Факторы, определяющие разнообразие проявления биологической активности ксенобиотиков.

Стр 1 из 27Следующая ⇒

Основные представления о биологической активности и скрининге ксено-биотиков. Примеры скрининга. Факторы, определяющие разнообразие про-явления биологической активности ксенобиотиков.

Биологической активностью ксенобиотика называют его способность изменять функциональные возможности либо компонентов организма (in vitro или in vivo), либо живого организма в целом, либо сообщества организмов. Такое определение биологической активности означает, что практически любое химическое соединение или композиция соединений обладает тем или иным видом биологической активности. Это обстоятельство, отметим еще раз, обусловлено огромным разнообразием физико-химических компонентов живой материи, способных вступать во взаимодействие с самыми различными по своим свойствам и структуре веществами.

Было обнаружено, что даже весьма инертные в химическом отношении вещества могут обладать заметным влиянием. Так, например, вещества, не связывающиеся ни с одним поверхностно расположенным структурным элементом, не проникающие в клетки и не взаимодействующие с микромолекулярными компонентами внеклеточных жидкостей, могут вызывать заметные биологические эффекты за счет изменения осмотического давления.

Целый ряд порошкообразных веществ, характеризующихся сорбционными свойствами, таких, как кремнезем, доломит, каолин, карборунд, кажущиеся на первый взгляд лишенными биологической активности, оказались эффективными инсектицидами. Их влияние обусловлено тем, что они вызывают состояние, подобное стрессу, в результате чего в организме выделяются вещества, оказывающие на него парализующее действие.

Ксенобиотики, попавшие в клетку, могут проявить биологическую активность под влиянием дополнительных физических или химических факторов среды (например, многие красители способны к фотодинамическому эффекту при световом облучении).

Таким образом, вероятность найти биологически активное соединение среди ксенобиотиков близка к единице: однако нахождение чужеродного соединения с заданным видом биологической активности и представляющим практический интерес для человека – событие довольно редкое.

Достаточно общее определение биологической активности ксенобиотиков, большое число потенциальных мишеней приложения чужеродных соединений приводят к огромному разнообразию видов биологической активности.

Факторы, определяющие разнообразие проявления биологической активности ксенобиотиков.

- множеством биологических объектов, их состояний и протекающих в них реакций. Поскольку любой живой организм индивидуален, можно говорить об индивидуальной реакции на данный ксенобиотик;

- способом попадания в организм (доза, физическая форма вещества, временной режим введения, место введения и т. д.);

- наличием или отсутствием дополнительных воздействий, которые предшествуют, сопутствуют или следуют за введением химического соединения. Такими воздействиями могут быть другие вещества или их комбинации, другие искусственные или естественные факторы (физически-электромагнитные, гравитационные поля, температура, давление и т. д.; биологические, обусловленные влиянием, например, других организмов). Одновременное действие нескольких ксенобиотиков может изменить биологические эффекты каждого из них;

- способом, временем наблюдения, принципом подбора биообъекта, анализом информации и т. д.

Огромное разнообразие видов биологической активности ксенобиотиков приводит к необходимости провести классификацию и отбор типов этой активности применительно к нашим знаниям и целям использования веществ.

Цели определения биологической активности ксенобиотиков весьма широки – от поиска лекарств и химических генно-инженерных приемов до осуществления целенаправленного поиска химических средств управления биогеоценозами и окружающей среды в целом. При этом необходимо постоянно помнить и о всевозможных негативных проявлениях действия ксенобиотиков. В этой связи цели определения биологической активности в общем виде сводятся к следующим:

– Выявление соединений, обладающих полезными для человеческого организма свойствами, например, для профилактики и лечения болезней, расширения физиологических и интеллектуальных возможностей человека и т. д.

– Обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей у испытуемых ксенобиотиков. Особую опасность представляют такие простые виды биологической активности химических соединений, как мутагенная, канцерогенная, эмбриотоксическая и т. п.

– Нахождение ксенобиотиков, влияющих на продуктивность и биологическое равновесие естественных и искусственных экосистем. Такого рода вещества очень нужны сельскому хозяйству, микробиологической промышленности, лесному, рыбному хозяйству.

– Установление таких биологических активностей у испытуемых чужеродных соединений, которые могут вызвать неконтролируемое опасное или недостаточно прогнозируемое нарушение биологического равновесия природных экосистем. Например, способность соединений резко увеличивать вероятность гибридизации вирусов гриппа или какой-либо другой группы вирусов или микроорганизмов.

– 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.

Ранжировка целей приводит к необходимости создания системы классификации ксенобиотиков на ряд групп по характеру вызываемых ими биологических эффектов.Для осуществления указанных целей необходимо эффективное массовое испытание ксенобиотиков на биологическую активность.

Принципы организации системы тестирования биологической активности ксенобиотиков. Биологический эпиморфизм. Основные цели биотестирования.

Коэффициенты накопления различных элементов

Некоторыми растениями

Элемент	Кладофора	Низшие растения	Элодея	Высшие растения	Общее среднее
Фосфор
Кальций
Кобальт
Цинк
Рубидий
Стронций
Цирконий
Иттрий
Цезий
Церий

Одно время промелькнул ряд сообщений, к сожалению лаконичных, различных зарубежных фирм о разработке обогатительных установок для извлечения «биологическим методом» из растворов иттрия, ниобия и т. д.

Накопительные свойства растений используются для поиска полезных ископаемых (так называемые фитогеохимические методы). Повышенное содержание многих элементов в почве приводит к резкому увеличению их содержания в растениях. Анализ золы растений-концентраторов позволяет осуществлять выделение биогеохимических провинций. Более того, определенные виды растений имеют склонность произрастать в местах с преобладанием тех или иных элементов (мать-и-мачеха, вьюнок – почвы, богатые кальцием, определенные виды лебеды – на засоленных почвах).

Накопительные свойства водорослей используются для контроля радиоактивности вод Мирового океана – радиоальгологический анализ.

Примерный перечень тест-объектов и тест-реакций, используемых в

Сейчас такое противопоставление понятий «физический» и «химический» представляется бессмысленным. Лэнгмюр показал четкую взаимосвязь между физикой и химией этих взаимодействий: каждое вещество обладает определенными физическими свойствами, всегда обусловленными химическими особенностями его структуры. Таким образом, нельзя противопоставлять химические и физические свойства вещества – они являются лишь разными проявлениями одной и той же сущности.

Например, повышение температуры воды до точки кипения является, казалось бы, чисто физическим процессом. Однако, как показал Лэнгмюр, на самом деле при этом происходит деполимеризация, сопровождающаяся разрывом бесчисленного множества водородных связей между молекулами воды, т. е. фактически протекает химическая реакция.

Рассмотрим наиболее важные типы химической связи: ковалентные, ионные (электростатические), водородные и ван-дер-ваальсовы. Эти основные типы могут подразделяться на множества отдельных разновидностей. Образование или разрыв любой из этих связей представляет собой истинную химическую реакцию, протекающую с заметным изменением энергии.

Однако если вещество отмывается от ткани с трудом, то это еще не значит, что оно связано с тканью ковалентной связью. В этом случае может происходить физическое включение ее молекул в изгибы молекул биополимера.

Электростатические взаимодействия. Связи, образованные электростатическими силами, играют важную роль при взаимодействии веществ с мембранными структурами, точно так же, как при реакции субстратов с ферментами. Это объясняется тем, что в подобных процессах участвуют силы с большим радиусом действия; в данном случае притяжение атомов происходит на большом расстоянии. Таким свойством обладает только этот тип связей. Другая характерная особенность – легкость обмена ионов. В биологических средах, содержащих много конкурирующих ионов, продолжительность существования таких связей может составлять 10–5с именно вследствие ионного обмена. Тем не менее электростатическая связь между веществом и рецептором может происходить в течение длительного периода времени, особенно если расстояние между ними способствует образованию еще и короткодействующих связей, таких как водородные и ван-дер-ваальсовы.

Наиболее часто электростатические связи возникают между ионами (отсюда их название «ионные»). Кроме того, они могут существовать и между ионом и диполем или между двумя диполями. Все они образуются за счет чисто электростатических сил. Энергия ионной связи составляет примерно 20 КДж/моль, причем ее прочность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между разноименными зарядами.

Типичный пример соединений с ионной связью – хлорид натрия (Na+Cl–). В водном растворе ион может двигаться почти свободно в поле действия своего противоиона. Другими словами, ионная связь не имеет строгой направленности в пространстве.

Ион-дипольную связь легко представить себе, если вспомнить, что многие неионизированные вещества имеют очень большие дипольные моменты, и поэтому некоторые из составляющих их атомов несут частичный положительный, а другие частичный отрицательный заряды. Такие молекулы могут притягиваться ионами и образовывать с ними связь (с частью молекулы, обладающей зарядом, противоположным по знаку заряду иона). Такие связи несколько слабее, чем чисто ионные связи. Самым общеизвестным примером ион-дипольной связи можно считать присоединение молекул воды ко всем ионам (в водном растворе), за счет чего возникают гидратированные ионы, резко отличающиеся по своим свойствам от негидратированных ионов в кристаллах.

Водородные связи образуются лишь при очень малом расстоянии между взаимодействующими атомами и достаточно строго ориентированы в пространстве, поэтому они обладают высокой избирательностью и направленностью, что очень важно при связывании вещества с рецептором. Кроме того, они играют основную роль в стабилизации конформаций молекул белков и нуклеиновых кислот.

Высокая концентрация положительного заряда в исключительно малом объеме дает возможность атому водорода выступать в роли связующего между двумя электроотрицательными атомами (в основном между О, N и F), например: – О–Н∙ ∙ ∙ N–. Атом, участвующий в образовании водородной связи, должен обладать октетом валентных электронов, в котором по крайней мере одна пара электронов остается неподеленной. Атомы, связанные водородной связью, могут находиться в одной и той же или в разных молекулах. Энергия связи обычно составляет 12–20 КДж/моль. Для образования водородной связи атомы должны располагаться на одной прямой с группой ОН или NH и на определенном расстоянии от нее (например, для связи О–Н∙ ∙ ∙ О это расстояние должно быть равным 0, 27 нм). Естественно, что они легко разрываются при нагревании.

Чем больше различие в сродстве к электрону у двух атомов, связанных водородной связью (даже если это атомы одного элемента, например азота), тем она прочнее. Этот тип связи зависит от природы атома. Водородные связи с атомом серы слабее, еще слабее водородные связи с атомами галогенов (за исключением фора); водородную связь с атомами углерода с трудом удается обнаружить.

Типичными примерами твердых веществ, механические свойства которых определяются в основном водородными связями, являются лед, бумага, нейлон.

Ван-дер-ваальсовы связи (или «силы» – по другой номенклатуре) могут возникать только в тех случаях, когда геометрия двух молекул дает возможность двум атомам, способным к образованию связи, подойти друг к другу на достаточно близкое расстояние. Многие полагают, что этот тип связи имеет первостепенное значение в соединении веществ с рецептором. Наличие в молекуле ксенобиотика ионизированной группы способствует сближению молекул до расстояния, на котором начинают действовать ван-дер-ваальсовы силы. Примером таких связей может служить взаимодействие между антигеном и его антителом, которое происходит исключительно за счет сил с малым радиусом действия, т. е. ван-дер-ваальсовых и водородных связей.

Ван-дер-ваальсовы связи образуются благодаря тому, что все молекулы обладают энергией, достаточной для колебаний их атомов. Временные диполи, возникшие в атомах за счет этих колебаний, индуцируют диполи в других, соседних молекулах, что в конечном итоге и приводит к возникновению притяжения между ними. Таким образом, в результате тесного контакта может возникнуть очень прочная связь, энергия которой, например, может составлять 20 КДж/моль.

Энергия ван-дер-ваальсовых сил изменяется обратно пропорционально седьмой степени расстояния, этим и объясняется то, что они действуют только на очень коротких расстояниях. (Так, если расстояние между двумя атомами увеличивается в 2 раза, притяжение между ними падает до 1/128 исходной величины; при ионной связи притяжение снизилось бы только до 1/4 начального значения, а величина диполь-дипольного взаимодействия – до 1/8.)

Непосредственно измерить прочность ван-дер-ваальсовых взаимодействий нельзя, однако их значения можно рассчитать. Прочность ван-дер-ваальсовой связи увеличивается с возрастанием относительной атомной массы (ОАМ), она пренебрежимо мала для атомов водорода и составляет примерно 2 КДж/моль для атомов с ОАМ 12–16, что играет важную роль во взаимодействии вещества с рецептором.

Из всех сил межатомных взаимодействий с достаточной достоверностью можно вычислить силы ион-ионного, ион-дипольного и диполь-дипольного взаимодействий. (Понятие «диполь» здесь означает постоянный диполь, величина и ориентация которого известны или могут быть легко определены, в то время как ван-дер-ваальсовы силы действуют между осциллирующими диполями.)

Эрлих первым подчеркнул, что действие лекарственных веществ обусловлено образованием именно нековалентных связей: ионных, водородных и ван-дер-ваальсовых. В случае образования ковалентных связей между агентом и рецептором,

Принципы классификации ядов

Общие	Специальные
По химическим свойствам (химическая)	По типу гипоксии (патофизиологическая)
По целям применения (практическая)	По механизму взаимодействия с ферментными системами (патохимическая)
По степени токсичности (гигиеническая)	По характеру биологического последствия отравлений (биологическая)
По виду токсического действия (токсикологическая)	По степени канцерогенной, мутагенной и прочих видов активностей
По избирательной токсичности

Яды в целом делят на две группы: общие, основанные на каком-либо одном принципе оценки, и специальные, отражающие связь между отдельными физико-химическими или другими признаками веществ и проявлениями их токсичности (табл. 2.2).

В зависимости от источника происхождения и практического применения токсические вещества (яды) подразделяют на следующие группы:

1. Промышленные яды, к которым относятся органические растворители (дихлорэтан, тетрахлорметан, ацетон и др.); вещества, применяемые в качестве топлива (метан, пропан, бутан); красители (анилин и его производные; фреоны); химические реагенты, полупродукты органического синтеза и др.

2. Химические удобрения и средства защиты растений, в том числе пестициды, направленные на уничтожение вредных насекомых, сорных растений, грибов и т. д.

3. Лекарственные средства и полупродукты фармацевтической промышленности.

4. Бытовые химикаты, используемые в качестве инсектицидов, красителей, лаков, парфюмерно-косметических средств, пищевых добавок, антиоксидантов.

5. Растительные и животные яды.

6. Боевые отравляющие вещества.

Широкое признание получила гигиеническая классификация ядов, предложенная С.Д. Заугольниковым с сотр. (1970), в основу которой положена количественная оценка токсической опасности ХС согласно экспериментальным оценкам величин LC₅₀, LD₅₀ и ПДК (табл. 2.3)

Таблица 2.3

Факторы, определяющие разнообразие проявления биологической активности ксенобиотиков.

- способом, временем наблюдения, принципом подбора биообъекта, анализом информации и т. д.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒