Общая и медицинская экология

• канцерогенные неорганические соединения (косвенные генотоксины). Их действие связано с изменением метаболизма ДНК, но путем модуляции активности ферментов синтеза и репарации (никель, хром, кадмий);

• нехимические канцерогены (вирусы, ионизирующая радиация, УФИ).

К канцерогенам, влияющим на стадию пролонгации, относятся:

• минеральные соединения, которые стимулируют канцерогенез путем хронического раздражения ткани (например, асбест);

• гормоны;

• иммуносупрессоры (вещества, подавляющие иммунитет);

• коканцерогены -- вещества, усиливающие действие канцерогенных соединений (сульфиты, этанол, катехол и др.). Их действие может проявляться в стимуляции поглощения канцерогенов.

Механизм, заложенный в процессах, ведущих к формированию опухоли и ее распространению, относится по своей природе к стохастическим (случайным) эффектам и носит вероятностный характер. При нарушении или невозможности детоксикации как проканцерогена, так и канцерогенного соединения, запускается стадия инициации, которая состоит в связывании и химическом повреждении ДНК. На этой стадии вероятность неблагоприятного исхода снижается за счет своевременной репарации этой макромолекулы. При нарушении или невозможности реализации этого механизма появляется дочерняя клетка, имеющая дефекты генома. Дальнейшее прогрессирование будет сопровождаться переходом в стадию пролонгации. Этот процесс неизбежно связан с малигнизацией (приобретение клетками свойств злокачественной опухоли) опухоли и формированием из нее метастазов, т.е. переходом в стадию терминации.

Важная характерная черта КБ - синергизм в их действии. Примеры канцерогенного синергизма: действие бенз[а]пирена с ртутью и др. Согласно имеющимся данным не существует даже очень малых доз КБ, которые были бы не способны индуцировать рак из-за эффекта синергизма с другими соединениями.

3.4 Эффекторы эндокринной системы

Один из наиболее изученных механизмов действия КБ на организм человека -- действие эффекторов эндокринной системы (ЭЭС) (англ. EED-- Environmental Endocrine Disruptors), которые вызывают ряд экологически зависимых заболеваний. К этой группе КБ относятся химические соединения, нарушающие нормальный гормональный баланс в организме человека и животных.

Большинство ЭЭС обладает способностью к биоаккумуляции, накапливаясь во внутренних органах и жировой ткани животных и человека. При совместном воздействии эффект суммируется. Значительную опасность представляют ЭЭС для потомков лиц, подвергшихся воздействию данных соединений во внутриутробном периоде. В этом случае большое значение имеет время воздействия: длительное действие даже в небольших количествах обязательно приводит к повреждениям.

ЭЭС делятся на три группы.

• Естественные ЭЭС. В основном содержатся в растительных продуктах, в силу чего они получили название фитоэстрогенов. В природе выполняют регулирующую функцию, вызывая бесплодие и сокращая в необходимые моменты популяцию травоядных животных. В противном случае баланс между аутотрофами и гетеротрофами (травоядными) был бы нарушен.

В отличие от многих других соединений фитоэстрогены не концентрируются в пищевой цепи, не аккумулируются в организме, хорошо метаболизируются и экскретируются. Это позволяет рекомендовать их в качестве соединений с противораковой активностью.

• Лекарственные ЭЭС. Пример лекарственных ЭЭС -- ныне неиспользуемый лекарственный препарат диэтилстильбэстрол, который активно применялся для предупреждения самопроизвольных абортов в гинекологической практике с 1948 по 1970 г. (рис. 3.6). В настоящее время запрещен, так как его применение было связано с ростом числа опухолей влагалища у женщин, нарушений репродуктивной функции у родившихся девочек и нарушений полового развития у мальчиков.

К этой группе относится и другое фармакологическое средство -- местранол.

* Антропогенные ЭЭС, или ксеноэстрогены. Среди них можно выделить несколько основных подгрупп.

— Хлорорганические пестициды -- ДДТ, токсафен и др.

— Гербициды -- алахлор, атразин, и др. Широко применялись американскими вооруженными силами во время войны во Вьетнаме.

— Фунгициды -- манеб, зинеб и др. Используются для обработки яблок и бананов.

— Полихлорированные бифенилы (ПХБ).

--Диоксины и фураны -- нежелательные побочные продукты при сжигании отходов; отходы целлюлозно-бумажных комбинатов, металлургических и химических заводов.

-- Продукты распада алкилфенолов -- химические компоненты, содержащиеся в пластмассах, например фталаты. Они широко используются в моющих средствах, красках, гербицидах и косметике. Некоторые пластмассы содержат до 40% (по весу) эфиров фталатов. При хранении эфиры переходят из пластмассы в окружающие предметы.

До сих пор различные пищевые продукты в США и других странах пакетируются во фталатсодержащие пластмассовые упаковки (например, сосиски).

Имеются три главных направления, по которым ЭЭС могут оказывать такие же эффекты, как и естественные эстрогены.

Во-первых, они могут имитировать действие эстрадиола, связываясь с рецептором гормона и запуская цепочку реакций, свойственных нормальному действию гормона.

Во-вторых, ЭЭС в силу своей активности могут изменять структуру ферментов, которые расщепляют гормоны. Это предотвращает разрушение эстрогенов и позволяет большему их количеству остаться в организме.

В-третьих, они могут стимулировать более мощный гормональный ответ из-за механизма аддитивности (увеличения активности друг друга).

Естественные гормоны, продуцируемые железами внутренней секреции, циркулируют в кровотоке очень непродолжительный промежуток времени, выполняют свою специфическую задачу и разрушаются естественными механизмами. Напротив, КБ, относящиеся к группе ЭЭС, хотя и имеют меньшую специфическую активность, поступают в организм человека постоянно и в значительных количествах, быстро не разрушаются и в силу этого циркулируют в крови в течение длительного периода времени. Подобная постоянная активность органов-мишеней неблагоприятна для организма, что и влечет за собой развитие соответствующей патологии.

Не менее важную роль в организме человека играет эстроген. С его действием связывают развитие опухолей у мужчин и женщин. Известно, что у мужчин с возрастом снижается образование андрогена, однако уровни эстрогенов остаются такими же или в некоторых случаях даже повышаются. С подобными колебаниями уровня гормонов связывают развитие рака простаты у мужчин. У женщин эстроген вызывает увеличение роста клеток и стимулирует появление опухолей молочной железы. Имеется группа эстрогенподобных пестицидов -- эндосульфан, дельдрин, токсафен, хлордан, которые способны индуцировать или стимулировать онкологическое заболевание.

Хлорорганические соединения -- ДДТ, продукт его распада ДДЕ и другие - увеличивают риск онкологического заболевания.

Фитоэстрогены имеются в растительных продуктах: чесноке, петрушке, пшенице, ржи, рисе, моркови, бобовых, картофеле, ягодах вишни, яблоках, мякоти кокосовых орехов и гранатах. Еще на заре цивилизации люди использовали богатые фитоэстрогенами пищевые продукты в качестве контрацептивов (например, в Греции применяли гранаты). Гиппократ для этой же цели в своих трудах упоминает дикую морковь.

По своей структуре фитоэстрогены, например генистеин, дайдзеин, очень похожи на основной эстроген организма, в силу чего они могут соединяться с рецептором полового гормона, подражая (мимикрируя) его действию. Они быстро метаболизируются эндогенными ферментами.

Низкая вероятность раковых новообразований, остеопороза и гинекологических заболеваний у некоторых народностей (Юго-Восточная Азия), употребляющих продукты, богатые фитоэстрогенами, позволяет говорить об их защитном эффекте. К таким продуктам относится соя, которая содержит генистеин и дайдзеин в наибольших количествах. В настоящее время весьма популярны в мире биологически активные добавки к пище, в состав которых входит обогащенная смесь генистеина и дайдзеина.

Перечислим основные последствия воздействия ЭЭС на человека.

• Нарушение репродуктивной функции у мужчин и женщин. В 1940 г. средний индекс спермы у мужского населения развитых стран составлял 113 млн на 1 мл спермы. Через пятьдесят лет этот показатель снизился до 66 млн. Скорость изменения индекса спермы составляет приблизительно 2% в год. Подсчитано, что если индекс спермы опустится ниже 20 млн, продолжение человеческого рода будет под сомнением. Гипотеза, объясняющая этот факт, основывается на эффекте мимикрирования ксенобиотиками действия гормонов у мальчиков, находящихся во внутриутробном состоянии. Предполагается, что из-за загрязнения окружающей среды мальчики в настоящий период времени рождаются с меньшим количеством стволовых клеток (сперматогоний), из которых после половой зрелости происходит образование сперматозоидов. Известно и непосредственное действие ЭЭС, которое у каждого 20-го мужчины приводит к бесплодию.

• Нарушение полового развития, злокачественные новообразования мочеполовой системы у мужчин.За последние 30 лет в 23 раза выросло число случаев крипторхизма, гипоспадии, гермафродитизма; в 3 раза возросла заболеваемость раком яичек у молодых мужчин; на 80% -- раком простаты у пожилых мужчин.

• Рак молочной железы. Частота этой патологии последние десятилетия возрастает. С 1940 г. смертность от рака молочной железы возрастает со скоростью 1% в год. При этом, как полагают, ЭЭС -- не канцерогены, однако они способствуют проявлению эффектов прямых канцерогенов. Наиболее высок риск развития рака молочной железы у женщин, подвергшихся внутриутробному воздействию ЭЭС (например, если мать принимала во время беременности диэтилстильбэстрол).

• Эндометриоз. Этим заболеванием страдает 10% женщин репродуктивного возраста. Заболевание, как полагают, связано с воздействием диоксина.

• Угнетение иммунной системы.

• Гипертрофия щитовидной железы. Эта патология может быть связана с воздействием полихлорбифенилов, диоксина, ДДТ, свинца.

• Нарушение психомоторного развития детей. Обусловлено также внутриутробным воздействием ЭЭС, так как в период внутриутробного развития половые гормоны играют определенную роль в формировании некоторых отделов головного мозга.

3.5 Множественная химическая чувствительность

Множественная химическая чувствительность (МХЧ) -- приобретенное экологическое заболевание, характеризующееся множественными признаками нарушений функционирования нескольких органов (обычно не меньше двух), встречающееся в ответ на воздействие нескольких химически неродственных соединений в дозах, значительно ниже установленных уровней.

Средний возраст больных, страдающих МХЧ, -- 40 лет. Чаще всего признаки заболевания проявляются к 30 годам. Встречается в основном у женщин. Распространенность составляет 2--10%.

МХЧ -- полисимптоматический синдром, характеризующейся поведенческими и физиологическими признаками, включая нарушения концентрации внимания, повышенную утомляемость, сонливость, головокружение, депрессию, головную боль, тошноту, состояние, близкое к паническому, и нарушение сна.

У значительной части пациентов могут наблюдаться соматические нарушения, включая мышечную боль, изменение функции желудочно-кишечного тракта, общую слабость, головную боль, рецидивирующие синуситы, бронхиты и другие неспецифические патологические состояния. К ним относятся пониженная резистентность к различным заболеваниям, иммунологическая дисфункция, изменение психоэмоционального статуса.

Гиперчувствительность к химическим агентам может последовать за вирусными заболеваниями типа инфекционного мононуклеоза или вирусной пневмонии, а также после сильных нервных потрясений.

На развитие МХЧ влияют многие факторы:

· генетические. Приблизительно 50% населения характеризуется медленной скоростью ацетилирования КБ, и, следовательно, их детоксикация затруднена;

· неполноценная диета;

· ожирение;

· пол, возраст;

· сопутствующие заболевания печени и почек;

· нарушения эндокринной системы;

· стрессовые факторы окружающей среды (измененная температура, дефицит кислорода, шум).

Непосредственными химическими индукторами МХЧ могут быть:

• терпены -- естественные летучие соединения растительного происхождения, имеющие характерный запах (например, аромат свежих сосновых игл, цитрусовых, эвкалипта, жасмина). Воздействие терпенов носит сезонный характер с максимумом в весенне-летний период;

• углеводороды -- компоненты природного газа, продукты сгорания бензина. Газовое оборудование также может быть источником этих соединений в жилых домах. Работники автостоянок и бензозаправочных станций -- группа высокого риска для этого типа химической гиперчувствительности;

• синтетические стимуляторы созревания плодов. Например, бананы могут освобождать потенциально вредный стимулятор созревания -- газ этилен;

• изделия, содержащие формальдегид, -- пластмассы, древесно-стружечные плиты, изолирующие материалы (строительная пена), синтетические ковры, фанера, латексные краски, моющие средства, средства для укладки волос, шампуни;

• парфюмерныеизделия -- духи, дезодоранты, аэрозоли, душистое мыло, лак для ногтей, растворители для чистки одежды. Косметологи и парикмахеры также относятся к группе риска;

• пестициды;

• искусственные красители и ароматизаторы;

• хлорированная питьевая вода.

Полагают, что некоторые физиологические и психогенные механизмы играют роль в патогенезе МХЧ. Триггерным механизмом, как считают, является аденилатциклазная система клеток слизистой носа, которая запускает цепочку реакций в ответ на запах или связывание ксенобиотика.

Есть указания на то, что фенольные соединения, входящие в состав растительной пищи, парфюмерных изделий, табачного дыма, а также пестициды способны активизировать освобождение арахидоновой кислоты и таким образом стимулировать развитие воспалительного ответа. Некоторые фенолы пролонгируют действие адреналина и норадреналина, препятствуя их окислению (инактивации). Адреналин вызывает признаки тревоги, изменения настроения и т.д.

Вовлечены также иммунная система, лимбическая система мозга и механизмы детоксификации КБ.

Основными характеристиками МХЧ являются:

· пороговый эффект;

· вовлечение в патологический процесс фактически любой системы организма или чаще нескольких систем одновременно;

· сенсибилизация к широкому диапазону агентов окружающей среды;

· последующий рецидив заболевания, вызываемый более низкими уровнями ксенобиотика по сравнению с теми, которые служили индукторами на начальной стадии болезни;

· постепенное снижение порога чувствительности;

· распространение повышенной чувствительности к другим, часто химически не сходным веществам.

При этом каждый ксенобиотик может вызывать различный набор признаков заболевания.

3.6 Хроническая интоксикация

В отличие от острой интоксикации хроническая возникает и развивается очень медленно, постепенно. Начальные проявления этой патологии -- общая вялость и слабость. Сон становится тяжелым, а при пробуждении человек не испытывает бодрости. При работе быстро наступает утомление, наблюдается рассеянность. Ухудшаются память и острота восприятия. Могут появиться тяжесть и тупые боли в голове во время физического напряжения, работы. Возрастает потливость рук, ног, в подмышечных впадинах, а иногда всего тела. Снижается аппетит. Ослабевает половая активность.

У женщин возникают головокружения, возрастает нервозность. Может появиться ломкость волос, пропадает их блеск, усиливается выпадение. Понижается, особенно у пожилых, тургор кожи, что проявляется в долго остающихся на лице складках после сна.

Симптомы ухудшения общего самочувствия часто появляются не одновременно. У одних индивидуумов отмечаются одни симптомы, у других -- иные. Они медленно нарастают по интенсивности. Человек привыкает к ним и продолжает работать, считая себя здоровым, несмотря на неприятные ощущения. При этом он взбадривается кофе, курением, а нередко и спиртным, начинает принимать стимулирующие препараты (такие, как пантокрин, настойки элеутерококка, аралии, лимонника, женьшеня и др.). Но все это дает лишь временный эффект улучшения самочувствия, в то время как хроническая интоксикация медленно усиливается.

Позже к названным симптомам присоединяются другие, ухудшающие самочувствие. Это отдельные симптомы аллергических и воспалительных заболеваний, проявления недостаточности работы тех или иных систем организма, ослабленных длительной интоксикацией. Появляется зуд отдельных участков кожи, ее покраснение, инфильтраты. Все это возникает, как правило, нерегулярно и обычно быстро исчезает. В ответ на действие пыли при уборке квартиры может быть раздражение слизистых оболочек носа и глаз, что проявляется в виде насморка, чихания или слезотечения и т.д. Суммарно все эти симптомы объясняются раздражением кожи и слизистых оболочек, скоплением в них в повышенных концентрациях токсических веществ. Незначительные переохлаждения могут вызывать кратковременные несильные ознобы, покашливания, першение в горле. Обычно эти неприятные симптомы вскоре исчезают, и настоящее простудное заболевание не развивается. Часто на относительно хорошую пищу возникают диспептические нарушения -- боль в желудке после приема пищи, тошнота, жидкий однократный стул, спастические боли в кишечнике. Они симулируют симптомы пищевого отравления. После тяжелой работы могут кратковременно появляться отеки нижних конечностей или боли в суставах. Нервные напряжения приводят к небольшому и кратковременному повышению давления, которое после непродолжительного отдыха нормализуется. Минимальный прием спиртного вызывает быстропроходящие боли в желудке. При нерегулярном приеме пищи появляются запоры, сменяющиеся послаблениями желудка. Все это быстро входит в норму при нормализации питания. Эти симптомы говорят о слабости тех или иных систем организма, отравленных токсинами, которые в стадии напряжения начинают не полностью справляться со своими функциями.

На следующем этапе развития хронической интоксикации оказывается, что та или иная система организма настолько истощена, что могут прогрессировать хронические заболевания: аллергические, воспалительные и др. Любая острая патология, с которой ослабленный интоксикацией организм не может полностью справиться, переходит в хроническое течение.

Хроническая интоксикация организма уже на ранних этапах своего развития вызывает существенные и стойкие изменения в картине крови. У большинства людей с данной патологией выявляются сниженный уровень лейкоцитов за счет снижения количества нейтрофилов, умеренный лимфоцитоз. Отмечаются изменения в нейтрофилах: в цитоплазме этих клеток обнаруживается патологическая зернистость, чаще встречаются клетки с атипичными ядрами. Снижается способность нейтрофилов к фагоцитозу.

Основным способом лечения этой патологии является поиск и устранение этиологического фактора. Помимо этого, обязательными являются детоксикационная терапия, стимуляция декорпорации КБ, нормализация метаболизма и общеукрепляющее лечение.



Тема 4. Детоксикация ксенобиотиков

4.1 Общие представления

Живые организмы защищаются от ксенобиотиков окружающей среды благодаря их биотрансформации в относительно нетоксичные метаболиты с последующим выведением. Подавляющая часть загрязнителей -- не растворимые в воде гидрофобные соединения. Попадая в организм человека, они концентрируются в жировой ткани или мембранах. Дальнейший метаболизм ксенобиотиков затруднителен. Это связано с тем что:

· значительная часть реакций в клетке протекает в водной фазе;

· кровь также является водной средой, поэтому существует трудность транспортировки продуктов метаболизма ксенобиотиков между органами и системами органов.

Не смотря на это, в процессе эволюции выработан и отработан механизм, который позволяет обезвреживать токсичные продукты внешней и внутренней среды.

Всю последовательность реакций по детоксикации ксенобиотиков можно разделить на две фазы:

• химическую модификацию;

• ковалентную конъюгацию.

Существует механизм экскреции ксенобиотиков путем их непосредственного выведения из клетки с помощью Р-гликопротеинов или с помощью резистентных белков с низкой специфичностью. Затем ксенобиотики связываются с альбумином плазмы крови или лигандином, которые уменьшают их токсичность. Все эти процессы требуют расхода энергии в виде НАДФН или АТФ.



4.2 Химическая модификация ксенобиотиков

Химическая модификация - связана с приданием токсическим соединениям гидрофильных свойств, которые облегчают их растворение (за счет образования или введения в состав молекул групп ОН, NH₂ и др.). Главная роль в этом процессе принадлежит микросомам. В мембранах эндоплазматического ретикулума локализована система монооксигеназного окисления, обладающая смешанными функциями и низкой специфичностью. Основным компонентом этой системы является -- цитохром Р-450 (сокращенно цит. Р-450), обнаруженный в печени. В микросомной системе окисления проходит метаболизм различных гидрофобных ядов, лекарств, канцерогенных веществ, стероидных гормонов, липидов. Полиспецифичность микросомного окисления объясняется свойствами цит. Р-450, функционирующего в виде различных изоформ (гемопротеины). Они имеют общее строение активного центра, содержащего гемовое железо (рис. 1). Окисление гидрофобных субстратов в микросомах идет по трем основным путям:

• включение атома кислорода в связь между атомом водорода и каким-либо другим атомом молекулы-субстрата (гидрокеширование);

• добавление дополнительного атома кислорода в р-связь (эпоксидирование);

• присоединение атома кислорода к молекуле (окисление).

Таким образом, за счет этих реакций осуществляются гидроксилирование алифатических и ароматических соединений, О- и М-деалкилирование, окисление первичных и вторичных аминов, образование сульфоксидов и N-оксидов.

Наиболее типичная ферментативная активность микросомной системы -- окисление липофильных субстратов, осуществляемое с помощью активации молекулярного кислорода (монооксигеназные реакции).



Рис. 1. Трехмерная организация цитохрома Р-450 при связывании бенз[а]пирена

Изоформы цит. Р-450 обнаружены кроме печени в таких тканях, как почки, легкие, селезенка, кожа, форменные элементы крови (кроме безъядерных эритроцитов). Некоторые разновидности цит. Р-450 локализуются в митохондриальной мембране. К настоящему времени из тканей животных различных видов, простейших и растений выделено более 80 различных изоформ этого фермента.

Показано, что цит. Р-450 кодируется семейством «супергенов», которое составляет по крайней мере 50 генов, организованных в несколько (не менее 9) мультигенных семейств. Эти семейства содержат от одного до нескольких генных сегментов, кодирующих родственные белки. Эти гены несут информацию о ферментах, участвующих в обезвреживании ароматических углеводородов. Одни из них активизируются в организме в ответ на курение, когда увеличивается риск заболевания раком толстого кишечника, другие участвуют в метаболизме некоторых лекарственных соединений, третьи -- в метаболизме стероидов.

Изоформы цит. Р-450 отличаются высокой полиспецифичностью: они способны метаболизировать:

ѕ гидрофобные ксенобиотики (бенз[а]пирен и его производные);

ѕ липофильные искусственно синтезированные соединения (лекарства, пестициды и гербициды, полихлорированные бифенилы и т.п.).

Существует предположение, что изоформы цит. Р-450 могут синтезироваться в ответ на проникновение в организм новых низкомолекулярных соединений. Этот процесс подобен тому, как синтезируются специфические антитела в ответ на попадание в организм антигенов.

Увеличение активности изоформ цит. Р-450, участвующих в метаболизме гормонов, происходит в ответ на изменение гормонального статуса организма и существенно зависит от пола, возраста, периода репродуктивной активности животного. Некоторые ингибиторы (подавляют или задерживают процессы) метаболизма ксенобиотиков способны жестко связывать цит. Р-450, полностью подавляя его активность.

Цит. Р-450 - ключевой фермент в элиминации, детоксикации и метаболической активации экзогенных субстратов. Данные процессы -- важнейшие для поддержания химического гомеостаза внутренней среды животных и человека -- играют основную роль в метаболизме лекарств и попадающих в организм химических загрязнителей окружающей среды. Остановимся на них подробнее.

Элиминация. Липофильные молекулы с трудом выводятся из биологических мембран, так как образуют гидрофобные связи с молекулами мембранных структур. Окисление определенных групп молекулярным кислородом в результате монооксигеназных реакций приводит к увеличению гидрофильности чужеродных соединений. Это способствует их выведению или ускоряет реакции последующей детоксикации, как правило, с участием ферментов, осуществляющих их конъюгацию с белками, что значительно облегчает выведение этих соединений из организма.

Детоксикация. В организме человека детоксикацию ксенобиотиков (промышленных загрязнений, сельскохозяйственных ядов и фармакологических препаратов) осуществляют специальные ферментные системы и мембрано-ассоциированные рецепторы, регулирующие их активность, которые получили название "лекарственно-метаболизирующие энзимы". Процесс детоксикации обычно включает 2 последовательные фазы:

(фаза 1 детоксикации) Сначала поступающие в организм чужеродные соединения (канцерогены, лекарства, промышленные яды и пр.) активируются с помощью ферментов семейства цитохромов Р-450 или микросомальных эпоксид-гидролаз, образуя короткоживущие промежуточные электрофильные метаболиты, которые обладают генотоксическими свойствами.

(фаза 2 детоксикации) Промежуточные метаболиты с помощью специфических ферментов (глутатионтрансферазы, УДФ-глюкуронсульфотрансфераз, N-ацетилтрансфераз) превращаются в водорастворимые нетоксические продукты и выводятся из организма.

Часто химическая модификация приводит к потере молекулой ее биологической активности, токсичности.

Метаболическая активация. В этом случае продукт монооксигеназной реакции становится более активным соединением, чем молекула, из которой он образовался. Типичный пример такой реакции -- образование в монооксигеназной системе из бенз[а]пирена окисленных производных, способных связываться с ДНК, вызывая мутагенез и канцерогенез.

Многие ксенобиотики, попав в организм, подвергаются биотрансформации и выделяются в виде метаболитов. Биологический смысл явления - превращение химического вещества в форму, удобную для выведения из организма, и тем самым, сокращение времени его действия. Метаболизм ксенобиотиков проходит в две фазы.

В ходе первой фазы окислительно-восстановительного или гидролитического превращения молекула вещества становится более растворимой в воде. Во второй фазе образуются соединения, которые выводятся из организма с помощью специальных механизмов экскреции.

Метаболизм многих ксенобиотиков сопровождается образованием продуктов существенно уступающих по токсичности исходным веществам. Так, роданиды, образующиеся в процессе биопревращения цианидов, в несколько сот раз менее токсичны, чем исходные ксенобиотики. Процесс утраты токсикантом токсичности в результате биотрансформации обозначается как "метаболическая детоксикация".

Необходимо отметить, что многие природные соединения способны модифицировать активность системы детоксикации. Эстрогены могут быть метаболизированы цитохромом Р-450 путем образования 2-гидроксиэстрона или 16-гидроксиэстрона. Относительная активность этих двух путей определяет риск возникновения раковых гормонально зависимых новообразований. Гидроксилирование в положении С16 ведет к образованию метаболитов, которые увеличивают риск рака молочной железы, в то время как гидроксилирование в положении С2 дает соединения, которые уменьшают риск возникновения онкологического заболевания.

Факторы образа жизни влияют на активность двух путей. Избыточный вес подавляет С2-гидроксилирование, в то время как активная физическая деятельность стимулирует эту реакцию. С16-гидроксилирование ускоряется жирной пищей.

Фитокомпоненты в пище могут изменять относительный вклад этих путей. Например, индол-3- карбинол в некоторых овощах -- мощный индуктор фермента эстороген-2-гидроксилазы.

Флавоноиды цитрусовых - тангерицин и нобилетин -- мощные ингибиторы роста клеток опухоли путем активации цитохрома Р-450.

4.3 Конъюгация

Ковалентная конъюгация - ведет к образованию транспортных форм ксенобиотиков.

Следующей стадией процесса детоксикации является комплексообразование с некоторыми соединениями, которое облегчает последующее выведение ксенобиотиков из организма. Реакции конъюгации -- это реакции биосинтеза, которые протекают с потреблением энергии. Важным обстоятельством этих реакций является особенность их внутриклеточной локализации. Значительная часть реакций конъюгации протекает на мембранах эндоплазматической сети клеток. Это позволяет свести до минимума токсическое действие промежуточных продуктов метаболизма ксенобиотиков.

Глютатион-Б-трансфераза (ГТ-аза) -- детоксифицирующий фермент, который катализирует реакцию взаимодействия глютатиона с токсичными электрофильными соединениями, приводя к образованию менее ядовитых и более растворимых в воде компонентов, которые могут быть легко экскретированы из организма. Компоненты, стимулирующие активность ГТ-азы, рассматриваются как ингибиторы злокачественного процесса. Вещества, способные стимулировать деятельность ГТ-азы, содержаться в сельдерее, чесноке, луке, брокколи и других овощах, а так же в цитрусовых. Лимоноиды, содержащиеся обладают способностью тормозить формирование опухоли, стимулируя ГТ-азу.

Помимо этого, детоксикация ксенобиотика может происходить путем его конъюгации с глюкуроновой кислотой, сульфатом, глицином. Так, например, в результате распада глюкозы образуется активная форма глюкуроновой кислоты, которая используется для образования с ксенобиотиками веществ, обладающих гидрофильными свойствами. Знание биохимических механизмов детоксикации ксенобиотиков позволяет предложить способы их стимуляции, которые будут способствовать снижению риска развития экологически зависимых заболеваний.



Тема 5. Патогенетические механизмы действия биологических факторов на организм человека

5.1 Общие представления

Биологические факторы - совокупность влияния одних организмов на другие.

Воздействие между особями одного вида называется гомотипическим.

Воздействие между особями разных видов называется гетеротипическим.

Влияние одного вида на другой бывает нулевым, благоприятным, неблагоприятным и включает:

• нейтрализм - виды независимы и не влияют друг на друга;

• конкуренцию - каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное действие;

• мутуализм - каждый из видов может расти, размножаться, жить только в присутствии другого вида;

• сотрудничество - оба вида образуют сообщество;

• комменсализм - один вид извлекает пользу от сожительства;

• паразитизм - паразитический вид тормозит рост и развитие своего хозяина;

• хищничество - хищный вид использует в качестве пищи жертву.

Воздействие на человека биологических факторов может быть обусловлено как самими живыми организмами (вирусами, микроорганизмами, простейшими, насекомыми, растениями), так и продуктами их жизнедеятельности (пыльцой, спорами, шерстью, не свойственными для человека соединениями, обладающими аллергенными свойствами).

В настоящее время важное значение имеет антропогенное изменение среды обитания. В этих условиях биологические факторы приобретают новые свойства и способны вызывать патологию и новые виды заболеваний.

Ниже рассматриваются некоторые примеры подобного влияния.

5.2 Грибы

В природе известно около 200 тыс. разновидностей грибов, из которых 45 могут являться возбудителями заболеваний. Обитают в широком диапазоне условий окружающей среды. Примерно 30% населения может иметь аллергические реакции на попадание в организм спор грибов в виде конъюнктивитов, кашля, одышки и других проявлений. Некоторые виды грибов, например Aspergillusflavies,продуцируют микотоксин -- сильный яд, способный вызывать отравления у человека.

Плесень может размножаются на:

ѕ органических субстратах -- фрукты, зерно, компост, древесина, ковры, мебель.

ѕ во влажных условиях -- ванные комнаты, системы вентиляции, увлажнители воздуха, фильтры).

Плесень продуцирует аллергены, способна освобождать в окружающую среду около 500 различных летучих органических соединений (ЛОС), большая часть из которых токсична. Наибольший риск возникновения заболевания имеют грибки рода Penicillumи Aspergillus.Именно они -- причинные агенты в развитии астмы и легочного микоза.

Примером действия биологического фактора на человека могут быть дрожжеподобные грибки рода Candidaalbicans,находящиеся в желудочно-кишечном тракте человека и способствующие развитию патологии при определенных условиях.



Рисунок 1 - Candidaalbicans

Candidaсуществует в трех различных морфологических формах: бластоспоры -- одноклеточные организмы;

Рисунок 2 - Candidaalbicans (бластоспоры)

псевдогифы - цепочки клеток, образовавшихся из-за неполного разделения клеток;

Рисунок 3 - Candidaalbicans (псевдогифы)

нитчатый мицелий - совокупность гиф.



Рисунок 4 - Candidaalbicans (нитчатый мицелий)

Морфологическая форма Candidaalbicans зависит от ряда факторов:

ѕ доступность питательных веществ и микроэлементов;

ѕ температуру;

ѕ соотношение СО₂:О₂;

ѕ pH среды и т.д.

Повышенная температура (37 °С), нейтральный pH, высокое соотношение СО₂:О₂, недостаток питательных веществ стимулируют образование гифов.

Низкая температура, кислый pH (4-6) и доступность питательных веществ (аминокислоты, сахара) поддерживают форму бластоспоры (см. рис. 5.2, а).

В норме в ЖКТ находится неинвазивная дрожжеподобная форма. Но при стрессе, угнетении иммунной системы, длительном приеме антибиотиков, стероидов, оральных контрацептивов, неполноценном питании кандиды переходят в гифовую, мицеллярную форму и начинают усиленно размножаться. При этом образуются выросты (ризоиды), которые способны перфорировать слизистую оболочку ЖКТ. В результате этого нарушается барьерная функция ЖКТ, и в кровеносное русло попадают токсины, продукты неполного расщепления белка (олигопептиды), которые обладают антигенными свойствами, что приводит к развитию аутоаллергических реакций.

Более того, показано, что подобные продукты обладают опиатной активностью, за что получили название экзорфинов. Наибольшее количество экзорфинов образуется из глютелинов (клейковина пшеницы) и казеина молока.

Подобно морфию, экзорфины способны имитировать действие нейрогормонов, а также являются естественными обезболивающими веществами. Они перехватывают нервные импульсы, которые воспринимаются как боль. Эти соединения образуются в наших органах при стрессе из протеинов-предшетвенников.

Экзорфины, связываясь с опиатными рецепторами гипофиза и гипоталамуса, влияют на деятельность ЦНС: нарушение памяти, внимания, эмоционального поведения, обучаемости и др.

Считают, повышение их концентрации в просвете ЖКТ (из-за генетической предрасположенности человека к недостаточной перевариваемости экзорфинов), может привести к аутизму и шизофрении. Использование специфической диеты, лишенной глиадинов и казеина, вызывает существенное улучшение состояния больных.

Помимо этого, кандиды способны проникать через поврежденную слизистую оболочку ЖКТ, попадать в кровеносное русло и далее в различные органы и ткани, что приводит к появлению болей в суставах, поражению кожи, рецидивирующим заболеваниям мочеполовой системы. Кандиды также способны захватывать поступающие в ЖКТ следовые количества ртути, превращать ее в органическую форму (метилртуть) и тем самым способствовать хронической интоксикации организма. Кроме этого, кандиды способны к образованию токсичных для человека промежуточных продуктов метаболизма, например ацетальдегида.

5.3 Бактерии

Распад бактерий приводит к освобождению эндотоксинов, которые присутствуют во внешней мембране Pseudomonas, Enterobacter, а их проникновение в виде мельчайших аэрозолей глубоко в легкие приводит к патологии.

Воздействие микроорганизмов на человека в экологическом плане порождает две главные проблемы:

• гиперчувствительность к микробным агентам и продуктам их деструкции (гиперчувствительная пневмония);

• возникновение болезни легионеров, а также понтиак - лихорадки.

Гиперчувствительная пневмония проявляется гриппоподобным состоянием, выражающимся в виде общего недомогания, кашля, одышки, лихорадки. Симптомы заболевания появляются после пребывания в помещениях, имеющих загрязненные системы увлажнения воздуха или кондиционирования. Указанный симптомокомплекс -- ответная реакция организма на поступление различных аллергенов (микроорганизмы, мембранные белки или полисахариды).

Болезнь легионеров. Впервые была выявлена в 1976 г. у американских легионеров, съехавшихся на конференцию и проживавших в одном из филадельфийских отелей. Заболело 182 человека, из которых 29 погибли. С тех пор во всем мире было зарегистрировано более 60 вспышек этого заболевания.

Заболевание обусловлено бактериями рода Legionellapneumophila размножающимися в загрязненных системах увлажнения воздуха, кондиционерах, душевых и ванных комнатах.

Рисунок 5 - Legionellapneumophila



Известно, что Legionellapneumophilaсуществует в естественных водных системах и почве. При этом она не представляет опасности для человека. Однако в измененной среде, при повышенной температуре (35--55 °С), Legionellaочень быстро размножается в технических водных системах и посредством аэрозолей способна инфицировать человека.

Болезнь легионеров -- серьезное легочное заболевание. Признаки болезни: резкое начало с высокой температурой, сильный кашель, постоянная головная и мышечная боль, общее беспокойство. Инкубационный период -- от 2 до 10 дней. Заболевание лечится соответствующими антибиотиками. Группы риска: мужчины в возрасте старше 50 лет, употребляющие алкоголь и никотин, пациенты с нарушениями иммунной системы, сопутствующими хроническими заболеваниями легких и сердца.

Понтиак-лихорадка -- более легкое заболевание, не связанное с вовлечением в патологический процесс легких. Инкубационный период весьма короток, с гриппоподобными признаками, небольшой лихорадкой, головной и мышечной болью. Признаки заболевания проходят в течение 2--5 дней, и поэтому болезнь зачастую маскируется под другие заболевания.

5.4 Растения, насекомые, животные

Пыльца растений, особенно во время цветения, может служить у восприимчивых индивидуумов мощным аллергенным фактором и являться причиной патологии со стороны верхних дыхательных путей и легких.

Состояние окружающей среды, и особенно атмосферного воздуха, сильно влияет на развитие аллергических заболеваний. Например, аллергические риниты имеют наибольшую распространенность в весенний период у людей, проживающих вдоль дорог с интенсивным автомобильным движением, а также в городах, и гораздо меньшую -- у сельских жителей. У пыльцы маленькие размеры частиц, поэтому она способна распространяться на огромные расстояния. Основная роль в стимуляции возникновения аллергических заболеваний среди всех известных загрязнителей атмосферы принадлежит озону, частицам сажи и диоксиду серы.

Подобным действием обладает и шерсть домашних животных (кошек, собак). Согласно статистическим данным примерно 10% населения имеет признаки аллергии на шерсть собак, 13 -- на шерсть домашних кошек, 37 - на мышей и 57% -- на крыс. При этом количество людей с аллергической симптоматикой увеличивается при недостаточности систем вентиляции служебных и домашних помещений. Период сенсибилизации к биологическим животным факторам весьма разнообразен -- от нескольких дней до десятков лет.

Для уменьшения воздействия на человека биологических факторов может быть проведено несколько радикальных мероприятий:

• поддержание необходимой относительной влажности в жилых помещениях. Этот фактор играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности бактерий, грибов. Влажность зависит от температуры воздуха в помещении, количества помещений с повышенной влажностью (ванные комнаты, туалеты), источников постоянной влажности (водопроводные трубы), а также влажности наружного воздуха;

• регулярная тщательная очистка кондиционеров;

• использование синтетических спальных принадлежностей (подушки, одеяла), их периодическая стирка;

• регулярная влажная уборка жилых помещений;

• использование пылесосов со сменными бумажными фильтрами, так как через матерчатые фильтры клещи домашней пыли вследствие своих малых размеров свободно проходят.



Тема 6. Наследственность и окружающая среда

6.1 Общие представления

В традиционной медицине недостаточно внимания уделяется роли генетических факторов в возникновении экологически зависимых заболеваний. Достижения молекулярной и генетической эпидемиологии свидетельствуют об очевидности взаимодействия наследственности и окружающей среды в этиологии и патогенетических механизмах возникновения многих известных заболеваний.

Как известно, гены определяют структуру и количество белков в клетке. Протеины участвуют в осуществлении и регуляции метаболизма. Воздействие внешней среды модулирует эти процессы. Каждый из индивидуумов имеет уникальный набор генов, который называется генотипом. Следовательно, результатом взаимодействия окружающей среды с генотипом будет совокупность морфологических и функциональных характеристик клеток индивидуумов, что именуется фенотипом.

Одним из аспектов фенотипа является здоровье индивидуума, которое поддерживается тонким балансом между действием разнообразных экологических факторов и генетическими функциями. Риск развития какой-либо патологии в ответ на воздействие внешней среды зависит от генетической индивидуальности. Помимо наследуемых мутаций половые и соматические клетки могут претерпевать мутации в течение жизни в результате каких-либо нарушений метаболизма или действия экологических факторов. В среде существует множество генотоксических агентов (т.е. воздействующих на генетический аппарат), которые способны вызывать упомянутое действие. Если такая приобретенная мутация возникает в гамете, она может быть передана потомству. Напротив, новые мутации в соматических клетках потомству не передаются, но могут явиться причиной рака или других заболеваний.

6.2 Повреждение ДНК и мутации

Поддержание структуры и функций генетического аппарата, безошибочная реализация генетической информации существенны в жизни клетки. Как известно, ДНК является двойной спиралью полинуклеотидных цепей, содержится в ядре клетки, где организована в хромосомах и связана с хромосомными белками. Единицей генетического кода является триплет нуклеотидов -- последовательность трех азотистых оснований, которая определяет порядок аминокислот в первичной структуре белка. Передача генетической информации однонаправлена и включает несколько этапов - транскрипцию (синтез мРНК), трансляцию (синтез протеина на рибосомах) и процессинг, т.е. посттрансляционную модификацию.

Мутагенезом называют последовательность событий, ведущих к мутации клетки. Этот процесс включает несколько стадий:

· воздействие на клетку;

· возникновение повреждений в ДНК;

· неполную репарацию;

· репликацию поврежденной ДНК;

· клеточное деление.

Мутантный фенотип реализуется в дочерней клетке.

Изменения структуры ДНК могут происходить под влиянием различных факторов: эндогенных и экзогенных.

К эндогенным относятся факторы, обусловленные ошибками репликации. Репликация осуществляется с большой точностью. Но случайные ошибки могут произойти почти при каждом делении соматической клетки. В большинстве случаев ошибки могут быть связаны с «молчащими» участками молекулы ДНК, которые составляют подавляющую часть генома и не представляют дальнейшей опасности.

К экзогенным факторам относятся многочисленные компоненты внешней среды: физические, химические и биологические, которые способны модифицировать ДНК. К таким генотоксичным агентам можно отнести ионизирующее, ультрафиолетовое излучения, воздействие многочисленных ксенобиотиков и вирусов.

Радиация вызывает:

· образование одно- и двунитевых разрывов полинуклеотидных цепочек ДНК

· модификацию азотистых оснований.

УФИ является причиной образования тиминовых димеров (дефект ДНК, возникающий в результате образования ковалентной связи между двумя соседними пиримидиновыми основаниями (тимином); образование димеров является главной причиной возникновения меланомы у человека.).

Многие генотоксичные ксенобиотики способны присоединяться к азотистым основаниям, образуя ДНК-аддукты. ДНК-аддукты это соединения какой-либо молекулы с ДНК. Образование ДНК-аддуктов в организме часто происходит под действием канцерогенов, их метаболитов, либо провоцируется канцерогенами, и ведёт к изменению структуры, невозможности правильного протекания процессов транскрипции ДНК и мутациям.

Помимо этого, возможны:

· химическая модификация;

· потеря азотистых оснований;

· образование дополнительных ковалентных связей между цепочками ДНК с окружающими ее белковыми молекулами и др.;

· встраивание вирусного генома в участок ДНК какого-либо гена.



Рисунок 1 - Типы повреждений структуры ДНК и агенты их вызывающие

Эффективная защита от спонтанных и экологически вызванных повреждений ДНК существенна для клеточного выживания и здоровья индивидуума. Ограниченное повреждение ДНК, если оно имеет место в неактивном гене может оказывать незначительное влияние на клеточные функции. Напротив, повреждение в реплицирующейся ДНК всегда связано с последствиями. Недостаток времени на восстановление или неполная репарация при продолжающейся репликации могут фиксировать повреждения ДНК, приводя к необратимым генетическим повреждениям. Эта стадия, именуемая фиксацией, может вести непосредственно к мутации и структурным изменениям хромосом. Следовательно, повреждение должно быть удалено перед синтезом новых цепочек ДНК. В процессе эволюции появилось множество различных механизмов репарации, которые справляются с разнообразными повреждениями ДНК.

Механизм репарации осуществляет коррекцию ошибочно встроенных азотистых оснований при репликации вновь синтезируемой молекулы ДНК. Пять генов человека кодируют белки, участвующие в механизме репарации. Гены расположены на 2-й, 10, 13 и 19-й хромосомах человека. Мутации в этих генах связаны с наследуемой формой рака кишечника и эндометрия (наследственный неполипозный колоректальный рак, HNPCC). Клетки этой формы рака имеют нестабильность в коротких повторяющихся последовательностях ДНК и повышенную частоту мутаций.

Эксцизионная репарация нуклеотидов способна исправлять многие разновидности повреждений ДНК, например, вырезать тиминовые димеры или большие аддукты. Начинается она с обнаружения и вырезания поврежденного компонента с помощью ДНК-гликозилазы. Такой участок может возникнуть путем повреждения при действии радиации. Участок атакуется эндонуклеазой, расщепляющей фосфодиэфирную связь в полинуклеотидной цепи. Фермент «надрезает» цепи ДНК с двух сторон от повреждения, затрагивая олигонуклеотидный фрагмент размером в 30 оснований. Недостающий участок достраивается с помощью ДНК-полимеразы с учетом комплементарности второй, неповрежденной цепи. Окончательную достройку «надреза» осуществляет ДНК-лигаза.

Помимо описанных существуют и другие механизмы репарации ДНК. Двойные разрывы или обширные нереплицированные участки могут быть восстановлены рекомбинантной репарацией, которая использует информацию гомологичной сестринской хроматиды в гомологичной хромосоме.

6.3 Типы мутаций

Обычный ген содержит от 10 до 100 тыс. пар азотистых оснований и включает:

1. область промотора (регулятор транскрипционной активности), изменяющееся число экзонов (кодирующая часть гена);

2. область интронов (некодирующая часть между экзонами), играющих важную роль в организации мРНК;

3. терминальную область со специфической сигнальной последовательностью, важной для стабилизации мРНК (рис. 6.5).

Мутации могут быть вызваны:

1. удалением одного или нескольких оснований в экзоне;

2. заменой одного или нескольких оснований в экзоне;

3. удалением больших фрагментов (целых экзонов);

4. перестановками всего или части гена (дубликация, инверсия).

Большинство замен, касающихся третьего азотистого основания в триплете, остаются незаметны в силу того, что они не изменяют смысла генетического кода.

Мутации, которые касаются изменения фенотипических свойств, связаны с полной (нуль-мутация) или частичной потерей функции гена.

Мутации в сплайсинговой области, вызывающие потерю экзона, а также бессмысленные мутации, связанные с преждевременным окончанием трансляции, ведут к синтезу неполноценного белка.

Миссенс-мутации различным образом влияют на функцию белка в зависимости от типа и месторасположения аминокислоты. Замены одной аминокислоты на похожую не оказывают эффекта на структуру и функцию белка и классифицируются как нейтральные мутации.

Большие потери гена могут захватывать участки соседних генов и, следовательно, будут относиться к хромосомным мутациям.

Перечисленные типы генетических мутаций суммированы в табл. 1.

Таблица 1 Типы генетических мутаций

Разновидность	Положение	Последовательность	Примечание
Замена азотистых оснований	Кодирующая область	Миссенс-мутация	Реализация ошибочной информации в кодировании аминокислот ведет к изменению функции белка
Замена азотистых оснований	Кодирующая область	Бессмысленный кодон	Передача стоп-сигнала прекращает белковый синтез
Замена азотистых оснований	Область сплайсинга	Сплайсинговая мутация	Потеря экзона ведет к потере белковой функции
Потеря/добавление одного-двух оснований	Кодирующая и и/или сплайсинговая области	Рамочная мутация, сплайсинговая мутация	Кодирующая последовательность вне рамки прекращает синтез белка
Малые или большие делеции, перегруппировки	Кодирующая и/или сплайсинговая области: данные мутации могут захватывать области от трех оснований в кодирующей или сплайсинговой области до нескольких миллионов оснований, включая целые гены или несколько различных генов. В последнем случае эти изменения накладываются с хромосомными удалениями и перестановками

Обычно мутация ведет к потере функции белка или уменьшению активности фермента. Очень редко может быть обратный эффект -- увеличение времени жизни протеина или увеличение его сродства к лиганду или субстрату. Последствия такой мутации для клеточного фенотипа так же вредны, как и изменение функции.

Известно, что клетки с дефектными механизмами репарации имеют увеличенную чувствительность к генотоксическим агентам и, следовательно, будут иметь повышенную частоту мутаций. У индивидуумов с наследственными дефектами ДНК выявляется увеличенная чувствительность к генотоксическому воздействию, увеличенный уровень хромосомных аберраций и мутаций в соматических клетках, указывающие на хромосомную неустойчивость и предрасположенность к раку. Эти нарушения выражаются в виде пигментной ксеродермы, синдрома Коккейна (Cockayne), атаксии, телеангиэктазии, анемии Фанкони и синдрома Блума.