С. А. КУЦЕНКО ОСНОВЫ ТОКСИКОЛОГИИ, Санкт-Петербург, 2002

ГЛАВА 1.2. БИОСИСТЕМЫ - МИШЕНИ ДЕЙСТВИЯ ТОКСИКАНТОВ

1. Уровни организации биологических систем

Жизнь - высшая форма существования материи. Обычно выделяют следующие уровни её организации: молекулярный, молекулярных систем, субклеточный, клеточный, органный, целостного организма, популяционный, биогеоценологический. Для токсиколога интерес представляет взаимодействие токсиканта с живыми системами на всех уровнях их организации.

Молекулярная организация живого чрезвычайно сложна. В состав организма входят молекулы различного строения. Это и простые вещества (кислород, азот, диоксид углерода, оксид азота, ионы натрия, кали, кальция, железа, магния, меди и т.д.), и соединения сложного состава (аминокислоты, олигосахариды, жирные кислоты, биологически активные гетероциклические соединения), и, наконец, чрезвычайно сложные (молекулы белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов) с молекулярной массой несколько сотен тысяч дальтон. Теоретически любая молекула организма может стать мишенью для воздействия тех или иных токсикантов. Однако поскольку значение разных классов и видов молекул для поддержания гомеостаза организма не одинаково, последствия этого воздействия различны.

Молекулярные системы состоят из нескольких молекул, изменяющих в процессе интеграции свои свойства и только в такой интегрированной форме выполняющих определенные функции в организме. Так, ни гем, ни глобин не в состоянии связывать и переносить кислород от легких к тканям. Гемоглобин, как молекулярная система, обладает этим свойством. Многие белковые молекулы проявляют ферментативную активностью лишь в комплексе с более простыми молекулами, коферментами. При токсическом повреждении элемента, страдает функция молекулярной системы в целом.

В процессе ассоциации отдельных молекул и молекулярных систем образуются функциональные комплексы, цепи, сети. Характерными примерами такого рода организации являются цепи ферментов гликолиза, системы синтеза жирных кислот, биологического окисления и т.д. В свою очередь эти системы участвуют в формировании более сложных субклеточных комплексов: митохондрий, эндоплазматического ретикулума, ядра клетки и др. Действие токсикантов на молекулярные системы может сопровождаться избирательным повреждением отдельных субклеточных комплексов. В этой связи иногда выделяют группы митохондриальных, лизосомальных, цитоплазматичкеских ядов, мембранотоксикантов, генотоксикантов и т.д.

Особо сложной формой организации материи является клетка. Она представляет собой в известной степени самостоятельную единицу жизни, т.е. обладает всеми свойствами живого организма. Токсический процесс, развивающийся в многоклеточном организме, непременно связан со структурно-функциональными нарушениями клеток хотя бы одного типа.

Клетки, объединенные в органы и ткани, приобретают способность к определенной корпоративной активности, основанной на специализации, протекающих в них процессов. В этой специализации причина избирательной чувствительности различных органов к отдельным токсикантам. Эволюция организмов сопровождается дифференциацией и специализацией отдельных тканевых элементов, их функциональной интеграцией. Происходит формирование систем органов (сердечно-сосудистая система, дыхательная система, нервная система, система крови, выделительная система, эндокринная система, иммунная система). Токсическое повреждение органа сказывается на функциональном состоянии всей системы. Функционирование целостного организма не возможно при повреждении образующих его органов (легких, печени, почек, сердца и т.д.) и систем.

Отдельные организмы, в свою очередь, составляют более сложные неформальные надорганизменные образования: популяции, консорциумы, биогеоценозы, в которых они взаимодействуют между собой и с окружающей средой, и только за счет этого единения получают возможность выживать, сохранять и преумножать свою численность. Этим образованиям, как и любому уровню организации живой материи, свойственны особый вид структуры, кооперации, координации. Для них характерны определённые закономерности и тенденции развития. Любая надорганизменная биологическая система характеризуется высокой гетерогенностью чувствительности составляющих её индивидов к токсикантам.

Таким образом, для живой материи характерна иерархия организации, строящаяся в соответствии с определёнными закономерностями, имеющими большое значение для понимания явления токсичности:

1. Каждая более высокая форма материи включает в себя элементы более низкого уровня. Поэтому повреждающее действие химических веществ на молекулярном уровне при определенных условиях отражается на состоянии биосистемы в целом.

2. С повышением уровня организации расширяется многообразие и сложность биологических систем. При этом существенно возрастают возможности их токсического повреждения ксенобиотиками, увеличивается разнообразие проявлений токсического процесса.

3. Каждая новая ступень организации живой материи приобретает качественно новые свойства. Токсическое действие веществ следует оценивать с учетом этих новых свойств, не ограничиваясь характеристикой эффектов, наблюдаемых на более низких ступенях организации живого.

4. Эволюция живой материи идет путем расширяющейся дифференциации и специализации составляющих биологическую систему элементов, с одновременным усилением их кооперации. Существует известная избирательность в действии токсикантов. Любая избирательность токсического действия носит условный характер. Повреждение элемента, так или иначе, сказывается на функциональном состоянии системы в целом.

5. Более высокие уровни организации материи предполагают усиление адаптивных возможностей, но требуют более совершенной системы координации составляющих её частей. В этой связи прослеживается закономерность: по мере усложнения организмов увеличивается число специфически действующих на них высоко токсичных соединений.

2. Термодинамика биосистем. Термодинамические аспекты токсичности

Материя существует в различных состояниях. С позиций классической термодинамики существование материи в форме живых организмов и даже единичных клеток маловероятно. Как известно, для частиц, являющихся элементами системы, находящейся в неравновесном состоянии, свойственно стремление распространяться и перераспределяться в соответствии с законом вероятности и к достижению, таким образом, равновесного состояния. При таком перераспределении энтропия (мера неупорядоченности) системы (S) возрастает, т. е. dS/dt 0.

Клетки, или тем более, многоклеточные организмы, являются высокоорганизованными структурами, в сравнении с окружающей их средой, то есть представляют собой элемент системы с низкой энтропией. Поддержание структуры и функции живых существ, регенерация, рост, репродукция - все это процессы, проходящие с уменьшением энтропии. Таким образом, в живых системах имеет место иная тенденция: dS_b/dt< 0.

Это возможно лишь при условии открытости биологической системы, т.е. интенсивного обмена с окружающей средой веществом и энергией и, в частности, активного потребления элементов окружающей среды с низкой энтропией (углеводов, белков, жиров, других клеток и организмов). Эти элементы расщепляются на продукты с более высокой энтропией, и за счет высвобождающейся энергии организм в форме сопряженного процесса понижает свою собственную энтропию. При этом суммарная энтропия системы организм - окружающая среда увеличивается: dS/dt = dS_b/dt + dS_m/dt > 0, где dS_m - изменение энтропии потребленных веществ.

Таким образом развитие высокоорганизованных биологических структур есть процесс, в ходе которого понижается энтропия структуры за счет существенного её увеличения в сопряженных системах. Существование клеток и макроорганизмов связано с постоянным обменом материей и энергией с окружающей средой. Прекращение обмена означает смерть организма, гибель системы. Любой токсикант, так или иначе, нарушает обменные процессы, делает организм (систему) более уязвимым с термодинамических позиций.

3. Фундаментальные свойства живых систем.

Для всех уровней организации живых систем характерны свойства, отличающие живую материю от неживой. К числу основных, фундаментальных свойств живого относятся:

1. Потребление из окружающей среды и превращение питательных веществ (подсистем) с низкой энтропией (метаболизм). Это необходимо для поддержания структурной целостности биосистемы, её роста и размножения.

2. Обмен веществом и энергией с окружающей средой. Таким путем обеспечивается приток необходимых для жизнедеятельности структурных элементов живого, их превращение, утилизация, выделение продуктов с высокой энтропией и тепловой энергии.

3. Регуляция. Поддержание структурно-функциональной организации биологической системы требует упорядоченности течения обменных процессов. Для этого у высокоорганизованных организмов формируются специальные механизмы регуляции, модулирующие активность отдельных органов и систем, интенсивность протекающих в них процессов. Механизмы регуляции обеспечивают адаптацию системы к изменяющимся условиям среды.

4. Раздражимость и реактивность. Различные химические и физические факторы окружающей среды являются своеобразными сигналами или источниками информации, на которые живой организм реагирует в той или иной форме. Структуры, предназначенные для восприятия и переработки соответствующей информации, используют поступающее раздражение, что позволяет организму адекватно на него реагировать.

5. Репродукция. Это свойство обеспечивает поддержание или увеличение численности биологических объектов всех видов и типов. В основе репродукции лежит процесс клеточного деления. В ходе клеточного деления осуществляется перенос ДНК (генетического материала) материнских клеток к дочерним клеткам и за счет этого обеспечивается в последующем репродукция и всех остальных компонентов живого. Сохранение информации о свойствах предшествующих поколений, зашифрованных в молекулах ДНК (генах), передающихся из поколения в поколение - суть наследственности.

6. Изменчивость. В основе изменчивости лежит трансформация, преобразование генетического материала (генотипа), что проявляется изменением структурно-функциональных особенностей организма (фенотипа). В основе изменчивости лежат два явления: половое размножение и мутации. Половое размножение - это объединение генетического материала половых клеток родителей и образование оплодотворенной яйцеклетки, содержащей двойной набор хромосом. Соотношение генетического материала обоих родителей в дочерней клетке формируется случайным образом. Фенотипические особенности нового организма в этой связи не будут полностью повторять свойства отцовского или материнского организмов, то есть возникает новая, не существовавшая ранее биологическая конструкция.

Под мутацией понимают некое спонтанное или вызванное внешним воздействием изменение генетического материала, которое передается в ходе репродукции дочерним клеткам. Эти модификации фенотипически могут проявляться в различной степени: от практически незаметных изменений признаков, до очевидных, и иметь различные последствия для адаптивных свойств организма.

Фундаментальные свойства живого - тесно связанные, неотделимые друг от друга феномены. Тем не менее, первичные эффекты высокотоксичных соединений порой связаны с избирательным нарушением отдельных фундаментальных свойств живого - метаболизма, пластического обмена, энергетического обмена, регуляции, раздражимости, репродукции. Чем более токсично соединение, тем более выражена эта избирательность.

4. Степени свободы токсического воздействия

С усложнением организации биосистем формируются новые структуры, появляются новые функции, в результате увеличивается разнообразие способов их повреждения химическими веществами. Так, путем образования и совершенствования биологических мембран в процессе эволюции, происходит отграничение формирующихся организмов от окружающей среды. На определенном этапе мембраны представляют собой новое качество, обеспечивающее структурную целостность зарождающейся жизни. Токсиканты, способные в силу особенностей химического строения избирательно взаимодействовать только с компонентами биологических мембран, не действуют на элементы живого, лишенные мембранных структур.

Высшие организмы, характеризующиеся большой массой и высокой степенью организации, имеют специальные анатомо-физиологические образования, обеспечивающие обмен веществом и энергией со средой (например, сердечно-сосудистая система, выделительная система и т.д.). Естественно, что вещество, избирательно взаимодействующее со структурно-морфологическими элементами этих систем, не будет оказывать токсического действия на организмы, лишенные их.

С увеличением сложности организации живого эволюционно формируются регуляторные системы и системы, обеспечивающие межклеточное взаимодействие в организме (нервная система, эндокринная система). Эти элементы живого организма также становятся мишенями избирательного воздействия ксенобиотиков. Однако, зрительные галлюцинации, под влиянием психодислептиков (ДЛК, псилоцин, пиперидилгликоляты и др.) могут возникнуть только у существа с высоко организованной нервной системой, развитым зрительным анализатором.

И так, суммируя сказанное: по мере совершенствования организации живой материи возрастает многообразие её форм, появляются всё новые структурные элементы, вспомогательные системы, обеспечивающие жизнедеятельность; одновременно увеличивается количество способов, с помощью которых возможно повреждение биологических систем токсикантами; спектр веществ, способных оказывать неблагоприятное действие на организм высших животных и человека, значительно богаче, чем токсикантов, действующих на растения и примитивные одноклеточные и многоклеточные организмы.

<< Содержание