2. Особенности биотрансформации, поступления и выведения кс у разных организмов.

Особенности метаболизма КС у различных организмов.

Цитохром P-450 имеется у многих организмов и способен метаболизировать широкий круг КС. Высшие организмы сохраняют также способность к конъюгации.

Различия между организмами в их реакциях на воздействие КС обусловлены разной способностью метаболизировать эти вещества и могут быть существенными. Напр., процесс деметилирования антипирена в печени хомяка идет в 200 раз активнее, в печени краба. Низкая активность характерна для всех водных организмов.

Микроорганизмы содержат большое число ферментов, участвующих в биотрансформации. Многие мо внешней среды в отличие от кишечной микрофлоры, способны к более глубокой деградации КС (напр., разрыву ароматических ядер). В микробиол трансформации различают процессы метаболизма (превращение соединения до конечного продукта реакции, который не участвует в трансформации) и кометаболизма( изменения структуры молекулы КС, катализируемые ферментами мо, которые выросли на субстратах или их метаболитах).

Многие КС (ДДТ) могут разлагаться рядом мо. Только в условиях кометаболизма. Полное разрушение пестицидов требует совместного действия нескольких мо. Часто генетическая способность к разруш КС зависит от наличия плазмид. С помощью ген инж производят конструирование плазмид, объеденяющих гены, ответственные за отдельные стадии разрушений устойчивых пестицидов и биотрансформации других КС.В метаболизме некоторых КС бактериями действуют окислительные ферменты – диоксигеназы. (внедряют в субстрат 2 атома кислорода).

В высших растениях функции активаторов кислорода и его восстановления осущ пероксидазы, каталаза, полифенолоксидазы. Микросомальная система, участвующая в процессах биотрансформации, распространена в разных тканях растений. Растения могут запасать токсины в своих клетках в нетоксичной связанной форме.

Трансформация у растений происходит как и у животных, за счет реакций окисления, восстановления, гидролиза и последующей конъюгации. Эти процессы служат инактивации КС и переводу его в растворимое состояние, что позволяет либо изолировать его в клеточных вакуолях, либо вывести через корневую систему и листья. Для растений характерна конъюгация с глюкозой, а иногда с аминокислотами ,белками , лигнином. Чужеродные вещества, содержащие фенольные или азотистые группировки, биотрансформируются прямым путем с образованием глюкозида. Если таких группировок нет у токсического в-ва, то в преконъюгацинном процессе происходит их введение в структуру. Образование глюкозида-ключевой процесс, и происходит с участием фермента глюкозилтрансферазы. Для животных более характерно образование глюкоуронида или этерифицированного сульфата.

ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ токсических КС (промышл ядов, пестицидов) в организм человека - это органы дыхания, кожа, пищеварительный тракт.

Токсиканты: до 70 % человек получает с пищей, 20 % - из воздуха, 10 % - с водой.

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

Через кожу проникают липофильные вещества, находящиеся в жидком или газообразном состоянии при непосредственном контакте, вещества кожно-нарывного действия.

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

Т.о., проникая через биол мембраны в сосудистое русло, КС далее попадает в ткани к клет мишеням. В случае липофильных КС (не аналоги метаболитов), в качестве мишени - внутриклеточная среда. Для промышленных ядов - всасывание из легких.

Всасывание из пищеварительного тракта яда или зараженных продуктов, воды. Участок всасывания (слизистая оболочка желудка, тонкой/толстой кишки) определяется физ-хим свойствами КС, его способностью к ионизации, взаимодействию с мембранами эпителиацитов.

Распределение КС в жидкостях и тканях организма определяется их способностью к абсорбции и участию механизма активного транспорта или связано с функционированием переносчиков. В первые минуты после проникновения КС -незлектролита в организм, значение для его накопления в органах и тканях имеет их кровоснабжение, то с течением времени все большую роль в их распределении играют сорбирующие свойства тканей. Существ фактором, влияющим на распределение КС и их способность к дальнейшей биотрансформации и экскреции является растворимость в липидах (коэффициент распределения).

На поступление КС внутрь тканей и на их токсическое действие значительное влияние оказывает связывание с белками крови, в частности с сывороточным альбумином (СА). Для многих КС их обратимое взаимодействие с сывороточным альбумином препятствует проникновению во внутриклеточную среду. Комплексообразование с СА оказывает неоднозначное влияние на скорость метаболизма и зкскрецию КС.

В организме высших млекопитающих - происх распределение КС с участием циклических механизмов, определяющих, по каким путям (органам и тканям) движется вещество. Циркулирующее в крови вещество (лек препарат) по печеночной артерии и портальной вене попадает в печень. Из обеих долей печени вещество (или его метаболит) вместе с желчью попадает в желчный пузырь. Через опред промежутки времени желчь поступает в дистальную часть двенадцатиперстной кишки по желчному протоку. Некот препараты всасываются в воротную вену и с током крови попадают в печень, а оттуда с желчью снова в тонкий кишечник. В зависимости от вида препарата он может проходить дополнительный цикл: кишечник - легкие - бронхи - трахея - глотка - кишечник. Затем он выводится из организма (моча, кал, отхаркивание).

ЭКСКРЕЦИЯ КС и их метаболитов - заключительный этап в процессе поступления и трансформации - через почки, легкие, кожу, кишечник, слюнные, потовые, слезные, сальные железы, а также молочные железы при лактации.

Почечная экскреция КС - основной путь удаления КС и продуктов их биотрансформации. В основе: клубочковая фильтрация, канальцевая секреция, канальцевая реабсорбция. В клубочках почечного тельца фильтрации подвергаются вода, глюкоза, а-ты, белки и КС-неэлектро-литы. Канальцевая секреция - процесс, осуществляемый с помощью ферментных систем мембранного транспорта в проксимальных участках канальцев нефрона. Этим путем в мочу попадают хим вещества (орг к-ты или орг основания). Канальцевая реабсорбция - процесс обратного всасывания метаболитов и КС в канальцах нефрона.

Экскреция КС легкими. Удаляются летучие и газообразные вещества, это ингаляционные наркотики и их метаболиты, промышленные газы, продукты печеночной биотрансформаци токсических веществ, хлорированных углеводородов, этанола и т. д.

Экскреция КС печенью. Выделение метаболитов или конъюгатов из гепатоцитов происходит через систему желчных ходов или после обратного всасывания в синусоиды – через почки. Считается, что поверхность гепатоцитов, обращенная к желчным капиллярам, высокопроницаема для макромолекул большинства органических веществ, вследствие чего многие вещества содержатся в желчи в концентрациях, близких таковым в крови. Однако для многих полярных КС (метаболитов, конъюгатов) выделение в желчь из гепатоцитов осуществляется путем активного транспорта против градиента электрохимического потенциала. Интенсивность желчной экскреции зависит также от соотношений между константами связывания КС с белками гепатоцитов и плазмой крови.

У растений нет специализированных путей поступления и выведения КС. Поступление чужеродных веществ в растения происходит через корни и листья.

Поступление в корни органических КС из водных растворов происходит в две фазы: первая - быстро протекающая диффузия в апопласт; вторая - медленное продолжительное поступление, при котором количество накапливаемого КС прямо пропорц-но времени экспозиции.

В корневую систему растений поступает широкий спектр гидрофильных и липофильных органических молекул КС (алифатические, ароматические и гидроароматические углеводороды, спирты, фенолы, амины, гетероциклические соединения и др.).

Через листья. Экзогенные соединения, содержащиеся в атмосфере или атмосферных осадках, в первую очередь контактируют с листвой растений. Более того, обработка растений различными пестицидами, регуляторами роста и т. д. зачастую производится путем опрыскивания или опыливания, т. е. в первую очередь происходит их контакт с листьями.

В ткань листа через устьица или кутикулу. Через кутикулу соединения диффундируют медленнее, чем через устьица. Из водных растворов поступление КС через устьица неэффективно, т.к. высокое поверхностное натяжение веды приводит к образованию у входа в устьичную щель выпуклого мениска, что препятствует поступлению экзогенного соединения. Кутикула проницаема и для гидрофильных молекул, но, являясь гидрофобной, она лучше пропускает липофильные КС.

Сосуды ксилемы и флоэмы. КС, переносимые по сосудам ксилемы (ряд гербицидов), поступая в корни растений, быстро создают фототоксические концентрации в наземных органах растений. В то же время очень редко отмечается аккумуляция флоэмнобильных КС в корнях при поступлении их через листья. Такая ситуация обусловлена главным образом экскрецией чужеродных веществ в ризосферу.

Выделение через листья - довольно редкое явление. Пример - выделения фенола листьями растений Scirpus lacustris.

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

Цитоплазма - главное содержимое любой живой клетки - основа клеточной организации. Физ-хим изменения в цитоплазме - ведущие в процессах жизнедеятельности клетки.

Вязкость - в протоплазме — свой­ство, «присущее жидкостям» обладающим внутренней структурой. Основу ци­топлазмы составляют глобулярные белки, способна к обратимым глобулярно-фибриллярным изменениям.

«Основное в-во» цитоплазмы - цитозоль, заполняющее про­стр-во между клеточными органеллами. Цитозоль содержит систе­му микрофиламентов. Крупные молекулы - белки и в меньшей мере РНК - образуют коллоидные растворы - мб золем (невязким) или гелем (вязким).

Взаимодействие гидратированных ионов КС 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 (рис).

Цитоплазма обладает признаками жидкости (текучесть) и твердого тела (эластичность). Количественно вязкость выражают силой (на единицу поверхности двух слоев), которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Простой способ определения вязкости жидкости – по скорости движения через нее тел сферической формы с известными плотностью и размером. Закон Стокса - абсолютная вязкость: V = 2g(D-d) r² / 9n, где г - радиус падающего тела; D - плотность падающего тела; n - вязкость; d - плотность жидкости; V - скорость падения; g - ускорение силы тяжести.

Другие методы определения вязкости: метод регистрации пути частицы при броуновском молекулярном движении, плазмолитический метод определения вязкости и т. д.

Движение цитоплазмы жив и раст клетках – роль в осуществлении обмена и распределении веществ внутри клетки, характеризует уровень жизнедеятельности клетки.

Скорость движения цитоплазмы (СДЦ) сильно варьирует от несколь­ких мкм/с до десятков мкм/с и зависит от условий окружающей среды (света, температуры, pH) и от присутствия КС.

Хемодинез - индуцируемое химическими агентами движение скорости прото­плазмы. Заметное влияние на СДЦ ока­зывают КС, подавляющие обмен веществ у живых организ­мов (табл).

Ксенобиотик	Оказываемый эффект	Предполагаемый механизм действия
Хлорпромазин, Этанол	Уменьшают прониц эритроцитарной (ПЭ) мембраны для натрия	Влияют на физическое состояние мембран («уплотнение» мембран)
Парахлормерку- рибензоат, танин	Уменьш ПЭ мембраны для H2O, мочевины, глицерина и др.	Уменьшают размер гидрофильных пор в мембране
Флоридзин	Ингибирует перенос глюкозы в кл-х	Блокирует переносчик
Оубаин	Ингибирует аккумуляцию ами­нов в нервных клетках	Блокирует АТФазу - источник активного переноса
Динитрофенол	Ингибирует активный перенос лактозы в Е. coli	Снижает электрохим. градиент Н+ - источник энергии для актив переноса
Циклогексамид	Ингибирует перенос аминокис­лот и сахаров в клетки эпителия кишечника	Ингибирует биосинтез белков, участвующих в транспорте

Изоэлектрическая точка цитоплазмы. Все амфолиты способны да­вать двойственные ионы: положит и отрицат. Это амин-ты с группами NH₂ и СООН. Связь между ам-ми при образовании полипептидных цепей осу­ществляется через эти группы, поэтому свободными остаются только концевые СООН и NН₂-группы, а также СООН-группы из дикарбоновых кислот и NH₂-группы из диаминокислот. Кислые группы, теряя протон, становятся отрицательно заряженными COO' (+Н), основная группа, присоединяя протон, становится положительно заряженной NH₂ +Н⁺ — NH₃⁺.

Значение pH, при котором белок имеет минимальный электриче­ский заряд - ИЭТ. В растворе с pH, равном ИЭТ, бе­лок не движется ни к одному из полюсов, тогда как в кислой переме­щается к катоду, а в щелочной - к аноду. Это электрофорез – для разделения белков.

Различные КС, имеющие кислотные или щелочные свой­ства, способны сдвигать величину pH в ту или иную сторону и тем са­мым изменять ИЭТ цитоплазмы. Каждый белок имеет строго определен­ную величину ИЭТ в зависимости от преобладания диамино- или моно- аминокарбоновых кислот. Величина pH изоэлектрической точки некото­рых белков: казеина - 4,6-4,7; желатина - 4,6-4,7; сывороточного альбу­мина - 4,6-4,7; сывороточного глобулина - 5,4; протамина - 10-12 и т. д.

Размер зоны pH и ИЭТ - четкий показатель гетерогенности белко­вого комплекса. Поэтому оправданно определение ИЭТ поверхности клеток, цитоплазмы и органоидов.

Влияние ксенобиотиков на проницаемость мембран. Биологическая способность КС определяется их способностью взаимодей­ствовать с клеточной мембраной и, следовательно, изменять ее прони­цаемость для ионов и органических субстратов. В частности, механизм действия многих АБ связан с их влиянием на проницае­мость бактериальных мембран.

Хим соединения, вызывающие структур­ные перестройки в мембранах, могут изменять условия для диффузии других соединений как через гидрофобные липидные участки, так и через гидрофильные поры (каналы). Вещества, способные воздейство­вать на переносчики, могут влиять на транспорт соединений, которые переносятся через биологические мембраны. Активный перенос может ингибироваться также соединениями, нарушающими сопряжение ме­жду транспортной системой и источником энергии.

В клетку не проникают или плохо проникают АБ, молекулы которых обладают выраженными кислотными или основными свойствами (пенициллин, стрептомицин, новобиоцин) или АБ с молекулярной массой более 1000 Кд (бацитрацин). Хорошо проникают в клетку АБ с нейтральной или амфотерной молекулой (левомицетин, тетрациклин).