Биохимические основы токсического действия ферментативной природы

Наиболее распространенные механизмы повреждения биохимических структур ядами основаны на воздействии последних на ферментные системы организма. Этот процесс может осуществляться по двум направлениям. По механизмам первого направления токсичные вещества модифицируют активность ферментов путем прямого взаимодействия с ними. По механизмам второго направления токсичные вещества нарушают ферментативную активность путем косвенного воздействия на ферментные системы.

Механизмы токсического действия первого направления могут быть объединены в четыре группы:

- подавление активности ферментов путем действия на них антихолин-эстеразных соединений;

- блокирование токсичными веществами атомов металлов, входящих в состав ферментов;

- взаимодействие ядов с реакционно-способными функциональными группами, блокада или разрушение которых приводит к утрате или снижению активности фермента;

- воздействие по типу летального синтеза.

 

К группе антихолинэстеразных соединений относятся вещества, способные угнетать активность ацетилхолинэстеразы. К ним относятся многочисленные фосфорорганические соединения (алкилпирофосфаты, алкилтиофосфаты, хлоралкиловые эфиры фосфорной кислоты, эфиры тиофосфорной кислоты и др.), производные сульфоновой кислоты (C₆H₅CH₂SO₂F и др.), карбаматы (эзерин и др.) и четвертичные аммониевые основания.

При катализе отрицательно заряженный анионный участок каталитического центра фермента взаимодействует с аммонийной группировкой ацетилхолина, а затем в находящемся рядом так называемом эстеразном участке происходит расщепление сложноэфирной связи.

Фосфорорганические соединения, производные сульфоновой кислоты, карбаматы блокируют эстеразную, а четвертичные аммониевые основания – анионную часть каталитического центра. Являясь структурным аналогом субстрата, токсичное вещество выступает в роли квазисубстрата или псевдосубстрата и легко вступает во взаимодействие с нуклеофильной группировкой активного центра фермента. При воздействии на ацетилхолинэстеразу антихолинэстеразных соединений образуется устойчивый фермент – ингибиторный комплекс. Прочность связи такого комплекса значительно выше ферментсубстратного комплекса. Связь фермента с ядом разрушается медленно, и фермент перестает функционировать.

Ацетилхолинэтераза присутствует в центральной нервной системе (преимущественно в области постсинаптических мембран), в эритроцитах. При инактивации ацетилхолинэстеразы и изъятии ее из цепи биохимических реакций происходит чрезмерное накопление в нервной клетке физиологического ацетилхолина, что приводит к блокированию передачи нервных импульсов и к различным проявлениям токсического действия ядов.

Блокирование токсичными веществами атомов металлов, входящих в состав ферментов, вызывают цианиды (неорганические соединения, содержащие CN-группу), нитрилы (органические соединения, содержащие одну или несколько цианогрупп -CºN), монооксид углерода СО, сероводород H₂S и др. Наиболее тяжелые формы проявления токсического действия они вызывают при воздействии на дыхательные ферменты, обеспечивающие нормальное протекание окислительных реакций, которые являются основным источником образования и аккумулирования энергии в клетке (сопряженных с фосфорилированием), и окислительных реакций, которые протекают в мембране эндоплазматического ретикулума (несопряженные с фосфорилированием и не сопровождающиеся аккумулированием энергии в микроэргах). Монооксид углерода и ионы CN^– и HS^– соединяются с атомами железа в цитохромах, представляющих собой гемсодержащие ферменты, катализирующие внутриклеточные реакции окисления (тканевое дыхание).

Изменение активности фермента вызывают соединения, проявляющие высокую реакционную способность по отношению к функциональным группировкам ферментов. К числу таких функциональных группировок относятся:

- функциональные группы активного центра, составляющие контактную площадку и участвующие в образовании связи между ферментом и субстратом;

- каталитические группы, катализирующие превращение и распад ферментсубстратного комплекса;

- группы, находящиеся вне активного центра, но блокада которых вызывает падение активности фермента за счет конформационных изменений его белковой молекулы;

- группы аллостерического, или регулярного центра ферментной системы, взаимодействующие с продуктами ферментной реакции.

К числу функциональных групп активного центра относятся тиоловые и дитиоловые группировки, обеспечивающие функционирование более 100 ферментов. Токсичные вещества могут вступать во взаимодействие с тиоловыми группировками путем осуществления реакций меркаптидообразования, окисления, алкилирования, арилирования, присоединения к двойной связи, сульфинирования, тиолдисульфидного обмена.

Образование меркаптидов характерно при токсикации соединениями тяжелых металлов (оксидами, солями, металлорганическими соединениями) и соединениями мышьяка. Арсенооксиды и арсениты взаимодействуют в организме только с сульфгидрильными группами.

Ионы тяжелых металлов, в зависимости от особенностей своего поступления и распределения в организме и от своей химической природы и химических свойств фермента, блокируют те или иные SH-содержащие биохимические структуры. Например, поражение почек при отравлении ртутьсодержащими соединениями обусловлено блокадой сульфидных ферментов почечной ткани и SH-групп мембраны почечных канальцев.

Окисление сульфидных групп вызывают йодбензойная кислота и ее соли, йод, пероксид водорода, некоторые органические пероксиды, озон, диоксид азота.

В реакции алкилирования с сульфгидрильными группами вступают, вызывая их блокирование, галоидалкильные соединения, йодацетат, йодацетамид, хлорэтиламины, хлорацетофенон и бромацетофенон.

В реакции присоединения к двойной связи с сульфгидрильными группами вступают акриламид, акрилонитрил, N-этилмалеимид и его производные.

Реакции тиол-дисульфидного обмена вызывают фосген, дифосген, люизит, оксиды азота, четыреххлористый титан, хлорпикрин, йодацетамид при воздействии на сульфгидрильные энзимы в легочной ткани. Изменение соотношения и локализации сульфгидрильных и дисульфидных групп белковых макромолекул приводит к изменению третичной структуры мембранных белков и вызывает нарушение проницаемости легочной мембраны, следствием чего является развитие отека легких.

К веществам, вызывающим летальный синтез, относятся фторорганические соединения (фторацетат, метилфторацетат, диоксифтор-глицеролы, фторэтанол, фторальдегиды, фторпроизводные некоторых органических кислот), этиленгликоль, метиловый спирт. Общим для всех этих соединений является способность метаболировать до высокотоксичной формы.

Летальный синтез фторорганических соединений обусловлен тем, что, попадая в организм, эти соединения претерпевают превращения, приводящие к образованию сильного яда – фторлимонной кислоты, вызывающей нарушение цикла Кребса (цикл лимонной кислоты).

Фторлимонная кислота, являясь структурным аналогом лимонной кислоты, взаимодействует с ферментом аконитатгидратазой с образованием прочного ферментингибиторного комплекса. Аконитатгидратаза, в обычных условиях катализирующая превращение лимонной кислоты в цикле Кребса, оказывается выключенной из цепи биохимических реакций. Это приводит к накоплению в тканях лимонной кислоты и к нарушению функционирования цитратного цикла Кребса.

Летальный синтез этиленгликоля обусловлен его превращением в организме в щавелевую кислоту. Летальный синтез метилового спирта обусловлен его окислением альдегиддегидрогеназой до формальдегида и муравьиной кислоты.

Механизмы токсического действия второго направления проявляются при нарушении ферментативной активности путем косвенного:

- воздействия токсичного вещества на процессы синтеза и разрушения энзимов;

- изменения активности взаимодействия ферментов с природными ингибиторами, активаторами или их субстратами;

- нарушения процессов гормональной регуляции ферментативной активности;

- изменения проницаемости биологических мембран;

- повреждения внутриклеточных структур.

К токсичным веществам косвенного воздействия на ферменты относятся комплексообразователи, которые связывают в организме металлы, выполняющие функцию активаторов ферментных систем. Наиболее тяжелые формы проявления токсического действия этой группы веществ оказывают:

- фториды, связывающие кальций и магний, необходимые для нормального функционирования ферментов углеводно-фосфорного обмена;

- пероксиды метилэтилкетона и других органических соединений, связывающие природные ингибиторы активности дезоксирибонуклеаз.

Ингибирование синтеза ферментов вызывают вещества, блокирующие синтез белка. К их числу относятся:

- актиномицин Д (2-амино-4,6-диметил-3-оксофеноксазин-1,9-дикарбоновая кислота), который блокирует ДНК-зависимый синтез РНК путем взаимодействия с гуаниновым основанием дезокси-рибонуклеиновой кислоты;

- пуромицин, блокирующий наращивание полипептидных цепей в процессе синтеза белковых молекул.

Активацию ферментных систем вызывают барбитураты (транквилизаторы), ингибируя процесс распада микросомальных энзимов. К наиболее распространенным барбитуратам относятся барбитуровая кислота и ее производные: Барбитуровая кислота , Веронал, Фенобарбитал

Воздействие на ферментные системы путем повреждения внутриклеточных структур оказывают:

- ароматические нитропроизводные (динитрофенолы, динитроортокрезол, динитробутилфенол), вызывая набухание митохондрий, изменяя пространственную организацию их ферментных систем и проницаемость митохондриальной мембраны, разобщая дыхание и фосфорилирование, нарушая процесс накопления энергии АТФ;

- пестициды (севин, ДДТ), изменяя механохимические свойства митохондрий и, как следствие этого, нарушая регуляцию гликолиза митохондриальными факторами, угнетая активность аденозинтрифосфатазы;

- фунгициды (соли триалкилолова), нарушая окислительное фосфорилирование в митохондриях.

Нарушение процессов гормональной регуляции ферментативной активности вызывают:

- тиомочевина, пропилтиоурацил, перхлорат аммония путем ингибирования процессов синтеза гормона щитовидной железы;

- амфенон В (1,2-бис-(-аминофенил)-2-метилпропанон), метопирон (2-метил-1,2-бис-(3-пиридил) -пропанол), избирательно повреждающие кору надпочечников и ингибирующие процессы выработки гормонов;

- пестицид бисдитиокарбамат (ТМТД), избирательно действуя на щитовидную железу и нарушая окислительное фосфорилирование.