Вопрос 21 полициклические ароматические углеводороды – ксенобиотики супермутагенного действия

Ксенобиотики (от греч. ξένος — чуждый и βίος — жизнь) — условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот. Как правило, повышение концентрации ксенобиотиков в окружающей среде прямо или косвенно связано с хозяйственной деятельностью человека. К ним в ряде случаев относят: пестициды, некоторые моющие средства (детергенты), радионуклиды, синтетические красители, полиароматические углеводороды и др. Попадая в окружающую природную среду, они могут вызвать повышение частоты аллергических реакций, гибель организмов, изменить наследственные признаки, снизить иммунитет, нарушить обмен веществ, нарушить ход процессов в естественных экосистемах вплоть до уровня биосферы в целом.

Изучение превращений ксенобиотиков путём детоксикации и деградации в живых организмах и во внешней среде важно для организации санитарно-гигиенических мероприятий по охране природы.

Действие ксенобиотиков

Ксенобиотики — любые чуждые для организма вещества (пестициды, токсины, др. поллютанты), способные вызвать нарушение биологических процессов, не обязательно яды или токсины. Однако в большинстве случаев ксенобиотики, попадая в живые организмы, могут вызывать различные прямые нежелательные эффекты^[1], либо вследствие биотрансформации образовывать токсичные метаболиты:

• токсические или аллергические реакции

• изменения наследственности

• снижение иммунитета

• специфические заболевания (болезнь минамата, болезнь итай-итай, рак)

• искажение обмена веществ, нарушение естественного хода природных процессов в экосистемах, вплоть до уровня биосферы в целом.

Изучением влияния ксенобиотиков на иммунную систему занимается иммунотоксикология.

Мутагены наиболее разрушительны для экосистем, поскольку их влияние может проявляться и в последующих поколениях. Доказано, что 90% из них канцерогенны, вызывают злокачественные опухоли у животных и людей. Такими свойствами обладают некоторые тяжелые металлы (например, никель и хром) и множество органических соединений (полициклические ароматические углеводороды, полихлорированные бифенилы, хлорфенолы, некоторые амины и др.).

Впрочем, мутагенные соединения могут и не обладать острой токсичностью, но, накапливаясь в организме, проявляют продолжительное действие с особо опасными последствиями. Среди них различают химические вещества, реагирующие с ДНК непосредственно, и другие, требующие предварительных метаболических изменений или активации в клетке для проявления генотоксичности. Примерами первых служат эпоксиды, ароматические N-оксиды, нитрозамиды и т.д., вторых - ароматические углеводороды, ароматические амины и азотсодержащие соединения. Часто мутагенные соединения образуются при нефтепереработке.

Одна из характерных черт мутагенных и канцерогенных веществ - способность оказывать биологическое воздействие в очень низких концентрациях. Это затрудняет их аналитическое определение в тканях. С другой стороны, с помощью химических методов нельзя определить, какие вещества проявляют канцерогенное и мутагенное действие (хотя в последнее время под руководством доктора биологических наук Серикбая Абилева в московском Институте общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН разрабатывают математические методы, позволяющие по структуре соединения предсказать такие возможные его свойства). Окончательный же ответ дают только биологические тест-системы, приобретающие все большее значение и распространение. Однако, если, например, в США, тест Эймса (о нем мы скажем ниже) используют в сотнях лабораторий, то в России таких, к сожалению, не наберется и пяти.

Как и всякий ксенобиотик, мутаген претерпевает в организме ряд превращений. Условно их можно разделить на несколько этапов. В цитоплазме клетки он встречается со многими ферментными системами - они способны разрушить его молекулу и он утратит свои опасные свойства. Впрочем, часто возникает и противоположная ситуация, когда метаболиты данного ксенобиотика более мутагенны, чем исходное вещество. Этот процесс называется метаболической активацией (ниже о ней будет сказано подробнее).

В результате взаимодействия с хромосомами клетки мутаген вызывает в них потенциальные изменения - они либо реализуются в истинные мутации, либо их "залечивают" ферментные системы, следящие за постоянством структуры ДНК и "ремонтирующие" любые ее нарушения, возникающие как спонтанно, так и под влиянием внешних воздействий.

Известно огромное количество полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Соединения этой группы распространены убиквитарно и встречаются практически во всех сферах окружающей человека среды. Индикаторное значение для всех ПАУ имеет бензо(а)-пирен (БП). Это положение впервые было сформулировано еще в 1966 г. Л.М. Шабадом и его школой (А.П. Ильницкий, Г.А. Белицкий, А.Я. Хесина, А.Б. Линник и др.).  Установлено, что БП и другие ПАУ возникают как продукт абиогенного происхождения в результате вулканической деятельности. Экспериментально доказана и возможность синтеза ПАУ различными микроорганизмами и растениями, этим путем в биосферу поступает ежегодно до 1000 тонн БП. В формировании природного фона БП принимают участие и другие источники, например, лесные пожары.

Основные антропогенные источники ПАУ: 1) стационарные, т.е. промышленные выбросы от коксохимических, металлургических, нефтеперерабатывающих и иных производств, а также отопительных систем и предприятий теплоэнергетики; 2) передвижные, т.е. наземный, в основном, автомобильный транспорт, авиация, водный транспорт. Установлено, что только за 1 минуту работы газотурбинный двигатель современного самолета выбрасывает в атмосферу 2-4 мг БП. В атмосферу от этого источника поступает ежегодно более 5000 тонн БП. БП и другие ПАУ образуются главным образом в процессе горения самых различных горючих материалов (уголь, древесина, сланцы, нефтепродукты) при температурах около 80°С и свыше 500°С. ПАУ попадают в атмосферу со смолистыми веществами (дымовые газы, копоть, сажа и т.д.), поступают в водоемы со стоками различных видов, атмосферными осадками, выбросами водного транспорта и т.д. Поскольку в нефти содержание БП колеблется в очень широких пределах (по отечественным данным – от 250 до 8050 мкг/кг), то весьма актуальна проблема загрязнения среды сырой нефтью в результате ее добычи и транспортировки. Особенно сильно земли загрязнены нефтью и нефтепродуктами в регионах, насыщенных нефтепромыслами и нефтеперерабатывающими предприятиями, а также в местах аварий на трубопроводах.