Конкурентные отношения при взаимодействии ксенобиотиков с белками

Если в растворе белка находится несколько химических соединений, между ними могут возникнуть конкурентные отношения за образование связи с протеинами. Эту закономерность легко проследить на примере сульфаниламидных препаратов и фенобарбитала. При увеличении концентрации барбитурата (с 0,85 мМ до 3, 25 мМ) количество сульфониламида, связавшегося с альбумином плазмы крови человека уменьшается. Подобные отношения отмечаются между веществами как близкого, так и совершенно разного строения, вместе с тем не являются облигатными для всех соединений. Более того, в ряде случаев выявляется усиление связи веществ с протеинами в присутствии других соединений. Так, галотан повышает способность альбумина связывать самые различные химические вещества, вероятно модифицируя его конформацию.

Известна способность веществ к взаимному вытеснению из связей с протеинами. Это особенно характерно для слабых кислот, например таких лекарственных препаратов, как фенилбутазон, сульфинпиразон и т.д. Вследствие высвобождения из связи с белком концентрация действующего соединения в плазме крови возрастает.

Значение рассматриваемого явления определяется следующими факторами:

- относительным сродством вещества и его конкурента к белкам плазмы крови с одной стороны, и тканям - с другой;

- объемами, в которых распределяются вещества;

- скоростью разрушения комплекса токсикант-белок.

Если объем распределения вещества невелик и при этом в плазме крови обнаруживается его высокая концентрация в сравнении с тканями, то вытеснение из связи с белками крови заметно изменит содержание соединения в тканях. Для веществ с большим объемом распределения вытеснение практически не скажется на характере распределения в организме.

При попадании в кровь нескольких биологически активных веществ, конкурирующих за один и тот же участок связывания на белках плазмы крови, возможна существенная модификация их токсичности и продолжительности действия. Так, при введении экспериментальным животным фенилбутазона или его производных, на фоне предварительного введения переносимой дозы антикоагулянтов (варфарина, кумарина), отмечается вытеснение последних из связи с белками плазмы крови, что приводит к гибели животных.

При изучении явления конкуренции веществ необходимо учитывать, что ксенобиотики помимо связи с белками плазмы крови, как правило, образуют комплексы и с тканевыми протеинами (таблица 7).

Таблица 7. Связывание веществ (0,1 М) in vitro 50% гомогенатом мышечной ткани, 25% раствором гемоглобина и плазмой крови человека

(H. Kurz, 1978)

Введение в организм конкурентов связывания может привести к высвобождению соединения не только из комплекса с белками плазмы, но и тканей. В этом случае диффузионный градиент высвобождаемого вещества может измениться самым неожиданным образом (таблица 8).

Таблица 8. Изменение количества связанного веществ (0,1 мМ) при добавлении в инкубат фенилбутазона (0,1 мМ)

* 25% раствор гемоглобина; 50% гомогенат мышечной ткани

** М - человек; К - кролик. (Н.Kurz, 1978)

3.4. Биологические последствия связывания токсиканта белками плазмы крови

Связывание веществ белками крови имеет определенные токсикокинетические и токсикодинамические последствия.

1. Распределение. Простые вещества, связанные с белками крови, приобретают кинетические характеристики этих белков. Содержание таких веществ в тканях, как правило, невелико, объем распределения - мал (плазма крови). Напротив, у веществ, плохо связывающихся с белками, объем распределения и содержание в тканях высокие. Если распределение вещества в организме не подчиняется законам диффузии и осуществляется путем активной его экстракции из крови тканями (например, печенью или почками), то связывание белками может даже способствовать активному захвату такого ксенобиотика (например, захват почками комплекса кадмия с металлотионеинами).

2. Клиаренс. Клиаренс (скорость "очищения" плазмы - Cl) определяется интенсивностью кровотока (F) и скоростью экстракции вещества органами выведения (Е):

Cl = F E;

Е = (С_А - С_V)/C_А , где

С_А и С_V - концентрация вещества в артериальной и венозной крови соответственно.

Если Е имеет высокие значения (более 0,7 - 0,8), клиаренс в значительной степени зависит от интенсивности кровотока. При этом, соотношение между свободной и связанной фракциями токсиканта в крови играет подчиненную роль. Так, даже если в печени и почках из плазмы экстрагируются преимущественно несвязанная форма, то, вероятно, быстрая диссоциация комплекса вещество-белок приводит к практически незатрудненному выведению вещества.

Если Е - менее 0,2 - 0,3, клиаренс определяется, прежде всего, концентрацией несвязанного вещества в плазме крови. Интенсивность кровотока имеет меньшее значение.

3. Выведение через почки. Если вещество не подлежит активному захвату почечной тканью, то в случае связывания с белками его экскреция будет затруднена, поскольку капиллярная мембрана почечных клубочков не проницаема для белка. В первичную мочу путем фильтрации будут поступать лишь свободные молекулы.

В этой связи если диссоциация комплекса вещество-белок проходит быстро, то связывание ксенобиотика протеинами крови мало сказывается на его выделении через почки, если же образовалась прочная связь, это может стать лимитирующим фактором почечной экскреции.

4. Биологическое действие. Биологическое действие вещества пропорционально части молекул, вступивших во взаимодействие с биологически значимыми молекулами-мишенями. Эта часть, в свою очередь является функцией концентрации свободных, не связавшихся с биосубстратом, молекул. Все структурные элементы организма, способные образовывать комплексы с ксенобиотиками, являются конкурентами специфических рецепторов для токсикантов, понижают их биологическую активность. Это в полной мере относится к белкам крови и тканей. Последние существенно превосходят белки крови по способности неспецифически связывать ксенобиотики и потому в большей степени влияют на токсикодинамические характеристики веществ.

5. Аллергизация. Некоторые ксенобиотики, образуя ковалентные связи с молекулами белков, изменяют структуру протеинов и их конформацию, белки приобретают свойства антигенов для собственного организма. С учетом этих представлений обсуждается возможность объяснения аллергизации организма низкомолекулярными соединениями, наблюдаемая при их повторном воздействии (см. раздел "Иммунотоксичность").

Связывание клетками крови

В крови токсикант может вступать во взаимодействие не только с белками плазмы, но и форменными элементами крови и прежде всего с эритроцитами. При этом возможно: 1. Связывание вещества клеточной мембраной эритроцитов (связывание с белками мембраны, растворение в липидах клеточной мембраны); 2. Проникновение соединения внутрь клетки, связывание с её содержимым, взаимодействие с гемоглобином.

Фиксация веществ на поверхности эритроцитов отчасти обусловлена наличием отрицательного заряда на внешней поверхности мембраны. Он формируется многочисленными связанными с мембраной молекулами мукополисахаридов. Положительно заряженные вещества, особенно содержащие четвертичный атом азота в молекуле (алкалоиды и т.д.), активно взаимодействуют с поверхностью эритроцитов.

Прохождение ксенобиотиками клеточной мембраны эритроцитов подчиняется общим закономерностям (см. выше). Из-за высокой концентрации гемоглобина в эритроците вся внутриклеточная вода связана этим белком и не принимает участие в растворении ксенобиотиков. В этой связи, возможности эритроцитов фиксировать гидрофильные молекулы в форме раствора внутри клетки, ограничены.