Экотоксикология

Многие фторорганические соединения, в частности фторацетат, сами по себе практически нетоксичные, попадая в организм, вступают во взаимодействие с коэнзимом А, образуя фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется с щавелево-уксусной кислотой, образуя сильный яд — фторлимонную кислоту. Под ее действием в тканях накапливается лимонная кислота и нарушается цикл Кребса.
Нарушение ферментативной активности может явиться следствием косвенного действия ядов на ферменты. Токсичный агент, не воздействуя непосредственно на фермент, изменяет его активность, связывая природные активаторы и ингибиторы, взаимодействуя с субстратом, тормозя или активируя процессы синтеза и распада фермента. По такому пути действуют комплексообразова-тели, связывая в организме металлы, играющие роль активаторов ряда ферментных систем. Фториды связывают кальций и магний, необходимые для нормального функционирования ферментов углеводно-фосфатного обмена.
Торможение синтеза ферментов может быть вызвано веществами, блокирующими синтез белка (актиномицин Д пуромицин).
Активация ферментных систем часто бывает обусловлена торможением химическими веществами скорости их распада. Барбитураты тормозят скорость распада микросомальных ферментов и тем самым повышают их активность.
Динитрофенолы, динитроортокрезол, пентахлорфенол, ДДТ, севин повреждают внутриклеточные структуры, вызывая набухание митохондрий, изменяя проницаемость митохондриальной мембраны, разобщая дыхание и фосфорилирование.
Примером косвенного влияния химических веществ на ферментативную активность является избирательное повреждение ядами желез внутренней секреции, вырабатывающих гормоны, что приводит к нарушению гормональной регуляции ферментативной активности. Тормозящее действие на выработку тироксина щитовидной железой оказывают пестициды ТМТД, тиомочевина, а также перхлорат аммония и др.
В ряде случаев в основе механизма действия яда лежат реакции с неферментными структурами. К ним относятся взаимодействия с функциональными группами структурных белков биологических мембран, нуклеиновыми компонентами внутриклеточных структур, биологически активными веществами неферментной природы. Так действует оксид углерода, вызывая гипоксию.
Усилению токсичности вещества способствуют замыкание цепи углеродных атомов, введение галогенов в молекулу органического соединения, введение в молекулу нитро- (Н02), нитро-зо- (N0) и аминогрупп (НЗ2) двойных связей. Соединения с нормальной углеродной связью более токсичны по сравнению со своими разветвленными изомерами. Силу действия соединения ослабляет введение в молекулу гидроксильной группы, резко ослабляет токсичность ацетилирование и карбоксилирование. Первые члены гомологического ряда предельных углеводородов (метан) более токсичны, чем последующие. Большей токсичностью обладают пара-изомеры, меньшей — мета- и еще меньшей — ор/ио-изомеры.
Наркотическое действие спиртов жирного ряда возрастает в гомологическом ряду с увеличением числа атомов углерода, с возрастанием молекулярной массы (правило Ричардсона).

Большинство токсических веществ взаимодействуют с рецептором за счет легко разрушающихся ионных, водородных, ван-дер-ваальсовых связей, что способствует их успешному отделению и удалению из организма. Силы Ван-дер-Ваальса слабее ковалент-ных сил, но проявляются на больших расстояниях. Количество токсических веществ, способных образовывать прочные ковалент-ные связи, невелико. К ним, в частности, относятся соединения мышьяка, ртути, сурьмы, фосфорорганические инсектициды.
Типичным примером подавления активности ферментов путем прямого взаимодействия с ними яда является действие антихолин-эстеразных соединений. К этой группе ядов относятся многочисленные фосфорорганические ингибиторы холинэстеразы, легко вступающие во взаимодействие с серином, входящим в состав активного центра фермента. Связь фермента с ядом медленно разрушается, и фермент перестает функционировать. Это ведет к накоплению физиологического ацетилхолина. Ацетилхолинэстераза способствует быстрому разрушению ацетилхолина — одного из основных медиаторов у позвоночных животных, способствующих проведению нервного импульса через синаптическое пространство между синаптическим пузырьком на кончике аксона одного нейрона и началом дендрита или телом другого нейрона. Накопление ацетилхолина приводит к сильнейшему отравлению.
Другим примером прямого воздействия токсических веществ на ферментные системы является блокирование входящих в них атомов металлов. Широко известно ингибирование цианидами, сероводородом, оксидом углерода цитохромных систем путем взаимодействия с железом их простетической группы. Цитохромы — группа железосодержащих белков, присутствующих во всех аэробных клетках и играющих важную роль в клеточном дыхании. В состав цитохромов входят железопорфириновые простетические группы, подобные тему в гемоглобине. В цитохромах различают четыре типа гемов, обозначаемых буквами я, Ь, с и d. Кроме того, цитохромы отличаются друг от друга по своим белкам, способу присоединения гема к белкам. С кислородом реагирует лишь последний цитохром дыхательной цепи — цитохромоксидаза. Это единственный цитохром, обладающий каталитическими свойствами. Другие цитохромы не являются ферментами. Цитохромоксидаза локализована во внутренней мембране митохондрий и осуществляет быстрое окисление цитохрома молекулярным О2. Под действием токсикантов происходит подавление активности цитохромоксидазы. Эта группа ядов вызывает также нарушение окислительных реакций, протекающих в мембранах эндоплазма-тической сети с участием цитохрома С 450. Его комплекс с СО имеет максимум поглощения при длине волны 450 нм. Активность цитохрома С 450 подавляется цианидами и оксидом углерода. Блокирование его активности ядами нарушает функционирование микросомальных ферментов. Микросомы — это морфологически замкнутые пузырьки эндоплазматической сети клетки. В микросомах содержатся активные оксигеназы — ферменты, непосредственно присоединяющие кислород к различным субстратам.
Распространенным путем подавления активности ферментных систем ядами является взаимодействие их с функциональными группами, блокада или разрушение которых приводит к утрате либо снижению активности фермента. К числу таких группировок относятся: а) функциональные группы активного центра, участвующие в образовании связи между ферментом и субстратом или ко-ферментом; б) группы, катализирующие превращение и распад фермент-субстратного комплекса; в) группы вне активного центра, блокада которых вызывает падение активности фермента за счет конформационных изменений его белковой молекулы; г) группы регуляторного центра ферментной системы, взаимодействующие с продуктами ферментной реакции. К таким ядам относятся соединения мышьяка, вступающие во взаимодействие с тио-ловыми и дитиоловыми группами в составе ферментов. Число таких тиоловых ферментов достигает более 100 наименований. В реакции с функциональными группами ферментов вступают также многие тяжелые металлы, их соли, оксиды, металлооргани-ческие соединения (соединения ртути, кадмия, ванадия), йод, пе-роксид водорода, озон, диоксид азота, йодацетат, хлорэтиламины, акриламид, фосген, хлорпикрин и др.

Действие яда определяется прежде всего его концентрацией в организме. Для большинства ядов можно предположить, что ответная реакция следует непосредственно за адсорбцией чужеродных веществ на рецепторе и длится до тех пор, пока яд остается на этом рецепторе. Понятие о рецепторе как месте приложения яда позволяет судить о механизмах взаимоотношений яда с биологическим субстратом. Термин «рецептор» был предложен в начале XX в. известным немецким ученым П. Эрлихом. Он представлял рецепторы в виде определенных участков крупных молекул, комплементарных чужеродным соединениям. Связь между чужеродными веществами и их рецепторами возникает, по-видимому, аналогично взаимодействию субстрата со специфическим ферментом.
Во многих случаях рецепторы действительно представляют собой ферменты. В частности, оксигруппа серина, входящая в состав молекулы фермента ацетилхолинэстеразы, служит рецептором для фосфорорганических инсектицидов, образующих с этим ферментом прочный комплекс.
Кроме ферментов, являющихся наиболее частым местом первичного действия металлов, рецепторами для них могут быть и другие компоненты клетки (аминокислоты гистидин и цистеин, нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, витамины). Роль рецепторов выполняют многие функциональные группы органических соединений, такие, как сульфгидрильные, гидроксильные, карбоксильные, амино- и фосфорсодержащие, играющие важную роль в метаболизме клетки. В роли рецепторов могут выступать также различные медиаторы и гормоны. Чтобы производить биологическое действие, химическое вещество должно обладать сродством к рецепторам и собственной физико-химической активностью. Под сродством подразумевается степень притяжения вещества к рецепторам, она измеряется величиной, обратной скорости диссоциации комплекса вещество + рецептор. Взаимодействием с тем или иным рецептором клетки обусловлено проявление специфического токсического действия металлов.
Эффект от циркуляции яда в организме пропорционален поверхности рецепторов, занятой молекулами токсического вещества. В токсикологии различают неспецифическое (общее) и специфическое действие химических агентов. Неспецифическое действие яда связано со слабыми взаимодействиями вещества с клеткой в результате его присутствия в биосубстрате. Так действуют многие наркотики, представляющие собой неэлектролиты. Они слабо диссоциируют на ионы и обладают слабой электрической проводимостью. Их влияние на организм основано не на специфических химических взаимодействиях с клеточными рецепторами, а на взаимодействии со всей клеткой в целом, обусловленном физико-химическими свойствами вещества. Вещества с неспецифическим действием могут не вступать в организме в какие-либо химические реакции и не подвергаться превращению, вызывая токсический эффект своим присутствием.
Степень развития токсического эффекта у многих ядов зависит от их концентрации и времени воздействия. По этим параметрам яды делят на концентрационные и хроноконцентрационные. К концентрационным ядам относятся вещества, действие которых зависит главным образом от концентрации, а не от времени (многие летучие наркотики, кураре, кокаин). Хроноконцентраци-онными ядами являются вещества, токсический эффект которых существенно зависит от времени воздействия и определяется по формуле
К такому типу веществ относятся фосген и яды, оказывающие действие на обмен веществ и на ферментные системы, особенно в тех случаях, когда сам яд играет роль катализатора (карбонил натрия).

Общий токсический эффект является результатом специфического токсического действия чужеродного химического вещества и неспецифических реакций организма. Распределение токсических веществ в организме зависит от пространственного, временного и концентрационного факторов.
Пространственный фактор определяет пути наружного поступления ада и его распространения в организме. Наибольшее количество яда в единицу времени поступает в легкие, почки, печень, сердце, мозг. При ингаляционных отравлениях основная часть яда поступает в почки, при пероральных — в печень.
Под временнът фактором понимают скорость поступления яда в организм и скорость его выведения из организма. Токсический эффект обычно наиболее отчетливо проявляется в первой стадии острых отравлений — токсикогенной, когда токсикант находится в организме в дозе, способной вызвать токсическое действие. Вторая, соматогенная, стадия острых отравлений наступает после удаления или разрушения токсиканта в виде последующего поражения структуры и функций различных органов и систем организма.
Концентрационный фактор (концентрация яда в крови) — один из основных в токсикологии. В зависимости от изменения концентрации ада в крови в токсикогенной фазе различают два периода: резорбции (промежуток времени от поступления токсического вещества в организм до достижения им максимальной концентрации) и элиминации (продолжается от начала снижения концентрации ада в крови до полного очищения от него). Токсический эффект максимально выражен в период резорбции. В соматогенной фазе чаще наблюдаются осложнения острых отравлений (пневмония, печеночно-почечная недостаточность и др.).

В рыбохозяйственном водопользовании выделено 4 класса опасности загрязняющих воду веществ: 1 — чрезвычайно опасные, 2 — высокоопасные, 3 — опасные, 4 —умеренно опасные. Оценку опасности химических соединений проводят на основе показателей токсичности, значений ПДК, способности к материальной кумуляции, поведения вещества в водоеме.
По поведению в водоеме вещества делят на следующие группы:
• практически ^трансформируемые (хлорид натрия);
• вещества, метаболиты которых вступают в сложные соединения с природными органическими компонентами, меняя характер и интенсивность воздействия на б йоту:
• подвергающиеся деградации в природных водах до более простых соединений. Их метаболиты могут быть более токсичны, чем исходные вещества. Поведение вещества в водоеме характеризуется также сроками его разрушения (стабильностью) (табл. 2.5—2.7).

Токсикологическая классификация основана на разделении химических веществ по характеру их токсического действия на организм.
Классификация летучих токсических веществ по их свойствам и биологическому эффекту разработана Гендерсоном и Хоггардом (1930) и включает четыре группы.
I. Удушающие:
1) простые удушающие, действие которых сказывается в вытеснении кислорода из вдыхаемого воздуха (азот, водород, гелий);
2) химически действующие, нарушающие газообмен в крови и тканях (оксид углерода, синильная кислота).

II. Раздражающие. Вызывают раздражение слизистых оболочек
дыхательных путей, легких, ведущее к развитию воспалительных
реакций.
III. Летучие наркотики и родственные им вещества, действую
щие после поступления в кровь. Оказывают острое действие на
нервную систему, вызывая наркоз. Делятся на пять подгрупп:
1) наркотические вещества, не обладающие ясно выраженным последействием (оксид азота II, эфиры, углеводороды жирного ряда);
2) вещества, оказывающие вредное действие главным образом на внутренние органы (галогенпроизводные углеводороды жирного ряда);
3) вещества, обладающие действием главным образом на кроветворную систему (ароматические углеводороды);

4) органические соединения азота, действующие преимущественно на кровь и кровообращение (анилин, нитробензол);
5) вещества, обладающие действием преимущественно на нервную систему (алкоголи, сернистые соединения жирного ряда).
IV. Неорганические и металлоорганические соединения (ртуть,
свинец, фосфор, фторид водорода и др.).