Реакции биотрансформации неорганических ксенобиотиков.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 27Следующая ⇒

О метаболизме чужеродных неорганических веществ известно мало по сравнению с органическими. С помощью высокочувствительных аналитических методов, таких как активационный анализ, показано, что в тканях обычно присутствуют в следовых количествах многие металлы, хотя их биологическая функция, если таковая имеется, не всегда известна. Поэтому больше внимания уделяется именно органическим соединениям. Тем не менее, в настоящее время уже известны реакции трансформации отдельных неорганических соединений, происходящие в живых организмах. Нельзя также не считаться и с тем фактом, что многие металлы способны образовывать с органическими веществами хелатные соединения и другие комплексы. Эти комплексы, как правило, являются для организма чужеродными, хотя бы на первом этапе их поступления. Не исключено, что при последующем распаде хелатобразованного комплекса составляющие его агенты окажутся также ксенобиотиком для определенных организмов.Известно много веществ (лигандов), способных связываться с металлами. Они часто образуют с ними хелатные соединения. Если металл оказывается заключенным в лиганде между такими элементами, как N, O или S, то образуется хелатное кольцо.

H₂ N

Cu⁺

H₂C

H₂ N

Cu²⁺

H₂C

N H₂

Cu²⁺

H₂N–CH₂–CH₂–NH₂ (этилендиамин)

H₂N–CH₂–CO₂ (глицин-анмон)

^-O₂C–CO₂ (анион щавелевой кислоты)

Рис. 9.1. Три основных типа комплексов (стехиометрия 1: 1) Стрелки в кольце показывают направление смещения в норме неподеленной пары электронов от атомов O, N или S к металлу

При содержании двух электронодонорных групп заряд катиона металла при образовании хелатного соединения не меняется (этилендиамин). Лиганды могут содержать также одну электронодонорную и одну анионную группы, как в глицине. В этом случае заряд металла уменьшается на единицу. И наконец, лиганд может содержать две анионные группы (например, щавелевая кислота), в этом случае заряд металла уменьшается на две единицы. Образование хелатных связей атомами кислорода и азота происходит обычно лишь в тех случаях, когда при этом получаются пяти- и шестичленные циклы. Пятичленные циклы значительно стабильнее. Однако при образовании хелатных связей через серу возникают устойчивые четырехчленные циклы (рис. 9.2).

Часто необходимо знать общую константу устойчивости (b), представляющую собой произведение частных констант. Произведение двух частных констант обозначают как b₂ (b₂ = q₁× q₂ в случае соединения катиона металла с двумя молекулами лиганда, с тремя молекулами – b₃= q₁× q₂× q₃ и т. д.).

Константы устойчивости обычно определяют потенциометрическим титрованием лигандов в присутствии или отсутствии металла и обработкой результатов посредством довольно сложных вычислений.

Следует подчеркнуть, что понятие «лиганд» относится не ко всем присутствующим в системе молекулам органического соединения, а только к части, находящейся в соответствующей форме, которая может связывать катион металла. В случае этилендиамина, глицина и щавелевой кислоты лигандами могут служить неионизированные молекулы, моно- и дианионы соответственно. Поэтому, если при сравнении относительной реакционной способности лигандов при физиологических условиях пользуются константами устойчивости, необходимо учитывать и значения рКа лигандов.

По сравнению с ферментами, обладающими высокой специфичностью в отношении определенного металла, среди синтетических металлосвязывающих агентов подобная избирательность встречается значительно реже. Металлы по своему сродству к большинству хелатирующих агентов располагаются примерно в следующем порядке (от наибольшего сродства к наименьшему):

Fe³⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, Al³⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺.

Некоторые из приведенных двухвалентных металлов расположены друг за другом в периодической системе следующим образом (в скобках указаны атомные номера): Mn (25), Fe (26), Co (27), Ni (28), Cu (29), Zn (30). В этом ряду, называемом первым рядом переходных элементов, сродство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается, достигая максимума у меди (Cu²⁺). Повышение сродства к хелатирующим агентам является следствием уменьшения ионного радиуса. Эта зависимость позволяет объяснить последовательность расположения металлов в приведенном выше ряду. С увеличением валентности металла происходит уменьшение его радиуса, поэтому неудивительно, что Fe³⁺ имеет большее сродство, чем Fe²⁺, и ионы трехвалентных металлов располагаются в начале ряда, тогда как одновалентные – в конце. Приведенный порядок увеличения сродства металлов к хелатирующим агентам сохраняется для большинства лигандов.

Хелатообразование зависит от степени ионизации хелатообразующих агентов. Вещества, обладающие меньшим сродством к металлам (на что указывает более низкая константа устойчивости), за счет различий в значениях рКа могут образовывать значительно больше анионов, чем другие агенты.

В этом случае вещество, обладающее меньшим сродством к металлу, может присоединить большее количество катионов металла, чем вещества, у которых это сродство больше. Это объясняется тем, что для хелатообразования необходимо не только наличие сродства между лигандом и металлом, но также быстрое образование анионов лиганда из агента (или молекул лиганда). Таким образом, существует своего рода конкуренция между константами устойчивости и константами ионизации.

Большинство металлов легче соединяются с лигандами, содержащими кислород, чем серу. Однако Cu⁺, Ag⁺, Hg²⁺, As⁺ и Sb³⁺ отдают предпочтение сере; у Cu²⁺, Ni²⁺ и Co²⁺ сродство к сере несколько выше, чем к кислороду, если сера находится в неионизированном состоянии, как, например, в органических сульфидах.

Еще одним фактором, влияющим на относительное сродство ряда металлов, служит изменение окислительно-восстановительного потенциала металла, вызванного образованием хелатных соединений с металлами, имеющими переменную валентность (например, Cu, Fe, Co, Mn, Mo, V).

Вследствие хелатообразования такие металлы могут даже изменять первоначальную валентность.

Следует помнить, что величины потенциалов колеблются от плюс 2 В для наиболее сильных окислителей до минус 2 В для самых сильных восстановителей. В качестве примера можно привести соединения кобальта. Соли двухвалентного кобальта обычно устойчивы в водных растворах, тогда как соли трехвалентного кобальта мгновенно разлагаются водой с выделением кислорода. Тем не менее после образования хелатного соединения с этилендиамином потенциал падает настолько резко, что комплекс с двухвалентным кобальтом легко окисляется до более стабильного соединения.

Рассматривая другие аспекты взаимодействия металл–лиганд, следует отметить, что металл может изменять избирательность органического лиганда:

а) влияя на распределение электронов в лиганде;

б) повышая реакционную способность активного центра лиганда;

в) вызывая изменение конформации лиганда;

г) обеспечивая возможность присоединения или отрыва электрона;

д) увеличивая липофильность лиганда и, следовательно, его способность проникать в живую клетку.

Биологические эффекты хелатирующих агентов определяются действием самих металлов на отдельные клетки, органы и т. д.

Живые организмы нуждаются в катионах металлов, обеспечивающих протекание многих жизненно важных процессов. Более того, многие из этих металлов необходимы для всех форм жизни. Медь, железо, молибден, кобальт и иногда марганец принимают участие в окислительно-восстановительных процессах; действие цинка, магния и марганца связано с процессами гидролиза и переноса групп; кальций играет наиболее важную роль при создании гибких или жестких структур, а также может инициировать реакцию, вызывая по-видимому, структурные изменения (подобное действие иногда проявляет и магний), является вторичным мессенджером. Натрий и калий, благодаря их распространенности, служат переносчиками заряда; они очень слабо связываются и поэтому могут быстро обмениваться.

Когда речь идет о тяжелых металлах, то многие из них необходимы в следовых количествах. Повышенные же их концентрации в организме вызывают токсические эффекты.

Однако, ряд металлов, например свинец, ртуть и др., являются чужеродными. Токсическое действие чужеродных металлов часто обусловлено антагонизмом катионов. Так, например, свинец – известный нейротоксин, вытесняет кальций из некоторых отделов нервной системы и тем самым препятствует выделению нейромедиаторов. В 1960 г. широко распространившееся загрязнение восточного побережья Японии кадмием в сочетании с низким уровнем поглощения кальция привело к развитию у людей мучительной болезни – одной из разновидностей остеомиелита. Выяснилось, что причина этого заболевания – антагонизм кадмия и кальция.

С другой стороны, известны случаи синергического действия металлов. Например, показано, что внесение отдельных металлов в концентрациях, соответствующих предельно-допустимым (Канада, США), в культуру водорослей хлорелла, сценедесмус и других не влияло на рост клеток, тогда как их смесь сильно подавляла рост, даже при более низких концентрациях.

В общем случае, если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжелый ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в присутствии тяжелых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если организм получает слишком много металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества.

Примером такой двухфазной реакции может служить действие меди на овес: как избыточное, так и недостаточное количество этого металла наносит вред процессам его роста и развития (см. рис. 7.1).

Рост микроорганизмов также часто зависит от концентрации одного или нескольких катионов металлов в питательной среде: следует избегать как избыточных, так и недостаточных концентраций, так как в любом случае рост будет заторможен.

Наличие двухфазной реакции организма на металлы свидетельствует о существовании двух разных механизмов действия хелатирующего агента в биологических системах: I – удаление металлов из клетки или «маскировка» их в клетке (в виде комплексов) и II – накопление в клетке металлов в большем количестве, чем в обычных условиях. Дальнейшее подразделение зависит от того, являются ли исследуемые металлы жизненно важными или токсичными для организма.

Механизм I. Большинство хелатирующих агентов, биологическое действие которых осуществляется по механизму I, получили распространение в качестве антидотов, предназначенных для «маскировки» или удаления из организма токсичных металлов, случайно попавших в организм, т. е. в этом случае происходит уменьшение токсического действия металла в результате хелатообразования.

Первый антидот – димеркапрол был синтезирован в 1940 г. в качестве антидота при отравлениях мышьяксодержащим боевым отравляющим веществом. В настоящее время его часто применяют для лечения отравлений соединениями золота, ртути (в виде неорганических и органических соединений), сурьмы и мышьяка.

Ряд хелатирующих агентов широко используются в клинике в качестве антидотов при профессиональных и бытовых отравлениях, хронических интоксикациях металлами, вызванных передозировками лекарственных препаратов, а также для ускорения выведения из организма радиоактивных элементов. Для этих целей хелатирующие вещества начали применять только с 1945 г. Такие антидоты должны циркулировать в крови, не вызывая уменьшения концентрации жизненно важных тяжелых металлов. При этом необходимо строго контролировать их дозу. Для того чтобы антидот смог проникать в клетку в небольших количествах и быстро выводиться из организма, его молекулы должны содержать полярные (желательно легко ионизирующиеся) группы, например ОН, СООН, SH, NH₂. Эти группы должны присутствовать в избытке, чтобы по меньшей мере одна из них оставалась свободной после насыщения антидота металлом. Кроме того, обычно создают такой антидот, чтобы его хелатные комплексы не могли проникать в клетки из кровотока и легко выводились почками.

Лишь в редких случаях сам агент, связывающий металл, оказывается токсичным для организма. Однако «маскировка» может приводить и к негативным результатам.

Наиболее изученное соединение, чье повреждающее действие связано с явлением «маскировки», – синильная кислота. Она связывает свободные валентности железа в цитохромоксидазе, не затрагивая при этом четырех его связей с порфириновым ядром. Таким образом, фермент лишается возможности соединяться со своим субстратом, и дыхание прекращается. У многих видов это приводит к немедленной гибели организма.

Механизм II (накопление) обусловлен таким явлением, как перевод вещества из одной формы в другую, и облегчает поступление ксенобиотика в организм.

В качестве примера можно привести использование хелатообразования для подкормки деревьев железом. Хотя железо содержится в почве в больших количествах, но оно часто находится в недоступной для растения форме. Только в присутствии в почве соответствующих бактерий железо становится доступным для растений, так как микроорганизмы растворяют его с помощью гидроксаматсидерофоров. Такие железоорганические комплексы накапливаются в почвах в количествах, достаточных для питания растений. Отсутствие полезных бактерий можно компенсировать опрыскиванием почвы этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА), экстрагирующей железо путем образования комплекса железо – ЭДТА, который поглощается корнями растений. В процессе метаболизма органическая часть комплекса разрушается, а неорганическая (железо) – остается и используется растением.

Растения сами содержат специальные химические соединения, способные связывать железо. Многие злаковые культуры выделяют в почву мугиниевую кислоту, способную образовывать с ионом железа (Fe³⁺) комплекс, который затем поглощается и используется растениями. Из-за отсутствия необходимого количества железа у растений наступает хлоротическое состояние, и они увядают.

Другой пример использования хелатных соединений – инъекция больным, страдающим недостатком кальция, комплекса кальция с глюконовой кислотой, медленно разрушающегося в организме с выделением ионов кальция.

Наиболее изученные примеры действия хелатирующих агентов по механизму II можно найти среди бактерицидов и фунгицидов. Сущность второго механизма связана также с такими явлениями, как кооперативный эффект и эффект распределения.

Кооперативный эффект – явление возрастания химической активности ксенобиотика вследствие хелатообразования. Это можно показать на примере неорганических солей железа, обладающих некоторой каталазной и пероксидазной активностью, возрастающей во много раз при включении железа в порфириновое ядро, связанное со специфичным белком. Аналогично ионы меди катализируют окисление аскорбиновой кислоты на воздухе, но этот эффект многократно увеличивается при включении меди в аскорбиноксидазу.

Подобный кооперативный эффект может иметь место и в отсутствие белков. Нередко при добавлении комплексообразующего соединения с целью дезактивации металла наблюдается обратное явление: образующийся комплекс оказывается более активным катализатором. Токсическим действием обычно обладают металлы, способные изменять валентность, особенно медь и железо. Кооперативный эффект чаще всего проявляется в тех случаях, когда прибавляется недостаточное количество комплексообразующего агента, т. е. образуется ненасыщенный комплекс.

Эффект распределения. Известно, что клеточные мембраны точно регулируют поглощение катионов тяжелых металлов, поскольку даже жизненно важные катионы, необходимые в следовых количествах, в избытке оказываются токсичными. Так, железо токсичнее, чем обычно полагают; пероральное введение больших доз сульфата двухвалентного железа может привести к некрозу печени человека, наступающему через 48 часов. Однако комплексы, не имеющие заряда, жирорастворимы и поэтому способны проникать через клеточные мембраны, которые не могут регулировать их проникновение. Комплексы двухвалентных металлов с щавелевой кислотой, а также с глицином в соотношении 2: 1 и им подобные не имеют заряда и поэтому легко проникают в клетки. В последнем случае может происходить их накопление в разных органах и тканях.

Очевидно, что в ряде случаев возникает необходимость создания новых хелатирующих агентов. При их изыскании следует прежде всего иметь в виду биологическую активность этих соединений. Ни один хелатирующий агент не активен в биологической среде, если константы устойчивости его компонентов по меньшей мере не столь же высоки, как у комплексов обычных аминокислот, например глицина. Однако и у веществ с очень высокими константами устойчивости трудно ожидать наличия биологической активности, так как потеря таких веществ в результате их насыщения металлом происходит еще до того, как они достигнут места действия.

При поиске новых хелатирующих агентов необходимо знать место их биологического действия: например, внутри или снаружи клетки. Если молекула должна проникнуть в клетку, то необходимо ввести липофильные группы. Для этой цели используют атомы углерода, галогенов, водорода и серы, а атомы азота и кислорода придают молекулам гидрофильные свойства. Контроль можно проводить по величине коэффициентов распределения в системе масло–вода.

Очень небольшие изменения в химической структуре молекулы ксенобиотиков могут вызывать значительные сдвиги в величинах коэффициентов распределения.

Увеличить способность вещества проникать в клетки можно не только повышая коэффициент распределения, но и используя лиганды, сходные с природными субстратами, например аминокислоты, углеводороды и т. д.

Современные проблемы поиска хелатирующих средств связаны с одной стороны, с вопросами детоксикации и обезвреживания тканей, поврежденных химически токсичными или радиоактивными металлами, и с другой, необходимостью предупреждения хелатообразования, как например, в случае кариеса зубов, преждевременного старения из-за потерь кальция из костной ткани и т. д.

О метаболизме чужеродных неорганических соединений имеется значительно меньше сведений по сравнению с органическими.

Рассмотрим примеры некоторых из известных в настоящее время реакций биотраснформации неорганических ксенобиотиков.

Реакции восстановления атомов с переменной валентностью. Трансформация арсенатов As⁵⁺ в арсениты с As³⁺, селенатов с Se⁶⁺ в селениты Se⁴⁺, хлоратов Cl⁺⁶в хлориты Cl⁺⁴. При трансформациях этого типа токсичность вещества нередко возрастает.

Реакции метилирования. Недавно было доказано, что микроорганизмы могут использовать реакции метилирования для превращения металлов в металлорганические соединения. Особое значение имеет способность некоторых микроорганизмов превращать ионы ртути в метил- и диметилртуть:

Hg²⁺ + донор метильной группы ® CH₃ – Hg⁺,

CH₃ – Hg⁺ + донор метильной группы ® CH₃ – Hg⁺ – CH₃.

Организмы, способные осуществлять эти реакции, в своих обычных метаболических процессах используют трансметилирование, образуя такие соединения, как метан; в этих системах могут реагировать также и металлы.

В этой связи повышается опасность отравления живых организмов. В отличие от металлической ртути метилртуть почти полностью поглощается организмом и лишь незначительная часть выводится из него. Метилртуть распределяется во всех тканях, тогда как неорганическая ртуть накапливается главным образом в печени и почках. Кофактором, принимающим участие в переносе метильной группы к иону ртути, является метилкорриноид – вещество, содержащее витамин В₁₂.

Неорганическое соединение мышьяка трансформируется с образованием триметилированного производного:

СН₃ │ _½

As₂O₃

Scopulariopsis brevicaulis

CH₃ – As – CH_3.

На основании представлений об условиях протекания процесса метилирования была предпринята попытка оценить способность других металлов участвовать в этой реакции. Считают, что олово, палладий, золото, серебро и таллий также могут метилироваться, тогда как свинец, кадмий и цинк не способны вступать в эту реакцию. Такой вывод обусловлен тем, что алкины свинца, кадмия и цинка в водных растворах неустойчивы, а также тем, что витамин В₁₂ не переносит метильные группы к этим элементам. Очевидно, что способность металлов участвовать в метаболических процессах и превращаться в металлорганические соединения должна учитываться в оценке их потенциальной значимости для окружающей среды.

Реакции конъюгации. Неорганический цианид обезвреживается в живых организмах конъюгацией с серой, в результате которой образуется тиоцианит:

SSO₃^2- + CN^- ® SO₃^2- + SCN^-

Процесс катализирует роданаза. Фермент находится в митохондриях печени различных видов животных и растений. Донорами серы служат тиосульфаты, тиосульфонаты, полисульфиды.

Цианиды также обезвреживаются при взаимодействии с глюкозой. Глюкоза, соединяясь с синильной кислотой (HCN) и другими цианидами, образует нетоксичное соединение – цианигидрин:

Метгемоглобин способен быстро присоединять к себе цианид-ион, связывая его в кровяном русле и предохранять таким образом дыхательные ферменты. Реакция взаимодействия метгемоглобина (нитрит натрия – сильный метгемоглобин- образователь) с цианид-ионом, приводящая к образованию нетоксичного комплекса – цианметгемоглобина, протекает по схеме:

Hb(Fe³⁺)

нитрит

MtHb(Fe³⁺) + CN

CNMtHb(Fe³⁺)

гемоглобин

метгемоглобин

цианметгемоглобин

Белки с низкой молекулярной массой и высоким содержанием цистеина (металлотионины) связывают ионы тяжелых металлов. Наиболее изучено связывание ими кадмия, хотя они могут связывать и др. металлы.

Путь биотрансформации сернистого газа (SO₂). Довольно подробно изучен в растениях. Первая стадия – окисление в сульфиты (SO₃^2-) и сульфаты (SO₄^2-) происходит в клеточной стенке при участии пероксидазы, затем происходит включение в фотосинтетический метаболизм серы (рис. 9.4.).

H₂S

SO₃^2- « HSO₃ « H₂SO₃ H₂O

SO₄^2-

Fd_восст

Fd_окисл

АТФ ¯ АФS ¯ CS – SO₃ hn¾ ® ¯ CS – SH AS

глута- цис- L-мети- тион теин онин

цитоплазма

Рис. 9.4. Биотрансформация сернистого газа растениями. Пояснения в тексте

Аденозинфосфосульфат (АФS) – первый продукт в реакции взаимодействия SO₄^2- с АТФ. Активированный сульфат (фосфо-АФS) связывается с серосодержащим переносчиком белковой природы (СS) и образуется комплекс C–SO₃, который восстанавливается до сульфида (CS–SH) при участии света через ферродоксин (Fd_восст, Fd_окисл). При переносе на о-ацетилсерин (AS) образуется цистеин и метионин. В случае высокого содержания сульфаты аккумулируются в виде глутатиона.

Если восстанавливающая сила превышает имеющиеся в наличии источники углерода, сера, соединяясь с водородом, образует дисульфид (H₂S), который теряется в результате газового обмена.

Тем не менее эффективность реакций детоксикации ограничена. При продолжительном поглощении SO₂ и увеличении кислотности буферная способность цитоплазмы становится недостаточной, уровень сульфитов в хлоропластах увеличивается, и SO₂ занимает места связывания СО₂ на рибулозодифосфаткарбоксилазе. В результате этого происходит ингибирование вторичных процессов фотосинтеза и разрушение третичной структуры ферментов.

Таким образом, как мы уже упоминали, наши познания в процессах метаболического превращения неорганических ксенобиотиков по сравнению с органическими соединениями весьма ограничены; основные причины были указаны в процессе изложения. Однако в связи с нарастающим техногенным прессом (радиоактивное загрязнение – при распаде урана образуются рутений, церий, плутоний, америций и др.) необходимо углубление наших знаний в области биотрансформации неорганических ксенобиотиков.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒