Токсикодинамика. Физико-химические характеристики токсиканта и биологической среды

Занятие 5

Токсикодинамика. Физико-химические характеристики токсиканта и биологической среды

Структура занятия

I. Входной тест по теме занятия.

II. Лабораторно–практическое «Потенциометрическое определение значений рН и редокс-потенциалов модельных биологических сред (кровь, моча) ».

III. Итоговый тест.

Целевые задачи:

- изучить зависимость токсичности от физико-химических характеристик токсиканта и биологической среды;

- изучить основные физико-химические характеристики токсиканта, влияющие на механизмы токсичности.

Краткое теоретическое введение

На формирование токсического эффекта влияют физико-химические свойства химического вещества и биологической среды: агрегатное состояние вещества, размер частиц дисперсной фазы, природа химических связей, структура молекул токсиканта, способность к образованию координационных связей с биолигандами, относительная молекулярная масса, летучесть, липофильность, гидрофильность, рН и окислительно-восстановительный потенциал (Е0) биосреды и ксенобиотика.

Токсичность химических веществ зависит от их растворимости в жидких биосредах.

Степень ионизации химического вещества зависит от значения его pKа и рН биологической среды. Взаимосвязь между pKа и pH описывается уравнением Хендерсона–Хассельбаха:

для кислот НА↔Н+ + А-

и

для оснований ВН+ ↔В + Н+.

Чрезвычайно важной характеристикой токсиканта, используемой для прогнозирования механизмов токсичности, являются окислительно-восстановительные потенциалы токсикантов и биосред. Рассмотрение значений окислительно-восстановительных потенциалов Е0 (Приложение 5.1), констан кислотной ионизации токсичного вещества Кa (Приложение 5.2) и рН биосреды (Приложение5.3) дает возможность прогнозировать форму существования токсиканта в той или иной среде организма (диаграммы рН потенциал).

I. Примеры вопросов входного теста

Выберите один или несколько правильных ответов

1. Абсорбция токсичного газа, содержащегося во вдыхаемом воздухе, зависит от:

a) растворимости токсиканта в крови;

b) степени его ионизации;

c) скорости кровотока;

d) константы растворимости Кр= Скровь/Сгаз.

2. При вдыхании пыли частицы дисперсной фазы диаметром около 1 мкм обычно осаждаются в:

a) альвеолах;

b) бронхах;

c) трахее;

d) области носоглотки.

3. Распределение яда в тканях:

a) зависит от скорости кровотока и размера органа;

b) зависит от растворимости химического вещества в ткани;

c) зависит от градиента концентрации между кровью и тканью;

d) увеличивается для ксенобиотиков, которые связываются с белками плазмы.

4. Наиболее важное физико-химическое свойство токсиканта, обуславливающее его пассивную диффузию через мембрану:

a) молярная масса;

b) растворимость в воде;

c) фазовое состояние;

d) полярность.

5. На абсорбцию химических веществ в ЖКТ влияют:

a) диета;

b) период полувыведения токсиканта из плазмы;

c) pH содержимого желудка;

d) рН плазмы крови.

6. Характеристики токсиканта, связанные с кожной резорбцией:

a) выделение яда с желчью;

b) целостность кожи при воздействии токсиканта;

c) физико-химические свойства яда;

d) природа растворителя, используемого для растворения яда.

7. Распределение ксенобиотиков в тканях зависит от:

a) скорости кровотока и размера органа;

b) растворимости химического вещества в ткани;

c) градиента концентрации ксенобиотика между кровью и тканью;

d) степени связывания ксенобиотика с белками плазмы.

8. С ростом рН водного раствора степень экстракции ксенобиотиков кислотной природы в неполярный органический растворитель:

a) повышается

b) понижается

c) не изменяется

9. С ростом рН водного раствора степень экстракции ксенобиотиков основной природы в неполярный органический растворитель:

a) повышается;

b) понижается;

c) не изменяется.

10. Образование малорастворимых соединений в биосреде приводит к:

a) снижению их всасывания;

b) увеличению их всасывания;

c) снижению их токсичности;

d) увеличению их токсичности.

11. Токсичность ксенобиотика увеличивается при:

a) увеличении kN = СL/CH2O;

b) уменьшении kN = СL/CH2O;

c) уменьшении гидрофильности;

d) увеличении липофильности;

12. Большей токсичностью обладают:

a) ZnO;

b) ZnSO4;

c) CuO;

d) PbO;

e) CuSO4.

13. Токсичность определяется рядом факторов:

a) физико-химическими свойствами вещества;

b) дозой;

c) концентрацией вещества в организме;

d) способом и скоростью поступления вещества в организм;

e) полом и массой организма;

f) индивидуальной переносимостью яда организмом.

14. Физико-химические параметры вещества, влияющие на его токсичность:

a) растворимость и коэффициент распределения;

b) кислотно-основные свойства и способность к диссоциации;

c) способность к комплексообразованию;

d) поверхностно-активные свойства;

e) способность к физико-химическим взаимодействиям с эндогенными веществами (лигандно-рецепторное взаимодействие);

f) редокс-потенциалы.

15. Кислотно-основные свойства ядов учитываются при:

a) измельчении биоматериала;

b) вымораживании липидов из биоматериала;

c) изолировании яда;

d) выборе метода детоксикации;

e) качественном и количественном анализе биоматериала.

II. Лабораторно–практическое «Потенциометрическое определение значений рН и редокс-потенциалов модельных биологических сред (кровь, моча) ».

Подготовьте ответ по индивидуальной карточке заданий для участия в семинаре, используя вспомогательный материал

Образцы задач, входящих в карточки индивидуального задания

1. Перечислите физико-химические параметры веществ, влияющие на их токсичность. Приведите необходимые формулы, поясните их применение.

2. Охарактеризуйте влияние на формирование токсичности растворимости и константы распределения между несмешивающимися жидкостями.

3. Опишите влияние кислотно-основных свойств веществ и способности их к диссоциации на формирование токсичности.

4. Охарактеризуйте влияние редокс-потенциалов на формирование токсичности.

5. Опишите влияние хелатообразующих свойств веществ на формирование токсичности.

6. Охарактеризуйте влияние поверхностно-активных свойств веществ на формирование токсичности.

7. Что такое избирательная токсичность, в каких случаях её не бывает? Неспецифическое воздействие АФК на организм.

8. Определите возможность проявления токсических свойств иона As O4 3- (AsO4 3- +2H2O + 2e - → AsO2- + 4 OH - (Е 0 = - 0.71 В), ½ убихинон Q + H+ + e - → ½ убихинон QH2 (Е 0 = + 0,100 В)), принимая во внимание что в соответствии со 2 началом термодинамики редокс-процесс возможен при |D G| ≥ 10 к Дж / моль (|D Е| ≥ 0,2 В, где D Е= Е0ox - Е0red) (см. Приложение5.1).

9. Сравните степень адсорбции в кровь фенобарбитала и кодеина.

10. Определите соотношение ионной и молекулярной форм фенобарбитала и теофиллина в слюне (см. Приложение 5.2).

11. Определите соотношение ионной и молекулярной форм хлорпропамида и атропина в моче (см. Приложение 5.2).

12. Как изменится почечная экскреция фенобарбитала, если рН мочи изменится от 5,1 до 6,9?

13. Как изменится почечная экскреция аспирина, если рН мочи изменится от 7,1 до 4,9?

14. На основании закона действующих масс для равновесия и вытекающего из него уравнение Хендерсона-Хассельбаха вывести расчетную формулу для оценки степени ионизации токсиканта со слабо основными свойствами при данном значении рН.

15. Определите долю токсичного соединения, которая всосется из двенадцатиперстной кишки (рН содержимого равно 7,0) в кровь (рН плазмы составляет 7,4), если это токсичное соединение является слабым основанием с рКа=6,0.

16. Определите в процентах часть токсичного соединения Х, являющегося слабым основанием с рКа=8,4, которая не всосется из двенадцатиперстной кишки (рН содержимого равно 7,0) в кровь (рН плазмы составляет 7,4).

17. Как изменится транспорт фенобарбитала (слабая кислота с рКа=7,2) из экстрацеллюлярной жидкости во внутриклеточную жидкость после внутривенного введения больному гидрокарбоната натрия?

18. Как изменится транспорт фенобарбитала (слабая кислота с рКа=7,2) из экстрацеллюлярной жидкости во внутриклеточную жидкость после внутривенного введения больному хлорида аммония?

Задания к экспериментальной части лабораторно-практического занятия.

Задание 5.1

Измерьте рН нескольких проб биологической жидкости (моча). Найдите среднее значение по каждой пробе. Покажите соответствие/несоответствие полученных значений физиологической норме.

Методика эксперимента: в стакан с пробой биологической жидкости (моча) поместить электрод рН-метра, включить рН-метр. Провести измерение рН биологической жидкости. Занести полученный результат в табл. 5.1. Повторить измерение еще два раза. Выключить рН-метр и поместить электрод в стакан с дистиллированной водой. Рассчитать среднее значение рН пробы. Повторить измерения для оставшихся четырех проб биологической жидкости.

Таблица 5.1.

Результаты определения среднего значения пяти проб pH мочи, полученные от пациентов

№ пробы	Значение рН	рНср± ΔрН
I	II	III
1
2
3
4
5

Интервал рН мочи – физиологическая норма (Приложение 5.3) 4,8–7,2.

Сделать вывод о соответствии интервала определенных значений рН справочным данным. Следует также указать, у каких пациентов элиминация ниже перечисленных токсикантов будет наибольшей: фуросемид, метадон.

Задание 5.2

Экспериментально определите рКа токсиканта (методом потенциометрического титрования).

Методика эксперимента: в колбу поместить 10 мл исследуемой жидкости с предварительно измеренным значением рН (яд кислотной природы). Далее постепенно добавляют по 1 мл раствора щелочи, каждый раз отмечая значение рН, измеренного на рН-метре, до прекращения изменения рН. Результаты занести в табл. 5.2.

Таблица 5.2.

Результаты потенциометрического титрования остатков жидкости с места отравления

V (NaOH), мл	рН

Построить график зависимости значения рН от объема добавленной щелочи. Сделать вывод, в котором подтвердить природу яда (слабая кислота/слабое основание) с указанием значения рКа и обоснованием необходимости подкисления/подщелачивания мочи для более полного выведения ксенобиотика. Следует также указать, у какого из пациентов (№__, рН___) предыдущего задания элиминация токсиканта будет наибольшей.

III. Итоговый тест

1. Липофильность яда определяется по величине:

a) Ка константы диссоциации;

b) Кр коэффициента распределения;

c) G (энергии Гиббса);

d) E0 (редокс-потенциала);

e) рКа отрицательного логарифма константы кислотности.

2. Найдите соответствие:

1. Степень диссоциации для кислот выражается формулой:	a) 100/ (1+ 10(рКа – рН)) b) 10/1+ 100(рКа – рН) c) 1+ 100(рКа – рН) / 100 d) 2 – Ка e) 2 + Ка f) рКа + 2 g) 100/ (1+ 10(рН – рКа) ) h) рКа - 2 i) 100(рКа – рН)
2. Степень диссоциации для оснований выражается формулой:
3. рН среды, при которой ионизация кислоты происходит на 99. 9 % можно рассчитать по формуле:
4. рН среды, при которой ионизация основания происходит на 99, % можно рассчитать по формуле:

3. Как правило, наиболее токсичны вещества:

a) хорошо растворимые в воде (гидрофильные);

b) хорошо растворимые в липидах (липофильные);

c) быстро выводящиеся из организма;

d) легко преодолевающие мембранный барьер клеток.

4. Образование малорастворимых соединений в биологической среде приводит к:

a) снижению всасывания токсиканта:

b) увеличению всасывания токсиканта;

c) снижению токсичности;

d) увеличению токсичности.

5. Всасывание токсических веществ из желудка происходит в виде:

a) HA;

b) A-;

c) B;

d) BH+.

6. Выведение токсических веществ из организма с биожидкостями происходит в виде:

a) HA

b) A-

c) B

d) BH+

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.1

Редокс-потенциалы некоторых эндогенных соединений

Полуреакции	Е0 V(Вольт)
¼ O2 + H+ + e - → ½ H2O	0.816
Fe 3+ + e - → Fe 2+	0.771
NO3 + e - → NO2-	0.421
Цитохром А (Fe 3+) + e - → Цитохром А (Fe 2+)	0.290
Цитохром С (Fe 3+) + e - → Цитохром С (Fe 2+)	0.254
Цитохром В (Fe 3+) + e - → Цитохром В (Fe 2+)	0.077
Цитохром F (Fe 3+) + e - → Цитохром F (Fe 2+)	0.365
½ Убихинон Q + H+ + e - → ½ Убихинон QH2	0.100
½ Фумарат + H+ + e - → ½ Сукцинат	0.031
½ Оксалоацетат + H+ + e - → ½ Малеат	- 0.166
½ Пируват + H+ + e - → ½ Лактат	- 0.185
½ Ацетальдегид + H+ + e - → ½ Этанол	- 0.197
½ ФМН+ H+ + e - → ½ ФМН Н2	- 0.219
½ ФАД+ H+ + e - → ½ ФАД Н2	- 0.219
½ Глутатион (окисленный)+ H+ + e - → ½ Глутатион (восстановленный)	- 0.230
½ Липоевая кислота)+ H+ + e - → ½ Дигидролипоевая кислота	- 0.290
½ НАД+ ½ H+ + e - → ½ НАД Н	- 0.320
½ НАДФ+ ½ H+ + e - → ½ НАДФ Н	- 0.320
½ Сукцинат+ ½ СО2 + H+ + e - → ½ α-Кетоглутарат + ½ Н2О	- 0.670

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.3

Величины рН в разных биожидкостях человеческого организма

Биожидкость	рН
Плазма крови	7,36
Слюна	5,4—7,5
Желудочный сок в зависимости от возраста:
1 месяц	5,8
3—7 месяцев	4,9
7—9 месяцев	4,5
3 года и старше	1,5—2,5
Сок тонкой кишки	6,0
Сок тощей кишки	7,0
Молоко	6,4—6,7
Моча	4,8—7,2
Пот	4,0—8,0

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.2

Константы ионизации некоторых распространенных лекарств

Слабые кислоты	рКа1	Слабые основания	рКа1
Варфарин	5,0	Адреналин	8,7
Салициловая кислота	3,0	Амфетамин	9,8
Пириметамин	7,0	Атропин	9,7
Фуросемид	3,9	Ацетаминофен	9,5
Толбутамид	5,3	Гидралазин	7,1
Ампициллин	2,5	Гуанетидин2	11,4; 8,3
Ибупрофен2	4,4; 5,2	Дезипрамин	10,2
Кромолин	2,0	Дигидрокодеин	8,8
Метисергид	6,6	Дифенгидрамин	9,0
Эрготамин	6,3	Имипрамин	9,5
Сульфадиазин	6,5	Клонидин	8,3
Диазепам	3,3	Кодеин	8,2
Метилдопа2	2,2; 9,2	Кокаин	8,5
Леводопа	2,3	Метадон	8,4
Хлордиазепоксид	4,6	Метамфетамин	10,0
Хлортиазид2	6,8; 9,4	Метараминол	8,6
Пилокарпин	6,9	Метилдопа	10,6
Хлорпропамид	5,0	Морфин	7,9
Этакриновая кислота	3,5	Никотин2	7,9; 3,1
Пеницилламин	1,8	Норадреналин	8,6
		Пентобарбитал	8,1
		Пиндолол	8,8
		Прокаин	9,0
		Прокаинамид	9,2
		Прометазин	9,1
		Пропранолол	9,4
		Псевдоэфедрин	9,8
		Скополамин	8,1
		Стрихнин2	8,0; 2,3
		Теофиллин	8,8
		Тербуталин	10,1
		Фенилэфрин	9,8
		Фенитоин	8.3
		Фенобарбитал	7.4
		Физостигмин2	7.9; 1.8
		Флуфеназин2	8.0; 3.9
		Хинидин2	8.5; 4.4
		Хлорпромазин	9.3
		Эфедрин	9.6

1рКа соответствует значению рН, при котором концентрации ионизированной и неионизированной форм находятся в равновесии.

2Более одной ионизированной группы.

Наиболее важное приложение этого принципа связано с управлением экскрецией лекарства почками. Почти все препараты фильтруются в клубочках. Если лекарство проходит через канальцы в липофильной форме, то его значительная часть будет реабсорбироваться по механизму пассивной диффузии. Когда нужно ускорить выведение вещества, важно предупредить его реабсорбцию из канальцев. Этого можно достигнуть регуляцией рН мочи, чтобы способствовать переходу лекарства в более ионизированную форму. В результате лекарство будет "улавливаться" в моче. Таким образом, слабые кислоты будут экскретироваться быстрее в щелочной моче, а слабые основания — в кислой. Другими жидкими средами организма, в которых рН отличается от рН крови и может происходить захват или реабсорбция лекарства, являются содержимое желудка и тонкого кишечника, грудное молоко, глазная влага, секреты влагалища и предстательной железы.