Накапливающиеся в тканях в результате секвестрации вещества могут оставаться в них на протяжении всей жизни, выводиться из организма в инертной форме (как мышьяк в волосах Наполеона) или возвращаться обратно в кровь. Вне зависимости от способа перемещения веществ в организме и уровня их токсичности, все они подчиняются одним и тем же правилам диффузии и путешествуют к своим тканям-мишеням в соответствии с этими правилами.
Глава 5 Защита организма
Учитывая огромное значение для человека его головного мозга, можно предположить, что в ходе эволюции должна была развиться мощная защитная система, предохраняющая мозг от воздействия токсичных веществ. Однако всем известно, что мозг можно очень легко отравить некоторыми самыми обычными веществами. Алкоголь, никотин, кофеин, героин, метамфетамин, кокаин – все эти вещества путешествуют по крови, достигают черепной коробки и попадают в спинномозговую жидкость так быстро и эффективно, что создается впечатление, что наш мозг совершенно беззащитен перед химической атакой. Но если мозг так необходим для нашего существования, почему же вышеупомянутые психоактивные вещества, являющиеся токсинами, запросто могут проникать в него и влиять на его функционирование?
Как это ни странно, хотя человеку легко отравить себя наркотиками, доставка к мозгу терапевтических средств оказывается гораздо более сложной задачей. Кровеносные капилляры головного мозга сложены из очень плотно пригнанных друг к другу клеток эндотелия, поэтому любой перенос веществ из крови в спинномозговую жидкость возможен только через эти клетки. Молекулы всех психоактивных веществ, упомянутых ранее, от кофеина до метамфетамина, являются липофильными; для них эндотелиальные клетки не представляют никакого препятствия, поэтому они легко проходят из крови в мозг, где и оказывают свое воздействие на нейроны. Многие же лекарственные средства, наоборот, водорастворимы, и поэтому гематоэнцефалический барьер оказывается для них серьезным препятствием.
И все же мозг, а также ткани человека (и других животных) не являются пассивной жертвой химической атаки. У нас развились механизмы, которые способны снижать, а во многих случаях и полностью блокировать поступление токсичных веществ. Однако эффективность этих защитных систем зависит как от самого вещества, так и от его мишени. Те самые особенности, которые способствуют переносу определенных веществ к биологически активному месту, для других соединений могут быть эффективными барьерами. Сами клеточные мембраны, от эпителиального слоя гематоэнцефалического барьера до жесткого рогоподобного внешнего слоя кожи, служат эффективными барьерами против водорастворимых токсичных соединений, но при этом относительно неэффективны против жирорастворимых веществ. В этой главе мы рассмотрим различные способы защиты от токсинов, возникшие у организмов в ходе эволюции, а также способы преодоления токсинами этих барьеров.
Дезориентация и секвестрация
Химический транспорт из окружающей среды к биологически активной точке может следовать по любому из нескольких альтернативных путей. Если молекула попадает в клетку метаболически активной ткани, например в нейрон или гепатоцит (клетку печени), она может нанести существенный урон. Если же токсичное вещество перенаправляется или накапливается в относительно неактивной ткани, например костной или жировой, то оно может так и не пропасть к рецепторам более активных тканей, по крайней мере в тех количествах, которые способны оказать мгновенное токсическое воздействие. Ионы металлов, накапливающиеся в костях или волосах, или жирорастворимые вещества, такие как ДДТ, накапливающиеся в жировой ткани, – классические примеры секвестрации.
Если химическое вещество проходит через внешние слои защиты и все-таки попадает в клетку-мишень – например, нейрон головного мозга, – его путешествие на этом не заканчивается. Внутри клетки также существует несколько дополнительных линий обороны, которые препятствуют попаданию токсичного вещества к его пункту назначения.
Один из способов защиты, выработанный клеткой против воздействия токсинов, – производство альтернативных точек связывания. Общая применяемая здесь стратегия – те же дезориентация (перенаправление) или секвестрация (накопление). Классический пример секвестрации в животной клетке – образование металлотионеинов. Это небольшие богатые цистеином белковые молекулы, активно связывающиеся с ионами различных металлов. Вероятно, металлотионеины возникли в ходе эволюции для того, чтобы связывать такие микроэлементы, как медь и цинк. В рационе большинства животных (особенно травоядных) этих веществ очень мало, и их накопление в клетках могло иметь эволюционные преимущества. Эти микроэлементы необходимы животным в очень низкой концентрации, при этом в высокой они являются токсичными (см. главу 1). Более того, другие ионы металлов, не являющиеся необходимыми для жизнедеятельности, например кадмий, серебро или ртуть, также связываются с металлотионеинами, в результате чего концентрация свободных ионов в клетках уменьшается, снижая их общую токсичность.
Биологические барьеры
До сих пор мы рассматривали способы защиты от токсичных веществ, включающие в себя физические барьеры, дезориентацию и секвестрацию. Однако в клетке существуют также метаболические механизмы, способные прямо менять структуру токсичных веществ. Этот процесс носит название биотрансформации и служит ключевой линией обороны, дезактивирующей токсичные вещества. В результате биотрансформации некоторые вредные молекулы могут разбиваться на менее токсичные части. Например, этиловый спирт полностью метаболизируется до углекислого газа и воды, поэтому не может накапливаться в головном мозге человека. Однако не все вещества в одинаковой степени подвержены биотрансформации. В отличие от спирта, большинство веществ, содержащих атомы одного или более элементов из группы галогенов – фтора, хлора, брома и йода, – обладают высокой сопротивляемостью к биотрансформации. Поскольку многие из этих веществ жирорастворимы, они могут накапливаться в жировой ткани, где сохраняются годами и даже десятилетиями. Одни из самых печально известных галогенпроизводных – это пестицид ДДТ и полибромированные дифениловые эфиры (ПБДЭ), используемые в производстве негорючих материалов. (Позже мы подробнее рассмотрим галогенсодержащие соединения.)
Ряд процессов биотрансформации связан с преобразованием водорастворимых веществ в жирорастворимые. При этом токсичное вещество не обязательно дезактивируется, но может быть выведено из организма через почки или кишечник. Такие преобразования осуществляют два больших класса белков через процессы так называемого метаболизма фазы I и фазы II. Эти названия не совсем удачны, так как фаза II не обязательно следует за фазой I, и два процесса не обязательно должны происходить последовательно, чтобы появился подлежащий экскреции продукт. В ходе метаболизма исходное соединение (поступившее в клетку извне) превращается в один или более метаболитов, которые обладают более высокой растворимостью в воде. При этом в большинстве, хотя и не во всех, классах веществ биотрансформация снижает токсичность исходного вещества.
Метаболизм фазы II предсказуем и специфичен. Участвующие в ней белки – это высокоизбирательные катализаторы, способствующие преобразованию одних химических веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты фазы II очень избирательны в отношении субстратов и ускоряют образование только определенных продуктов. Каждый из них действует на ограниченную группу субстратов, в результате чего получается относительно небольшое число возможных продуктов. Их основная функция – это конъюгация, то есть присоединение к исходному веществу какой-либо группы атомов, в результате чего оно становится полярным или водорастворимым. С повышением растворимости в воде вещество может быть выведено с мочой. Кроме того, белки фазы II в основном находятся в цитоплазме, то есть плавают в водянистом, богатом белками «супе» внутри клетки, быстро и эффективно конъюгируя с жирорастворимыми молекулами, как только они проникают через клеточную мембрану.
Метаболизм фазы II предсказуем и специфичен. Участвующие в ней белки – это высокоизбирательные катализаторы, способствующие преобразованию одних химических веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты фазы II очень избирательны в отношении субстратов и ускоряют образование только определенных продуктов. Каждый из них действует на ограниченную группу субстратов, в результате чего получается относительно небольшое число возможных продуктов. Их основная функция – это конъюгация, то есть присоединение к исходному веществу какой-либо группы атомов, в результате чего оно становится полярным или водорастворимым. С повышением растворимости в воде вещество может быть выведено с мочой. Кроме того, белки фазы II в основном находятся в цитоплазме, то есть плавают в водянистом, богатом белками «супе» внутри клетки, быстро и эффективно конъюгируя с жирорастворимыми молекулами, как только они проникают через клеточную мембрану.
В отличие от белков фазы II ферменты фазы I – это работники широкого профиля. Продукты метаболизма фазы I менее специфичны, так как многие ферменты этой фазы действуют на самые разнообразные молекулы – субстраты – и способны производить разнообразные продукты. Основная функция большого класса ферментов фазы I, цитохромов P450, – процесс монооксигенирования, то есть присоединения части молекулы воды (ОН-группы) к одному из нескольких потенциальных мест связывания исходного вещества. Этот процесс лишь ненамного увеличивает водорастворимость вещества, однако этого может быть достаточно для его выведения. Эти белки обычно находятся не в цитоплазме, а на внутренней мембране митохондрий. В каждой реакции фазы I участвует не один, а два белка, обменивающихся друг с другом электронами. Из-за этого общая скорость реакций метаболизма фазы I обычно меньше, чем фазы II.
Когда в клетке происходят процессы как первой, так и второй фаз, это может приводить к постепенному преобразованию жирорастворимого вещества в водорастворимое. Но в некоторых случаях взаимодействие двух систем может давать непредсказуемые последствия. Прекрасным примером может служить метаболизм ацетаминофена, активного ингредиента «Тайленола»[2]. Многие полагают, что это лекарство совершенно безопасно, и «если немного – это хорошо, то чем больше, тем лучше». Это очень опасное заблуждение. За выведение ацетаминофена из организма отвечают немногочисленные белки фазы II, локализованные в клетках печени. При метаболизме ацетаминофена образуется водорастворимый конъюгат (ацетаминофенная основа с присоединенной к ней сульфатной или глюкуронидной группой). Однако при его образовании примерно 2 % молекул исходного вещества превращаются под воздействием белков фазы I в два других метаболита (хинонимины). Эти вещества высокотоксичны и способны разрушать ткани печени и почек, но, к счастью, они претерпевают быстрое преобразование (с помощью других белков фазы II) в конъюгированную водорастворимую нетоксичную форму.
При передозировке ацетаминофена в результате тех же самых процессов биотрансформации концентрация как конъюгатов, так и хинониминов в клетке многократно возрастает. Поэтому увеличивается и токсическое воздействие. Точно так же увеличивается образование хинониминов и при сочетании «Тайленола» и других подобных препаратов с алкоголем, так как он уменьшает активность ферментов фазы II (тем самым снижая скорость преобразования токсичных метаболитов в подлежащие выведению конъюгаты).
Этот пример иллюстрирует несколько важных аспектов биотрансформации. Во-первых, метаболизм фазы I не всегда влечет за собой фазу II, но может происходить независимо от нее. Во-вторых, продукты метаболизма фазы I могут быть более токсичны, чем исходная молекула! Это биологическое подтверждение классического тезиса «ни одно доброе дело не остается безнаказанным», так как усилия клетки по повышению водорастворимости, и, следовательно, выводимости, молекул могут приводить к повышению их токсичности. Поэтому биотрансформация не является панацеей от всех токсичных органических веществ, но тем не менее это лучший метаболический способ защиты и удаления из организма жирорастворимых токсичных веществ, который эволюция изобрела на сегодняшний день.
Если вещество все же смогло преодолеть все вышеописанные рубежи обороны, у клетки остается последняя возможность предотвратить связывание токсичной молекулы с ее мишенью. Некоторые из таких мишеней требуют очень точного соответствия структуры токсичной молекулы рецептору. В этом случае самые ничтожные изменения в структуре рецептора могут помешать присоединению молекулы токсина. Эти изменения могут возникать в белковых рецепторах. Белки состоят из различных аминокислот, соединенных вместе, а затем скрученных в трехмерную структуру, поэтому даже небольшие изменения могут очень сильно менять пространственную конфигурацию молекулы и ее функции. С точки зрения эволюции такие преобразования должны совершаться с осторожностью, так как значительные изменения аминокислотного строения рецептора могут нарушить его функции, а не только обезопасить его от токсинов.
Вернемся к Парацельсу
Правила Парацельса, нашего старого знакомого из 1-й главы, помогают представить защитные механизмы организма в более ясном контексте. В большинстве случаев мощность волны атакующих нас токсичных молекул прямо влияет на силу их воздействия. При низких дозировках количество молекул, взаимодействующих с биологическими рецепторами, настолько мало, что никаких негативных последствий не наблюдается. Это отчасти может объясняться недостаточным количеством молекул, присоединяющихся к рецепторам, но также зависит и от эффективности защитных механизмов, препятствующих их попаданию в мишень. При более высокой концентрации к рецепторному месту мигрирует больше молекул, поэтому больше вероятность того, что они преодолеют защитные барьеры и достигнут своей цели. Если же концентрация еще выше, защитные механизмы организма могут быть подавлены и количество молекул, достигающих пункта своего назначения, многократно возрастает, и негативный эффект, например такой, что возникает при передозировке ацетаминофена, может быть весьма серьезным.
Глава 6 Большие путешествия: загрязнение
Сторонники гипотезы Геи считают, что биосфера (часть поверхности и атмосферы Земли, поддерживающие жизнь) – это единая саморегулирующаяся система, создающая условия для существования жизни. В этой главе я не собираюсь ни опровергать, ни подкреплять гипотезу Геи, однако нельзя не отметить, что многое в сфере токсикологии вполне согласуется с ней. Действительно, можно обнаружить весьма явные параллели между передвижением химических веществ по поверхности Земли и процессами абсорбции, транспорта, секвестрации и биотрансформации, происходящими в организме животных.
Три среды: воздух, вода, земля
Природную среду нашей планеты можно разделить на части, подобно организму, состоящему из различных органов и их систем. Три основных компонента биосферы – это атмосфера, гидросфера и литосфера, то есть воздух, вода и земля. Когда в среду попадают молекулы каких-либо веществ, как токсичных, так и безвредных, они могут перемещаться из одной ее части в другую. Характер этих передвижений зависит от свойств самого вещества и свойств среды, в которой оно движется.
Изменение состояния вещества от твердого к жидкому и газообразному называется фазовым переходом. Для простых веществ и небольших молекул эти переходы очень тесно связаны с геохимическими циклами. Основная масса таких часто встречающихся на Земле элементов, как углерод, азот и фосфор, находится в виде разных соединений в твердой форме в земной коре, где они могут сохраняться неизменными на протяжении долгих эпох. Некоторое количество молекул этих веществ переходит в растворенную в воде форму и испаряется в атмосферу.
Самый известный, и самый очевидный, геохимический цикл – это круговорот воды. Вода мирового океана испаряется, попадает в атмосферу, перемещаясь на большие расстояния, и снова переходит в жидкую фазу, выпадая в форме дождей. Затем вода течет по суше и достигает океана, откуда начинала свой путь. Не все химические вещества транспортируются так же легко, как вода, и многие элементы с трудом переходят в атмосферу, так как не подвержены испарению в обычных условиях. Тем не менее многие элементы совершают фазовые переходы между твердой породой и водными растворами.