Летальный синтез

Термин «летальный синтез» был введен Peters для описания биохимических превращений фторуксусной кислоты. Сама по себе она не токсична, но метаболизирует в организме млекопи­тающих с образованием токсичного соединения — фторлимон- ной кислоты.

Фторуксусная кислота стерически очень похожа на уксус­ную и поэтому может служить субстратом многих фер­ментов цикла трикарбоновых кислот. Она подвергается тем же метаболическим превращениям, что и уксусная, до тех пор, пока не превращается во фторлимонную кислоту (13.49) [Peters et al., 1953; Liebecq, Peters, 1949]. Токсический эффект этой кисло­ты связан с ингибированием фермента, дегидратирующего эту кислоту в цис-аконитиновую. Таким образом, фторлимонная кис­лота служит метаболитом-аналогом лимонной кислоты.

«Деградация до действия» лекарственного вещества уже об­суждалась в разд. 3.6. Отличие летального синтеза состоит в том, что это действительно синтез, а не деградация: соединение только с двумя атомами углерода превращается в соединение с шестью атомами. Более того, в синтезе принимают участие по меньшей мере три ферментные системы, постадийно превращаю­щие исходное соединение в токсичный продукт.

Фторуксусная кислота содержится в южноафриканском рас­тении Dichapetalum, из-за чего в этой стране погибло много скота. Предполагают, что ее токсическое действие связано не с реакционной способностью атома фтора, а с его малой вели­чиной (см. табл. 9.1) [Bartlett, Barron, 1947]: на первых стадиях превращений субстратная специфичность ферментов не очень высока и поэтому возможна замена в субстрате атома водорода атомом фтора, тогда как на поздних стадиях, где действуют бо­лее специфичные ферменты, эта замена уже существенна. Фторуксусная кислота, применяемая для уничтожения кроликов в норах, токсична для человека, так как избирательность ее действия не очень высока.

Канцерогены — это частично избирательные химические соединения, зачастую сами по себе безвредные, но способные метаболизировать в организме, образуя действительно канце­рогенные агенты.

До этого считали, что причина рака — старение организма. В настоящее время, на основании данных по сравнительному изучению различных популяций стало очевидно, что причиной возникновения рака во многих случаях служит загрязнение ок­ружающей среды. Для разных популяций в различных частях света наблюдаются значительные вариации частоты возникно­вения и типов рака. У людей, меняющих место жительства, возникновение рака связано также с их способностью адаптиро­ваться к укладу жизни, существующему в новом месте. Меж­дународное агентство по изучению рака (МАИР) (1976) сооб­щило, что более 80% случаев возникновения рака связано с воз­действием солнечных лучей, потреблением табака, алкоголя

или загрязнением воздуха ,[ср. Cairns, 1975]. Имеет значение и генетическая предрасположенность.

В понимании процесса канцерогенеза важную роль сыграло открытие Berenblum (1941) его двустадийности. Он обнаружил, что после, активации соединениями на первый взгляд химически инертными (промоторами) малая доза канцерогенного углево­дорода, безвредная в других случаях, инициирует рост опухоли. Б настоящее время наиболее часто используют такие промото­ры, как кротоновое масло или его активное начало — эфиры тетрациклического многоатомного спирта форбола (13.51). Очень часто применяют одно из его производных 12-О-тетраде- каноилфорбол-13-ацетат. Предполагают, что эти промоторы активируют в плазме протеинкиназу С [Castagna et al., 1982]. Berenblum (1974) отмечал, что если действие инициатора пред­шествует действию промотора, то рак не возникает.

В настоящее время известно много агентов, ускоряющих рост клеток и уменьшающих их способность к агрегации (разд.

Недавно был открыт другой двустадийный процесс канцеро­генеза. При действии таких известных канцерогенов, как диме- тилсульфат или бенз[а]пирен (13.50), здоровые клетки приобре­тают способность к неограниченной пролиферации. Эти клетки сохраняют все свойства здоровых и в отличие от трансформиро­ванных клеток обладают нормальными характеристиками роста, но способны к неограниченному числу делений. Однако они могут быть превращены в злокачественные в одну стадию — инкубированием с онкогеном (например, с онкогеном, известным под названием EJ). После такой обработки клетки становятся истинно раковыми и не воспринимают никаких сигналов ограни­чения роста от здоровых соседних клеток [Newbold, Overell, 1983]. (В таком превращении здоровых клеток в раковые кан­церогенное химическое соединение может быть заменено дру­гим онкогеном.) В настоящее время предполагают, что возник­новение некоторых видов рака у человека связано с мутация­ми, превращающими нормальные гены в онкогены [Fox, 1983].

В отдельных случаях различия в химическом строении онко­гена и соответствующего ему нормального гена минимальны. Так, рак мочевого пузыря может развиться вследствие замены всего лишь одного нуклеотида, что вызывает в свою очередь замену одной аминокислоты, а именно валина на глицин в по­ложении 12 от N-конца белка [Tabin et al., 1982]. Маловероятно, что в большинстве случаев превращение нормального гена в он­коген происходит в результате замены лишь одного нуклеотида,

однако следует напомнить, что замена только одной ^минoкиc- лоты (валина на глутаминовую кислоту) в гемоглобине приво­дит к серповидно-клеточной анемии [Pauling et ah, 1949].

Однако лишь об очень немногих соединениях можно с уве­ренностью сказать, что они канцерогенные для человека. Это положение обусловлено двумя факторами: во-первых, большими трудностями в получении соответствующей информации и, во- вторых, наличием у человека высокоэффективных механизмов репарации, функционирование которых препятствует получению точных данных. Большую работу по проверке канцерогенности различных веществ проводит МАИР (одно из подразделений ВОЗ). С 1982 г. было проверено 585 соединений, подозреваемых в способности вызывать рак у человека. Из них 147 оказались, канцерогенными в опытах на лабораторных животных, и только для 44 были получены доказательства их канцерогенности для человека в основном при анализе историй болезни рабочих оп­ределенного производства. Например, у рабочих, занятых на производстве бензидина (4,4'-диаминобифенил, полупродукт для получения красителей) после 15—20-летней работы частота воз­никновения рака мочевого пузыря возрастала от 25 до 75%. В большинстве развитых стран производство бензидина в насто­ящее время запрещено. Однако в некоторых странах оно все еще существует, причем на основе бензидина получают различ­ные красители, например Прямой черный 38, способный в орга­низме человека разрушаться с выделением бензидина.

Другой пример: МАИР установило, что из 1000 человек, ра­ботающих в помещениях с концентрацией бензола в воздухе 100 м. д., 140—170 погибают от лейкоза. В настоящее время использование бензола в качестве растворителя практически запрещено, но так как он служит исходным соединением в про­изводстве большинства лекарственных веществ и других ценных продуктов, его продолжают производить и применять под стро­гим контролем.

В список других химических соединений, канцерогенных для человека, входят: а) некоторые неорганические вещества — мышьяк, асбест (особенно голубой асбест), кадмий, хроматы, гематит (один из видов железной руды), никель (только очи­щенный); б) некоторые органические полупродукты в производ­стве красителей и пластмасс —2-нафтиламин (в настоящее вре­мя применение запрещено), 4-аминобифенил, винилхлорид (активен его метаболит: оксид хлорэтилена); в) лекарственные вещества — азатиоприн, хлорбутин, циклофосфан, диэтилстиль­бэстрол, мелфалан, смесь эмбихина, винкристина, прокарбазина и преднизона. Опасность возникновения рака под действием химических соединений существует для работающих на произ­водстве (и ремонте) обуви, производстве резины и мебели, синтезе бензальдегида из хлорированного толуола и при лю­бых видах деятельности, где возможен контакт с сажей, смолой или неочищенными маслами.

Риск заболевания раком возрастает при курении и потребле­нии пищи, зараженной продуктом жизнедеятельности грибов — афлатоксином. Некоторый риск возникает и при применении лекарственный веществ, перечисленных выше, однако он неве­лик, если их применяют под тщательным контролем. Предпола­гают, что кофеин, синтетические сладкие вещества, формаль­дегид и хлорированные углеводороды также обладают канце­рогенными свойствами, однако доказательств их канцерогенности не было найдено [The International Agency for Research on Cancer (JARC), 1982].

Канцерогены вызывают у человека рак лишь через 10—20 лет, даже после постоянного контакта с ними дома или на работе. Проверка канцерогенных свойств соединений на мышах, продол­жительность жизни которых около двух лет, требует многих месяцев. Что же происходит за это время? По двухстадийной теории возникновения злокачественных клеток Berenblum, у канцерогенов существует неопределенная фаза активации, но в настоящее время установлено, что большинство этих агентов должны вступить в несколько химических реакций, прежде чем превратиться из проканцерогена в истинный (называемый также проксимальным) канцероген, который и вызывает злокачест­венные изменения. Этот процесс протекает с увеличением ОММ и приводит к положительно заряженному продукту [Miller, 1970]. Такие канцерогены являются электрофильными реагента­ми и (подобно азотистым ипритам) способны образовывать ко­валентные связи с основаниями в ДНК- Однако они не могут сшивать две цепи ДНК, в отличие от азотистых ипритов, и по­этому лишены полезных свойств в последних [Brookes, 1966].

Поскольку лабораторные крысы и мыши значительно более подвержены раковым заболеваниям, чем человек, не существует однозначных критериев для экстраполяции данных, полученных в экспериментах на грызунах, на человека, хотя делаются по­пытки найти формулу для пересчета этих данных (МАИР, 1982). Существуют достаточно обоснованные данные, указы­вающие на то, что процессы репарации ДНК у человека более эффективны, чем у грызунов.

/

/

Рассмотрим теперь химические изменения, происходящие с канцерогенными ароматическими аминами при их метаболиче­ском превращении из проканцерогена в истинный .канцероген в организме млекопитающих. В общем случае снача^ гидроксили- руется аминогруппа (с образованием гидроксі^йамина). Затем гидроксильная группа переносится на соседний (орто-) атом углерода и превращается там в эфир серной кислоты, который в свою очередь гидролизуется с образованием карбениевого иона типа (13.52), получающегося из 2-ацетамидофлуорена [Cramer, Miller, Miller, 1960]. По-видимому, именно эти карбение- вые ионы и являются истинными канцерогенами. Инъекция неор­ганического сульфата крысам, получавшим 2-ацетамидо-Ы-гидро- ксифлуорен, резко повышает токсичность этого промежуточного продукта [De Baun et al., 1970]. Аналогичные результаты полу­чены и для таких канцерогенов, как бензидин и 4-ацетамидоби­фенил [Miller, Miller, Hartmann, 1961], 2-аминонафталин [Boylancb Dukes, Grover, 1963] и 4-гидроксиаминохолин-1-оксид (полученного биологическим восстановлением 4-нитрохинолин- 1-оксида) [Endo, Опо, Sugimu'ra, 1970]. 4-Диметиламиноазобен- зол (называемый масляный желтый, так как раньше он приме­нялся для придания цвета маргарину) метаболизирует до монометильного аналога, подвергающегося в свою очередь таким же превращениям, что и 2-ацетамидофлуорен [Poirier et al.„ 1967].

Как было впервые показано Brookes, Lawley (1964), канце- рогенность полициклических углеводородов зависит от их спо­собности после серии метаболических изменений связываться с нуклеиновыми кислотами. Видимо, ДНК митохондрий значи­тельно более чувствительна к их действию, чем ядерная [Nudd, Wilkie, 1983]. Бенз[а]пирен (13.50), загрязняющий воздух в больших городах, в клетках млекопитающих метаболизирует до соответствующего 7, 8-дигидрокси-7,8,9,10-тетрагидро-9,10-эпок­сида, прочно связывающегося с ДНК [Sims et al., 1974]. В ре­зультате нуклеофильной атаки эпоксидный цикл размыкается и образуется связь между атомом углерода в положении 10 углеводорода и экзоциклическими аминогруппами гуанина и аденина в ДНК [Straub et al., 1977].

Boyland (1950) первым предположил, что метаболическое превращение в эпоксид может быть решающим для проявления углеводородом канцерогенных свойств. В то время общепри­нятой была другая гипотеза: связь углеводорода с мишенью образуется в «К-области», при этом канцерогенность возрастает с увеличением электронной плотности в этой области [Robinson,

1964; Pullman, Pullman, 1955]. Примерами «К-областей» в по­лициклических молекулах могут служить двойная связь в поло­жениях 9, 10 фенантрена и связь 4, 5 в соединении (13.50). Эта гипотеза осйовывалась на известных данных об отсутствии канцерогенных свойств у таких полициклических углеводородов, как 1,2-бензантрацен, приобретающих их, однако, при введении в соответствующее положение в молекуле метильной группы. В настоящее время гипотеза «К-области» потеряла свое значе­ние, тогда как предположение о роли эпоксидов в проявлении канцерогенных свойств оправдалось для многих канцерогенных полициклических углеводородов.

Часть молекулы углеводорода, образующая связь с нуклеино­выми кислотами, называется «областью ниши»; примером может служить область между положениями 10 и 11 в молекуле (13.50). Чаще всего эпоксидирование протекает именно в этой области, однако ему могут препятствовать объемные заместите­ли, расположенные рядом с ней. Хотя антрацены сходны с канцерогенными фенантренами, в них «область ниши» отсутству­ет и поэтому они не канцерогенны.

Предполагают, что в основе мутагенного действия некото­рых лекарственных веществ, большинство из которых явля­ются антигельминтными препаратами (гикантон, амосканат, метрифонат, оксамнихин, мебендазол, метронидазол и диазепам), лежат химические изменения, происходящие под действием бактериальной флоры кишечника. Их можно предот­вратить, вводя экспериментальным животным такие пищевые антиоксиданты, как 2-третбутил-4-гидроксианизол и 1,2-дигидро- кси-2,2,4-триметил-6-этоксихинолин (этоксихин). Применение этих соединений может предупредить действие даже таких кан­церогенов, как бенз [а] пирен, нитрозамины и уретан. Предпола­гают, что эти эффекты антиоксидантов связаны с активацией глутатион-Б-трансферазы и эпоксидгидратазы [Bueding et al., 1979].

Алкилирующие агенты, применяемые в медицине (см. предыдущий раздел), обычно алкилируют гуанин в поло­жении 7. В противоположность этим препаратам, высококанце­рогенные алкилирующие агенты алкилируют атом кислорода по Sn 2-механизму. Так, этилнитрозомочевина и Н'-нитро-Ы-нитро- зоэтилгуанидин атакуют в РНК атом 0-2 цитозина и урацила, а в двунитчатой ДНК—атом 0-2 тимина и атом 0-6 гуанина [Singer, 1976].

Об общих вопросах канцерогенеза см. Freudenthal, Jones, (1976) и Arcos, Argus (1968); о канцерогенезе, обусловленном действием радикалов на липиды и последующим перекисным окислением см. McBrien, Slater (1982); вопросы регистрации лекарственных веществ и пищевых добавок см. Coulston (1979).