Тема 12. Адаптационные процессы взаимодействия живых организмов с химическими факторами внешней среды. Основы ксенобиологии (1 час)

Цели:

1. ознакомление с метаболическими прцессами в организме при взаимодействии живых организмов с химическими факторами внешней среды

2. способностью использовать знания о современной естественнонаучной картине мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять методы математической обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4) профиль подготовки Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

3. готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

4. способностью использовать возможности образовательной среды для формирования универсальных видов учебной деятельности и обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-5) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения).

Содержание: Окружающая среда как источник многочисленных веществ, чужеродных организму человека. Чужеродные соединения (ксенобиотики). Разнообразие содержания их в пище, медикаментах, в продуктах химического производства и других сферах жизнедеятельности человека. Неорганические и органические ксенобиотики природного и синтетического происхождения. Канцерогены, как ксенобиотики и их классификация.

Метаболизм чужеродных веществ в организме. Основные закономерности метаболизма ксенобиотиков. Локализация метаболических превращений в организме. Основные типы реакций I и II фазы метаболизма ксенобиотиков. Детоксикация как функция химической защиты. Усиление токсичности (токсификация) как негативное проявление действия ксенобиотиков.

Структура и функция микросомной монооксигеназной системы (МОС). Структурная организация и функциональная роль эндоплазматического ретикулума печени в метаболизме ксенобиотиков. Общие представления о функционировании ферментов монооксигеназной системы животных и человека. Активация кислорода как универсальный механизм дейтсвия МОС. Микросомальная цепь переноса электронов. Основные реакции, осуществляемые цитохромом Р450. Современные представления о строении цитохрома Р450. Генная классификация цитохрома Р450. Семейства 1 и 2 как основные в метаболизме ксенобиотиков. Индукция ферментов МОС. Молекулярные механизмы активации генов Р450 и других ферментов, метаболизирующих ксенобиотики. Роль факторов транскрипции в активации генов некоторых Р450. Тканеспецифичность индукции.

Лекарства как чужеродные для человека соединения. Метаболизм лекарств множественными формами цитохрома Р450. основные фармакокинетические параметры при исследовании метаболизма лекарств. Лекарства-маркеры. Генетический полиморфизм в метаболизме лекарств, связь с патологиями человека. Использование тестовых лекарств в биомонторинге окружающей среды. Биохимические основы индивидуальной вариабельности метаболизма лекарств.

Метаболизм пестицидов и других промышленных химикатов. Пестициды и инсектициды. Полихлорированные углеводороды. Дихлорбензолы. Фосфорорганические соединения. Карбаматы. Фенолы. Фталаты. Диоксины. Природные вещества (никотин, стрихнин). Продукты промышленного производства. Хлорированные алифатические соединения и алифатические спирты. Ароматические углеводороды, нитросоединения и амины. Пищевые токсиканты. Биологические эффекты и последствия.

Токсификация как негативное проявление действия ксенобиотиков. Биоактивация и детоксикация промышленных загрязнителей среды. Роль реактивных метаболитов в реакциях токсификации (на примере метаболизма бенз(о)пирена как потенциального канцерогена. Механизмы тератогенеза. Образование аддуктов метаболитов с биологическими макромолекулами. Механизмы связывания реактивных метаболитов с ДНК и белками. Использование методов регистрации аддуктов в биомониторинге.

Современные представления о механизмах химического канцерогенеза. Ферменты микросомальной монооксигеназной системы в активации проканцерогенов. Роль продуктов в возникновении мутаций. Мутации и рак. Активация онкогенов в механизмах онкогенеза. Оценка факторов риска канцерогенеза. Полиморфизм ферментов I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и рак. Генетический полиморфизм цитохрома Р450IAI и частота возникновения рака легкого. Роль глютатион-S-трансферазы в возникновении онкологических заболеваний. Причины селективности химических канцерогенов.

Канцерогены в пище как результат антропогенного загрязнения среды и технологий приготовления пищи. Биохимические маркеры онкогенеза.

Растительные токсины и их действие на животных. Классы токсинов. Небелковые аминокислоты. Цианогенные гликозиды и алкалоиды. Судьба токсинов в организме животного. Адаптация животных к цианидам. Сердечные гликозиды и пирролизидиновые алкалоиды во взаимодействии растений и животных.

Интерактивная форма: Работа в микрогруппах составление схем биохимических процессов при метаболизме ксенобиотиков

При освоении темы необходимо:

ответить на контрольные вопросы: см. Фонд оценочных средств. Изучить термины. Обратить внимание на основы организации цитохрома Р450, структуру и функции микросомной монооксигеназной системы (МОС).

Термин ксенобиотик довольно условный, поскольку для одних организмов то или иное вещество может быть естественным (алкалоиды для растений), а для других - чужеродным (те же алкалоиды для животных). Кроме того, некоторые соединения, например этиловый спирт, могут быть одновременно чужеродными и природными для одного и того же организма.

Химическое строение и биологическое действие ксенобиотиков разнообразны. Практически все ксенобиотики в организме животных, растений и человека претерпевают превращения, происходящие или спонтанно, или катализируемые ферментами.

Ксенобиология изучает закономерности и пути поступления, выведения, распространения, превращения чужеродных химических соединений в живом организме и механизмы вызываемых ими биологических реакций. Ксенобиохимия более узкая дисциплина ксенобиологии.

Метаболизм ксенобиотиков является предметом изучения наиболее бурно развивающейся отраслью ксенобиологии - ксенобиохимии.

Метаболизм ксенобиотиков - это прижизненная функция химиче­ской защиты организма.

Ксенобиохимия развивается по двум направлениям - статическому и динамическому. В задачу статической ксенобиохимии входит установление структуры молекул метаболитов ксенобиотиков, образующихся в организме, а также их распределение в организме.

Для решения задач статической ксенобиохимии используются физические и физико-химические методы анализа метаболитов. Это сложные и многостадийные приемы по извлечению метаболитов из биологических сред, их хроматографическое разделение, идентификация и количественное определение.

Динамическая ксенобиохимия занимается вопросами механизмов реакций превращения ксенобиотиков. Решение этих вопросов - очень сложная задача, поскольку реакции метаболизма ксенобиотиков многостадийны. В этой связи не всегда удается получить полную информацию о структурных, стереохимических и энергетических характеристиках всех состояний метаболитов.

Принцип реакции живой материи на ксенобиотик состоит в том, что попадание в организм даже одной молекулы вызывает его ответную реакцию; тип и величина реакции определяются свойствами ксенобиотика, его концентрацией и биологической мишенью.

всякое влияние ксенобиотика на объект можно охарактеризовать некоторыми элементами проявления его биологического действия, на основании которых возможно создать систему классификации наблюдаемых явлений, используя различные критерии:

1. По типу биологического действия на мишень (мембранотропные ве­щества, разобщители дыхания, ингибиторы биосинтеза ДНК, РНК и др.).

2. Принцип LD₅₀ или LC₅₀ может быть распространен на любую классификацию и не обязательно связан с гибелью организма. Можно говорить в этой связи о дозе (концентрации) ксенобиотика, вдвое снижающей любую тест-реакцию (скорость биосинтеза белка, мембранный потенциал и т. д.).

3. По видам токсичности и опасности (эмбриональная, мутагенная, канцерогенная); и в том и другом случае можно установить определенные классы. При классификации по видам опасного действия необходимо учитывать период действия и срок проявления эффекта (кратковременные, длительные).

4. По избирательности действия ксенобиотиков: вещества могут быть токсичными по отношению к разным организмам. Научные основы этой классификации были заложены в начале XX в. в трудах Эрлиха.

5. По концентрационным пределам (пороговым значениям) токсического и/или опасного действия.

По характеру фармакологического действия (снотворные, нейролептики, гормональные и т. д.). Сильные кислоты (например, соляная) и сильные основания (например, гидроксид натрия) полностью ионизированы при значениях рН от 0 до 14, в то время как слабые кислоты и основания в этих пределах рН имеют разную степень ионизации. Даже небольшие отклонения рН в любую сторону от нейтрального значения (рН 7) могут существенно повлиять на степень ионизации многих веществ (алкалоиды, местные анестетики и т. д.). Реально степень ионизации в растворе определяется только двумя факторами: рН раствора и рК_а кислоты (или основания). Последняя из этих величин является константой для каждой кислоты или основания.

[Н⁺] [NH₃]

К_а =[NH₄⁺]

Поэтому при определенной величине рН степень ионизации зависит только от природы кислоты (или основания), при этом не важно, были они нейтрализованы или нет. величины констант ионизации слишком малы, поэтому значительно удобнее при рассчетах использовать их отрицательными логарифмами

_РК_а = - lgK_a.

Чем сильнее кислота, тем ниже ее рК_а (чем сильнее основание, тем выше ее рК_а).

Величины рК_а представляют собой десятичные логарифмы, следовательно, основность этиламина рК_а 11 и анилина рК_а 5 различается в миллион раз.

Степень ионизации любого вещества можно рассчитать при известных величинах рН раствора и рК_а вещества с помощью выражений:

Степень ионизации%кислоты=100/1+10 ^рКа-рН

небольшое изменение рН в определенной области может вызывать сильные изменения ионизации, особенно если значение рН раствора близко к величине рК_а исследуемого вещества. Значение рН, при котором кислота или основание ионизированы наполовину, эквивалентно их рК_а. Если рН на одну единицу ниже, чем рК_а, то кислота ионизирована на 9 %, а основание - на 91 %.

в зависимости от степени ионизации ксенобиотики обладают различной биологической активностью и их можно разделить на три большие группы:

1. Ксенобиотики, обладающие большей биологической активно-
стью в ионизированном состоянии.

2. Ксенобиотики, более активные в неионизированном состоянии.

3. Ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ио­нов и неионизированных молекул.

Эксперименты не дадут окончательного ответа, если не будет осуществлен контроль, позволяющий выяснить, не влияют ли изменения рН на подопытный организм. В подавляющем большинстве биологическая активность ксенобиотиков коррелирует с его способностью определенным образом распределяться между липидной и водной фазами. Соединения, вызывающие изменение каких-либо характеристик биологических мембран, можно разделить на вещества прямого мем-бранотропного действия и агенты, действующие опосредованно через вмешательство в цитоплазматический метаболизм или иным косвенным путем. 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. Во-вторых, стимуляция или угнетение биосинтетических процессов, протекающих в мембранах. Под этим подразумевается изменение активности мембранных ферментов, скорости синтеза мембранных белков, липидов-третьих, изменения под влиянием ксенобиотиков барьерно-транспортных свойств мембраны. В-четвертых, функциональное взаимодействие с веществами, действие которых на уровне мембран можно считать установленным.

Циклический АМФ регулирует внутриклеточные реакции всех изученных прокариотических и эукариотических клеток. Действие его основано на активации специфических ферментов цАМФ зависимых протеинкиназ, которые формируют многие белки, в частности белки рибосом, ряд ферментов, транспортные мембранные белки и др. Фос-форилирование белков - это их активации. В неактивированное со­стояние они возвращаются путем дефосфорилирования с помощью фосфопротеинфосфотазы (ФПФ).

цАМФ получается в организме из АТФ при участии аденилатцик­лазы, которая расположена на внутренней поверхности мембраны и работает только в присутствии фосфолипидов и ионов магния.

В нормальном состоянии активность аденилатциклазы подавлена. Но при взаимодействии агониста с рецептором Р на поверхности мем­браны аденилатциклаза активируется. В результате усиливается синтез цАМФ, увеличивается концентрация последнего внутри клетки и активируется один или несколько ферментов, расположенных внутри клетки. Таким образом, химический сигнал передается от одного посыльного к другому. Первичным посыльным является эффектор (гормон, медиатор), через ГТФ-связывающий G-белок и аденилатциклазу он передает сообщение внутрь клетки -

Вторичные посредники не только способствуют передаче внешнего сигнала во внутриклеточный, но и обеспечивают значительное усиле­ние первоначального сигнала. Каждая молекула рецептора, присоединившая сигнальную молекулу, активирует много молекул аденилат-циклазы, которые, в свою очередь, катализируют образование множества молекул цАМФ. В итоге, по всей цепи от рецептора до клеточной реакции происходит усиление сигнала. Для некоторых гормонов животных вторичным посредником является цГМФ. Наличие рецепторов характеризуется тем, что агент действует при низкой концентрации.

В настоящее время выделяют следующие формы прохождения ксенобиотиков (химических соединений) через мембраны:

1) пассивная диффузия;

2) облегченная диффузия (переносчики);

3) активный транспорт веществ, выполняемый молекулярными машинами (АТФазы) и редокс-цепями (РЦ);

4) активный транспорт веществ, осуществляемый за счет сопряжения термодинамических (электрохимических) градиентов.

Основные пути поступления токсических ксенобиотиков (промышленных ядов, пестицидов) в организм человека - это органы дыхания и кожа, а также пищеварительный тракт.

По имеющимся оценкам из регулярно поступающих в организм токсикантов до 70 % человек получает с пищей, 20 % - из воздуха, 10 %-с водой.

Через слизистую оболочку дыхательных путей поступают ксенобиотики, находящиеся в газо- и парообразном состоянии, в виде аэрозолей и пыли.

Через кожу проникают преимущественно липофильные вещества, находящиеся в жидком или газообразном состоянии при непосредственном контакте. Таким же образом проникают в организм отравляющие вещества кожно-нарывного действия.

Проникновение ксенобиотиков через слизистую оболочку пищеварительного тракта наблюдается при аварийных ситуациях в результате заглатывания распыленных в воздухе токсических аэрозолей, при применении отравляющих веществ, при поступлении отравленных пищи и воды и т. д.

Существенным фактором, влияющим на распределение ксенобиотиков и их способность к дальнейшей биотрансформации и экскреции, является астворимость в липидах (коэффициент распределения).

Наиболее широко в живых организмах представлены ферменты и ферментативные системы, катализирующие процессы окисления, восстановления, гидролиза ксенобиотиков и синтеза метаболитов, содержащих эндогенные соединения. В клетках высших организмов наиболее активной системой в метаболических превращениях посторонних соединений являются микросомные фракции, содержащие микросомные ферменты. Их большей частью извлекали из печени. Реакции, участвующие в путях биотрансформации чужеродных веществ, как правило, разделяют на 4 класса: 1) реакции окисления; 2) реакции восстановления; 3) реакции деградации (гидролиза); 4) реакции конъюгации.

Реакции окисления. Среди ферментов, катализирующих окисление ксенобиотиков, особое место принадлежит микросомным монооксигеназам. На долю указанных ферментных систем приходится большая часть работы, направленной на детоксикацию от чужеродных веществ в организмах. Кроме того, оксигеназы катализируют наибольшее число биохимических превращений ксенобиотиков, связанных с внедрением в их молекулу активированного кислорода.

Оксигеназа (монооксигеназа) - это фермент, катализирующий реакцию элементарного кислорода с некоторым субстратом, в процессе которой один из атомов кислорода входит в состав субстрата, тогда как второй атом кислорода реагирует с другим акцептором, чаще всего водородом, образуя воду:

RH + НАДФН + Н⁺ + 0₂ -> ROH + НАДФ⁺ + Н₂0.

В качестве основного компонента монооксигеназные системы содер­жат терминальную оксид азу - цитохром Р-450, относящийся к гемопротеидам.

Различают микросомальную, митохондриальную и бактериальную монооксигеназные системы цитохрома Р-450.

Митохондриальная система Р-450 в основном предназначена для регуляции эндогенных субстратов (стероидов), а не ксенобиотиков. Цитохром Р450 является гемопротеином. В восстановленной форме он связывает монооксид углерода с образованием комплекса с максимальным поглощением света при длине волны 450 нм. В геме цитохрома Р450 железо связано с атомами азота четырёх лигандов (с образованием порфиринового кольца), а также атомом азота гистидина и атомом серы цистеина, входящими в состав полипептидной цепи белковой части цитохрома Р450. Цитохром Р450 имеет множество изоформ — изоферментов.

• По классификации Nebert (1987) изоферменты цитохрома Р450 под разделяют по идентичности аминокислотного состава на 17 семейств (идентичность более 40%), а последние — на 39 подсемейств (идентичность более 55%). Семейства обозначают римскими цифрами, подсемейства — латинскими буквами. Отдельные изоферменты обозначают следующим образом: арабская цифра, обозначающая семейство, латинская буква, обозначающая подсемейство, и арабская цифра, соответствующая изоферменту.

• Изоферменты цитохрома Р450 различаются субстратной специфичностью и регуляторами их активности (ингибиторами и индуктора ми). В метаболизме ЛС принимают участие изоферменты семейств I, II и III, из них основные — IA1, 1А2, 2А6, 2В6, 2D6, 2С9, 2С19, 2Е1, ЗА4.

Реакции конъюгации. К конъюгационным относятся процессы биосинтеза, в результате которых из ксенобиотиков или их метаболитов и эндогенных продуктов (глюкуроновой кислоты, ацетил сульфата, глицина и др.) образуются сложные вещества.

Конъюгация ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой (образование глюкуронидов) - наиболее важный механизм детоксикации ксенобиотиков. В реакции участвует активная форма глюкуроновой кислоты -УДФГ. Катализирует процесс уридиндифосфатглюкуронозилтрансфе-раза (УДФГТ), локализованная в мембранах ЭР гепатоцитов, легких, кожи, кишечника, почек.

Глюкуроновая кислота - это 6-карбоксильное производное глюкозы -используется для конъюгации с ксенобиотиками у большинства позвоночных и всех млекопитающих. Она имеет преимущество перед глюкозой как детоксицирующий агент, поскольку содержит ионизируемую группу.

В пределах одного вида уровень микросомной активности зависит от пола организма и стадии его развития. Полярные соединения не стимулируют микросомальные ферменты, а липидорастворимые соединения, которые легко метаболизируются, не вызывают стимулирования до введения повторных доз.

Известен ряд лекарственных препаратов, которые подавляют микросомальный метаболизм ксенобиотиков, продлевая тем самым действие многих лекарств.

Большинство организмов содержит значительные жировые отложения; в этих тканях накапливаются ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения. В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации, а точнее, к полной детоксикации ксенобиотиков, создается экологическая опасность в этой связи возникает несколько возможных ситуаций:

- нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков; вредное действие на экосистемы здесь очевидно, поскольку в конечном итоге они, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы;

- нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием биодеградабельных ксенобиотиков и обусловленное следующими причинами: природой превращений и аккумуляцией ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций.

Проверка большого массива ксенобиотиков на один или несколько видов биологической активности получила название скрининга. Пестициды стали непременным компонентом многих пищевых продуктов. Для многих из них международными правилами установлены максимально допустимые для человека суточные дозы и ПДК продукта: Уменьшение опасности пестицидов должно идти по нескольким направлениям.

1. Замена химических методов борьбы с вредоносными организмами на биологические методы.

2. Создание научно обоснованных программ применения каждого пестицида, учитывающих их возможную роль в экологических сообществах, пути распространения в природе, и в пищевых цепях в частности, и т. п.

3. Оценка безопасности новых и уже используемых пестицидов по полной программе, адекватной проверке лекарств.

4. Создание новых высокоэффективных пестицидов, максимально безопасных для человека и живой природы (кроме тех организмов, на которые ориентирован пестицид).

Пищевые добавки - это чаще всего чужеродные соединения естественного или искусственного происхождения, употребляемые в пищу с целью улучшения запаха, вкуса, формы и цвета или для придания ей новых свойств, отличных от существующих ранее. Ряд пищевых доба­вок появляется в пище независимо от желания производителя - в процессе производства продукта или его упаковки. Эксперименты показывают, что любой жирорастворимый ксенобиотик влияет на состояние иммунной системы, нагружает систему детоксикации организма и через этот эффект может менять баланс многих эндогенных регуляторов (в первую очередь стероидных гормонов), концентрация которых в норме управляется скоростью их разрушения и выведения. Причем эти процессы осуществляются той же системой, что и выведение ксенобиотиков.

недостаткам использования ПДК в системе контроля загрязнения среды следует отнести следующие:

2. 1. ПДК отражает токсичность только для конкретного типа организма и поэтому не является универсальным критерием Реально в атмосфере присутствует в качестве загрязнения сложная смесь исходных веществ и веществ вторичного происхождения, возникающих как продукты исходных реакций. Это приводит к обесцениванию ПДК применительно к одному индивидуальному веществу: очевидно, что содержание каждого из компонентов такой смеси в концентрациях, ниже ПДК, не гарантирует ее безопасности.

3. При разработке норм допустимого содержания химических веществ в среде обычно не учитывается их накопление в конечных звеньях пищевых цепей, так как все звенья этих цепей во многих слу­чаях точно нельзя определить. Например, если в воде находятся миллионные доли ДДТ на литр, то в конце пищевой цепи, после планктона, рачков, рыб на 1 кг веса бакланов, питающихся крупной рыбой, приходится 26,4 млн долей ДДТ.

4. Различие в метаболических превращениях поллютантов у разных организмов.

5. Дороговизна установления одной нормы ПДК. Согласно американским данным, стоимость составляет около миллиона долларов. Российские авторы называли меньшие оценочные суммы, хотя тоже довольно значительные - от 43 до 200 тыс. руб.

6. Химические соединения, попав в экосистему, могут действовать на всех ее живых представителей. Это приводит к таким непредсказуемым нарушениям, которые, в конечном счете, скажутся на человеке.

В процессе биотрансформации возможно появление более токсичных ксенобиотиков.