Токсикологическая химия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет»

Институт прикладной биотехнологии и ветеринарной медицины

Контрольная работа

«Токсикологическая химия»

Вариант №4

Выполнил: студент заочного

отделения 4 курса

Группы В-5-14Z

Попов Н.А.

Красноярск 2018



Содержание

Введение

1. Токсикодинамика

2. Типы взаимодействия в системе токсикант рецептор

3. Кинетическая теория взаимодействия ксенобиотика с рецептором

4. Неспицефическое взаимодействие ксенобиотика с мишенями токсичности

5. Влияние кислотно-основной природы ксенобиотиков и рН-среды биосферы на межфазные равновесия Ж1 Ж2

Список используемой литературы



Введение

С развитием химической промышленности в биосферу стало поступать более тысячи различных ксенобиотиков и токсикантов, которые в значительной степени загрязняют окружающую среду. Известно, что соединения, вносимые человеком в окружающую среду в последнее время (инсектициды, гербициды, детергенты и другие ксенобиотики) помимо того, что очень токсичны, ещё и устойчивы в среде (что представляет опасность для человека и животных). В настоящее время нагрузка на естественные процессы самоочищения биосферы является избыточной, и параллельно с деструкцией загрязнений идёт их постепенное накопление в окружающей среде .

Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений адаптационный период микроорганизмов к данному субстрату значительно короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, способные сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта. Поэтому к началу нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать токсикант. Повышение деградирующей способности возможно также в результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к токсикантам.

Таким образом, деградация ксенобиотиков микроорганизмами является одной из важных проблем защиты биосферы.

1. Токсикодинамика

Токсикодинамика (от токсико… и греч... dynamis -- сила) динамика отравления, вызываемого ядом; процесс отравления, его развитие. Термин употребляется преимущественно в промышленной токсикологии.

Токсикодинамика - раздел токсикологии, в рамках которого изучается и рассматривается механизм токсического действия, закономерности развития и проявления различных форм токсического процесса.

Механизм токсического действия

Взаимодействие на молекулярном уровне токсиканта с организмом, приводящее к развитию токсического процесса, называется механизмом токсического действия. В основе механизма действия могут лежать физико-химические и химические реакции взаимодействия токсиканта с биологическим субстратом.

Токсический процесс, инициируемый физико-химическими эффектами, как правило, обусловлен растворением токсиканта в определенных компартментах клетки, ткани, организма. При этом существенно изменяются их физико-химические свойства. Так, неполярные молекулы ряда ксенобиотиков: предельных углеводородов, спиртов, эфиров, галогенированных углеводородов, низкомолекулярных циклических углеводородов - накапливаются в липидных бислоях возбудимых биологических мембран. При этом изменяются удельный объем, вязкость, проницаемость мембран для ионов и тем самым модифицируются их физиологические свойства. Кислоты, щелочи, растворяясь в водной фазе клетки, ткани, изменяют рН среды. При интенсивном воздействии это может привести к денатурации макромолекул, их разрушению.

Особенность данного типа эффектов - отсутствие специфичности в действии токсиканта. Токсичность определяется физико-химическими свойствами вещества (величиной коэффициента распределения в системе масло/вода, константы диэлектрической проницаемости, константы диссоциации и т.д.).

Чаще в основе токсичности лежат химические реакции токсиканта с определенными субстратами - компонентами живой системы. В токсикологии (как и фармакологии) любой структурный элемент живой (биологической) системы, с которым вступает в химическое взаимодействие токсикант (лекарство) обозначают термином “рецептор”. В таком прочтении это понятие ввел в химеобиологию в начале ХХ века Пауль Эрлих (1913).

Спектр энергетических характеристик рецептор-лигандного взаимодействия необыкновенно широк: от образования слабых, легко разрушающихся связей, до формирования необратимых комплексов. Характер взаимодействия и структура сформировавшегося комплекса зависят не только от строения токсиканта, конформации рецептора, но и от свойств среды: рН, ионной силы и т.д. В соответствии с законом действующих масс количество образовавшихся комплексов вещество-рецептор определяется энергией взаимодействия (сродством) и содержанием обоих компонентов реакции (вещества и рецептора к нему) в биологической системе.

Рецепторы могут быть “немыми” и активными. “Немой” рецептор - это структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с веществом не приводит к формированию ответной реакции (например, связывание мышьяка белками, входящими в состав волос, ногтей, или растворение ДДТ в липидах вакуолей жировых клеток сальника и подкожной клетчатки). Активный рецептор - структурный компонент биологической системы, взаимодействие которого с токсикантом инициирует токсический процесс (например, активный центр цитохромоксидазы, взаимодействие с которым синильной кислотой, приводит к острому отравлению).

Как известно, в биологии термин “рецептор” используется еще и для обозначения структур, способных избирательно взаимодействовать с эндогенными молекулами-биорегуляторами (нейромедиаторами, гормонами, субстратами и т.д.) и принимающих непосредственное участие в восприятии и передаче регуляторных сигналов. Для того, чтобы избежать терминологических трудностей, для обозначения структурных элементов организма, взаимодействуя с которыми токсикант инициирует токсический процесс, вместо термина “рецептор”, в настоящее время часто используют термин - “структура-мишень”.

Мишенями (рецепторами) для токсического воздействия могут быть:

структурные элементы межклеточного пространства;

структурные элементы клеток организма;

структурные элементы систем регуляции клеточной активности.

Любая клетка, ткань, орган содержат огромное количество потенциальных рецепторов (структур-мишеней) различных типов (“запускающих” различные биологические реакции), с которыми могут вступить во взаимодействие химические вещества. Поэтому связывание токсиканта на рецепторе какого-то одного типа является избирательным лишь в определенном диапазоне его концентраций во внутренней среде. Увеличение концентрации токсиканта в биосистеме приводит не только к увеличению числа связанных рецепторов одного типа, но и к расширению спектра типов рецепторов, с которыми он вступает во взаимодействие, а, следовательно, к изменению его биологической активности. Это одно из фундаментальных положений токсикологии, доказанное многочисленными наблюдениями.

Принимаются постулаты:

- токсическое действие вещества выражено тем сильнее, чем большее количество активных рецепторов (структур-мишеней) вступило во взаимодействие с токсикантом;

- токсичность вещества тем выше, чем меньшее его количество связывается с “немыми” рецепторами, чем эффективнее оно действует на активные рецепторы (структуры-мишени), чем большее значение имеет рецептор и повреждаемая биологическая система для поддержания гомеостаза целостного организма.

- Наиболее часто токсический процесс развивается в результате воздействии химических веществ на белки (повреждение структурных белков, нарушение активности энзимов), нуклеиновые кислоты, липиды биомембран, селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов. В результате такого воздействия клетки либо повреждаются (цитотоксическое действие), либо нарушаются механизмы регуляции их функций.

2. Типы взаимодействия в системе токсикант - рецептор

токсикант ксенобиотик рецептор кислотный

Стадии формирования токсического эффекта

Механизмы формирования токсического эффекта включают доставку и взаимодействие токсиканта с эндогенными молекулами-мишенями. В результате изменяются свойства эндогенных биологически активных веществ и нарушаются структура и функционирование клеток. Одновременно инициируются восстановительные механизмы на молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевом (органном) уровнях. Таким образом, формирование токсического эффекта включает 4 стадии:

* доставка токсиканта к органу (органам)-мишени;

* взаимодействие с эндогенными молекулами-мишенями и другими рецепторами токсичности;

* инициирование нарушений в структуре и/или функционировании клеток;

* восстановительные процессы на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях.

Если нарушения, вызванные токсикантом, преобладают над восстановительными процессами, проявляется токсичность. Роль токсиканта может играть как исходное химическое вещество, поступившее в организм, так и его метаболиты, а также образующиеся активные формы кислорода или азота. Биотрансформация ксенобиотика с образованием токсичных продуктов называется метаболической активацией или летальным синтезом. Биотрансформация, сопровождающаяся снижением содержания токсиканта в организме, называется детоксикацией.

Практически все эндогенные соединения - потенциальные мишени для токсикантов. Обычно роль мишени токсического воздействия играют макромолекулы, находящиеся либо на поверхности, либо внутри отдельных типов клеток, чаще всего это внутриклеточные ферменты. Нуклеиновые кислоты (особенно ДНК), белки и клеточные мембраны также являются токсикологически важными мишенями. При метаболической активации (летальном синтезе) мишенью для токсичного метаболита часто становится фермент, ответственный за его образование, или близлежащие внутриклеточные структуры.

Таким образом, на молекулярном уровне токсичность определяется как химическое взаимодействие между токсикантом и молекулой-мишенью. Серия вторичных биохимических процессов, происходящих вслед за этим, приводит к дисфункции или повреждению систем на различных уровнях биологической организации (сами молекулы-мишени, клеточные органеллы, клетки, ткани и органы и даже организм в целом).

Однако взаимодействие ксенобиотика с мишенью не всегда сопровождается токсическим эффектом. Например, ковалентное присоединение к белкам - металлотионеинам представляет собой способ естественной детоксикации, а не проявление токсичности (рис. 2). Детоксикация происходит при внутриклеточном образовании липофильных алкилированных продуктов М(Alk)n или восстановлении ионов металлов эндогенным восстановителем до менее токсичной элементной формы М0.

В то же время накопление токсиканта в каком-то органе или ткани не обязательно свидетельствует о присутствии там молекул-мишеней. Например, более 90% введенных сердечных гликозидов накапливается в надпочечниках, а мишенью токсичности является миокард, где их содержание незначительно

3. Кинетическая теория взаимодействия ксенобиотика с рецептором

Согласно кинетической теории максимальный ответ на токсическое воздействие может быть получен тогда, когда вещество занимает лишь незначительную часть доступных рецепторов и определяется не числом занятых рецепторов, а скоростью и механизмом связывания токсиканта с рецептором. При этом величина ответа на токсическое воздействие нелинейно зависит от доли занятых рецепторов. Эффективность токсического воздействия характеризуется внутренней активностью (R/Nзан) токсиканта, т.е. способностью вызывать токсический эффект (ответ организма R) при минимальном заполнении рецепторов (Nзан).

Существуют следующие классы токсикантов, взаимодействующих с рецепторами, -- антагонисты, агонисты, частичные агонисты. Токсикант-антагонист ингибирует действие нативных субстратов (эндогенных соединений), блокируя их связывание с рецепторами. Действие токсиканта-агониста (полного или частичного) сходно с действием эндогенного соединения, поэтому такой токсикант называют «токсикомиметик». Взаимодействуя с теми же рецепторами, полный агонист активирует их и вызывает такой же или превышающий эффект нативного субстрата. Токсичность частичного агониста также проявляется вследствие конкуренции с эндогенным субстратом за активацию рецептора, но достигаемый ответ последнего значительно ниже.

Изотерма Ленгмюра: Г = Г?. · (С / б + С),

где Г? -- константа, равная предельной адсорбции, наблюдаемой при относительно больших равновесных концентрациях, моль/м;

б - константа, равная отношению константы скорости десорбции к константе скорости адсорбции.

Математически зависимость между ответом и дозой (концентрацией) токсиканта можно представить уравнением, аналогичным изотерме адсорбции Ленгмюра:

R =Rmax · D/(D +D50),

где R - ответ при дозе токсиканта D;

Rmax - максимально возможный ответ на воздействие; D50 - доза токсиканта, при которой наблюдается половина (50%) максимально возможного ответа.

Для нахождения числовых значений максимального токсического ответа и дозы D50 вышеуказанное уравнение приводят к уравнению прямой (рис. 1), для чего единицу делят на обе части уравнения:

Рис. 1 Нахождение токсикометрических параметров графическим методом.

В координатах 1/R -- 1/D тангенс угла наклона прямой равен отношению D50/Rmax, а отрезок ординаты от начала осей координат до ее пересечения с прямой численно равен 1/Rmax.

4. Неспецифические взаимодействия ксенобиотика с мишенями токсичности

Кроме специфических взаимодействий между токсикантом и рецептором, известны многочисленные неспецифические реакции при которых токсикант разрушает молекулы-мишени, изменяет структуры эндогенных субстратов, разрывает существующие химические связи и ли участвует в формировании новых химических связей:

радикальные реакции, протекающие при избыточном накоплении в организме активных форм кислорода и азота (супероксидный анион-радикал О2яЇ, гидропероксильный радикал НОО+, гидроксильный радикал НО+ и радикал оксида азота +NO).

После химической атаки этими химически активными формами различных молекул может начаться спонтанный распад эндогенных веществ.

Например, образование из молекулярного О2 супероксид - радикала О2 - , сопровождающийся увеличением количества гидроксильных радикалов НО+. Другой цитотоксичный радикал +NО, образующийся из аргинина:

L - аргинин +О2 - L - цитруллин + +NО, реагирует с О2, образуя пероксинитрит - анион.

О2+NО - ОNОО-

При взаимодействии пероксинитрит - аниона с диоксидом углерода образуются радикал диоксида азота и карбонат аниона.

ОNОО + СО2 - ОNООСО2

ОNООСО2 - +NО2 + СО3

При атаке гидроксильным радикалом НО+ молекулы липида LН происходят гомолитический распад связи С - Н и образование липидного радикала L+ :

LН + НО+ - L+ Н2О.

Взаимодействие радикала L+ с кислородом приводит к образованию липидпероксильного радикала LОО+, который также вступает в реакцию с молекулой липида:

L + О2 - LОО+

LОО + LН - LООН + L

Реакция с участием свободных радикалов в организме очень разнообразны и не ограничиваются приведенными примерами.

2) Неспецифическое токсическое действие может проявляться также в виде изменение параметров отдельных участков биосред, например, величины рН, концентрации окислителей или восстановителей, поверхностной активности, адсорбционных свойств на межфазных границах.

5. Влияние кислотно - основной природы ксенобиотиков и рН-среды биосферы на межфазные равновесия Ж1 Ж

Коэффициент распределения К=СL/Сн2о в значительной мере зависит от кислотно-основной природы ксенобиотиков и рН биосред. Эти факторы определяют пути распределения токсикантов между биологическими средами и возможность их извлечения полярными и неполярными растворителями при пробоподготовке к анализу [1].

Из закона действующих масс для равновесия следует, что при рН, равном рКа или рКb1, слабые кислоты или основания ионизированы на 50%, то есть концентрации молекулярной (липофильной) и ионной (гидрофильной) форм равны.

Органические кислоты с низкими значениями рКа -- более сильные кислоты, а высокие значения рКа характерны для слабых кислот, например, протонированных форм оснований (табл. 2).

Таблица 2. Константы кислотной ионизации ксенобиотиков (лекарственных веществ).

Ксенобиотик	рКа	Ксенобиотик	рКа
Ампициллин	2,5	Бупивакаин	8,1
Салициловая кислота	3,0	Ацетазоламид	7,2
Фуросемид	3,9	Амилорид	8,7
Ибупрофен	4,4; 5,2	Адреналин	8,7
Варфарин	5,0	Ацетаминофен	9,5
Толбутамин	5,3	Атропин	9,7
Пириметамин	7,0	Амфетамин	9,8

Степень ионизации химического вещества зависит от значения его рКа и рН биологической среды. Взаимосвязь между рКа и рН описывается уравнением Хендерсона--Хассельбаха:

[ионизированная форма]

для кислот: рН = рКа + log -----------------------------------

[неионизированная форма]

[неионизированная форма]

для оснований: рН = рКа + log-----------------------------------

[ионизированная форма]

Рассмотрим примеры, демонстрирующие зависимость распределения токсиканта между биологическими средами и/или растворами in vitro от его кислотно-основной природы и от рН среды.

1. Токсикант -- слабая кислота, подвергающаяся ионизации в соответствии с уравнением НА« - »Н+ + А-.

Области преобладания (устойчивости, существования) молекулярной и анионной форм кислоты на рН-диаграмме разграничены прямой линией при рН = рКа :

О рКа 7 14 рН

В соответствии с уравнением Хендерсона--Хассельбаха

[А"]

рН = рКа + log ------

[НА]

соотношение заряженной и незаряженной форм токсиканта кислотной природы зависит от рН следующим образом:

[А-]

------- = 10рН - рКа ,

[НА]

откуда следует, что при рН = рКа концентрации заряженной и незаряженной формы равны [А-] = [НА].

В качестве примера рассмотрим равновесные процессы в биологических средах для ксенобиотика кислотной природы -- фуросемида (рКа 3,9). Пользуясь рН-диаграммой, нетрудно обнаружить, что в содержимом желудка (рН 1,5--1,8) преобладает незаряженная (протонированная) форма фуросемида НА. При изолировании этого ксенобиотика из рвотных масс при остром отравлении или при извлечении из содержимого желудка в посмертных судебно-химических исследованиях необходимо использовать неполярный органический растворитель, а анализируемую пробу подкислять.

В крови (рН 7,35--7,45) или моче (рН 4,8--7,4) фуросемид подвергается ионизации с образованием анионной формы (А-):

НА + Н2О « - » А-+ Н3О+

В связи с этим эффективность изолирования ксенобиотика из крови или мочи в неполярный растворитель также повышается при подкислении анализируемых биологических жидкостей. Снижение рН приводит к переходу заряженной формы фуросемида в неполярную форму:

А-+ Н+ « - » НА

2. Токсикант -- слабое основание В, протонированная форма которого подвергается ионизации в соответствии с уравнением:

ВН+ « - » В+ Н+.

Как и в предыдущем примере, области преобладания (устойчивости, существования) молекулярной и анионной форм основания на рН-диаграмме разграничены прямой линией при рН =рКа :

0 7 pK 14 рН

В соответствии с уравнением Хендерсона--Хассельбаха

[В]

рН = рКа + log---------

[ВH+]



соотношение заряженной и незаряженной форм токсиканта кислотной природы зависит от рН следующим образом:

[В]

-------- = 10 рН - рКа ,

[ВН+]

откуда следует, что при рН = рКа концентрации заряженной и незаряженной формы равны [ВН+] = [В].

В качестве примера рассмотрим равновесные процессы в биологических средах для ксенобиотика основной природы -- эфедрина (рКа = 9,6). Из рН-диаграммы следует, что в содержимом желудка, крови и моче преобладает протонированная форма эфедрина ВН+, так как значения рН этих биологических сред ниже рКа эфедрина. При изолировании этого ксенобиотика из биосред экстракцией в неполярный органический растворитель необходимо подщелачивание анализируемой пробы. Это приведет к смещению равновесия ионизации эфедрина в сторону молекулярной формы ВН+ + ОН- « - » В +Н2О, что повысит степень экстракции.

Из закона действующих масс для равновесия и вытекающего из него уравнения Хендерсона-- Хассельбаха следует, что доля ионной формы А- ксенобиотика кислотной природы, как и доля молекулярной формы В ксенобиотика основной природы, представляют собой не что иное, как степень ионизации НА и ВН+, и могут быть рассчитаны для различных значений рН по формуле:

L = 1/ (10рКа - рН + 1).

Степень ионизации основания В в соответствии с равновесием его основной ионизации:

Кв

В + Н2О « - » ВН+ + ОН-

определяется уравнением:

L = 1/ (10рН - рКа +1), где рКа = 14 - рКb.

Пользуясь этими формулами и рассмотренными выше рН-диаграммами, легко прогнозировать распределение слабой кислоты и слабого основания между водными камерами организма: мочой (рН 4,8-7,4), плазмой крови (рН 7,35--7,45) и желудочным соком (рН 1,5-1,8)

Например, из рис. 3 видно, что содержание фуросемида в крови значительно превышает его содержание в содержимом желудка, что свидетельствует о чрезвычайно высокой степени его абсорбции.

Для эфедрина, напротив, всасывание в кровь незначительно, так как преобладающая форма в содержимом желудка -- ионная ВН+.

Транспорт веществ из крови в мочу протекает в направлении увеличения доли ионизированных форм А- и ВН+ . Искусственное увеличение рН мочи в случае фуросемида, как и уменьшение рН при выведении эфедрина, повышают почечную экскрецию рассматриваемых ксенобиотиков.

Таким образом, накопление ксенобиотика в той или иной камере протекает в результате транспорта незаряженных (гидрофобных, липофильных) форм через липидный слой клеточных мембран. Этому процессу способствует образование ионных (гидрофильных, полярных) форм ксенобиотика в конечной камере.



Список используемой литературы

1. Королев Б.А. Практикум по токсикологии/ Б.А. Королев, Л.Н. Скосырских, Е.Л. Либерман: Учебник. - СПб.: Издательство «Лань», 2016. - 384с. - (Учебники для вузов. Специальная литература)

2. Мифтахутдинов А.В. Токсикологическая экология/ А.В. Мифтахутдинов; Учебник. - СПб.: Издательство «Лань», 2018. - 308с.: ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература)

3. Плетнева Т.В. Токсикологическая химия/ под ред. Т.В. Плетневой. - М.:ГЭОТАР - Медиа, 2008. - 512с.

Размещено на Allbest.ru

...