|
|
Ксенобиология ответы. 6. Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков
37.Экологическая и токсикологическая характеристика удобрений и биогенных элементов.
Общее потребление минеральных удобрений (N + P2O5 + K2O) составляет около 100 млн т в год. Содержание в воде нитратов и нитритов варьирует от 0 до 200 мг/л. Особую тревогу вызывает применение азотных удобрений, поскольку повышенное содержание нитратов и нитритов в питьевой воде, в овощах, зеленых кормах для человека и животных представляет токсикологическую опасность. Растворимые соединения азота могут оказывать токсическое действие на людей. Попадая вместе с пищей в организм нитраты микробиологическим путем восстанавливаются до нитритов, в результате в крови образуются нитрозил-ионы. Нитрозил-ионы окисляют двухвалентное железо в гемоглобине до трехвалентного, что препятствует связыванию кислорода гемоглобином.
В результате возникают симптомы кислородной недостаточности, приводящей к цианозу (синюха). При переходе 60–80 % железа в гемоглобине в трехвалентное наступает смерть. Особенно чувствителен к нитрозил-иону младенцы в первые недели своей жизни. У них недостаточно проявляется деятельность гемоглобинредуктазы (восстанавливает Fe3+ в Fe2+). У взрослых этот процесс идет активнее и в результате организм не так остро реагирует на присутствие нитратов и нитритов. Существуют допустимые нормы содержания нитратов в растительных продуктах питания, которые значительно отличаются. Это объясняют количеством производимой продукции, а отсюда и количеством потребляемой в пищу. В водопроводной воде содержание нитратов и нитритов недолжно превышать 10 мг/л. При норме 2 л в сутки человек потребляет 20 мг.
Обычно хорошо растворимые в воде удобрения, вымываются дождями и попадают в грунтовые и поверхностные воды. Большую опасность в этом случае для природной среды представляют содержащиеся в удобрениях ионы NO3-, NH4+, H2PO4-, HPO4-, которые способствуют зарастанию водоемов растительностью, т.е. происходит эвтрофирование. Например, содержание 10 мг фосфата в 1 м3 воды приводит к заметному росту планктона. Эвтрофикации подвержены не только внутренние водоемы, но и прибрежные участки океана.
Вместе с некоторыми удобрениями в почву попадают и побочные загрязняющие элементы (например, фтор, кадмий). Растения используют часть внесенных минеральных удобрений. Остальная часть может смываться в водоемы. Загрязнение почвы биогенами (фосфор, азот) происходит не только при внесении избыточного количества удобрений, но и другими путями (фекальные отходы животноводства, коммунально-бытовые загрязнения и т. д.).
38. Виды мембранотропных эффектов. Типы мембранотропности ксенобиотиков.
Можно попытаться свести это понятие к экспериментально установленной способности веществ первично (непосредственно) взаимодействовать с биологическими мембранами. Однако это не совсем оправданное сужение термина. В этой связи, говоря о мембранотропном действии какого-либо вещества, имеют в виду прямую или косвенную (опосредованную) модификацию мембранных структур, вызываемую соответствующими соединениями, и наступающие в результате этого изменения свойств биологической мембраны, прежде всего транспортных характеристик.
Круг относящихся сюда явлений очень широк, и одна из первоначальных задач – построение некоторой рациональной системы описания и классификация на этой основе мембранотропных эффектов.
Часто при обсуждении биологической активности химических соединений используется термин «специфическое» или «неспецифическое» действие. Все мыслимые химические соединения можно подразделить на присущие данному организму эндогенные продукты и на «посторонние» по своей химической природе вещества. Такая классификация не предполагает существования вполне четкой границы между двумя группами веществ. Отнесение каждого вещества к той или иной группе основано в этом случае на «функциональной» аналогии, а не на сходстве структуры молекул. Основой проявления действия биологически активных соединений может служить также локализация центров связывания.
Соединения, вызывающие изменение каких-либо характеристик биологических мембран, можно разделить на вещества прямого мембранотропного действия и агенты, действующие опосредованно через вмешательство в цитоплазматический метаболизм или иным косвенным путем. Однако и это разделение весьма условно, поскольку очень часто регистрируемый мембранотропный эффект оказывается результатом и прямого, и косвенного действия химического агента на мембрану.
Аналогичное замечание может быть сделано в адрес любой схемы, группирующей мембранотропные агенты по характеру вызываемых ими функциональных сдвигов. Например, соединения, влияющие на транспорт веществ через мембрану, обычно разделяют по их влиянию на пассивный или активный перенос. Поскольку часто оба процесса зависимы, нарушение одного из них сказывается также и на другом.
Только немногие соединения действуют строго избирательно лишь на один «чувствительный» центр связывания; но если даже это и имеет место, то наступающая за этим реакция мембраны почти всегда носит сложный характер, обнаруживая сдвиги, характерные для различных типов мембранотропных эффектов по любой принятой классификации.
Поэтому влияние агента на мембрану редко ограничивается изменением какого-то одного структурного элемента, функции или одной регистрируемой характеристики. В общем случае реакция мембраны должна рассматриваться как некий многомерный показатель. Таким образом, рациональный способ параметризации этой реакции не может быть определен однозначно. Например, степень деструкции мембраны под действием детергента может быть охарактеризована количеством молекул детергента, связанных единицей поверхности мембраны, сдвигом осмотических отношений в системе «клетка – наружная среда», изменениями электрических параметров мембраны и т. д.
Использование каждой из этих характеристик для той или иной цели диктуется зачастую некими субъективными или случайными обстоятельствами – например, экспериментальными возможностями, целями исследования и т. д.
Схематически выделяют следующие типы мембранотропности ксенобиотиков.
Во-первых, мембранная рецепция. Она может считаться доказанной, если установлено, что вещество не проникает внутрь клетки, избирательно накапливается в мембранах или специфически связывается, а также если эффекты отсутствуют в бесклеточных системах, по крайней мере в таких, которые не содержат мембранной фракции. Во всех этих случаях можно говорить о прямой (непосредственной) мембранотропности.
Во-вторых, стимуляция или угнетение биосинтетических процессов, протекающих в мембранах. Под этим подразумевается изменение активности мембранных ферментов, скорости синтеза мембранных белков, липидов и т. д. Первичность или опосредованность эффекта оценивается в каждом случае отдельно.
В-третьих, изменения под влиянием ксенобиотиков барьерно-транспортных свойств мембраны. Мембранотропность такого рода может быть прямой и опосредованной.
В-четвертых, функциональное взаимодействие с веществами, действие которых на уровне мембран можно считать установленным. Экспериментально выявляется стимуляция или угнетение под влиянием ксенобиотиков ряда гормональных веществ, природных соединений, а также аналогичное обратное действие указанных веществ. Интерпретация этих взаимоотношений сложна.
При рассмотрении всякого экзогенного влияния ксенобиотика на биологический объект предполагается, что молекулы эффектора сначала связываются с некими центрами сродства на мембране, инициируя тем самым определенную реакцию клетки (организма). Соответственно такой процесс и его анализ делятся на три части:
а) установление характера и локализация центров связывания;
б) оценка сродства к ним эффектора;
в) исследование развития реакции объекта на образование комплексов центров связывания с молекулами эффектора.
Остановимся на характеристике специализированных мест связывания эффектора и силах, определяющих это взаимодействие.
39. Экологическая и токсикологическая характеристика наноматериалов.
Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. Это один из наиболее общих терминов для обозначения изолированных ультрадисперсных объектов. Твердые частицы размером менее 1 нм обычно относят к кластерам, более 100 нм — к субмикронным частицам.
Классификация наноматериалов по происхождению:
- естественные (пылевые бури, вулканическая пыль, лесные пожары);
- антропогенные (сжигание топлива, мусора, сварка, радиоактивные выбросы при авариях);
- техногенные (промышленное производство).
Физико-химические особенности веществ в наносостоянии:
- увеличение химического потенциала;
- большая удельная поверхность;
- небольшие размеры и разнообразие форм;
- высокая адсорбционная активность;
- высокая способность к аккумуляции.
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, потенциальную
аллергенность;
- 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 к по отношению к нативному веществу.
Пример. ЛД50 наночастиц меди – 413 мг/кг
ЛД50 макрочастиц меди – 5 000 мг/кг
ИТ = 12
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.
40.Описание процессов связывания молекул ксенобиотиков с активными сайтами биологических мембран при отсутствии диффузионных ограничений.
Многие ксенобиотики действуют непосредственно на поверхность клетки, адсорбируясь на клеточной поверхности. В этой связи адсорбция играет существенную роль в познании механизмов как прямых и опосредованных мембранотропных эффектов, так и вызываемых ими реакций. Адсорбирующая поверхность в клетке может на несколько порядков превышать объем.
Когда говорят об адсорбции какого-либо вещества, подразумевают, что оно обратимо концентрируется на поверхности. Адсорбция определяется суммой всех химических связей, образующихся между молекулами или молекулами с поверхностью.
Процесс адсорбции обусловлен теми же типами связей, что и химические реакции, происходящие во всем объеме вещества.
Поверхность обладает двумя особенностями, которые и определяют количественные различия между реакциями, протекающими на поверхности и в растворе. Во-первых, на поверхности создается 100 % концентрация вещества. Поскольку адсорбируемое вещество обладает ничтожной растворимостью, то при такой его концентрации вероятность химического взаимодействия значительно возрастает.
Другая особенность поверхности заключается в том, что она содержит ненасыщенные валентности, которые в твердом веществе затрачиваются на связывание друг с другом составляющих его атомов.
Очевидно, что чем мельче истолчен кусочек угля, тем больше в нем остаточных валентностей и тем более активным адсорбентом он окажется.
На молекулу, которая адсорбируется из раствора на поверхности, действуют силы, стремящиеся возвратить ее в раствор. Мерой способности вещества возвращаться в среду является его растворимость, которую можно рассматривать как меру способности данного вещества десорбироваться.
Адсорбцию на поверхности подразделяют на неспецифическую и специфическую. Неспецифическая адсорбция характерна для веществ амфифильной природы, имеющих концевую гидрофильную группу, связанную с относительно большим гидрофобным остатком. Такие вещества занимают любую доступную им поверхность независимо от химической природы и физических свойств.
Специфическая адсорбция свойственна гидрофобным веществам, которые стремятся разместиться на поверхности, имеющей химически комплементарный характер. Простейший пример – притяжение аниона к положительно заряженному участку поверхности, а катиона – к отрицательно заряженному. В таких случаях ион будет адсорбироваться сильнее, чем неионизированная молекула.
Если при адсорбции не происходит образования ковалентных связей, то это обратимый процесс, и положение его равновесия устанавливается в соответствии с законом действующих масс. При выводе соотношения были сделаны следующие предположения:
энергия адсорбции постоянна и не зависит от степени заполнения поверхности;
адсорбция происходит на локальных центрах, и адсорбированные молекулы между собой не взаимодействуют;
максимальная возможная адсорбция соответствует полному заполнению монослоя.
Число молей вещества Г, адсорбированного на поверхности, выражается в виде функции равновесной концентрации вещества С в растворе.
С
Г = Гmax –––––– ,
Ксд + С
где Ксд – константна сорбции-десорбции; Гmax – число молей растворенного вещества, адсорбированного на поверхности адсорбента с образованием полностью заполненного монослоя; С – концентрация ксенобиотика в растворе.
Изотерму Лэнгмюра можно представить в линейной форме:
1 1 Ксд
––– = –––– + –––––– .
Г Гмах Гмах С
При адсорбции различных агентов часто наблюдается такое явление, когда биологический эффект от каждого последующего удвоения становится все менее ощутимым, при этом кривая зависимости эффекта от дозы также представляет собой гиперболу.
Для явлений, изучаемых общей химией, изотерма Лэнгмюра в большинстве случаев согласуется с экспериментальными данными при условии, что адсорбированный слой является мономолекулярным.
Известно несколько типов кривых, характеризующих процесс адсорбции
1. L-кривые, нормальные изотермы Лэнгмюра, характеризующие адсорбцию молекул, ориентированных на поверхности горизонтально. Чем больше вещества адсорбировано, тем более затруднена дальнейшая адсорбция.
2. S-кривые, соответствующие вертикальной ориентации молекул относительно поверхности. На этапе, который характеризуется начальным участком сигмоидной кривой, чем больше вещества уже адсорбировано, тем легче происходит дальнейшая адсорбция. Этот эффект получил название кооперативного.
3. Н-кривые, характеризующие случаи с высокой степенью сродства; на этих кривых начальные значения концентраций адсорбированного вещества очень велики;
Выделяют еще С-кривые, соответствующие линейной зависимости между константами распределения в тех случаях, когда вещество проникает в адсорбент легче, чем растворитель.
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.
Для целей интерпретации рассматриваемых зависимостей исполь-зуется ряд подходов. Один из них - это описание на базе балансвых уравнений. В простейшем случае, рассмотренном Р .Е. Фурхготтом, биофаза находится в непосредственном контакте с компартментом, являющимся источником эффектора; выход эффектора из биофазы в прочие компартменты рассматривается как реакция первого порядка; стехиомет-рия связывания эффектора с активным центром в данном случае принимается равной 1:1.
г
де с – концентрация эффектора в биофазе; B – предельная емкость биофазы; ki, ki´ – константы скоростей реакций, смысл которых ясен из рис. 4.5. Стационарная величина количества образовавшихся комплексов окажется равной
г
де К1 = k1´/k1 – коэффициент распределения эффектора между биофазой и средой, содержащей эффектор в концентрации С; К2 = k2´/k2 – константа диссоциации комплекса. При очень малых концентрациях эффектора С и сравнительно небольших значениях К1 и К2 можно предположить Q > Z, B > C и система упрощается:
где = k1С + k1´ + k3.
Процесс отмыва связанного эффектора после перенесения тестового объекта в контрольный раствор описывается уравнением 1 = [k2´ + + k2Q + ( k2´ + + k2Q)2 + 4 k2´]/2.
В п
ринципе можно допустить существование комплексов лиганд-рецептор RAn с любыми стехио- метрическими коэффициентами. Могут, например, существовать многовалентные места (рецепторы), образующие комплексы RAn путем последовательного присоединения лигандов:
Имеют место эффекты, обычно называемые кооперативными, причем кооперативность бывает отрицательной и положительной. Когда присоединение каждой последующей молекулы облегчается вследствие посадки предыдущей, то говорят о положительной кооперативности, если, наоборот, затрудняется, - имеем отрицательную кооперативность.
Препарат рецепторов, насыщенный радиоактивным лигандом, можно перенести в среду, не содержащую его, и измерить скорость диссоциации «меченых» комплексов. При этом часть препарата помещается в раствор, содержащий высокую концентрацию немеченого лиганда, часть - в раствор без лиганда. Если в первом случае скорость распада комплекса выше, это может свидетельствовать о наличии отрицательной кооперативности: нерадиоактивный лиганд, связываясь со свободными, незанятыми радиоактивными рецепторами, ослабляет меченые комплексы. И наоборот, если в присутствии нера диоактивного лиганда скорость диссоциации снижается, говорят о проявлении положительной кооперативности.
П
редельному случаю сильно выраженной положительной кооперативности (п>1) соответствует популярное уравнение Хилла. Здесь речь идет о механизме, допускающем лишь одновременное присоединение всех молекул эффектора к рецептору без образования промежуточных комплексов RA^ RA2... RAn: Соотношение, описывающее образование комплексов, имеет вид:
Следует отметить, что чем больше величина n, тем сильнее выражен S-образный характер кривой. |
|
|
Скачать 1.37 Mb.