Биологическое действие ксенобиотиков

Многие яды в минимальных дозах широко применяются в медицине. Наиболее известным примером являются алкалоиды (стрихнин, тубокурарин, морфин и др.), антибиотики, стероидные глюкозиды, змеиный, пчелиный яды и т. п.

В зависимости от источника происхождения и практического применения токсические вещества (яды) подразделяют на следующие группы:

1. Промышленные яды, к которым относятся органические растворители (дихлорэтан, тетрахлорметан, ацетон и др.); вещества, применяемые в качестве топлива (метан, пропан, бутан); красители (анилин и его производные; фреоны); химические реагенты, полупродукты органического синтеза и др. 2. Химические удобрения и средства защиты растений, в том числе пестициды. 3. Лекарственные средства и полупродукты фармацевтической промышленности. 4. Бытовые химикаты, используемые в качестве инсектицидов, красителей, лаков, парфюмерно-косметических средств, пищевых добавок, антиоксидантов. 5. Растительные и животные яды. 6. Боевые отравляющие вещества.

В зависимости от преимущественного поражения соответствующих органов и тканей человека яды подразделяют на следующие категории:

1. Сердечные яды, характеризующиеся кардиотоксическим действием и вызывающие нарушение ритма и проводимости миокарда

2. Нервные яды, которые обладают нейротоксическим действием, проявляющимся в нарушении психической активности с переходом в токсическую кому: угарный газ, алкоголь, сероуглерод, некоторые лекарственные препараты).

3. Печеночные яды - соединения, приводящие к токсической гепатопатии (спирты,фенолы,тяж.мет.).

4. Почечные яды, вызывает нефропатологические проявления (соединения тяж.мет, этиленгликоль).

5. Кровяные (гемические) яды - вещества, обладают гематоксическим воздействием и вызывающие метгемоглобинемию, гемолиз, анемию (бензол, анилин и его производные, нитриты, мышьяк.

6. Желудочно-кишечные яды, приводящие к токсическо. гастроэнтерита (конц. кислоты и щелочи, соединения мышьяка и тяжелых металлов).

7. Легочные яды, приводит к пульманотоксическим эффектам в виде отека и (или) последующего фиброза легких (паракват, оксиды азота, фосген и др.).

В качестве основных поражаемых ксенобиотиками органов и систем выделяют следующие: органы дыхания, систему крови, гепатобилиарную систему (развитие острого токсического гепатита), иммунную систему (развитие токсико-аллергических повреждений), выделительную систему (развитие токсических нефропатий), нервную систему (токсической комы, токсических психозов, церебральные синдромы), кожу (химические ожоги, изъязвления, аллергические дерматиты).

Токсичность - мера несовместимости вещества с жизнью, величина, обратная абсолютному значению среднесмертельной дозы (1/LД₅₀) или концентрации 1/LС₅₀.

Опасность чужеродного вещества - вероятность появления вредных для здоровья эффектов в реальных условиях их производства и применения.

Вредные вещества, с которыми контактирует человек, подразделяют на четыре класса опасности:

I - чрезвычайно опасные (токсичные),II - высокоопасные (токсичные), III - умеренно опасные (токсичные), IV - малоопасные (токсичные).

Часто для характеристики токсичности используют величины LС₅₀ или LД₅₀ - это концентрация или доза вещества, вызывающая половинное подавление регистрируемой реакции (например, гибель 50 % организмов). Подразделения на классы опасности и токсичности обусловлены как величинами LД₅₀ или LС₅₀, так и путями их поступления (внутрь, ингаляционно, на кожу), а также временем их воздействия.

Устойчивость живых систем к вредным воздействиям ксенобиотиков определяется не только интенсивностью влияния химического фактора (доза или концентрация, длительность воздействия), но способностью токсикантов к разрушению в окружающей среде и возможностью превращений в живых организмах (биотрансформация).

Также, влияние ксенобиотика на объект можно охарактеризовать проявлением его биологического действия, для системы классификации наблюдаемых явлений, используют различные критерии:

1. Тип биологического действия на мишень (мембранотропные вещества, разобщители дыхания, ингибиторы биосинтеза ДНК, РНК и др.).

2. Принцип LD₅₀ или LС₅₀ может быть распространен на любую классификацию и не обязательно связан с гибелью организма. Можно говорить в этой связи о дозе (концентрации) ксенобиотика, вдвое снижающей любую тест-реакцию (скорость биосинтеза белка, мембранный потенциал и т. д.).

3. По видам токсичности и опасности (эмбриональная, мутагенная, канцерогенная). При классификации по видам опасного действия необходимо учитывать период действия и срок проявления эффекта (кратковременные, длительные).

4. По избирательности действия ксенобиотиков: вещества могут быть токсичными по отношению к разным организмам.

5. По концентрационным пределам (пороговым значениям) токсического и/или опасного действия.

6. По характеру фармакологического действия (снотворные, нейролептики, гормональные и т. д.).

В фармакологии, например, все ксенобиотики (лекарственные препараты), обладающие полезной биологической активностью, делят на четыре группы:

1. соединения, способные воздействовать на патологические процессы (лекарства против различных заболеваний, различных бактериальных, вирусных инфекциях и т. д.);

2. вещества, оказывающие влияние на нормальные процессы и структуры организма в экстремальных условиях (повышение психической и физической устойчивости - радиопротекторы, адаптогены и др.);

3. соединения для воздействия на нормальные процессы и структуры с целью профилактического уменьшения вероятности появления определенных нарушений (атимутальные и др.);

4. соединения, способные служить средствами для соматической и психической биоинженерии.

29. Реакции метаболического восстановления и гидролиза орг. ксенобиотиков. осн. типы и ферм

Реакции восстановления. Они менее обычны, чем реакции окисления. Однако если восстановленная форма соединения лучше экскретируется из организма, то закон действия масс может сдвигать редокс-реакции в сторону восстановления.

1. Некоторые из альдегидов и кетонов могут восстанавливаться в спирты под действием алкогольдегидрогеназ*. Реакция восстановления кетонов до спиртов имеет вид:

R1CO2 RCHOHR2.

Существуют редуктазы*, восстанавливающие карбонильные группы в молекулах кетонов и альдегидов. Некоторые из них по химической природе являются оксиредуктазами, которые окисляют спирты.

2. Восстановление нитро- и азогрупп. Целый ряд ароматических нитросоединений, например нитробензол, паранитробензойная кислота и хлорамфеникол, восстанавливаются в соответствующие амины нитроредуктазой*, находящейся в микросомальной и растворимой фракциях печени и почек:

Возможно образование продуктов, содержащих также гидроксиамино- или нитрозогруппы. Образование нитрозосоединений представляет большую опасность для биосферы, так как может появляться вещество, которое обладает сильным мутагенным и/или канцерогенным действием.

Восстановление субстратов ферментами может протекать, во-первых, через такие промежуточные соединения, как нитрозосоединения и гидроксиламин

C6H5 -NO2 C6H5-N=O C6H5NHOH C6H5NH2.

Во-вторых, через анионные радикалы. Последний путь характерен для микросомных нитроредуктаз*.

Восстановление азосоединений катализируется азоредуктазами*. В одном случае в процессе принимают участие НАДФН-цитохром с редуктазой, в другом - цитохром Р-450. НАДФН-цитохром с редуктазой передает электроны на субстрат через флавины, которые полностью или частично восстановлены цитохромом с. Восстановление азосоединений с участием цитохрома Р-450 включает также образование свободных радикалов.

Микросомальная азоредуктаза*, в отличие от нитроредуктазы*, сохраняет большую часть своей активности при аэробных условиях.

3. Восстановление N-оксидов. Процесс катализируется N-оксиредуктазами*, которые обнаружены в микросомной и растворимой фракциях клеток, а также в митохондриях. Активность микросомной N-оксиредуктазы ингибируется монооксидом углерода, октиламином и кислородом. При внесении в инкубационную среду субстрата восстановления (N-оксиды тирамида) его связывание происходит с восстановленной формой цитохрома Р-450.

Ксантиоксидаза* также восстанавливает оксиды. Реакция ингибируется цианидом и частично кислородом.

4. Немикросомное метаболическое восстановление:

а) восстановление дисульфидов (R - S - S - R). Они расщепляются с образованием тиолов;

б) восстановление двойных связей.

в) дегидроксилирование. Пример - восстановление замещенных катехолов с двумя ОН-группами до соответствующих замещенных монофенолов под действием гидроксилаз печени или бактерий;

г) ароматические циклы могут восстанавливаться анаэробными микроорганизмами.

Гидролиз. Сложные чужеродные вещества могут гидролизоваться рядом гидролитических ферментов (гидролаз), находящихся в печени и плазме крови. Установлено, что некоторые из них находятся в микросомальной фракции печени.

1. Гидролиз эфиров карбоновых кислот. Наиболее распространены в живых организмах ферменты, катализирующие гидролиз эфиров карбоновых кислот (эстеразы*). Их классифицируют по группам веществ, на которые они воздействуют, и по их отношению к ингибиторам:

а) арилэстеразы* гидролизуют ароматические эфиры;

б) карбоксилэстеразы* гидролизуют преимущественно алифатические эфиры; участвуют в метаболизме многочисленных фосфорорганических инсектицидов;

в) холинэстергидролазы* действуют наиболее эффективно на эфиры холина;

г) ацетилэстеразы* подобны ферментам, указанным в первой группе, однако они по-другому реагируют на воздействие ингибиторов.

Эфиры карбоновых кислот гидролизуются в организме как животных, так и человека. Гидролиз эфирной связи - начальный этап микробиологической деградации многих пестицидов.

2. Гидролиз амидов (NH-), гидразидов (NH2-NH-) и нитрилов (N---CH). Эти реакции происходят в дополнение к другим реакциям биотрансформации.

Гидролиз амидной связи описан при изучении микробиологической деградации фениламидных пестицидов и происходит с участием амидаз*. Многие из изученных амидаз являются внеклеточными гидролазами. Гидролиз амидов происходит с меньшей скоростью, чем эфиров карбоновых кислот.

3. Фосфорорганические вещества гидролизуются с помощью ферментов, атакующих эфирные связи или действующих на ангидриды кислот (соединения, состоящие из двух кислотных остатков, соединенных через атом кислорода). К первым из изученных ферментов, расщепляющих связь с фтором, относятся фторгидролаза* (обнаружена в различных органах и тканях высших животных).

Фермент, гидролизующий связь углерод-кислород в оксирановом кольце, называется эпоксидгидратазой*; локализован фермент в ЭР клеток печени, почках, легких и кишечника.

Среди гидролитических ферментов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, особое место занимают -глюкуронидаза* и сульфатаза*. -глюкуронидаза катализирует расщепление эфирных и сложноэфирных связей в глюкуронидах и в незначительной степени - эфирные связи серной кислоты. Обнаружен фермент в микросомах и лизосомах печени, почках, селезенке, пищеварительном тракте и половых железах животных.

30. Активный транспорт

Активный транспорт веществ осуществляется за счет сопряжения электрохимических градиентов либо выполняется молекулярными машинами (АТФазами). Активный перенос происходит с затратой энергии и идет против градиента электрохимического потенциала.

Различают первичный и вторичный (или сопряженный) активный транспорт.

Первичный активный транспорт - трансмембранный векторный перенос веществ осуществляется непосредственно в ходе реакции энергетического преобразования в АТФазных системах или ОВЦ, т. е. используется энергия либо АТФ, либо энергия ОВ реакций. Он подразделяется на:

а) электрогенный активный транспорт - первичный активный перенос веществ через мембрану во время АТФазной или ОВ реакциях, сопровожд. генерацией элект.потенциала; б) электронейтральн. акт. транспорт - первичный активный перенос веществ во время АТФазной или ОВ реакциях, не сопровождающихся генерацией электрического потенциала.

Вторичный активный перенос совершается, когда в качестве энергетических источников используются градиенты электрохимических потенциалов других ионов. Например, электрохимический градиент ионов Н⁺ для сопряженного транспорта анионов, сахаров, аминокислот и других веществ в клетку (симпорт*) или, напротив, для вывода ионов Na⁺ из клетки (антипорт*).

Растворенная молекула соединяется с носителем. По одну сторону мембраны носитель в результате химической реакции, протекающей с поглощением метаболической энергии видоизменяется так, что приобретает сильное сродство к подлежащей переносу молекуле и присоединяет ее к себе (активация). Образовавшийся комплекс носителя с этой молекулой проходит через мембрану (переориентируется). Затем происх. вторая хим. реакция, в результ. которой сродство носителя к транспортируемой молекуле уменьшается; она высвобожд. и выделяется внутрь (релаксация). Цикл повторяется. Процессом, идущим с потреблением энергии, является модифицирование структуры носителя.

Наиболее широко в живых системах распространены и изучены Na⁺/K⁺-АТФаза (животные клетки и гликофиты, морские водоросли) и Н⁺-АТФаза, которые могут работать в режиме переноса Н⁺ и Н⁺/К⁺ обмена на плазматических мембранах растительных клеток, митохондрий. Все Na⁺/K⁺-АТФазные системы и их препараты имеют ряд общих свойств. Так, для их активации необходим Mg²⁺; вероятно, в системе имеется два центра связывания катионов - один из них расположен внутри клетки и связывает Na⁺, а другой - снаружи и связывает К⁺; оптимум рН составляет 7,5; все эти АТФазы ингибируются различными гликозидами. В оптимальных условиях при расщеплении одной молекулы АТФ происходит перенос ионов со стехиометрией 3 Na⁺/2K⁺ (натрий наружу, калий внутрь). работа Н⁺-АТФазной помпы плазмалеммы растительных клеток.

Выход протонов из клетки сопряжен с работой Н⁺-АТФазы плазмалеммы и является активным процессом, в результате которого на мембране создается электрохимический градиент _н. Электрохимический градиент любого вещества включает электрическую и концентрационную составляющие. В случае переноса положительно заряженной частицы наружу на мембране устанавливается более высокий по абсолютной величине потенциал (внутренняя сторона заряжена отрицательно по отношению к наружной) и изменяется разность концентраций переносимого иона, в данном случае рН. Создавшаяся ситуация приводит к тому, что калий (или другой положительно заряженный катион) по градиенту электрохимического потенциала, а протон по градиенту концентрации входят в клетку. При своем движении внутрь клетки протон активирует переносчик, транспортирующий либо анион, либо аминокислоты, либо другие соединения.

Вторичный активный транспорт приводится в действие за счет энергии, запасенной в градиентах веществ, а не путем прямого гидролиза АТФ. Все они работают как котранспортные системы: одни функционируют по принципу симпорта, а другие - по принципу антипорта. В животных клетках котранспортируемым ионом обычно оказывается Na⁺ (активный транспорт некоторых сахаров и АК внутрь животных клеток обусловливается градиентом Na⁺ через ПМ). Всасывание глюкозы в клетки кишечника и почек достигается с помощью системы симпорта, в которой глюкоза и ионы Na⁺ связываются с различными участками на белке-переносчике глюкозы; Na⁺ стремится войти в клетку по своему электрохимическому градиенту и активирует переносчик, перемещающий глюкозу внутрь. Чем выше градиент Na⁺, тем больше скорость всасывания глюкозы. Наоборот, если концентрация Na⁺ во внеклеточной среде заметно уменьшается, транспорт глюкозы останавливается. Ионы Na⁺, проникающие в клетку вместе с глюкозой, выкачиваются обратно Na⁺/К⁺-АТФазой, поддерживающей градиент концентрации Na⁺.

Благодаря вторичным механизмам клетки получают большие преимущества, если в качестве источника энергии могут использовать градиент электрохимического потенциала ионов. Однако при рассмотрении механизмов сопряжения потоков ионов и неэлектролитов (нейтральных молекул) необходимо помнить, что если выделяемые из клетки ионы (Н⁺ или Na⁺) способствуют транспорту углеводов, аминокислот, сахаров и др. веществ, то для каждой такой системы требуется отдельный переносчик, узнающий специфический субстрат.

В переносе веществ через мембраны принимают участие редокс-цепи мембран, т. е. окислительно-восстановительные реакции (например, ОВ дыхательной цепи). Исходным звеном РЦ выступают восстановленные пиридиннуклеотиды, а конечным акцептором электронов является О₂ (по данному механизму транспортируются как галактоза, арабиноза, глюкоза-6-фосфат, глюконат и глюкуронат, большинство природных аминокислот).

В теории транспорта с участием ОВ систем имеются свои проблемы: окисление разных транспортируемых веществ должно идти разными путями. С другой стороны, многие факты можно объяснить в рамках другого механизма (например, протон-движущей силы).

31. Адсорбция

Многие ксенобиотики действуют непосредственно на поверхность клетки, адсорбируясь на клеточной поверхности (мембране). Адсорбирующая поверхность в клетке может на несколько порядков превышать объем. Белки и крупные молекулы в растворе находятся в коллоидном состоянии и обеспечивают огромную поверхность для адсорбции. Так, например, площадь поверхности белков, содержащихся в 1 см³ сыворотки крови человека, составляет 100 м². С другой стороны, физико-химические характеристики веществ после их адсорбции на мономолекулярной пленке отличаются от их свойств в растворе, что имеет большую биологическую значимость. Когда говорят об адсорбции какого-либо вещества, подразумевают, что оно обратимо концентрируется на поверхности. Адсорбция определяется суммой всех химических связей, образующихся между молекулами или молекулами с поверхностью. Процесс адсорбции обусловлен теми же типами связей (в особенности ван-дер-ваальсовыми, водородными и ионными), что и химические реакции, происходящие во всем объеме вещества. Поверхность обладает двумя особенностями: во-первых, на поверхности создается 100 % концентрация вещества. Поскольку адсорбируемое вещество обладает ничтожной растворимостью, то при такой его концентрации вероятность химического взаимодействия значительно возрастает. Во-вторых, поверхность содержит ненасыщенные валентности, которые в твердом веществе затрачиваются на связывание друг с другом составляющих его атомов.

На молекулу, которая адсорбируется из раствора на поверхности, действуют силы, стремящиеся возвратить ее в раствор. Мерой способности вещества возвращаться в среду является его растворимость, которую можно рассматривать как меру способности данного вещества десорбироваться.

Адсорбцию на поверхности подразделяют на неспецифическую и специфическую. Неспецифическая - вещества амфифильной природы, имеющие концевую гидрофильную группу, связанную с относительно большим гидрофобным остатком. Такие вещества занимают любую доступную им поверхность независимо от химической природы и физических свойств. В сосуде, содержащем мыльный раствор, мыло накапливается не только на поверхности раздела воздух-вода, но и на поверхности стекло-вода. Более того, мыло адсорбируется на любых предметах, погруженных в мыльный раствор. Это пример типичной неспецифической адсорбции, при которой нейтральные молекулы адсорбируются сильнее, чем ионы. Это происходит потому, что ион гидратируется сильнее, чем соответствующие неионизированные молекулы, и поэтому последние легче вытесняются из воды. Специфическая - гидрофобные вещества, которые стремятся разместиться на поверхности, имеющей химически комплементарный характер (пример - притяжение аниона к положительно заряженному участку поверхности, а катиона - к отрицательно заряженному). В таких случаях ион будет адсорбироваться сильнее, чем неионизированная молекула. Если при адсорбции не происходит образования ковалентных связей, то это обратимый процесс, и положение его равновесия устанавливается в соответствии с законом действующих масс. При выводе соотношения были сделаны следующие предположения: энергия адсорбции постоянна и не зависит от степени заполнения поверхности; адсорбция происходит на локальных центрах, и адсорбированные молекулы между собой не взаимодействуют; максимальная возможная адсорбция соответствует полному заполнению монослоя.

Число молей вещества Г, адсорбированного на поверхности, выражается в виде функции равновесной концентрации вещества С в растворе.

С

Г = Г_max ------ , (4.1)

К_сд + С

где К_сд - константна сорбции-десорбции; Г_max - число молей растворенного вещества, адсорбированного на поверхности адсорбента с образованием полностью заполненного монослоя; С - концентрация ксенобиотика в растворе.

Это уравнение показывает, что адсорбент насыщается при высоких значениях С, т. е. при образовании монослоя. Это так называемая изотерма адсорбции. При адсорбции различных агентов часто наблюдается

такое явление, когда биологический эффект от каждого последующего удвоения становится все менее ощутимым, при этом кривая эффекта от дозы также представляет собой гиперболу. Известно несколько типов кривых, характеризующих процесс сорбции: 1. L-кривые, нормальные изотермы Лэнгмюра, характеризующие адсорбцию молекул, ориентированных на поверхности горизонтально. Чем больше вещества адсорбировано, тем более затруднена дальнейшая адсорбция. 2. S-кривые, соответствующие вертикальной ориентации молекул относительно поверхности. На этапе, который характеризуется начальным участком сигмоидной кривой, чем больше вещества уже адсорбировано, тем легче происходит дальнейшая адсорбция. Этот эффект получил название кооперативного.3. Н-кривые, характеризующие случаи с высокой степенью сродства; на этих кривых начальные значения концентраций адсорбированного вещества очень велики; такие кривые часто получаются, если вещество адсорбируется в виде мицелл, а также при адсорбции ионов, имеющих высокую степень сродства и способных обмениваться с ионами, обладающими малой степенью сродства. Выделяют еще С-кривые, соответствующие линейной зависимости между константами распределения в тех случаях, когда вещество проникает в адсорбент легче, чем растворитель.

32. Экологическая и токсикологическая характеристика оксидов азота, серы и фторсодержащих углеводородов

Немалую опасность представляет также и попадание в атмосферу окислов азота и серы, образующихся при сжигании ископаемого топлива. Количество выбросов окислов азота вместе с аммиаком оценено приблизительно в 200-350 млн т в год. Часть присутствующих в атмосфере оксидов (NO, SO) и диоксидов (N02, S02) азота и серы образуются в ходе естественно протекающих природных процессов - вулканических извержений, разрядов атмосферного электричества, жизнедеятельности микроорганизмов.

Из ежегодно накапливающихся в биосфере оксидов азота на долю природных процессов приходится 1100 млн т этих соединений, антропогенная часть составляет еще около 53 млн т. Следует помнить об образовании оксидов азота внутри помещений, накапливающихся в результате эксплуатации бытовых газовых приборов. Немалый вклад в их накопление вносит и курение. Основную токсикологическую опасность из окислов азота представляют диоксиды азота. В концентрации 100 мкг/м3 диоксид не вызывает каких-либо морфологических изменений в органах дыхания у крыс. Однако повышение концентрации диоксида азота до 600 мг/м3 в организме животных приводит к развитию бронхита и начальным проявлениям пневмосклероза. Длительное воздействие диоксида азота вызывает целый спектр изменений физиологических систем организма животных (нарушение рефлекторной деятельности, гематологические изменения и т. д.). Диоксид азота в концентрациях 40-140 мг/м3 при экспозиции не более часа может вызывать развитие бронхита и бронхопневмонии. Наиболее опасное проявление острого отравления оксидами азота - отек легких. Убедительных данных о канцерогенности, мутагенности и тератогенности оксидов азота в настоящее время не имеется.

По существующим данным, ежегодно в результате деятельности человека вырабатывается около 150 млн т серы, преимущественно в результате утилизации ис-копаемого топлива. При выплавке меди, свинца и цинка количество образующегося диоксида серы достигает 15 млн т. Определенное количество выброшенных в атмосферу окислов азота и серы удаляется в результате сорбции почвой, растительным покро-вом, водой и кислотных дождей. Последние снижают интенсивность фотосинтеза, вызывают гибель наземных растительных сообществ, подкисление водоемов и связанную с ним гибель гидробионтов. Воздействие оксидов серы на дыхательные пути приводит к увеличению респираторных заболеваний у населения, ослабляет иммунную защиту у людей и животных и т. д.

При накоплении в атмосфере фторсодержащих углеводородов уменьшается содержание озона. Общие выбросы углеводородов в атмосферу составляют не менее 200 млн т в год; особенно опасны для живых организмов, объединенных общей областью распространения (биоты), полициклические ароматические углеводороды, в частности бенз(а)пирен, образующиеся при сгорании различных видов топлива и других высокотемпературных процессах и вызывающие мутагенные и канцерогенные эффекты.

33. Экологическая и токсикологическая характеристика тяжелых металлов

1,5-2 тыс. т ртути ежегодно поступает в биосферу при переработке минералов и руд, 0,1-8 тыс. т - при сжигании топлива; ежегодно в биосферу при сжигании угля попадает около 3,5 тыс. т свинца, 56 тыс. т - в результате выветривания и 110 тыс. т выносят реки. Степень токсичности тяжелых металлов для человека и животных, а также для растений неодинакова и колеблется в весьма широких пределах. Так, цинк, титан характеризуются низкой токсичностью для человека и теплокровных животных, но даже в низких концентрациях они оказывают губительное действие на рыб и других обитателей водных экосистем. Наиболее часто металлы, в том числе и высокотоксичные, попадают в окружающую среду в результате промышленных сбросов в водоемы со сточными водами, не прошедшими эффективной очистки, а также использование пестицидов, в состав которых они входят. Для повреждения механизмов природного самоочищения водоемов бывает достаточным даже кратковременное повышение концентрации металлов в водной экосистеме, что весьма существенно при организации мониторинга тяжелых металлов в сточных водах.

Весьма важным является фактор длительности воздействия кадмия на организм человека и животных в связи с его способностью накапливаться в печени, почках, поджелудочной ж. и щитовидке. Кадмий характеризуется выраженной нефротоксичностью при попадании в организм с питьевой водой. Высокой чувствительностью к действию кадмия характеризуются водные организмы. Так, пребывание рыб (гуппи, карп, карась и др.) на протяжении суток в воде с содержанием Cd2+ 0,001-0,3 мг/л приводит к их гибели.

Ежегодно в земную атмосферу выбрасывается около миллиона тонн свинца, значительная часть которых водорастворима, что обусловливает экологическую опасность. Основной источник - этилированный бензин. Токсикологическая опасность свинца усугубляется его активным всасыванием в пищеварительном тракте человека и животных, значительным объемом распределения в тканях и накоплением в костях. Депонированный в костях свинец способен поступать в кровь, с током которой доставляется в различные органы. В наибольшей степени опасному воздействию свинца подвергаются рабочие, занятые на его добыче в шахтах, а также при выплавке. В этом случае металл поступает в организм ингаляционным путем. Примерно 35 % свинца, попавшего в дыхательные пути человека, оседает в легких. Около 10 % свинца, поступившего с продуктами питания в пищеварительный тракт, всасывается. Выведение свинца из организма человека осуществляется преимущественно (более 70 %) почками и в меньшей мере через пищеварительный тракт (~ 10 %). Определенную роль в накоплении свинца в экосистемах играют растения, получающие металл не только из атмосферы, но и из почвы. Свинец обнаружен в листьях салата и бобов, но практически отсутствует в томатах, кочанной капусте, картофеле и моркови. Свинцовая интоксикация вызывает нарушение биосинтеза гемоглобина на уровне ингибирования левулинатдегидратазы и гемсинтетазы. Имеются сведения о нарушении синтеза цитохрома Р-450 при свинцовой интоксикации. Главной мишенью воздействия свинца при хронических отравлениях являются центральная и периферическая нервные системы (свинцовая энцелопатия: появление головной боли, нарушение сна, памяти, возникновение тремора, галлюцинаций и т. д.). Для различных вариантов отравления свинцом характерно поражение почек, пищеварительного тракта.

Ртуть и ее соединения относятся к веществам общетоксического действия, вызывающим у людей летальный исход, попадая в организм с питьевой водой в количестве 75-300 мг в сутки. Наиболее токсична двухлористая ртуть (сулема), однократная летальная доза которой составляет для человека 0,2-0,5 г. Ртуть характеризуется высокой нефротоксичностью, приводящей к быстро развивающейся почечной недос-таточности. Выведение ртути осуществляется почками, через пищеварительный тракт, потовыми и молочными железами. Начиная с концентрации 0,006-0,01 мг/л ртуть в виде водорастворимых солей оказывает губительное влияние на рыб и другие водные организмы. При отравлениях ртутью, особенно ее органическими соединениями, отчетливо выражены симптомы поражений нервной системы (параличи, нарушения зрения и слуха).

34. Экологическая и токсикологическая характеристика пестицидов, удобрений и биогенных элементов

Удобрения и биогенные элементы Общее потребление минеральных удобрений (N + Р205 + К20) составляет около 100 млн т в год. Содержание в воде нитратов и нитритов варьирует от 0 до 200 мг/л. Особую тревогу вызывает применение азотных удобрений, поскольку повышенное содержание нитратов и нитритов в питьевой воде, в овощах, зеленых кормах для человека и животных представляет токсикологическую опасность. Вместе с некоторыми удобрениями в почву попадают и побочные загрязняющие элементы (например, фтор, кадмий). Загрязнение почвы биогенами (фосфор, азот) происходит не только при внесении избыточного количества удобрений, но и другими путями (фекальные отходы животноводства, коммунально-бытовые загрязнения и т. д.). Только в США ежегодное поступление биогенов в водоемы составляет: азота - около 5 млн т, фосфора - примерно 250 тыс. т. Все это приводит к эвтрофикации внутренних водоемов, а также прибрежных участков океана. Ежедневное потребление нитратов на душу населения в США оценивается примерно в 400 мг: 200 мг с овощами, 115 мг с мясными продуктами и 85 мг с водой.

Пестициды. Среди ксенобиотиков особое место занимают средства защиты сельскохозяйственных растений от сорняков, насекомых, грибов. Живые организмы начинают испытывать на себе огромный «пестицидный пресс». Сформировался «пестицидный парадокс». Кроме того, попадание большого количества пестицидов и других ксенобиотиков в водоемы приводит к деградации водных экосистем и быстрому уменьшению ресурсов чистой воды. Требуется совершенствование их синтеза, разработка менее опасных, но более эффективных средств защиты. Использованию промышленных и поиску новых достаточно безопасных пестицидов должно способствовать изучение их поведения в биосфере. Наиболее широко распространены два класса пестицидов - фосфорорганические (ФОП) и хлорорганические (ХОП) пестициды.

ФОП - потенциальные источники достаточно тяжелых отравлений людей. Бытовые отравления хлорофосом* характеризуются высокой степенью летальности (20-30 %). В основе токсического действия ФОП лежит их взаимодействие с холинэстеразой (ХЭ), ведущее к торможению ее активности. Ингибирование ХЭ с последующим быстроразвивающимся нарушением метаболизма ацетилхолина дает основание рассматривать ФОП как синаптические яды, подавляющие передачу нервного импульса в холинреактивных системах.

ФОП оказывают повреждающее действие на мембрану, а именно снижают скорость АТФ-зависимого транспорта Са2+ в микросомах печени крыс; стимулируют перикисное окисление липидов биологических мембран, приводящее к нарушению их функционального состояния. Пути поступления ФОП в организм человека и животных - через желудочно-кишечный тракт, кожу и ингаляционным путем. Быстрая деградабельность ФОП в почве. Доказана возможность появления ФОП в моркови, рапсе, луке при их использовании в качестве инсектицидов. Перемещение в растения является не единственным путем миграции ФОП в почве. ФОП достаточно быстро мигрирует по профилю почвы, где происходит достаточно интенсивная деградация (в отличие от хлорированных пестицидов). При попадании ФОП в водоемы их деградация идет преимущественно по гидролитическому пути.

ХОП достаточно давно стали применяться в качестве пестицидов; классическим представителем этой группы является дихлордифенилтрихлорэтан (ДЦТ). Высокая устойчивость, низкая растворимость в воде, выраженная липофильность - КС является одним из основных загрязнителей среды. Для ХОП характерна высокая кумулятивная способность. Токсичность для человека высока. Так, эндрин вызывает у людей судороги при попадании внутрь в дозе около 2 мг/кг, ДЦТ вызывает аналогичный эффект в дозе 16 мг/кг, минимальная летальная доза токсофена - 2-7 г. Сохранность ХОП в почве определяется (кислотность, структура, степень минерализации, температура, количество осадков, состав микрофлоры). Длительное пребывание ХОП в почве приводит к накоплению их в культурных растениях. У человека ХОП поражает нервную, пищеварительную, кроветворную и сердечно-сосудистую системы. Вызывают повреждения биологических мембран. Большинство ХОП стимулируют пролиферацию эндоплазматического ретикулума (ЭР) и индуцируют микросомальные оксидазы, в частности цитохром Р-450. ХОП влияют и на активность ряда ферментов.

35. Экологическая и токсикологическая характеристика: полихлорбифенилы, нефть и нефтепродукты, поверхностно-активныевещества

Нефть и нефтепродукты. Глобальное загрязнение этими веществами складывается из эмиссии в атмосферу (вследствие испарения и сгорания), загрязнений наземных экосистем и морской среды. Нефть весьма медленно разлагается в окружающей среде. На поверхности воды она разливается на большие расстояния с образованием тонкой пленки (1 т нефти образует пленку на 12 км2), что и приводит к гибели гидробионтов. Нефть и ряд нефтепродуктов весьма токсичны для живых организмов, многие ее продукты канцерогенны. (ПХБ) Промышленное использование ПХБ обусловлено их химической инертностью, негорючестью и высокой диэлектрической постоянной, что позволяет применять их в гидравлических системах, в трансформаторах, в качестве пластификаторов, в рецептурах смазочных масел и пестицидов. Загрязнение атмосферы ПХБ связано, главным образом, с утилизацией отходов, в частности при сжигании. Так, поступление ПХБ в окружающую среду (в % от год. произ-ва) колеблется от 1 % при испарении до 52 % при сжигании отходов на свалках. Также источником загрязнения окружающей среды является утечка ПХБ, которая может произойти при транспортировке, при авариях на производстве и при удалении жидких промышленных отходов. Попадая в атмосферу, ПХБ достаточно быстро сорбируются на взвешенных частицах, которые или быстро оседают, или вымываются из атмосферы с осадками. По мере повышения степени хлорирования интенсивность метаболической деградации ПХБ живыми организмами снижается. ПХБ экологически опасны в силу высокой персистентности и способности накапливаться в жировых тканях человека и животных, молоке и во всех гидрофобных средах. Серьезную экологическую опасность представляет попадание ПХБ в водоемы и грунтовые воды, преимущественно в местах выброса промышленных отходов. Попадающие в организм животных ПХБ влияют на частоту развития спонтанных пневмоний и абсцессов легких, что свидетельствует о снижении сопротивляемости к инфекции. Считают, что ПХБ действуют и на репродуктивную функцию органов. При производстве ПХБ в промышленных масштабах в 30-х гг. XX в. у рабочих отмечались отдельные случаи профессиональных заболеваний, основными проявлениями которых были угревидные высыпания на коже. Летом 1968 г. в Японии была зарегистрирована значительная группа больных, которые употребляли в пищу рисовое масло. Это масло было загрязнено ПХБ, попавшими в него из теплообменника в процессе рафинирования. Поражение, носившее характер эпидемической вспышки, получило название болезни Юшо. Первыми признаками отравления были отек век, повышенная секреция мейболиевых желез, пигментация слизистых оболочек и ногтей.

(ПАВ). Будучи амфифильными соединениями, детергенты хорошо растворимы в воде и могут эффективно переноситься с водными массами на большие расстояния. Экотоксикологическая опасность этих веществ связана с модифицирующим воздействием на биологические мембраны, в первую очередь на их транспортно-барьерные свойства; при высоких концентрациях ПАВ наблюдаются более сильные эффекты - солюбилизация мембран. Необходимо также иметь в виду, что ПАВ оказывают влияние на активность ферментов в мембране, причем при низких концентрациях в ряде случаев наблюдается активация, а при высоких - ингибирование ферментативной активности. Механизм мембранотропного действия этой группы соединений связан со способностью неполярной части молекулы встраиваться в липидные структуры мембраны.

36. Виды мембранотропных эффектов. Типы мембранотропности

Говоря о мембранотропном действии какого-либо вещества, имеют в виду прямую или косвенную (опосредованную) модификацию мембранных структур, вызываемую соответствующими соединениями, и наступающие в результате этого изменения свойств биологической мембраны, прежде всего транспортных характеристик. Часто при обсуждении биологической активности химических соединений используется термин «специфическое» или «неспецифическое» действие. Смысл, вкладываемый в это определение различными исследователями, неодинаков. Ясно, что все мыслимые химические соединения можно подразделить на присущие данному организму эн-догенные продукты (а также имитирующие их в функциональном смысле соединения) и на «посторонние» по своей химической природе вещества. Такая классификация не предполагает, очевидно, существования вполне четкой границы между двумя группами веществ. Отнесение каждого вещества к той или иной группе основано в этом случае на «функциональной» аналогии, а не на сходстве структуры молекул эндогенного соединения и аналога, часто далеко не очевидном (белковые нейротоксины змеиного яда - аналоги ацетилхолина, CN - аналог 02 и т. д.). Соединения, вызывающие изменение каких-либо характеристик биологических мембран, можно разделить на вещества прямого мембранотропного действия и агенты, действующие опосредованно через вмешательство в цитоплазматический метаболизм или иным косвенным путем. Только немногие соединения действуют строго избирательно лишь на один «чувствительный» центр связывания; но если даже это и имеет место, то наступающая за этим реакция мембраны почти всегда носит сложный характер, обнаруживая сдвиги, характерные для различных типов мембранотропных эффектов по любой принятой классификации. Схематически выделяют следующие типы мембранотропности ксенобиотиков. Во-первых, мембранная рецепция. Она может считаться доказанной, если установлено, что вещество не проникает внутрь клетки, избирательно накапливается в мембранах или специфически связывается, а также если эффекты отсутствуют в бесклеточных системах, по крайней мере в таких, которые не содержат мембранной фракции. Во всех этих случаях можно говорить о прямой (непосредственной) мембранотропности. Во-вторых, стимуляция или угнетение биосинтетических процессов, протекающих в мембранах. Под этим подразумевается изменение активности мембранных ферментов, скорости синтеза мембранных белков, липидов и т. д. Первичность или опосредованность эффекта оценивается в каждом случае отдельно. В-третьих, изменения под влиянием ксенобиотиков барьерно-транспортных свойств мембраны. Мембранотропность такого рода может быть прямой и опосредованной.

В-четвертых, функциональное взаимодействие с веществами, действие которых на уровне мембран можно считать установленным. При рассмотрении всякого экзогенного влияния ксенобиотика на биологический объект предполагается, что молекулы эффектора сначала связываются с некими центрами сродства на мембране, инициируя тем самым определенную реакцию клетки (организма). Соответственно такой процесс и его анализ делятся на три части: а)установление характера и локализация центров связывания; б) оценка сродства к ним эффектора;в)исследование развития реакции объекта на образование комплексов центров связывания с молекулами эффектора.

37. Описание процессов связывания молекул ксенобиотиков с активными сайтами биологических мембран в отсутствии диффузионных ограничений

Ряд ксенобиотиков вызывает биологическую реакцию, взаимодействуя с определенными местами связывания на мембране. Анализ развития мембранотропных эффектов должен опираться на совокупность модельных представлений, отражающих течение двух основных этапов: связывание молекул эффектора с некими центрами сродства (рецепторами), инициирующими процесс, и последующее развитие реакции (биологического ответа). Обычно для анализа кинетических зависимостей в токсикологии и фармакологии используются соотношения, соответствующие случаю отсутствия диффузионных ограничений, т. е. процессы диффузии полагаются быстрыми в сравнении с развитием реакции.

В простейшем случае, предполагая, что образование комплекса лиганд (ксенобиотик)/мембраноактивный центр происходит при отсутствии диффузионных ограничений со стехиометрией 1:1 и независимости мест связывания друг от друга (образование комплекса с одним из мембраноактивных центров не влияет на взаимодействие остальных активных центров с молекулами лиганда), реакция связывания лиганда А с местом связывания (рецептором) R запишется в виде: R + А > RA. где к, к' - константы скоростей прямой и обратной реакции соответст-венно.Полагая общую концентрацию мест связывания - рецепторов (за-нятых и незанятых) в данной системе, равной Q, при концентрации эффектора С, имеем следующее равенство для скорости изменения концентрации Z-комплексов лиганд-рецептор во времени в условиях избытка лиганда (С » Q):

dZ

--- = k (Q - Z)C - k'Z. (4.4)

dt

В равновесии dZ/dt = 0 и

QC

Z^равн = ----- . (4.5)

K + C

Следовательно, когда процессы диффузии оказываются быстрыми

в сравнении с развитием биологической реакции, образование ком-плексов опишется уравнением

QC

Z(t) = ------ [1 - e^{- (k'-kC) t}], (4.6)

а процесс разрушения комплексовZ(t) = Z₀e"^k.где к и к' - прямая и обратная константы скоростей образования ком-плекса Z; Q - концентрация мембраноактивных центров; С - концен-трация эффектора.

Отношение констант к'/ к = К называется константой равновесия комплекса. Она равна концентрации эффектора, вызывающей поло-винное насыщение мест связывания. В самом деле, если С = К, то, как следует из уравнения (4.5),

Z(t) = Z₀e^{-k' t}, (4.7)

Скорость образования комплексов во времени будет тем большей, чем выше концентрация эффектора (4.6). Скорость же распада от нее не зависит (4.7).Мы рассмотрели простейший случай локализации рецепторов пря-мо на поверхности мембраны. Когда же они располагаются внутри, процесс образования комплексов «рецептор-эффектор» будет разви-ваться несколько иначе. Кривая развития процесса, в отличие от при-веденного ранее случая, примет S-образную форму (рис. 4.4).

38. Модели биофазы и Хилла, их использование для описания закономерностей взаимодействия веществ с активными центрами биологических мембран

Для целей интерпретации рассматриваемых зависимостей исполь-зуется ряд подходов. Один из них - это описание на базе балансвых уравнений (так, как это принято в фармакологии и токсикологии). Вводится понятие «биофазы» - компартмента, содержащего рецепто¬ры и находящегося в контакте со средой. В этом случае можно запи¬сать систему дифференциальных уравнений, характеризующих дина¬мику перемещений эффектора в компартменты в соответствии со структурой его баланса, предполагаемой избранной моделью (рис. 4.5). В простейшем случае, рассмотренном Р.Е. Фурхготтом, биофаза находится в непосредственном контакте с компартментом, являющим-ся источником эффектора; выход эффектора из биофазы в прочие ком-партменты рассматривается как реакция первого порядка; стехиомет-рия связывания эффектора с активным центром в данном случае при-нимается равной 1:1.

dZ

---- = k₂ с (Q - Z) - k₂ґZ, (4.9)

dt

где с - концентрация эффектора в биофазе; B - предельная емкость биофазы; k_i, k_iґ - константы скоростей реакций, смысл которых ясен из рис. 4.5.

Стационарная величина количества образовавшихся комплексов окажется равной

QСB/ (B+К₁)

Z = ----------------------, (4.10)

С + (K₂ + К₂/К₁)( B+К₁)

где К₁ = k₁ґ/k₁ - коэффициент распределения эффектора между биофазой и средой, содержащей эффектор в концентрации С; К₂ = k₂ґ/k₂ - константа диссоциации комплекса.

При очень малых концентрациях эффектора С и сравнительно небольших значениях К₁ и К₂ можно предположить Q > Z, B > C и система (4.9) упрощается:

dZ

--- = k₂ Qс - k₂Z,

dt

где = k₁С + k₁ґ + k_3.

Процесс отмыва связанного эффектора после перенесения тестового объекта в контрольный раствор описывается уравнением

₁ = [k₂ґ + + k₂Q + ( k₂ґ + + k₂Q)² + 4 k₂ґ]/2. (4.13)

Рассмотренные выше примеры предполагают связывание с одним рецептором одной молекулы лиганда. В принципе можно допустить существование комплексов лиганд-рецептор RA_n с любыми стехио- метрическими коэффициентами. Могут, например, существовать мно-говалентные места (рецепторы), образующие комплексы RA_n путем последовательного присоединения лигандов:

R +А = RA|,

RA| + А = RA₂, (4.14)

RA„-i +А = RA_n.

Если присоединение каждой последующей молекулы лиганда не за-висит от количества ранее связанных с активным центром (рецептором) молекул, то данный процесс подчиняется уравнениям (4.4) и (4.5). В противном случае имеют место эффекты, обычно называемые коопера-тивными (например, связывание каждым рецептором двух молекул), причем кооперативность бывает отрицательной и положительной.Когда присоединение каждой последующей молекулы облегчается вследствие посадки предыдущей, то говорят о положительной коопе- ративности, если, наоборот, затрудняется, - имеем отрицательную кооперативность.Положительную кооперативность можно продемонстрировать на примере связывания кислорода молекулой гемоглобина, которая состо-ит из четырех субъединиц: двух а- и двух р-цепей. Каждая из субъеди-ниц может связывать одну молекулу кислорода. Оказалось, что сродст-во к кислороду отдельного центра связывания (гема) тем выше, чем больше других центров связывания уже занято молекулами кислорода.Существует несколько характерных приемов установления призна-ков кооперативности. Препарат рецепторов, насыщенный радиоактив-ным лигандом, можно перенести в среду, не содержащую его, и изме-рить скорость диссоциации «меченых» комплексов. При этом часть препарата помещается в раствор, содержащий высокую концентрацию немеченого лиганда, часть - в раствор без лиганда. Если в первом слу-чае скорость распада комплекса выше, это может свидетельствовать о наличии отрицательной кооперативности: нерадиоактивный лиганд, связываясь со свободными, незанятыми радиоактивными рецепторами, ослабляет меченые комплексы. И наоборот, если в присутствии нера- диоактивного лиганда скорость диссоциации снижается, говорят о проявлении положительной кооперативности.

Но самый популярный среди исследователей способ выявления кооперативности - это анализ характера отличий концентрационной зависимости количества связывающегося лиганда от классического уравнения (4.5). Представляя полученные данные в скэтчардовских координатах (рис. 4.6), при вогнутой кривой говорят об отрицательной кооперативности, при выпуклой - о положительной.

...