Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков

• Название: 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
• Анкор: Ксенобиология ответы
• Дата: 19.10.2022
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: Ksena_1-60.docx
• Тип: Документы; #742986
• страница: 10 из 12

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.

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.

48. Экологическая и токсикологическая характеристика моно-, диоксида углерода и озона.
Большую опасность представляет попадание в атмосферу окислов азота и серы, образующихся при сжигании ископаемого топлива. Количество выбросов окислов азота вместе с аммиаком оценено приблизительно в 200-350 млн т в год. Часть присутствующих в атмосфере оксидов (NO, SO) и диоксидов (N02, S02) азота и серы образуются в ходе естественно протекающих природных процессов – вулканических извержений, разрядов атмосферного электричества, жизнедеятельностимикроорганизмов.
Из ежегодно накапливающихся в биосфере оксидов азота на долю природных процессов приходится 1100 млн т этих соединений, антропогенная часть составляет еще около 53 млн т. Образование оксидов азота внутри помещений, накапливающихся в результате эксплуатации бытовых газовых приборов. Основную токсикологическую опасность из окислов азота представляют диоксиды азота. В концентрации 100 мкг/м3 диоксид не вызывает каких-либо морфологических изменений в органах дыхания у крыс. Однако повышение концентрации диоксида азота до 600 мг/м3 в организме животных приводит к развитию бронхита и начальным проявлениям пневмосклероза. Длительное воздействие диоксида азота вызывает целый спектр изменений физиологических систем организма животных (нарушение рефлекторной деятельности, гематологические изменения и т. д.). Диоксид азота в концентрациях 40-140 мг/м3 при экспозиции не более часа может вызывать развитие бронхита и бронхопневмонии. Наиболее опасное проявление острого отравления оксидами азота - отек легких.
Ежегодно в результате деятельности человека вырабатывается около 150 млн т серы, преимущественно в результате утилизации ископаемого топлива. При выплавке меди, свинца и цинка количество образующегося диоксида серы достигает 15 млн т. Определенное количество выброшенных в атмосферу окислов азота и серы удаляется в результате сорбции почвой, растительным покровом, водой и кислотных дождей. Последние снижают интенсивность фотосинтеза, вызывают гибель наземных растительных сообществ, подкисление водоемов и связанную с ним гибель гидробионтов. Воздействие оксидов серы на дыхательные пути приводит к увеличению респираторных заболеваний у населения, ослабляет иммунную защиту у людей и животных и т. д.
При накоплении в атмосфере фторсодержащих углеводородов уменьшается содержание озона. Общие выбросы углеводородов в атмосферу составляют не менее 200 млн т в год; особенно опасны для живых организмов, объединенных общей областью распространения (биоты), полициклические ароматические углеводороды, в частности бенз(а)пирен, образующиеся при сгорании различных видов топлива и других высокотемпературных процессах и вызывающие мутагенные и канцерогенные эффекты.

49. 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 твердых веществ, определяющихся 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.

50. 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.

Многие вещества при растворении в воде не повышают ее электропроводности. Это неэлектролиты (пример: сахароза, хлороформ), они понижают температуру замерзания воды пропорционально их молярной концентрации.

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.

Как правило, соли в разбавленных растворах полностью ионизированы. Исключения не многочисленны: галогениды ртути, кадмия, свинца. Вследствие полной ионизации солей их биологические свойства целиком определяются свойствами составляющих их ионов.

Реально степень ионизации в растворе определяется только двумя факторами: рН раствора и рКа кислоты (или основания). рКа является константой для каждой кислоты или основания. Поэтому при определенной величине рН степень ионизации зависит только от природы кислоты (или основания).

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 (Н+) и ацетат ионов (СН3СОО-). Соотношение произведения этих ионов [Н+] [СН3СОО-] к концентрации неионизированных молекул [СН3СООН] всегда является постоянной величиной и определяет константу кислотности Ка или просто константу ионизации данной кислоты:



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, 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:

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.

Обычно, величины констант ионизации слишком малы, поэтому значительно удобнее при рассчетах использовать их отрицательными логарифмами

рКа= – lgКа

Очевидно, что рКа дают возможность легко сравнивать силу разных кислот (или оснований). Чем сильнее кислота, тем ниже ее рКа (чем сильнее основание, тем выше ее рКа).

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 рКа вещества с помощью выражений:

Э ти уравнения показывают, что степень ионизации данной кислоты (основания) зависит от рН. Эта зависимость не является линейной, а выражается сигмовидной кривой.
Анализ этой кривой показывает, что небольшое изменение рН в определенной области может вызывать сильные изменения ионизации, особенно если значение рН раствора близко к величине рКа исследуемого вещества.

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

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

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.
   

51. Характеристика процессов взаимодействия наноматериалов с окружающей средой. Пути миграции в окружающей среде.
Взаимодействия наноматериалов с окружающей средой:

- образование и коагуляция золей; - растворение; - сорбция (поглощение); - разложение.

Пути миграции:

• 
  Подтвержденные экспериментально:
  

• 
  осаждение на поверхность, вмешательство человека – попадание в почву и водоносные слои – вторичный подъем
  
• 
  органосорбция – хемодеградация
  

• 
  Предполагаемые:
  

• 
  Из воздуха, почвы и воды в процессе питания и дыхания попадают в организм человека.
  

Оценка безопасности наноматериалов:

• 
  обнаружение, идентификация и количественное определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах;
  
• 
  изучение взаимодействия наноматериалов с липидами, белками, нуклеиновыми кислотами (ДНК, РНК, клеточные мембраны, рибосомы, ферменты, цитохромы Р-450) в системах in vitro;
  
• 
  исследование механизмов проникновения наноматериалов через биомембраны и связывания с мембранными рецепторами в системе in vitro; - выявление изменения характеристик наночастиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и др.);
  
• 
  определение параметров острой, подострой и хронической токсичности, органотоксичности (нейро-, гепато-, кардио-, иммуно-, нефротоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения нано- материалов по органам и тканям;
  
• 
  определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы антиоксидантной защиты;
  
• 
  изучение влияния наноматериалов на экспрессию генов, генотоксичность,
  

апоптоз, протеомный и метаболомный профили, потенциальнуюаллергенность;

• 
  - исследование влияния в моделях in vitro выживаемости пробиотических
  

микроорганизмов нормальной микрофлоры желудочно-кишечного

тракта в присутствии наноматериалов, процессов всасывания наноматериалов в желудочно-кишечном тракте на моделях in situ и in vivo

и определение влияния наноматериалов на микробиоценоз желудочно-кишечного тракта.
Индекс токсичности (ИТ) – характеризует токсичность наноматериала по отношению к нативному веществу.

Пример. ЛД50 наночастиц меди – 413 мг/кг

ЛД50 макрочастиц меди – 5 000 мг/кг

ИТ = 12 (делим)

Индекс опасности – отношение коэффициента кумуляции

нативного вещества к коэффициенту кумуляции наноматериала
Косвенное определение ПДК наночастиц (ИТ 10):

ПДКв.р.з. меди = 0,1 мг/м3 ; ПДКв.р.з. наночастиц меди = 0,01 мг/м3
Нанотехнологии в системы защиты окружающей среды:

- нанодатчики;

- фильтры очистки воздушной и водной среды;

- наноматериалы для очистки окружающей среды от загрязнения.

52. Роль природы превращений и процессов перемещения ксенобиотиков для функционального состояния экосистем.
Нарушение нормального функционирования экосистем, связанно с наличием биодеградабельных ксенобиотиков и обусловлено: природой превращений и аккумуляцией ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Сведения о скорости разрушения веществ биологическими системами являются необходимыми. 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 важно 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.
При оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений. Важно помнить тот факт, что почти любой органический ксенобиотик может метаболизироваться в каком-либо организме, и часто в результате довольно сложных последовательностей реакций образуются многочисленные мета-болиты. 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 по-следующие 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 в обработанных этим гербицидом растениях надо учитывать следующие факты. Вещество можно экстрагировать в виде соли в водном растворе, затем снизить рН, что-бы перевести кислоту в неионизированную форму, и в такой форме экс-трагировать неполярным растворителем, а затем очистить и проанали-зировать. 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.