Основы биохимической токсикологии

---

Основы биохимической токсикологии

1. Всасывание чужеродных соединений

2. Распределение токсикантов в организме

3. Метаболизм чужеродных соединений.

4. Выделение чужеродных соединений

Биохимическая токсикология – направление ТХ (токсикологии), которое изучает вопросы механизмов токсического действия веществ на организм: кинетику всасывания, распределения, выделения, механизмы метаболических реакций.

Данное направление базируется на понятиях «токсикокинетика» и «биотрансформация»

Токсикокинетика изучает качественные и количественные закономерности резорбции, распределения, накопление ксенобиотиков в организме и выделение продуктов их катаболизма.

Биотрансформация ксенобиотиков — процесс превращения токсичных веществ в организме, конечная цель которого сокращение времени воздействия ксенобиотиков.

1. Всасывание чужеродных соединений

С позиций токсикокинетики организм представляет собой сложную гетерогенную систему: кровь, ткани, внеклеточная жидкость, внутриклеточное содержимое, обладающими отличными друг от друга свойствами и разделенными биологическими барьерами. К числу барьеров относятся клеточные и внутриклеточные мембраны, гистогематические барьеры (например, гематоэнцефалический), покровные ткани (кожа, слизистые оболочки).

Кинетика веществ в организме – это, по сути, преодоление ими биологических барьеров и распределение между компонентами системы.

В ходе поступления, распределения, выведения вещества осуществляются процессы его перемешивания (конвекция), растворения в биосредах, диффузии, осмоса, фильтрации через биологические барьеры.

ВСАСЫВАНИЕ может происходить в ротовой полости, через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), легкие, кожу.

Всасывание в ротовой полости – происходит методом простой диффузии через слизистую оболочку. При этом лекарственные вещества сразу попадают в кровеносную систему. Они не подвергаются воздействию желудочно-кишечных пищеварительных соков, не поступают в печень. Всасывание из ротовой полости задерживает метаболизм и может продлить активность лекарственных веществ (поэтому некоторые лекарства рассасывают).

Всасывание через ЖКТ

Всасывание из желудка – идет путем простой диффузии неполярных молекул через слизистую. Всасывание является функцией растворимости соединения в липидах и прямо пропорционально концентрации раствора в желудке.

Всасывание из тонкого кишечника – эпителий кишечника легко пропускает недиссоциированные молекулы путем простой диффузии. Высокоионизированные молекулы всасываются медленно. Изменение рН среды меняет степень ионизации, соответственно, степень всасывания.

Всасывание из толстого кишечника – слабые кислоты и основания всасываются легко, а высокоионизированные молекулы очень медленно.

Факторы, влияющие на всасывание чужеродных соединений из ЖКТ:

· Продвижение пищи – ускоренное опорожнение желудка уменьшает всасывание в желудке, но увеличивает всасывание из кишечника.

· Скорость кровотока во внутренних органах – усиление кровотока, связанное с пищеварением и всасыванием пищи, увеличивает скорость всасывания чужеродных веществ.

· Желудочно-кишечная секреция – может привести к изменению рН степени ионизации молекул лекарства и их всасывания. Слизь также влияет на всасывание. Ферменты (эстераза и амилаза) могу вызвать гидролиз эфиров и амидов.

· Присутствие других веществ – некоторые катионы металлов (например, Са²⁺, Fe²⁺) могут образовать нерастворимые хелатные комплексы и уменьшить всасываемость.

· Размер частиц чужеродных веществ – влияет на степень растворения, следовательно, всасываемость.

Всасывание через кожу – липидорастворимые вещества проникают быстро, а ионизированные и нерастворимые в липидах очень медленно.

Всасывание из легких – липидорастворимые газы и пары всасываются легко (анестезирующие газы, ингаляционные пары).

2. Распределение токсикантов в организме

Транспорт веществ через биологические мембраны осуществляется 4 путями.

Простая диффузия – пассивный транспорт через мембраны в направлении градиента концентрации.

Фильтрация – через водные поры мембраны. Поры имеют небольшой диаметр 0,4нм, поэтому проникают небольшие гидрофильные молекулы: вода, мочевина.

Пиноцитоз - клеточные стенки поглощают капли внеклеточной жидкости в вакуолях путем впячивания поверхности мембраны. Образовавшиеся везикулы проникают в протоплазму. Так осуществляется транспорт внутрь клетки и из нее многих крупных молекул, в том числе пептидов, жирных кислот.

Активный транспорт – перенос соединений через мембрану против градиента концентрации (требует затраты энергии с участием АТФазы).

Простая диффузия – это основной механизм переноса чужеродных соединений в клеточные мембраны. Скорость диффузии (СД) прямо пропорциональна площади поверхности, через которую переносится вещество, и градиенту концентрации этого вещества и определяется законом Фика:

СД=К ^.А^. (С₁-С₂) / d

К – коэффициент диффузии данного соединения (зависит от молекулярной массы, пространственной конфигурации, степени ионизации, растворимости вещества в липидах,

С₁-С₂- разность концентраций по обе стороны мембраны,

А – площадь поверхности мембраны, через которую осуществляется транспорт,

d – толщина мембраны.

При транспорте чужеродных соединений простой диффузией только жирорастворимые (неполярные) молекулы легко проникают в мембраны.

При транспорте ионизированных молекул необходимо учитывать рН и константу диссоциации рКа.

Степень ионизации органических электролитов рассчитывается по уравнению Гендерсона:

pKa-pH = logCm/Ci – для кислот,

pKa-pH = logCi/Cm – для оснований,

где Cm – концентрация молекулярной формы,

Ci – концентрация ионизированной формы.

Если две системы имеют одинаковые значения рН (например, плазма, спинномозговая жидкость), то концентрация чужеродного соединения будет одинаковой по обе стороны мембраны. Если значения разные с разных сторон мембраны (например, желудок и кишечник), то концентрации ксенобиотика будут различными.

3. Метаболизм чужеродных соединений.

Метаболизм (биотрансформация) – это превращение чужеродных соединений в живом организме, конечная цель которого сокращение времени воздействия ксенобиотика. Метаболизм направлен на введение в молекулу чужеродного соединения группировок, увеличивающих полярность (гидрофильность или водорастворимость молекул) для ускорения их выведения почками и уменьшения токсичности. Иногда в результате метаболизма образуются более токсичные веществ – так называемый «летальный синтез».

Метаболические превращения чужеродных веществ можно разделить на превращения, которые катализируются:

· ферментами печени (микросомальные);

· ферментами, расположенными в других местах (немикросомальные).

Исходя из химической природы этих реакций, метаболические процессы можно классифицировать таким образом:

1. Окисление микросомальными ферментами: гидроксилирование ациклических, ароматических и алициклических соединений, эпоксидирование, N-гидроксилирование, N-окисление третичных аминов, S-окисление, дезалкилирование, дезаминирование, сульфирование.

2. Восстановление микросомальными ферментами: восстановление нитро-, нитрозо- и азосоединений, микросомальное восстановительное галогенирование.

3. Немикросомальное окисление: дезаминирование, окисление спиртов, альдегидов, ароматизация алициклических соединений.

4. Немикросомальное восстановление: восстановление альдегидов и кетонов.

5. Гидролиз: сложных эфиров, амидов с участием микросомальных и немикросомальных ферментов.

6. Прочие реакции: дегидроксилирование катехолов и гидроксамовых кислот, дегалогенирование, разрыв и образование кольца, восстановление ненасыщенных соединений, восстановление дисульфидов в тиолы, окислительное расщепление мышьяковистых соединений в арсеноксиды и др.

Схемы трансформации веществ – см. таблицу 1.

Продукты метаболических превращений могут подвергаться:

· выделению без дальнейших изменений;

· конъюгации с последующим выделением;

· дальнейшему метаболизму;

· соединению с тканями.

Соединения, имеющие несколько функциональных групп, могут метаболизироваться по нескольким группам, давая ряд различных метаболитов.

У большинства веществ метаболизм протекает в два этапа:

на первом идут несинтетические реакции (окисления, восстановления, гидролиза – см. выше), на втором – реакции синтеза – образование конъюгатов. Это процесс биосинтеза между метаболитами и некоторыми веществами организма (глюкуроновая кислота, сульфаты, ацетаты, глицин и др.). Для того, чтобы вступить в реакции синтеза, вещество должно иметь в структуре функциональные группы -NH₂, -ОН, СООН и др. Если таких групп нет, то соединение может получить их с помощью одной из синтетических реакций.

Образующиеся в результате синтеза конъюгаты (парные соединения), как правило, не обладают токсичностью и выводятся из организма почками с мочой. Однако конъюгаты с белковыми молекулами могут выступать в роли антигенов и приводить к выработке антител на исходное вещество.

Таблица 1: «Основные пути биотрансформации лекарственных веществ»

(схема трансформации веществ)

Факторы, влияющие на метаболизм чужеродных соединений

1. Генетические факторы и внутривидовые различия (возможны генетические дефекты ферментов).

2. Физиологические:

а) возраст и развитие ферментных систем;

б) половые различия;

в) гормональный фон;

г) беременность;

д) питание;

е) патологические состояния, заболевания;

ж) длительное применение лкарственных средств.

3. Факторы окружающей среды:

а) стресс;

б) ионизирующая радиация;

в) стимулирование метаболизма чужеродными соединениями;

г) ингибирование метаболизма чужеродными соединениями.

Вторичный метаболизм – посмертные метаболические процессы.

Вторичному метаболизму подвергаются как эндогенные вещества (гниение белков, разложение липидов под действием бактериальных ферментов), так и экзогенные, например, лекарства. Многие продукты вторичного метаболизма, например амины, высокотоксичны. Их присутствие в пробе экстрактов трупного материала может мешать химико-токсикологическому определению ксенобиотиков.

Стабильность ксенобиотика зависит от температуры и длительности хранения трупного материала. Например, элениум разрушается в течение 1-8 недель, сибазон практически не разрушается в плазме при комнатной температуре в течение 3 нед, а при 4°С – в течение 8 нед. Атропин сохраняется в трупном материале в течение 3 лет, а производные фенотиазина – 4-8 нед. Консервирование трупного материала этанолом значительно продлевает сохранение ксенобиотиков.

4. Выделение чужеродных соединений

Выведение токсикантов из кровотока или организма в целом может осуществляться разными способами.

Экскреция - это удаление (выведение) ксенобиотиков во внешнюю среду, например, с мочой, потом, выдыхаемым воздухом или другими путями. Почки наряду с легкими и печенью играют важную роль в выведении большинства токсикантов.

Снижение содержания токсикантов в системном кровотоке происходит также при биотрансформации или депонировании в отдельных частях организма (депо). Биотрансформация ксенобиотика приводит к образованию как менее, так и более токсичных метаболитов.

Печень – наиболее важный орган при биотрансформации токсикантов. Обычно биотрансформация предшествует почечной экскреции. В первую очередь это касается липофильных веществ, которые биотрасформируются в полярные (водорастворимые) соединения, способные экскретироваться почками.

Полное выведение токсиканта из организма, включающее биотрансформацию и экскрецию, носит название элиминация.

Чем больше скорость элиминации токсиканта и его метаболитов из организма, тем ниже его содержание в органе-мишени и меньше токсичность. Например, при накоплении ксенобиотика в жировой ткани его элиминация снижена из-за низкого содержания в плазме, что препятствует быстрой почечной экскреции или выведению токсиканта другими способами.

Выделение с мочой состоит из трех различных процессов:

1. Клубочковая фильтрация – фильтруется 20-25% общего почечного кровотока (первичная моча), образуется ультрафильтрат плазмы крови, который содержит чужеродные соединения и их метаболиты в такой же концентрации, что и кровь. Мембраны почечных клубочков легко проницаемы для многих веществ, за исключением ВМС (белков). Клубочковая фильтрация является основным механизмом почечной элиминации, поэтому функцию почек оценивают по скорости клубочковой фильтрации.

2. Пассивный канальцевый транспорт – канальцевый эпителий ведет себя как липопротеиновый барьер, пропускает липидорастворимые неионизированные молекулы. Эти соединения в клубочковом фильтрате подвергаются обратному всасыванию (реабсорбции) в кровь. Ионизированные соединения в моче в большей степени, чем в крови, диффундируют через канальцевый эпителий из крови в клубочковый фильтрат.

Если канальцевая моча более щелочная, чем плазма, в мочу легко проникают слабые кислоты, если же она более кислая – в нее переходят слабые основания. Скорость выделения слабых органических веществ сильно зависит от рН мочи.

3. Активный канальцевый транспорт. Соединения, выделяемые этим путем, высокоионизированные и могут выделяться в мочу против градиента концентрации. Вещества, выделяемые активным транспортом, конкурируют друг с другом. Скорость выделения одного соединения уменьшается при появлении другого. Связывание их с белками плазмы уменьшает скорость выделения соединения с мочой.

Выделение с желчью.

Чужеродные соединения всасываются из крови печеночных синусоидов в паренхиматозные клетки печени и затем транспортируются в виде метаболитов или конъюгатов в желчь. Граница между кровью и желчью чрезвычайно пориста и пропускает большинство молекул и ионов, по величине меньше белковых.

Концентрация многих веществ в желчи сравнима с концентрацией в крови, но высокополярные соединения (соли желчных кислот, глюкуронид билирубина, конъюгаты чужеродных соединений) выделяются в желчь в более высоких, чем в крови, концентрациях путем активного транспорта.

При увеличении молекулярной массы усиливается выделение в желчь, уменьшается выделение в мочу.

Конъюгаты чужеродных соединений могут подвергаться гидролитическому расщеплению ферментами желчи.

Выделение с выдыхаемым воздухом

Многие летучие соединения выделяются с выдыхаемым воздухом в неизменном виде аналогично перегонке с водяным паром.

Желудочная секреция

Органические соединения, ионизированные при рН желудочного сока, выделяются из плазмы крови в желудок.

Кишечная секреция

Слабые органические кислоты и основания, ионизированные при рН кишечника 5,3, выделяются путем пассивного транспорта из плазмы крови в кишечник при соответствующем градиенте концентрации.

Выделение с другими секретами

Путем пассивного транспорта неионизированных молекул могут выделяться чужеродные соединения в секреты различных желез – потом, слюной, молоком, половыми секретами.

Локализация в тканях

Хорошо растворимые в жировых тканях чужеродные соединения локализуются в жировых тканях, распределяясь между внутриклеточными липидами и жидкостями организма в неионизированной форме (барбитураты, хлорированные пестициды).

Связывание с белками

Лекарства связываются с белками крови и тканей и не могут транспортироваться через биологические мембраны, что зависит от степени и прочности связывания и от количества белков. Белок плазмы альбумин связывает молекулы кислых соединений (N-концевая аспарагиновая кислота). Значительное связывание с белками может привести к уменьшению скорости метаболизма лекарственных веществ. Некоторые чужеродные соединения могут связываться с ДНК и РНК, приводя к генетическим мутациям угнетению синтеза РНК и белка.

Канцерогенез

Многие химические соединения (полициклические углеводороды, ароматические амины, нитрозоамины) вызывают рак у человека и животных.

- Полициклические углеводороды связываются с ДНК и РНК, белками кожи, пуриновыми основаниями.

- Полициклические амины — косвенные канцерогены. Они метаболизируются в гидроксиламиновые производные и о-аминофенолы, каждый из которых канцероген.

- Аминоазобензоловые производные – косвенные канцерогены. Их метаболиты более токсичные соединения (N – окси и N-оксиметилпроизводные).

- Алифатические диалкилнитрозамины – печеночные канцерогены. Они метаболизируются до моноалкиламинов, а те, в свою очередь, до диазоалканов, которые алкилируют белки, нуклеиновые кислоты и вызывают необратимые изменения – канцерогенез.

- Иммунологическая сенсибилизация к чужеродным соединениям Чужеродные органические молекулы (гаптены) образуют устойчивые соединения с белком (гаптен-белковый конъюгат – антиген) – сенсибилизация или лекарственная аллергия – это одно из серьезных аллергенных заболеваний.

- Антиметаболиты. Синтетические аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот настолько подобны естественным соединениям, что могут попадать в состав РНК и ДНК с токсическим эффектом (например 6-меркаптопурин, 8-азогуанин). Эти антиметаболиты используются при лечении рака и лейкемии.

Клиренс CL (от англ. clearance – очищение) – скорость очищения крови или других сред и тканей организма от ксенобиотика в процессе его химических превращений, перераспределения в организме и/или выведения из организма.

Клиренс определяется как объем крови (в л, мл), полностью освобождаемой от вещества за единицу времени (с, ч). Например, клиренс 100 мл/мин означает, что 100 мл крови, содержащей ксенобиотик, полностью очищаются от него в течение 1 мин. Уменьшение обычных значений клиренса означает, что токсикант накапливается в организме из-за нарушения функций жизненно важных органов и систем.

Общая эффективность удаления химического вещества из организма характеризуется общим клиренсом, который определяется как сумма клиренсов отдельных органов элиминации: (почечный, печеночный, кишечный, легочный клиренс). Высокие значения клиренса указывают на эффективность и высокую скорость выведения вещества, низкий клиренс означает медленное и менее эффективное удаление ксенобиотика из организма.

Период полувыведения (t 1/2) время, необходимое для снижения концентрации ксенобиотика в крови или плазме наполовину, зависит ка к от объема распределения, так и от клиренса.