Стадии токсического действия. Моделирование токсического действия
В последние годы появились многочисленные экспериментальные и теоретические исследования процессов биотрансформации, результаты которых приведены, например, в монографии. Такие исследования включают биологические эксперименты in vitro и in vivo, в ходе которых с помощью методов современной аналитической химии (газожидкостная хроматография, масс-спектрометрия и др.) идентифицируются продукты биохимических превращений, а также их аддукты с биомолекулами. Оценивается также сравнительная токсичность исходных веществ и продуктов биотрансформации.
Поскольку хемобиокинетика представляет собой сложный многостадийный процесс взаимодействия вещества с организмом, нет и не может быть универсального параметра или модели, с помощью которых можно было бы описать все случаи интоксикации. На этапе абсорбции важны такие показатели, как гидрофобность, растворимость, объем, площадь поверхности молекулы. Эти параметры используются для построения зависимостей структура — токсичность, описывающих неспецифическое действие веществ, так называемые базовые модели. Базовая токсичность, определяемая по этим моделям, соответствует случаю, когда эффект зависит в основном от дозы вещества, дошедшей до активного центра, а не от различий в природе и скорости химического взаимодействия на этом центре.
На второй и третьей стадии происходит взаимодействие стабильных веществ, не подвергающихся биотрансформации, с биомолекулами-рецепторами, определяющее токсическое действие.
Вторая и третья стадии механизма взаимодействия представляют собой эффект определяется участием ферментов, белков, ДНК. Если токсический эффект определяется таким химическим взаимодействием, для описания токсичности важны параметры, характеризующие реакционную способность. Физико-химические показатели, характеризующие каждую стадию взаимодействия в терминах патогенетической модели интоксикации, изложены в работе.
Параметры реакционной способности веществ, в частности энергетические параметры, характеризующие вероятность (скорость, легкость) прохождения химических реакций, могут быть рассчитаны методами вычислительной, в частности квантовой, химии. Однако каждая стадия механизма взаимодействия вещества с организмом очень сложна для моделирования в силу сложности структуры биомолекул, расчет электронных параметров для которых на современном этапе практически невозможен. Поэтому при построении соотношений структура — активность приходится использовать параметры, характеризующие упрощенные модельные химические реакции для описания более сложных биохимических взаимодействий. Так, в оксе-ноидной модели действия монооксигеназ для построения соотношений структура — активность рассчитывают параметры модельной реакции химических веществ с атомарным кислородом.
Выбор параметров должен определяться тем, какая стадия взаимодействия является определяющей для веществ данного структурного ряда, т.е. такой, на которой небольшие изменения химической структуры веществ приводят к большой разнице в их токсичности.
В случае, когда определяющей стадией является взаимодействие вещества с рецептором, необходимо рассчитывать параметры, характеризующие электронное строение и реакционную способность самого вещества (энергии высшей заполненной и нижней свободной молекулярных орбиталей, заряды на атомах и т.д.). Если в результате экспериментальных исследований установлено, что токсичность вещества определяется биоактивацией с образованием высокореакционноспособных короткоживущих интермедиатов, целесообразно рассчитывать параметры реакции, моделирующей реакцию их образования [энергии образования интермедиатов], разности энергий граничных орбиталей веществ. Когда в результате биоактивации образуются устойчивые высокотоксичные метаболиты, используются параметры, характеризующие электронное строение и реакционную способность этих метаболитов.
Интенсивное развитие в последние годы экспериментальных исследований механизма взаимодействия на молекулярном уровне с изучением хемобиокинетики и идентификацией образовавшихся метаболитов позволяет сделать обоснованные предположения о том, какая стадия является определяющей. Пример результатов такого исследования — схема метаболизма хлор- и бромзамещенных алифатических соединений — пропанов, пропенов и пропанолов описан в монографии. В ходе исследования были определены пути биотрансформации, промежуточные соединения и стабильные высокотоксичные метаболиты — галогензамещенные ненасыщенные альдегиды и кетоны, взаимодействием которых с биомолекулами и определяет в основном токсическое действие этих веществ на млекопитающих. Различия в токсичности веществ этого ряда могут быть описаны с использованием параметров, характеризующих реакционную способность метаболитов.
Для исследования зависимостей структура — биотрансформация — активность необходимо подобрать ряд структурно родственных соединений. Этот этап может быть выполнен с использованием компьютерных информационно-поисковых систем, например RTECS (register of toxicologicol effects of chemicals), системы по токсичности и опасности веществ в воде или IRIS (integrated risk information system). Далее проводится поиск и анализ литературы по биохимическим механизмам действия веществ этого ряда на организм, процессам биотрансформации, данных о предполагаемых метаболитах и экспериментальных оценках их активности. Такие сведения не обязательно необходимы для всех членов ряда, а хотя бы для нескольких типичных соединений. На основании собранных данных выбираются электронные параметры, которые должны быть рассчитаны методами вычислительной химии и использованы для построения соотношений структура — активность.
Изложенный подход, основанный на учете биотрансформации и применении методов вычислительной химии, был применен для получения соотношений структура — активность в различных структурных рядах. Этот подход был применен при описании зависимостей смертельных и пороговых эффектов, мутагенного и канцерогенного эффектов, метгемоглобинобразующей активности, нейротоксичности и других видов биологической активности от структуры.
