Биологическое действие ксенобиотиков

Предельному случаю сильно выраженной положительной коопера-тивности (п>1) соответствует популярное уравнение Хилла. Здесь речь идет о механизме, допускающем лишь одновременное присоединение всех молекул эффектора к рецептору без образования промежуточных комплексов RA^ RA₂... RA_n:

Соотношение, описывающее образование комплексов, имеет вид:

QC ⁿ

Z (t) = ------ [1 - e ^{(-k'+kCn) t}], (4.16)

K + C ⁿ

а диссоциация комплексов при отмыве:

Z(t) = Z_oe^-k'^t . (4.17)

Следует отметить, что чем больше величина n, тем сильнее выражен S-образный характер кривой.

39. Пиноцитоз и фагоцитоз

Белки, полинуклеоти- ды, полисахариды, а также твердые частицы. Тем не менее в большин-стве клеток указанные вещества проходят в обоих направлениях через плазматические мембраны. Механизмы, с помощью которых осущест-вляются эти процессы, сильно отличаются от механизмов, опосре-дующих транспорт небольших молекул и ионов. При переносе макро-молекул или твердых частиц происходит инвагинация (впячивание или выпячивание) мембраны с последующим образованием пузырьков (ве-зикул). Например, для того чтобы секретировать инсулин, клетки, ин-дуцирующие этот гормон, упаковывают его во внутриклеточные пу-зырьки, которые сливаются с плазматической мембраной и отрывают-ся во внеклеточное пространство, высвобождая при этом инсулин. По-добный процесс называется экзоцитозом. Клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы и в обратном направлении. Этот процесс называется эндоцитозом (внутрь клетки).Тем не менее каждый пузырек сливается только со специфически-ми мембранными структурами, что гарантирует правильный перенос макромолекул и их распределение между внеклеточным пространст-вом и внутренностью клеток. Одни секретируемые моле-кулы адсорбируются на поверхности клетки и становятся частью клеточ-ной оболочки, другие включаются в межклеточный матрикс, а третьи по-падают в интерстициальную жидкость и (или) в кровь, где они служат для других клеток в качестве питательных веществ или каких-то сигналов.Пиноцитоз подразделяется на несколько этапов:

1) адсорбция на мембране молекул вещества; 2) впячивание или вы-пячивание (инвагинация) мембраны, образование пиноцитозного пу-зырька и отрыв его от мембраны с затратой энергии АТФ; 3) миграция пузырька внутрь протопласта, органеллы или наружу; 4) растворение мембраны пузырька (при действии фермента) или просто ее разрыв.

Исходя из функционирования транспортных механизмов на мем-бранах, последние делят на четыре типа.

К первому типу относят мембраны, через которые транспорт ве-. ществ осуществляется путем простой диффузии, а скорость переноса прямо пропорциональна разности концентраций по обеим сторонам мембраны. Они препятствуют прохождению ионов и пропускают ней-тральные молекулы. Через такие мембраны быстрее всего диффунди-руют молекулы веществ с высоким коэффициентом распределения в системе масло-вода, т. е. веществ, обладающих выраженными липо- фильными свойствами.

Мембраны второго типа характеризуются наличием в них специ-фического переносчика, обеспечивающего облегченную диффузию и способствуют всасыванию ряда веществ, плохо проникающих через мембраны первого типа из-за высокой степени ионизированности или высокой гидрофильности. Транспортируемая молекула в мембране обратимо соединяется с переносчиком. Иллюстрацией может служить транспорт глюкозы в эритроциты человека. Особый интерес представляет облегченная диффузия в клетку мо-лекулы холина. Простая диффузия ионизированной гидрофильной мо-лекулы холина невозможна, однако специфический переносчик быстро доставляет его в эритроциты и другие клетки.

Мембраны третьего типа (наиболее сложные из всех) способны при необходимости переносить вещества против градиента концентрации. Эта так называемая система активного транспорта требует затраты энергии, высокочувствительна к изменениям температуры.

Примерами а) транспорт Na⁺ и К⁺ в клетки млекопитающих, перенос Н⁺ и К⁺ в клетках растений и т. д.; б) всасывание и выведение различных ионизированных и неионизированных веществ почечными канальцами и в меньшей мере через мембраны эпителия желудочно- кишечного тракта; в) захват бактериями неорганических ионов, Саха-ров и аминокислот; г) накопление ионов йода щитовидной железой;

Мембраны четвертого типа отличаются от первого типа наличием пор (каналов), диаметр которых можно оценить по размерам самых больших молекул, проникающих через них. Один из наиболее изучен-ных примеров мембран четвертого типа представлен почечным клу-бочком в капсулах Боумана. Мембраны четвертого типа встречаются в основном в капиллярах млекопитающих и в паренхиме почек.

40. Пассивный транспорт

При пассивной диффузии ксенобиотики проходят через мембрану в результате случайного молекулярного движения, и величина потока линейно зависит от концентрации и коэффициента проницаемости мембраны для данного вещества. «Сердцевина» мембраны представ-ляет собой в основном гидрофобную область, поэтому неполярные вещества сравнительно легко проникают в клетки. Гидрофобные груп-пы способствуют увеличению проникающей способности, полярные - ее уменьшению.Различие в проницаемости зависит от скорости диффузии через мембрану, причем уменьшение скорости диффузии для разветвлен-ной углеводородной цепи обусловлено стерическими факторами. В качестве количественного параметра проникновения любого ве-щества в клетку вводится коэффициент проницаемости. В этом случае скорость переноса определяют с помощью закона Фика:

1 dS(С^н-С^в)

= -DK_p ,

A dtАх

где D - коэффициент диффузии; А - площадь поверхности; С", С^в - концентрация снаружи и внутри соответственно; К_р - коэффициент рас-пределения, представляющий отношение концентрации растворенного вещества в мембране к концентрации вне мембраны; Ах - расстояние, преодолеваемое соединением при прохождении через мембрану.

Так как молекуле, возможно, приходится преодолевать путь Дх, не обязательно равный толщине мембраны, то этот путь трудно измерить непосредственно. Коэффициент распределения обычно определяют, используя в качестве липидной фазы оливковое масло, а не истинные липиды, что вводит некоторую неопределенность в величину К. Зави-симость D от х также неизвестна ни для какой мембраны. Поэтому Р = DKp/Ax (коэффициент проницаемости) является единственной из-меряемой величиной,dS/dt = РА(С^Н - С'),где размерность Р - длина в единицу времени (т. е. скорость), см/с.Чем выше липофильность вещества, тем выше коэффициент распределения.Отношение концентраций какого-либо вещества, состоящего из про-стых молекул, в двух находящихся в равновесии фазах имеет постоян-ное значение и называется константой распределения К_р:К_Р = С₂/С„где С, - водная фаза, С₂ - неводная фаза (масло, липид).Коэффициент распределения некоторого вещества зависит от спо-собности его молекул к образованию водородных связей. Кроме того, для соединений с одинаковым коэффициентом распределения в систе-ме липид-вода скорость диффузии через мембрану может значительно варьировать в зависимости от пространственной структуры молекул.

Пассивный перенос - это движение вещества по градиенту элек-трохимического потенциала без затраты энергии, т. е. движущей силой пассивного транспорта веществ служит градиент электрохимического потенциала. Электрохимический потенциал (р) характеризуется сво-бодной энергией некоторого вещества j. Химический потенциал, так же как и другие виды потенциальной энергии, является относительной величиной, т. е. он определяется ка-ким-то условным уровнем энергии (вводится константа аддитивности или стандартный член р*):мю = jij* + RTlnCj + ZjFT. В случае переноса через мембрану незаряженных частиц уравнение (5.4) упрощается и химический потенциал вещества можно выразить как функцию его концентрации:мю = мю* + RTlnCj.

Здесь мю - энергия на единицу количества вещества (Дж/моль); С_} - концентрация вещества; Zj - заряд; Ч⁷ - электрический потенциал; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура.Фактор RT, на который умножается величина lnCj, необходим для перевода активности в единицы энергии на 1 моль.

Если рассмотреть систему в состоянии равновесия, когда электрохи-мический потенциал вещества одинаков по обеим сторонам мембраны,

то:мю^в= мю^H. (5.6)

В этом случае нет градиента электрохимического потенциала и ника-кая движущая сила не действует на переносимый ксенобиотик; он про-ходит в результате беспорядочного теплового движения, но при этом два противоположно направленных потока сбалансированы. В этом случаеRTlnCj" + ZjFT" = RTlnCj® + ZjFF^B, и соотношение для разности электрических потенциалов будет иметь вид:

RT Cj^H

фи =In.

ZjF Cj^B

Величину фи азывают потенциалом Нернста. Экспериментально измерив мембранный потенциал и концентрацию ионов по обе сторо-ны мембраны, на основании выражения (5.8) можно предсказать на-правление пассивного переноса ксенобиотика.Проницаемость мембран для некоторых малых молекул оказывает-ся более высокой, чем это можно было бы ожидать на основании дан-ных об их растворимости в липидах. Предполагают, что эти молекулы проходят через особые участки мембраны, так назы-ваемые «поры» (каналы). Аналогично считают, что заряженные части-цы (ионы) движутся через ионные каналы.Через ионные каналы осуществляется не только транспорт веществ, они также непосредственно участвуют в передаче сигнала возбудимым клеткам (генерация потенциала действия). Существуют хемовозбуди- мые (рецепторы ацетил холи на, у-АМК, глутамата, глицина и др.) и электровозбудимые (натриевые, калиевые, хлорные и др.) каналы.

Канал - это две макромолекулы, образующие в мембране пору че-рез бислои липидов. В поре имеется узкий селективный фильтр вблизи наружной поверхности мембраны и воротное устройство вблизи ее внутренней поверхности. Пространство между селективным фильтром и воротами получило название туннеля. Сенсор напряжения, располо-женный в липидном слое, управляет открытием ворот под влиянием внутримембранного поля. Расширенные части канала у наружной и внутренней поверхности образуют устья (или вестибюли).

41. Масштабы химического загрязнения биосферы

Серьезные экологические проблемы, возникшие перед человече-ством и биологическими науками, в частности ксенобиологией, свя-заны с действием двух основных факторов: быстрым повышением народонаселения в мире (демографический взрыв): с I млрд человек в 1825 г. до 6,0 млрд в 2000 г. и ростом промышленного производст¬ва, приведшим к большому антропогенному прессу на природу. К основным причинам, усложнившим экологическую проблему, можно отнести следующие:- значительное увеличение объема промышленного производства, связанное с повышением производительности труда;-появление экологически опасных видов техники и технологии;- накопление на химпредприятиях больших запасов опасных токси-ческих веществ;- резкое повышение расходования природных ресурсов (нефть, газ, уголь, сланцы) с выбросом продуктов из хозяйственного использова-ния в биосферу;-повышение сложности технических систем, с которыми опериру-ет человек, приводящее к увеличению частоты промышленных аварий и катастроф.В настоящее время считают, что в биосфере находится более 6 млн индивидуальных химических соединений, не говоря уже об их комбинациях. Из всех веществ, имеющихся в биосфере, 90 % - синте-тического происхождения, которые в подавляющем большинстве яв-ляются для организма чужеродными.Выделяют следующие типы глобального химического загрязнения биосферы:загрязнение газообразными веществами;тяжелыми металлами;удобрениями и биогенными элементами;органическими соединениями;радиоактивными веществами (радионуклидами).

42. Неорганические ксенобиотики. Металлы. Двухфазность биореакции на действие тяжелых металлов. Факторы, способствующие хелатообразованию

Живые организмы нуждаются в катионах металлов, обеспечиваю-щих протекание многих жизненно важных процессов. Более того, мно¬гие из этих металлов необходимы для всех форм жизни. К ним отно¬сятся: а) тяжелые металлы (кобальт, медь, железо, марганец, молибден, цинк и в меньших количествах хром, ванадий, никель и свинец); б) легкие металлы, обычно встречающиеся в большом количестве (кальций, магний, калий и натрий).Медь, железо, молибден, кобальт и иногда марганец принимают участие в окислительно-восстановительных процессах; действие цин-ка, магния и марганца связано с процессами гидролиза и переноса групп; кальций играет наиболее важную роль при создании гибких или жестких структур, а также может инициировать реакцию, вызывая по- видимому, структурные изменения (подобное действие иногда прояв¬ляет и магний), является вторичным мессенджером. Натрий и калий, благодаря их распространенности, служат переносчиками заряда; они очень слабо связываются и поэтому могут быстро обмениваться.Когда речь идет о тяжелых металлах, то многие из них необходимы в следовых количествах. Повышенные же их концентрации в организ¬ме вызывают токсические эффекты.Токсическое действие чужеродных металлов часто обусловлено ан¬тагонизмом катионов. Так, например, свинец - известный нейротоксин, вытесняет кальций из некоторых отделов нервной системы и тем самым препятствует выделению нейромедиаторов. В 1960 г. широко распро¬странившееся загрязнение восточного побережья Японии кадмием в сочетании с низким уровнем поглощения кальция привело к развитию у людей мучительной болезни - одной из разновидностей остеомиелита. Выяснилось, что причина этого заболевания - антагонизм кадмия и кальция.С другой стороны, известны случаи синергического действия ме-таллов. Например, показано, что внесение отдельных металлов в кон-центрациях, соответствующих предельно-допустимым (Канада, США), в культуру водорослей хлорелла, сценедесмус и других не влияло на рост клеток, тогда как их смесь сильно подавляла рост, даже при более низких концентрациях. Число таких примеров достаточно велико.Относительно концентрационных эффектов металлов следует под¬черкнуть, что реакция (р) организма на тяжелые металлы является двухфазной (рис 7.1).Если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжелый ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в при¬сутствии тяжелых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если организм получает слишком много металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества. Примером такой двухфазной реакции может служить действие ме-ди на овес: как избыточное, так и недостаточное количество этого ме-талла наносит вред процессам его роста и развития (см. рис. 7.1). Рост микроорганизмов также часто зависит от концентрации одно¬го или нескольких катионов металлов в питательной среде: следует избегать как избыточных, так и недостаточных концентраций, так как в любом случае рост будет заторможен.

Хелатообразование зависит от степени ионизации хелатообразую- щих агентов. Вещества, обладающие меньшим сродством к металлам (на что указывает более низкая константа устойчивости), за счет раз-личий в значениях рКа могут образовывать значительно больше анио-нов, чем другие агенты.В этом случае вещество, обладающее меньшим сродством к метал-лу, 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). Большинство металлов легче соединяются с лигандами, содержа-щими кислород, чем серу. Однако Cu+, Ag+, Hg2+, As+ и Sb3+ отдают предпочтение сере; у Си Ni2+ и Со2+ сродство к сере несколько выше, чем к кислороду, если сера находится в неионизированном состоянии, как, например, в органических сульфидах.Еще одним фактором, влияющим на относительное сродство ряда ме¬таллов, служит изменение окислительно-восстановительного потенциала металла, вызванного образованием хелатных соединений с металлами, имеющими переменную валентность (например, Си, Fe, Со, Mn, Mo, V).

43. Связь процессов ионизации молекул ксенобиотиков с их биологической активностью

В зависимости от степени ионизации ксенобиотики обладают различной биологической активностью: 1) ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии. Известно, что алифатические амины, при рН 7 существующие в виде катионов, проявляют бактерицидное действие. Было доказано, что при повышении рН антибактериальное действие усиливается за счет повышения степени ионизации (анионной) рецепторов бактерий. В 1941 году ученые доказали, что существует количественная связь между антибактериальным действием и степенью ионизации по катионному типу. 2) ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в неионизированном состоянии. Неионизированные вещества могут обладать очень сильным физиологическим действием (эфир, хлороформ). В 1921 г Вермст обнаружил, что многие слабые кислоты наиболее полно проявляют своё действие в неионизированном состоянии (салициловая кислота-нейтральные молекулы ингибируют деление клеток). Также было доказано, что кол-во вещества, необходимое для эффекта, остается постоянным независимо от рН, если рН на 1 единицу меньше, чем рКа, потому что не происходит ионизации ксена. Эффективность слабых оснований повышается с повышением рН, эффективность слабых кислот повышается с понижением рН, в обоих случаях идёт подавление ионизации. 3) ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул. Многие вещества, проникнув в клетки в неионизированном состоянии, проявляют свое действие как ионы (поступление бензойной кислоты в клетки дрожжей обратно пропорционально степени ионизаци, хлоридин-поступает в виде нейтральных молекул, действуют катионы). Но обнаружено, что у большинства веществ, активных в неионизированном состоянии, ионы также обладают активностью (фунгицидное действие динитрофенола). Те есть вещества, проявляющие свое действие в виде ионов и неионизированных молекул, и вещества, проникающие в виде неионизированных молекул и вызывающие эффект в виде ионов.

44. Поверхностные явления в системах воздух-вода, масло (липид) - вода. Классификация поверхностно-активных веществ. Мицеллообразование ПАВ. Виды мицелл

Ван-дер-Ваальсовы силы обеспечивают взаимное притяжение всех молекул, находящихся в контакте друг с другом. В объеме жидкости он действуют во всех направлениях с одинаковой силой, но на границе воздух-вода молекулы испытывают незначительные воздействия воздуха, те притяжение их жидкостью почти не имеет противодействия. В результате молекулы на поверхности утягиваются вглубь, и поверхность приобретает фигуру с минимальной площадью-шар, поэтому форма капель жидкости-сферическая. Амфифильные вещества стремятся сконцентрироваться на границе раздела несмешивающихся жидкостей. Молекулы состоят из гидрофильной головки и гидрофобного хвоста. И на границе раздела фаз масло-вода амфифильные вещества располагаются так, что гидрофильная головка обращена к воде, а хвост размещается в масле. Накопление амфифильного вещества на границе раздела прекращается при образовании мономолекулярного слоя. Разбавленные растворы амфифильных в-в имеют обычные физические свойства, но при их высокой концентрации наступает резкое изменение поверхн. натяжения, осмотического давления. Это обусловлено образованием мицелл-агрегатов, состоящих из множества молекул, они термодинамически стабильны. Имеют почти сферическую форму, тк при взаимодействии с водой они обращены гидрофильными головками наружу, а гидрофобными концами внутрь. Типичные представители амфифил. ксенов - ПАВ. По характеру диссоциации они делятся на:1) анионные-функциональные группы в результате ионизации образуют анионы, обуславливающие поверхн. активность, 2) катионные - функциональные группы в результате ионизации образуют катионы, обуславливающие поверхн. активность, 3)неионогенные-практически не образуют ионов в воде, 4) амфолитные - образуют в зависимости от рН катионные или анионные соединения. Мицеллообразование можно представить поэтапно: 1) при низких концентрациях молекулы детергента связываются с мембранами посредством внедрения во внешнюю фазу липидного бислоя без существенного изменения его структуры, 2) при повышении конц-и молекул становится достаточно для дестабилизации мембран. ПАВ встраивается в молекулу, могут образовывать поры, довольно крупные, через которые могут проникать крупные молекулы, 3)при больших конц-х вся мембрана перемешивается с детергентом, что приводит к фазовому переходу - распадение на смесь мицелл, содержащих ПАВ-липид или ПАВ-липид-протеин. 4) при ещё большем увеличении конц-и ПАВ происходит полное разделение фракций белков и липидов. Из интернета! Виды мицелл: При концентрациях ПАВ в растворе начинают формироваться сферические мицеллы. Далее, с увеличением концентрации ПАВ строение мицелл усложняется: сферические превращаются в глобулярные (сплюснутые с полюсов сферы) и цилиндрические мицеллы. за счёт объединения цилиндрических мицелл, могут формироваться ориентационно упорядоченные гексагональные мицеллярные структуры.Далее, в растворе образуются пластинчатые мицеллы, имеющие бислойную структуру из молекул ПАВ. Возникновение бислоя приводит к формированию дискообразных или пластинчатых мицелл. в зависимости от природы ПАВ из пластинчатых бислойных мицелл формируется упорядоченная многослойная структура, называемая ламеллярной фазой. Коллоидные растворы, содержащие ламеллярную фазу, находятся в жидкокристаллическом состоянии. При дальнейшем увеличении ПАВ в растворе не только изменяется форма и увеличивается размеры мицелл, но и происходит их активное объединение. При концентрации выше точки гелеобразования система становится связнодисперсной из-за возникновения сплошной гелеобразной структуры из мицелл.

45. Развитие биологической реакции на действие эффектора. Многоканальная система передачи сигнала

Биологическая реакция рассматривается как функция количества образования комплексов лиганд-рецептор и верна, когда время протекания процессов, развивающихся после образования комплексов, существенно меньше времени достижения равновесного значения Z: p=f[Z(c,t)]. Потому представление реакции как зависимости f(Z) может быть оправдано и в случае при очень малых концентрациях. Представив реакцию в форме p= aZ из стационарной кривой р(С), используя р=aQC/(K+C), ( Q-количество рецепторов, С-концентрация лиганда, К-константа равновесия комплекса) можно получить оценку концентрации эффектора, вызывающая реакцию=половине максимальной.

Но существуют трудности при интерпретации кривых, тк кривые не выходят на стационарный уровень, а оказываются переходного типа. В модели предполагается существование неветвящейся последовательности реакций, первая из которых индуцируется образованием лиганда. На самом деле каждое звено процесса может быть источником стимула для нескольких элеменотов. При малых концентрациях мы регистрируем сигнал, идущий через наиболее чувствительный канал, но по мере увеличения концентрации проявляются эффекты иных каналов. Здесь 2 случая: 1) лиганд взаимодействует с центрами связывания 1 типа, а разветвление действия происходит на других стадиях, и 2) лиганд взаимод. с разными центрами связывания, каждый из которых инициирует процесс, различающийся по конечному эффекту, те не только со специфическими рецепторами, но и с другими центрами связывания.

Те одно вещество может воздействовать на несколько типов центров связывания, вызывая различные сдвиги хода процессов, что в итоге отражается на величине и направлении биологической реакции на экзогенное соединение.

46. Экологическая и токсикологическая характеристика моно-, диоксида углерода и озона

В течение последних десятилетий идёт рост содержания СО2 в атмосфере за счет сжигания ископаемого топлива, вырубки лесов, окисления органического вещества почвы. Увеличение содержания СО2 может привести к нестабильности климата, засухам, снегопадам, наводнениям, и вызвать изменение климатических зон и глобальное потепление.

СО образуется при неполном сгорании углеродсодержищих веществ. Набольшие его количества образуются при извержениях вулканов и окисления метана в атмосфере. Внутри помещений- при неполном сгорании топлива и курении. СО представляет собой опасность для человека потому, что может связывается с гемоглобином крови, а также образовывает токсичные карбонилы. Насыщение гемоглобина СО концентрацией 0,1% происходит за 6 часов. Накоплению СО в атмосфере препятствуют высшие растения, водоросли микроорганизмы.

Озон: Высокая окисляющая способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его высокую токсичность. Воздействие озона на организм может приводить к преждевременной смерти. Наиболее опасное воздействие высоких концентраций озона в воздухе: на органы дыхания прямым раздражением; на холестерин в крови человека с образованием нерастворимых форм, приводящим к атеросклерозу; на органы размножения у самцов всех видов животных, в том числе и человека (вдыхание этого газа убивает мужские половые клетки и препятствует их образованию). При долгом нахождении в среде с повышенной концентрацией этот газ может стать причиной мужского бесплодия.

47. Основные типы химических связей и их роль в процессах связывания эффектора с мембранактивными сайтами (рецепторами)

1) Ковалентная связь образуется за счет обоществления 2 мя атомами пары электронов принадлежащих этим атомам. Эта связь значительно прочнее остальных. Если действие веществ можно предотвратить простым отмыванием, то это значит, что ковалентная связь не образовывалась. В случае образования ковалентных связей между агентом и рецептором (это редко), эффект агента практически необратим.

2) Электростатические взаимодействия: эти связи играют важную роль при взаимодействии веществ с мембранными структурами, притяжение атомов происходит на большом расстоянии, легкость обмена ионами.

-ионная связь (NaCl) - между ионами, не имеет строгой направленности.

-ион-дипольная (гидратирование ионов): между диполем, имеющим частично положительный и частично отрицательный заряд, и диполем. Несколько слабее, чем ионные.

-диполь-дипольные-между 2мя диполями, энергия взаимодействия обратно пропорциональна третьей степени расстояния между молекулами.

3) Водородные связи образуются только на малых расстояниях между атомами кислорода, азота или фтора и водорода. Обладают строгой избирательностью и направленностью, что очень важно при связывании вещества с рецептором и в стабилизации структур молекул. Механические свойства тв. веществ, определяющихя водородной связью-лёд, бумага, нейлон.

4) Ван-дер-Ваальсовы связи могут возникать только когда геометрия молекул дает возможность 2 атомам подойти достаточно близко друг к другу. Это играет очень важную роль при соединении веществ с рецептором (антиген и антитело). Образуются благодаря наличию энергии молекул, достаточной для колебания их атомов. Образуются временные диполи в соседних молекулах, что приводит к возникновения притяжения между ними. Энергия сил изменяется обратно пропорционально седьмой степени расстояния.

48. Ионизация ее природа. Константа и степень ионизации молекул ксенобиотиков

Ионы и незаряженные молекулы весьма различны по своим физико-химическим свойствам. Так, например, ионы и незаряженные молекулы вступают в разные химические реакции, по-разному проникают через мембраны и по-разному адсорбируются на различных поверхностях.

Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению поступления ксенобиотиков в клетку, процессов их биотрансформации и т. д., необходимо иметь представление о процессах ионизации веществ. Последние в значительной степени определяют биологическую активность чужеродных соединений.

Многие вещества при растворении в воде не повышают ее электропроводности. Это так называемые неэлектролиты (примерами могут служить сахароза, хлороформ), они понижают температуру замерзания воды пропорционально их молярной концентрации.

С другой стороны, кислоты, основания и соли повышают электропроводность воды. Большинство биологически активных веществ представляют собой кислоты, основания и соли, а следовательно, являются электролитами. Все электролиты понижают температуру замерзания воды в значительно большей степени, чем можно было бы ожидать, исходя из их молярной концентрации. Например, в разбавленных растворах соляной кислоты, гидроксида натрия и хлорида натрия данное понижение оказалось в два раза больше ожидаемого. Это послужило основанием для создания Аррениусом теории ионизации электролитов. В водном растворе хлористый водород (соляная кислота) полностью ионизирован на катионы водорода и анионы хлора (Н⁺ и Сl^-), гидроокись натрия - на катионы натрия и анионы гидроксила (Na⁺ и ОН^-), хлорид натрия - на катионы натрия и анионы хлора (Na⁺ и Cl^-). В растворе сульфата натрия понижение температуры замерзания воды оказалось в три раза больше ожидаемого, и это объясняется тем, что вместо одной молекулы Na₂SO₄ в растворе присутствуют три иона, а именно - два катиона натрия и один анион сульфата.

Как правило, соли в разбавленных растворах полностью ионизированы. Исключения не многочисленны: наиболее известные из них - галогениды ртути, кадмия, свинца. Вследствие полной ионизации солей их биологические свойства целиком определяются свойствами составляющих их ионов. Так, физиологическое действие хлорида кальция определяется действием, свойственным ионам кальция и ионам хлора. Вообще физиологическое действие полностью ионизирующейся соли не может быть меньше или больше суммы действия ее ионов.

Однако эта простая концепция оказывается неверной в тех случаях, когда соль образована слабой кислотой или слабым основанием, так как в результате гидролиза происходит высвобождение некоторого количества незаряженных частиц, биологическое действие которых суммируется с эффектами, вызванными ионами. Аналогично не все кислоты и основания в растворе находятся в полностью ионизированном состоянии. Сильные кислоты (например, соляная) и сильные основания (например, гидроксид натрия) полностью ионизированы при значениях рН от 0 до 14, в то время как слабые кислоты и основания в этих пределах рН имеют разную степень ионизации. Даже небольшие отклонения рН в любую сторону от нейтрального значения (рН 7) могут существенно повлиять на степень ионизации многих веществ (алкалоиды, местные анестетики и т. д.).

Реально степень ионизации в растворе определяется только двумя факторами: рН раствора и рК_а кислоты (или основания). Последняя из этих величин (она будет охарактеризована чуть позже) является константой для каждой кислоты или основания. Поэтому при определенной величине рН степень ионизации зависит только от природы кислоты (или основания), при этом не важно, были они нейтрализованы или нет.

Существенной частью теории ионизации Аррениуса явилось применение закона действующих масс для описания состояния ионного равновесия. Так, уксусная кислота (Н₃СООН) - это слабая кислота, ионизирующаяся в воде с образованием некоторого количества ионов водорода (Н⁺) и ацетат ионов (СН₃СОО^-). Соотношение произведения этих ионов Н⁺ СН₃СОО^- к концентрации неионизированных молекул СН₃СООН всегда является постоянной величиной и определяет константу кислотности К_а или просто константу ионизации данной кислоты:

Н⁺ СН₃СОО^-

К_а= . (2.1)

СН₃СООН

Величина К_а уксусной кислоты определена экспериментально и равна 1,710^-5 (при 25 С).

Иногда выражение «константа диссоциации» используют вместо константы ионизации. Последнее название точнее, т. к. многие комплексы, например системы ферментов, «диссоциируют» на составляющие, а мицеллы - на мономеры. Устанавливающееся при этом равновесие можно выразить через константы диссоциации, также выведенные из закона действующих масс, но эти константы не являются константами ионизации.

Состояние ионизации слабых оснований также может быть охарактеризовано константами кислотности. Например, аммиак - слабое основание, которое может присоединить ионы водорода с образованием ионов аммония. В таком случае ион NH₄⁺ можно рассматривать как слабую кислоту, ионизованную в воде на ионы водорода (Н⁺) и молекулы аммиака (NH₃). Тогда константа ионизации может быть записана в таком виде:

Н⁺ NH₃

К_а= . (2.2)

NH₄⁺

Значение константы ионизации в этом случае равно 5,510^-5 (25 С).

Приведенные уравнения показывают, что кислота отщепляет ионы водорода, а основание можно характеризовать количественно одной величиной - сродством к иону водорода. Это позволяет применить константы кислотности для описания процесса ионизации как для кислот, так и для оснований.

Как мы видели, величины констант ионизации слишком малы, поэтому значительно удобнее при рассчетах использовать их отрицательными логарифмами

рК_а= - lgК_а (2.3)

Тогда величина рК_а уксусной кислоты будет равна 4,76, а аммиака по аналогии 9,26 (при 25 С).

Очевидно, что рК_а дают возможность легко сравнивать силу разных кислот (или оснований). Чем сильнее кислота, тем ниже ее рК_а (чем сильнее основание, тем выше ее рК_а). Значения рК_а некоторых кислот и оснований приведены в табл. 2.2.

В настоящее время значения рК_а установлены для многих соединений. Например, величина рК_а около 5 (сравните с рК_а уксусной кислоты) типична для большинства монокарбоновых кислот как алифатических, так и ароматических. Величина рК_а 10 типична для фенолов. Кислоты, рК_а которых выше 7, практически не изменяют цвета нейтральной индикаторной бумаги, а выше 10 - не имеют даже кислотного вкуса.

Для оснований характерны следующие закономерности. Величина рК_а 11 (как, например, у этиламина) типична для алифатических, а значение рК_а 5 - для ароматических, которые слабее алифатических. Величины рК_а представляют собой десятичные логарифмы, следовательно, основность этиламина и анилина различается в миллион раз. Многие алкалоиды и другие биологически активные основания имеют значения рК_а около 8. Основания, рК_а которых ниже 7, практически не изменяют цвета нейтральной индикаторной бумаги.

Введение в молекулу электрондонорных групп (например, СН₃) увеличивает ее основность и уменьшает кислотность, а электронакцепторных (например, NH₂) - ослабляет основность и усиливает кислотность.

Степень ионизации любого вещества можно рассчитать при известных величинах рН раствора и рК_а вещества с помощью выражений:

Эти уравнения показывают, что степень ионизации данной кислоты (основания) зависит от рН. Эта зависимость не является линейной, а выражается сигмовидной кривой (рис. 2.1).

Анализ этой кривой показывает, что небольшое изменение рН в определенной области может вызывать сильные изменения ионизации, особенно если значение рН раствора близко к величине рК_а исследуемого вещества.

Значение рН, при котором кислота или основание ионизированы наполовину, эквивалентно их рК_а. Если рН на одну единицу ниже, чем рК_а, то кислота ионизирована на 9 %, а основание - на 91 %.

Связана ли степень ионизации с биологическими эффектами, вызываемыми ксенобиотиками, т. е. с биологической активностью ксенобиотиков?

Рис. 2.1. Зависимость степени ионизации молекулы ксенобиотика от рН

Действительно, оказалось, что в зависимости от степени ионизации ксенобиотики обладают различной биологической активностью и их можно разделить на три большие группы:

1. Ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии.

2. Ксенобиотики, более активные в неионизированном состоянии.

3. Ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул.

49. Периоды и этапы формирования представлений о биологической активности химических соединений

Интересно остановиться на историческом экскурсе развития наших знаний о биологической активности веществ. В этом процессе выделяют несколько периодов и этапов.

Первый период - освоение новых природных источников биологически активных веществ предками человека (период до завершения формирования второй сигнальной системы). Он занимает около 600-800 тыс. лет и распространяется до появления человека разумного. События этого периода могут быть охарактеризованы в рамках понятий биологической эволюции. В первом периоде, таким образом, отсутствовали письменная традиция, биологически активные вещества использовались прежде всего как пища: накопление и передача знаний осуществлялась в пределах узких групп.

Второй период - первичное накопление знаний о биологически активных веществах человеком разумным (период доминирования мифологического мышления) относится к истории человека: от первых сообществ человека разумного до античного мира (40-2,5 тыс. лет до н. э.). Реальное накопление знаний о биологической активности веществ осуществляется, как и в предыдущем периоде, в основном путем случайной выборки или «проб на зуб». Однако добавляемые сведения осознаются посредством мышления и передаются с помощью устной, а далее и письменной речи. Этот период включает два этапа: первый - до новых разделений труда; второй этап - начало профессионализма в передаче знаний о биологически активных веществах. В этом периоде появляется письменность, формируются преемственные группы людей, добывающие, хранящие и передающие знания о биологически активных веществах, активно развиваются технологии получения новых веществ. Накопление эмпирических сведений, как правило, - удел узкой кастовой группы.

Третий период: от античных времен до современности. Для него характерно все возрастающее доминирование логического мышления, стремление к систематизации знаний о биологически активных веществах, совершенствование письменной традиции передачи знаний, развитие экспериментальных и теоретических способов поиска и определения биологической активности, постоянное увеличение числа задач, для решения которых применяются биологически активные вещества. Этот период можно подразделить на четыре этапа: первый - становление системы знаний о биологически активных веществах; второй - слияние химии и медицины; третий - формирование фармакологии на основе достижений химии, биологии, медицины; четвертый - современные биотехнологии и ЭВМ в сфере поиска и создания новых биологически активных веществ.

На первом этапе систематизируются достигнутые ранее знания, предпринимаются отдельные попытки ввести экспериментальные модели для определения биологически активных веществ, получение новых активностей конструированием смесей в соответствии с опытом и умозрительными концепциями. Основной целью поиска новых биологически активных веществ является создание лекарств. Этот этап завершается в первой половине ХVI в.

На втором этапе (начало его совпадает с обращением алхимии к проблемам создания разнообразных панацей и лекарств) возрастает осознанный поиск новых химических веществ с заданными свойствами и проводится их испытание на биологическую активность. Основная цель - создание лекарств.

Третий этап проходит под знаком возрастающего прогресса химии: неорганической, потом органической и биоорганической. Создается мощный арсенал новых химических соединений, в т. ч. и не существовавших в природе. Их получение и синтез происходят на основе все более строгих концепций, с использованием различных методов. Разрабатываются количественные, экспериментально доказанные концепции различных видов биологической активности. Постоянно расширяется сфера применения биологически активных веществ: фармакология, сельское хозяйство, пищевая промышленность, парфюмерия и т. д. Создаются системы экспериментальных моделей для испытания веществ на биологическую активность, совершенствуются приемы использования моделей для определения разных видов активностей, развивается конструирование молекул с заданным видом биологической активности на основе научных концепций.

Четвертый этап - промежуток с 1950-х гг. до настоящего времени. С начала 50-х гг. происходит стремительное накопление знаний о молекулярном строении основных компонентов живого. Разрабатываются методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Успехи молекулярной биологии и молекулярной генетики, развитие технологий генной, клеточной и биохимической инженерии способствовали созданию совершенно новой концепции в понимании механизма действия биологически активных веществ, в их химическом и биоинженерном синтезе. Открылись принципиально новые возможности для конструирования молекул с заданной структурой и биологической активностью. Увеличилась эффективность поиска и создания веществ с определенными видами биологической активности на основе научных концепций.

50. Роль природы превращений и процессов перемещения ксенобиотиков для функционального состояния экосистем

В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации, а точнее, к полной детоксикации ксенобиотиков, создается экологиче-ская опасность, обусловленная наличием как устойчивых (перси-стентных) или вообще неразлагающихся в окружающей среде ксено-биотиков, так и биодеградабельных ксенобиотиков. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций:- нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков; вредное действие на экосистемы здесь очевидно, поскольку 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 приме-рах.

Природа превращений и аккумуляция ксенобиотиков. Способ-ность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Поэтому сведения о скорости разрушения веществ биоло-гическими системами являются весьма необходимыми и ценными. Особенно важны эти сведения для органических ксенобиотиков. Легко разрушаемые соединения большей частью не считаются потенциально опасными для окружающей среды. Тем не менее необходимо проводить сравнительный анализ и знать способность различных организмов разрушать то или иное вещество. Данное вещество может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях.

Наряду с определением скорости разрушения вещества очень важно также изучить, какие типы веществ образуются в процессе разрушения. Если органическое вещество разрушается полностью с образованием углерода и воды, как это происходит во многих микробных системах, такого вопроса не возникает.

ДДТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к метаболическому разрушению, характеризуется низкой растворимостью в воде, липофилен. Однако, согласно уста-новленной последовательности реакций, ДДТ все же распадается на ряд производных (рис.10.1). Так, например, при удалении атома хлора ДДТ превращается в ДДД, при отщеплении НCl - образуется ненасыщенное соединение ДДЭ. Оказывается, что ДДЭ - более опасное вещество для окружающей среды, чем ДДТ, поскольку оно еще медленнее метаболизируется и разрушается.

Превращение ДДТ в ДДЭ - основная причина возникновения экологической проблемы. Если ДДТ превращается в ДДД, то последнее вещество быстро разрушается; однако чаще ДДТ превращается в ДДЕ - соединение исключительно устойчивое, и именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде. Если бы процесс разрушения ДДТ можно было отрегулировать так, чтобы направить его в сторону образования не ДДЭ, а только ДДД, то проблема, обусловленная попаданием ДДТ в окружающую среду, была бы значительно менее острой.

В некоторых микробиологических системах при разрушении ДДТ образуются диоксид углерода и вода, однако реальная последо-вательность протекающих при этом реакций не установлена.

Как мы уже говорили, ключевым фактором в проблеме загрязнения окружающей среды ртутью является не только ее медленное перераспределение в биосфере, но и биотрансформация, например превращение микроорганизмами неорганической ртути в метилртуть. Если бы этот процесс не происходил, то поступление ртути в окружающую среду не представляло бы такой опасности по сравнению с существующей.

При оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений. Важно помнить тот факт, что почти любой органический ксенобиотик может метабо-лизироваться в каком-либо организме, и часто в результате довольно сложных последовательностей реакций образуются многочисленные метаболиты. Степень накопления метаболитов в организме зависит от относительных скоростей их образования и последующего метаболизирования и (или) вывода из организма. Метаболит накапливается в организме, если он вырабатывается с относительно высокой скоростью, а последующие метаболические реакции идут с меньшей скоростью или скорость вывода его из организма мала по сравнению со скоростью образования.

Природу метаболических превращений следует учитывать при разработке аналитических методов. Например, при определении остатков 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусной кислоты) в обработанных этим гербицидом растениях надо учитывать следующие факты. Вещество можно экстрагировать в виде соли в водном растворе, затем снизить рН, чтобы перевести кислоту в неионизированную форму, и в такой форме экстрагировать неполярным растворителем, а затем очистить и проанализировать. В растениях обычно протекают реакции конъюгирования, и 2,4-Д может быть связан с остатками некоторых углеводов. Образованное соединение весьма полярно, и если его проэкстрагировать и подкислить, то извлечь его неполярным растворителем невозможно. Если этот факт не учитывать, то ксенобиотик можно вообще не обнаружить. Поэтому до экстракции вещества необходимо определить возможность образования конъюгатов и разрушить их. В противном случае можно получить неадекватные данные.

Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксено-биотиков 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. Необходимо подчеркнуть следующие положения: во-первых, большие дозы могут нести огромную экологическую опасность, поскольку они отравляют организмы раньше, чем эти организмы успевают их метаболизировать; во-вторых, опасность, связанная с накоплением ксенобиотиков организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие, ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней.

Опасность сублетальных (малых) концентраций (доз) обуслов-лена следующими факторами:

а) может происходить хроническое отравление малыми концен-трациями (дозами), ведущее к падению репродуктивной способности. Например, отравление ПХБ и пестицидами способствовало бесплодию популяций тюленя в Балтийском море, что в конечном итоге может привести к вымиранию популяции (т. к. понижается рождаемость);

б) сублетальные концентрации ксенобиотиков могут нарушать тонкую регуляцию межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различными хемомедиаторами и хеморегуля-торами;

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

г) малые дозы ряда пестицидов, как оказалось, могут даже сти-мулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежела-тельных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Так, в одной из серии опытов сублетальные дозы ДДТ, диэльдрина и паратиона увеличивали откладку яиц колорадским жуком на 50,33 и 65 % соответственно.

Итак, изучение путей биотрансформации ксенобиотиков в экосистемах и входящих в их состав организмах показывает, что 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.

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

Один из путей снижения нежелательных последствий загрязне-ния биосферы - разработка, производство и применение биодеграда-бельных соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быст-ро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада.

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

Схема действия ксенобиотиков в экосистемах представлена на рис. 10.2.

Завершая очень сжатое изложение поведения ксенобиотиков в экосистемах и возможные последствия этих взаимодействий, отметим некоторые основные положения: