Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
58. Механизмы транспорта наноматериалов в клетку и пути их поступления в организм. Транспорт наноматериалов в клетку происходит путём пиноцитоза и фагоцитоза,диффузии. Транспортные белки способствуют проникновению через клеточные мембраны многих полярных молекул небольшого размера однако они не способны транспортировать макромолекулы, например белки, полинуклеотиды, полисахариды, а также твердые частицы. Тем не менее в большинстве клеток указанные вещества проходят в обоих направлениях через плазматические мембраны. Механизмы, с помощью которых осуществляются эти процессы, сильно отличаются от механизмов, опосредующих транспорт небольших молекул и ионов. При переносе макромолекул или твердых частиц происходит инвагинация (впячивание или выпячивание) мембраны с последующим образованием пузырьков (везикул). Например, для того чтобы секретировать инсулин, клетки, индуцирующие этот гормон, упаковывают его во внутриклеточные пузырьки, которые сливаются с плазматической мембраной и отрываются во внеклеточное пространство, высвобождая при этом инсулин. Подобный процесс называется экзоцитозом. К  летки способны также поглощать макромолекулы и частицы и в обратном направлении. Этот процесс называется эндоцитозом(внутрь клетки).Тем не менее каждый пузырек сливается только со специфически-ми мембранными структурами, что гарантирует правильный перенос макромолекул и их распределение между внеклеточным пространством и внутренностью клеток. Одни секретируемые молекулы адсорбируются на поверхности клетки и становятся частью клеточной оболочки, другие включаются в межклеточный матрикс, а третьи попадают в интерстициальную жидкость и (или) в кровь, где они служат для других клеток в качестве питательных веществ или каких-то сигналов. Пиноцитоз подразделяется на несколько этапов: 1) адсорбция на мембране молекул вещества; 2) впячивание или выпячивание (инвагинация) мембраны, образование пиноцитозного пузырька и отрыв его от мембраны с затратой энергии АТФ; 3) миграция пузырька внутрь протопласта, органеллы или наружу; 4) растворение мембраны пузырька (при действии фермента) или просто ее разрыв. Исходя из функционирования транспортных механизмов на мембранах, последние делят на четыре типа. К первому типу относят мембраны, через которые транспорт веществ осуществляется путем простой диффузии, а скорость переноса прямо пропорциональна разности концентраций по обеим сторонам мембраны. Они препятствуют прохождению ионов и пропускают нейтральные молекулы. Через такие мембраны быстрее всего диффундируют молекулы веществ с высоким коэффициентом распределения в системе масло-вода, т. е. веществ, обладающих выраженными липофильными свойствами. Мембраны второго типа характеризуются наличием в них специфического переносчика, обеспечивающего облегченную диффузию и способствуют всасыванию ряда веществ, плохо проникающих через мембраны первого типа из-за высокой степени ионизированности или высокой гидрофильности. Транспортируемая молекула в мембране обратимо соединяется с переносчиком. Иллюстрацией может служить транспорт глюкозы в эритроциты человека. Особый интерес представляет облегченная диффузия в клетку молекулы холина. Простая диффузия ионизированной гидрофильной молекулы холина невозможна, однако специфический переносчик быстро доставляет его в эритроциты и другие клетки. Мембраны третьего типа (наиболее сложные из всех) способны при необходимости переносить вещества против градиента концентрации. Эта так называемая система активного транспорта требует затраты энергии, высокочувствительна к изменениям температуры. Примеры а) транспорт Na+ и К+ в клетки млекопитающих, перенос Н+ и К+ в клетках растений и т. д.; б) всасывание и выведение различных ионизированных и неионизированных веществ почечными канальцами и в меньшей мере через мембраны эпителия желудочно- кишечного тракта; в) захват бактериями неорганических ионов, сахаров и аминокислот; г) накопление ионов йода щитовидной железой; Мембраны четвертого типа отличаются от первого типа наличием пор (каналов), диаметр которых можно оценить по размерам самых больших молекул, проникающих через них. Один из наиболее изученных примеров мембран четвертого типа представлен почечным клубочком в капсулах Боумана. Мембраны четвертого типа встречаются в основном в капиллярах м  лекопитающих и в паренхиме почек. Поступление наноматериалов в организм: кожа (липофильные) ЖКТ (растворимые) Органы дыхания(гидрофобные) 59. Использование наноматериалов в системе защиты окружающей среды. Нанотехнологии в системы защиты окружающей среды: - нанодатчики; - фильтры очистки воздушной и водной среды; - наноматериалы для очистки окружающей среды от загрязнения. Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТiO2 до связывания атомов тяжелых металлов наномасштабными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Недавно было обнаружено, что наноразмерные частицы ТiO2, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей. Использование нанокатализаторов – веществ или материалов, которые обладают каталитическими свойствами и имеют по крайней мере один наноразмер и благодаря увеличению поверхностной площади обладают большей контактной поверхностью и более эффективно реагируют, чем сплошные материалы. Нанокатализаторы можно использовать, например, для очистки загрязненных грунтовых вод, в обычных устройствах для очистки воды, а затем восстанавливать их, т.е. возвращать в рабочее состояние, с помощью наномембран. Наночастицы железа в 10–1000 раз активнее обычных макроскопических частиц железа. Обладая меньшим размером и большей активной поверхностью, наночастицы могут легко проникнуть в центр загрязненной зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают окружающее пространство. Полученные материалы могут быть использованы в разработке новых технологий очистки окружающей среды от радиоактивных и токсичных элементов, переработки и захоронения жидких радиоактивных отходов, а также в создании новых материалов с уникальными оптическими свойствами. Сито, фильтр и мембрана уже давно взяты на вооружение технологами производства продуктов питания. Дальнейшее применение нанотехнологий в этой области означает лишь их усовершенствование. Фильтры с отверстиями менее 1 мкм могут задерживать бактерии, а меньшие отверстия не пропускают и вирусы. Кроме того, они могут использоваться при холодной стерилизации соков, молока и других жидкостей, позволяя сберечь витамины. Там, где нужна особая точность, уже сегодня используются фильтры из кремниевых пластин, применяемые также для изготовления полупроводников. Применение нанопрепаратов в растениеводстве может обеспечить повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение выхода готовой продукции. Почти для всех технических и продовольственных культур – картофеля, зерновых, овощных, плодово-ягодных, хлопка и льна – показатели урожая с использованием нанотехнологий увеличились в 1,5–2 раза. В области упаковки пищевых продуктов примером использования нанотехнологии являются материалы, которые находятся в контакте с пищевыми продуктами. В настоящее время нанокомпозиционные материалы получили широкое распространение в качестве упаковок или покрытия, которое наносится на пластиковые емкости в целях ограничения диффузии газа и увеличения срока хранения. Упаковки, созданные на основе нанотехнологии, все шире используются в производстве антимикробных материалов, находящихся в контакте с пищевыми продуктами, которые поступают в систему сбыта в качестве упаковки или покрытий. Существуют также примеры косвенного применения нанотехнологий в пищевой промышленности. Силиконовые чипы изготавливаются с помощью нанотехнологий на протяжении уже более 20 лет, и имеются достаточные основания полагать, что сенсоры с наноразрешением, способные обнаруживать химические и биологические загрязнители, будут значительно способствовать повышению безопасности и качества продуктов питания. Кроме того, использование наномерных фильтров для улучшения качества воды и экологической реабилитации может способствовать повышению безопасности продуктов питания, в особенности в развивающихся странах. Наноупаковки могут хранить пищу в более безопасном режиме. Например, кислородные датчики состоят из чернил, которые содержат наночастицы диоксида титана, могут быть включены в упаковку. Эти наночастицы становятся чувствительны к уровню кислорода, когда подвергаются воздействию УФ, а затем меняют цвет, показывая, что продукт окислился или, может быть, уже испорчен. 60. Перенос ксенобиотиков через мембрану с помощью переносчиков. Отличие от простой диффузии. Облегченная диффузия. Вещества, нерастворимые в липидах, с размером молекулы более 0,3–0,4 нм, не диффундируют через мембраны. Для объяснения высокой проницаемости клеточных мембран по отношению к сахарам, аминокислотам и некоторым другим соединениям была выдвинута концепция «переносчиков», связывающихся с транспортируемым веществом и таким образом «облегчающих» их прохождение через мембрану. Такая облегченная диффузия происходит по градиенту концентрации без затрат энергии и относится к ё транспорту. В основе механизма облегченной диффузии лежит обратимое соединение транспортируемого вещества со специфическим переносчиком, и образующийся комплекс вещество–переносчик диффундирует внутри мембраны от наружной поверхности к внутренней, где комплекс диссоциирует с высвобождением вещества внутрь клетки. Свободный же переносчик диффундирует назад к наружной поверхности мембраны, где соединяется с новой молекулой вещества, и цикл повторяется. Развивается также тетрамерная модель облегченного переноса. Согласно этой модели транспорт осуществляется не в результате присоединения переносимого субстрата к подвижному переносчику, а путем «внутреннего» переноса субстрата через белковый тетрамер, встроенный в мембрану (фиксированный переносчик). При пассивной диффузии ( простая) ксенобиотики проходят через мембрану в результате случайного молекулярного движения, и величина потока линейно зависит от концентрации и коэффициента проницаемости мембраны для данного вещества. Биологические мембраны, как известно, представляют собой мозаичную структуру, состоящую из липидов, структурных белков, белков-ферментов и других компонентов. «Сердцевина» мембраны представляет собой в основном гидрофобную область, поэтому неполярные вещества сравнительно легко проникают в клетки. Пассивный перенос – это движение вещества по градиенту электрохимического потенциала без затраты энергии, т. е. движущей силой пассивного транспорта веществ служит градиент электрохимического потенциала. Хорошо проникают через мембраны такие гидрофильные вещества, как глицерин, мочевина и др., радиус молекул которых не превышает 0,3 нм. Предполагают, что эти молекулы проходят через особые участки мембраны, так называемые «поры» (каналы). Аналогично считают, что заряженные частицы (ионы) движутся через ионные каналы. Через ионные каналы осуществляется не только транспорт веществ, они также непосредственно участвуют в передаче сигнала возбудимым клеткам (генерация потенциала действия). Канал – это две макромолекулы, образующие в мембране пору через бислои липидов Можно отметить ряд характерных отличий между облегченной и простой диффузией. 1. При простой диффузии поток вещества пропорционален внешней концентрации и все время возрастает с увеличением последней. При облегченной диффузии кривая, описывающая поток веществ через мембрану, стремится к насыщению при концентрациях, обеспечивающих связывание всех молекул переносчика. 2. Наличие специфических переносчиков, взаимодействующих с веществами определенного строения, обусловливает резко выраженную зависимость проникающей способности вещества от его химической структуры и, в частности, от пространственной конфигурации его молекул. 3. Облегченная диффузия, в отличие от простой, может ингибироваться некоторыми соединениями (иногда в весьма малых концентрациях), которые блокируют переносчик. |