Занятие
ТОКСИКОДИНАМИКА.
Часть I. Механизмы формирования токсического эффекта.
Цели и задачи
ü ознакомиться с основными терминами и определениями токсикодинамики;
ü изучить равновесные процессы формирования токсических эффектов;
ü знакомиться со стадиями формирования токсического эффекта;
ü изучить типы взаимодействия в системе токсикант -рецептор;
ü изучить влияние природы алкильного радикала на липофильность и токсичность ксенобиотика.
Токсикодинамика - раздел биохимической токсикологии, изучающий равновесные процессы с участием ксенобиотиков при формировании токсического эффекта в организме на системном, органном, тканевом, клеточном, субклеточном, молекулярном, субмолекулярном уровнях.
Механизмы формирования токсических эффектов могут быть описаны на основе II начала термодинамики и вытекающего из него закона действующих масс для равновесия. Формирование токсического эффекта включает четыре стадии:
- доставку токсиканта к органу (органам)-мишени;
- взаимодействие с эндогенными молекулами-мишенями и другими рецепторами токсичности;
- инициирование нарушений в структуре и/или функционировании клеток;
- восстановительные процессы на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях.
Взаимодействие токсиканта с молекулярными мишенями происходит по лиганд-рецепторному механизму.
Рецептор токсичности — это участвующая в метаболизме клетки химически активная группировка или частица-мишень, с которой взаимодействует молекула ксенобиотика.
«Оккупационная» теория взаимодействия ксенобиотика с рецептором
Сродство токсиканта к рецептору можно оценить долей нанятых рецепторов (отношение числа занятых рецепторов к общему числу рецепторов: Nзан/Nобщ). Согласно «оккупационной» теории максимальный токсический эффект наблюдается при полном заполнении рецепторов токсикантом. Сродство токсиканта к рецептору определяется прочностью возникающей химической связи и количественно может быть оценено энергией химической связи (Есв) или величиной константы равновесия (К) образования комплекса Тох - R:
Тох + R ↔ Тох - R.
Прочность связывания ксенобиотика с рецептором можно оценить на основе квантово-механической трактовки образования химической связи. С этой точки зрения наиболее важны четыре типа химической связи: ковалентная, ионная (электростатическая), водородная и вандерваалъсова.
Наиболее прочная химическая связь — ковалентная. Она образуется при формировании молекулярной орбитали из атомных орбиталей атомов токсиканта и рецептора. Энергия ковалентной связи составляет от 250 до 10С0 кДж/моль. Менее прочной разновидностью ковалентной сзязи является координационная связь, которая образуется в том случае, если оба электрона поступают от одного атома. Электростатическая сила играет важную роль при взаимодействии токсиканта с рецепторами. В подобных взаимодействиях участвуют электростатические силы, поскольку она имеют большой радиус действия. Энергия ионной связи доставляет около 20 кДж/моль. Водородная связь образуется при очень малом расстоянии между взаимодействующими атомами. Энергия водородной связи составляет 3-5 ккал/моль. Она обладает высокой избирательностью и направленностью и играет важную роль при связывании токсиканта с рецептором. Вандерваальсова сила образуется, если два атома, принадлежащие разным молекулам, оказываются на достаточно близком расстоянии. Она образуется вследствие колебаний атомов молекул и образования временных диполей, индуцирующих диполи в соседних молекулах. Действие вандерваальсовой силы проявляется при сближении молекул и взаимодействии многих атомов одной молекулы с атомами другой. В этом случае может возникнуть прочная связь, энергия которой может составлять 20 кДж/моль.
Кинетическая теория взаимодействия ксенобиотика с рецептором
Согласно кинетической теории максимальный ответ на токсическое воздействие может быть получен тогда, когда вещество занимает лишь незначительную часть доступных рецепторов и определяется не числом занятых рецепторов, а скоростью и механизмом связывания токсиканта с рецептором. При этом величина ответа на токсическое воздействие нелинейно зависит от доли занятых рецепторов. Эффективность токсического воздействия характеризуется внутренней активностью (R/Nзан) токсиканта, т.е. способностью вызывать токсический эффект (ответ организма R) при минимальном заполнении рецепторов (Nзан).
Существуют следующие классы токсикантов, взаимодействующих с рецепторами, — антагонисты, агонисты, частичные агонисты. Токсикант-антагонист ингибирует действие нативных субстратов (эндогенных соединений), блокируя их связывание с рецепторами. Действие токсиканта-агониста (полного или частичного) сходно с действием эндогенного соединения, поэтому такой токсикант называют «токсикомиметик». Взаимодействуя с теми же рецепторами, полный агонист активирует их и вызывает такой же или превышающий эффект нативного субстрата. Токсичность частичного агониста также проявляется вследствие конкуренции с эндогенным субстратом за активацию рецептора, но достигаемый ответ последнего значительно ниже.
Изотерма Ленгмюра: Г = Г∞. · (С / α + С),
где Г∞ — константа, равная предельной адсорбции, наблюдаемой при относительно больших равновесных концентрациях, моль/м;
α - константа, равная отношению константы скорости десорбции к константе скорости адсорбции.
Математически зависимость между ответом и дозой (концентрацией) токсиканта можно представить уравнением, аналогичным изотерме адсорбции Ленгмюра:
R =Rmax · D/(D +D50),
где R - ответ при дозе токсиканта D;
Rmax - максимально возможный ответ на воздействие; D50 - доза токсиканта, при которой наблюдается половина (50%) максимально возможного ответа.
Для нахождения числовых значений максимального токсического ответа и дозы D50 вышеуказанное уравнение приводят к уравнению прямой (рис. 1), для чего единицу делят на обе части уравнения:
| 
Рис. 1. Нахождение токсикометрических параметров графическим методом
|
В координатах 1/R — 1/D тангенс угла наклона прямой равен отношению D50/Rmax, а отрезок ординаты от начала осей координат до ее пересечения с прямой численно равен 1/Rmax.
Лабораторно-практическое занятие
«Изучение механизмов формирования токсического эффекта»
Вопросы для самоподготовки.
1. Расшифруйте понятия «токсикодинамика», «токсический фактор». Перечислите факторы токсичности.
2. Дайте характеристику рецепторов токсичности.
3. Охарактеризуйте понятия «агонист» и «антагонист» рецептора на конкретных примерах. Приведите графики в координатах «доза (концентрация)-ответ».
4. Объясните, какие типы и какова прочность связей в системе «токсикант-рецептор».
5. Дайте характеристику «оккупационной» теории действия токсичных веществ.
6. Дайте характеристику «кинетической» теории действия токсичных веществ.
Задание 1.
По представленным экспериментальным результатам (табл. 1) постройте график, отражающий зависимость минимальной эффективной концентрации CEmin, вызывающей снижение подвижности головастиков, от коэффициента распределения масло/вода (К) токсикантов. Сделайте вывод о влиянии липофильности токсиканта на его токсические свойства.
Таблица.1 Зависимость биологического торможения (снижение подвижности головастиков) от коэффициента распределения масло/вода
| № | Токсикант | К(масло/вода) | CEmin |
| 1. | Трионол | 4,46 | 1,8 |
| 2. | Бутилхлоралгидрат | 1,50 | 2,0 |
| 3. | Сульфонал | 1,11 | 6,0 |
| 4. | Триацетин | 0,30 | 10,0 |
| 5. | Диоцетин | 0,23 | 15,0 |
| 6. | Хлоралгидрат | 0,22 | 20,0 |
| 7. | Этилуретан | 0,14 | 40,0 |
| 8. | Монацетин | 0,06 | 50,0 |
Задание 2
По данным таблицы 2 постройте зависимость доли занятых рецепторов от числа атомов углерода (Nc) в алкильном радикале R иона R-N(CH3)3+. На оснований полученного графика сформулируйте основное положение «оккупационной» теории формирования токсического эффекта.
Таблица 2. Сравнение активности ионов алкилтриметиламмония (холинергических, мускариновых агонистов) на подвздошной кишке морской свинки
| Число атомов углерода Nc в ал-кильном радикале | ||||||||||
| Доля занятых рецепторов Nзан/Nобщ | 0,2 | 0,6 | 1,6 | 3,8 | 8,5 |
Задание 3
Поданным таблицы 3 постройте зависимость ответа на токсическое воздействие R/Nзан (в расчете на один занятый рецептор) от доли занятых рецепторов (Nзан/Nобщ). Объясните существование экстремума на графике. Объясните эффект снижения токсического воздействия с ростом размера алкильного радикала и снижением скорости доставки катиона к рецептору. Сделайте вывод о неоднозначности «оккупационной» теории.
Таблица 3. Зависимость ответа на токсическое воздействие R/Nзан (в расчете на один занятый рецептор) от доли занятых рецепторов ионов алкилтриметиламмония (холинергических, мускариновых агонистов) на подвздошной кишке морской свинки.
| Доля занятых рецепторов Nзан/Nобщ | 0,2 | 0,6 | 1,6 | 3,8 | 8,5 | |||||
| Внутренняя активность токсиканта R/Nзан | 4,3 | 2,2 | 1,4 | 1,0 | 0,6 |
Задание 4.
На рисунках 2 и 3 представлены зависимости относительного эффекта (R/Rmax), вызываемого эндогенным соединением, от его концентрации в присутствии антагонистов и агонистов (полных и частичных). Найдите соответствие между номером кривой (цифра) и текстом (буква): а) частичный агонист; б) полный агонист; с) эндогенное соединение в отсутствие токсиканта. Проведите аналогию с ферментативным процессом (ингибиторы ферментов и коферменты).
Рис. 2. Влияние токсиканта на зависимость «доза (концентрация)- ответ»
| 
Рис. 3. Влияние токсиканта на зависимость «доза (концентрация)-ответ »
|
Найдите соответствие между кривой (цифра) и текстом (буква): а) в присутствии токсиканта-антагониста; б) эндогенное соединение в отсутствие токсиканта.