ЛЕКЦІЯ №4 Токсикокинетика

1. Транспорт отрут через клітинні мембрани

2. Поняття про мембранотоксини і хвороби мембран

3. Теорія неіонної дифузії

4. Токсично-кінетичні особливості пероральних отруєнь

5. Токсично-кінетичні особливості інгаляційних отруєнь

6. Токсично-кінетичні особливості перкутанних отруєнь

7. Розподіл отрут в організмі

8. Біотрансформація отрут в організмі

Надходження чужорідних речовин в організм, їхній розподіл між органами і тканинами, біотрансформація (метаболізм) і виділення припускають їхнє проникнення (транспорт) через ряд біологічних мембран.

Мембранні системи організму мають однакову будівлю, але розрізняються по функціональних властивостях. Вони являють собою рухливі структури, утворені білково-фосфоліпідними комплексами, мають обмежену проникність для різних сполук. В даний час за основу приймається гіпотеза тришарової мембрани Доусона-Даніеллі. Два білкових шари, з яких один звернений убік цитоплазми, а іншої — назовні, укладають шар подвійного ліпіду (мал. 2). Зовні ліпідних шарів з «білками, що плавають» у них, знаходиться карбогідратна «шуба», що складається з різних олігосахаридів, полімерів, що включають десятки типів моносахаридів, у тому числі глюкозу. Одна з передбачуваних функцій цієї «шуби» полягає в тім, що вона здатна «відрізняти» клітини власного організму від чужих.

Молекули фосфоліпіду орієнтовані таким чином, що їхні гідрофільні групи спрямовані убік білка, а гідрофобні поверхні стикаються. Товщина кожного шару 2—3 нм. Мається припущення, що в клітинних мембранах існують ультрамікроскопічні пори (канали), утворені гідрофільною речовиною в ліпідних частинах, причому мембрани і пори мають визначені електричні заряди.

 

Рис. 2. Молекулярна будівля біологічної мембрани (схема).

1 — молекули білка; 2 — гідрофільна частина молекули; 3 — вуглецеві ланцюги;

4 — подвійний шар фосфоліпидних молекул; 5 — олігосахариди.

Механізм проходження речовин через мембрани досить складний, тому що на нього впливають не тільки функціональні особливості самих мембран, але і визначені функції протоплазми і клітинних білків. З метою спрощення пояснення цього механізму виділяють чотири основних типи транспортування різних речовин.

I тип характерний для нейтральних молекул. При цьому швидше всього дифундують молекули речовин, що володіють високим коефіцієнтом розподілу олія/вода, тобто ліпофільніми властивостями. Розчинні в ліпідах речовини (наприклад, наркотичні) можуть вільно з мінімумом витрати енергії проходити через клітинні мембрани за законами дифузії. Швидкість дифузії речовини (ШД), відповідно до першого закону Фіка, визначається по рівнянню:

 

Де К — коефіцієнт дифузії даної сполуки; А — площа мембрани; (С1 — С2) — градієнт концентрації по обох сторони мембрани; d — товщина мембрани.

Коефіцієнт дифузії чи отрути лікарської речовини залежить від його молекулярної маси, ступеня розчинності в ліпідах і іонізації, а також від просторової конфігурації молекули. Великі молекули, наприклад білків, проникають крізь ці мембрани через великі чи щілини шляхом піноцитозу (везикулярного транспорту). При цьому мембрана утворить впячування і як би цілком обволікає всю молекулу, що виявляється усередині клітини у виді пухирця, що мігрує в інтерстиціальну рідину, рідше, у судину.

II тип трансмембранного транспорту зв'язаний з визначеними структурами, що забезпечують речовинам більш інтенсивну дифузію. Цими властивостями володіють деякі ділянки мембрани. Молекула, що транспортується, оборотно з'єднується з носієм у мембрані, що вільно рухається (осциллірує) між внутрішньою і зовнішньою її поверхнями. Прикладом є транспорт глюкози в еритроцитах людини.

III тип трансмембранного транспорту зв'язаний зі споживанням енергії, що утвориться в результаті метаболізму аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) у самій мембрані. Припускають, що при цьому так званому активному транспорті молекула речовини з'єднується з носієм, що перетерплює визначені хімічні перетворення. Прикладами можуть служити процеси транспорту іонів калію в клітинах ссавців, усмоктування і виведення речовин в іонізованій формі нирковими канальцями і т.д. В якості носіїв звичайно служать ферменти, наприклад калій- і натрійзалежна аденозинтрифосфатаза, що забезпечує активний транспорт цих іонів. В останні роки виявлена ціла група чужорідних речовин, названих іонофорами, що здатні змінювати бар'єрну функцію мембран і переносити через них тисячі іонів у секунду. Іонофори виробляються визначеними мікроорганізмами (наприклад, антибіотиком валіноміцином), що використовують їх у боротьбі за існування з іншими формами життя. В даний час відкритий шлях до спрямованого хімічного синтезу нових, речовин цього виду що не зустрічаються в природі , що володіють дивною вибірковістю до переносу визначених іонів.

IV тип транспорту стосується дифузії через пори, у стінках яких є позитивно заряджені частки, що пропускають тільки аніони. Однак існують канали, що пропускають неелектроліти. Про максимальну величину цих каналів можна судити по розмірах самої великої молекули, що вони здатні пропускати. Мембрани ниркових клубочків людини в нормі здатні пропускати всі молекули, менші, чим молекули альбуміну (мол. Маса 70 000).

Таким чином, у мембранах цього типу транспорт речовин здійснюється за принципом фільтрації. Деякі природні отрути, наприклад тетродотоксин, що міститься в яєчниках риб сімейства голкочеревних, чи батрахотоксин, виявлений у маленької колумбійської жаби, свою молекулою впливають на прохідність каналів. Перший з них здатний цілком, як пробкою, «закупорити» іонний канал для натрію, інший – ушкодити механізм закриття «воріт» цих каналів, і вони втрачають здатність вибірково пропускати іони. Молекули деяких іонофорів, зокрема антибіотика граміцидину А, рухаючись в мембрані, часом «прошивають» її наскрізь і створюють подобу штучного насоса, здатного пропускати іони. Ці дані мають велике значення для пояснення механізму дії багатьох отрут, що вибірково впливають на провідність нервового імпульсу в синапсах.

2.2.2. Поняття про мембранотоксини і хвороби мембран

Інтенсивне вивчення функції клітинних і внутрішньоклітинних мембран дозволило виділити спеціальну групу речовин, що характеризуються специфічною мембранотоксичною дією, — так звані мембранотоксини. До їхнього числа відносять екзогенні й ендогенні речовини, що володіють фосфоліпазною активністю, у зв'язку з яким відбуваються дезорганізація і руйнування основної жидкокрісталічної структури мембран з наступною загибеллю клітин.

Класифікація мембранотоксинів (по Л.А.Покровському)

I. Екзогенні мембранотоксини

Деякі жиророзчинні вітаміни

Деякі синтетичні детергенти

Деякі Н-яди

Деякі мікотоксини

Отрути змій, комах і мікроорганізмів

Активатори перекісного окислювання

Сапоніни

II. Ендогенні мембранотоксини

Активатори фосфоліпаз

Фосфоліпази

Лізолецитини

Гемолізини

Активатори перекісного окислювання

Продукти перекісного окислювання

Жовчні кислоти

Доведено, що як надлишок, так і недолік вітамінів D і Е підвищують проникність лізосомних мембран. У цьому відношенні багато з жиророзчинних вітамінів можна розглядати екзогенні регулятори, що поставляються як з їжею, чи своєрідні «настроювачі» властивостей біологічних мембран. Крім того, виявлені деякі сполуки, що сприяють стабілізації мембран. До них відносяться холестерин, кортизон і ряд синтетичних аналогів глюкокортикоїдних гормонів, хлорохін, хлорпромазин (аміназин), салицилати. Ці препарати, природно, використовуються як лікарські засоби при отруєннях багатьма мембранотоксинами.

Ушкодження мембранних структур клітин є однією з основних причин порушення їхньої життєдіяльності при найрізноманітніших хворобах. Багато токсичних речовин, ультрафіолетове опромінення і радіація, гіпер- і гіпоксія, гормональні порушення і стреси, авітамінози й інші розлади обміну, дія високих і низьких температур, імунологічні конфлікти та інші патогенні фактори діють у першу чергу на мембранні структури клітин.

Існує кілька основних механізмів ушкодження мембран: 1) руйнування власною фосфоліпазою, активуємої іонами Са2+; 2) перекісне окислювання, активуєме іонами Fe2+, ультрафіолетовим опроміненням і киснем; 3) механічне ушкодження, що виявляється, наприклад, при зміні осмотичного тиску в клітці, і 4) дія антитіл, що руйнує.

Три перші хвороби мембран: «кальцієва», «перекісна» і «осмотична» відносяться як до клітинних (цитоплазматичних), так і до внутрішньоклітинних мембран (мітохондрії, ендоплазматичний ретикулум, ядерна мембрана і т.д.). Четверта «хвороба» – імунологічна – відноситься переважно до клітинної мембрани.

При гострих отруєннях найбільш розповсюдженою причиною ушкодження є перекісне окислювання ліпідів у мембранах мітохондрії, ліпосом і т.д., у результаті чого відбувається збільшення проникності мембран для іонів Н+ (чи ОН-), К+, Na+, Ca2+. Наслідком цього можуть бути осмотичні ефекти і розриви мембран з виходом ферментів, зокрема цитохрому С. Подальше окислювання ліпідів веде до повного руйнування мембран і загибелі клітин.

Ушкодження мембран при гіпоксії, що супроводжує багато захворювань хімічної етіології, відбувається внаслідок недоліку енергії, що виділяється при метаболізмі АТФ. Механізм ушкодження, імовірно, такий: гіпоксія à деенергізація і падіння мембранного потенціалу мітохондрії à вихід Са2+ à активування фосфоліпази à гідроліз фосфоліпідів à збільшення іонної проникності à роз'єднання окисного фосфориліровання.

Таким чином, ушкодження мембранних структур приводить до зміни їхньої проникності для іонів, що у свою чергу обумовлено змінами поверхневого заряду на мембрані і ступені гідрофобності ліпідної фази мембран. Причому обидва цих фактора діють одночасно, хоча їхній відносний внесок у підсумкову зміну проникності мембран у різних випадках різний. Ці ж фактори визначають у кінцевому рахунку неспецифічну дію на проникність мембран в різних сполуках, наприклад стероїдів, білків і багатьох інших.