Современные яды: Дозы, действие, последствия

Крог и гигантский кальмар

Примеров функциональности принципа Крога можно найти предостаточно. Строение некоторых систем у беспозвоночных животных может быть проще, чем у позвоночных, но при этом они могут обладать уникальными или более крупными структурами либо иметь свойства, не так явно проявляющиеся у позвоночных животных. Классический пример этого феномена – гигантские аксоны кальмара Loligo.

У всех животных электрические импульсы передаются от спинного мозга к мышцам по нервным волокнам. Эти пучки, во многом подобные коаксиальным кабелям, состоят из отростков (аксонов) отдельных нервных клеток, расположенных в спинном мозге, и идут к мышцам конечностей и других частей тела. Эти аксоны могут быть очень длинными (даже больше метра), но при этом очень малы в диаметре. Учитывая, что они отходят от тела клетки, имеющей в поперечнике всего лишь 10–25 мкм (10–6 м), получается, что это действительно тончайшие «провода».

Скорость движений организма отчасти зависит от скорости передачи нервных импульсов по аксонам. Чтобы повысить эту скорость, каждый «проводок» в нервном «кабеле» у позвоночных животных покрыт метаболически неактивной мембраной. У беспозвоночных же увеличение скорости передачи импульса достигается за счет увеличения диаметра самих аксонов. Оба эти видоизменения направлены на уменьшение сопротивления потоку электрических зарядов. У гигантского кальмара Loligo это увеличение диаметра (в так называемом звездчатом нерве) доведено до крайности: один аксон может быть толщиной 300–800 мкм. Иными словами, аксон – покрытый мембраной отросток одной нервной клетки – больше по крайней мере в 12 раз по сравнению с диаметром среднего нейрона спинного мозга позвоночных!

Это очень важно для физиологов, так как с таким гигантским аксоном относительно просто производить какие-либо действия. Эксперименты на этой уникальной структуре позволили физиологам начала XX в. определить механизмы передачи электрических импульсов нервными клетками. Принцип Крога отлично применим к этой системе, так как гигантский кальмар оказался действительно оптимальным организмом для изучения передачи информации по нейронам у всех животных, как позвоночных, так и беспозвоночных. Конечно, аксоны кальмара отличаются от аксонов млекопитающих, у которых есть свои механизмы, направленные на ускорение передачи. Тем не менее фундаментальные принципы функционирования аксонов остаются неизменными, и искусственное разделение животных на позвоночных и беспозвоночных не имеет здесь никакого значения.

Гипотеза аналогий

Сходство человека с другими видами животных полезно не только для подбора модельных организмов для медицинских исследований, но и для определения негативного воздействия химических веществ, попадающих в окружающую среду. Позднее мы подробнее поговорим о том, как продукты фармацевтической промышленности и средства личной гигиены попадают в среду, порой в очень сложных сочетаниях. Учитывая, что многие из этих веществ не считаются вредными для окружающей среды, а их концентрация очень низка, оценить реальный риск оказывается очень сложно.

Здесь может оказаться полезным концептуальный подход, получивший название гипотезы аналогий. Продукты фармацевтической промышленности и средства личной гигиены могут оказывать воздействие на ткани животных, сходные с воздействием на человека, если молекулярная мишень для того или иного вещества у них одинакова. В этом случае можно предположить, что данное вещество, попав в кровь животного, вызовет фармакологическую реакцию в концентрациях более низких, чем требуется для токсической реакции. Более того, если это действительно так, данные, полученные в процессе разработки лекарства, будут полезны для оценки возможного токсического воздействия на живые организмы в природе. Важно, что реакция животных на определенные лекарственные средства может быть сходной с человеческой, если у них имеются одни и те же клеточные молекулярные мишени.

Гены и генетическое разнообразие

Животные с совершенно разной морфологией могут тем не менее обладать сходством сложных функциональных структур потому, что все они имеют общее происхождение. У животных передача локомоторных сигналов от мозга к мышцам возникла в ходе эволюции лишь единожды и по сути своей осталась неизменной, или эволюционно консервативной. Конечно, существуют многочисленные видоизменения этой системы, так как позвоночные и беспозвоночные животные довольно давно разошлись на пути эволюции. Таковы, к примеру, механизмы, необходимые для увеличения скорости передачи импульса, о которых мы уже говорили. Однако фундаментальные молекулярные механизмы работы нейронов в большой степени остались такими же, какими были в тот момент, когда у первого животного в ходе эволюции возникла нейронная сеть.

Тот же самый принцип применим и ко многим метаболическим ферментам – белкам, которые участвуют в получении клеткой энергии в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). На ранних стадиях метаболизма сахаров, ведущего к получению энергии, активация ключевого белка-фермента (А-киназы) регулируется белковой субъединицей, дезактивирующей фермент при присоединении к нему. Присоединением этой субъединицы к А-киназе, в свою очередь, управляет производное АТФ, передающее сигналы внутри клетки, циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Оно может связываться с регуляторной субъединицей, в результате чего происходит ее отделение от А-киназы и фермент начинает функционировать. Этот метаболический уровень контроля настолько консервативен, что регуляторные субъединицы одного животного могут связываться с А-киназой многих других живых организмов, даже очень далеко отстоящих от него эволюционно. Метаболизм сахаров, или гликолиз, – это основной путь биохимических преобразований для всех животных. Именно поэтому участвующие в нем белки так консервативны. И поскольку человек – тоже животное, у него имеются те же самые ферменты, и регуляторные субъединицы других животных легко присоединяются к человеческой А-киназе.

Эти примеры иллюстрируют тот факт, что на молекулярном уровне мы с вами являемся такими же животными, как и все остальные. Это очень важно для токсикологии, так как воздействие химических веществ на ткани-мишени очень часто остается неизменным для большого разнообразия видов, включая человека.

Естественный отбор и дифференциальная восприимчивость

Консервативность молекулярной структуры и функций – один из основополагающих принципов биологии, однако не менее фундаментальной является и идея об индивидуальном разнообразии. Отдельные особи одного и того же вида животных могут казаться нам совершенно одинаковыми, однако на самом деле очень сильно различаются между собой с точки зрения генетики, биохимии и физиологии, морфологии и поведения. Этой изменчивостью управляет естественный отбор. Основные его принципы следующие:

1. Животные производят на свет больше потомства, чем может выжить при имеющихся ресурсах.

2. Потомки одного животного отличаются друг от друга морфологически и биохимически.

3. От изменчивости признаков зависит, кто из потомков выживет и сможет успешно размножаться, тем самым передавая свои признаки последующим поколениям.

Таким образом, несмотря на то что многие гены и кодируемые ими белки сохраняются в ходе эволюции неизменными, эта консервативность сосуществует с постоянным перемешиванием генетического материала в каждом следующем поколении потомков.

Индивидуальные различия между особями одного вида очень важны для токсикологии по многим причинам. Во-первых, именно они в большой степени определяют кривизну графика зависимости реакции от дозы. От генетической и морфологической изменчивости особей, используемых в экспериментах для построения этой кривой, зависит их способность реагировать на токсическое воздействие. У животных с коротким сроком жизни, которые в природе обычно многочисленны – например, насекомых – индивидуальные различия в реакции могут приводить к развитию популяций, устойчивых к пестицидам. Эти популяции могут возникать очень быстро, так как особо восприимчивые к пестицидам особи гибнут, и возможность размножаться получают только те, кто обладает врожденной устойчивостью. Таким образом, кривая зависимости реакции от дозы меняется со временем, но эти изменения объясняются биологической реакцией популяции на воздействие вещества.

Повсеместное распространение изменчивости в биологических системах также влияет на возможность использования различных животных в диагностике заболеваний, так как чем дальше друг от друга находятся виды эволюционно, тем сильнее различаются их молекулярные особенности. Это создает проблемы при использовании животных в медицинских экспериментах. Например, общий предок двух наиболее распространенных лабораторных животных, мышей и крыс, существовал примерно 23 млн лет назад, а общий предок грызунов и человека – около 100 млн лет назад. За это долгое время эволюция очень сильно развела животных, сделав их совершенно разными не только по внешним признакам или морфологии, но и по реакции на различные химические вещества. Например, при тестировании 392 канцерогенных веществ на мышах и крысах оказалось, что 76 % крысиных канцерогенов являются канцерогенными и для мышей, а 70 % мышиных – для крыс.

Поэтому, несмотря на то что по многим фундаментальным физиологическим и молекулярным процессам человек ничем не отличается от множества других видов животных, что и позволяет использовать их в токсикологических тестах, естественный отбор может действовать таким образом, что токсикологический ответ лабораторного животного может оказаться совершенно иным, чем у человека. Учитывая, что эволюционная дистанция между человеком и грызунами больше, чем между крысой и мышью, можно с уверенностью сказать, что веществ, одновременно канцерогенных и для человека, и для грызунов, будет не больше, чем упомянутые выше 70 %. Это не значит, что лабораторные грызуны не имеют ценности для науки; однако это подчеркивает тот факт, что на всех животных, включая человека, одновременно воздействуют как консервативность молекулярной структуры, так и изменчивость естественного отбора.

Человек – это животное, и наше общее с другими видами животных молекулярное происхождение создает основу для использования лабораторных животных в медицинских исследованиях. В зависимости от исследуемой системы модельные организмы могут быть похожи на человека (это служит аргументом для использования приматов в исследованиях инфекционных болезней) или быть эволюционно очень далекими от него (как в случае с гигантским кальмаром Loligo, которого используют для изучения работы нервных клеток). Возможно, лабораторные мыши и сдадут свои позиции как главный объект исследований, но скорее всего, они просто продолжат сосуществовать в лабораториях с другими модельными организмами. Ведь в конце концов внешнее сходство или различие может быть обманчивым, а главную роль играет биохимическая близость организмов.

Глава 4
Химические путешествия: абсорбция

Тот, кто где-то оказался, обязательно должен был начать оттуда, где был.

Роберт Льюис Стивенсон

Чтобы токсичное вещество стало вредным, для начала ему нужно проделать путешествие из среды к конкретной мишени в организме. Большая часть этого путешествия осуществляется на первый взгляд простым путем диффузии: молекулы мигрируют прочь от источника своего происхождения. Примеры диффузии можно найти повсюду: это и соль, растворяющаяся в воде, и дым, распространяющийся в атмосфере, из заводской трубы. Но диффузия становится более сложной, если молекулы переходят из одной части окружающей среды в другую. Например, когда молекулы переходят из воды в воздух, скорость диффузии зависит как от их собственных свойств, так и от свойств воды и воздуха. Более того, расстояние от источника, которое могут преодолеть молекулы, и размеры поверхности, с которой они распространяются, также оказывают влияние на степень диффузии.

Чтобы токсичная молекула вызвала реакцию в ткани-мишени, токсичное вещество нередко преодолевает несколько различных сред. Загрязняющее вещество, присутствующее в воздухе, может проникать из него в водный слой (влажная среда в воздухе), затем – в липидный слой (мембрана, покрывающая каждую клетку) и наконец – снова в водную среду внутри клетки.

Чтобы попасть в кровь, вещество должно повторить все эти ступени, перемещаясь из внутренней водной среды клетки через липидную мембрану и обратно в водную среду крови.

Вне зависимости от того, каким образом токсины попадают в организм животного – через пищеварение, дыхание или кожу, – все химико-биологические реакции начинаются с перемещения химического вещества через слой эпителия. Кожа – первый приходящий в голову пример эпителиальной ткани, потому что она всегда у нас перед глазами. Но эпителий также имеется в легких и пищеварительном тракте. Эти три эпителиальных слоя не совсем одинаковы, поскольку у них разные функции.

Кожа

Кожа млекопитающих, среди прочего, служит барьером между внешней средой и внутренним «океаном» крови. Кожа плотно натянута на все наше тело, имеется лишь небольшое число складок, которые незначительно увеличивают общую площадь ее поверхности. Однако по сравнению с поверхностью внутренних органов, например печени, поверхность кожи очень велика.

Внешний слой кожи состоит из отмерших клеток. В находящемся под ним слое дермы клетки постоянно делятся, производя новые клетки, которые умирают, обезвоживаются и кератинизируются. Процесс кератинизации – это накопление кератина в эпителиальном клеточном слое. Кератин – это волокнистый белок, который можно обнаружить не только в наружном слое кожи, но и в ногтях, копытах и даже роге носорога. Пучки кератиновых волокон очень прочны и, что не менее важно, нерастворимы в воде. Поэтому кератиновый слой вашей кожи можно рассматривать в первую очередь как водонепроницаемый барьер между вами и окружающим миром.

В слое мертвых клеток нет живых белков, поэтому через кожу не может происходить активный транспорт веществ. А как же жирорастворимые вещества? В мертвой клетке сохраняются липиды, образовавшиеся при ее жизни, поэтому жирорастворимые молекулы могут проникать в слой мертвых клеток кожи. В ходе эволюции кожа не развивалась специально как абсорбирующая поверхность, но так как защитный кожный барьер состоит из мертвых клеток, он по своей природе остается способным к абсорбции жирорастворимых веществ.

Способность кожи абсорбировать жирорастворимые вещества – это и наше благословение, и наше проклятие. Например, способность кожи всасывать небольшие липофильные молекулы используется в фармакологии: с помощью адгезивных пластырей можно доставлять в организм такие вещества, как скополамин, средство от морской болезни или никотин. К несчастью, урушиол, активный компонент, содержащийся в ядовитом плюще и сумахе, также может абсорбироваться кожей.

Легкие

Внутренняя поверхность легких значительно отличается от внешнего слоя кожи, так как все клетки легких вполне живые, однако имеется одно очень важное общее свойство. Между воздушными мешочками – альвеолами – и внутренней средой клеток легких также не происходит транспорта веществ с помощью белков. Но на этом сходство двух эпителиальных слоев практически заканчивается.

В легких, заполненных воздухом, происходит диффузия кислорода и углекислого газа. У земноводных, например лягушек, легкие похожи на гроздь винограда, состоящую из нескольких очень крупных воздушных мешков с относительно небольшой общей площадью поверхности и относительно большим расстоянием для диффузии от центра каждого мешочка до крови. У млекопитающих в легких того же объема (у крупной лягушки-быка объем легких приблизительно такой же, как у небольшой крысы) альвеолы гораздо мельче и более многочисленные. Кроме того, у крысы гораздо выше уровень метаболизма, для чего требуется более быстрое поступление кислорода в кровь. Отчасти это достигается уменьшением расстояния, на котором осуществляется диффузия (так как альвеолы значительно мельче) и увеличением площади поверхности. Поэтому у крыс кислород поступает из легких в кровь, а углекислый газ – в обратном направлении, быстрее, чем у земноводных.

Однако через эпителий легких проникают не только такие простые газы, как кислород и углекислый газ. Может происходить также абсорбция различных паров. Пар – это газообразная фаза вещества, которое улетучивается с поверхности жидкости (представьте себе пары, поднимающиеся от капельки духов), однако не все химические вещества в одинаковой степени способны производить пары. Например, водорастворимые вещества не улетучиваются из раствора, а упорно в нем остаются. И даже если сама вода полностью испарится, эти вещества, как правило, не попадают в атмосферу, а остаются в виде твердого осадка, часто в форме соли. Так что в легких нет белков-переносчиков водорастворимых веществ, и эти вещества не обнаруживаются в легких в каких-либо значительных концентрациях.

А что же происходит с более летучими органическими соединениями? Эти вещества могут абсорбироваться в различной степени, и определяющим фактором здесь служит коэффициент распределения кровь/газ. Чтобы понять, как абсорбция зависит от этого коэффициента, представьте себе пары воздуха, находящиеся в коктейльном шейкере вместе с небольшим количеством воды. При взбалтывании коктейля пар частично перейдет в воду, а в основном останется в воздухе внутри шейкера. В этом случае у веществ, оставшихся в газовой среде шейкера, будет низкий коэффициент распределения кровь/газ, а у веществ, которые преимущественно перейдут в воду, этот коэффициент будет высоким. Это сильно влияет на способность к абсорбции, так как низкое значение коэффициента означает и низкую абсорбцию, а при повышенном значении коэффициента распределения абсорбция через легочный эпителий будет гораздо выше.

Жабры рыб – очень интересный вариант дыхательного органа. В отличие от легких, жабры контактируют с водой, поглощая растворенный в ней кислород и выделяя углекислый газ из крови непосредственно в воду. Кроме того, прямой контакт жабр с водой позволяет осуществлять транспорт водорастворимых веществ. Поэтому жабры рыб, в отличие от легких млекопитающих, содержат белки, ответственные за этот транспорт, в частности за перенос таких неорганических ионов, как ионы натрия, кальция и калия. Жабры являются не просто дыхательным органом, но и ионорегуляторной структурой, подобной почкам млекопитающих, функция которой состоит в поддержании нужных концентраций необходимых ионов в крови.

Пищеварительная система

Мы уже увидели, что перенос химических веществ через кожу минимален, а через легкие – ограничен небольшим числом высокоспецифичных классов химических веществ. Однако транспорт через эпителиальный слой пищеварительного тракта происходит быстро и неукротимо. Главная функция гастроинтестинального эпителия – абсорбция пищи на молекулярном уровне. Поэтому кишечная эпителиальная мембрана заполнена белками, переносящими водорастворимые вещества из пищеварительной системы в кровь, откуда они, в свою очередь, поступают в печень.

Можно предположить, что транспорт липидов через кишечный эпителий будет простым, но на самом деле это довольно сложный процесс. При употреблении в пищу различные липиды – жиры и масла – обычно не остаются в виде отдельных химических веществ, а смешиваются в желудке и кишечнике, образуя крупные глобулы. Эти большие сгустки жира для дальнейшего переваривания необходимо разбить на мелкие капли. Этот процесс носит название эмульгирования. Эмульгирование происходит при помощи солей и кислот желчи, которые заставляют крупные глобулы распадаться на мелкие, называемые мицеллами. Эти мелкие частицы жиров и масел могут перемещаться через эпителиальную выстилку пищеварительного тракта, в конечном итоге попадая в кровь.

Транспортная магистраль, по которой молекулы питательных веществ доставляются из кишечника к другим органам и тканям, к сожалению, так же хорошо абсорбирует токсичные вещества. Белки, предназначенные специально для переноса водорастворимых молекул пищи, «по ошибке» могут переносить через мембрану водорастворимые токсины. Жирорастворимые вещества обычно встраиваются в кишечнике в липидные глобулы и мицеллы. Но, помимо полезных жиров и масел, там могут оказаться и липофильные яды, проникающие вместе с мицеллами в кровь.