9. Биотрансформация ксенобиотиков

Биотрансформация чужеродных соединений в организме. Этапы и основные пути биотрансформации. Факторы, влияющие на метаболизм чужеродных соединений. Метаболиты и токсичность. Представление о вторичном метаболизме. Экскреция чужеродных соединений и их метаболитов.

Биотрансформация — метаболическое превращение эндогенных и экзогенных химических веществ в более полярные (гидрофильные) соединения.

Фазы биотрансформации :

реакции 1-ой фазы(гидролиз, восстановление,окисление)

Реакции 2-й фазы(реакции синтеза):

• -глюкуронирование,

• -сульфатирование,

• -ацетилирование,

• -метилирование,

• конъюгация (соединение) с:

• а) глутатионом (синтез меркаптуровой кислоты)

• б) аминокислотами (глицином, таурином и глутаминовой кислотой).

Биотрансформация ксенобиотиков осуществляется преимущественно в печени

Ферменты биотрансформации ксенобиотиков присутствуют в основном в микросомах и в цитозоле и незначительная часть – в митохондриях, ядре и лизосомах

Цитохром Р450 катализирует реакции окисления:

-гидроксилирование алифатических и ароматических углеводородов;

• эпоксидирование двойной связи;

• окисление гетероатомов (О-, S-, N-, Si-)

• N-гидроксилирование;

• деалкилирование гетероатомов (О-, S-, N-, Si-),

• окислительный перенос группы;

• разрыв сложноэфирной связи;

• дегидрирование.

Оксигеназные реакции, катализируемые цитохромом Р450, весьма разнообразны. Одна из самых распространённых реакций окисления ксенобиотиков ― окислительное деалкилирование, сопровождающееся окислением алкильной группы, присоединённой к атомам N, O или S.

На начальном этапе ксенобиотик (S) вступает во взаимодействие с окисленной формой цитохрома Р-450: 1) S-OH + P-450-Fe+3 = Р-450-Fe+3S + ОН Затем к этому комплексу с помощью НАДФН-цитохром Р-450 редуктазы присоединяется электрон, донором к-рого является восстановленный НАДФН: 2) Р-450-Fe+3S + е- = Р-450-Fe+2S После этого комплекс взаимодействует с О2: 3) Р-450-Fe+2S + О2 = Р-450-Fe+2S-О2 После взаимодействия со вторым электроном (донор-НАДФН) происходит активация связанного с цитохромом О2, к-рый приобретает способность связывать протоны и образовывать Н2О: 4) Р-450-Fe+2S-О2 + е- = Р-450-Fe+3S-О + Н2О Образовавшееся при этом форма Р-450 гидроксилирует субстрат: 5) Р-450-Fe+3S-О = P-450-Fe+3 + S-OH

10) Свободно-радикальные реакции как способ выражения действия токсикантов (понятие свободного радикала, основные свободно-радикальные реакции токсикантов с клеточными мишенями организма, перекисное окисление липидов, понятие антиоксидантов)

Свободные радикалы - это атомы или группы химически связанных атомов, которые имеют неспаренные электроны на внешней валентной орбитали, то есть свободные валентности, наличие которых определяет их высокую химическую реакционную способность.

Свободные радикалы - атомы или осколки молекул неорганической или органической природы, обладающие огромной реакционной способностью и этим самым влияющие как на протекание обменных процессов в живых клетках организма, так и в отдельных экосистемах.

Процессы, в которых участвуют свободные радикалы, являются обязательным атрибутом нормального аэробного метаболизма.

Молекулярный кислород в обычных условиях не вступает в прямые неферментативные химические реакции с органическими соединениями, которые входят в состав живых клеток и тканей. В биологических системах могут образовать и все промежуточные продукты восстановления молекулы О2: О2-, НО2-, ОН., Н2О2. Эти соединения обладают высокой реакционной способностью и получили название активных форм кислорода (АФК).

КЛАССИФИКАЦИЯ св.рад.(R), обр. в тканей человека и животных

ПРИРОДНЫЕ:

1)ПЕРВИЧНЫЕ (СЕМИХИНОННЫЕ, СУПЕРОКСИД, НИДРОКСИД)

2)ВТОРИЧНЫЕ (ГИДРОКСИЛ, РАДИКАЛЫ ЛИПИДОВ),

3)ТРЕТИЧНЫЕ (РАДИКАЛЫ АНТИОКСИДАНТОВ);

ЧУЖЕРОДНЫЕ: РАДИАЦИЯ (РАДИКАЛЫ ВОДЫ И БИОМОЛЕКУЛ); УЛЬТРАФИОЛЕТ, ЛАЗЕРН.ОБЛ. (РАДИКАЛЫ М-Л ХРОМОФ-РОВ); КСЕНОБИОТИКИ (РАДИКАЛЫ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ)

Первичные радикалы (R) , обр.в организме человека:

Радикал (R) Структура R Ферм.сист.обр.R Биол.функции

Супероксид* .OO- НАДФН-оксидаза Антимикр.защ

Нитроксид .NO NO-синтетаза Факт.расс.сосуд.

Семихинoны(КоэQ) HQ- Цепь переноса элект. Перенос.электр.

Супероксид* обр-ся как вторичн.радикал при взаимодействие R-семихинонов с О2. Это - одна из причин токсич.действ.соед-ний фенола.

Вторичные радикалы:

Радикал гидроксила: .ОН Fe2+ +НООН = Fe3+ + НО- + .ОН

Липидные радикалы: LO.,L.,LOO. Fe2+ + LООН = Fe3+ + НО- + LО.

Супероксид .OO- .QH + O2 = Q + .OO-

Механизмы токсического действия свободных радикалов: > связывание с протеинами (Б) > связывание с ДНК и РНК > окисление SH групп биосоед. > истощение коэнзимов > пероксидация липидов

Роль свободных радикалов в биосфере и ее частях – атмосфере, гидросфере и литосфере: образование озона (двойственная роль: «озоновый щит» на высоте 10-30 км – защита Земли и ее обитателей от поражающего действия УФ-света, но «сверхокислитель» - в нижнем ярусе тропосферы, стимулирующий высокий уровень протекания свободно-радикальных окислительных реакций неорганической и органической природы, образование оксидов азота и серы (промышленное производство), явление фотохимического смога (автотранспорт и пр.), действие сильнейшего окислителя и яда – треххлористого углерода, детергентов, пестицидов, поверхностно-активных веществ, диоксинов.

Супероксидный радикал О₂- генерируют лейкоциты (особенно интенсивно при фагоцитозе), митохондрии в процессе окислительных реакций, разные ткани при метаболической трансформации катехоламинов, синтезе Пг и других соединений. Пероксид водорода Н₂О₂ образуется при взаимодействии (дисмутации) радикалов 0₂-в цитозоле клеток и матриксе митохондрий. Этот процесс катализирует супероксиддисмутаза (СОД): О2^- + О2^- + 2Н+ => H₂O₂ + O₂ 02- и Н2О2 оказывают повреждающее действие и сами по себе, но под влиянием ионов железа, присутствующих как в цитоплазме, так и в биологических жидкостях, 0₂- и Н₂0₂ могут трансформироваться под влиянием каталазы в весьма агрессивный и обладающий высоким патогенным эффектом гидроксильный радикал ОН~: Н₂О₂ + Fe^{2 +} -> Fe3 + + ОН + ОН-; О2- + Н2О2 -> О2 + ОН + ОН-. Гидроксильные радикалы ОН- активно вступают в реакции с органическими соединениями, главным образом липидами, а также нуклеиновыми кислотами и белками. В результате образуются другие активные радикалы и перекиси. При этом реакция может приобрести цепной лавинообразный характер. Однако это происходит не всегда. Чрезмерной активации свободно-радикальных и перекисных реакций препятствуют факторы антиоксидантной защиты клеток.

Активация свободно-радикальных процессов в клетке

Многие ксенобиотики, попав во внутренние среды организма, подвергаются метаболическим превращениям (см. раздел "Биотрансформация ксенобиотиков в организме"). Одним из возможных результатов метаболизма является образование реактивных промежуточных продуктов. Становиться все более очевидным, что многие реактивные промежуточные продукты метаболизма ксенобиотиков появляются в форме свободных радикалов, т.е. на внешней орбитали молекулы метаболита находится неспаренный электрон. Центром образования такого радикала в молекуле могут быть атомы углерода, азота, кислорода, серы (рисунок 8):

Рисунок 8. Примеры простых свободных радикалов

Хорошо доказана возможность образования радикалов при метаболизме ацетаминофена, адриамицина (и других цитостатиков антрациклиновой группы), нитрофурантиона, параквата, фенилгидразина, четыреххлористого углерода, бенз(а)пирена и т.д. (рис. 9).

 

Рисунок 9. Структура веществ, подвергающихся биотрансформации с образованием активных радикалов

Проблемы СР механизмов токсического действия химических веществ и канцерогенеза. Гипотеза о ведущей роли в канцерогенезе, индуцированном различными химическими факторами, СР находит свое подтверждение совр. данными об образовании супероксида, пероксинитрита и NO при действии биологических, физических и химических канцерогенных факторов. Роль повреждающего действия СР, образующихся при действии ксенобиотиков на организм, - одна из вероятностных основ возникновения канцерогенеза. Была изучена взаимосвязь между изменением интенсивности СР процессов и выявленными патогистологическими изменениями в тканях. Приведена оценка вероятности взаимодействия различных типов СР и других продуктов СР реакций с биополимерами, следствием чего является канцгенез.

Установлено, что в ходе развития канцерогенеза у животных изменяется соотношение концентрация СР. Так, при развитии лейкозного процесса в тканях животного (селезенка, печень) вначале наблюдается увеличение СР, достигающее максимального уровня на четвертые сутки (изменение уровня СР обнаруживается до появления других признаков развития лейкозного процесса — увеличения веса селезенки, увеличения числа лейкоцитов и гемацитобластов в периферической крови и косном мозгу. Как правило, чем ранее увеличивалась конц-ция СР, тем быстрее развивался процесс опухолеобразования у организмов.

Перекисного окисления липидов

Свободнорадикальные процессы и реакции СПОЛ — необходимое звено таких жизненно важных процессов, как транспорт электронов в цепи дыхательных ферментов, синтез Пг и лейкотриенов, пролиферация и дифференцировка клеток, фагоцитоз, метаболизм катехоламинов и др. В реакции СПОЛ могут вовлекаться белки, нуклеиновые кислоты, липиды, в особенности фосфолипиды. СПОЛ важно для регуляции липидного состава биомембран и активности ферментов. Последнее является результатом как прямого действия продуктов липопероксидных реакций на ферменты, так и опосредованного — через изменение состояния мембран, с которыми ассоциированы молекулы многих ферментов. Интенсивность свободнорадикального перекисного окисления липидов регулируется соотношением факторов, активирующих (прооксидантов) и подавляющих (антиоксидантов) этот процесс. К числу наиболее активных прооксидантов относятся легко окисляющиеся соединения, индуцирующие появление свободных радикалов, в частности нафтохиноны, витамины А и D, восстановители - НАДФН2, НАДН2, липоевая кислота, продукты метаболизма Пг и катехоламинов.

Этапы.

Процесс СР ПОЛ можно условно разделить на три этапа:

1)кислородная инициация (кислородный этап);

2)обр-е СР орг.и неорг. веществ (СР этап);

3)продукция перекисей липидов (ПЛ этап).

Компоненты системы перекисного окисления липидов.

Активные формы кислорода.

Начальным звеном СР ПОЛ липидов при поврежд. клетки явл. образование активных форм кисл-да (АФК): •синглетного (02); •супероксидного радикала (02-); •перекиси водорода (Н2О2); •гидрокс-го радикала (ОН-).

Накопление в мембране липидных гидроперекисей приводит к их объединению в мицеллы, создающие трансмембранные каналы проницаемости, по которым возможен неконтролируемый ток катионов и других молекул органических и неорганических веществ в клетку и из неё, что, как правило, фатально для клетки. Увеличение образования продуктов свободнорадикального перекисного окисления липидов и параллельно с этим ― кластеров может привести к фрагментации мембран (этот процесс получил название детергентного действия продуктов СПОЛ) и к гибели клетки.

Процесс свободно-радикального перекисного окисления липидов является эффективным инструментом дезинтеграции биологических мембран клеток, было показано, что этот процесс является важным звеном механизма разрушения структурного следа в печени организмов – органе детоксикации.

Свободно-радикальный баланс (отношение концентрации свободно-радикальных состояний к количеству антиоксидантов в системе) существенно изменяется при различных физиологических воздействиях и патологических состояниях организма : Е-авитаминоз, ишемия и реоксигенация конечностей, эмоционально-болевой стресс, злокачественный рост, гематологические заболевания, лучевое поражение, интоксикация биологически активными веществами и т.д. Выявленные изменения антиокислительных систем в тканях больных были антибатны по отношению к развитию свободно-радикального окисления субстратов при тех же заболеваниях. Этим, по своей сути, иллюстрируются авторегуляторные механизмы ответных реакций организма на молекулярном уровне.

Антиоксиданты (антиокислители) — ингибиторы окисления, природные или синтетические вещества, способные замедлять окисление (рассматриваются преимущественно в контексте окисления органических соединений).

Различным организмам (биосистемам) или экосистемам присущ разный стационарный уровень концентрации свободных радикалов (отражающих разную степень интенсивности протекания окислительных свободно-радикальных реакций), регулируемый другой системой – антиокислительной (молекулами–антиоксидантами).

Для разных типов морских беспозвоночных показано, что при изменении солености среды происходит повышенный расход антиоксидантов и развитие окислительных свободно-радикальных перекисных реакций в липидной фазе клеток организмов. Организмы, неустойчивые к опреснению (морские ежи, морские звезды) в результате быстрого израсходывания антиоксидантов и резкого возрастания окислительных радикальных реакций при изменении солености быстро погибали. Наоборот, у организмов, более устойчивых к опреснению (актинии, балянусы) этот процесс протекал более медленно. Различная степень эвригалинности морских организмов оказалась тесно связанной с мощностью антиокислительных систем липидной природы.

Сравнительное изучение организмов с различной способностью выдерживать опреснение и переходить из моря в реки показало, что у организмов, способных осуществлять такой переход (проходные рыбы), мощная антиокислительная система, не дающая развиваться «разрушительным» окислительным реакциям.

В клетках протекают процессы и действуют факторы, которые ограничивают или даже прекращают СР и перекисные реакции (ПР), т.е. оказывают антиоксидантный эффект. Одним из таких процессов является взаимодействие радикалов и гидроперекисей липидов между собой, что ведёт к образованию «нерадикальных» соединений. Ведущую роль в системе антиоксидантной защиты клеток играют механизмы ферментной, а также неферментной природы.

В реакциях преобразования кислородных свободных радикалов принимают участие такие антиоксидантные ферменты, как:

супероксиддисмутаза (E-Cu2+, E-Mn3+, E-Fe3+): Е-Сu2+ + О2- →Сu+ + О2; Е-Сu+ + О2- +2H+→Е-Си2+ +Н2О2;

каталаза и пероксидаза: E - Fe3+ - ОН- + Н2О2 → Е – Fe3+ - ООН- + H2О E-Fe3+ - OOH- + H2O2→E-Fe3+ - OH- + H2O + O2. В реакциях ПОЛ при радикал-радикальной аннигиляции происходит обрыв цепей с образованием молекулярных продуктов реак-ции: RO + O2- + H+ →RОH + О2; ROO + O2- →ROOH + O2; RO2 +RO2 → R = O + O2 +hv. Следствием обрыва цепей в этих преобразованиях будет образование пероксида водорода и кислорода. По мере накопления пероксид водорода в реакциях дисмутации содействует образованию de novo свободных радикалов, которые снова могут вступать в вышеуказанные преобразования с образованием Н2О2 и выделением кислорода: О2- + Н2О2 → О2 + ОН- + ОН’; ОН’ +Н2О2 → H2O +H+ +О2-; Н2О2 +ē→ОН + ОН-.

С целью повышения адаптивных способностей организма и предупреждения вредных последствий действия на организм различных факторов среды все шире применяются фармакологические средства, среди которых заметное место занимают химические соединения, обладающие антиокислительным действием. В первую очередь, это относится к витаминам – антиоксидантам (альфа-токоферол, аскорбиновая кислота и др.).

Звенья антиоксидантной системы и её некоторые факторы

Уровни действия антиоксидантных факторов клетки.

11) Биомембраны и токсиканты (основные характеристики биологических мембран, взаимодействие токсикантов с рецепторами биомембран: нарушение проницаемости мембран, структурно-функциональной целостности мембран (в частности за счет перекисного окисления мембранных липидов), биопотенциалов мембран, биоэнергетических и окислительно-восстановительных процессов в мембранах; типы окислительных реакций в биомембранах с участием различных форм кислорода).

Молекулярная организация биомембран, модели и основные типы мембран. Методы изучения мембран: спектральные, микроскопические, ферментативные, химические и др. Компоненты мембран, их роль и взаимозависимость. Мембранные белки — периферические и интегральные. Родопсины, мембранные ферменты — АТФазы, цитохром Р-450. Липид-белковые взаимодействия. Реконструкция активных мембранных систем. Мембранный транспорт. Пассивный транспорт; диффузия воды, ионов и низкомолекулярных веществ. Ионофоры и каналообразователи. Активный транспорт, транспортные АТФазы. Особенности мембран различных клеток (кожи, нервных и др) и субклеточных структур (митохондрий, ядер и др.). Мембраны растительных клеток; бактериальная стенка. Межклеточные контакты. Возбудимые и синаптические мембраны. Медиаторы. Нейротоксины – ингибиторы проведения нервного импульса. Рецепция. Взаимодействие лиганд-рецептор, передача сигнала в клетку. Аденилатциклазная система, фосфоинозитидный цикл. Холинорецепторы. Рецепторы иммунной системы. Запах и вкус. Искусственные мембранные системы. Мономолекулярные слои; плоские бислойные мембраны, их получение и методы исследования. Метод «patch clamp». Липосомы. Встраивание) в липосомы белков. Практ. применение липосом — доставка лекарств, искусственные вакцины и др

Основные свойства и функции биологических мембран

1. Плазматическая мембрана. Содержимое клетки отграничено от окружающей среды плазматической мембраной. Благодаря этому поддерживаются условия, позволяющие структурным элементам клетки выполнять присущие им функции. С другой стороны через плазматическую мембрану осуществляется непрерывный транспорт различных молекул, чем и обеспечивается обмен веществом между средой и клеткой. Толщина плазматической мембраны составляет около 10 нм. Наконец в мембране локализуются белковые структуры, формирующие ионные каналы, рецепторы для физиологически активных веществ, обеспечивающие восприятие сигналов, регулирующих биологическую активность клетки (см. ниже).

Мембрана образована двумя слоями молекул липидов, гидрофобные части которых направлены друг к другу, а гидрофильные в сторону окружающей и внутренней среды клетки. Основные группы липидов - фосфолипиды (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, сфингомиелин), гликолипиды, нейтральные липиды (холестерол и т.д.). Молекулы липидов легко диффундируют в липидных слоях. В мембрану встроены белковые молекулы, которые часто пронизывают всю ее толщу, либо погружаются на различную глубину, локализуясь на внешней или внутренней стороне. Углеводный компонент клеточной мембраны представлен главным образом гликопротеинами. Они располагаются на внешней поверхности мембраны.

Клеточные мембраны чрезвычайно динамичный элемент. Их строение изменяется в соответствии с условиями окружающей среды и потребностями клетки. Увеличение площади поверхности растущей клетки осуществляется за счет слияния клеточной мембраны с синтезируемыми в цитоплазме (аппарат Гольджи) микровезикулами.

Важными свойствами клеточной мембраны является её электрический заряд и электрическая проводимость. Наружная сторона мембраны клеток в состоянии покоя заряжена положительно. Полярность мембраны определяется отчасти асимметричностью липидных слоев, отчасти наличием в её составе белковых молекул и гликопротеинов. Особое значение имеет градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны, поддерживаемый благодаря энергозатратным процессам. Таким образом свойства мембраны и обмен веществ в клетке тесно связаны. Вещества, вмешивающиеся в обмен липидов, существенно влияют на свойства биологических мембран.

2. Цитоплазматические мембраны. Внутри клеток имеются многочисленные мембранные структуры, образующие эндоплазматический ретикулум, мембрану ядра клетки, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы. Эти структуры образованы двумя слоями биологической мембраны. Между этими слоями имеется пространство толщиной около 10 нм. Общая толщина внутриклеточных мембран - около 25 нм.

Мембрана клеточного ядра представляет собой специализированный отдел эндоплазматического ретикулума. Пространство, находящееся между двумя листками мембраны, по-видимому сообщается с межклеточным пространством. Этим путем токсиканты могут проникать непосредственно в ядро, минуя цитоплазму, что прослеживается, в частности, при поступлении в клетку акридиновых красителей. Ионы Na⁺ также поступают в ядро из экстрацеллюлярной жидкости по эндоплазматическому ретикулуму.

Действие токсикантов на мембраны

Токсическое действие многих веществ сопряжено с их влиянием на состояние мембранных структур. Оно может быть прямым и опосредованным. Наиболее вероятными механизмами опосредованного повреждения биологических мембран при интоксикациях являются:

- активация перекисного окисления липидов;

- активация фосфолипазной активности.

Прямое действие на мембраны

Возможно действие ксенобиотиков непосредственно на липидный бислой или белковые компоненты биомембран. Развивающиеся вследствие этого эффекты могут быть как неспецифичными (отсутствие строгой зависимости между структурой токсиканта и развивающимся эффектом), так и строго специфичными. Специфичность является следствием действия токсикантов на энзимы и рецепторные белковые комплексы (см. выше). Часто действие носит смешанный "полуспецифический" характер.

В результате неспецифического действия многочисленных токсикантов (бензола, толуола, динитробензола, хлороформа, мылов, сапонинов, смачивающих веществ, тяжелых металлов и других денатурирующих агентов) может нарушаться структурная целостность мембран, что приводит к деформации, лизису клетки и её гибели. При действии таких веществ на мембраны эритроцитов развивается гемолиз.

Действуя в малых дозах на возбудимые мембраны нервных клеток ЦНС, органические растворители, спирты вызывают седативно-гипнотический. В действии этих соединений, помимо неспецифических, прослеживаются и отчетливые специфические механизмы. Так, вещества со свойствами "неэлектролитов" накапливаясь в мембранах, одновременно изменяют их проницаемость для ионов Na⁺, K⁺, Ca⁺², Cl^- .

Активация перекисного окисления липидов

Благодаря ненасыщенности углеводородной цепи жирных кислот и непрочности связи аллильных атомов водорода с метиленовыми группами, фосфолипиды клеточных мембран наиболее предрасположены к реакции окисления, инициируемой свободными радикалами, образующимися в клетке. Процесс перекисного окисления усиливается вторичным образованием из липидов высоко реакционноспособных и легко диффундирующих карбонильных радикалов, которые могут обусловливать неблагоприятные процессы, развивающиеся в клетках далеко за пределами сайта своего образования не только клетки, но и органа.

Для развития патологического процесса важно, чтобы окислительно-восстановительный цикл превращения ксенобиотика "работал" достаточно долго, с тем, чтобы произошло истощение механизмов антирадикальной защиты клетки (см. выше). Поскольку непродолжительная инициация окислительно-восстановительного цикла трансформации ксенобиотика может стимулировать систему антиокисдантной защиты, при интоксикациях некоторыми прооксидантами возможно развитие парадоксальной реакции, а именно - угнетение процесса окисления липидов в тканях.

Для развития процесса важна степень насыщенности тканей кислородом. В полностью аэробной среде образующийся из ксенобиотика восстановленный метаболит подвергается быстрому обратному окислению. При этом значительно возрастает количество радикалов в виде вторичных активных форм кислорода. Поэтому хорошо снабжаемые кровью и насыщенные кислородом ткани (легкие, сердце, головной мозг) являются более чувствительными к повреждающему действию прооксидантов.

4.2.3. Активация фосфолипаз

Важным механизмом повреждения биологических мембран является гидролиз фосфолипидов, наступающий вследствие активации фосфолипаз (особенно фосфолипазы A₂). Активация энзима происходит в результате прямого или опосредованного (гипоксия, нарушение гомеостаза внутриклеточного кальция и т.д.) действия многих токсикантов на клетки организма.

Результатом действия фосфолипазы А₂ на липиды биологических мембран является высвобождение арахидоновой кислоты. Последняя является, в свою очередь, субстратом энзима циклооксигеназы. Превращение арахидоновой кислоты под влиянием энзима приводит к образованию эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов, простациклинов) - веществ, активирующих воспалительные процессы в тканях. Под влиянием другого энзима, 5-липоксигеназы, арахидоновая кислота превращается в лейкотриены и эйкозатетраеноевые кислоты. Эти вещества являются химиоатрактантами нейтрофилов, веществами, регулирующими сосудистую проницаемость.

Биологические последствия действия токсикантов на мембраны

Вещества, действующие на клеточные мембраны, как правило, изменяют следующие их параметры:

1. Проницаемость. Изменяется поступление субстратов в клетки и отток продуктов метаболизма. Действие проявляется изменением интенсивности обмена веществ в клетке, нарушением электрических свойств мембран.

2. Электрический заряд. Нарушается раздражимость возбудимых клеток.

3. Структурная организация. Нарушается структура клетки, возможна клеточная гибель.

Поскольку система внутриклеточных мембран также является мишенью для действия многочисленных токсикантов, среди них можно выделить группу митохондриальных ядов, повреждающих различные звенья процессов биоэнергетики, веществ действующих на шероховатый (нарушение процессов синтеза белка) и гладкий эндоплазматический ретикулум (индукция или угнетение метаболизма ксенобиотиков), лизосомальные мембраны (аутолиз клеток) и др.

Механизмы токсического повреждения систем энергообеспечения клетки

Механизмы действия токсикантов на биоэнергетические процессы

Мышьяк, ртуть, их органические и неорганические соединения, другие тяжелые металлы, иодацетат и проч., могут взаимодействовать с сульфгидрильными группами целого ряда энзимов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот и подавлять их активность (сульфгидрильные яды). Достаточно избирательно действуют вещества-аналоги природных субстратов (фторацетат, оксид углерода и т.д.). Они взаимодействуют с активными центрами соответствующих энзимов, угнетая отдельные этапы процесса энергообеспечения клеток.

Некоторые вещества способны разобщать процессы биологического окисления и фосфорилирования. Такими свойствами обладают, как правило, липофильные соединения, содержащие фенольную группировку в молекуле и являющиеся слабыми органическими кислотами: 2,4-динитрофенол (ДНФ), динитро-о-крезол, хлорфенолы, дикумарол, а также салицилаты, арсенаты, тироксин и др. in vitro "разобщители" стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями и индуцируют активность АТФазы. in vivo в результате их действия значительно активируются процесс клеточного дыхания, однако содержание АТФ в клетках при этом снижается. Образующаяся в ходе окисления субстратов энергия рассеивается в форме тепла, температура тела отравленного резко повышается, учащается дыхание, появляются тошнота, обильное выделение пота, развивается острая сердечная недостаточность, кома. Интоксикация развивается бурно и заканчивается быстрой гибелью пострадавшего.

Механизм действия разобщителей до конца не выяснен. Полагают, что они облегчают переход протонов непосредственно через мембрану из митохондрий в цитоплазму. Двигателем же процесса образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата как раз и является градиент протонов по обе стороны мембраны митохондрий, не проницаемой для Н⁺, поддерживаемый реакциями биологического окисления.

Гипотезы электрохимического сопряжения процессов окисления и фосфорилирования в электронпереносящих цепях митохондрий, хлоропластов и бактерий: химическая, конформационная и хемиосмотическая.

Согласно хемиосмотической (наиболее вероятной, за к-рую в 1978 г. П.Митчелл получил Нобелевскую премию по химии) сопрягающая мембрана названных органелл клеток или бактерий содержит две протонные помпы (движущей силой для одной – перенос электронов или поглощение фотонов; для другой – гидролиз АТФ); обе помпы ориентированы в мембране одинаково: перенос электронов по цепи (от высокопотенциальных доноров к акцепторам) и гидролиз АТФ АТФ-синтетазой приводят к трансмембранному переносу протонов в одном направлении; и в том, и в другом случае перенос протонов через мембрану тесно связан с переносом электронов или гидролизом АТФ; общая схема процесса: окисление восстановленного субстрата (или поглощение им фотона) приводит к изменению разности биопотенциалов мембраны (зарядка – разрядка), ведущая к гидролизу (синтезу) АТФ.

Типы окислительных реакций в биомембранах клеток организмов с участием кислорода: АН2 + О2 = А + Н2О (в митохондриях, цитохромоксидаза) АН2 + О2 = АОН + ОН-

(в эндоретикулуме, цитохром Р - 450) RН2 + О2 = ROОН (ПОЛ) (во всех биомембранах, Fe-содержащий фермент. и нефермент.комплекс)