Угнетение каталитической активности

Снижение активности фер­ментов при действии токсикантов может быть следствием подавления про­цессов синтеза апофермента и кофакторов, активации разрушения и угнете­ния специфической активности.

К числу наиболее распространенных кофакторов, помимо металлов, от­носятся железопорфирины, флавины, никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), пиридоксальфосфат, тиаминпирофосфат и др. Некоторые из этих веществ синтезируются в организме животных, а некоторые поступают в организм только с пищей в форме вита­минов. Ряд веществ является конкурентами кофакторов ферментов. Так, дикумарол конкурентно препятствует утилизации печенью витамина К, необхо­димого для синтеза протромбина, поэтому через 1-4 суток после поступления его в организм в токсических дозах возможно развитие кровотечений угро­жающих жизни.

Некоторые токсиканты нарушают образование коферментов, предшест­венники которых поступают в организм с пищей. Так, гидразин и его произ­водные, взаимодействуя с пиридоксалем, содержащимся в клетках, образуют пиридоксальгидразоны, которые, в свою очередь, угнетают активность пиридоксалькиназы и блокируют тем самым синтез в организме пиридоксальфосфата. В итоге понижается активность большого числа ферментов, кофактором которых является пиридоксальфосфат (декарбоксилазы, трансаминазы и т.д.).

К числу полностью синтезируемых в организме кофакторов относятся железопорфирины. Блокада их синтеза приводит к тяжелым последствиям. Так, хроническое отравление свинцом сопровождается нарушением синтеза гема, вследствие чего развивается дефицит гемопротеинов (гемоглобина, миоглобина, гемсодержащих ферментов).

Активация процесса разрушения ферментов токсикантами, как меха­низм их токсического действия, встречается редко. Катаболизм некоторых ферментов усиливается на фоне хронической интоксикации препаратами стероидных гормонов и их аналогами. Но наиболее часто в основе интокси­кации лежит угнетение токсикантом специфической активности ферментов.

Выделяют следующие механизмы ингибиторного действия ксенобиотиков.

Конкурентное ингибирование. В основе взаимодействия лежит кон­куренция токсиканта с субстратом за активный центр фермента.

В этом случае токсикант может вступать в превращение вместо основ­ного субстрата как конкурентный субстрат.

Механизм этого явления был раскрыт при изучении токсических свойств фторацетата. Это соединение, само по себе практически не токсич­ное, попадая в организм, претерпевает превращения, приводящие к образова­нию высокотоксичного соединения - фторлимонной кислоты. Фторацетат вступает во взаимодействие с коэнзимом А, образуя фторацетаткоэнзим А. Последний конденсируется со щавелевоуксусной ки­слотой, образуя фторлимонную кислоту:

Фторлимонная кислота, являясь структурным аналогом лимонной, взаимодействует с ферментом аконитатгидратазой с образованием прочного фермент-ингибиторного комплекса. Таким образом, аконитатгидратаза в обычных условиях катализирующая превращение лимонной кислоты в цикле Кребса, оказывается выключенной из цепи биохимических реакций. Это при­водит к накоплению в тканях лимонной кислоты и нарушению функциони­рования цитратного цикла Кребса. Такие биохимические изменения влекут за собой тяжелые нарушения энергетического обмена. Так как реакции цикла Кребса сопровождаются освобождением основной массы энергии окислительно-восстановительных процессов около половины которой аккумулиру­ется в макроэргических связях АТФ, то становится понятным, почему блоки­рование цикла Кребса фторлимонной кислотой, образовавшейся из фторацетата, приводит к развитию тяжелой интоксикации. Это явление получило на­звание «летальный синтез». Сходным образом действуют и другие фторорганические соединения. К их числу относятся, помимо фторацетата, метил- фторацетат, диоксифторглицеролы, фторэтанол, фторальдегиды, фторпроизводные некоторых органических кислот. Общим для всех этих соединений является способность метаболизироваться до высокотоксичной фторлимон­ной кислоты, то есть действовать по принципу летального синтеза.

Существуют и другие примеры летального синтеза, например образо­вание из этиленгликоля щавелевой кислоты, окисление метилового спирта альдегиддегидрогеназой до формальдегида и муравьиной кислоты.

Конкурентный тип ингибирования развивается также при образовании прочных ковалентных связей между токсикантами и активными центрами некоторых ферментов. Этот вид ингибирования приводит к полному прекра­щению ферментативной активности. Таким способом фосфорорганические соединения взаимодействуют с ацетилхолинэстеразой.

Часто, конкурентные ингибиторы ферментов структурно напоминают их субстраты.

Неконкурентное ингибирование. В данном случае токсикант взаимо­действует с добавочным, аллостерическим, центром фермента, изменяя при этом конформацию активного центра и снижая, тем самым, его сродство к субстрату. Таким способом упомянутая выше фторлимонная кислота угнета­ет активность транслоказы, фермента, обеспечивающего активный транспорт цитрата через мембраны митохондрий, а мышьяк, ртуть и их соединения - ферменты, содержащие SH-группы.

Для осуществления ферментативной активности ферменты нуждаются в присутствии в среде ионов металлов: Mg2+, Ca2+, K+, Mn2+, Zn2+, Co2+ и др. Связывание этих металлов токсикантами приводит к угнетению активности. Таков механизм токсического действия комплексообразователей (ЭДТА, ди- тизона), салициловой кислоты и др. Особое токсикологическое значение имеют вещества, взаимодействующие с железом, кобальтом, медью, входя­щими в структуру более сложных простетических групп ферментов (гем- содержащие ферменты, цитохромы, каталаза, пероксидаза, гемоглобин, ми- оглобин). К числу подобных токсикантов относятся цианиды, сульфиды, ази­ды, монооксиды углерода и азота и др.

Некоторые ферменты находятся под контролем таких специальных систем, как система восстановленный-окисленный глутатион регулирущей активность SH-содержащих ферментов (пирофосфатаза, фосфоглицеральде- гиддегидрогеназа, гемоглобин-редуктаза и др.). Токсиканты, снижающие со­держание восстановленного глютатиона в тканях, такие как гидроксиламин, фенилгидразин, дихлорэтан и др., подавляют активность указанных фермен­тов.

Поскольку все процессы в живых организмах протекают при участии ферментов, и все фундаментальные свойства живых систем неразрывно свя­заны с нормальным течением этих процессов и любые проявления жизни мо­гут быть нарушены теми или иными токсическими веществами, изменяющи­ми активность ферментов.