Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
1. Основные представления о биологической активности и скрининге ксенобиотиков. Виды и примеры скрининга. Факторы, определяющие разнообразие проявления биологической активности ксенобиотиков. 2. Особенности биотрансформации, поступления и выведения ксенобиотиков у разных организмов. Характеристика отдаленных эффектов биологической активности (канцерогенез, мутагенез). 3. Влияние ксенобиотиков на физико-химические свойства цитоплазмы, транспортные функции биологических мембран и метаболические процессы в клетке. 4. Определение и характеристика механизмов избирательного действия ксенобиотиков. Роль физико-химических свойств ксенобиотиков в процессах избирательности. 5. Общие представления о тестировании биологической активности ксенобиотиков. Стандартизация и подбор тест-систем. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков. 7. Общие представления о стадиях биотрансформации ксенобиотиков. Ферментные системы, основные закономерности действия ферментов. Индукция защитных свойств организма. 8. Принципы организации системы тестирования биологической активности ксенобиотиков. Биологический эпиморфизм. Основные цели биотестирования. 9. Биоаккумулирование ксенобиотиков. Коэффициент накопления. Одно- и многоразовые дозы. 10. Характеристика факторов, влияющих на биоаккумулирование ксенобиотиков. Трофические цепи и экологические пирамиды. 11. Характеристика вредного влияния ксенобиотиков на экосистемы: критерии вредного влияния, последствия и формы, зависимость от времени. 12. Система первичной оценки безопасности ксенобиотиков: характеристика определяемых биологических активностей, тест-объектов и тест-реакций. 13. Биотесты и биоиндикаторы. Использование приемов биотестирования в системе экологического мониторинга. 14. Простая диффузия ксенобиотиков через биологические мембраны. Ионные каналы. 15. Влияние физиологических и генетических факторов на биотрансформацию ксенобиотиков. 16. Влияние факторов окружающей среды (стресс, температура, химические соединения и др.) на биотрансформацию ксенобиотиков. 17. Основные пути поступления и выведения гидрофильных и гидрофобных ксенобиотиков живыми организмами. 18. Описание основных процессов поведения ксенобиотиков в экосистемах. Роль адсорбции и перемещения. 19. Экологическая опасность процессов разрушения ксенобиотиков в биоценозах. 20. Реакция метаболического окисления органических ксенобиотиков, основные типы и ферменты. 21. Общая схема и основные реакции конъюгации в живых системах. Ферменты, катализирующие эти реакции. 22. Антагонизм и синергизм биологического действия ксенобиотиков (привести схему и примеры). 23. Образование хелатных комплексов. Характеристика лиганд (хелатирующих агентов). Сродство, коэффициент устойчивости. 24. Концепция рецепторов. Типы химических связей, определяющих взаимодействие молекул ксенобиотиков с мембранактивными сайтами (рецепторами). 25. Амфифильные ксенобиотики. Характеристика этапов их взаимодействия с биологическими мембранами, характер изменения селективности мембраны. 26. Роль физико-химических факторов окружающей среды на превращения ксенобиотиков 27. Связь структуры с активностью ксенобиотиков, закономерности и подходы, используемые для ее установления. 28. Понятия токсичности и опасности ксенобиотиков для живых систем. Яды и токсины. Приемы классификации. 29. Реакция метаболического восстановления и гидролиза органических ксенобиотиков, основные типы и ферменты. 30. Активный транспорт ксенобиотиков через биологические мембраны: определение и характеристика основных механизмов. 31. Характеристика процессов адсорбции ксенобиотиков. Изотерма Лэнгмюра. 32. Экологическая и токсикологическая характеристика оксидов азота, серы и фторсодержащих углеводородов. 33. Экологическая и токсикологическая характеристика тяжелых металлов. 34. Экологическая и токсикологическая характеристика пестицидов. 35. Экологическая и токсикологическая характеристика органических ксенобиотиков: полихлорбифенилы, нефть и нефтепродукты, поверхностно-активные вещества. 36. Наноматериалы: классификация, свойства, биологическая активность. 37. Экологическая и токсикологическая характеристика удобрений и биогенных элементов. 38. Виды мембранотропных эффектов. Типы мембранотропности ксенобиотиков. 39. Экологическая и токсикологическая характеристика наноматериалов. 40. Описание процессов связывания молекул ксенобиотиков с активными сайтами биологических мембран при отсутствии диффузионных ограничений. 41. Модели биофазы и Хилла, их использование для описания закономерностей взаимодействия веществ с активными центрами биологических мембран. Развитие биологической реакции на действие эффектора. Многоканальная система передачи сигнала. 42. Пиноцитоз и фагоцитоз ксенобиотиков. 43. Пассивный транспорт ксенобиотиков. Общие закономерности, виды пассивного транспорта. Движущие силы пассивного транспорта. 44. Масштабы химического загрязнения биосферы. Основные типы и причины роста глобального химического загрязнения. Определение термина «ксенобиотик». 45. Неорганические ксенобиотики. Металлы. Двухфазность биореакции на действие тяжелых металлов. Способность металлов к хелатообразованию. 46. Связь процессов ионизации молекул ксенобиотиков с их биологической активностью. 47. Поверхностные явления в системах воздух-вода, масло (липид) – вода для амфифильных веществ (на примере поверхностно-активных веществ) Классификация. Мицеллообразование. Виды мицелл. 48. Экологическая и токсикологическая характеристика моно-, диоксида углерода и озона. 49. Основные типы химических связей и их роль в процессах связывания эффектора с мембранактивными сайтами (рецепторами). 50. Ионизация, ее природа. Константа и степень ионизации молекул ксенобиотиков. 51. Характеристика процессов взаимодействия наноматериалов с окружающей средой. Пути миграции в окружающей среде. 52. Роль природы превращений и процессов перемещения ксенобиотиков для функционального состояния экосистем. 53. Накопление и распределение как один из механизмов избирательного действия ксенобиотиков. Цитологический механизм избирательного действия. 54. Избирательность действия ксенобиотиков. Определение понятия избирательности. Роль физико-химических свойств ксенобиотиков в процессах избирательности. 55. Биохимический механизм избирательного действия ксенобиотиков. 56. Механизмы биологического действия хелатирующих агентов. Характеристика антидотов. 57. Структура системы испытаний биологической активности ксенобиотиков. Специфические и неспецифические модели (тест-объекты). 58. Механизмы транспорта наноматериалов в клетку и пути их поступления в организм. 59. Использование наноматериалов в системе защиты окружающей среды. 60. Перенос ксенобиотиков через мембрану с помощью переносчиков. Отличие от простой диффузии. 1. Основные представления о биологической активности и скрининге ксенобиотиков. Виды и примеры скрининга. Факторы, определяющие разнообразие проявления биологической активности ксенобиотиков. Все ксенобиотики в разной степени обладают способностью воздействовать на живую материю, то есть проявлять биологическую активность. Для организмов характерно множество протекающих химических реакций, разнообразие физико-химических и структурных свойств веществ, как попадающих, так и находящихся в организме. Т.е. чужеродные для организма вещества могут воздействовать на живой организм, на его молекулярные компоненты, молекулярно-мембранные и биохимические процессы и т.д. Принцип реакции живого организма на ксенобиотик состоит в том, что попадание в организм даже одной молекулы вызывает его ответную реакцию; тип и величина реакции определяется свойствами ксенобиотика, его концентрацией и биологической мишенью. Любое проявление биологической активности ксенобиотика связано с его способностью пройти путь от внешней среды до мишени, связаться с ней и вызвать её реакцию. Биологическая активность ксенобиотика - его способность изменять функциональные возможности либо компонентов организма, либо живого организма в целом, либо сообщества организмов. То есть практически любое химическое соединение или композиция соединении обладает тем или иным видом биологической активности, что обусловлено огромным разнообразием физико-химических компонентов живой материи, способных вступать во взаимодействие с самыми различными по своим свойствам и структуре веществам. Ксенобиотики, попавшие в клетку, могут проявить биологическую активность под влиянием дополнительных физических или химических факторов среды. Факторы, обуславливающие разнообразие видов биологической активности ксенобиотиков: 1) множество биологических объектов, их состояния и протекающие в них реакции (индивидуальная реакция на ксенобиотик); 2) способы попадания в организм (доза, физическая форма вещества, временной режим введения, место введения и т.д.); 3) наличие или отсутствие дополнительных воздействий, которые предшествуют, сопутствуют или следуют за введением химического соединения. Одновременное действие нескольких ксенобиотиков может изменить биологические эффекты каждого из них; 4) способ, время наблюдения, принцип подбора биообъекта, анализ информации и т.д. Скрининг - проверка большого массива ксенобиотиков на один или несколько видов биологической активности. Цели скрининга: - выявление соединений, обладающих полезными для человеческого организма свойствами (например, для профилактики и лечения болезней); - обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей у испытуемых ксенобиотиков. Особую опасность представляют такие виды БА, как мутагенная, канцерогенная и т.д. - нахождение ксенобиотиков, влияющих на продуктивность и биологическое равновесие естественных и искусственных экосистем (нужны для с/х); -установление таких БА, которые могут вызвать неконтролируемое или недостаточно прогнозируемое нарушение биологического равновесия природных экосистем. Например, способность соединение резко увеличивать вероятность гибридизации вирусов гриппа или какой-либо другой группы вирусов или микроорганизмов; -нахождение химических соединений, которые могут быть реактивами для исследовательских работ в биологии и медицине и которые могут привести к развитию принципиально новых методов исследования; - накопление знаний, позволяющих предсказать виды БА по химической структуре вещества. 2. Особенности биотрансформации, поступления и выведения ксенобиотиков у разных организмов. Характеристика отдаленных эффектов биологической активности (канцерогенез, мутагенез). Основные пути поступления токсических ксенобиотиков (промышленных ядов, пестицидов) в организм человека – это органы дыхания и кожа, а также пищеварительный тракт. Проникая через биологические мембраны в сосудистое русло, ксенобиотик далее попадает в ткани к клеточным мишеням. Ряд гидрофильных ксенобиотиков выводится из организма человека в неизменном виде, но большая часть выделяется только после метаболических превращений. Существенным фактором, влияющим на распределение ксенобиотиков и их способность к дальнейшей биотрансформации и экскреции является растворимость в липидах (коэффициент распределения). Экскреция ксенобиотиков и их метаболитов через различные выделительные системы – заключительный этап в процессе поступления и трансформации. Экскреция осуществляется через почки, легкие, кожу, кишечник, слюнные, потовые, слезные, сальные железы, а также молочные железы при лактации. Почечная экскреция ксенобиотиков – основной путь удаления из организма ксенобиотиков и продуктов их биотрансформации. В основе почечной экскреции лежат следующие биологические процессы: клубочковая фильтрация (вода, глюкоза, аминокислоты, белки с молекулярной массой менее 60 кД и ксенобиотики-неэлектролиты), канальцевая секреция (осуществляется с помощью ферментных систем мембранного транспорта, этим путем в мочу попадают химические вещества, являющиеся органическими кислотами или органическими основаниями), канальцевая реабсорбция (обратное всасывание метаболитов и ксенобиотиков в канальцах нефрона, кроме реабсорбции путем активного транспорта, в проксимальных и дистальных канальцах нефрона неионизированные формы веществ подвергаются реабсорбции и экскреции путем пассивной диффузии). У растений нет специализированных путей поступления и выведения ксенобиотиков. Поступление чужеродных веществ в растения происходит главным образом через корни и листья. Ксенобиотик проникает в ткань листа через устьица или кутикулу. Через кутикулу соединения диффундируют медленнее, чем через устьица. В последующем распределении ксенобиотиков в тканях и органах растений большую роль играют сосуды ксилемы и флоэмы. Ксенобиотики, переносимые по сосудам ксилемы (например, ряд гербицидов), поступая в корни растений, быстро создают фототоксические концентрации в наземных органах растений. В то же время очень редко отмечается аккумуляция флоэмобильных ксенобиотиков в корнях при поступлении их через листья. Такая ситуация обусловлена главным образом экскрецией чужеродных веществ в ризосферу. Растения не имеют системы выделения, сравнимой с системой выделения животных, но их защитный механизм может включать связывание посторонних веществ некоторыми молекулами углеводов и накопление их в местах, лишенных метаболической активности (например, в вакуолях). Микроорганизмы способны разлагать многие сложные органические соединения на диоксид углерода и воду. Различия между организмами в их реакции на действие ксенобиотиков могут быть очень существенными и обусловлены разной способностью метаболизировать эти вещества. В пределах одного вида уровень микросомной активности зависит от пола организма и стадии его развития. В разных органах – печени, кишечнике, легких и т. д. – активность также различна. Микроорганизмы обычно содержат большое число ферментов, участвующих в процессах трансформации ксенобиотиков. Между микроорганизмами, обитающими во внешней среде и живущими внутри организма, существуют значительные различия в метаболизме ксенобиотиков. Так, многие микроорганизмы внешней среды, в отличие от кишечной микрофлоры, способны к более глубокой деградации ксенобиотиков (разрыву ароматических ядер и гетероциклических колец). Продукты расщепления служат для микроорганизмов единственным источником углерода. В микробиологической трансформации ксенобиотиков различаются процессы метаболизма и кометаболизма. Под первым понимают превращение соединения до конечного продукта реакции, который не участвует в трансформации. Кометаболизм – это изменение структуры молекулы ксенобиотика, катализируемое ферментами микроорганизмов, которые выросли на субстратах или их метаболитах. Субстраты оказывают индуцирующее действие на такие ферменты. Среди микроорганизмов чаще всего встречаются штаммы, осуществляющие неполную деградацию ксенобиотиков. Поэтому полное разрушение, например, пестицидов требует, как правило, совместного действия нескольких организмов и абиотических факторов. Очень важен тот факт, что генетическая способность некоторых штаммов бактерий разрушать тот или иной ксенобиотик зависит от наличия в клетках плазмид.В метаболизме некоторых ксенобиотиков бактериями действуют окислительные ферменты – диоксигеназы. В отличие от монооксигеназ диоксигеназы внедряют два атома кислорода в субстрат. канцерогенез, мутагенез Потенциально опасными мутагенами и канцерогенами являются ДДТ, ПХБ и полиароматические углеводы (ПАУ). Опасное воздействие указанных ксенобиотиков на человека проявляется в результате длительного контакта. По данным экспериментов: «генотоксической инициации» и «эпигенетического промотирования». Инициаторы в процессе взаимодействия с ДНК вызывают необратимые соматические мутации при очень малой дозе инициатора; предполагают, что в этих случаях не существует пороговых величин концентраций, т. е. любая малая доза в конечном итоге вызывает эффект. Промотору требуется более длительное время воздействия на организм, чтобы он вызывал появление опухоли. Промоторы усиливают действие инициатора, а их собственное действие на организм в течение некоторого времени является обратимым. К промоторам относят ДДТ, ТХДД, ПХБ, хлороформ. В настоящее время доказано мутагенное действие ПАУ (например, бензопиренов), нитроароматических соединений и многих пестицидов. Многие соединения, в конечном итоге, способны вызывать генетические изменения. Мутагены могут вызывать генетическую мутацию или привести к мутациям более крупных биохимических единиц (хромосомы, ДНК), образованию аддуктов, необратимому нарушению структуры. Следующими стадиями мутаций могут оказаться хромосомная аберрация, обмен хроматид и т. п. Процесс возникновения мутаций можно показать на примере реакций алкилирующих веществ Введение в основание ДНК – прекращению воспроизведения последовательности оснований в цепочке ДНК. Хромосомные аберрации в половых клетках приводят к смерти эмбриона или аномалии развития новорожденных. Воздействие на соматические клетки химических веществ, приводящие, например, к нарушению митоза, трудно поддаются распознаванию и прогнозу. Это объясняется тем, что такие клетки изолируются и заменяются на здоровые самим организмом. К основным причинам, вызывающим мутагенез (канцерогенез) под действием ксенобиотиков следует отнести: ‑ активирование ферментов, изменение ДНК и нуклеофильных групп; ‑ ограниченная способность клеток удалять химическимодифицированные участки ДНК и восстанавливать ее структуру; ‑ способность химических веществ активировать ферменты от вида клетки и стадии ее развития, а также от вида организма; ‑ многоступенчатость процесса канцерогенеза, обуславливающих факторов, которые частично зависят от «микроокружения» раковой клетки. ‑ способность мутагенных химических соединений выступать в качестве промоторов появления опухолей; мутации лишь в определенных условиях приводят к образованию опухолей; |