токсикология

Начальным этапом пиноцитоза (рис.8) является обратимая адсорбция (оседание) молекул поглощаемого вещества на поверхности клеточной мембра-

ны (2).

1

2

3

4	5	6
	Рис.8. Основные этапы пиноцитоза

Затем следует необратимая фаза адсорбции, в ходе которой просходит инвагинация клеточной мембраны внутрь клетки (3) и захват адсорбируемого вещества. Образующиеся вслед за этим пузырьки (вакуоли) отшнуровываются от клеточной мембраны (4) и свободно располагаются в цитоплазме. На последней стадии стенка пиноцитозного пузырька исчезает (5) и происходит внутриклеточное переваривание поглощенного вещества (6).

Пиноцитоз свойственен клеткам эпителия кишечника, почечных канальцев, кровеносных сосудов и др., несущим функцию поглощения.

Рецептор-обусловленный эндоцитоз - высокоспецифичный транспорт-

ный процесс. В качестве рецепторов к веществам выступают ассоциированные с мембранами гликопротеиды со специфичным участком связывания определенного лиганда, например белка. Вследствие специфичности взаимодействия появляется возможность из большого числа протеинов, находящихся в среде выбирать лишь отдельные и обеспечивать их транспорт даже в том случае, если их концентрация низка. Связывание вещества с рецептором побуждает мембрану к образованию везикулы, которая погружается в цитоплазму. После её взаимодействия с мембраной лизосом, везикула разрушает-

91

ся, а содержащийся в ней лиганд, выходит в цитоплазму. Рецептор, связанный с везикулой обратно встраивается в структуру клеточной мембраны, т.е. осуществляется рециркуляция рецептора. В норме путем рецептор-обуслов- ленного эндоцитоза в клетку поступают гормоны (например, инсулин) и другие высокомолекулярные вещества, регулирующие её метаболизм, железо, в связанной с трансферином форме и т.д. Этим же способом в клетку проникают некоторые токсины белковой природы, например тетанотоксин, ботулотоксин. Как полагают, в основе токсического действия ботулотоксина лежит его способность повреждать процесс взаимодействия синаптических везикул, содержащих ацетилхолин, с аксолемой, что сопровождается нарушением экзоцитоза нейромедиатора. Токсин действует, попав внутрь нервного окончания, путем рецептор-обусловленного эндоцитоза.

Рецепторы эндоцитоза представляют собой сложные протеины, липофильная часть молекулы которых связана с липидной мембраной, а гидрофильные части обращены внутрь и наружу клетки. Так, рецепторы трансферина представляют собой гликопротеид с молекулярной массой около 180000 дальтон. Он состоит их двух практически идентичных полипептидных цепей, включающих около 800 аминокислот каждая. Эти цепи связаны дисульфидной связью. Рецепторы имеют высокое сродство к лиганду. Константа диссоциации равна 5 нм. На поверхности клеток насчитывается до 50000 мест связывания трансферина.

Эндоцитоз представляет собой динамичный процесс. В течение одного часа клетка может путем рецептор-обусловленного эндоцитоза, фаго- и пиноцитоза обновить всю клеточную мембрану. Каким образом, не смотря на постоянное движение частей мембраны между различными органеллами, сохраняется её целостность, остается не известно.

Другие виды цитозов. Экзоцитоз – это выделение веществ из клетки. Различают гранулокринную секрецию – выделение везикул, содержащих клеточное вещество и отпочковывание – выделение части цитоплазмы

92

содержащихся в ней веществ путем краевого отделения части клетки. Трансцитоз (цитопемзис) – это транспорт веществ через объем клетки. Синцитозы

– это простое слияние клеток и слияние клеток с помощью липидных везикул, содержащих какие-либо вещества. Интрацитоз – образование везикул и их слияние внутри клетки.

Активный транспорт это процесс переноса химических веществ через биологическую мембрану против градиента концентрации. Процесс всегда сопряжен с расходованием энергии и протекает in vivo в одном направлении. Различают первичный и вторичный активный транспорт.

Первичный активный транспорт - это процесс, при котором энергия макроэргов (АТФ) непосредственно расходуется на перемещение молекулы или иона через мембрану. В молекулах эукариотов известны, по крайней мере, четыре типа таких процессов, известные, как ионные насосы: Na+, K+ - АТФ-аза; Са2+ - АТФ-аза; Н+, К+ - АТФ-аза; Н+ - АТФ-аза.

Вторичный активный транспорт состоит из двух структурно разделенных транспортных механизмов: первичной активно-транспортной системы, например транспорта Na+, нуждающейся в АТФ, и сопряженного процесса каталитической диффузии другого вещества в противоположном направлении, например транспорт сахаров или аминокислот.

Некоторые ксенобиотики могут изменять активность и свойства моле- кул-переносчиков и, тем самым, влиять на течение естественных физиологических процессов. Т.е. механизм токсического действия веществ может быть связан с нарушением свойств молекул переносчиков (атрактилозид - нарушает транспорт АТФ через мембрану митохондрий).

Механизм активного транспорта заключается в следующем. Вначале, по одну сторону мембраны (рис.9), носитель приобретает сродство к молекуле вещества и вступает в химическую связь с этой молекулой, поглощая в ходе реакции часть метаболической энергии, образующейся при гидролизе АТФ.

93

Рис. 9. Структура и механизм функционирования системы активного транспорта ионов K+ и Na+

Образовавшийся комплекс «носитель - молекула» преодолевает толщу мембраны, после чего носитель утрачивает сродство к молекуле переносимого вещества и комплекс распадается. Носитель в свободном виде или в комплексе с другими соединениями проходит мембрану обратно, завершая цикл активного транспорта. Считают, что такой механизм транспорта ионов К+ и Nа+ в клетках млекопитающих, всасывания и выведения веществ почечными канальцами, накоплении ионов йода в щитовидной железе и т.д.

3.6.2. Резорбция (всасывание) токсикантов

Термином "резорбция" обозначают процесс проникновения вещества из окружающей среды или ограниченного объема внутренней среды организма в лимфо- и кровоток. Действие вещества, развивающееся вслед за его резорбцией, называется резорбтивным (системным). Процесс резорбции отсутствует в том случае, когда вещества оказывают действие на барьерные ткани в месте контакта не проникая в кровоток, например, кожу, слизистые оболочки. Такое действие называется местным. Для многих токсикантов характерно как местное, так и резорбтивное действие.

Большинство веществ могут проникать в организм через один или несколько тканевых барьеров: кожные покровы, дыхательные пути,

94

желудочно-кишечный тракт. В зависимости от того, через какой из барьеров проникает вещество, различают три основных пути поступления токсиканта в организм: ингаляционный, пероральный и трансдермальный (через кожу). Скорость резорбции при этом различна.

Путь проникновения вещества в организм во многом зависит от его агрегатного состояния, локализации в окружающей среде, площадью и свойствами места резорбции. Так, вещество в форме пара имеет очень высокую вероятность резорбироваться черех дыхательные пути, растворенное в воде, сможет проникать в организм преимущественно через желудочно-кишечный тракт и с меньшей вероятностью через кожу.

Способность химических веществ переходить из одного агрегатного состояния в другое и локализоваться вследствие этого в разных средах, часто затрудняет предсказание, каким будет основной способ резорбции токсиканта. Так, например, некоторые летучие вещества, способные действовать ингаляционным путем, растворяясь в воде или адсорбируясь в кормах, могут резорбироваться другими путями (токсические газы, металлы и их соединения и др.).

Скорость и характер резорбции веществ определяется рядом факторов, которые можно отнести к следующим группам:

1.Факторы, обусловленные особенностями организма (морфологические особенности органа через который происходит всасывание, площадь резорбирующей поверхности, кровоснабжение органа, пол, возраст, репродуктивный период и т.д.)

2.Факторы, обусловленные количеством (доза, концентрация) и свойствами токсиканта (химическое строение, молекулярная масса, агрегатное состояние, растворимость, константы ионизации, диссоциации и другие физикохимические свойства); 3.Факторами, обусловленные параметрами среды (температура и влажность

воздуха, атмосферное давление, наличие ионизирующего и ультрафиолетового излучения, раздражающих веществ и т.д.).

95

Из-за большого количества влияющих факторов характер резорбции конкретного токсиканта может колебаться в очень широких пределах.

3.6.2.1. Резорбция через легкие

Всасывание токсических соединений через дыхательную систему относится к наиболее быстрому пути поступления в организм. Легкие - орган, предназначенный для осуществления обмена веществом, в частности жизненно важными газами, между организмом и окружающей средой. Помимо вдыхаемого О2 и другие вещества, находящиеся в форме газа, пара или аэрозоля могут легко проникать через легкие в кровоток. Для этого токсикант должен преодолеть лишь тонкий капиллярно-альвеолярный барьер. Благоприятным условием всасывания веществ является также большая площадь поверхности легких.

Для резорбции вдыхаемый газ должен вступить в контакт с альвеолярной поверхностью легких. Альвеолы расположены глубоко в легочной ткани, поэтому путем простой диффузии газ не сможет быстро преодолеть расстояние от полости носа или ротового отверстия до стенок альвеол. Не останавливаясь на подробностях строения альвеол следует указать, что они образованы сплошным слоем чрезвычайно тонкого эпителия, расположенного на лишенной структуры базальной мембране, общей для двух соседних альвеол.

Воздухоносная часть альвеол покрыта выстилающим комплексом, который состоит из двух слоев – мукоидной и липидной пленок, в последней плавают альвеолярные макрофаги (рис.10.).

Рис. 10. Схема строения двух альвеол (разрез) (по Hahm, 1965).

96

1 – ядро и цитоплазма клетки альвеолярного выстилающего эпителия; 2 – тканевое пространство (межтканевая щель); 3 - эндоплазматическая базальная мембрана; 4 - невакуолизированная альвеолярная клетка; 5 - эпителий базальной мембраны; 6 - цитоплазма капиллярного эндотелия; 7 - ядерная клетка эндотелия; 8 - ядро эндотелиальной клетки.

Общий барьер воздух-кровь можно схематически представить в следующем виде: липидная пленка, мукоидная пленка, слой протоплазмы альвеолярных клеток, базальная мембрана эпителия, в отдельных участках сливающаяся с базальной мембраной капилляров. Между альвеолами имеются участки межуточной ткани.

Продвижение газов по дыхательным путям сопряжено с их частичной адсорбцией на поверхности трахеи и бронхов. Степень депонирования вдыхаемых газообразных веществ определяется их растворимости в тонком слое жидкости, выстилающей слизистую дыхательных путей и альвеолярный эпителий. Чем хуже растворяется вещество в воде, тем глубже проникает оно в легкие.

Вещества, поступающие в легкие в форме аэрозолей также достаточно быстро могут всасываться в кровь. Например, t50 (время, необходимое для резорбции 50% введенного вещества) для салициловой кислоты, введенной в

трахею в форме аэрозоля составляет всего 1 мин, мочевины – 4 мин, эритромицина – 13 мин, бензилпенициллина – 36 мин.

Резорбция газов. Если животное в течение определенного времени вдыхает воздух, содержащий некое вещество в постоянной концентрации (например, 4% эфир), то процесс его проникновения и распределения в организме может быть представлен в виде нескольких последовательных этапов

(рис.11).

97

Рис.11. Процесс проникновения и распространения газов в организме (по С.А. Куценко, 2002)

В конечном итоге в тканях (в частности в ЦНС) аккумулируется определенная концентрация токсиканта, при которой формируется токсический процесс соответствующей степени тяжести (оглушенность, наркоз, кома). При достижении состояния равновесия в системе продолжение ингаляции газа (пара) в прежней концентрации не приводит к увеличению содержания ксенобиотика в тканях.

У позвоночных, дышащих легкими, имеется механизм, с помощью которого осуществляется механическое перемешивание (конвекция) газов в дыхательных путях и легких и обеспечивается постоянный обмен газами между внешней средой и организмом. Этот механизм - вентиляции легких - последовательно сменяющие друг друга акты вдоха и выдоха.

При нормальной частоте и глубине дыхания легочная вентиляция достаточна для того, чтобы альвеолярную концентрацию газа (рис.11.Са) в течение 2 минут от значение 0 довести до значения 0,95 Си, то есть 95% от концентрации во вдыхаемом воздухе.

Таким образом, вентиляция обеспечивает очень быструю доставку газа из окружающей среды к поверхности альвеолярных мембран. Посредством усиления или ослабления вентиляции можно многократно уменьшить или увеличить временя "уравнивания концентраций". Одновременно с

98

вентиляцией легких осуществляются и другие процессы: растворение газа в стенке альвеолы, диффузия газа в кровь, конвекция в кровяном русле, диффузия в ткани. Вследствие этого динамическое равновесие в системе распределения газов в воздухе, крови и тканях устанавливается лишь спустя некоторое время.

Втот момент, когда парциальное давление газа в окружающем, а затем

иальвеолярном воздухе становиться ниже, чем в крови, процесс меняет направление и газ из организма устремляется в просвет альвеол и во внешнюю среду. С помощью форсированной вентиляции легких можно обеспечить быстрое снижение концентрации газообразного вещества в циркулирующей крови (и тканях). Эту возможность используют в токсикологии при оказании помощи отравленным некоторыми газообразными или летучими веществами, давая дышать пострадавшему воздухом с повышенным содержанием СО2, что стимулирует вентиляцию.

Переход газа из альвеолы в кровоток осуществляется посредством диффузии. При этом химические соединения переходит из газообразной среды в жидкую фазу. В этой связи поступление вещества зависит от следующих факторов:

1. Растворимости газа в крови; 2. Градиента концентрации газа между альвеолярным воздухом и кровью; 3. Интенсивности кровотока; 4. Состояния легочной ткани.

Растворимость веществ в крови отличается от растворимости в воде и порой существенно. Это связано с наличием растворенных в плазме крови её составных частей (соли, липиды, углеводы, белки) и форменных элементов (лейкоциты, эритроциты). Растворимость газов в жидкостях зависит от температуры. Зависимость эта различна для различных газов и растворителей, тем не менее, как правило, растворимость понижается при повышении температуры.

99

Состояние равновесия между кровью и газом при прочих равных условиях устанавливается тем быстрее, чем с большей скоростью растворяется газ в крови.

Хотя процесс поступления неэлектролитов из воздуха в кровь протекает по одному закону, предельное содержание яда в крови зависит от его фи- зико-химических свойств, из которых наибольшее значение имеет коэффициент растворимости паров в воде. Обычно используется коэффициент рас-

творимости Оствальда воздух/вода – ( λ), характеризующий распределение летучих соединений между жидкой и газообразной фазами в момент равновесия. Чем выше значение этого коэффициента, тем больше вещества из воздуха поступает в кровь.

Значение коэффициента растворимости сказывается также и на скорости, с которой устанавливается равновесие между содержанием вещества в воздухе и в крови. Вещества с высоким коэффициентом растворимости (этанол, ацетон) длительно переходят из воздуха в кровь, соединения с низким коэффициентом растворимости (хлороформ, диэтиловый эфир) быстро достигают равновесной концентрации между кровью и воздухом. Однако коэффициенты распределения многих веществ между кровью и альвеолярным воздухом (К) часто несколько выше их коэффициентов растворимости в воде

(λ), так как подобные соединения не только растворяются в жидкой части крови, но и связываются с белками плазмы и проникают внутрь эритроцитов.

Скорость наступления равновесия вода/воздух при усиленном дыхании возрастает, особенно для веществ с относительно более высоким коэффициентом растворимости. Увеличение скорости кровообращения больше сказывается на задержке соединений, коэффициенты растворимости которых меньше единицы.

Количество газа, растворенного в жидкости, всегда пропорционально величине парциального давления газа (закон Генри). Время, в течение которого в крови устанавливается предельная концентрация токсиканта,

100