Молекулярно-биологические эффекты влияния токсикантов на живые системы

Объем биоаккумуляции вредного вещества зависит преж­де всего от его свойств, условий окружающей среды, экзо­генных факторов и эндогенных факторов самого организма. Вредные вещества могут поступать из воды и воздуха (прямое поступление) или по цепи питания (косвенное поступление).

Баланс между процессом поступления вредного вещества, с одной стороны, и накоплением и выделением — с другой, в большей степени зависит от внутренних процессов в ор­ганизме, т. е. от его способности к накоплению и выделению вредных веществ.

Некоторые организмы создали некие механизмы поддер­жания процесса накопления в определенных «переносимых» границах. Например, рыбы и ракообразные перерабатывают (метаболизируют) ароматические углеводороды легче, чем большинство моллюсков. Кроме того, организм рыбы спосо­бен регулировать содержание меди и цинка в мышцах, однако не может этого делать в отношении ртути (болезнь Минамата). Многие водные насекомые накапливают в своем теле ме­таллы на уровне их концентрации в окружающей среде.

При очень малых дозах воздействия металлов некоторые ферменты осуществляют отложение металлов про запас «под контролем», причем откладывают эти металлы в форме ме-таллорганических соединений, содержащих серу. Тиольные группы меркаптанов (буквальный перевод «улавливающие ртуть»), например, имеют кислотные свойства и образуют с ионами тяжелых металлов соли (меркаптяды). Эта реакция со­ответствует одному из самых известных конкурентных путей торможения активности ферментов, при том Au, Cd, Hg, Pb и Zn являются предпочтительными реакционными партнерами. Такие металлорганические соединения, содержащие серу, на­зывают металлотионинами.

В последних работах по исследованию токсических по­следствий табакокурения показано, что в коре почек челове­ка обнаруживается высокая концентрация тионина кадмия. Заядлые курильщики относятся к лицам, подвергающимся высокой дозе воздействия этого металла, что может привести к хроническому почечному отравлению кадмием и необрати­мым нарушениям проксимальных трубчатых клеток почек.

У курящих обнаружено увеличенное в два раза, по сравне­нию с некурящими, содержание кадмия в коре почек. Свыше 50% кадмия откладывается в виде металлотионинов, осталь­ной кадмий связан с лигандами иной природы. Содержание цинктионинов остается неизменным при увеличении количе­ства кадмия в коре почек. В то же время концентрация кадмия постепенно увеличивается, что может привести к функцио­нальным расстройствам.

Многие ферменты специфически ингибируются химиче­скими веществами, поступающими в организм из окружаю­щей среды. Такое ингибирование происходит, в частности, в результате реакции активной тиольной группы с окислителем. При этом меркаптаны через соединения серы, аналогичные пероксидам, преобразуются в сульфоновые кислоты, а затем в дисульфиды. Так, цистеин переходит в цистин с образованием дисульфидного мостика. Преобразование в пептидах и белках нескольких групп цистеина приводит к потере каталитиче­ской активности некоторых ферментов.

Цианиды тормозят ферментативные реакции различными путями: образуют стабильные комплексы со многими ионами металлов либо устраняют их и переводят фермент в дезакти­вированную форму, Цианиды реагируют также с карбониль­ными и простетическими группами или разрывают дисуль-фидные мостики. Наиболее известно блокирование фермента дыхания — цитохром-С-оксидазы, содержащей медь и осу­ществляющей катализ, сопровождающийся изменением ва­лентности меди.

Так как ферменты катализируют тысячи химических ре­акций, становится понятным, что любое изменение их струк­туры глубоко влияет на их специфичность и регуляторные свойства. Примером может служить торможение фермента­тивной активности рибофлавинкиназы. Этот фермент явля­ется переносчиком фосфата на рибофлавин (витамин В₂) и требует наличия катионов Mg²⁺, Со²⁺, Мп²* для нормального функционирования в клетках животных. Катионы Са²^ тормо­зят активность этого фермента. В растениях же необходимы Mg²⁺, Zn²⁺ или Mn²⁺, a Hg²⁺, Fe²⁺ и Cu²⁺ оказываются сильны­ми ингибиторами.

Радиоактивное загрязнение представляет особую опас­ность для человека и среды его обитания. Это связано с тем, что ионизирующая радиация оказывает интенсивное и посто­янное пагубное воздействие на человека и живые организмы, обнаруживается только специальными приборами, а источ­ники этой радиации широко распространены в окружающей среде. Все эти вопросы составляют область науки радиоэко­логии.

Радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, приводящий к изменению их атомного номера или мас­сового числа и сопровождающийся альфа-, бета- и гамма-из­лучениями. Альфа-излучение — поток тяжелых частиц, со-^10ящик из протонов и нейтронов. Он задерживается листом бумаги и не способен проникнуть сквозь кожу человека. Одна­ко же становится чрезвычайно опасным, если попадает внутрь организма. Бета-излучение обладает более высокой проника­ющей способностью и проходит в ткани человека на 1-2 см. Гамма-излучение может задерживаться лишь толстой свинцо­вой или бетонной плитой.

Процесс самопроизвольного распада нестабильного атома называется радиоактивным распадом, а сам атом — радио­нуклидом.

Химическая индивидуальность элемента определяется его номером в периодической таблице, который вследствие элек­тронейтральности атома равен заряду ядра, т. е. числу содер­жащихся в этом ядре протонов. Следовательно, если радио­активный распад сопровождается испусканием заряженных частиц, то это приводит к изменению заряда ядра и к образо­ванию новых элементов. Второй характеристикой ядра явля­ется его масса, определяемая числом протонов и нейтронов в нем. Ядра с одинаковым зарядом, принадлежащие атомам одного элемента, могут иметь разные числа нейтронов. Ато­мы, содержащие такие ядра, называются изотопами (от греч. iso — одинаковый, topos — место). Изотопы имеют одинако­вые химические свойства и занимают одно и то же место в периодической таблице Менделеева. В зависимости от атом­ной массы, указываемой справа от символа элемента, изо­топы могут быть стабильными или радиоактивными (радио­изотопы). Например, в случае кобальта (Z = 27) изотоп Со-59 является стабильным, Со-60 — радиоактивным. В результате радиоактивного распада Со-60 появляется стабильный изотоп Ni-60 (Z = 28).

Очень большие дозы облучения, порядка 100 Гр, вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной систе­мы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения всего тела 10-50 Гр об­лученный человек обычно умирает через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При еще мень­ших дозах (1-3 Гр) смерть наступает через один-два месяца, примерно у половины облученных, главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга. Кроме этих кле­ток и других элементов кроветворной системы, повышенной чувствительностью к облучению отличаются репродуктивные органы и глаза. Однократное облучение семенников при дозе всего лишь в 0, 1 Гр приводит к временной стерильности муж­чин, а дозы свыше 2 Гр могут привести к постоянной стериль­ности. Наиболее уязвимой для радиации частью глаза являет­ся хрусталик. Выявлено, что дозы от 0, 5 до 2 Гр, полученные в течение 10-20 лет, приводят к увеличению плотности и по­мутнению хрусталика.

Дети крайне чувствительны к действию радиации. Относи­тельно небольшие дозы при облучении могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, а облучение мозга ребенка может вызвать изменения в его характере, привести к потере памяти или даже слабоумию, идиотии. Крайне чувствителен к ионизирующему облучению и мозг плода, особенно если мать подвергается его действию между восьмой и пятнадцатой не­делями беременности.

Биологические эффекты облучения осуществляются на химическом, биохимическом и клеточном уровнях (табл. 22). В зависимости от поглощенной дозы, последняя в табл. 22 стадия может завершаться детерминированным или стоха­стическим эффектом.

В случае однократного внешнего облучения всего тела по­роговая доза составляет примерно 0, 5 Гр. Второй характер­ной точкой зависимости «доза / эффект» является величина LD_50/30 — доза, соответствующая уровню смертности, равному 50% в течение 30 суток после облучения (LD_50/30= 4 Гр). Если лечение отсутствовало, то смерть всех облученных наступала при 6 Гр. Летальному исходу способствует поражение наибо­лее чувствительных к облучению клеток костного мозга, ко­торый является органом кроветворения.

Характерная особенность детерминированного эффек­та — резкое снижение устойчивости организма к инфекции: подавляется как природная сопротивляемость организма воз- будителям инфекционных заболеваний, так и формы приоб­ретенного иммунитета.

Таблица 22. Стадии радиобиологических процессов

Название	Время протекания, с	. Основные процессы
Физическая и фи­зико-химическая	10 -18 – 10 -8	Ионизация, образование соединений с ненасыщенной химической связью (ра­дикалов)
Химическая	10 -14 – 10 -4	Образование первичных повреждений ДНК (одно- и двухнитевые разрывы) вследствие реакции со свободными ра­дикалами
Биохимическая (субклеточная)	10 -4 – 10 5	Восстановление (репарация) поврежде­ний. Образование нерепарируемых по­вреждений (мутаций) в результате их взаимодействия.
Биологическая (клеточная)	103 – 108	Гибель клеток или изменение их свойств в результате мутаций.

 

 

Нарушение всех основных биохимических и физиологи­ческих процессов в результате указанного режима облучения приводит к развитию острой лучевой болезни, легкая, сред­няя и тяжелая степени которой соответствуют диапазонам поглощенных доз 1-2, 5; 2, 5-4, 0 и 4-10 Гр. Данные уровни об­лучения были подучены при взрывах американских атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки.

Уровни облучения снижаются при увеличении расстояния от эпицентра, падая от безусловно смертельных до подпоро-говых. Следует отметить резкое снижение дозы, создаваемой нейтронами атомного взрыва, в результате последовательных уточнений дозного поля.

В области малых доз, не превышающих пороговую, воз­можны различные патологические изменения организма, воз­никающие через 10-20 лет после облучения. К таким измене-ниямотносят помутнение хрусталика глаза, поражение почек, нарушение функции эндокринных желез. Наиболее серьезны­ми отдаленными последствиями облучения является возник­новение злокачественных опухолей, а также наследственных (генетических) отклонений от нормы.

Динамика воздействия земных источников радиоактив­ного излучения на население определяется периодами полу­распада естественных радионуклидов и изменением во вре­мени и пространстве размеров и контрастности аномальных радиационных зон в результате процессов привноса, выноса, миграции и отложения излучателей под влиянием природных и антропогенных факторов. Учет совместного действия вы­шеуказанных процессов связан с большими техническими и методическими трудностями. В таких случаях следует исполь­зовать выявленные закономерности поведения газообразных, жидких и твердофазных радионуклидов в многоэтажной си­стеме ландшафта (приземная атмосфера, поверхностный сток и почвенно-растительный покров, зона аэрации и подземные воды).

Радиоактивное загрязнение контролируется на уровне че­ловека, пищевой цепи и окружающей среды, экосистемы. Для этого разработаны специальные методы регистрации иони­зирующих излучений и типы дозиметров. Определяются как суммарная радиоактивность, так и отдельные радионуклиды. Максимально допустимые дозы облучения определяются со­гласно нормам радиационной безопасности, а удельная эф­фективная активность естественных радионуклидов строи­тельных материалов, удобрений — по ГОСТам.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: