Задания

Задания:

1.  письменно ответить на теоретические вопросы;

2.  решить 3 задачи;

Задание 1:

1.  Расскажите о рецепторах токсичности

Термин «рецептор» в токсикологическом понимании был предложен в начале XX в. известным немецким ученым П. Эрлихом (1913).

В токсикологии термином «рецептор» обозначают любой структурный элемент живой (биологической) системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант (лекарство). Рецептор трактуется как место конкретного приложения и реализации токсического действия химического вещества.

Спектр энергетических характеристик рецептор-лигандного взаимодействия необыкновенно широк: от формирования слабых, легко разрушающихся связей, до образования необратимых комплексов. Характер взаимодействия и структура сформировавшегося комплекса зависят не только от строения токсиканта, конформации рецептора, но и от свойств среды: рН, ионной силы и т. д. В соответствии с законом действующих масс, количество образовавшихся комплексов вещество-рецептор определяется энергией взаимодействия (сродством) и содержанием обоих компонентов реакции (вещества и рецептора к нему) в биологической системе.

Рецепторы могут быть «немыми» и активными. «Немой» рецептор – структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции (например, связывание мышьяка белками, входящими в состав волос, ногтей). Активный рецептор – структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с токсикантом инициирует токсический процесс. Для того чтобы избежать терминологических трудностей, для обозначения структурных элементов, взаимодействуя с которыми токсикант инициирует токсический процесс, вместо термина «рецептор», часто используют термин «структура-мишень».

Во многих случаях рецепторы представляют собой ферменты. Так, оксигруппа серина, входящая как основная часть в молекулу фермента ацетилхолинэстеразы, служит рецептором для фосфорорганических инсектицидов (хлорофос, карбофос и др.), образующих с этим ферментом прочный комплекс. В итоге развивается специфический антихолинэстеразный эффект, присущий большинству фосфорорганических соединений (ФОС). Взаимодействие ядов с ферментами как рецепторами токсичности нашло отражение в патохимической классификации ядов. Кроме ферментов, рецепторами первичного действия являются аминокислоты, нуклеиновые кислоты, витамины. В молекулах рецепторов в качестве активных центров выступают наиболее реакционноспособные функциональные группы органических соединений: гидроксильные, карбоксильные, азот - и фосфорсодержащие. Также установлено, что в роли рецепторов токсичности могут выступать и различные гормоны.

Логично предположить, что любое химическое вещество, чтобы производить биологическое действие, должно обладать двумя независимыми характеристиками: сродством к рецепторам и собственной активностью. Под сродством понимают степень связи вещества с рецептором, которая измеряется величиной, обратной диссоциации комплекса яд-рецептор.

Определенное представление о токсичности веществ дает так называемая оккупационная теория А. Кларка, выдвинутая им для объяснения действия лекарственных веществ: токсическое действие вещества пропорционально площади рецепторов, занятой молекулами этого вещества. Максимальное токсическое действие яда проявляется тогда, когда минимальное количество его молекул способно связывать и выводить из строя наиболее жизненно важные клетки-мишени. Важными факторами являются скорость образования комплексов яда с рецептором, их устойчивость и способность к обратной диссоциации, что нередко играет даже более важную роль, чем степень насыщения рецепторов ядом. Таким образом, современная теория рецепторов токсичности рассматривает комплекс яд-рецептор с точки зрения взаимодействия вещества с субстратом. Существует высокая специфичность взаимодействия яда с клеткой, обусловленная структурным сходством с тем или иным метаболитом, медиатором, гормоном и т. д. В таких случаях можно говорить, что при взаимодействии яд и рецептор подходят друг другу как «ключ к замку». Это обстоятельство послужило толчком к развитию химиотерапии, основанной на подборе лекарственных средств по их избирательному влиянию на определенные структуры организма, различающиеся специфическими, цитологическими и биохимическими признаками.

2.  Дайте характеристику «оккупационной» теории действия токсичных веществ

Представление о токсичности веществ дает «оккупационная» теория, которая была предложена А. Кларком для объяснения действия лекарственных веществ. Согласно этой теории: токсическое действие вещества пропорционально площади рецепторов, занятой молекулами этого вещества. Максимальный токсический эффект наблюдается при полном заполнении рецепторов токсикантом. Сродство токсиканта к рецептору определяется прочностью возникающей химической связи и количественно может быть оценено энергией химической связи (ЕСВ) или величиной константы равновесия (К) образования комплекса Tox–R:

Tox + R ↔ Tox-R

Прочность связывания ксенобиотика с рецептором можно оценить на основе квантово-механической трактовки образования химической связи. С этой точки зрения наиболее важны четыре типа химической связи: ковалентная, ионная (электростатическая), водородная и Ван-дер-ваальсова. Наиболее прочная химическая связь – ковалентная. Энергия ковалентной связи составляет от 250 до 1000 кДж/моль. Менее прочной разновидностью ковалентной связи является координационная связь. Электростатическая сила играет важную роль при взаимодействии токсиканта с рецепторами. В подобных взаимодействиях участвуют электростатические силы, поскольку они имеют большой радиус действия. Энергия ионной связи составляет около 20 кДж/моль. Водородная связь образуется при очень малом расстоянии между взаимодействующими атомами. Энергия водородной связи составляет 3-5 ккал/моль. Она обладает высокой избирательностью и направленностью и играет важную роль при связывании токсиканта с рецептором. Ван-Дер-Ваальсова сила образуется, если два атома, принадлежащие разным молекулам, оказываются на достаточно близком расстоянии. Действие Ван-дер-ваальсовой силы проявляется при сближении молекул и взаимодействии многих атомов одной молекулы с атомами другой. В этом случае может возникнуть прочная связь, энергия которой может составлять 20 кДж/моль.

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

Многочисленные токсиканты являются слабыми кислотами или основаниями, то есть могут, в зависимости от рН среды, находиться в протонированной или депротонированной форме. Кислоты, находясь в протонированной форме – незаряженные молекулы, азотистые основания, напротив, представляют собой катионы. В депротонированной форме кислоты представляют собой анионы, а основания – не заряжены. Сила кислоты или основания определяется способностью к диссоциации, которая характеризуется величиной константы диссоциации (Ка или рКа - отрицательный десятичный логарифм значения Ка). Чем выше значение рКа, тем легче осуществляется процесс протонирования вещества. Основания с высоким значением рКа - более сильное основание; кислота с высоким рКа - слабая кислота. Так, диметиламин (рКа 10,7) - более сильное основание, чем N-метиланилин (рКа 4,7); фенол (карболовая кислота рКа 9,9) – более слабая кислота, чем бензойная кислота (рКа 4,2). Соотношение ионизированной и неионизированной форм токсиканта в среде помимо величины рКа, определяется рН среды. С увеличением рН увеличивается число незаряженных молекул оснований и заряженных анионов кислот.

Часто ионизация токсиканта сопровождается усилением его сродства к рецептору, однако одновременно затрудняется прохождение молекулы через биологические барьеры.

Сильные кислоты и щелочи (полностью диссоциирующие в водных растворах), при действии на ткани организма, резко изменяя рН, вызывают денатурацию макромолекул клеток. Этот процесс лежит в основе химического ожога покровных тканей.

Задание 2:

Решите задачи:

1.  Определите возможность проявления токсических свойств иона Al 3+ (Al 3+ +3e - → Аl ↓ (Е 0 = - 1.66 В)) с нативным соединением (Цитохром В (Fe 3+) + e - → Цитохром В (Fe 2+) (Е 0 = + 0.077 В), принимая во внимание что в соответствии со 2 началом термодинамики редокспроцесс возможен при D G ≥ 10 к Дж / моль (D Е ≥ 0,2 В, где D Е= Е0ox - Е0red)

Поскольку редокс-потенциал пары Al↓/Al3+меньше редокс-потенциала пары Цитохром В (Fe3+)/ Цитохром В (Fe2+), то именно ионы алюминия будут являться восстановителем в реакции, ионная форма уравнения которой:

Al↓ + Цитохром В (Fe3+) → Al3+ + Цитохром В (Fe 2+)

Изменение электродного потенциала реакции составит:

D Е= Е0ox - Е0red = 0,077 – (- 1,66) = + 1,737 В.

Известно, что при DЕ≥0,2 В, процесс проходит практически необратимо в одну сторону. Поэтому, можно утверждать, что весь алюминий не покрывается нативным соединением, и, следовательно, токсические свойства алюминия будут проявляться.

2.  Рассчитайте степень ионизации (α) этакриновой кислоты, хинидина, аспирина (используйте данные табл. 3 и уравнение Гендерсона-Хассельбаха) в соке тощей кишки (табл. 2). О чём говорит величина (α) в каждом из приведённых примеров?

Для расчета степени ионизации воспользуемся уравнением Гендерсона-Хассельбаха, которое для слабых кислот:

А для слабых оснований:

Ацетилсалициловая кислота и этакриновая кислота являются слабыми кислотами, а хинидин – слабое основание. Рассчитаем степень ионизации ацетилсалициловой кислоты (рКа=3,7), этакриновой кислоты (рКа=3,5), хинидин (рКа=8,5) в соке тощей кишки (рН=7,0):

Ацетилсалициловая кислота	Этакриновая кислота	Хинидин
α = 5,0·10-4	α = 3,16·10-4	α = 3,07·10-2

Из полученных данных можно сделать вывод о том, что ацетилсалициловая кислота, этакриновая кислота, хинидин будут плохо всасываться в тощей кишке, т. к. образуется большее количество ионизированных молекул препаратов.

3.  Как изменится степень изолирования леводопы из биологического объекта, если рН полярного растворителя изменится от 10.2 до 3.8?

Согласно табличным данным рКа леводопы составляет 2,3.

Уравнение Гендерсона-Хассельбаха для слабых кислот выглядит следующим образом:

Рассчитаем степень ионизации леводопы при значениях рН растворителя 10,2 и 3,8:

рН растворителя = 10,2	рН растворителя = 3,8
α = 1,26·10-8	α = 3,1·10-2

Из полученных данных видно, что степень ионизации леводопы при при рН=3,8 больше, чем рН=10,2. Следовательно, при изменении рН полярного растворителя с 10,2 до 3,8 степень изолирования леводопы из биологического объекта возрастает, поскольку увеличивается содержание ионизированных форм леводопы в растворе.