0 Г.А. О взаимодействии микроэлементов в обмене веществ. — В кн.:
икроэлементы в медицине: Материалы 1-й Всесоюзн. научн. конф. — Ивано-
5 фРанковск, 1969.-С. 185-187.
Бужурина И.М., Панов М.А. Механизмы формирования клеточного ответа на
167
внешние воздействия. — В кн.: Общие проблемы физико-химической биолог,
(Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР). — М., 1986. — Вып. 3. — 258
6. Букингем Д.А. Структура и стереохимия координационных соединений. — В кн •
Неорганическая биохимия. — М.: Мир, 1978.—Т. 1. —С. 17—88.
7. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Худяков И.В. Воздействие химических агентов в
сверхмалых дозах на биологические объекты//Известия АН СССР. Серия био-
логическая. — 1990. — № 2. — С. 184—193.
8. Верин Г.С. Про кардютоксичну д!ю тюлових отрут//Ф1зюл. ж. АН УРСР _
1971. — № 1.- С. 107-109.
9. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических
мембранах. — М.: Наука, 1972. — 252 с.
10. Воробьева Р.С. Кадмий. — М.: МРПТХВ, 1985. — Вып. 69. — 58 с.
11. Воробьева Р.С., Еремеева Е.П. Состояние сердечно-сосудистой системы у рабо-
чих, контактирующих с кадмием//Гиг. и сан. — 1980. — № 10. — С. 22—25.
12. Ганжара П.С., Новиков А.А. Учебное пособие по клинической токсикологии. —
М.: Медицина, 1979. — 336 с.
13. Герасимяк Г.Р. Изучение нейротоксичности б«с(три-п-бутилолово)оксида как
основа его гигиенической регламентации: Автореф. канд. дис. — Одесса, 1993 —
17 с.
14. Герасимяк Г.Р., Розанов В.А., Шафран Л.М. Изучение влияния б«с(п-трибутило-
лова)-оксида на ГАМК-ергическую систему мозга in vitroZ/Укр. биохим. журн. —
Киев, 1994. - Т. 66. - № 2. - С. 71-79.
15. Гольдштейн Б.И. Тиоловые группы тканевых белков. Их химические свойства и
биологическое значение. — В кн.: Тиоловые соединения в медицине. Труды
научн. конф. —Киев, 16—19 декабря 1957 г. — Киев: Госмедизд. УССР, 1959. —
С. 49-52.
16. Гулак П.В., Дудченко А.М., Зайцев В.В. и др. Гепатоцит: функционально-метабо-
лические свойства. — М.: Наука, 1985. — 272 с.
17. Давлетов Э.Г О механизме гемолитического действия тяжелых металлов//Ци-
тология. — 1974. — Т. 16, № 5. — С. 648—651.
18. Давыдовский И.В. Общая патология человека. Патогенез. — М.: Медицина,
1969. - С. 30-37.
19. Дженкинсон Д.Х., Хейлетт Д. Дж., Коллер К. Влияние катехоламинов на ионную
проницаемость клеточных мембран. — В кн.: Рецепторы клеточных мембран для
лекарств и гормонов: междисциплинарный подход/Под ред. Р.У. Штрауба,
Л.Болис. — М.: Медицина, 1983. — 368 с.
20. Зигель X. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. Предисловие: Пер.
с англ./Под ред. Х.Зигеля, А.Зигель. — М.: Мир, 1993. — С. 7—9.
21. Ицкова А.И. Никель и его соединения. — М.: МРПТХВ, 1984. — 40 с.
22. Каган В.Е. Механизмы структурно-функциональной модификации биомембран
при перекисном окислении липидов: Автореф. докт. дис. — М.: 1981. — 48 с.
23. Каган В.Ю., Петухова Е.В. Кобальт. — М.: МРПТХВ, 1986. — Вып. 100. — 51 с'
24. Квитницкий-Рыжов Ю Н. Современные представления о нейротоксичности//
Фармакол. и токсикол. — 1990. — Т. 53, № 4. — С. 77—82.
25. Керимов Б.Ф., Алиев С.А. Глутатионовая защитная система в различных сТРУ^’
турах головного мозга при голодании//Укр. биохим. журн. — 1991. — Т. б-’’
№ 5. - С. 62-67.
168
26.
27.
28.
КрптисД-Р- Аминокислотные нейромедиаторы//Фармакол. и токсикол. — 1989. —
-р 52, № 6. — С. 4—18.
Козловский В.М. Эндогенные факторы нейродеструкции. Фармакологические
асПекты//Фармакол. и токсикол. — 1990. — Т. 53, № 5. — С. 7—13.
Коломийцева М.Г., Габович Р.Д. Микроэлементы в медицине. — М.: Медицина,
1970. — 288 с.
Кундиев Ю.И. Предисловие. — В кн.: Химические факторы производственной
™ среды и сердечно-сосудистая система/Под ред. И.М.Трахтенберга, Э.А.Бабаяна. —
Ереван: Айастан, 1992. — С. 3—6.
30 Ленинджер А. Основы биохимии. — М.: Мир, 1985. — Т. 2. — С. 498—500.
31 Добуренко А.П. Обоснование гигиенических регламентов, обеспечивающих без-
опасность применения судовых мышьяксодержащих необрастающих красок:
Автореф. дис. ... канд. мед. наук. — Киев, 1990. — 23 с.
32. Лужников Е.А. Клиническая токсикология. — М.: Медицина, 1999. — 368 с.
33. Лужников Е.А., Дагаев В.Н. Особенности лечения терминальных состояний при
острых отравлениях. — В кн.: Основы реаниматологии/Под ред. В.А.Неговско-
го. — М.: Медицина, 1966. — С. 329—349.
34. Лужников Е.А., Костомарова Л.Г. Острые отравления: Руководство для врачей. —
М.: Медицина, 2000. — 432 с.
35. Мартин Р. Бионеорганическая химия токсичных ионов металлов. — В кн.: Не-
которые вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с англ./Под ред. Х.Зигеля,
А.Зигель. — М.: Мир, 1993. — С. 25—61.
36. Меерсон Ф.З. Адаптация, стресс и профилактика. — М.: Наука, 1981. — 278 с.
37. Меерсон Ф.З. Патогенез и предупреждение стрессорных и ишемических повреж-
дений сердца. — М.: Медицина, 1984. — 272 с.
38. Мецлер Д. Биохимия. — М.: Мир, 1980. — Т. 1—2. — 582 с.
39. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология/
А.П.Авцын, А.А.Жаворонков, М.А.Риш, Л.С.Строчкова; АМН СССР. — М.: Ме-
дицина, 1991. - С. 361-385.
40. Милков Л.Е., Думкин В.Н. Профессиональные заболевания с преимущественным
поражением нервной системы: Руководство по профессиональным заболевани-
ям/Под ред. Н.Ф.Измерова. — М.: Медицина, 1983.— Т. 1. — С. 151—213.
41. Орлов С.Н. Кальмодулин. — В кн.: Итоги науки и техники. Серия: Общие
проблемы физико-химической биологии. — М., 1987. — Т. 8. — 78 с.
42. Пиотровски Е. Использование кинетики метаболизма и выведения токсичес-
ких веществ в решении проблем промышленной токсикологии. — М., 1976. —
43.
44.
45.
46.
Q0l^0e^u“ Мембранотоксины//Вестн. АМН СССР. — 1976. — № 9. —
Прихожан А. В. Нейроанатомия и нейрохимия возбуждающей аминокислотной
передачи. — В кн.: Итоги науки и техники. Серия: Физиология человека и
животных. - М., 1989. - Т. 36. - С. 6-24.
Розанов В.А., Шафран Л.М. Основные проявления и механизмы нейротоксич-
с°<=™ оловоорганических соединений//Нейрохимия. — 1991. — Т. 10, № 1—2. —
руководство по профессиональным заболеваниям/Под ред. Н.Ф.Измерова. —
Медицина, 1983. - Т. 1.- 320 с.
169
47. Сенкевич Н.А., Рашевская А.М. Профессиональные заболевания, обусловлены
воздействием некоторых металлов и их соединений: Руководство по профеСсЫе
ональным заболеваниям. — М.: Медицина, 1983. — Т. 1. — С. 296—310. и"
48. Сергеев П.В., Шимановский Н.Л. Рецепторы физиологически активных вешестп
М.: Медицина, 1987. — 400 с. '"
49. Соколов Е.И., Белова Е.В. Эмоции и патология сердца. — М.: Наука 19Яя
С. 98-100. ’
50. Соловьев В.Н. Кинетические процессы в биологической системе. — В кн.: Соло
вьев В.Н., Фирсов А.Л., Филов В.А Фармакокинетика. — М.: Медицина 19R0
С. 8-86.
51. Спозито Г. Распределение потенциально опасных следов металлов. — В кн
Некоторые вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с англ./Под ред. Х.Зи-
геля, А.Зигель. — М.: Мир, 1993. — С. 9—24.
52. Справочник по элементарной химии/А.Т.Пилипенко, В.Я.Починок, И.ПСеоепа
и др. - Киев, 1977. - С. 27. ’ Р
53. Суворов КМ. Кобальтовые миокардиопатии в клинике профессиональных забо-
леваний//Клин. мед. — 1978. — № 10. — С. 58—63.
54. Сытинский И.А. Гамма-аминомасляная кислота — медиатор торможения. — Л.:
Наука, 1977. — 139 с.
55. Тареев Е.М. Острая почечная недостаточность//Сов. мед. — 1973. — № Ю —
С. 39-46.
56. Ташмухамедов Б.А., Усманов П.Б. Нейротоксины в исследовании биологических
мембран. — М.: Высшая школа, 1991. — 112 с.
57. Тиунов Л.А. Биохимические механизмы токсичности. — В кн.: Голиков С.Н.,
Саноцкий И.В., Тиунов Л.А. Общие механизмы токсического действия/АМН
СССР. — Л.: Медицина, 1986. — С. 114—204.
58. Торчинский Ю.М. Сера в белках. — М.: Наука, 1977. — 303 с.
59. Трахтенберг И.М. Проблема сердечно-сосудистой патологии химического ге-
неза. — В кн.: Профилактическая токсикология. — М.: ЦМП, ГКНТ, 1984.—
С. 233-244.
60. Трахтенберг И.М. Хроническое воздействие ртути на организм. — Киев: Здоро-
в’я, 1969. - 392 с.
61. Трахтенберг И.М., Колесников В. С., Луковенко В.П. Тяжелые металлы во внеш-
ней среде: Современные гигиенические и токсикологические аспекты.—
Минск: Навука i тэхн1ка, 1994. — 285 с.
62. Трахтенберг И.М., Коршун М.Н. Органические соединения ртути. — М-
МРПТХВ, 1989. - Вып. 117. - 69 с.
63. Трахтенберг И.М., Сова Р.Е., Шефтель В. О. и др. Проблема нормы в токсико-
логии (современные представления и методические подходы, основные пара-
метры и константы). — М.: Медицина, 1991. — 208 с.
64. Трахтенберг И.М., Тычинин В.А., Верич Т.Е. Принципы и методы эксперимен-
тальной оценки влияния промышленных ядов на ССС//Гиг. труда. — Киев.
Здоровье, 1978. — Вып. 14. — С. 74—90.
65. Трахтенберг И.М., Тычинин В.А., Верич Т.Е. и др. Экспериментальные данные
о кардиовазотоксическом действии вредных химических веществ. — В 1<н”
Химические факторы производственной среды и сердечно-сосудистая систе-
ма/Под ред. И.М.Трахтенберга, Э.А.Бабаяна. — Ереван: Айастан, 1992. — С. 38"
170
66.
67.
68.
69.
Трошин А.С. Распределение веществ между клеткой и средой. — Л.: Наука, 1985. —
192 с.
Ускоренная оценка действия химических веществ на сердечно-сосудистую сис-
tpmv в эксперименте с целью гигиенического нормирования: Методические
указания. - № 4546-87. - М, 1988. - 16 с.
филов В.А. Токсикокинетика. — В кн.: Соловьев В.Н., Фирсов А.А., Филов В.А.
фармакокинетика. — М.: Медицина, 1980. — С. 315—396.
феимэн Г.К. Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами. Неоргани-
ческая биохимия. — М.: Мир, 1978. — Т. 1. — С. 151—204.
70 Фролова А.Д. Гигиеническое регламентирование металлов на основе механизмов
их повреждающего действия (к проблеме ускоренного и группового регламен-
тирования): Автореф. докт. дис. — Л., 1990. — 42 с.
71 Хухо Ф. Нейрохимия: Основы и принципы. — М.: Мир, 1990. — 384 с.
72 Хэммонд П.Б., Фолкс Э.К. Токсичность иона металла в организме человека и
животных. — В кн.: Некоторые вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с
англ./Под ред. Х.Зигеля, А.Зигель. — М.: Мир, 1993. — С. 131 — 165.
73. Чекунова М.П., Минкина Н.А., Суворов И.М., Чекоданова Н.В. Действие тяжелых
металлов на сердечную мышцу//Гиг. труда и профзабол. — 1983. — № 5. —
С. 22-25.
74. Чекунова М.П., Фролова А.Д., Минкина Н.А. О прогнозировании кардиотокси-
ческого действия металлов//Гиг. и сан. — 1986. — № 7. — С. 29—30.
75. Черкес А.И. Тиоловые соединения в антидотной терапии интоксикаций. — В кн.:
Тиоловые соединения в медицине: Труды научн. конф. Киев, 16—19 декабря
1957 г. - Киев: Госмедизд. УССР, 1959. - С. 101-110.
76. Шафран Л.М., Бормусова Э.А., Шафран К.Л. Экогигиена и токсикология кадмия
в урбанизированном комплексе. — В кн.: Экология городов и рекреационных
зон: Материалы международной научно-практической конференции. 25—26
июня 1998 г. Одесса. — Одесса: Агропринт, 1998. — С. 180—184.
77. Шафран Л.М., Нейжмакова Н.А., Розанов В.А. и др. Нормирование олово- и
медьсодержащих биоцидов необрастающих красок для воздуха рабочей зоны. —
В кн.: Актуальные проблемы медицины транспорта: Тез. докладов Украинской
межведомственной научн.-практ. конф. 22—24 сентября 1993 г., Одесса. — Одес-
са, 1993.-Т. II.-С. 405.
78. Шафран Л.М., Чумаченко Р.М., Юшина Е.Ф., Любимов Ю.Г. Исследование неко-
торых механизмов биологического действия мышьякорганических компонентов
синтетических необрастающих красок. — В кн.: Актуальные вопросы санитар-
ной химии и токсикологии синтетических материалов судостроительного назна-
чения. - Л.: ЦНИИ “Румб”, 1982. - С. 96-97.
79. Шафран Л.М., Шафран К.Л., Потапов Е.А. и др. Свинец в проблеме питьевой
воды и охраны здоровья населения. — В кн.: Вода и здоровье — 98: Материалы
Международной научн.-практ. конф. 15—18 сентября 1998 г., Одесса. — Одесса,
*998. - С. 56-60.
Щиманко ИИ. Поражение почек при острых экзогенных отравлениях. — М.:
Медицина, 1977. - 208 с.
82 Эйхгорн Г. Неорганическая биохимия. — М.: Мир, 1978. — Т. 1. — С. 7—11.
Biochemical and physiological disposition of glutathione conjugates//Drug.
Metab. Rev. - 1990. - Vol. 22, N 6-7. - P. 637-647.
N- Mechanisms of metal transport acres liver cell plasma membranes//Drug.
Metabol. Rev., 1992. - Vol. 23, N 1-2. - P. s3-132.
171
84. Biological monitoring of metals/C.-G. Elinder, L.Friberg, T.Kjellstrom et al.//WHO
Geneva: IPCS, 1994. — 78 p.
85. Burger J., Gochfeld M. Lead and Neurobehavioral Development in Gulls: a Model fo
Understanding Effects in the Laboratory and the Field//Neurotoxicology. — 1907 J
Vol. 18, N 2. - P. 495-506.
86. Cadmium. Environmental Health Criteria 134//WHO. — Geneva. — 1992. — 280 p
87. Carroll R.E. The relationship of cadmium in the air to cardiovasculare disease death
rates/J. Amer. Med. Assoc. — 1966. — Vol. 198, N 3. — P. 267—269.
88. Cooper W.C. Deaths from chronic renal disease in US battery and lead production
workers//Environ. Health Perspect. — 1988. — Vol. 78. — P. 61—63.
89. Cotgreave Lan A., Moldeus P.M., Braffsand R. et al. a-(Phenylseleneny)acetophenone
derivatives with glutathione peroxidase-like activity. A comparison with ebselen//Bio-
chem. Pharmacol. — 1992. — Vol. 43, N 4. — P. 793—802.
90. Duhr E.F., Pendergrass C, Kasarskis E., Slevin J., Haley B. Hg2+ induces GTP-tubulin
interactions in rat brain similar to those obsreved in Alzheimer’s disease//FASEB J —
1991.-N 5. - P. 456.
91. Falconer M.M., Valliant A., Reuhl K.R., Laferriere N. The molecular basis of micro-
tubule stability in neurons//Neurotoxicology. — 1994. — Vol. 74, N 1. — P. 109—122.
92. Fanning D. A mortality study of lead workers, 1926— 1985//Arch. Environ. Heath. —
1988. - Vol. 43. - P. 247-251.
93. Friberg L., Vahter M. Assesment of exposure to lead and cadmium through biological
monitoring: results of a UNEP/WHO global study//Environ. Res., 1983. — Vol. 30. —
P. 95-128.
94. Gabbiani G., Bale D., Delziel C. Toxicity of cadmium for the central nervous sys-
tem/Exp. Neurol. — 1967. — Vol. 18. — P. 154—160.
95. Goering P.L. Lead-protein interactions as basis for lead toxicity//Neurotoxicol. —
1993. - Vol. 14, N 1. - P. 45-60.
96. Green E„ Juns R.H., Bright J.E. Pyruvate measurement in rabbit tissues as a measure
of arsenic intoxication//Hum. and Exp. Toxicol. — 1991. — Vol. 10, N 1. — P. 81.
97. Harvey A.L. Possible developments in neurotoxicity testing in vitro//Xenobiotica. —
1988. - Vol. 18, N 6. - P. 625-632.
98. Heinz G.H., Haseltine S.D., Sileo L. Altered avoidance bihavior of black ducks fed
cadmium//Environ. Toxicol. Chem. — 1983. — N 2. — P. 419—421.
99. Hinkle H.M., Kinsella P.A., Osterhaudt KS. Cadmium uptake and toxicity via voltage-
sensitive calcium channels//!. Biol Chem. — 1987. — Vol. 252, N 34. — P. 1633—
1637.
100. Ikeda S.R., Schofield G.G. Tetrodotoxin-resistant sodium current of rat nodose neu-
rones: monovalent cation selectivity and divalent cation block//J. Physiol. — 1987. —
Vol. 389. - P. 255-270.
101. Imari K. Camaux. calciques des cellules musculaires lisses//J. Physiol. — 1986. — Vfl-
81, N 3. - P. 168-176.
102. Inorganic Lead. Environmental Health Criteria. — WHO. — Geneva. — 1995. — Vol-
165. — 300 p.
103. Inoue S., & Kawanishi S. ESR evidence for superoxide, hydroxyl radicals and singly
oxygen produced from hydrogen peroxide and nickel (II) complex of glycylglycyl'
histidine//Biochem. Biophys. Res. Communal. — 1989. — Vol. 159, N 2. — P- 443"
451.
177
„ „„ C L Lonnerdal В., Hurley L.S. Manganese//Biochem. Essent. Ultratrace. Elem. —
104- Jew York, London, 1984. - P. 89-132.
Klein S., Waggon H. Zinn und Organozinnver bindungen — unter besonderer Beruck-
105- von Biotransformations reactionen//Gesamt. Hyg. — 1983. — B. 29. — N 5. —
S. 246-249.
Leach C.A., Linden J.V., Hopfer S.M. et al. Nickel concentrations in serum of patients
1°°' with acute 'myocardial infarction or unstable angina pectoris//Clin. Chem.. — 1985. —
Vol. 31, N 4. - P. 556-560.
107 Lewis C.P.L., Demedts M., Nemery B. The role of thiol oxidation in cobalt (II) —
induced toxicity in hamster lung//Biochem. Pharmacol. — 1992. — Vol. 43, N 3. —
P. 519—525.
108 Locket S. Clinical Toxicology. The Clinical Diagnosis and Treatment of Poisoning. —
' London: Henry Kimpton. — 1957. — 772 p.
109 Ludewig R., Lohs K.H. Acute Fergiftungen. Ratgeber fur toxicologische Notfalle/Fur
die medicinische Praxis. — Jena, VEB Gustv Fischer. — Verlag, 1966. — 456 s.
110 Lund B.-O., Miller D.M., Woods J.S. Mercury-induced HjOj production and lipid
peroxidation in vitro in rat kidney mitochondria//Biochem. Pharmac. — 1991. — Vol. 42,
Suppl. - P. 181-187.
Ill, Magnani M., Stocchi V., Ninfali P. et al. Action of oxidized and reduced glutathione
on rabbit red blood cell hexokinase//Biochim. Et biophys. Acta. — 1980. — Vol. 615,
N 1. - P. 113-120.
112. Magos L., Berg G.G. Selenium/Clarkson T. W. et al. Biological monitoring of toxic
metals. — New York — London: Plenum Press, 1988. — P. 383—406.
113. Manca D., Ricard A.C., Trottier B., Chevalier G. In vitro and in vivo responses of rat
tissues to cadmium-induced lipid peroxidation//Bul. Environ. Contain, and Toxicol. —
1991. - Vol. 46, N 6. - P. 929-936.
114. Moller L., Kristensen T.S. Blood lead as a cardiovascular risk factor//Amer. J. Epi-
demiol. - 1992. - Vol. 136. - P. 1091-1100.
115. Nakagawa K. Decreased glutathione-S-transferase activity in mice livers by acute
treatment with lead, independent of alteration in glutathione content//Toxicol. Lett. —
1991. - Vol. 56, N 1-2. - P. 13-17.
H6. Neri L.C., Hevitt D., Orser B. Blood lead and bloode pressure analysis of cross-sectional
and longitudinal data from Canada//Environ. Health Persp. — 1988. — Vol. 78. —
P. 123-126.
117 383^' Environmental Health Criteria//WHO. - Geneva. - 1991. - Vol. 108,-
118. Nomiyama K. The chronic toxicity of cadmium: influence of environmental and other
variables. — Handbook of experimental pharmacology. — Berlin — Heidelberg — Sprin-
ger - Verlag. - 1986. - Vol. 80. - P. 101-133.
119. Nordberg G., Nordberg M. Biological monitoring of cadmium/Clarkson T.W. ed. — In.:
moiogicai monitoring of toxic metals. — New York — London: Plenum Press. —
1988.-p. 151-168.
120. Oberhauser A., Alvarez O., Lattore R. Activation by divalent cations of a Ca-acti-
pat67 K"channel muscle membrane//J. Gen. Physiol. — 1988. — Vol. 92, N 1.—
21
• &cu&a A., Hanafusa M., Imada M. et al. Accumulation of cadmium and morphological
anges of kidney observed by scanning electron microscope: [Pap.] Int. Congr. Anal.
Chiba, 25-31 Fug, 1991//Anal. Sci. - 1991. - Vol. 7, N 1. - P. 815-816.
173
122. Pendergrass J. C., Haley B.E., Vimy M.J. et al. Mercury Vapor Inhalation Inhib'
Binding of GTP to Tubulin in Rat Brain: Similarity to Molecular Lesion in Alzhein?tS
Diseased Brain//Neurotoxicol. — 1997. — Vol. 18, N 2. — P. 315—324. er
123. Petrauskiene L. Changes of agonistic beheviour in rainbow trout Oncorhynchus mvK
exposed to copper//Ekologija. — Vilnius. — 1995. — N 4. — P. 3—7. y ss
124. Petrauskiene L., Daniulyte G. Lethal and sublethal effects of haevy metals mixture n
rainbow trout//Ekologija. — Vilnius. — 1996. — N 1. — P. 7—12. n
125. Principles and methods of neurotoxicity associated with exposure to chemicals —
Environmental Health Criteria. — WHO. — Geneva. — 1986. — Vol. 60. — 180 p
126. Prognosis of pesticide combined action/Kagan Y.S., Leonenko O.B., Zminko Pg et
al.//ACES. - 1996. - Vol. 8, N 3-4. - P. 57-66. ’ '
127. Prohaska J.R., Ganther H.E. Selenium and glutathione peroxidase in developpine rat
brain//Neurochem. - 1976. - Vol. 27, N 16. - P. 1379-1387.
128. Rana S. KS.; Boora P.R. Antiperoxidative mechanisms offered by selenium against liver
injury caused by cadmium and mercury in rat//Bull. Environ. Contain. Toxicol —
1992. - Vol. 48, N 1. - P. 120-124.
129. Roberts E. 3-Aminobutyric acid (GABA): a major inhibitory transmitter in the verte-
brate nervous system//Sci. Essays. Biochem. Biol, and Chem. — Tokyo. — 1981 —
P. 227-233.
130. Rosanov V.A., Gerasimyak G.R., Lobasuk B.A. GABA-ergic mechanisma of bis(tri-n-
butyltin)-oxide (TBTO) neurotoxicity//Toxicol. Lett. — 1992. — Suppl. — P. 189.
131. Scortegagna M. and Hanbauer I. The Effect of Lead Exposure and Serum Deprivation
on Mesencephalic Primary Cultures//Neurotoxicol. — 1997. — Vol. 18, N 2. — P. 331—
340.
132. Selevan S.G., Landrigan P.J., Stem F.B., Jones J.H. Brief report: lead and hypertansion
in mortality study of lead smelter workers//Environ. Health Perspect. — 1988. —
Vol. 78. - P. 65-66.
133. Shafran L.M. Neurotoxicity problems in Marine Medicine. — In.: 2-nd International
Symposium on Maritime Health. June 2—6, 1993. — Antwerpen: Belgium. — Antwer-
pen. — 1993. — P. 12—18.
134. Shigematsu I., Minov/a M., Nagai M. et al. A retrospective mortality study on cad-
mium-exposea populations in Japan (supplement): mortalitiesby level of pollution in
Toyama Perfecture. — In.: Tne influence of nutritional factors on cadmium adminis-
tered to monkeys. — Tokyo: Japan Environment. Agency. — 1983. — P. 158—174.
135. Shimizu M., Morita S. Effects fasting on cadmium toxicity, glytathione metabolism,
and metallothionein synthesis in rats//Toxicol. and Appl. Pharmacol. — 1990. — Vol.
103, N 1. - P. 28-39.
136. Shivakumar B.R., Ravindranath V. Selective modulation of glutathione in mouse brain
regions and its effect on acrylamide-induced neurotoxicity//Biochem. Pharmacol. —
1992. - Vol. 43, N 2. - P. 263-269.
137. Siedman B.C., Olsen R.W., Verity M.A. Triethyllead inhibits 3-aminobutyric acid
binding to uptake sytes in synaptosimal membranes//J. Neurochem. — 1987. — Vol. 49,
N 2. - P. 415-420.
138. Simons T.J.B. Lead-calcium interactions in cellular lead toxicity//Neurotoxicology-"
1993. - Vol. 14, N 1. - P. 77-85.
139. Stacey N.H., Klaasen C.D. Cadmium uptake by isolated rat hepatocytes//Toxicol. And
Appl. Pharmacol. — 1980. — Vol. 55, N 4. — P. 448—455.
174
>4 0. Sunderman F. W.Jr. Lipid peroxidation as a mechanism of acute nickel toxicitv//Toxi-
col. Environ. Chem. — 1987. — N 15. — P. 59—69.
|4 1. Taylor W.R. Permeation of barium and cadmium through-slowly inactivating calcium
channels in cat sensory neurones//! Physiol. — 1988. — Vol. 407, N 2. — P. 433—452.
142. Testal B., Jenner P. Inhibitors of cytochrome P-450 and their mechanisms of ac-
tion//Drug Metabol. Rev. — 1981. — Vol. 12, N 1. — P. 1 — 117.
143. Thun M.J., Osorio A.M., Schober S. et al. Nephropathy in cadmium workers —
assesment of risk from airborne occupational cadmium exposure//Brit J Industr
Med. - 1989. - Vol. 46, N 6. - P. 689—697.
144. Tiffani-Castiglioni E, Sieira E.M., Wu J.-N., Rowles T.K. Lead toxicity in neuronal
and glial cells//Neurotoxicity. — 1993. — Vol. 14. — P. 513—536.
145. Tributyltin Compounds. Environmental Health Criteria. — WHO — Geneva — 1990 —
Vol. 116. - 273 p.
146. Viarengo A., Nicotera P. Possible role of Ca2+ in heavy metal cytotoxicity//Comnar
Btochem. and Physiol. — 1991. — Vol. 100, N 1—2. — P. 81—84,
Глава 5
БЛОКАТОРЫ ХОЛИНЭСТЕРАЗЫ
5.1. Механизм передачи нервного импульса
и роль в нем холинэстеразы
Вопросы, связанные с изучением холинэстеразы (ХЭ) и антихолинэсте-
разных веществ, в течение многих лет находятся в центре внимания специ-
алистов различного профиля (энзимологов, нейрохимиков, физиологов
фармакологов и токсикологов). Это обусловлено в первую очередь тем, что
ХЭ относится к числу ферментов, играющих центральную роль в обеспече-
нии специфической функциональной активности нервной системы, в част-
ности 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 антихолинэс-
теразные 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
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 холинопотенцирующие
вещества, способные ингибировать ХЭ не выше 110~6 М.
Большинство антихолинэстеразных соединений обладает выраженной
физиологической активностью, в связи с чем многие из них (эзерин, про-
зерин, фосфакол, армии, пиридостигмин и др.) нашли применение в тера-
певтической, хирургической, невропатологической, офтальмологической и
акушерской практике, в промышленности, а также в качестве высокоток-
сичных отравляющих нейропаралитических веществ (табун, зарин, зоман,
V-газы). В настоящее время фосфорорганические пестициды (ФОП) и про-
изводные карбаминовой кислоты составляют значительную часть ассорти-
мента препаратов, широко используемых в сельском и лесном хозяйстве,
животноводстве, в качестве активных инсектицидов и акарицидов.
Вопросы токсикологии и механизма действия антихолинэстеразных со
единений различных классов широко и всесторонне обобщены в ряде °
стоятельных монографий [7, 9, 13, 27, 31, 32, 62, 63, 70, 75, 80, 83]. Можн*
считать общепризнанным, что ведущим звеном в механизме действия эти
веществ на организм человека и теплокровных животных является наруш
176
каталитической функции фермента ХЭ во всех органах и структурах,
нИеюШИх холинергическую иннервацию, и прежде всего в нервной системе.
рМсвязи с этим ФОС и карбаматы справедливо относят к нервным или
синаптическим ядам.
Систематическое описание этого механизма в связи с изложенным выше
зможно только после рассмотрения основных положений теории хими-
В°ской медиации нервных импульсов и достижений в области строения
челинэстераз и холинорецепторов, имеющих важнейшее значение в меха-
низме токсического действия этих веществ.
" Открытие роли ацетилхолина (АХ) как медиатора нервных импульсов
принадлежит О .Леви (1921). В дальнейшем благодаря исследованиям отече-
ственных физиологов и фармакологов А.Ф.Самойлова (1925), А.В.Кибякова
(1964), А-Г.Гинецинского (1970) [2, 71 и др.], а также зарубежных авторов
[39 77, 85, 88 и др.] была доказана химическая природа передачи нервного
импульса в различных звеньях центральной и вегетативной нервной систе-
мы, а также с двигательных нервов на мышцы.
В настоящее время известно несколько веществ, которые могут рассмат-
риваться как медиаторы нервных импульсов: АХ, норадреналин, серотонин,
у-аминомасляная кислота, субстанция Р.
АХ является медиатором в ЦНС, при передаче импульсов с двигательных
нервов на мышцы, во всех ганглиях (как парасимпатических, так и симпа-
тических), при переходе возбуждения с постганглионарных симпатических
волокон, иннервирующих потовые железы.
Биохимические системы, воспринимающие эффекты, разделяют на ад-
рено- и холинореактивные. Белки, непосредственно воспринимающие эф-
фекты медиаторов, называют также холино- и адренорецепторами. Холино-
реактивные системы ганглиев и эффекторных клеток не являются идентич-
ными. Их разделяют на никотиночувствительные (Н-холинореактивные) и
мускариночувствительные (М-холинореактивные). Экспериментальными
исследованиями установлено, что Н-холинореактивные системы находятся
в ганглиях симпатической и парасимпатической нервной системы, мозговом
слое надпочечников, каротидных клубочках и поперечнополосатой муску-
латуре. М-холинореактивные системы расположены в гладкомышечных и
секреторных органах, а также в сердце.
Медиатор нервного возбуждения АХ синтезируется в нервных клетках
из холина и уксусной кислоты при участии фермента ХЭ и ацетилкоэнзи-
ма А. По последним данным, фермент в нервных клетках содержится не в
клеточных органеллах (митохондриях), а локализуется в цитоплазме преиму-
щественно в растворенном виде. ХЭ обладает высоким сродством к мем-
бранам, которое может играть важную роль в синтезе АХ. Медиатор накап-
ливается в окончаниях нервных волокон, где располагается в синаптических
пузырьках — везикулах. Каждый пузырек содержит около 10 000 молекул
передатчика.
С помощью электронной микроскопии удалось изучить основные струк-
туры синаптических образований в ЦНС и нервно-мышечных синапсах,
становлено, что нервное окончание отделено от синаптической щели пре-
инаптической мембраной. Ширина синаптической щели — 20—50 нм. За
ею расположена постсинаптическая мембрана. В синаптических образова-
ИЯу™стохимически обнаружены ферменты ХЭ, гидролизующей АХ.
си Может быть расположена как на пресинаптической, так и на пост-
иаптической мембране. Это внеклеточная ХЭ, играющая основную функ-
°нальную роль. В естественных условиях биологические мембраны поля-
177
ризованы. Величина мембранного потенциала — 50—90 мВ. Когда нервный
импульс, распространяясь вдоль аксона, достигает синаптического оконча-
ния и деполяризует его, в синапсе происходит быстрое и обратимое увели-
чение концентрации ионов кальция. Это приводит к перемещению и сли-
янию части пузырьков с пресинаптической мембраной и в конечном итоге
к процессу экзоцитоза — выбросу медиатора в синаптическую щель. На один
нервный импульс в нервном окончании из пузырьков через синаптическую
мембрану высвобождается синхронно примерно 150 квантов АХ. Молекулы
медиатора быстро достигают постсинаптической мембраны и взаимодейст-
вуют с холинорецептором (ХР), представляющим собой мембранный ком-
плекс белковой природы, прочно встроенный в липопротеидную структуру
мембраны.
В состав активного центра ХР входит отрицательно заряженный анион-
ный центр, который реагирует с катионной “головкой” АХ. Второй участок
активного центра — эстерофильный — взаимодействует с карбонильной
группой и кислородом эфирной связи молекулы АХ. Конформационные
изменения в специфических белках, возникающие под воздействием ни-
чтожных количеств медиатора, могут приводить к “открытию” или “закры-
тию” каналов к определенным ионам (натрия, калия, кальция, хлора), в
результате чего возникает деполяризация этой мембраны, которая регистри-
руется как потенциал концевой пластинки (ПКП). Все эти процессы осу-
ществляются в очень короткое время. Для изменения конформации ХР
требуются доли миллисекунды, а для транспорта ионов через мембрану —
нескольких миллисекунд. Столь быстрое прекращение этих процессов свя-
зано со скоростью ферментативного гидролиза АХ. Возможно, что в пре-
кращении действия АХ некоторая роль принадлежит его диффузии из си-
наптической щели и процессам десенситизации — снижению чувствитель-
н