Ферментные системы

Механизм токсического действия большой группы ядов обусловлен преимущественно воздействием их на ферментные системы организма. Известно, что большинство обменных процессов в клетке осуществляется с помощью ферментов, согласованное и в ряде случаев синхронизированное функционирование которых в значительной степени обеспечивает гомеостаз.

Биохимическая основа токсического действия ядов заключается в следующем: 1) токсические вещества модифицируют активность ферментов путем прямого взаимодействия с ними; 2) токсические вещества воздействуют на активность ферментов, косвенно вмешиваясь в процессы их синтеза или распада, взаимодействуя с природными ингибиторами, активаторами или субстратами ферментов, нарушая процессы гормональной регуляции ферментативной активности, изменяя проницаемость биологических мембран, повреждая внутриклеточные структуры.

Типичным примером подавления активности ферментов путем прямого взаимодействия с ними яда является действие антихолинэстеразных соединений (фосфорорга-нические соединения - ФОС), которые легко вступают во взаимодействие с нуклеофильной группировкой активного центра фермента. При воздействии на холинэстеразу фосфорорганических соединений образуется стойкий фермент-ингибиторный комплекс, так как реакция фосфорилирования этого фермента ФОС трудно обратима. Выключение фосфорорганическими соединениями холинэстеразы из цепи биохимических реакций влечет за собой накопление физиологического ацетилхолина и перевозбуждение холинергических структур, что и лежит в основе разнообразных проявлений токсического действия этих ядов.

Другим примером прямого воздействия токсических веществ на ферментные системы является блокирование входящих в них атомов металлов. Широко известно ингибирование цианидами, нитрилами, сероводородом, азидом, оксидом углерода цитохромных систем путем взаимодействия с железом их простетической группы. Наибольшее значение для механизма действия этих ядов имеет подавление таким путем активности цитохромоксидазы. Этот фермент является активатором молекулярного кислорода, он служит терминальной оксидазой в дыхательной цепи митохондрий. Цитохромоксидаза локализуется на внутренней митохондриальной мембране и обеспечивает нормальное протекание окислительных реакций, являющихся основным источником образования и аккумулирования энергии в клетке. Подавление активности цитохромсодержащих дыхательных ферментов лежит в основе токсического действия ядов, вызывающих тканевую гипоксию. Эта группа ядов, помимо блокирования митохондриального пути дыхания, вызывает нарушения окислительных реакций, протекающих в мембране эндоплазматического ретикулума. Это так называемые реакции “свободного” окисления, несопряженные с фосфорилированием и не сопровождающиеся аккумулированием энергии в макроэргах.

В процессе этих реакций происходит окисление с помощью молекулярного кислорода разнообразных химических соединений, как эндогенной природы (стероиды, гормоны, холестерин), так и экзогенного происхождения.

Следует отметить, что цитохром Р-450 обладает выраженным сродством к оксиду углерода. Так, для того, чтобы ингибировать активность цитохромоксидазы на 50%, соотношение СО:О₂ должно быть равно 10. Для ингибирования активности цитохрома Р-450 на 50% это соотношение СО:О₂ должно быть равно 1. Цитохром Р-450 является терминальной оксидазой для цепей переноса электронов в мембранах эндоплазматического ретикулума. Поэтому блокирование его активности промышленными ядами нарушает функционирование микросомальных энзимов - многоцелевых оксидаз, обеспечивающих метаболирование большой группы экзогенных и эндогенных соединений.

Весьма распространенным путем подавления активности ферментных систем ядами является взаимодействие их с существенными функциональными группировками, блокада или разрушение которых приводит к утрате или снижению активности фермента. К числу таких группировок относятся: а) функциональные группы активного центра, составляющие контактную площадку и участвующие в образовании связи между ферментом и субстратом или коферментом; б) каталитические группы, катализирующие превращение и распад фермент-субстратного комплекса; в) группы, находящиеся вне активного центра, но блокада которых вызывает падение активности фермента за счет конформационных изменений его белковой молекулы; г) группы аллостерического или регуляторного центра ферментной системы, взаимодействующие с продуктами ферментной реакции.

Известно, что число тиоловых ферментов достигает более 100 наименований. Наиболее важные из них - это сукцинатдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, аденозинтрифосфатаза, глицерофосфатдегидрогеназа, ферменты трансфосфорилирования, трансаминазы и целый ряд других.

Токсические вещества могут вступать во взаимодействие с тиоловыми группировками путем осуществления реакций меркаптидообразования, окисления, алкилирования, арилирования, присоединения к двойной связи, сульфенилирования, тиолдисульфидного обмена.

Образование меркаптидов характерно для действия на тиоловые и дитиоловые группы арсеноксидов, арсенитов. Эти соединения мышьяка взаимодействуют в организме только с сульфгидрильными группами. Подавление мышьяковистыми соединениями активности пируватоксидазной системы обусловлено блокированием дитиоловой группировки липоевой кислоты, входящей в качестве кофактора в эту сложную ферментную систему.

СН₂ - СН₂ - СН - (СН₂)₄ - СООН

½ ½

SH SH

(Липоевая кислота в восстановленной форме)

Мышьяковистые соединения блокируют течение цикла реакций окислительного декарбоксилирования пирувата, вступая в соединение с дитиоловыми группами липоевой кислоты с образованием прочного циклического соединения. В состав активного центра липоатдегидрогеназы входит дитиоловая группировка, образующаяся за счет пространственного сближения SH-групп амиинокислоты цистеина. С этой группировкой также взаимодействуют арсеноксиды, подавляя активность липоатдегидрогеназы. Аналогичным образом блокируется a-кетоглутаратдегид-рогеназный комплекс, в состав которого входит липоевая кислота. Таким образом, мышьяковистые соединения блокируют важнейшие звенья углеводного и энергетического обмена, нарушая функционирование лимоннокислого цикла Кребса и нарушая связи между углеводным, белковым и жировым обменом, через превращения пировиноградной кислоты.

Помимо мышьяка, в реакции меркаптидообразования с сульфгидрильными группами вступают различные тяжелые металлы, их соли, оксиды, металлорганические соединения. Широко известно, например, действие на тиоловые группировки соединений ртути, кадмия, ванадия и других соединений, которые 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. Так, поражение почек при отравлении ртутьсодержащими соединениями обусловлено блокадой сульфгидрильных ферментов почечной ткани и SH-групп мембраны почечных канальцев.

Другим путем прямого воздействия ядов на ферментные системы являюеся воздействие по типу “летального синтеза”. Механизм этого явления был раскрыт при изучении токсических свойств фторацетата. Это соединение, само по себе практически не токсичное, попадая в организм, претерпевает превращения (летальный синтез), приводящие к образованию сильного яда - фторлимонной кислоты. Фторацетат вступает во взаимодействие с коэнзимом А, образуя фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется со щавелевоуксусной кислотой, образуя фторлимонную кислоту.

Фторлимонная кислота, являясь структурным аналогом лимонной, взаимодействует с ферментом аконитатгидратазой с образованием прочного ферментингибиторного комплекса. Таким образом, 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 нарушению функционирования цикла Кребса. Такие биохимические изменения влекут за собой тяжелые нарушения энергетического обмена.

Сходным образом действуют и другие фторорганические соединения: метилфторацетат, диоксифторглицеролы, фторэтанол, фторальдегиды, фторпроизводные некоторых органических кислот. Общим для всех этих соединений является способность метаболизировать до высокотоксичной фторлимонной кислоты, т.е. действовать по принципу летального синтеза.

Нарушение ферментативной активности может быть следствием косвенного действия ядов на ферменты. Токсический агент, не воздействуя непосредственно на энзим, изменяет его активность, связывая природные активаторы и ингибиторы, взаимодействуя с субстратом, тормозя или активируя процессы синтеза и распада фермента. По такому пути действуют комплексообразователи, связывая в организме металлы, играющие роль активаторов ряда ферментных систем. Фториды связывают кальций и магний, необходимые, в частности, для нормального функционирования ферментов углеводно-фосфорного обмена.

Торможение синтеза ферментов может быть вызвано веществами, блокирующими синтез белка. К их числу относятся: актиномицин D, блокирующий ДНК-зависимый синтез РНК, взаимодействуя с гуаниновым основанием дезоксирибонуклеиновой кислоты; пуромицин, блокирующий наращивание полипептидных цепей в процессе синтеза белковых молекул.

Активация ферментных систем может быть обусловлена торможением химическими веществами скорости их распада. Так, широко известный факт повышения активности микросомальных энзимов под влиянием повторных введений барбитуратов является следствием торможения этими веществами скорости распада указанных ферментов.

Большая группа промышленных ядов, относящихся к ароматическим нитропроизводным (динитрофенолы, динитроортокрезол, пентахлорфенол, динитробутилфенол), осуществляет воздействие на ферментные системы путем повреждения внутриклеточных структур, вызывая набухание митохондрий, изменяя проницаемость митохондриальной мембраны и разобщая дыхание и фосфорилирование.

Повреждение митохондриальных мембран, изменение механохимических свойств митохондрий и как следствие этого нарушение регуляции гликолиза митохондриальными факторами, угнетение активности аденозинтрифосфатазы - все это лежит в основе токсического действия таких распространенных пестицидов, как ДДТ и севина.

Примером косвенного влияния химических веществ на ферментативную активность является избирательное повреждение ядами желез внутренней секреции. Например, амфенон вызывает подавление выработки как глюко-, так и минералокортикоидов. Такое воздействие вызывает нарушение гормональной регуляции ферментативной активности, так как ряд ферментов контролируется гормонами коры надпочечников. Кортизон и гидрокортизон тормозят активность гистидиндекарбоксилазы, повышают активность трансаминаз, глюкозо-6-фосфатазы.

В ряде случаев в основе механизма действия ядов лежат реакции с другими биохимическими структурами. Имеется в виду взаимодействие с функциональными группами структурных белков биологических мембран, с нуклеиновыми компонентами внутриклеточных структур (галоид- и нитрозоалкиламины) с другими биологически активными веществами неферментативной природы, имеющими существенно важное значение в жизнедеятельности. Так действует оксид углерода, некоторые метгемоглобинообразователи и гемолитические агенты (более подробно об этом в последующих соответствующих разделах). Но и в этих случаях в основе интоксикации лежат ферментативные нарушения, так как гипоксия, характерная для действия указанных ядов, приводит к нарушению ферментативных процессов.