Экотоксикология

Лечебно-профилактическое питание повышает устойчивость организма, его способность противодействовать нарушениям, возникающим под действием яда.
Хорошо изучено профилактическое значение белка и ряда аминокислот, особенно содержащих серу (цистеин, метионин). Свободные SH-группы могут непосредственно связывать яд. Наиболее ценные по питательным свойствам, усвояемости и высокому содержанию цистеина и метионина продукты — творог, студень, казеин и его гидролизат.
Для жиров характерна разнонаправленность действия в зависимости от особенностей интоксикации. Повышенное содержание жиров в рационе повышает всасывание некоторых ядов в пищеварительном тракте (свинец, углеводороды), усиливает интоксикацию нитробензолом, тринитротолуолом. Богатая жирами пища резко усиливает поражение печени гепатотоксичными ядами.
Углеводный режим питания способствует увеличению содержания гликогена в печени и усиливает таким образом ее барьерные функции, повышая устойчивость организма к действию фосфора, хлороформа, цианистых соединений.
Среди минеральных веществ наибольшее значение имеет кальций. Недостаток его в рационе снижает сопротивляемость организма ко многим ядам, особенно к фторидам и хлорзамещенным углеводородам жирного ряда. Повышенное содержание кальция в пище облегчает течение интоксикаций.
Прием препаратов железа облегчает течение отравления сернистым и цианистым натрием, а также некоторыми ядами, действующими на кровь.
Витамин С способствует переводу малорастворимых соединений свинца в легко растворимые и быстро выделяющиеся из организма. Токсичные соединения свинца переходят в менее токсичный аскорбат свинца. Обезвреживающие свойства аскорбата кальция доказаны при отравлении бензолом, фосфором, мышьяком, синильной кислотой, анилином, дихлорэтаном, метиловым спиртом, повышается устойчивость организма к гексахлорциклогексану, тиофосу, сероуглероду, фосгену и другим ядам.
Витамины группы В облегчают течение отравления хлорзаме-щенными углеводородами, бензолом, ртутью, свинцом, фтором, сероуглеродом. Витамины Вь В6, В12 применяют при отравлениях азотной, серной, уксусной и другими кислотами, хлорорганическими соединениями, дихлорэтаном, фенолами, мышьяком, этиловым спиртом, В12 — синильной кислотой, В1—метиловым спиртом.
Витамин К влияет на течение интоксикации хлорзамещенными углеводородами, бензолом, свинцом, фтором, антикеагулянтами (гепарин, фенилин и др.). Никотиновая кислота (витамин РР) снижает повышенную проницаемость капилляров при действии кремнийсодержащей пыли, рекомендуется при отравлении хлор-органическими соединениями, этиловым спиртом. Велика роль витамина D для предупреждения костных поражений при кадмиевой интоксикации.
Сопротивляемость организма при работе со многими токсическими веществами повышает ежедневный прием молока — полноценного продукта, содержащего в оптимальных соотношениях основные пищевые компоненты — белки, жиры, углеводы, минеральные соли.
Проведение периодических медицинских осмотров способствует раннему выявлению признаков хронического отравления или заболевания.

Лимносапробная группа. Включает ксено-, олиго-, в-, б- мезо-и полисапробную зоны:
а) ксеносапробная зона — практически чистые воды, содержащие крайне незначительные количества растворенных органических веществ, индекс сапробности — менее 1,0;
б) олигосапробная зона —H2S отсутствует, С02 мало, содержание 02 близко к норме, растворенных органических веществ почти нет, численность обитателей воды невысокая, видовое разнообразие значительное. Индекс сапробности — 1,0;
в)мезосапробная зона — подразделяется на в- и ос-мезо-сапробные подзоны. в)-Мезосапробная подзона характеризуется присутствием аммиака, азотистой и азотной кислот, аминокислот нет, сероводорода очень мало, кислорода много, происходит полное окисление органического вещества; видовое разнообразие гидробионтов высокое, но их численность и биомасса ниже, чем в следующей подзоне. В водах б-мезосапробной подзоны имеются аммиак, аминокислоты, кислород в заметных количествах, сероводорода и СС>2 немного, неразложившихся белков нет; минерализация органического вещества идет в основном за счет его аэробного окисления. Индекс сапробности в-мезосапробных вод— 1,1—2,0, б-мезосапробных — 2,1— 3,0;
г) полисапробная зона — характеризуется наличием в воде неразложившихся белков, следов H2S, низким содержанием кислорода, значительным количеством С02, восстановительным типом биохимических процессов. Число видов живых организмов в полисапробных водоемах невелико, но они встречаются здесь, как правило, в массовых количествах. Индекс сапробности — 3,1-4,5.
Психрофильных бактерий в 1 мл ксеносапробных вод 0,5— 1,0 тыс., олигосапробных — 1—10, в-мезосапробных— 10—50, б-мезосапробных — 50—250, полисапробных — 250—2000 тыс., а бактерий группы кишечной палочки в 1 л — соответственно 0,01—10, 10—50, 50—100, 100—1000, 1000—20 000 тыс. Ксено- и олигосапробные воды после обработки пригодны для питья, мезо- и поли-сапробные воды используются главным образом для бытовых и технических нужд.

Динамику прохождения ядов через организм, включая процессы поступления, распределения, метаболизма и выделения, изучает токсикокинетика. Токсическое действие поступившего в организм ядовитого вещества возникает только тогда, когда оно достигает точки своего приложения, взаимодействует с рецептором. Это могут быть ферменты, действие которых блокируется токсическим соединением; пути проведения нервных импульсов; участки мембран клеток или их органелл, которые оккупируются молекулами вредного вещества, в результате чего нарушается мембранная проницаемость. У некоторых ядов имеется несколько точек приложения, поэтому иногда наблюдаются основной и побочные токсические эффекты. Токсический эффект имеет место только в том случае, если количество поступившего яда не слишком мало. С током крови яд разносится по всему организму, через эпителий капилляров проникает в ткани и органы, иногда откладывается в них, подвергается тем или иным превращениям и, наконец, выделяется из организма в неизменном виде или в виде метаболитов.
Экспериментальная разработка токсико-кинетических задач предусматривает прежде всего определение концентрации вещества или его метаболитов в крови, плазме, моче, выдыхаемом воздухе, тканях в различные интервалы времени. С этой целью используют методы, принятые для определения чужеродных веществ в организме (фотометрический, спектрофотометрический анализ, полярография, хроматография, флуорометрия, нейтрон-но-активационный анализ, методы меченых атомов и др.). Все эти методы должны обладать высокой чувствительностью.
Поступление в организм чужеродных химических соединений, их распределение между органами и тканями и последующее выделение в основном происходят по законам диффузии. Кинетика диффузионных процессов описывается экспоненциальными закономерностями. Простейшие зависимости такого рода имеют вид: С= лП) (1 — е~*0 для накопления вещества и С= С0е~х'для его выделения, где Со — постоянная концентрация вещества в окружающей среде в первом случае и начальная (при t = 0) концентрация вещества в биофазе организма (кровь, ткань, орган) во втором; л — коэффициент распределения вещества между биофазой и окружающей средой; к и ч — постоянные накопления и выведения; t— время. Постоянные А; и ч имеют размерность, обратную времени; ч показывает, какая часть имеющегося в биологической системе количества вещества выделяется, а А:— какая его часть накапливается за каждую единицу времени.
Период полувыведения (Т) является промежутком времени, в течение которого выделяется половина находящегося в биологической системе вещества. Пользуясь уравнением выделения, получаем С0/2 = С0е~^г, или е~хг = 1/2, чГ= In 2 = 0,693, ч = 0,693/Г; Т= 0,693/ч. Величину Г можно легко найти графически.
Другим показателем пребывания чужеродного вещества в организме является кажущийся объем его распределения (V), соответствующий объему, который занимало бы вещество в организме в состоянии равновесия при условии его равномерного распределения:
V= W/C,
где W— количество вещества в организме в единицах массы; С—его концентрация в той ткани, через которую вводится объем распределения. Например, W— в мг, С— в мг/л плазмы, тогда V— в мл по данным определения вещества в плазме.

Токсические соединения выделяются из организма через легкие, почки, желудочно-кишечный тракт, кожу. Яды и их метаболиты часто экскретируются по нескольким каналам.
Выделение из организма органических ядов и металлов протекает в две-три фазы. В первую очередь из организма удаляются соединения, находящиеся в нем в неизменном виде или рыхло связанные с биологическими компонентами, затем происходит выделение фракции яда, находящегося в клетках в более прочно связанной форме, в последнюю очередь удаляется яд из постоянных тканевых депо организма. Четырехфазное выделение известно для свинца, ртути, цинка.
Большинство летучих неэлектролитов выделяются из организма в неизменном виде с выдыхаемым воздухом. Выделение начинается сразу после поступления яда в организм. Затягивается выделение фракции яда, депонированного в жировой ткани. Через легкие выделяются также летучие метаболиты, образующиеся при биотрансформации яда. Выделение ядов через почки осуществляется двумя разными механизмами: пассивной фильтрацией и активным транспортом. В результате пассивной фильтрации в почечных клубочках образуется ультрафильтрат, который содержит неэлектролиты в той же концентрации, что и в плазме. Выделение летучих электролитов с мочой незначительно. В почечных канальцах существуют независимые системы активного транспорта для эндогенных сильных органических кислот (мочевая кислота) и оснований (холин, гистамин). Ксенобиотики сходной структуры выделяются из крови в мочу с участием тех же переносчиков. Почками быстро выделяются металлы, циркулирующие в виде ионов и в молекулярно-дисперсном состоянии. Это относится прежде всего к щелочным металлам (литию, рубидию, цезию), а также к бериллию, кадмию, меди, хрому, ванадию, молибдену, селену. Металлы, задерживающиеся в печени, мало выводятся с мочой. Выделение металлов через почечные канальцы происходит путем активного транспорта.
Выделение ядов через пищеварителный тракт начинается уже во рту со слюной. В слюне обнаруживаются некоторые неэлектролиты и тяжелые металлы.
Все ядовитые соединения, поступающие в организм энтераль-но и парентерально, через кровь попадают в печень. Многие яды и их метаболиты, образующиеся в печени, траспортируются с желчью в кишечник и удаляются. Летучие неэлектролиты (углеводороды, спирты, эфиры) практически не выделяются через желудочно-кишечный тракт. С желчью через кишечник выделяются многие металлы. К ним относятся легкие редкоземельные металлы, золото, серебро, некоторые другие тяжелые металлы.
Яды выделяются из организма также с молоком, через кожу, в частности с потом. С молоком у животных и человека выделяются хлорорганические инсектициды, многие металлы. Через кожу удаляются этиловый спирт, ацетон, фенол, хлорированные углеводороды, сероуглерод, ртуть, медь, мышьяк.

В плазме крови огромное количество как эндогенных, так и экзогенных веществ (сульфаниламиды, антибиотики, салицилаты) связываются и транспортируются альбумином. В клетках, особенно печени, полиароматические углеводороды, канцерогены, нит-ропроизводные, антибиотики связываются глутатионтрансфераза-ми. Металлы связываются SH-группами G-SH и небольшого белка металлотионеина, богатого остатками цистеина. Связанные ксенобиотики неактивны, постепенно они высвобождаются, мета-болизируются и выводятся. Очень важный механизм выведения из клетки ксенобиотиков — функционирование Р-гликопротеина, являющегося транспортной АТФазой. Большинство ксенобиотиков в результате метаболизма становятся менее гидрофильными, поступают в плазму крови, откуда они удаляются почками с мочой. Совместное функционирование печени и почек играет важнейшую роль в обезвреживании и выведении из организма большинства ксенобиотиков. Вещества, более гидрофильные или с большой молекулярной массой (более 300), чаще выводятся с желчью в кишечник и затем удаляются.

Вторая фаза метаболизма. Основные функции этой фазы те же, что и первой: увеличение гидрофильности и снижение токсичности ксенобиотиков. Наиболее важные ферменты второй фазы относятся к классу трансфераз, катализирующих реакции переноса атомных групп с одного соединения на другое. Наиболее многообразна функция глутатионтрансфераз, метаболизирующих тысячи ксенобиотиков. Большинство этих ферментов находится в гиалоплазме, но один из них локализован в мембранах ЭПС и митохондрий, другой — в хроматине. Основная реакция — конъюгация с восстановленным глутатионом (г-глутаминилцистеинилглицин, G-SH). При дальнейшем метаболизме глутатионовые конъюгаты переходят в меркаптуровые кислоты или меркаптаны. Кроме того, глутатионтрансферазы восстанавливают органические гидроперок-сиды в спирты, превращают некоторые стероиды в их изомеры.
Ацетилтрансфюразы метаболизируют путем присоединения ацетила к N- или NO-. Мембранные и гиалоплазматические метилтрансферазы метилируют ОН-, NH2- и SH-группы. Эпокси-гидролаза присоединяет воду к эпоксидам бензола, бензопирена и др., что превращает их в диолы.
Функционирование всех ферментов второй фазы ограничивается тем, что они метаболизируют только те вещества, которые имеют функциональные группы. Они включаются после освобождения или образования функциональных групп ферментов первой фазы. Отметим следующие важные достоинства трансфераз: они имеются во всех клетках; функционируют при любых путях поступления ксенобиотиков в организм; осуществляют или завершают детоксикацию; иногда исправляют ошибки первой фазы [обезвреживают токсичные метаболиты полиароматических углеводородов (канцерогены), хлороформа (фосген), парацетамола].
Совместное функционирование обеих фаз метаболизма особенно эффективно. Оно обеспечивает обезвреживание десятков тысяч ксенобиотиков всех химических классов и самых разных групп (токсических веществ, мутагенов, канцерогенов, пестицидов, красителей, растворителей, лекарств и др.). Метаболизм ксенобиотиков происходит в разных частях клетки, но наиболее активные системы находятся в ЭПС и гиалоплазме. Это обеспечивает метаболизм или связывание ксенобиотиков, предотвращая повреждение жизненно важных органоидов клетки — ядер, митохондрий. В результате увеличивается устойчивость клеток и организма.

Первая фаза метаболизма. В этой фазе наиболее важной является локализованная в основном в мембранах эндоплазматической сети (ЭПС) система цитохрома С 450. Ее основная функция — образование в молекуле ксенобиотика гидрофильных функциональных групп. Важными достоинствами системы являются локализация и высокая мощность на главных путях поступления ксенобиотиков в организм — пищевом (печень и желудочно-кишечный тракт) и дыхательном (легкие), а также многообразие путей метаболизма: гидроксилирование (бензол, фенол, полициклические ароматические углеводороды, барбитураты), эпоксилирование (ПАУ), окисление по сере (аминазин) и азоту (аминазин, никотин), восстановление нитро- (нитробензол, левомицетин) и азогрупп (сульфасалазин), диалкилирование по азоту (морфин, амидопирин), кислороду (кофеин, колхицин) и сере (6-метилтиопи-рин) и десульфарация (паратион, тиобарбитал). Транспорт атомов водорода и электронов в ЭПС печени при гидроксилировании субстрата (наиболее частый случай) происходит следующим образом:
Указанные реакции превращают, например, фенол в менее опасный пирокатехин: С6Н5ОН + НАДФ З + З + + 02 -> -» С6Н4(ОН)2 + НАДФ+ + Н20.
Однако этой системе присущи и некоторые недостатки: слабость или отсутствие во многих жизненно важных органах (сердце, головной мозг), меньшая защита при других путях проникновения (слизистые раны, инъекции). Токсификация некоторых веществ (система цитохрома С 450 превращает средство для наркоза хлороформ в боевое отравляющее вещество фосген: СНС12-> С12С = О; жаропонижающее лекарство парацетамол превращается в метаболит, в больших дозах повреждающий печень и почки; бенз(а)пирен — в канцерогенный метаболит дигидрокси-эпоксид). Система цитохрома С 450 получила название микросо-мальной системы метаболизма или монооксигеназной системы.
Существуют и внемикросомальные системы первой фазы: метаболизм этанола гиалоплазматическими алкоголь-, затем альдегиддегидрогеназами (СН3СН2ОН -> СН3СНО -> СН3СООН); окисление оксидазами пуринов и аминов; восстановление дисульфидов; гидролиз пептидазами белков и пептидов, эстеразами сложных эфиров (липиды, аспирин, дитилин), гликозидазами углеводов и сердечных гликозидов. При гидролизе освобождаются ранее ковалентно связанные группы СООН, NH2, ОН. Эти ферменты чаще локализованы в гиалоплазме и лизосомах, а моноами-нооксидазы — в митохондриях.

Метаболизм ксенобиотиков в организме идет в основном по пути окисления. Большое распространение имеет также связывание токсических веществ с белками, аминокислотами, глюкуроно-вой, серной кислотами. В большинстве случаев ядовитое соединение подвергается последовательным превращениям, завершающимся реакцией коньюгации.
Метаболизм ксенобиотиков чаще приводит к снижению их активности—дезактивации, которую в случае токсичных веществ называют детоксыкацыей. Однако в ряде случаев метаболиты ксенобиотиков, наоборот, становятся более активными и более токсичными.
В метаболизме ксенобиотиков участвуют около 30 ферментов. В нем различают две фазы:
• модификации, создающей или освобождающей функциональные группы;
• конъюгации — присоединения к последним других групп или молекул, окисления ксенобиотиков (превращение фенолов в хи-ноны у растений).
Обе фазы приводят к увеличению гидрофильное, снижению активности и токсичности молекулы ксенобиотика. Третьей фазой можно считать связывание и выведение самих ксенобиотиков и их метаболитов из клетки, а затем из организма.

Неэлектролиты, метаболически относительно инертные и обладающие хорошей жирорастворимостью, накапливаются во всех органах и тканях. В первой фазе поступления яда определяющим будет кровоснабжение органа, в дальнейшем основным фактором, влияющим на распределение яда, станет сорбционная емкость органа. Для липидорастворимых веществ наибольшей емкостью обладают жировая ткань и органы, богатые липидами (костный мозг, семенники). Для многих липидорастворимых веществ жировая ткань является основным депо, удерживающим яд в течение более длительного времени, чем прочие органы. В прочих тканях и небогатых липидами органах летучие неэлектролиты распределяются сравнительно равномерно.
Металлы имеют тенденцию накапливаться в тех же тканях, где они нормально содержатся как микроэлементы, а также в органах с интенсивным обменом веществ (печень, почки, эндокринные железы). Свинец, бериллий, барий, уран, торий накапливаются преимущественно в костной ткани, ртуть и кадмий — в почках. Хром, марганец, кобальт, никель, мышьяк равномерно распределяются во всех органах.

Независимо от пути проникновения в организм токсические вещества попадают в ток крови, где транспортируются в разных формах. Нереагирующие электролиты частично растворяются в жидкой части крови, частично проникают в эритроциты, где сорбируются, по-видимому, на молекулах гемоглобина. Многие чужеродные органические соединения связываются с белками плазмы, в первую очередь с альбуминами. Большинство металлов связываются вначале с альбуминами, в дальнейшем возможно их перераспределение на другие белковые фракции. В свободном состоянии в виде ионов транспортируются лишь щелочные металлы (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr). Связывание металлов с белками осуществляется через активные группы (NH2, COOH и др.). Около 90—99 % мышьяка крови содержится в эритроцитах. Основная масса свинца также циркулирует в эритроцитах.