Алан Колок
Современные яды: Дозы, действие, последствия
Исключения
Но во всех ли случаях применима S-образная кривая? Возьмем, к примеру, витамин А. Это вещество представляет собой смесь компонентов, в том числе ретинола, ретиналя и других сходных по структуре каротиноидов. Недостаток витамина А в рационе может вызывать нарушения зрения, особенно при недостатке освещения. Однако витамин А – жирорастворимое вещество, которое не так быстро выводится из организма, как водорастворимые витамины, например витамин С. Поэтому, если употребить слишком много витамина А, возникает риск отравления. Постоянно повышенный уровень витамина А вреден для организма, особенно для развития органов плода. В случае с этим веществом кривая зависимости реакции от дозы будет не сигмоидальной. Она, скорее, напоминает чашу, где негативный эффект наблюдается как при низких, так и при высоких дозировках. В данном случае влияние дозировки будет двояким: при высоких концентрациях витамина А преобладает негативное воздействие, и чем ниже будет его концентрация, тем лучше. Однако в низких концентрациях витамин А действует как микроэлемент, дефицит которого также наносит организму вред, и в этом случае его концентрацию нужно увеличить.
На самом деле подобный дефицит нельзя считать истинно токсическим воздействием, но есть примеры и других веществ, которые оказывают на организм негативное воздействие как в низких, так и в высоких концентрациях. Прекрасный пример такого вещества – это 17-бета-эстрадиол. При высоких концентрациях это вещество обладает канцерогенным эффектом и очень токсично. Но при уменьшении дозы зависимость начинает приближаться к классической сигмоидальной кривой. Дозы ниже пороговых не увеличивают риск развития рака. Однако в концентрации намного ниже пороговой этот половой гормон действует так же, как клеточный сигнал, влияющий в том числе и на эмбриональное развитие у позвоночных животных. Хотя эстрадиол необходим для развития как мужских, так и женских особей, слишком высокий его уровень в определенные моменты может быть токсичным, в том числе приводить к развитию у плода мужского пола ряда женских признаков. Именно это является причиной необычной морфологии репродуктивных органов у некоторых животных, например развития женских фолликулов в ткани мужских семенников. (В последующих главах мы еще вернемся к влиянию различных химических веществ на внутриутробное развитие.)
Наш взгляд на токсичные вещества определяется идеями Парацельса. Вероятно, для подавляющего большинства токсинов все действительно зависит от дозы. Этот первый закон токсикологии породил огромное количество исследований и правовых актов, касающихся безопасности. В мире современных ядов многие виды взаимодействий между молекулой и организмом определяются именно этим простым, но элегантным принципом.
Глава 2
Природа химических веществ
Некоторые вещи по сути своей никак не могут сочетаться – например, масло и вода, апельсиновый сок и зубная паста.
Джим Батчер
Второе правило токсикологии помогает нам понять, почему одни химические вещества легко выводятся из организма, а другие – нет. Оно же объясняет нам, почему разные яды действуют по-разному. Это правило первым сформулировал Амбруаз Паре, французский хирург XVI в., который сказал, что «яд… убивает определенным свойством, противоположным нашей человеческой натуре». Иными словами, конкретное действие вещества зависит от свойственной ему химической природы.
Эта идея на первый взгляд может показаться очень простой, но давайте попробуем разобраться, что такое «химическая природа» вещества? Нам известно, что эффекты, оказываемые на организм различными химическими веществами, зависят от структуры их молекул. Токсичность по определению проявляется на молекулярном уровне, потому что действие яда определяется тем, как его конкретные молекулы взаимодействуют с конкретными биологическими мишенями в организме. Эти биологические мишени могут быть общими, как, например, фосфолипиды – тонкий слой жиров, входящих с состав всех клеточных оболочек, или очень узкими – например, рецептор к какому-либо нейротрансмиттеру, который может быть навсегда заблокирован по-особому устроенной молекулой пестицида, подходящей именно к данному рецептору. Таким образом, природа токсичного вещества – это его молекулярная структура, так как именно она определяет его химическую активность.
Для многих токсичных веществ, особенно для тех «специалистов», что связываются со строго определенными клеточными рецепторами, кажется вполне логичным, что за воздействие несет ответственность именно трехмерная структура молекул токсикантов. Если токсичное вещество – это ключ, то рецепторная молекула – замок, и для многих токсичных веществ изменения химической структуры молекул (аналогично различиям в форме бородки ключа) могут приводить к изменению токсичности. Более того, если нам известен механизм токсического воздействия вещества на организм, можно сделать вывод, что молекулы со сходной структурой могут оказывать на организмы сходное воздействие. Зависимость активности от структуры – корреляция между структурой молекул химического вещества и его биологической активностью – важный принцип, который можно вывести из трудов Паре.
Зависимость активности от структуры помогает понять, почему разные члены некоторых небольших групп токсинов направленного действия (тех самых «специалистов») действуют на организм одинаково. Но давайте попробуем разобраться в общих закономерностях строения химических веществ. Если нарисовать все известные науке химические вещества на воображаемой школьной доске (доска понадобится о-о-очень большая!), их можно было бы разделить на многочисленные небольшие родственные группы: на одной части доски окажутся сахара, на другой – металлы, на третьей – диоксины и т. д. Какие же критерии можно использовать, чтобы объединить эти группы в более крупные подразделения?
Есть два весьма практичных и простых способа разделения всех веществ на нашей доске. Во-первых, можно выделить органические и неорганические молекулы – то есть, попросту говоря, отделить вещества, в которых есть углерод, от тех, в которых углерода нет. В общем можно сказать, что углеродсодержащие вещества могут быть химически модифицированы в результате процессов, происходящих в живых организмах, и считаются основой жизни. Все необходимые для существования живых организмов молекулы – сахара, жиры, белки, ДНК и РНК, липидная мембрана и т. д. – являются органическими, так как содержат углерод.
Второй способ классификации химических веществ основан на их относительной растворимости; иными словами, вещества могут быть водо- или жирорастворимыми. В отличие от органической или неорганической природы, которая определена однозначно, относительная растворимость веществ может варьироваться – от высокой растворимости в липидах, или жирах, до высокой растворимости в воде. Тем не менее разделение веществ на водо- и жирорастворимые весьма информативно, так как позволяет многое объяснить.
Отличие водорастворимости от жирорастворимости можно легко понять, если представить себе процесс приготовления заправки для салата. Для традиционного итальянского салатного соуса нужно взять воду, оливковое масло и специи, соединить их в емкости и тщательно встряхнуть. Получившийся раствор на самом деле не раствор, а эмульсия – смесь веществ, которые не могут полностью соединиться. Со временем эмульгированные жидкости разделятся, и слой оливкового масла окажется поверх слоя воды. Теперь разберемся со специями, которые используются в заправке для салата: на молекулярном уровне некоторые из них (поваренная соль, сахара и т. д.) растворяются в первую очередь в воде, а не в масле. Другие (например, ванилин, экстракт мяты или винтергреновый экстракт – ну ладно, последний не назовешь традиционным компонентом салата) растворяются в оливковом масле, а растворить их в воде нельзя.
А теперь давайте посмотрим, что будет, если мы добавим к смеси воды и масла какое-нибудь из веществ, расположенных на нашей доске. Если хорошенько встряхнуть сосуд, а потом дать смеси отстояться и разделиться, вещество растворится в одном из слоев – в воде или масле – или не растворится вообще и окажется в виде кристаллов на дне сосуда.
На основании этих двух принципов разделения химических веществ на группы любое вещество можно отнести к одной из пяти категорий: нерастворимые вещества, жирорастворимые неорганические вещества, жирорастворимые органические вещества, водорастворимые неорганические вещества и водорастворимые органические вещества. Молекулы нерастворимых веществ, как органических, так и неорганических, связаны очень прочными химическими связями, которые трудно разорвать, поэтому они и не переходят в раствор. Если рассмотреть этот факт более пристально, становится понятно, что если вещество нерастворимо ни в воде, ни в липидах, значит, оно не может быть усвоено организмом, и, следовательно, не может быть токсично. Так что с точки зрения токсикологии нерастворимые вещества не представляют большого интереса.
Таким образом, классификацию токсичных веществ можно свести к четырем категориям: жиро- и водорастворимые неорганические вещества и жиро- и водорастворимые органические вещества. Список можно еще сократить, так как жирорастворимые неорганические вещества с точки зрения токсикологии также не слишком интересны[1]. Во многих смыслах разделение веществ на водо- и жирорастворимые не менее важно, чем их разделение на органические и неорганические. Чтобы понять это, необходимо получше приглядеться к месту, где химия буквально сталкивается с биологией: к клеточной мембране.
Клеточная мембрана
Прежде чем обратиться к теме абсорбции веществ из среды организмом, давайте вспомним, как устроена живая клетка. Когда я читаю курс общей биологии студентам непрофильных специальностей, я прошу их взять лист бумаги и за отведенное время нарисовать клетку. Тут я хитрю, потому что без предупреждения даю им всего одну-две секунды, и, едва они успевают начать рисовать, кричу: «Время вышло!» За это очень короткое время большинство рисуют одно и то же – замкнутый круг. По сути, то, что они рисуют, – это клеточная мембрана. Хотя для жизнедеятельности клетки, несомненно, важны ядро, митохондрии, аппарат Гольджи и прочие органоиды, именно клеточная мембрана отделяет внешнюю среду от внутренней, и именно ее первым делом рисуют практически все, кому дается задание нарисовать клетку за несколько секунд.
Клеточная мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов. Во внешнем слое молекулы расположены так, что полярные головки молекул смотрят наружу, а неполярные хвосты направлены в сторону цитоплазмы. За первым слоем следует небольшая щель, а затем – внутренний слой фосфолипидов. В этом слое хвосты молекул направлены наружу, то есть к таким же хвостам внешнего слоя, а головки – внутрь клетки, в цитоплазму. Таким образом, с обеих сторон липидного слоя находятся полярные головки, а между ними – неполярные хвосты.
Для этой структуры полярные головки имеют принципиальное значение. Каждая из них имеет положительно и отрицательно заряженные стороны. Так как одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются, липидный слой представляет собой непроходимый барьер для проникновения любых заряженных ионов – как органических, так и неорганических.
Эта относительная непроницаемость создает проблему, так как цитоплазма внутри клетки не может существовать без водорастворимых компонентов. Многие необходимые ионы – ионы натрия и кальция, хлорид, а также органические вещества, например глюкоза и другие сахара, – являются полярными и не могут преодолеть липидную мембрану. Как же им попасть внутрь? Для этого существуют специальные белки. Они усеивают двойной липидный слой, как стразы на узорчатом поясе. Эти белки работают как поры, или перевозчики, которые доставляют полярные молекулы с одной стороны мембраны на другую. Если начать подробно рассматривать различные биологические мембраны, то выясняется, что у наиболее активных структур (например, митохондрий) белков в мембранах больше всего, а у наименее активных (например, оболочках отростков нервных клеток), их, напротив, очень мало.
Чтобы возникла токсическая реакция, ядовитое вещество должно проникнуть к своей мишени. Иногда это рецептор, иногда – определенный белок или ядерная ДНК, но в целом можно сказать, что мишенью токсина является либо какое-то место внутри клетки, в пределах ее клеточной мембраны, либо сама эта мембрана (двойной липидный слой). Поэтому многие токсичные вещества, чтобы проявить свою активность, должны преодолеть мембраны, и как раз здесь на сцену выходит их растворимость. Водорастворимые вещества (и органические, и неорганические) не могут легко пройти сквозь липидные слои, если только не воспользуются белковыми каналами. Таким образом, транспорт водорастворимых веществ подвергается контролю, и содержание многих из них – например, таких неорганических ионов, как ионы натрия, хлорид, ионы калия или кальция, – поддерживается в клетке на постоянном уровне.
Данная система эволюционировала так, чтобы была возможна регуляция транспорта этих ионов, однако она не всегда работает безошибочно. Ионные каналы, точно регулирующие поступление неорганических или органических ионов в клетку, случайно могут пропускать и вредные токсичные ионы. Переносчики таких микроэлементов, как медь и цинк, не могут отличить эти необходимые для жизнедеятельности металлы от потенциально опасных, таких как кадмий, серебро или ртуть.
С токсичными жирорастворимыми веществами дело обстоит иначе. Для них липидная мембрана не является препятствием, и поэтому они могут перемещаться по организму безо всяких ограничений, словно бродяги. Хотя, согласно одному из определений, живой организм – это система, контролирующая свой внутренний состав, жирорастворимые молекулы умудряются обходить правила, регулирующие жизнедеятельность клеток.
Поскольку растворимость так важна для абсорбции и конечной судьбы молекул в организме, нам нужно ее как-то измерять. Это возвращает нас к аналогии с салатной заправкой. Если добавить в смесь (эмульсию) воды и масла некое таинственное вещество и дать смеси отстояться, чтобы масло оказалось сверху, все, что понадобится для определения растворимости, – это измерить содержание вещества в слоях воды и масла. В экспериментах по измерению степени растворимости в качестве масла используется октанол, и получившееся численное отношение называется коэффициентом распределения октанол/вода (Ков).
Если взять разные молекулы, от водорастворимых (поваренная соль) до жирорастворимых (холестерин), насколько разными будут их Ков? Оказывается, различаются они действительно очень сильно. Нередко бывает так, что вещество растворяется в воде в миллион раз лучше, чем в жире, и наоборот. Коэффициенты могут быть настолько велики, что обычно их представляют в виде логарифмической функции (Ков жирорастворимого вещества может составлять 1 000 000, или 106, то есть lg Ков = 6), а разница в растворимости между водо- и жирорастворимыми веществами может превышать 1012, так что растворимость жирорастворимых молекул в двойном липидном слое мембраны может быть более чем в триллион раз выше, чем водорастворимого вещества в том же липидном слое.
Теперь мы можем рассмотреть двойной липидный слой как химический барьер с точки зрения Ков. Водорастворимое вещество по определению является жиронерастворимым и поэтому не может пройти через мембрану. Скорость его диффузии через этот барьер будет минимальной. Без помощи белков-переносчиков поступление этого вещества в клетку практически невозможно, поэтому минимальной будет и его токсичность. И наоборот, вещество, растворимое в масле или жире, легко проходит через клеточную мембрану и поэтому обладает большим токсическим потенциалом. Вещество с большим Ков легко растворяется в липидном слое, и скорость его диффузии в клетку будет гораздо выше, чем у водорастворимых веществ.
Итак, растворимость можно назвать основной дихотомией токсикологии. Поведение практически любого токсичного вещества зависит от его растворимости в жире или воде. Растворимость влияет на такие фундаментальные процессы, как абсорбция из среды, попадание в кровь, диффузия в ткани-мишени, выведение из них, метаболизм, разрушение и полное устранение из организма. Эти функции в большей степени регулируются относительной растворимостью в воде и жире, чем размером или формой молекул. Именно с растворимости вещества и начинается дорога токсикологии.
Глава 3
Человек как животное
Все животные равны, но некоторые животные равнее других.
Джордж Оруэлл. Скотный двор
Когда мы думаем о биомедицинской лаборатории, вместе с образом ученого в белом халате в сознании сразу же возникает образ лабораторной мышки. Но несмотря на этот закрепившийся стереотип, место мышей очень скоро могут занять аквариумные рыбки рода Данио. Почему же холоднокровная рыба может быть для ученых более ценной, чем теплокровная мышь, и какую роль рыбы, так сильно отличающиеся от нас, могут играть в медицинских или токсикологических экспериментах?
Чтобы ответить на эти вопросы, в первую очередь нужно вспомнить о том, что мы, люди, – тоже животные. И у всех животных, вне зависимости от того, насколько они похожи на человека, есть множество сходных черт. Во-первых, все мы являемся гетеротрофами (потребителями органики) и способны к движению. Даже наше строение по сути своей одинаково: все мы – многоклеточные организмы, а генетический материал у нас содержится в ядре – особой и четко определенной структуре внутри клетки. На молекулярном, биохимическом, уровне процессы дыхания, пищеварения, выделения и метаболизма в целом (состоящего из катаболизма, или распада пищи на элементарные строительные «кирпичики» нашего тела, и анаболизма, или построения тканей из этих «кирпичиков») на удивление похожи у самых разных видов животных. Такое сходство создает основы для тестирования веществ на животных: если мы знаем, как тот или иной токсин действует на таких лабораторных животных, как мышь или данио, эти знания могут помочь нам понять, как то же самое вещество может подействовать на человека.
Чтобы решить, какие виды лучше всего подходят для медицинских исследований, нужно рассмотреть ряд факторов, в том числе и отношение общества к разным животным. Люди обычно склонны больше сочувствовать позвоночным животным, чем беспозвоночным. Например, до недавнего времени в США Комитет по содержанию и использованию животных (IACUC), административный орган, регулирующий проведение опытов над животными, обращал внимание в первую очередь на позвоночных, особенно на млекопитающих. Это понятно, потому что именно млекопитающие, в частности грызуны, чаще всего использовались в биомедицинских исследованиях. И дело здесь не только в традиции или частоте использования этих животных. Одна из функций IACUC – следить за тем, чтобы животным в лабораториях не причиняли излишних страданий. Но чем дальше от нас животное в эволюционной цепочке (то есть чем глубже в прошлое мы должны погрузиться, чтобы найти общего с нами предка), тем сложнее нам понять, чувствует ли оно что-то, и если да, то что.
Так как беспозвоночные животные (черви, моллюски, насекомые и т. д.) очень сильно отличаются от нас внешне (морфологически), провести воображаемую черту, отделяющую «настоящих» (позвоночных) животных от всех прочих, становится достаточно просто. Даже в нашем языке отражается не только отсутствие эмпатии, но и, наоборот, присутствие отвращения, к беспозвоночным. Мы нередко говорим про кого-то: «Он бесхребетный», используя это выражение в негативном смысле, подразумевая принципиальное отличие беспозвоночных от наших позвоночных собратьев.
Но какими бы ни были наши предрассудки, сходство между человеком и другими животными не заканчиваются с проведением черты между позвоночными и беспозвоночными. Хотя, конечно, трудно сказать, насколько боль и страдания, испытываемые животными «без лица», соответствуют тому, что может испытывать млекопитающее или другое позвоночное животное, нельзя не принимать во внимание функциональную, метаболическую и молекулярную общность наших организмов. Эта общность в области сравнительной физиологии привела к установлению так называемого принципа Крога. Август Крог – датский физиолог, лауреат Нобелевской премии 1920 г., сказал: «Для каждой проблемы (в физиологии) должно существовать такое животное или несколько видов животных, на которых ее будет проще всего изучить и решить». Принцип Крога применим ко всем животным, а не только к позвоночным.