Биологическое действие ксенобиотиков

Ионизирующая радиация подавляет образование НАДН и НАДФН, и поэтому возможно нарушение микросомального окисления в печени. Ионизирующая радиация приводит к угнетению гидроксилирования стероидов.

16. Основные пути поступления и выведения гидрофильных и гидрофобных ксенобиотиков живыми организмами

Ксенобиотик, который тем или иным образом попадает в организм, чаще всего подвергается метаболическому превращению с последующим его выведением. Основные пути поступления токсических ксенобиотиков в организм человека - это органы дыхания и кожа, а также пищеварительный тракт. Через слизистую оболочку дыхательных путей и пищ. тракта поступают ксенобиотики, находящиеся в газо- и парообразном состоянии. Через кожу проникают преимущественно липофильные вещества, находящиеся в жидком или газообразном состоянии при непосредственном контакте. Через всасывание из пищеварительного тракта. Участок всасывания (слизистая оболочка желудка, тонкой или толстой кишки) определяется физико-химическими свойствами ксенобиотика, его способностью к ионизации, взаимодействию с мембранами эпителиацитов. Экскреция ксенобиотиков и их метаболитов через почки, легкие, кожу, кишечник, слюнные, потовые, слезные, сальные железы, а также молочные железы при лактации. 1)Почечная экскреция ксенобиотиков - основной путь удаления гидрофильных ксенов. В основе почечной экскреции лежат следующие биологические процессы: клубочковая фильтрация, канальцевая секреция, канальцевая реабсорбция. Клубочковой фильтрации подвергаются вода, глюкоза, аминокислоты, белки, ксенобиотики-неэлектролиты. Канальцевая секреция - активный процесс, осуществляемый с помощью ферментных систем мембранного транспорта (органические кислоты или органические основания). Канальцевая реабсорбция - процесс обратного всасывания метаболитов и ксенобиотиков, неионизированные формы веществ подвергаются реабсорбции и экскреции путем пассивной диффузии.

2) Экскреция ксенобиотиков легкими. Удаляются в основном летучие и газообразные вещества, например промышленные газы, а также продукты печеночной биотрансформации многих токсических веществ. 3) Экскреция ксенобиотиков печенью. Выделение через систему желчных ходов или после обратного всасывания в синусоиды - через почки. Однако для многих полярных ксенов (метаболитов, конъюгатов) выделение в желчь из гепатоцитов осуществляется путем активного транспорта против градиента электрохимического потенциала. У растений нет спец. путей поступления и выведения ксенобиотиков (через корни и листья, а строение корня опр. пути и механизмы поступления). Поступление в корни происходит в две фазы: 1) быстро протекающая диффузия в апопласт и 2) продолжительное поступление. Поступает широкий спектр гидрофильных и липофильных органических молекул ксенобиотиков (спирты, фенолы, амины). Ксены поступают в растение через листья: через устьица или кутикулу. Через кутикулу соединения диффундируют медленнее, чем через устьица. Однако из водных растворов поступление через устьица неэффективно, т.к. у входа в устьичную щель выпуклый мениск препятствует поступлению экзогенного соединения. Кутикула проницаема для гидрофильных и липофильных молекул. В распределении ксенобиотиков в тканях и органах растений большую роль играют сосуды ксилемы и флоэмы. Ксены, переносимые по сосудам ксилемы поступая в корни растений создают фототоксические конц-и в наземных органах растений. редко отмечается акк-я флоэмнобильных ксенов в корнях при поступлении их через листья (из-за выдел-я ксенов в ризосферу). Выделение через листья очень редко.

17. Характеристика основных процессов поведения ксенобиотиков в экосистемах. Роль адсорбции и перемещения

Для ксенобиотиков, попавших в экосистемы и входящие в них организмы, можно выделить следующие этапы.

1. Реакции превращения ксенобиотиков( распад, ОВР, гидролитические и реакции конъюгации. 2. Адсорбция ксенобиотиков на частицах биологического и абиотического происхождения. 3. Переход ксенобиотиков из одной среды в другую.

Реализация этих этапов в реальных биогеоценозах происходит при теснейшем взаимодействии между различными факторами. Для понимания характера воздействия ксенобиотиков на экосистемы чрезвычайно важное значение имеет скорость превращения ксенобиотиков. Высокая скорость превращения обычно приводит к исчезновению вещества и, следовательно, к исчезновению проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды; при медленном разрушении вещество сохраняется длительное время, что может вызвать его концентрирование.

Адсорбция ксенобиотиков на частицах. Доступность ксенобиотика для ферментов,и его «деградабельность» снижается в результате сорбции молекул на частицах. Процессы сорбции-десорбции ксенобиотиков нередко определяют их устойчивость и взаимосвязаны с переносом в биосфере на большие расстояния. Пример: многие пестициды в почве гидролизуются с образованием соединений, которые адсорбируются на частицах почвы, связываются с гумусом и сохраняются длительное время, т. е. возрастает устойчивость этих токсикантов. В адсорбированном состоянии они не разрушаются. По мере разрушения гумуса грибами (что является ферментативным процессом) ранее связанные молекулы пестицида освобождаются и могут проявить свое токсическое действие на организмы данной экосистемы.

Переходы веществ из одной среды в другую. Изменения физико-химических свойств веществ в результате модификации структуры их молекул, сорбция ксенобиотиков на частицах и др. оказываются существенными при переходе веществ (и продуктов их превращений) из одного блока биогеоценоза в другой. Таковы переходы ксенобиотиков из воды в воздух и обратно, из организмов в воду и обратно, из почвы в воду и т. д. Подобные переходы могут иметь решающее значение для крупномасштабного перемещения ксенобиотиков в атмосфере и порождает экологические проблемы. Например, летучесть ряда пестицидов (особенно хлорорганических), их переход в результате испарения из почвы или воды в воздух обусловливает их дальнейший перенос на большие расстояния. Однако не менее с ерьезные проблемы возникают и вследствие затрудненности перехода подобного типа. Например, переход ртути из почвы в воду происходит очень медленно (период полувыведения из почвы в поверхностные воды составляет 850 лет). Попавшая в водоемы ртуть далеко не безвредна: она метилируется и накапливается в гидробионтах. Поэтому возникает огромное запаздывание в миграции ртути по биосфере, которое затрудняет борьбу с ртутным загрязнением. В самом деле, даже если удалось бы сегодня полностью прекратить антропогенное загрязнение биосферы (в частности, почвы) ртутью, то все равно еще сотни лет будет продолжаться ее выход (вымывание) из почвы в водоемы, а следовательно, их загрязнение и последующее накопление в гидробионтах.

18. Экологическая опасность процессов разрушения ксенов вбиоценозах

Из-за неспособности экосистем к полной биодеградации создается экологическая опасность, обусловленная наличием как устойчивых или вообще неразлагающихся в окружающей среде ксенобиотиков, так и биодеградабельных ксенобиотиков. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций:

- нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков; в конечном итоге они, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы;

- нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биодеградабельных ксенобиотиков и обусловленное следующими причинами: природой превращений и аккумуляцией ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций. Рассмотрим каждую из указанных причин на отдельных примерах.

Природа превращений и аккумуляция ксенобиотиков. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Поэтому сведения о скорости гразрушения веществ являются ценными. Легко разрушаемые соединения считаются опасными, но необходимо знать способность различных организмов разрушать то или иное вещество. Данное вещество может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях. Очень важно знать, какие типы веществ образуются в процессе разрушения. ДДТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к разрушению, но ДДТ все же распадается на ряд производных ДДТ превращается в ДДД, затем в ДДЭ- более опасное вещество,еще медленнее метаболизируется и разрушается, причина возн-я эко проблемы. Поэтому при оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений: органический ксенобиотик может метаболизироваться в организме, и часто образуются многочисленные метаболиты. Степень накопления их в организме зависит от относительных скоростей их образования и последующего метаболизирования и (или) вывода из организма. Природу метаболических превращений следует учитывать при разработке аналитических методов.

Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксенобиотиков и остатков неразложившихся ксенобиотиков связана с возможностью нарушения практически всех аспектов структуры и функционирования экосистем, видовое богатство и разнообразие видов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. (большие дозы могут нести огромную экологическую опасность, т.к они отравляют организмы раньше, чем они успевают их метаболизировать; опасность, связанная с накоплением ксенобиотиков организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие, ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней.

Опасность малых доз обусловлена следующими факторами:а) может происходить хроническое отравление малыми концентрациями (дозами), ведущее к падению репродуктивной способности.

б) могут нарушать тонкую регуляцию межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуляторами;

в) оказывая неодинаковое влияние на конкурентные друг с другом виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах;

г) могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах.

Выводы:

1)экологическая опасность ксенобиотиков-поллютантов определяется не только их непосредственной токсичностью, но и токсичностью и персистентностью продуктов их биотрансформации, а также способностью ксенобиотиков и продуктов их биотрансформации влиять на биохимические и физико-химические процессы в экосистемах.

2) значение имеет соотношение между скоростью поступления ксенобиотиков в конкретные экосистемы и скоростью их деградации.

3) ксены способны мигрировать по всей биосфере и переходить из одной среды в другую: из атмосферы в океан, с суши в водоемы и т. Д

4) биологическое действие многих ксенобиотиков, действующих совместно, усиливается

Один из путей снижения нежелательных последствий загрязнения биосферы - разработка, производство и применение биодеградабельных соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада.

Еще один важный путь - использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания интегрированной системы защиты растений.

19. Реакции метаболического окисления органических ксенобиотиков, основные типы и ферменты

1. Окисление спиртов и альдегидов осуществляется алкогольдегидрогеназой, альдегидоксидазами и др. ферментами. дегидрогеназы удаляют водород; например, окисление спиртов до альдегидов, которые в свою очередь окисляются до карбоновых кислот. Окисление спиртов в альдегиды или кетоны:

RCH₂OH RCHO + Н₂О,

R₁CHOHR₂ R₁COOR₂ +Н₂О.

Окисление альдегидов в карбоновые кислоты:

RCHO RCOOH.

2. Окисление аминов (включая арил-замещенные алифатические амины). Один из примеров - реакция диэтиламина с нитритом в кислой среде желудка, в результате которой получается канцероген - диэтилнитрозамин.

3. Окисление ароматических аминов. Эти вещества подвергаются N-гидроксилированию с участием оксигеназ, что может вызывать появление канцерогенных продуктов.

4. Окисление ароматических алкил-замещенных соединений. Они обычно расщепляются между атомами С₁ и С₂ боковой цепи с образованием соответствующей ароматической кислоты, при участии фермента диоксигеназы. Эти реакции происходят с участием микроорганизмов, а также в растениях.

5. Гидроксилирование кольцевых систем. Алициклические кольцевые структуры гидроксилируются легче, чем ароматические. Если в ароматическом кольце есть неуглеродный заместитель, то гидроксилирование обычно происходит в пара-положении. Однако если последнее занято, то в ортоположении с образованием в некоторых случаях канцерогенных метаболитов. Катализируют реакции оксигеназы.

Ароматическое гидроксилирование и Алифатическое гидроксилирование:

6. Ароматизация алициклических соединений. Происходит в случае окисления некоторых циклогексанкарбоновых кислот (с четным числом СН₂-групп в боковой цепи) с участием митохондрий. Конечный продукт - бензойная кислота.

7. При реакциях окисления с участием фермента эпоксидазы образуется эпоксидное кольцо (реакция эпоксидации):

Например, в результате микросомального или микробиологического окисления (эпоксидации) пестицида альдрина получится токсический эпоксид - диэльдрин.

8. Окисление или окислительное замещение органической серы. Гетероциклическая сера обычно окисляется в сульфоксиды или дисульфоны. Сера в алифатических комбинациях или ароматических боковых цепях иногда замещается кислородом. (RO)₃P = S (RO)₃P = O.

Превращение связи P=S в связь P=O приводит к повышению токсичности продуктов.

9. Окислительное дезалкилирование О- и N-атомов. Эти реакции требуют молекулярного кислорода и осуществляются монооксигеназами. Наиболее часто дезалкилированию подвергаются ксенобиотики следующих классов: динитроанилины (гербициды трифлурамин, динитрамин и др.), фенилмочевины (гербициды хлороксурон, диурон, монурон, флуометурон, линурон и др.), симметричные триазины, фосфорорганические соединения, алкиламины и др. ксенобиотики. Эти реакции осуществляются оксигеназами микроорганизмов, а также клетками печени.

Оксигеназа (монооксигеназа) - это фермент, катализирующий реакцию элементарного кислорода с некоторым субстратом, в процессе которой один из атомов кислорода входит в состав субстрата, тогда как второй атом кислорода реагирует с другим акцептором, чаще всего водородом, образуя воду. Монооксигеназные системы содержат цитохром Р-450,основная функция цитохрома - обезвреживание эндогенных субстратов. В каталитических реакциях монооксигеназ выполняет роль активного центра. Он взаимодействует с субстратом и молекулярным кислородом, а также принимает электроны от соответствующих доноров. Различают микросомальную, митохондриальную и бактериальную монооксигеназные системы цитохрома Р-450.

Одной из особенностей окислительных ферментов является их различная избирательность (специфичность) к субстрату в зависимости от вида тканей, в которых они находятся. Другая важная особенность- их активность может вызываться самими веществами, на которые они воздействуют.

20. Общая схема и основные реакции конъюгации в живых системах. Ферменты, катализирующие эти реакции

К конъюгационным относятся процессы биосинтеза, в результате которых из ксенобиотиков или их метаболитов и эндогенных продуктов (глюкуроновой кислоты, ацетилсульфата, глицина и др.) образуются сложные вещества.

Схематически реакцию конъюгации можно представить в следующем виде:

фермент

RX + эндогенное соединение (донорное в-во) конъюгат.

Как и большинство биосинтетических реакций, это энергозависимые процессы, подразделяющиеся на две группы. В основу классификации положена природа активных промежуточных продуктов реакций. Первую группу составляют процессы, в результате которых образуются активированные конъюгирующие агенты:

энергия субстрат

конъюгирующий активированный продукт

агент конъюгирующий агент конъюгации.

Для второй группы характерно образование активированного субстрата:

энергия конъюгирующий агент

субстрат активированный ----- продукт

субстрат конъюгации.

К первому типу относятся реакции метилирования, ацетилирования, образование глюкуронидов, гликозидов и сульфатов, к второму - аминокислотная конъюгация.

Реакции конъюгации катализируются ферментами трансферазами, переносящими заместитель в другое соединение. Реакции конъюгации считаются высокоэффективными путями снижения токсичности некоторых ксенобиотиков. Наиболее изучены реакции конъюгации, в которых участвуют следующие молекулы:

1. Ацетат конъюгируется при участии ацетил-КоА с некоторыми ароматическими аминами и сульфонамидами. Ацетилирование катализируется соответствующими ацетил-трансферазами.

2. Глицин. Его конъюгация с бензойной кислотой - одна из первых изученных реакций биотрансформации.

Глицин служит также конъюгирующим агентом при метаболизме никотиновой кислоты.

3. Глутатионовая конъюгация. Трипептид глутатион - эффективный конъюгирующий агент для конденсирования кольцевых систем - нафталина, антрацена, фенантрена. Катализирует реакции глутатион-S-трансфераза.Глутатион принимает участие в реакциях биотрансформации таких устойчивых ксенобиотиков, как нафталин.

4. Алкилирование с участием метионина и этионина.

5. Орнитин используется при детоксикации бензойной кислоты в организме рептилий и птиц, а аргинин - в организме членистоногих.

6. Глутамин у приматов используется для конъюгации фенилуксусной кислоты и некоторых ее гетероциклических аналогов.

7. Рибоза и глюкоза. Оба соединения часто используются для конъюгации; конъюгаты глюкозы особенно широко представлены в растениях, у моллюсков и насекомых. Гликозирование является основным путем детоксикации растениями чужеродных фенолов. Среди млекопитающих глюкозидная конъюгация встречается в организмах кролика, мышей, крыс и человека.

8. Конъюгация ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой (образование глюкуронидов) - наиболее важный механизм детоксикации ксенобиотиков. В реакции участвует активная форма

глюкуроновой кислоты - УДФГ. Катализирует процесс уридиндифосфатглюкуронозилтрансфераза (УДФГТ), локализованная в мембранах ЭР гепатоцитов, легких, кожи, кишечника, почек. Конъюгации подвергаются спирты, фенолы, карбокислоты, амины, гидроксиламины, карбамиды, сульфонамиды и тиолы. При переносе глюкуроновой кислоты из донорной молекулы - уридиндифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГ) - в акцепторное вещество путем ферментативной реакции образуются глюкурониды.

9. Лигнин. В последнее время в растениях удалось обнаружить новый тип конъюгата - нерастворимые конъюгаты с лигнином. С ним могут ковалентно связываться молекулы пестицидов 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусная кислота), пентахлорфенола, а также 3,4-ди-хлоранилина.

10. Сульфатная конъюгация (сульфатирование) - эволюционно один из древних видов биотрансформации. В нее вступают фенолы, спирты, ароматические амины, гидроксиламины, некоторые стероиды. Происходит с участием сульфат-аденилтрансферазы, аденил-сульфаткиназы, возможно, и других ферментов группы сульфотрансфераз, локализованных в цитоплазме гепатоцитов и других клеток. В этом случае донорной молекулой является 3'-фосфоадено-5'-фосфосульфат (ФАФС).

21. Антагонизм, аддитивность и синергизм биологического действия ксенобиотиков. Примеры синергизма и схема антагонистических взаимодействий

Механизм развития биологической реакции под действием двух ксенобиотиков возможно три ситуации: аддитивность, синергизм и антагонизм.

Аддитивность - отсутствие влияния одного ксенобиотика на характер действия другого, т. е. биологическая реакция является суммой эффектов, вызываемых каждым веществом.

Синергизм - усиление биологического ответа при совместном действии ксенобиотиков по сравнению с эффектами, вызываемыми каждым веществом в отдельности.

Антагонизм - наоборот, ослабление или подавление биологического эффекта при совместном действии по сравнению с влиянием отдельных агентов.

По месту воздействия на цепь событий, начинающихся с применения агониста и заканчивающихся наблюдаемым биологическим эффектом, антагонисты могут быть разделены на несколько классов:

1)Химический антагонизм, или антагонизм через нейтрализацию, проявляется при непосредственном взаимодействии антагониста с агонистом: представим в виде обратимой бимолекулярной реакции образования неактивного комплекса Е:

А + В Е

с константой диссоциации К_В = С_А ? С_В / С_Е,

где С_А, С_В и С_Е - концентрация агониста, антагониста и продукта реакции соответственно. ХА вляется конкурентным взаимодействием, снижающим кажущуюся константу диссоциации агонист-рецепторного комплекса вследствие «конкуренции» между антагонистом и рецепторами за связывание с агонистом.

2)Конкурентный антагонизм проявляется, когда антагонист взаимодействует с теми же сайтами, что и агонист, но в отличие от агониста - антагонист не вызывает биологической реакции.

Однако при высоких концентрациях полного агониста А₁ реакция снижается вследствие вытеснения А₁ с части мест связывания менее эффективным агонистом А₂. Таким образом, частичный агонист проявляет во взаимодействии с полным агонистом конкурентный дуализм: усиливает влияние низких концентраций полного агониста, а высоких - ослабляет.

3)Неконкурентный антагонизм. Взаимодействие неконкурентного антагониста с собственными рецепторами не приводит к независимому биологическому эффекту, а снижает эффект при образовании комплекса агонист-рецептор. Обычно НА уменьшает стимул, вызванный образованием агонист-рецепторных комплексов, или снижает способность эффекторной системы реагировать на данный стимул.

4) Функциональный и физический антагонизмы (нет принципиальных различий). Условное разграничение функц. и физ. антагонизмов может основываться на изменении знака наблюдаемого эффекта с увеличением концентрации агониста (при различных сочетаниях концентраций вазодилитатора и сердечного стимулятора может быть в принципе достигнуто как понижение, так и повышение давления крови.) Функциональный антогонизм характеризуется взаимодействием двух агентов (агонист и антагонист) с независимыми рецепторными системами, причем вызывается противоположное влияние в одной и той же эффекторной системе. Сходным образом определяется понятие физического антагонизма, который вызывается противоположным физиологическим действием эффекторов, активирующих полностью независимые рецептор-эффекторные системы.

Агонист А + R₁ АR₁ с_А

с_АВ с_АВ , (3.4)

Антагонист В + R₂ ВR₂ с_В

где R₁ и R₂ - рецепторы агониста и антагониста; с_А и с_В - результатирующие субэффекты в рецептор-эффекторных цепях А и В; с_АВ - первый субэффект, величина которого зависит от стимула в обоих цепях; с_АВ - наблюдаемый эффект.

5) Бесконкурентный антагонизм предполагает инактивацию комплекса агонист-рецептор лигандом, не способным образовывать комплекс с рецептором, не занятым агонистом. Бесконкурентный антагонизм, таким образом, предполагает наличие двух процессов:

АR + B ARB. (3.6)

Бесконкурентный антагонист в равной мере снижает количество рецепторов, способных образовывать эффективный комплекс с агонистом и снижает константу диссоциации этого комплекса (т. е. увеличивает сродство агониста к рецепторам, оказывая действие, противоположное конкурентному антагонизму).

6) Смешанный антагонизм представляет собой более общую схему взаимодействия агониста А и антагониста В с рецепторами, допускающую комплексообразование рецепторов с обоими лигандами, а также образование тройного комплекса. Смешанный антагонизм формально эквивалентен действию смеси конкурентного и бесконкурентного антагонистов в равных концентрациях.

22. Образование хелатных комплексов. Характеристика лиганд (хелатирующих агентов). Сродство, коэффициент устойчивости

Известно много веществ (лигандов), способных связываться с металлами. Они часто образуют с ними хелатные соединения. Если металл оказывается заключенным в лиганде между такими элементами, как N, O или S, то образуется хелатное кольцо.В зависимости от количества вступивших во взаимодействие атомов металлов и лиганд могут образовываться комплексы 1:1, 1:2 и др. ТРИ основных вида лигандов, образующих одно кольцо в комплексе 1:1 (бидентатные лиганды):

При содержании двух электронодонорных групп заряд катиона металла при образовании хелатного соединения не меняется (этилендиамин). Лиганды могут содержать также одну электронодонорную и одну анионную группы, как в глицине-заряд металла уменьшается на 1. И наконец, лиганд может содержать две анионные группы (например, щавелевая кислота)- уменьшается на 2. Образование хелатных связей атомами кислорода и азота происходит обычно лишь в тех случаях, когда при этом получаются пяти- и шестичленные циклы.

Для оценки прочности связей применяют константы устойчивости, характеризующие равновесие между одним или несколькими лигандами и одним ионом металла, подчиняющееся закону действия масс.

[MeX

= -------,

[Me][X]

где в числителе находится концентрация комплекса, а в знаменателе - концентрация образующих его компонентов. Часто необходимо знать общую константу устойчивости (), представляющую собой произведение частных констант. Произведение двух частных констант обозначают как ₂ (₂ = ₁₂ в случае соединения катиона металла с двумя молекулами лиганда. Понятие «лиганд» относится только к части, находящейся в соответствующей форме, которая может связывать катион металла.

По сравнению с ферментами, обладающими высокой специфичностью в отношении определенного металла, среди синтетических металлосвязывающих агентов подобная избирательность встречается значительно реже. Металлы по своему сродству к большинству хелатирующих агентов располагаются примерно в следующем порядке (от наибольшего сродства к наименьшему):

Fe³⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, Al³⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺.

Некоторые из приведенных двухвалентных металлов расположены друг за другом в периодической системе следующим образом (в скобках указаны атомные номера): Mn (25), Fe (26), Co (27), Ni (28), Cu (29), Zn (30). В этом ряду, называемом первым рядом переходных элементов, сродство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается, достигая максимума у меди (Cu²⁺). Повышение сродства к хелатирующим агентам является следствием уменьшения ионного радиуса.

Хелатообразование зависит от степени ионизации хелатообразующих агентов. Вещество, обладающее меньшим сродством к металлу (низ конст.уст-ти), может присоединить большее количество катионов металла, чем вещества, у которых это сродство больше. Это объясняется тем, что для хелатообразования необходимо не только наличие сродства между лигандом и металлом, но также быстрое образование анионов лиганда из агента (или молекул лиганда). Таким образом, существует своего рода конкуренция между константами устойчивости и константами ионизации.

23. Концепция рецепторов. Критерии отнесения молекулы к рецептору. Регуляция внутриклеточных процессов с участием вторичных мессенджеров

Ксенобиотик - чужеродное организму вещество. Поэтому он взаимодействует с местами связывания на мембране или выполняет роль антагониста. Биологически активные соединения обычно подразделяют на агонисты-вещества, связывающиеся с рецепторами и индуцирующие биологический ответ, и антагонисты-соединения, препятствующие взаимодействию агониста и не вызывающие или ослабляющие биологическую реакцию.

Истоки теории рецепторов принято обычно искать в работах Лэнгли и Эрлиха. Последний на рубеже XIX-XX вв. сформулировал знаменитый принцип: вещества не действуют, не будучи связанными.

Дальнейшее развитие теория рецепторов получила при изучении действия различных гормонов. Установленные факты по влиянию гормонов позволили предположить, что последние связываются с расположенными на поверхности специальными структурами - рецепторами, т. е. молекулами, способными «узнавать» гормон, взаимодействовать с ним и передавать информацию о его присутствии. Однако достоверно доказать наличие рецепторов на мембранах не так-то просто. Это связано, с одной стороны, с чрезвычайно низкой концентрацией, их лабильностью и неоднородностью. С другой стороны, на поверхности любой клетки имеются мембранные компоненты, неспецифически связывающие тот или иной гормон (эффектор), т. е. не все места, связывающие гормон, являются рецепторами.

Рецептор - мембранный центр связывания, взаимодействие которого с молекулой ксенобиотика инициирует реакцию клеточных мембран.

К основным критериям, по которым можно судить о наличии рецепторов относят следующие:

· высокое сродство, характеризующееся тем, что агент действует при низкой концентрации;

· кривая, описывающая процесс взаимодействия эффектора с местами связывания на мембране от концентрации, должна выходить на плато, поскольку количество рецепторов (мест связывания) ограничено;

· различная биологическая активность пар оптических изомеров (стереоспецифичность);

· тканевая специфичность биологического действия веществ.

Далее следует отметить, что взаимодействие возможно только при строгом соответствии пространственных и зарядовых геометрий. Необходимо учитывать и то, что связывание эффектора с рецептором должно быть обратимым.

Молекула любого рецептора состоит из двух частей. Одна из них, наружная, служит для связывания вещества (гормона). Вторая, менее полярная часть молекулы рецептора, служит для ее закрепления в липидном бислое и передачи принятого сигнала внутрь клетки. Взаимодействие между связывающими и передающими участками осуществляется благодаря конформационным перестройкам, происходящим в результате «посадки» эффектора (агониста) на связывающий участок рецептора. В этом случае происходят небольшие изменения на отдельных участках мембран, результаты которых передаются внутрь клетки, усиливаясь с помощью определенного («релейного») механизма, и в конце концов определяют течение внутриклеточных процессов. В основе передачи в ряде случаев лежит активация и инактивация фермента - аденилатциклазы (АЦ), расположенного в мембране. Этот фермент отвечает за синтез нуклеотида - цАМФ. В нормальном состоянии активность аденилатциклазы подавлена.

Но при взаимодействии агониста с рецептором Р аденилатциклаза активируется. В результате усиливается синтез цАМФ, увеличивается концентрация последнего внутри клетки и активируется один или несколько ферментов, расположенных внутри клетки. Таким образом, химический сигнал передается от одного посыльного к другому. Первичным посыльным является эффектор (гормон, медиатор), через ГТФ-связывающий G-белок и аденилатциклазу он передает сообщение внутрь клетки.

Вторичные посредники не только способствуют передаче внешнего сигнала во внутриклеточный, но и обеспечивают значительное усиление первоначального сигнала.Однако постоянная активация АЦ не только не нужна, поэтому цАМФ регулируется также с помощью фосфодиэстеразы (ФДЭ).

Циклический АМФ регулирует внутриклеточные реакции .Действие его основано на активации специфических ферментов цАМФ зависимых протеинкиназ, которые формируют многие белки, в частности белки рибосом, ряд ферментов, транспортные мембранные белки и др. Фосфорилирование белков - это их активации. В неактивированное состояние они возвращаются путем дефосфорилирования с помощью фосфопротеинфосфотазы (ФПФ).

Признанными вторичными мессенджерами являются ионы кальция. Кальций участвует в регуляции внутриклеточных процессов в комбинации с двумя другими вторичными посредниками: инозитолтрифосфатом и диацилглицеролом.

Эффектор (медиатор) связывается с рецептором Р, который через ГТФ-связывающие белки (G) активирует фосфодиэстеразу фосфатидилинозитолтрифосфата (ФИФ₂). При ращеплении ФИФ₂ образуется инозитолтрифосфат (ИФ₃) и диацилглицерол (ДАГ). ИФ₃ растворим в воде, поэтому он диффундирует в цитоплазму, где вызывает высвобождение Са²⁺ из внутриклеточного депо - эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Высвобожденный Са²⁺ активирует кальмодулинзависимую протеинкиназу (Са²⁺/КаМ киназа), фосфорилирующую белки-мишени, вызывая клеточный ответ. ДАГ, будучи гидрофобным, остается в мембране, где активирует Са²⁺ - фосфолипидзависимую протеинкиназу, которая фосфорилирует другие белки, вызывая также клеточный ответ.

24. Амфифильные ксенобиотики, их классификация (на примере ПАВ). Характеристика этапов их взаимодействия с биологическими мембранами, характер изменения селективности мембраны

Амфифильные вещества стремятся сконцентрироваться на границах раздела несмешивающихся жидкостей: располагаются на границе раздела масло-вода таким образом, что гидрофильная «головка» находится в воде, а липофильные углеводородные цепи размещаются в масле, взаимодействуя с подобными себе цепями растворителя. Молекулы этих веществ обычно состоят из длинных углеводородных цепей, связанных с короткой полярной «головкой». В большинстве случаев полярность «головки» обусловлена наличием атомов азота или кислорода, не обобществленные пары электронов которых образуют водородные связи с молекулами воды. С другой стороны, для попадания в воду углеводородная цепь должна разорвать водородные связи между молекулами воды, которые энергически препятствует этому разрыву.

Типичными представителями амфифильных ксенобиотиков являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). По характеру диссоциации все ПАВ делятся на:

- анионные, функциональные группы, молекулы которых в результате ионизации в растворе образуют отрицательно заряженные ионы, обусловливающие поверхностную активность;

- катионные ПАВ, функциональные группы молекул которых в результате ионизации в растворе образуют положительно заряженные ионы, обусловливающие поверхностную активность;

- неионогенные, практически не образующие в водном растворе ионов;

- амфолитные ПАВ, образующие в водном растворе в зависимости от условий (рН, растворимость и др.) катионные или анионные соединения.

При обработке клеток поэтапно увеличивающейся концентрацией детергента ПАВ выявлены четыре различные стадии: связывание детергента с мембраной, лизис, диссоциация мембраны на смесь комплексов липид-детергент, протеин-липид-детергент и высвобождение из комплексов чистых белков.

Эти стадии могут быть описаны следующим образом:

1. При низких концентрациях молекулы детергента связываются с мембранами, посредством внедрения во внешнюю фазу липидного бислоя без существенного изменения его структуры.

2. При повышении концентрации мономеров до определенной величины количество молекул детергента становится достаточным для дестабилизации мембраны. ПАВ, встраиваясь в мембрану, могут образовывать поры, размеры и физико-химические свойства которых зависят от типа и концентрации детергента в растворе. В зависимости от вида ПАВ эти поры деформируются в виде связанных каналов или в виде выемок на поверхности мембраны. В ряде случаев при значительных концентрациях детергента образующиеся в мембране поры имеют очень крупные размеры, через них могут проходить сахара и макромолекулы.

3. При еще больших концентрациях вся мембрана перемешивается с молекулами детергента, что приводит к фазовому переходу - мембрана распадается на смесь мицелл, содержащих комплексы детергент-липид или детергент-липид-протеин.

4. При последующем увеличении концентрации ПАВ отношение липид-белок уменьшается до тех пор, пока не происходит полное разделение фракций белков и липидов.

Изменение селективности мембран

мембрана обладает выраженной селективностью по отношению к различным веществам из-за того, что молекулярные и надмолекулярные структуры мембраны упорядочены. Нарушения этой упорядоченности сказываются на показателях селективности. Пока ПАВ относительно малы, большая часть связывающихся с мембраной молекул «разрыхляет» участки мембраны и каждая из них действует как бы независимо. Поэтому, наступающее снижение селективности примерно пропорционально числу связанных молекул и является суммой отдельных вкладов каждой из них. Но по мере роста концентрации ПАВ молекулы располагаются все плотнее, так что присутствие одной из них усиливает разрушающий эффект другой. Наконец, образуя большие скопления, приводящие в конечном счете к появлению пор, молекулы ПАВ, связанные с мембраной, еще более резко снижают ее селективность.

25. Роль физико-химических факторов в превращениях ксенобиотиков в окружающей среде

Для понимания характера воздействия ксенобиотиков на экосистемы важное значение имеет скорость превращения ксенобиотиков. Высокая скорость превращения обычно приводит к исчезновению вещества и, следовательно, к исчезновению проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды; при медленном разрушении вещество сохраняется длительное время, что может вызвать его концентрирование.

Фотохимические превращения. Солнечная радиация хорошо поглощается некоторыми молекулами. Во многих случаях поглощенная энергия способна индуцировать изменения в молекуле. Ионизирующее излучение не настолько сконцентрировано, чтобы вызвать заметный эффект. Энергия инфракрасного излучения достаточна лишь для продуцирования минимальных молекулярных изменений, но не для полного превращения молекул. Ультрафиолетовое излучение наряду с видимой областью спектра также поглощается молекулами некоторых ксенобиотиков.

Фотохимические превращения проходят в три стадии:

- акт абсорбции, который приводит к поглощению излучения определенной длины волны и появлению возбужденного состояния; - первичный фотохимический процесс, включающий преобразование электронно-возбужденного состояния и его переход в невозбужденное состояние; - вторичные или «темновые» реакции, происходящие в результате первичного фотохимического процесса. Активные частицы, образующихся в первичных фотохимических процессах, особенно свободные радикалы, могут реагировать с другими молекулами в своем непосредственном окружении, например, с молекулами кислорода или воды. Эти реакции называются «темновыми», а вещества, которые мы обнаруживаем при завершении фотохимических процессов, образуются в результате этих дополнительных изменений.

Чтобы произошла фотохимическая деструкция молекулы ксенобиотика, она должна поглощать солнечное излучение. Поэтому способность вещества перемещаться в атмосфере или оставаться на поверхности определяет степень его деструкции в фотохимических процессах. Ксенобиотики, легко проникающие в глубь почвы, недоступны для фотохимического разрушения.

Степень деструкции ксенобиотика в фотохимических процессах зависит от его свойств. Вещество должно поглощать электромагнитное излучение в доступном интервале длин волн и, кроме того, обладать потенциальной способностью к химическому изменению, т. е. иметь реагирующие на воздействие излучения связи, которые при соответствующих уровнях энергии могут перестраиваться или разрываться.

Окислительно-восстановительные превращения. Многие неорганические и органические вещества могут принимать (восстанавливаться) или отдавать электроны (окисляться). Важное значение приобретают превращение ксенобиотика, т.к :

- окисленные и восстановленные формы данного ксенобиотика могут существенно различаться по биологическим и экологическим свойствам;

- существуют довольно значительные вариации в окислительных или восстановительных условиях в окружающей среде, что влияет на трансформацию ксенобиотиков.

О-В способность окружающей среды характеризуется величиной р?, она позволяет установить, в какой форме в данной среде может существовать ксенобиотик.

р? = - lg [е^-],

где р? - показатель активности электрона, указывающий на способность среды отдавать или принимать электроны; рН - показатель активности протона - lg[Н⁺], т. е. высокий рН соответствует низкой активности Н⁺, низкий рН - высокой активности Н⁺.

Другой пример: азот (в зависимости от окислительно-восстановительной способности, присущей природным водам) может существовать в различной степени окисления.

Уровень содержания нитратов в некоторых поверхностных водах, поступающих из сельскохозяйственных угодий или животноводческих ферм, может создать серьезную экологическую проблему. Нитраты содержат азот в самой высокой степени окисления и образуются при высоких значениях р? (показатель активности электрона). Являясь сами по себе токсичными, нитраты в ряде случаев способны восстанавливаться до нитритов. Присутствие последних опасно для здоровья людей вследствие их специфического сродства к гемоглобину. Еще более опасна способность нитритов образовывать нитрозоамины, которые являются канцерогенами. Нитриты далее могут восстанавливаться до аммиака, который, вероятно, при природных значениях рН существует в виде ионов аммония. При низких значениях р? азот существует в виде ионов аммония, а в промежуточной области значений р? - в форме нитритов. Подобный анализ органических систем невозможен, но, тем не менее, при определении поведения органических веществ следует также учитывать ОВ характеристики среды.

Окисление ксенобиотиков может происходить в водной среде за счет растворенного в воде кислорода посредством перекиси водорода, которая выделяется в воду некоторыми гидробионтами, и окислением с участием свободных радикалов. Токсичность продуктов окисления ряда ксенобиотиков (пестицидов) выше, чем токсичность исходных веществ. Такова ситуация при окислении гептахлора, альдрина, фосфамида.

Гидролиз. Реакции гидролиза обусловлены способностью вещества вступать в реакции с водой. В этих реакциях необходимо учитывать распределение электронов в молекуле, особенно если это связано с появлением в ней зарядов.

Способность вещества реагировать в воде с ионами водорода или гидроксила в большей степени определяется распределением заряда в его молекуле. При оценке способности вещества вступать в реакции гидролиза необходимо учитывать влияние рН.

Большинство химических реакций включает отталкивание или притяжение электронов, и наиболее сильными атакующими группами в молекуле являются те, которые способны принимать электроны от атакуемой молекулы или отдавать ей их. Водородные ионы и другие группы с дефицитом электронов называются электрофильными. Они особенно сильно притягиваются к атому с небольшим отрицательным зарядом, к свободной электронной паре или электронам двойной связи. Вещества с избытком не связывающихся электронов являются нуклеофилами. Наиболее изучены по сравнению с другими реакции гидролиза эфиров. Эфиры могут гидролизоваться тремя различными способами: либо путем катализа кислотой, либо основанием, либо в результате непосредственного взаимодействия молекулы воды с эфиром в нейтральной среде.

Гидролизу подвержены многие соединения, например эфиры карбоновых кислот (R'COOR + H₂O > R'COOH + ROH), амиды карбоновых кислот (R-C-NHR' + H₂O > RCOOH + R'NH₂) и др. При гидролизе амидов образуются карбоновая кислота и амин.

С другой стороны, замещение гидроксильных групп у фосфорорганических соединений (фосфорной кислоты) азотсодержащими заместителями или галогенами, а также замещение кислорода серой приводят к образованию разнообразных соединений.

Многие галогензамещенные соединения также чувствительны к гидролизу, так как различия в электроотрицательности атомов галогена и углерода обусловливают необходимость разделения заряда.

Обезвреживание чужеродных веществ в многоклеточных организмах - конъюгация этих веществ с различными органическими молекулами.

В организме животных биологический смысл конъюгации - чтобы придать ксенобиотикам повышенную водорастворимость и вывести их в виде водорастворимых конъюгатов. Однако с биогеоценотической точки зрения проблема все равно остается, поскольку ксенобиотик (в форме конъюгата) попадает в почву или в воду и продолжает циркулировать в биогеоценозе.

Продукты конденсации некоторых пестицидов (или их метаболитов) с веществами растений разлагаются медленнее, чем исходные вещества. Такова, например, ситуация, возникающая при конъюгации некоторых фосфорорганических пестицидов (винфос) с веществами растительной клетки. Одним из типов конъюгирования ксенобиотиков может считаться их алкилирование. Для дальнейшей судьбы ксенобиотика в организме и биогеоценозе очень важно, что при алкилировании может существенно изменяться водо- и жирорастворимость (липофильность) данного соединения, а последнее свойство вещества определяет его переходы из гидрофильной среды в гидрофобную и обратно. Эти переходы определяют прохождение ксенобиотика через гидрофобный слой мембран, окружающий живые клетки, и последующие его воздействия. Кроме того, именно гидрофобность ряда ксенобиотиков (в т. ч. многих хлорорганических соединений) обусловливает их повышенную способность к биоаккумулированию.

Еще один аспект важности перехода ксенобиотиков из гидрофильной среды в гидрофобную (и обратно) состоит в том, что при этом изменяется доступность молекулы для ферментов. Подавляющее большинство ферментов действует в водной среде. Переход молекулы ксенобиотика из водной среды в гидрофобную означает уменьшение их доступности для ферментов, а следовательно, снижается вероятность их биотрансформации и детоксикации.

Адсорбция ксенобиотиков на частицах. Доступность ксенобиотика для ферментов снижается также в результате - сорбции молекул на частицах биологического или абиотического происхождения. Процессы сорбции-десорбции ксенобиотиков нередко определяют их устойчивость и взаимосвязаны с переносом в биосфере на большие расстояния.

Из многочисленных примеров можно привести следующие. Многие пестициды в почве гидролизуются с образованием соединений, которые адсорбируются на частицах почвы, связываются с гумусом и благодаря этому сохраняются длительное время, т. е. возрастает устойчивость этих токсикантов. В адсорбированном состоянии они не разлагаются фотохимически и не гидролизуются водой. По мере разрушения гумуса грибами (что является ферментативным процессом) ранее связанные молекулы пестицида освобождаются и могут проявить свое токсическое действие на организмы данной экосистемы. При этом, подобные пестициды в чисто химическом эксперименте (в водном растворе без почвы) малоустойчивы.

Именно условия реальных биогеоценозов вносят ощутимые поправки в поведение и экологическое значение данного вещества, которые нелегко предсказать исходя только из стандартного набора его физико-химических свойств.

Переходы веществ из одной среды в другую. Изменения физико-химических свойств веществ в результате модификации структуры их молекул, сорбция ксенобиотиков на частицах и др. оказываются существенными при переходе веществ (и продуктов их превращений) из одного блока биогеоценоза в другой. Таковы переходы ксенобиотиков из воды в воздух и обратно, из организмов в воду и обратно, из почвы в воду и т. д.Ксенобиотики переносятся воздушными массами и выпадают в виде пыли, с атмосферными осадками в значительных количествах. Так, ксенобиотик может переноситься из Южного в Северное полушарие и загрязнять среду даже в тех странах, где его применение полностью запрещено.

Итак, высокая способность ксенобиотиков и их метаболитов переходить из одного блока экосистемы (почвы или воды) в другие (воздух, биота) порождает экологические проблемы.

Однако не менее серьезные проблемы возникают и вследствие затрудненности перехода подобного типа. Например, переход ртути из почвы в воду происходит медл.). Попавшая в водоемы ртуть далеко не безвредна: она метилируется и накапливается в гидробионтах. Поэтому возникает огромное запаздывание в миграции ртути по биосфере, которое затрудняет борьбу с ртутным загрязнением.

26. Понятие о токсическом действии ксенобиотиков. Приемы классификации

Негативное действие ксенобиотика на организм человека, животного или растения может осуществляться путем непосредственного влияния и в результате поступления его по пищевым цепям вследствие биоконцентрации. Многие из ксенобиотиков и поллютантов являются сильнодействующими ядовитыми веществами.

Яды - это химические вещества экзогенного происхождения (синтетические и природные), которые после проникновения в организм вызывают структурные и функциональные изменения, сопровождающиеся развитием характерных патологических состояний.

Яды и токсины - это, как правило, вещества высочайшей биологической активности и исключительной селективности, вызывающие отравления, поэтому тест на токсичность является обязательным для пищевых продуктов, кормов, всех лекарственных препаратов, косметических и парфюмерных средств, пестицидов и т. д. В организме любой ксенобиотик обладает той или иной мерой токсичности.

...