Нарушения в клетках организма под действием токсикантов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

Нарушения в клетках организма под действием токсикантов

По "Основы токсикологии"

Аль-Садоон

Али Аднан Тавфик

Волгоград

2015

Содержание

1. Как происходит нарушение энергетического обмена в клетках организма под действием токсикантов

1.1 Механизмы токсического повреждения систем энергообеспечения клетки

1.2 Биологические последствия действия токсикантов на мембраны

1.3 Повреждение процессов синтеза белка и клеточного деления

1.4 Биологические последствия действия токсикантов на нуклеиновый обмен и синтез белка

2. Экспериментальное установление пороговых концентраций вредных веществ на процессы самоочищения водоемов

Список используемой литературы

1. Как происходит нарушение энергетического обмена в клетках организма под действием токсикантов

В основе токсического действия веществ лежит повреждение клеток, сопровождающееся их функциональными, либо структурно-функциональными изменения. Разнообразие формирующихся при этом эффектов со стороны целостного организма обусловлено сложностью организации клеток, многообразием клеточных форм, составляющих организм. Сформировавшиеся в процессе эволюции особенности структуры и функции отдельных клеточных типов, формирующих различные органы и ткани, настолько существенны, что чувствительность различных клеток к токсикантам может отличаться в тысячи раз. Тем не менее, живое объединено общностью фундаментальных свойств (см. выше), а это позволяет выделить и некоторые общие механизмы, лежащие в основе цитотоксического действия ксенобиотиков. К числу важнейших можно отнести следующие:

- нарушение энергетического обмена;

- нарушение гомеостаза внутриклеточного кальция;

- активация свободно-радикальных процессов в клетке;

- нарушение процессов синтеза белка и клеточного деления;

- повреждение клеточных мембран;

Необходимо отметить, что все эти механизмы тесно связаны друг с другом. Порой один из них является пусковым, но в дальнейшем особую значимость для судьбы поврежденной клетки приобретают другие. Очень часто два или несколько из упомянутых механизмов связаны между собой по типу "порочного круга". В этой связи их выделение носит искусственный характер и оправдывается только целями данного издания.

1.1 Механизмы токсического повреждения систем энергообеспечения клетки

Нарушение процессов биоэнергетики приводит к повреждению биологических систем, вплоть до их гибели. Токсиканты могут влиять на энергетические процессы различными способами. Некоторые примеры представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Механизмы действия токсикантов на биоэнергетические процессы

Мышьяк, ртуть, их органические и неорганические соединения, другие тяжелые металлы, иодацетат и проч., могут взаимодействовать с сульфгидрильными группами целого ряда энзимов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот и подавлять их активность (сульфгидрильные яды). Достаточно избирательно действуют вещества-аналоги природных субстратов (фторацетат, оксид углерода и т.д.). Они взаимодействуют с активными центрами соответствующих энзимов, угнетая отдельные этапы процесса энергообеспечения клеток.

Ингибирование энзимов цикла трикарбоновых кислот (ТК) является пагубным для клетки. Так, некоторые фторированные спирты и фторкарбоновые кислоты (ингибиторы ферментов цикла ТК), являются чрезвычайно токсичными соединениями, вызывающими смертельное отравление в дозах нескольких миллиграмм на килограмм массы.

Большое токсикологическое значение имеют вещества, действующие на цепь дыхательных ферментов. Токсиканты, блокирующие элементы цепи дыхательных ферментов (цианиды, сульфиды), могут в течение нескольких минут привести организм к гибели. Первая ступень цепи дыхательных ферментов чувствительна к седативным средствам (барбитураты).

Некоторые вещества способны разобщать процессы биологического окисления и фосфорилирования. Такими свойствами обладают, как правило, липофильные соединения, содержащие фенольную группировку в молекуле и являющиеся слабыми органическими кислотами: 2,4-динитрофенол (ДНФ), динитро-о-крезол, хлорфенолы, дикумарол, а также салицилаты, арсенаты, тироксин и др. (рисунок 3). Самым активным разобщителем является 3,5-дитретбутил-4-гидроксибензилиден-малононитрил (SКF6847). Это вещество примерно в 1800 раз активнее 2,4-ДНФ и уже в концентрации 0,2 моль на 1 моль цитохрома вызывает максимальное разобщение.

in vitro "разобщители" стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями и индуцируют активность АТФазы. in vivo в результате их действия значительно активируются процесс клеточного дыхания, однако содержание АТФ в клетках при этом снижается. Образующаяся в ходе окисления субстратов энергия рассеивается в форме тепла, температура тела отравленного резко повышается, учащается дыхание, появляются тошнота, обильное выделение пота, развивается острая сердечная недостаточность, кома. Интоксикация развивается бурно и заканчивается быстрой гибелью пострадавшего.

Рисунок 3. Структура некоторых разобщителей процесса окислительного фосфорилирования

Механизм действия разобщителей до конца не выяснен. Полагают, что они облегчают переход протонов непосредственно через мембрану из митохондрий в цитоплазму. Двигателем же процесса образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата как раз и является градиент протонов по обе стороны мембраны митохондрий, не проницаемой для Н⁺, поддерживаемый реакциями биологического окисления.

Наконец еще одним механизмом нарушения энергообеспечения клетки является угнетение митохондриальной транслоказы, обеспечивающей транспорт ситезированной АТФ из митохондрий в цитоплазму. Таким образом, действует, в частности атрактилозид, вещество выделяемое из растения Distel Atractylis gummifera, произрастающего в Среднеземноморье (рисунок 4).

Рисунок 4. Структура атрактилозида

Непрямым механизмом цитотоксического действия является понижение токсикантами парциального давления кислорода в тканях.

Нехватку кислорода человек и другие млекопитающие могут переносить только несколько минут. Особенно чувствительными к аноксии являются клетки органов с интенсивным энергообменом (таблица 1).

Таблица 1. Потребление кислорода различными органами крысы

(Field et al., 1939)

Высоко чувствителен к нарушению процессов клеточного дыхания головной мозг. Если периферические ткани способны переживать (хотя и с нарушениями функций) частичную нехватку кислорода в течение нескольких часов, то необратимые изменения в ЦНС наступают спустя 4 - 5 минут после полного прекращения снабжения нейронов кислородом. Поэтому токсиканты, нарушающие кислородтранспортные функции крови также весьма токсичны (оксид углерода, нитро-, аминосоединения и пр.). Оксид углерода связывается с двухвалентным железом гема с образованием карбоксигемоглобина, метгемоглобионообразователи переводят железо гема из двухвалентной в трехвалентную форму. В обоих случаях гемоглобин утрачивает способность связывать кислород в легких и транспортировать его в ткани.

1.2 Биологические последствия действия токсикантов на мембраны

Вещества, действующие на клеточные мембраны, как правило, изменяют следующие их параметры:

1. Проницаемость. Изменяется поступление субстратов в клетки и отток продуктов метаболизма. Действие проявляется изменением интенсивности обмена веществ в клетке, нарушением электрических свойств мембран.

2. Электрический заряд. Нарушается раздражимость возбудимых клеток. токсический повреждение мембрана нуклеиновый

3. Структурная организация. Нарушается структура клетки, возможна клеточная гибель.

Кроме того, патохимические процессы, проходящие в мембране, приводят к образованию целого ряда биологически активных веществ, участвующих в патогенезе токсического процесса.

Поскольку система внутриклеточных мембран также является мишенью для действия многочисленных токсикантов, среди них можно выделить группу митохондриальных ядов, повреждающих различные звенья процессов биоэнергетики, веществ действующих на шероховатый (нарушение процессов синтеза белка) и гладкий эндоплазматический ретикулум (индукция или угнетение метаболизма ксенобиотиков), лизосомальные мембраны (аутолиз клеток) и др.

1.3 Повреждение процессов синтеза белка и клеточного деления

Деление, рост, дифференциация клеток, их мутация и малигнизация - процессы, неразрывно связанные с обменом нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и синтезом белка. Эти процессы чрезвычайно сложны и включают множество этапов. Действие веществ, нарушающих нуклеиновый обмен и белковый синтез, в этой связи, весьма разнообразно (таблица 3). Подавляющее большинство механизмов токсического повреждения изучено в опытах in vitro на изолированных быстро размножающихся клетках, а порой даже на прокариотах. Вот почему среди приводимых в качестве примеров веществ, преобладают цитостатики, антибиотики и красители.

Таблица 3. Возможные точки приложения повреждающего действия токсикантов на процессы синтеза белка и нуклеиновых кислот.

1.4 Биологические последствия действия токсикантов на нуклеиновый обмен и синтез белка

Токсикологическое значение веществ, вмешивающихся в процесс синтеза белка и клеточное деление, обусловлено их цитостатическим, иммуносупрессорным, мутагенным, тератогенным и канцерогенным действием (см. соответствующие разделы).

Повреждающее действие химических веществ на ДНК называется генотоксическим. Наиболее чувствительны к генотоксическому действию клетки, способные к делению (эмбриональные, герменативные, костного мозга, эпителия почек, кожи, слизистой желудочно-кишечного тракта и т.д.). Последствия повреждения ДНК зависят от дозы токсиканта. Высокие дозы вызывают цитостатический эффект (гибель пула делящихся клеток), более низкие - канцерогенное, тератогенное, мутагенное действие. В основе канцерогенного, тератогенного, мутагенного действия лежат по сути общие механизмы, однако превращение конкретного вещества в канцероген, тератоген, мутаген зависит от целого ряда условий (таблица 5).

Таблица 5. Условия воздействия генотоксиканта, определяющие форму развития токсического процесса: канцерогенеза, мутагенеза, тератогенеза

Существует представление, согласно которому проникновение в организм даже единственной молекулы генотоксиканта (в отличие от токсикантов с иным механизмом токсического действия) может привести к пагубным последствиям. Дело в том, что химическое повреждение единичной молекулы ДНК в единичной клетке макроорганизма, при стечении обстоятельств, может стать причиной мутогенеза, тератогенеза, канцерогенеза. Вероятность такого события бесконечно мала, но теоретически возможна. Такой характер действия веществ на биосистемы называется беспороговым.

Другим, важным с позиции токсикологии, последствием действия химических веществ на процессы синтеза белка является индукция микросомальных ферментов и, следовательно, изменение скорости и характера метаболизма ксенобиотиков. Значение этого эффекта неоднозначно, поскольку в итоге токсичность одних веществ уменьшается, других - возрастает (см. раздел "Метаболизм ксенобиотиков").

2. Экспериментальное установление пороговых концентраций вредных веществ на процессы самоочищения водоемов

1. Санитарный режим водных объектов в зонах влияния выбросов сточных вод определяется интенсивностью процессов естественного самоочищения, в ходе которых происходит потребление кислорода, развитие и отмирание сапрофитной и патогенной микрофлоры, трансформация и минерализация органических соединений.

В общем виде процесс биохимического потребления кислорода происходит в 2 стадии: первая - окисление нестойких органических соединений - развивается довольно быстро и носит экспоненциальный характер; вторая - окисление стойких органических веществ - протекает в природных водах медленнее и, как правило, линейно. Интенсификация второй стадии потребления кислорода в скляночном опыте означает наступление активации окисления азотсодержащих веществ или адаптации микрофлоры к ассимиляции изучаемого вещества.

2. Целью экспериментального гигиенического исследования влияния вещества на процессы естественного самоочищения водных объектов является обобщенная оценка интенсивности и направленности взаимосвязанных фаз биохимического окисления естественных органических веществ (БПК, аммонификации, нитрификации, развития и отмирания микрофлоры), обоснование пороговых концентраций вещества по общесанитарному признаку вредности (ПКсан.).

3. Объем исследования дифференцируется в зависимости от задач и результатов комплексной оценки токсиколого - гигиенических свойств веществ.

3.1. Проводятся исследования БПК за 5 (7) суток в динамике: тотчас, через 1, 3 и 5 (7) суток и определяется ПКсан.

3.2. После установления ПКорг. и ПКхр. по санитарно - токсикологическому признаку вредности они сопоставляются с ПКсан. по БПК5(БПК7).

При ПКсан./ПКорг., ПКсан./ПКхр. >= 1 исследования процессов самоочищения могут считаться завершенными.

При ПКсан./ПКорг., ПКсан./ПКхр. < 1 необходимы уточняющие исследования с изучением влияния веществ на динамику содержания аммиака, нитритов и нитратов в воде модельных водоемов. При стимуляции БПК необходимо продолжить наблюдения на 7 - 10 - 15 - 20 суток.

3.3. Для уточнения характера влияния вещества на процессы естественного самоочищения в качестве дополнительных могут применяться методы исследования динамики развития и отмирания микрофлоры. Дополнительные исследования в модельных водоемах со стандартизованной водой позволят получить представление о воспроизводимости результатов.

Каждый показатель исследуется не менее чем в 3-х сериях опытов.

4. Выбор концентраций для опыта проводят по данным о растворимости и стабильности вещества, величине химического потребления кислорода в расчете на 1 мг вещества.

В первой ориентировочной серии допустимы различия между концентрациями вещества в 10 раз, в последующих 3-х сериях исследуют 3 - 4 концентрации, отличающиеся одна от другой в 3 - 4 раза. Контролем служит разводящая вода без вещества.

5. В связи с высокой вариабельностью процессов самоочищения как в скляночных опытах, так и в модельных водоемах необходимо соблюдение ряда требований к разводящей воде и правилам ее подготовки.

В качестве источника органических веществ естественного происхождения и активной сапрофитной микрофлоры используют хозяйственно-бытовую сточную воду, которая должна быть свободна от примесей ингредиентов промышленных сточных вод и взвешенных веществ. Длительное хранение (более 24 ч) хозяйственно - бытовой жидкости при температуре 20 град. C недопустимо. При проведении ориентировочных опытов готовая смесь этой жидкости с разводящей водой должна храниться в холодильнике при температуре 4 - 8 град. C. Перед началом эксперимента перманганатным методом определяют окисляемость водной смеси с хозяйственно - бытовой сточной жидкостью. Если величина окисляемости выше 15 мг О₂/л, сточная вода разбавляется. В качестве разводящей воды используется дехлорированная водопроводная вода, свободная от веществ, оказывающих влияние на процессы БПК. Вода насыщается кислородом воздуха до концентрации 6,0 - 8,0 мг/л. Сосуды для этой воды нельзя использовать для других целей. Целесообразно, чтобы аэрированная вода имела температуру около 20 градусов.

После разбавления окисляемость смеси не должна превышать 8 - 9 мг О₂/л.

6. Определение окисляемости, БПК, аммиака, нитритов, нитратов проводится общепринятыми методами [1].

В дополнительных исследованиях может использоваться стандартизованная разводящая вода.

Допускается изучение слаборастворимых веществ в смеси с ПАВ или в виде мелкодисперсной взвеси или эмульсии. Контролем при этом служит разводящая вода, содержащая соответствующее количество ПАВ.

7. Правильность постановки опыта проверяется по следующим критериям.

7.1. Величина БПК за первые сутки должна быть в пределах 0,7 - 1,2 мг/л, а к концу опыта - не менее 3 мг/л. Динамика процесса БПК выражается зависимостью, близкой к экспоненциальной, не наблюдается смена подъемов и снижений кривой. В двойном логарифмическом масштабе график зависимости представляет собой прямую.

7.2. Баланс уменьшения количества аммиачного азота, нарастания и убыли нитритного азота и нарастания азота нитратов (до 0,1 мг/л) должен сохраняться в каждый момент определения.

7.3. При длительных исследованиях динамики БПК дополнительная интенсификация процесса на 5 - 10 или 15 суток может быть отражением наступления второй стадии минерализации и сопровождаться накоплением нитратов в воде.

8. Результаты всех стадий исследований представляются в форме таблиц, а динамика БПК и динамика развития и отмирания микрофлоры - и в виде графиков.

9. При оценке экспериментальных данных выводы делаются на основании каждой серии в отдельности. В силу высокой вариабельности процессов в разных сериях, усреднение и статистическая обработка результатов не допускаются.

9.1. Высокая вариабельность процессов самоочищения не позволяет принимать во внимание отклонения от контроля < 15%. С гигиенических позиций процессы ингибирования самоочищения более опасны, чем стимуляция. Поэтому необходима дифференциация критериев вредности в зависимости от направленности нарушения первой стадии минерализации. При ее ингибировании за пороговую принимается концентрация вещества, вызывающая угнетение БПК на 15%, а при стимуляции - на 20%. При преимущественном влиянии вещества на вторую стадию минерализации критерием пороговой дозы является 15%-ное отклонение от контроля.

9.2. Если при наименьшей из действующих концентраций БПК отличается от контроля больше или меньше чем на 15% (или 20%), пороговую концентрацию можно рассчитать на основании линейной полулогарифмической зависимости "концентрация-эффект" графическим или статистическим методом и, таким образом, получить более точную величину ПКсан.

9.3. Для уточнения величин пороговых концентраций при стимуляции БПК можно определить, сколько в процессе биохимического окисления приходится кислорода на 1 мг изучаемого вещества:

А - количество кислорода на 1 мг изучаемого вещества;

БПКх - БПК в опыте, последний срок наблюдения;

БПКк - БПК в контроле в последний срок наблюдения;

С - концентрация изучаемого вещества (мг/л).

Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения предусмотрено, что в воде водных объектов должен содержаться растворенный кислород в количестве не менее 4 - 6 мг/л. Поэтому применительно к натурным условиям при благоприятном санитарном режиме водного объекта без заметного ущерба для санитарного состояния водного объекта может быть использовано не более 1 - 2 мг/л кислорода. Тогда пороговая концентрация вещества ориентировочно может быть рассчитана по формуле:

А - количество кислорода на 1 мг изучаемого вещества.

Поскольку эта формула не в полной мере отражает реальное влияние сточных вод на санитарный режим водных объектов, предложена более точная формула:

Q - расход воды водного объекта, куб. м/с;

q - расход сточных вод, в составе которых сбрасывается нормируемое соединение, куб. м/с;

a - коэффициент смешения сточных вод с водой водного объекта.

9.4. Для расчетного прогноза условий спуска сточных вод, содержащих вещества, нормируемые по общесанитарному признаку вредности и стимулирующие потребление кислорода, важно определение константы скорости потребления кислорода:

БПКt и ВПК2t - биохимическое потребление кислорода для 2-х сроков инкубации, кратных между собой;

K - искомая константа скорости;

t - время, сут.

Список используемой литературы

1. Альберт Э. Избирательнаятоксичность. - М.:Мир, 1971

2. Куценко С. Основы токсикологии. Санкт-Петербург, 2002 г.

3. http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=3155

4. http://www.medline.ru/public/monografy/toxicology/#contents1p

5. Методические указания: Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно бытового водопользования.

МУ 2.1.5.720-98

Размещено на Allbest.ru