Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
53. Накопление и распределение как один из механизмов избирательного действия ксенобиотиков. Цитологический механизм избирательного действия. Избирательность вещества - это его способность воздействовать на клетки, ткани, организмы только одного определенного типа и не влиять на другие, даже находящиеся в контакте с первыми. Избирательно действующих веществ известно уже немало. Существует три основных фактора (механизма), определяющих возможность проявления избирательного действия вещества. Соединение может, во-первых, избирательно накапливаться в различных клетках, органах и т. д.; во-вторых, вмешиваться в биохимические процессы, происходящие в живых организмах, и, в третьих, взаимодействовать с цитологическими структурами, существующими только в определенных видах клеток и организмах. Избирательность действия, обусловленная преимущественным накоплением и распределением вещества, может быть вызвана морфологическими особенностями. Например, сильная опушенность сорняков по сравнению с культурными злаками или относительно большая (в расчете на единицу веса или объема) уязвимая поверхность тела насекомых по сравнению с млекопитающими приводит к большой площади контакта распыляемого агента с вредным видом. Этот тип избирательности основывается на различии в распределении и накоплении. Агент, токсический как для полезных, так и для вредных клеток, накапливается только в последних. Иногда полезные и вредные клетки находятся в организмах разных видов. Безусловно, серная кислота повреждает цитоплазму и пшеницы, и сорняка. Однако листья пшеницы имеют гладкую и скользкую поверхность, а у двудольных сорняков она грубая и морщинистая; поэтому серная кислота скатывается с побегов пшеницы и задерживается на сорняках. Кроме того, нежные молодые ростки хлебных злаков защищены листочками и находятся ближе к земле, у основания растения, тогда как точка роста двудольных - на верхушках побегов, где они оказываются более уязвимыми. Таким образом, сорные травы гибнут, а полезные растения выживают в результате избирательного действия, которое целиком определяется различиями в распределении токсического вещества. У растений, в отличие от животных, имеются клеточная стенка, хлоропласты и механизмы, осуществляющие фотосинтез. Разработаны многочисленные гербициды, избирательно нарушающие процесс фотосинтеза на стадии реакции Хилла и, следовательно, совершенно безвредные для млекопитающих. К широко распространенным гербицидам, действие которых основано на ингибировании реакции Хилла, относятся фенил мочевины, триазины, урацилы и др. У растения, грибы, бактерии клеточная стенка значительно отличается по химическому составу. Клеточные стенки многоклеточных растений состоят из микрофибрилл целлюлозы различной длины, включенных в амфотерный матрикс из целлюлозы и пектинов. Клеточная стенка грибов представляет собой мозаику из различных углеводов с отдельными включениями липидов и белков. У дрожжей клеточные стенки состоят из глюкана (полиангидрид глюкозы) и маннанпротеинового комплекса, компоненты которого соединены между собой дисульфидными связями. Стенка грамположительных бактерий примерно наполовину состоит из муреина; остальная ее часть представлена тейхоевой кислотой. Стенка грамотрицательных бактерий устроена сложнее − муреин с наружной стороны покрыт мембраной, состоящей из липопротеидов и монополисахоридов; в стенках отсутствует тейхоевая кислота. Действие некоторых антибиотиков обусловлено нарушением различных стадий биосинтеза клеточной стенки бактерий. Так, механизм противомикробного действия бензилпенициллина заключается в образовании ковалентной связи с ферментом, в норме образующим поперечные сшивки в муреине на последней стадии биосинтеза. В результате этого растущая бактерия теряет способность строить новую стенку и погибает. Различие функций организма существует и внутри клеток благодаря наличию компартментов, отделенных друг от друга избирательно проницаемыми мембранами, в которых одновременно протекают различные взаимоконкурирующие реакции. Метаболические реакции, протекающие в определенном порядке при участии ферментов в отдельных компартментах на поверхности раздела фаз и на мембранах органелл, могут подавляться различными ксенобиотиками. Таким образом, цитологические различия во многом обеспечивают избирательность действия веществ. 54. Избирательность действия ксенобиотиков. Определение понятия избирательности. Роль физико-химических свойств ксенобиотиков в процессах избирательности. Избирательность вещества – это его способность воздействовать на клетки, ткани, организмы только одного определенного типа и не влиять на другие, даже находящиеся в контакте с первыми. Избирательно действующих веществ известно достаточно. Например, наркотики, которые были высокотоксичные для центральной нервной системы, но почти не оказывали действие на другие ткани (обратимое действие после прекращения). В сельском хозяйстве применение избирательно действующих веществ, позволяет избавляться от вредных организмов, не причиняя вреда полезным. Вещества с низкой избирательной селективностью оказывают влияние на многие ткани, органы и системы, вызывая тем самым большое число побочных эффектов. Например, противоопухолевые средства. Избирательность действия ксенобиотиков зависит от его дозы. Чем выше действующая доза препарата, тем менее эффективным он становится. Сюда относят и синтетические, и продукты животного и растительного происхождения. Например, антидиуретический гормон гипофиза вазопрессин регулирует содержание жидкости в организме, однако в больших дозах может вызывать спазм кровеносных сосудов. Избирательность действия ксенобиотика может определяться особенностями применения, морфологии, и поведения организмов, а также процессами проникновения, превращения и выведения. Для количественной оценки избирательности ксенобиотика ввели коэффициент избирательности (КИ), который характеризует степень выраженности избирательности. Показатель определяется отношением среднетоксических доз (LD50): КИ= LD50 одного организма / LD50 другого организма(вредители). Чем больше это отношение превышает единицу, тем более безопасен препарат для не вредных организмов. Существует три основных фактора (механизма), определяющих возможность проявления избирательного действия вещества. Соединение может, во-первых, избирательно накапливаться в различных клетках, органах; во-вторых, вмешиваться в биохимические процессы, происходящие в живых организмах, и, в третьих, взаимодействовать с цитологическими структурами, существующими только в определенных видах клеток и организмах. Свойства самого ксенобиотика оказывают большое влияние на избирательность действия и, в частности, степень его ионизации. Ионизация может способствовать проявлению избирательности действия и в тех случаях, когда место действия ксенобиотика (лекарственного препарата) имеет необычное значение рН, как, например, в желудочном соке или моче. Клетки с повышенной кислотностью (патогенные) могут поглощать катион 4-додецилпиридина, который обладает выраженными поверхностно-активными свойствами и может воздействовать на эти клетки. Из свойств, отличающих ионы от неионизированных молекул, которые определяют избирательность действия: а) ковалентную реакционную способность (образование и разрыв ковалентных связей); б) адсорбцию на поверхности и в) проникновение (транспорт) через мембраны. Разрыв ковалентных связей ферментами сильно влияет на избирательность действия агентов, так как при этом они могут превращаться в более активные или, наоборот, инертные вещества. Однако поскольку реакции с ионами и молекулами различаются очень сильно, изменения рКа внутри серии ксенобиотиков могут привести к существенным различиям в их действии. Есть 2 вида адсорбции (специфическая и неспецифическая). При неспецифической адсорбции нейтральные молекулы адсорбируются сильнее, чем ионы. Это происходит потому, что ион гидролизуется сильнее, чем соответствующие неионизированные молекулы, которые в этом случае легче выделяются из воды. Специфическая адсорбция свойственна гидрофильным веществам. Простейший пример – притяжения ионов к противоположно заряженным участкам поверхности. В таком случае ион будет адсорбироваться сильнее, чем неионизированная молекула. Проникновение веществ ксенобиотиков в клетку зависит от типа мембраны. Трудность прохождения иона через липопротеидную мембрану обусловлена несколькими причинами: ионы имеют относительно большую величину вследствие гидратации; заряд ионов аналогичен по знаку той части белковой поверхности, к которой он приближается (что приводит к отталкиванию), либо противоположен (что приводит к его фиксации). Поэтому незаряженные молекулы с малой молекулярной массой обычно легко проникают через мембраны. Нитрофенолы проявляют свое биологическое действие за счет ионизации с образованием аниона и сильно ингибируют реакцию Хилла при фотосинтезе. Однако было обнаружено, что при слишком высокой степени ионизации их активность теряется полностью. Это явление объясняется тем, что эти соединения легче проникают через мембрану в виде неионизированных молекул, а далее действуют как анионы. Такой механизм действия характерен для некоторых гербицидов: имидазолов, бензимидазолов, пуринов, пиразолов, индазолов, триазолов, бензотриазолов. Подобные результаты были получены и для оснований. Так, пириметамин, имеющий величину рКа 7,2, лучше поглощается клетками из достаточно щелочных растворов, где находится в виде неионизированных молкул. Известно, что ионы могут также хорошо проходить при наличии в мембранах ионных каналов, систем активного транспорта (АТФаз) и др., т. е. избирательность действия в этом случае будет зависеть не только от степени ионизации молекулы ксенобиотика, но и от типа мембраны, через которую вещество поступает внутрь клетки. 55. Биохимический механизм избирательного действия ксенобиотиков. Избирательность действия ксенобиотиков определяется различиями в процессах их биотрансформации, а также зависит от его влияния на какой-либо важный биохимический процесс, который у чувствительного организма имеется, а у устойчивого или отсутствует, или не столь чувствителен к данному веществу. На сегодняшний день из трех рассматриваемых нами факторов (накопление и распределение, биохимический, цитологический) избирательного действия ксенобиотиков наиболее изученным оказался биохимический. Это связано с успехами биохимической науки, в результате чего в настоящее время установлен целый ряд соединений, действие которых определяется протеканием метаболических процессов в клетке и организме в целом. Так, известны вещества, влияющие на синтез ДНК, ингибирующие начальные стадии синтеза ДНК; вещества, взаимодействующие с ДНК (ингибиторы, останавливающие как ее репликацию, так и транскрипцию); вещества, разрушающие ДНК (повышается температура плавления, вязкость, уменьшается плотность). Также известны вещества-ингибиторы синтеза РНК, ингибиторы синтеза белков, ферментов, различных путей катаболизма (метаболизм азота и фосфора), метаболизма углеводов, липидов, цикла трикарбоновых кислот, транспорта электронов и т. д. В этой связи рассмотрим некоторые примеры избирательности, основанные на биохимическом действии ксенобиотиков. Известно, что сульфаниламиды обладают антибактериальным действием. Это связано с тем, что они ингибируют стадии синтеза ДНК. Дегидрофолиевая кислота является предшественником кофермента, необходимого для биосинтеза тимина и всех пуриновых оснований. Без этих субстратов бактерии быстро погибают, так как им не из чего синтезировать ДНК. Два фактора, определяющие избирательность противобактериальных сульфаниламидов, взаимно усиливают друг друга: 1) у млекопитающих отсутствует фермент, синтезирующий дегидрофолиевую кислоту, и поэтому они толерантны к сульфаниламидам и 2) у патогенных бактерий отсутствуют мембранные белки, с помощью которых дегидрофолиевая кислота попадает в клетки млекопитающих из пищи. 56. Механизмы биологического действия хелатирующих агентов. Характеристика антидотов. Существует 2 разных механизма действия хелатирующего агента в биологических системах: I – удаление металлов из клетки или «маскировка» их в клетке (в виде комплексов) и II – накопление в клетке металлов в большем количестве, чем в обычных условиях. Дальнейшее подразделение зависит от того, являются ли исследуемые металлы жизненно важными или токсичными для организма. Механизм I. Большинство хелатирующих агентов, биологическое действие которых осуществляется по механизму I, получили распространение в качестве антидотов, предназначенных для «маскировки» или удаления из организма токсичных металлов. понятия «антидот» должно включать: а) вещества, инактивирующие яды посредством прямого химического (или физико-химического) взаимодействия с ними в организме; б) вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры. в токсикологии: «Противоядием называется лекарство, применяемое при лечении отравлений, т. е. нарушений здоровья, вызываемых вредным воздействием какого-либо химического агента (яда),и способствующее либо обезвреживанию последнего, либо предупреждению и устранению токсического эффекта». Антидоты подразделяются на 4 группы препаратов: -оказывающие влияние на физико-химическое состояние токсического вещества в желудочно-кишечном тракте (химические противоядия контактного действия); -оказывающие специфическое физико-химическое действие на токсические вещества в гуморальной среде (химические противоядия парентерального действия); -обеспечивающие выгодное изменение метаболизма токсических веществ в организме или направления биохимических реакций, в которых они участвуют (биохимические противоядия); -оказывающие лечебный эффект в силу фармакологического антагонизма с действием токсических веществ на одни и те же функциональные системы организма (фармакологическиепротивоядия). Итак, применяя антидоты, стремятся, с одной стороны, при помощи специальных химических препаратов воспрепятствовать действию ядов на организм, а с другой нормализовать или по крайней мере затормозить развивающиеся при этом неблагоприятные функциональные сдвиги в различных органах и системах. Понятно, что чем большее распространение будут иметь сведения о сущности действия и способах применения противоядий, тем более успешными станут мероприятия по предотвращению отравлений и ликвидации их последствий. Первый антидот – димеркапрол был синтезирован в 1940 г. в качестве антидота при отравлениях мышьяксодержащим боевым отравляющим веществом. В настоящее время его часто применяют для лечения отравлений соединениями золота, ртути (в виде неорганических и органических соединений), сурьмы и мышьяка. Выделяют следующие условия при применении антидотов: -циркулировать в крови, не вызывая уменьшения концентрации жизненно важных тяжелых металлов (+ необходимо строго контролировать их дозу); - наличие полярных групп (ОН, СООН, SH, NH2) (Эти группы должны присутствовать в избытке, чтобы по меньшей мере одна из них оставалась свободной после насыщения антидота металлом); - не должен проникать в клетки из кровотока; - легко выводится почками. Лишь в редких случаях сам агент, связывающий металл, оказывается токсичным для организма. Однако «маскировка» может приводить и к негативным результатам. Пример: действие синильной ки-ты. Она связывает свободные валентности железа в цитохромоксидазе, не затрагивая при этом четырех его связей с порфириновым ядром. Таким образом, фермент лишается возможности соединяться со своим субстратом, и дыхание прекращается. У многих видов это приводит к немедленной гибели организма. 57. Структура системы испытаний биологической активности ксенобиотиков. Специфические и неспецифические модели (тест-объекты). Для биологической активности ксенобиотиков определения, необходимы тест-объекты, на которых регистрируются определенные виды биологической реакции (гибель, изменение роста, изменение различных метаболических реакций и т. д.) при их действии; эти реакции часто называются тест-реакциями. Совокупность набора тест-объектов клеточно-тканевого уровня должна удовлетворять главному принципу системы – представительности выбранных биологических тест-объектов (БТО) по отношению к моделям биосферы и организму человека с соответствующим набором характеристик (тест-реакций), т. е. максимально удовлетворять поставленным задачам. Предлагается подбирать тест-объекты по следующим критериям: по молекулярным рецепторам, являющимся мишенями для веществ с данными видами активности; по принципу надмолекулярной организации и молекулярному составу (близость по структуре); по функциональному сходству; по органному или тканевому происхождению; по близости патологического состояния тест-объекта и реального объекта. следует учитывать последний признак – близость патологического состояния тест-объекта и реального объекта. Существует ряд методических подходов для стандартизации, подбора, приготовления тест-объектов, например: стандартизация условий содержания животных; выбор наиболее щадящих условий выделения и инкубации; использование дополнительных воздействий, переводящих тест-объект в заданное состояние и т. д. В конечном итоге для каждого тест-объекта клеточно-тканевой природы можно создать формализованный стандарт в виде набора количественных параметров, характеризующих стационарные и кинетические показатели тест-объектов. Следует различать специфические и неспецифические модели тест-объектов. Специфические имеют четко выраженные молекулярные мишени-рецепторы, реагирующие на определенные химические соединения, т.е. на определенные виды биологической активности. Однако неспецифическая модель является обязательным компонентом для классификации ксенобиотиков. С одной стороны, оказывается возможным различать химические соединения, обладающие разными видами активности на полностью неспецифической для этих видов активности модели. |