«Современные яды». Глава из книги

Химические путешествия: абсорбция

Чтобы токсичное вещество стало вредным, для начала ему нужно проделать путешествие из среды к конкретной мишени в организме. Большая часть этого путешествия осуществляется на первый взгляд простым путем диффузии: молекулы мигрируют прочь от источника своего происхождения. Примеры диффузии можно найти повсюду: это и соль, растворяющаяся в воде, и дым, распространяющийся в атмосфере, из заводской трубы. Но диффузия становится более сложной, если молекулы переходят из одной части окружающей среды в другую. Например, когда молекулы переходят из воды в воздух, скорость диффузии зависит как от их собственных свойств, так и от свойств воды и воздуха. Более того, расстояние от источника, которое могут преодолеть молекулы, и размеры поверхности, с которой они распространяются, также оказывают влияние на степень диффузии.

Чтобы токсичная молекула вызвала реакцию в ткани-мишени, токсичное вещество нередко преодолевает несколько различных сред. Загрязняющее вещество, присутствующее в воздухе, может проникать из него в водный слой (влажная среда в воздухе), затем — в липидный слой (мембрана, покрывающая каждую клетку) и наконец — снова в водную среду внутри клетки.

Чтобы попасть в кровь, вещество должно повторить все эти ступени, перемещаясь из внутренней водной среды клетки через липидную мембрану и обратно в водную среду крови.

Вне зависимости от того, каким образом токсины попадают в организм животного — через пищеварение, дыхание или кожу, — все химико-биологические реакции начинаются с перемещения химического вещества через слой эпителия. Кожа — первый приходящий в голову пример эпителиальной ткани, потому что она всегда у нас перед глазами. Но эпителий также имеется в легких и пищеварительном тракте. Эти три эпителиальных слоя не совсем одинаковы, поскольку у них разные функции.

Кожа

Кожа млекопитающих, среди прочего, служит барьером между внешней средой и внутренним «океаном» крови. Кожа плотно натянута на все наше тело, имеется лишь небольшое число складок, которые незначительно увеличивают общую площадь ее поверхности. Однако по сравнению с поверхностью внутренних органов, например печени, поверхность кожи очень велика.

Внешний слой кожи состоит из отмерших клеток. В находящемся под ним слое дермы клетки постоянно делятся, производя новые клетки, которые умирают, обезвоживаются и кератинизируются. Процесс кератинизации — это накопление кератина в эпителиальном клеточном слое. Кератин — это волокнистый белок, который можно обнаружить не только в наружном слое кожи, но и в ногтях, копытах и даже роге носорога. Пучки кератиновых волокон очень прочны и, что не менее важно, нерастворимы в воде. Поэтому кератиновый слой вашей кожи можно рассматривать в первую очередь как водонепроницаемый барьер между вами и окружающим миром.

В слое мертвых клеток нет живых белков, поэтому через кожу не может происходить активный транспорт веществ. А как же жирорастворимые вещества? В мертвой клетке сохраняются липиды, образовавшиеся при ее жизни, поэтому жирорастворимые молекулы могут проникать в слой мертвых клеток кожи. В ходе эволюции кожа не развивалась специально как абсорбирующая поверхность, но так как защитный кожный барьер состоит из мертвых клеток, он по своей природе остается способным к абсорбции жирорастворимых веществ.

Способность кожи абсорбировать жирорастворимые вещества — это и наше благословение, и наше проклятие. Например, способность кожи всасывать небольшие липофильные молекулы используется в фармакологии: с помощью адгезивных пластырей можно доставлять в организм такие вещества, как скополамин, средство от морской болезни или никотин. К несчастью, урушиол, активный компонент, содержащийся в ядовитом плюще и сумахе, также может абсорбироваться кожей.

Легкие

Внутренняя поверхность легких значительно отличается от внешнего слоя кожи, так как все клетки легких вполне живые, однако имеется одно очень важное общее свойство. Между воздушными мешочками — альвеолами — и внутренней средой клеток легких также не происходит транспорта веществ с помощью белков. Но на этом сходство двух эпителиальных слоев практически заканчивается.

В легких, заполненных воздухом, происходит диффузия кислорода и углекислого газа. У земноводных, например лягушек, легкие похожи на гроздь винограда, состоящую из нескольких очень крупных воздушных мешков с относительно небольшой общей площадью поверхности и относительно большим расстоянием для диффузии от центра каждого мешочка до крови. У млекопитающих в легких того же объема (у крупной лягушки-быка объем легких приблизительно такой же, как у небольшой крысы) альвеолы гораздо мельче и более многочисленные. Кроме того, у крысы гораздо выше уровень метаболизма, для чего требуется более быстрое поступление кислорода в кровь. Отчасти это достигается уменьшением расстояния, на котором осуществляется диффузия (так как альвеолы значительно мельче) и увеличением площади поверхности. Поэтому у крыс кислород поступает из легких в кровь, а углекислый газ — в обратном направлении, быстрее, чем у земноводных.

Однако через эпителий легких проникают не только такие простые газы, как кислород и углекислый газ. Может происходить также абсорбция различных паров. Пар — это газообразная фаза вещества, которое улетучивается с поверхности жидкости (представьте себе пары, поднимающиеся от капельки духов), однако не все химические вещества в одинаковой степени способны производить пары. Например, водорастворимые вещества не улетучиваются из раствора, а упорно в нем остаются. И даже если сама вода полностью испарится, эти вещества, как правило, не попадают в атмосферу, а остаются в виде твердого осадка, часто в форме соли. Так что в легких нет белков-переносчиков водорастворимых веществ, и эти вещества не обнаруживаются в легких в каких-либо значительных концентрациях.

А что же происходит с более летучими органическими соединениями? Эти вещества могут абсорбироваться в различной степени, и определяющим фактором здесь служит коэффициент распределения кровь / газ. Чтобы понять, как абсорбция зависит от этого коэффициента, представьте себе пары воздуха, находящиеся в коктейльном шейкере вместе с небольшим количеством воды. При взбалтывании коктейля пар частично перейдет в воду, а в основном останется в воздухе внутри шейкера. В этом случае у веществ, оставшихся в газовой среде шейкера, будет низкий коэффициент распределения кровь / газ, а у веществ, которые преимущественно перейдут в воду, этот коэффициент будет высоким. Это сильно влияет на способность к абсорбции, так как низкое значение коэффициента означает и низкую абсорбцию, а при повышенном значении коэффициента распределения абсорбция через легочный эпителий будет гораздо выше.

Жабры рыб — очень интересный вариант дыхательного органа. В отличие от легких, жабры контактируют с водой, поглощая растворенный в ней кислород и выделяя углекислый газ из крови непосредственно в воду. Кроме того, прямой контакт жабр с водой позволяет осуществлять транспорт водорастворимых веществ. Поэтому жабры рыб, в отличие от легких млекопитающих, содержат белки, ответственные за этот транспорт, в частности за перенос таких неорганических ионов, как ионы натрия, кальция и калия. Жабры являются не просто дыхательным органом, но и ионорегуляторной структурой, подобной почкам млекопитающих, функция которой состоит в поддержании нужных концентраций необходимых ионов в крови.

Пищеварительная система

Мы уже увидели, что перенос химических веществ через кожу минимален, а через легкие — ограничен небольшим числом высокоспецифичных классов химических веществ. Однако транспорт через эпителиальный слой пищеварительного тракта происходит быстро и неукротимо. Главная функция гастроинтестинального эпителия — абсорбция пищи на молекулярном уровне. Поэтому кишечная эпителиальная мембрана заполнена белками, переносящими водорастворимые вещества из пищеварительной системы в кровь, откуда они, в свою очередь, поступают в печень.

Можно предположить, что транспорт липидов через кишечный эпителий будет простым, но на самом деле это довольно сложный процесс. При употреблении в пищу различные липиды — жиры и масла — обычно не остаются в виде отдельных химических веществ, а смешиваются в желудке и кишечнике, образуя крупные глобулы. Эти большие сгустки жира для дальнейшего переваривания необходимо разбить на мелкие капли. Этот процесс носит название эмульгирования. Эмульгирование происходит при помощи солей и кислот желчи, которые заставляют крупные глобулы распадаться на мелкие, называемые мицеллами. Эти мелкие частицы жиров и масел могут перемещаться через эпителиальную выстилку пищеварительного тракта, в конечном итоге попадая в кровь.

Транспортная магистраль, по которой молекулы питательных веществ доставляются из кишечника к другим органам и тканям, к сожалению, так же хорошо абсорбирует токсичные вещества. Белки, предназначенные специально для переноса водорастворимых молекул пищи, «по ошибке» могут переносить через мембрану водорастворимые токсины. Жирорастворимые вещества обычно встраиваются в кишечнике в липидные глобулы и мицеллы. Но, помимо полезных жиров и масел, там могут оказаться и липофильные яды, проникающие вместе с мицеллами в кровь.

Что происходит в крови

Когда химическое вещество попадает в организм, оно перемещается по кровеносным сосудам, как гондола по каналам Венеции, к своему пункту назначения — ткани-мишени. Как именно химические вещества путешествуют по кровеносной системе, зависит от ряда факторов, в том числе их растворимости. Водорастворимые вещества растворяются в плазме крови и перемещаются вместе с ее потоком, как правило, совершенно беспрепятственно. Жирорастворимые вещества связываются с белками, и в крови возникает равновесие между небольшим количеством свободных веществ и гораздо большим количеством связанных. Это очень важно, так как свободная форма является биологически активной и может диффундировать из крови к определенным рецепторам. Но если свободно находящееся в крови вещество попадает в межклеточную жидкость и далее к своей клетке-мишени, то равновесие нарушается, и часть молекул, которые были связаны с белками, переходят в свободную форму. Таким образом биологически активные вещества постепенно поступают в кровь, откуда могут транспортироваться через близлежащий эпителий капилляров.

Попадая в организм через кожу, легкие или пищеварительную систему, токсичное вещество нередко должно преодолеть долгий путь по кровеносным сосудам, прежде чем доберется до своей ткани-мишени. Способ его попадания в кровь из эпителиальных клеток, где произошла абсорбция, идентичен процессу попадания в сам эпителиальный слой. Для жирорастворимых веществ попадание в кровь не составляет проблемы — клетки стенок сосуда не задерживают их. В свою очередь, водорастворимые вещества могут использовать белки-переносчики для проникновения через клеточные мембраны.

Способность вещества мигрировать из тканей в кровь определяется не только его химическими свойствами, но и способностью кровеносных сосудов как содействовать, так и препятствовать подобному обмену. Так, например, капилляры головного мозга расположены так тесно, что никакой транспорт не может осуществляться без участия клеток этой капиллярной сети. Поэтому водорастворимые вещества могут проникать в мозг только через клетки, составляющие гематоэнцефалический барьер (барьер между кровью и мозгом). В печени же капиллярная сеть не такая густая, в ней имеются лакуны, позволяющие большим количествам жидкости проникать в ткань печени и обратно. Эта система обеспечивает легкое попадание в кровь водорастворимых питательных веществ (например, сахаров), но по тому же пути могут перемещаться и водорастворимые токсины.

После того как вещество попало в кровь, время его нахождения в ней зависит от типа растворимости. Водорастворимые вещества остаются в плазме крови, пока не смогут выйти из сосуда через клеточные каналы или крупные лакуны, например, в печени и почках. Перемещение водорастворимых веществ по кровеносным сосудам жестко контролируется организмом. Жирорастворимые вещества, напротив, могут свободно проникать в кровеносные сосуды и выходить из них.

На клеточном уровне в нашем организме происходит борьба между контролем и хаосом, и неконтролируемые липофильные вещества постоянно сопротивляются попыткам регуляции внутренней среды. К счастью, жирорастворимые вещества в крови обуздываются, присоединяясь к крупным заряженным белкам. В результате получаются несущие заряд супермолекулы — протеино-токсиновые конъюгаты, которые всегда полярны, поэтому определенным образом расположены в крови. Для многих токсичных веществ (а также неполярных нетоксичных соединений, например половых гормонов) в крови существует равновесие между конъюгатами и небольшим числом свободных неполярных молекул. Когда молекула отделяется от белка плазмы, она продолжает вести свою кочевую жизнь и легко проходит сквозь клеточную мембрану капилляра, проникая таким образом к рецепторам, где и наносит свой удар.

Секвестрация

Вещество из крови может попадать на клеточные мембраны и связываться с молекулами-мишенями на поверхности клетки или же проникать в клетку и связываться с мишенями внутри нее. Если вещество проникает внутрь клетки, далее с ним могут происходить различные процессы, приводящие к разным последствиям, помимо нанесения очевидного ущерба данной клетке. Некоторые вещества подвергаются секвестрации, то есть накоплению в организме в неактивной форме, оставаясь относительно безвредными. Например, водорастворимые ионы металлов могут встраиваться в кости, а липофильные вещества — в жировые отложения.

Прекрасный пример секвестрации — таинственная смерть Наполеона Бонапарта в 1821 г. В своем завещании он пишет: «Я умираю преждевременно, убитый английской олигархией и ее палачом; английский народ не замедлит отомстить за меня». Эта фраза наводила на мысль, что великий полководец был отравлен. К счастью, слуги сохранили локоны его волос, и когда их проверили на содержание мышьяка, выяснилось, что оно в 100 раз превышает норму. Возможно, причина его смерти была не в этом, однако химический анализ дал неопровержимые доказательства того, что в последний период своей жизни Наполеон действительно подвергался воздействию мышьяка.

Кстати, в истории Наполеона обнаружился неожиданный поворот: современные исследования показали, что, вероятно, он умер все же не от отравления мышьяком. Ученые считают, что причиной его смерти был рак желудка и язвенная болезнь. Интересно, что на обоях в доме на острове Святой Елены, где жил Наполеон в изгнании, имелся зеленый рисунок. В те времена зеленую краску для обоев делали из арсенита меди. При увлажнении (которое было весьма вероятно, так как на острове сыро) и под воздействием плесени эта соль мышьяковистой кислоты способна превращаться в газ триметиларсин. Скорее всего, именно этот газ, а не яд убийцы, был источником мышьяка, найденного в волосах Наполеона.

Накапливающиеся в тканях в результате секвестрации вещества могут оставаться в них на протяжении всей жизни, выводиться из организма в инертной форме (как мышьяк в волосах Наполеона) или возвращаться обратно в кровь. Вне зависимости от способа перемещения веществ в организме и уровня их токсичности, все они подчиняются одним и тем же правилам диффузии и путешествуют к своим тканям-мишеням в соответствии с этими правилами.