ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ Текст научной статьи по специальности «Математика»

Обзоры

УДК ИМ.7:001.5

В. И. Павлов, Н. Н. Литвинов

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

НИИ общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМ Н СССР, Москва

В решении 44-й сессии общего собрания АМН СССР, посвященной медико-биологическим аспектам охраны окружающей среды [7], в качестве одной из основных задач гигиены на современном этапе признано изучение механизмов и общих закономерностей взаимодействия организма с химическими загрязнениями окружающей среды. Эта задача чрезвычайно сложна, если учесть многообразие и сложность процессов, протекающих в Морганизме. Но она может быть решена, если привлечь к ее решению достижения химии, физики и других наук и рассматривать при этом в первую очередь некоторые наиболее важные процессы, которые влияют на общее течение процесса взаимодействия организма и загрязнений окружающей среды [81.

Процесс взаимодействия химических загрязнений окружающей среды и организма состоит из ряда стадий, имеющих физическую, химическую или биохимическую (ферментные и другие реакции) природу. Ферментативные реакции подчиняются общим законам катализа [5, 111, т. е. законам кинетики. Роль кинетических закономерностей подчеркивал также Т. Уотермен: метаболические реакции в организме подчиняются фундаментальным законам термодинамики необратимых процессов

химической кинетики [101. По мнению профессоров Г. Эйринга и Д. Эйри [131, «знание теории скоростей химических реакций должно иметь фундаментальное значение для понимания жизненных процессов».

Математический аппарат кинетики в настоящее время разработан и, как показывают достижения фарма- и токсикокинетики, позволяет описывать процессы распределения, метаболизма и выведения токсичных веществ из организма [1, 6, 91. В фармакологии давно и успешно используются кинетические закономерности. Кинетический подход позволяет в ряде случаев прогнозировать эффект фармакологического действия и подбирать условия для поддержания этого эффекта на заданном уровне [91.

В настоящее время считается общепринятым, что «основное содержание токсикокинетики заключается в изучении кинетики прохождения чужеродных химических соединений через организм, включая сюда процессы их поступления, распределения, метаболизма и выведения» [121. В этом определении отсутствует понятие «эффект». «Вызываемый ядом эффект — объект токсикодинами-

ки — всегда в той или иной мере зависит от концентрации действующего агента в месте его действия» [91. Следовательно, разделение двух понятий весьма условно, поскольку они связаны между собой закономерностью доза (концентрация) — время — эффект, и объясняется в первую очередь недостаточной разработкой теоретической базы для количественного описания этой закономерности.

Накопленный материал по токсико- и фармако-кннетнке, энзимологии, а также методические подходы к теории рецепторов в молекулярной фармакологии [41 с привлечением математического аппарата химической кинетики [21 позволяют сделать следующий шаг в использовании закономерностей, химической кинетики для гигиенических исследований. При этом прежде всего необходимо получить зависимость, которая бы связывала количественно величину эффекта с уровнем и продолжительностью воздействия вредных веществ.

Подробное описание всех метаболических реакций является исключительно сложной задачей. Однако, применяя математический аппарат химической кинетики, можно в известной мере формализовать описание процесса взаимодействия токсичного вещества с организмом; такое описание не полностью формально, оно опирается на конкретный механизм (с кинетических позиций), который описывается соответствующими кинетическими уравнениями. При этом пользуются двумя основными положениями химической кинетики — законом действия масс и положением о лимитирующей стадии сложного процесса [21. Если одна из ступеней обладает меньшей скоростью, чем остальные, то общая скорость процесса определяется скоростью именно этой ступени. Кроме того, учитывается такое важное понятие кинетики, как «порядок реакции». Известно также, что если сложная реакция представляет собой ряд последовательных стадий, из которых одна лимитирует весь процесс, то порядок суммарной реакции обычно равен порядку этой лимитирующей стадии [2, 31. Имеются многочисленные доказательства, что метаболические процессы в организме нередко протекают по законам кинетики второго порядка 191.

Необходимо отметить, что лимитирующей (т. е. наиболее медленной) стадией развития токсического процесса нередко является первая стадия. Это в принципе не является решающим обстоятельством при использовании математического аппа-

para кинетики, однако облегчает математическую обработку. Например, J. Hanke и соавт. 1141 показали, что скорость превращения бензола в фенол определяется константой 0,1 ч-1, в то время как последующая реакция взаимодействия фенола с глюкуроновой кислотой на порядок выше (в тканях кроликов); константа скорости реакции образования паранитрофенола из нитробензола (первая стадия) на два порядка меньше, чем константа скорости этерификации паранитрофенола [6].

Из сказанного следует, что параметры лимитирующей реакции, прежде всего константа скорости и порядок реакции, могут определять параметры токсического процесса в целом, что позволяет пользоваться математическим аппаратом химической кинетики для описания токсического процесса и прогнозирования величины эффекта токсического действия. Например, можно применять кинетическое уравнение, используемое для количественного описания химической реакции второго порядка:

А+В -Л. AB,

где А — токсичное вещество; В — реагирующий с этим веществом фермент либо его часть или клеточная мембрана и т. п., играющие роль рецептора; к — константа скорости реакции второго порядка.

Учитывая ограниченность наших знаний о механизме процессов, протекающих в организме, очевидно, получить точное и в то же время достаточно простое математическое выражение зависимости доза — время — эффект можно лишь в рамках определенных ограничений как по механизму, так и по экспериментальным условиям.

Для того чтобы уяснить необходимость ограничений по механизму (с кинетических позиций), условно расчленим токсический процесс на три этапа: поступление токсичного вещества в организм, взаимодействие с рецептором и развитие токсического эффекта как результат этого взаимодействия. Во многих случаях первый и третий этапы протекают быстро и не являются лимитирующими, например при вдыхании веществ, приводящих к гипоксии и остановке дыхания. В таком случае скорость развития эффекта лимитируется реакцией взаимодействия вредного вещества с гемоглобином и другими рецепторами. Это позволяет использовать закономерности химической кинетики.

С учетом сказанного можно получить зависимость величины эффекта от уровня и времени воздействия для условий острого опыта, где эффект — боковое положение (или летальный исход), концентрация токсичного вещества постоянна, скорость проявления токсического эффекта после связывания рецептора в комплекс значительно превышает скорость реакции взаимодействия рецептора с токсичным веществом. В этом случае зависимость концентрация — время — эффект выражается следующим уравнением:

£ = а |£„ — exp I — k\nC"(tor,m — I рани)!}. о)

где Е — токсический эффект при данной концент-1 рации и данном времени воздействия; £м — максимальный эффект; п — стехиометрический коэффициент реакции взаимодействия ксенобиотиков с рецептором, к — константа скорости лимитирующей реакции, toBui — общее время воздействия ксенобиотика, /равп — время установления равновесия между концентрациями ксенобиотика во внешней среде и организме; \ — коэффициент распределения организм — окружающая среда; С — концентрация токсического вещества в окружающей среде; а — коэффициент, учитывающий специфичность рецептора.

В данное уравнение входят (в явной форме или опосредованно, через другие константы) многие величины, которые применялись в эмпирических моделях зависимости концентрация — время — эффект: константа гндрофобности, молекулярная масса, температура кипения, константы Гаммета — Тафта и др.

Необходимо отметить, что данное уравнение представляет зависимость эффекта от уровня и времешп воздействия химических веществ в альтернативной форме в условиях острого эксперимента, когда процессы адаптации и компенсации уже не оказывают существенного влияния на скорость развития токсического эффекта. Для описания эффекта при воздействии вещества в концентрации, близкой к пороговой, уравнение зависимости концентрация — время — эффект будет иметь другой вид, однако оно может быть получено на основании кинетических закономерностей.

Можно ожидать, что уравнения типа (1) помогут решить проблему видовой чувствительности, когда она обусловлена активностью ферментов, участвующих в реакции детоксикации ксенобиотиков. Константу скорости реакции первого порядка (к') можно определить in vitro при взаимодействии ксенобиотика с кровью или другой биологической жидд костью. Подставляя к в уравнение (1), можно определить параметры токсикометрии ядов для животных различных видов и человека (к связана с к' через концентрацию фермента-катализатора, Скпт). С помощью этого уравнения можно определить любую из входящих в него величин, если известны остальные. Предположим, необходимо определить CLM какого-либо ксенобиотика, например этилацетат. В этом случае, по данным В. А. Фи-лова, Я,=97,4, константа скорости реакции первого порядка к'—кСК&г= 1,66- Ю-4 с-1, п=1 1121. Для удобства расчетов уравнение (1) преобразуем:

In (£м — £/<*) = — <г'/СкзтХС/. (2)

Поскольку Скат и а неизвестны, необходимо взять для сравнения какой-либо другой эфир, CL50 которого известна, например метилацетат (CLso 40 г/м3, к' 8,3-10~Б); CL60 и а в пределах одного гомологичного ряда постоянны. Составим два уравнения типа (2), которые будут различаться лишь численными значениями входящих в это уравнение величин. Разделим первое уравнение н>

М^торое и избавимся от неизвестных нам, но одинаковых для обоих веществ величин Скат, 1п(Е„ — Е/а); сокращается величина /. Так как размерность (в молях на 1 л), входящей в уравнения (1) и (2), то с учетом молекулярной массы получим СЬь0 этилацетата, равную 33,7 г/м3. Экспериментально же установленная СЬ60 этилацетата 36 г/м3. Погрешность определения (Х о расчетным методом не превышает имеющуюся в эксперименте.

ЛИТЕРАТУРА

1. Голубев А. А., Люблина Е. И., Толоконцев Н. А. и др. Количественная токсикология. Л., 1973.

2. Денисов Е. Т. Кинетика гомогенных химических реакций. М.. 1978.

3. Киреев В. А. Краткий курс физической химии. М., 1970.

4. Комиссаров И. В. Элементы теории рецепторов в молекулярной фармакологии. М., 1969.

5. Ленинджер А. Биохимия. М., 1974.

6. Пиотровски Е. Использование кинетики метаболизма и выведения токсических веществ в решении проблем промышленной токсикологии. М., 1976.

7. Постановление XLIV сессии общего собрания АМН СССР, посвященной медико-биологическим аспектам охраны окружающей среды. — Вестн. АМН СССР, 1981, № 4, с. 11—14.

8. Сидоренко Г. И. — Гиг. и сан., 1982, № 3, с. 4—7.

9. Соловьев В. Н., Фирсов А. А., Филов D. А. Фарма-кокинстика. М., 1980.

10. Теоретическая и математическая биология. Под ред. Т. Уотермена. М.. 1968.

11. ФерштЭ. Структура н механизм действия ферментов. М., 1980.

12. Филов В. А. — В кн.: Пиотровски Е. Использование кинетики метаболизма и выведения токсических веществ в решении проблем промышленной токсикологии. М.. 1976, с. 7—9.

13. Эйринг Г., Эрри Д. — В кн.: Теоретическая и математическая биология. Под ред. Т. Уотермена. М., 1968, с. 69—109.

14. Hanke J., Dutkiewicz Т., Piotrowski J. — Med. Ргасу. 1961, v. 12, р. 413.

Поступила 20.04.84

Ч^УДК »14.7:547.3*1.11-07(048.8)

М. Т. Дмитриев, Е А Комракова. Ю- П. Тихомиров

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКРИЛАТОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

НИИ общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, Москва

Эффективное решение комплексных проблем гигиены окружающей среды невозможно без совершенных методов определения токсичных веществ — специфичных, чувствительных и точных. От используемых методов зависят результаты гигиенических исследований, обоснованность разрабатываемых рекомендаций [281. Из-за отсутствия надежных методов многие производства органического синтеза, выпускающие важнейшие для народного хозяйства продукты, остаются не изученными в гигиеническом отношении [61. Существенный интерес представляет разработка методов определения для производств акриловых полимеров, мономеров и сополимеров на их основе. Эти производства являются источниками загрязнения окружающей среды такими веществами, как акриловая и метакриловая кислоты, их метиловые и бутиловые эфиры [311. Известно, что акриловые соединения весьма токсичны [16, 29, 421.

В связи с интенсивным развитием производств акрилатов и несовершенством утилизации отходов и очистки выбросов возникает необходимость в детальной гигиенической оценке технологических процессов, установлении характеристик формирования выбросов и загрязнения окружающей среды отходами, изучении влияния выбросов на состояние здоровья населения. При учете детального материального баланса производств и паспортизации выбросов производств акриловых полимеров, мономеров и сополимеров на их основе разработаны и установлены предельно допустимые и временно согласованные нормативы выбросов вредных ве-

ществ в окружающую среду. Эффективные методы определения акрилатов в окружающей среде позволяют выявить строгие количественные закономерности и прогнозировать гигиенические ситуации в районе размещения этих производств [1,3, 71.

Широкое применение нашли химические методы определения акрилатов в воздушной среде производственных помещений и воде. Методы эти доступны, но обладают низкой селективностью и чувствительностью. Акриловую и метакриловую кисло ты в воздухе определяют колориметрическим методом суммарно окислением по месту двойной связи до формальдегида с последующим определением его с хромотроповой кислотой [21. Пробы воздуха отбирают в два поглотительных прибора Петри, содержащих по 3 мл раствора уксуснокислого аммония, со скоростью 0,5 л/мин. Чувствительность анализа 2 мг/м3. Определению мешают формальдегид, хлорангидриды акриловой и метакриловой кислот и другие ненасыщенные соединения. Кроме того, метод не позволяет раздельно определять кислоты и при их совместном присутствии. Мешающее влияние формальдегида устраняют с помощью расчетно-графического метода, который основан на изучении суммарного количества формальдегида (в виде окрашенного продукта его взаимодействия с хромотроповой кислотой). Это количество складывается из доли данного вещества, содержащейся в воздухе н получаемой при окислении анализируемой кислоты по месту двойной связи 1331. Акриловые кислоты в воздухе определяют