Танцы вдоль кривой

Прелесть линейной зависимости реакции от дозы заключается в том, что она дает много предварительной информации о взаимодействии животного с химическим веществом. Например, угол наклона прямой сообщает нам об эффективности токсичного вещества, то есть его способности вызывать биологическую реакцию. С увеличением угла наклона эффективность также растет. Более того, если эффективности двух веществ оказываются сходными, то на основании зависимости реакции от дозы можно определить некоторые полезные точки, дающие при сокращении одно число, с помощью которого можно проводить сравнение токсичности различных веществ.

А теперь вернемся к точке перегиба. Эта точка в токсикологии и фармакологии известна как ЛД50, доза, при воздействии которой гибнет 50 % популяции животных. Эту точку можно определить и в тех случаях, когда животные подвергаются косвенному воздействию вещества (при содержании токсичного компонента в воздухе для животных, дышащих легкими, или в воде, для тех, кто дышит жабрами), но тогда она обозначается, как ЛК50 (концентрация вещества в среде, при которой 50 % организмов погибают). Эти точки перегиба дают ученым практический числовой индекс, с помощью которого можно сравнивать токсичность различных веществ.

Вторая точка, которую можно выявить из зависимости реакции от дозы, – это пороговая концентрация. Пороговая концентрация – та, при которой вероятность негативного воздействия (например, один случай заболевания на миллион человек) достаточна низка и считается допустимой. Интересно то, что, хотя пороговую дозу легко определить по зависимости реакции от дозы при условии наличия соглашения о приемлемом уровне негативного воздействия, допустимая вероятность этого негативного воздействия устанавливается не наукой, а на общественно-политическом уровне. Этот вопрос мы обсудим подробнее в главе 14.

Третья важная деталь, касающаяся пороговой дозы, состоит в том, что эта доза является не столько эмпирической, сколько математической. Иными словами, пороговая доза не ограничивается решениями ученого, проводящего тестирование. Если он, к примеру, вводил крысам какое-то вещество в пяти различных концентрациях (0,01, 0,1, 1, 10 и 100 мг на кг массы тела), то пороговая доза вовсе не обязательно будет одной из них. Прямая линия, которую мы получаем при пробит-анализе зависимости реакции от дозы, описывает взаимоотношения не просто нескольких точек на линии, а всех составляющих ее точек. Однако с двумя другими показателями, NOEC и LOEC, дело обстоит иначе. Эти показатели ранее часто использовались для описания химической безопасности продукта, но в настоящее время впали в некоторую немилость. NOEC – это максимальная из измеренных концентраций на кривой, при которой не наблюдается видимого положительного воздействия на организмы, а LOEC – минимальная из измеренных концентраций, при которой выявляется негативное биологическое воздействие химического вещества. Проблема в том, что эти показатели по своей сути необъективны. В то время как пороговая доза – это величина, выведенная математически с использованием всех точек кривой зависимости реакции от дозы, значения NOEC и LOEC связаны только с теми точками кривой, для которых были получены эмпирические данные. Поэтому общее число возможных значений для этих точек лимитируется количеством вариантов дозировок, выбранных экспериментатором. Например, если ученый вводил крысам вещество в пяти различных концентрациях (0,01, 0,1, 1, 10 и 100 мг на кг массы тела), то значения NOEC и LOEC могут соответствовать лишь каким-либо из этих пяти вариантов. Поэтому результаты очень сильно зависят от прихоти экспериментатора и весьма ограничены, тогда как при математическом вычислении они куда более точны и теоретически могут быть абсолютно любыми.

Когда какая-либо правительственная структура разрабатывает стандарты химической безопасности, считающаяся безопасной дозировка практически всегда оказывается ниже, чем реальная пороговая концентрация, рассчитанная на основании уравнения зависимости реакции от дозы. Это делается по чисто практическим причинам, так как токсикологическое тестирование обычно проводится на лабораторных грызунах (мышах и крысах), и его результаты экстраполируются на человека. Грызуны могут быть более чувствительны или менее чувствительны, чем люди, к тем или иным химическим веществам, поэтому максимально допустимый уровень загрязнения из соображений безопасности уменьшается на порядок по сравнению с экспериментальным. Кроме фактора возможных различий в реакции между биологическими видами, во внимание принимается также повышенный риск воздействия того или иного вещества на особо чувствительные группы людей (дети, пожилые и лица с нарушениями иммунной системы).

Исключения

Но во всех ли случаях применима S-образная кривая? Возьмем, к примеру, витамин А. Это вещество представляет собой смесь компонентов, в том числе ретинола, ретиналя и других сходных по структуре каротиноидов. Недостаток витамина А в рационе может вызывать нарушения зрения, особенно при недостатке освещения. Однако витамин А – жирорастворимое вещество, которое не так быстро выводится из организма, как водорастворимые витамины, например витамин С. Поэтому, если употребить слишком много витамина А, возникает риск отравления. Постоянно повышенный уровень витамина А вреден для организма, особенно для развития органов плода. В случае с этим веществом кривая зависимости реакции от дозы будет не сигмоидальной. Она, скорее, напоминает чашу, где негативный эффект наблюдается как при низких, так и при высоких дозировках. В данном случае влияние дозировки будет двояким: при высоких концентрациях витамина А преобладает негативное воздействие, и чем ниже будет его концентрация, тем лучше. Однако в низких концентрациях витамин А действует как микроэлемент, дефицит которого также наносит организму вред, и в этом случае его концентрацию нужно увеличить.

На самом деле подобный дефицит нельзя считать истинно токсическим воздействием, но есть примеры и других веществ, которые оказывают на организм негативное воздействие как в низких, так и в высоких концентрациях. Прекрасный пример такого вещества – это 17-бета-эстрадиол. При высоких концентрациях это вещество обладает канцерогенным эффектом и очень токсично. Но при уменьшении дозы зависимость начинает приближаться к классической сигмоидальной кривой. Дозы ниже пороговых не увеличивают риск развития рака. Однако в концентрации намного ниже пороговой этот половой гормон действует так же, как клеточный сигнал, влияющий в том числе и на эмбриональное развитие у позвоночных животных. Хотя эстрадиол необходим для развития как мужских, так и женских особей, слишком высокий его уровень в определенные моменты может быть токсичным, в том числе приводить к развитию у плода мужского пола ряда женских признаков. Именно это является причиной необычной морфологии репродуктивных органов у некоторых животных, например развития женских фолликулов в ткани мужских семенников. (В последующих главах мы еще вернемся к влиянию различных химических веществ на внутриутробное развитие.)

Наш взгляд на токсичные вещества определяется идеями Парацельса. Вероятно, для подавляющего большинства токсинов все действительно зависит от дозы. Этот первый закон токсикологии породил огромное количество исследований и правовых актов, касающихся безопасности. В мире современных ядов многие виды взаимодействий между молекулой и организмом определяются именно этим простым, но элегантным принципом.

Глава 2
Природа химических веществ

Некоторые вещи по сути своей никак не могут сочетаться – например, масло и вода, апельсиновый сок и зубная паста.

Джим Батчер

Второе правило токсикологии помогает нам понять, почему одни химические вещества легко выводятся из организма, а другие – нет. Оно же объясняет нам, почему разные яды действуют по-разному. Это правило первым сформулировал Амбруаз Паре, французский хирург XVI в., который сказал, что «яд… убивает определенным свойством, противоположным нашей человеческой натуре». Иными словами, конкретное действие вещества зависит от свойственной ему химической природы.

Эта идея на первый взгляд может показаться очень простой, но давайте попробуем разобраться, что такое «химическая природа» вещества? Нам известно, что эффекты, оказываемые на организм различными химическими веществами, зависят от структуры их молекул. Токсичность по определению проявляется на молекулярном уровне, потому что действие яда определяется тем, как его конкретные молекулы взаимодействуют с конкретными биологическими мишенями в организме. Эти биологические мишени могут быть общими, как, например, фосфолипиды – тонкий слой жиров, входящих с состав всех клеточных оболочек, или очень узкими – например, рецептор к какому-либо нейротрансмиттеру, который может быть навсегда заблокирован по-особому устроенной молекулой пестицида, подходящей именно к данному рецептору. Таким образом, природа токсичного вещества – это его молекулярная структура, так как именно она определяет его химическую активность.

Для многих токсичных веществ, особенно для тех «специалистов», что связываются со строго определенными клеточными рецепторами, кажется вполне логичным, что за воздействие несет ответственность именно трехмерная структура молекул токсикантов. Если токсичное вещество – это ключ, то рецепторная молекула – замок, и для многих токсичных веществ изменения химической структуры молекул (аналогично различиям в форме бородки ключа) могут приводить к изменению токсичности. Более того, если нам известен механизм токсического воздействия вещества на организм, можно сделать вывод, что молекулы со сходной структурой могут оказывать на организмы сходное воздействие. Зависимость активности от структуры – корреляция между структурой молекул химического вещества и его биологической активностью – важный принцип, который можно вывести из трудов Паре.

Зависимость активности от структуры помогает понять, почему разные члены некоторых небольших групп токсинов направленного действия (тех самых «специалистов») действуют на организм одинаково. Но давайте попробуем разобраться в общих закономерностях строения химических веществ. Если нарисовать все известные науке химические вещества на воображаемой школьной доске (доска понадобится о-о-очень большая!), их можно было бы разделить на многочисленные небольшие родственные группы: на одной части доски окажутся сахара, на другой – металлы, на третьей – диоксины и т. д. Какие же критерии можно использовать, чтобы объединить эти группы в более крупные подразделения?

Есть два весьма практичных и простых способа разделения всех веществ на нашей доске. Во-первых, можно выделить органические и неорганические молекулы – то есть, попросту говоря, отделить вещества, в которых есть углерод, от тех, в которых углерода нет. В общем можно сказать, что углеродсодержащие вещества могут быть химически модифицированы в результате процессов, происходящих в живых организмах, и считаются основой жизни. Все необходимые для существования живых организмов молекулы – сахара, жиры, белки, ДНК и РНК, липидная мембрана и т. д. – являются органическими, так как содержат углерод.

Второй способ классификации химических веществ основан на их относительной растворимости; иными словами, вещества могут быть водо- или жирорастворимыми. В отличие от органической или неорганической природы, которая определена однозначно, относительная растворимость веществ может варьироваться – от высокой растворимости в липидах, или жирах, до высокой растворимости в воде. Тем не менее разделение веществ на водо- и жирорастворимые весьма информативно, так как позволяет многое объяснить.

Отличие водорастворимости от жирорастворимости можно легко понять, если представить себе процесс приготовления заправки для салата. Для традиционного итальянского салатного соуса нужно взять воду, оливковое масло и специи, соединить их в емкости и тщательно встряхнуть. Получившийся раствор на самом деле не раствор, а эмульсия – смесь веществ, которые не могут полностью соединиться. Со временем эмульгированные жидкости разделятся, и слой оливкового масла окажется поверх слоя воды. Теперь разберемся со специями, которые используются в заправке для салата: на молекулярном уровне некоторые из них (поваренная соль, сахара и т. д.) растворяются в первую очередь в воде, а не в масле. Другие (например, ванилин, экстракт мяты или винтергреновый экстракт – ну ладно, последний не назовешь традиционным компонентом салата) растворяются в оливковом масле, а растворить их в воде нельзя.

А теперь давайте посмотрим, что будет, если мы добавим к смеси воды и масла какое-нибудь из веществ, расположенных на нашей доске. Если хорошенько встряхнуть сосуд, а потом дать смеси отстояться и разделиться, вещество растворится в одном из слоев – в воде или масле – или не растворится вообще и окажется в виде кристаллов на дне сосуда.