Биосистемы-мишени. лекция
1. Уровни организации биологических систем Жизнь - высшая форма существования материи. Обычно выделяют следующие уровни её организации: молекулярный, молекулярны х систем, субклеточный, органный, целостного организма, популяционный, биогеоценологический. Для токсиколога интерес представляет взаимодействие токсиканта с живыми системами на всех уровнях их организации.
Молекулярная организация живого чрезвычайно сложна. В состав организма входят молекулы различного строения. Это и простые вещества (кислород, азот, диоксид углерода, оксид азота, ионы натрия, кальция, железа, магния, меди и т. д. ), и соединения сложного состава (аминокислоты, олигосахариды, жирные кислоты, биологически активные гетероциклические соединения), и, наконец, чрезвычайно сложные (молекулы белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов). Теоретически любая молекула организма может стать мишенью для воздействия тех или иных токсикантов. Однако поскольку значение разных классов и видов молекул для поддержания гомеостаза организма не одинаково, последствия этого воздействия различны.
Молекулярные системы состоят из нескольких молекул, изменяющих в процессе интеграции свойства и только в такой интегрированной форме выполняющих определенные функции в организме. Так, ни гем, ни глобин не в состоянии связывать и переносить кислород от легких к тканям. Гемоглобин, как молекулярная система, обладает этим свойством. При токсическом повреждении элемента, страдает функция молекулярной системы в целом.
Действие токсикантов на молекулярные системы может сопровождаться избирательным повреждением отдельных субклеточных комплексов (сложные субклеточные комплексы: митохондрии, эндоплазматический ретикулум, ядро клетки и др. ). В этой связи иногда выделяют группы митохондриальных, лизосомальных, цитоплазматичкеских ядов, мембранотоксикантов, генотоксикантов и т. д.
Особо сложной формой организации материи является клетка. Она представляет собой в известной степени самостоятельную единицу жизни, т. е. обладает всеми свойствами живого организма. Токсический процесс, развивающийся в многоклеточном организме, непременно связан со структурно-функциональными нарушениями клеток хотя бы одного типа.
Клетки, объединенные в органы и ткани, приобретают способность к определенной корпоративной активности, основанной на специализации протекающих в них процессов. В этой специализации причина избирательной чувствительности различных органов к отдельным токсикантам. Токсическое повреждение органа сказывается на функциональном состоянии всей системы. Функционирование целостного организма невозможно при повреждении образующих его органов (легких, печени, почек, сердца и т. д. ) и систем.
Таким образом, для живой материи характерна иерархия организации, строящаяся в соответствии с определёнными закономерностями, имеющими большое значение для понимания явления токсичности: 1. Каждая более высокая форма материи включает в себя элементы более низкого уровня. Поэтому повреждающее действие химических веществ на молекулярном уровне при определенных условиях отражается на состоянии биосистемы в целом. 2. С повышением уровня организации расширяется многообразие и сложность биологических систем. При этом существенно возрастают возможности их токсического повреждения ксенобиотиками, увеличивается разнообразие проявлений токсического процесса.
Свойства токсиканта, определяющие токсичность Токсичность разных веществ не одинакова. Поскольку она проявляется во взаимодействии ксенобиотика с биологической системой, её величина зависит от свойств как токсиканта, так и биосистемы и в конечном итоге определяется: 1. Способностью вещества достичь структуры-мишени, взаимодействие с которой инициирует токсический процесс; 2. Характером и прочностью связи, образующейся между токсикантом и структурой-мишенью; 3. Значением структуры-мишени для поддержания гомеостаза в организме.
Строение вещества определяет размеры молекулы, её массу, растворимость, летучесть, агрегатное состояние при нормальных условиях и химическую активность. Все эти свойства влияют на токсичность вещества, вместе с тем, ни одно из них не является единственно значимым. Размеры молекулы токсиканта оказывают влияние на его биологическую активность в силу ряда причин. С увеличением молекулярной массы затрудняется процесс поступления токсиканта в организм и распределения его в органах и тканях.
Низкомолекулярные, инертные в химическом отношении вещества в виде газа или в форме раствора, как правило, легко проникают в кровь через лёгкие, желудочнокишечный тракт, иногда и кожу, быстро распределяются в тканях, проходя через гистогематические барьеры. Однако уже для низкомолекулярных соединений способность проникать через барьеры во многом определяется растворимостью. Гидрофильные молекулы даже с низкой молекулярной массой обладают ограниченной способностью проникать, например, через слизистые оболочки.
Для высокомолекулярных соединений процесс прохождения через барьерные структуры, как правило, затруднен. С другой стороны, липофильные вещества, несмотря на большие размеры молекул, относительно легко проходят через биологические барьеры. Большие молекулы веществ, плохо растворимых в воде и липидах (искусственные и естественные полимеры) практически не проникают во внутренние среды организма и, следовательно, не обладают выраженным общетоксическим действием.
Физико-химические свойства вещества Физико-химические свойства веществ существенным образом сказываются на их токсичности. Определяющими являются: растворимость в воде, растворимость в липидах, кислотно-основная природа токсиканта. Растворимость в воде. Растворимость токсиканта в воде - необходимое условие его резорбции во внутренние среды организма: что не растворяется, то не действует. Для того, чтобы достичь структуры-мишени токсикант также должен попасть в водную фазу, так как вода - основа межклеточной жидкости организма. Полярность молекулы воды требует и от токсиканта некоторой полярности. Поэтому растворимость вещества в воде зависит от наличия и количества в его молекуле полярных групп и их строения.
Растворимость в липидах имеет основное значение для процессов проникновения и распределения больших молекул токсикантов в организме. Кроме того, чем выше растворимость вещества в липидах, тем хуже оно выводится из организма. Мерой жирорастворимости токсикантов является количество вещества, способное к растворению в единице объема жидких масел или органических растворителей.
Нерастворимые в жирах молекулы могут попасть в организм из окружающей среды лишь в том случае, если они проходят через поры биологических мембран, либо переносятся через барьеры с помощью специальных механизмов, например, пиноцитоза. Большие, нерастворимые в липидах вещества, как правило, относятся к числу малотоксичных. Жирорастворимость и водорастворимость связанные между собой свойства. Чем полярнее молекула вещества, тем лучше она растворяется в воде и хуже - в липидах. Наибольшей биологической активностью, как правило, обладают токсиканты с промежуточной растворимостью.
Токсикодинамика. Механизмы действия ядов.
Токсикодинамика. Механизмы действия ядов. Взаимодействие токсиканта или продуктов его превращения в организме со структурными элементами биосистем, лежащее в основе развивающегося токсического процесса, называется механизмом токсического действия. Взаимодействие осуществляется за счет физико-химических и химических реакций.
Токсический процесс, инициируемый физико-химическими реакциями, как правило, обусловлен растворением токсиканта в определенных средах (водной или липидной) клеток и тканей организма. При этом существенно изменяются физико-химические свойства среды-растворителя (р. Н, вязкость, электропроводность, сила межмолекулярных взаимодействий и так далее). Особенность данного типа взаимодействия - отсутствие строгой зависимости качества развивающегося эффекта от химических свойств молекулы токсиканта. Таким образом действуют на ткани все кислоты, щелочи, сильные окислители, некоторые органические растворители и лишенные специфической активности высокомолекулярные соединения.
Чаще в основе токсического действия лежат химические реакции токсиканта с определенным структурным элементом живой системы. Структурный компонент биологической системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант, называется его рецептором или мишенью. Механизмы токсического действия подавляющего большинства химических веществ в настоящее время неизвестны. Очень многие описываемые ниже классы молекул и молекулярных комплексов, образующих организм, рассматриваются, по большей части, лишь как вероятные рецепторы (мишени) действия ядов.
Определение понятия "рецептор" в токсикологии Понятие "рецептор" весьма емкое. Наиболее часто в биологии его используют в следующих смыслах: Общее понятие. Рецепторы - это участки относительно специфического связывания на биосубстрате ксенобиотиков. В качестве рецепторов могут выступать целые молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов или их фрагменты. В отношении фрагмента биомолекулы, которая непосредственно участвует в образовании комплекса с химическим веществом, часто используют термин рецепторная область.
Селективные рецепторы. По мере эволюционного усложнения организмов формируются специальные молекулярные комплексы, элементы биологических систем, обладающие высоким сродством к отдельным химическим веществам, выполняющим функции биорегуляторов (гормоны, нейромедиаторы и так далее). Участки биологических систем, обладающие наивысшим сродством к отдельным специальным биорегуляторам, получили название "селективные рецепторы". Вещества, взаимодействующие с селективными рецепторами, называются лигандами селективных рецепторов. Взаимодействие эндогенных лигандов с селективными рецепторами имеет особое значение для поддержания гомеостаза.
Постоянные рецепторы – это селективные рецепторы, строение и свойства которых кодируется с помощью специальных генов или постоянных генных комплексов. Как следует из приведенных определений, в биологии термин "рецептор" в основном используется для обозначения структур, принимающих непосредственное участие в восприятии и передаче биологических сигналов, и способных избирательно связывать помимо эндогенных лигандов (нейромедиаторов, гормонов, субстратов) некоторые чужеродные соединения.
В токсикологии термином "рецептор" обозначают любой структурный элемент живой (биологической) системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант. Спектр энергетических характеристик рецептор-лигандного взаимодействия необыкновенно широк: от формирования слабых, легко разрушающихся связей, до образования необратимых комплексов. Характер взаимодействия и структура сформировавшегося комплекса зависят не только от строения токсиканта, конформации рецептора, но и от свойств среды: р. Н, ионной силы и так далее. В соответствии с законом действующих масс, количество образовавшихся комплексов веществорецептор определяется энергией взаимодействия (сродством) и концентрацией обоих компонентов реакции (вещества и рецептора к нему) в биологической системе.
Рецепторы могут быть "немыми" и активными. "Немой" рецептор - структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции (например, связывание мышьяка белками, входящими в состав волос, ногтей). Активный рецептор - структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с токсикантом инициирует токсический процесс. Для того, чтобы избежать терминологических трудностей, для обозначения структурных элементов, взаимодействуя с которыми токсикант инициирует токсический процесс, вместо термина "рецептор", часто используют термин "структура-мишень".
Токсическое действие вещества выражено тем сильнее, чем большее количество активных рецепторов (структур-мишеней) вступило во взаимодействие с токсикантом; Токсичность вещества тем выше, чем меньшее его количество связывается с "немыми" рецепторами, чем эффективнее оно действует на активный рецептор (структуру-мишень), чем большее значение имеет рецептор и повреждаемая биологическая система для поддержания гомеостаза целостного организма.
Любая клетка, ткань, орган содержат огромное количество потенциальных рецепторов различных типов ("запускающих" различные биологические реакции), с которыми могут вступить во взаимодействие лиганды. Связывание лиганда (как эндогенного вещества, так и ксенобиотика) на рецепторе данного типа является избирательным лишь в определенном диапазоне концентраций. Увеличение концентрации лиганда в биосистеме приводит к расширению спектра типов рецепторов, с которыми он вступает во взаимодействие, а следовательно, изменению его биологической активности. Это также одно из фундаментальных положений токсикологии.
Мишенями (рецепторами) для токсического воздействия могут быть: Структурные элементы межклеточного пространства; Структурные элементы клеток организма; Структурные элементы систем регуляции клеточной активности.
Действие токсиканта на элементы межклеточного пространства Каждая клетка организма окружена водной средой интерстициальной или межклеточной жидкостью. Для клеток крови межклеточной жидкостью является плазма крови. Основные свойства межклеточной жидкости: её электролитный состав и определенное осмотическое давление. Электролитный состав определяется главным образом содержанием ионов Na+, K+, Са 2+, Cl-, HCO 3 - и др. ; осмотическое давление присутствием белков, других анионов и катионов. Межклеточная жидкость содержит многочисленные субстраты для клеточного обмена, продукты метаболизма клеток, молекулы-регуляторы клеточной активности.
Попав в межклеточную жидкость, токсикант может изменять её физико-химические свойства, вступать в химическое взаимодействие с её структурными элементами. Изменение свойств межклеточной жидкости немедленно приводит к реакции со стороны клеток. Возможны следующие механизмы токсического действия, обусловленные взаимодействием токсиканта с компонентами межклеточной жидкости: Электролитные эффекты наблюдаются при отравлении веществами, способными связывать ионы. Так, при интоксикациях фторидами (F-), некоторыми комплексообразователями (Na 2 ЭДТА), другими токсикантами (этиленгликолем, метаболизирующим с образованием щавелевой кислоты), происходит связывание ионов кальция в крови и межклеточной жидкости, развивается острая гипокальциемия, сопровождающаяся нарушениями нервной деятельности, мышечного тонуса, свертывающей системы крови. Нарушение ионного баланса, в ряде случаев, может быть устранено введением в организм растворов электролитов.
р. Н-эффекты. Интоксикация рядом веществ, несмотря на высокую буферную емкость межклеточной жидкости, может сопровождаться существенным нарушением кислотно-основных свойств внутренней среды организма. Так, отравление метанолом приводит к накоплению в организме муравьиной кислоты, вызывающей тяжелый ацидоз. Изменение р. Н интерстициальной жидкости может быть также следствием вторичных токсических эффектов и развиваться вследствие нарушения процессов биоэнергетики, гемодинамики (метаболический ацидоз/алкалоз), внешнего дыхания (газовый ацидоз/алкалоз). В тяжелых случаях нормализовать р. Н можно, вводя пострадавшему буферные растворы.
Связывание и инактивация структурных элементов межклеточной жидкости и плазмы крови. В плазме крови содержатся структурные элементы, обладающие высокой биологической активностью, способные стать мишенью действия токсикантов. К их числу относятся, например, факторы свертывающей системы крови, гидролитические ферменты (эстеразы), разрушающие ксенобиотики и т. д. Следствием такого действия может стать не только интоксикация, но и аллобиоз. Например, угнетение активности три-о-крезилфосфатом (ТОКФ) карбоксилэстераз плазмы крови, разрушающих фосфорорганические соединения (ФОС), приводит к существенному повышению токсичности последних. Нарушение осмотического давления. Существенные нарушения осмотического давления крови и интерстициальной жидкости при интоксикациях, как правило, носят вторичный характер (нарушение функций печени, почек, токсический отек легких). Развивающийся эффект пагубным образом сказывается на функциональном состоянии клеток, органов и тканей всего организма.
Действие токсикантов на структурные элементы клеток Структурными элементами клеток, с которыми взаимодействуют токсиканты, как правило, являются: белки; нуклеиновые кислоты; липидные элементы биомембран; селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов (гормонов, нейромедиаторов и т. д. ).
Взаимодействие токсикантов с белками Основные функции белков: транспортная, структурная, энзиматическая (белки - биологические катализаторы). Токсический эффект может развиваться при нарушении каждой из этих функций. Нарушение свойств белков химическим веществом возможно различными способами, зависящими как от структуры токсиканта, так и от строения и функций белка. Возможны: денатурация белка, блокада его активных центров, связывание активаторов и молекул, стабилизирующих протеин, и т. д.
К числу веществ, денатурирующих белки, относятся крепкие щелочи, кислоты, окислители, ионы тяжелых металлов. В основе денатурации лежит повреждение внутрибелковых связей, поддерживающих вторичную, третичную структуру протеина. Многочисленные токсиканты, связывающиеся с SHгруппами, называются тиоловыми ядами. К числу тиоловых ядов прежде всего следует отнести тяжелые металлы, такие как ртуть, мышьяк, сурьма, таллий, органические соединения этих металлов (метилртуть, люизит и т. д. ). Другие металлы более активно взаимодействуют с карбоксильными группами (свинец, кадмий, никель, медь, марганец, кобальт). Особое значение в токсикологии придают действию ксенобиотиков на энзимы.
Энзимы Роль энзимов в обеспечении процессов жизнедеятельности огромна. Неудивительно, что вещества, модулирующие их активность, обладают высокой биологической активностью, порой являются высокотоксичными веществами. Энзимы - это белки, выполняющие функции биологических катализаторов.
Возможные механизмы модуляции активности энзимов химическими веществами -токсикантами Усиление каталитической активности усиление синтеза энзимов блокада разрушения энзимов активация энзимов Угнетение каталитической активности угнетение синтеза энзимовускорение разрушения энзимов угнетение специфической активности изменение конформации энзимов
Биологические последствия действия токсикантов на энзимы Поскольку все процессы в живых организмах протекают при участии энзимов, и все фундаментальные свойства живых систем неразрывно связаны с нормальным течением этих процессов, теоретически любые проявления жизни могут быть нарушены теми или иными токсикантами, изменяющими активность энзимов.
Взаимодействие токсикантов с нуклеиновыми кислотами Дезоксирибонуклеиновые кислоты - основной компонент хромосомного аппарата клеток. Рибонуклеиновые кислоты представлены информационной, транспортной, рибосомальной РНК. Их функция - участие в синтезе белка. Многие ксенобиотики вступают во взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, изменяя их свойства.
Химическая модификация нуклеиновых кислот К числу веществ, вступающих в химическое взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, относятся нитриты, сернистый, азотистый, кислородный иприты, этиленоксид, этиленимин, гидразин и его производные, гидроксиламин, нитрозамины, аренокисды, полициклические углеводороды, метаболиты афлатоксинов, соединения мышьяка и многие другие вещества. Эти токсиканты, образуют ковалентные связи с аминогруппами пуриновых и пиримидиновых оснований, входящих в структуру нуклеиновых кислот. Измененные таким образом молекулы ДНК могут подвергаться дальнейшей ферментативной и неферментативной трансформации вплоть до разрушения под воздействием эндонуклеаз.
Вещества с бифункциональными активными группами (иприты) могут образовывать с двунитевой молекулой ДНК перекрестные связи, при этом становиться невозможным расхождение нитей "двойной спирали", необходимое для обеспечения синтеза белков, клеточного деления. Токсиканты способны вступать во взаимодействие не только с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, но и с углеводно-фосфатной основой молекулы нуклеиновой кислоты. При этом происходит её денатурация. Полагают, что таким образом может взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами в частности формальдегид.
Нарушение конформации нуклеиновых кислот Многие ксенобиотики образуют нековалентные связи с ДНК. При этом меняется конформация макромолекул. Так, известно высокое сродство к нуклеиновым кислотам производных акридина, которые, встраиваясь в молекулу ДНК между соседними парами оснований (интеркалация), изменяют её структуру. Таков же, вероятно, механизм действия этидиумбромида, профлавина и др. Антрациклин, хлорахин, актиномицин и некоторые другие антибиотики также изменяют конформацию нуклеиновых кислот, не образуя с ними ковалентных связей.
Взаимодействие токсикантов с липидами Важнейшая функция липидов - формирование биологических мембран. Вещества, разрушающие, изменяющие структуру липидов, нарушающие взаимодействие между молекулами липидов (гидрофобные связи) повреждают биологические мембраны и поэтому называются мембранотоксикантами. К числу таких относятся многие спирты, предельные и галогенированные углеводороды ("неэлектролиты"), детергенты (поверхностно-активные вещества), а также яды, обладающие фосфолипазной активностью (яды змей и т. д). Ряд токсикантов оказывает опосредованное мембранотоксическое действие, повышая уровень внутриклеточного Са 2+, активируя эндогенные фосфолипазы, свободнорадикальные процессы в клетках и т. д.
Скачать презентацию Биосистемы-мишени лекция 1 Уровни организации биологических систем
БИОСИСТЕМЫ - МИШЕНИ ДЕЙСТВИЯ ТОКСИКАНТОВ.ppt