Хемобиокинетика токсинов. Метаболиз токсинов в печени
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 разнообразных 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 или в виде метаболитов. Превращения некоторых ксенобиотиков могут происходить уже в месте соприкосновения с тканями. В крови чужеродные вещества в той или иной мере вступают в связь с плазменными белками, 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, токсикокинетика — 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 поступлением 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. Соответственно токсикокинетика более сосредоточена на этих путях поступления. Однако в любом случае методы исследования, способы обработки и описания 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 ксенобиотиков через организм, включая процессы их поступления, распределения, метаболизма и выделения.
В заключении краткого введения сопоставим хемобиокинетику с токсикодинамикой (можно было бы сказать хемобиодинамикой, но это определение 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, которые возникают в организме под влиянием воздействия ксенобиотиков.
Однако суть заключается в том, что не бывает однонаправленного действия; организм в свою очередь воздействует на ксенобиотик (метаболизм, распределение, элиминация) и поэтому еледует говорить об их взаимодействии. Хемобиокинетика сосредоточена на поведении ксенобиотиков под влиянием организма.
В настоящей статье 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.
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 метаболизм, направленный на такое преобразование, которое способствовало быстрейшему их выведению из организма или полному разрушению до нетоксичных продуктов.
Молекулярные механизмы метаболизма ксенобиотиков в организме условно можно разделить на два типа. Первый из них связан с функционированием монооксигеназных систем гладкого эндоплазматического ретикулума и сопряженных с ними реакциями конъюгации. Заметим, что для монооксигеназных систем существует несколько равноиспользуемых синонимов: оксидазы со смешанными функциями, система цитохрома Р-450, цитохром Р-450-содержащая монооксигеназная система и др.
Для экспериментальных и иных целей ферменты монооксигеназных систем гладкого эндоплазматического ретикулума выделяют путем дифференциального центрифугирования в виде фракции микросом. В этой фракции 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 алифатической цепи, в ароматическом и алициклических кольцах и в алкильных боковых цепях, N-гидроксилирования, О-, S- и N-дезалкилирования, окислительного дезамидирования и дезаминирования, десульфирования и эпоксидирования. Эти же ферменты катализируют реакции восстановления нитрои азотосоединений; реакции восстановительного дегалогенирования. В результате указанных реакций ксенобиотики приобретают реактивные группы ОН, NH2, COOH, SH, которые обеспечивают вступление в реакции конъюгации с образованием малотоксичных соединений, легко выводящихся из организма с мочой, желчью и калом.
Таков самый общий путь метаболизма ксенобиотиков. На самом же деле все происходит существенно сложнее и в процессе многоступенчатого метаболизма зачастую образуются весьма токсичные соединения, но об этом — в конце раздела.
Оксидазы со смешанными функциями представляют собой полиферментный 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 специфичности. Этот белок является важнейшим компонентом микросомной монооксигеназной системы, ответственным за активацию молекулярного кислорода и связывание субстрата. Помимо цитохрома Р-450, в состав монооксигеназной системы входят НАДФН-цитохром Р-450-редуктаза, цитохром b5 и НАДН-цитохром b5-редуктаза. Входят в систему и иные ферменты, менее значимые. Все они связаны с мембранными белками эндоплазматического ретикулума. Ведущую роль в метаболизме ксенобиотиков играют НАДФН -зависимые реакции; НАДН-зависимые реакции составляют примерно 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 примерно так. Липофильный ксенобиотик на I стадии взаимодействует с окисленной формой цитохрома Р-450 с образованием фермент-субстратного комплекса. На II стадии фермент-субстратный комплекс восстанавливается электроном, поступающим из НАДФН-зависимой цепи переноса от НАДФН с помощью ряда ферментов. Следующая III стадия — это взаимодействие восстановленного фермент-субстратного комплекса с кислородом. На IV стадии тройной комплекс фермент — субстрат — кислород восстанавливается вторым электроном. V стадия — это внутримолекулярные перестройки восстановленного тройного комплекса и его распад с освобождением 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.
