CC BY
9
Проблемные статьи
© В. Н. ПАВЛОВ. 1990 УДК 615.91.015.4.07
В. Я. Павлов
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КСЕНОБИОТИКОВ И ОРГАНИЗМА С ПОЗИЦИЙ БИОКИНЕТИКИ
НИИ общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, Москва
(
В работах [3—6] была показана возможность получения уравнений зависимости концентрация— время — эффект с использованием закономерности химической и биологической кинетики; получено подобное уравнение для наиболее простого случая — необратимого взаимодействия ксенобиотика с одним ксенорецепто-ром со скоростью значительно меньшей, чем скорость накопления ксенобиотика в организме:
Е = а [£м — ехр ( —йА,"Сп/)], (1)
где Е, Е„ — текущий и максимальный эффекты соответственно; / — время; к — константа скорости взаимодействия ксенобиотика и ксенорецеп-тора; X — коэффициент распределения организм/среда; С — концентрация ксенобиотика во внешней среде; а, п — константы. Это уравнение выполняется при ряде ограничений (помимо приведенных выше): постоянстве концентрации ксенобиотика во внешней среде; времени действия, значительно превышающем время установления равновесия организм/среда; наличии одной области быстрого обмена; отсутствии процессов адаптации, компенсации в изучаемом интервале концентраций и времени; отсутствии каких-либо метаболических процессов, приводящих к уменьшению концентрации ксенобиотика в критическом органе или появлению других метаболитов, оказывающих вредное воздействие на организм.
Цель настоящей работы — получить уравнения зависимости концентрация — время — эффект, которые позволили бы снять часть ограничений, приведенных выше, и тем самым расширить возможности применения закономерностей биокине-тикн в гигиене, а также проанализировать полученные уравнения.
Уравнение (1) легко преобразовать в уравнение (2):
1 Г 1п(£м-£/«) 1 1 ,
рых представлено уравнение (2), прямолинейна. Подобное уравнение было получено нами ранее [3] с той разницей, что в работе [3] величина эффекта была отражена косвенно — через концентрацию продукта реакции взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора и в явной форме не присутствовала.
Однако если накопление ксенобиотика в критическом органе происходит недостаточно быстро и, кроме того, имеет место метаболическая реакция, приводящая к уменьшению концентра-ции ксенобиотика в критическом органе (обозначим [X]), но при сохранении остальных ограничений, указанных выше, то необходимо учесть также процесс поступления ксенобиотика, который описывается уравнением (3):
■^Г~ = Х/ (ХС— [X]),
(3)
а также метаболический процесс, приводящий к уменьшению концентрации ксенобиотика в критическом органе:
<* IX]
си
(4)
Решая полную систему уравнения (часть урав-,. нений здесь не приводится) с учетом начальныЛ условий —/ = 0 [Х]=0, = получим уравнение зависимости концентрация — время — эффект, которое учитывает процесс накопления ксенобиотика и процесс уменьшения содержания его в критическом органе в результате протекания метаболической реакции:
1п (£м — Е/а) = — X
Ьх + 11
X /
I
"/./ + К
(I
(5)
(2)
Если величину эффекта, которая присутствует в первом члене правой части уравнения (2), считать константой, то данное уравнение будет представлять зависимость вида концентрация — время; эта зависимость в координатах, в кото-
где А|, /г*, х/ — константы скоростей взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора, реакции метаболической «дезактивации» ксенобиотика и его накопления соответственно; остальные обозначения те же, причем
Анализируя уравнение (5), которое значительно сложнее уравнения (I), мы видим, что в це- / лом форма уравнений (1) и (5) совпадает. Если > ¿*<Х/> а 0(кх+%Г1) (т-е- ПРИ соблюдении
ограничений, при которых выполнено уравнение (1), то уравнение (5) переходит в уравнение (1), причем уравнение (5) не может быть преобразовано в уравнение (2).
Если взаимодействие ксенобиотика и ксеноре-цептора происходит обратимо, то можно получить также уравнение зависимости концентрация — время — эффект, которое, однако, значительно сложнее приведенных уравнений, так как в этом случае необходимо учитывать обратную реакцию, протекающую с константой скорости и биохимическую реакцию с участием комплекса ксенобиотика с ксенорецепто-ром, которая протекает с константой скорости k3: ln (£м — Е/а) = 1п [а-ехр;( — Ak{kCt) +
-\-Ь-ех?(—Вк1ХСЩ (6)
Здесь параметры А, В, a, b являются константами лишь в случае постоянства концентрации ксенобиотика во внешней среде (расшифровка этих параметров приведена в работах [6, 7]). В случае постоянства концентрации зависи-, мость эффекта, выраженного в виде функции \ ln(£M — Е/а), от времени в первом приближении представляет кривую, имеющую два прямолинейных участка, наклон которых к оси абсцисс определяется параметрами А и В. Если /e2<éi и ¿3-C&1, то уравнение (6) переходит в уравнение (1) в соответствии с диалектическим законом перехода количества в новое качество.
Из сказанного следует вывод, представляющий, по нашему мнению, определенный интерес для теории и практики ускоренного гигиенического регламентирования. Многие уравнения, используемые для расчета ОБУВ в атмосферном воздухе населенных мест, содержат в качестве аргумента или параметры острой токсичности (LD50 или LC50), или величины ПДК в воздухе ¿¡рабочей зоны, которые, как правило, на 1—2 порядка выше по численному значению, чем среднесуточные ПДК [1]. Если при этом сохраняется механизм взаимодействия ксенобиотика и рецептора, то подобное использование данных острого эксперимента для расчета величины ПДК для условий хронического воздействия правомерно. Однако при значительном (на 1—2 порядка) уменьшением концентрации ксенобиотика в окружающей среде концентрация его в организме (критическом органе) может достичь уровня, сравнимого с уровнем содержания ксе-норецептора в критическом органе; это значит, что если в остром эксперименте зависимость вида концентрация — время — эффект (общетоксического действия) описывалась уравнением (1),то при значительном уменьшении концентрации ксенобиотика в окружающей среде зависимость концентрация — время — эффект будет описы-1 ваться уже другим уравнением, например урав-I пением (6). Игнорирование этого явления может привести к ошибке. Поэтому изучение механизма биохимических процессов с кинетических пози-
ций имеет большое значение для теории и практики ускоренного гигиенического регламентирования.
Априори трудно вычислить соотношение концентраций ксенобиотика и ксенорецептора в критическом органе, а значит, и сделать вывод
0 необратимости или обратимости их взаимодействия. Безусловно, расчет концентраций ксено-рецепторов в различных органах представляет достаточно сложную задачу, а в ряде случаев из-за ограниченности знаний биохимических и других механизмов взаимодействия ксенобиотиков и ксенорецепторов такая задача сегодня невыполнима. В то же время необходимо подчеркнуть, что при условии максимально полного учета достижений биохимии, биокинетики, молекулярной биологии и других дисциплин определение концентраций ксенорецепторов в органах во многих случаях возможно. Покажем это на примере нитрилов и цианидов.
ПДКс.с акрилонитрила составляет 0,03 мг/м3 [1], т.е. 5,7-Ю-3 моль/л; физико-химические данные о растворимости и летучести позволяют оценить коэффициент распределения организм/ среда как близкий к 100; следовательно, насыщающая концентрация акрилонитрила в организме составляет ~5,7-10-° моль/л. Как известно [2], ксенорецептором в случае нитрилов и цианидов служит цитохром а + а3. Попытаемся оценить концентрацию цитохрома а + а3 в печени крысы, имеющей массу печени 2,1 г. Известно также, что количество гепатоцитов в печени порядка 109 [2]. Каждый гепатоцит содержит примерно 800 митохондрий, каждая митохондрия печени имеет 500 дыхательных ансамблей, в каждом из которых присутствует одна молекула (комплекс) цитохрома а + а3. Если считать плотность печени равной 1 г/мл3, то мы получаем количество молекул в 1 мл объема печени. С учетом числа Авогадро (6,03-1023 молекул в
1 моле вещества) получаем концентрацию цитохрома а + а3в печени равную ~3,3-Ю-6моль/л, что сравнимо с величиной концентрации ксенобиотика в организме (т.е. акрилонитрила). Иначе говоря, в этом случае нельзя гарантировать обратимость реакции взаимодействия акрилонитрила и цитохрома а + а3. Окончательный ответ на вопрос об обратимости этого процесса можно было бы дать, если бы были известны величины констант скоростей прямой и обратной реакций. В любом случае очевидно, что концентрация ксенобиотика в критическом органе может быть сравнима или даже меньше концентрации рецептора. На уровне полулетальной дозы концентрация ксенобиотика, как показывают расчеты, будет на 3—4 порядка выше, чем концентрация ксенорецептора, что в случае нитрилов гарантирует необратимость процесса взаимодействия с рецептором, а значит, зависимость концентрация — время — эффект в этом случае может описываться уравнением (1).
Возможен также более сложный, чем описанный выше, случай кинетического механизма. Например, изучение методом «остановленной струи» и другими методами гидролиза некоторых сложных эфиров [7] (я-нитрофенилацетат и др.) под действием сравнимых количеств ацетилхимо-трипсина, трипсина, а также растительных ферментов (папаин, фицин и др.) на молекулярном уровне позволило установить кинетический механизм ингибирования этих ферментов в процессе гидролиза. Показано, что образующийся ацил-фермент является промежуточным соединением в механизме катализа. Хотя реакция образования ацилфермента в этом случае необратима, однако последующий распад этого комплекса с высвобождением исходного фермента и продукта превращения субстрата приводит к обратимости (частично или полностью) процесса по ферменту. При этом зависимость концентрация — время — эффект может быть представлена (используя полученное в работе [7] уравнение) в таком виде:
Р__-Г] _е-Сг.С+<гг) <1 т
где к2 — константы скоростей образования и распада комплекса ксенобиотик — фермент соответственно; остальные обозначения те же.
Это уравнение несколько отличается от уравнения (1) наличием еще одной константы, т. е. к-2, и существенно отличается от уравнения (6). Однако анализ этого уравнения показывает, что в случае, когда /г|С»к2, величиной к2 в уравнении (7) можно пренебречь по сравнению с величиной /г|С, при этом уравнение (7) переходит в уравнение, аналогичное уравнению (1), с той лишь разницей, что уравнение (1) описывает процессы, протекающие на уровне организма (в связи с чем в уравнении появляются константы а и Я), в то время как уравнение (7) выведено для описания процесса взаимодействия ксенобиотика и ксенорецептора на молекулярном уровне. Кроме того, уравнение (1) учитывает как возможность эквивалентного взаимодействия, т. е. 1 моль ксенобиотика на 1 моль ксенорецептора (п=1), так и другие варианты (пф В уравнениях (7) эти 3 константы можно считать равными 1.
Из сказанного выше следует, что в остром эксперименте, когда в критическом органе имеется большой избыток концентрации ксенобиотика по сравнению с концентрацией ксенорецептора, процесс их взаимодействия практически необратим, а зависимость концентрация — время — эффект описывается уравнением (1) или (2) при сохранении остальных ограничений, о которых* шла речь выше. В случае, когда концентрация ксенобиотика и ксенорецептора в критическом органе сравнимы, то зависимость концентрация — время — эффект выражается более сложными уравнениями, например уравнением (6).
В данной работе мы не рассматриваем влияние нескольких компартментов на форму зависимости концентрация — время — эффект, влияние процессов взаимодействия ксенобиотика с двумя и более ксенорецепторами и другие особенности кинетических и биохимических механизмов, однако априори можно сказать, что учет подобного рода условий и расширение рамок существования подобных зависимостей приведут к появлению еще более сложных по форме уравнений зависимости концентрация — время — эффект.
Литература
1. Беспамятное Г. П., Кротов 10. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде,—Л., 1985.
2. Ленинджер А. Биохимия: Пер. с англ. — М., 1974.
3. Павлов В. Н„ Пинигин М. А. // Гиг. и сан. — 1982. — № 7. — Т. 74—75.
4. Павлов В. Н., Литвинов Н. Н. //Там же.— 1984. — № П. —С. 57—59.
5. Павлов В. Н. // Там же.— 1985, —№ 10, —С. 83—84.
6. Павлов В. Н. // Проблемы создания и совершенствования автоматизированных информационных систем охраны труда, окружающей среды и здоровья населения промышленных городов. — Ангарск, 1986. — С. 197—198.
7. Химическая и биологическая кинетика / Под ред. Н. ИЛ\ Эмануэля и др. —М., 1983.
Поступила 27.05.88
Summary. On the basis of biokinelic principles with account of the concept of receptors in toxicology there were derived equations of concentration/time/effect relationship to describe both nonreversible and reversible interaction of xenobiotics and receptors in a critical organ regarded as a unique compartment responsible for xenobiotic toxic effect. An example of calculating xenoreceptor concentration in a critical organ was given.
