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: 2 из 12

Влияние ксенобиотиков на физико-химические свойства цитоплазмы, проницаемость биологических мембран и метаболические процессы в клетке.

Цитоплазма – главное содержимое любой живой клетки – основа клеточной организации. Физико-химические изменения в цитоплазме являются ведущими в процессах жизнедеятельности клетки.

Вязкость. цитозоль, заполняющее пространство между клеточными органеллами, содержит систему микрофиламентов. Коллоидный раствор может быть золем (невязким) или гелем (вязким). Внешние слои цитоплазмы по своей конституции ближе к гелям.

Взаимодействие гидратированных ионов ксенобиотиков с заряженными белковыми молекулами цитоплазмы может вызывать переходы золь – гель и обратно. Катионы, имеющие поливалентный заряд, притягиваются сильнее к заряженной коллоидной частице по сравнению с одновалентными. Поэтому в первом случае молекула коллоидной частицы теряет часть гидратной воды, и цитоплазма превращается в вязкую гелеобразную массу. Во втором случае из-за слабого притяжения гидратные оболочки белка и иона сливаются и цитоплазма оводняется, превращается в жидкий раствор – золь.

Движение цитоплазмы. Движение цитоплазмы в животных и растительных клетках довольно распространенное явление, которое играет важную роль в осуществлении обмена и распределении веществ внутри клетки, а также характеризует уровень жизнедеятельности клетки. Скорость движения цитоплазмы (СДЦ) зависит от света, температуры, рН, ксенобиотиков.

Изоэлектрическая точка цитоплазмы. Все амфолиты способны давать двойственные ионы: положительные и отрицательные (аминокислоты с группами NH₂ и СООН). Кислые группы, теряя протон, становятся отрицательно заряженными СОО^- +Н⁺, основная группа, присоединяя протон, становится положительно заряженной NН₂+Н⁺→NН₃⁺.При конденсации полипептидов образуется белковая молекула, сохраняющая амфотерный характер, а также кислые и основные группы. Эти ионные группы и определяют электрические свойства белковых молекул (заряд белковой молекулы равен сумме зарядов ионных групп).

На ионизацию кислых и основных групп белка сильно влияет значение рН среды. В кислой среде аминокислоты присоединяют ион водорода (R–NН₂+Н⁺→R–NН₃⁺), образуя положительный заряд, в щелочной диссоциирует карбоксильная группа (СООН←→СОО^- +Н⁺), становясь отрицательно заряженной.

Значение рН, при котором белок имеет минимальный электрический заряд, принято называть ИЭТ. В растворе с рН, равном ИЭТ, белок не движется ни к одному из полюсов, тогда как в кислой перемещается к катоду, а в щелочной – к аноду. Различные ксенобиотики, имеющие кислотные или щелочные свойства, способны сдвигать величину рН в ту или иную сторону и тем самым изменять ИЭТ цитоплазмы. Влияние ксенобиотиков на проницаемость мембран. Биологическая способность ксенобиотиков определяется их способностью взаимодействовать с клеточной мембраной и, следовательно, изменять ее проницаемость для ионов и органических субстратов. За счет структурных перестроек изменяется условия для диффузии,т.е. изм-ся ионный канал. актиный транспорт ингибируется за счет воздействия на переносчики

3. 
   Определение и характеристика механизмов избирательного действия ксено- биотиков. 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. Существует три основных фактора (механизма), определяющих возможность проявления избирательного действия вещества:

Избирательность действия, обусловленная преимущественным накоплением и распределением вещества, может быть вызвана морфологическими особенностями. Этот тип избирательности основывается на различии в распределении и накоплении. Агент, токсический как для полезных, так и для вредных клеток, накапливается только в последних. Примеры: избирательное действие серной кислоты на посевы; йод, избирательно накапливающийся в щитовидной железе и т.д.

Избирательность, обусловленная биохимическими различиями. 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. Примеры.Одним из избирательных эффектов ДДТ, проявляющихся у птиц, является наблюдаемое под его действием нарушение кальциевого обмена, вследствие чего яичная скорлупа оказывается более тонкой. Такие яйца при насиживании раздавливаются, и птицы не выводят птенцов.

Цитологические различия как основа избирательного действия. Известно, что строение клеток у животных и растений различно. Клетки состоят из отдельных компонентов (клеточных органелл, компартментов и др.), у которых видовые особенности выражены очень четко. Различаются между собой даже клетки одного организма, но разных тканей. Примеры.У растений нет нервной системы и мышечных клеток. Поэтому фосфорорганические соединения, блокируя проведение нервного импульса, поражают насекомых и не приносят заметного вреда растениям. На этом явлении основана весьма эффективная система химической защиты растений от насекомых. Уникальность такой структуры, как хлоропласта, представляет возможность, например, для уничтожения растений (сорняков), не причиняя вреда пчелам и др.

Свойства самого ксенобиотика оказывают большое влияние на избирательность действия и, в частности, степень его ионизации. Ионы не образуют с местами связывания ковалентных связей, а, следовательно, могут легко отрываться. Поэтому для поддержания активного центра в насыщенном состоянии необходимо, чтобы в растворе, окружающем место связывания (рецептор), постоянно находился избыток данных ионов.

5. Общие представления о тестировании биологической активности ксенобиотиков. Стандартизация и подбор тест-систем
Когда мы говорим о биологической активности ксенобиотиков, то для ее определения, естественно, 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. В этой связи следует рассмотреть принципы отбора и стандартизации тест-объектов при классификации ксенобиотиков по видам биологической активности.

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.

И, естественно, 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.

Необходимо отметить, что следует различать специфические и неспецифические модели тест-объектов. Первые как раз и имеют четко выраженные молекулярные мишени-рецепторы (вспомним первый критерий), 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.

6.Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков.
Реакции восстановления атомов с переменной валентностью. Трансформация арсенатов As⁵⁺ в арсениты с As³⁺, селенатов с Se⁶⁺ в селениты Se⁴⁺, хлоратов Cl⁺⁶ в хлориты Cl⁺⁴. При трансформациях этого типа токсичность вещества нередко возрастает.

Реакции метилирования. Недавно было доказано, что микроорганизмы могут использовать реакции метилирования для превращения металлов в металлорганические соединения. Особое значение имеет способность некоторых микроорганизмов превращать ионы ртути в метил- и диметилртуть:

Hg²⁺ + донор метильной группы  CH₃ – Hg⁺,

CH₃ – Hg⁺ + донор метильной группы  CH₃ – Hg⁺ – CH₃.

В этой связи повышается опасность отравления живых организмов. В отличие от металлической ртути метилртуть почти полностью поглощается организмом и лишь незначительная часть выводится из него. Метилртуть распределяется во всех тканях, тогда как неорганическая ртуть накапливается главным образом в печени и почках. Кофактором, принимающим участие в переносе метильной группы к иону ртути, является метилкорриноид – вещество, содержащее витамин В₁₂.

Реакции конъюгации. Неорганический цианид обезвреживается в живых организмах конъюгацией с серой, в результате которой образуется тиоцианит:

SSO₃^2- + CN^-  SO₃^2- + SCN^-.

Процесс катализирует роданаза. Фермент находится в митохондриях печени различных видов животных и растений. Донорами серы служат тиосульфаты, тиосульфонаты, полисульфиды.

Путь биотрансформации сернистого газа (SO₂). Довольно подробно изучен в растениях. Первая стадия – окисление в сульфиты (SO₃^2-) и сульфаты (SO₄^2-) происходит в клеточной стенке при участии пероксидазы, затем происходит включение в фотосинтетический метаболизм серы.

Аденозинфосфосульфат (АФS)–первый продукт в реакции взаимодействия SO₄^2- с АТФ. Активированный сульфат (фосфо-АФS) связывается с серосодержащим переносчиком белковой природы (СS) и образуется комплекс C–SO₃, который восстанавливается до сульфида (CS- SH) при участии света через ферродоксин (Fd_восст, Fd_окисл). При переносе на о-ацетилсерин (AS) образуется цистеин и метионин. В случае высокого содержания сульфаты аккумулируются в виде глутатиона. Если восстанавливающая сила превышает имеющиеся в наличии источники углерода, сера, соединяясь с водородом, образует дисульфид (H₂S), который теряется в результате газового обмена.

Эффективность реакций детоксикации ограничена. При продолжительном поглощении SO₂ и увеличении кислотности буферная способность цитоплазмы становится недостаточной, уровень сульфитов в хлоропластах увеличивается, и SO₂ занимает места связывания СО₂ на рибулозодифосфаткарбоксилазе. В результате этого происходит ингибирование вторичных процессов фотосинтеза и разрушение третичной структуры ферментов.
7. Общие представления о стадиях биотрансформации ксенобиотиков. Ферментные системы, основные закономерности действия ферментов. Индукция защитных свойств организма.
Все биохимические реакции в живых системах носят ферментативный характер.

Все ферменты имеют белковую макромолекулярную природу и упрощенно могут быть представлены в виде сферических или палочковидных образований, на поверхности которых располагаются активные и регуляторные центры. Как сам фермент, так и его центры состоят из упорядоченно расположенных, создающих определенный пространственный узор полимерных нитей, построенных из аминокислот. Эти аминокислоты последовательно сшиты между собой ковалентными (пептидными) связями. Для каждого фермента характерен свой строго обязательный геометрический узор активного и регуляторного центров, что определяет его высокую специфичность к превращаемым веществам-субстратам.

Реакция начинается после того, как образуется фермент-субстратный комплекс, для чего необходимо строгое геометрическое соответствие их форм (пространственных и зарядовых геометрий).

Как же ферменту все-таки удается резко ускорить течение реакции? Для процесса взаимодействия двух веществ А и В с образованием продукта С необходимо, чтобы к моменту столкновения А и В они обладали таким запасом энергии, которого было бы достаточно для критической деформации электронных облаков молекулы, т.е. для разрыва и новообразования прочных химических связей, превращающих субстраты А и В в новый продукт С. Этот энергетический барьер, так называемая энергия активации, – главный ограничитель скорости химического процесса. Действие же фермента сводится к снижению высоты барьера. С этой целью фермент вступает в прямой контакт (комплекс) с молекулами субстрата, снижая энергетический барьер несколькими способами. Во-первых, на упругом полимерном каркасе фермента может растянуться и ослабиться «неугодная» химическая связь между атомами субстрата. Во-вторых, субстрат на ферменте может приобрести способность принимать множество конфигураций, из которых хотя бы одна облегчит переход к новому веществу. В-третьих, не исключена возможность сближения и принятия нужной ориентации реагирующих молекул субстрата. Все эти события разыгрываются на активных центрах.

Есть еще и регуляторные центры. В них не происходят каталитические превращения. В зависимости от избытка или недостатка продуктов ферментативной реакции эти центры замедляют или ускоряют ход процесса. В самом простом случае при избытке продукт присоединяется к центрам и предотвращает наработку новых. Когда продукта мало, регуляторные центры освобождаются и перестают тормозить работу активных центров.

8. Принципы организации системы тестирования БА ксенобиотиков. Биологический эпиморфизм. Основные цели биотестирования.

Цели определения биологической активности в общем виде сводятся к следующим:– Выявление соединений, обладающих полезными для человеческого организма свойствами).– Обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей у испытуемых ксенобиотиков; Нахождение ксенобиотиков, влияющих на продуктивность и биологическое равновесие естественных и искусственных экосистем.– Установление таких биологических активностей у испытуемых чужеродных соединений, которые могут вызвать неконтролируемое опасное или недостаточно прогнозируемое нарушение биологического равновесия природных экосистем (способность соединений резко увеличивать вероятность гибридизации вирусов гриппа).– 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 биологической активности по химической структуре вещества.

Индустриальные масштабы испытаний и их промышленная организация требуют введения нового принципа, который позволил бы на порядки увеличить производительность системы и обеспечить возможность работы с малым количеством испытуемого вещества.

Поэтому возникает необходимость обратиться к исследованиям на тканевом, клеточном, молекулярном уровнях строения живого, что, в свою очередь, необходимо для выяснения механизма действия конкретного ксенобиотика. Вот здесь вступает в право использование принципа качественного подобия – эпиморфизма тест-объекта и целевого объекта в отношении определенного биологического свойства ксенобиотика.Главные методологические трудности при использовании эпиморфных моделей заключаются в том, чтобы определить оптимальный уровень детализации модели по отношению к моделирующему процессу, т.е. целостному организму. Этого можно достичь исходя из того, что в системе тест-объектов на клеточном уровне организации представляются все царства живого и основные типы тканей организма человека, а также из того, что у тест-объектов в совокупности определяются все основные реакции (гибель, повреждение, адаптация, проницаемость, метаболизм ксенобиотиков, синтез белка и ДНК, возбудимость и т.д.).

Общий принцип организации биологических испытаний чужеродных соединений – это многоуровневый набор тестов с повышающейся на каждом уровне сложностью биологического тест-объекта (модели) и соответственно растущей детализацией и надежностью прогноза вида биологической активности. Первый уровень – базовый, через него проходят все соединения, которые в соответствии с результатами прохождения этого первого уровня направляются затем к специализированным тестам.

Базовый уровень состоит из трех подуровней. Биологическая активность ксенобиотика уже включена в его химическую структуру. Поэтому на первом подуровне сведения о структуре и некоторых свойствах соединений вводятся в компьютер, который производит первичный анализ принадлежности соединения данной структуры к определенным уже известным классам биологической активности. На втором подуровне эта классификация производится на основании экспериментального определения дополнительных физико-химических характеристик веществ. На третьем подуровне в систему вводятся тест-объекты. Основным тест-объектом этого подуровня является изолированная клетка. На этом подуровне регистрируется способность чужеродных химический соединений влиять на такие основные свойства живой клетки, как рост, дыхание, энергетика, биосинтез, способность к генетическим изменениям и т. д. База пропускает весь массив испытуемых ксенобиотиков, выдавая для каждого из них единообразный набор характеристик – основной биологический «паспорт».

Второй уровень, меньший по пропускной способности, – надстройка. Надстройка работает в режиме преимущественной ориентации на первые две цели: нахождение химического соединения, обладающего полезными для человеческого организма свойствами, и обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей испытуемых химических соединений.

Испытанию ксенобиотиков на множество видов биологической активности должна предшествовать операция предварительной сортировки на моделях, допускающих создание испытательных систем высокой производительности, т.е. на предварительном этапе на упрощенных (модельных) системах необходимо предсказать вид биологической активности и определить ксенобиотики, которые, по вероятным оценкам, не обладают определенными видами активности (резус) или являются токсичными (исключаются из системы испытаний).

Основная идея предыспытания состоит в том, чтобы реализовать следующий методологический подход. Заменить модели организменного уровня некоторой совокупностью моделей доорганизменного уровня. Таким образом, достигается цель более экономного расхода химического соединения на единичное испытание и реальнее становится автоматизация испытаний с технологической стороны. В этом случае при определении наиболее важных видов биологической активности и перенесении закономерностей на целостный организм подбирается совокупность адекватных моделей на основе принципа биологического эпиморфизма. Вначале исследуются два массива ксенобиотиков: новые и известные. Это связано с тем, что среди известных соединений, не испытывавшихся ранее на биологическую активность, могут быть обнаружены искомые лекарства. Кроме того, для известных тестируемых ксенобиотиков могут быть выявлены новые виды биологической активности. Все это заставляет включить в систему испытаний как вновь синтезируемые, так и уже испытанные на отдельные виды биологической активности ксенобиотики.

При дальнейших испытаниях проводится предварительная оценка безопасности отобранных ксенобиотиков. С учетом полученных результатов по фармакологической активности на более простых моделях последующая проверка ксенобиотиков проводится на животных. Ксенобиотики, у которых обнаружена нужная для практических целей активность, проходят испытания по полной программе, включая тестирование на основные и побочные виды активности.