CC BY
14
УДК УДК 615.9.015.7:577.23
Проф. Ю. С. Каган, Б. М. Штабский
К ПРОБЛЕМЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МЕХАНИЗМОВ КУМУЛЯЦИИ (О 3 ТИПАХ КУМУЛЯТИЕНСГС ДЕЙСТЕИЯ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ)
Всесоюзный научно-исследовательский институт гигиены и токсикологии пестицидов, полимерных и пластических масс. Киев, Львовский медицинский институт
В настоящее время широко обсуждаются методические подходы к изучению кумулятивного действия веществ в целях их гигиенического нормирования. Наряду с оценкой кумулятивности веществ по смертельному исходу предлагается определение коэффициента кумуляции на пороговом уровне. Однако такой подход связан с трудностями из-за неопределенности понятия о пороговой концентрации и ограниченности сведений о значимости пороговых сдвигов. Очевидно, более глубокая и в то же время достаточно строгая оценка может быть получена путем изучения молекулярных механизмов кумуляции.
Классическая теория кумуляции различает 2 типа взаимодействия вещества с рецепторами, допуская развитие кумулятивного эффекта (при п-кратном введении), «когда яд необратимо (во всяком случае, прочно и надолго) связывается тканью. При этом определенный эффект может наступить или когда содержание яда в ткани достигнет определенного уровня, или когда определенное количество яда прореагирует с тканью (хотя бы сам яд при этом был совершенно разрушен). В первом случае мы имеем дело с накоплением яда в ткани, во втором ■— с накоплением вызванных им изменений. В первом случае мы говорим о £ материальной кумуляции, во втором — о функциональной кумуляции» (Н. В. Лазарев).
При более строгом подходе все же едва ли справедливо говорить о функциональной кумуляции, если яд разрушается лишь*частично, так что осколки молекул вещества остаются связанными с рецепторами. Вместе с тем и накопления самого яда при этом, в сущности, не происходит. Поэтому традиционные представления нуждаются, очевидно, в некоторой коррекции.
Действительно, по характеру первичного взаимодействия молекул яда с биологическими макромолекулами в зависимости от судеб вещества и заинтересованных рецепторов целесообразно различать не 2, а по меньшей мере 3 типа первичного кумулятивного эффекта. В одном случае после контакта с рецепторами Р молекулы вещества В покидают рецепторное поле в химически не измененном виде, а сами рецепторы возвращаются к состоянию, в котором они вновь способны к отправлению своих физиологических функций (например, ферментативных, если реакция осуществляется ферментами). В этом случае в процессе первичного взаимодействия реализуется первичный кумулятивный эффект типа материальной кумуляции по схеме: Р + В^РВ. При этом длительность поддержания первичного кумулятивного эффекта зависит от времени существования комплекса РВ и может быть охарактеризована через Т—период полусуществования этого эффекта, который совпадает с Т, — периодом полусуществования самого вещества в критическом органе.
В другом случае в процессе первичного взаимодействия или вскоре после него вещество в неизмененном или измененном (детоксикация) виде покидает рецепторное поле, но сами рецепторы (макромолекулы) остаются в состоянии инактивации (денатурации). Здесь первичный кумулятивный эффект протекает по типу функциональной кумуляции: Р + В -»- Р' + В, где Р' — измененный рецептор. При этом заведомо Т>ТВ, что и определяет существенные различия в методических подходах к изучению материально-и функционально-кумулирующих веществ с позиций молекулярной токсикологии.
Наконец, существует множество веществ, которые, строго говоря, нельзя отнести ни к материально-, ни к функционально-кумулирующим.
Если инактивация рецепторов обусловлена присутствием не целых молекул яда, а их осколков (частей), налицо первичный кумулятивный эффект смешанного типа, в явном виде классической теорией не предусмотренный.
Р + В ->- РВ' -+- В", где В' и В" — части исходной молекулы В. Подобно тому, что отмечается в случае функциональной кумуляции, для таких веществ Т>ТВ. Подобно тому, что наблюдается в случае материальной кумуляции, поддержание первичного кумулятивного эффекта зависит от присутствия на рецепторе материальной частицы, а своевременное освобождение от нее позволяет рассчитывать на восстановление функциональной активности заинтересованных биологических макромолекул. Существование такой кумуляции необходимо учитывать и при планировании токсикологического эксперимента, предпринимаемого с целью гигиенического нормирования веществ.
Приведенные соображения свидетельствуют о том, что типы и механизм кумулятивного действия веществ непосредственно связаны с механизмом первичного взаимодействия молекул яда с рецепторами и не могут рассматриваться в отрыве от него. Это можно проиллюстрировать несколькими примерами.
Типичным случаем материальной кумуляции является накопление в организме тяжелых металлов. Соли тяжелых металлов — серебра, меди, ртути и свинца, а также мышьяка активно реагируют с функциональными группами белков, прежде всего с сульфгидрильными, образуя комплексы различной устойчивости — меркаптиды. Степень устойчивости этих комплексов определяет время функционирования соответствующих белков, т. е. степень кумулятивного действия. Однако какова бы ни была его степень, ведущим звеном в механизме кумулятивного эффекта данного типа является связывание металла с белковой молекулой, т. е. наличие в организме функционально активных молекул яда, что характерно для материальной кумуляции. На примере соединений мышьяка видно, что комплексы могут обладать различной устойчивостью (Н. И. Луганский и соавт.; В. Е. Пет-рунькин). Наименьшей устойчивостью обладают меркаптидные связи, возникающие между трехвалентным мышьяком и монотиолами, например цистеином (I). На втором месте по прочности находится связь между мышьяком и БН-группами белковой молекулы (II); наиболее прочны связи мышьяка с дитиолами (III) (А. А. Покровский).
снг-5-А8^С1 _ онг-Бч
СНЫН2 СН-СНС1 ^ ^А8-СН=СНС1 ¿Н-5-А8~Пн
соон в I ?н
1 I к С1
ш
Меркаптиды образуются также при действии на организм ртути и ее соединений. По этому типу действует, например, р-хлормеркурибензоат (М. Диксон и Э. Уэбб).
н н н_н
К-8Н + С1-На-С^С~С^С-СООН=К-8-Нд-С^ ^С- СООН + НС1
0 с=с с=с
н н н н
Как видно из приведенной схемы реакции, ртуть входит в прочные комплексы с белками, что приводит к нарушению функционирования ферментов и при соответствующей интенсивности воздействия — к возникновению явлений интоксикации. Поскольку эти комплексы достаточно устойчивы, поступление в организм все новых и новых количеств ртутных соединений вызывает все более выраженные нарушения функции ферментов, что
определяет кумулятивное действие ртутьсодержащих ядов. Степень кумулятивного действия может варьировать в широких пределах и зависит, с одной стороны, от устойчивости комплексов молекул яда с рецепторами, а с другой—от функциональной значимости выключаемых рецепторов.
Другим примером связывания БН-групп белков"путем присоединения к ним молекул яда является действие алкилирующих агентов.
К материальному типу кумуляции, по-видимому, следует отнести также действие окиси углерода и цианидов. Окись углерода подавляет активность некоторых ферментов, содержащих железо и медь. Особенно сильно поражаются те ферменты, которые реагируют с кислородом. Являясь более сильным конкурентом, окись углерода вытесняет кислород из соединений с гемоглобином с образованием карбоксигемоглобина; в результате нарушается функция крови как переносчика кислорода.
Цианиды соединяются с металлом фермента, который необходим для осуществления каталитической функции последнего, и блокируют его действие. Кроме того, цианиды могут взаимодействовать с карбонильной группой в самом ферменте — в кофакторе, в простетической группе или даже в субстрате (М. Диксон и Э. Уэбб). Во всех этих случаях фермент частично или полностью перестает функционировать в результате химического взаимодействия с ядом. При этом нарушение функции может усиливаться по мере поступления новых порций яда, т. е. происходит материальная кумуляция, степень которой зависит от устойчивости комплекса цианидов или окиси углерода с кофакторами белковых молекул.
От материальной кумуляции принципиально отличается функциональная, при которой яд взаимодействует с биополимером, но вскоре покидает рецепторное поле, хотя структура и функции биополимера еще на некоторое время остаются измененными. О таком взаимодействии можно судить по влиянию прямых метгемоглобинообразователей (азотистокислый натрий и др.).
Ярким примером функциональной кумуляции может служить действие химических мутагенов. Последние, как правило, не включаются в состав генов, с которыми они взаимодействуют, а отщепляются немедленно или вскоре после реакции (феномен хемостракизма — И. А. Рапопорт). К взаимодействию такого типа следует отнести, по-видимому, нарушения во вторичной и третичной структурах белка, сохраняющиеся после реакции с химическим агентом.
Другим примером функциональной кумуляции могут служить случаи, когда яд связывается с кофактором или субстратом, выводит их из организма, в результате чего фермент не может функционировать нормально. При этом яда в организме может не быть, а функция на некоторый срок остается нарушенной. Если в этот период в организм снова поступает яд, возникает интоксикация в результате накопления функциональных изменений.
Довольно частой является кумуляция смешанного типа, когда к рецептору присоединяется часть молекулы яда. К таким реакциям относятся реакции ацилирования белковых молекул, например реакция фосфорилиро-вания и карбамилирования эстераз. Степень кумуляции в данном случае зависит от прочности образовавшихся комплексов. Фосфорилированная холинэстераза выходит из строя на более длительные сроки по сравнению с карбамилированной. Однако неправильно относить фосфорорганические соединения (ФОС) к необратимым, а карбаматы — к обратимым ингибиторам холинэстеразы.
Приводим схемы этих реакций по С. Н. Голикову и В. И. Розенгарту для карбаматов (I) и по В. И. Розенгарту для ФОС (II).
° Ж?' ' .К, ° /Кг ,,
Е-Н + Х-С-М^ ^Н-Е-С-< 1Е-С-К( + НХ(/)
к2 х Кг
0
II ,сж е-н+р' :
1 хсж
X
Н О _ I II ^сж
Е--РС
I ЧОК X
о
В обоих случаях образуется обратимый промежуточный комплекс, а затем ацилированный энзим с расщеплением ингибитора. Следовательно, с ферментом связывается в первом случае карбамильная, а во втором — фосфорильная группа.
Мерой кумулятивности вещества в данном случае является скорость освобождения свободного энзима из необратимого комплекса энзима с ингибитором. Чем медленнее эта реакция, тем вещество более кумулятивно.
Скорость восстановления исходной активности фермента, ингибирован-ного карбаматами или ФОС, определяется соответственно скоростью гидролиза карбамилированного или фосфорилированного фермента, которая зависит от его строения. Карбамилированные эстеразы гидролизуются значительно быстрее, чем фосфорилированные. Однако в том и другом случае первоначальная молекула ингибитора уже не восстанавливается, так что реакция не является обратимой. Скорость гидролиза карбамилированного комплекса зависит от строения карбаминовой части молекулы ингибитора. Так, для всех производных диметилкарбаминовой кислоты активность фермента восстанавливается наполовину за 25—27 мин, для производных ме-тилкарбаминовой кислоты — за 37—39 мин, для бисчетвертичных карбама-тов~—за 1400 мин (С. Н. Голиков и В. И. Розенгарт). Это время является определяющим фактором в развитии кумулятивного эффекта.
Дисметилфосфорилированная холинэстераза легче поддается реактивации нуклеофильными реагентами, чем диэтилфосфорилированная. Наиболее устойчив к реактивации диизопропилфосфорилированный фермент. Естественно, что кумулятивные свойства фосфорорганических ингибиторов холинэстеразы связаны прежде всего с тем, на какой срок выключается функция фермента (Ю. С. Каган; Ю. С. Каган и соавт.). Если действие новых порций поступающего яда развивается на фоне имевшего место ранее торможения фермента, возникает кумулятивный эффект, который может быть отнесен к кумуляции смешанного типа, так как фосфорильный остаток молекулы ингибитора ковалентно связан с гидроксилом серина эстеразного пункта фермента.
Таким образом, прогноз кумулятивного действия ядов возможен на основе определения времени, необходимого для восстановления активности ферментов и других белковых структур, взаимодействие ядов с которыми определяет основной механизм токсического процесса.
Следует отметить, что для некоторых ФОС недавно открыта также возможность обратимого непрогрессирующего торможения ацетилхолинэсте-разы (АХЭ), которое обусловлено взаимодействием ингибитора с участком активной поверхности фермента, ответственного за торможение АХЭ избытком субстрата (А. П. Бресткин и соавт.).
В заключение следует подчеркнуть, что определение типов кумуляции на молекулярном уровне возможно уже в условиях острого опыта, а сведения о периодах полусуществования вещества и первичного кумулятивного эффекта могут быть использованы соответственно для обоснования тестов экспозиции и установления гигиенических нормативов.
ЛИТЕРАТУРА. Бресткин А. П., Брик И. Л., Волкова Р. И. и др. Докл. АН СССР, 1971, т. 200, № 1, с. 103. — Голиков С. Н., Розенгарт В. И. Холинэстеразы и антихолинэстеразные вещества. Л., 1964. — Каган Ю. С. Токсикология фосфорорганических инсектицидов и гигиена труда при их применении. М., 1963. — Каган Ю. С., К л и сен ко М. А., Паньшина Т. Н. В кн.: Химия и применение фосфорорганических соединений. М., 1972, с. 438. — Лазарев Н. В. Общие основы промышленной токсикологии. М.—Л., 1938. — Луганский Н. И., Ми-з ю к о в а И. Г., Л о к а н ц е в Д. С. В кн.: Тиоловые соединения в медицине. Тезисы докл. Киев, 1957, с. 43. — П е т р у н ь к и н В. Е. Там же, с. 64. — Покров-
с к и й А. А. В кн.: Успехи биологической химии. М., 1962, т. 4, с. 61. — Рапопорт И. А. Микрогенетика. М., 1965. — Р о з е н г а р т В. И. В кн.: Проблемы медицинской химии. М., 1973, с. 66. — Диксон М., Уэбб Э. (Dixon М., Webb Е.). Ферменты. М., 1966.
Поступила 29/Х 197 г.
УДК 572.51.08-055.2
В. Н. Янина
ПРИМЕНЕНИЕ ФАКТОРНОГО АНАЛИЗА ПРИ ВЫБОРЕ ОСНОВНЫХ ПРИЗНАКОВ,
ЛЕЖАЩИХ В ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ВЗРОСЛЫХ ЖЕНЩИН
Всесоюзный научно-исследовательский институт социальной гигиены и организации здравоохранения им. Н. А. Семашко, Москва
Исследования, посвященные физическому развитию взрослых, немногочисленны. Ряд авторов рассматривают лишь возрастную динамику длины и веса тела, а также окружности груди (Д. А. Жданов и Б. А. Никитюк; В. А. Гамбурцев и В. Н. Янина; Ю. А. Алабовский; Ю. А. Алабовский и соавт.). Некоторые авторы проводили комплексную оценку физического развития взрослых контингентов, включающую не только тотальные размеры, но и показатели развития мускулатуры и жироотложения в баллах (В. М. Сомов; В. Ф. Шпинев; Е. И. Дубинина). Есть и работы методического плана (Е. Я. Белицкая и М. А. Ширняков; Е. Л. Ноткин; Л. Е. Поляков и соавт., и др.). Но мы не встретили работ, оценивающих значение основных признаков при характеристике физического развития взрослых женщин. Поэтому мы поставили своей целью изучить направление и количественное выражение связи между основными признаками физического развития у женщин.
Материалом для исследования послужили антропометрические измерения 836 женщин в возрасте от 20 до 35 лет, работающих на различных предприятиях Астрахани или обучающихся в высших и средних учебных заведениях города. Большинство обследованных принадлежат к одной этнической группе русских (95,8), около 75 Уо из них уроженцы Астрахани и Астраханской области. Измерения проводили согласно методике, принятой отечественной антропологической школой (В. В. Бунак).
Изучено 10 количественных признаков, лежащих в основе физического развития женщин: длина тела, вес тела, окружность груди, поперечный и передне-задний диаметры грудной клетки, ширина таза, жировые складки на плече, бедре и спине, костно-мышечный радиус плеча. Последний вычислен по формуле:
Я0 = Да — г,
где Я0 — костно-мышечный радиус плеча; — весь радиус плеча; £ — половина жировой складки вместе с кожей. Жировые складки измеряли скользящим циркулем при легком оттягивании и сжимании складки кожи в косом направлении. Параметры изучаемых признаков представлены в табл. 1.
Данные обследованной группы обработаны на ЭВМ «Минск-22» по программе комплексного корреляционно-регрессионного анализа, выборочные парные корреляции которого легли в основу центроидного метода факторного анализа. Многомерный факторный анализ применим в математической статистике при исследовании объекта с множеством параметров, когда необходимо свести их к минимуму, оставив информацию максимальной. Наиболее простым аппроксимационным методом, широко используемым психологами, антропологами, экономистами, медиками и другими специалистами, является центроидный, позволяющий рассчитывать оценки факторных нагрузок, достаточно точных для решения практических задач (В. П. Чтецов; Д. Лоули и А. Максвелл). С помощью этого метода мы пыта-
